非标设备的可适应设计平台研究*

王太勇 成 兵 肖新华 梁若愚 李 煜 葛银明

(天津大学机械工程学院机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津 300072)

市场竞争的日趋激烈化，使得传统的设计生产方式已经不能适应市场需求的快速变化，增加产品多样性及其个性化成为占领市场满足客户需求的重要手段［1］。产品个性化的增加使得机械产品中出现大量非标设备，传统设计方法在非标设备的设计方面显得力不从心。产品需求的变化也促进了生产方式的转变，在这种趋势下，传统的规模生产已经不能适应市场需求的变化，个性化的产品需要进行小批量甚至单件定制生产，生产批量的减少在一定程度上意味着生产成本的增加。因此，如何快速进行新产品的创新设计以满足市场并在最短的时间内以低成本将新产品投放市场是亟需解决的问题。

在产品市场需求分析的基础上，根据相关标准在已有的成熟产品基础上进行系列划分，并在功能分析的基础上对全产品族进行模块划分，从而一步步建立产品的可适应设计平台，以期在该平台上能通过模块的选择、组合、升级、变型构成满足不同顾客定制需求的产品，从而大大缩短设计周期，提高设计效率。在产品设计过程中即可在平台上对产品进行静、动态分析，不断优化产品结构，提高各项性能指标，实现在可适应设计平台上的动态优化设计。

1 测漏设备的模块化技术研究

近年来，我国车辆、内燃机等行业得到快速发展，其相关产品质量与安全性能检测也变得日益重要，其中气密性检测是保证其质量与安全的一项重要手段。在汽车行业，汽缸体、各种阀门、变速箱体等在出厂前，每一种零部件都需进行严格的气密性检验。这就对测漏设备的设计与生产提出了更多的要求。近年逐渐兴起的模块化设计方法成为测漏设备生产企业快速响应市场的重要手段。针对测漏设备，其模块化技术的研究主要在以下几个方面:

(1)基于广义模块化设计方法［2］规划测漏产品型谱系列

以功能、结构和尺寸等较典型的产品为基础，采用结构典型化、零部件模块化、标准化的原则，设计出其他各种尺寸参数的产品［3］，使其能覆盖整个产品族。由于测漏产品选型的影响因素较多，故在研究测试型式(干式、干湿式、湿式)、所用介质(空气、氦气、水、油)、测试方法(压差、流量)、总体结构(固定式，回转式，移动式)等参数和规范基型尺寸基础上，建立产品型谱系列。

(2)进行测漏产品族功能分解和模块划分

以被测工件为核心，将测漏产品划分为通用模块和专用模块，并建立相应的模块库，建立起科学合理的模块系统。模块化产品族的开发模式可分为两种，一是以固定尺寸标准形成产品结构尺寸系列，这样的一组产品其内部接口完全相同，且在功能域、技术域、物理域等设计域内具有标准接口，适合以构建产品不同配置系列的方法构造产品族;二是当上述方法不能满足设计要求时，则以参数化方法进行产品族设计，即以一个参数化数据结构表达一组产品，当所有参数被赋予一确定值时，可以唯一确定一个产品［4］。在产品族模块划分完成后，需要对其进行编码，完成唯一性确认，以企业自身特点为准则建立符合企业自身需求的编码系统，并以其对模块进行编码。

(3)建立模块的全参数三维模型

如选择以参数化方法进行产品族设计，则提炼各模块的主要参数，建立主要参数和其他参数的约束关系，通过参数驱动实现通用模块变异，从而在市场需求变化时，通过模块升级和变型实现相应模块的更换，进而实现产品的快速可适应设计，以响应市场需求变化。

2 PDM技术平台创建

产品的三维模块库创建完成后需将其入库，即录入到PDM(Product Data Management:产品数据管理)库当中。PDM能实现对产品全生命周期中相关的数据、文档、流程等的统一集中管理，使企业各部门和人员在统一平台上进行产品设计、仿真、分析、工艺、制造等活动，能充分整合企业资源、打通数据壁垒，提升产品开发和管理效率，并提供供应商、服务商和客户参与产品开发过程的渠道。

传统设计方法和平台中影响企业产品开发的瓶颈问题有信息孤岛问题、数据安全问题、数据一致性问题和知识管理问题。通过PDM系统，将现有的流程固化，包括签审流程、变更流程等，实现在正确的时间将正确的数据传递给正确的工作人员，保证最终数据的准确有效;通过PDM与外围其他信息系统的整合，消除原来科研生产过程中各个信息系统的孤岛，使得信息流更为顺畅。可以为工艺、试验、生产、服务提供准确的BOM数据源。增强产品设计过程中项目管理的闭环可控性，有效地降低设计风险，保证设计工作顺利完成。

