1 引言
隨著個(gè)性化時(shí)代的到來(lái)，增加產(chǎn)品的多樣性及其個(gè)性化成為在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中取得勝利的重要手段。產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化要求企業(yè)能夠?qū)⒖蛻?hù)需求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理與配置、智能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)協(xié)作管理等過(guò)程有機(jī)地結(jié)合在一起，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和規(guī)模生產(chǎn)都已經(jīng)不能適應(yīng)市場(chǎng)需求的個(gè)性化變遷。各行各業(yè)中產(chǎn)品個(gè)性化的大量增加使得非標(biāo)設(shè)備在各種機(jī)械和自動(dòng)化產(chǎn)品中得到大量運(yùn)用。在機(jī)電設(shè)備市場(chǎng)中，非標(biāo)設(shè)備占有的市場(chǎng)份額不斷攀升。相對(duì)于通用設(shè)備，非標(biāo)設(shè)備一般都是單件小批量生產(chǎn)，其在保證多樣性的前提下也導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，同時(shí)由于客戶(hù)需求的多樣化，非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)變更也非常頻繁。因此，如何采用新的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)并快速地以低成本將其推向市場(chǎng)是目前急待解決的問(wèn)題。
本文在分析現(xiàn)有的有關(guān)理論和實(shí)踐資料的基礎(chǔ)上，首先對(duì)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)和可適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)做了理論上的探討，然后結(jié)合非標(biāo)設(shè)備測(cè)漏機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程，把模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)和可適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，從而提出一種非標(biāo)設(shè)備模塊化可適應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
2 模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)
以數(shù)字化、集成化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期為目標(biāo)的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)是快速設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求的機(jī)械產(chǎn)品的有效手段。
模塊化設(shè)計(jì)首先在對(duì)一定范圍內(nèi)的產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)獨(dú)立的基本單元模塊，并使模塊系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)模塊的選擇和組合組成不同的產(chǎn)品或系統(tǒng)，以滿(mǎn)足不同的需求。模塊按其結(jié)構(gòu)和功能可以分為基本模塊、必選模塊和可選模塊，各個(gè)模塊按一定的選擇規(guī)則層層構(gòu)成上層模塊，最終形成產(chǎn)品。模塊化后的機(jī)械產(chǎn)品具有下列特點(diǎn)：互換性強(qiáng)，便于維修；質(zhì)量高、成本低，能解決多品種、小批量和大批量加工之間的矛盾；有利于企業(yè)采用先進(jìn)技術(shù)改造舊產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品；有利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和供貨期限。模塊化產(chǎn)品族的主結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 模塊化產(chǎn)品族的主結(jié)構(gòu)示意圖
模塊化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在兩個(gè)方面表現(xiàn)出明顯的差異：第一，在遵循標(biāo)準(zhǔn)的前提下，模塊創(chuàng)新是分散進(jìn)行的，具有相當(dāng)?shù)莫?dú)立性；第二，協(xié)調(diào)機(jī)制不再依靠一體化的組織，而是網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)集成。模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵在于模塊結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化以及科學(xué)地、有節(jié)制地劃分模塊。
3 可適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)
可適應(yīng)設(shè)計(jì)是一種新的設(shè)計(jì)模式，它兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。可適應(yīng)設(shè)計(jì)的理念要求在設(shè)計(jì)某一產(chǎn)品，系統(tǒng)時(shí)，不是僅僅考慮此單一產(chǎn)品/系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，也應(yīng)該考慮到可能的產(chǎn)品系統(tǒng)的衍生、擴(kuò)展、提升等適應(yīng)能力的可能性，并從結(jié)構(gòu)上考慮其實(shí)現(xiàn)性。可適應(yīng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比具有許多優(yōu)勢(shì)，可適應(yīng)產(chǎn)品可重用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低開(kāi)發(fā)成本。當(dāng)通過(guò)維護(hù)和維修后產(chǎn)品功能仍無(wú)法滿(mǎn)足需求時(shí)，可適應(yīng)產(chǎn)品通過(guò)更換或重構(gòu)某些零部件或模塊來(lái)獲取新的功能，而不是丟棄或回收產(chǎn)品。這樣可以最大程度上減少產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響，真正實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)是可適應(yīng)設(shè)計(jì)的核心，但模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)又不能代表可適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)。因?yàn)槟K化產(chǎn)品并不一定具有適應(yīng)性，也不能應(yīng)對(duì)新功能需求的變化。
可適應(yīng)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源的動(dòng)態(tài)變遷；能夠適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步；能夠適應(yīng)用戶(hù)個(gè)性化需求；能夠適應(yīng)全生命周期內(nèi)產(chǎn)品與社會(huì)的協(xié)調(diào)。可適應(yīng)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響見(jiàn)圖2。
