陳軍,王偉

(1.馬恒達(dá)悅達(dá)(鹽城)拖拉機(jī)有限公司,江蘇 鹽城224000;2.鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院,江蘇鹽城224051)

0 引言

Teamcenter是西門子工業(yè)軟件公司旗下的數(shù)字化產(chǎn)品全生命周期軟件,為制造業(yè)、電子電氣、醫(yī)藥化工、紡織服裝等各行業(yè)提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的解決方案。Teamcenter可以實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的協(xié)同工作,包括協(xié)同管理、協(xié)同設(shè)計、協(xié)同流程,是真正意義的企業(yè)級協(xié)同管理平臺。

WAVE是一種自動推斷的全相關(guān)參數(shù)設(shè)計技術(shù),可以優(yōu)化工程設(shè)計過程,實現(xiàn)自頂向下的協(xié)同設(shè)計,是參數(shù)化造型技術(shù)與系統(tǒng)工程設(shè)計的有機(jī)結(jié)合。西門子公司的NX/WAVE技術(shù)是目前實現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的優(yōu)秀工具,Teamcenter系統(tǒng)與三維CAD軟件的集成應(yīng)用也是研究的熱點之一。本文通過構(gòu)建Teamcenter協(xié)同設(shè)計環(huán)境,在NX集成環(huán)境下運(yùn)用WAVE技術(shù),成功地實現(xiàn)了拖拉機(jī)傳動系的協(xié)同設(shè)計過程。

1 WAVE協(xié)同設(shè)計現(xiàn)狀

當(dāng)今,國內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)在設(shè)計信息化技術(shù)的支撐下,產(chǎn)品設(shè)計已進(jìn)入資源共享、團(tuán)隊合作、協(xié)同創(chuàng)新的工作模式。現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展,對產(chǎn)品級和零件級的結(jié)構(gòu)和設(shè)計過程提出了越來越高的要求,面對快速多變的市場,企業(yè)必須具備強(qiáng)有力的產(chǎn)品快速設(shè)計開發(fā)能力。使用WAVE技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計,實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計工作以適應(yīng)性設(shè)計和變型設(shè)計為主導(dǎo),采用先進(jìn)的設(shè)計方法、思想和理念,獲取及重用設(shè)計知識,在盡可能短的時間內(nèi)開發(fā)出滿足用戶要求的新產(chǎn)品。在具體實現(xiàn)方式上,首先建立產(chǎn)品的控制結(jié)構(gòu),實現(xiàn)產(chǎn)品模型的同一層或不同層次之間典型幾何模型的關(guān)聯(lián)拷貝,用來控制幾何模型之間的關(guān)系。然后完成自頂向下的裝配設(shè)計,建立新組件,把幾何模型加到新建的組件中。使用WAVE技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計,在很多行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中都有成功的案例,包括組合機(jī)床、家電產(chǎn)品設(shè)計、汽車車身整體設(shè)計等產(chǎn)品[1－3]。

通過WAVE技術(shù),主管工程師可以定制產(chǎn)品整體模板,分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu),實現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)控制,并建立基準(zhǔn)面,交由不同的工程師完成子部件的設(shè)計,從而實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計過程。但是,用戶在單機(jī)環(huán)境下使用WAVE技術(shù),不能實現(xiàn)真正意義上的協(xié)同設(shè)計,工程師之間缺乏有效的數(shù)據(jù)管理與交流平臺,不能實時查看共享數(shù)據(jù),設(shè)計進(jìn)度不能量化考核與跟蹤。通過數(shù)據(jù)拷貝等方式分發(fā)設(shè)計任務(wù),極易造成數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù),工程師在設(shè)計過程中,容易產(chǎn)生一件多號或重復(fù)建模等問題,造成設(shè)計效率降低,設(shè)計數(shù)據(jù)出錯等問題,為協(xié)同設(shè)計造成很多不利的影響,嚴(yán)重制約WAVE技術(shù)的推廣使用。

2 協(xié)同設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 NX/WAVE技術(shù)與自頂向下設(shè)計

