面向并行工程的機械產(chǎn)品參數(shù)化協(xié)同設(shè)計

王宗彥，虞國軍，吳淑芳，秦慧斌

(1.中北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，山西 太原，030051；2.湖北三江航天紅林探控有限公司，湖北 孝感，432000)

企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的組織方式大多采用串行的方法，遵循“設(shè)計—建?！治觥薷脑O(shè)計—再建模—再分析”的串行設(shè)計方式，串行的產(chǎn)品開發(fā)過程存在著下游開發(fā)部門的知識難以引入早期設(shè)計、部門間缺乏信息交流、產(chǎn)品開發(fā)周期長、資源要素約束等諸多弊端[1]。為解決串行設(shè)計中存在的問題，要引入并行工程的設(shè)計思想?，F(xiàn)代企業(yè)資源的分布性和制造業(yè)信息化的飛速發(fā)展使得各個企業(yè)必須打破傳統(tǒng)的集中設(shè)計制造的生產(chǎn)模式，建立分布式的設(shè)計制造體系，因此分布式協(xié)同設(shè)計就顯得尤為重要，同時參數(shù)化變型設(shè)計的引入，使得快速設(shè)計更加切實可行。目前，國內(nèi)外學(xué)者對基于并行工程的協(xié)同設(shè)計技術(shù)進行了不少研究，也取得了一定成果。如竇萬峰等[2]在分析面向并行工程的計算機支持的協(xié)同系統(tǒng)的特點與功能需求的基礎(chǔ)上，研究了協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)開放式實現(xiàn)的用戶界面定制與裁剪及其映射機制和共享工作空間一致性管理，并提出了一個具有柔性機制的系統(tǒng)層次模型；于加晴等[3]針對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程中存在信息集成度低、信息表達不完整的缺點，結(jié)合多學(xué)科協(xié)同設(shè)計優(yōu)化理論，提出一個基于 SORCER的面向復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)；文獻[4]對基于協(xié)同設(shè)計的機械產(chǎn)品概念設(shè)計中的協(xié)同技術(shù)、異構(gòu)環(huán)境下數(shù)據(jù)共享、基于實例和規(guī)則混合推理等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究；李惠杰等[5-6]依據(jù)并行工程環(huán)境下產(chǎn)品開發(fā)中非時間沖突問題產(chǎn)生的根源，在深入研究設(shè)計目標(biāo)與結(jié)果一致性判斷準(zhǔn)則和信息共享機制的基礎(chǔ)上，提出了確保目標(biāo)一致建立自我矯正機制、合理的組織與設(shè)計任務(wù)劃分、信息的傳遞與表達機制等解決方案；吳偉偉等[7]分析了當(dāng)前參數(shù)化設(shè)計技術(shù)存在的優(yōu)缺點，結(jié)合參數(shù)化思想和層次型數(shù)據(jù)表技術(shù)，提出了一種產(chǎn)品級的參數(shù)化變型設(shè)計方法。但是，從總體上講，基于并行工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計的相關(guān)研究還不夠深入，存在以下問題：(1) 并行工程環(huán)境下的支撐平臺的構(gòu)建方法不統(tǒng)一，缺乏系統(tǒng)的理論體系和支持工具；(2) 分布式協(xié)同設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)問題沒有統(tǒng)一的解決辦法；(3) 并行工程、協(xié)同設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計沒有有機的結(jié)合起來。針對以上不足，本文作者結(jié)合已開發(fā)的橋式起重機數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)原型提出了一種基于 PDM 的面向并行工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計方法。

1 面向并行工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計方法

1.1 基于PDM的分布式協(xié)同設(shè)計平臺

PDM 是在數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種面向工程設(shè)計與應(yīng)用的信息管理技術(shù)，它能管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息與過程，并通過電子倉庫機制保持產(chǎn)品數(shù)據(jù)在其整個生命周期內(nèi)的一致、共享與安全[8]。PDMWorks Workgroup(PDMWW)是基于項目協(xié)同工作的設(shè)計團隊進行文件管理而設(shè)計的，它能確保設(shè)計版本更新和復(fù)雜的文件間關(guān)系的有效管理，屬于工作組級別的PDM系統(tǒng)[9]。PDMWorks是以電子倉庫為中心，用戶訪問電子倉庫必須擁有權(quán)限，用戶從庫中檢出或直接打開文件，文件首先會被自動的復(fù)制到本地工作目錄中，以獲取最大的工作速度，為了減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量，只有修改過的文件才會被重新檢入庫中，此時文件版本號會按照版本規(guī)制遞增。

