數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jì)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(tuán) 廖杰在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，如何提高企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)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(jī)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(tuán)下屬的洪都摩托車有限公司是我國(guó)摩托車行業(yè)中集設(shè)計(jì)制造于一體的老牌大型國(guó)有企業(yè)，新中國(guó)的第一輛摩托車就誕生在這里。為了能夠

2、在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)，我們采用了CAD/CAE/PDM等計(jì)算機(jī)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(jì)效果 傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)人員在圖紙上利用幾個(gè)不同投影視圖來表示一個(gè)三維產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型，在圖紙上還有很多人為規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)、符號(hào)和文字描述，對(duì)于一個(gè)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(hào)和標(biāo)記等。然后，工藝、生產(chǎn)和管理等部門的人員，再認(rèn)證閱讀這些圖紙，弄懂設(shè)計(jì)意圖，通過不同視圖的描述，想象出設(shè)計(jì)模型的每一個(gè)細(xì)節(jié)。此項(xiàng)工作是十分的困難和艱苦。自我國(guó)的摩托車工業(yè)建立開始，由于受傳統(tǒng)的以二維設(shè)計(jì)為主的設(shè)計(jì)方法的

3、限制，如手工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、手工操作機(jī)械加工方法，采用模擬量傳遞和傳遞路線長(zhǎng)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(hào)研制過程中，返工現(xiàn)象更為明顯，嚴(yán)重影響著企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。當(dāng)利用三維CAD實(shí)體造型軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，隨即可在屏幕上見到所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的真實(shí)三維模型。因此這是工程設(shè)計(jì)方法的一個(gè)突破，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。反映了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)總趨勢(shì)，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(shí)體造型軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)越性則越突出。當(dāng)零件在計(jì)算機(jī)上建立三維數(shù)字化模型后，工程師就可在計(jì)算機(jī)上很方便地進(jìn)行后續(xù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作，如部件的虛擬裝

4、配、總體布置、運(yùn)動(dòng)仿真、干涉檢查、數(shù)控加工編程及仿真等。因此它為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造和在并行工程思想指導(dǎo)下整個(gè)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(jìn)行零件的三維建模，其最突出優(yōu)點(diǎn)是：可以建立摩托車零件的三維實(shí)體模型，并可方便地通過在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬裝配來檢查零件的干涉和配合協(xié)調(diào)情況；可準(zhǔn)確地進(jìn)行重量、平衡和應(yīng)力分析；很容易從三維實(shí)體模型中提取它的截面圖，便于數(shù)控加工的程序設(shè)計(jì)，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(jì)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(píng)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(duì)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(jì)平臺(tái)要以應(yīng)用為中心，其核心是協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)支持下的三維CAD技術(shù)，既以CAD系統(tǒng)為第一選型目標(biāo)，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(jì)系統(tǒng)。為確保在研制中全面采用三維CAD設(shè)計(jì)技術(shù)，必須建立一套較完整、先進(jìn)、實(shí)用性強(qiáng)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(diǎn) 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(shí)際情況，充分考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性、成熟性、經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)

6、展性，最大可能地保護(hù)我公司的現(xiàn)有投資。系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境采用基于“client/server”的體系結(jié)構(gòu)，把客戶機(jī)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、研發(fā)工具等系統(tǒng)軟硬件有機(jī)地聯(lián)系在一起，建立一個(gè)完整、良好的運(yùn)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(jí)圖形工作站W(wǎng)indows NT系統(tǒng)客戶機(jī)。 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?fù)鋱D 本公司PDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1所示。 圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D三、PDM系統(tǒng)的應(yīng)用情況 1.成立IPT項(xiàng)目組 (1)IPT項(xiàng)目組成員 IPT項(xiàng)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(diǎn)工作。 (2)IPT項(xiàng)目組的作用和職責(zé) 由于并行產(chǎn)品定義是一項(xiàng)新工作，為了使每一個(gè)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(duì)與項(xiàng)目有關(guān)的每一個(gè)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(xiàng)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(xiàng)目的每一個(gè)成員。其主要作用和職責(zé)如下： ·在整個(gè)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(huì)議驅(qū)動(dòng)方式； 

