應(yīng)用NX軟件進行協(xié)同設(shè)計的規(guī)范性問題

光旭東

大型產(chǎn)品的研發(fā)必須采用協(xié)同設(shè)計的方式。在進行協(xié)同設(shè)計之前，必須要制定統(tǒng)一的規(guī)范。本文以鐵路貨車的設(shè)計為例，介紹了應(yīng)用siemens PLM software NX軟件進行協(xié)同設(shè)計要做的準備工作和制定的規(guī)范。執(zhí)行這些規(guī)范，對方便查找文件，控制模型中的要素，優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等能起到重要作用，使得設(shè)計處于可控狀態(tài)，保證設(shè)計質(zhì)量。

一、協(xié)同設(shè)計的要求

完成一項大型產(chǎn)品的研發(fā)，必須采用協(xié)同設(shè)計的方式。按產(chǎn)品的特點、專業(yè)分工和工作量等情況組織設(shè)計團隊。負責人根據(jù)工作要求和各自的業(yè)務(wù)熟悉情況給成員安排不同的設(shè)計任務(wù)。在這種情況下，必須做到以下幾點：

（1）對軟件應(yīng)用做出統(tǒng)一的規(guī)范，以保證設(shè)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、完整和正確；

（2）對建模各要素實行有效管理，使得建模結(jié)構(gòu)正確且優(yōu)化；

（3）對設(shè)計過程進行有效監(jiān)控，使制定的規(guī)范始終得到執(zhí)行；

（4）對設(shè)計數(shù)據(jù)進行有效管理，使之得到合理利用。

本文以應(yīng)用Siemens PLM Software NX軟件進行鐵路貨車產(chǎn)品設(shè)計為例，介紹為協(xié)同設(shè)計所做的工作。

鐵路貨車產(chǎn)品是大型的機械產(chǎn)品，主要特點為：整車裝配后數(shù)據(jù)量大，已有較多的技術(shù)積累，有一系列成熟零部件可供選用，有多年形成的設(shè)計慣例，大部分車型沒有電控部分。

按目前我國相關(guān)企業(yè)的研發(fā)、制造和營銷的需要，設(shè)計數(shù)據(jù)主要用于：

（1）產(chǎn)品設(shè)計。主要工作包括建模、裝配、形成工程圖和重要零部件的有限元分析、設(shè)計及工業(yè)仿真等；通過技術(shù)積累，逐步形成本產(chǎn)品設(shè)計所需的常用零部件、標準件庫；設(shè)計數(shù)據(jù)要滿足形成系列產(chǎn)品的要求。

（2）產(chǎn)品制造。目前，還是以工程圖指導(dǎo)生產(chǎn)為主，有條件的企業(yè)，正在探索用三維標注的方式指導(dǎo)生產(chǎn)。部分有條件的企業(yè)可應(yīng)用PDM系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)與制造過程的銜接。

（3）人員培訓(xùn)。將設(shè)計過程形成的三維模型用于對制造人員和使用人員的培訓(xùn)，主要培訓(xùn)內(nèi)容是：產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的介紹，各工序的操作要求和方法等。

（4）產(chǎn)品推介、宣傳等。將設(shè)計過程形成的三維模型用于產(chǎn)品介紹、廣告和宣傳圖片等，一般要對原始設(shè)計模型進行外觀修飾。

根據(jù)上述要求，為協(xié)同設(shè)計所做的工作主要有：

（1）設(shè)計前的準備工作：根據(jù)本企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的要求制定軟件的應(yīng)用規(guī)范和進行二次開發(fā)、人員培訓(xùn)等。在制定規(guī)范時，可根據(jù)本企業(yè)的情況，學(xué)習(xí)和借鑒機械產(chǎn)品三維建模通用規(guī)則等國家標準，在使用中檢驗并完善后，可將其作為本企業(yè)標準。根據(jù)應(yīng)用規(guī)范和提高設(shè)計效率的要求，對軟件進行必要的二次開發(fā)。

（2）設(shè)計過程的控制：對設(shè)計模型和工程圖的審查、修改和完善。

（3）設(shè)計數(shù)據(jù)的管理和利用。

二、為協(xié)同設(shè)計所做的工作

1.制訂軟件應(yīng)用規(guī)范

（1）初始環(huán)境設(shè)置

要對軟件的基本量綱進行設(shè)置，通常包括模型的長度、質(zhì)量、時間、力和溫度等，其余的量綱可在此基礎(chǔ)上進行推算，例如，當長度單位為毫米（mm）、時間單位為秒（s）、力的單位為牛頓（N）時，可以推算出速度的單位為毫米每秒（mm/s）、彈性模量單位為兆帕（MPa）。

