隨著國內(nèi)企業(yè)技術水平的不斷提高，可視化、高效、直觀形象的三維CAD系統(tǒng)已越來越多地被推廣和應用，其便捷高效的快速變形設計使企業(yè)能夠最大限度地縮短產(chǎn)品前置時間，減少設計失誤，從而提高市場競爭力。就目前的企業(yè)應用情況來說，尚存在很多問題，其根本原因是缺少數(shù)據(jù)積累，未建立起基于三維CAD的設計體系，對此，筆者認為，實施數(shù)字化樣機項目是解決這一焦點問題的有效措施。

數(shù)字化樣機的功能

數(shù)字化樣機又被稱為“機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術”——工程師利用三維CAD進行實體建模，形成樣機模型，然后對模型進行各種動態(tài)性能分析，改進樣機設計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機試驗。

數(shù)字化樣機完成的功能包括：基于工程的參數(shù)化三維零部件模型；零部件干涉檢查，以最大限度地避免樣機制造過程中返工；機構的運動仿真分析；模擬真實場景的零部件有限元分析、動力學分析、運動力學分析、模擬各種各樣作用力分析；作為CAM/PDM/ERP的前端數(shù)據(jù)源。

由此可見，運用數(shù)字化樣機可以減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能，獲得最優(yōu)化的創(chuàng)新產(chǎn)品設計。

 
在三維環(huán)境中的柴油機裝配效果

數(shù)字化樣機項目的實施步驟

隨著業(yè)務的迅速發(fā)展，我公司在設計開發(fā)方面面臨很多實際問題，如人員專業(yè)水平不夠、缺乏數(shù)據(jù)積累、開發(fā)體系不系統(tǒng)等，為了徹底解決這些問題，我公司實施了基于PDM系統(tǒng)的數(shù)字化樣機項目。

1、技術準備

我公司PDM項目于2005年1月成功上線，在此基礎上，我們確立了以產(chǎn)品B3012樣機的零部件為主要三維設計模型的數(shù)字化樣機項目，組織以內(nèi)燃所所長為項目經(jīng)理的項目團隊，由山大華天軟件公司的技術人員進駐企業(yè)，提供相應的技術服務。

2、操作過程及開發(fā)結果的嚴格管理

該項目完全按照“Project”的管理規(guī)定，從立項到總結都有嚴格的操作規(guī)范。這樣對項目的操作過程和結果都有了明確的管理和有權威性的成果。

3、建立基于三維CAD的BOM結構體系

我公司建立了以產(chǎn)品B3012樣機所有零部件的三維CAD模型及各級裝配體為中心的設計研發(fā)項目，形成了基于三維CAD的BOM結構體系，使三維模型參數(shù)化、模塊化。

（1）開發(fā)體系

項目中的產(chǎn)品開發(fā)流程繼承了原有的設計開發(fā)體系，結合我公司現(xiàn)有的產(chǎn)品開發(fā)軟硬件總結出來，做到產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理統(tǒng)一化、產(chǎn)品設計過程無紙化和自動化，做到了產(chǎn)品設計的可追溯性，實現(xiàn)了自動化辦公，并且所有數(shù)據(jù)均在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中管理和保存，做到了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，可控可查；本開發(fā)體系中的流程傳遞均在Project與PDM中實現(xiàn)自動傳遞，并可在系統(tǒng)中查看各項目進度情況，實現(xiàn)流程的可視化控制。這樣形成的開發(fā)體系，降低了人為傳遞失誤，CAD/CAM系統(tǒng)也大大提高設計人員的設計效率，CAE系統(tǒng)則大大降低了設計過程中的失誤。

（2）Top-down設計方法

在我公司的各個研發(fā)項目中，都特別注重團隊協(xié)調(diào)一致的工作，在此數(shù)字化樣機項目中，我們利用UG NX的虛擬裝配技術完成了新產(chǎn)品柴油機的設計。在設計過程中，我們以Top-down設計方法為主線，適當結合Bottom-up設計方法，從整體到局部來完成整個設計過程。

