产品三维模块化快速设计方法的研究

安涛

摘 要：本文根据公司现研发现状和水平，结合先进的技术手段，主要阐述了如何搭建模块化快速设计平台，并利用平台改变公司研发模式，提高公司整体研发能力水平的总体设想与思路。从而实现基于模块的产品快速配置、方案定义和数字化模型组装等，继承产品设计知识经验，提升产品设计质量和效率，促进实现产品的精益研发。

关键词：模块化；快速设计；模板；数据库；

0、引言

大连公司作为目前国内惟一一家能同时研制电力机车、内燃机车、城市轨道车辆及大功率中速柴油机的国家重点大型企业，如何将技术优势转化为市场优势是公司面临的重要问题。随着市场竞争的加剧和信息化技术在工业中的广泛应用，现有的产品研发模式已经不能满足市场需求。

目前，公司已在机车、城轨、柴油机各业务板块基于PLM系统建立了设计规范并逐步形成了完整的数字化样机产品，但产品模块化程度不适应当前市场需求，设计变形能力及研发周期长等不足。结合公司整体规划及市场需求，本项目在产品全面线上设计的基础上，将进一步梳理和完善机车、城轨、柴油机产品各子系统特征，通过梳理定义基于模块化平台的产品设计方法，定义产品结构模块，建立基于型号产品的模块化、系列化快速设计平台，实现产品模块的数据库管理和结构化检索，从而实现基于模块的产品快速配置、方案定义和数字化模型组装等，通过模块化快速设计系统，可以提升产品设计质量和效率，继承产品设计知识经验，减少设计师无价值的数据查询和模型建立时间，促进实现产品的精益研发。

1、平台建设的必要性

随着工业化和信息化的深度融合的时代背景下，传统的制造业面临着一场极其深刻的变革。传统的产品研发及生产模式周期长、成本高，日本、德国和美国等工业发达国家已采用了一系列新的生产方式，如精益生产和敏捷制造等来适应这种变革，模块化设计是实现产品新生产方式的关键技术。发达国家在成熟产品的设计技术基础上，结合模块化理论研究的结果，成功的开展了产品模块化设计应用。美国福特汽车公司对发动机实现了模块化设计，对不同规格发动机结构进行了重组，使绝大部分模块能通用，简化了生产工艺，统一了生产线。德国大众汽车通过模块化技术将底盘种类由8种缩减为4种，提高了部件重用度，节省了生产费用。产品的模块化设计大大提高了发达国家的产品竞争力。

中国中车发展战略中指出：“全球化、服务化、平台化将成为产业组织新方式”，中车亟需“打造系列化、模块化、标准化的产品结构和技术平台”，充分发挥“同一个中车”整合优势，快速适应市场多样化、个性化的需求，提高产品标准化率、模块化率，缩短研制周期，节约运维成本。集团各主机厂也做出了快速响应，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司、长客股份有限公司已经建设完成模块化快速设计平台的搭建，涵盖了多种产品平台的建设，形成产品系列型谱，在完成基本型的研发基础上，不断进行派生产品衍生设计，在缩短产品研制周期、减少人工成本，提高产品标准化率、减少库存和制造成本，提高产品质量、减少市场后续维护成本等方面效益显著。综上所述，面对当前风云变化的市场需求，我们企业要做出快速响应，才能迎合市场，搭建模块化快速设计平台势在必行。

我公司机车产品研发工作，也做了一些模块化工作，一直比较注重传承，形成了DF系列机车产品平台，在近年研制的“和谐”系列机车也有较好的延续性，但是总体的平台规划不健全，产品族系不清晰，模块化程度不高。产品的设计方案和质量与产品主管的设计水平密切相关，产品的标准化率较低，研制周期较长，整车成本控制困难。具体表现为：1. 现有产品模块化程度不高，设计变型能力弱，研制周期长，快速适应市场能力不强；2. 现有产品没有共用的标准模块，结构形式多样，售后服务队伍庞大，处理问题效率低；3. 公司根据用户需求，生产制造各型车辆，品种繁多，缺乏统一的产品平台。

2、平台建设内容

搭建机车、城轨及柴油机其他产品模块化快速设计平台，建立完整的产品模块库，建立企业级产品快速设计系统，实现企业产品精益研发的全面应用。对于模块化快速设计平台建设，在现有的产品设计技术支撑和三维技术支撑基础上，需要进一步研究應用的内容如下：

1）三维模块化设计：包括产品平台规划，基于现有成熟平台梳理出产品结构模块，为新产品的变形设计提供具有大灵活性的模块化设计子平台。在产品平台的基础上，根据产品零部件结构特点，对产品结构模块进行划分定义、模块接口定义、三维模块设计、三维模块接口设计等，为后续快速设计、自动生成数字化结构模型做好基础。

2）设计数据库：区别于传统的数据库，该数据库管理内容包括企业成熟模块、标准件、通用件、外购件等，定义并管理各类模型数据的分类参数等；

3）三维自动化装配：研究实现基于Web页面选定多个三维模型的自动装配技术，并保证模型装配关系、装配级别的正确性；通过后台大量的骨架模板、UDF特征模板和零部件三维模型模板，系统可以快速的生成方案骨架模型及结构三维模型，实现三维模型的自动装配或半自动装配，提高模型的设计和装配效率。

4）三维模板化设计：应用三维参数化设计技术，基于产品规则特点的梳理定义，建立参数化的三维模板、二维图模板等，实现基于模块模板的参数化变型设计；

5）三维模糊装配定位：通过Web页面上的数据选择，快速从PLM系统调用相应的三维模型，支持通过鼠标点击定位并自动装配该三维模型，实现三维模型的快速定位布置；

6）产品配置设计： 实现通过Web页面上设计方案配置定义或需求方案导入，后台自动实现产品装配结构和数字模型生成等技术；

7）导航式设计：实现设计工作节点化、流程化管理，通过导航方式引导使用者完成相关操作；

8）多方案设计管理：实现设计过程中的多方案定义、多方案对比和多方案管理等；梳理固化产品系列组成、结构特点和设计流程，建立完善三维模块和三维参数化模板，搭建到设计平台上，同时建立分类参数数据库，便于数据的查询和模型的选用；为每一个功能模块设计基础模型，在快速设计平台界面上进行指令驱动，实现模块调取，参数驱动，实现产品的快速方案设计及详细结构设计等目的。

9）统一平台计算：通过服务端计算程序的统一编制和部署，实现客户端Web网页的分布式并行应用。校核计算任务节点与产品设计流程融入一体，在产品参数定义或者结构设计时可以快速的进行设计验证。保证设计师随时可以选择计算程序进行应用计算。

3、效益分析

建设模块化快速设计平台，固化设计经验，提高产品设计质量，降低产品成本，提高产品设计效率，减少无价值工作时间。对提高产品标准化率、减少库存和制造成本，促进产品的变型组合，实现产品多样化，提高产品定制开发效率，提升企业对市场的响应能力。减少市场后续维护成本等方面效益显著。另外，企业竞争力的提升和品牌的提升更是企业无形的效益。