可根據(jù)不同產(chǎn)品的建模和裝配特點使用相對坐標系和絕對坐標系，坐標系的使用在產(chǎn)品設(shè)計前進行統(tǒng)一定義。

應(yīng)將不同的設(shè)計要素（如實體、草圖、曲線、曲面、基準和注釋等）放在規(guī)定的層中，以便對其進行有效管理。

可定制本企業(yè)的模板文件，在模板文件中完成相關(guān)設(shè)置，替換軟件原來的模板文件。

（2）零件建模

制定零件建模規(guī)范重點要體現(xiàn)設(shè)計的正確性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不同用途的模型在建模要求上是有差異的。

對于本企業(yè)制造或提供完整技術(shù)資料委托其它企業(yè)制造的零件，應(yīng)完整造型，保留所有參數(shù)，以便于作參數(shù)化修改和衍生為系列產(chǎn)品。

外購件產(chǎn)品的模型可由供應(yīng)商提供。用戶可根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和修改。轉(zhuǎn)換前的原始模型應(yīng)予以保留，并伴隨裝配模型一起歸檔。對無法從供應(yīng)商處獲得外購件的三維模型，可由用戶自行建立。允許根據(jù)使用要求對外購件模型進行簡化，但簡化模型應(yīng)包括外購件的最大幾何輪廓、安裝接口、極限位置及質(zhì)量屬性等影響模型裝配設(shè)計的基本信息。

對產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)心影響可以忽略的單個零部件可以直接修改密度將其計算重量調(diào)整至接口圖紙中的質(zhì)量值，不可忽略的外購件必須按接口圖紙資料設(shè)置重量及重心位置。

在滿足應(yīng)用要求的前提下，盡量使模型簡化，使其數(shù)據(jù)量減至最少。建模的優(yōu)化程度體現(xiàn)在特征數(shù)量上，在保證模型完整、正確的前提下，一般來說，特征數(shù)越少越優(yōu)化。

建模草圖尺寸標注應(yīng)充分體現(xiàn)零件設(shè)計意圖。特征原則上全約束，不得欠約束，另有約定的除外；優(yōu)先使用幾何約束，例如平行、垂直或重合，其后才使用尺寸約束。

零件建模的坐標系方向應(yīng)盡可能與所屬裝配或整車裝配坐標系相一致。

為減少文件問鏈接產(chǎn)生的出錯現(xiàn)象，零件建模應(yīng)嚴格控制外部參照使用，應(yīng)盡可能減少模型特征引用零件自身之外的參照信息。

（3）裝配建模

要保證裝配結(jié)構(gòu)的清晰，按層次管理，如整車、大部件、小部件和零件。

為了保證被裝配件（包括組件）用于不同產(chǎn)品，減少文件間鏈接可能發(fā)生的錯誤，除非有特殊需要，不建議過多采用部件間的表達式鏈接、Wave幾何鏈接器功能。

產(chǎn)品的裝配建模一般采用兩種模式：自頂向下設(shè)計模式和自底向上設(shè)計模式。兩種設(shè)計模式各有特點，應(yīng)根據(jù)不同的研發(fā)性質(zhì)和產(chǎn)品特點選用合適的流程。根據(jù)不同的設(shè)計類型及其設(shè)計對象的技術(shù)特點，可分別選取適當?shù)难b配建模設(shè)計模式，也可將兩種模式相結(jié)合。對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較簡單或相對成熟度較高產(chǎn)品的改進設(shè)計，宜采用自底而上設(shè)計模式。對于新產(chǎn)品研發(fā)或需要曲面分割的產(chǎn)品宜采用自頂而下的設(shè)計模式。兩種設(shè)計模式并不互相排斥，在實際工程設(shè)計中，也常將兩種設(shè)計模式混合使用。

要進行零件問的干涉檢查分析。對于具有相對機械運動的裝配，推薦每一級裝配模型都應(yīng)進行靜、動態(tài)干涉檢查分析，必要時，按實際生產(chǎn)情況進行裝配工藝性分析和虛擬維修性分析。

（4）工程圖

應(yīng)規(guī)定企業(yè)內(nèi)執(zhí)行的圖框、標題欄、明細表等的統(tǒng)一格式和模板。

視圖表達、線型、比例、字體、尺寸標注、尺寸公差標注、幾何公差標注、焊縫標注和注釋等要符合國標的要求。

因整車設(shè)計屬于大系統(tǒng)設(shè)計，為加快裝配模型調(diào)用下級模型的速度，采用工程圖與三維模型分離的方法。

（5）三維標注

需要作出規(guī)定的內(nèi)容有：尺寸標注、尺寸公差與配合標注、幾何公差標注、表面粗糙度標注、焊縫標注、指引線和基準的標注、裝配模型中零部件序號及其編排方法、剖視圖和斷面圖的表示方法、模型簡化表示法，總體要求是符合相關(guān)國家標準的要求。