（3）產(chǎn)品三維設計與質(zhì)量管理

質(zhì)量體系是為實現(xiàn)質(zhì)量管理的組織結構、職責、程序、過程和資源組成的互相聯(lián)系、互相協(xié)調(diào)的有機整體，質(zhì)量手冊、質(zhì)量體系程序和支持性文件是組成ISO9000質(zhì)量體系的三個層次文件。我公司數(shù)字化樣機項目根據(jù)UG NX設計應用的質(zhì)量管理規(guī)定，完成的工作有主要有：設計準備、設計策劃、產(chǎn)品設計、數(shù)據(jù)集檢查、設計驗證、設計文件審簽、設計更改、設計評審和設計定型。

4、企業(yè)三維CAD相關應用人員的針對性系統(tǒng)培訓

該項目的實施不僅完成了B3012產(chǎn)品的全部設計及總結任務，更重要的是有一大批設計人員在整個項目中得到了有針對性的系統(tǒng)培訓：

□ 基礎培訓：在項目啟動初期進行全體設計人員的三維基礎建模培訓；

□ 有針對性的培訓：在項目運作過程中對項目團隊中的設計人員、工藝人員、標準化人員進行有針對性的培訓，并隨時關注他們在三維應用中遇到的問題，隨時答疑、隨時解決；

□ 高級培訓：在項目即將結束時對全體設計人員進行三維軟件的應用的高級培訓，并進行考試，其中有二十幾名工程師通過了UG設計師的任職資格認證。

質(zhì)量管理

以上步驟中，質(zhì)量管理是我們的核心工作之一，在此做詳細闡述。

PDM中的標準件庫

1、 設計準備

設計準備階段是UG NX設計應用的基礎，也是UG NX設計應用質(zhì)量管理的起始點和關鍵環(huán)節(jié)。

□ 資格認證：山大華天的技術人員在項目啟動以及項目結束時都對本企業(yè)技術人員進行了初/高級的培訓，并進行了考試。

□ 系統(tǒng)管理：設置系統(tǒng)管理員崗位，統(tǒng)一負責UG NX系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理與維護的工作。

□ 設計規(guī)范：嚴格按照UG NX設計應用規(guī)范，對建模、裝配、制圖、數(shù)據(jù)檢查、審批、更改等內(nèi)容進行產(chǎn)品的三維設計，并將規(guī)范單獨成文，放在PDM系統(tǒng)平臺上，供設計人員隨時參閱。

□ 其他相關規(guī)范：螺紋數(shù)據(jù)文件、標準件庫、材料庫等都建立基于統(tǒng)一的UG NX標準庫。在這項工作中，我公司標準技術部的人員會同山大華天技術人員，將本企業(yè)常用的標準件、材料庫、螺紋數(shù)據(jù)文件的三維圖形以及其他屬性都維護到標準件庫中，以便在詳細設計中直接使用，有利于數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)一致和有效管理。

2、 設計策劃

該項目的三維設計策劃工作所完成任務較二維設計所要新涉及的內(nèi)容有：

□ 組織結構：項目組在TCEng環(huán)境下預先設定產(chǎn)品結構樹，確定項目團隊的所有人員角色和權限，保證在項目運作中團隊工作的協(xié)調(diào)一致。

□ 設計思路和方法：針對具體產(chǎn)品——B3012數(shù)字化樣機，我們確定了產(chǎn)品的設計思路和方法。

□ 明確主模型的原理和方法：該項目的所有的部件文件都按照UG NX主模型原理進行創(chuàng)建，支持了產(chǎn)品不同設計階段的人員使用不同的應用來共享相同的模型，這種主模型原理有效地保證了數(shù)據(jù)表達方式的一致性，大大減少了數(shù)據(jù)冗余。

□ 確定需驗證的內(nèi)容：項目中的幾何公差分析、裝配間隙和干涉檢查、運動機構分析仿真、結構分析、數(shù)據(jù)分析和檢查等工作，在設計策劃時規(guī)定都在UG NX中進行。

