基于參數化設計的自卸車快速設計系統開發

陳韜，伍麗娜，張凱，王維

(1. 中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司，湖北 武漢 430056；2. 中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

近年來，國家基礎設施建設投入力度不斷增大，適用于城市建設的自卸車、渣土車的市場需求日益增多。據統計，2019年自卸車年銷量在11萬輛左右。產品更新換代周期縮短，制造企業面臨著大規模定制化的產品需求以及客戶需求的動態多變性[1]，需要盡量縮短產品的設計與制造周期，降低產品研發成本的同時對客戶個性化和多樣化的需求進行快速響應，為客戶提供質優價廉的自卸車產品。但國內自卸車生產企業規模普遍較小，技術力量薄弱，無法形成標準化的基礎配置車型，產品開發設計停留在初級開發層面，設計效率低下，產品開發周期長，創新性不足，無法滿足大規模定制化產品需求，嚴重制約了自卸車行業的發展[2]。

目前，國內的研究學者針對大規模定制化的參數化設計方法進行了諸多研究，如龔京忠等[3]基于FPBS的機械系統模塊化設計方法與應用研究，提出行為相容性的建模方法及產品模塊識別方法;陳旭等[4]進行汽車底盤模塊劃分及產品結構模型建立，對汽車底盤結構模塊化體系進行研究；曹建平等[5]基于FPBS的產品平臺構建研究，對面向產品族設計的核心內容進行研究。

自卸車上裝具有相同或者相似的外形特征，總體上可劃分為矩形廂體和U型廂體兩大特征，根據整車總質量不同，上裝特征外形尺寸有所差異，其生產、研發設計適用于模塊化、參數化設計理念。為了解決面向大規模定制化需求下自卸車上裝的設計問題，本文基于產品配置設計研究基礎，在產品開發階段對客戶個性化需求、產品特征需求進行分析，以三維軟件二次開發為設計手段，采用自頂向下的建模方式，借助尺寸方程式建模方法，通過三維模型與程序控制交互控制的方式，實現設計變化過程中三維模型的快速生成。搭建以客戶個性化需求為導向，具備完善的變型機制自卸車快速設計平臺。將產品定制的生產轉化為批量化生產[6]。

1 模塊化產品配置設計

1.1 系統功能模塊劃分

產品模塊化設計，是實現面向大規模定制設計的重要方法，它把產品分解成相互高度獨立或相互依賴性很小的部件，部件間可通過標準接口建立一個柔性的產品體系結構[7](圖1)。自卸車產品模塊劃分是基于對產品需求分析，對自卸車產品進行結構拆解，各結構模塊分類聚合，提煉出不同產品的基本功能模塊(圖2)，其中包括1)一級基本模塊：車廂總成模塊、副車架總成模塊；2)二級基本模塊：側板總成、底板總成、前板總成、后門總成；縱梁總成、橫梁總成、后支座總成。

圖1 自卸車快速設計系統流程圖

圖2 自卸車系統功能模塊劃分

1.2 特征參數確定

1)產品特征參數確定

產品特征參數可定位目標產品族或產品系列，而產品性能能夠確定目標產品族或產品系列中具體產品型號[8]。因此，在配置設計階段,可通過提取歷史配置產品的配置參數和性能指標信息[9-11]，快速準確地預知配置產品的關鍵性能參數。

自卸車上裝基本模塊相關因素和系統特征之間存在通用關聯特性，其映射關系如圖3、圖4所示，車廂模塊可用4個特征參數類型進行表征，分別是：車廂長、車廂寬、車廂高以及底板厚度；副車架模塊可用4個特征參數類型進行表征，分別是：縱梁長、大梁寬、縱梁厚及橫梁厚。

圖3 車廂模塊映射關系

圖4 副車架模塊映射關系

2)模塊特征參數確定

在產品進行配置設計過程中，利用產品特征參數的映射、聚類和匹配分析，從模塊化產品族中有效地提取公共平臺要素[1]。自卸車二級基本模塊具有典型的模塊化架構，組成模塊之間的耦合度較低，從產品模塊幾何相關性和物理相關性入手，基于產品與模塊特征之間的結構相關特性，由產品特征參數映射出各功能模塊特征參數。

產品模塊的特征參數值可映射為子模塊的特征參數值。即對?Pi?[q1i,q2i，…，qni]T∈SPF，SPF為產品系列組。n1表示產品系列包含的產品個數，pi(i∈[1，n1])表示產品系列組中的某個產品。可用一組的特征參數類型表征同一細分組中的所有產品，即SPF：{t1,t2…，tn2}，其中ti(i∈[1,n2])表示產品系列組中產品的第i個特征參數類型，n2表示產品特征參數類型的個數[1]。

