面向产品族的桥式起重机参数化设计技术研究与应用（可编辑）

面向产品族的桥式起重机参数化设计技术研究与应用（可编辑） 中北大学 硕士学位论文 面向产品族的桥式起重机参数化设计技术研究与应用 姓名:舒柱兵 申请学位级别:硕士 专业:机械制造及其自动化 指导教师:王宗彦 20080430面向产品族的桥式起重机参数化设计技术研究与应用 摘要 在激烈的市场竞争条件下,快速响应用户需求的产品设计技术对于增强企业市场竞 争力和创新设计能力具有重要意义。本文以面向产品族为主体设计思想,以参数化设计 为具体方法,研究了面向产品族的参数化设计的理论方法和关键技术,建立了面向产品 族的参数化设计的体系架构,利用全息建模方法构建了某型号桥式起重机桥架的主模 型,并开发了其参数化设计系统。研究的内容具体如下: 系统地介绍了机械从基本应用次开发的发展状况,并总结了基于 的参数化设计技术。阐述了模块化设计技术的国内外发展状况,并在模块化的基础上提 出面向产品族设计的基本概念和状况; 以桥式起重机为设计样本,具体研究了面向产品的参数化设计的关键技术。 系统地介绍了模块化设计技术、产品族技术和技术,并将这些技术与桥式起 重机 的设计过程有机的结合起来; 研究了面向产品族的参数化设计体系架构的组成,在广义模块的基础上 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 面向产品族的参数化设计的模块化原理。从理论方法层,系统开发层和数据 输出层研究 面向产品族设计体系的框架和层次关系; 研究了全息建模的思想,将结构化信息和非结构化的经验知识等信息模型与 产品几何模型有机组合。研究利用全息建模技术对桥架某模块进行零件和装 配体建模; 以为开发工具,在某型号桥架为主模型的基础上,利用二次不发技术在 平台上开发了面向产品族的桥式起重机参数化设计系统。设计系统包括三维 模型的参数化驱动和工程图的调整。 关键词:产品族,参数化,模块化,全息模型,桥式起重机 : : ? : , . ,, , , . : ,,, ? . , ? , , , .?,? , ?, . , ’。 , . ,, , . , : ,,,原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 : 论文作者签名:丝丝垒 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定,其中包括: ?学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;?学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;?学校可允许学 位论文被查阅或借阅:?学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位 论文;?学校可以公布学位论文的全部或部分内容保密学位论文在解密 后遵守此规定。 日期:卫牟弛虹一 签名:鸳丝;一一 日:丝丕:三:至五 导师签名:曼丕鸯一中北大学学位论文 绪论 近年来机械行业发展越来越快,激烈的竞争环境迫切要求企业具备创新产品的开发 和快速响应市场能力。现代的产品设计是面向市场、面向用户的设计,用户需求的个性 化和产品生命周期的缩短成为企业面临的巨大挑战。一个企业对市场的响应速度的快 慢、产品开发一次成功率的高低,不仅决定着企业产品在市场上所占份额的大小,更决 定着一个企业的命运。 创新是企业持续发展的灵魂,创新产品只有快速设计和制造出来,才能够占领市场, 提高企业的市场竞争力。参数化设计技术是实现快速设计的最常用方法,但是目前普遍 使用的参数化设计技术都是基于零部件的,没有将产品之间的总体装配关系 和技术文档 等关联起来。以模块化技术为基础的面向产品族的参数化设计,通过研究利用模块化技 术,基于主模型的产品配置设计技术等,进行零部件分析,产品结构和设计过程重组, 将产品的技术文档,信息模型等集成一体,形成产品级的参数化设计来快速设计出新产 品,并快速自动化的生成其三维模型及用于加工的图纸。 .机械技术的发展状况 .. 技术的发展现状 作为一门学科始于上个世纪年代初,年代的第一代系统,以二 维交互式图形编辑为特点,得到了比较广泛的应用,但是二维的三视图表达不完整,设 计完成后要以一定比例的油泥模型作为设计评审和 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比较的依据。年代出现了第 二代系统,商品化的三维实体造型系统投入使用,机上的系统迅速普 及,集成化的/系统不始出现。进入年代以来,计算机技术突飞猛进,极 大地推动了技术的发展,系统向集成化、智能化方向发展,二维技 术全面普及,三维特征造型技术和参数化技术以及并行工程、协同设计等技术获得了巨 大的发展?。 技术经历了从计算机辅助绘图、计算机辅助计算分析,发展到参数化设计、 变量设计、特征建模和设计。与此对应的,编程思想也由面向过程发展到面向对象。从中北大学学位论文 而使用由支持纯几何设计扩展到非纯几何设计,进而发展到基于知识和人工智能 的设计。如今己进入实用化阶段,广泛服务于机械、电子、宇航、建筑、纺织等 产品的总体设计、造型设计、结构设计、工艺过程设计等环节乜?引。 在许多方面已经越来越成熟。例如几何图形的生成、图形变换、图形轮廓识 别、裁剪、延伸、断开和消隐技术,曲面造型和实体造型技术,局部修改技术,真实感 技术以及工程图样的各种标注技术等等。