基于客戶機/服務(wù)器(Client/Server，C/S)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，具有較強的數(shù)據(jù)操縱和事務(wù)處理能力，數(shù)據(jù)的安全性和完整性較高，但協(xié)同開發(fā)環(huán)境中的項目成員是不斷變化的，C/S結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)這種變化；而單純的瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)結(jié)構(gòu)雖然大大簡化了客戶端，只需一個Web瀏覽器即可，但它在實現(xiàn)項目分析、任務(wù)分工等復(fù)雜的工作時又顯得非常困難[10]。因此，本文結(jié)合B/S和C/S各自的特點優(yōu)勢，在已開發(fā)的橋式起重機參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)原型的基礎(chǔ)上，提出了“多客戶端/單服務(wù)器/多工作站”(Multi Client Single Server Multi Workstation，簡稱MCSSMW)的工作模式，如圖1所示。各端程序各司其職，相互通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，具體通訊機制如下：

用戶在客戶端通過人機交互界面向服務(wù)器提交產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)，服務(wù)器端接收信息后進行相應(yīng)的處理，并將結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時向工作站發(fā)出開始工作的指令，工作站接收到工作指令便開始進行模型驅(qū)動和有限元分析校核等工作，生成相應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)文檔，并以項目為單位自動檢入到電子倉庫中，服務(wù)器監(jiān)聽工作站的工作狀態(tài)，并實時向客戶端發(fā)送狀態(tài)信息，用戶一旦獲得驅(qū)動完成的信息便可以在客戶端查看或下載相關(guān)的數(shù)據(jù)文檔。

1.2 參數(shù)化變型設(shè)計

參數(shù)化變型設(shè)計是以拓?fù)浼s束、尺寸約束、工程約束驅(qū)動為技術(shù)基礎(chǔ)，不僅包括傳統(tǒng)參數(shù)化所包含的對部分特征驅(qū)動尺寸的修改使其他關(guān)聯(lián)尺寸得到相應(yīng)修改而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同但尺寸不同的零件系列三維模型，而且包括基于三維參數(shù)化模型驅(qū)動后與之相關(guān)聯(lián)工程圖的視圖位置、比例、尺寸、注釋、BOM表等相關(guān)信息的自動更新，生產(chǎn)制造的下游工裝夾具、工藝規(guī)程規(guī)劃、NC代碼等參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計等，乃至整個產(chǎn)品生命周期的參數(shù)化設(shè)計[11-12]。

根據(jù)參數(shù)化設(shè)計的特點首先需要確定參數(shù)化變型設(shè)計的零部件級別，建立零部件的參數(shù)化模板(模型模板和工程圖模板)；其次根據(jù)現(xiàn)有的行業(yè)設(shè)計規(guī)范和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)編制零部件設(shè)計計算程序并確定其變型、變參空間，確定模型驅(qū)動的主從參數(shù)；通過調(diào)用API函數(shù)編制數(shù)據(jù)接口和模型接口，提取產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)并導(dǎo)入到參數(shù)化模型模板得到更新的三維模型；編制工程圖調(diào)整程序，進行模型驅(qū)動后工程圖自動調(diào)優(yōu)；基于BOM 遍歷和圖紙注釋信息遍歷的方式自動統(tǒng)計工藝信息；利用APDL語言編寫關(guān)鍵部件有限元分析的命令流文件，進行有限元分析校核；最終將生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)文檔自動檢入到 PDM 電子倉庫中，實現(xiàn)參數(shù)化文檔管理。具體路線如圖2所示。

圖1 基于PDM的分布式協(xié)同設(shè)計平臺Fig.1 Distributed collaborative design platform based on PDM

圖2 參數(shù)化變型設(shè)計路線Fig.2 Procedure of parametric variant design

1.3 并行工程

并行工程是集成、并行設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)的各種過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)化方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計開始就考慮產(chǎn)品的整個生命周期和從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。這個定義將并行工程的核心確定為圍繞全生命周期產(chǎn)品模型的并行設(shè)計[13]。其具有并行性(Concurrent)、約束性(Constraint)、協(xié)調(diào)性(Coordination)和一致性(Consistent)4個特點。并行性要求產(chǎn)品和過程設(shè)計在同一個框架內(nèi)并行進行；約束性要求在產(chǎn)品設(shè)計時考慮過程的約束性(包括過程的時間效益、成本效益等)；協(xié)調(diào)性要求產(chǎn)品和過程密切協(xié)調(diào)；一致性要求產(chǎn)品和過程中的重大決策要取得并行工程小組人員的一致的意見[14]。

PDM技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享與過程管理技術(shù)，是并行工程的基礎(chǔ)平臺[15]。PDM的目的是對并行工程中的共享數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的規(guī)范管理，保證全局?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和友好界面，使多功能小組能在一個統(tǒng)一的環(huán)境下工作。

