PTC開發系統環境下的產品模塊化與系列化設計研究

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1 前言    模塊化與系列化已成為現今裝備產品發展的一個趨勢。在保持產品基本模塊的基礎上，通過模塊化、系列化設計，可以方便地實現內部功能的整合、外部功能的擴展，既保持了成熟產品的內在優勢，又大大拓寬了產品創新發展的空間。
    中國兵器裝備研究院通過引進和應用PTC 公司的產品開發體系，在裝備產品快速研發、產品數據管理等方面，獲得了一體化集成的高效工具和先進實用的設計思想。從而有能力快速高效地在統一集成環境下，以模塊為基礎，構建通用化零部件庫和基型參數化產品庫，形成對接口特征的固化技術。利用PTC產品開發體系的專用工具，靈活地實現Top- down自頂向下的裝備新產品模塊化、系列化設計工作。
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2 模塊化與系列化、組合化、通用化和標準化的關系
' M( p3 P4 L$ e, h" [    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的。
# V& ~, j9 L2 R; \1 C3 X0 s6 K9 ]1 g  o    系列化的目的在于用有限品種和規格的產品來最大限度、且較經濟合理地滿足需求方對產品的要求。組合化是采用一些通用系列部件與較少數量的專用部件、零件組合而成的專用產品。通用化是借用原有產品的成熟零部件，不但能縮短設計周期，降低成本，而且還增加了產品的質量可靠性。標準化零部件實際上是跨品種、跨廠家甚至跨行業的更大范圍零部件通用化。由于這種高度的通用化，使得這種零部件可以由工廠的單獨部門或專門的工廠去單獨進行專業化制造。
    在進行產品系列化設計時，進行統一規劃，使盡可能多的零部件相互通用，僅設計和制造其中專用的零部件，然后與現有的或外購的通用部件組裝在一起，這巳成為一條必須遵循的原則。
$ I1 y) a, _" d! ^* w    所以針對這一目標采取的項目進程是：通過模塊化設計的研究，建立模塊分類及庫管理，確立模塊接口的特征匹配，使零部件模塊能夠按照功能要求實現通用化、組合化，進而實現產品的系列化。

3 產品模塊化、系列化設計分類與庫管理
    產品模塊化設計按照自頂向下研究分類，包括系統級模塊、產品級模塊、部件級模塊、零件級模塊；再按照功能及加工和組合要求研究分類，包括基本模塊、通用模塊、專用模塊；然后按照接口組合要求研究分類，包括內部接口模塊、外部接口模塊。以產品級模塊化為例，就是在需求調查的基礎上，對裝備產品的構成進行分析，考察其中的功能互換性與幾何互換性的關系，并劃分基本模塊，通用模塊或專用模塊，以模塊為基礎進行內部接口、外部接口設計，通過加、減、換、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。
    裝備產品系列化設計基于上述的各個層次的模塊規劃和相互組合，裝備產品是滿足戰術技術要求的一類產品，它的系列化方法與普通機械產品有所不同，以產品級系列化為例，采用系列化的思想可將裝備產品進行抽象與系列分類，構成橫系列（在基型裝備產品基礎上擴展外部模塊的變型產品系列），縱系列（主要零部件可通用的幾種規格裝備產品形成一個家族化產品系列），以及跨系列（主要零部件相近或通用的幾種裝備產品形成一套系列）。
    實現產品模塊化、系列化設計的首要基礎是建立一定數量的參數化零部件模塊庫或基型產品型號庫，并建立相關的統一分類管理框架。然后，在應用過程中不斷擴展充實以使其成為一個精確、無冗余、通用化的零部件模塊庫和確保重用度的產品型號庫。
    在Pro/ENGINEER Wildfire野火版環境中，通過確定零部件關鍵參數、寫入計算關系、構建零件級或部件級族表的方式，建立各級零部件的參數化、系列化模塊，并不斷充實到通用模塊庫中。一些標準件的模塊庫可以從市場上購置添加，而一些專業性強的通用模塊庫需組織專門人員開發。如圖1所示為：采用參數關系族表建立的可撓性裝配的專用系列化多股螺旋壓縮彈簧的設計模塊。進一步可采用Pro/INTRALINK更好地管理這些通用模塊庫。

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4 產品模塊接口特征的固化技術

    產品模塊化、系列化設計的另一重要基礎是必須建立各模塊間接口的主要結構特征匹配。對于產品內部接口模塊，由于其專用性強、通用性低，并且組合性弱，主要是固化模塊接口的主要結構特征，目標是便于模塊的變形設計和內部擴展。對于產品外部接口模塊，由于接口通用性要求高、裝配組合性能要求強，除固化模塊接口的主要結構特征以外，還需建立接口的標準化，實現更大范圍的組合。
" Z  A- s5 z6 k1 v    在Pro/ENGINEER Wildfire野火版環境中，接口特征依據裝配情況選擇用零件級特征或是部件級特征，可以采取兩種方式實現接口特征的固化技術。一是針對內部接口，通過在入庫模塊中采用約束及鎖定相關特征的方式，固化接口特征。二是針對標準化的外部接口，通過使用UDF用戶自定義特征方式，形成固化的接口特征庫。進一步可采用Pro/ToolKit二次開發技術，對上述接口特征進行方便快速的設計與管理。如圖2所示為：采用UDF和二次開發技術進行某瞄準具模塊的接口特征固化設計。圖3所示為：采用模塊化與系列化設計，可靈活拆卸組合，為裝備系列附件提供接口的導軌接口系統。
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3 s  l7 T7 |0 |; @+ t5 產品模塊化、系列化的Top- down設計
* @( Y; Z" ^& E! d. `& k$ ~; p    完成了一定數量的零部件模塊庫或基型產品型號庫，形成了各模塊間接口的主要結構特征匹配固化，并建立了相關的統一分類管理框架之后，即可進行Top- down自頂向下的新產品模塊化、系列化設計工作，并在實際的產品變形設計、產品組合設計及產品創新設計中，不斷擴充通用模塊庫、型號庫和標準化的模塊接口特征定義，逐步實現Top- down設計的優化。
* [: _) H; D- t- m$ O    在Pro/ENGINEER Wildfire野火版環境中，通過方案規劃設計Layout技術，導入系列化的主產品結構定義，建立系統模塊骨架模型，控制設計意圖在系統模塊間的接口參數傳遞，形成產品模塊化系列化的邏輯裝配，依靠通用模塊庫和接口特征庫的支持，實現產品的詳細設計和完全裝配，最終實現系列產品完整樣機的數字化模擬裝配。如圖4所示為Top- down自頂向下的產品模塊化、系列化設計工作流程框圖。

6  結束語

    實際應用中，要求設計人員具有較高的技術水平，在PTC的產品開發體系環境中，用簡練的特征和參數表達模塊及接口特征，采用Top- down自頂向下的設計，有效管理模塊化、系列化產品組織的復雜設計，并將總體的設計意圖和方案有效貫徹始終。通過循環優化，完成產品的整體設計，并及時豐富和完善模塊化與系列化的資源庫。模塊化與系列化設計應用體現了發展思路、設計思路、管理思路的變革，產品設計師運用PTC的產品開發體系包含的先進設計思想和高效工具，通過嚴謹細致的全面規劃，將繼承、整頓、開發、預研相綜合，充分利用現有系統或成品，最大程度地降低了各方面的研制風險，節省了開發費用、縮短了研制周期，提高了產品質量和可靠性。同時，通過整合、規劃、改造成熟產品，使原有的產品系統煥發了新的活力。

老鷹

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