石海林，仲梁維，李晶晶，王 祥

（上海理工大學機械工程學院，上海200093）

1 概 述

本設計根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)實踐提煉出來。在開發(fā)該系統(tǒng)之前，對生產(chǎn)企業(yè)進行相關的調(diào)查研究，通過這一調(diào)查，了解企業(yè)產(chǎn)品線、產(chǎn)品設計思路、制造工藝、產(chǎn)品管理等一系列信息。電纜接頭快速設計系統(tǒng)能夠完成產(chǎn)品的整個參數(shù)化設計，最終得到電纜接頭零部件三維模型圖與二維工程圖、企業(yè)內(nèi)制零件的工藝文檔、BOM表和使用說明書等技術資料；產(chǎn)品模塊劃分明確，而且很多相似零件之間經(jīng)常出現(xiàn)相互借用，其制造工藝過程相對來說標準化程度高，借用重用度高，非常適合在基于產(chǎn)品族的情況下利用特征參數(shù)化設計的方式實現(xiàn)產(chǎn)品快速優(yōu)化設計。產(chǎn)品族參數(shù)化模型關系的建立及流程如圖1所示。

2 產(chǎn)品族特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫

產(chǎn)品族的事物特征包括幾何、制造、功能、材料、成本等五類特征，如圖2所示為產(chǎn)品族的事物特征信息圖。產(chǎn)品族集合可用產(chǎn)品事物特征表的二維表方式進行表示，每個零件實例用一行數(shù)據(jù)信息表示，該產(chǎn)品族中行代表零件個數(shù)，列代表零件特征個數(shù)，以此種數(shù)據(jù)表的格式表示相似零件可以減少存儲量，提高資源利用率［1］。

圖1 產(chǎn)品族參數(shù)化模型建立關系及流程圖

圖2 產(chǎn)品族事物特征分類圖

為了將圖2所示的諸多事物特性進行存儲，用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對其進行存取。設計數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)之前得先分析、整理即將放進數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，明白整個系統(tǒng)的需求。分析各數(shù)據(jù)的組成結構及其相互之間的關系，清楚整體數(shù)據(jù)庫的結構并用相關的方式將其表示出來［3］。

3 快速設計系統(tǒng)總體框架

本課題在特征及產(chǎn)品族理論和快速設計系統(tǒng)關鍵技術論證的基礎上，創(chuàng)造性地將其應用于電纜接頭的設計中，開發(fā)了基于特征及產(chǎn)品族的電纜接頭快速設計系統(tǒng)。企業(yè)中系列化、通用化和標準程度高的產(chǎn)品，產(chǎn)品設計所采用的數(shù)學模型及產(chǎn)品結構都是相似的，只是在結構尺寸方面或某些特征上有所差異［4］。對于電纜相關產(chǎn)品接頭的設計，在基于客戶需求劃分出產(chǎn)品族的基礎上，分析產(chǎn)品族中各產(chǎn)品的特征，抽象出產(chǎn)品平臺模型，把決定產(chǎn)品規(guī)格的基本參數(shù)用對應的變量替代，然后根據(jù)已知條件，對實例數(shù)據(jù)庫進行檢索，并將檢索的結果返回系統(tǒng)，或者進行修改，或者保持原數(shù)值，再由專門的Creo三維軟件在屏幕上自動的生成三維模型、工程圖。電纜接頭快速設計系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

4 電纜接頭產(chǎn)品族模型

根據(jù)產(chǎn)品族確定的產(chǎn)品族模型攜帶了產(chǎn)品全生命周期中的所有信息，即包含為了實現(xiàn)同一客戶需求群的需求所具有的產(chǎn)品功能、產(chǎn)品原理、產(chǎn)品結構等方面的信息，它是信息的載體［7］。由客戶需求劃分出產(chǎn)品族，提取出同一類產(chǎn)品族中的相似功能結構和性能，并將主參數(shù)提取出來，構建參數(shù)化的變量模型。用Sql Server數(shù)據(jù)庫將產(chǎn)品族的諸多事物特性值進行存儲，可以很方便的對產(chǎn)品族主模型進行產(chǎn)品的變型設計。在企業(yè)調(diào)研的基礎上得知，現(xiàn)在企業(yè)的產(chǎn)品有：快速軟管接頭、電磁兼容電纜接頭、90度直角軟管接頭、防水夾緊軟管接頭、卡套式金屬管接頭、旋轉適配器、直角金屬管接頭、45度金屬管接頭、歐標金屬管接頭等。面對如此多的電纜接頭類產(chǎn)品，運用產(chǎn)品族劃分知識將其進行聚類整理。我們對企業(yè)調(diào)查來的大量客戶需求進行聚類分析，得出企業(yè)的產(chǎn)品族分類，如圖4所示。

