張云靜

（中國北方發(fā)動機研究所，山西大同037036）

在數(shù)字樣機中，模型是其重要組成單元。能夠準確表述產(chǎn)品信息的數(shù)字樣機，主要是由一組零件模型經(jīng)過一系列的裝配操作后生成的具有確定關(guān)系的模型，是對產(chǎn)品的抽象表達，是一個從支持概念設(shè)計到零件設(shè)計（工程設(shè)計），并能完整描述不同裝配件間的裝配關(guān)系、裝配層次和各種裝配信息的裝配模型。在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計中，單個零件的設(shè)計者只重視單個零件或系統(tǒng)的建模，往往不考慮其零件與其他系統(tǒng)及零部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而總體設(shè)計人員鑒于傳統(tǒng)設(shè)計手段的限制，無法將總體意圖與零件設(shè)計的反饋信息及時有效的協(xié)調(diào)，導致產(chǎn)品的信息不能很好地集成起來，阻礙了整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的信息交換，影響了設(shè)計質(zhì)量，甚至是整個產(chǎn)品的開發(fā)進度。

本文通過建立骨架進行數(shù)據(jù)傳遞、約束關(guān)系樹、裝配模型的層次關(guān)系，確立了數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計的技術(shù)方法，對類似柴油機復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的模型表示、裝配設(shè)計約束和協(xié)同設(shè)計等進行了研究。

1 需求分析

在柴油機傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，總體依靠紙質(zhì)協(xié)調(diào)卡片來協(xié)調(diào)各系統(tǒng)間或零件間的接口，所有零件設(shè)計都是在二維基礎(chǔ)上進行，總體對各系統(tǒng)設(shè)計情況的了解滯后，往往是在設(shè)計人員設(shè)計完成，匯總到總體人員后，才會發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計問題，而后再由各設(shè)計人員修改，這樣造成設(shè)計效率低、周期長。

經(jīng)過對傳統(tǒng)柴油機設(shè)計過程的總結(jié)，對數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出以下需求：

（1）總體對各系統(tǒng)的可控性需求。傳統(tǒng)柴油機設(shè)計中，總體依靠的是紙質(zhì)協(xié)調(diào)卡片或類似功能的紙質(zhì)文件，來控制對各系統(tǒng)提出的要求，計算機中建立的模型依賴于人為操作，即所謂的人性約束，缺少計算機的可控性；

（2）設(shè)計過程中總體與分系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計需求。不同設(shè)計人員在同一平臺上進行設(shè)計，縮短設(shè)計周期；

（3）裝配模型與設(shè)計模型的同步性需求。確保設(shè)計過程中不同設(shè)計人員、不同關(guān)注角度能得到正確的設(shè)計信息反映，以期將設(shè)計問題提早暴露；

（4）知識重用性需求。有效地對設(shè)計過程產(chǎn)生的信息進行組織和管理，使設(shè)計的知識得到合理有效重用，保持設(shè)計資源的良好繼承性。

（5）模型規(guī)范性需求。數(shù)字化柴油機中的模型是為滿足不同功能需求而建立的，如裝配需求、仿真需求、加工需求、工程設(shè)計需求等，不同功能需求對模型特征的詳細程度、建立方式的要求盡管不相同，但所有滿足不同功能需求模型的起始模型必須是唯一的，因此，模型的規(guī)范化建立是滿足數(shù)字化柴油機設(shè)計的基礎(chǔ)。

（6）設(shè)計環(huán)境統(tǒng)一性需求。數(shù)字化設(shè)計的環(huán)境一方面包括軟件的一致性、有效兼容性，從而能夠保證數(shù)據(jù)無縫轉(zhuǎn)換；另一方面指設(shè)計基礎(chǔ)環(huán)境的建立，包括三維設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)境，及支持協(xié)同設(shè)計的各類模型庫，如標準件庫、材料庫、通用件庫等。

