本文探討了PDM下的SolidWorks變型設(shè)計和自動裝配系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容。
隨著市場競爭的日益加劇和客戶需求的多樣化、個性化，使得企業(yè)在成本、質(zhì)量、交貨期和客戶滿意度方面面臨著越來越大的壓力，迫使企業(yè)不得不采用大批量定制(MC，Masscustomization)等先進的設(shè)計、制造和管理技術(shù)。大批量定制技術(shù)的實施需要PDM系統(tǒng)的支持以管理企業(yè)目前存在著的大量產(chǎn)品設(shè)計和工藝資源，同時管理設(shè)計和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種信息，通過產(chǎn)品配置和產(chǎn)品族管理來縮短訂單產(chǎn)品的通過時間。
為了使機械制造業(yè)能夠?qū)κ袌鲞M行靈活而快速的響應(yīng)，盡可能重用原有的設(shè)計資源并縮短訂單通過時間，作者在實施自主開發(fā)的PDM系統(tǒng)的過程中，針對企業(yè)CAx系統(tǒng)及PDM系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，從資源重用、信息集成的角度，研究并開發(fā)了支持設(shè)計重用的產(chǎn)品快速組合設(shè)計系統(tǒng)，同時以SolidWorks為三維設(shè)計平臺開發(fā)了支持快速組合設(shè)計的變型設(shè)計系統(tǒng)，并得到了相應(yīng)的驗證。
1系統(tǒng)的支持平臺及主要功能
1。1系統(tǒng)的支持平臺
本支持平臺以客戶需求和未來市場需求預(yù)測為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品族設(shè)計為核心，根據(jù)客戶訂單從產(chǎn)品族中配置產(chǎn)品滿足訂單。將產(chǎn)品開發(fā)過程分為客戶需求分析、產(chǎn)品族設(shè)計、產(chǎn)品配置三部分。
當(dāng)接到客戶訂單時，首先對訂單進行分析，確認(rèn)訂單產(chǎn)品是否能夠接受。若訂單能夠接受，則對訂單產(chǎn)品進行處理和分解，確定訂單產(chǎn)品是屬于產(chǎn)品快速組合設(shè)計的哪種情況，即直接配置、產(chǎn)品變型設(shè)計還是產(chǎn)品全新設(shè)計。產(chǎn)品的變型設(shè)計是從產(chǎn)品族中配置出相似產(chǎn)品，在相似產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行變型設(shè)計，可以進行標(biāo)準(zhǔn)化審核，作為產(chǎn)品族的一個產(chǎn)品實例。訂單產(chǎn)品設(shè)計完成后，能夠自動生成產(chǎn)品的模型圖，在產(chǎn)品生產(chǎn)以前對產(chǎn)品的各種參數(shù)進行分析以減少設(shè)計的失誤。由于每個部門對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的需求不同，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中生成不同的BOM視圖供各部門使用。圖1為系統(tǒng)支持平臺的運行流程。
1。2系統(tǒng)支持平臺的主要功能
(1)設(shè)計資源管理系統(tǒng)。設(shè)計資源管理是PDM環(huán)境下產(chǎn)品快速組合設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)。設(shè)計資源管理企業(yè)中已有的設(shè)計資源。對設(shè)計資源進行分類，使設(shè)計資源能夠有效查詢和利用。在設(shè)計資源管理中不僅管理零部件，而且支持零部件的設(shè)計并建立零部件模型。當(dāng)已有零部件無法滿足設(shè)計要求時，通過改變零部件模型的可變尺寸參數(shù)來生成滿足條件的零部件。本平臺采用支持設(shè)計重用、多層次的產(chǎn)品設(shè)計資源可重用模型。該模型通過分層的組織結(jié)構(gòu)形式，反映產(chǎn)品設(shè)計資源在重用過程中的信息需求。
(2)產(chǎn)品族管理系統(tǒng)。在大批量定制環(huán)境下，只有擁有能夠迅速變型的產(chǎn)品族，才能實現(xiàn)對客戶需求的快速設(shè)計。產(chǎn)品族管理系統(tǒng)必須能夠建立產(chǎn)品族并且能對產(chǎn)品族進行維護，能夠預(yù)測將來的產(chǎn)品需求。面向整個產(chǎn)品族進行設(shè)計，需提取符合顧客群需要的產(chǎn)品變型參數(shù)，其設(shè)計結(jié)果是形成可變型的動態(tài)產(chǎn)品模型。在此動態(tài)產(chǎn)品模型的支持下，當(dāng)針對單個客戶需求進行設(shè)計時，可以快速配置出滿足客戶需求的產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品族管理系統(tǒng)還需實現(xiàn)與相關(guān)CAD系統(tǒng)的集成，并支持產(chǎn)品模型及各零部件模型的變型設(shè)計。
