面向并行工程的機械產品參數化協同設計

王宗彥，虞國軍，吳淑芳，秦慧斌

(1.中北大學 機械工程與自動化學院，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)

企業產品開發的組織方式大多采用串行的方法，遵循“設計—建模—分析—修改設計—再建模—再分析”的串行設計方式，串行的產品開發過程存在著下游開發部門的知識難以引入早期設計、部門間缺乏信息交流、產品開發周期長、資源要素約束等諸多弊端[1]。為解決串行設計中存在的問題，要引入并行工程的設計思想。現代企業資源的分布性和制造業信息化的飛速發展使得各個企業必須打破傳統的集中設計制造的生產模式，建立分布式的設計制造體系，因此分布式協同設計就顯得尤為重要，同時參數化變型設計的引入，使得快速設計更加切實可行。目前，國內外學者對基于并行工程的協同設計技術進行了不少研究，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同系統的特點與功能需求的基礎上，研究了協同設計系統開放式實現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層次模型；于加晴等[3]針對復雜產品設計過程中存在信息集成度低、信息表達不完整的缺點，結合多學科協同設計優化理論，提出一個基于 SORCER的面向復雜產品的協同設計系統；文獻[4]對基于協同設計的機械產品概念設計中的協同技術、異構環境下數據共享、基于實例和規則混合推理等關鍵技術進行了研究；李惠杰等[5-6]依據并行工程環境下產品開發中非時間沖突問題產生的根源，在深入研究設計目標與結果一致性判斷準則和信息共享機制的基礎上，提出了確保目標一致建立自我矯正機制、合理的組織與設計任務劃分、信息的傳遞與表達機制等解決方案；吳偉偉等[7]分析了當前參數化設計技術存在的優缺點，結合參數化思想和層次型數據表技術，提出了一種產品級的參數化變型設計方法。但是，從總體上講，基于并行工程的參數化協同設計的相關研究還不夠深入，存在以下問題：(1) 并行工程環境下的支撐平臺的構建方法不統一，缺乏系統的理論體系和支持工具；(2) 分布式協同設計中網絡異構問題沒有統一的解決辦法；(3) 并行工程、協同設計、參數化設計沒有有機的結合起來。針對以上不足，本文作者結合已開發的橋式起重機數字化設計系統原型提出了一種基于 PDM 的面向并行工程的參數化協同設計方法。

1 面向并行工程的參數化協同設計方法

1.1 基于PDM的分布式協同設計平臺

PDM 是在數據庫基礎上發展起來的一種面向工程設計與應用的信息管理技術，它能管理所有與產品相關的信息與過程，并通過電子倉庫機制保持產品數據在其整個生命周期內的一致、共享與安全[8]。PDMWorks Workgroup(PDMWW)是基于項目協同工作的設計團隊進行文件管理而設計的，它能確保設計版本更新和復雜的文件間關系的有效管理，屬于工作組級別的PDM系統[9]。PDMWorks是以電子倉庫為中心，用戶訪問電子倉庫必須擁有權限，用戶從庫中檢出或直接打開文件，文件首先會被自動的復制到本地工作目錄中，以獲取最大的工作速度，為了減少網絡傳輸數據量，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制遞增。

基于客戶機/服務器(Client/Server，C/S)結構的系統，具有較強的數據操縱和事務處理能力，數據的安全性和完整性較高，但協同開發環境中的項目成員是不斷變化的，C/S結構不能適應這種變化；而單純的瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)結構雖然大大簡化了客戶端，只需一個Web瀏覽器即可，但它在實現項目分析、任務分工等復雜的工作時又顯得非常困難[10]。因此，本文結合B/S和C/S各自的特點優勢，在已開發的橋式起重機參數設計系統原型的基礎上，提出了“多客戶端/單服務器/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，實現數據共享，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器提交產品的設計參數，服務器端接收信息后進行相應的處理，并將結果存儲到數據庫中，同時向工作站發出開始工作的指令，工作站接收到工作指令便開始進行模型驅動和有限元分析校核等工作，生成相應的產品數據文檔，并以項目為單位自動檢入到電子倉庫中，服務器監聽工作站的工作狀態，并實時向客戶端發送狀態信息，用戶一旦獲得驅動完成的信息便可以在客戶端查看或下載相關的數據文檔。

1.2 參數化變型設計

參數化變型設計是以拓撲約束、尺寸約束、工程約束驅動為技術基礎，不僅包括傳統參數化所包含的對部分特征驅動尺寸的修改使其他關聯尺寸得到相應修改而產生結構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化模型驅動后與之相關聯工程圖的視圖位置、比例、尺寸、注釋、BOM表等相關信息的自動更新，生產制造的下游工裝夾具、工藝規程規劃、NC代碼等參數化關聯設計等，乃至整個產品生命周期的參數化設計[11-12]。