2 柴油機數(shù)字化協(xié)同設(shè)計

數(shù)字化柴油機設(shè)計技術(shù)的研究是一項創(chuàng)造性的過程，其應(yīng)用必須要符合柴油機的研發(fā)流程，要建立適合企業(yè)自身條件的設(shè)計體系。目前能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)字化設(shè)計方法是首先建立經(jīng)過標準化的協(xié)同基礎(chǔ)環(huán)境，包括支持數(shù)字化設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)軟硬件的配置；其次是具有三維模型設(shè)計的能力，這里所說的能力不是指個人建模的水平，而是指在具有各類規(guī)范（建模、設(shè)計規(guī)范等）和模板指導的環(huán)境下進行零件設(shè)計的能力；最后是產(chǎn)品設(shè)計體系的構(gòu)建，包括產(chǎn)品研發(fā)流程、數(shù)據(jù)傳遞管理系統(tǒng)等。

作為數(shù)字化柴油機設(shè)計的主要組成部分數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，同樣要以柴油機的研發(fā)流程為基礎(chǔ)，建立合理的協(xié)同設(shè)計流程，定制符合數(shù)字化柴油機設(shè)計的協(xié)同設(shè)計方法。

2.1 協(xié)同設(shè)計流程

協(xié)同設(shè)計是總體在柴油機總體設(shè)計過程中所應(yīng)用的一種設(shè)計工具，模型在不同的設(shè)計階段，應(yīng)能體現(xiàn)不同設(shè)計階段的設(shè)計意圖，包括總體結(jié)構(gòu)參數(shù)、零部件的結(jié)構(gòu)型式、尺寸等設(shè)計信息。圖1描述了總體建模在柴油機總體設(shè)計過程中的任務(wù)流程和數(shù)據(jù)流程。如圖1所示，描述了整機結(jié)構(gòu)建模在柴油機總體設(shè)計過程中的任務(wù)流程和數(shù)據(jù)流程。在概念設(shè)計階段，由總體設(shè)計人員從數(shù)據(jù)庫的模板庫中調(diào)出相應(yīng)的模型模板，粗略的布置各初始模型的安裝位置，按照設(shè)計要求，各系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計人員調(diào)節(jié)初始模型的結(jié)構(gòu)尺寸；由概念設(shè)計階段進入方案設(shè)計階段，概念設(shè)計階段的模型隨之進入方案設(shè)計階段，各系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計人員細化和修改初始模型的結(jié)構(gòu)型式和尺寸；進入工程設(shè)計階段、方案設(shè)計階段的模型隨之進入工程設(shè)計階段，模型按照設(shè)計要求繼續(xù)細化，形成最終的數(shù)字化三維模型，最后放置到三維成品庫中，由PDM進行管理。

圖1 柴油機總體設(shè)計流程

2.2 協(xié)同設(shè)計方法

協(xié)同設(shè)計實際上是將TOP－DOWN（自頂向下）與自底向上相結(jié)合設(shè)計的思想在數(shù)字化設(shè)計過程的實現(xiàn)，在柴油機的不同設(shè)計階段，應(yīng)用不同的設(shè)計方法，自底向上是從方案設(shè)計到詳細設(shè)計；自頂向下是從概念設(shè)計到方案設(shè)計，但在實際設(shè)計過程中，自頂向下設(shè)計和自底向上設(shè)計是經(jīng)常混用的，來回切換的。

在概念設(shè)計階段，采用骨架文件特征的發(fā)布和復(fù)制來實現(xiàn)設(shè)計條件的TOPDOWN傳遞，接著部件總布置，從總骨架文件復(fù)制幾何建立部件子骨架文件，最后是部件零件的一種自上而下、逐步細化的設(shè)計過程，這個過程就是TOPDOWN設(shè)計的過程。而在零部件設(shè)計的過程中同樣需要不斷的向總體反饋設(shè)計信息，各系統(tǒng)將設(shè)計的模型與各類標準件、通用件進行系統(tǒng)級裝配，并上傳到協(xié)同平臺上，而后總體在整機的裝配文件中，實時反映出零部件的設(shè)計問題，發(fā)現(xiàn)問題，及時修改，這個過程就是自底向上設(shè)計的過程。如圖2所示，為協(xié)同設(shè)計過程。