但是也存在着许多问题和不尽人意之处, 例如工程图样识别、装配图和零件图一体化设计绘制模型、复杂三维图形快速重建、多 维图形的表示方法、图形及其数据转换的标准化问题以及建立图形的专家系统等等。 .. 参数化设计技术 参数化设计是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸,自动完成对图形中相关 部分的改动,从而实现尺寸对图形的驱动,其中进行驱动所需的几何信息和 拓扑信息由 计算机自动提取。参数化设计极大地改善了图形的修改手段,提高了设计的柔性,在概 念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发 挥着越来越大的作用。参数化技术是年公司提出的一种崭新的设计理念,是 一种基于特征的设计,具有全尺寸约束,全数据相关和尺寸驱动设计修改的特点。自从 公司于年推出参数化系统/以来,参数化设计技术才真正受 到工程技术界和学术界的重视,各大计算机软件公司相继推出自己的参数化系统 或在原有系统上增加参数化功能’’。 参数化是技术在实际应用中提出的课题。目前参数化技术大致可分为如下三 种方法:基于几何约束的数学方法;基于几何原理的人工智能方法;基于特征 模型的造型方法。其中方法广为现在的三维软件所使用。零件上的特征主要通 过参数和几何约束相互关联。参数化技术允许设计者在创建特征时灵活地定义特征尺寸 标注,并且在特征尺寸问通过方程式建立数学关联。其中被约束的尺寸称为参考尺寸, 而起驱动作用的尺寸为驱动尺寸。尺寸间的关联可以是模型内部尺寸或设计者自行定义 的各种外部参数问的关系。设计者可以通过修改驱动尺寸修改模型,由系统自动求解其 他尺寸值,这种技术为尺寸驱动技术?刚。 模型的参数约束分为两大类:几何约束。例如:平行、同心、两线等长、共线等, 中北大学学位论文 这样的约束是确定它们的几何关系,而这种几何关系在未来的设计中是保持不变的; 尺寸约束。例如:长度、高度、厚度、半径等,这样的约束用来确定它们的尺寸大小和 相对距离,在以后的设计中,这些尺寸可能改变,也可能被其他零件引用。在基于特征 的造型中,对于特征的描述是关键,特征描述应该包含几何形状的表示和相关的处理机 制以及特征高层语义信息,目前主要是探索形状特征。形状特征实际上是几何实体无任 何语义的结构化组合。但在应用中,参数化设计应用越来越广,因此就出现了将 参数化设计应用到特征设计中去,使得特征具有可调整性,主要是针对特征的几何和拓 扑信息。可以利用混合法来建立特征模型,并将参数化引入到特征造型中去,使得形状 特征可以根据需要调整变化?。 ..基于软件的二次开发技术 随着计算机性能的不断提高和技术的应用推广及普及,市场上出现了许多商 品化软件,为了争取更多的用户,要求这些软件适用面宽,通用性好。但是 这样一来就难以满足具体使用单位特定产品的要求,设计人员必须根据自己 行业的实际 情况,在通用软件的基础上,针对某一类型产品进行相对应的程序设计或利 用通 用支撑软件提供的开发手段进行修改和扩充,进行二次开发,形成在原有软 上基础上的一个新模块,构建特定产品的设计系统。使软件不仅保持原软 件的一切功能,同时新增加的模块,可以使软件对特定产品的设计更加方便、 简单、准 确,又可显著缩短设计时间。 当前各大软件大都配置了二次开发的接口模块。公司在 版本就已经支持语言编程,通过一套函数集.,实现对内部 命令的访问,达到二次开发的目的。软件提供了/工具集,以满足用户的二 次开发,/是一系列开发工具的总称,包括图形交互编程语言 ,应用编程接口/ ,/ 和可视化编辑器/ 。./软件提供的/就是一个重要的二次不发工具包之一,它提 供了大量的语言库函数,能够使外部应用程序安全有效地访问/的数据库 和应用程序,通过第三方编译环境语言、等编程及应用程序与/的 中北大学学位论文 无缝集成,用户和第三方能够在/系统中增加所需的功能训。 随着技术的快速发展,基于软件平台的二次开发技术也日趋成熟,二次 开发的主要内容包括: 根据企业和产品的具体情况,建立标准化的工程设计规范。 与数据库管理系统相联系,建立有效、完善的工程图纸管理。可进行数据修改 和维护,工程图纸的统计查询,工程图纸删改与扩充等工作。 建立辅助性的图形库。建立辅助性的图形库可以大大地减少重复性的劳动,提 高效率。在设计与绘图中,对于已存入图形库的零部件只需调出直接使用即可。当然, 在必要时也可再进行局部修改与完善。这类图形库又可分为两种情况,一种是零部件在 设计中很少变动或基本不变的,如供选用的外购件,一些通用零部件等,这类图形可用 交互绘图方式绘制存入并备用。另一种是零部件在设计中经常变动的,如一些标准件, 系列产品中的部分零部件等,这类图形应考虑用参数化绘图方式绘制并存入备用。辅助 性的图形库可以在设计工作中逐步积累完善。更进一步,对于品种繁多国标、 部标、 行业标准以及厂标的标准件,需要建立统一建库和检索、调用方法。 进一步完善绘图辅助工具库,可包括形位公差标注、表面粗糙度标注、焊接符 号标注、装配图编号标注以及技术要求和明细表的书写等。 在需要的场合,建立参数化、变量化设计方式函数库。例如,对于标准通用件 或系列产品中的一些零部件,就可以采用参数化设计方式,事先编制好相应的软件在设 计中使用时,只需给出所需特征参数,即可迅速、方便地生成图形?。 