摘要：本文以车削中心三工位分拣清洗单元装置为例，通过对产品结构、设计方法、功能实现等方面进行分析，从标准化、模块化、重用率的角度进行归纳，探讨采用三维参数化技术构建该产品的设计知识库系统的方法，目的是解决产品改型设计中的常见问题，提升定制化改型设计效率。具体措施包括，将所研究的装置，进行模块化分析及逻辑构建，建立参数化设计库，参数化设计库中包含3D模型、改型逻辑、属性映射、编码规则、命名规则、BOM规则、格式转换规则等设计改型流程的各个环节的关键信息，统一构成了车削中心三工位分拣清洗单元装置的设计知识库系统。

关键词：车削中心装置模块化参数化定制化知识库设计效率

引言

特定功能产品或装置的改型设计，需要根据功能参数、需求、使用条件、场地环境、自动化程度等，进行一定程度的定制化改造。这个定制化改型设计的过程，对设计工程师的要求比较高，需要其掌握此类产品或装置的所有相关知识，但是，改型过程对人员的要求比较低，只需要根据方案，对模型的尺寸和结构进行修改即可，存在大量重复性劳动。

基于上述情况，计划构建一个针对特定产品或装置的知识库，以减少对于经验的依赖，并且将重复性劳动采用批量方式自动完成，以提升工作效率，缩短改型周期。

本文以车削中心三工位分拣清洗单元装置为例，探讨该知识库的构建方法和效益评估，如果该方法有效，拟向更多产品或装置进行推广。

1、常规设计存在的两大问题

车削中心三工位分拣清洗单元装置的工作流程如下：技术人员根据功能要求、场地要求、物流要求、总线工艺要求等各个方面，确定总体方案，然后在当前项目库中，找到一个或多个类似的，进行复制、修改、拆分、组合等各种操作，以便实现最初的方案目标。在这个过程中，需要技术人员对需求有充分的理解、对产品有充分的熟悉、对以往项目有充分的了解、对软件有充分的熟练，才可以确定合理方案并顺利执行。这个环节，必须具备足够的能力和经验，才可以胜任。

而在后续的执行过程中，技术人员需要对产品模型进行查找、修改、装配、验证、编码、出图、整理明细等各种操作，这些操作，都是基本的软件应用，但是过程非常繁琐，需要花费大量时间，而且必须非常仔细认真，避免尺寸错误或者遗漏、避免零部件错误或者遗漏、避免编码错误或者遗漏、确保配合准确、属性完善、命名规范、图纸正确……

以上虽然是针对车削中心三工位分拣清洗单元装置进行的流程梳理和分析，得到了常规设计过程的两大普遍问题：没有经验的工程师，无法胜任该工作任务；有经验的工程师，仍然需要花费大量的时间执行重复繁琐的改型工作，无法发挥其创新设计的价值。如何解决这个矛盾：解放有经验的技术人员的时间、让缺乏经验的技术人员可以胜任更高级的任务，是本文所要探讨的关键核心。

2、参数化设计的必要性分析

在常规设计改型工作中，绝大部分的工作是重复性的，并不能创造价值。在整个设计工作的占比中，仅有少数的内容是针对前期设计的优化，而具备创新性的设计则更少。原因正是上一节提到的，有经验的工程师往往会被大量重复工作所拖累，为了完成订单任务，而没有足够的时间从事更具有创造价值的设计工作。

参数化设计针对的是具备模块化、重用率的部分产品或总成，正是减少工程师重复劳动的最佳方法。参数化的实现，需要将设计改型逻辑和规则，整理归纳出来，形成知识库，这样才可以替代有经验的工程师，完成高难度任务。同时，大量重复繁琐的操作，在规则驱动下，可以采用自动或批量的方式完成。因此，这种方法恰恰可以解决上一节提到的两大问题！

