产品设计平台数字化集成技术开发

前言

    随着市场经济的发展，产品制造在向个性化、多品种、小批量方向发展，制造企业面临着越来越大的竞争压力。市场要求企业在更短的时间内提供质量更好、成本更低、品种更多的产品，能否满足这种要求已经成为企业生存发展的关键所在。压力容器是化学品制造行业的关键设备，其应用特点决定了压力容器产品具有个性化、多品种、小批量等特点，制造企业需要以快速的反应响应市场需求，要求在更短的时间内为客户提供产品设计方案，甚至是完整的设计模型，能否满足这种要求，是压力容器设备制造企业在产品设计开发过程中关注的问题。

1 产品设计平台化的理论基础

    1.1 现代设计方法

    根据产品开发方式，现代设计方法将产品设计分为以下几类：

    1.1.1 在已有产品结构和模块基础上，选择模块进行配置的产品配置设计；

    1.1.2 在已有产品结构和模块基础上，可选择模块进行配置，并能根据需求对模块进行尺寸变型的产品变型设计；

    1.1.3 用户可以选择模块进行组装，并能对模块进行自动组合的产品组合设计；

    1.1.4 支持新产品开发，新模块功能设计。

    1.2 产品平台

    产品平台是一系列共享设计、公共零件和接口的集合。产品平台中的产品系列必须具有相同的市场定位和类似的功能需求，产品平台近似为系列产品和市场个性化需求的集合。

    目前基于产品平台的设计，与以往面向订单的设计有所不同，主要特点是：

    1)面向产品平台设计，是面向一系列产品的共同设计，这种设计在面向订单设计之前就已经过规划和划分产品系列和模块功能设计。

    2)产品平台设计必须定位一个或几个特定系列的产品，其中产品有比较相同或相似的结构、功能，便于分辨各单一产品之间的共性和个性元素。

    3)基于产品平台的各个功能模块，通过适当的选配、参数驱动和少量个性化设计，可快速生成满足客户需求的个性化产品。

    1.3 产品功能模块分类

    零部件功能模块的合理分类是进行参数化设计的基础，必须对企业产品产品系列中的零部件进行功能分析，进行分类，具体做法是：

    1)对产品零部件进行标准化。找出零部件的通用性，结构特征，标准化要做到零件种类，尺寸，特征形状的标准化；

    2)在标准化的基础上，对零部件进行系列化划分。对一些不符合标准化要求的零部件，对其结构特征，尺寸特征进行优化，只需对标准零件进行一般的修改即可达到使用功能；

    功能模块主要有以下三种应用类型：

    (1)共享功能模块，功能模块之间可进行直接互换替代，是共用标准模块的集合；

    (2)定制功能模块，功能模块通过参数更改扩展模块应用范围，是非标准模块的集合；

    (3)组合功能模块，功能模块之间进行相互叠加组合形成功能模块的集合，是组成产品平台的模块的集合。

2 基于产品平台的设计方法

    基于产品开发设计平台的软件系统，主要包括：产品平台建立和产品定制需求分析两大过程。产品平台建立又分为产品系列规划、产品及模块结构分析、模块间耦合接口分析和参数化配置算法分析等，这包含复杂的数学分析和三维建模及通过软件平台整合的过程。

    产品系列规划要求企业对现有产品和下一代产品，或未来扩展的产品业务进行整体分析，挖掘企业核心业务能力；产品及模块结构分析是将各产品系列进行模块化分类，重新整合分析，找出共用的功能模块，对其进行结构分析和通用性优化；模块间耦合接口分析是在模块化分析基础上，为实现模块间的有效准确的组合，需要将模块间接口的结构特征，尺寸特征转化为数学模型，为参数化设计打下基础；参数化配置算法分析是在产品各功能模块结构分析的基础上，结合产品设计方法和规则的归纳，形成产品结构设计算法，将常规设计中已固化的设计方法和经验总结转化数学模型。

    产品平台的建立过程，是在对企业客户需求、自身需求、现有产品结构分析的基础上，基于产品平台化、模块化、参数化等现代设计方法，搭建产品理论模型库，通过参数配置和个性化的设计，定制出满足用户需求的一个具体产品。

3 产品平台设计软件系统搭建

    3.1 系统功能需求分析

    产品平台设计软件系统划分为系统管理功能、产品配置功能、辅助功能3大功能模块。

    （1）系统管理功能

    产品按系列划分形成产品参数化设计平台，根据产品结构进行配置分析，实现产品系列管理功能；组织产品的结构模块分析，实现模块分类管理和扩展功能；管理三维模型参数化配置规则，实现模型驱动的规则的可更新和优化。

    一般适合大型产品快速配置设计的方法可用组合模块的方式，即按产品结构模块建模，实现定义好模块之间的接口及装配关系，并预先将设计规则定义到供选配的结构模块上，并通过参数化的模型再生，生成需要的模块，再将模块组合到事先配置好的产品系列的基础产品模型中，实现基于产品平台的快速参数化设计，最后根据用户选配需求，进行个性化的局部设计形成最终设计方案。

