基于協(xié)同的全三維關聯(lián)設計關鍵技術(shù)研究

鄧云飛等

摘 要：研究了基于協(xié)同的全三維關聯(lián)設計技術(shù)的內(nèi)涵和關鍵技術(shù)，探索了在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計過程中采用基于三維模型的定義（MBD）進行全面的定義，基于骨架模型自頂向下進行數(shù)據(jù)鏈傳遞流程等，實現(xiàn)產(chǎn)品實時協(xié)同關聯(lián)設計，從而達到提高研制效率，確保研制質(zhì)量的目的。

關鍵詞：產(chǎn)品研制；關聯(lián)設計；協(xié)同設計

引言

面對現(xiàn)代制造業(yè)高質(zhì)量、高效率的研制需求，采用先進的計算機設計技術(shù)，提高研制質(zhì)量和研制效率非常必要。目前，在傳統(tǒng)產(chǎn)品設計過程中，一方面仍然采用三維數(shù)模加二維圖紙的設計模式，既不能保證設計數(shù)據(jù)的關聯(lián)性，又增加了設計更改的工作量[1]；另一方面，上游總體和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和制造部門不能做到并行設計，降低了設計效率。協(xié)同研制模式要求設計人員從方案階段就考慮到全生命周期內(nèi)因素，并強調(diào)各專業(yè)間的協(xié)同工作，使后續(xù)可能出現(xiàn)的問題在設計的早期階段就被發(fā)現(xiàn)，并得到解決，最大限度地減少設計反復，縮短生產(chǎn)準備和制造時間[2]。國際領先的產(chǎn)品創(chuàng)新團隊波音787采用基于協(xié)同的關聯(lián)設計技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品的全球協(xié)同研制，取得了令人矚目的成就。研究全三維關聯(lián)設計技術(shù)，通過先進的信息化設計手段確保數(shù)據(jù)傳遞的鏈接狀態(tài)正確，對提高產(chǎn)品研制效率和質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 關聯(lián)設計的內(nèi)涵

傳統(tǒng)的設計模式下，三維模型設計需要二維圖紙的輔助，不能直接使用產(chǎn)品的三維模型表達所有設計、制造等信息。同時，由于缺乏有效地關聯(lián)設計規(guī)范體系和數(shù)字化平臺，不能實現(xiàn)零組件之間的關聯(lián)、自動更新以及制造材料清單的自動生成等，一定程度上制約了設計效率的提高。

關聯(lián)設計技術(shù)是以實現(xiàn)產(chǎn)品面向制造的三維數(shù)字樣機需求為牽引，運用集成產(chǎn)品開發(fā)團隊（IPT）模式，以設計資源和知識工程庫為基礎，以構(gòu)建數(shù)字化協(xié)同設計平臺環(huán)境為核心，固化應用三維協(xié)同設計和精益管理流程，實現(xiàn)基于模型的設計（MBD）[3]數(shù)據(jù)及其上下文關系實現(xiàn)設計與工藝應用數(shù)據(jù)傳遞，完善結(jié)構(gòu)設計流程、并行協(xié)同數(shù)據(jù)預發(fā)放流程、數(shù)據(jù)狀態(tài)控制流程及方法等流程體系制定和優(yōu)化。

2 關鍵技術(shù)

2.1 基礎資源設計技術(shù)

產(chǎn)品系統(tǒng)組成復雜，結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、儀器、電纜、管路安裝設計工作量極大，需要調(diào)用大量的材料、設備成品件、電接插件、安裝支座、緊固件等基礎資源?；诳申P聯(lián)驅(qū)動的基礎資源庫技術(shù)的應用作為提高設計效率的重要手段，可將重復建模、重復建材料的工作大幅度降低，實現(xiàn)資源有效共享和快速設計。

資源庫包括緊固件庫、模型庫、技術(shù)文件、設計模板等多個方面。資源庫的主要研究內(nèi)容包括頂層規(guī)劃、標準產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)建、參數(shù)化建模等。工作流程包括了從技術(shù)文件準備，到具體模型的種類、材料屬性、規(guī)格，再到建模的規(guī)則等，涵蓋了可滿足工程需求的各個方面信息。

