基于SolidWorks的產品開發模式的研究

供稿/湖南師范大學工程與設計學院 許弟洪 黃戰

長沙凱士達信息技術開發有限公司 彭浩歌 鄭欽尹

基于SolidWorks的產品開發模式的研究

供稿/湖南師范大學工程與設計學院 許弟洪 黃戰

長沙凱士達信息技術開發有限公司 彭浩歌 鄭欽尹

本文從設計史的角度分析了設計工具對產品開發模式的影響和決定作用，從現代設計理論與數字化設計工具融合的視角，探討了基于設計重用的模塊化設計模式、多學科協同設計模式、面向制造的設計模式。數字化設計技術是一種“使能”技術，必將引起產品研發模式的顛覆式創新，探索與數字化設計工具相適應的產品開發模式具有重要意義。

一、產品開發模式

模式是事件如何運行的標準樣式或通常呈現出來的樣式。產品開發模式描述產品開發過程中不斷重復發生的工作流程，以及該流程運行過程中涉及的關鍵技術和解決方案。決定產品開發模式的因素包括：特定歷史時期的產品制造模式、人們進行溝通的方式、設計師可以利用的設計手段和工具。

使能技術（enabling technology）是一種顛覆創新技術，該技術出現之前不可能實現的事情由于該技術的出現而變得輕而易舉，這種技術就是“使能”技術。比如“千里眼”和“順風耳”是中國古代傳說中的兩位神仙，這種傳說中的“法力”在移動互聯網時代變得輕而易舉。CAD/ CAE/CAM/PDM技術（本文后續將簡稱為C3P技術）是信息時代產品研發的“使能”技術，該技術將徹底顛覆傳統的制造模式和產品研發模式。根據制造模式和設計工具的不同，筆者將人類的設計制造活動劃分為三個階段，對應三種產品開發模式。

1.手工藝時代的產品開發模式

在幾千年的文明史上，人類完成了許多浩大的工程，在這些工程的設計過程中，圖樣是表達設計思想的主要手段。早期的圖樣主要靠徒手繪圖，我國古人發明了規和矩等繪圖工具，故有“沒有規矩，不成方圓”之說。北宋時期李誡（字明仲）的《營造法式》是世界上最早地一部建筑規范巨著，該書收集了大量的圖樣，包括平面圖、立面圖、剖面圖、詳圖及構件圖，還有大量的立體圖。這個時期的設計師通常也是藝術家。

2.大工業時代的產品開發模式

18世紀中葉，第一次工業革命帶來了制造模式的巨大變革，大工業生產模式代替了手工藝制造模式，對設計的需求猛增。為了更加簡單、規范地表達設計思想，法國的蒙日創立了畫法幾何學，確立了畫法幾何學在工程領域的地位。丁字尺、三角板和圓規是大工業時代的主流設計工具、二維工程圖是大工業時代生產制造的基礎，在設計、工藝、制造、銷售和供應等各個環節信息流的傳遞均以二維工程圖為媒介。

3.信息時代的產品開發模式

20世紀末期，人類迎來了第三次浪潮，信息技術以勢不可擋的趨勢融入到制造業的每一個環節。C3P技術成為現代制造業的常規設計工具。20世紀90年代美國提出了許多新的設計思想與哲理，如DFX設計、虛擬設計、產品全生命周期設計、并行工程與網絡協同設計等等，2013年德國提出了“工業4.0”，為信息時代的制造模式描繪了一幅清晰的藍圖。

盡管C3P技術得到普遍應用，但制造業的制造模式及設計流程卻還停留在大工業時代，嚴重制約了C3P技術的應用。深入分析信息技術為產品開發帶來的革命性變化，探索信息時代的產品開發模式具有重要意義。

