基于特征及產品族的電纜接頭快速設計

石海林，仲梁維，李晶晶，王 祥

（上海理工大學機械工程學院，上海200093）

1 概 述

本設計根據企業的生產實踐提煉出來。在開發該系統之前，對生產企業進行相關的調查研究，通過這一調查，了解企業產品線、產品設計思路、制造工藝、產品管理等一系列信息。電纜接頭快速設計系統能夠完成產品的整個參數化設計，最終得到電纜接頭零部件三維模型圖與二維工程圖、企業內制零件的工藝文檔、BOM表和使用說明書等技術資料；產品模塊劃分明確，而且很多相似零件之間經常出現相互借用，其制造工藝過程相對來說標準化程度高，借用重用度高，非常適合在基于產品族的情況下利用特征參數化設計的方式實現產品快速優化設計。產品族參數化模型關系的建立及流程如圖1所示。

2 產品族特征參數數據庫

產品族的事物特征包括幾何、制造、功能、材料、成本等五類特征，如圖2所示為產品族的事物特征信息圖。產品族集合可用產品事物特征表的二維表方式進行表示，每個零件實例用一行數據信息表示，該產品族中行代表零件個數，列代表零件特征個數，以此種數據表的格式表示相似零件可以減少存儲量，提高資源利用率［1］。

圖1 產品族參數化模型建立關系及流程圖

圖2 產品族事物特征分類圖

為了將圖2所示的諸多事物特性進行存儲，用數據庫系統對其進行存取。設計數據庫應用系統之前得先分析、整理即將放進數據庫中的數據，明白整個系統的需求。分析各數據的組成結構及其相互之間的關系，清楚整體數據庫的結構并用相關的方式將其表示出來［3］。

3 快速設計系統總體框架

本課題在特征及產品族理論和快速設計系統關鍵技術論證的基礎上，創造性地將其應用于電纜接頭的設計中，開發了基于特征及產品族的電纜接頭快速設計系統。企業中系列化、通用化和標準程度高的產品，產品設計所采用的數學模型及產品結構都是相似的，只是在結構尺寸方面或某些特征上有所差異［4］。對于電纜相關產品接頭的設計，在基于客戶需求劃分出產品族的基礎上，分析產品族中各產品的特征，抽象出產品平臺模型，把決定產品規格的基本參數用對應的變量替代，然后根據已知條件，對實例數據庫進行檢索，并將檢索的結果返回系統，或者進行修改，或者保持原數值，再由專門的Creo三維軟件在屏幕上自動的生成三維模型、工程圖。電纜接頭快速設計系統框架如圖3所示。

圖3 系統框架圖

4 電纜接頭產品族模型

根據產品族確定的產品族模型攜帶了產品全生命周期中的所有信息，即包含為了實現同一客戶需求群的需求所具有的產品功能、產品原理、產品結構等方面的信息，它是信息的載體［7］。由客戶需求劃分出產品族，提取出同一類產品族中的相似功能結構和性能，并將主參數提取出來，構建參數化的變量模型。用Sql Server數據庫將產品族的諸多事物特性值進行存儲，可以很方便的對產品族主模型進行產品的變型設計。在企業調研的基礎上得知，現在企業的產品有：快速軟管接頭、電磁兼容電纜接頭、90度直角軟管接頭、防水夾緊軟管接頭、卡套式金屬管接頭、旋轉適配器、直角金屬管接頭、45度金屬管接頭、歐標金屬管接頭等。面對如此多的電纜接頭類產品，運用產品族劃分知識將其進行聚類整理。我們對企業調查來的大量客戶需求進行聚類分析，得出企業的產品族分類，如圖4所示。

圖4 電纜接頭產品族的劃分

根據圖4劃分出來的電纜接頭及電纜軟管接頭的產品族，以及在此基礎上得出的相關產品族模型，接下來選擇各個產品族模型中有代表性的產品來進行說明，分別為金屬電纜接頭模型、電纜金屬軟管接頭模型、夾緊軟管接頭模型等。

電纜接頭是連接電纜，保持線路暢通的關鍵部件，在對企業客戶需求的分析中得出金屬電纜接頭的主要參數為：螺紋制式、螺紋長度、線徑等數據。根據產品族的分析得出主模型如圖5所示。

圖5 電纜接頭三維模型及其主要參數

5 電纜接頭產品族數據庫設計

電纜接頭及軟管接頭模型元件的部分數據信息保存在Sql Server數據庫中，通過讀取數據庫中相應字段中的數值及模型中的參數，將數據庫中的數據賦值給模型中的尺寸變量，從而驅動模型的更改。在關系型數據庫中，數據表的確定是設計中最為重要的因素［9］。每一個接頭產品族基型對應一個數據表，數據表為二維表，表中的每一行表示一個接頭實體，表中的每一列表示接頭實體的一個屬性。接頭產品族基型的數據表通過料號和版次唯一確定一個實體接頭類型。以金屬電纜接頭為例，其產品族基型設計信息表如表1所示，對應的數據庫表如圖6所示。

