0 引言

    日趨激烈的市場競爭，要求機械產品研發趨向于更快、更好、更新的設計模式。在當前迅速發展的三維建模技術、信息技術、網絡化協同技術、數據庫技術的積極推動下，大型復雜產品的研制生產模式由傳統的瀑布式串行方式逐漸向并行化、數字化、智能化方向發展。結合現代企業跨組織協同、分布式團隊和設計資源分散性的特點，研究面向大型復雜產品的并行式網絡化協同設計方法已經成為產品跨時間、跨空間、多學科設計領域的研究熱點。對于結構型式固化程度高或相似件較多的產品引入參數化設計技術，使得快速設計更加切實可行。

    目前，國內外學者對網絡化協同設計和參數化設計進行了大量研究，并取得了不少成果。為解決復雜產品設計過程中信息、資源共享與集成問題，提出了一個面向服務的、開放式的協同設計平臺；結合多學科協同設計優化理論，提出一個基于SORCER的面向復雜產品的協同設計系統，并給出了系統的架構以及工程軟件工具封裝與集成為服務的方法；基于產品信息模型進行設計信息的通信與交流；依托PDM環境，基于參數化布局模型特征實現遠程協同設計；描述了異域異構分布式協同設計的結構模型、環境模型、過程模型與集成模型；結合參數化設計技術，通過用戶交互的形式，實現多用戶實時狀態下多點協同設計；研究了支持變型設計的產品建模方法和參數傳遞結構；在零部件級的參數化技術的基礎上，結合層次型數據表技術，實現對產品級三維參數化模型進行聯合驅動。但是，從總體上講，針對網絡化協同設計過程的相關研究還不夠深入，存在以下問題：

    (1)設計過程信息共享程度低、傳遞速度慢，且多為靜態信息；

    (2)網絡化協同設計平臺架構繁多，協同交互方式種類較多，尚難以提供一個廣普的構建方法；

    (3)單機運行模式、集中求解的研究較多，分布式并行驅動求解的相關研究相對較少；

    (4)網絡化協同設計與參數化設計沒能有機地結合起來。

    針對以上不足，本文在已開發的面向多用戶的鑄造起重機數字化設計平臺的基礎上，提出了以“多客戶端/單服務器/多工作站”(Multi Client Single Server Multi Workstation，簡稱C/S/W)為工作模式，以輔助開發的Message信息模塊為各端實時通訊的工具，構建了基于分布式并行驅動求解的參數化協同設計模型。以鑄造起重機小車架設計過程為例，對其進行逐層分解，劃分參數等級，動態實時的提交設計參數，完成參數化模型驅動、參數化有限元分析、到產品圖紙生成的自動化一體設計。

1 參數化協同設計關鍵技術

    1.1 分布式模塊化設計

    針對一個復雜產品設計問題的不同方面所涉及到不同領域的專門知識，它們不可能為一個單一的設計者所精通。因此一個設計問題的不同方面，可以由這些在不同學科方面具有核心競爭力的人或機構來解決。定義一個復雜產品設計問題，可以在客戶需求的驅動下，根據質量機能展開原理(QFD)實現產品功能分解成一系列模塊化子問題。如不同型號、不同工作級別、不同起重量、不同跨度的鑄造起重機金屬結構具有較高的相似性，各個組成部分具有獨立的功能。根據功能及結構獨立性原則，按照“產品—部件—子部件”的模式可以分解為橋架、附屬結構、小車架等若干子問題，如圖1所示。

圖1 鑄造起重機金屬結構模塊劃分

    根據模塊相似性原則，對每一個子問題設計模塊接口(接口草圖、接口尺寸)，按照既定的編碼規則進行模塊編碼。每個模塊代表著設計問題的一部分，通過公共程序解決其共性問題，編制部分程序解決其特性問題，交互式的對內部數據和方法進行操作和管理。各個設計模塊對一個共享的產品信息模型共享，實現產品信息的通信和交互。