对于一些特定的零部件,需要进行工程分析,开发专用的计算程序或与 开发专用接口。 为了实现//系统集成,必须在特定的平台上不发集成系 统软件。 .模块化与参数化设计的国内外发展现状 ..国外发展现状 模块化设计最早在欧洲被提出,世纪初首先在德国的一个家具公司诞生了最早按 中北大学学位论文 模块化原理设计的产品。随后,这种设计原理和方法在众多行业得到了广泛的应用,在 机床行业应用的尤为广泛“副。 年左右,欧洲特别是德国的一些厂家首先把模块化原理应用于铣床和车床等 机 床的机械系统设计中。如德国的弗里茨一维尔纳公司设计的铣床,就是按功能将其划分 成模块而进行设计和制造的,这些模块可供用户选择以便组合成所需的铣床引。 到世纪中叶,模块化设计概念才被正式提出,随着各行业专家学者的研究,其 理论和应用技术得到不断的发展和完善,模块化设计成为了各类机械产品研发中普遍采 用的一种设计方法。德尔福系统公司就相继推出了座舱、接口盘制动、车门、前端、集 成空气/燃油等模块。汽车厂商方面则以全球范围作为空间,进行汽车模块设计的选择和 匹配,优化汽车设计方案,将汽车装配生产线上的部分装配劳动转移到装配生产线以外 的地方去进行。 世纪年代,瑞典的公司首先将模块化设计的方法应用到塔机产品的 开发过程中,用有限的模块有机组合成适合用于各种具体 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 需要的塔机。他们采用 个标准模块和一些非模块零部件配件,经过选择理论上可组成万多种不同性能的上回 转塔机,它们的起重力矩从吨。米到吨.米,臂头吊重从吨到吨,幅度最多 。 达米,固定式高度最高达米 西门子公司在年还采用模块化设计思想推出一款最新模块化驱动系 统:。不但整体系统采用模块化设计,所有的功能部件均充分 体现了模块化,而且各功能模块十分丰富和全面,其中包括电源模块、电机模块、制动 模块、电容模块、控制模块、通讯模块、传感器模块等,从根本上满足了多电机变频条 速驱动应用的需要。 ,.国内发展现状 模块化设计于世纪年代初开始在我国受到重视。上海市机床研究所、上海仪 表机床厂和上海十二机床厂联合组成的“小型精密机床模块化技术研究课题组,在调 查研究的基础上进行了仪表车床的模块化设计。南京机床厂在.型高效自动车床系 列设计中采用了模块化设计方法,共设计出多个模块,可组成种型式和用途不同 的机床。东方机床厂应用模块化方法设计轻型龙门铣床,取得了很好的效果。齐齐哈尔 中北大学学位论文 第二机床厂采用模块化方法设计万能摇臂铣床系列。北京第一机床厂年对龙门铣 床进行了模块化设计,在缩短设计周期和制造周期上取得了明显的效果。北 京第二机床 厂对高精度外圆磨床进行了模块化设计,可派生出各种不同的外圆磨床余种引。 除机床外,国内在某些机械产品上应用模块化原理已初有成效,并开始在其他机械 产品开发上应用模块化设计原理。在减速器、变速器的系列产品开发过程中,也大量应 用了模块化结构。杭州汽轮机厂把该原理应用在工业汽轮机上,取得了显著的成效。随 着用户需求及市场环境的不断变化,在新的环境下,模块化设计又被提到了一个新的高 度。 总之,模块化设计技术在机械制造领域还有很大的发展空间和潜力,特别是随着 技术的发展,将其与参数化技术相结合,必将成为机械产品设计的重要技术 之一。 .面向产品族的设计概述 ..产品族的基本概念 当今的产品开发模式基本上是在一定技术下开发一定范围的产品,孤立开发一个产 品的模式不能适应市场要求。人们在生产实践中发现,产品和工艺过程中存在着大量的 相似性,充分利用这些相似性可以实现产品的模块化和标准化,从而减少产品生产过程 的复杂性、提高企业的反应能力和竞争能力。为了提高产品中相同和相似零部件的比例, 提出建立族的概念。产品族是一种以最小的不发、制造、服务等成本获取最多产品品种 的方法。产品族是与模块化紧密相关的一个概念。模块化设计的基础是产品族的定义与 分析。产品族的基础是技术重用。只有在前期充分分析客户需求,由此构建具有固定接 口的产品族体系,其中能够实现模块互换,模块生成时,才能实现技术的重用引。 产品族是指共享通用技术并定为于相互关联市场应用的一组产品,产品族中的单个 产品叫做产品变量。产品族中所有产品变量具有相似性,它们共享相同的结构和产品技 术,产品族的概念可以从不同的角度来理解,从市场营销的角度来看,产品族就是企业 产品的功能结构,可以描述成不同消费群体对企业产品多样化的功能需求 ,。从工程角度来看,产品族是一系列产品和技术的总和,因此产品族可 中北大学学位论文 以描述为一些参数,部件和装配结构的合成 。它是一种利用有限的开发、制 造和服务 来经济地发展产品多样性的方法。产品族是在关键技术基础上高效开发的一系列派生产 品。 根据产品的结构特点和设计特点,产品族的开发模式可以分为两种: 对产品族的定义是:“它是这样一组产品,具有相同的内部接口,这些 接口在设计的各个领域功能域、技术域、物理域中必须为标准接口,以使产品的部 件能够完全互换引。这种模式下开发的产品族,其结构尺寸往往固定标准为系列,而 由此构成的系列即可满足市场和设计需要。 当固定尺寸系列不能满足产品设计要求时,则应考虑以参数化的方法进行产 品族的开发。“产品族是这样一组产品,它由一个参数化数据结构表达,当所有参数赋 予确定值时,可以唯一确定一个产品 。这种模式下开发的产品族,其结构尺寸则可 以根据不同用户要求和设计要求实时改变。 产品族与模块化具有紧密的联系。