基于PDM的产品快速组合设计系统的研究
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随着经济的发展, 社会产品日渐丰富, 人们不再满足于产品的一般功能, 对产品个性化要求越来越高, 在新的竞争形势下, 成本和质量仍是企业成功的必要条件, 但更关键的因素是制造业如何对越来越分散、扰动的全球市场进行灵活而快速的响应, 更好地满足多样化、个性化定制的客户需求。为了实现快速响应市场的需求, 加快新产品的设计步伐, 只有实现快速组合设计, 构建
PDM 系统平台上的快速组合设计方案, 才能充分利用企业的已有信息资源, 缩短产品的设计周期, 同时有效地控制成本和保证质量, 大大提高企业的综合竞争力和持续发展的生命力。本文就如何构建PDM 平台上的快速组合设计系统进行了研究。
1 系统功能设计
为了满足客户对产品的个性化要求, 应能够从已有产品模型中快速配置出客户满意的产品,对于客户提出的全新设计, 能够在充分利用已有设计资源的基础上, 快速设计出产品模型。因此, 基于PDM 的产品快速组合设计系统应该具有以下功能:
(1) 产品模型的开发是实现快速组合设计的核心, 根据客户需求, 通过有效使用已有设计资源、零部件的变型设计完成产品模型开发。
(2) 产品的实现: 在产品模型的基础上, 根据各功能模块的配置规则, 选择适合自己的功能模块, 形成产品结构。
(3) 零部件的检索: 使设计人员快速、准确地得到重复件和相似件以支持当前的设计工作。
(4) 零部件的变型设计: 通过建立零部件模型, 实现对零部件的参数化驱动。
(5) 自动装配: 客户配置完成产品结构后,把产品结构中涉及的零部件图形输入到CAD 系统中, 自动装配产品模型。
(6) 在产品模型设计过程中, 引入产品装配模型, 随时可以得到已经设计的产品结构的装配模型, 通过感性认识不断修改设计方案, 避免由于设计失误造成的返工。
(7) 产品模型的维护: 根据客户的要求, 对产品模型进行功能模块的添加、编辑、删除和改变功能模块的配置规则等。
2 系统体系结构
基于系统的主要功能, 系统的体系结构简图如图1 所示。系统的工作流程是: 分析已有的客户需求, 并对潜在的客户需求进行预测, 结合企业已有的设计资源, 对产品有全局性的把握后,划分产品的功能模块, 进行产品模型的设计。客户从产品模型中配置结束后, 根据产品的功能树获得产品的结构树, 把结构树中涉及到的零部件图形输入到三维CAD 系统中进行自动装配, 形成产品的装配模型, 对产品模型进行各种测试,把装配模型和测试结果反馈给客户, 使客户在产品制造前就能充分地了解产品的外观、结构、性能等, 如果客户对产品不满意, 根据客户提出的修改意见进行修改, 可以在产品的装配模型上进行修改, 修改结果将反映的产品结构中, 也可以修改产品结构, 重新生成产品的装配模型, 直到客户对产品满意为止。根据各个部门对产品结构的不同需求生成不同的产品结构视图, 供相应部门使用。如生产部门关心的是零件的生产和部件的装配过程, 采购部门只关心产品结构中的标准件和外购件等。系统流程图如图2 所示。
3 系统实现关键技术
3-1 PDM平台
PDM作为一门管理所有与产品相关的信息和过程的技术, 为产品快速组合设计系统提供了必要的支持环境。PDM系统基于计算机网络和数据库, 将以往存放在不同计算机的不同目录下由各种应用软件生成的文件, 转化为存放在服务器数据库里的记录, 并有效地管理起来, 提供强大的查询和统计、报表等功能, 保证各种文件的安全性。PDM系统将所有与产品相关的信息和产品的开发过程集成起来, 创造出一种透明度很高的虚拟环境, 能适应复杂多变的变型设计的需求, 保证在整个产品生命周期中使产品数据具有一致性定义的条件下, 进行产品设计的数据管理和过程管理, 是集成计算机辅助工具CAX 的重要武器,成为能支持基于产品模型的快速组合设计的数据平台。
3-2 零部件的变型设计
