制造企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計庫的規(guī)劃與建模技巧

朱康軍 許弟洪 許探探 彭亮

一、引言

隨著3D CAD軟件的成熟，大部分制造業(yè)已經(jīng)完成“從2D向3D”的遷移。制造企業(yè)在推廣3D CAD軟件時，最大的困境是沒有3D設(shè)計資源的積累，導(dǎo)致設(shè)計周期變長，無法滿足企業(yè)快速響應(yīng)市場的需求。構(gòu)建基于3D模型的設(shè)計庫（包括標(biāo)準(zhǔn)件庫、外購件庫和企業(yè)通用件庫等）是提高設(shè)計效率的重要手段。但3D模型設(shè)計庫的建庫工作卻并沒有想象的那么簡單，首先要推行設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化；其次要考慮DBOM/ EBOM中屬性填寫的規(guī)范性。本文結(jié)合SOLIDWORKS三維軟件介紹如何幫助企業(yè)建立三維設(shè)計庫，提高企業(yè)產(chǎn)品中零部件的復(fù)用率及通用零部件的比例，從而幫助企業(yè)實現(xiàn)基于三維設(shè)計庫的快速設(shè)計。

二、設(shè)計庫模型的獲取與管理困境

1、設(shè)計庫模型獲取的困境

制造企業(yè)都將企業(yè)產(chǎn)品成分為專用件、變形設(shè)計件和通用件，其中通用件比率越高，則設(shè)計效率越高、產(chǎn)品成本越低、產(chǎn)品質(zhì)量越能夠得到保證。其中通用件又分為標(biāo)準(zhǔn)件、外購件及企業(yè)自制的通用零部件，但是目前大部分制造企業(yè)都沒有建立一個包含企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件、外購件和通用零部件的設(shè)計庫。因此企業(yè)工程師在設(shè)計產(chǎn)品時，常常通過以下幾種方法獲取標(biāo)準(zhǔn)件、外購件的三維模型，如圖1所示。

◎SOLIDWORKS自帶的ToolBox標(biāo)準(zhǔn)件庫；

◎?qū)I(yè)的零部件公司如米思米、邁迪設(shè)計寶等；

◎外購廠商。

工程師通過互聯(lián)網(wǎng)上獲取三維模型，雖然能夠完成產(chǎn)品設(shè)計，但有以下幾個缺點：

◎這種在網(wǎng)上調(diào)用外購件的方法，獲取的模型屬于工程師個人，不能和其他工程師共享；

◎網(wǎng)上零部件種類多，也沒有優(yōu)選機(jī)制，這樣不同工程師調(diào)用同類型標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格會不一致，增加企業(yè)外購件的種類；

◎獲取的零部件的物料信息不全，質(zhì)量屬性也不準(zhǔn)確，每次都需要修改才能使用；

◎有些模型需要設(shè)計修改，設(shè)計質(zhì)量得不到保障。

因此制造企業(yè)需要將企業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)件、外購件和自制通用零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化整理，并集中統(tǒng)一管理。

2、設(shè)計庫模型管理的困境

制造企業(yè)都想擁有自己的設(shè)計庫，也都在探索建立設(shè)計庫的方法，但是真正將企業(yè)設(shè)計庫用好的企業(yè)非常少，原因有以下幾點：

◎企業(yè)沒有專職人員對設(shè)計庫進(jìn)行管理與維護(hù)，設(shè)計庫中零部件數(shù)量不斷增加；

◎企業(yè)沒有上PDM/PLM設(shè)計庫，更新慢；

◎設(shè)計庫結(jié)構(gòu)規(guī)劃不合理。

因此企業(yè)需要標(biāo)準(zhǔn)化部門和“標(biāo)準(zhǔn)化專員”對設(shè)計庫進(jìn)行管理。圖2是基于三維設(shè)計庫的產(chǎn)品開發(fā)模式，工程師在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時對于標(biāo)準(zhǔn)件、外購件和企業(yè)自制通用件都是直接從企業(yè)設(shè)計庫中進(jìn)行調(diào)用，設(shè)計庫中的零部件具有優(yōu)選級和完整的BOM信息，被企業(yè)認(rèn)證過，不需要做任何更改。同時設(shè)計庫中的零部件由標(biāo)準(zhǔn)部門和采購部門制定、管理和維護(hù)，這樣就真正提高了設(shè)計效率。