    1.2 參數化設計

    參數化設計是以幾何關聯約束、尺寸約束、結構特征約束為技術基礎，包括對結構形式相似的系列三維模型的主動尺寸直接修改使其他從動尺寸間接更新而得到的三維模型，與三維模型參數相同的有限元分析校核，與三維參數化模型相關聯的工程圖的視圖比例、位置、尺寸、序號、注釋、BOM表等相關信息的自動更新與優化調整，以及工藝信息統計等內容。遵循分步建模、對稱建模、模板最大化等原則，采用采用自頂向下和自底向上相結合的布局草圖裝配方法，建立全息參數化模板，將幾何信息和非幾何信息全部用參變量進行動態表征。采用基于逐層分解、分級驅動的原則，如圖2所示，即按照產品的分解層次，以“零件—子部件—部件—產品”的順序，實現產品級的參數化變型設計。

圖2 驅動原則

    1.3 網絡化協同設計平臺

    網絡化協同設計平臺是指在廣域網環境下，分布在異地的設計人員，在基于計算機的虛擬協作環境中，圍繞同一個產品設計任務，承擔相應的部分設計任務，并行、交互、協作地進行設計工作，共同完成設計任務的設計方法。平臺的構建涉及到用戶的并行工作過程、用戶訪問控制以及沖突消解的解決方案，其拓撲結構如圖3所示。

圖3 網絡化協同設計平臺的拓撲結構

    支持多用戶依托該平臺進行并行交互式的工作，用戶根據客戶端平臺可以自主的設計新產品，提交部件參數，直接通過平臺完成部件設計任務。服務器存儲數據、產品文檔，實時接收與維護數據，保證數據能夠同步更新，有條不紊的工作。參數化模型驅動、有限元分析校核及工程圖優化調整過程耗時較長，計算量較大，是設計過程的瓶頸所在。為了消除瓶頸點設定多臺工作站進行并行求解計算工作，基于同一個數據庫和同一個電子倉庫，以項目為單位，將任務自由分配給請求的工作站，根據其運算能力的強弱，實時獲取求解任務，一旦任務執行完成，出現空閑工作站，就自動將尚未完成的任務重新分配，實現多臺工作站實時請求，并行驅動求解的工作狀態，最后將產品文檔檢入到電子倉庫中。

2 分布式并行驅動環境組成

    2.1 運行環境的體系結構

    基于客戶機/服務器(Client/Server，C/S)架構的應用程序，具有較強的事務處理和數據處理能力，數據的協調性、完整性和保密性較高，但是面對不同的硬件設備，項目成員的不斷變化，C/S網絡架構適應性很差，不能滿足這種變化要求；基于瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)的網絡架構在一定程度上大大簡化了客戶端，即一個Web瀏覽器就可充當客戶端的角色，但它在完成項目管理、權限分配、角色制定、任務分工等復雜的工作時又顯得非常困難。結合B/S和C/S各自的優勢，提出了如圖4所示的具有混合網絡模式的三層體系結構，依次是支撐層、功能層和用戶層。

圖4 運行環境的體系結構

    (2)功能層

    功能層由平臺服務層、應用服務層及應用系統層組成。以平臺服務層為基礎，分布式協同控制機制負責用戶通訊，信息交互傳遞；角色權限管理模塊給用戶分配角色，劃分任務；產品信息模型共享保證不同用戶設計過程中信息的同步性；數據并發控制機制保證參數表數據的一致性和有效性；參數容錯機制觸發實時監控提交參數的合理性。以應用服務層為核心，將客戶的需求參數轉換為產品模型結構參數，合理的確定產品模型結構，根據現有的設計規范和標準，編制設計計算程序，保證尺寸參數來源的可靠性，通過程序將參數提交到數據庫服務器。以應用系統層為輸出終端，與用戶層直接交互作為其顯示形式，設計計算與參數設置模塊構成人機交互平臺，模型驅動與配置設計完成新產品模型的更新，有限元分析模塊用于對輸出結果的有效性進行檢驗評估，工程圖優化調整模塊完成輸出圖紙的后期處理，保證圖紙的規范性和實用性，參數化文檔管理模塊依托PDM思想，以項目為單位，進行文檔信息管理。

