基于客戶參與設(shè)計(jì)的鍛壓機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究*

練國(guó)富 肖 寧 李端發(fā) 竺長(zhǎng)安

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230027)

鍛壓機(jī)床是工業(yè)基礎(chǔ)裝備的重要組成部分之一，在汽車制造、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)榷加袕V泛的應(yīng)用。鍛壓機(jī)床產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)根據(jù)用途不同而變化，形式復(fù)雜多樣，是一種典型的多品種、小批量的機(jī)械產(chǎn)品，甚至大多以單件生產(chǎn)為主。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求進(jìn)一步縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)。因而，在設(shè)計(jì)中如何解決好產(chǎn)品種類、型號(hào)與設(shè)計(jì)制造周期之間的矛盾是推進(jìn)裝備制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要問題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)等方面做了大量的研究［1-6］。國(guó)內(nèi)也有不少學(xué)者針對(duì)大批量定制產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)做了一些研究［4-6］。然而市場(chǎng)逐漸從大批量低成本的模式轉(zhuǎn)向單件小批量個(gè)性化產(chǎn)品定制的生產(chǎn)模式。鍛壓機(jī)床是典型的多品種小批量的生產(chǎn)模式，其多品種小批量定制的產(chǎn)品特點(diǎn)決定了不同的產(chǎn)品有不同的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往在交貨時(shí)，客戶不滿意已經(jīng)定型的機(jī)床結(jié)構(gòu)，此時(shí)也不可能做出修改來達(dá)到客戶滿意的機(jī)床結(jié)構(gòu)模型。本文提出客戶參與設(shè)計(jì)的鍛壓機(jī)床快速設(shè)計(jì)模式，在競(jìng)標(biāo)或談判初期，可以讓客戶參與設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶需求，快速得到三維實(shí)體模型，使得客戶對(duì)產(chǎn)品有個(gè)整體的了解，不滿意的地方可以修改，直到客戶得到最滿意的主機(jī)結(jié)構(gòu)模型為止。

鍛壓機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)是以強(qiáng)大的三維參數(shù)化建模設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer為平臺(tái)，Pro/Engineer為用戶提供了豐富的二次開發(fā)工具，如Pro/Program、族表(family table)、Pro/toolkit等應(yīng)用程序?？焖僭O(shè)計(jì)系統(tǒng)在VC.NET環(huán)境下，利用Pro/toolkit提供的接口函數(shù)對(duì)Pro/Engineer進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)。

1 客戶參與設(shè)計(jì)的快速設(shè)計(jì)流程

1.1 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)首先要分析鍛壓機(jī)床的特點(diǎn)，研究鍛壓機(jī)床快速響應(yīng)設(shè)計(jì)原理和模式，制定出合適的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)流程，才能在快速交貨的同時(shí)達(dá)到滿足客戶需求的目的。所開發(fā)的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠使設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶需求選擇油缸數(shù)量，確定機(jī)床結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)客戶需求與產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的快速匹配，提出滿足客戶需求的機(jī)床設(shè)計(jì)方案。

快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)首先分析客戶需求(公稱壓力、開口、工作臺(tái)尺寸等)，將客戶需求與機(jī)床技術(shù)參數(shù)相匹配，再轉(zhuǎn)化為鍛壓機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)可以輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算出鍛壓機(jī)床外形尺寸、油缸參數(shù)等，最后生成鍛壓機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)文件。設(shè)計(jì)人員可以確認(rèn)或修改參數(shù)，參數(shù)可以保存為*.hpd文件以便下次重復(fù)使用;快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)也可以打開以前保存的參數(shù)文件，驅(qū)動(dòng)鍛壓機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)模板，快速得到三維實(shí)體模型給客戶確認(rèn)，如果客戶不滿意，可以修改設(shè)計(jì)參數(shù)重新設(shè)計(jì)，直到得到客戶滿意的機(jī)床結(jié)構(gòu)?；诳蛻魠⑴c設(shè)計(jì)的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.2 用戶需求與快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的匹配