在可行性上，目前主流三维绘图软件中，SOLIDWORKS软件具备参数化设计功能，从技术角度，产品改型实际上只需要做三件事：改大小（修改尺寸）、改结构（形状、位置、状态的变化）、改属性（主要是图号编码的生成）。而这三件事，均可以借助接口，实现软件的自动操作。因此，在必要性和技术可行性上，参数化设计是解决上述问题的有效方法。

3、参数化构建的过程和方法

参数化设计的实现，首先需要对目标产品进行分析，确定哪些部分可以实现参数化设计。之后针对这部分模型，进行参数化设计的具体实现。

3.1、模块化分析及设计逻辑归纳

首先针对“车削中心三工位分拣清洗单元装置”进行模块划分。从产品层级来看，该装置可分为分拣收料机、清洗机、车削机床、桁架机械臂、围栏等总成模块，而每个总成模块，又可以细分为组件模块，比如“分拣收料机”，可以继续分为视觉组件、输送组件、切料装置、分拣机器人、箱体机架等部分，同样，每个组件模块还可以往下划分为更小的模块

在针对以上划分的模块进行分析之后，发现某些模块具备一定的设计逻辑，可通过主参数，驱动建模参数，实现对该模块的大小、结构的改变。比如围栏和箱体机架，属于非标模块，可以利用型材类型、高度、宽度、布局位置，实现参数化设计；桁架机械臂、输送组件，属于组合模块，可以通过定义外形尺寸、配件规格，实现参数化生成；视觉检测组件、分拣机器人等，属于外购模块，可以通过调整装配接口、替换外购组件等，实现基于功能要的替换设计。除了上述具备明确功能和结构的模块之外，对于某些附件，比如管道步路、连接件、辅助件等，没有明确的模块化特征，则需要常规的人工实现，完成模型创建或修改。

对于具备明确的设计逻辑的模块，则需要进一步分析和归纳设计逻辑，需要提取设计主参数，确定建模参数，将主参数于建模参数，建立起逻辑关联，通过数值计算、条件判断、对照匹配等方式，实现从主参数到建模参数的变换和传递。

3.2参数化设计构建过程及方法

参数化设计的具体实现，可以借助SOLIDWORKS的方程式功能，或者编辑宏程序，来达到一定的效果。但是这个方法对于操作者的要求比较高，而且实现的效果有限。仅仅可以完成简单三维模型的参数化更新。如果希望在设计过程的多个环节，比如产品选型、参数修改、模型更新、图纸更新、物料查重、重新命名、生成BOM、转换格式等，实现自动或半自动操作，则需要借助通用型参数化设计软件工具。

SolidKits是集成于SOLIDWORKS软件平台的一款支持高度定制的自动化参数设计软件，对于设计流程的各个阶段均有对应功能。其技术特点是：参数提取自动化、离散变量集中化、逻辑设置外置化、操作界面可视化、数据接口集成化。

3.2.1 数据提取自动化

通过SolidKits参数化工具，可以识别和提取SOLIDWORKS装配体的结构树，并遍历结构树中的节点对应的模型文件，进一步提取装配信息、尺寸信息、配置信息、压缩信息、属性信息等建模数据，最后将这些数据按照约定格式写入参数文件，用于管理和维护设计数据、设计参数，建立变量与SOLIDWORKS模型间的逻辑关系。

3.2.2 离散变量集中化

产品的所有建模参数，原本分散在不同的模型、不同的特征、不同的草图、不同的尺寸变量中，现在集中保存在一个表格页面，便于集中管理和维护。

3.2.3 逻辑设置外置化

产品设计逻辑，均通过不同零件、特征的尺寸数值、结构状态、配合方式呈现出来，这些均可以用参数表的数值来表示，将这些参数在独立的文档表格进行维护，更加方便，并可以充分利用表格的公式功能，实现更加复杂的逻辑控制。

