基于模塊化的高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

王建正，張利強(qiáng)，韓新民，朱長(zhǎng)江，汪李輝

（1.天津工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300387；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；3.泰爾重工股份有限公司，安徽 243000）

0 引言

環(huán)境問(wèn)題威脅人類生存，綠色制造已經(jīng)成為全球共識(shí)，也是驅(qū)動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的利器[1,2]?！吨袊?guó)制造2025》全面規(guī)劃了綠色制造。

美國(guó)制造工程師學(xué)會(huì)（SME）于1996年發(fā)布的綠色制造藍(lán)皮書《Green Manufacturing》，提出“綠色制造的目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)綀?bào)廢處理的全過(guò)程實(shí)現(xiàn)環(huán)境的負(fù)面影響達(dá)到最小”[3]。劉光復(fù)等認(rèn)為“綠色設(shè)計(jì)是從源頭對(duì)產(chǎn)品綠色化的最為有效的途徑和方法之一，是一種全新的設(shè)計(jì)理念，是設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具的有效集成”[4]。劉曉序認(rèn)為“綠色設(shè)計(jì)要考慮產(chǎn)品構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、生產(chǎn)、使用、報(bào)廢和回收利用等全生命周期對(duì)環(huán)境、資源的影響，希望以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“從搖籃到再用”的循環(huán)”[5]。曹琳劍等從資源屬性指標(biāo)、能源屬性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和環(huán)保屬性指標(biāo)四個(gè)角度，構(gòu)建了基于全生命周期的機(jī)械綠色性設(shè)計(jì)指標(biāo)體系[6]。程賢福等對(duì)綠色制造模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了綜述分析，認(rèn)為“綠色產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)涉及因素太多，應(yīng)綜合考慮環(huán)境目標(biāo)和功能目標(biāo)”[7]。

通過(guò)文獻(xiàn)研究得知：綠色設(shè)計(jì)賦予了全新的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)需要將設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具有機(jī)集成。本文試圖探索開(kāi)發(fā)、構(gòu)建綠色模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)，將綠色理念融于產(chǎn)品的全生命周期，促進(jìn)制造業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)綠色制造。

1 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)總體思路

以綠色制造理念為引領(lǐng)，利用綠色設(shè)計(jì)、精益設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、PLM等理論方法，結(jié)合高端裝備關(guān)鍵零部件的特點(diǎn)，面向高端裝備關(guān)鍵零部件產(chǎn)品全生命周期，分析和優(yōu)化高端裝備關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)制造流程；通過(guò)企業(yè)大量的產(chǎn)品案例進(jìn)行功能、結(jié)構(gòu)和綠色化分析，對(duì)零部件進(jìn)行ABC分類，進(jìn)行模塊化分析、劃分；材料綠色化分析和選用，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化及可靠性驗(yàn)證；產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)規(guī)范、描述，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)規(guī)則，參數(shù)化建模；構(gòu)建模塊庫(kù)，綠色材料庫(kù)，綠色工藝庫(kù)，產(chǎn)品實(shí)例庫(kù)，產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)等，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范的可重用的資源庫(kù)；通過(guò)信息集成，構(gòu)建企業(yè)綠色制造私有云，建立集需求分析、技術(shù)要求制定、方案設(shè)計(jì)段、材料選用、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、產(chǎn)品確認(rèn)、結(jié)果管理、綠色評(píng)價(jià)等于一體的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)高端裝備關(guān)鍵零部件綠色化、模塊化、輕量化、系列化、數(shù)字化、參數(shù)化、精益化協(xié)同開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。

2 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)流程

2.1 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研分析，結(jié)合高端裝備關(guān)鍵零部件的特點(diǎn)，將高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)階段劃分為：需求分析階段、技術(shù)要求制定、方案設(shè)計(jì)階段、材料選用、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、工藝設(shè)計(jì)階段、設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段、確認(rèn)階段等8個(gè)階段，相應(yīng)工作內(nèi)容如下：

1）需求分析階段

根據(jù)用戶合同或市場(chǎng)需求，市場(chǎng)調(diào)研，用戶走訪，應(yīng)用客戶語(yǔ)言，從產(chǎn)品功能需求、性能需求及綠色需求等方面，收集、描述、分析、確定客戶需求，編制市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告、客戶需求報(bào)告、市場(chǎng)技術(shù)調(diào)研報(bào)告，編制包括市場(chǎng)可行性分析和技術(shù)可行性分析的項(xiàng)目可行性分析報(bào)告，組織評(píng)審論證。

