Pro/E模块化设计方法在泵车结构设计中的运用

方金龙，朱利军，张鹏飞，王艳芬（.三一重工股份有限公司，湖南长沙44000；.通号轨道车辆有限公司，湖南　长沙　44000）



Pro/E模块化设计方法在泵车结构设计中的运用

方金龙1，朱利军1，张鹏飞1，王艳芬2
（1.三一重工股份有限公司，湖南长沙414000；2.通号轨道车辆有限公司，湖南长沙414000）

叙述了常规三维结构设计原理及方法，介绍了基于Pro/E软件进行参数化模块化设计原理及方法。提出了在泵车结构设计中采用参数化设计的必要性和高效性。可极大的提高三维建模的质量，缩短产品开发的周期，提高协同设计水平减少设计误差。

骨架；模块；模块化；接口

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出来的，是在某单一型号设计前，对产品系列提前进行统一规划，尽可能多模块、零部件相互通用（考虑采购、物流、研发、工艺制造成本），仅设计和制造其中专用的模块或零部件，然后与现有的、外购的通用模块、零部件组装成为产品的一种设计方法。模块化产品设计的目的是以少变应多变，以尽可能少的投入生产尽可能多的产品，以最为经济的方法满足各种要求。模块化设计是以模块为基础进行内部接口、外部接口设计，通过加、减、换、或更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。

采用模块化设计方法，可实现产品族、模块族的提前统一规划。而且模块的独立性强方便替换、修改和衍生，而且接口稳定。通过不同产品模块的选装或者是全新模块的研发可快速实现新型号产品的开发工作，极大的缩短开发周期和开发成本。

1　常规设计方法

常规产品设计一般采用集成化产品架构 （以泵车转塔开发为例见图1）模式进行垂直开发。常规设计方式无法进行产品的并行开发，降低了并行工程的有效性；垂直开发模式使得单个模块无法轻松加减或替换，增加了设计变型产品的难度；同时，集成化产品架构没有严格的模块划分，更没有明确定义的接口，因此每个团队的职责不能明确，团队间存在相互依赖的问题；集成化产品架构等于是一个无效、高成本的系统集成，在装配中各模块之间的依存关系及其复杂且很难控制，对市场需求与客户要求很难做到及时响应；变型产品的设计变得十分困难，必然导致产品开发成本增加且可推向市场的变型产品数量减少。

图1　转塔设计集成化架构

2　Pro/E模块化设计方法的运用

模块化设计展开之前：①对泵车产品结构进行详细分析，梳理各模块结构形式、主要设计输入和输出参数、模块变型的趋势等。分析讨论现有产品开发过程中所存在的问题。②进行模块的划分。根据已有的组织架构、研发流程、考虑各系统的功能，并结合生产工艺进行模块的划分。也可根据已有的设计经验，对已有数据进行分析，并参照同行业的经验，进行模块的划分。模块的划分过程中应结合各零部件的借用关系，尽量减少模块数量，增加模块的利用率。然后，是定义模块与模块之间的接口类型和主要参数。接口的种类一般分为四种：直接连接类（模块之间直接的装配信息，如连接法兰、孔位等）；空间占位类（模型占位、空间干涉检查、检修空间等）；参数传输类（尺寸参数、性能参数、力矩传递等）通信注释类（设计参考、注意点等）。以下是泵车模块化设计方法的大致步骤：

2.1总体设计

2.1.1确定设计意图

泵车总体设计师根据市场需求、国家法律法规要求、竞争对手分析以及未来产品规划等方面，初步提出臂架长度、整车重量、整车尺寸等主要性能、尺寸要求。将初步确定的参数同已有产品（或类似产品）、竞争对手产品进行对标分析，确定出泵车总体设计的主参数。

2.1.2建立整车装配结构

泵车总体设计师首先创建泵车总装配结构和泵车骨架总成；各模块设计师分别创建各一级模块的空总成提供给总体设计师或由总体设计师直接创建后提供给各一级模块设计师，暂时选择缺省装配，等泵车位置骨架创建出各一级模块的位置坐标系后再修改为坐标系装配。

2.1.3建立整车骨架总成内部结构

可将泵车总成骨架分为以下三类：泵车位置骨架（使用坐标系定义出各主要一级模块和一级接口的位置信息）、泵车参数骨架（包含泵车总体设计所需的所有参数和参数值）、一级接口骨架（定义两个主要一级模块之间的接口信息）；主体设计框架如图2所示。

图2　泵车整车装配架构

2.1.4完善各类骨架信息

泵车参数骨架主要应包含各一级模块需要控制的参数及参数值；可将主参数按公用参数（对于同时控制两个或者两个以上一级模块的参数，直接创建到参数骨架的参数表中）和专用参数（只控制某一级模块的参数，在骨架模型中创建对应的“点”特征，将同一模块的参数创建到对应的点特征的参数表中）进行分类创建；

