（机械设计及理论专业论文）商用汽车典型零部件快速设计平台的开发.pdf

奎厘堡三盔堂堡主堑窒垒堂垡迨窒圳舢舢删删 y 2 15 6 2 5 3 商用汽车典型零部件快速设计平台的开发 摘要 针对商用汽车零部件产品种类繁多、结构复杂、设计修改频繁等问题， 通过对其产品设计过程和变型设计技术进行研究，本文基于p r o e 软件平 台，运用知识工程、模块化技术、数据集成技术，建立了针对商用汽车典 型零部件的快速设计平台，克服了当前零部件设计中缺乏系统化理论、智 能化支持和严重依赖专家经验的不足，提高了零部件生产企业的整体设计 能力和设计效率、缩短设计周期，最大限度地满足了用户对商用汽车零部 件产品的快速设计需求，增强了商用汽车零部件生产企业的市场适应能力 和竞争力。商用汽车典型零部件快速设计平台实现了标准件的快速选用、 典型零部件的快速设计和驱动桥的快速设计三大模块的功能。并应用二次 开发技术对零部件模型的自动装配的做了进一步研究，实现了零部件的自 动装配。本文的主要工作内容有： 1 ) 结合基于知识工程的设计模式和关键技术，对知识获取、知识表示、 知识推理和知识建模等进行了简要介绍，提出了知识建模的方法步骤，并 为快速设计平台建立了知识模型库。 2 ) 针对商用汽车典型零部件快速设计平台中对零部件的设计重用，对 商用汽车典型零部件进行了分组分类，在此基础上，基于知识建模的设计 模式建立了丰富的零部件基础数据库和模型库。 3 ) 应用自顶向下的总成设计模式，建立了骨架模型，完成了驱动桥的 奎堕堡三丕堂堡主婴塞生堂鱼迨塞 快速设计。 4 ) 结合a c c e s s 数据库，应用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 ( v s 2 0 0 5 ) 编程 软件和p r o t o o l k i t 二次开发工具对p r o e 进行了二次开发，完成了商用 汽车典型零部件快速设计平台的开发。 关键词：商用汽车，零部件，快速设计，知识工程 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r a p i dd e s i g np l a t f o i u 江d e v e l o p a 伍n to ft y p i c a ln u ra n d c 0 口0 n e n t sf o rc o a 心伍r c i a lv e h i c l e a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec o m m e r c i a lv e h i c l ep r o b l e m so faw i d er a n g eo fp r o d u c t s ， s t r u c t u r ec o m p l e xa n df r e q u e n td e s i g na n dm o d i f i c a t i o n ，a n dt h r o u g ha n a l y z i n g p r o d u c td e s i g np r o c e s sa n dv a r i a t i o nd e s i g nt e c h n o l o g y t h ep u r l 3 0 s eo ft 1 1 i s 一一 一一一， p a p e ri st oe s t a b l i s hr a p i dd e s i g np l a t f o r mo ft y p i c a lp a r t sa n dc o m p o n e n t sf o r c o m m e r c i a lv e h i c l eb a s e do np r o es o f t w a r e ，k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，m o d u l a r t e c h n o l o g y ，m u l t i p l ep h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dd a t ai n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n do fr a p i dd e s i g np l a t f o r mc a l lo v e r c o m et h es h o r t a g e o fl a c k i n gs y s t e m a t i ct h e o r ya n di n t e l l i g e n ts u p p o r ti nt h ep r o c e s so fp r e s e n t p a r t sa n dc o m p o n e n t sd e s i g n ，a n dr e l y i n gh e a v i l yo ne x p e r te x p e r i e n c e i n a d d i t i o n ，i tn o to n l yi m p r o v et h eo v e r a l ll e v e la n dq u a l i t yo fd e s i g n ，b u ta l s o s h o r