方金龍，朱利軍，張鵬飛，王艷芬（.三一重工股份有限公司，湖南長沙44000；.通號軌道車輛有限公司，湖南　長沙　44000）

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Pro/E模塊化設計方法在泵車結構設計中的運用

方金龍1，朱利軍1，張鵬飛1，王艷芬2
（1.三一重工股份有限公司，湖南長沙414000；2.通號軌道車輛有限公司，湖南長沙414000）

敘述了常規(guī)三維結構設計原理及方法，介紹了基于Pro/E軟件進行參數(shù)化模塊化設計原理及方法。提出了在泵車結構設計中采用參數(shù)化設計的必要性和高效性?？蓸O大的提高三維建模的質量，縮短產品開發(fā)的周期，提高協(xié)同設計水平減少設計誤差。

骨架；模塊；模塊化；接口

模塊化設計技術是由產品系列化、組合化、通用化和標準化的需求而孕育出來的，是在某單一型號設計前，對產品系列提前進行統(tǒng)一規(guī)劃，盡可能多模塊、零部件相互通用（考慮采購、物流、研發(fā)、工藝制造成本），僅設計和制造其中專用的模塊或零部件，然后與現(xiàn)有的、外購的通用模塊、零部件組裝成為產品的一種設計方法。模塊化產品設計的目的是以少變應多變，以盡可能少的投入生產盡可能多的產品，以最為經濟的方法滿足各種要求。模塊化設計是以模塊為基礎進行內部接口、外部接口設計，通過加、減、換、或更改相應模塊以構成新的產品，并滿足裝備產品的功能指標要求。

采用模塊化設計方法，可實現(xiàn)產品族、模塊族的提前統(tǒng)一規(guī)劃。而且模塊的獨立性強方便替換、修改和衍生，而且接口穩(wěn)定。通過不同產品模塊的選裝或者是全新模塊的研發(fā)可快速實現(xiàn)新型號產品的開發(fā)工作，極大的縮短開發(fā)周期和開發(fā)成本。

1　常規(guī)設計方法

常規(guī)產品設計一般采用集成化產品架構 （以泵車轉塔開發(fā)為例見圖1）模式進行垂直開發(fā)。常規(guī)設計方式無法進行產品的并行開發(fā)，降低了并行工程的有效性；垂直開發(fā)模式使得單個模塊無法輕松加減或替換，增加了設計變型產品的難度；同時，集成化產品架構沒有嚴格的模塊劃分，更沒有明確定義的接口，因此每個團隊的職責不能明確，團隊間存在相互依賴的問題；集成化產品架構等于是一個無效、高成本的系統(tǒng)集成，在裝配中各模塊之間的依存關系及其復雜且很難控制，對市場需求與客戶要求很難做到及時響應；變型產品的設計變得十分困難，必然導致產品開發(fā)成本增加且可推向市場的變型產品數(shù)量減少。

圖1　轉塔設計集成化架構

2　Pro/E模塊化設計方法的運用

模塊化設計展開之前：①對泵車產品結構進行詳細分析，梳理各模塊結構形式、主要設計輸入和輸出參數(shù)、模塊變型的趨勢等。分析討論現(xiàn)有產品開發(fā)過程中所存在的問題。②進行模塊的劃分。根據已有的組織架構、研發(fā)流程、考慮各系統(tǒng)的功能，并結合生產工藝進行模塊的劃分。也可根據已有的設計經驗，對已有數(shù)據進行分析，并參照同行業(yè)的經驗，進行模塊的劃分。模塊的劃分過程中應結合各零部件的借用關系，盡量減少模塊數(shù)量，增加模塊的利用率。然后，是定義模塊與模塊之間的接口類型和主要參數(shù)。接口的種類一般分為四種：直接連接類（模塊之間直接的裝配信息，如連接法蘭、孔位等）；空間占位類（模型占位、空間干涉檢查、檢修空間等）；參數(shù)傳輸類（尺寸參數(shù)、性能參數(shù)、力矩傳遞等）通信注釋類（設計參考、注意點等）。以下是泵車模塊化設計方法的大致步驟：

