基于PDM的產品快速組合設計系統(tǒng)的研究
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隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 社會產品日漸豐富, 人們不再滿足于產品的一般功能, 對產品個性化要求越來越高, 在新的競爭形勢下, 成本和質量仍是企業(yè)成功的必要條件, 但更關鍵的因素是制造業(yè)如何對越來越分散、擾動的全球市場進行靈活而快速的響應, 更好地滿足多樣化、個性化定制的客戶需求。為了實現(xiàn)快速響應市場的需求, 加快新產品的設計步伐, 只有實現(xiàn)快速組合設計, 構建
PDM 系統(tǒng)平臺上的快速組合設計方案, 才能充分利用企業(yè)的已有信息資源, 縮短產品的設計周期, 同時有效地控制成本和保證質量, 大大提高企業(yè)的綜合競爭力和持續(xù)發(fā)展的生命力。本文就如何構建PDM 平臺上的快速組合設計系統(tǒng)進行了研究。
1 系統(tǒng)功能設計
為了滿足客戶對產品的個性化要求, 應能夠從已有產品模型中快速配置出客戶滿意的產品,對于客戶提出的全新設計, 能夠在充分利用已有設計資源的基礎上, 快速設計出產品模型。因此, 基于PDM 的產品快速組合設計系統(tǒng)應該具有以下功能:
(1) 產品模型的開發(fā)是實現(xiàn)快速組合設計的核心, 根據(jù)客戶需求, 通過有效使用已有設計資源、零部件的變型設計完成產品模型開發(fā)。
(2) 產品的實現(xiàn): 在產品模型的基礎上, 根據(jù)各功能模塊的配置規(guī)則, 選擇適合自己的功能模塊, 形成產品結構。
(3) 零部件的檢索: 使設計人員快速、準確地得到重復件和相似件以支持當前的設計工作。
(4) 零部件的變型設計: 通過建立零部件模型, 實現(xiàn)對零部件的參數(shù)化驅動。
(5) 自動裝配: 客戶配置完成產品結構后,把產品結構中涉及的零部件圖形輸入到CAD 系統(tǒng)中, 自動裝配產品模型。
(6) 在產品模型設計過程中, 引入產品裝配模型, 隨時可以得到已經(jīng)設計的產品結構的裝配模型, 通過感性認識不斷修改設計方案, 避免由于設計失誤造成的返工。
(7) 產品模型的維護: 根據(jù)客戶的要求, 對產品模型進行功能模塊的添加、編輯、刪除和改變功能模塊的配置規(guī)則等。
2 系統(tǒng)體系結構
基于系統(tǒng)的主要功能, 系統(tǒng)的體系結構簡圖如圖1 所示。系統(tǒng)的工作流程是: 分析已有的客戶需求, 并對潛在的客戶需求進行預測, 結合企業(yè)已有的設計資源, 對產品有全局性的把握后,劃分產品的功能模塊, 進行產品模型的設計。客戶從產品模型中配置結束后, 根據(jù)產品的功能樹獲得產品的結構樹, 把結構樹中涉及到的零部件圖形輸入到三維CAD 系統(tǒng)中進行自動裝配, 形成產品的裝配模型, 對產品模型進行各種測試,把裝配模型和測試結果反饋給客戶, 使客戶在產品制造前就能充分地了解產品的外觀、結構、性能等, 如果客戶對產品不滿意, 根據(jù)客戶提出的修改意見進行修改, 可以在產品的裝配模型上進行修改, 修改結果將反映的產品結構中, 也可以修改產品結構, 重新生成產品的裝配模型, 直到客戶對產品滿意為止。根據(jù)各個部門對產品結構的不同需求生成不同的產品結構視圖, 供相應部門使用。如生產部門關心的是零件的生產和部件的裝配過程, 采購部門只關心產品結構中的標準件和外購件等。系統(tǒng)流程圖如圖2 所示。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術
3-1 PDM平臺
PDM作為一門管理所有與產品相關的信息和過程的技術, 為產品快速組合設計系統(tǒng)提供了必要的支持環(huán)境。PDM系統(tǒng)基于計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫, 將以往存放在不同計算機的不同目錄下由各種應用軟件生成的文件, 轉化為存放在服務器數(shù)據(jù)庫里的記錄, 并有效地管理起來, 提供強大的查詢和統(tǒng)計、報表等功能, 保證各種文件的安全性。PDM系統(tǒng)將所有與產品相關的信息和產品的開發(fā)過程集成起來, 創(chuàng)造出一種透明度很高的虛擬環(huán)境, 能適應復雜多變的變型設計的需求, 保證在整個產品生命周期中使產品數(shù)據(jù)具有一致性定義的條件下, 進行產品設計的數(shù)據(jù)管理和過程管理, 是集成計算機輔助工具CAX 的重要武器,成為能支持基于產品模型的快速組合設計的數(shù)據(jù)平臺。
3-2 零部件的變型設計
零部件的變型設計是本系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎, 具體方法是: 對企業(yè)中主要零部件按其功能和結構的相似性進行分類, 形成零件族, 每一個零件族中, 確定幾個零部件模型, 其余的零部件通過零部件模型的參數(shù)變化獲得, 對零部件模型進行分析研究, 確定哪些尺寸可以保持為常數(shù), 哪些尺寸必須定義為變量, 建立零部件的事物特性表,從而建立變型設計系統(tǒng)。