t e nd e s i g nc y c l e b yd e a l i n gw i t h r a p i dd e s i g np l a t f o r m ，i t c a r lm e e t r e q u i r e m e n t s f o rp r o d u c t p e r s o n a l i z a t i o n o fc o m m e r c i a lv e h i c l e p a r t s a n d c o m p o n e n t s ，a n di t c a ne n a b l ee n t e r p r i s e st oe n h a n c em a r k e ta d a p t a b i l i t ya n d c o m p e t i t i v e n e s s t h em a i nc o n t e n t sa r es h o w ni nt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s 1 ) t h r o u g hc o m b i n i n gw i t hd e s i g np a t t e r na n dk e yt e c h n i q u e ，w h i c ha r e b a s e do nk n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ，k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ，k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，k n o w l e d g er e a s o n i n g a n d k n o w l e d g em o d e l i n ga r eb r i e f l y i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r t h e n ，a u t h o rp u t sf o r w a r dt h es t e p so fk n o w l e d g e m o d e l i n gm e t h o d ，a n de s t a b l i s h e sk n o w l e d g em o d e lb a s ef o rr a p i dd e s i g n p l a t f o r m 2 ) i nv i e wo fp a r t sa n dc o m p o n e n t sd e s i g nr e u s ei nt h ep r o c e s so fr a p i d d e s i g np l a t f o r md e v e l o p m e n tf o rc o m m e r c i a lv e h i c l e ，p a r t sa n dc o m p o n e n t s d e s i g nr e u s ea r ec a t e g o r i z e d o na c c o u n to ft h e s e ，r i c hb a s i cd a t a b a s ea n dm o d e l b a s ea r ee s t a b l i s h e db a s e do nd e s i g np a t t e mo f k n o w l e d g em o d e l i n g 3 ) w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft o p d o w na s s e m b l yd e s i g np a t t e r n ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e ss k e l e t o nm o d e la n dc o m p l e t e s r a p i dd e s i g no fd r i v ea x l e 4 ) c o m b i n i n gw i t ht h ea c c e s sd a t a b a s e ，t h es e c o n d a r ye x p l o r a t i o no fp r o e i sc a r r i e do u tw i t ht h eh e l po fp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，w h i c hi sc a l l e dm i c r o s o f t v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 ( v $ 2 0 0 5 ) ，a n dp r o t o o l k i t ，w h i c hi sas e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt 0 0 1 t h e n ，t h er a p i dd e s i g np l a t f o r mb u i l d