(3)BOM管理系統(tǒng)。對于同一產(chǎn)品，在企業(yè)不同部門需要的產(chǎn)品信息并不相同。BOM提供了滿足不同部門需求的產(chǎn)品信息，產(chǎn)品的BOM信息在其生命周期的不同階段具有不同的內(nèi)容，形成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多視圖。無論是設(shè)計BOM還是制造BOM，其中的每一結(jié)點可看作零件(或組件、虛擬件、中間件等)，對零件進行重用時不僅重用了零件的設(shè)計數(shù)據(jù)，同時也重用了零件的所有數(shù)據(jù)。
(4)產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)。通過產(chǎn)品族的設(shè)計可形成可變型的產(chǎn)品模型，為產(chǎn)品配置打下了基礎(chǔ)。對訂單進行分解后，在產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)中，根據(jù)產(chǎn)品族中零部件之間的配置規(guī)則配置訂單產(chǎn)品。
產(chǎn)品配置是產(chǎn)品快速組合設(shè)計重要的實現(xiàn)手段。它根據(jù)客戶選定的選項對產(chǎn)品模型進行變型，通過CAD系統(tǒng)向客戶展示該個性化產(chǎn)品并提供報價。若客戶滿意則可生成可供制造的產(chǎn)品模型并投入生產(chǎn)部門進行制造。如果客戶需求不能得到滿足，則可向設(shè)計人員提供最相似的產(chǎn)品實例，使定制設(shè)計有較高的起點從而縮短工作時間。產(chǎn)品配置本身并不能實現(xiàn)產(chǎn)品的快速組合設(shè)計，它為產(chǎn)品族和客戶需求之間建立了聯(lián)系。產(chǎn)品快速組合設(shè)計的真正實現(xiàn)還依賴于產(chǎn)品族的設(shè)計以及零部件的變型設(shè)計等。
產(chǎn)品配置有三種途徑，分別是產(chǎn)品配置、產(chǎn)品變型設(shè)計、產(chǎn)品全新設(shè)計。
2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計
通過SolidWorksAPI可開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)來擴展系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)各應(yīng)用程序開發(fā)工具采用VisualC++、VisualBasic和VisualC#，各應(yīng)用程序與SolidWorks的接口插件開發(fā)采用VisualC++，開發(fā)接口采用基于OLEDB的ActiveX技術(shù)。所開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2。1與運行平臺的集成接口
系統(tǒng)與SolidWorks的集成實現(xiàn)如圖3所示。通過屬性編輯器對零部件的總體信息和特有屬性進行統(tǒng)一的管理，屬性編輯器的界面如圖4所示。基本信息包括代號、名稱、規(guī)格、材料、設(shè)計者、日期和備注，這些內(nèi)容正好對應(yīng)二維圖紙中標(biāo)題欄的主要屬性，符合設(shè)計人員的習(xí)慣。把零部件的參數(shù)分為可變參數(shù)和不變參數(shù)，可變參數(shù)作為零件的特有屬性，在屬性編輯器中通過改變參數(shù)的值生成新的配置，然后驅(qū)動SolidWorks對新配置重新建模，從而完成零部件的變型設(shè)計。提取零部件圖形的總體信息的API函數(shù)為value=ModelDoc2。SummaryInfo(fieldId);提取特有信息的API函數(shù)為retval=odelDoc2。GetCustomInfoValue(configuration，F(xiàn)ieldName)。
可通過屬性編輯器來實現(xiàn)與三維CAD系統(tǒng)的集成。在屬性編輯器中，不僅可對零部件的共有屬性進行編輯，而且可保存零部件的特有屬性。在特有屬性中可以保存保存零部件尺寸名稱和代號的關(guān)系。