用戶需求與快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的匹配通過系統(tǒng)的用戶界面模塊和數(shù)據(jù)處理模塊來實(shí)現(xiàn)。用戶的需求通過設(shè)計(jì)人員解析，將客戶需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)通過系統(tǒng)的用戶界面輸入系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊將設(shè)計(jì)參數(shù)通過一定的規(guī)則計(jì)算得到設(shè)計(jì)參數(shù)文件。設(shè)計(jì)參數(shù)文件也可以給設(shè)計(jì)人員或用戶修改，修改后保存為參數(shù)文件以便通過Pro/E讀取并獲取產(chǎn)品的三維實(shí)體模型。

用戶需求與快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的匹配首先要分析總結(jié)鍛壓機(jī)床的結(jié)構(gòu)和零件特點(diǎn)，依據(jù)鍛壓機(jī)床的快速設(shè)計(jì)模式和方法，研究具體設(shè)計(jì)參數(shù)。有些客戶能夠提出機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求，比如最大開口、滑塊行程、滑塊速度等。設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶提出的機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)獲得快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。然而有些客戶對(duì)鍛壓機(jī)床不是很了解，只能提出機(jī)床的部分技術(shù)參數(shù)或部分技術(shù)要求，這時(shí)設(shè)計(jì)人員要根據(jù)機(jī)床的壓制工藝要求，將用戶需求與機(jī)床的技術(shù)參數(shù)智能匹配，最終得到快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。如油缸設(shè)計(jì)，鍛壓機(jī)床的技術(shù)參數(shù)公稱壓力8 000 kN，而油缸的公稱力參數(shù)已經(jīng)系列化，如果采用三缸一字排開，則選擇兩個(gè)2 500 kN油缸和一個(gè)3 150 kN油缸，3 150 kN位于中間，2 500 kN兩邊。校核如下:

101.875%在95% ～105%之間，滿足設(shè)計(jì)要求，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配。

1.3 主機(jī)模板的構(gòu)建

針對(duì)鍛壓機(jī)床產(chǎn)品多品種小批量定制的特征，本系統(tǒng)采用參數(shù)化、模塊化的快速變型設(shè)計(jì)方法。采用三維建模軟件(Pro/E)構(gòu)建機(jī)床的主機(jī)結(jié)構(gòu)模板，應(yīng)用了產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中自頂向下的設(shè)計(jì)方法，建立典型結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模板。通過變型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)由單一品種產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成針對(duì)客戶需求的產(chǎn)品族系列化設(shè)計(jì)。

鍛壓機(jī)床主機(jī)主要分為6大模塊:上橫梁、下橫梁、立柱、滑塊、工作臺(tái)和油缸。每個(gè)模塊間由裝配關(guān)系所約束，在機(jī)床設(shè)計(jì)過程當(dāng)中必須綜合考慮所有部件之間的相互關(guān)系。如果采用傳統(tǒng)的零件設(shè)計(jì)、部件組裝、整機(jī)組裝的方法，容易造成裝配過程沖突，部件之間互相干涉。所以，我們采用自頂向下的建模方法，從整機(jī)開始設(shè)計(jì)，然后再細(xì)化到每個(gè)部件模塊當(dāng)中，有效地避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的裝配干涉問題。

主機(jī)結(jié)構(gòu)模板采用三維建模軟件Pro/E，這里采用自頂向下的建模技術(shù)，鍛壓機(jī)床骨架圖的構(gòu)建使得很多尺寸數(shù)據(jù)可以共享(如圖2所示)，通過Pro/E里面的“關(guān)系(relation)工具”來捕捉特征之間、參數(shù)之間或裝配體之間的設(shè)計(jì)聯(lián)系，根據(jù)客戶輸入的需求參數(shù)，計(jì)算并驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸，完成機(jī)床主機(jī)的設(shè)計(jì)，達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。

1．4 建立主要部件的族表(Family Table)