圖2 協(xié)同設(shè)計過程

根據(jù)協(xié)同設(shè)計的流程內(nèi)容，需要研究具體的設(shè)計方法來實現(xiàn)流程在柴油機設(shè)計過程中的應(yīng)用。主要內(nèi)容包括。

2.2.1 總骨架的設(shè)計

總骨架設(shè)計過程就是柴油機總體、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計確定的過程，只是將柴油機設(shè)計過程的具體表現(xiàn)形式由三維空間骨架代替了過去傳統(tǒng)的二維圖。然而柴油機的設(shè)計直接由三維環(huán)境開始，是進行柴油機數(shù)字化設(shè)計的基礎(chǔ)。

總體骨架模型的設(shè)計采用基于約束的參數(shù)化設(shè)計?？傮w骨架模型中約束關(guān)系中的幾何約束用以描述柴油機零部件的形狀特征，拓撲約束則描述產(chǎn)品構(gòu)成要素之間的相互依賴和制約的關(guān)系，通過要素關(guān)系的建立和求解來捕捉設(shè)計者的意圖，并完成從功能約束到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)描述的轉(zhuǎn)換過程。

為了使總體骨架模型能夠清晰準確的表現(xiàn)出支持概念設(shè)計階段進行設(shè)計的信息，需要明確總體骨架模型的具體表現(xiàn)形式，即用什么方式來描述上述所研究的總體骨架模型內(nèi)容。骨架是設(shè)計的框架，將設(shè)計信息集中在一個特殊的模型里面，是設(shè)計條件的提煉。根據(jù)多方探討和研究，初步確定在PRO／E或UGS軟件平臺上使用骨架形式來表現(xiàn)。具體內(nèi)容描述如下：

（1）定位信息：各關(guān)鍵特征的位置確定，使用點、軸線、曲線等來描述。

（2）接觸表面的輪廓：零部件間的對接表面，使用曲線、曲面來描述。

（3）關(guān)鍵件的形狀尺寸：表達出空間占位，使用曲線、曲面等來描述。

（4）裝配的參考：零部件的裝配位置，使用坐標系、曲面等來描述。

（5）方程式：

具體形式如圖3。

圖3 柴油機總體骨架設(shè)計形式

2.2.2 面向設(shè)計的虛擬裝配

在柴油機的設(shè)計過程中，采用自頂向下的設(shè)計方法，需先解決柴油機總體、系統(tǒng)與零部件間的各種關(guān)系的描述。這種描述的實現(xiàn)采用建立整機裝配模型，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配并行，既從結(jié)構(gòu)方面優(yōu)化零件設(shè)計，又從設(shè)計過程方面優(yōu)化產(chǎn)品裝配。整機裝配模型不是通過簡單的定義零部件特征間的三維幾何約束關(guān)系定位，而是根據(jù)柴油機的功能組成和系統(tǒng)分類，形成具有層次關(guān)系的級別裝配，總體作為1級，各系統(tǒng)、組件作為2級，部件作為3級，零件依次類推，如圖4所示。之所以采用具有層次關(guān)系的級別裝配，一方面是為了總體可以按照柴油機的功能組成和系統(tǒng)將2級裝配文件傳遞到系統(tǒng)設(shè)計人員手中，既讓設(shè)計人員在設(shè)計約束條件下?lián)碛懈蟮脑O(shè)計空間，又通過整機裝配模型這個紐帶，使總體與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)間實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，使總體能夠在設(shè)計過程中便站在整機的角度來進行實時協(xié)調(diào)；另一方面，使整機裝配模型不會隨底層的零部件特征或約束關(guān)系的修改而發(fā)生約束關(guān)系的失敗。鑒于以上原因，每一級別的裝配采用不同的約束方式，其中1級裝配采用柴油機定義的基準坐標定位裝配，2級裝配需要通過總骨架中的各系統(tǒng)的安裝坐標與各系統(tǒng)模型從總骨架接收的坐標系進行空間定位，3級以下視設(shè)計情況而采用不同的約束方式，可以采用坐標系裝配，也可采用幾何約束裝配。