WAVE技術(shù)以傳統(tǒng)參數(shù)化建模技術(shù)為基礎(chǔ),針對參數(shù)化建模技術(shù)存在的不足,通過將驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計重要的總體設(shè)計參數(shù)建立在具有相關(guān)性的控制結(jié)構(gòu)中,用少量的設(shè)計變量就可以控制產(chǎn)品開發(fā)的全過程[1]?；赥eamcenter的自頂向下設(shè)計過程除了支持傳統(tǒng)的CAD創(chuàng)建約束、表達(dá)式與定位關(guān)系外,還有如下優(yōu)越性:共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺、共享的數(shù)據(jù)源保證了數(shù)據(jù)的唯一性;基于Teamcenter的安全管理機(jī)制,提高了數(shù)據(jù)訪問的安全性,并能保證數(shù)據(jù)所有權(quán)移交后權(quán)限的變更;工程項目中設(shè)計過程實施管控,實現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計、協(xié)同管理、協(xié)同流程等功能。在Teamcenter平臺下,利用NX/WAVE技術(shù)的強(qiáng)大功能,可以快速地建造一個具有共同控制結(jié)構(gòu)的3D模型。在Teamcenter系統(tǒng)內(nèi)分發(fā)設(shè)計任務(wù)后,可以自動地將控制結(jié)構(gòu)、草圖約束傳遞到子級零部件,這樣,大大減少了設(shè)計更改的成本,解決了由于數(shù)據(jù)拷貝而引起的版本錯誤、模型不一致等問題。

2.2 Teamcenter工程項目管理

Teamcenter中的工程項目應(yīng)用程序提供了對數(shù)據(jù)的組織、訪問和管理的功能。項目負(fù)責(zé)人建立一個實時的“共享空間”,添加不同角色的團(tuán)隊成員到項目組,指定項目訪問權(quán)限規(guī)則,將項目數(shù)據(jù)的讀、修改等權(quán)限授予項目組成員。項目負(fù)責(zé)人可以進(jìn)行實時的項目安排、工作任務(wù)分解、資源合理配置、工時表實時統(tǒng)計以及項目跟蹤與報表統(tǒng)計,項目組成員基于工作職責(zé)來訪問項目中共享的設(shè)計數(shù)據(jù)與技術(shù)文檔。

2.3 NX Manager

通過Teamcenter與NX的深度集成工具NX Manager,將NX數(shù)字化設(shè)計、分析/仿真、制造和Teamcenter數(shù)據(jù)存儲、管理能力集成在一起,用來管理NX的設(shè)計數(shù)據(jù)和設(shè)計過程,使得項目組能夠在一個統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境下協(xié)同工作,可以增加團(tuán)隊的設(shè)計能力、提高設(shè)計效率和設(shè)計的精確性。通過NX Manager,Teamcenter可以管理NX數(shù)據(jù)及其相關(guān)聯(lián)的WAVE文件,提高對數(shù)據(jù)的存取控制能力,保證數(shù)據(jù)的唯一性與版本一致性。工程師使用NX創(chuàng)建或修改模型圖樣時,存取的數(shù)據(jù)是當(dāng)前的個人電腦,而通過NX Manager可直接訪問Teamcenter的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫,調(diào)取文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),這為協(xié)同設(shè)計提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。Teamcenter中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和NX中的裝配結(jié)構(gòu)相對應(yīng),當(dāng)對工程BOM修改時,Teamcenter和NX兩個系統(tǒng)能夠保持同步變化。通過NX Manager實現(xiàn)了Teamcenter不同用戶WAVE表達(dá)式自動同步,工程師可以看到并使用相同的表達(dá)式和定位關(guān)系,完成協(xié)同設(shè)計過程。

2.4 訪問權(quán)限與數(shù)據(jù)所有權(quán)轉(zhuǎn)換

的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理,在協(xié)同設(shè)計過程中為項目組成員提供共享的數(shù)據(jù),因此適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)數(shù)據(jù),防止數(shù)據(jù)被沒有權(quán)限的人誤操作、修改或者刪除是必要的。Teamcenter通過規(guī)則的設(shè)定,將具有共性的數(shù)據(jù)對象(例如自制件、標(biāo)準(zhǔn)件、文件夾)授權(quán)給具有共性的訪問者(例如有相同的職責(zé),或在同一個項目組工作的人員)。通過這種方式可以定義多種條件或規(guī)則來控制對數(shù)據(jù)對象的訪問,并影響Teamcenter的所有用戶。表1所示是項目組數(shù)據(jù)訪問權(quán)限設(shè)置。