4.幾個概念的約定

為了本文敘述的方便，先約定幾個概念。

產品模型：描述產品零部件功能要求建立的3D模型，也可以稱為設計模型，是零部件制造的依據。

分析模型：對產品模型進行簡化，壓縮掉對CAE分析影響不大的細小結構，如小孔、倒角和退刀槽等，而形成的簡化模型，用于仿真分析。最佳方式是先建立分析模型，仿真驗證通過后，再在分析模型的基礎進行深化設計形成產品模型。

工藝模型：在制造零件的過程中，為了加工的需要，為特定工序建立的描述該工藝過程加工要求的3D模型。通常一個產品模型可對應多個工藝模型。常見的工藝模型如鑄造、鍛造毛坯模型、焊接件模型和數控加工模型。

C3P技術：CAD/CAE/CAM/PDM技術簡稱，由福特汽車提出的一種產品研發平臺構架。

5. 重新認識SolidWorks

提到SolidWorks ，大多數人想到的是一款易學易用、功能強大且高效智能的三維機械設計軟件。SolidWorks的確是以Windows平臺下第一款三維機械CAD軟件切入市場的，作為CAD行業的后起之秀，SolidWorks采取了與行業霸主完全不同的市場戰略，本人認為對于SolidWorks的成功起到了重要作用的特性主要有兩點，其一是兼容，最新版本的SolidWorks可以兼容市場上主流的三維軟件，CATIA、NX、Creo和Inventor的模型可以在SolidWorks中直接打開、直接用于裝配，企業可以充分利用已有的技術資源；其二是開放的二次開發平臺和黃金伙伴策略，SolidWorks提供了非常豐富的API函數和程序模板，可以輕松地開發與SolidWorks風格相同的第三方插件，SolidWorks對二次開發產品進行認證，目前有近1000個二次開發產品被認證為黃金合作伙伴，可以為客戶提供非常豐富的解決方案。

SolidWorks通過一系列的收購、整合，已經具有了非常完整的產品線，其核心產品包括概念設計、工業設計、機械CAD、電氣CAD、仿真分析和PDM系統等，可以為裝備制造業的產品研發提供完成的解決方案，尤其在機電液一體化設計、設計仿真一體化方面獨領風騷。

二、基于設計重用的模塊化設計模式

1. 模塊化設計與設計重用

模塊化設計的過程是首先對某一類產品的歷史數據進行系統的分析，抽取功能相同或相似的單元，用標準化的原理進行簡化和優化，再進行科學的分類，相互獨立的通用單元以模塊的形式存在；產品設計時優先重用這些獨立的通用模塊，通過不同模塊的組合形成滿足客戶個性化需求的產品。對產品進行分解和組合的全過程就是模塊化，包括模塊的分解和模塊的組合兩個過程。

模塊化設計的核心思想是對歷史數據的重用，即便是采用圖板丁字尺進行設計，工程師也在盡可能地重用以前的設計，有了AuotoCAD之類的二維繪圖軟件后，設計重用的效率大大提高，但是二維CAD環境下，可重用的元素只是由點、線、弧構成的圖塊，三維CAD帶來了顛覆式的創新，可以重用已有的特征、零件、部件和單元機，構建一種搭積木的產品開發模式，只有充分挖掘三維CAD的設計重用優勢，才能大幅度地提高設計效率。

模塊化設計是一個久遠的夢想，實現模塊化設計的“使能”技術包括支持配置設計的三維CAD軟件和支持三維CAD軟件的PDM系統。模塊化設計系統包括三個方面。

◎ 可以重用的通用模塊（以3D模型的形式保存）。

◎ 可把模塊組合起來構成產品的三維CAD軟件。

◎ 對通用模塊進行科學管理、且方便調用的PDM系統。

2.可重用的模塊及建庫技術

實現模塊化設計的基礎是大量可重用的通用模塊，包括標準件庫、外購件庫和參數化的設計庫（特征庫、零件庫、部件庫和產品庫）等；在SolidWorks中提供了下述可重用的模塊。