2）技術(shù)要求制定

應(yīng)用質(zhì)量功能配置、產(chǎn)品專業(yè)技術(shù)語(yǔ)言、技術(shù)參數(shù)，將客戶需求分析確定的客戶需求，表述出來(lái)，也就是將客戶語(yǔ)言描述的產(chǎn)品功能需求、性能需求及綠色需求等客戶需求映射到產(chǎn)品技術(shù)語(yǔ)言或參數(shù)。確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的輸入內(nèi)容，并編制《設(shè)計(jì)輸入?yún)R總表》。經(jīng)由項(xiàng)目組成員和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)專家參加的輸入評(píng)審會(huì)評(píng)審，并根據(jù)會(huì)審意見(jiàn)整理《設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)評(píng)審表》。

3）方案設(shè)計(jì)階段

根據(jù)《設(shè)計(jì)輸入?yún)R總表》的具體內(nèi)容，利用PLM資源庫(kù)，利用CAD建模，繪制方案圖，設(shè)計(jì)計(jì)算，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，確定材料，編制產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。經(jīng)由項(xiàng)目組成員和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)專家參加的輸入評(píng)審會(huì)評(píng)審，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

4）材料選用

根據(jù)方案要求，篩選可用的材料；再通過(guò)綠色材料數(shù)據(jù)庫(kù)，比較材料的綠色特性，選用最適合的材料。

5）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

根據(jù)生產(chǎn)安排申請(qǐng)表信息、技術(shù)輸入表、技術(shù)輸入資料，通過(guò)類比設(shè)計(jì)、三維建模、理論計(jì)算、仿真、詳細(xì)設(shè)計(jì)出圖、BOM搭建等過(guò)程，輸出設(shè)計(jì)方案、計(jì)算說(shuō)明書、產(chǎn)品圖紙、毛坯圖和設(shè)計(jì)BOM。設(shè)計(jì)零部件全部圖紙，編制其相應(yīng)技術(shù)文件，并組織詳細(xì)設(shè)計(jì)階段評(píng)審。

6）工藝編制階段

根據(jù)產(chǎn)品BOM、圖紙、技術(shù)、質(zhì)量、綠色要求，篩選可用的工藝；利用綠色工藝評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)備選的工藝，核算其能耗、排放等信息，確定最優(yōu)工藝；編制詳細(xì)工藝等技術(shù)文件；并組織工藝編制階段評(píng)審。

7）設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段

通過(guò)試制、類比或比對(duì)分析，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果，做出評(píng)價(jià)，編寫相應(yīng)的報(bào)告。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證有四種方式：

（1）樣機(jī)試制，編制樣機(jī)檢驗(yàn)報(bào)告；

（2）小批量生產(chǎn)試制，編制抽樣檢驗(yàn)報(bào)告；

（3）類比已經(jīng)證實(shí)的類似設(shè)計(jì)，編制類比校、審報(bào)告；

（4）比對(duì)或者校審，編制類比校、審報(bào)告。

8）產(chǎn)品確認(rèn)階段

通過(guò)用戶試用、模擬試用或產(chǎn)品鑒定驗(yàn)證產(chǎn)品的有效性，確保產(chǎn)品能夠滿足功能、性能及綠色要求。編制相應(yīng)的用戶試用報(bào)告、模擬試用報(bào)告或產(chǎn)品鑒定報(bào)告。

2.2 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)流程

根據(jù)上述的高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)階段及工作內(nèi)容，提煉、優(yōu)化高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)流程：

需求分析及評(píng)審→技術(shù)要求確定及評(píng)審→方案設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)→材料選擇及評(píng)價(jià)→詳細(xì)設(shè)計(jì)及評(píng)審→工藝設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)→設(shè)計(jì)驗(yàn)證及評(píng)審→產(chǎn)品確認(rèn)。

高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)流程的活動(dòng)、活動(dòng)開(kāi)始和結(jié)束的條件以及活動(dòng)產(chǎn)生的主要技術(shù)文檔如圖1所示。

圖1 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)流程

3 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)

按照上述的高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)的總體思路和設(shè)計(jì)策略，通過(guò)上述的高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)流程分析，設(shè)計(jì)高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

該高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)層、工具層和資源層。

應(yīng)用開(kāi)發(fā)層：包括高端裝備關(guān)鍵零部件綠色開(kāi)發(fā)和綠色設(shè)計(jì)兩個(gè)子系統(tǒng)。綠色開(kāi)發(fā)系統(tǒng)包括分析客戶需求；功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系列化規(guī)劃、模塊化設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)；材料選用、工藝設(shè)計(jì)；規(guī)范化、模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化；功能、性能及綠色性評(píng)價(jià)等功能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)是根據(jù)客戶需求快捷報(bào)價(jià)；綜合利用工具層和資源層，快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