在具體資源庫設計過程中，應采用參數(shù)化建模的方法，該方法具有建模過程簡易，支持關聯(lián)設計，便于維護使用?；具^程包括：模型幾何創(chuàng)建、設計參數(shù)、關聯(lián)驅(qū)動、編輯設計表、定義屬性、系列演化、入庫、控制。資源庫設計技術(shù)可提高三維設計的效率，同時也是建設數(shù)字化協(xié)同設計平臺的基礎支撐，對于縮短型號的研制周期將起到極大地促進作用。

2.2 關聯(lián)設計平臺研究

全三維關聯(lián)設計平臺是實現(xiàn)多專業(yè)、多系統(tǒng)協(xié)同設計的載體，目的是實現(xiàn)信息流在研制過程中的快速流動，并對信息技術(shù)狀態(tài)進行有效控制。關聯(lián)設計平臺的主要難點是解決設計上下游信息的標準化控制、自動關聯(lián)傳播、自動化驅(qū)動問題。

實現(xiàn)三維關聯(lián)設計標準化控制，一方面需要依靠全面系統(tǒng)的基于知識工程的設計資源庫，利用規(guī)范體系保障協(xié)同設計操作的正確性；另一方面，需要借助一系列軟硬件環(huán)境，將標準規(guī)范與軟件進行集成二次開發(fā)，實現(xiàn)規(guī)范固化并提高設計效率。

實現(xiàn)設計信息的自動關聯(lián)傳播，核心是對協(xié)同設計平臺進行合理的系統(tǒng)配置。設計人員在3D的環(huán)境中進行基于定制開發(fā)環(huán)境的上下文關聯(lián)設計。在上下游相關的設計數(shù)據(jù)之間或并行設計的數(shù)據(jù)之間建立信息關聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)更改（尺寸、外形等）的自動傳播，從而實現(xiàn)設計更新的自動化、縮短設計周期并提高設計的正確性。

實現(xiàn)設計自動化驅(qū)動，關鍵需要在復雜產(chǎn)品的開發(fā)過程中，建立合理的自頂向下設計規(guī)則。在協(xié)同設計環(huán)境中，上游設計中的特征（如參數(shù)、幾何特征等）都可以通過發(fā)布（Publication）功能實現(xiàn)共享，供下游設計過程使用。當發(fā)布的參數(shù)或特征發(fā)生變化時，下游的設計可以自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。采用Top-Down設計方法，在多人參與的某一產(chǎn)品設計階段，將每個設計人員需參考的特征搭建在一個骨架模型（Skeleton）中，加以特征發(fā)布處理（Publication）。這樣，其他設計人員可以方便地調(diào)用共享特征進行并行的局部設計，在設計進行到一定階段后，通過產(chǎn)品裝配或零件布爾運算等方法實現(xiàn)設計整合。當骨架模型的參數(shù)或特征發(fā)生變化時，所有并行的局部設計都可以實現(xiàn)相應的設計更新，如圖2所示。

2.3 基于集成產(chǎn)品關聯(lián)設計流程

全三維關聯(lián)設計技術(shù)在型號中的應用，實現(xiàn)了跨系統(tǒng)、跨單位協(xié)同的關聯(lián)設計，使上游結(jié)構(gòu)的更改可以實時地傳遞到下游系統(tǒng)中，通過更新快速完成系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的同步，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)始終處于最新狀態(tài)，整個研制團隊中設計、工藝、物流、管理等職能部門都可以圍繞一個統(tǒng)一的模型進行定義和審查，消除了傳統(tǒng)串行流程中的工作反復迭代的浪費。關聯(lián)設計流程研究為其中一項關鍵技術(shù)，基本流程一般包括以下幾個方面。

2.3.1 建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是指在數(shù)字化平臺上，根據(jù)產(chǎn)品圖號分配表為基礎建立的零組件父子級關系。通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上不同組件劃分工作包并利用數(shù)字化平臺進行權(quán)限分配和流程定制，可以將工作包分配給相應的IPT微團隊進行設計，并便于不同工作組成員快速定位和查找。

2.3.2 建立主骨架模型

根據(jù)前期產(chǎn)品方案初步論證的結(jié)果，總體設計部門在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上的特定位置建立主骨架模型，如產(chǎn)品理論外形、框梁站位平面、接口協(xié)調(diào)軸線等作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計的頂層幾何基準。