（1）標準件庫。

SolidWorks提供了豐富的國家標準件庫，同時還提供ISO標準、英制標準、德國標準及日本標準等世界主流標準件庫。即使為國外設計產品也不用擔心標準件的問題。SolidWorks的標準件庫使用非常方便，插入到裝配體時可以自動調整尺寸、選擇配置，其智能扣件功能可以根據設計意圖智能地裝配同系列的緊固件。

（2）外購件庫。

SolidWorks創辦了一個制造業網絡網站，上面有很多生產商提供的模型，如生產電機的生產商把自己的生產的各型號的電機模型放到網絡上供別人下載，一方面為產品設計人員提供可重用的模型，另一方面，如果其它用戶使用后覺得方便也可以增加電機生產商的銷售機會。

（3）企業通用件庫。

實現產品設計標準化、規范化和系列化的途徑是建立企業的通用件庫，通用件庫通常由企業的標準化部門或委托專業服務公司建模。SolidWorks提供了豐富的通用件模型庫建模技術，包括配置設計技術、系列化設計技術和智能零部件技術。

3.可重用模塊的管理與調用

企業可以重用的模塊和設計元素非常多，要想方便地查詢和調用，首先要對其進行科學的分類，本文使用“設計庫”一詞來描述經過標準化部門優選的、保存在PDM系統中可重用模塊和設計元素，通常包括標準件庫、外購件庫和企業通用件庫。實施模塊化設計的關鍵技術包括三個方面。

（1）共享統一的設計庫。

設計庫存儲在服務器上，產品設計時只能從PDM的設計庫中調用可重用模塊，SolidWorks Enterprise PDM可以智能管理裝配體與可重用模塊之間的映射關系。不允許把可重用模塊拷貝到設計師的工作電腦上，這樣會導致一物多碼，引起生產的混亂。

（2）基于基型產品的變形設計。

SolidWorks Enterprise PDM提供的“復制樹”功能可以非常高效地實現基于基型產品的變形設計。在進行面向訂單的產品設計時，先選擇一個基型產品，拷貝其設計樹，只把需要變形設計的零部件拷貝到新設計的工作目錄中，可直接借用的零部件仍保存在基型產品的工作目錄下，并自動建立文件的借用關系。

（3）設計庫與CAD軟件的深度集成。

PDM中的設計庫要與CAD軟件深度集成，要能在CAD界面下直接訪問設計庫，讓設計庫唾手可得，從而大幅度提高設計效率。

三、多學科協同設計的產品開發模式

1.機電液多學科設計的協同

在二維CAD模式下，電氣設計與機械設計是相互分離的，電氣設計只畫原理圖，不畫真實的布線圖；液壓設計也是只畫原理圖，具體如何進行管路連接，由操作工人在現場自行決定。之所以出現這種情況是因為在二維CAD模式下，繪制真實的電氣布線圖和液壓管路布置圖是非常困難的、或者說是不可能的。

在SolidWorks Premium環境下，電氣布線和布管都非常簡單，而且可以自動計算管道和線纜的長度，自動出電氣設計BOM和液壓系統設計BOM。SolidWorks Electrical提供了完美的機電一體化設計解決方案，設計師只要完成電氣原理圖設計，系統可以自動生成三維電氣布置圖，并與機械設計部分完美集成，可以自動生成包含機械零件和電氣元件的總體設計BOM。

跨專業協同工作的平臺是PDM系統，它承擔著設計資源共享、產品設計數據存儲、設計信息與數據傳遞以及設計師之間的通訊交流等多種職能。在SolidWorks Enterprise PDM平臺下，機械工程師完成產品概念設計后，把概念設計的骨架模型存入PDM，電氣工程師和液壓工程師可以根據PDM中概念模型完成自己的設計，將來機械設計發生修改，電氣線纜布置和液壓管路布置會關聯更新，電氣和管路發生修改也會在總裝配中關聯修改。設計是一個持續優化的迭代修改過程，項目小組成員只有基于PDM中的統一數據模型進行設計，才能實現一個零部件修改后，其他零部件和總裝配體的同步更新。

