前言
隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品制造在向個(gè)性化、多品種、小批量方向發(fā)展，制造企業(yè)面臨著越來越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。市場(chǎng)要求企業(yè)在更短的時(shí)間內(nèi)提供質(zhì)量更好、成本更低、品種更多的產(chǎn)品，能否滿足這種要求已經(jīng)成為企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵所在。壓力容器是化學(xué)品制造行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用特點(diǎn)決定了壓力容器產(chǎn)品具有個(gè)性化、多品種、小批量等特點(diǎn)，制造企業(yè)需要以快速的反應(yīng)響應(yīng)市場(chǎng)需求，要求在更短的時(shí)間內(nèi)為客戶提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，甚至是完整的設(shè)計(jì)模型，能否滿足這種要求，是壓力容器設(shè)備制造企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中關(guān)注的問題。
1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)化的理論基礎(chǔ)
1.1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法
根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)方式，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法將產(chǎn)品設(shè)計(jì)分為以下幾類：
1.1.1 在已有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模塊基礎(chǔ)上，選擇模塊進(jìn)行配置的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)；
1.1.2 在已有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模塊基礎(chǔ)上，可選擇模塊進(jìn)行配置，并能根據(jù)需求對(duì)模塊進(jìn)行尺寸變型的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)；
1.1.3 用戶可以選擇模塊進(jìn)行組裝，并能對(duì)模塊進(jìn)行自動(dòng)組合的產(chǎn)品組合設(shè)計(jì)；
1.1.4 支持新產(chǎn)品開發(fā)，新模塊功能設(shè)計(jì)。
1.2 產(chǎn)品平臺(tái)
產(chǎn)品平臺(tái)是一系列共享設(shè)計(jì)、公共零件和接口的集合。產(chǎn)品平臺(tái)中的產(chǎn)品系列必須具有相同的市場(chǎng)定位和類似的功能需求，產(chǎn)品平臺(tái)近似為系列產(chǎn)品和市場(chǎng)個(gè)性化需求的集合。
目前基于產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)，與以往面向訂單的設(shè)計(jì)有所不同，主要特點(diǎn)是：
1)面向產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)，是面向一系列產(chǎn)品的共同設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在面向訂單設(shè)計(jì)之前就已經(jīng)過規(guī)劃和劃分產(chǎn)品系列和模塊功能設(shè)計(jì)。
2)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)必須定位一個(gè)或幾個(gè)特定系列的產(chǎn)品，其中產(chǎn)品有比較相同或相似的結(jié)構(gòu)、功能，便于分辨各單一產(chǎn)品之間的共性和個(gè)性元素。
3)基于產(chǎn)品平臺(tái)的各個(gè)功能模塊，通過適當(dāng)?shù)倪x配、參數(shù)驅(qū)動(dòng)和少量個(gè)性化設(shè)計(jì)，可快速生成滿足客戶需求的個(gè)性化產(chǎn)品。
因此，產(chǎn)品平臺(tái)可理解為以下產(chǎn)品平臺(tái)：
圖1 產(chǎn)品平臺(tái)產(chǎn)品平臺(tái)
1.3 產(chǎn)品功能模塊分類
零部件功能模塊的合理分類是進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，必須對(duì)企業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)品系列中的零部件進(jìn)行功能分析，進(jìn)行分類，具體做法是：
1)對(duì)產(chǎn)品零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。找出零部件的通用性，結(jié)構(gòu)特征，標(biāo)準(zhǔn)化要做到零件種類，尺寸，特征形狀的標(biāo)準(zhǔn)化；
2)在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，對(duì)零部件進(jìn)行系列化劃分。對(duì)一些不符合標(biāo)準(zhǔn)化要求的零部件，對(duì)其結(jié)構(gòu)特征，尺寸特征進(jìn)行優(yōu)化，只需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)零件進(jìn)行一般的修改即可達(dá)到使用功能；
功能模塊主要有以下三種應(yīng)用類型：
(1)共享功能模塊，功能模塊之間可進(jìn)行直接互換替代，是共用標(biāo)準(zhǔn)模塊的集合；
(2)定制功能模塊，功能模塊通過參數(shù)更改擴(kuò)展模塊應(yīng)用范圍，是非標(biāo)準(zhǔn)模塊的集合；
(3)組合功能模塊，功能模塊之間進(jìn)行相互疊加組合形成功能模塊的集合，是組成產(chǎn)品平臺(tái)的模塊的集合。
2 基于產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法