i n go ft y p i c a lp a r t sa n d c o m p o n e n t sf o rc o m m e r c i a lv e h i c l ei sf i n i s h e d k e yw o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l e ，c o m p o n e n t s ，r a p i dd e s i g n ，k n o w l e d g eb a s e d e n g l n e e n n g i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着现代化进程的不断推进，我国加强了以高速公路、大型桥梁和长隧道、专业化 码头等为重点的交通基础设施建设，形成了干线公路和高速公路网，有效提升了交通运 输生产力水平，公路运输逐渐成为客货运输的主要方式。近些年来，被誉为“第三利润 源泉”的现代物流业对汽车产业的发展也起到了巨大的推动作用。商用车辆是汽车产业 的重要组成部分，在我国也是发展最为迅速，最为健康的汽车产业，2 0 0 9 年商用车的同 比增长速度大概在3 0 ，2 0 1 0 年，汽车产销1 8 2 6 4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆，同比增长3 2 4 4 和3 2 3 7 ，其中商用车产销4 3 6 7 6 万辆和4 3 0 4 1 万辆，同比增长2 8 1 9 和2 9 9 0 。 2 0 1 1 年1 至1 1 月，我国汽车产销量分别为1 6 7 2 8 3 万辆和1 6 8 1 5 6 万辆，同比分别增长 2 0 0 和2 5 6 ，商用车产销分别为3 6 0 5 6 万辆和3 7 1 2 0 万辆【1 1 。与我国乘用车领域主 要被国际跨国汽车公司及其零部件供应体系所垄断不同，我国的商用车已具备较强的竞 争力，商用车零部件配套体系比较完善，有较好的基础。尤其是改革开放以来，我国商 用车整车通过对外合资、合作，得到了较大的发展，特别是重型车和大客车不但满足了 国内市场需求，而且还出口到国际市场。同时，与之配套的零部件企业通过自主研发、 引进技术、合资等方式，在一定程度上提升了我国商用车零部件的整体水平。但是从整 体上看，目前我国商用车整车以及零部件生产企业主要以中小企业为主，相当一部分企 业的设计水平非常低下，基本上是仿制。商用车零部件技术基础比较差、生产规模小、 分散、低水平重复严重，基本上处于比较初级的状态 2 1 。随着商用车整车技术水平的提 高，档次提升和外资零部件的逐渐渗入，一些国内零部件企业会面临更大的竞争和调整， 甚至会被边缘化。因此，迅速提升我国商用车零部件企业的研发能力和自主创新能力已 经成为零部件企业获得竞争优势的必然选择【3 j 。 近年来山西省汽车工业发展也较快，产业规模有了较大增长，已形成重型汽车、专 用车和汽车零部件等较为完善、相互配套的商用汽车产业体系。目前，全省汽车工业约 有企业1 0 0 余个，其中重型汽车生产企业两个，专用车生产企业1 6 个，汽车零部件生 产企业5 0 多个。到2 0 1 2 年，全行业销售收入将达到5 0 0 亿元，重型汽车生产能力达3 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 万辆以上，销售收入达1 0 0 亿元以上；专用车生产能力达8 万辆以上，销售收入达1 0 0 亿元以上；新能源汽车销售收入达5 0 亿元以上：微型汽车实现零突破，销售收入达到 4 0 亿元以上：带动汽车零部件销售收入2 0 0 亿元以上。山西省汽车工业刚刚通过资源整 合开始起步，几个大型汽车企业分属于不同的汽车集团，技术难以共享，大多中小企业 还存在企业规模普遍较小，专用车产品档次较低，产品趋同化特征明显等诸多问题。汽 车零部件企业专业化程度低，协作成套能力差，基本没有研发、测试能力等问题。这些 问题已经成为阻碍我省汽车产业培育自主品牌，形成新的竞争优势的瓶颈问题。 太原市汽车零部件企业大多为中小企业，存在企业规模普遍较小，产业整体竞争力 较差，技术水平不高，自主开发能力薄弱，技术投入不足，高端研发人才匮乏等问题， 因此迫切需要有一套综合考虑了成熟的设计方法、存储了大量相关数据与知识的设计软 件系统来满足中小企业需求的快速设计系统来规范企业产品设计、提高设计质量，缩短 生产周期，降低生产成本，增强商用汽车整车生产企业以及车零部件生产企业的市场适 应能力和竞争能力【4 】。本项目的开展，将在商用车零部件领域为我市企业规模生产提供 成熟的设计工具，从而大大提高企业自主研发和快速定制的能力。对于提高太原市车辆 整车及零部件设计水平，促进整车及零部件产业持续、健康、稳定发展具有十分重要的 意义。 论文通过对商用汽车零部件产品设计过程的研究分析，基于p r o e 软件搭建商用汽 车典型零部件的快速设计平台，旨在提高零部件生产企业的整体设计能力，增强我市商 用汽车零部件生产企业的市场竞争力。 1 2 汽车零部件快速设计发展现状及趋势 近年来国内汽车市场形势大好，产销量逐年递增，但国内汽车零部件生产企业的设 计生产与国内汽车市场对零部件多样化的需求之间的矛盾也随之凸显出来，尤其是在商 用汽车领域，校车、特殊用途专用车等车型的零部件产需矛盾比较明显【2 】。