三、設(shè)計庫建庫規(guī)劃

1、三維設(shè)計庫的組成

通過對企業(yè)的產(chǎn)品組成及工作流程的調(diào)查，結(jié)合SOLIDWORKS CAD及SOLIDWORKS Enterprise PDM的管理功能，對于企業(yè)三維設(shè)計庫建庫進(jìn)行規(guī)劃。通過分析企業(yè)產(chǎn)品組成發(fā)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品都可分為專用件、變形設(shè)計件和通用件，而存入三維設(shè)計庫中的零部件是企業(yè)設(shè)計復(fù)用率較高的零部件及通用件。

企業(yè)可通用的零部件包括：國標(biāo)件、行標(biāo)件、外購件和企業(yè)自己定的通用零部件（簡稱通用件），而制造業(yè)三維設(shè)計庫可以分為標(biāo)準(zhǔn)件庫、外購件庫及通用件庫。本文介紹的三維設(shè)計庫主要是標(biāo)準(zhǔn)件庫、外購件庫和通用件庫。

標(biāo)準(zhǔn)件指結(jié)構(gòu)、尺寸、畫法和標(biāo)記等各個方面都完全標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)廠生產(chǎn)的常用的零（部）件，如螺栓、螺母、齒輪和軸承等。

外購件是指沒有標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，需要企業(yè)進(jìn)行設(shè)計和定做，通過外部訂購獲得。

通用件是指在不同類型或同類型不同規(guī)格的產(chǎn)品中可以互換使用，給予通用編號（或單獨管理）的整（部）件和元器件。每一個企業(yè)的系列產(chǎn)品都會由相同的特征、構(gòu)件和子系統(tǒng)等組成。通用件就是通過分析這些系列產(chǎn)品，提煉出它們中復(fù)用率比較高的零部件，進(jìn)行優(yōu)化定型，成為企業(yè)自制的企標(biāo)件及通用件。

2、三維設(shè)計庫建庫的前期準(zhǔn)備

三維設(shè)計庫的建庫工作是對企業(yè)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化整理，提高三維模型的可重用性，不僅對工程師需要進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)，傳遞標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建模思想，同時需要制定相應(yīng)的管理標(biāo)準(zhǔn)制度進(jìn)行管理和維護(hù)。本文主要是借助SOLIDWORKS進(jìn)行三維建庫，建模前需要做以下準(zhǔn)備：

◎企業(yè)可以用SOLIDWORKS定制符合企業(yè)三維設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模板；

◎確定設(shè)計庫三維模型的建庫清單；

◎確定設(shè)計庫三維模型的相關(guān)屬性；

◎確定設(shè)計庫三維模型的命名規(guī)范；

◎確定設(shè)計庫三維模型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計規(guī)范；

◎確定設(shè)計庫三維模型管理規(guī)范。

設(shè)計庫建庫最重要的是設(shè)計庫三維模型存儲結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，使工程師在設(shè)計過程中能夠快速且準(zhǔn)確地從設(shè)計庫找到所需的零部件是非常重要的，設(shè)計庫結(jié)構(gòu)的規(guī)劃既要參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，又要結(jié)合企業(yè)的實際情況，將企業(yè)產(chǎn)品零部件進(jìn)行分類，然后存儲到相應(yīng)的文件夾中去，如圖3所示是一家企業(yè)的設(shè)計庫文件結(jié)構(gòu)。

四、標(biāo)準(zhǔn)件庫的建模庫方法

1、標(biāo)準(zhǔn)件庫清單的獲取

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分工程師都認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)件庫越全越好，這樣工程師設(shè)計在設(shè)計時候就不會出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件找不到的情況，選用標(biāo)準(zhǔn)件時也不用受到約束，可以隨心所欲地選用標(biāo)準(zhǔn)件。但其實這樣的想法是錯誤的。設(shè)計庫的建設(shè)同時也是標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件庫中的標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)該是通過標(biāo)準(zhǔn)化部門分析企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件使用情況后得到的，對于標(biāo)準(zhǔn)件庫建庫清單的獲取，需要統(tǒng)計企業(yè)使用所有的標(biāo)準(zhǔn)件的種類、規(guī)格以及每種標(biāo)準(zhǔn)件使用的頻次，進(jìn)行篩選統(tǒng)計，選出使用頻次高的定位優(yōu)選級高，頻次使用非常少的需要和總工程師討論，是否可以取消使用，最終確定一個符合企業(yè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)件建庫清單。這樣得到的標(biāo)準(zhǔn)件清單，具有優(yōu)選級，不僅可以規(guī)范工程師的設(shè)計，也可以提高設(shè)計效率，同時可以降低管理成本。