（6）文件命名

為了適應(yīng)三維數(shù)字模型的建模、文件管理、存儲、發(fā)放、傳遞和更改等方面要求，模型文件應(yīng)按GB/T 24734.2中第4章的規(guī)定，采用統(tǒng)一規(guī)則進行命名。

三維數(shù)字模型文件的命名應(yīng)遵循以下原則：

①唯一性原則：使模型文件得到唯一的存儲標識，例如，可以采用文件名使之唯一，亦可通過其他屬性使之唯一。

②精簡性原則：文件名應(yīng)盡可能精簡、易讀，便于文件的共享、識別和使用。

③相關(guān)性原則：同一零部件的不同類型文件名稱應(yīng)具有相關(guān)性，例如同一零部件的三維模型文件與其工程圖文件名稱之間應(yīng)具有相關(guān)性。

（7）設(shè)計更改

更改后的CAD文件應(yīng)正確、完整、統(tǒng)一，確保設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性。符合有關(guān)標準和規(guī)定。

更改應(yīng)包括三維模型、三維圖、二維工程圖更改以及與其相關(guān)聯(lián)的設(shè)計文件的更改。更改前的原CAD文件應(yīng)保留備查。

在產(chǎn)品制造階段，為不影響生產(chǎn)進度允許進行緊急更改，緊急更改完成后應(yīng)轉(zhuǎn)入正式更改。

CAD文件的更改方法分為帶更改標記的更改和升版兩種，可根據(jù)企業(yè)的情況采用。

應(yīng)按產(chǎn)品設(shè)計的要求和本企業(yè)的條件（是否應(yīng)用Teamcenter系統(tǒng)）制定設(shè)計更改流程。

2.軟件的二次開發(fā)

（1）工程圖

用NX開發(fā)工具Grip語言編制圖紙初始化程序，主要內(nèi)容有：用圖樣調(diào)入的方法在空白的標準圖幅上調(diào)出標準圖框和標題欄，填寫圖名、圖號、材質(zhì)、重量等文字，如圖1所示。

做好明細表模板，確定明細表內(nèi)容的輸入和讀取方式，做好明細表模板，如圖2所示。

做好工程圖中常用的表格模板，可在設(shè)計時調(diào)用，如圖代號、齒輪參數(shù)表等，如圖3、圖4所示。

（2）確定軟件初始環(huán)境設(shè)置方法和做好相關(guān)模板

修改NX軟件UGII文件夾中的ugii_nv.dat和ugiienv_ug.dat，加入定制的內(nèi)容，如指定圖樣模板文件存放的路徑等，將修改的文件存在二次開發(fā)目錄中，安裝軟件后替換同名文件。

根據(jù)國標要求和本公司設(shè)計的需要在建模環(huán)境中做好用戶默認設(shè)置，導(dǎo)出dpv文件，可在其它計算機運行的軟件中導(dǎo)入。

修改某盤：＼Program Files＼uGS＼NX7.5＼LOCALIZATION＼prcsimpl chinese＼startup＼中的.prt模板文件（以NX7.5版為例），如在其它計算機上安裝軟件，可將修改過的所有模板文件拷貝到相應(yīng)位置，替換原有文件。修改的內(nèi)容包括：部分初始變量、明細表輸入的屬性變量以及實體顏色等。NX中文版中原模板的默認設(shè)置為公制，各單位的默認設(shè)置均符合國標要求，如：長度單位為mm、重量單位為kg、壓強的單位為MPa等。

為避免替換文件時出錯，可將被替換的文件改名保存。

（3）建立標準件和常用零部件庫

標準件庫模型優(yōu)先采用具有參數(shù)化特點的系列族表方法建立。對于無法參數(shù)化的零件，亦可建立非系列化的獨立模型。為了滿足快速顯示和制圖的需要，標準件按GB/T24734.11規(guī)定的方法采用簡化級表示。變形標準件一般以其原始狀態(tài)建模。標準件庫主要有：常用緊固件、軸承、皮帶輪、鏈輪、齒輪和彈簧等。

部分鐵路貨車常用零部件也采用部件族的方式建模，非系列零部件采用參數(shù)化設(shè)計方法建模。

（4）軟件安裝后的定制

將二次開發(fā)系統(tǒng)文件夾拷貝到計算機中，按說明文件的要求，替換模板及配置文件，完成用戶默認設(shè)置。

分別做好軟件各應(yīng)用模塊的配置，包括下拉式菜單和工具條，使得在設(shè)計時能快速找到常用的工具條和菜單。

3.人員培訓(xùn)

培訓(xùn)對象以設(shè)計人員為主，除了軟件應(yīng)用方法的培訓(xùn)外，還要培訓(xùn)針對設(shè)計任務(wù)的規(guī)范化要求。將制定的軟件應(yīng)用規(guī)范作為培訓(xùn)資料，結(jié)合設(shè)計案例講解。