这就促使国 内汽车零部件生产企业引入先进的软件，实现企业零部件产品的快速设计，以满足市场 的需求。 1 2 1 快速设计 快速设计( r a p i dd e s i g n ) 也称快速响应设计，主要目的在于缩短产品设计周期。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 快速设计技术( r d t ，r a p i dd e s i g nt e c h n o l o g y ) 是基于当前国内外市场对产品的多样 化、复杂化、瞬变性等需求的趋势下提出并快速地发展起来的。快速设计是指从产品的 概念设计阶段入手，针对市场和顾客对产品的不同需求，运用产品专用设计工具和专业 设计知识，快速制定并使方案快速付诸实施的技术。产品快速设计不同于传统设计理论， 是一种全新的理念，其主要目的是缩短产品设计周期的同时提高产品设计质量，重点放 在缩短产品的设计开发周期上，主要着手产品总体结构和工艺设计方案【5 1 。快速设计技 术的应用将进一步提高企业对市场的快速响应能力，达到提高市产品竞争力和市场占有 率的目的【6 】。 基于国内外市场对产品需求朝着多样化、复杂化、瞬变性的发展趋势，产品投放市 场的时间成为了决定产品市场竞争力的重要因素之一，推动了快速设计技术的快速发 展。19 9 2 年6 月，东京国际会议c i r p ( i n t e m a t i o n a li n s t i t u t i o nf o rp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c h ) j e 式提出了并行工程技术，旨在缩短产品设计周期的快速设计技术( r d t ) 在 此基础上形成并快速地发展起来。19 9 6 年，美国a u t o f a c t 9 6 以“快速设计与制造” 为主题进行了专题讨论，此后，各国纷纷掀起了对快速设计理论及方法研究的热潮【刀。 在国内对“快速设计”理论的研究始于1 9 9 8 年，在一些大学和研究机构里对“快速设 计”理论展开了重点研究，在过去的十几年中，快速设计理念已融入到各个设计领域。 陈永亮，徐燕申等对于机械产品快速设计平台的研究与开发做了研究噶1 。南京航空航天 大学王珂着重研究了应用c b r 技术实现以机械产品快速设计为目标的快速设计系统的构 建方法及关键技术，开发了支持工程机械产品开发的快速设计系统【6 1 。王铁，张旭，王恒 等开发了基于特征元的三维快速设计系统并将其应用到零件实体造型过程和计算机辅 助工艺设计等过程的信息输入中，从而达到快速设计的目的n 3 。n a n u as i n g h 和s d i n g 等论述了基于知识工程的产品快速设计框架，在设计阶段就考虑了产品制造和装配的问 题，能显著降低产品开发交货时间陋3 。 汽车零部件快速设计的实施需要开发或选用适用于企业产品特点的应用软件，为已 有产品系列构建基础数据库，促进设计重用，充分发挥出c a d 的优势，达到提高新产 品设计质量，缩短设计、生产周期的目标【8 】。 1 2 2 产品设计技术的发展趋势 随着汽车市场对零部件需求的品种多样化、结构复杂化、市场全球化，迫切要求零 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 部件生产企业通过缩短产品设计和制造周期的同时保证产品高质量低成本来适应变化 的市场需求。汽车零部件生产企业在产品设计中呈现出数字化、模块化、智能化等发展 趋势。 1 ) 数字化设计随着计算机技术的快速发展，c a d 软件不再局限于数据处理以及 结构设计等，还用于新产品开发方案总体规划设计、制造工艺过程仿真、全面质量监控 与分析以及产品成本评估等，使产品设计与生产周期大幅下降，在生产成本降低的同时 保证了产品的质量，达到提高市场竞争力的要求。数字化设计已越来越多地应用于汽车 零部件生产企业。 、 2 ) 模块化设计随着汽车市场对零部件需求的品种多样化、结构复杂化的要求， 使得企业由传统的大批量生产向小批量、多品种方向发展。在设计过程中将复杂的产品 分解为相对较小的模块，特别是一些通用模块，减少重复的设计工作，进而达到产品快 速设计的目的。 3 ) 智能化设计随着基于知识工程( k b e ， k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 技术 越来越多地应用于汽车零部件产品的设计中，产品设计呈现出智能化的发展趋势。 此外随着计算机网络技术的飞速发展，使用企业网络的不同部门甚至不同企业的设 计人员可通过网络平台联系在一起，围绕着一个共同的设计目标开展设计工作，通过交 互协同、资源共享，将企业或相关设计人员的优势最大化，实现低周期高质量的设计。 1 3 汽车零部件快速设计关键技术和工具 1 3 1 计算机辅助设计技术 计算机辅助设计技术( c a d ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 产生于2 0 世纪5 0 年代后期发 达国家的航空和军事工业中，c a d 指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计 工作，随着计算机技术和信息技术的发展，c a d 技术在全球范围内迅速普及开来【9 】。在 设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案。