由于尺寸名稱是由SolidWorks軟件自動命名的，從尺寸名稱上一般無法理解其含義，通過建立尺寸名稱和代號之間的對應(yīng)關(guān)系，可以使設(shè)計人員根據(jù)代號就可得知尺寸名稱代表哪個尺寸參數(shù)。由于尺寸名稱和代號的關(guān)系是針對一個模型文件的，所以把尺寸名稱和代號的關(guān)系保存到SolidWorks圖形文件屬性---自定義中。為了實現(xiàn)零部件的變型設(shè)計，只保存零部件的可變參數(shù)。在添加特有屬性時，其尺寸參數(shù)從零部件所有尺寸參數(shù)中進行選擇，圖5為信息提取模型。
2。2設(shè)計與工藝信息的集成
在SolidWorks的對象模型中提供了外部應(yīng)用程序?qū)δＰ臀募捌湎嚓P(guān)屬性和變量進行訪問和操作的外部接口，通過該接口可實現(xiàn)對模型的特征及其屬性、變量進行定義和編輯的操作。這樣可將模型的工藝信息以屬性或變量的形式附加于設(shè)計模型上。
例如：
(1)通過模型文檔類的AddPropertyExtension、GetPropertyExtension函數(shù)實現(xiàn)對零件特征、曲面屬性的設(shè)置和訪問，如硬度、粗糙度等;
(2)通過選擇集類的GetSelectedObjectType實現(xiàn)對特征類型的訪問;
(3)通過特征類的Name、GetFaceCount對特征的名稱及構(gòu)成的信息進行訪問;
(4)通過尺寸類的GetToleranceType、GetToleranceValues和SetToleranceType、GetToleranceValues函數(shù)可實現(xiàn)對尺寸公差類型及偏差的訪問和設(shè)置，等等。
基于此，可將零件的工藝路線、工序、工時和材料定額等工藝信息以屬性的形式存儲于模型文件中，從而從邏輯和存儲兩個角度均可實現(xiàn)設(shè)計和工藝信息的集成。這些屬性的編輯通過專門開發(fā)的屬性編輯器進行。
2。3零部件的變型設(shè)計
2。3。1零部件主模型的建立
企業(yè)中存在大量相似的零部件，在新設(shè)計的零部件中，大部分零部件與已有的零部件結(jié)構(gòu)相似。分析已有相似零部件參數(shù)，其目的是減少零部件的可變參數(shù)，從而減少工具、夾具類型，簡化加工過程。建立零部件模型，通過零部件模型中參數(shù)的修改生成新零部件。這樣做盡管單個零部件不是最優(yōu)，但通過減少加工工具、工裝裝備等，降低了加工成本并簡化了管理，從而實現(xiàn)整體的優(yōu)化。
通過分析已有的相似零部件，建立零部件模型，并建立零部件模型的圖形，確定零部件模型的可變參數(shù)和不變參數(shù)，這些參數(shù)作為零部件模型的一類信息進行維護，建立零件模型界面如圖6所示。在可變參數(shù)中，顯示了所有的尺寸參數(shù)，尺寸參數(shù)選中表明此參數(shù)是可變參數(shù)。
2。3。2零件的變型設(shè)計
對零部件進行變型設(shè)計時，首先檢索零部件主模型，在滿足條件的零部件主模型的基礎(chǔ)上，通過修改零部件主模型的可變參數(shù)，自動生成與零部件主模型相似的零部件圖形。生成零部件圖形后，設(shè)計人員對零部件圖形進行檢查，如果與設(shè)計要求一致，則把零部件保存到設(shè)計資源庫中，同時對零部件進行分類。若生成的零部件圖形與設(shè)計要求不一致要重新設(shè)計。新生成的零部件與零部件模型共用同一圖形文件，只是在圖形文件中添加一個配置，其零部件屬性保存到圖形文件的配置屬性中，這樣可減少零部件圖形文件的數(shù)量，從管理的角度便于保證數(shù)據(jù)的一致性。
2。3。3裝配體的變型設(shè)計
SolidWorks中的配置是一組類似零部件在其共同抽象之上的特有形態(tài)。在每一個配置中只保存該種形態(tài)的特有部分(如驅(qū)動尺寸大小等)，對于整個模型文件體積的影響幾乎可以忽略;在新生成配置時，由于只對部分特征進行重新計算，速度要比重新繪制零件快很多。這樣可將同一類型的多個零件作為配置存入一個文件中，既節(jié)省了磁盤空間又便于管理。配置提供了簡便的方法來開發(fā)與管理一組有著不同尺寸、零部件、或其它參數(shù)的模型。要生成一個配置需先指定名稱與屬性，然后再根據(jù)需要來修改模型。在裝配體模型文件中，配置通過壓縮或隱藏零部件來生成簡化的設(shè)計，使用不同的零部件配置、不同的裝配體特征參數(shù)、不同的尺寸或配置特定的自定義屬性來生成裝配體系列。圖7為裝配體變型設(shè)計的實現(xiàn)界面。
可通過裝配體模型的變型設(shè)計來生成新的裝配體。生成的新裝配體是裝配體模型文件的一個配置。在生成新裝配體的過程中，由于組成裝配體的有些零件尺寸參數(shù)變化，則生成零件的新配置從而自動生成零件的新版本。除了版本號外，新零件的所有屬性和原零件相同。在生成裝配體的模型圖后，提取裝配體的層次結(jié)構(gòu)，保存到企業(yè)設(shè)計資源庫中，裝配過程中涉及的主要API如下：
DimswAssyAsSldWorks。AssemblyDo
//定義swAssy為SolidWorks的裝配實體