利用Excel中的数学计算、数值处理、数值匹配、条件判断等功能，可以实现设计主参数与建模参数之间的各种逻辑关系。比如常用的操作如下（公式数值仅做示例说明使用）：

计算：=（A5+B3）*5-8；

取整：=ROUND（A5，0）；

条件：=IF（A5>300，3，2）；

对照：=VLOOKUP（A5，对照表！B：C，2，0）；

3.2.4 操作界面可视化

影响产品的参数非常多，但是决定产品的设计主参数数量并不多。这些主参数，可以通过一个简单的可视化界面来操作和修改，并将计算后的建模参数传递给SOLIDWORKS进行驱动，界面简洁直观，产品对应的示例图，表达的信息更加形象具体。

3.2.5 任务执行流程化

产品改型设计的全部流程，包括更新3D模型、更新2D图纸、转换PDF图纸、重命名发布、生成BOM、通过接口与其他数据系统集成，这些任务都可以定义确定的规则：比如命名规则、保存路径、BOM模板、接口参数等等。利用这些设置好的规则，整个产品改型的流程，通过程序界面对应的功能按钮，均可以实现自动操作。

4、产品知识库构建的方法探讨与效益分析

至此，本文将三维参数化构建的整个过程进行了描述及验证，成功构建了包括三维模型、二维图纸、设计逻辑、编码规则、重命名规则、BOM规则在内的产品知识库信息。

该知识库系统，利用SolidKits插件可以调用和执行，实现设计改型整个流程的自动化或半自动化操作。在这个过程中，最主要的是3D模型的正确生成，无论是全部由参数化方式生成，还是借助人工完成的部分，在后续的编码、BOM等环节，仍然可以借助预设的规则，实现自动操作。

该知识库系统，利用SolidKits插件可以调用和执行，实现设计改型整个流程的自动化或半自动化操作。在这个过程中，最主要的是3D模型的正确生成，无论是全部由参数化方式生成，还是借助人工完成的部分，在后续的编码、BOM等环节，仍然可以借助预设的规则，实现自动操作。

4.1知识库的构建步骤和方法

1、产品模块化分析；

2、产品设计逻辑归纳；

3、采用SolidKits实现参数自动提取和参数逻辑定义；

4、编码规则与BOM规则定义；

5、参数化产品知识库构建完成，即可使用。

4.2知识库的适用范围

1、具备模块化特点的产品（技术可行性）；

2、具备一定重用率的产品（效益可行性）；

4.3知识库构建的投入产出比

基准：以车削中心三工位分拣清洗单元装置为例，相似的设计改型，具有一定经验的工程师，从方案制定、三维修改、二维出图、编码、重命名、BOM整理，大约需要花费4-8天，取平均值，6人天。

投入：本产品的模块化分析、参数化构建、规则建立等知识库的创建，需要有经验的工程师，花费正常设计改型工作量的3-4倍，按20人天计算。

产出：采用知识库的设计方法，部分自动、部分人工，大约需要1天时间完成整个任务。

平衡点：（20+1）/6=3.5。

结论：如果该产品在一年内，设计改型次数超过4次，则基本平衡，超过的次数越多，收益越大。

4.4额外收益分析

以上仅根据时间效率角度进行的计算。除了效率提升之外，采用参数化知识库的方法，还有以下收益：

1、准确率提高；

2、对于操作者的经验技能要求降低；

3、有助于形成企业产品知识库；

4、有助于减少人员流动或变动产生的影响；

5、规范的数据，有助于标准化信息化的建设。

5、结束语

参数化设计技术比较成熟，借助合适的工具，采用合适的方法，将某类产品基于参数化技术构建知识库，是完全可行的。本文通过将“车削中心三工位分拣清洗单元装置”采用参数化技术构建知识库，并进行方法验证与效益分析，可得到如下结论：

对于企业中，具备模块化特色，并且重用率比较高的产品，构建参数化设计知识库，其直接效率提升明显，而且额外收益价值很大。

对于其他行业、其他产品，也可以参照该分析方法，计算投入产出效益，以便为决策者提供决策依据。

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