将 数字、文字和图形等设计信息存入计算机中，在实现设计信息的快速检索与调用的同时 可快速地完成输入草图输出工程图或三维模型等，从而减轻设计人员的工作量也能帮助 设计人员及时修改设计，实现快速设计的高效与准确。对制造业来说，计算机辅助设计 工具已成为大型企业技术中心设计人员不可或缺的工具，借助于c a d 工具，更快更好 地进行新产品的研发，以达到迅速占领市场目的。针对我国机械行业的现状，在中小企 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 业大力推广c a d 软件，提高我国机械制造行业的整体竞争力，使在激烈的国际化市场 竞争中处于有利地位【1 0 】。 1 3 2k b e 技术 k b e 是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法和设计决策自动化 的重要工具。其基本思想是在工程设计中将该领域专家的知识和经验加以总结，形 成规则，存入计算机，建立知识库，在对工程问题求解中重用已有的知识和经验。 k b e 技术是对该领域专家知识的继承、集成、创新和管理，利用人工智能和c a d 技术结合，建立表示和处理知识的产品模型，并通过知识驱动进行智能推理和演绎， 作出设计决策，并以人类专家的水平对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处 理技术 1 1 - 1 4 】。 1 3 3 快速设计主要工具软件 随着计算机从大型机到微型机的发展，涌现出了一批比多功能、高性能的产品设计 工具软件，广泛应用于汽车整车及零部件的设计生产企业，替代了传统的手工制图 模式。目前汽车生产制造企业主要使用下面软件进行产品的设计，替代传统设计模 式，提高设计质量，缩短设计周期【1 5 16 1 。 1 ) 以a u t o c a d 为代表二维设计软件：广泛应用于机械设计及制图、航空航天工 业、土木建筑设计、城市规划设计、工程装饰装潢设计、园林设计、电子电路设计、 服饰行业、轻工业等领域。 2 ) 以p m e 和u g 、c a t i a 为代表的三维设计软件，具有丰富的二维、三维、参 数化混合建模及数据管理等手段，可以实现从项目策划到具体的设计、分析、模拟、 装配再到维护在内的整个工业设计流程，满足用户对于机械设计、机械加工、外型设 计、设备与系统工程、工程可行性分析及仿真等的要求，帮助客户缩短设计生产周 期、提高产品质量及降低成本。他们涵盖了从概念设计、三维模型设计、分析计算、 动态仿真、工程图输出、生产加工成产品等整个过程。并具有良好的数据接口，可将图 纸经不同的格式输出用于与a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、a n s y s 、a d a m s 等软件进行数据 交互。另外p t c 公司为p r o e 软件定制了p r o t o o l k i t 开发工具包，它提供了应用程 序接口，使软件具有扩展p r o e 功能的能力，方便技术人员在软件已有功能的基础上进 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 行二次开发，用以满足用户的特殊要求【1 7 】。这些软件广泛应用于汽车制造、航空航天 工业、轮船工业、军工、仪器仪表等领域。 1 3 4 快速设计平台搭建主要工具 本设计平台基于p r o e 软件平台，应用p r o t o o l k i t 开发工具包提供的程序接口功 能，应用v s 2 0 0 5 完成对p r o e 的二次开发，扩展p r o e 功能，实现快速设计平台的搭 建。 1 ) p r o t o o l k i t p t c 公司为p r o e 软件定制了p r o t o o l k i t 开发工具包，它提供了应用程序接口， 使p r o e 软件具有扩展自身功能的能力供技术人员在软件已有功能的基础上进行二次开 发来满足用户的特殊要求。p r o t o o l k i t 使用面向对象方式的c 语言编程，并且提供 了丰富的函数库和头文件用于资源调用，与此同时外部的应用程序通过这些函数也可以 访问p r o e t l 8 19 1 。 2 ) v $ 2 0 0 5 从p r o ew i l d f i r e 4 0 开始，p t c 公司推荐使用v s 2 0 0 5 平台进行p r o e 软件的二次开 发。v s 2 0 0 5 是一套用于生成多种类型应用程序的完整的软件开发工具集。软件开发人 员通过使用v i s u a ls t u d i o 基于组件的开发工具与技术来简化问题解决方案的设计、开 发和部署。在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 工具集中v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc 舟、v i s u a lc + + 和v i s u a l 崩等都使用相同的集成开发环境( i d e ) ，利用相同的集成开发环境除了共享工具外还有 利于混合编程语言解决方案的创建。 3 ) a c c e s s a c c e s s 是o f f i c e 系列应用软件之一，提供了表、窗体、查询、报表等来创建功能完 整的数据库系统。