2.產品設計與仿真分析的協同

制造業的研發模式正在發生深刻的變革，變“經驗設計”為“科學設計”，變“實測手段”為“仿真手段”，變“規范標準”為“分析標準”，仿真分析已經成為產品研發的一個重要環節，但傳統模式下，產品設計過程與仿真分析過程是隔離的，仿真分析在產品設計完成之后進行，仿真分析的目的是對設計進行安全驗證，只要沒有重大安全問題，設計師是不會修改設計的，因為整個設計過程已經完成，修改的工作量是很大的。正確的方式是仿真分析要提前到概念設計階段，仿真的目的首先是設計創新。

SolidWorks是設計仿真一體化的倡導者，提供了完整的仿真分析解決方案。其結構仿真軟件SolidWorks Simulation Premium涵蓋了運動學分析、靜力學分析、動力學分析、線性與非線性分析、復合材料分析等。流體動力學軟件SolidWorks Flow Simulation涵蓋了流體流動、熱傳導和電子冷卻分析等。綠色設計軟件SolidWorks Sustainability可以直接在 SolidWorks MCAD設計窗口中對零件或裝配體進行生命周期評估并實時了解它們對環境有何影響，將結果自動整理成文檔。

SolidWorks的仿真工具與SolidWorks機械設計軟件擁有統一的用戶界面，底層數據庫相同，軟件操作風格一致，集成化的仿真工具實現了設計模型與分析模型的關聯修改。比如在使用SolidWorks Simulation進行仿真分析時，對CAD模型進行修改后，分析過程（包括網格劃分、載荷定義、邊界條件等）不需要重新定義，只需運行“分析”命令，程序就會對修改后的產品模型重新進行分析，方便快捷。對產品進行多方案比較分析時，可在CAD環境下為每種方案建立一個配置，在分析環境下只需對一個配置進行分析過程的定義，對其它配置進行分析時，只需執行一個“拖、拉”操作，將已經定義的分析過程拷貝到新的配置下即可。可以非常方便地實現多方案的比較設計。

三維CAD技術為仿真分析提供了三維模型，同時仿真技術又最大化地發揮了三維CAD技術的價值。但產品的分析模型和設計模型是不一樣的，為了提高設計與仿真的效率，必須研究面向分析的產品建模技術、配置設計技術，做到設計模型與分析模型的統一，可通過下述方法實現設計模型與分析模型的統一。

對所有設計人員進行有限元分析知識的培訓，了解有限元分析模型與產品詳細模型的區別，要求設計人員在產品設計是考慮有限元分析要求，零件的主要特征先建，仿真分析時需要壓縮的特征后建，對需要分析的零部件建立一個用于分析的配置。

從產品設計流程的入手，在產品設計流程中設立一個仿真分析階段，先建一個用于仿真的分析模型，只有經過驗證認可的模型才進入詳細設計和工程圖繪制階段，以減少無效的勞動。

3.協同機制與數據傳遞

為了實現多學科的協同設計，必須以系統的觀點規劃機械設計、電氣設計、仿真分析和工業設計各學科之間的關系、明確各學科在產品開發各環節的分工，各學科的輸入數據和設計交付物，規范設計過程中的各學科之間的協調與妥協機制，規范產品模型、分析模型、工業設計模型、制造模型之間的數據集成和數據傳遞。規范基于C3P技術的產品設計流程。

PDM技術是協同設計的“使能”技術，各學科的輸入數據只能以PDM中的數據為準，所有輸出數據或交付物必須存儲在PDM中，以PDM中的數據作為企業唯一的產品數據源。

四、面向制造的產品開發模式

1.產品設計與工藝設計交付物的重新界定

傳統制造模式下，設計部門的交付物是二維工程圖。在基于C3P技術的制造模式下，設計部門的交付物除了工程圖，還必須有3D模型和設計BOM，因為現在的工藝設計都是基于3D模型進行的，工藝文件要掛在產品結構樹下。產品設計的交付物必須存儲在PDM系統中，以便保證唯一數據源。工藝設計的輸入數據只能從PDM中獲取，紙質的技術文檔僅作參考。

