制造企業產品設計庫的規劃與建模技巧

　　本文總結了制造企業提高產品設計效率、降低設計成本的方法，對掌握基于設計庫的產品開發模式的需求進行研究。將產品組成分為專用件、變形設計件和通用件，詳細地闡述了如何建立屬于企業自己的通用零部件設計庫，并指出設計庫的管理方法可以結合PDM進行有效的管理，幫助制造企業建立屬于自己的設計庫。

　　本文源自智能制造2020年2期《智能制造》(月刊)創刊于1994年，面向國內外公開發行.雜志以提高企業應用水平，追蹤技術研發熱點，報道市場發展動態為鮮明特點，生動、及時地反映CAD/CAM/CAPP/ERP領域的新動態。目前是CAD領域的專業雜志。內容涉及制造業和IT行業兩大方面內容，信息量豐富。

　　一、引言

　　隨著3D CAD軟件的成熟，大部分制造業已經完成“從2D向3D”的遷移。制造企業在推廣3D CAD軟件時，最大的困境是沒有3D設計資源的積累，導致設計周期變長，無法滿足企業快速響應市場的需求。構建基于3D模型的設計庫(包括標準件庫、外購件庫和企業通用件庫等)是提高設計效率的重要手段。但3D模型設計庫的建庫工作卻并沒有想象的那么簡單，首先要推行設計的標準化、規范化;其次要考慮DBOM/ EBOM中屬性填寫的規范性。本文結合SOLIDWORKS三維軟件介紹如何幫助企業建立三維設計庫，提高企業產品中零部件的復用率及通用零部件的比例，從而幫助企業實現基于三維設計庫的快速設計。

　　二、設計庫模型的獲取與管理困境

　　1、設計庫模型獲取的困境

　　制造企業都將企業產品成分為專用件、變形設計件和通用件，其中通用件比率越高，則設計效率越高、產品成本越低、產品質量越能夠得到保證。其中通用件又分為標準件、外購件及企業自制的通用零部件，但是目前大部分制造企業都沒有建立一個包含企業標準件、外購件和通用零部件的設計庫。因此企業工程師在設計產品時，常常通過以下幾種方法獲取標準件、外購件的三維模型，如圖1所示。

　　◎SOLIDWORKS自帶的ToolBox標準件庫;

　　◎專業的零部件公司如米思米、邁迪設計寶等;

　　◎外購廠商。

　　工程師通過互聯網上獲取三維模型，雖然能夠完成產品設計，但有以下幾個缺點：

　　◎這種在網上調用外購件的方法，獲取的模型屬于工程師個人，不能和其他工程師共享;

　　◎網上零部件種類多，也沒有優選機制，這樣不同工程師調用同類型標準件規格會不一致，增加企業外購件的種類;

　　◎獲取的零部件的物料信息不全，質量屬性也不準確，每次都需要修改才能使用;

　　◎有些模型需要設計修改，設計質量得不到保障。

　　因此制造企業需要將企業常用的標準件、外購件和自制通用零部件進行標準化和規范化整理，并集中統一管理。

　　2、設計庫模型管理的困境

　　制造企業都想擁有自己的設計庫，也都在探索建立設計庫的方法，但是真正將企業設計庫用好的企業非常少，原因有以下幾點：

　　◎企業沒有專職人員對設計庫進行管理與維護，設計庫中零部件數量不斷增加;

　　◎企業沒有上PDM/PLM設計庫，更新慢;

　　◎設計庫結構規劃不合理。

　　因此企業需要標準化部門和“標準化專員”對設計庫進行管理。圖2是基于三維設計庫的產品開發模式，工程師在進行產品設計時對于標準件、外購件和企業自制通用件都是直接從企業設計庫中進行調用，設計庫中的零部件具有優選級和完整的BOM信息，被企業認證過，不需要做任何更改。同時設計庫中的零部件由標準部門和采購部門制定、管理和維護，這樣就真正提高了設計效率。

　　三、設計庫建庫規劃

　　1、三維設計庫的組成

　　通過對企業的產品組成及工作流程的調查，結合SOLIDWORKS CAD及SOLIDWORKS Enterprise PDM的管理功能，對于企業三維設計庫建庫進行規劃。通過分析企業產品組成發現企業產品都可分為專用件、變形設計件和通用件，而存入三維設計庫中的零部件是企業設計復用率較高的零部件及通用件。

　　企業可通用的零部件包括：國標件、行標件、外購件和企業自己定的通用零部件(簡稱通用件)，而制造業三維設計庫可以分為標準件庫、外購件庫及通用件庫。本文介紹的三維設計庫主要是標準件庫、外購件庫和通用件庫。

