數(shù)字化設(shè)計與并行工程在摩托車研發(fā)中的應(yīng)用

1、數(shù)字化設(shè)計與并行工程在摩托車研發(fā)中的應(yīng)用江西洪都航空工業(yè)集團 廖杰在市場經(jīng)濟下，企業(yè)之間的競爭日益激烈，如何提高企業(yè)自身的競爭力，是企業(yè)生存與發(fā)展的關(guān)鍵問題。其中技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新更是企業(yè)生存的靈魂?，F(xiàn)代企業(yè)已由“橄欖型”轉(zhuǎn)為“啞鈴型”，新產(chǎn)品的研發(fā)在企業(yè)中的地位越來越重要。因此，如何提高企業(yè)的新產(chǎn)品自主研發(fā)能力顯得尤其重要，而研發(fā)能力的提高，離不開高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，離不開現(xiàn)代化的新產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境，為企業(yè)研發(fā)機構(gòu)建立基于信息共享的新產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境是迫切需要解決的問題。洪都集團下屬的洪都摩托車有限公司是我國摩托車行業(yè)中集設(shè)計制造于一體的老牌大型國有企業(yè)，新中國的第一輛摩托車就誕生在這里。為了能夠

2、在激烈的市場競爭中占據(jù)主動，我們采用了CAD/CAE/PDM等計算機技術(shù)建立信息共享的產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境，以提高新產(chǎn)品的自主研發(fā)能力。 一、摩托車數(shù)字化設(shè)計效果 傳統(tǒng)的工程設(shè)計方法是設(shè)計人員在圖紙上利用幾個不同投影視圖來表示一個三維產(chǎn)品的設(shè)計模型，在圖紙上還有很多人為規(guī)定、標準、符號和文字描述，對于一個較為復(fù)雜的部件，需要用若干張圖紙，盡管這樣，圖紙上還盡是密密麻麻的各種線條、符號和標記等。然后，工藝、生產(chǎn)和管理等部門的人員，再認證閱讀這些圖紙，弄懂設(shè)計意圖，通過不同視圖的描述，想象出設(shè)計模型的每一個細節(jié)。此項工作是十分的困難和艱苦。自我國的摩托車工業(yè)建立開始，由于受傳統(tǒng)的以二維設(shè)計為主的設(shè)計方法的

3、限制，如手工圖紙設(shè)計、手工操作機械加工方法，采用模擬量傳遞和傳遞路線長等原因，導(dǎo)致了制造的可復(fù)制性差，協(xié)調(diào)性差。尤其在新的型號研制過程中，返工現(xiàn)象更為明顯，嚴重影響著企業(yè)的技術(shù)進步。當(dāng)利用三維CAD實體造型軟件進行產(chǎn)品設(shè)計時，設(shè)計人員可在計算機上直接進行三維設(shè)計，隨即可在屏幕上見到所設(shè)計產(chǎn)品的真實三維模型。因此這是工程設(shè)計方法的一個突破，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法。反映了產(chǎn)品設(shè)計中的一個總趨勢，即產(chǎn)品零件的形狀和結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，更改越頻繁，則采用三維CAD實體造型軟件進行設(shè)計的優(yōu)越性則越突出。當(dāng)零件在計算機上建立三維數(shù)字化模型后，工程師就可在計算機上很方便地進行后續(xù)環(huán)節(jié)的設(shè)計工作，如部件的虛擬裝

4、配、總體布置、運動仿真、干涉檢查、數(shù)控加工編程及仿真等。因此它為實現(xiàn)計算機集成制造和在并行工程思想指導(dǎo)下整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型奠定了基礎(chǔ)。 摩托車零件的數(shù)字化產(chǎn)品定義就是利用三維造型軟件系統(tǒng)進行零件的三維建模，其最突出優(yōu)點是：可以建立摩托車零件的三維實體模型，并可方便地通過在計算機上進行虛擬裝配來檢查零件的干涉和配合協(xié)調(diào)情況；可準確地進行重量、平衡和應(yīng)力分析；很容易從三維實體模型中提取它的截面圖，便于數(shù)控加工的程序設(shè)計，產(chǎn)品的三維分解圖也很容易建立起來。所有零件的三維設(shè)計結(jié)果是唯一的權(quán)威性數(shù)據(jù)集，可供所有的后續(xù)環(huán)節(jié)使用，二維圖紙按三維數(shù)模生成。用戶評審的唯一依據(jù)是三維數(shù)模和相應(yīng)生成

