圖1 中北大學機械與動力學院CAD/CAM室主任王宗彥
一、前言
在移動互聯網時代，制造企業與客戶的距離越來越近，客戶甚至可以直接定制產品，驅動制造。這也就是移動互聯為制造業帶來一種新的設計模式——定制設計。所以今天我的演講題目是“面向定制的模塊化和參數化設計”，將圍繞模塊化設計和參數化設計技術，討論如何進一步提升機械產品的設計效率。
目前模塊化產品平臺是企業信息化的基礎工作，在未來定制設計模式下企業的核心業務就是面向快速定制的設計方式，即在產品開發設計中應該盡量減少新設計零部件和適應性設計零部件的數量，加大變型設計零部件和標準件的比例，用盡可能少的零部件種類組合成盡可能多種類的產品，即以盡可能少的產品內部多樣化，產生盡可能多的產品外部多樣化。
圖2 通過內部模塊化實現外部多樣化
達到這種通過最少內部模塊化實現外部多樣化的一種有效的解決方法就是將模塊化設計與參數化設計相結合，實現快速定制的目的。目前在模塊化與參數化設計中還存在著一些不足：
第一，產品系列化、標準化程度低，特別是單件小批量生產模式的產品；
第二，還沒有一種有效的模塊劃分方法和劃分粒度評價方法，缺少一個有效的支持模塊化設計的人機協作的環境；
第三，當前的參數驅動技術，大多還停留在零件模型上，產品級的參數化設計還未見報道，基于特征的參數化變型設計、變型設計尺寸參數的來源（設計計算或設計經驗）還未見研究，對提高設計效率不明顯；
第四，現有的模塊化設計和基于實例推理技術的變型設計方法，缺乏有效的數據搜索功能，還不能解決企業設計資源重用問題，尚缺少行之有效的實施手段；
第五，當前的參數化變型設計研究尚未和有限元分析進行集成分析，模型變型設計后的工程有效性沒有校核，因此，導致三維參數化變型設計技術應用范圍受到限制；
第六，還沒有建成一套完整的模塊化和參數化有機結合的方法體系，尚未建立某一產品的快速定制平臺；
第七，設計從3D開始認識不足，2D依然為考核手段。
因此我們必須進一步深入研究模塊化和參數化設計來實現機械產品的快速設計。
二、模塊化設計
模塊化設計思想起源于上個世紀，1900年德國的家具公司想要生產一種“理想書架”，由底座、架體和頂板三種模塊，強調在幾何尺寸上可以實現連接和互換�？山M合成不同書架產品。到1920年，德國一家公司把銑床進行了模塊劃分，可以方便的組裝成用戶需求的產品，得到了比較好的效果。到20世紀50年代，歐美一些專家把模塊化設計作為一種先進的設計方法提出來。目的是為了提高設計效率，使設計經驗能夠傳遞和繼承，以利于進一步提高設計和生產水平，在汽車等產品設計中得到廣泛應用。到20世紀70-80年代，大量模塊化產品進入實用階段，特別是電子設備中得到成功應用（大規模集成電路），模塊化理論取得了很大進展。
模塊是模塊化產品的基本元素，模塊定義為一組同時具有相同功能和相同結合要素，具有不同性能或用途甚至不同結構特征，但能互換的單元。模塊化一般是指使用模塊的概念對產品或系統進行規劃設計和組織。模塊化設計是在對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能結構分析的基礎上，劃分并設計出一系列模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品，以滿足市場不同需求的設計方法。
模塊化設計的優點體現在這種方法具有采用互換性的一定功能和聯接要素的單元進行組合而形成產品的特征，它強調以功能分析為基礎，以市場預測為導向，把功能不同或者功能相同而性能不同的模塊進行組合和互換，形成多種通用、變形的產品，使產品系列具有很大的適應性，所設計的產品便于維修。這種設計方法不僅能滿足用戶多品種的要求，而且縮短設計周期，使企業在市場競爭中獲得主動權。
模塊化設計的支撐理論有以下三個：第一個是系統論原理，任何模塊化的事或物都可看成是一個系統，開展模塊化工作要善于運用系統論的原理才能取得良好的系統效果；第二個是相似性原理，分析和識別大量不同產品和過程中的相似性，挖掘存在于產品和過程中的幾何相似性、結構相似性、功能相似性和過程相似性，利用標準化、系列化方法減少產品內部的多樣化，提高零部件和生產過程的可重用性；第三個是重用性與標準化原理，通過采用標準化、系列化、通用化的方法，充分挖掘和利用這些單元，將定制產品的生產問題通過產品重組和過程重組，全部或部分轉化為批量生產的問題，從而以較低的成本、較高的質量和較快的速度生產出個性化產品。
不同層次的模塊化有產品級模塊化、部件級模塊化、零件級模塊化三種。一個典型的產品級模塊化例子，大眾有這樣一個產品開發平臺對帕薩特與邁騰作為一個統一的產品進行開發，同時實現這兩款車型的快速開發。其理念是“同級別車之間，看得見的地方都不同，而看不見的地方都相同”。部件級模塊化比如發動機、內嚙合齒輪泵、汽車輪胎等的開發。零件級模塊化比如SolidWorks中的標準件庫。