表1 數(shù)據(jù)訪問權(quán)限規(guī)則

Teamcenter提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所有權(quán)的功能,用以在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)工程師對數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的移交。更改所有權(quán)是Teamcenter系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計重要的一步,并作為設(shè)計任務(wù)分發(fā)、權(quán)限移交的基礎(chǔ)。需要更改所有權(quán)的數(shù)據(jù)包括三維模型、圖樣、版本信息,同時更改過程信息也會記錄到數(shù)據(jù)庫中,供審計與查詢使用。更改前主管工程師對數(shù)據(jù)具有查看、修改的權(quán)限,數(shù)據(jù)所有權(quán)變更后,只有分配到設(shè)計任務(wù)的工程師本人能修改數(shù)據(jù),同項目組所有人對被更改所有權(quán)的數(shù)據(jù)只讀,并實施掌握設(shè)計進(jìn)度。

3 Teamcenter平臺下拖拉機(jī)傳動系設(shè)計

傳動系是拖拉機(jī)底盤中的重要總成,其設(shè)計需求來自于拖拉機(jī)總體設(shè)計需求或相關(guān)設(shè)計需求。結(jié)合Teamcenter的產(chǎn)品協(xié)同管理平臺與NX WAVE產(chǎn)品級全相關(guān)參數(shù)化設(shè)計,可以實現(xiàn)項目組成員間的協(xié)同設(shè)計。如圖1所示,是Teamcenter平臺下的產(chǎn)品級控制結(jié)構(gòu)自頂向下協(xié)同設(shè)計流程,項目組成員主要工作過程如下:

1)項目經(jīng)理在Teamcenter中創(chuàng)建項目,指派人員,設(shè)置項目數(shù)據(jù)訪問權(quán)限;

2)主管工程師分析傳動系控制結(jié)構(gòu),在Teamcenter中搭建骨架模型,利用WAVE技術(shù)建立控制草圖,建立表達(dá)式的關(guān)聯(lián)拷貝;

3)主管工程師更改第1級子部件數(shù)據(jù)所有權(quán),在系統(tǒng)內(nèi)將模型分發(fā)給各級工程師,由工程師完成子模型的創(chuàng)建;

4)各級工程師根據(jù)控制結(jié)構(gòu)以及繼承的關(guān)聯(lián)表達(dá)式設(shè)計子部件,根據(jù)訪問權(quán)限對數(shù)據(jù)進(jìn)行實施交流;

5)子部件通過關(guān)聯(lián)約束檢查后,由主管工程師實現(xiàn)自底向上的裝配,完成協(xié)同設(shè)計過程。

在企業(yè)Teamcenter系統(tǒng)中,需要實現(xiàn)的目標(biāo)是將所有

圖1 協(xié)同設(shè)計流程圖

3.1 傳動系結(jié)構(gòu)與設(shè)計分析

一個復(fù)雜產(chǎn)品按其結(jié)構(gòu)和功能可以分解為若干個子結(jié)構(gòu)體,每一個子結(jié)構(gòu)體完成一定的功能,零件是功能和結(jié)構(gòu)最基本的單元,用樹狀層次結(jié)構(gòu)表示產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)。拖拉機(jī)傳動系結(jié)構(gòu)如圖2所示,傳動系統(tǒng)由離合器、變速箱、中央傳動機(jī)構(gòu)、動力輸出、最終傳動和制動器等組成。組成傳動系各部分機(jī)構(gòu)的規(guī)格如下所示:

圖2 拖拉機(jī)傳動系功能結(jié)構(gòu)圖

1)離合器:單片、干式/雙作用干式;

2)變速箱:(4＋1)×2型齒輪箱,滑動齒輪換檔(用操縱桿);

3)中央傳動:主傳動圓錐齒輪、差速器;

4)動力輸出:直齒圓柱齒輪傳動;

5)最終傳動:單級直齒圓柱齒輪外置式;