模块化将产品划分为模块,系统地使用这些通用 模块可以组成多种多样的产品。可以认为模块化就是通过构建基于产品族框架的模块系 统,并由这些模块的组合来实现产品族。 ..面向产品族的配置设计 在产品族模型的基础上,通过模块选择组合以及参数调整进行产品实例推理的过程 称为配置设计 ,处理配置设计的工具称为配置器。产品配置是管 理与设计两种行为的有机结合,作为一种管理行为它以零部件库或模块库为底层支持, 以系列化产品的相关数据作为管理对象,以产品的物料清单为核心,实现产品数据的组 织、控制和管理,并在一定目标或规则约束下向用户或应用系统提供产品结构的不同视 图和描述;作为一种设计行为,它以产品的相关数据为基础,通过有效的设计手段快速 配置出满足客户需求的产品,有效地缩短了订单响应时间。 配雹管理以产品的结构管理为基础,以产品的各种电子资料为底层支持,以物料清 单 ,为组织核心,把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来, 对产品对象及其相互之间的联系进行维护和管理。产品之问的联系不仅包括产品、部件、 组件、零件之白的多对多的装配关系,而且包括其他相关数据,如制造数据、成本数据、 中北大学学位论文 维护数据等,产品配置管理能建立完善的物料清单表,实现其版本控制,高 效、 灵活的检索与查询最新的产品数据,实现产品的安全性和完整性控制啪删。 产品配置是指在一个或若干能覆盖产品类中既定型号和规格变化的动态产品族模 型的支持下,根据客户定制产品的要求,通过对产品模型功能、性能、结构参数进行选 配,以局部零部件功能和结构、尺寸的相应变化来快速设计满足客户需求的产品,是一 个知识获取和配置相互交织的过程,其中不但有新的变型产生,而且配置模型也需要不 断修改和扩充。配置设计处在定制化阶段,产品族设计完成之后,变型设计开始之前。 从作用上来讲,是大规模定制的使能器,能加强与客户的联系,极大提高对客户需求的 反馈效率,是变型设计的基础。 .论文的研究背景与内容 ..研究背景 论文选题来源于太原重型机械集团有限公司“桥式起重机模块化系列化智能化三维 设计”。 当前,太重集团有限公司已成为我国最大的大型起重机生产基地,已生产各类桥式 起重机余台,为三峡工程开发设计制造了世界最大的吨桥式起重机,充分显示 了太重集团在大型专用起重设备产品科研开发、设计、制造方面的优势。然而现行企业 设计效率却制约了生产效率的提高,大批量的订单却仍然只能依靠传统设计方法的单一 设计,通过投入大量的人力来完成设计工作,大量的重复劳动严重影响了创新能力的发 展,把大部分时间都浪费在了画图的过程中。创新设计是企业持续发展的必走之路,没 有创新,就谈不上发展,在迅猛发展的计算机时代,企业必须要增强产品的创新能力, 缩短设计周期,提高用户化程度。 桥式起重机是一种标准化、系列化程度比较高的机械产品,太原重型机械集团有限 公司与中北大学合作,从参数化设计入手,已经在年进行三维参数化设计研 究,旨在改变传统的设计手段,以提到设计效率。本文是以三维参数化设计为研 究基础,通过产品族的基本概念来完成桥式起重机的参数化设计过程,并且把所有的设 计方法通过编程语言实现一套交互的设计工具,旨在提高工效、缩短设计周期。 中北大学学位论文 本论文的研究工作得到了国家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 计划项目“重大技术装 备模块化参数化智能化协同设计系统”的支持,项目编号:。该项目可 以分为三个部分:第一部分是桥架参数化设计系统;第二部分是小车架模块化、参数化 设计系统;第三部分是参数化桥式起重机的快速有限元分析。本论文研究工作来源于第 一部分桥架参数化设计系统。 ..论文主要研究的内容 本文主要研究面向产品族的参数化设计方法,并以桥式起重机为样本主模型,设计 面向产品族的桥式起重机参数化设计系统。研究主要内容如下: 研究面向产品族的参数化设计所涉及到的先进设计技术,并将这些技术融入 面向产品族的参数化设计体系; 在先进设计技术的支持下,讨论面向产品族的参数化设计原理及体系架构; 研究全息建模方法,对桥式起重机主模型进行全息建模; 开发以模块为基础的面向产品族的桥式起重机参数化设计系统,研究模型的 三维参数化驱动技术,并进一步研究模型设计完成后工程图的自动处理技术。 ..论文的结构 第一章绪论 第二章面向产品族的桥式起重机参数化设计关键技术 第三章面向产品族的参数化设计原理及体系架构 第四章面向产品族的桥式起重机参数化设计的全息建模方法研究 第五章面向产品族的桥式起重机参数化设计系统开发; 第六章结论和展望 中北大学学位论文 面向产品族的桥式起重机参数化设计关键技术 面向产品族的桥式起重机参数化设计涉及到多方面的先进设计方法和技术,本章将 结合桥式起重机的结构,逐一介绍模块化设计技术,产品族技术,计算机集成产品工程, 参数化设计技术,并阐述这些技术在桥式起重机设计上的应用情况。 .桥式起重机结构分析 常见的桥式起重机根据结构的不同,可分为箱型结构、四桁架结构和腹板结构等, 其中箱型结构是应用最广的一种。根据桥式起重机的用途,可分为普通用途桥式起重机 和冶金用桥式起重机。本文主要研究箱型桥式起重机。 从结构上看,桥式起重机由三个部分组成: 结构件部分,主要包括桥架,小车架等; 机构件部分,主要包括起升机构,运行机构,变幅机构和旋转机构等。其中, 起升机构和运行机构最为常用,而变幅机构和旋转机构则应用较少; 电气部分。 