2.3.3 發(fā)布

發(fā)布是關聯(lián)設計技術(shù)中一項特征性概念。根據(jù)設計任務書，總體設計人員將骨架模型中的一些后續(xù)進行產(chǎn)品設計需要參考的基準信息進行發(fā)布。只有發(fā)布后的元素才可以被下游人員引用作為外部參考，發(fā)布的元素后續(xù)若更新，與之關聯(lián)的零件可自動更新。另外，發(fā)布的元素不能刪除，以防止出現(xiàn)不可恢復的錯誤。

2.3.4 建立局部骨架模型

由于總體骨架模型綜合考慮了不同系統(tǒng)的全面幾何信息，對于不同工作包的設計IPT（比如后艙結(jié)構(gòu)設計IPT）來說，過多的信息讀取困難，也無必要。因此工作包的負責人可以以總體骨架模型為基準，創(chuàng)新一個局部骨架，只包含該工作包的基準信息，供工作包內(nèi)部的設計員使用，局部骨架中的有效元素也需要發(fā)布。

2.3.5 自頂向下進行關聯(lián)設計

骨架模型完成設計和發(fā)布后，各工作包的設計人員設計零件時一般應根據(jù)骨架模型進行設計，見圖3，而不能脫離骨架模型進行孤立設計再裝配到產(chǎn)品中去。例如，某產(chǎn)品機身第5框設計時，5框的框腹板平面應有骨架模型中5框站位平面決定；5框外緣條應由5框處產(chǎn)品氣動外形面決定，因此，5框的三維模型至少與骨架模型中2個元素相關聯(lián)，后續(xù)一旦總體對5框站位或者5框附近氣動外形調(diào)整更改，5框三維模型將自動同步更新，如圖4所示，保障滿足總體要求。而如果孤立按照二維設計的思想，用尺寸設計的理念完成了5框的模型設計，再將5框裝配到某個位置，則無關聯(lián)設計關系，將存在很大不協(xié)調(diào)隱患。

2.3.6 模型下廠發(fā)放

三維模型下廠技術(shù)狀態(tài)控制為制造業(yè)公認的難題，為了實現(xiàn)設計模型下廠發(fā)放版本有效管理，應對每個三維模型設計“三維模型數(shù)據(jù)發(fā)放通知單”隨三維模型一同發(fā)放，該通知單上注明模型的零件號，名稱，版次，另外按照企業(yè)質(zhì)量管理規(guī)范進行簽字確認，一般零件的發(fā)放通知單上應由設計員提出，經(jīng)過設計組長校對，設計主任審核，制造部門會簽，標準化部門審查，項目技術(shù)負責人批準后交給構(gòu)型管理人員發(fā)放。

2.3.7 設計變更和構(gòu)型管理

三維模型下廠后，如需要對設計信息進行變更，則需要進行模型升版，需要發(fā)放新的“三維模型數(shù)據(jù)發(fā)放通知單”，通知單上注明概括性的變更內(nèi)容，具體的變更信息應在模型中定義。構(gòu)型管理人員對設計基線和變更情況進行匯總和管理并與制造部門保持實時協(xié)調(diào)，確保設計更改閉環(huán)。

3 結(jié)束語

全三維關聯(lián)設計技術(shù)的應用使產(chǎn)品設計徹底擺脫了繪制二維工程圖或者二維圖、三維模型結(jié)合使用，導致反復更改引起的繁瑣勞動。三維關聯(lián)設計將三維模型作為唯一數(shù)據(jù)源，極大地節(jié)約了設計成本、提高了設計效率。通過在產(chǎn)品設計中的深入應用，可以得出：全三維關聯(lián)設計技術(shù)可極大提高產(chǎn)品設計的質(zhì)量和效率，對于推動制造業(yè)的數(shù)字化應用水平具有重要意義。

參考文獻

[1]劉俊堂，劉看旺.關聯(lián)設計技術(shù)在飛機研制中的應用[J].航空制造技術(shù)，2008（14）：45-47.

[2]劉雅星.飛機并行協(xié)同研制模式與支撐技術(shù)探索[J].航空制造技術(shù)，2010（18）：77-80

[3]ASME. Dimensioning and tolerancing，engineering drawings and related documentation practices[S].Y14.5. [S.l.]：ASME Press，2009.

作者簡介：鄧云飛（1983-），男，工程師，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)機構(gòu)總體設計。