傳統工藝設計模式下，通常不會提供鑄造毛坯圖、焊接件毛坯圖、鈑金件展開圖。因為在二維CAD環境下，提供這些工藝模型是非常費時、甚至是不可能的；而在三維CAD環境下，這些工藝模型的生成是非常簡單快捷的，所以工藝設計的交付物除了傳統的工藝卡片外，還要交付3D的工藝模型。

2.面向加工過程的產品建模

隨著三維CAD的普及，工藝設計也開始遷移到三維平臺上來，基于3D模型的工藝規劃對工藝的描述會更加清晰。制造過程中不同的工序需要用不同的工藝模型來描述，SolidWorks的配置功能有效地解決了工藝模型的快速建模問題。創建零件和裝配體時，系統會為模型自動生成一個缺省配置，通常缺省配置就是產品模型，為了描述制造過程中某道工序的中間結果，可以添加一個工藝配置，即工藝模型。

為了更加方便地獲得工藝模型，零件的建模順序就要體現加工過程，比如鑄造類零件要先建毛坯特征，然后用切除建模方法建模，建模過程模仿機械加工的過程，這樣只需壓縮部分特征，就可以為每道工序建立一個工藝模型配置。當然工藝模型也可以采用派生設計的方式建模，工藝模型由產品模型派生，產品模型與工藝模型保持單向關聯，產品模型修改，工藝模型會做相應的修改。

SolidWorks提供了一個很好的焊接件設計工具——焊接特征，使用接頭裁剪、角撐板和頂端蓋等焊接工具能高效率地進行焊接件設計，設計完成后能自動生成切割清單。插入焊接特征后，系統會自動生成兩個默認配置：一個父配置是“按加工”，一個派生配置是“按焊接”，分別描述焊接狀態和機加工后的狀態。為了滿足生產管理的要求，通常會用裝配體進行焊接件建模。

3.產品設計與工藝設計的協同

傳統的工藝設計是基于工程圖進行的，在SolidWorks環境下可以基于3D模型進行工藝設計并實現產品設計與工藝設計的協同。以塑料件的工藝設計為例，首先將塑料件的產品模型存入PDM，工藝人員從PDM中獲取產品模型，以產品模型為基礎，采用派生設計的方式建立工藝模型（注塑成型的模型），產品模型與工藝模型保持單向關聯，產品模型修改，工藝模型會做相應的修改，工藝模型修改，產品模型不會修改；在SolidWorks的模具設計工具中，基于工藝模型自動計算收縮率、生成模具型腔、完成型芯和型腔件的設計，最后把型芯和型腔件的模型導入CAM插件中生成數控代碼。上述過程中的產品模型、工藝模型、工裝模型和數控加工的文件必須存儲在PDM中，每個環節都是從PDM獲取數據，這樣就可以實現產品設計與工藝設計的協同，當產品模型發生變更，工藝模型會關聯地修改，模具的型芯和型腔件也相應更改，數控代碼也可以方便地更新，上述過程如圖所示。

圖

五、結語

C3P技術中蘊含了豐富的設計思想和制造哲理，這些先進設計思想和制造哲理在傳統的二維CAD設計環境下是無法實現的，只有在三維CAD設計環境下才能落地，同時只有挖掘并應用了這些先進制造理念，C3P技術的優勢才能得以體現，所以三維CAD技術的應用不僅僅是一個技術問題，同時也是一個管理問題和哲學問題。SolidWorks軟件易學易用，高效智能，但要真正發揮其優勢，必須積極探索并貫徹與SolidWorks相適應的產品開發模式。