圖3 大眾PQ46平臺實現產品級模塊化設計
三、參數化設計
參數化技術的研究始于20世紀60年代，Sutherland在開發Sketchpad系統中，提出了利用幾何約束技術進行圖形修改的思想。1978年麻省理工學院機械工程系的一篇“CAD零件的特征表示”揭開了特征設計的序幕。20世紀90年代PTC公司的Pro/E實現了三維參數化造型理論，SDRC的I-DEAS實現了三維變量化造型理論，形成了基于特征的實體建模技術。美國波音公司的747就采用CAD技術實現了無紙化設計，后面出現的所有CAD系統都是采用該技術。
參數化技術是以幾何約束關系建立產品的參數化模型，修改參數化模型的參數可得到同系列不同尺寸的產品。參數化技術是實現設計自動化的一種有效方法。參數化設計是以約束來表達產品模型的形狀特征，以一組參數來控制設計結果，從而能通過變換一組參數值方便的創建一系列相似的零部件，這種參數驅動的方式便于用戶的修改和設計。而我的報告主題就是要將模塊化與參數化的結合，利用參數化技術將模塊“變活”“變異”實現變型設計的關鍵，將參數添加到模塊中，可實現模塊結構尺寸參數化，更易于模塊匹配和連接。
參數化技術利用三維平臺本身具備的參數驅動機制，可以對模板模型的幾何數據進行參數化修改，實現模型和工程圖的關聯驅動。將設計知識與經驗融入三維模型是實現快速設計的關鍵。實現模型的全約束十分復雜，為實現模塊參數化，需確定模塊的主從參數，明確參數變化規律，并建立參數化模板模型。由用戶控制的，即能夠獨立變化的參數一般只有幾個，稱之為主參數或主約束；其他約束可由圖形結構特征確定或與主約束有確定關系，稱它們為次約束。
產品級參數化設計流程中，首先進行零件幾何形狀分析，然后進行零件參數分析，依次建立零部件的主模型、主文檔、主結構，最后實現產品級參數化設計。
圖4 模塊化產品族的主結構示意圖
四、關鍵技術
選擇典型產品為模板，按照模塊化設計的原理，把產品分解成相對獨立的模塊，對每一模塊實現參數化設計，將設計知識和經驗融入三維模型，并實現的模型驅動、分析校核以及二維工程圖的自動更新。它不僅包括傳統參數化所涵蓋的由特征尺寸的修改而形成的結構相同但尺寸不同的零部件的參數化，而且包括局部結構有變化的相似零部件的變型設計，同時標準件、工程圖相關信息自動快速更新，并實現零部件尺寸、數量、重量等的精確設計，實現快速定制設計。
這其中涉及三項關鍵技術：
基于模板的參數化設計技術：模板是參數化設計的對象，選擇典型產品作為模板。在創建參數化模板的過程中需要采用相似性原則和最大化原則，應盡可能多的考慮模型可能發生的變化，同時考慮采用配置設計時可能存在的各種配置組合，使模板的功能最全，通過不同情況對模板進行相應的程序處理而得到所需的變型結果。
參數化有限元分析技術：利用APDL的程序語言或第三方開發語言（如VB）組織管理ANSYS的有限元分析命令流，就可以實現參數化建模、加載參數化載荷與求解以及參數后處理結果的顯示，從而實現參數化有限元分析的全過程。在參數化的分析過程中可以修改其中的參數達到反復分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設計方案或者系列化產品，極大的提高分析效率，減少分析成本。
工程圖調整技術：參數化后直接生成的工程圖布局較差、視圖位置交叉、視圖范圍超出圖紙邊界、尺寸飄移、注釋錯位等缺陷而不適于直接指導實際生產，所以必須對其進行優化，以滿足實際生產的需要。調整內容包括：位置自動調整。主要包括視圖位置調整、尺寸位置調整、注解（零件序號、焊接符號、粗糙度、各種注釋等）位置調整；比例自動調整；視圖自動斷裂；懸空內容自動刪除；中心線、中心符號線自動添加；BOM表信息自動處理。
圖5 工程圖調整技術
C/S/W體系結構技術：C-客戶端安裝應用程序主要負責設計數據的創建與維護；S-服務器負責設計數據與設計文檔的管理；W-工作站安裝模型驅動工程圖優化程序，負責設計文檔和工藝信息的生成。
圖6 C/S/W體系結構技術
本文根據中北大學機械與動力學院CAD/CAM室主任王宗彥在“第十屆中國制造業產品創新數字化國際峰會”上的發言整理而成，已經本人確認。
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本文標題：面向定制的模塊化參數化設計
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