3、 產(chǎn)品設計

項目中不同設計階段的三維設計要求都有所區(qū)別。例如在該項目的詳細設計階段中，項目組人員遵循的一般原則和方法是：

□ 模型質(zhì)量的基本要求：正確性、相關性、一致性、可編輯性、可靠性。

□ 實體建模的質(zhì)量管理：實體建模的內(nèi)容和方法必須與設計不同階段的設計目標相一致；實體建模必須按照建模規(guī)范進行；實體建模必須按照建模步驟進行；實體建模必須按照參數(shù)化原則建模，禁止使用非參數(shù)化的命令，保證模型的可編輯性；運用UG NX相關參數(shù)化設計的功能和技巧，正確反映產(chǎn)品幾何結構和尺寸的內(nèi)在關系，實現(xiàn)設計意圖的相關性；用盡可能少的文件數(shù)據(jù)特征來達到表現(xiàn)模型的目的。

□ 裝配建模的質(zhì)量管理：嚴格采用UG NX提供的自頂向下設計裝配方法；重視部件名和裝配加載路徑的管理，防止文件名和加載路徑出現(xiàn)混亂或錯誤；進行嚴格的組件版本管理和技術狀態(tài)管理，保證裝配所引用的模型數(shù)據(jù)的唯一性和一致性；根據(jù)產(chǎn)品的技術特點選擇使用引用集，對引用集的創(chuàng)建、修改、檢查、使用、置換等都應有明確的規(guī)定。

□ 裝配規(guī)則原則：按實際的安裝順序進行裝配；在主裝配中使用“絕對定位”的方法裝配子裝配件；在子裝配中使用配對條件進行裝配；避免在不同子裝配中使用部件間的交叉約束。

□ 制圖的質(zhì)量管理：嚴格按主模型原理進行制圖工作，制圖數(shù)據(jù)（包括組件圖、裝配圖）與三維模型分別存放在不同的文件中；注重三維實體模型注重制圖的關聯(lián)性，如視圖與模型的關聯(lián)、尺寸與視圖的關聯(lián)、注釋與圖樣或視圖的關聯(lián)。

4、數(shù)據(jù)集檢查

數(shù)據(jù)集檢查的內(nèi)容主要包括：系統(tǒng)參數(shù)檢查、通用數(shù)據(jù)檢查、實體模型檢查、裝配模型檢查、制圖檢查。

在本項目的產(chǎn)品設計模型中，數(shù)據(jù)檢查的方法有自動批處理檢查、手工交互檢查。自動批處理檢查指使用UG NX開發(fā)工具編制相應檢查程序進行UG NX/CAD模型檢查，例如使用UG NX Check Mate 檢查一致性。手工交互檢查指在UG/CAD環(huán)境下，采用交互方式按要求對UG NX/CAD模型進行檢查。

5、設計驗證

利用UG NX為產(chǎn)品設計提供的功能較完善的設計驗證工具，例如分析、簡單干涉、裝配間隙、公差分析、機構運動及動力學分析、結構分析等功能，進行產(chǎn)品的可靠性設計驗證。

設計驗證的結果產(chǎn)生設計報告，經(jīng)審簽后歸檔，作為批準、發(fā)放設計數(shù)據(jù)文件的依據(jù)，也為設計評審和設計確認提供信息。

6、設計文件審簽

文件審簽是質(zhì)量管理的一個重點。為了與三維設計相適應，我公司在PDM中已經(jīng)實現(xiàn)了把原來以二維圖紙為中心的人工更改管理方式轉變?yōu)橐匀S模型為中心的電子文檔審簽的管理。當然，如果大型產(chǎn)品的電子文檔審簽和更改不方便時，也可先進行紙質(zhì)設計文件的審簽，再進行電子文檔審簽、更改的管理。

7、設計更改

□ 更改貫徹主模型原理和方法:確保零件實體模型是制圖、裝配的唯一數(shù)據(jù)源；有關更改對象的所有不同介質(zhì)的文件、文檔應同時更改，并保持一致；下級零組件的更改應與上級組件進行協(xié)調(diào)。

