基于模塊化的高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺開發

王建正，張利強，韓新民，朱長江，汪李輝

（1.天津工業大學 經濟與管理學院，天津 300387；2.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120；3.泰爾重工股份有限公司，安徽 243000）

0 引言

環境問題威脅人類生存，綠色制造已經成為全球共識，也是驅動我國經濟高質量發展的利器[1，2]。《中國制造2025》全面規劃了綠色制造。

美國制造工程師學會（SME）于1996年發布的綠色制造藍皮書《Green Manufacturing》，提出“綠色制造的目標是使產品從設計、生產、運輸到報廢處理的全過程實現環境的負面影響達到最小”［3］。劉光復等認為“綠色設計是從源頭對產品綠色化的最為有效的途徑和方法之一，是一種全新的設計理念，是設計方法和設計工具的有效集成”[4]。劉曉序認為“綠色設計要考慮產品構思、結構設計、材料選用、生產、使用、報廢和回收利用等全生命周期對環境、資源的影響，希望以最小的代價實現產品“從搖籃到再用”的循環”[5]。曹琳劍等從資源屬性指標、能源屬性指標、經濟性指標和環保屬性指標四個角度，構建了基于全生命周期的機械綠色性設計指標體系[6]。程賢福等對綠色制造模塊化設計方法進行了綜述分析，認為“綠色產品生命周期設計涉及因素太多，應綜合考慮環境目標和功能目標”[7]。

通過文獻研究得知：綠色設計賦予了全新的設計理念，實現綠色設計需要將設計方法和設計工具有機集成。本文試圖探索開發、構建綠色模塊化設計平臺，將綠色理念融于產品的全生命周期，促進制造業更好地實現綠色制造。

1 高端裝備關鍵零部件綠色設計總體思路

以綠色制造理念為引領，利用綠色設計、精益設計、模塊化設計、參數化設計、PLM等理論方法，結合高端裝備關鍵零部件的特點，面向高端裝備關鍵零部件產品全生命周期，分析和優化高端裝備關鍵零部件設計制造流程；通過企業大量的產品案例進行功能、結構和綠色化分析，對零部件進行ABC分類，進行模塊化分析、劃分；材料綠色化分析和選用，產品結構輕量化及可靠性驗證；產品設計知識規范、描述，確定產品結構參數規則，參數化建模；構建模塊庫，綠色材料庫，綠色工藝庫，產品實例庫，產品知識庫等，形成企業標準的規范的可重用的資源庫；通過信息集成，構建企業綠色制造私有云，建立集需求分析、技術要求制定、方案設計段、材料選用、詳細設計、工藝設計、設計驗證、產品確認、結果管理、綠色評價等于一體的協同設計環境，從而實現高端裝備關鍵零部件綠色化、模塊化、輕量化、系列化、數字化、參數化、精益化協同開發和設計。

2 高端裝備關鍵零部件綠色設計流程

2.1 高端裝備關鍵零部件綠色設計

通過調研分析，結合高端裝備關鍵零部件的特點，將高端裝備關鍵零部件綠色設計階段劃分為：需求分析階段、技術要求制定、方案設計階段、材料選用、詳細設計階段、工藝設計階段、設計驗證階段、確認階段等8個階段，相應工作內容如下：

1）需求分析階段

根據用戶合同或市場需求，市場調研，用戶走訪，應用客戶語言，從產品功能需求、性能需求及綠色需求等方面，收集、描述、分析、確定客戶需求，編制市場調研報告、客戶需求報告、市場技術調研報告，編制包括市場可行性分析和技術可行性分析的項目可行性分析報告，組織評審論證。

2）技術要求制定：應用質量功能配置、產品專業技術語言、技術參數，將客戶需求分析確定的客戶需求，表述出來，也就是將客戶語言描述的產品功能需求、性能需求及綠色需求等客戶需求映射到產品技術語言或參數。確定產品設計和開發的輸入內容，并編制《設計輸入匯總表》。經由項目組成員和技術領導、技術專家參加的輸入評審會評審，并根據會審意見整理《設計和開發評審表》。

3）方案設計階段

根據《設計輸入匯總表》的具體內容，利用PLM資源庫，利用CAD建模，繪制方案圖，設計計算，確定產品結構，確定材料，編制產品設計方案。經由項目組成員和技術領導、技術專家參加的輸入評審會評審，形成產品設計方案。

4）材料選用

根據方案要求，篩選可用的材料；再通過綠色材料數據庫，比較材料的綠色特性，選用最適合的材料。

5）詳細設計階段

根據生產安排申請表信息、技術輸入表、技術輸入資料，通過類比設計、三維建模、理論計算、仿真、詳細設計出圖、BOM搭建等過程，輸出設計方案、計算說明書、產品圖紙、毛坯圖和設計BOM。設計零部件全部圖紙，編制其相應技術文件，并組織詳細設計階段評審。

6）工藝編制階段

根據產品BOM、圖紙、技術、質量、綠色要求，篩選可用的工藝；利用綠色工藝評價系統，對備選的工藝，核算其能耗、排放等信息，確定最優工藝；編制詳細工藝等技術文件；并組織工藝編制階段評審。

