制造企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)庫(kù)的規(guī)劃與建模技巧

　　本文總結(jié)了制造企業(yè)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本的方法，對(duì)掌握基于設(shè)計(jì)庫(kù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的需求進(jìn)行研究。將產(chǎn)品組成分為專(zhuān)用件、變形設(shè)計(jì)件和通用件，詳細(xì)地闡述了如何建立屬于企業(yè)自己的通用零部件設(shè)計(jì)庫(kù)，并指出設(shè)計(jì)庫(kù)的管理方法可以結(jié)合PDM進(jìn)行有效的管理，幫助制造企業(yè)建立屬于自己的設(shè)計(jì)庫(kù)。

　　本文源自智能制造2020年2期《智能制造》(月刊)創(chuàng)刊于1994年，面向國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行.雜志以提高企業(yè)應(yīng)用水平，追蹤技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)，報(bào)道市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)為鮮明特點(diǎn)，生動(dòng)、及時(shí)地反映CAD/CAM/CAPP/ERP領(lǐng)域的新動(dòng)態(tài)。目前是CAD領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)雜志。內(nèi)容涉及制造業(yè)和IT行業(yè)兩大方面內(nèi)容，信息量豐富。

　　一、引言

　　隨著3D CAD軟件的成熟，大部分制造業(yè)已經(jīng)完成“從2D向3D”的遷移。制造企業(yè)在推廣3D CAD軟件時(shí)，最大的困境是沒(méi)有3D設(shè)計(jì)資源的積累，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期變長(zhǎng)，無(wú)法滿足企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求。構(gòu)建基于3D模型的設(shè)計(jì)庫(kù)(包括標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、外購(gòu)件庫(kù)和企業(yè)通用件庫(kù)等)是提高設(shè)計(jì)效率的重要手段。但3D模型設(shè)計(jì)庫(kù)的建庫(kù)工作卻并沒(méi)有想象的那么簡(jiǎn)單，首先要推行設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化;其次要考慮DBOM/ EBOM中屬性填寫(xiě)的規(guī)范性。本文結(jié)合SOLIDWORKS三維軟件介紹如何幫助企業(yè)建立三維設(shè)計(jì)庫(kù)，提高企業(yè)產(chǎn)品中零部件的復(fù)用率及通用零部件的比例，從而幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)基于三維設(shè)計(jì)庫(kù)的快速設(shè)計(jì)。

　　二、設(shè)計(jì)庫(kù)模型的獲取與管理困境

　　1、設(shè)計(jì)庫(kù)模型獲取的困境

　　制造企業(yè)都將企業(yè)產(chǎn)品成分為專(zhuān)用件、變形設(shè)計(jì)件和通用件，其中通用件比率越高，則設(shè)計(jì)效率越高、產(chǎn)品成本越低、產(chǎn)品質(zhì)量越能夠得到保證。其中通用件又分為標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件及企業(yè)自制的通用零部件，但是目前大部分制造企業(yè)都沒(méi)有建立一個(gè)包含企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件和通用零部件的設(shè)計(jì)庫(kù)。因此企業(yè)工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，常常通過(guò)以下幾種方法獲取標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件的三維模型，如圖1所示。

　　◎SOLIDWORKS自帶的ToolBox標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù);

　　◎?qū)I(yè)的零部件公司如米思米、邁迪設(shè)計(jì)寶等;

　　◎外購(gòu)廠商。

　　工程師通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上獲取三維模型，雖然能夠完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

　　◎這種在網(wǎng)上調(diào)用外購(gòu)件的方法，獲取的模型屬于工程師個(gè)人，不能和其他工程師共享;

　　◎網(wǎng)上零部件種類(lèi)多，也沒(méi)有優(yōu)選機(jī)制，這樣不同工程師調(diào)用同類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格會(huì)不一致，增加企業(yè)外購(gòu)件的種類(lèi);

　　◎獲取的零部件的物料信息不全，質(zhì)量屬性也不準(zhǔn)確，每次都需要修改才能使用;

　　◎有些模型需要設(shè)計(jì)修改，設(shè)計(jì)質(zhì)量得不到保障。

　　因此制造企業(yè)需要將企業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件和自制通用零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化整理，并集中統(tǒng)一管理。

