產(chǎn)品三維模塊化快速設(shè)計(jì)方法的研究

安濤

摘 要：本文根據(jù)公司現(xiàn)研發(fā)現(xiàn)狀和水平，結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)手段，主要闡述了如何搭建模塊化快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，并利用平臺(tái)改變公司研發(fā)模式，提高公司整體研發(fā)能力水平的總體設(shè)想與思路。從而實(shí)現(xiàn)基于模塊的產(chǎn)品快速配置、方案定義和數(shù)字化模型組裝等，繼承產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精益研發(fā)。

關(guān)鍵詞：模塊化；快速設(shè)計(jì)；模板；數(shù)據(jù)庫(kù)；

0、引言

大連公司作為目前國(guó)內(nèi)惟一一家能同時(shí)研制電力機(jī)車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)、城市軌道車(chē)輛及大功率中速柴油機(jī)的國(guó)家重點(diǎn)大型企業(yè)，如何將技術(shù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)是公司面臨的重要問(wèn)題。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和信息化技術(shù)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的產(chǎn)品研發(fā)模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

目前，公司已在機(jī)車(chē)、城軌、柴油機(jī)各業(yè)務(wù)板塊基于PLM系統(tǒng)建立了設(shè)計(jì)規(guī)范并逐步形成了完整的數(shù)字化樣機(jī)產(chǎn)品，但產(chǎn)品模塊化程度不適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)變形能力及研發(fā)周期長(zhǎng)等不足。結(jié)合公司整體規(guī)劃及市場(chǎng)需求，本項(xiàng)目在產(chǎn)品全面線上設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步梳理和完善機(jī)車(chē)、城軌、柴油機(jī)產(chǎn)品各子系統(tǒng)特征，通過(guò)梳理定義基于模塊化平臺(tái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊，建立基于型號(hào)產(chǎn)品的模塊化、系列化快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)管理和結(jié)構(gòu)化檢索，從而實(shí)現(xiàn)基于模塊的產(chǎn)品快速配置、方案定義和數(shù)字化模型組裝等，通過(guò)模塊化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，繼承產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，減少設(shè)計(jì)師無(wú)價(jià)值的數(shù)據(jù)查詢(xún)和模型建立時(shí)間，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精益研發(fā)。

1、平臺(tái)建設(shè)的必要性

隨著工業(yè)化和信息化的深度融合的時(shí)代背景下，傳統(tǒng)的制造業(yè)面臨著一場(chǎng)極其深刻的變革。傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)模式周期長(zhǎng)、成本高，日本、德國(guó)和美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已采用了一系列新的生產(chǎn)方式，如精益生產(chǎn)和敏捷制造等來(lái)適應(yīng)這種變革，模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品新生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家在成熟產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合模塊化理論研究的結(jié)果，成功的開(kāi)展了產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用。美國(guó)福特汽車(chē)公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)不同規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重組，使絕大部分模塊能通用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，統(tǒng)一了生產(chǎn)線。德國(guó)大眾汽車(chē)通過(guò)模塊化技術(shù)將底盤(pán)種類(lèi)由8種縮減為4種，提高了部件重用度，節(jié)省了生產(chǎn)費(fèi)用。產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)大大提高了發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

中國(guó)中車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略中指出：“全球化、服務(wù)化、平臺(tái)化將成為產(chǎn)業(yè)組織新方式”，中車(chē)亟需“打造系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)平臺(tái)”，充分發(fā)揮“同一個(gè)中車(chē)”整合優(yōu)勢(shì)，快速適應(yīng)市場(chǎng)多樣化、個(gè)性化的需求，提高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化率、模塊化率，縮短研制周期，節(jié)約運(yùn)維成本。集團(tuán)各主機(jī)廠也做出了快速響應(yīng)，齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司、長(zhǎng)客股份有限公司已經(jīng)建設(shè)完成模塊化快速設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建，涵蓋了多種產(chǎn)品平臺(tái)的建設(shè)，形成產(chǎn)品系列型譜，在完成基本型的研發(fā)基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)行派生產(chǎn)品衍生設(shè)計(jì)，在縮短產(chǎn)品研制周期、減少人工成本，提高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化率、減少庫(kù)存和制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少市場(chǎng)后續(xù)維護(hù)成本等方面效益顯著。綜上所述，面對(duì)當(dāng)前風(fēng)云變化的市場(chǎng)需求，我們企業(yè)要做出快速響應(yīng)，才能迎合市場(chǎng)，搭建模塊化快速設(shè)計(jì)平臺(tái)勢(shì)在必行。