圖4 電纜接頭產(chǎn)品族的劃分

根據(jù)圖4劃分出來的電纜接頭及電纜軟管接頭的產(chǎn)品族，以及在此基礎上得出的相關產(chǎn)品族模型，接下來選擇各個產(chǎn)品族模型中有代表性的產(chǎn)品來進行說明，分別為金屬電纜接頭模型、電纜金屬軟管接頭模型、夾緊軟管接頭模型等。

電纜接頭是連接電纜，保持線路暢通的關鍵部件，在對企業(yè)客戶需求的分析中得出金屬電纜接頭的主要參數(shù)為：螺紋制式、螺紋長度、線徑等數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)品族的分析得出主模型如圖5所示。

圖5 電纜接頭三維模型及其主要參數(shù)

5 電纜接頭產(chǎn)品族數(shù)據(jù)庫設計

電纜接頭及軟管接頭模型元件的部分數(shù)據(jù)信息保存在Sql Server數(shù)據(jù)庫中，通過讀取數(shù)據(jù)庫中相應字段中的數(shù)值及模型中的參數(shù)，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)賦值給模型中的尺寸變量，從而驅動模型的更改。在關系型數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)表的確定是設計中最為重要的因素［9］。每一個接頭產(chǎn)品族基型對應一個數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表為二維表，表中的每一行表示一個接頭實體，表中的每一列表示接頭實體的一個屬性。接頭產(chǎn)品族基型的數(shù)據(jù)表通過料號和版次唯一確定一個實體接頭類型。以金屬電纜接頭為例，其產(chǎn)品族基型設計信息表如表1所示，對應的數(shù)據(jù)庫表如圖6所示。

表1 金屬電纜接頭設計信息表

圖6 金屬電纜接頭數(shù)據(jù)表

本課題將企業(yè)接頭類產(chǎn)品分成了電纜接頭、電纜金屬軟管接頭、電纜塑料軟管接頭這三大產(chǎn)品族。在這三大產(chǎn)品族的基礎上，根據(jù)特征確定三大產(chǎn)品族系列的基本組成、結構和功能，并將這些產(chǎn)品族基型通過一定的方式歸類儲存，劃分出產(chǎn)品族下的不同基礎模型。通過對企業(yè)接頭類產(chǎn)品現(xiàn)有知識資源的分析，得出各產(chǎn)品族基礎模型的主驅動參數(shù)、次驅動參數(shù)以及被動驅動參數(shù)，并根據(jù)以往的設計數(shù)據(jù)，將各產(chǎn)品族基礎模型的驅動參數(shù)值導入數(shù)據(jù)庫中，形成新設計產(chǎn)品的數(shù)據(jù)源。根據(jù)分析建立的電纜接頭及電纜軟管接頭產(chǎn)品族數(shù)據(jù)庫如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)產(chǎn)品族數(shù)據(jù)庫

6 電纜接頭系統(tǒng)模塊設計

作為企業(yè)多元化的產(chǎn)品類型，電纜接頭產(chǎn)品族有公制、英制和美制系列，材料有尼龍和黃銅鍍鎳，在功能上除了常用類型還有多孔接頭、電磁屏蔽接頭和防折彎接頭等。通過對產(chǎn)品族基本組成、結構和功能的歸類整理，本節(jié)將以電纜接頭產(chǎn)品族的一種基型為例講解電纜接頭的快速設計思路。