    (3)用戶層

    用戶層是集成設計平臺的最終體現形式。用戶通過人機交互界面向數據庫服務器提交設計參數，交互界面具有良好的用戶信息提示，可以實現半自動化式的操作。參數化設計文檔通過Checkin模塊檢入到PDM電子倉庫，具有既定的版本方案和全生命周期解決方案，用戶通過PDM客戶端或PDM查閱器審閱文檔。

    2.2 基于Message模塊的信息交互

    通過輔助開發的Message信息模塊，實現信息共享，彼此通訊，工作指令順暢傳遞，指令或信息流向如圖5所示。具體通訊機制如下：

    協同小組設計成員在客戶端工作組通過參數設置程序完成其所屬部件的參數設置、設計計算、有限元分析設置，并將設計參數提交到數據庫服務器中；數據庫服務器實時接收數據并更新部件參數表狀態值；工作站工作組循環遍歷項目狀態表特征值的變化情況，根據既定條件觸發程序工作，進行參數化模型驅動、參數化有限元分析校核、工程圖優化調整和工藝信息統計等工作，生成產品數據文檔(三維模型、工程圖、BOM表、工藝信息表、分析報告等)，通過Checkin模塊將其檢入到文件服務器的電子倉庫中；此時對應部件的參數表information字段值發生變化，表征產品數據文檔已經生成并上傳至文件服務器中；設計人員通過PDMWW客戶端查閱或檢出所屬權限的產品數據文檔，進行修改更新。其中客戶端工作組負責產品數據提交及文檔修改與檢閱；服務器端主要負責產品數據存儲與維護，產品文檔管理，并傳遞信息提示和工作指令；工作站主要負責參數化模型驅動、參數化有限元分析校核和工程圖優化調整，根據用戶的設計要求生成相應的模型和工程圖，并將生成的產品文檔自動檢入到文件服務器中。

圖5 基于Message信息模塊的通訊機制

3 參數化協同設計過程框架模型

    基于上述設計思想，以某型號四梁四軌鑄造起重機的金屬結構為前期基礎模塊，利用面向對象的開發工具Visual Basic 6.0，以SolidWorks 2011為三維設計平臺，以MS Access2007、SQL Server 2000為數據庫管理軟件，以具有混合網絡模式的三層體系結構為框架，搭建以“多客戶端/單服務器/多工作站”(C/S/W)為工作模式的面向多用戶的鑄造起重機參數化協同設計模型。主要包括：角色權限分配、三維結構設計、參數化設計、數據庫管理四個功能模塊，如圖6所示。下面逐一對其進行介紹。

圖6 面向多用戶的鑄造起重機參數化協同設計模型框架

    3.1 角色權限分配模塊

    支持多用戶的網絡化協同設計平臺，提供以項目為單位的操作文件讀寫權限控制，子項目可以從父組獲取相應的操作權限，系統用戶只對某一個或某些項目具有可讀、可寫或讀寫權限，同時可以對具有相同設計權限的協同小組一次性賦予操作權限，所有的授權操作僅限于庫管理員pdmwadmin。在此基礎上，開發面向客戶端工作組的鑄造起重機數字化設計平臺將用戶分為一般用戶、主任設計師、系統管理員、超級用戶，不同的用戶類型具有不同的操作權限。按照產品部件進一步細分協同小組成員的設計權限，根據不同的圖標來區分設計工程師所具有的操作權限。不同角色的用戶具有不同類型的操作權限，以主任設計師新建項目、分配設計人員為設計任務的起點。

    3.2 三維結構設計模塊

    以客戶需求驅動為基礎，根據行業現有的設計標準和設計經驗，結合企業需求，對產品功能模塊進行詳細分析，根據質量機能展開原理(QFD)實現功能模塊到產品結構的映射；按照產品模塊劃分方法和原則，將鑄造起重機金屬結構劃分為多級模塊，定義模塊之間的接口；根據模板最大化原則，采用布局草圖裝配和動態全息模型的方法建立參數化模型模板和工程圖模板；編制關鍵部件的設計計算程序(強度、剛度校核計算)。在Visual Basic 6.0編譯環境下，建立求解計算對象的人機交互界面，編制后臺設計計算程序，將各種計算常數、公式以及一些經驗值均用參數變量進行表征出來并寫入到設計計算模塊中。協同小組成員根據圖形界面動態更新設計參數表(部件參數表、系統數據表等)，對工作站發出工作指令。