　　標準件指結構、尺寸、畫法和標記等各個方面都完全標準化，并由專業廠生產的常用的零(部)件，如螺栓、螺母、齒輪和軸承等。

　　外購件是指沒有標準化的零部件，需要企業進行設計和定做，通過外部訂購獲得。

　　通用件是指在不同類型或同類型不同規格的產品中可以互換使用，給予通用編號(或單獨管理)的整(部)件和元器件。每一個企業的系列產品都會由相同的特征、構件和子系統等組成。通用件就是通過分析這些系列產品，提煉出它們中復用率比較高的零部件，進行優化定型，成為企業自制的企標件及通用件。

　　2、三維設計庫建庫的前期準備

　　三維設計庫的建庫工作是對企業三維數據進行標準化和規范化整理，提高三維模型的可重用性，不僅對工程師需要進行嚴格的培訓，傳遞標準化和規范化建模思想，同時需要制定相應的管理標準制度進行管理和維護。本文主要是借助SOLIDWORKS進行三維建庫，建模前需要做以下準備：

　　◎企業可以用SOLIDWORKS定制符合企業三維設計的標準設計模板;

　　◎確定設計庫三維模型的建庫清單;

　　◎確定設計庫三維模型的相關屬性;

　　◎確定設計庫三維模型的命名規范;

　　◎確定設計庫三維模型標準設計規范;

　　◎確定設計庫三維模型管理規范。

　　設計庫建庫最重要的是設計庫三維模型存儲結構的規劃，使工程師在設計過程中能夠快速且準確地從設計庫找到所需的零部件是非常重要的，設計庫結構的規劃既要參照相關標準，又要結合企業的實際情況，將企業產品零部件進行分類，然后存儲到相應的文件夾中去，如圖3所示是一家企業的設計庫文件結構。

　　四、標準件庫的建模庫方法

　　1、標準件庫清單的獲取

　　通過調查發現，大部分工程師都認為標準件庫越全越好，這樣工程師設計在設計時候就不會出現標準件找不到的情況，選用標準件時也不用受到約束，可以隨心所欲地選用標準件。但其實這樣的想法是錯誤的。設計庫的建設同時也是標準化的建設，企業標準件庫中的標準件應該是通過標準化部門分析企業標準件使用情況后得到的，對于標準件庫建庫清單的獲取，需要統計企業使用所有的標準件的種類、規格以及每種標準件使用的頻次，進行篩選統計，選出使用頻次高的定位優選級高，頻次使用非常少的需要和總工程師討論，是否可以取消使用，最終確定一個符合企業產品的標準件建庫清單。這樣得到的標準件清單，具有優選級，不僅可以規范工程師的設計，也可以提高設計效率，同時可以降低管理成本。

　　2、標準件3D模型的來源

　　根據提煉出來的標準件清單，在互聯網到相關平臺如：邁迪設計寶、SOLIDWORKS Toolbox、3D Content Central和3D Source 等獲取3D模型。

　　3、確定模型相關屬性

　　對于標準件而言，其模型的屬性價值大于模型本身，模型屬性根據最終輸出的BOM中的字段來確定，對于多配置，應確保對應配置填寫對應屬性值。不同企業根據自己企業實際情況而定，一般企業標準件模型屬性如下。

　　物料編碼、規格型號、技術參數、材料、重量、名稱、代號、供應商和備注，如圖4所示。

　　4、標準件3D模型處理

　　通過下載獲得的三維模型，因為零部件的模板和自己企業不同，所以需要采用企業三維模板進行替換，這里結合SOLIDWORKS和設計寶的兼容特征，利用設計寶中批量替換圖紙/零件模板的功能給標準件更換模板，如圖5所示。

　　在軟件中打開零部件時，零部件都會占有一定的內存，而模型特征越復雜，所占內存越大。標準件模型特征雖然比較簡單，但是在大型裝配體中標準件數量一般占比都很大，數量達到一定量時，會使大型轉配體操作緩慢，所以我們需要將標準件模型特征進行簡化，標準件模型最重要的是接口形狀，所以我們可以將一些細小特征進行刪除/壓縮，如圖6所示。

　　模型簡化完之后，填寫好模型的相關屬性，模型的體積發生變化，質量也隨之改變，所以我們可以利用SOLIDWORKS質量覆蓋功能，將零部件準確的質量屬性填寫到屬性欄中，確保質量屬性的準確性，如圖7所示。