根据模块化、参数化设计的特点,把桥式起重机的模块化、参数化设计的工作重点 放在对结构件及机构件中的起升机构、运行机构上。本文主要以结构件桥式起重机桥架 为研究对象。桥式起重机桥架由主梁、端梁、副主梁、连接梁、轨道装置,附属钢结构 等主要模块组成,如图.所示。每一个模块都是可拆分的,通过对不同的模块的拆分 和组合,或者是对某些模块的变更,就可以组成不同的桥架产品。 图.某型号桥式起重机桥架三维结构图 中北大学学位论文 桥架的各组成模块都具有相对固定的结构形式,也就是说在设计过程中,其各个模 块的结构基本能保持固定形式,通过改变模块中的相关尺寸和部分结构即可达到新的设 计要求,在大规模定制的过程中,可能需要设计一系列的相似模块,这一系列的相似模 块就构成了一个产品族,最后通过各产品族之间的模块组合来完成批量设计。 .模块化设计技术原理应用 ..模块化设计概述 模块是可以组合成系统的、具有某种确定功能和结构的、典型的通用独立单 元。模 块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能 分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合就可以构成不同 的产品,以满足市场的不同需求乜 驯。模块化的概念与“三化’’标准化、通用化、系 列化是不可分割的,它是“三化’’原理在应用上的发展,它是特征尺寸模块化、参数 系列化、结构典型化、零部件通用化、组装积木化的综合体,是标准化的高级阶段。按 照模块实现具体功能的特点,可分为基本模块实现必不可少功能的模块、辅助模块把 各种基本模块连接起来使系统可以正常工作的模块及可选模块根据客户的需要而特别 增加的模块,各个模块包含能够行使相同功能不同性能的若干实例 。 模块化系列产品是由一组特定的模块,在一定范围内组成多种不同功能或同功能不同性 能的产品。 模块化设计的目的是为了提高产品设计效率,缩短产品设计周期,降低生产成本, 并使设计经验能够传递和继承,以利于进一步提高设计和生产水平,使企业 在市场竞争 中获得主动权。它强调以功能分析为基础,以市场预测为导向,把功能不同或者功能相 同而性能不同的模块进行组合和互换,产生多元化的产品以满足客户个性化的需求。图 .为模块化产品结构示意图瞳。中北大学学位论文 图.模块化产品结构示意图 模块化结构 的特点在于组合多个单元以实现一项或几项功 能,并且明确定义单元之间的交互作用,模块化设计需要保证关系亲密的零件聚合到同 一个模块中,而模块之间需要尽可能保持交互关系最小化。 ..桥式起重机桥架模块化设计分析 模块化设计主要包括三个部分:模块划分、模块建立和模块组合。模块划分指的是 通过对模块产品的功能分解,将具有相同或相似的零部件分离,并用模块化原理对之进 行统一、归并、简化,形成具有特定功能和接口结构的通用独立模块单元。模块建立指 的是将划分好的桥架各模块进行设计并更新。模块划分是模块化设计的基础。将桥式起 重机桥架逐级分解成模块时,应考虑当模块组合成桥架时,组装和调试的难易程度。模 块数量与规模是相互矛盾的两个因素,进行模块划分时要综合考虑,寻求最佳的状态。 以某型号桥式起重机桥架进行分析,按照桥架各零部件的功能与结构,根据企业实 际需求,采用分级模块的思想,即把一定级别的桥架模块用分级系统中低一级的模块组 成,并用最简单的几何形状来表示,以部件作为模块单元。将桥架分为若干关键模块, 中北大学学位论文 包括:主梁、副主梁、端梁、附属结构、标准件及通用件库。 各模块的结构和功能分析如下: 桥架的主梁是由钢板组合的实体梁式结构,它由上下两块盖板和两块垂直腹板组成 封闭的箱形截面。起重机小车的轨道固定在主梁上盖板的中间,桥架结构的强度和刚性 均由箱形主梁来保证。 副主梁是由钢板组合的实体梁式结构,它由上下两块盖板和两块垂直腹板组成封闭 的箱形截面。起重机副小车的轨道固定在副主梁上盖板的中间。 端梁的两端装有车轮,作为支撑和移动桥架之用。 附属结构包括栏杆、走台、梯子、轨道等。走台通常固定在主梁上,借助主梁腹板 上伸出的撑架来支托,走台外面装有栏杆以保证维修工作的安全。 标准件及通用件库包括型钢、槽钢、角钢、螺栓、螺母、垫圈等标准件以及吊耳、 门、镶圈、舱口盖、小板凳等企业通用件,建立大量参数化的标准件和通用件,可从中 选取不同型号的标准件及通用件进行智能装配,提高装配效率。 .产品族设计技术 ..产品族模型 产品族模型是实现大规模定制生产方式的重要技术基础,是新产品开发阶段的结 果,产品定制阶段的依据。现代设计方法学将产品的设计过程分为两个主要设计阶段: 概念设计和详细设计。其中概念设计是设计过程中最重要的阶段,是产品创新的集中体 现,其任务是根据需求信息,建立产品的功能结构、寻求合适的原理解及其组合瞳’删。 所以产品族的设计可视在三个域中进行,各个域的主要内容如下: 功能域:描述产品对象所具有的功能、功能组成和性能。 原理域:描述设计过程中所使用的作用原理解,确定产品功能的不同效应和 作用、构思产品行为,以体现该原理解或方案的各种设计约束、分析计算关系和对设计 过程的控制等设计知识。 结构域:按照产品所要求的行为和预定功能,设计其要求的载体,完成功能 或作用原理向结构的映射。 中北大学学位论文 产品族模型作为一类产品的模型,充分考虑设计知识的重用和产品模型快速变型的 机制。产品族模型可由以下三个部分组成乜侧: 功能模型。