基于產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)，主要包括：產(chǎn)品平臺(tái)建立和產(chǎn)品定制需求分析兩大過程。產(chǎn)品平臺(tái)建立又分為產(chǎn)品系列規(guī)劃、產(chǎn)品及模塊結(jié)構(gòu)分析、模塊間耦合接口分析和參數(shù)化配置算法分析等，這包含復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和三維建模及通過軟件平臺(tái)整合的過程。
產(chǎn)品系列規(guī)劃要求企業(yè)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品和下一代產(chǎn)品，或未來擴(kuò)展的產(chǎn)品業(yè)務(wù)進(jìn)行整體分析，挖掘企業(yè)核心業(yè)務(wù)能力；產(chǎn)品及模塊結(jié)構(gòu)分析是將各產(chǎn)品系列進(jìn)行模塊化分類，重新整合分析，找出共用的功能模塊，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和通用性優(yōu)化；模塊間耦合接口分析是在模塊化分析基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)模塊間的有效準(zhǔn)確的組合，需要將模塊間接口的結(jié)構(gòu)特征，尺寸特征轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，為參數(shù)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)；參數(shù)化配置算法分析是在產(chǎn)品各功能模塊結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和規(guī)則的歸納，形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法，將常規(guī)設(shè)計(jì)中已固化的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型。
產(chǎn)品平臺(tái)的建立過程，是在對(duì)企業(yè)客戶需求、自身需求、現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，基于產(chǎn)品平臺(tái)化、模塊化、參數(shù)化等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，搭建產(chǎn)品理論模型庫，通過參數(shù)配置和個(gè)性化的設(shè)計(jì)，定制出滿足用戶需求的一個(gè)具體產(chǎn)品。
圖2 產(chǎn)品平臺(tái)的建立過程
3 產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)搭建
3.1 系統(tǒng)功能需求分析
產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)管理功能、產(chǎn)品配置功能、輔助功能3大功能模塊。
（1）系統(tǒng)管理功能
產(chǎn)品按系列劃分形成產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列管理功能；組織產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模塊分析，實(shí)現(xiàn)模塊分類管理和擴(kuò)展功能；管理三維模型參數(shù)化配置規(guī)則，實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)的規(guī)則的可更新和優(yōu)化。
一般適合大型產(chǎn)品快速配置設(shè)計(jì)的方法可用組合模塊的方式，即按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊建模，實(shí)現(xiàn)定義好模塊之間的接口及裝配關(guān)系，并預(yù)先將設(shè)計(jì)規(guī)則定義到供選配的結(jié)構(gòu)模塊上，并通過參數(shù)化的模型再生，生成需要的模塊，再將模塊組合到事先配置好的產(chǎn)品系列的基礎(chǔ)產(chǎn)品模型中，實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品平臺(tái)的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)，最后根據(jù)用戶選配需求，進(jìn)行個(gè)性化的局部設(shè)計(jì)形成最終設(shè)計(jì)方案。
（2）產(chǎn)品配置功能
產(chǎn)品配置功能，主要是面向設(shè)計(jì)人員及用戶。設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶需求，通過配置主界面，選擇產(chǎn)品系列模型并調(diào)整配置參數(shù)；系統(tǒng)中提供了經(jīng)過歸納整理的知識(shí)庫和基礎(chǔ)模型，將滿足用戶需求的通用配置實(shí)例推薦給設(shè)計(jì)者，減少參數(shù)維護(hù)，提高設(shè)計(jì)重用度。
（3）輔助功能
系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)者需求提供了一些輔助計(jì)算功能，滿足設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)過程中的常規(guī)計(jì)算；提供設(shè)計(jì)圖形文檔的管理功能；產(chǎn)品系列之間存在共享的零部件庫，可以建立標(biāo)準(zhǔn)零部件庫，這些部件不需參數(shù)化配置，直接組合即構(gòu)成了產(chǎn)品的部分模塊。
3.2 面向用戶的參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)
為方便應(yīng)用集成，我們選擇了具有內(nèi)嵌式瀏覽器的PTC公司的Pro/Engineer三維設(shè)計(jì)軟件作為設(shè)計(jì)軟件，在瀏覽器內(nèi)建立設(shè)計(jì)引導(dǎo)界面（如圖3），指導(dǎo)設(shè)計(jì)者完成設(shè)計(jì)工作。
圖3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)主頁面
圖4 產(chǎn)品系列選擇頁面