　　對于標準件，每次都以同樣方法配合的零部件，在SOLIDWORKS中可以設定配合參考以定義使用的配合及用作配合的零部件幾何體。

　　配合參考指定零部件的一個或多個實體供自動配合所用。當用戶將帶有配合參考的組件拖動到裝配體中時，SOLIDWORKS軟件會嘗試查找具有相同配合參考名稱與配合類型的自動組合。因此在建標準建庫時，給每一個標準件添加配合參考，將其變成智能零部件，這樣在調用時就能快速的自動配合，添加參考配合步驟如圖8所示。

　　為設計庫中的模型都是經過工程師審核后定型的，不需要更改，為防止意外更改，我們可以將設計樹進行凍結，操作如圖9所示。

　　檢查零部件的命名是是否規范如圖10所示，本文定義的三維模型命名結構為：代號(圖號)_名稱_規格型號_材料_技術參數，符合要求即可入庫。

　　在設計庫中調用標準件時，只需要將標準件拖到裝配體中就能自動鎖定配合位置，如圖11所示。

　　五、外購件庫的建庫方法

　　1、外購件庫清單的獲取

　　外購件清單的獲取，需要分析公司所有產品使用的外購件種類，采用矩陣表方法，分析出企業產品中外購件的使用頻次，再和總工程師、標準化部門以及采購部門討論確定，哪些是常用的，定為優選，哪些是特殊產品上使用的定為次選，再將其中因為工程師設計的隨意性而產生的外購件進行禁用處理，這樣控制工程師選擇外購件的隨意性，最后確定外購件的建庫清單。

　　外購件庫3D模型的來源：

　　◎通過互聯網在專業的設計庫平臺上下載;

　　◎外購廠商提供，你需要處理;

　　◎自己建模。

　　通過互聯網在專業的設計庫平臺上下載的外購件三維模型，三維模型都是比較準確的，只需要將模型的相關屬性填寫完整即可。

　　2、外購件模型的簡化方法

　　由外購廠商提供的三維模型，由于供應商需要保護企業的知識產權，提供的三維模型一般只有外觀主要接口尺寸準確，零件內部細節尺寸、質量屬性和部件的結構組成都會不準確，因此需要工程師進行相應的處理。

　　對于外購件三維模型，大部分都是簡化內部細節建模的，模型的質量屬性都不準確，所以需要利用SOLIDWORKS的質量覆蓋命令將正確的質量屬性填寫進去。然后在確保接口尺寸準確的前提下，將模型進行進一步簡化。簡化特征，可以使用SOLIDWORKS的Defeature命令，可以快速地將零部件的細節特征簡化，同時還可以將部件快速簡化成為零件，如圖12所示。

　　3、自己建模的外購件的建模方法

　　大部分外購件的三維模型可以在互聯網下載，或者由供應商提供。但仍有少部分外購件找不到三維模型，需要自己建模。自建外購件三維模型時應該遵循以下建模規則：

　　◎如果沒有可運動的子部件或零件，則裝配體也要按零件建模;

　　◎有可運動的子部件或零件，則按照裝配體建模，體現運動關系(滾輪);

　　◎零部件只需接口尺寸準確即可，復雜特征不需要畫出來;

　　◎因為是簡化的三維模型，所以建完模型后需要賦予重量值;

　　◎建完模型后，將設計樹進行鎖定(此操作可以加快零部件的打開速度);

　　◎填寫相關屬性。

　　下面以平底固定腳輪為例講解外購件的建模方法。平底固定腳輪是一個裝配體，但是作為外購件，只需要確定其主要結構尺寸和機構尺寸、相關屬性準確，對于細節特征可不需要建模，如圖13所示(需要更加細致的介紹建模方法)。

　　六、企業設計庫的管理

　　設計庫建好后，可以放在SOLIDWORKS MCAD環境下的設計庫中，這樣工程師在設計時候，就可以輕松方便地調用。結合SOLIDWORKS與PDM的無縫集成，將設計庫中的三維模型存儲到PDM系統中，這樣就可以基于PDM設置權限管理，實現不同用戶的訪問權限管理的設置，對于入庫的設計庫，不允許無權限的使用者修改設計庫中的三維模型，方便設計庫的維護管理。同時在PDM環境下工程師時刻都能獲取庫中最新、最全的三維模型，同時可以根據三維模型的不同屬性，快速搜索到自己想要的三維模型，如圖14所示。

　　七、結論

　　本文總結了制造企業提高產品設計效率、降低設計成本的方法，對掌握基于設計庫的產品開發模式的需求進行研究。將產品組成分為專用件、變形設計件和通用件，詳細地闡述了如何建立屬于企業自己的通用零部件設計庫，并指出設計庫的管理方法可以結合PDM進行有效的管理，幫助制造企業建立屬于自己的設計庫。