a c c e s s 能够存取o r a c l e 、m i c r o s o f ts q ls e r v e r 及其它o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 兼容数据库内的详细资料。基于a c c e s s 创建功能完善零部件参数数 据库因其具有以下优点： ( 1 ) 数据存储方式简单，便于软件开发人员日常维护与管理。 ( 2 ) 可以通过链接表的方式来打开e x c e l 文件并用数据库的高效率对其中的数据进 行查询、管理，还可将a c c e s s 作为前台客户端，s q ls e r v e r 作为后台数据库用于大型数 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 据库应用系统的开发。 1 4 论文的主要研究内容 鉴于以上分析，本文通过对商用汽车零部件产品设计过程和变型设计技术的研究分 析，总结常用零部件，特别是专用车核心零部件及其总成的标准化、模块化设计流程和 标准化分解方案，建立产品基础数据库，基于p r o e 软件，运用知识工程、模块化技术、 多物理量参数与数据集成技术建立了商用汽车典型零部件快速设计平台。论文的研究内 容主要有： 1 ) 通过分析汽车零部件各功能模块的设计使用要求和特点，结合三维建模相关技 术，建立各功能模块零部件划分理论依据。 2 ) 基于零部件设计理论和三维建模技术，参照相关国际国家及行业标准，按照划 分好的各功能模块收集零部件基础模型尺寸，建立零部件基础模型库。 3 ) 结合基于知识工程的设计方法和关键技术，提出了知识建模的方法步骤，并为 快速设计平台建立丰富的知识模型库。 4 ) 应用自顶向下的总成设计方法，通过骨架模型的方法，完成了典型总成一驱动 桥的快速设计。 5 ) 结合a c c e s s 数据库，应用v s 2 0 0 5 编程软件和p r o t o o l k i t 二次开发工具对 p r o e 进行了二次开发，完成了商用汽车典型零部件快速设计平台的开发。 本文的研究得到了太原市科技局“商用汽车典型零部件快速设计平台”项目的资助。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章产品快速设计平台架构 产品的快速设计是机械制造业设计的全新的理念，对快速设计理论与方法的研究和 应用有着非常重要的现实意义，针对商用汽车典型零部件设计的要求，建立起专用的零 部件设计数据库、三维模型库、知识库和算法库，并为其设计专门的数据管理系统。在 此基础上通过对p r o e 软件平台的二次开发，建立起先进、实用、高效的商用汽车典型 零部件快速设计平台。此快速设计平台是以零部件的模块化设计为基础，以商用汽车典 型零部件设计知识的集成处理和重用为核心，用于支持关键零部件快速设计开发。商用 汽车零部件制造企业的许多产品须围绕客户的特殊要求展开开发工作，部分企业用于产 品研发时间占到整个产品生产周期的一半以上，直接导致产品的交货期过长，如果单纯 为保证产品交货期的要求而压缩制造时间，将会使产品的质量下降，制约企业发展，使 企业竞争力下降，而产品快速设计平台的建立是解决这一问题的有效手段。 2 1 设计需求 在平台设计过程中应该充分考虑当前竞争激烈的汽车市场，要解决设计成本压缩、 产品更新换代加快、设计时间明显压缩、市场需求个性化、产品设计多样化等实际问题， 并结合传统设计知识分散和现阶段我市相关产业研发能力不足，技术水平较低等现实， 立足快速、高效、高质量、低成本目标。本平台需具备快速设计、模块化设计、优化设 计、基于知识的变型设计及标准化、系列化设计等功能特征。快速设计平台技术的应用 能够进一步提高企业对市场的快速响应能力，达到提高市产品竞争力和市场占有率的目 的【2 0 1 。系统的性能需求主要体现在以下几个方面： 1 ) 设计快速：为了解决传统设计中，设计资源冗余和设计过程的重复，充分发挥 变型设计和数据库技术的优势，标准件可根据现有基础库中的原始件进行参数驱动的变 型设计，而对典型零件采取知识积累的模式，通过相似元件数据的对比分析，应用知识 方法获取设计基本参数，实现典型零件的设计。 2 ) 数据的准确性、完整性及一致性：在零部件设计过程中，变形设计是基于基础 元件库和基础数据库的，因此必须保证基础元件库和基础数据库中的数据要准确、完整 并保证其一致性，故在构建基础元件库和基础数据库的过程中必须严格按照相关国际、 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 国家及行业标准进行数据采集，在数据积累过程中亦要按照标准进行。 3 ) 人机界面友好性：系统设计应立足于满足一般技术人员的使用，各功能模块选 择与切换方面应尽量简洁，尽可能减少操作人员工作量，做到人机界面友好直观，操作 简单，能够最大限度地方便用户使用。 4 ) 易于维护：程序开发过程中，严格遵守软件工程要求，按照功能化、模块化进行 程序开发并集成各类接口，各功能模块数据的输入、输出方式和格式要尽可能保持一致， 便于程序的维护和升级。 2 2 总体开发方案 根据设计需求，采用p r o e 三维设计系统，在建立丰富知识库的基础上，基于知识 建模手段，为商用汽车典型零部件快速设计平台建立起支持变形设计的标准件及典型零 部件的三维模型库。结合知识库，建立必要的典型零部件有限元模型库。 