2.1總體設計

2.1.1確定設計意圖

泵車總體設計師根據市場需求、國家法律法規(guī)要求、競爭對手分析以及未來產品規(guī)劃等方面，初步提出臂架長度、整車重量、整車尺寸等主要性能、尺寸要求。將初步確定的參數(shù)同已有產品（或類似產品）、競爭對手產品進行對標分析，確定出泵車總體設計的主參數(shù)。

2.1.2建立整車裝配結構

泵車總體設計師首先創(chuàng)建泵車總裝配結構和泵車骨架總成；各模塊設計師分別創(chuàng)建各一級模塊的空總成提供給總體設計師或由總體設計師直接創(chuàng)建后提供給各一級模塊設計師，暫時選擇缺省裝配，等泵車位置骨架創(chuàng)建出各一級模塊的位置坐標系后再修改為坐標系裝配。

2.1.3建立整車骨架總成內部結構

可將泵車總成骨架分為以下三類：泵車位置骨架（使用坐標系定義出各主要一級模塊和一級接口的位置信息）、泵車參數(shù)骨架（包含泵車總體設計所需的所有參數(shù)和參數(shù)值）、一級接口骨架（定義兩個主要一級模塊之間的接口信息）；主體設計框架如圖2所示。

圖2　泵車整車裝配架構

2.1.4完善各類骨架信息

泵車參數(shù)骨架主要應包含各一級模塊需要控制的參數(shù)及參數(shù)值；可將主參數(shù)按公用參數(shù)（對于同時控制兩個或者兩個以上一級模塊的參數(shù)，直接創(chuàng)建到參數(shù)骨架的參數(shù)表中）和專用參數(shù)（只控制某一級模塊的參數(shù)，在骨架模型中創(chuàng)建對應的“點”特征，將同一模塊的參數(shù)創(chuàng)建到對應的點特征的參數(shù)表中）進行分類創(chuàng)建；

泵車位置骨架主要作用是通過基準坐標系來表達主要一級模塊在整車中的位置。通過關系式建立坐標系同參數(shù)的約束關系，實現(xiàn)參數(shù)直接驅動模塊位置。泵車位置骨架完成后，需要將各一級模塊裝配到骨架總成對應的位置坐標系上面；

一級接口骨架是每個接口骨架對應兩個模塊之間的接口信息的集合，是兩個一級模塊公用參數(shù)的傳遞的載體。接口骨架最后需要創(chuàng)建發(fā)布幾何，并對相關一級模塊的接口設計進行約束。

2.2一級模塊設計

總體結構骨架搭建完成后，各一級部件設計人員可參考泵車總體設計步驟創(chuàng)建并完善一級部件總體結構框架搭建。根據泵車特點以轉塔系統(tǒng)為例，可將轉塔系統(tǒng)分為：固定轉塔、轉臺、左前支腿、右前支腿、左后支腿、右后支腿及回轉機構等六個二級部件。轉塔系統(tǒng)骨架總成包含：泵車參數(shù)骨架（用來接收泵車總體設計的參數(shù)信息或幾何信息）、轉塔系統(tǒng)布置骨架 （用來確定轉塔系統(tǒng)內部總體布置并確定相關二級部件參數(shù)）、轉塔系統(tǒng)參數(shù)骨架（用來繼承轉塔布置骨架確定的二級部件參數(shù)）及各類接口骨架（如圖3所示）。