2、標(biāo)準(zhǔn)件3D模型的來源

根據(jù)提煉出來的標(biāo)準(zhǔn)件清單，在互聯(lián)網(wǎng)到相關(guān)平臺如：邁迪設(shè)計寶、SOLIDWORKS Toolbox、3D Content Central和3D Source 等獲取3D模型。

3、確定模型相關(guān)屬性

對于標(biāo)準(zhǔn)件而言，其模型的屬性價值大于模型本身，模型屬性根據(jù)最終輸出的BOM中的字段來確定，對于多配置，應(yīng)確保對應(yīng)配置填寫對應(yīng)屬性值。不同企業(yè)根據(jù)自己企業(yè)實際情況而定，一般企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件模型屬性如下。

物料編碼、規(guī)格型號、技術(shù)參數(shù)、材料、重量、名稱、代號、供應(yīng)商和備注，如圖4所示。

4、標(biāo)準(zhǔn)件3D模型處理

通過下載獲得的三維模型，因為零部件的模板和自己企業(yè)不同，所以需要采用企業(yè)三維模板進(jìn)行替換，這里結(jié)合SOLIDWORKS和設(shè)計寶的兼容特征，利用設(shè)計寶中批量替換圖紙/零件模板的功能給標(biāo)準(zhǔn)件更換模板，如圖5所示。

在軟件中打開零部件時，零部件都會占有一定的內(nèi)存，而模型特征越復(fù)雜，所占內(nèi)存越大。標(biāo)準(zhǔn)件模型特征雖然比較簡單，但是在大型裝配體中標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量一般占比都很大，數(shù)量達(dá)到一定量時，會使大型轉(zhuǎn)配體操作緩慢，所以我們需要將標(biāo)準(zhǔn)件模型特征進(jìn)行簡化，標(biāo)準(zhǔn)件模型最重要的是接口形狀，所以我們可以將一些細(xì)小特征進(jìn)行刪除/壓縮，如圖6所示。

模型簡化完之后，填寫好模型的相關(guān)屬性，模型的體積發(fā)生變化，質(zhì)量也隨之改變，所以我們可以利用SOLIDWORKS質(zhì)量覆蓋功能，將零部件準(zhǔn)確的質(zhì)量屬性填寫到屬性欄中，確保質(zhì)量屬性的準(zhǔn)確性，如圖7所示。

對于標(biāo)準(zhǔn)件，每次都以同樣方法配合的零部件，在SOLIDWORKS中可以設(shè)定配合參考以定義使用的配合及用作配合的零部件幾何體。

配合參考指定零部件的一個或多個實體供自動配合所用。當(dāng)用戶將帶有配合參考的組件拖動到裝配體中時，SOLIDWORKS軟件會嘗試查找具有相同配合參考名稱與配合類型的自動組合。因此在建標(biāo)準(zhǔn)建庫時，給每一個標(biāo)準(zhǔn)件添加配合參考，將其變成智能零部件，這樣在調(diào)用時就能快速的自動配合，添加參考配合步驟如圖8所示。

為設(shè)計庫中的模型都是經(jīng)過工程師審核后定型的，不需要更改，為防止意外更改，我們可以將設(shè)計樹進(jìn)行凍結(jié)，操作如圖9所示。

檢查零部件的命名是是否規(guī)范如圖10所示，本文定義的三維模型命名結(jié)構(gòu)為：代號（圖號）_名稱_規(guī)格型號_材料_技術(shù)參數(shù)，符合要求即可入庫。

在設(shè)計庫中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件時，只需要將標(biāo)準(zhǔn)件拖到裝配體中就能自動鎖定配合位置，如圖11所示。

五、外購件庫的建庫方法

1、外購件庫清單的獲取

外購件清單的獲取，需要分析公司所有產(chǎn)品使用的外購件種類，采用矩陣表方法，分析出企業(yè)產(chǎn)品中外購件的使用頻次，再和總工程師、標(biāo)準(zhǔn)化部門以及采購部門討論確定，哪些是常用的，定為優(yōu)選，哪些是特殊產(chǎn)品上使用的定為次選，再將其中因為工程師設(shè)計的隨意性而產(chǎn)生的外購件進(jìn)行禁用處理，這樣控制工程師選擇外購件的隨意性，最后確定外購件的建庫清單。