2 面向并行工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計框架模型

基于上述設(shè)計思想，結(jié)合橋式起重機結(jié)構(gòu)型式固化程度高的特點，利用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具 Visual Basic 6.0，以 SolidWorks 2010為三維設(shè)計平臺，以MS Access2007、SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫管理軟件，依托 PDMWW 管理平臺搭建“多客戶端/單服務(wù)器/多工作站”(MCSSMW)的體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)面向并行工程的橋式起重機參數(shù)化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架模型如圖3所示。

從機械產(chǎn)品全生命周期的角度出發(fā)，將客戶的原始需求到產(chǎn)品的最終報廢貫穿于整個設(shè)計的始末。引入并行工程及快速實施的設(shè)計思想，首先客戶需求解釋為開發(fā)對象的性能參數(shù)，根據(jù)行業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合企業(yè)需求，在產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)劃的基礎(chǔ)上采用逐級分解的方法，以160 t的鑄造起重機為開發(fā)對象，進行合理的模塊劃分；其次根據(jù)劃分的模塊以及定義的角色權(quán)限，合理的組織和計劃劃分任務(wù)，以PDMWW為工作平臺，通過消息模塊實現(xiàn)用戶之間相互通訊，將設(shè)計信息和制造信息有效地集成起來，保證設(shè)計上游和設(shè)計下游并行有序的進行；第三綜合運用“自頂向下”和“自底向上”的裝配方法來建立相關(guān)模塊的參數(shù)化模型模板和工程圖模板，建立參數(shù)化模型庫以及標(biāo)準(zhǔn)件、通用件模型庫；最后理清零部件的參數(shù)化變型關(guān)系，合理劃分參數(shù)等級，確定整機及其零部件之間的約束關(guān)系和關(guān)聯(lián)尺寸，開發(fā)參數(shù)化驅(qū)動程序、工程圖調(diào)整程序以及參數(shù)化有限元分析程序，產(chǎn)品設(shè)計文檔自動檢入 PDM 電子倉庫，并根據(jù)前期制定的工作流程和版本規(guī)則，進行自動編號保存，設(shè)計員根據(jù)具有的權(quán)限和生命周期狀態(tài)，實時更改命令流狀態(tài)。

圖3 面向并行工程的橋式起重機參數(shù)化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)框架模型Fig.3 Architecture of parametric collaborative design system for concurrent engineering overhead travelling crane

3 實例驗證

以某型號四梁四軌橋式起重機的端梁為例，簡要說明面向并行工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計方法在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。端梁與主梁剛性或撓性連接，兩端裝有車輪，用以支承橋架在高架上運行。主任設(shè)計師根據(jù)設(shè)計任務(wù)分配協(xié)同小組各成員的工作，根據(jù)任務(wù)的權(quán)重系數(shù)，界定上、下游設(shè)計范疇，消解瓶頸工作點，小組成員之間通過 PDMWW 相互調(diào)用或借鑒彼此的設(shè)計文檔，并依托系統(tǒng)Message消息模塊相互通訊，實現(xiàn)信息順暢傳遞，實時共享。端梁設(shè)計包括：端梁頭部，端梁中段，端梁與主梁連接部分，底部車輪部分等，其頭部參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。各部分參數(shù)提交完畢，服務(wù)器向工作站發(fā)出工作指令，工作站向服務(wù)器提取端梁設(shè)計參數(shù)并生成新的模型，并對其結(jié)構(gòu)進行靜強度、剛度分析校核，如果分析結(jié)果合理則進行工程優(yōu)化調(diào)整，否則返回重新進行參數(shù)提交。端梁設(shè)計結(jié)果如圖5所示。

圖4 端梁頭部參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 Parameter settings interface for end beam head

圖5 端梁驅(qū)動后的模型和工程圖Fig.5 Model and engineering drawing of end beam

4 結(jié)論

(1) 基于PDMWW管理平臺與具有混合網(wǎng)絡(luò)模式的MCSSMW體系結(jié)構(gòu)，提出了面向并行工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計方法和框架模型。

(2) 根據(jù)橋式起重機結(jié)構(gòu)相似性的特點，以SolidWorks2010為三維設(shè)計平臺，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008為數(shù)據(jù)管理軟件，開發(fā)面向并行工程的橋式起重機參數(shù)化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，以完成零部件的參數(shù)設(shè)置、模型驅(qū)動、分析校核以及工程圖優(yōu)化等工作，獲得最終的設(shè)計結(jié)果。結(jié)果表明該成果的應(yīng)用顯著地提高了起重機產(chǎn)品的設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，滿足了企業(yè)快速響應(yīng)市場的需求。

[1]胡潔, 彭穎紅, 熊光楞.基于系統(tǒng)論的并行協(xié)同設(shè)計方法研究[J].計算機集成制造系統(tǒng), 2005, 2(2)∶ 151-156.HU Jie, PENG Yinghong, XIONG Guangleng.Research on concurrent and collaborative design based on system theory[J].Computer Integrated Manufacturing Systems, 2005, 2(2)∶151-156.