圖2 可適應(yīng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響
可適應(yīng)設(shè)計(jì)的構(gòu)成要素見(jiàn)圖3。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求通過(guò)劃分為獨(dú)立的功能、物理結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行建模，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案通過(guò)可適應(yīng)平臺(tái)架構(gòu)中的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)計(jì)功能與所需的可適應(yīng)產(chǎn)品的模塊通過(guò)可適應(yīng)接口來(lái)進(jìn)行連接，可適應(yīng)設(shè)計(jì)知識(shí)的建模通過(guò)知識(shí)的獲取、表達(dá)及應(yīng)用來(lái)完成。
圖3 可適應(yīng)設(shè)計(jì)的構(gòu)成要素
對(duì)非標(biāo)設(shè)備的可適應(yīng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)包括：面向大批量定制的非標(biāo)設(shè)備需求建模方法，模糊需求的定量表達(dá)方法，需求相似性度量方法；非標(biāo)設(shè)備功能建模理論，多功能和替換功能的建模方法，產(chǎn)品功能的層次化建模理論；可適應(yīng)設(shè)計(jì)中可以靈活地添加、刪除或修改功能單元，需要研究功能的獨(dú)立性與功能組合方法；產(chǎn)品可適應(yīng)設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足功能需求的方法，建立設(shè)計(jì)方案與功能模型的映射機(jī)制；可適應(yīng)定性和定量評(píng)價(jià)體系，設(shè)計(jì)制造知識(shí)管理與重用方法，設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)與優(yōu)化理論等。
4 可適應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例一測(cè)漏機(jī)可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)
近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)制造行業(yè)得到快速發(fā)展，其相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量與安全性能檢測(cè)也變得日益重要，其中氣密性檢測(cè)是保證其質(zhì)量與安全的一項(xiàng)重要手段。氣密性檢測(cè)儀（測(cè)漏機(jī)）廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)、飛機(jī)、制冷設(shè)備、家用電器、燃?xì)庠O(shè)備用具、住宅設(shè)備等各種機(jī)電設(shè)備的零部件生產(chǎn)檢驗(yàn)中，由于檢驗(yàn)對(duì)象的多樣化與非標(biāo)化，這就對(duì)測(cè)漏設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提出了更多的要求，同時(shí)也要求對(duì)各種非標(biāo)測(cè)漏設(shè)備采用可適應(yīng)的設(shè)計(jì)方法與思路。
4.1 測(cè)漏機(jī)可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的規(guī)劃
可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Adaptable Modularize Design System，AMDS)的構(gòu)基于于PDM(Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)技術(shù)層次結(jié)構(gòu)的理論。PDM是一門(mén)用來(lái)管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息（包括零件信息、配置、文檔、CAD文件、結(jié)構(gòu)、權(quán)限信息等）和所有與產(chǎn)品相關(guān)過(guò)程（包括過(guò)程定義和管理）的技術(shù)。PDM的功能主要體現(xiàn)在：電子倉(cāng)庫(kù)與文檔管理功能；產(chǎn)品流程及設(shè)計(jì)過(guò)程管理；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理；產(chǎn)品生命周期管理；分類(lèi)及檢索功能；集成開(kāi)發(fā)接口。測(cè)漏機(jī)可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框架見(jiàn)圖4。
圖4 測(cè)漏機(jī)可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框架
最底層的數(shù)據(jù)層包括PDM數(shù)據(jù)庫(kù)、PDM電子倉(cāng)庫(kù)、產(chǎn)品配置數(shù)據(jù)庫(kù)。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，凡是最終可以轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)描述和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，都可以納入PDM的數(shù)據(jù)管理范圍，例如：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置、零件定義及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、CAD繪圖文件、工程分析及驗(yàn)證數(shù)據(jù)、制造計(jì)劃及規(guī)范、NC編程文件、圖像文件（照片、造型圖、掃描圖等）、產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)、軟件產(chǎn)品（程序、庫(kù)、函數(shù)等“零部件”）、各種電子報(bào)表、成本核算、產(chǎn)品注釋等、項(xiàng)目規(guī)劃書(shū)、多媒體音像產(chǎn)品、硬拷貝文件、其它電子數(shù)據(jù)等。
構(gòu)建于PDM數(shù)據(jù)層之上的PDM平臺(tái)層包括產(chǎn)品管理、模塊管理、零件管理、文檔管理、工作流程管理、用戶(hù)權(quán)限管理等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期中相關(guān)的數(shù)據(jù)、文檔、流程等的統(tǒng)一集中管理，可在企業(yè)范圍內(nèi)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造建立一個(gè)并行化的協(xié)作環(huán)境，大大提升產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和管理效率。PDM平臺(tái)層中的應(yīng)用擴(kuò)展和集成工具可以起到一個(gè)集成框架的作用，各種應(yīng)用程序諸如CAD/CAM/CAE/CAPP、OA、ERP等將通過(guò)各種各樣的方式，如應(yīng)用接口、開(kāi)發(fā)（封裝）等，直接作為一個(gè)個(gè)對(duì)象而被集成進(jìn)來(lái)，使得分布在企業(yè)各個(gè)地方、在各個(gè)應(yīng)用中使用（運(yùn)行）的所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)得以高度集成、協(xié)調(diào)、共享，所有產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程得以高度優(yōu)化或重組，從而縮短設(shè)計(jì)所需時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。CAX系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)相集成，可以充分利用現(xiàn)有零部件資源，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間；可以迅速向客戶(hù)提出正確的報(bào)價(jià)和展示產(chǎn)品原型；可以追溯整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的產(chǎn)品情況等。