7）設計驗證階段

通過試制、類比或比對分析，對產品設計的結果，做出評價，編寫相應的報告。

設計驗證有四種方式：

（1）樣機試制，編制樣機檢驗報告

（2）小批量生產試制，編制抽樣檢驗報告

（3）類比已經證實的類似設計，編制類比校、審報告

（4）比對或者校審，編制類比校、審報告。

8）產品確認階段

通過用戶試用、模擬試用或產品鑒定驗證產品的有效性，確保產品能夠滿足功能、性能及綠色要求。編制相應的用戶試用報告、模擬試用報告或產品鑒定報告。

2.2 高端裝備關鍵零部件綠色設計流程

根據上述的高端裝備關鍵零部件綠色設計階段及工作內容，提煉、優化高端裝備關鍵零部件綠色設計流程：

需求分析及評審→技術要求確定及評審→方案設計及評價→材料選擇及評價→詳細設計及評審→工藝設計及評價→設計驗證及評審→產品確認。

高端裝備關鍵零部件綠色設計流程的活動、活動開始和結束的條件以及活動產生的主要技術文檔如圖1所示。

圖1 高端裝備關鍵零部件綠色設計流程

3 高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺架構

按照上述的高端裝備關鍵零部件綠色設計的總體思路和設計策略，通過上述的高端裝備關鍵零部件綠色設計流程分析，設計高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺架構如圖2所示。

圖2 高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺架構

該高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺架構包括應用開發層、工具層和資源層。

應用開發層：包括高端裝備關鍵零部件綠色開發和綠色設計兩個子系統。綠色開發系統包括分析客戶需求；功能設計、結構設計、系列化規劃、模塊化設計、綠色設計；材料選用、工藝設計；規范化、模型化、標準化、參數化；功能、性能及綠色性評價等功能。產品設計系統是根據客戶需求快捷報價；綜合利用工具層和資源層，快速設計產品。

工具層：實現綠色設計的各種設計系統或工具以及PLM系統。

資源層：面向高端裝備關鍵零部件綠色制造開發的各種資源庫，為應用開發層存儲數據和提供支持。

高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺能夠實現高端裝備關鍵零部件綠色化、模塊化、輕量化、系列化、數字化、參數化、精益化協同開發和設計。

4 高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺建設

1）依據高端裝備關鍵零部件綠色設計流程，開發高端裝備關鍵零部件綠色設計系統，實現設計流程管理。

方案設計評審是綠色設計重要的環節。我們利用層次分析法，結合產品特點，咨詢行業專家，從產品的功能（40%）、性能（30%）、經濟性（10%）及綠色性（20%）等四個方面評審設計方案，其中綠色性又從能耗低（30%）、噪音小（20%）、輕量化（20%）、排放少（10%）、易維護（10%）、再制造性（10%）等六方面評價。通過3或5個評審專家獨立打分，根據權重計算分項得分及總分，給出評價結果以及改進建議。

2）分析高端裝備關鍵零部件，進行ABC分類分析，模塊劃分；綜合利用工具層各種設計工具，構建模型、構建綠色材料庫、綠色模塊庫、綠色工藝庫、知識庫等，實現基于模型的模塊及產品設計。

如常用的SWC-M-B型十字軸式萬向聯軸器的組成模塊及模塊屬性（部分）如表1所示。

表1 SWC-M-B型十字軸式萬向聯軸器的組成模塊及模塊屬性

3）實現與各種設計系統或工具（CAD/CAE/CAPP/CAM/OFFICE等）及PLM管理的集成，形成高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺。

5 高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺應用實例

十字軸式萬向聯軸器廣泛應用于機械設備的動力傳動，是機械設備的核心零部件，直接影響著產品的功能、性能及綠色性。

以常用的SWC-M-B型十字軸式萬向聯軸器為例，說明高端裝備關鍵零部件綠色設計平臺應用過程。

1）需求及參數確定

根據客戶需求和設備工況要求，確定十字軸式萬向聯軸器的功能需求、性能需求、產品工況以及綠色需求。如圖1所示。輸入完需求及參數后，提交系統。系統將完整給出對十字軸式萬向聯軸器的需求以及技術參數，以便設計工程師完整把關和確認（界面顯示省略）。

2）方案設計及評審

方案設計及評審階段，根據需求和技術參數，一是查閱已有類似設計或進行新方案設計，如圖3所示；二是可以進入相應的CAD環境，進行新的方案設計，如圖4所示；三是可以邀請五位專家通過對設計方案功能、性能、經濟性、綠色性等四個方面打分，基于層析分析法評價設計方案。如圖5、圖6所示。

圖3 SWC-M-B型十字軸式萬向聯軸器需求及參數輸入

圖4 十字軸式萬向聯軸器設計方案圖

圖5 十字軸式萬向聯軸器設計方案評審專家打分

圖6 十字軸式萬向聯軸器設計方案評審結果

3）詳細設計

詳細設計菜單下，可以類似十字軸式萬向聯軸器的三維模型、產品總圖、零部件圖、CAE分析及BOM等，同時可以進行修改利用或基于參數化模型開展新設計，如圖7所示。

圖7 十字軸式萬向聯軸器詳細設計

6 結語

本文利用綠色設計、模塊化設計、參數化設計、PLM等理論方法，完善機械產品綠色設計流程，設計機械產品綠色設計平臺架構，構建綠色模塊化設計平臺，實現綠色理念融于產品的全生命周期，綜合利用先進設計方法，充分利用已有資源，設計出既滿足用戶功能、性能，同時又經濟、環保的產品，促進機械制造業更好地實現綠色制造。