圖3　轉塔總體裝配架構

2.3二級模塊設計

一級模塊骨架搭建完成后，各二級部件設計人員可參考一級部件結構形式創(chuàng)建并完善二級部件總體結構框架搭建。二級部件骨架總成一般包含：轉塔系統(tǒng)參數(shù)骨架、對應二級部件設計骨架、與該二級部件有關聯(lián)的接口骨架。需要注意的是，二級部件作為最后一級部件，在二級部件骨架總成中僅需要新創(chuàng)建該二級部件的設計骨架 （設計骨架用于指導部件下的零件設計），參數(shù)骨架和接口骨架均來源于上一級部件，可直接進行裝配。

二級模塊骨架總成搭建完成后便可開始進行二級模塊的詳細設計，詳細設計的載體主要是該二級部件的設計骨架。二級部件設計人員根據產品總體要求、相關設計規(guī)范并結合設計經驗完成設計骨架的詳細設計。

二級模塊設計骨架設計完成后，創(chuàng)建復制幾何接收二級模塊發(fā)布骨架的發(fā)布幾何，將模塊所需的設計條件和主體結構繼承到模塊設計骨架中，復制幾何（幾何傳遞）主要面向模塊內部的主要零部件。然后從模塊設計骨架復制發(fā)布幾何，完成零部件的詳細設計。

骨架的創(chuàng)建需要注意以下幾點：骨架需要創(chuàng)建具體的設計信息，這些設計信息一般由基準點、基準軸、基準平面、曲線等設計基準來表示，這些特征簡單，方便創(chuàng)建，且各基準需統(tǒng)一命名以便于查找和管理；有利于參數(shù)調整，零部件再生不易失?。辉O計基準創(chuàng)建時應注意主次分明，先創(chuàng)建主體結構特征，然后再有主體結構驅動其它結構特征；尺寸標注盡量參照參數(shù)表和圖紙進行，并考慮模型的修改性；創(chuàng)建曲線特征時，除特殊圓角外，其它圓角不建議創(chuàng)建；創(chuàng)建過程可設定不同的層，把不同的特征隱藏；實體特征創(chuàng)建時盡量參照設計基準，受設計基準驅動變型。

2.4完善裝配結構完成設計

二級模塊詳細設計完成后可將其它獨立的零部件、借用件、標準件、外購件等按照普通裝配的方法添加到二級模塊裝配結構中，完成最終產品結構搭建。各二級模塊最終結構搭建完成后按總體結構樹自下而上進行匯總則完成了基型產品的設計開發(fā)工作。在需要對產品進行變型開發(fā)的時候只需要更改相關參數(shù)或替換相關層級部件即可完成變型產品的開發(fā)。

3　結語

Pro/E模塊化設計方法首先必須對產品進行嚴格的模塊化劃分以降低產品本身的復雜性。明確的職責與所屬關系定義使得模塊與模塊之間有了明確定義的交互流程，沒有相互依賴性，實現(xiàn)產品并行開發(fā)成為可能。

骨架模型是模塊化設計的關鍵，需要反復檢查骨架，有修改時，保證及時更新并通知下級設計師及時更新相關骨架模型；盡量統(tǒng)一各模塊之間的接口，避免因為接口的過多變化，導致同一平臺的部件出現(xiàn)較多的模塊。減少產品平臺中的模塊總數(shù)量，結合模塊自身功能、設計信息、生產工藝等增加產品平臺中的通用模塊數(shù)量，提高產品的變型速度。

模塊化設計方法可減少重復工作和浪費，可極大的幫助減少產品庫存和提高產品質量。模塊化設計方法是通過定義模塊之間的接口信息和依存關系來實現(xiàn)模塊間的信息交互，是有效的系統(tǒng)集成。

［1］吳立軍，陳 波.Pro/ENGINEER二次開發(fā)技術基礎［M］.電子工業(yè)出版社，2006.

［2］羅治平，沈永剛.TOP-DOWN方法在PRO/E產品設計中的應用［J］.上海工程技術大學學報，2005，19（3）：234～238.

方金龍（1981-），男，工程師，本科，主要從事機械設計工作。

TD421.5

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2016-3-10