    （2）产品配置功能

    产品配置功能，主要是面向设计人员及用户。设计人员根据用户需求，通过配置主界面，选择产品系列模型并调整配置参数；系统中提供了经过归纳整理的知识库和基础模型，将满足用户需求的通用配置实例推荐给设计者，减少参数维护，提高设计重用度。

    （3）辅助功能

    系统根据设计者需求提供了一些辅助计算功能，满足设计者设计过程中的常规计算；提供设计图形文档的管理功能；产品系列之间存在共享的零部件库，可以建立标准零部件库，这些部件不需参数化配置，直接组合即构成了产品的部分模块。

    3.2 面向用户的参数化产品设计平台

    为方便应用集成，我们选择了具有内嵌式浏览器的PTC公司的Pro/Engineer三维设计软件作为设计软件，在浏览器内建立设计引导界面，指导设计者完成设计工作。

    用户根据所选产品系列后，即进入对应产品系列的参数维护页面，在页面左边是产品功能模块树，树中列出目前产品系列模型中基础模块、可选模块，右边对应每个模块的参数。在页面上列出的参数，有五种取值方式：下拉列表选择、固定值、通过关系表达式计算、通过条件表达式计算、通过定制的计算程序计算得到；所有计算列是不可以维护，只能查看结果。

    在用户界面友好性设计上，系统提供了在线帮助及实时校验功能。当配置参数经计算不满足校验规则时，提供自动提示参数之间约束关系错误；另外如用户需要了解具体参数的含义，可点击对应的图片的参数解析，方便用户在配置过程中及时调整配置。为验证配置的合理性，还可以随时将计算的参数结果传递给产品族模型实现模型再生，通过验证看配置结果是否满足用户需求。

    3.3 参数化建模分析

    Pro/Engineer做为三维建模工具，利用TOP-DOWN建模思想，以及Pro/Engineer中提供的布局、骨架工具，为实现参数化建模、模型驱动的提供了便捷的方法。

    3.3.1 参数的传递

    当我们为产品的设计设置了参数后，需要将这些参数进行计算并传递给基础模型，以驱动生成我们需要的设计。从参数维护页面中，通过Web.Link程序将参数值赋给模型或布局，而在模型中参数值的传递有两种方式：一是布局参数值发布共享、二是骨架的共享数据传递。

    （1）布局（Layout）可以理解为一张存储了参数名及参数值的一张二维表，并以一个独立的文件保存，可以以创建基准（可实现自动装配）和创建参数的形式，提供对于模型的管理，当建模时，可以将布局的参数发布到模型文件中，作为尺寸数值。

    （2）骨架的共享数据传递，在常规情况下当某些特征会在两个或多个零部件中使用时，这时会考虑将这些共用的特征放到骨架中去创建，各级零部件参照骨架进行建模；另外在同级零部件之间，某个零部件需要另一零部件中的某项特征时，这时只向其复制所需特征。

    图8中，在骨架中建立零部件的一些基准面、曲面等共用特征，然后将所需的特征利用插入?共享数据?发布几何方法进行发布；其后零部件在创建时利用插入?共享数据?复制几何等方法，将所需的特征复制至自身，利用这些复制来的特征进行参照建模，从而达到数据的传递，可以理解为参照建模。

    此外骨架中一些参数，可以从布局中获取，从而实现从布局、骨架到零部件的参数传递。

    3.3.2 模型中参数的获取

    在模型中使用布局的方法是，创建零部件模型，在零部件中利用文件?声明布局?选取布局名称的方法将Layout声明进来，这时布局中的参数就可以被该零件的参数引用，只要建立起零件参数和布局中定义参数之间的关系，主要修改布局中参数值，模型的参数值就会自动改变，从而实现参数驱动的效果。

    3.4 个性化零部件的动态安装

    对于客户需求的个性化零部件，我们在待选择安装的个性零件上，根据安装位置及装配要求，预先可归纳整理常见客户的需求，增加装配特征，我们同时在产品基础模型或结构模块库上也建立相应的装配特征；在用户从模型库选择装配特征进行个性化修改完成设计和安装个性化零部件，如可以配置特殊管路阀件等。

    3.5 参数驱动后的客户定制产品模型

    当用户配置结束后，我们将参数结果传递给产品系列基础模型，模型经驱动后，加上部分个性化零部件的设计，最终生成客户定制产品。

结论

    在参数化三维设计软件基础上建立产品设计平台，是解决市场中个性化、多品种、小批量订单环境下快速提高设计效率，降低设计成本的有效方法。 产品设计平台可以进一步和产品数据管理系统（PDM）整合集成，实现产品生命周期中的任务分配，执行，跟踪及管理。