5、的二維圖紙。對于數(shù)控加工，可利用三維的線框和表面模型數(shù)據(jù)。 這樣的技術(shù)思路決定了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺要以應(yīng)用為中心，其核心是協(xié)同設(shè)計平臺支持下的三維CAD技術(shù)，既以CAD系統(tǒng)為第一選型目標，CAD系統(tǒng)確定之后，再根據(jù)CAD軟件的要求，配置相應(yīng)的硬件、系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其它應(yīng)用軟件，構(gòu)成一套較為完整的數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)。為確保在研制中全面采用三維CAD設(shè)計技術(shù)，必須建立一套較完整、先進、實用性強的協(xié)同設(shè)計平臺，因此，我們選擇了PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)。 二、PDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點 PDM系統(tǒng)工程緊緊圍繞著建立信息共享、產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境展開，立足于公司的實際情況，充分考慮系統(tǒng)的先進性、成熟性、經(jīng)濟性和可擴

6、展性，最大可能地保護我公司的現(xiàn)有投資。系統(tǒng)運行環(huán)境采用基于“client/server”的體系結(jié)構(gòu)，把客戶機、服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、研發(fā)工具等系統(tǒng)軟硬件有機地聯(lián)系在一起，建立一個完整、良好的運行環(huán)境。 1.系統(tǒng)硬件配置 采用IBM AIX系統(tǒng)服務(wù)器和IBM、DELL零件級圖形工作站W(wǎng)indows NT系統(tǒng)客戶機。 2.系統(tǒng)軟件配置 軟件采用UGS公司的UGNX和Teamcenter Engineering軟件。 3.系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖 本公司PDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖1所示。 圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖三、PDM系統(tǒng)的應(yīng)用情況 1.成立IPT項目組 (1)IPT項目組成員 IPT項目組的成員由來

7、自結(jié)構(gòu)、重量、分析、CAD/DPA（數(shù)字化預(yù)裝配）支持等部門人員組成。他們是各功能室的全權(quán)代表，并且在同一地點工作。 (2)IPT項目組的作用和職責(zé) 由于并行產(chǎn)品定義是一項新工作，為了使每一個人、每一件事都有章可循，公司管理并行產(chǎn)品定義的主要方法之一是，對與項目有關(guān)的每一個工作和職責(zé)都有一整套明確的定義。并行產(chǎn)品定義的工作過程是基于公司職能部門和IPT之間清楚的通信交流，以及IPT項目組內(nèi)成員之間清楚的信息交流。因此，必須明確闡明他們的作用和職能，而且可以方便地利用項目的每一個成員。其主要作用和職責(zé)如下： ·在整個工作中采用連續(xù)工作環(huán)境中協(xié)調(diào)解決的方法，而不是會議驅(qū)動方式； 

8、3;完成IPT要求的項目的需求分析、設(shè)計定義、制造生產(chǎn)和支持服務(wù)； ·擬訂計劃并保證質(zhì)量達到預(yù)期的目標； ·應(yīng)用某種度量來估價工作進展，且提供足夠數(shù)據(jù)后才能作更改； ·通過協(xié)調(diào)來支持交叉功能之間的通信交流； ·對數(shù)字化技術(shù)活動做出決策； ·理解和使用并行產(chǎn)品定義的優(yōu)化工作方法； ·擬訂人員培訓(xùn)要求。 (3)項目機構(gòu) 項目機構(gòu)見圖2所示。 圖2 項目機構(gòu)2.人員培訓(xùn) 人員培訓(xùn)是PDM系統(tǒng)實施應(yīng)用成敗的關(guān)鍵，因此企業(yè)一開始就非常重視人員的培訓(xùn)。先后進行了多次計算機基本知識、CAD三維、二維使用培訓(xùn)。其中較為有效的一種方法是通過PDM項目組

9、成員先對洪都集團PDM系統(tǒng)的系統(tǒng)管理員進行全面的培訓(xùn)，然后利用這些系統(tǒng)管理員對所有相關(guān)人員進行分角色、分批次培訓(xùn)的形式使企業(yè)的所有人員去了解PDM，并制訂完善的操作手冊和相應(yīng)的標準在公司內(nèi)網(wǎng)主頁上和PDM系統(tǒng)中共享，用以指導(dǎo)應(yīng)用者更好地使用PDM系統(tǒng)。 3.設(shè)計工作流程 通過PDM系統(tǒng)的應(yīng)用，規(guī)范管理整個設(shè)計協(xié)同環(huán)境，一方面進行設(shè)計資源的共享、設(shè)計任務(wù)的分配和基于WAVE的自頂向下和基于裝配的自底向上設(shè)計，并且對整個設(shè)計過程進行實時監(jiān)控；另一方面通過圖樣/文件審批發(fā)放流程，完成研發(fā)部設(shè)計圖樣的自動歸檔和發(fā)放。設(shè)計員得到任務(wù)后，打開所需設(shè)計的數(shù)據(jù)集文件（UG文件），此時系統(tǒng)將調(diào)用基于企業(yè)標準的已