□ 更改流程：設計更改方案的評審、驗證；填寫設計更改單（更改單的內(nèi)容要以數(shù)據(jù)模型要素的更改為主線，協(xié)調(diào)與裝配、制圖及其他文檔之間的相互關系，進行相應更改）；審批更改單；進行設計更改（先模型，再裝配、制圖、其他文檔）；設計更改文件審批；歸檔；實施更改。

□ 版本管理：我公司的PDM平臺已經(jīng)實現(xiàn)了對版本進行定義并很容易進行有效的管理，保證了設計更改的一致性、完整性和協(xié)調(diào)性。

8、設計評審

在該項目的產(chǎn)品設計的不同階段，設計文件的構成有不同的要求。例如在初樣研制（技術設計）時只需要創(chuàng)建產(chǎn)品總體模型和主要零部件模型或圖紙，而在試樣研制（詳細設計）時則要包含零件模型數(shù)據(jù)文件、裝配模型數(shù)據(jù)文件、二維制圖數(shù)據(jù)文件等全套設計數(shù)據(jù)文件。對設計數(shù)據(jù)文件的質(zhì)量要求在各個設計階段評審時都是相同的，即：數(shù)據(jù)的正確性；設計的相關性和一致性； 模型的可編輯性；數(shù)據(jù)的可靠性；設計數(shù)據(jù)的完整性。

9、設計定型

這是新產(chǎn)品研制設計任務基本結束的標志。設計定型完成后，產(chǎn)品研制就進入試生產(chǎn)階段。在完成產(chǎn)品設計任務時，需上交兩份文檔資料：一份是產(chǎn)品設計總結，該報告提供對產(chǎn)品設計過程基本情況描述、全套設計數(shù)據(jù)文件概況描述、設計驗證、機構運動及動力學分析、結構分析及其他（如數(shù)字樣機仿真等內(nèi)容）、產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)模型在制造過程的使用情況等；另一份是設計定型審查報告，該報告對產(chǎn)品設計全套設計數(shù)據(jù)文件進行審查并得出結論。

實施效果

1、初步形成了完整的基于三維CAD的設計體系

在本項目的運作過程中，山大華天的技術人員針對本企業(yè)的產(chǎn)品特點，在三維環(huán)境中直接進行產(chǎn)品的實際開發(fā)，帶動了企業(yè)項目人員完成三維建模及產(chǎn)品設計，這種針對實際應用、針對項目團隊研發(fā)人員的技術服務有力地推進了本企業(yè)三維設計的水平以及設計規(guī)范的統(tǒng)一。

通過數(shù)字化樣機項目的成功實施，我公司不僅完成了產(chǎn)品B3012樣機的所有零部件的三維CAD模型及各級裝配體的設計等各項開發(fā)任務，更重要的是幫助企業(yè)完成了完整的基于三維CAD的設計體系，為下一步三維設計工作的開展打下了堅實的基礎；

2、企業(yè)具備了必要的三維數(shù)據(jù)積累

本項目中形成的所有的三維設計的數(shù)據(jù)庫、標準件庫、典型結構庫等成果全部由成功上線的PDM平臺進行統(tǒng)一分類管理，使企業(yè)的三維設計具備了必要的數(shù)據(jù)積累，使下一步的三維設計工作更加方便、準確、快捷。

3、三維CAD相關應用人員得到了有針對性的系統(tǒng)培訓

數(shù)字化樣機項目成功實施后，很快使我公司的一大批三維設計、工藝、標準化技術人員成長起來，為企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新準備好了人才力量。

結論

我們所實施的數(shù)字化樣機項目繼承了公司現(xiàn)行的開發(fā)體系，結合上線的PDM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、CAPP工藝管理系統(tǒng)、NX CAD/CAM系統(tǒng)，力爭做到統(tǒng)一結合，一個新的技術先進的三維設計體系基本建立。經(jīng)過后續(xù)設計開發(fā)中的磨合和總結，這個設計開發(fā)體系已經(jīng)成功運行。該體系是我們對高集成環(huán)境下的數(shù)字化產(chǎn)品設計體系的探索，大幅度地提高了產(chǎn)品研發(fā)的水平，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。