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PTC环境下的产品模块化与系列化设计 |
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作者：周涛 阚玉红 于冬梅 高杨 |
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摘要：产品模块化、系列化设计，是基于对常规产品进行功能及结构的分析与规划，以模块为基础，构建通用化零部件库和基型参数化产品型号库，并形成对接口特征的固化技术，利用PTC产品开发体系的专用工具，最终实现Top- down自顶向下的新产品模块化、系列化设计工作。
关键词：模块化；系列化；接口特征；固化技术；Top-down；工作流程
1 前言
模块化与系列化已成为现今装备产品发展的一个趋势。在保持产品基本模块的基础上，通过模块化、系列化设计，可以方便地实现内部功能的整合、外部功能的扩展，既保持了成熟产品的内在优势，又大大拓宽了产品创新发展的空间。
中国兵器装备研究院通过引进和应用PTC 公司的产品开发体系，在装备产品快速研发、产品数据管理等方面，获得了一体化集成的高效工具和先进实用的设计思想。从而有能力快速高效地在统一集成环境下，以模块为基础，构建通用化零部件库和基型参数化产品库，形成对接口特征的固化技术。利用PTC产品开发体系的专用工具，灵活地实现Top- down自顶向下的装备新产品模块化、系列化设计工作。
2 模块化与系列化、组合化、通用化和标准化的关系
模块化设计技术是由产品系列化、组合化、通用化和标准化的需求而孕育的。
系列化的目的在于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求方对产品的要求。组合化是采用一些通用系列部件与较少数量的专用部件、零件组合而成的专用产品。通用化是借用原有产品的成熟零部件，不但能缩短设计周期，降低成本，而且还增加了产品的质量可靠性。标准化零部件实际上是跨品种、跨厂家甚至跨行业的更大范围零部件通用化。由于这种高度的通用化，使得这种零部件可以由工厂的单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造。
在进行产品系列化设计时，进行统一规划，使尽可能多的零部件相互通用，仅设计和制造其中专用的零部件，然后与现有的或外购的通用部件组装在一起，这巳成为一条必须遵循的原则。
所以针对这一目标采取的项目进程是：通过模块化设计的研究，建立模块分类及库管理，确立模块接口的特征匹配，使零部件模块能够按照功能要求实现通用化、组合化，进而实现产品的系列化。
3 产品模块化、系列化设计分类与库管理
产品模块化设计按照自顶向下研究分类，包括系统级模块、产品级模块、部件级模块、零件级模块；再按照功能及加工和组合要求研究分类，包括基本模块、通用模块、专用模块；然后按照接口组合要求研究分类，包括内部接口模块、外部接口模块。以产品级模块化为例，就是在需求调查的基础上，对装备产品的构成进行分析，考察其中的功能互换性与几何互换性的关系，并划分基本模块，通用模块或专用模块，以模块为基础进行内部接口、外部接口设计，通过加、减、换、改相应模块以构成新的产品，并满足装备产品的功能指标要求。
装备产品系列化设计基于上述的各个层次的模块规划和相互组合，装备产品是满足战术技术要求的一类产品，它的系列化方法与普通机械产品有所不同，以产品级系列化为例，采用系列化的思想可将装备产品进行抽象与系列分类，构成横系列（在基型装备产品基础上扩展外部模块的变型产品系列），纵系列（主要零部件可通用的几种规格装备产品形成一个家族化产品系列），以及跨系列（主要零部件相近或通用的几种装备产品形成一套系列）。
实现产品模块化、系列化设计的首要基础是建立一定数量的参数化零部件模块库或基型产品型号库，并建立相关的统一分类管理框架。然后，在应用过程中不断扩展充实以使其成为一个精确、无冗余、通用化的零部件模块库和确保重用度的产品型号库。
在Pro/ENGINEER Wildfire野火版环境中，通过确定零部件关键参数、写入计算关系、构建零件级或部件级族表的方式，建立各级零部件的参数化、系列化模块，并不断充实到通用模块库中。一些标准件的模块库可以从市场上购置添加，而一些专业性强的通用模块库需组织专门人员开发。如图1所示为：采用参数关系族表建立的可挠性装配的专用系列化多股螺旋压缩弹簧的设计模块。进一步可采用Pro/INTRALINK更好地管理这些通用模块库。
图1 零件级的专用系列化多股簧设计模块
4 产品模块接口特征的固化技术
产品模块化、系列化设计的另一重要基础是必须建立各模块间接口的主要结构特征匹配。对于产品内部接口模块，由于其专用性强、通用性低，并且组合性弱，主要是固化模块接口的主要结构特征，目标是便于模块的变形设计和内部扩展。对于产品外部接口模块，由于接口通用性要求高、装配组合性能要求强，除固化模块接口的主要结构特征以外，还需建立接口的标准化，实现更大范围的组合。
在Pro/ENGINEER Wildfire野火版环境中，接口特征依据装配情况选择用零件级特征或是部件级特征，可以采取两种方式实现接口特征的固化技术。一是针对内部接口，通过在入库模块中采用约束及锁定相关特征的方式，固化接口特征。二是针对标准化的外部接口，通过使用UDF用户自定义特征方式，形成固化的接口特征库。进一步可采用Pro/ToolKit二次开发技术，对上述接口特征进行方便快速的设计与管理。如图2所示为：采用UDF和二次开发技术进行某瞄准具模块的接口特征固化设计。
图2 部件级的瞄准具模块的接口特征固化设计
图3所示为：采用模块化与系列化设计，可灵活拆卸组合，为装备系列附件提供接口的导轨接口系统。
图3 装备系列附件的模块化导轨接口系统设计
5 产品模块化、系列化的Top- down设计
完成了一定数量的零部件模块库或基型产品型号库，形成了各模块间接口的主要结构特征匹配固化，并建立了相关的统一分类管理框架之后，即可进行Top- down自顶向下的新产品模块化、系列化设计工作，并在实际的产品变形设计、产品组合设计及产品创新设计中，不断扩充通用模块库、型号库和标准化的模块接口特征定义，逐步实现Top- down设计的优化。
在Pro/ENGINEER Wildfire野火版环境中，通过方案规划设计Layout技术，导入系列化的主产品结构定义，建立系统模块骨架模型，控制设计意图在系统模块间的接口参数传递，形成产品模块化系列化的逻辑装配，依靠通用模块库和接口特征库的支持，实现产品的详细设计和完全装配，最终实现系列产品完整样机的数字化模拟装配。如图4所示为Top- down自顶向下的产品模块化、系列化设计工作流程框图。
图4 Top-down产品模块化与系列化设计工作流程
6 结束语
实际应用中，要求设计人员具有较高的技术水平，在PTC的产品开发体系环境中，用简练的特征和参数表达模块及接口特征，采用Top- down自顶向下的设计，有效管理模块化、系列化产品组织的复杂设计，并将总体的设计意图和方案有效贯彻始终。通过循环优化，完成产品的整体设计，并及时丰富和完善模块化与系列化的资源库。模块化与系列化设计应用体现了发展思路、设计思路、管理思路的变革，产品设计师运用PTC的产品开发体系包含的先进设计思想和高效工具，通过严谨细致的全面规划，将继承、整顿、开发、预研相综合，充分利用现有系统或成品，最大程度地降低了各方面的研制风险，节省了开发费用、缩短了研制周期，提高了产品质量和可靠性。同时，通过整合、规划、改造成熟产品，使原有的产品系统焕发了新的活力。
作者单位：中国兵器装备研究院计算中心(end)
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(10/25/2005) |
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