通过研究主要零部件的结构，建立主要零部件结构及设计数据数据库，基于变形设 计和k b e 技术，建立零部件三维模型，实现零部件的快速设计。 通过定义标准实现各总成的模块化，实现对商用车主要总成进行分解，形成功能元， 并最终形成模块化的设计系统。 基于p r o e 平台实现一个数据集成的智能化商用车零部件快速设计系统。设计系统 采用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 和a c c e s s 数据库完成，主要零部件以知识模型的形式 进行定义，通过表达式将结构设计及模块化设计的相关研究成果( 截面形状尺寸、装配 关系等) 集成在各部件的三维模型中，通过数据库实现对核心设计数据的管理，从而实 现一个数据集成的商用车零部件快速设计系统。 2 3 系统架构 商用车快速设计系统( 如图2 1 ) 结构分为4 层，位于最底层的是数据层，包括零 部件模型库、设计知识库和基础数据库构成的知识库：第3 层是应用支撑层，主要包括 c a d 平台和数据库管理系统平台；第2 层是应用层，该层将设计知识与概念设计、零 部件快速设计进行融合，以达到知识驱动的目的；位于最顶层的是展示层，该层通过应 用界面设计技术构建良好的人机交互界面，使系统能够实时与用户进行交互，引导用户 完成整个设计。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 系统各功能模块 图2 - 1 系统架构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fas y s t e m 商用车零部件快速设计平台分为标准件设计、典型零件设计( 重用设计) 、总成设 计三大功能模块。 1 ) 标准件设计 标准件的使用提高了零部件的互换性，一方面便于装配维修和批量生产大降低了产 品的制造加工成本和使用成本，另一方面能够大幅度提高设计人员的绘图效率，避免 不必要的重复劳动。在产品设计开发过程中使用标准件库将会节省大量的设计成 太原理工大学硕士研究生学位论文 本。标准件三维模型库的建立，使得工程师不必要将大量的时间用在简单的重复 零件三维建模的工作上，进而造成设计资源浪费。如图2 2 所示，在进入标准件模 块后，设计人员需要根据自身需要选择标准件类型和规格尺寸，然后c a d 平台根 据所选的参数完成参数驱动，并快速生成标准件三维模型【2 1 1 。 图2 - 2 标准件设计模块 f i g 2 - 2s t a n d a r dp a r t sd e s i g n 2 ) 典型零件设计 本快速设计平台运用支持变型设计的知识建模方法建立包括钢板弹簧、制动蹄、制 动鼓、摩擦片、制动底板、转向节、支座、卡箍、膜片弹簧、前轴、万向节矩形花键叉、 万向节法兰、万向节焊接叉、滑动花键轴、十字轴等1 5 种非标准件的三维参数化模型， 运用知识建模，实现典型零件的快速设计。如图2 3 所示，在进入快速设计平台后， 设计人员需要根据自身需要选择非标零件的类型并手动输入零件的规格尺寸，经 系统结构优化和实例修正后，c a d 平台根据优化后获得的参数完成参数驱动，并快速 生成零件三维模型【2 2 1 。新的三维模型将被存入系统的库中，使得实例库内容更为丰富。 这样有效地避免了出现设计或选用的零部件功能不符、加工工艺不合理和不经济等问 题，同时使典型零件库更为丰富。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 3 典型零件设计模块 f i g 2 - 3t y p i c a lp a r t sd e s i g n 3 ) 总成设计 由一系列零件或者产品组成的一个实现某些特定功能的整体称为总成。如商用 车上的离合器总成、发动机动力总成、传动总成、制动器总成、悬架总成以及驱动 桥总成等等。根据总成设计需求运用知识建模方法建立总成中全部零件的三维参数化模 型。快速设计平台总成设计有直接从可重用库获取模型、自顶向下设计和自底向上 设计三种方式。通过自下而上方法总成设计时，需先从零件库和总成库中提取零件 或总成，后将之插入装配体，然后根据设计要求建立零件约束配合关系。当用户需 重用零件库中不在线的零件时，设计人员就需通过自下而上设计去为零件库增添新 成员，所设计的总成中各个零件间的相互关系比较简单时，也可采用自下而上的方法， 由设计人员单独设计产品的零部件。此外，当用户不需要在关系中去控制零部件的尺寸 时，可以让用户更加专注于单个零件的设计工作，提高设计质量。用户在对平台的使用 过程的同时也能不断丰富零件库的内容。基于驱动桥总成的自顶向下( t o p d o w n ) 设 计方法与步骤将在第三章详细介绍。总体设计流程如图2 - 4 所示。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 4 总成设计 f i g 2 4d e s i g nf o ra s s e m b l y 4 ) 数据维护 在快速设计平台的使用过程中需要通过数据库系统来实现数据的存储、访问、共享 和修改。在快速设计平台的开发过程中，数据库部分应严格依照软件工程的要求，按照 功能化、模块化进行平台的开发并集成各类数据接口，各功能模块数据的输入、输出方 式和格式要尽可能保持一致，便于科学有效地管理与维护数据库系统，在保证数据的安 全性、完整性和有效性的同时利于数据库系统的升级，数据维护已经成为零部件企业技 术中心信息化建设过程中的重要环节。 