　　2、設(shè)計(jì)庫(kù)模型管理的困境

　　制造企業(yè)都想擁有自己的設(shè)計(jì)庫(kù)，也都在探索建立設(shè)計(jì)庫(kù)的方法，但是真正將企業(yè)設(shè)計(jì)庫(kù)用好的企業(yè)非常少，原因有以下幾點(diǎn)：

　　◎企業(yè)沒(méi)有專(zhuān)職人員對(duì)設(shè)計(jì)庫(kù)進(jìn)行管理與維護(hù)，設(shè)計(jì)庫(kù)中零部件數(shù)量不斷增加;

　　◎企業(yè)沒(méi)有上PDM/PLM設(shè)計(jì)庫(kù)，更新慢;

　　◎設(shè)計(jì)庫(kù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃不合理。

　　因此企業(yè)需要標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)和“標(biāo)準(zhǔn)化專(zhuān)員”對(duì)設(shè)計(jì)庫(kù)進(jìn)行管理。圖2是基于三維設(shè)計(jì)庫(kù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，工程師在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件和企業(yè)自制通用件都是直接從企業(yè)設(shè)計(jì)庫(kù)中進(jìn)行調(diào)用，設(shè)計(jì)庫(kù)中的零部件具有優(yōu)選級(jí)和完整的BOM信息，被企業(yè)認(rèn)證過(guò)，不需要做任何更改。同時(shí)設(shè)計(jì)庫(kù)中的零部件由標(biāo)準(zhǔn)部門(mén)和采購(gòu)部門(mén)制定、管理和維護(hù)，這樣就真正提高了設(shè)計(jì)效率。

　　三、設(shè)計(jì)庫(kù)建庫(kù)規(guī)劃

　　1、三維設(shè)計(jì)庫(kù)的組成

　　通過(guò)對(duì)企業(yè)的產(chǎn)品組成及工作流程的調(diào)查，結(jié)合SOLIDWORKS CAD及SOLIDWORKS Enterprise PDM的管理功能，對(duì)于企業(yè)三維設(shè)計(jì)庫(kù)建庫(kù)進(jìn)行規(guī)劃。通過(guò)分析企業(yè)產(chǎn)品組成發(fā)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品都可分為專(zhuān)用件、變形設(shè)計(jì)件和通用件，而存入三維設(shè)計(jì)庫(kù)中的零部件是企業(yè)設(shè)計(jì)復(fù)用率較高的零部件及通用件。

　　企業(yè)可通用的零部件包括：國(guó)標(biāo)件、行標(biāo)件、外購(gòu)件和企業(yè)自己定的通用零部件(簡(jiǎn)稱(chēng)通用件)，而制造業(yè)三維設(shè)計(jì)庫(kù)可以分為標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、外購(gòu)件庫(kù)及通用件庫(kù)。本文介紹的三維設(shè)計(jì)庫(kù)主要是標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、外購(gòu)件庫(kù)和通用件庫(kù)。

　　標(biāo)準(zhǔn)件指結(jié)構(gòu)、尺寸、畫(huà)法和標(biāo)記等各個(gè)方面都完全標(biāo)準(zhǔn)化，并由專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)的常用的零(部)件，如螺栓、螺母、齒輪和軸承等。

　　外購(gòu)件是指沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，需要企業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)和定做，通過(guò)外部訂購(gòu)獲得。

　　通用件是指在不同類(lèi)型或同類(lèi)型不同規(guī)格的產(chǎn)品中可以互換使用，給予通用編號(hào)(或單獨(dú)管理)的整(部)件和元器件。每一個(gè)企業(yè)的系列產(chǎn)品都會(huì)由相同的特征、構(gòu)件和子系統(tǒng)等組成。通用件就是通過(guò)分析這些系列產(chǎn)品，提煉出它們中復(fù)用率比較高的零部件，進(jìn)行優(yōu)化定型，成為企業(yè)自制的企標(biāo)件及通用件。