DimpMateObjOutAsObject
SetpMateObjOut=swAssy。AddMate2(mateType-FromEnum，alignFromEnum，flip，distance，distAbsUpper-Limit，distAbsLowerLimit，gearRatioNumerator，gearRatio-Denominator，ange，angleAbsUpperLimit，angleAbsLower-Limit，errorStatus)
//進行裝配，mateTypeFromEnum為裝配類型swFeatureManager。FeatureCircularPatternlngNum，lngInterval，True，""
//圓周陣列，lngNum陣列中零部件的數(shù)量，lngInterval零部件之間的間距swFeatureManager。FeatureLinearPatternX1Num，X1Interval，X2Num，X2Interval，True，True，X1Name，X2Name
//線性陣列，X1Num，方向1的數(shù)量，X1Interval方向1間距，X1Name在方向1上的零部件名稱，X2Num，//方向2的數(shù)量，X2Interval方向2間距，X2Name在方向2上的零部件名稱swFeatureManager。InsertMirrorFeaturestrMirrorType，bGeometryPattern，bMerge，bKnit
//鏡像，strMirrorType表示鏡像類型，bGeometryPattern表示是否鏡像幾何特征，bMerge表示是否合并，bKnit表示是否結(jié)合面
swModel。ClearSelection2True
//清除所有選擇的基準(zhǔn)
2。4產(chǎn)品模型圖的自動裝配
由于在設(shè)計產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)的過程中，已經(jīng)考慮了各零部件之間的裝配關(guān)系，并把各零部件之間的裝配關(guān)系作為產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)的一類信息進行管理，因此，在生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后可以自動生成產(chǎn)品的總裝圖。這主要是考慮到產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的配置項可以配置出很多產(chǎn)品，若把這些產(chǎn)品的模型圖全部進行存儲要占用很大的空間，更為突出的問題是帶來了管理的不便，對產(chǎn)品模型圖維護的工作量很大，并且當(dāng)增加一個可選配置項時，產(chǎn)品模型圖的數(shù)量將增加一倍。
2。4。1裝配關(guān)系的定義
確定零部件之間裝配關(guān)系的具體方法如下：建立一個虛擬件，把新零部件和與之有裝配關(guān)系的零部件作為虛擬件的子節(jié)點，把虛擬件的所有子節(jié)點中所涉及到的零部件全部輸入到SolidWorks裝配環(huán)境下進行手工裝配。手工裝配完成后對虛擬件進行提取，與提取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的區(qū)別是不在設(shè)計資源庫中保存零部件，只保存與新零部件有關(guān)的裝配關(guān)系，提取結(jié)束后自動刪除選中的虛擬件。
在SolidWorks中零部件之間的裝配關(guān)系有9類，裝配關(guān)系在SolidWorks中的參數(shù)如表1所示。
2。4。2裝配關(guān)系的提取
在裝配關(guān)系進行提取時，如果裝配基準(zhǔn)在零部件的裝配基準(zhǔn)庫中不存在，則需首先把零部件的裝配基準(zhǔn)保存到相應(yīng)零部件記錄的裝配基準(zhǔn)中，再確定與其它零部件的裝配關(guān)系。若提取的裝配基準(zhǔn)在相應(yīng)的零部件裝配基準(zhǔn)中存在，則直接確定與其他零部件之件的裝配關(guān)系。而對于新建版本的零部件或者新零部件，把裝配基準(zhǔn)保存到新零部件記錄的裝配基準(zhǔn)中，最后確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中零部件使用的裝配基準(zhǔn)。
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中零部件的裝配基準(zhǔn)確定后，提取裝配基準(zhǔn)之間的裝配關(guān)系，把裝配關(guān)系保存到數(shù)據(jù)庫中。導(dǎo)入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的過程中，在遍歷產(chǎn)品中所有零部件的同時，遍歷與零部件相關(guān)的裝配零部件提取裝配關(guān)系。對于已經(jīng)提取的裝配關(guān)系給予標(biāo)記，防止同一裝配關(guān)系在數(shù)據(jù)庫中保存多次。
