基于Pro/E的車體導(dǎo)航式參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

劉晉，劉宇，黃烈威，孫加平，王廣明

(中國(guó)北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

唐山軌道客車有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“唐車公司”)是一家知名的大型軌道交通一體化解決方案及軌道交通裝備提供商，在其主產(chǎn)品動(dòng)車組及城軌、地鐵的設(shè)計(jì)中，采用Pro/E進(jìn)行三維設(shè)計(jì).近年來(lái)，隨著軌道車輛市場(chǎng)化程度的提高，用戶對(duì)產(chǎn)品的定制導(dǎo)向性越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)設(shè)計(jì)周期也被大大壓縮，這就迫使公司的設(shè)計(jì)部門(mén)在產(chǎn)品種類不斷增加的情況下，重視設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的重用性并大力推廣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到更快更好地響應(yīng)用戶需求和市場(chǎng)形勢(shì)的目的.

唐車公司設(shè)計(jì)部門(mén)通過(guò)對(duì)軌道車輛車體種類的詳細(xì)分析與歸納，得到了車體種類及系列和模塊化劃分方法;通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的深入分析，得到了車體及其子模塊參數(shù)分級(jí)及參數(shù)驅(qū)動(dòng)表.在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建了參數(shù)化模型庫(kù)，并結(jié)合Pro/E強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能，應(yīng)用Pro/TOOLKIT及VC++開(kāi)發(fā)了車體導(dǎo)航式參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，初步實(shí)現(xiàn)了車體的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品走向系列化、譜系化奠定了基礎(chǔ).

所謂導(dǎo)航設(shè)計(jì)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是指由二次開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面引導(dǎo)用戶一步步完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng).導(dǎo)航設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)大大提升設(shè)計(jì)效率，顯著縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期;

(2)變更極為方便，特別適合于產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、編寫(xiě)標(biāo)書(shū)、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)和方案評(píng)審等;

(3)固化產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式和設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量趨于一致;

(4)有利于培養(yǎng)新人.

本文中所指的導(dǎo)航設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是以車體的產(chǎn)品系列劃分、結(jié)構(gòu)的模塊化劃分和部件的參數(shù)化規(guī)劃為基礎(chǔ)，由在Pro/E中運(yùn)用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，按照設(shè)計(jì)流程開(kāi)發(fā)的一系列人機(jī)交互界面構(gòu)成的.系統(tǒng)的基礎(chǔ)是后臺(tái)封裝的車體設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)、參數(shù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù).

1 車體

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1 車體結(jié)構(gòu)

對(duì)軌道車輛來(lái)說(shuō)，車體擔(dān)負(fù)著承載作用，是重要組成部分之一.車體一般可分為底架、車頂、側(cè)墻和端墻四大模塊，如圖1.

1.2 車體模塊化劃分

將車體分為四大模塊是開(kāi)發(fā)導(dǎo)航式參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的第一步，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行模塊化劃分，我們發(fā)現(xiàn):

(1)模塊之間關(guān)系簡(jiǎn)單，除端墻外，各模塊均不與兩個(gè)及以上模塊有連接關(guān)系;

(2)模塊獨(dú)立性強(qiáng)，劃分方法與公司目前設(shè)計(jì)模式與分工原則相同;

(3)在三維建模過(guò)程中，四大模塊一級(jí)是參數(shù)分級(jí)控制的分級(jí)點(diǎn);

(4)在導(dǎo)航界面中，四大模塊一級(jí)是程序調(diào)用的對(duì)象，它們的排列組合形成了目標(biāo)車體.

1.3 車體參數(shù)化控制原則

唐車公司采用基于Pro/E的Top-Down設(shè)計(jì)方法，對(duì)幾何的Top-Down，采用上級(jí)骨架發(fā)布幾何，下級(jí)骨架復(fù)制并發(fā)布幾何，模型復(fù)制幾何并實(shí)體化的方法實(shí)現(xiàn)，這些發(fā)布和復(fù)制幾何多為基準(zhǔn)面、曲面特征、坐標(biāo)系等;對(duì)參數(shù)和屬性的Top-Down，采用繼承的方法.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車體的參數(shù)化控制，我們根據(jù)參數(shù)分級(jí)表將參數(shù)寫(xiě)入相應(yīng)級(jí)別的骨架中，并建立驅(qū)動(dòng)關(guān)系式.