[2]竇萬峰, 詹永照, 謝立.面向并行工程的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)研究[J].機械設(shè)計, 2000, 1(1)∶ 1- 4.DOU Wanfeng, ZHAN Yongzhao, XIE Li.A study of cooperative designing system oriented to concurrent engineering[J].Journal of Machine Design, 2000, 1(1)∶ 1-4.

[3]于加晴, 查建中, 陸一平, 等.面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報∶ 自然科學(xué)版, 2010, 42(2)∶ 539-545.YU Jiaqing, CHA Jianzhong, LU Yiping, et al.Distributed collaborative design system for complex product [J].Journal of Central South University∶ Science and Technology, 2010, 42(2)∶539-545.

[4]van der Vegte W F, Pulles J P W, Verggest J S M.Towards computer-supported inclusion and integration of life cycle processes in product conceptualization based on the process tree[J].Automation in Construction, 2001, 10(6)∶ 731-740.

[5]李惠杰, 李戰(zhàn)奎.并行工程環(huán)境下產(chǎn)品開發(fā)中非時間沖突研究[J].改革與戰(zhàn)略, 2010, 26(1)∶ 27-29.LI Huijie, LI Zhankui.Researching on non-time conflict in product R&D under the setting of concurrent engineering[J].Reformation & Strategy, 2010, 26(1)∶ 27-29.

[6]徐文勝, 熊光愣, 鐘佩思.并行工程沖突管理總論[J].計算機集成制造系統(tǒng), 2001, 7(1)∶ 2-7.XU Guangsheng, XIONG Guangleng, ZHONG Peisi.Conflict management in concurrent engineering[J].Computer Integrated Manufacturing Systems, 2001, 7(1)∶ 2-7.

[7]吳偉偉, 唐任仲, 侯亮, 等.基于參數(shù)化的機械產(chǎn)品尺寸變型設(shè)計研究與實現(xiàn)[J].中國機械工程, 2005, 16(3)∶ 218-222.WU Weiwei, TANG Renzhong, HOU Liang, et al.Research &realization on the variant design of mechanical products based on parametric techniques[J].China Mechanical Engineering,2005, 16(3)∶ 218-222.

[8]王建濤.基于 PDM 平臺企業(yè)產(chǎn)品并行設(shè)計的系統(tǒng)集成研究[D].上?！?上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院, 1999∶ 12-14.WANG Jiantao.A study on system integrated research for enterprise product concurrent design based on PDM platform [D].Shanghai∶ Shanghai University.School of Mechatronic Engineering and Automation, 1999∶ 12-14.

[9]胡其登.SolidWorks之多層次協(xié)同設(shè)計∶ PDMWorks Workgroup篇[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2007(7)∶ 41-43.HU Qideng.Multi-level collaborative design of SolidWorks∶PDMWorks Workgroup[J].Digital Manufacturing Industry,2007(7)∶ 41-43.

[10]陳建張, 汪惠芬, 劉婷婷, 等.協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境下項目管理系統(tǒng)的研究[J].計算機集成制造系統(tǒng), 2006, 12(10)∶1674-1682.CHEN Jianzhang, WANG Huifen, LIU Ting-ting, et al.Project management system in collaborative product development environment[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2006, 12(10)∶ 1674-1682.

[11]WU Shufang, WANG Zongyan.Rapid design platform for mechanical products based on CBR[J].Advanced Materials Research, 2010, 102/103/104∶ 262-266.

[12]趙利平, 秦慧斌, 王宗彥, 等.機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計研究與應(yīng)用[J].機械科學(xué)與技術(shù), 2008, 27(10)∶ 1154-1157.ZHAO Liping, QIN Huibin, WANG Zongyan, et al.A study of 3D parametric variant design of mechanical products[J].Mechanical Science and Technology, 2008, 27(10)∶ 1154-1157.

[13]Bouikni N, Rivest L, Desrochers A.A multiple views management system for concurrent engineering and plm[J].Concurrent Engineering, 2008, 16(1)∶ 61-72.

[14]李峰, 徐誠, 趙彥峻, 等.面向并行工程的輕武器協(xié)同設(shè)計研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報, 2007, 37(2)∶ 214-218.LI Feng, XU Cheng, ZHAO Junyan, et al.Collaborative design of small arms for concurrent engineering[J].Journal of Nanjing University, 2007, 37(2)∶ 214-218.

[15]柯文, 秦寶榮, 解放, 等.面向并行工程的CAD/CAPP/PPS集成研究[J].機械科學(xué)與技術(shù), 2003, 22(5)∶ 835-838.KE Wen, QIN Baorong, XIE Fang, et al.Research on the integration of CAD/CAPP/PPS in the concurrent environment[J].Mechanical Science and Technology, 2003, 22(5)∶ 835-838.