2。4。3產(chǎn)品模型圖的裝配方式
可將系統(tǒng)中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹按裝配的層次關(guān)系在CAD系統(tǒng)的裝配環(huán)境下進行裝配。根據(jù)用戶需求在系統(tǒng)中從產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)中按照零部件的配置約束進行配置，從而形成新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，或?qū)σ延械漠a(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹進行修改。根據(jù)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，可以在CAD系統(tǒng)裝配出新的產(chǎn)品。對于可以預(yù)定義裝配關(guān)系的CAD系統(tǒng)(如SolidWorks)，并且裝配關(guān)系可以預(yù)先確定的情況下，則根據(jù)裝配層次關(guān)系及裝配參數(shù)，通過系統(tǒng)的API操縱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)自動實現(xiàn)裝配過程。裝配過程可以后臺執(zhí)行，最后向用戶顯示裝配結(jié)果，也可以前臺執(zhí)行，給用戶直觀地顯示裝配過程。裝配過程如圖8所示。
2。4。4產(chǎn)品自動裝配實現(xiàn)
SolidWorksAPI可以從幾何級、特征級和零部件級對模型進行操作。產(chǎn)品自動裝配是在遍歷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中零部件之間裝配關(guān)系的過程中進行的，在遍歷到零部件之間的裝配關(guān)系時，其裝配基準(zhǔn)處于被選中狀態(tài)，這個裝配關(guān)系結(jié)束后，取消裝配基準(zhǔn)的被選中狀態(tài)，遍歷下一個裝配關(guān)系并進行裝配，直至產(chǎn)品裝配結(jié)束。
3 結(jié)語
本文提出了大批量定制環(huán)境下基于PDM平臺的產(chǎn)品快速組合設(shè)計系統(tǒng)的解決方案;以自主研發(fā)的QUST-PDMS作為產(chǎn)品快速組合設(shè)計的支持平臺，建立了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu);以訂單產(chǎn)品的快速通過和設(shè)計資源的重用為目的，將企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)通過設(shè)計資源管理系統(tǒng)、產(chǎn)品族管理系統(tǒng)、產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)和BOM管理系統(tǒng)等進行管理，并通過基于SolidWorks的產(chǎn)品變型設(shè)計和自動裝配系統(tǒng)完成訂單產(chǎn)品的快速組合設(shè)計，所研究的內(nèi)容已得以實現(xiàn)并得到初步驗證。實踐證明，基于PDM平臺開發(fā)的支持產(chǎn)品快速組合設(shè)計的變型設(shè)計及自動裝配系統(tǒng)明顯地提高了設(shè)計資源的充用程度，明顯地縮短了訂單產(chǎn)品的設(shè)計周期。
參考文獻：
[1]祁國寧，顧新建，譚建榮，等。大批量定制技術(shù)及其應(yīng)用[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2003。10。
[2]張濤，史俊友。基于設(shè)計重用的零件管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J]。現(xiàn)代制造工程，2004，(12)：47-49。
[3]王玉。產(chǎn)品設(shè)計重用技術(shù)支持體系研究[J]。機械科學(xué)與技術(shù)，2004，23(6)：643-646。
[4]張濤，張靈泉，史俊友。基于PDM的產(chǎn)品快速組合設(shè)計系統(tǒng)的研究[J]。機械，2004，31(7)：33-35。
[5]史俊友，翟紅巖。基于SolidWorks的CAPP系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J]。制造業(yè)自動化，2005，27(10)：50-54。