吳淑芳，王 喬，黃 飛，王宗彥

（中北大學 機械工程與自動化學院，太原 030051）

0 引言

隨著國內外起重機需求量的逐漸增大，起重機的快速設計已經成為日益突出的問題。傳統起重機設計中，每制造一種產品就要重新設計一次，重復計算占據了設計的大量時間；而且開發(fā)過程沿用串行生產模式，遵循“需求分析—方案設計—產品設計—加工計劃控制—加工、裝配、檢測—實驗失敗—修改”的流程，這種方法在設計早期不能全面考慮下游的可制造性、可裝配性和質量保證等多種因素，難以滿足激烈市場競爭的需要，而現階段對于起重機的并行設計的研究，不能很好的解決資源的合理利用問題，知識的重用率低、產品開發(fā)周期長、成本高等。針對以上問題，本文在CAD設計的基礎上,根據橋式起重機的結構特點和工作原理，研究了基于并行工程的橋式起重機參數化設計系統，將并行工程和參數化設計的思想相結合，通過產品結構模塊化、零件標準化、圖檔規(guī)范化和設計并行化的融合，能夠最大限度地提高知識重用率，提高橋式起重機的開發(fā)效率。

1 工作原理

基于并行工程的橋式起重機參數化設計系統其核心是以產品為核心的并行設計模式，該模式以并行工程和參數化設計思想為基礎，以多客戶端、單服務器、單工作站體系構架來組建多學科設計小組來進行產品開發(fā)，利用各種計算機輔助工具及產品數據管理、網絡通信等技術，將系統管理、主參數設計計算、參數化模型驅動、工程圖自動生成及調整、可裝配性分析、可制造性分析等功能并行化的集成于系統中，并行和反復地進行產品設計，不斷改進產品設計質量與成本控制和相應的管理規(guī)劃，提高設計一次成功率。以產品為核心的并行設計模式如圖1所示。

2 關鍵技術研究

2.1 并行工程

并行工程是對產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）進行并行、一體化設計的一種系統化的工作模式[2,4]。這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產品全生命周期中的所有因素，包括質量、成本、進度和用戶需求[3]。并行工程在產品開發(fā)過程中并行地考慮設計、工藝、制造和后勤支持等過程，著眼于整個產品開發(fā)過程的組織管理，強調集成地和并行地設計產品及與產品生命周期相關的所有上下游活動，也就是要對產品設計和制造系統中相關過程同時進行考慮，確保產品結構符合其功能需求及相關的制造設施。主要包括以下內容：產品開發(fā)過程重組；集成產品開發(fā)團隊（IPT）；協同工作環(huán)境（CSCW）；數字化產品建模；CAX/DFX使能工具；PDM數據管理技術。

2.2 參數化設計

在產品設計階段建立完備的參數化模板和零部件主模型，產品設計時根據定單要求，通過配置推理出所需產品結構配置，然后檢索是否有適合所需配置的產品模板[1]，如果沒有合適的模板，就根據配置要求在所建參數化模板的基礎上重新生成一套新模板，并在新模板基礎上進行參數化設計滿足具體產品幾何尺寸要求，最后將各零部件主模型調入產品模板對應位置通過參數化構成產品模型，同時自動獲得產品的完善配置信息,實現產品的快速參數化設計。參數化設計的關鍵是對已有資源的重用，因此產品結構形式相對穩(wěn)定，系列件、通用件和相似件占相當比例等是參數化設計的基礎。

3 面向并行工程的橋式起重機參數化設計系統

面向并行工程的橋式起重機參數化設計系統以多用戶端、單工作站、單服務器體系結構，將CAD/CAM/CAE的集成和可制造性分析結合起來，確認當前制造過程的能力，產生生產過程的結構化分析和數據流向圖，由相應部門對其進行審查，剔除多余的操作并驗證實際過程；對設計的部件及其裝配關系，進行可制造性、可裝配性、可檢測性與可維護性檢查，使產品開發(fā)的各個功能環(huán)節(jié)之間最大限度地交叉、并行及協調，評估校核不合格則重新設計該過程，循環(huán)往復直到合格為止；在整個橋式起重機設計過程都可行的前提下，再對橋式起重機進行設計和仿真；評估合格則進行橋式起重機圖紙設計、工序設計等。由于對每一個環(huán)節(jié)進行了可行性評估、分析及優(yōu)化調整，從而避免傳統開發(fā)過程中經常出現的因早期考慮不周，發(fā)現問題來回反復。流程圖如圖2所示。