我公司機(jī)車(chē)產(chǎn)品研發(fā)工作，也做了一些模塊化工作，一直比較注重傳承，形成了DF系列機(jī)車(chē)產(chǎn)品平臺(tái)，在近年研制的“和諧”系列機(jī)車(chē)也有較好的延續(xù)性，但是總體的平臺(tái)規(guī)劃不健全，產(chǎn)品族系不清晰，模塊化程度不高。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案和質(zhì)量與產(chǎn)品主管的設(shè)計(jì)水平密切相關(guān)，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化率較低，研制周期較長(zhǎng)，整車(chē)成本控制困難。具體表現(xiàn)為：1. 現(xiàn)有產(chǎn)品模塊化程度不高，設(shè)計(jì)變型能力弱，研制周期長(zhǎng)，快速適應(yīng)市場(chǎng)能力不強(qiáng)；2. 現(xiàn)有產(chǎn)品沒(méi)有共用的標(biāo)準(zhǔn)模塊，結(jié)構(gòu)形式多樣，售后服務(wù)隊(duì)伍龐大，處理問(wèn)題效率低；3. 公司根據(jù)用戶(hù)需求，生產(chǎn)制造各型車(chē)輛，品種繁多，缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品平臺(tái)。

2、平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

搭建機(jī)車(chē)、城軌及柴油機(jī)其他產(chǎn)品模塊化快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立完整的產(chǎn)品模塊庫(kù)，建立企業(yè)級(jí)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品精益研發(fā)的全面應(yīng)用。對(duì)于模塊化快速設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)，在現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)支撐和三維技術(shù)支撐基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究應(yīng)用的內(nèi)容如下：

1）三維模塊化設(shè)計(jì)：包括產(chǎn)品平臺(tái)規(guī)劃，基于現(xiàn)有成熟平臺(tái)梳理出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊，為新產(chǎn)品的變形設(shè)計(jì)提供具有大靈活性的模塊化設(shè)計(jì)子平臺(tái)。在產(chǎn)品平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行劃分定義、模塊接口定義、三維模塊設(shè)計(jì)、三維模塊接口設(shè)計(jì)等，為后續(xù)快速設(shè)計(jì)、自動(dòng)生成數(shù)字化結(jié)構(gòu)模型做好基礎(chǔ)。

2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)：區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)管理內(nèi)容包括企業(yè)成熟模塊、標(biāo)準(zhǔn)件、通用件、外購(gòu)件等，定義并管理各類(lèi)模型數(shù)據(jù)的分類(lèi)參數(shù)等；

3）三維自動(dòng)化裝配：研究實(shí)現(xiàn)基于Web頁(yè)面選定多個(gè)三維模型的自動(dòng)裝配技術(shù)，并保證模型裝配關(guān)系、裝配級(jí)別的正確性；通過(guò)后臺(tái)大量的骨架模板、UDF特征模板和零部件三維模型模板，系統(tǒng)可以快速的生成方案骨架模型及結(jié)構(gòu)三維模型，實(shí)現(xiàn)三維模型的自動(dòng)裝配或半自動(dòng)裝配，提高模型的設(shè)計(jì)和裝配效率。

4）三維模板化設(shè)計(jì)：應(yīng)用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，基于產(chǎn)品規(guī)則特點(diǎn)的梳理定義，建立參數(shù)化的三維模板、二維圖模板等，實(shí)現(xiàn)基于模塊模板的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)；

5）三維模糊裝配定位：通過(guò)Web頁(yè)面上的數(shù)據(jù)選擇，快速?gòu)腜LM系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的三維模型，支持通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊定位并自動(dòng)裝配該三維模型，實(shí)現(xiàn)三維模型的快速定位布置；

6）產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)： 實(shí)現(xiàn)通過(guò)Web頁(yè)面上設(shè)計(jì)方案配置定義或需求方案導(dǎo)入，后臺(tái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)和數(shù)字模型生成等技術(shù)；

7）導(dǎo)航式設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作節(jié)點(diǎn)化、流程化管理，通過(guò)導(dǎo)航方式引導(dǎo)使用者完成相關(guān)操作；

8）多方案設(shè)計(jì)管理：實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的多方案定義、多方案對(duì)比和多方案管理等；梳理固化產(chǎn)品系列組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)流程，建立完善三維模塊和三維參數(shù)化模板，搭建到設(shè)計(jì)平臺(tái)上，同時(shí)建立分類(lèi)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于數(shù)據(jù)的查詢(xún)和模型的選用；為每一個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模型，在快速設(shè)計(jì)平臺(tái)界面上進(jìn)行指令驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模塊調(diào)取，參數(shù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速方案設(shè)計(jì)及詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等目的。

9）統(tǒng)一平臺(tái)計(jì)算：通過(guò)服務(wù)端計(jì)算程序的統(tǒng)一編制和部署，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端Web網(wǎng)頁(yè)的分布式并行應(yīng)用。校核計(jì)算任務(wù)節(jié)點(diǎn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程融入一體，在產(chǎn)品參數(shù)定義或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以快速的進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。保證設(shè)計(jì)師隨時(shí)可以選擇計(jì)算程序進(jìn)行應(yīng)用計(jì)算。

3、效益分析

建設(shè)模塊化快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，固化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，減少無(wú)價(jià)值工作時(shí)間。對(duì)提高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化率、減少庫(kù)存和制造成本，促進(jìn)產(chǎn)品的變型組合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣化，提高產(chǎn)品定制開(kāi)發(fā)效率，提升企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)能力。減少市場(chǎng)后續(xù)維護(hù)成本等方面效益顯著。另外，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提升和品牌的提升更是企業(yè)無(wú)形的效益。