需要注意的是，參數(shù)分為數(shù)值參數(shù)和標(biāo)識(shí)參數(shù).數(shù)值參數(shù)通過(guò)關(guān)系式控制與其相關(guān)的參數(shù)或數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)裝配體參數(shù)和數(shù)值的合理聯(lián)動(dòng);標(biāo)識(shí)參數(shù)則表明所屬模型的屬性，例如在鼓形側(cè)墻的骨架中添加了“鼓形側(cè)墻”參數(shù)，作為程序調(diào)用的標(biāo)識(shí).

1.4 車體參數(shù)化控制內(nèi)容

通過(guò)對(duì)多年來(lái)用戶定制的要求和車體各大部件結(jié)構(gòu)和尺寸的匯總分析，我們得出了車體參數(shù)化控制的內(nèi)容:

(1)底架主結(jié)構(gòu)由橫梁組成，橫梁排布由下部吊裝的電氣和制動(dòng)設(shè)備決定，因此可根據(jù)不同的設(shè)備吊裝方案對(duì)底架進(jìn)行參數(shù)化控制;

(2)車頂內(nèi)部的彎梁排布與安裝在車頂上的空調(diào)、受電弓安裝位置為車頂參數(shù)化控制內(nèi)容;

(3)側(cè)墻的門(mén)窗排布與尺寸受用戶定制的影響最大，因此作為側(cè)墻參數(shù)化控制內(nèi)容;

(4)端墻端門(mén)高度及寬度、風(fēng)擋安裝位置為端墻參數(shù)化控制內(nèi)容.

此外，本系統(tǒng)對(duì)各大模塊間接口尺寸也進(jìn)行參數(shù)化控制.

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

2.1 角色劃分與參數(shù)控制原則

車體的設(shè)計(jì)是由團(tuán)隊(duì)完成的，這就必須在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中考慮到角色的劃分及權(quán)限分配問(wèn)題.我們將角色劃分為主管、系統(tǒng)工程師、部位工程師三級(jí).主管控制產(chǎn)品的頂級(jí)參數(shù)和特征;系統(tǒng)工程師控制本系統(tǒng)的主要參數(shù)和特征，并協(xié)調(diào)本系統(tǒng)部位工程師;部位工程師則根據(jù)傳遞下來(lái)的特征及參數(shù)完成本部位設(shè)計(jì).在本系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)過(guò)程中，角色劃分與參數(shù)控制原則如圖2:

圖2 角色劃分與參數(shù)控制原則

2.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線及設(shè)計(jì)流程

該系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示.應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程如下:

(1)主管通過(guò)Pro/E的定制菜單進(jìn)入導(dǎo)航設(shè)計(jì)系統(tǒng).首先進(jìn)入總體設(shè)計(jì)界面進(jìn)行車輛總體參數(shù)的定義及總體幾何特征的建立，載體為總體骨架模型(總體參數(shù)包含在骨架的參數(shù)中);

(2)車體系統(tǒng)工程師進(jìn)入車體總體設(shè)計(jì)界面，以參數(shù)繼承和復(fù)制幾何方式繼承總體參數(shù)及總體幾何，定義車體參數(shù)并繪制下級(jí)需要的幾何，載體為車體總體骨架.若為新產(chǎn)品初次設(shè)計(jì)，則發(fā)布到下級(jí)由部位工程師按要求完成參數(shù)化三維模型;若為繼承設(shè)計(jì)(由歷史產(chǎn)品進(jìn)行改型設(shè)計(jì))，則首先在標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)中選擇符合要求的各大部件，修改參數(shù)并再生模型，對(duì)模型命名進(jìn)行處理，檢入本產(chǎn)品的文件夾，并為部位設(shè)計(jì)師分配權(quán)限;

(3)部位設(shè)計(jì)師繼承車體系統(tǒng)工程師發(fā)布的參數(shù)及幾何，完成本部位詳細(xì)設(shè)計(jì);

(4)對(duì)于變更，部位設(shè)計(jì)師有權(quán)提出車體級(jí)或車輛總體級(jí)變更，車體系統(tǒng)工程師有權(quán)提出車輛總體級(jí)變更，變更管理如圖2所示.