泵车位置骨架主要作用是通过基准坐标系来表达主要一级模块在整车中的位置。通过关系式建立坐标系同参数的约束关系，实现参数直接驱动模块位置。泵车位置骨架完成后，需要将各一级模块装配到骨架总成对应的位置坐标系上面；

一级接口骨架是每个接口骨架对应两个模块之间的接口信息的集合，是两个一级模块公用参数的传递的载体。接口骨架最后需要创建发布几何，并对相关一级模块的接口设计进行约束。

2.2一级模块设计

总体结构骨架搭建完成后，各一级部件设计人员可参考泵车总体设计步骤创建并完善一级部件总体结构框架搭建。根据泵车特点以转塔系统为例，可将转塔系统分为：固定转塔、转台、左前支腿、右前支腿、左后支腿、右后支腿及回转机构等六个二级部件。转塔系统骨架总成包含：泵车参数骨架（用来接收泵车总体设计的参数信息或几何信息）、转塔系统布置骨架 （用来确定转塔系统内部总体布置并确定相关二级部件参数）、转塔系统参数骨架（用来继承转塔布置骨架确定的二级部件参数）及各类接口骨架（如图3所示）。

图3　转塔总体装配架构

2.3二级模块设计

一级模块骨架搭建完成后，各二级部件设计人员可参考一级部件结构形式创建并完善二级部件总体结构框架搭建。二级部件骨架总成一般包含：转塔系统参数骨架、对应二级部件设计骨架、与该二级部件有关联的接口骨架。需要注意的是，二级部件作为最后一级部件，在二级部件骨架总成中仅需要新创建该二级部件的设计骨架 （设计骨架用于指导部件下的零件设计），参数骨架和接口骨架均来源于上一级部件，可直接进行装配。

二级模块骨架总成搭建完成后便可开始进行二级模块的详细设计，详细设计的载体主要是该二级部件的设计骨架。二级部件设计人员根据产品总体要求、相关设计规范并结合设计经验完成设计骨架的详细设计。

二级模块设计骨架设计完成后，创建复制几何接收二级模块发布骨架的发布几何，将模块所需的设计条件和主体结构继承到模块设计骨架中，复制几何（几何传递）主要面向模块内部的主要零部件。然后从模块设计骨架复制发布几何，完成零部件的详细设计。

骨架的创建需要注意以下几点：骨架需要创建具体的设计信息，这些设计信息一般由基准点、基准轴、基准平面、曲线等设计基准来表示，这些特征简单，方便创建，且各基准需统一命名以便于查找和管理；有利于参数调整，零部件再生不易失败；设计基准创建时应注意主次分明，先创建主体结构特征，然后再有主体结构驱动其它结构特征；尺寸标注尽量参照参数表和图纸进行，并考虑模型的修改性；创建曲线特征时，除特殊圆角外，其它圆角不建议创建；创建过程可设定不同的层，把不同的特征隐藏；实体特征创建时尽量参照设计基准，受设计基准驱动变型。

2.4完善装配结构完成设计

二级模块详细设计完成后可将其它独立的零部件、借用件、标准件、外购件等按照普通装配的方法添加到二级模块装配结构中，完成最终产品结构搭建。各二级模块最终结构搭建完成后按总体结构树自下而上进行汇总则完成了基型产品的设计开发工作。在需要对产品进行变型开发的时候只需要更改相关参数或替换相关层级部件即可完成变型产品的开发。

3　结语

Pro/E模块化设计方法首先必须对产品进行严格的模块化划分以降低产品本身的复杂性。明确的职责与所属关系定义使得模块与模块之间有了明确定义的交互流程，没有相互依赖性，实现产品并行开发成为可能。

骨架模型是模块化设计的关键，需要反复检查骨架，有修改时，保证及时更新并通知下级设计师及时更新相关骨架模型；尽量统一各模块之间的接口，避免因为接口的过多变化，导致同一平台的部件出现较多的模块。减少产品平台中的模块总数量，结合模块自身功能、设计信息、生产工艺等增加产品平台中的通用模块数量，提高产品的变型速度。

模块化设计方法可减少重复工作和浪费，可极大的帮助减少产品库存和提高产品质量。模块化设计方法是通过定义模块之间的接口信息和依存关系来实现模块间的信息交互，是有效的系统集成。

［1］吴立军，陈 波.Pro/ENGINEER二次开发技术基础［M］.电子工业出版社，2006.

［2］罗治平，沈永刚.TOP-DOWN方法在PRO/E产品设计中的应用［J］.上海工程技术大学学报，2005，19（3）：234～238.

方金龙（1981-），男，工程师，本科，主要从事机械设计工作。

TD421.5

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2016-3-10