3-3 產品模型的構造
產品快速組合設計系統(tǒng)的核心是產品模型的開發(fā), 包括產品模型的全新設計和產品模型的完善。全新設計產品模型, 一般采用自頂向下的設計方式。設計過程中, 首先選用已有零部件, 當現(xiàn)有零部件資源不能滿足設計要求, 通過變型設計獲得零部件, 當以上兩種情況均不能滿足要求時, 才考慮設計一個新零部件。根據(jù)零部件裝配要求, 選擇零部件或者確定新零部件的裝配接口, 如已經(jīng)選擇了一個螺栓, 當需要設計一個螺母與其裝配時, 根據(jù)螺栓的直徑, 可以確定新螺母的直徑。根據(jù)客戶對產品可能出現(xiàn)的個性化要求, 確定產品模型中各功能模塊的配置規(guī)則, 使產品模型能夠滿足不同客戶的需要。
在進行產品模型開發(fā)時, 只能對產品設計的主要問題和產品設計中已出現(xiàn)的和能預測到的問題進行分析, 并提出針對這些問題的快速組合設計解決方案, 當客戶提出新要求時, 需對產品模型進行修改。對產品模型的修改設計, 不改變產品模型的結構, 只是添加功能模塊的可選項, 一般采用自底向上的設計方式, 根據(jù)客戶要求, 設計功能模塊, 添加到產品模型中。設計功能模塊時, 仍然要考慮功能模塊的裝配接口, 要與已有各功能模塊或者零部件的裝配接口相匹配。
3-4 產品配置的實現(xiàn)
產品設計實現(xiàn)是在產品模型的基礎上, 根據(jù)各功能模塊之間的配置規(guī)則, 選擇功能模塊, 對客戶需求進行快速實現(xiàn), 產品功能模塊配置完成后, 自動把產品的功能樹轉化為產品的結構樹。
因為客戶對產品的要求是從功能出發(fā)的, 只關心產品的功能、外形、顏色等, 而不關心產品是有什么零部件組成和各部分的裝配關系等。所以, 系統(tǒng)將產品模型結構樹轉化為產品模型功能樹, 并把產品模型功能樹放在企業(yè)網(wǎng)站上, 客戶通過企業(yè)網(wǎng)站得到產品模型, 根據(jù)各功能模塊之間的配置規(guī)則, 進行產品配置。
3-5 與CAD 系統(tǒng)的集成
快速組合設計系統(tǒng)與三維CAD 平臺集成起來, 利用CAD 的三維變量化建模和圖形處理功能, 實現(xiàn)產品的自動裝配。具體實現(xiàn)分兩種情況, 一是產品結構樹中零部件的裝配關系已經(jīng)確定, 則根據(jù)結構樹的裝配層次關系及裝配面的定義, 利用CAD 系統(tǒng)的API 函數(shù)編制程序, 操縱CAD 的數(shù)據(jù)結構, 自動實現(xiàn)裝配過程。裝配過程在后臺執(zhí)行, 最后顯示裝配結果, 也可以在前臺執(zhí)行, 直觀地顯示裝配過程。對于產品結構樹中零部件的裝配關系無法確定準確裝配關系, 需要進入CAD 系統(tǒng)中進行試裝配的情況下, 把產品結構樹中涉及的圖形文檔及裝配參數(shù)輸入到CAD系統(tǒng)中, 按照裝配層次關系, 由設計人員按照該層次關系自行裝配。
4 基于PDM系統(tǒng)的產品快速組合設計系統(tǒng)特點
(1) 快速性。把零部件可能存在的多個裝配面作為一類信息, 存入到企業(yè)資源庫中, 在產品設計時, 直接從資源庫中選擇。產品模型可以根據(jù)客戶不同要求配置不同的產品, 產品模型中各零部件裝配接口已經(jīng)確定, 可以直接生成產品裝配模型。零部件的變型設計系統(tǒng), 對現(xiàn)有零部件的資源進行變型設計, 以支持產品模型的設計過程。
(2) 并行性。產品模型的設計過程是一個集成的并發(fā)過程, 從全局優(yōu)化的角度出發(fā), 實現(xiàn)并行設計, PDM為并行設計提供了基礎環(huán)境, 它集數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理能力以及過程的控制能力于一體, 能實現(xiàn)在分布式環(huán)境中設計活動的信息交換與共享, 并對設計過程進行動態(tài)的調整和監(jiān)控,還能夠很好地支持各子系統(tǒng)的協(xié)同工作, 支持資源的優(yōu)化配置, 從而實現(xiàn)對并行工程的支持。
(3) 柔性。客戶根據(jù)產品模型中各功能模塊之間的配置規(guī)則, 選擇功能模塊, 配置出適合自己的產品。
5 結束語
實施產品快速組合設計系統(tǒng)是當前發(fā)展的必然趨勢, PDM系統(tǒng)為產品數(shù)據(jù)和開發(fā)過程的管理提供了很好的平臺。本文對PDM 系統(tǒng)下產品快速組合設計進行了研究, 通過建立產品模型, 客戶可以選擇自己的個性化產品, 減少了產品數(shù)據(jù)的冗余; 零部件的變型設計, 大大縮短了零部件的設計周期; 自動裝配功能, 可以快速得到產品的裝配模型, CAD 技術對產品的裝配模型進行各種參數(shù)分析。