描述产品对象所具有的功能、功能组成和性能等。功能模型的作 用除了为原理模型的构造提供设计要求外,还存贮了设计过程中概念层的知识。设计者 可以利用这些知识,迅速地进行知识重组和新的产品定义。 原理模型。原理模型描述由功能模型获得结构模型而进行的设计过程中所使 用的作用原理解或方案,它体现该解原理或方案的各种设计约束、力作用分析 计算关系和对设计过程的控制等设计知识。 结构模型。结构模型描述了产品族的装配层次关系及所有可能的组成模块的 结构。结构模型是根据功能模型通过设计过程而获得的,其作用是描述产品对象具体存 在的形式,确定产品物质处理的具体目标。 产品模型框架通过功能、原理、结构三个不同的视图,完整地表达产品族的信息, 因此被称为多视图建模。与其它产品模型框架相比较,其具有以下特点:在描述产品结 构属性的同时,增加了功能模型和原理模型;通过功能模型将产品模型的边界延伸到用 户空间,支持用户对产品功能的直接配置;借助作用原理模型将功能模型与结构模型有 机地衔接起来,从而使产品模型具有快速变型设计的机制。 关于三个域之间的关系如下:通常在功能域描述用户需求,然后在技术域寻求解决 方案,最好的实施在结构域中进行。分解和映射是在设计过程中的两个重要的步骤,这 两个步骤在三个域中交叉进行。由此可以定义产品族模型为:针对某个相似客户群抽象 产品模型,包括功能模型、原理模型和结构模型三个视图,三个视图间具有映射关系, 三个视图都包括通用模块、变型模块和定制模块,这些模块中的呼唤模块间具有相同的 内容接口,并且经过标准化,每一个模块包含不同的规格。产品族模型具有如下特征: 产品族模型的组成能够为特定客户配置出最终产品;能够让销售、设计、制造和服务部 门采用一致的方式反映企业能力和顾客需求;能够作为信息集成平台实现产品设计全过 程的集成啪。产品族功能模型、原理模型、结构模型之间的关系如图.所示。 中北大学学位论文 产品总功能 功能模型 ?“。一??/\\ 子功能 子功能 子功能 //\/\/\~~~ 基本功能 基本功能 基本功能 基本功能 基本功能 ?\ ?弋 ~.? ?一\/ 弋 , 、 , 、 , 、 基本原理 基本原理 基本原理 基本原理 基本原理 基本原理 模型 模型 模型 模型 模型 模型? ? ? 原理模型\ \ \ / . ~ 、 图.产品族功能模型、原理模型、结构模型之间的关系 ..产品族的主结构 产品族主结构描述了一个可配置的、包括所有构件的模块化产品系统的组成 情况, 可以根据不同客户的需求,从产品族主结构中派生出客户定制产品的结构。 产品族的主 结构和零部件的主模型口’?,主文档?是一体的概念。 零部件主模型 禾用一些关键的参数来描述零部件外型和尺寸之间的 联系,只需要在主模型中输入一组数值,就可以自动地派生出零部件的一个变型零部件的 主模型包括零部件的几何模型和与其相对应的事物特性表。事物特性表定义了从对象组中北大学学位论文 中表征和区分某个对象的决定性特性。零部件的几何模型与相应的事务特性表组成了零 部件的主模型。经过不同方式的处理就可以形成不同形式的文档,如主图、主工艺过程 规划和主程序等。 零部件的主文档其实就是在变型设计过程中,各种模板的总称。利用不同的模板可 以派生出不同类型的文档。例如,为了派生出某个零件或者部件的工程图,需要建立该 零件的或部件的工程图模板,称其为主图;为了派生某个零件或部件的工艺过程规划, 需要建立该零件或部件的工艺过程规划模板,称其为主工艺过程规划;为了派生出加工 某个零件或部件的程序,需要建立该零件或部件的程序模板,称其为主程 序。通常情况下,只要主文档正确,则由其派生的文档也一定正确。在产品族建模中, 不仅要建立零件的主文档,还要建立部件以及形状特征的主文档。 建立产品族主结构需要全面了解产品模型的有可能组合,在此基础上构件一个可配 置产品结构。首先要建立产品基本模块的层次结构,然后在该层次结构上加入必选模块 和可选模块。必选模块和可选模块的选择可以利用决策表技术来实现。 基本模块是指组成一个产品时必须包括的模块;必选模块是指必须按照一定的规 则,从产品族主结构的指定模块中选择一定数量的模块加入到定制产品中:可选模块是 指可以根据需要按照一定的规则,从产品族主结构的指定模块中选择一定数量的模块加 入到定制产品中。 一个面向大批量定制口的模块化产品族由描述产品构成情况的产品族以及描述零 部件事务特性的主模型和主文档组成,产品族的主结构与零部件的主模型、主文档之前 存在着十分紧密的联系。在产品族主结构和零部件主模型、主文档基础上,根据客户不 同需求,采用配置设计和变型设计的方法、可以迅速设计出定制产品。 前面已经分析过桥式起重机桥架的模块组成了,一套桥架产品是由多个模块组成 的,但是很多模块不一定是必须的,可以根据桥架的功能划分出基本模块、必选模块和 可选模块,所以在设计之前确定好桥架的主结构是很有必要的,这将节省大量的设计时 间,省掉大量不必要的重复设计工作。 ..桥式起重机桥架的主结构 根据桥式起重机桥架的基本组成可以总结出桥架的主结构,主梁、端梁、附属钢为 中北大学学位论文 桥架的基本组成部分,所以定为基本模块。根据设计的需要和起重量的要求,又可以加 入副主梁,连接梁,端梁铰等模块来达到预先设计要求,所以把这些模块可定义为可选 模块。轨道装置,内走台,舱口盖,底座等构成桥架必须的模块可定义为必选模块。桥 架模块化主结构如图.所示。 :必选模块: 飘圈 图.桥架模块化主结构 .