　　2、三維設(shè)計(jì)庫(kù)建庫(kù)的前期準(zhǔn)備

　　三維設(shè)計(jì)庫(kù)的建庫(kù)工作是對(duì)企業(yè)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化整理，提高三維模型的可重用性，不僅對(duì)工程師需要進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)，傳遞標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建模思想，同時(shí)需要制定相應(yīng)的管理標(biāo)準(zhǔn)制度進(jìn)行管理和維護(hù)。本文主要是借助SOLIDWORKS進(jìn)行三維建庫(kù)，建模前需要做以下準(zhǔn)備：

　　◎企業(yè)可以用SOLIDWORKS定制符合企業(yè)三維設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模板;

　　◎確定設(shè)計(jì)庫(kù)三維模型的建庫(kù)清單;

　　◎確定設(shè)計(jì)庫(kù)三維模型的相關(guān)屬性;

　　◎確定設(shè)計(jì)庫(kù)三維模型的命名規(guī)范;

　　◎確定設(shè)計(jì)庫(kù)三維模型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范;

　　◎確定設(shè)計(jì)庫(kù)三維模型管理規(guī)范。

　　設(shè)計(jì)庫(kù)建庫(kù)最重要的是設(shè)計(jì)庫(kù)三維模型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，使工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠快速且準(zhǔn)確地從設(shè)計(jì)庫(kù)找到所需的零部件是非常重要的，設(shè)計(jì)庫(kù)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃既要參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，又要結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，將企業(yè)產(chǎn)品零部件進(jìn)行分類(lèi)，然后存儲(chǔ)到相應(yīng)的文件夾中去，如圖3所示是一家企業(yè)的設(shè)計(jì)庫(kù)文件結(jié)構(gòu)。

　　四、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建模庫(kù)方法

　　1、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)清單的獲取

　　通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分工程師都認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)越全越好，這樣工程師設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)候就不會(huì)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件找不到的情況，選用標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)也不用受到約束，可以隨心所欲地選用標(biāo)準(zhǔn)件。但其實(shí)這樣的想法是錯(cuò)誤的。設(shè)計(jì)庫(kù)的建設(shè)同時(shí)也是標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)該是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)分析企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件使用情況后得到的，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)建庫(kù)清單的獲取，需要統(tǒng)計(jì)企業(yè)使用所有的標(biāo)準(zhǔn)件的種類(lèi)、規(guī)格以及每種標(biāo)準(zhǔn)件使用的頻次，進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì)，選出使用頻次高的定位優(yōu)選級(jí)高，頻次使用非常少的需要和總工程師討論，是否可以取消使用，最終確定一個(gè)符合企業(yè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)件建庫(kù)清單。這樣得到的標(biāo)準(zhǔn)件清單，具有優(yōu)選級(jí)，不僅可以規(guī)范工程師的設(shè)計(jì)，也可以提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)可以降低管理成本。

　　2、標(biāo)準(zhǔn)件3D模型的來(lái)源

　　根據(jù)提煉出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)件清單，在互聯(lián)網(wǎng)到相關(guān)平臺(tái)如：邁迪設(shè)計(jì)寶、SOLIDWORKS Toolbox、3D Content Central和3D Source 等獲取3D模型。

　　3、確定模型相關(guān)屬性

　　對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件而言，其模型的屬性?xún)r(jià)值大于模型本身，模型屬性根據(jù)最終輸出的BOM中的字段來(lái)確定，對(duì)于多配置，應(yīng)確保對(duì)應(yīng)配置填寫(xiě)對(duì)應(yīng)屬性值。不同企業(yè)根據(jù)自己企業(yè)實(shí)際情況而定，一般企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件模型屬性如下。

　　物料編碼、規(guī)格型號(hào)、技術(shù)參數(shù)、材料、重量、名稱(chēng)、代號(hào)、供應(yīng)商和備注，如圖4所示。

　　4、標(biāo)準(zhǔn)件3D模型處理

　　通過(guò)下載獲得的三維模型，因?yàn)榱悴考哪０搴妥约浩髽I(yè)不同，所以需要采用企業(yè)三維模板進(jìn)行替換，這里結(jié)合SOLIDWORKS和設(shè)計(jì)寶的兼容特征，利用設(shè)計(jì)寶中批量替換圖紙/零件模板的功能給標(biāo)準(zhǔn)件更換模板，如圖5所示。