表1 金屬電纜接頭設計信息表

圖6 金屬電纜接頭數據表

本課題將企業接頭類產品分成了電纜接頭、電纜金屬軟管接頭、電纜塑料軟管接頭這三大產品族。在這三大產品族的基礎上，根據特征確定三大產品族系列的基本組成、結構和功能，并將這些產品族基型通過一定的方式歸類儲存，劃分出產品族下的不同基礎模型。通過對企業接頭類產品現有知識資源的分析，得出各產品族基礎模型的主驅動參數、次驅動參數以及被動驅動參數，并根據以往的設計數據，將各產品族基礎模型的驅動參數值導入數據庫中，形成新設計產品的數據源。根據分析建立的電纜接頭及電纜軟管接頭產品族數據庫如圖7所示。

圖7 系統產品族數據庫

6 電纜接頭系統模塊設計

作為企業多元化的產品類型，電纜接頭產品族有公制、英制和美制系列，材料有尼龍和黃銅鍍鎳，在功能上除了常用類型還有多孔接頭、電磁屏蔽接頭和防折彎接頭等。通過對產品族基本組成、結構和功能的歸類整理，本節將以電纜接頭產品族的一種基型為例講解電纜接頭的快速設計思路。

為了能夠實現流暢的人機交互，根據企業的實際情況，本系統采用樹形框架結構設計用戶管理模塊。根據企業工程部的管理級別：經理、主管、工程師、助理工程師，分別將權限管理、用戶增刪及密碼修改等功能分配給不同的角色。具體的分配關系如圖8所示。

系統的用戶界面是應用程序和用戶交流數據的接口，是一個整合程序各模塊的框架，并為用戶提供進入不同模塊的功能，最后系統把模型等信息輸出給用戶。

圖8 用戶管理架構圖

根據圖3所示的本課題快速設計系統框架圖，系統通過圖9所示的界面將用戶操作模塊、產品族快速設計模塊和其它操作模塊集合起來，此界面為本系統的主界面。

圖9 系統主界面

該系統的開發面向所有的設計人員，用戶在打開程序后，首先進入的是系統主界面，如圖9所示。然后選擇菜單欄上面的“用戶登錄”進入用戶登錄界面。

進入主界面后，選擇電纜接頭系列進入如圖10的設計界面。設計者首先通過產品料號和版次檢索實例數據庫，看實例數據庫中有沒有相似產品實例，查詢到相似實例則導入新項目，將相似實例的數據自動填充到設計界面各零件的相應參數值框中，再根據設計需要進入各級零件界面進行實例數據調整，最后把調整好的數據存入實例數據庫。

圖10 金屬電纜接頭設計界面

在沒有檢索到相似產品的情況下，需進行金屬電纜接頭全新設計，首先點擊“新建項目”進入金屬電纜接頭整體設計界面，根據設計者要求填寫產品料號、版次、日期、設計者和比例，以及根據客戶要求填寫接頭主要參數規格型號、螺紋制式、螺紋長度和線徑等。

輸入完金屬電纜接頭整體數據之后，將分別對模型的各零件進行設計。在對金屬電纜接頭（M制螺紋）的各零件分步設計時，設計順序非常重要，根據實際調查和應用性研究，確定設計順序為：尼龍內芯、橡膠密封件、接頭身體、接頭帽子、O型密封圈和螺母。根據上述規劃的零件設計順序，參數化設計每一個零件。首先設計尼龍內芯，通過設計界面將客戶需求的數據填入相應的空格中，打開模型和工程圖檢查是否符合設計要求。

其它零件的設計方法和尼龍內芯的設計方法相似，按順序對橡膠密封件、電纜接頭身體、電纜接頭螺帽等進行設計，設計過程中要對各個模型和工程圖依次進行檢查，所有零件檢查核對之后，把參數存入實例數據庫，作為下次設計的推理實例使用。隨后需要生成三維裝配模型和裝配工程圖以及BOM表，這里生成的裝配模型和裝配工程圖主要用于檢查最終生產出的成品是否會有干涉現象，如果發現有問題，要及時處理更改，以免造成企業的損失。最終電纜接頭裝配模型如圖11。

圖11 金屬電纜接頭裝配三維圖

7 結束語

本論文從電纜接頭產品層面出發，將產品族理念引入電纜接頭的設計中，同時考慮到電纜接頭重復設計多、設計效率低、設計過程不規范、設計知識沒有積累等問題，提出了在電纜接頭產品族基礎上進行快速設計的方法。該系統在保證模型設計準確的前提下，大大提高了企業產品的設計效率，增加了產品設計的多樣性，從而降低了產品的開發成本，增加了企業的市場占有率，為企業創造更多的收益。

［1］顧巧祥，蘇少輝，余軍合，等.基于事物特性表的產品變型設計研究［J］.中國機械工程，2004，15（19）：23-26.

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［3］程學先.數據庫系統原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2014.

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［5］王云志.面向個性化定制的產品配置設計研究［D］.北京：北京交通大學，2006.

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