基于PDM系统的机床整体及模块化设计探讨

现代机床模块化设计概念是根据市场需求和产品型谱规划，设计出一系列具有不同结构和用途，而功能相同并可互换的机床功能模块（包括组件、部件等）和一些功能模块的设计法，然后根据用户特殊需求，通过模块的不同组合形成完整的机床产品。

自顶向下(TOP-DOWN)的设计手段是一种自上而下、逐步细化的设计过程，设计意图的变更、产品主任设计师的设计思路和严格的尺寸控制等设计要素可以自顶向下地传递，直到底层的零件和图纸为止，从而在设计过程中做到良好的协同和提高设计的准确性。

机床模块化设计水平是衡量机床设计先进研发能力的标志之一，具有缩短技术研发和生产制造周期、替身产品系统快速升级能力、降低产品成本和提高产品维修性等优点，而自顶向下的设计手段可以使产品的修改性大大提高，修改的工作量也大大降低，同时还能保证各部件设计的一致性。如何在机床总体设计中将两者有机结合，目前成为了产品研发解决方案中最重要的环节之一。

1 基于PDM的模块化设计方法

1.1 PDM系统现状简介

PDM(Product Data Management)产品数据管理，是管理产品数据和产品研发过程的工具。本文讨论的是PTC公司开发的Pro/Engineer三维设计软件和其开发的WindChill PDM系统，两者结合能够很好地将不同的设计信息共享。部件设计师将设计完成的机床部组上传至服务器中，其他部件设计师可看到该部组的设计信息，产品设计师也可根据需求组成不同的机床产品。WindChill系统提供产品结构管理功能，可以实现产品结构的描述，提供零部件隶属关系查询，提供产品结构比较、产品结构报表、产品结构版本和有效性控制等一系列功能。

1.2 自顶向下结合模块化设计方法探讨

在机床设计中，整个机床产品是由各个部件组装而成，例如床身、立柱、滑枕等部件，这些部件可以看作不同的模块。所有机床产品中，部分模块的几何尺寸和功能相同，例如床身的跨距以及导轨的尺寸相同，可以考虑这同一系列的机床产品共用该模块。结合机床整体设计思路，总结自顶向下设计结合模块化设计方法，总体流程框图如图1所示。

图1 设计流程

(1)市场与技术调研，资料收集

市场调研和技术调研是产品开发最重要的步骤之一，也是产品系列研发成败的关键。通过市场和技术调研，了解国内外市场需求和产品发展方向以及新技术的应用情况，知悉国内外竞争对手的现状和发展趋势，明确产品的市场和技术定位等，对系列产品的开发具有重要的战略意义。

(2)模块基型产品性能及尺寸要素的确定

根据调研情况和资料收集结果，分析国内外市场需求，较准确地得到基型产品的技术和性能参数，运用虚拟样机及有限元等分析技术，通过建立基型产品机床部件及整机结构的数字化分析模型，对其进行定量的分析、计算、评价和修改，进而完成所需的优化设计。采用数字化虚拟样机方案设计，设计与分析并行，与传统的经验和类比方法相比，一方面可以在多个设计方案中选择最优者，减少设计的盲目性，另一方面机床结构分析贯穿了整个设计过程，能准确地把握机床结构与其动、静态特性之间的关系，这样确定的基型产品整机结构设计方案为产品的可靠性、高精度和精度保持性奠定了良好的基础，也为机床的系列化、模块化设计制造奠定了良好的基础。结构优化设计流程如图2所示。

图2 结构优化设计流程

(3)系列产品机床性能参数确定及模块划分

综合分析国内外相关系列产品的模块划分方式、技术参数和性能对比，在基型产品模块设计参数的基础上，延伸出系列产品合理型谱规划，在型谱规划中就需要明确产品模块的功能、参数和系列产品中借用关系的模块化设计理念，杜绝对单一产品规划后进行模块整合时出现性能参数基本相近，但是数据重用性不高的传统设计模式，把模块化设计的思想延伸到产品设计的整个过程中。

(4)基于WindChill的机床总体布局设计及总体骨架模型建立

根据各模块的功能和参数划分，产品设计师可以根据自顶向下的设计思想，首先确定产品的总体布局，根据布局建立型谱基型产品的总体骨架，包括各个部组的坐标位置和各个部组的主要设计参数骨架。然后创建出机床的整机三维组件模型，再在该模型中建立各部组的三维组件模型。此时建立的机床整机三维模型组件中只包含有各部组的“*.asm”组件文件和坐标系总骨架模型，各部组的组件文件中也只包含各部组的一级骨架模型（包含该部组的主要设计参数）。

(5)基于自顶向下设计方法的各模块子骨架模型建立及部件设计

产品设计师将总骨架模型和整机三维模型通过与Pro/E相关联的WindChill PDM系统导入服务器中，并在服务器中将各部组骨架模型以任务的形式分发给部件设计师。部件设计师接收到任务后可打开部组模型看到该部组的主要设计参数，体会产品设计师设计思路和要求等信息，然后就可以对该部组进行设计。

部件设计师在完成部件模型设计后，将该部组也同样导入到PDM系统的服务器中，其他部件设计师可以参考该部组的设计信息来对本部组进行相应的设计或修改。这样就通过WindChill PDM系统完成了一个机床产品进行协同设计。

(6)系列机床产品模块优化及整机性能分析评价

根据构建的主要零部件的三维CAD模型，在此基础上建立整机多方案的虚拟样机模型及有限元模型，结合需求工况，对模块化设计的各方案进行运动学、动力学等的仿真分析和计算，以及装配干涉检查，根据分析计算结果，经综合比较、评价，优化出接近静、动态等目标函数的整机及各模块优化匹配设计方案，得到各模块及组成整机后的优化模型，为机床的系列化、模块化设计优化调整提供保障，并根据CAD模型和WindChill系统的管理，生成并管理产品技术文件及数据，并通过与ERP系统的对接，实现生产计划的控制。

2 模块化设计方法应用

基于WindChill PDM系统的自顶向下设计和模块化设计方法已经广泛应用于我公司产品设计中，经过2年使用，在系统中已经成功开发了3大系列共10多个产品品种。

3 结语

通过有关数据显示，对比使用WindChill系统并采用自顶向下和模块化设计方法后，产品开发周期缩短30%，产品数据量减小17%，新产品开发后设计失误率降低了45%，而且通过WindChill系统标准零件库、通用零件库和外购零件库等管理，有效减少了重复工作量，提升了设计效率。总之，利用WindChill系统的数据管理功能和自顶向下设计方法以及模块化设计理论，可以有效地减小系列产品设计的工作量，提高设计效率及产品集成度，对行业产品开发模式具有较强的借鉴意义。