圖5 車廂模塊映射矩陣

圖6 副車架模量映射矩陣

2 參數化建模系統設計

2.1 參數化建模方法

目前，參數化建模通常有兩種方法：一是程序驅動。所謂程序驅動，就是完全依靠代碼來驅動三維建模軟件實現參數化建模；二是尺寸驅動。尺寸驅動有兩種形式，一種是指利用程序代碼連接尺寸數據庫，通過邏輯外置的方式，改變主參數驅動三維建模軟件實現參數化建模；另一種尺寸驅動方式是指借助三維建模軟件中方程式功能，建立模型全局變量參數，自頂而下建立三維模型，通過程序代碼修改模型中方程式，實現參數化建模[14]。

程序驅動方法對代碼編輯能力要求較高，并且結構特征復雜的模型需要較高的邏輯運用能力。因此國內諸多學者在研究參數化建模時，大多采用的是尺寸驅動的第一種方式，通過分析發現，這種借助外部數據庫的建模方式較為繁瑣，不僅需要模型重建，還需將建模特征樹導入外部數據庫中，再用程序代碼進行驅動。該種方式適用于產品配置較多、模型特征較少的標準零部件參數化設計，而自卸車上裝部件產品配置相對較少、模型特征復雜且各模塊特征參數之間存在明顯的關聯性。因此，該種方式并不適用于專用車類產品的參數化建模。

本文采用自頂而下的方式建立自卸車各模塊三維模型模板文件，根據產品特征參數與子模塊特征之間的映射關系，搭建各尺寸方程式并將關聯參數設置成全局變量，通過程序驅動方程式的方式建立各模塊參數化模型。

2.2 開發與運行環境選擇

在Windows7系統下，考慮三維建模軟件二次開發API接口配置的語言函數庫，API接口是1個多層次的樹形網絡結構，可以使用VB、VB.NET、C#等高級匯編語言與三維建模軟件鏈接，基于三維建模軟件中的API函數，調用基于OLE(對象的嵌入與鏈接)和COM(組件對象技術)各類對象的方法和屬性，建立合適的專用功能模塊。本文采用Visual Studio2012作為開發平臺，基于VB.NET編程語言進行編程實現，以Access2013組織外部驅動參數及結構樹管理數據，自卸車上裝功能模塊模板模型創建基于三維建模軟件實現[15]。系統開發工具選擇如表1所示，二次開發方案工作流程如圖7所示。

表1 系統開發工具選擇

圖7 二次開發方案工作流程圖

2.3 參數化模型建立

在三維建模軟件中，利用自頂向下的建模方式，設定車廂模塊中的車廂長、車廂寬、車廂高、底板厚作為系統全局變量。通過計算，設置底板模塊、側板模塊、前板模塊、后門模塊中各特征尺寸與全局變量之間約束條件，推導出相應的關系方程式建立基于全局變量參數的底板模塊模型、側板模塊模型、前板模塊模型、后門模塊模型；同理，建立自卸車副車架模塊模板文件，最終建立自卸車整車模型如圖8所示。

圖8 自卸車車廂方程式模型

2.4 系統運行

通過系統可以查看非標部件的三維預覽圖、系統組成結構樹以及其他關鍵參數信息，根據用戶需要，選擇非標部件及標準件的驅動尺寸參數，自動生成三維參數化模型。系統實現的功能包括：

1)查看自卸車關鍵零部件信息及生產廠家(圖9)；

圖9 自卸車關鍵部件信息庫

2)上裝非標結構部件可根據用戶指定的關鍵參數自動生成三維模型(圖10)；

圖10 自卸車參數化設計系統界面一

3)通過自動選型，基于特定配置規則，自動生成自卸車裝配三維模型(圖11)。

圖11 自卸車參數化設計系統界面二

3 結語

到目前為止，在文獻有關的報道中，大多是采用邏輯外置的尺寸驅動形式，有部分采用的是程序驅動方式，通過對自卸車上裝結構的拆解分析，這兩種通用的參數化設計方式均無法適用于自卸車上裝結構的特殊性。本文針對自卸車上裝設計過程中，重復設計、開發周期長、設計效率低等問題，提出一種全新的參數化設計方式，搭建自卸車快速設計系統。該平臺基于大規模定制化產品需求，利用自卸車上裝結構參數化、模塊化設計概念和基本設計方法，并采用自頂向下的設計方式，借助方程式設計理念自動化、智能化建立參數化模型。實際運行結果表明：面向大規模定制的自卸車上裝參數化設計在理論上是可行的，在系統設計實踐中解決了自卸車制造企業應對用戶個性化需求而產生的設計變更問題，在一定程度上大大提升了企業在大規模定制化需求環境下的競爭力。