    3.3 參數化設計模塊

    以模板圖紙為依據，合理劃分零部件的參數等級(一級參數、二級參數等)以及主從關系，并確定其合理的參數變化區間和結構變化空間，確定整機及各零部件之間的約束關系、關聯尺寸和尺寸傳遞方向；添加全息模型的幾何信息與非幾何信息，并且與圖紙相關聯；定制參數設置界面(人機交互界面)，并添加二維、三維動態預覽功能，用于動態提交設計參數；開發參數化驅動程序、參數化有限元分析程序(命令流文件編制、產品數據導入、分析結果導出、計算書生成等)以及工程圖優化調整程序(視圖位置調整、視圖比例調整、尺寸位置調整、零件序號調整、注釋類調整、懸空內容刪除等)，生成新模型并對其進行同參數有限元分析校核，根據校核結果判斷是否進行工程圖優化調整，合理則調優出圖，否則重新提交或修改設計參數；將產品數據文檔通過Checkin模塊檢入到電子倉庫，進行版本控制和全生命周期管理。

    3.4 數據庫管理模塊

    以MS SQL Server 2000與MS Access 2007為數據庫系統管理軟件，將所有的產品數據參數表、標準件參數表、工藝信息統計表、有限元分析參數表以及設計知識都存儲在服務器同一數據庫HRCraneDB_2011中。涉及到數據連接、數據表創建、數據庫的備份與恢復、數據并發處理和數據容錯與容災等功能模塊。為了避免出現誤讀、誤寫、不完整和不一致的產品數據，采取事務處理和鎖機制的方式控制用戶對數據庫進行讀寫訪問。

4 工程實例應用

    以某型號四梁四軌鑄造起重機小車架的設計過程為例，簡要說明面向多用戶的鑄造起重機參數化協同設計系統在機械產品研發中的應用。小車架通過臺車組或車輪架運行在橋架的主梁軌道上，承載著起升機構及小車運行機構。根據設計任務量的權重系數組織項目，分配協同小組成員的工作，配置工作環境及硬件設施，成員之間通過Message信息模塊相互通訊，依托系統相互調用或借鑒彼此的設計文檔。以不同的基本參數為界限，分別創建不同的項目和產品，以項目為單位組織設計任務，通過角色權限設置模塊將設計任務細分到部件分配給協同小組成員，如A負責小車架總裝參數的確定、B負責小車端梁的設計、C負責定滑輪組梁的設計、D負責卷筒組梁的設計、E負責電機梁的設計、F負責運行機構支架、車輪架、起升減速器座子的設計、G負責審核、H負責會簽等等。

    通過客戶端工作組動態設置小車架的裝配尺寸及各部件的位置尺寸，各個子部件根據總參表讀取上級尺寸并設置其詳細尺寸，提交到各自參數表中，如tb_Main_T，其參數設置界面如圖7所示；同時定義用于有限元分析的相關參數(材質、單元類型、網格劃分方式等)存儲在相應的數據表中；實時遍歷項目狀態表及部件參數表，向閑置待命的工作站發出工作指令，設計任務合理分配到各工作站，并行完成驅動運算任務，包括生成新的三維模型，如圖8所示，對其進行同參數有限元分析校核，根據分析結果判斷是否要對工程圖進行調優，并將產品文檔檢入到PDM電子倉庫中。

圖7 小車架總裝參數設置界面

圖8 驅動后小車架總裝模型

5 結束語

    本文將分布式模塊化設計、參數化設計與網絡化協同設計等方法有機地結合起來，提出了具有混合網絡模式的MCSSMW體系架構，基于Message信息模塊構建了面向多用戶分布式并行驅動的參數化協同設計過程模型。根據鑄造起重機結構型式固化程度高的特點，開發了面向多用戶的鑄造起重機參數化協同設計系統。依托該系統能夠實現“參數提交—設計計算—模型驅動—有限元分析校核—工程圖優化調整”的一體化設計。該方法的應用與推廣能夠顯著提高起重機產品的設計效率達三倍以上。

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本文標題：基于C/S/W的參數化協同設計平臺研究

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