10、由系統(tǒng)管理員定義好的三維、二維種子文件（seed part），然后開始三維設(shè)計或二維圖紙的生成。 (1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的建立 根據(jù)自頂向下的協(xié)同設(shè)計要求，頂級的產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)由項目組組長來構(gòu)建，然后再由各級小組組長和設(shè)計人員根據(jù)上級組長分配的產(chǎn)品零部件任務(wù)來完成底層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，最后隨著各級設(shè)計人員工作的結(jié)束，整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自然形成了。在研發(fā)部里，可以將整體系統(tǒng)分解為多級分系統(tǒng)，分別構(gòu)建頂級BOM和分級BOM。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖3所示。 圖3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)(2)基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（BOM）的設(shè)計任務(wù)分配系統(tǒng) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)搭建完畢后，由項目組組長（任務(wù)調(diào)度員）來進行設(shè)計任務(wù)的分配。首先選中需要進行任務(wù)分配的零部件，新建“設(shè)計任

11、務(wù)分發(fā)流程”；啟動該流程后，項目組組長需要指定具體的小組組長或設(shè)計人員；隨即在他們各自的任務(wù)收件箱中收到這項任務(wù)。如圖4、圖5所示。 圖4基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的任務(wù)分配圖5指定人員(3)審批發(fā)放流程 在Teamcenter Engineering系統(tǒng)中建立各類標準流程，使產(chǎn)品/項目的研發(fā)各階段、各部門的設(shè)計和審批流程都在系統(tǒng)的控制下規(guī)范地進行。領(lǐng)導(dǎo)層根據(jù)PDM的權(quán)限管理可在任何時候?qū)崟r查詢正在進行的和已經(jīng)完成的工作流程，了解項目研發(fā)的進展情況。所有設(shè)計和審批流程的操作都有權(quán)限控制，并在系統(tǒng)中紀錄，以便分清職責(zé)和人員績效考核。研發(fā)部的流程中的研發(fā)部圖樣發(fā)出審批流程模板。見表1、圖6所示。 表1 研發(fā)部圖

12、樣發(fā)出審批流程模板圖6 研發(fā)部圖樣發(fā)出審批流程模板其中在該流程完成后，各個階段的電子簽名自動在圖樣上添加。而且各個階段的審批人員只有查閱功能，不能進行任何修改。 在某個組件的零件設(shè)計初步完成后，由小組組長來啟動該流程。在審批發(fā)放流程進行過程中，后面的任何階段如發(fā)現(xiàn)有問題，通過系統(tǒng)的批注功能，直接在零部件的下面生成一個或者多個批注文件（*.Jpg文件），并且直接返回到設(shè)計者那里，設(shè)計修改完成后再次由小組組長遞交，繼續(xù)流程的審批發(fā)放，直到最后的部內(nèi)設(shè)計完成的完成狀態(tài)為止。批注文件見圖7所示。 圖7 批注文件(4)更改管理 首先由設(shè)計員根據(jù)問題的具體情況和初步更改方案提出更改申請給所在小組組長，小組

13、組長收集需要更改的所有圖樣，并且修訂出各相應(yīng)現(xiàn)有版本圖樣的升版圖樣，然后把升版的圖樣通過更改所有權(quán)更改為將要修改設(shè)計的設(shè)計人員。然后在Teamcenter Engineering系統(tǒng)中創(chuàng)建一個更改單，編號由系統(tǒng)自動編號產(chǎn)生，同時把需要更改的圖樣現(xiàn)有版本和升級版本分別放到系統(tǒng)的問題文件夾Problem Items和結(jié)果文件夾Affected Items中去，隨后啟動更改單和新版圖樣的設(shè)計、審批流程。CO創(chuàng)建界面和產(chǎn)生的效果分別見圖8和圖9所示。在流程開始后，小組組長必須指定設(shè)計、審批的具體人員，在第一階段指定將要進行修改設(shè)計的人員，由他來完成更改單的填寫，新版本圖樣的修改設(shè)計，完成后同意遞交，隨

14、后進入流程中后續(xù)的各個不同階段進行不同級別的審批。整個流程完成后，該新版圖樣就處于凍結(jié)狀態(tài)，可以進行歸檔曬圖。 圖8 Teamcenter Engineering系統(tǒng)的更改管理創(chuàng)建界圖9 更改單生成后的內(nèi)容四、CAD/CAE的應(yīng)用情況 1.基于WAVE技術(shù)的并行三維設(shè)計 運用自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)技術(shù)，能夠為企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)帶來極大的好處。設(shè)計資源的唯一性可以得到保證并按權(quán)限控制（ACL）來實現(xiàn)共享，因為高層設(shè)計和細節(jié)設(shè)計的內(nèi)容分別在不同的UGPART中構(gòu)建，而它們在PDM系統(tǒng)中共享信息（如設(shè)計基準控制文件），所以基于PDM的權(quán)限管理，使得不同部門、不同專業(yè)、不同的設(shè)計組之間實現(xiàn)并行工程。此外，

