基于模塊化的高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺開發(fā)

王建正，張利強，韓新民，朱長江，汪李輝

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

0 引言

環(huán)境問題威脅人類生存，綠色制造已經(jīng)成為全球共識，也是驅(qū)動我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的利器[1，2]。《中國制造2025》全面規(guī)劃了綠色制造。

美國制造工程師學(xué)會（SME）于1996年發(fā)布的綠色制造藍皮書《Green Manufacturing》，提出“綠色制造的目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)、運輸?shù)綀髲U處理的全過程實現(xiàn)環(huán)境的負(fù)面影響達到最小”［3］。劉光復(fù)等認(rèn)為“綠色設(shè)計是從源頭對產(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)計理念，是設(shè)計方法和設(shè)計工具的有效集成”[4]。劉曉序認(rèn)為“綠色設(shè)計要考慮產(chǎn)品構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、生產(chǎn)、使用、報廢和回收利用等全生命周期對環(huán)境、資源的影響，希望以最小的代價實現(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)濟性指標(biāo)和環(huán)保屬性指標(biāo)四個角度，構(gòu)建了基于全生命周期的機械綠色性設(shè)計指標(biāo)體系[6]。程賢福等對綠色制造模塊化設(shè)計方法進行了綜述分析，認(rèn)為“綠色產(chǎn)品生命周期設(shè)計涉及因素太多，應(yīng)綜合考慮環(huán)境目標(biāo)和功能目標(biāo)”[7]。

通過文獻研究得知：綠色設(shè)計賦予了全新的設(shè)計理念，實現(xiàn)綠色設(shè)計需要將設(shè)計方法和設(shè)計工具有機集成。本文試圖探索開發(fā)、構(gòu)建綠色模塊化設(shè)計平臺，將綠色理念融于產(chǎn)品的全生命周期，促進制造業(yè)更好地實現(xiàn)綠色制造。

1 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計總體思路

以綠色制造理念為引領(lǐng)，利用綠色設(shè)計、精益設(shè)計、模塊化設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計、PLM等理論方法，結(jié)合高端裝備關(guān)鍵零部件的特點，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)計制造流程；通過企業(yè)大量的產(chǎn)品案例進行功能、結(jié)構(gòu)和綠色化分析，對零部件進行ABC分類，進行模塊化分析、劃分；材料綠色化分析和選用，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化及可靠性驗證；產(chǎn)品設(shè)計知識規(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，綠色材料庫，綠色工藝庫，產(chǎn)品實例庫，產(chǎn)品知識庫等，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范的可重用的資源庫；通過信息集成，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)計段、材料選用、詳細(xì)設(shè)計、工藝設(shè)計、設(shè)計驗證、產(chǎn)品確認(rèn)、結(jié)果管理、綠色評價等于一體的協(xié)同設(shè)計環(huán)境，從而實現(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)同開發(fā)和設(shè)計。

2 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計流程

2.1 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計

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

1）需求分析階段

根據(jù)用戶合同或市場需求，市場調(diào)研，用戶走訪，應(yīng)用客戶語言，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，編制市場調(diào)研報告、客戶需求報告、市場技術(shù)調(diào)研報告，編制包括市場可行性分析和技術(shù)可行性分析的項目可行性分析報告，組織評審論證。

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，也就是將客戶語言描述的產(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)語言或參數(shù)。確定產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的輸入內(nèi)容，并編制《設(shè)計輸入?yún)R總表》。經(jīng)由項目組成員和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)專家參加的輸入評審會評審，并根據(jù)會審意見整理《設(shè)計和開發(fā)評審表》。

3）方案設(shè)計階段

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

4）材料選用

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

5）詳細(xì)設(shè)計階段

根據(jù)生產(chǎn)安排申請表信息、技術(shù)輸入表、技術(shù)輸入資料，通過類比設(shè)計、三維建模、理論計算、仿真、詳細(xì)設(shè)計出圖、BOM搭建等過程，輸出設(shè)計方案、計算說明書、產(chǎn)品圖紙、毛坯圖和設(shè)計BOM。設(shè)計零部件全部圖紙，編制其相應(yīng)技術(shù)文件，并組織詳細(xì)設(shè)計階段評審。

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；利用綠色工藝評價系統(tǒng)，對備選的工藝，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審。

7）設(shè)計驗證階段

通過試制、類比或比對分析，對產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果，做出評價，編寫相應(yīng)的報告。

設(shè)計驗證有四種方式：

（1）樣機試制，編制樣機檢驗報告

（2）小批量生產(chǎn)試制，編制抽樣檢驗報告

（3）類比已經(jīng)證實的類似設(shè)計，編制類比校、審報告

（4）比對或者校審，編制類比校、審報告。

8）產(chǎn)品確認(rèn)階段

通過用戶試用、模擬試用或產(chǎn)品鑒定驗證產(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)的用戶試用報告、模擬試用報告或產(chǎn)品鑒定報告。