　　在軟件中打開(kāi)零部件時(shí)，零部件都會(huì)占有一定的內(nèi)存，而模型特征越復(fù)雜，所占內(nèi)存越大。標(biāo)準(zhǔn)件模型特征雖然比較簡(jiǎn)單，但是在大型裝配體中標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量一般占比都很大，數(shù)量達(dá)到一定量時(shí)，會(huì)使大型轉(zhuǎn)配體操作緩慢，所以我們需要將標(biāo)準(zhǔn)件模型特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，標(biāo)準(zhǔn)件模型最重要的是接口形狀，所以我們可以將一些細(xì)小特征進(jìn)行刪除/壓縮，如圖6所示。

　　模型簡(jiǎn)化完之后，填寫(xiě)好模型的相關(guān)屬性，模型的體積發(fā)生變化，質(zhì)量也隨之改變，所以我們可以利用SOLIDWORKS質(zhì)量覆蓋功能，將零部件準(zhǔn)確的質(zhì)量屬性填寫(xiě)到屬性欄中，確保質(zhì)量屬性的準(zhǔn)確性，如圖7所示。

　　對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件，每次都以同樣方法配合的零部件，在SOLIDWORKS中可以設(shè)定配合參考以定義使用的配合及用作配合的零部件幾何體。

　　配合參考指定零部件的一個(gè)或多個(gè)實(shí)體供自動(dòng)配合所用。當(dāng)用戶將帶有配合參考的組件拖動(dòng)到裝配體中時(shí)，SOLIDWORKS軟件會(huì)嘗試查找具有相同配合參考名稱(chēng)與配合類(lèi)型的自動(dòng)組合。因此在建標(biāo)準(zhǔn)建庫(kù)時(shí)，給每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件添加配合參考，將其變成智能零部件，這樣在調(diào)用時(shí)就能快速的自動(dòng)配合，添加參考配合步驟如圖8所示。

　　為設(shè)計(jì)庫(kù)中的模型都是經(jīng)過(guò)工程師審核后定型的，不需要更改，為防止意外更改，我們可以將設(shè)計(jì)樹(shù)進(jìn)行凍結(jié)，操作如圖9所示。

　　檢查零部件的命名是是否規(guī)范如圖10所示，本文定義的三維模型命名結(jié)構(gòu)為：代號(hào)(圖號(hào))_名稱(chēng)_規(guī)格型號(hào)_材料_技術(shù)參數(shù)，符合要求即可入庫(kù)。

　　在設(shè)計(jì)庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，只需要將標(biāo)準(zhǔn)件拖到裝配體中就能自動(dòng)鎖定配合位置，如圖11所示。

　　五、外購(gòu)件庫(kù)的建庫(kù)方法

　　1、外購(gòu)件庫(kù)清單的獲取

　　外購(gòu)件清單的獲取，需要分析公司所有產(chǎn)品使用的外購(gòu)件種類(lèi)，采用矩陣表方法，分析出企業(yè)產(chǎn)品中外購(gòu)件的使用頻次，再和總工程師、標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)以及采購(gòu)部門(mén)討論確定，哪些是常用的，定為優(yōu)選，哪些是特殊產(chǎn)品上使用的定為次選，再將其中因?yàn)楣こ處熢O(shè)計(jì)的隨意性而產(chǎn)生的外購(gòu)件進(jìn)行禁用處理，這樣控制工程師選擇外購(gòu)件的隨意性，最后確定外購(gòu)件的建庫(kù)清單。

　　外購(gòu)件庫(kù)3D模型的來(lái)源：

　　◎通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)庫(kù)平臺(tái)上下載;

　　◎外購(gòu)廠商提供，你需要處理;

　　◎自己建模。

　　通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)庫(kù)平臺(tái)上下載的外購(gòu)件三維模型，三維模型都是比較準(zhǔn)確的，只需要將模型的相關(guān)屬性填寫(xiě)完整即可。