8、3;完成IPT要求的項(xiàng)目的需求分析、設(shè)計(jì)定義、制造生產(chǎn)和支持服務(wù)； ·擬訂計(jì)劃并保證質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)； ·應(yīng)用某種度量來估價(jià)工作進(jìn)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(duì)數(shù)字化技術(shù)活動(dòng)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(xiàng)目機(jī)構(gòu) 項(xiàng)目機(jī)構(gòu)見圖2所示。 圖2 項(xiàng)目機(jī)構(gòu)2.人員培訓(xùn) 人員培訓(xùn)是PDM系統(tǒng)實(shí)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(jìn)行了多次計(jì)算機(jī)基本知識(shí)、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(xiàng)目組

9、成員先對(duì)洪都集團(tuán)PDM系統(tǒng)的系統(tǒng)管理員進(jìn)行全面的培訓(xùn)，然后利用這些系統(tǒng)管理員對(duì)所有相關(guān)人員進(jìn)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(cè)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)在公司內(nèi)網(wǎng)主頁(yè)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(jì)工作流程 通過PDM系統(tǒng)的應(yīng)用，規(guī)范管理整個(gè)設(shè)計(jì)協(xié)同環(huán)境，一方面進(jìn)行設(shè)計(jì)資源的共享、設(shè)計(jì)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(jì)，并且對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)圖樣的自動(dòng)歸檔和發(fā)放。設(shè)計(jì)員得到任務(wù)后，打開所需設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)集文件（UG文件），此時(shí)系統(tǒng)將調(diào)用基于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jì)要求，頂級(jí)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由項(xiàng)目組組長(zhǎng)來構(gòu)建，然后再由各級(jí)小組組長(zhǎng)和設(shè)計(jì)人員根據(jù)上級(jí)組長(zhǎng)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(jí)設(shè)計(jì)人員工作的結(jié)束，整個(gè)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(jí)分系統(tǒng)，分別構(gòu)建頂級(jí)BOM和分級(jí)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(jì)任務(wù)分配系統(tǒng) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)搭建完畢后，由項(xiàng)目組組長(zhǎng)（任務(wù)調(diào)度員）來進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)的分配。首先選中需要進(jìn)行任務(wù)分配的零部件，新建“設(shè)計(jì)任

11、務(wù)分發(fā)流程”；啟動(dòng)該流程后，項(xiàng)目組組長(zhǎng)需要指定具體的小組組長(zhǎng)或設(shè)計(jì)人員；隨即在他們各自的任務(wù)收件箱中收到這項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)流程，使產(chǎn)品/項(xiàng)目的研發(fā)各階段、各部門的設(shè)計(jì)和審批流程都在系統(tǒng)的控制下規(guī)范地進(jìn)行。領(lǐng)導(dǎo)層根據(jù)PDM的權(quán)限管理可在任何時(shí)候?qū)崟r(shí)查詢正在進(jìn)行的和已經(jīng)完成的工作流程，了解項(xiàng)目研發(fā)的進(jìn)展情況。所有設(shè)計(jì)和審批流程的操作都有權(quán)限控制，并在系統(tǒng)中紀(jì)錄，以便分清職責(zé)和人員績(jī)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(gè)階段的電子簽名自動(dòng)在圖樣上添加。而且各個(gè)階段的審批人員只有查閱功能，不能進(jìn)行任何修改。 在某個(gè)組件的零件設(shè)計(jì)初步完成后，由小組組長(zhǎng)來啟動(dòng)該流程。在審批發(fā)放流程進(jìn)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(gè)或者多個(gè)批注文件（*.Jpg文件），并且直接返回到設(shè)計(jì)者那里，設(shè)計(jì)修改完成后再次由小組組長(zhǎng)遞交，繼續(xù)流程的審批發(fā)放，直到最后的部?jī)?nèi)設(shè)計(jì)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(jì)員根據(jù)問題的具體情況和初步更改方案提出更改申請(qǐng)給所在小組組長(zhǎng)，小組

13、組長(zhǎng)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(jì)的設(shè)計(jì)人員。然后在Teamcenter Engineering系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)更改單，編號(hào)由系統(tǒng)自動(dòng)編號(hào)產(chǎn)生，同時(shí)把需要更改的圖樣現(xiàn)有版本和升級(jí)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(dòng)更改單和新版圖樣的設(shè)計(jì)、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(zhǎng)必須指定設(shè)計(jì)、審批的具體人員，在第一階段指定將要進(jìn)行修改設(shè)計(jì)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(jì)，完成后同意遞交，隨

