桥式起重机产品平台构建技术研究

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产品平台是近几年国内外兴起的产品设计及制造的新思维、新方法，成为国内外学者研究的热点。

产品平台1的本质简单地说：是-系列物理拈和非物理模块的集合，通过这些拈可以派生出不同的产品。利用产品平台方法可以有效地、便捷地派生出系列产品，增加产品品种，满足不同的细分市惩迅速变化的市场需求；同时，面向产品平台可以实现技术、工艺重用和技术转移，从而避免不必要的重复设计，有效地降低新产品创新风险和开发成本，降低零件库存等；此外，产品平台有利于产品形象和企业形象的塑造。Simpson将产品平台的设计方法分为两种[1，第-种方法是 自顶向下法，它是-种前置平台设计方法，即有意识的提前确定-个通用的产品核心来开发产品族。第二种方法是自底向上法，它是-种后置平台设计方法，即对存在的-组产品进行重新设计，通过将部件标准化、拈化，创造出更具有竞争力的产品。文献喂 出产品族概念设计方法(Product Platform Concept Exploration Method，PPCEM)实现基于参数变化的产品族设计。Stone提出基于现有产品功能分析的定量功能模型的产品族设计方法[3-41。Stone拈化产品族设计方法在建立产品功能结构时充分考虑用户需求，通过建立功能结构图，划分拈，确定各产品的共享拈，从而建立平台。

但这些研究主要关注产品平台设计理论和方法，结合大型桥式起重机产品平台的构建实践，系统论述构建产品平台的总体方案和关键技术，为产品平台构建提供借鉴。

2桥式起重机产品平台的总体方案和框架大型桥式起重机属于重型装备，结构复杂，同时随使用要求与工况的变化，结构尺寸变化较大，是-种典型的定制产品，设计过程中许多零部件重复设计，造成设计任务繁重，增加产品制造成本。相关企业具有多年设计、制造的经验，积累了数百台产品数据，为产品平台构建提供了较好的条件。

在研究产品平台理论与方法的基础上 ，我们综合运用Simpson提出的自顶向下法”和自底向上法”，结合企业设计实践，提出桥式起重机产品平台的构建方案和框架。该方案以拈化为基础，参数化建模为工具，PLM作为集成管理工具，构建桥式起重机产品平台，实现快速设计。在对大量的产品案例分析的基础上，进行产品族规划、拈化分析、处理，产品设计知识整理、描述，参数化建模，形成企业规范的产品参数化拈库、产品实例来稿日期：2012-03-09基金项目：国家 863先进制造与自动化技术主题资助项目(2005AA415240)，2008年获中国机械工业科学技术二等奖作者简介：王建正，(1964-)，男，山西，博士，正高，硕士生导师，主要研究方向是产品平台、CADLM、企业信息化第 1期 王建正等：桥式起重机产品平台构建技术研究 127库、设计计算方法库，再利用PLM技术，建立集这些资源库、CAD/CAE/CAPP/Office等设计工具于-体的协同设计平台，实现产品方案设计、变型设计和配置设计，快速满足客户化定制需求的同时，设计标准化，降低产品成本。其总体架构(图略)。

该平台架构包括平台应用层、平台开发层、工具层和计算机环境层等。

平台应用层：进行起重机产品客户化设计或产品族设计，根据客户的需求参考产品实例，利用设计计算库，进行方案设计、快速报价，优先利用产品拈配置及变型设计，如拈库中没有适合参考利用的再进行特殊设计，这样既缩短定制产品的交货周期，同时降低生产成本。

平台开发层：分析市场需求及产品设计案例、进行产品族规划 、设计知识整理、拈化处理、参数化建模及拈评价 ，形成规范的拈库、知识库，并利用PLM实现集成和管理。

工具层 ：包括各种设计工具(CAD/cAE/CAPP/CAIⅥ/OFFICE等)和PDM管理及集成工具，并实现整个系统的集成。

3构建产品平台关键技术3.1面向产品平台的拈化技术3.1.1桥式起重机产品族规划根据起重机设计规范及多年的设计制造经验，桥式起重机的主参数-般包括起重量、工作级别、工作速度、起升高度及跨度等，这些参数表征了桥式起重机的主要性能特征，也是选型与设计的依据，决定或影响起重机的结构型式和尺寸的确定以及电动机 、减速器、制动器、卷筒和车轮等重要部件的选择。因此我们将桥式起重机的主参数作为产品族规划的依据。

3.1.2桥式起重机产品族拈划分桥式起重机产品(机械部分)产品组成结构，如图 1所示。

(互垂五)图 1桥式起重机产品结构Fig.1 Bridge Crane Product Structure构建产品平台的目的是通过拈的配置和变型来实现产品的快速设计，必须处理好拈通用性和客户需求多样性的关系，为此我们确定了如下划分拈的原则：(1)拈功能相对独立，结构完整，便于拈的修改与替换。

(2)尽量使拈的划分与企业现行的零部件相对应，与企业现行的设计及制造规范-致，易于实施。

(3)尽量将产品族中组件结构变化较多的部分单独划分模块。

(4)将客户经常定制的部分作为独立拈，便于特殊设计，以满足用户的个性化需求。

经过对 300余百台(100-450)t桥式起重机产品案例分析，总结产品结构和功能特点，其桥架、大车运行机构、小车架、小车起升机构、小车运行机构的结构型式虽然变化较多，但经常使用的结构型式可以归纳为四种或五种，因此将它们作为-级拈。