6)制動器:領(lǐng)從蹄式鼓式制動器。

3.2 傳動系產(chǎn)品級參數(shù)化設(shè)計

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識主要反映產(chǎn)品中各子部件的位置及關(guān)聯(lián)關(guān)系,各級結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù),幾何結(jié)構(gòu)尺寸,以及零件之間的裝配關(guān)系、空間約束關(guān)系和幾何對應(yīng)關(guān)系。主管工程師根據(jù)拖拉機(jī)傳動系參數(shù)化設(shè)計特征層次,在404B拖拉機(jī)項目文件夾中創(chuàng)建頂層裝配,分配圖號,搭建傳動系骨架結(jié)構(gòu)。按照傳動系的設(shè)計要求對1級子部件重要零件空間位置分析,確定部件間位置距離,并對發(fā)動機(jī)、離合器、傳動軸等部件進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系分析。通過設(shè)計計算,提煉產(chǎn)品級控制結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù),并在頂層裝配中建立驅(qū)動表達(dá)式,建立控制結(jié)構(gòu)幾何要素,添加幾何之間的關(guān)聯(lián)表達(dá)式,完成頂層裝配草圖的設(shè)計(圖3)。對于結(jié)構(gòu)、位置和方向都可能在模型更新時發(fā)生改變的部件及部件間的關(guān)系,用基準(zhǔn)面間位置關(guān)系進(jìn)行表達(dá),通過這些基準(zhǔn)面來對部件產(chǎn)品在產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)中的具體位置進(jìn)行約束。通過建立部件間幾何鏈接關(guān)系,進(jìn)行自頂向下的逐層設(shè)計,更改不同部件的模型形狀,從而自動驅(qū)動產(chǎn)品模型的更新。例如變速箱和中央傳動機(jī)構(gòu)、動力輸出之間的端面特征相關(guān)。

圖3 拖拉機(jī)傳動系控制結(jié)構(gòu)簡圖

3.3 任務(wù)分發(fā)與自頂向下設(shè)計

主管工程師在Teamcenter中搭建傳動系骨架結(jié)構(gòu),設(shè)置頂層裝配中各部件的幾何控制要素,,通過WAVE技術(shù)實現(xiàn)關(guān)聯(lián)拷貝,從而把相關(guān)的設(shè)計意圖傳達(dá)給各級設(shè)計工程師。主管工程師通過Teamcenter系統(tǒng)內(nèi)的更改所有權(quán)功能,將1級部件交由工程師設(shè)計。設(shè)計工程師接收到設(shè)計任務(wù)后可以分別同時進(jìn)行設(shè)計,即并行工程。同時,當(dāng)設(shè)計意圖發(fā)生變化時,主管工程師也可以及時地更新控制結(jié)構(gòu),Teamcenter系統(tǒng)自動同步反映到工程師的設(shè)計數(shù)據(jù)中。如圖4所示,在任務(wù)分發(fā)前,為1級子部件拷貝設(shè)計需要的、繼承的關(guān)聯(lián)約束信息,并為每個1級子部件和頂層部件建立關(guān)聯(lián)。最后通過更改所有權(quán),在Teamcenter平臺內(nèi)將1級部件數(shù)據(jù)分發(fā)給相關(guān)設(shè)計工程師完成,保證部件版本的唯一性。

圖4 WAVE關(guān)聯(lián)控制及各級部件任務(wù)分發(fā)

3.4 自底向上裝配過程

工程項目提供了一個項目組內(nèi)成員間數(shù)據(jù)集中管理、進(jìn)度實時掌握的共享空間,各級工程師按照設(shè)計任務(wù)完成子部件的設(shè)計后,將設(shè)計數(shù)據(jù)指派到工程項目中。子部件通過關(guān)聯(lián)約束檢查后,由主管工程師實現(xiàn)自底向上的裝配,完成協(xié)同設(shè)計過程。

在Teamcenter平臺下,利用 WAVE技術(shù)在設(shè)計復(fù)雜產(chǎn)品時,更容易體現(xiàn)自頂向下的協(xié)同設(shè)計優(yōu)勢。如圖5所示,通過項目組分工協(xié)作,可以在較短的時間內(nèi)完成拖拉機(jī)傳動系的設(shè)計過程,可以在保持傳動系外形尺寸不變的前提下,通過參數(shù)驅(qū)動和全相關(guān)技術(shù)來變更中央傳動位置與尺寸以獲得更大的動力輸出,并可以迅速獲得這種更改帶來的影響。如果使用傳統(tǒng)的技術(shù),可能會花費(fèi)幾倍甚至幾十倍的時間,并在數(shù)據(jù)發(fā)放,版本更新過程中造成數(shù)據(jù)不一致,模型裝配約束錯誤等問題。

圖5 Teamcenter平臺中傳動系協(xié)同設(shè)計

4 結(jié)語

對Teamcenter/NX集成環(huán)境下的Wave技術(shù)進(jìn)行了研究,通過Teamcenter工程項目管理、訪問權(quán)限控制、產(chǎn)品級參數(shù)化建模等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了拖拉機(jī)傳動系參數(shù)化協(xié)同設(shè)計,縮短了傳動系的改型和研發(fā)周期,為產(chǎn)品快速投放市場提供了技術(shù)保障。

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