在零件設(shè)計(jì)時(shí)，如果某些零件結(jié)構(gòu)一樣，只是尺寸不同，那么這些零件就不必一一單個(gè)建立，可建立一個(gè)父零件，定義各個(gè)控制零件形狀大小的參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)通過改變各個(gè)參數(shù)的值來得到所需要的衍生件，從而建立一系列的零件，這些零件組成的集合稱為族表。族表是很多相似零件(或組件或特征)的集合，這些零件(組件/特征)從結(jié)構(gòu)上看很相似，但在一些細(xì)節(jié)部分不同，比如尺寸大小或詳細(xì)特征等。

完成主機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，將客戶確認(rèn)的設(shè)計(jì)參數(shù)和鍛壓機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)給設(shè)計(jì)部門進(jìn)行部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，有些部件可以利用族表工具將企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則做成表驅(qū)動(dòng)零件，根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，避免詳細(xì)設(shè)計(jì)占用大量的時(shí)間，達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。本文以鍛壓機(jī)床里面的油缸為例，建立油缸的族表(圖3)。

可見族表工具能夠把零件的生成標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)省大量的時(shí)間，從零件文件中生成各種零件，而無(wú)需重新構(gòu)造，也可以對(duì)零件產(chǎn)生細(xì)小的變化而無(wú)需用關(guān)系改變模型，達(dá)到零部件快速設(shè)計(jì)的目的。在鍛壓機(jī)床整機(jī)設(shè)計(jì)完成后，可以根據(jù)企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及快速設(shè)計(jì)的參數(shù)文件里面相關(guān)的數(shù)據(jù)作為表驅(qū)動(dòng)零件的數(shù)據(jù)，利用族表工具能夠快速地完成標(biāo)準(zhǔn)件和復(fù)雜零部件的設(shè)計(jì)。

2 基于客戶參與設(shè)計(jì)的鍛壓機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)在VC.NET的環(huán)境下，以Pro/E為平臺(tái)，Pro/Toolkit為開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)提供人機(jī)交互界面，將客戶需求與設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配，將機(jī)床的技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)化為機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)，并能夠計(jì)算出其他零部件相關(guān)的尺寸，利用Pro/Toolkit開發(fā)工具中所提供的模型再生函數(shù)ProSolidRegenerate將新的參數(shù)傳給模板，參數(shù)驅(qū)動(dòng)模板生成鍛壓機(jī)床的三維實(shí)體模型。

我們開發(fā)的系統(tǒng)界面如圖4所示。點(diǎn)擊設(shè)計(jì)界面，彈出機(jī)床設(shè)計(jì)對(duì)話框，對(duì)話框左半部分是設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖，右半部分是參數(shù)及對(duì)參數(shù)的說明，“上一步”和“下一步”按鈕引導(dǎo)客戶參與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)輸入完成后，系統(tǒng)將計(jì)算輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)尺寸。

根據(jù)本文研究的快速設(shè)計(jì)模式，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)以某型號(hào)機(jī)床為例，快速設(shè)計(jì)得到的主機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，以油缸為例利用族表工具建立的油缸的三維實(shí)體模型如圖6所示。鍛壓機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，快速設(shè)計(jì)結(jié)果能夠滿足客戶需求。

本系統(tǒng)研究客戶參與設(shè)計(jì)原理，以及開發(fā)客戶參與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，減少了機(jī)床設(shè)計(jì)過程中的反復(fù)交互過程，得到最適合客戶實(shí)際需求的設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)多品種小批量鍛壓機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、品種復(fù)雜多樣的問題，提出了基于客戶參與設(shè)計(jì)的鍛壓機(jī)床的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)模式，開發(fā)了鍛壓機(jī)床快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。所開發(fā)的系統(tǒng)可以輸入用戶的需求(壓力、速度、行程等)，計(jì)算出鍛壓機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)(外形尺寸、質(zhì)量、油缸數(shù)目等)，生成三維實(shí)體圖形給客戶確認(rèn)，使得在談判初期對(duì)鍛壓機(jī)床的主機(jī)結(jié)構(gòu)有初步的了解，得到客戶最滿意的主機(jī)結(jié)構(gòu)模型。

所開發(fā)的軟件能夠大幅度提高鍛壓機(jī)床的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。

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