外購件庫3D模型的來源：

◎通過互聯(lián)網(wǎng)在專業(yè)的設(shè)計庫平臺上下載；

◎外購廠商提供，你需要處理；

◎自己建模。

通過互聯(lián)網(wǎng)在專業(yè)的設(shè)計庫平臺上下載的外購件三維模型，三維模型都是比較準(zhǔn)確的，只需要將模型的相關(guān)屬性填寫完整即可。

2、外購件模型的簡化方法

由外購廠商提供的三維模型，由于供應(yīng)商需要保護(hù)企業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)，提供的三維模型一般只有外觀主要接口尺寸準(zhǔn)確，零件內(nèi)部細(xì)節(jié)尺寸、質(zhì)量屬性和部件的結(jié)構(gòu)組成都會不準(zhǔn)確，因此需要工程師進(jìn)行相應(yīng)的處理。

對于外購件三維模型，大部分都是簡化內(nèi)部細(xì)節(jié)建模的，模型的質(zhì)量屬性都不準(zhǔn)確，所以需要利用SOLIDWORKS的質(zhì)量覆蓋命令將正確的質(zhì)量屬性填寫進(jìn)去。然后在確保接口尺寸準(zhǔn)確的前提下，將模型進(jìn)行進(jìn)一步簡化。簡化特征，可以使用SOLIDWORKS的Defeature命令，可以快速地將零部件的細(xì)節(jié)特征簡化，同時還可以將部件快速簡化成為零件，如圖12所示。

3、自己建模的外購件的建模方法

大部分外購件的三維模型可以在互聯(lián)網(wǎng)下載，或者由供應(yīng)商提供。但仍有少部分外購件找不到三維模型，需要自己建模。自建外購件三維模型時應(yīng)該遵循以下建模規(guī)則：

◎如果沒有可運動的子部件或零件，則裝配體也要按零件建模；

◎有可運動的子部件或零件，則按照裝配體建模，體現(xiàn)運動關(guān)系（滾輪）；

◎零部件只需接口尺寸準(zhǔn)確即可，復(fù)雜特征不需要畫出來；

◎因為是簡化的三維模型，所以建完模型后需要賦予重量值；

◎建完模型后，將設(shè)計樹進(jìn)行鎖定（此操作可以加快零部件的打開速度）；

◎填寫相關(guān)屬性。

下面以平底固定腳輪為例講解外購件的建模方法。平底固定腳輪是一個裝配體，但是作為外購件，只需要確定其主要結(jié)構(gòu)尺寸和機(jī)構(gòu)尺寸、相關(guān)屬性準(zhǔn)確，對于細(xì)節(jié)特征可不需要建模，如圖13所示（需要更加細(xì)致的介紹建模方法）。

六、企業(yè)設(shè)計庫的管理

設(shè)計庫建好后，可以放在SOLIDWORKS MCAD環(huán)境下的設(shè)計庫中，這樣工程師在設(shè)計時候，就可以輕松方便地調(diào)用。結(jié)合SOLIDWORKS與PDM的無縫集成，將設(shè)計庫中的三維模型存儲到PDM系統(tǒng)中，這樣就可以基于PDM設(shè)置權(quán)限管理，實現(xiàn)不同用戶的訪問權(quán)限管理的設(shè)置，對于入庫的設(shè)計庫，不允許無權(quán)限的使用者修改設(shè)計庫中的三維模型，方便設(shè)計庫的維護(hù)管理。同時在PDM環(huán)境下工程師時刻都能獲取庫中最新、最全的三維模型，同時可以根據(jù)三維模型的不同屬性，快速搜索到自己想要的三維模型，如圖14所示。

七、結(jié)論

本文總結(jié)了制造企業(yè)提高產(chǎn)品設(shè)計效率、降低設(shè)計成本的方法，對掌握基于設(shè)計庫的產(chǎn)品開發(fā)模式的需求進(jìn)行研究。將產(chǎn)品組成分為專用件、變形設(shè)計件和通用件，詳細(xì)地闡述了如何建立屬于企業(yè)自己的通用零部件設(shè)計庫，并指出設(shè)計庫的管理方法可以結(jié)合PDM進(jìn)行有效的管理，幫助制造企業(yè)建立屬于自己的設(shè)計庫。