14、后進(jìn)入流程中后續(xù)的各個(gè)不同階段進(jìn)行不同級(jí)別的審批。整個(gè)流程完成后，該新版圖樣就處于凍結(jié)狀態(tài)，可以進(jìn)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(jì) 運(yùn)用自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)，能夠?yàn)槠髽I(yè)的產(chǎn)品研發(fā)帶來極大的好處。設(shè)計(jì)資源的唯一性可以得到保證并按權(quán)限控制（ACL）來實(shí)現(xiàn)共享，因?yàn)楦邔釉O(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的內(nèi)容分別在不同的UGPART中構(gòu)建，而它們?cè)赑DM系統(tǒng)中共享信息（如設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(jì)組之間實(shí)現(xiàn)并行工程。此外，

15、控制信息傳播途徑清晰，設(shè)計(jì)任務(wù)與責(zé)任范圍分明。當(dāng)需要對(duì)設(shè)計(jì)資源（如設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等）信息進(jìn)行更改時(shí)，零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)能夠按照系統(tǒng)通知來響應(yīng)更改，做相應(yīng)調(diào)整。 運(yùn)用WAVE的Copy Geometry to Part的功能，將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)控制文件（有些部件可能只有一個(gè)控制零件文件而沒有控制結(jié)構(gòu)文件）或某個(gè)產(chǎn)品零件中的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或幾何體鏈接到各產(chǎn)品零件中。 此時(shí)不存在從上一級(jí)發(fā)送到下一級(jí)或平級(jí)發(fā)送等概念。只有將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)控制文件中的幾何信息從設(shè)計(jì)基準(zhǔn)控制文件中發(fā)送到具體產(chǎn)品零件中?；趩我划a(chǎn)品設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(jì)方法，利用裝配功能將摩托車各零部件模型按照實(shí)際定位關(guān)系進(jìn)行虛擬裝配，可實(shí)現(xiàn)在零件進(jìn)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(duì)的JT格式的可視化文件，UG在Teamcenter Engineering中將自動(dòng)生成其相應(yīng)的J

17、T可視化文件。這種文件類是一個(gè)數(shù)據(jù)量極小，可以快速瀏覽的的文件，無(wú)須運(yùn)行本地的UG系統(tǒng)即可讓整個(gè)企業(yè)一起查看。源文件和可視化文件(JT格式)自動(dòng)相連，并儲(chǔ)存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中。這些可視文件雖然非常簡(jiǎn)單，但卻可用于測(cè)量、交叉截面、清晰度檢測(cè)、動(dòng)畫效果、干擾度檢測(cè)、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(jì)的產(chǎn)品。有時(shí)這被稱為數(shù)字模擬裝配。 3.關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)分析 后輪、后搖架、后減震的運(yùn)動(dòng)分析過程如下： (1)對(duì)零部件進(jìn)行實(shí)體建模，并在UG軟件中進(jìn)行虛擬裝配； (2)定義“連桿”和“運(yùn)動(dòng)副”； (3)定義運(yùn)動(dòng)“驅(qū)動(dòng)”； (4)給運(yùn)動(dòng)分析方案加力、力矩、彈簧、阻

18、尼、減振塊和接觸運(yùn)動(dòng)副； (5)設(shè)置標(biāo)記及其他封裝分析選項(xiàng)（Packaging Option），從而可以對(duì)標(biāo)記、組件進(jìn)行跟蹤，分析其臨界狀態(tài)，并進(jìn)行干涉檢查等； (6)利用電子圖表進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析； (7)查詢運(yùn)動(dòng)分析方案的信息，修改編輯模型及運(yùn)動(dòng)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(duì)零件進(jìn)行實(shí)體建模； (2)對(duì)模型進(jìn)行的簡(jiǎn)化； (3)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； (4)對(duì)模塊進(jìn)行加載荷及約束； (5)利用解算器對(duì)網(wǎng)格化的模型連桿進(jìn)行計(jì)算； (6)利用UG軟件有限元分析模塊中的后處理功能對(duì)連桿進(jìn)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(dòng)，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(jì) 燃油箱的設(shè)計(jì)過程如下： (1)利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量油泥模型，將截面數(shù)據(jù)點(diǎn)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)