最上層的擴(kuò)展應(yīng)用層按照非標(biāo)測(cè)漏設(shè)備的設(shè)計(jì)流程來(lái)進(jìn)行組織。首先輸入客戶(hù)需求，同時(shí)對(duì)客戶(hù)需求進(jìn)行歸類(lèi)保存，然后利用系統(tǒng)的檢索功能在產(chǎn)品族中進(jìn)行相似產(chǎn)品的查詢(xún)，從已有的設(shè)計(jì)中找到與新需求最接近的已有設(shè)計(jì)樣本，再根據(jù)新的功能或特性要求，進(jìn)行模塊的替換或修改，得到新的設(shè)計(jì)，利用各種軟件進(jìn)行基于虛擬設(shè)備的靜、動(dòng)態(tài)分析，最終得到最佳設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行方案的預(yù)裝配。最終設(shè)計(jì)方案定型后，再進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)的維護(hù)，包括用戶(hù)需求的維護(hù)、模塊參數(shù)的維護(hù)、參數(shù)權(quán)重設(shè)置等。
4.2 測(cè)漏機(jī)可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用
測(cè)漏機(jī)可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建工作流程如圖5所示。
圖5 測(cè)漏機(jī)可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建工作流程
構(gòu)建產(chǎn)品可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，是正確的產(chǎn)品基型劃分以及對(duì)基型的模塊化分解。
正確的基型劃分基于對(duì)產(chǎn)品架構(gòu)的準(zhǔn)確解析，產(chǎn)品基型劃分后，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品基型進(jìn)行模塊化分解，結(jié)構(gòu)塊被劃分成不同的參數(shù)等級(jí)，因而其結(jié)構(gòu)塊也是產(chǎn)品系列。組合產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)步驟首先是明確要求、劃分功能結(jié)構(gòu)，然后確定分功能的作用原理、選擇方案和評(píng)價(jià)，最后計(jì)算導(dǎo)出產(chǎn)品尺寸，調(diào)整尺寸，形成產(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)和各種主文檔，將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，形成模塊化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
其中產(chǎn)品編碼系統(tǒng)由企業(yè)自行設(shè)定，可由專(zhuān)業(yè)的SolidWorks編碼管理器插件進(jìn)行定義和管理。面向物料的管理可以在編碼系統(tǒng)中任意定制符合企業(yè)特點(diǎn)的編碼規(guī)則，編碼系統(tǒng)的管理具有可維護(hù)性，可以在系統(tǒng)中對(duì)編碼進(jìn)行修改、刪除、增加和唯一性校驗(yàn)。
在模塊化開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可以很方便地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速報(bào)價(jià)，也可以快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品和制造過(guò)程。利用構(gòu)建好的可適應(yīng)模塊化平臺(tái)進(jìn)行測(cè)漏機(jī)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)選型生產(chǎn)流程如圖6所示。
圖6 測(cè)漏機(jī)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)選型生產(chǎn)流程
在對(duì)非標(biāo)新產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過(guò)構(gòu)建好的可適應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)查找符合條件的基型產(chǎn)品，再?gòu)闹羞x擇出與之最接近的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如果對(duì)最貼近的產(chǎn)品圖紙滿(mǎn)意，就可以在其基礎(chǔ)上按訂貨零件要求在已有設(shè)計(jì)上作出局部的調(diào)整與修改，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。這個(gè)總體方案的設(shè)計(jì)過(guò)程就需要可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺(tái)中模塊庫(kù)、產(chǎn)品庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的參與，同時(shí)對(duì)新產(chǎn)品的專(zhuān)用卡具和需要作出修改的基型模型進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，在設(shè)計(jì)完畢后借助模塊化生產(chǎn)平臺(tái)的參與完成產(chǎn)品的總裝和驗(yàn)收。如果對(duì)最貼近的產(chǎn)品圖紙不滿(mǎn)意，那就需要重復(fù)選型過(guò)程或者進(jìn)一步充實(shí)測(cè)漏產(chǎn)品型譜系列。由圖示設(shè)計(jì)選型過(guò)程可見(jiàn)，采用可適應(yīng)模塊化平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，可以大大減少設(shè)計(jì)時(shí)間和重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率，從而保證新設(shè)計(jì)所消耗的成本最低。
5 結(jié)語(yǔ)
本文論述了把可適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于非標(biāo)設(shè)備測(cè)漏機(jī)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建，以及利用構(gòu)建好的設(shè)計(jì)平臺(tái)完成新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選型的基本流程。其作用在于利用已有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)與投產(chǎn)，從而提高企業(yè)在進(jìn)行各種非標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步提高中國(guó)制造在全球制造鏈的地位，把“中國(guó)制造”更好更快地升級(jí)為“中國(guó)智造”。
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本文標(biāo)題：非標(biāo)設(shè)備模塊化可適應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
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