　　2、外購(gòu)件模型的簡(jiǎn)化方法

　　由外購(gòu)廠商提供的三維模型，由于供應(yīng)商需要保護(hù)企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，提供的三維模型一般只有外觀主要接口尺寸準(zhǔn)確，零件內(nèi)部細(xì)節(jié)尺寸、質(zhì)量屬性和部件的結(jié)構(gòu)組成都會(huì)不準(zhǔn)確，因此需要工程師進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　對(duì)于外購(gòu)件三維模型，大部分都是簡(jiǎn)化內(nèi)部細(xì)節(jié)建模的，模型的質(zhì)量屬性都不準(zhǔn)確，所以需要利用SOLIDWORKS的質(zhì)量覆蓋命令將正確的質(zhì)量屬性填寫(xiě)進(jìn)去。然后在確保接口尺寸準(zhǔn)確的前提下，將模型進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化特征，可以使用SOLIDWORKS的Defeature命令，可以快速地將零部件的細(xì)節(jié)特征簡(jiǎn)化，同時(shí)還可以將部件快速簡(jiǎn)化成為零件，如圖12所示。

　　3、自己建模的外購(gòu)件的建模方法

　　大部分外購(gòu)件的三維模型可以在互聯(lián)網(wǎng)下載，或者由供應(yīng)商提供。但仍有少部分外購(gòu)件找不到三維模型，需要自己建模。自建外購(gòu)件三維模型時(shí)應(yīng)該遵循以下建模規(guī)則：

　　◎如果沒(méi)有可運(yùn)動(dòng)的子部件或零件，則裝配體也要按零件建模;

　　◎有可運(yùn)動(dòng)的子部件或零件，則按照裝配體建模，體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)關(guān)系(滾輪);

　　◎零部件只需接口尺寸準(zhǔn)確即可，復(fù)雜特征不需要畫(huà)出來(lái);

　　◎因?yàn)槭呛?jiǎn)化的三維模型，所以建完模型后需要賦予重量值;

　　◎建完模型后，將設(shè)計(jì)樹(shù)進(jìn)行鎖定(此操作可以加快零部件的打開(kāi)速度);

　　◎填寫(xiě)相關(guān)屬性。

　　下面以平底固定腳輪為例講解外購(gòu)件的建模方法。平底固定腳輪是一個(gè)裝配體，但是作為外購(gòu)件，只需要確定其主要結(jié)構(gòu)尺寸和機(jī)構(gòu)尺寸、相關(guān)屬性準(zhǔn)確，對(duì)于細(xì)節(jié)特征可不需要建模，如圖13所示(需要更加細(xì)致的介紹建模方法)。

　　六、企業(yè)設(shè)計(jì)庫(kù)的管理

　　設(shè)計(jì)庫(kù)建好后，可以放在SOLIDWORKS MCAD環(huán)境下的設(shè)計(jì)庫(kù)中，這樣工程師在設(shè)計(jì)時(shí)候，就可以輕松方便地調(diào)用。結(jié)合SOLIDWORKS與PDM的無(wú)縫集成，將設(shè)計(jì)庫(kù)中的三維模型存儲(chǔ)到PDM系統(tǒng)中，這樣就可以基于PDM設(shè)置權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)不同用戶的訪問(wèn)權(quán)限管理的設(shè)置，對(duì)于入庫(kù)的設(shè)計(jì)庫(kù)，不允許無(wú)權(quán)限的使用者修改設(shè)計(jì)庫(kù)中的三維模型，方便設(shè)計(jì)庫(kù)的維護(hù)管理。同時(shí)在PDM環(huán)境下工程師時(shí)刻都能獲取庫(kù)中最新、最全的三維模型，同時(shí)可以根據(jù)三維模型的不同屬性，快速搜索到自己想要的三維模型，如圖14所示。

　　七、結(jié)論

　　本文總結(jié)了制造企業(yè)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本的方法，對(duì)掌握基于設(shè)計(jì)庫(kù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的需求進(jìn)行研究。將產(chǎn)品組成分為專(zhuān)用件、變形設(shè)計(jì)件和通用件，詳細(xì)地闡述了如何建立屬于企業(yè)自己的通用零部件設(shè)計(jì)庫(kù)，并指出設(shè)計(jì)庫(kù)的管理方法可以結(jié)合PDM進(jìn)行有效的管理，幫助制造企業(yè)建立屬于自己的設(shè)計(jì)庫(kù)。