3.1 系統體系構架

多用戶端、單工作站、單服務器體系結構，即用戶端負責設計主參數的輸入與維護，服務器負責設計數據與參數文檔的管理與維護，工作站負責參數化文檔的自動生成（包括三維模型的驅動和工程圖的自動調整等）。滿足多人同時進行操作的要求，實現了多用戶快速并行設計；同時應用PDM系統集成管理所有有關產品的信息及相關過程信息，通過用戶管理模塊，不同職位的設計人員具有不同的操作權限，來進行產品，解決各產品開發(fā)團隊之間的矛盾，不同模塊、不同知識可以并行的進行橋式起重機的結構設計，實現過程的實時控制與管理。從而在模塊劃分階段能實現研發(fā)隊伍的重組和產品結構設計的并行化。

3.2 系統開發(fā)過程

橋式起重機的設計計算階段，設計者應對下游制造及支持過程統一考慮，制定具體的焊接方法和焊接工藝以及成本計算方法等企業(yè)制造環(huán)境相關的內容。

橋式起重機參數化建模階段，考慮零件的可裝配性、可加工性的前提條件下，建立零件特征,同時要對于具有相似特征的零件，建立零件配置表,根據需要激活某種配置。各零部件添加零件自定義屬性，將零件的名稱、代號、材料、數量、重量等屬性值鏈接到工程圖BOM表注釋文字中，實現實時關聯設計。同時，在零件草圖或裝配中建立幾何約束關系和尺寸方程式,保證后續(xù)對驅動參數進行修改和更新時可完成零部件的重新構建[6]。

橋式起重機的虛擬裝配階段，應采用自頂向下的設計方法。在進行裝配之前要全局考慮整個裝配過程,設計裝配草圖，添加參數化驅動方程式。裝配完畢后確保各零部件完全定義，并進行零件干涉檢查，以排除草圖與零件之間錯誤的尺寸關系和裝配關系。

程序設計階段，利用Visual Basic編程語言與SolidWorks API函數實現零部件的參數驅動，編輯人機交互操作設計界面。

模型驅動階段，并行的對各個設計模塊進行校核，通過構建簡化模型,利用Ansys軟件對橋式起重機進行有限元分析，保證其力學性能可行，利用Matlab對橋式起重機主梁、端梁截面參數進行優(yōu)化，確定單一模塊的總體尺寸和截面尺寸，使在符合設計要求的同時得到最優(yōu)解，并將結果反饋給計算模塊。

橋式起重機的參數化設計中，模型與工程圖雙向驅動，模型改變后，在圖紙管理器中設定相應圖幅及圖紙比例，可以自動生成相應的工程圖，在三維向二維轉化的過程中，自動生成的工程圖會出現圖幅較差，尺寸標注不整潔，線條繁雜等問題[7]。針對所使用的三維設計軟件提供的工程圖模塊應用接口函數，建立通用的工程圖自動調整程序，通過視圖遍歷的方法，對視圖比例、視圖位置、尺寸與注釋、材料明細表等逐一調整。

系統構建的PDM數據管理平臺，使異地分布的多學科開發(fā)團隊能夠通過PDM并行協作開發(fā)產品。在協同工作環(huán)境中，把支持橋式起重機開發(fā)的工具和多學科團隊集成在一起，在信息集成的基礎上，實現過程控制與管理，做到了在正確的時間將正確的信息以正確的方式傳遞給正確的人。

整個過程利用 DFX、TeamWork、信息預發(fā)布等手段來充分考慮產品生命周期內的所有影響因素，通過局部微循環(huán)小范圍迭代來減少從設計到制造過程的大循環(huán)迭代[5]。系統組成結構如圖3所示。

4 結論

本文以橋式起重機為例，建立了面向并行工程的橋式起重機參數化設計系統，在應用并行工程原理的基礎上將并行化、模塊化產品族技術引入到橋式起重機參數化設計中，建立多用戶端、單工作站、單服務器的系統結構體系，并對面向并行工程的橋式起重機設計方法、設計過程、系統框架等進行了深入探討。本系統使設計者、制造者和管理者能全面管理、跟蹤、控制及實時查看圍繞產品設計、開發(fā)及整個工作過程中的所有與產品相關的數據與過程。利用該系統進行橋式起重機參數化設計，能夠增強參數化設計的規(guī)范性和智能性，提高產品設計速度和設計質量，進而增強企業(yè)對市場的快速響應能力。

[1] 陸春月. 基于參數化模板的起重機快速變型設計方法.

[2] 熊光楞. 并行工程的理論與實踐[M]. 北京清華大學出版社海德堡施普林格出版社, 2000.

[3] 錢曉明. 面向并行工程的產品開發(fā)過程關鍵技術研究[D]. 南京航空航天大學, 2004.

[4] 胡盛文. 基于并行工程的產品開發(fā)過程建模及應用研究[D]. 南昌大學. 2009.

[5] 張潔. 面向并行工程的產品開發(fā)過程研究[D]. 蘭州理工大學. 2009.

[6] 王宗彥. 橋式起重機橋架模塊化參數化設計技術研究[J]. 機械管理開發(fā), 2009, 10.

[7] 張立國 吳淑芳. 系列起重機產品快速設計方法研究[J].機械設計, 2008, 4.