在PDM平台上进行产品设计，可以实现设计过程的异地协同，不同设计场所的设计人员在设计过程中可实现设计数据的实时传递，突破传统设计手段的空间壁垒，保持设计数据的一致性，从而缩短设计所需时间，提高设计效率。非标设备零部件设计与生产效率的提高关键在于提高原有设计图纸的使用率，并提高非标件生产批量，因此需要实现零部件的标准化、信息化，这些功能甚至企业资源管理和计算机辅助设计(CAX)应用集成等功能都可以在PDM系统中实现［5］。

3 可适应设计平台的构建

在PDM平台的基础上，构建基于CAD/CAE/CAM/PDM与广义模块化设计思想的可适应设计平台，市场需求的新变化将转化为规范的用户需求信息和设计过程中所需的各种技术参数，通过可适应设计平台，基于用户功能需求对用户群进行分类，并根据用户需求信息和产品结构设计特点确定合理的产品参数规格范围。利用平台的检索功能，从已有的设计中找到与新需求最接近的已有设计样本，根据新的功能或特性要求，对原有的设计进行模块的升级或变型，从而获得所需的性能;将原有功能特性进行调整，得到新的设计，对新设计进行静、动态分析，以使结果得到最优化，最终获得满足新要求的最佳设计方案。

可适应产品设计平台是参数化平台与模块化平台相结合的产物，是一种满足柔性设计的平台。可适应设计平台能够适应未来的需求变化，当面对新的需求而要设计新的产品时，通过查找与之最接近的设计，并在已有设计上作出局部的调整与修改，得到所需设计方案，将可以大大减少设计时间和重复劳动，提高设计效率，从而保证新设计所消耗的成本最低。图1显示了基于可适应产品平台的升级和变型过程［6］。

在传统设计生产过程中，产品的生产目标是低成本、高质量、标准化，尤其在卖方主导的市场环境下，客户难以参与到产品的设计过程中。而在可适应设计平台中，客户可以通过开放给他们的客户端，在设计初期就可以调用已有设计对其新设计要求有形象的了解，并在设计全程参与其中，及时对设计方案作出修正。同时，产品的可适应设计平台集设计、优化、仿真、管理等功能于一体。

4 基于可适应设计平台的封堵缸计算过程

封堵缸是气密检测设备中在指定位置进行封堵的装置。封堵缸缸径有其特定的系列值，可以从所规定的系列值中选择合适的缸径。由于缸径的选择受多项参数的影响，所以在封堵缸的设计计算中比较繁琐，工作量很大。在可适应设计平台上，基于该平台的PDM系统，将全部参数转化为数据库中的值，在程序运行时调用所需参数，从而将封堵缸缸径计算规范化和快速化。图2为封堵缸计算流程图。

5 结语

本文论述了一种基于CAD/CAE/CAM/PDM与模块化设计思想相结合的可适应设计平台。旨在最大限度的利用原有设计资源，从而实现新产品的快速设计与投产，增强企业对市场需求变化的适应能力，增强企业竞争力。

传统制造业发展到现在遇到了诸多的瓶颈，提高企业创新设计水平，以信息化带动制造业的新发展，不失为现代制造企业脱胎换骨实现企业升级的一种重要手段。没有落后的产业，只有落后的技术，以信息化技术改造传统制造企业，必将使我国制造业水平得到更大的提高与发展。

［1］程强，刘志峰，蔡力钢，等.基于公理设计的产品平台规划方法［J］.计算机集成制造系统，2010，16(8):1587－1596.

［2］Xu Yanshen，Xu Qianli，Chen Yongliang，et al.Research on generalized modular design method with flexible modules of product structures［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17(4):447 －480.

［3］辛志杰，陈永亮，张大卫，等.面向数控弧齿铣齿机产品族的可适应动态设计方法［J］.天津大学学报，2008，41(10):1202 －1208.

［4］侯亮，徐燕申，唐任仲，等.面向广义模块化设计的产品族规划方法研究［J］.中国机械工程，2003，14(7):596 －599.

［5］李妮娅，刘大有，张健.面向制造业的产品配置器与PDM集成设计方法［J］.吉林大学学报:理学版，2010，48(1):73 －78.

［6］李佃鹏.基于模块化技术的气密检测设备产品族可适应设计平台构建［D］.天津:天津大学，2012.