计算机集成产品工程 计算机集成产品工程四,是从业务过 程重组、产品结构重组和信息技术重组出发,在先进技术的支持下,通过建立 可变型的 产品模型,满足新产品开发和变型产品设计的需要,的核心是减少零部件的种类 以实现下游各环节及各种技术文档的简化和合理化。产品开发设计周期和成本很大程度 取决与产品的模块化、规范化和标准化程度,而有效的产品结构重组将有利于解决产品 的标准化问题。产品结构重组包括简化产品结构、产品编码和产品文档的标准化和数字 化等,重组后的产品应该是高度规范的数字化产品。中北大学学位论文 .. 的基本原理 强调在产品开发设计过程重组的基础上,通过标准化和规范化尽可能减少零 部件数量,建立集成的智能产品模型和跨功能的并行工作环境,以充分挖掘开发设计领 域中极为客观的时间和费用的潜力,大幅度缩短产品开发设计周期,降低产品成本,提 高产品质量。的体系机构可分为哲理层、方法层和工具层三个层次汹,体系 结构如图.所示。 哲 理 层 哲理 方 设计过程重组 产品结构重组 信息技术重组 法 层上?? 系 变 零部件分类 图 关系 技 列 型 型 模块划分 档 卜?? ?斗 术 设 设 系 标准化规范化 管 层 计 计 建模 理 统 图. 体系结构 哲理指在系统思想指导下,集成并发展精益生产的“简化’’、计算机集成制 造 的“集成”、成组技术的“相似”、并行工程的“并行和业务重组的“重组” 等核心思 想,用整体优化的观点,科学合理地对业务过程、产品结构和信息技术进行重 组。 方法可以归纳为三个部分:产品不发设计过程重组。重视对过程的管理 和开发设计人员的再培训,以适应新环境和新方法的需要。产品结构重组,采用合 适的编码体系,进行产品的标准化和规范化,基于结构单元建立可变型的产品模型。产 品结构重组包括简化产品结构和产品文档的标准化数字化等,重组后的产品应该是高度 规范的数字化产品。信息技术重组,采用产品数据管理系统,工具和过程管理 系统,辅助不发设计人员进行新产品设计和变型设计,使他们对企业的整个生成过程有 一个系统、全面的了解。 中北大学学位论文 技术包括了支持哲理具体实现的各种技术和工具,如现代设计技术、各 种标准和规范、基于结构单元的产品建模技术以及相关的计算机软件工具等。 ..产品标准化与规范化 产品的标准化与规范化是实现结构重组的方法,通过对产品零部件的分析, 进行零部件归类,进行标准化和规范化来实现产品的结构重组,产品标准化与规范化~ 般包括零部件分析,零部件功能分析,零部件几何形状分析等’驯。 通常情况下可以将机械产品的零部件分为、、三类。类零部件是标准件和 外购件,一般约占产品零部件总数的%,成本的%。类零部件为典型的变型的 零部件,可以用参数化设计的方法从原先已有的零部件中派生出来,因而开 发设计的工 作量比较小,加工方面的标准化程度也比较高。类零部件一般占产品零部件总数的 %,成本的%。类零部件是与用户需求有关的特殊零部件,必须根据用户的特殊要 求进行开发设计和加工。类零部件的数量比较少,一般小于%,但却占成本的 %左右。零部件分析的目的是了解零部件的分布情况,将类零部件尽可能变为 类零部件,将类零部件尽可能变成类零部件,从而降低成本。进行零部件 分析的具体做法如下:分析现存的所有零部件,将其中的标准件和外购、外协件归 并为类零部件,并进行编码分类。对系列产品的零部件进行分析,确认常用的模 块将能够通过标准模块变型设计或组合设计得到的零部件进行分类编码,形成类件; 对与用户需求相关的特殊零部件,将他们也归入类零部件。将那些不能由、 类零部件经过组合或变型设计得到的,与用户具体要求密切相关的特殊零部件归入类 ‘ 零部件: 零部件的功能分析?伽是产品标准化与规范化的一个重要内容。通过对零部件的功能 分析,可以在功能、解原理及实现结构之间建立一种映射关系,在进行几何形 状分析和 参数分析时可以有据可循,保留或改进与特定功能对应的结构,去掉与实现功能无关、 由于设计人员随意性而增加的结构。 零部件几何形状分析的目的是为了减少零部件种类,建立参数化设计系统,用尽量 少的零部件组成部件和产品,达到成本最优化和提高产品质量的目的。企业在长期的设 计活动中,由于技术和管理方面的种种原因,往往要对实现类似功能的零部件有多种多 中北大学学位论文 样相似的设计,形成几何形状相似的零部件族。通过对零部件的几何形状分析, 发现这些几何上相似的零部件族,在对零部件的功能分析、约束分析的基础上,提出具 有代表性的零部件几何模型,使得该模型能满足零部件的功能要求和约束要求,为产品 建模提高图形基础。 ..基于 的桥架产品规范化标准化分析 对桥架进行设计过程重组,采用三维参数化设计,针对桥架不同零部件采用不同的 参数化设计方法,比如系列化设计,变型设计,配置设计等等,这样可以避免单一的设 计方法所造成的很多不必要的重复设计工作。 将桥式起重机桥架所有零部件统一分析,可以分为以下几种零部件:国标件、具有 一定基本形状的板件零部件、执行厂内一定标准的零部件和其他零部件。国标件螺栓、 螺母、垫圈、定位销等可直接外购,无需设计。像主梁上的门,走线孔镶圈,吊耳, 槽钢,角钢,这些零部件在长期的设计过程中,其形状特征都已经基本固定,并且都已 经形成了自己的标准系列,所以这些零部件可以利用系列设计来完成。在多次的设计经 验中,我们发现主梁的头部的形式也基本都是有规律地变化,主梁头部的形状尺寸都是 根据车轮直径和头部高度有规律的变化,这样整个主梁头部就可以做成一个系列, 每一个系列对应着数据库中的一组数据,通过数据库管理实现主梁头部的参数化变型设 计。