2.2 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計流程

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

需求分析及評審→技術(shù)要求確定及評審→方案設(shè)計及評價→材料選擇及評價→詳細(xì)設(shè)計及評審→工藝設(shè)計及評價→設(shè)計驗證及評審→產(chǎn)品確認(rèn)。

高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計流程的活動、活動開始和結(jié)束的條件以及活動產(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)計流程

3 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺架構(gòu)

按照上述的高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計的總體思路和設(shè)計策略，通過上述的高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計流程分析，設(shè)計高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺架構(gòu)如圖2所示。

圖2 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺架構(gòu)

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

應(yīng)用開發(fā)層：包括高端裝備關(guān)鍵零部件綠色開發(fā)和綠色設(shè)計兩個子系統(tǒng)。綠色開發(fā)系統(tǒng)包括分析客戶需求；功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、系列化規(guī)劃、模塊化設(shè)計、綠色設(shè)計；材料選用、工藝設(shè)計；規(guī)范化、模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化；功能、性能及綠色性評價等功能。產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)是根據(jù)客戶需求快捷報價；綜合利用工具層和資源層，快速設(shè)計產(chǎn)品。

工具層：實現(xiàn)綠色設(shè)計的各種設(shè)計系統(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發(fā)的各種資源庫，為應(yīng)用開發(fā)層存儲數(shù)據(jù)和提供支持。

高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺能夠?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)同開發(fā)和設(shè)計。

4 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺建設(shè)

1）依據(jù)高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計流程，開發(fā)高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計流程管理。

方案設(shè)計評審是綠色設(shè)計重要的環(huán)節(jié)。我們利用層次分析法，結(jié)合產(chǎn)品特點，咨詢行業(yè)專家，從產(chǎn)品的功能（40%）、性能（30%）、經(jīng)濟性（10%）及綠色性（20%）等四個方面評審設(shè)計方案，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（10%）、再制造性（10%）等六方面評價。通過3或5個評審專家獨立打分，根據(jù)權(quán)重計算分項得分及總分，給出評價結(jié)果以及改進建議。

2）分析高端裝備關(guān)鍵零部件，進行ABC分類分析，模塊劃分；綜合利用工具層各種設(shè)計工具，構(gòu)建模型、構(gòu)建綠色材料庫、綠色模塊庫、綠色工藝庫、知識庫等，實現(xiàn)基于模型的模塊及產(chǎn)品設(shè)計。

如常用的SWC-M-B型十字軸式萬向聯(lián)軸器的組成模塊及模塊屬性（部分）如表1所示。

表1 SWC-M-B型十字軸式萬向聯(lián)軸器的組成模塊及模塊屬性

3）實現(xiàn)與各種設(shè)計系統(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)計平臺。

5 高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺應(yīng)用實例

十字軸式萬向聯(lián)軸器廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備的動力傳動，是機械設(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型十字軸式萬向聯(lián)軸器為例，說明高端裝備關(guān)鍵零部件綠色設(shè)計平臺應(yīng)用過程。

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。如圖1所示。輸入完需求及參數(shù)后，提交系統(tǒng)。系統(tǒng)將完整給出對十字軸式萬向聯(lián)軸器的需求以及技術(shù)參數(shù)，以便設(shè)計工程師完整把關(guān)和確認(rèn)（界面顯示省略）。

2）方案設(shè)計及評審

方案設(shè)計及評審階段，根據(jù)需求和技術(shù)參數(shù)，一是查閱已有類似設(shè)計或進行新方案設(shè)計，如圖3所示；二是可以進入相應(yīng)的CAD環(huán)境，進行新的方案設(shè)計，如圖4所示；三是可以邀請五位專家通過對設(shè)計方案功能、性能、經(jīng)濟性、綠色性等四個方面打分，基于層析分析法評價設(shè)計方案。如圖5、圖6所示。

圖3 SWC-M-B型十字軸式萬向聯(lián)軸器需求及參數(shù)輸入

圖4 十字軸式萬向聯(lián)軸器設(shè)計方案圖

圖5 十字軸式萬向聯(lián)軸器設(shè)計方案評審專家打分

圖6 十字軸式萬向聯(lián)軸器設(shè)計方案評審結(jié)果

3）詳細(xì)設(shè)計

詳細(xì)設(shè)計菜單下，可以類似十字軸式萬向聯(lián)軸器的三維模型、產(chǎn)品總圖、零部件圖、CAE分析及BOM等，同時可以進行修改利用或基于參數(shù)化模型開展新設(shè)計，如圖7所示。

圖7 十字軸式萬向聯(lián)軸器詳細(xì)設(shè)計

6 結(jié)語

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