柴油機按照結(jié)構(gòu)功能主要包括曲軸箱、油底殼、氣缸蓋、曲軸、活塞、連桿等本體零部件，這些主要零部件的結(jié)構(gòu)和組成關(guān)系基本決定了發(fā)動機的總體架構(gòu)。除此之外，發(fā)動機還包括供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、增壓和中冷系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、發(fā)電和啟動系統(tǒng)等，各系統(tǒng)中又包含多個結(jié)構(gòu)上既相互獨立而功能上又相互影響的附件單元，在進行設(shè)計時，只有在整機裝配結(jié)構(gòu)下，總體才能有效地描述系統(tǒng)間裝配關(guān)系，在裝配層次接口清晰的基礎(chǔ)上，總體與系統(tǒng)才能在協(xié)同環(huán)境下傳遞設(shè)計信息，然后以此為基礎(chǔ)，詳細設(shè)計其中的組成零件。

圖4 整機裝配模型

2.3 協(xié)同設(shè)計基礎(chǔ)環(huán)境的建立

（1）三維數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)環(huán)境

目前市場上常見的三維設(shè)計軟件眾多，主流軟件有UG、PRO／E、CATIYA等，無論什么三維軟件，在數(shù)字化設(shè)計平臺下，都需要對軟件進行符合企業(yè)要求的三維配置文件的定制。作者使用的三維軟件為PRO／E，三維配置文件的定制包括三維模板的定制、配置路徑等。

（2）三維轉(zhuǎn)二維設(shè)計環(huán)境

在工程設(shè)計階段，是將三維模型轉(zhuǎn)成二維工程圖的設(shè)計，必須建立符合企業(yè)要求的二維設(shè)計環(huán)境，包括二維配置文件的定制、字庫的定制、二維圖框等。

（3）模型庫

設(shè)計過程中所有設(shè)計人員使用統(tǒng)一的模型庫，形成模型一致性、規(guī)范性，模型庫包括模板庫、常用件、標準件庫、材料庫等。

（4）協(xié)同平臺

柴油機的數(shù)字化設(shè)計前提是產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計，在一個統(tǒng)一的協(xié)同平臺上，實現(xiàn)設(shè)計條件的傳遞和模型庫的應(yīng)用。對于一臺目標樣機來說，團隊中的每個成員既相互獨立又彼此發(fā)生關(guān)系，這就提出如何把團隊中的每個成員有機的結(jié)合在一起，保證大家遵從共同的設(shè)計理念和邊界條件，設(shè)計信息能在彼此之間即時通訊而又可控，并保證數(shù)據(jù)的唯一性和準確性。如圖5所示，為數(shù)字化柴油機設(shè)計協(xié)同平臺框架圖。從框架圖中看出，以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計平臺為基礎(chǔ)，建立柴油機設(shè)計團隊并配置相應(yīng)權(quán)限，其中協(xié)同設(shè)計平臺是將設(shè)計人員通過權(quán)限來對協(xié)同設(shè)計平臺中保存的數(shù)據(jù)進行提取、修改與存儲。

圖5 協(xié)同設(shè)計平臺框架圖

在協(xié)同設(shè)計平臺中，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與權(quán)限配置管理實現(xiàn)柴油機的協(xié)同設(shè)計。發(fā)動機總體按照各系統(tǒng)組成關(guān)系建立發(fā)動機整機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（即整機裝配結(jié)構(gòu)），主要包括總體、各分系統(tǒng)的骨架模型和各分系統(tǒng)的子裝配模型，各系統(tǒng)設(shè)計人員再在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過權(quán)限配置進行分系統(tǒng)設(shè)計，這樣，整個發(fā)動機以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心來實現(xiàn)總體與各系統(tǒng)之間的協(xié)同設(shè)計。