2 5 本章小结 在分析商用汽车典型零部件快速设计平台需求的基础上，提出了总体设计方案及系 统架构，并对系统进行了模块划分，并详细讨论了系统实现的核心功能模块。 1 4 第三章快速设计平台基础库的建立 零部件设计主要是对以往设计信息资源和经验的重用，针对商用汽车典型零部件快 速设计平台中对零部件的设计重用，建立丰富的零部件基础数据库和模型库，使设计人 员避免大量的重复设计同时能够投入更多的时间和精力在新产品的研发上，进而不断提 高产品的性能来满足不同客户的需求，提高新产品的市场综合竞争力。本快速设计平台 应用a c c e s s 软件建立零部件参数的基础数据库，应用p r o e 三维建模软件建立关键零部 件模型库。 3 1 标准件数据库 标准件是指结构、尺寸、画法、标记等经过优选、简化、统一后使得各个方面已经 完全标准化，形成特定规格系列，可供使用者直接选用并给予标准代号的由专业厂家生 产的常用的零( 部) 件，如螺纹连接件、键、销、垫圈、轴承件、法兰件、密封件等等 【2 3 1 。标准件的使用提高了零部件的互换性，便于装配维修和批量生产大降低了生产和使 用成本，另一方面能够提高设计人员的绘图效率和设计的标准化程度，减少错误发生率 和避免重复劳动。据相关统计，在现有的机械产品中约有1 0 2 5 的零件为标准件， 标准件的使用极大地节省产品的制造加工成本，如果我们能在产品设计开发过程中使用 标准件库的话，同样也将会节省大量的设计成本。标准件三维模型库的建立，使得工程 师不必要将大量的时间用在简单的重复零件三维建模的工作上，进而造成设计资源浪 费。标准件库是为基于p r o e 平台，在软件上添加标准件模型库的插件，用以帮助设计 人员快速获得所需标准件三维零件模型，同时也能利用p r o e 软件自带功能，将得到三 维模型生成二维工程图。以一个推力圆柱滚子轴承( g b 4 6 6 3 ) 的模型为例：设计人员通常 需要花费2 个小时的时间，依靠零件图纸参数来建立一个标准的轴承三维模型，而如果 从标准件库中直接选用，只需要1 分钟就可以自动生成设计人员需要的轴承三维模型。 商用汽车零部件快速设计平台中的标准件库部分包括近4 0 0 种国家标准件模型。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 1 标准件分类 标准件按标准可为国际标准( i s o ) 、国家标准( g b ) 、行业标准( 如机械行业标 准、模具标准、汽车行业标准等) 。本平台的标准件库主要依据国家标准件( g b ) 来 建立数据库和模型库，标准件库建立了紧固件、法兰件、轴承件、密封件四大类库。 国家标准件( g b ) 的紧固件包括键、垫圈、挡圈、销、铆钉、螺栓、螺钉和螺母 等8 个子部分。 国家标准件( g b ) 的法兰件包括管路法兰、法兰盖两部分。 国家标准件( g b ) 的密封件包括管路法兰用石棉橡胶垫片、管路法兰用金属齿形 垫片、管路法兰用金属环垫、管路法兰用缠绕式垫片四种。 国家标准件( g b ) 的轴承件包括圆柱圆锥轴承、球轴承两部分。 3 1 2 依据国家标准建立标准件数据库 在建立标准件数据库的过程中，依据机械设计手册中标准件的参数，选取a c c e s s 数据库来建立标准件关系数据库。主数据表内容如图3 1 所示。 1 ) 标准件主数据表的创建。新建一个m i c r o s o f to f f i c ea c c e s s 应用程序，如图3 1 在新添加数据表中，添加s u b _ t y p e 、m a p 、t a b l e 、p a r e n t _ t y p e 和n a r r l e 等字段，根据编 程需要，为数据表添加相应的内容。 dl | f 曲t m | | 霉? ii 秭t g b tm ，掣醯l 三i 锄0i酗赫 i i 。，、， 11 。；。一鳜f 、一：，j ，：丽蘸= = 罄 一生重照辫辫，糕鍪圈 、薹2语滴3筠挡圈 蠡i l 掺 一一一一；掺曼一 。一；筑镳。 j 踅墨j 臻熙j 一侧? 嬲。? 一 。爱j ? 妻一擞一簇麟一。一 一豫。黧摹臻? 臻、爨瀚 。 篱、83鼗找 獬螺霉 ；蔗= = = 。鬟；= 。；= = = 耋臻l 麓豫。= = 。：。= 。= = = = = = 翳i 龌滋斓麟黻留陋糖= = 麓 。獠。：。黑! 萋嘲。 一一熄甓潜黛瑚裁囊戮瞵g 鞘皲。 麓 照2 i 4 1 礤簸一熙。謦黪肇零国嬲燃尊熙删。 3 95 2 ：2 兹，8 褥1 5 3 鳘憝港兰霜盒厦奁瑶垫片c r y ) 图3 1 主数据表结构图 2 ) 各个标准件参数表创建。如图3 - 2 在数据库中新建数据表，依据机械设计手册 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 中标准件的参数，为数据表添加相应的内容 2 4 】。全部数据表创建完成后，得到如图3 3 所示标准件基础数据库。 l ：! 置丐i t ；s l 瞳m 1 m 一啪蚓既 d强蒲ntch，k 脚2 28432 60 51 6 一。 叶1 2 x 12 5 2 5 8 432 6 0 51 9 m 1 4 x 152 884 32 60 s2 0萎 m 1 6 x l53 085 33 10 52 2 m i s x l53 285 33 10 5