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

3 運(yùn)行實(shí)例

系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)為總體設(shè)計(jì)和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了車體設(shè)計(jì)，并保留了其他系統(tǒng)導(dǎo)航式參數(shù)化設(shè)計(jì)的接口.

總體設(shè)計(jì)界面:通過(guò)該界面可定義車輛的總體屬性，如車體輪廓、車體總體尺寸、門(mén)類型、門(mén)窗分布、空調(diào)布置形式等.

車體總體設(shè)計(jì)界面:可定義車輛門(mén)窗尺寸，通過(guò)子界面可定義車體各大部件接口.灰顯部分為總體定義的參數(shù)及特征，不允許在本級(jí)更改.(如圖4樣例).

圖4 車體總體及接口設(shè)計(jì)界面

車頂部位設(shè)計(jì)界面:車頂部位工程師通過(guò)此界面可修改車頂梁排布，并完成其他細(xì)節(jié)設(shè)計(jì).灰顯部分為總體及車體定義的車頂部位相關(guān)參數(shù)和屬性，不允許在本級(jí)更改.

4 結(jié)論

基于Pro/E應(yīng)用的普遍性及其強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能，應(yīng)用Pro/TOOLKIT和VC++開(kāi)發(fā)的基于Pro/E的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)、參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及相關(guān)文獻(xiàn)資料十分繁多.本文所使用的開(kāi)發(fā)工具與方法和這些文獻(xiàn)描述并無(wú)二致，因此在界面設(shè)計(jì)及代碼編寫(xiě)等方面未多作論述.但作者認(rèn)為，在企業(yè)中推廣應(yīng)用好參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，特別是滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，以及涉及到設(shè)計(jì)-制造環(huán)節(jié)的信息交換，情況要復(fù)雜得多，可看作一個(gè)系統(tǒng)工程.

(1)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)一定要在深入研究產(chǎn)品種類和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行.如何進(jìn)行合理的模塊化劃分，哪些數(shù)值作為參數(shù)，這些參數(shù)控制哪些參數(shù)或數(shù)值，參數(shù)的取值范圍等，都是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)前必須明確的;

(2)要規(guī)劃好產(chǎn)品未來(lái)的系列和譜系，選取有代表性的、典型的產(chǎn)品進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，并對(duì)入庫(kù)模型定義嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn);

(3)圖3中的標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)的建模質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用至關(guān)重要，在建立過(guò)程中，要考慮現(xiàn)有設(shè)計(jì)流程及產(chǎn)品譜系劃分和積累程度，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)建模的完整程度(達(dá)到目標(biāo)模型的百分比)進(jìn)行合理把控，必須在保證模型庫(kù)的通用性及可移植性的基礎(chǔ)上，再考慮最大限度削減部位工程師的工作量;

(4)要制定完善的數(shù)據(jù)管理方案將標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)與產(chǎn)品區(qū)分開(kāi)，并制定合理的流程以完成產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)的數(shù)據(jù)交換與轉(zhuǎn)換;

(5)要考慮系統(tǒng)上線后遇到不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如方案設(shè)計(jì)、基于標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品入庫(kù)、改型設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)變更等;

(6)要考慮上線后對(duì)設(shè)計(jì)以外部門(mén)原有工作模式的沖擊，考慮對(duì)制造、物料的物流和倉(cāng)儲(chǔ)、采購(gòu)等環(huán)節(jié)的影響.

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