2.4 支持數(shù)字化柴油機設(shè)計的規(guī)范性研究

在柴油機的數(shù)字化設(shè)計中，骨架設(shè)計、信息傳遞、滿足不同需求的模型設(shè)計、流程應(yīng)用等，都需要有相關(guān)的規(guī)范來指導和約束。

3 數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計的工程應(yīng)用

以研發(fā)某型號的柴油機為背景，應(yīng)用數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計技術(shù)，進行了概念設(shè)計到工程設(shè)計，其中應(yīng)用的三維軟件為pro／e3.0，協(xié)同平臺為intralink8.0。

3.1 模型庫的應(yīng)用

該項目在協(xié)同平臺中，建立了標準件庫，包括12種標準件，如圖6所示，統(tǒng)一了標準件模型使用環(huán)境。

圖6 標準件庫

3.2 協(xié)同流程的應(yīng)用

同時該項目應(yīng)用數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計技術(shù)，應(yīng)用流程如圖7所示。

圖7 應(yīng)用流程

首先根據(jù)柴油機研發(fā)需求，進行柴油機總體結(jié)構(gòu)性能分析，設(shè)計柴油機總體結(jié)構(gòu)參數(shù)表，建立布局文件（圖8）；接著以布局文件中的參數(shù)為依據(jù)，建立總體骨架文件，來設(shè)計柴油機整機結(jié)構(gòu)（圖9）；同時建立整機裝配文件，并上傳到協(xié)同平臺中，此時的裝配文件為空的模型，只將各系統(tǒng)的空子裝配文件建立裝配關(guān)系，在模型樹中形成柴油機的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（圖10），而沒有實際的模型；下一步，各系統(tǒng)從協(xié)同平臺下載相應(yīng)的子裝配文件，并復(fù)制發(fā)布特征，進行系統(tǒng)的詳細設(shè)計、零件設(shè)計及工程圖設(shè)計（圖11）；最后，整機裝配文件隨著系統(tǒng)設(shè)計的細化不斷充實，完成系統(tǒng)的詳細設(shè)計，整機裝配同時完成期間，總體可以在整機裝配文件中及時進行各項檢查。

圖8 布局文件

圖9 總骨架

3.3 應(yīng)用效果

在研制該柴油機過程中，應(yīng)用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)后，舍棄了傳統(tǒng)紙質(zhì)協(xié)調(diào)卡片，以協(xié)調(diào)流程為基礎(chǔ)采用了骨架模型文件對協(xié)調(diào)接口的傳遞和控制，極大的降低了設(shè)計差錯，并在協(xié)同流程中，實現(xiàn)了設(shè)計過程中所有零部件數(shù)據(jù)統(tǒng)一、實時的管理。

圖10 裝配文件

圖11 工程設(shè)計

4 結(jié)論

（1）數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計能夠提高零部件設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè)計差錯；能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機研制過程中數(shù)據(jù)管理的可控性；

（2）數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用將會縮短柴油機設(shè)計周期，由于設(shè)計差錯的提前暴露和解決，將大大減少研制成本。

（3）鑒于數(shù)字化柴油機協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究的內(nèi)容較多，本文只作了綜述性的論述，對于其中協(xié)同流程、方法等的研究還需要進一步的詳細探討。

［1］李伯虎，柴旭東，朱文海.復(fù)雜產(chǎn)品集成制造系統(tǒng)技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2002，（12）：17－20.

［2］王峻峰，李世其，劉繼紅.分布環(huán)境下面向裝配的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計集成平臺［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2005，（5）：601－605.

［3］唐炳濤，趙 震.鹿曉陽，王兆清.面向設(shè)計的級進模結(jié)構(gòu)裝配模型及系統(tǒng)開發(fā)［J］.鍛壓技術(shù)，2008，33（3）：133－136.

［4］鐘亦祺，陳 揚，趙 震，等.基于知識的支持自頂向下的級進模結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)［J］.上海交通大學學報，2003，37（12）：1 887－1 890.