但这些相对固定的结构形式只能满足部分产品定制需要，因此将它们进-步划分为：桥架的特有二级拈 ：主梁、副主梁、端梁、轨道等。

桥架和小车架的共用二级拈 ：平台、底座、梯子、栏杆等。

小车起升机构特有二级拈：卷筒、滑轮、吊钩和钢丝绳等，二级拈根据需要还可以进-步划分。

运行及起升机构的共用基本拈：电动机、减速机、制动器、车轮组、联轴器、缓冲器等，因为这些拈，均为标准件或通用件，因此作为基本拈即可。

基本拈及二级拈既是-级拈的组成拈，也是独立拈 ，父拈结构形式不能适应产品装配需求时，可以直接采用子拈交互式装配，这样可以较好处理拈通用性和客户需求多样性的矛盾。

3.2面向产品平台的拈参数化建模面向产品平台的拈不同于单台产品的拈。单台产品的拈是-个具有特定功能、特定结构、特定接口及特定尺寸的单元，而面向产品平台的拈是-个具有特定功能、特定结构和特定接口的单元的原型(拈模型)，它的尺寸是可变的，尺寸变化将生成新的拈实例。

为了完整表达-个面向产品平台的拈，-般需要三维实体模型、二维工程图模型、设计计算模型、技术说明等模型。

产品平台包含成千上万个拈，为了高效建立拈模型，我们系统总结了面向产品平台的拈参数化建模方法。

根据拈功能及组成的复杂 ，可以分为零件级和部件级拈，和产品的零件、部件相对应。

根据拈结构及设计的特点，可以分为结构件拈和机构件拈，二者建模方式有着较大的差别♂构件拈建模是根据其功能要求 ，设计其结构形式，保证其满足功能要求和受力及变形要求，其特点是结构参数多，设计灵活，变化多，建模任务重；而机构件拈是根据其功能要求，选择标准或通用零部件拈，进行配置，满足其功能及性能要求，其特点是设计比较规范，变化少。

根据建模思路，参数化建纳以分为自顶向下的建模方法和自底向上的建模方法；根据参数控制关系，参数化建纳以分为交互式参数化建模 、基于事物特征表的参数化建模、主参数驱动的参数化建模方法及自顶向下程序控制的参数化建模。

综合以上拈类型和拈参数化建模方法，我们将面向产品平台的拈参数化建模技术总结为：No.1Jan.201 3 机 械 设 计 与制 造 129图下部为桥机主梁参数化模型。使用时首先根据起重机主参数进行方案设计计算 ，再利用其计算结果，驱动参数化模型，实现设计计算与拈变型、工程图-体化，快速完成相应拈的变型设计。

3.2.6自底向上的部件级拈(机构件)参数化建模起重机运行机构、起升机构的组件大多为通用件或标准件，其设计主要是确定布置形式和标准件型号的选择、装配。首先建立其基本拈(内部结构可以简化)，然后规范布置形式，最后建立相应的装配模型即可完成建模。起重机运行机构参数化模型，如图7所示。

图7起重机运行机构参数化模型Fig.7 Crane Operation Mechanism Parametric-Model3.3系统集成产品平台是-系列物理拈和非物理拈以及相关知识的集合，通过这些拈实现快速设计需要规范的设计过程以及各种设计工具，需要-个理想的管理和集成工具，而PLM正是有效管理和充分利用各种资源、实现各应用系统有效集成的管理和集成工具，PLM是以产品数据模型为核心，将产品开发、设计、制造、销售、使用、服务和回收等产品生命周期内涉及的各种数据集成在- 个统-的平台上进行管理，通过这个平台，企业各部门的员工、最终用户和合作伙伴等可以高效地协同工作。我们将PLM作为系统集成的工具，管理和集成了如下内容：产品拈库设计计算方法库产品案例库设计过程设计工具最终形成了产品平台拈库、产品实例库、设计计算方法库、各种设计工具于-体的协同设计平台。

4平台构建及应用效果经过对 100t到450t300余台桥式起重机设计案例的分析，归纳及构建了五种桥架、四种小车架、四种运行机构、四种起升机构及下级零部件拈，并结合企业多年积累的设计知识和设计经验，确立了严密的设计参数关系数学模型；将拈化设计、参数化设计及知识工程相结合，综合采用上述多种建模方法，进行开发和建模。

系统以SolidWorks三维 CAD为建模平台，以VC/VB和API为开发工具，以SIEMENS Teamcenter PLM为集成平台，完成了产品平台开发和集成，建立了桥式起重机的智能化、网络化、集成化的产品平台，并应用平台完成桥式起重机产品设计数十台。

应用表明起重机产品平台能使-般设计人员优先利用规范的共用拈和计算算法，快速地、协同地完成大型起重机产品方案设计、产品虚拟制造、结构分析、施工设计、设计结果管理等工作，完成成倍提高设计效率，快速满足客户化定制的同时，促进定制生产型企业产品设计的规范化和标准化，降低企业生产成本。