為了能夠實現(xiàn)流暢的人機交互，根據(jù)企業(yè)的實際情況，本系統(tǒng)采用樹形框架結構設計用戶管理模塊。根據(jù)企業(yè)工程部的管理級別：經(jīng)理、主管、工程師、助理工程師，分別將權限管理、用戶增刪及密碼修改等功能分配給不同的角色。具體的分配關系如圖8所示。

系統(tǒng)的用戶界面是應用程序和用戶交流數(shù)據(jù)的接口，是一個整合程序各模塊的框架，并為用戶提供進入不同模塊的功能，最后系統(tǒng)把模型等信息輸出給用戶。

圖8 用戶管理架構圖

根據(jù)圖3所示的本課題快速設計系統(tǒng)框架圖，系統(tǒng)通過圖9所示的界面將用戶操作模塊、產(chǎn)品族快速設計模塊和其它操作模塊集合起來，此界面為本系統(tǒng)的主界面。

圖9 系統(tǒng)主界面

該系統(tǒng)的開發(fā)面向所有的設計人員，用戶在打開程序后，首先進入的是系統(tǒng)主界面，如圖9所示。然后選擇菜單欄上面的“用戶登錄”進入用戶登錄界面。

進入主界面后，選擇電纜接頭系列進入如圖10的設計界面。設計者首先通過產(chǎn)品料號和版次檢索實例數(shù)據(jù)庫，看實例數(shù)據(jù)庫中有沒有相似產(chǎn)品實例，查詢到相似實例則導入新項目，將相似實例的數(shù)據(jù)自動填充到設計界面各零件的相應參數(shù)值框中，再根據(jù)設計需要進入各級零件界面進行實例數(shù)據(jù)調(diào)整，最后把調(diào)整好的數(shù)據(jù)存入實例數(shù)據(jù)庫。

圖10 金屬電纜接頭設計界面

在沒有檢索到相似產(chǎn)品的情況下，需進行金屬電纜接頭全新設計，首先點擊“新建項目”進入金屬電纜接頭整體設計界面，根據(jù)設計者要求填寫產(chǎn)品料號、版次、日期、設計者和比例，以及根據(jù)客戶要求填寫接頭主要參數(shù)規(guī)格型號、螺紋制式、螺紋長度和線徑等。

輸入完金屬電纜接頭整體數(shù)據(jù)之后，將分別對模型的各零件進行設計。在對金屬電纜接頭（M制螺紋）的各零件分步設計時，設計順序非常重要，根據(jù)實際調(diào)查和應用性研究，確定設計順序為：尼龍內(nèi)芯、橡膠密封件、接頭身體、接頭帽子、O型密封圈和螺母。根據(jù)上述規(guī)劃的零件設計順序，參數(shù)化設計每一個零件。首先設計尼龍內(nèi)芯，通過設計界面將客戶需求的數(shù)據(jù)填入相應的空格中，打開模型和工程圖檢查是否符合設計要求。

其它零件的設計方法和尼龍內(nèi)芯的設計方法相似，按順序對橡膠密封件、電纜接頭身體、電纜接頭螺帽等進行設計，設計過程中要對各個模型和工程圖依次進行檢查，所有零件檢查核對之后，把參數(shù)存入實例數(shù)據(jù)庫，作為下次設計的推理實例使用。隨后需要生成三維裝配模型和裝配工程圖以及BOM表，這里生成的裝配模型和裝配工程圖主要用于檢查最終生產(chǎn)出的成品是否會有干涉現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)有問題，要及時處理更改，以免造成企業(yè)的損失。最終電纜接頭裝配模型如圖11。

圖11 金屬電纜接頭裝配三維圖

7 結束語

本論文從電纜接頭產(chǎn)品層面出發(fā)，將產(chǎn)品族理念引入電纜接頭的設計中，同時考慮到電纜接頭重復設計多、設計效率低、設計過程不規(guī)范、設計知識沒有積累等問題，提出了在電纜接頭產(chǎn)品族基礎上進行快速設計的方法。該系統(tǒng)在保證模型設計準確的前提下，大大提高了企業(yè)產(chǎn)品的設計效率，增加了產(chǎn)品設計的多樣性，從而降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本，增加了企業(yè)的市場占有率，為企業(yè)創(chuàng)造更多的收益。

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