用戶根據(jù)所選產(chǎn)品系列后，即進(jìn)入對(duì)應(yīng)產(chǎn)品系列的參數(shù)維護(hù)頁面（如圖5），在頁面左邊是產(chǎn)品功能模塊樹，樹中列出目前產(chǎn)品系列模型中基礎(chǔ)模塊、可選模塊，右邊對(duì)應(yīng)每個(gè)模塊的參數(shù)。在頁面上列出的參數(shù)，有五種取值方式：下拉列表選擇、固定值、通過關(guān)系表達(dá)式計(jì)算、通過條件表達(dá)式計(jì)算、通過定制的計(jì)算程序計(jì)算得到；所有計(jì)算列是不可以維護(hù)，只能查看結(jié)果。
圖5 產(chǎn)品參數(shù)維護(hù)頁面
圖6 在線幫助及實(shí)時(shí)校驗(yàn)功能
在用戶界面友好性設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)提供了在線幫助及實(shí)時(shí)校驗(yàn)功能。當(dāng)配置參數(shù)經(jīng)計(jì)算不滿足校驗(yàn)規(guī)則時(shí)，提供自動(dòng)提示參數(shù)之間約束關(guān)系錯(cuò)誤；另外如用戶需要了解具體參數(shù)的含義，可點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的圖片的參數(shù)解析，方便用戶在配置過程中及時(shí)調(diào)整配置。為驗(yàn)證配置的合理性，還可以隨時(shí)將計(jì)算的參數(shù)結(jié)果傳遞給產(chǎn)品族模型實(shí)現(xiàn)模型再生，通過驗(yàn)證看配置結(jié)果是否滿足用戶需求。
3.3 參數(shù)化建模分析
Pro/Engineer做為三維建模工具，利用TOP-DOWN建模思想，以及Pro/Engineer中提供的布局、骨架工具，為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、模型驅(qū)動(dòng)的提供了便捷的方法。
3.3.1 參數(shù)的傳遞
當(dāng)我們?yōu)楫a(chǎn)品的設(shè)計(jì)設(shè)置了參數(shù)后，需要將這些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并傳遞給基礎(chǔ)模型，以驅(qū)動(dòng)生成我們需要的設(shè)計(jì)。從參數(shù)維護(hù)頁面中，通過Web.Link程序?qū)?shù)值賦給模型或布局，而在模型中參數(shù)值的傳遞有兩種方式：一是布局參數(shù)值發(fā)布共享、二是骨架的共享數(shù)據(jù)傳遞。
（1）布局（Layout）可以理解為一張存儲(chǔ)了參數(shù)名及參數(shù)值的一張二維表，并以一個(gè)獨(dú)立的文件保存，可以以創(chuàng)建基準(zhǔn)（可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配）和創(chuàng)建參數(shù)的形式，提供對(duì)于模型的管理，當(dāng)建模時(shí)，可以將布局的參數(shù)發(fā)布到模型文件中，作為尺寸數(shù)值。
圖7 布局參數(shù)
（2）骨架的共享數(shù)據(jù)傳遞，在常規(guī)情況下當(dāng)某些特征會(huì)在兩個(gè)或多個(gè)零部件中使用時(shí)，這時(shí)會(huì)考慮將這些共用的特征放到骨架中去創(chuàng)建，各級(jí)零部件參照骨架進(jìn)行建模；另外在同級(jí)零部件之間，某個(gè)零部件需要另一零部件中的某項(xiàng)特征時(shí)，這時(shí)只向其復(fù)制所需特征。
圖8中，在骨架中建立零部件的一些基準(zhǔn)面、曲面等共用特征，然后將所需的特征利用插入?共享數(shù)據(jù)?發(fā)布幾何方法進(jìn)行發(fā)布；其后零部件在創(chuàng)建時(shí)利用插入?共享數(shù)據(jù)?復(fù)制幾何等方法，將所需的特征復(fù)制至自身，利用這些復(fù)制來的特征進(jìn)行參照建模，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的傳遞，可以理解為參照建模。
此外骨架中一些參數(shù)，可以從布局中獲取，從而實(shí)現(xiàn)從布局、骨架到零部件的參數(shù)傳遞。
圖8 骨架的共享數(shù)據(jù)傳遞
3.3.2 模型中參數(shù)的獲取
在模型中使用布局的方法是，創(chuàng)建零部件模型，在零部件中利用文件?聲明布局?選取布局名稱的方法將Layout聲明進(jìn)來，這時(shí)布局中的參數(shù)就可以被該零件的參數(shù)引用，只要建立起零件參數(shù)和布局中定義參數(shù)之間的關(guān)系，主要修改布局中參數(shù)值，模型的參數(shù)值就會(huì)自動(dòng)改變，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的效果。
圖9 發(fā)布布局參數(shù)傳遞
3.4 個(gè)性化零部件的動(dòng)態(tài)安裝
對(duì)于客戶需求的個(gè)性化零部件，我們?cè)诖x擇安裝的個(gè)性零件上，根據(jù)安裝位置及裝配要求，預(yù)先可歸納整理常見客戶的需求，增加裝配特征，我們同時(shí)在產(chǎn)品基礎(chǔ)模型或結(jié)構(gòu)模塊庫上也建立相應(yīng)的裝配特征；在用戶從模型庫選擇裝配特征進(jìn)行個(gè)性化修改完成設(shè)計(jì)和安裝個(gè)性化零部件，如可以配置特殊管路閥件等。
3.5 參數(shù)驅(qū)動(dòng)后的客戶定制產(chǎn)品模型
當(dāng)用戶配置結(jié)束后，我們將參數(shù)結(jié)果傳遞給產(chǎn)品系列基礎(chǔ)模型，模型經(jīng)驅(qū)動(dòng)后，加上部分個(gè)性化零部件的設(shè)計(jì)，最終生成客戶定制產(chǎn)品。
圖10 參數(shù)驅(qū)動(dòng)后的客戶定制產(chǎn)品模型
結(jié)論
在參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)上建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，是解決市場(chǎng)中個(gè)性化、多品種、小批量訂單環(huán)境下快速提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本的有效方法。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)可以進(jìn)一步和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）整合集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的任務(wù)分配，執(zhí)行，跟蹤及管理。
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