15、控制信息傳播途徑清晰，設(shè)計任務(wù)與責(zé)任范圍分明。當(dāng)需要對設(shè)計資源（如設(shè)計基準等）信息進行更改時，零部件的詳細設(shè)計能夠按照系統(tǒng)通知來響應(yīng)更改，做相應(yīng)調(diào)整。 運用WAVE的Copy Geometry to Part的功能，將設(shè)計基準控制文件（有些部件可能只有一個控制零件文件而沒有控制結(jié)構(gòu)文件）或某個產(chǎn)品零件中的設(shè)計基準或幾何體鏈接到各產(chǎn)品零件中。 此時不存在從上一級發(fā)送到下一級或平級發(fā)送等概念。只有將設(shè)計基準控制文件中的幾何信息從設(shè)計基準控制文件中發(fā)送到具體產(chǎn)品零件中。基于單一產(chǎn)品設(shè)計基準控制文件的自頂向下的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體系如圖10所示。 圖10 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體系2.整車采用數(shù)字化虛擬裝配 采用自頂向下和自

16、底向上相結(jié)合的設(shè)計方法，利用裝配功能將摩托車各零部件模型按照實際定位關(guān)系進行虛擬裝配，可實現(xiàn)在零件進行加工前就通過UG系統(tǒng)功能檢查零部件之間的配合繕?gòu)傂諗抽嗆♂构分斡z栽碩悴考謝狗治觶約奧壑慵目砂滄昂涂剎鸚緞裕股杓埔季×慷啪誆飛杓平錐危跎儺虜肥災(zāi)剖鋇姆倒檔蛻杓聘某殺荊醵絳虜返難蟹芷凇辛蘇的禿螅箍梢源蟠笏醵癱湫瘟悴考難蟹杓浦芷凇?Portal View是在Teamcenter Engineering系統(tǒng)中集成的可視化插件，它用來瀏覽Teamcenter Engineering中各類UG數(shù)據(jù)相對的JT格式的可視化文件，UG在Teamcenter Engineering中將自動生成其相應(yīng)的J

17、T可視化文件。這種文件類是一個數(shù)據(jù)量極小，可以快速瀏覽的的文件，無須運行本地的UG系統(tǒng)即可讓整個企業(yè)一起查看。源文件和可視化文件(JT格式)自動相連，并儲存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中。這些可視文件雖然非常簡單，但卻可用于測量、交叉截面、清晰度檢測、動畫效果、干擾度檢測、以及用于研究其他包裝的問題。JT可視文件使可以我們輕松地裝配由不同CAD系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的產(chǎn)品。有時這被稱為數(shù)字模擬裝配。 3.關(guān)鍵部件的運動分析 后輪、后搖架、后減震的運動分析過程如下： (1)對零部件進行實體建模，并在UG軟件中進行虛擬裝配； (2)定義“連桿”和“運動副”； (3)定義運動“驅(qū)動”； (4)給運動分析方案加力、力矩、彈簧、阻

18、尼、減振塊和接觸運動副； (5)設(shè)置標記及其他封裝分析選項（Packaging Option），從而可以對標記、組件進行跟蹤，分析其臨界狀態(tài)，并進行干涉檢查等； (6)利用電子圖表進行運動仿真分析； (7)查詢運動分析方案的信息，修改編輯模型及運動分析方案的特征。 4.連桿的有限元分析 有限元分析一般要經(jīng)過以下步驟： (1)對零件進行實體建模； (2)對模型進行的簡化； (3)對模型進行網(wǎng)格劃分； (4)對模塊進行加載荷及約束； (5)利用解算器對網(wǎng)格化的模型連桿進行計算； (6)利用UG軟件有限元分析模塊中的后處理功能對連桿進行結(jié)果分析。 有限元分析的關(guān)鍵是載荷分析與有限元模型的建立，一旦建立了模型，今后基本參數(shù)若有變動，只需修改基本輸入?yún)?shù)與加載荷即可。分析結(jié)果見圖11所示。 圖11 連桿的有限元分析結(jié)果5.外形件的設(shè)計 燃油箱的設(shè)計過程如下： (1)利用三坐標測量儀測量油泥模型，將截面數(shù)據(jù)點文件（*.dat文件）讀入到UG軟件中，并生成相應(yīng)的“樣條”曲線； (2)數(shù)