根據參數化設計的特點首先需要確定參數化變型設計的零部件級別，建立零部件的參數化模板(模型模板和工程圖模板)；其次根據現有的行業設計規范和設計標準編制零部件設計計算程序并確定其變型、變參空間，確定模型驅動的主從參數；通過調用API函數編制數據接口和模型接口，提取產品設計參數并導入到參數化模型模板得到更新的三維模型；編制工程圖調整程序，進行模型驅動后工程圖自動調優；基于BOM 遍歷和圖紙注釋信息遍歷的方式自動統計工藝信息；利用APDL語言編寫關鍵部件有限元分析的命令流文件，進行有限元分析校核；最終將生成的產品數據文檔自動檢入到 PDM 電子倉庫中，實現參數化文檔管理。具體路線如圖2所示。

圖1 基于PDM的分布式協同設計平臺Fig.1 Distributed collaborative design platform based on PDM

圖2 參數化變型設計路線Fig.2 Procedure of parametric variant design

1.3 并行工程

并行工程是集成、并行設計產品及其相關的各種過程(包括制造過程和支持過程)的系統化方法。這種方法要求產品開發人員在設計開始就考慮產品的整個生命周期和從概念形成到產品報廢處理的所有因素，包括質量、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品模型的并行設計[13]。其具有并行性(Concurrent)、約束性(Constraint)、協調性(Coordination)和一致性(Consistent)4個特點。并行性要求產品和過程設計在同一個框架內并行進行；約束性要求在產品設計時考慮過程的約束性(包括過程的時間效益、成本效益等)；協調性要求產品和過程密切協調；一致性要求產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技術是產品數據共享與過程管理技術，是并行工程的基礎平臺[15]。PDM的目的是對并行工程中的共享數據進行統一的規范管理，保證全局數據的一致性，提供統一的數據庫和友好界面，使多功能小組能在一個統一的環境下工作。

2 面向并行工程的參數化協同設計框架模型

基于上述設計思想，結合橋式起重機結構型式固化程度高的特點，利用面向對象的開發工具 Visual Basic 6.0，以 SolidWorks 2010為三維設計平臺，以MS Access2007、SQL Server 2008為數據庫管理軟件，依托 PDMWW 管理平臺搭建“多客戶端/單服務器/多工作站”(MCSSMW)的體系結構，開發面向并行工程的橋式起重機參數化協同設計系統。系統總體框架模型如圖3所示。

從機械產品全生命周期的角度出發，將客戶的原始需求到產品的最終報廢貫穿于整個設計的始末。引入并行工程及快速實施的設計思想，首先客戶需求解釋為開發對象的性能參數，根據行業現有的設計標準和設計經驗，結合企業需求，在產品詳細規劃的基礎上采用逐級分解的方法，以160 t的鑄造起重機為開發對象，進行合理的模塊劃分；其次根據劃分的模塊以及定義的角色權限，合理的組織和計劃劃分任務，以PDMWW為工作平臺，通過消息模塊實現用戶之間相互通訊，將設計信息和制造信息有效地集成起來，保證設計上游和設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模塊的參數化模型模板和工程圖模板，建立參數化模型庫以及標準件、通用件模型庫；最后理清零部件的參數化變型關系，合理劃分參數等級，確定整機及其零部件之間的約束關系和關聯尺寸，開發參數化驅動程序、工程圖調整程序以及參數化有限元分析程序，產品設計文檔自動檢入 PDM 電子倉庫，并根據前期制定的工作流程和版本規則，進行自動編號保存，設計員根據具有的權限和生命周期狀態，實時更改命令流狀態。

圖3 面向并行工程的橋式起重機參數化協同設計系統框架模型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化協同設計方法在機械產品設計中的應用。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。主任設計師根據設計任務分配協同小組各成員的工作，根據任務的權重系數，界定上、下游設計范疇，消解瓶頸工作點，小組成員之間通過 PDMWW 相互調用或借鑒彼此的設計文檔，并依托系統Message消息模塊相互通訊，實現信息順暢傳遞，實時共享。端梁設計包括：端梁頭部，端梁中段，端梁與主梁連接部分，底部車輪部分等，其頭部參數設置界面如圖4所示。各部分參數提交完畢，服務器向工作站發出工作指令，工作站向服務器提取端梁設計參數并生成新的模型，并對其結構進行靜強度、剛度分析校核，如果分析結果合理則進行工程優化調整，否則返回重新進行參數提交。端梁設計結果如圖5所示。

圖4 端梁頭部參數設置界面Fig.4 Parameter settings interface for end beam head

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

4 結論

(1) 基于PDMWW管理平臺與具有混合網絡模式的MCSSMW體系結構，提出了面向并行工程的參數化協同設計方法和框架模型。

(2) 根據橋式起重機結構相似性的特點，以SolidWorks2010為三維設計平臺，以關系型數據庫SQL Server 2008為數據管理軟件，開發面向并行工程的橋式起重機參數化協同設計系統，以完成零部件的參數設置、模型驅動、分析校核以及工程圖優化等工作，獲得最終的設計結果。結果表明該成果的應用顯著地提高了起重機產品的設計效率和質量，縮短了產品設計周期，滿足了企業快速響應市場的需求。

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