工具層：實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)的各種設(shè)計(jì)系統(tǒng)或工具以及PLM系統(tǒng)。

資源層：面向高端裝備關(guān)鍵零部件綠色制造開(kāi)發(fā)的各種資源庫(kù)，為應(yīng)用開(kāi)發(fā)層存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和提供支持。

高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)高端裝備關(guān)鍵零部件綠色化、模塊化、輕量化、系列化、數(shù)字化、參數(shù)化、精益化協(xié)同開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。

4 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)

1）依據(jù)高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)流程，開(kāi)發(fā)高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程管理。

方案設(shè)計(jì)評(píng)審是綠色設(shè)計(jì)重要的環(huán)節(jié)。我們利用層次分析法，結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，咨詢行業(yè)專家，從產(chǎn)品的功能（40%）、性能（30%）、經(jīng)濟(jì)性（10%）及綠色性（20%）等四個(gè)方面評(píng)審設(shè)計(jì)方案，其中綠色性又從能耗低（30%）、噪音?。?0%）、輕量化（20%）、排放少（10%）、易維護(hù)（10%）、再制造性（10%）等六方面評(píng)價(jià)。通過(guò)3或5個(gè)評(píng)審專家獨(dú)立打分，根據(jù)權(quán)重計(jì)算分項(xiàng)得分及總分，給出評(píng)價(jià)結(jié)果以及改進(jìn)建議。

2）分析高端裝備關(guān)鍵零部件，進(jìn)行ABC分類分析，模塊劃分；綜合利用工具層各種設(shè)計(jì)工具，構(gòu)建模型、構(gòu)建綠色材料庫(kù)、綠色模塊庫(kù)、綠色工藝庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)基于模型的模塊及產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

如常用的SWC-M-B型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的組成模塊及模塊屬性（部分）如表1所示。

3）實(shí)現(xiàn)與各種設(shè)計(jì)系統(tǒng)或工具（CAD/CAE/CAPP/CAM/OFFICE等）及PLM管理的集成，形成高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)。

5 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力傳動(dòng)，是機(jī)械設(shè)備的核心零部件，直接影響著產(chǎn)品的功能、性能及綠色性。

以常用的SWC-M-B型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器為例，說(shuō)明高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用過(guò)程。

1）需求及參數(shù)確定

根據(jù)客戶需求和設(shè)備工況要求，確定十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的功能需求、性能需求、產(chǎn)品工況以及綠色需求。如表1所示。輸入完需求及參數(shù)后，提交系統(tǒng)。系統(tǒng)將完整給出對(duì)十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的需求以及技術(shù)參數(shù)，以便設(shè)計(jì)工程師完整把關(guān)和確認(rèn)（界面顯示省略）。

圖2 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)

表1 SWC-M-B型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的組成模塊及模塊屬性

表1 （續(xù)）

2）方案設(shè)計(jì)及評(píng)審

方案設(shè)計(jì)及評(píng)審階段，根據(jù)需求和技術(shù)參數(shù)，一是查閱已有類似設(shè)計(jì)或進(jìn)行新方案設(shè)計(jì)，如圖3所示；二是可以進(jìn)入相應(yīng)的CAD環(huán)境，進(jìn)行新的方案設(shè)計(jì)，如圖4所示；三是可以邀請(qǐng)五位專家通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案功能、性能、經(jīng)濟(jì)性、綠色性等四個(gè)方面打分，基于層析分析法評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案。如圖5、圖6所示。

圖3 SWC-M-B型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器需求及參數(shù)輸入

圖4 十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器設(shè)計(jì)方案圖

圖5 十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器設(shè)計(jì)方案評(píng)審專家打分

圖6 十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器設(shè)計(jì)方案評(píng)審結(jié)果

3）詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)菜單下，可以類似十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的三維模型、產(chǎn)品總圖、零部件圖、CAE分析及BOM等，同時(shí)可以進(jìn)行修改利用或基于參數(shù)化模型開(kāi)展新設(shè)計(jì)。如圖7所示。

圖7 十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器詳細(xì)設(shè)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用綠色設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、PLM等理論方法，完善機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)，構(gòu)建綠色模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)綠色理念融于產(chǎn)品的全生命周期，綜合利用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，充分利用已有資源，設(shè)計(jì)出既滿足用戶功能、性能，同時(shí)又經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)綠色制造。