零部件的变型设计是本系统实现的基础, 具体方法是: 对企业中主要零部件按其功能和结构的相似性进行分类, 形成零件族, 每一个零件族中, 确定几个零部件模型, 其余的零部件通过零部件模型的参数变化获得, 对零部件模型进行分析研究, 确定哪些尺寸可以保持为常数, 哪些尺寸必须定义为变量, 建立零部件的事物特性表,从而建立变型设计系统。
3-3 产品模型的构造
产品快速组合设计系统的核心是产品模型的开发, 包括产品模型的全新设计和产品模型的完善。全新设计产品模型, 一般采用自顶向下的设计方式。设计过程中, 首先选用已有零部件, 当现有零部件资源不能满足设计要求, 通过变型设计获得零部件, 当以上两种情况均不能满足要求时, 才考虑设计一个新零部件。根据零部件装配要求, 选择零部件或者确定新零部件的装配接口, 如已经选择了一个螺栓, 当需要设计一个螺母与其装配时, 根据螺栓的直径, 可以确定新螺母的直径。根据客户对产品可能出现的个性化要求, 确定产品模型中各功能模块的配置规则, 使产品模型能够满足不同客户的需要。
在进行产品模型开发时, 只能对产品设计的主要问题和产品设计中已出现的和能预测到的问题进行分析, 并提出针对这些问题的快速组合设计解决方案, 当客户提出新要求时, 需对产品模型进行修改。对产品模型的修改设计, 不改变产品模型的结构, 只是添加功能模块的可选项, 一般采用自底向上的设计方式, 根据客户要求, 设计功能模块, 添加到产品模型中。设计功能模块时, 仍然要考虑功能模块的装配接口, 要与已有各功能模块或者零部件的装配接口相匹配。
3-4 产品配置的实现
产品设计实现是在产品模型的基础上, 根据各功能模块之间的配置规则, 选择功能模块, 对客户需求进行快速实现, 产品功能模块配置完成后, 自动把产品的功能树转化为产品的结构树。
因为客户对产品的要求是从功能出发的, 只关心产品的功能、外形、颜色等, 而不关心产品是有什么零部件组成和各部分的装配关系等。所以, 系统将产品模型结构树转化为产品模型功能树, 并把产品模型功能树放在企业网站上, 客户通过企业网站得到产品模型, 根据各功能模块之间的配置规则, 进行产品配置。
3-5 与CAD 系统的集成
快速组合设计系统与三维CAD 平台集成起来, 利用CAD 的三维变量化建模和图形处理功能, 实现产品的自动装配。具体实现分两种情况, 一是产品结构树中零部件的装配关系已经确定, 则根据结构树的装配层次关系及装配面的定义, 利用CAD 系统的API 函数编制程序, 操纵CAD 的数据结构, 自动实现装配过程。装配过程在后台执行, 最后显示装配结果, 也可以在前台执行, 直观地显示装配过程。对于产品结构树中零部件的装配关系无法确定准确装配关系, 需要进入CAD 系统中进行试装配的情况下, 把产品结构树中涉及的图形文档及装配参数输入到CAD系统中, 按照装配层次关系, 由设计人员按照该层次关系自行装配。
4 基于PDM系统的产品快速组合设计系统特点
(1) 快速性。把零部件可能存在的多个装配面作为一类信息, 存入到企业资源库中, 在产品设计时, 直接从资源库中选择。产品模型可以根据客户不同要求配置不同的产品, 产品模型中各零部件装配接口已经确定, 可以直接生成产品装配模型。零部件的变型设计系统, 对现有零部件的资源进行变型设计, 以支持产品模型的设计过程。
(2) 并行性。产品模型的设计过程是一个集成的并发过程, 从全局优化的角度出发, 实现并行设计, PDM为并行设计提供了基础环境, 它集数据库的数据管理能力以及过程的控制能力于一体, 能实现在分布式环境中设计活动的信息交换与共享, 并对设计过程进行动态的调整和监控,还能够很好地支持各子系统的协同工作, 支持资源的优化配置, 从而实现对并行工程的支持。
(3) 柔性。客户根据产品模型中各功能模块之间的配置规则, 选择功能模块, 配置出适合自己的产品。
5 结束语
实施产品快速组合设计系统是当前发展的必然趋势, PDM系统为产品数据和开发过程的管理提供了很好的平台。本文对PDM 系统下产品快速组合设计进行了研究, 通过建立产品模型, 客户可以选择自己的个性化产品, 减少了产品数据的冗余; 零部件的变型设计, 大大缩短了零部件的设计周期; 自动装配功能, 可以快速得到产品的装配模型, CAD 技术对产品的装配模型进行各种参数分析。