桥架上大部分的板件设计都是在一组典型模型的基础上,根据尺寸约束关系的变化 来完成的,这类零部件都可以归入典型变型零部件,包括桥架上各梁的腹板, 盖板,连 接板等。还要一少部分零部件在设计过程中变化比较灵活,其基本形状或位置都可能发 生变化,分析零部件其中一个主要的任务就是尽量减少甚至消除此类零部件,将其尽量 的归入典型变型零部件,例如焊接坡口的零部件,其坡口开口形式根据板厚等因素的影 响会产生型,型等不同坡口,形式不定,对这类零部件的设计需要对各种可能的情 况进行判断分析,然后归入典型零部件进行参数化设计。 .桥架参数化设计技术 桥式起重机桥架的参数化设计是针对实际的生产设计中,同一类型但不同规格的产 品。设计一定的参数化设计程序,让计算机按照厂家给定的要求自动完成桥架的设计,中北大学学位论文 在进行新产品设计时根据给定的相关参数,并计算出一些派生参数来完成桥架的整体设 计。参数化的优点是涉及到的参数除了能描述几何拓扑信息外,还能表达与处理几何元 素间的各种设计关系和约束关系。这样,工程设计人员不需要考虑具体细节,精确计算 结果由计算机自动生成,同时可以通过变动某些参数和约束关系来更新设 计。 桥式起重机桥架参数化主要通过以下三种方式实现 利用变量驱动图形 用具有不同属性的变量来约束和驱动图形,变量可为一个具体数值或者一个表达 式。在这种方式中,用容易理解、容易记忆的变量名称来存储设计数据,同时在变量与 设计模型之间建立起联系,每当改变“变量”的数值,模型就会发生相应的改变,设计 也随之调整。 表格驱动图形 应用表格驱动几何图形。事先将与设计有关的各种数据以表的形式存放在相应的数 据库或数据表中,各个表都具有独立的名称,并建立表中 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 数值与设计模型之间的联 系。在具体驱动程序中,通过访问相应表中的记录达到改变几何图形的目的。这种方法 特别适合于桥式起重机桥架中的标准件和通用件的系列设计,如门、吊耳、小板凳、槽 钢、角钢等。 尺寸驱动图形 利用修改尺寸数值达到修改图形的目的。在桥架三维设计系统中,利用绘制 装配草图的方法。在具体模型上标注尺寸,等于也就建立了几何元素与尺寸之间的双向 联系,因此,不论是改变几何图形的大小,还是修改尺寸标注的数值,都能引起对方的 相应变化。 中北大学学位论文 面向产品族的参数化设计原理及体系架构 上一章介绍过面向产品族的参数化设计的关键技术,这些设计技术和方法不是孤立 的,而是一个统一的有机体,构成面向产品族的参数化设计体系。产品开发的每一步都 是相关联的,产品设计应全面考虑产品的全生命周期。本章以产品族技术为核心,对产 品开发全生命周期的各个步骤进行分析,构成面向产品族的参数化设计体系。 .面向产品族的参数化设计原理 ..面向产品族的参数化设计方法 面向产品族的参数化设计就是在已有产品族实例的基础上,按照用户需求,以参数 化的设计方法完成产品结构的重组或局部结构的变型,在产品工作原理、产品总功能不 变的情况下,在企业现有产品实例基础上,变更相似实例中组成部件的结构、 配置和尺 寸,设计出满足用户不同需求的产品。面向产品族的参数化设计是在企业已有的设计资 源的基础上,以最短设计周期、最低的设计成本设计出满足用户需求的个性化产品。 参数化设计是针对结构模型的,功能模型反应的是用户需求,原理模型是根据功能 模型映射出来的功能原理,而结构模型才是真正用来表达设计者设计意图的,通过参数 化的方法设计出结构模型,以达到设计的设计意图。但是面向产品族的参数化设计是根 据整体设计过程分析,针对个性用户需求来设计,也就是说面向产品族的参数化设计方 法是从功能模型入手,根据用户需求产生功能模型,以满足用户功能,根据功能推断出 原理,然后进行结构模型设计。以桥式起重机设计为例,面向产品族的参数化设计一般 ’川。 分为三个阶段 用户需求获取获取用户需求的目的是为了分析产品设计基本功能,得到功 能模型,用户需求信息是后续设计的基础。如桥式起重机桥架设计中,首先要获得桥架 的运动方式,起重量,跨度,连接方式,等用户参数,并通过这些用户参数确定桥架的 基本形式,梁的构成方式,基本结构等工程设计参数。 确定结构总体方案根据一些用户参数确定桥架的总体结构,根据起重量确 定梁的构成方式和连接方式,根据跨度及起重范围确定桥架主要的结构形式,确定总体中北大学学位论文 结构方案。这一步可以结合桥架的主结构分析桥架功能,添加一些功能需要的可选模块 或必选模块来完成总体结构方案。 零部件的详细设计根据总体结构方案,分步对各零部件进行详细设计并组装 成桥架产品。 面向产品族的桥式起重机参数化设计通常又分为三种设计方式在标准桥架的 主模型上,根据用户需求的特殊要求对已有产品部件进行改进设计或模块组合设计。 以某一组桥架主模型为本体,借用其他桥架产品的某些零部件结构来完成设计。基 于主模型的基本结构,进行全面的参数化设计’引。第一种和第二种设计方式比较简单, 第一种通常只需要在已有模型的基础上进行模块的重新组合和局部细节的改造就可以 完成。第二种设计模型也是只需要进行零部件的借用来完成设计。第三种设 计模式比较 常见,需要按照功能需求进行全面的参数化整体设计。 ..面向产品族参数化设计的模块化原理 产品族模型是基于模块化基础的,模块化设计技术是在产品功能分析的基础上,将 产品分解成具有一