在配備了教師機和學(xué)員機的情況下，采取教師講解后學(xué)員實作的方式效果較好。可安排作業(yè)，按規(guī)范的要求完成一個小部件的零件建模、裝配建模和工程圖，教師隨時指導(dǎo)和檢查?？蛇M行建模優(yōu)化的訓(xùn)練，如針對某一零件的建模，在保證正確的前提下，誰的特征數(shù)少則更優(yōu)化。培訓(xùn)后，應(yīng)安排測試，也可安排比賽活動，對學(xué)員加深印象有明顯的作用。

4.設(shè)計審查

要將審查責任落實到人，從設(shè)計人自審，到部件負責人審查、工藝審查、設(shè)計總負責人審查。審查內(nèi)容包括：產(chǎn)品功能的實現(xiàn)、可靠性、工藝性、建模的正確性、標注及設(shè)計規(guī)范的符合性等。

5.數(shù)據(jù)管理

對于設(shè)計數(shù)據(jù)，有的企業(yè)應(yīng)用Teamcenter系統(tǒng)管理，對設(shè)計文件和物料編碼等有一整套的管理方法。沒有條件應(yīng)用Teamcenter系統(tǒng)的企業(yè)，應(yīng)對設(shè)計文件建立明細表，明細表的內(nèi)容包括：文件名、圖號、零部件名稱、數(shù)量、材質(zhì)和備注等，這樣才能有效的查找各文件的作用和所屬的裝配層級。

應(yīng)建立數(shù)據(jù)安全權(quán)限管理機制，定時對數(shù)據(jù)進行備份。對于所有涉及三維數(shù)字模型日常工作進程的數(shù)據(jù)、文檔資料，都應(yīng)當實行多機備份、多種存儲介質(zhì)（至少兩種）備份，以避免因自然或人為因素而造成的災(zāi)難性數(shù)據(jù)、資料損失。

建立統(tǒng)一的材料庫、外購件及標準件庫，由專人負責維護。

三、協(xié)同設(shè)計案例

1.產(chǎn)品介紹

下面以一種鐵路貨車車型的設(shè)計為例，分析該類產(chǎn)品的設(shè)計特點和要求，根據(jù)這些要求制定出統(tǒng)一的規(guī)范。

圖5為鋁粉罐車，由（1）車鉤緩沖裝置（2套）、（2）1位牽枕裝置（1套）、（3）手制動裝置（1套）、（4）標記（1套）、（5）1位轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架（1套）、（6）罐體組成（1套）、（7）上料裝置（4套）、（8）側(cè)梯及走臺組成（1套）、（9）卸料裝置（2套）、（10）風(fēng)制動裝置（1套）、（11）底架附屬件（1套）、（12）2位轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架（1套）、（13）2位牽枕裝置（1套）等部件組成。

2.針對產(chǎn)品特點對設(shè)計作出籌劃

對于整車制造廠，有大量的零部件是外購的，其中有很大一部分是成熟的模塊化零部件，對于這些零部件，完整的設(shè)計由零部件制造廠家完成，在整車設(shè)計調(diào)用時并不需要完整的設(shè)計信息，如內(nèi)腔形狀等，整車制造廠更關(guān)心其外部結(jié)構(gòu)與相鄰零部件的空間關(guān)系。對這部分零部件，在做整車設(shè)計時，可以根據(jù)整車裝配等需要做較大的簡化。這樣做的好處是：減少整車設(shè)計時的工作量已節(jié)省設(shè)計時間，減少整車設(shè)計的數(shù)據(jù)量，有利于計算機快速運行。

根據(jù)以上考慮，對鐵路貨車各部件建模作出如下規(guī)定：

車體部分（包括罐體、1位牽枕裝置、2位牽枕裝置、欄桿、上料裝置、底架附屬件）和卸料裝置各零件主要為整車制造廠制造，均采用詳細造型，采用參數(shù)化設(shè)計。

風(fēng)制動系統(tǒng)、手制動系統(tǒng)、車鉤緩沖裝置的專用件，如管件、車鉤提桿等，作詳細造型，采用參數(shù)化設(shè)計。外購件作簡化造型。簡化造型表達外形、與裝配相關(guān)的結(jié)構(gòu)，重點表達與其它零件的關(guān)系及空間干涉情況，為了正確反映部件及整車的質(zhì)量分布情況，模型重量應(yīng)等于實際重量，質(zhì)心應(yīng)與未簡化模型接近，可通過修改模型比重和對內(nèi)腔作簡化造型實現(xiàn)。

轉(zhuǎn)向架為行走部分，整體采用成型品種，故采用簡化造型，重點表示與其它部件的裝配及空間關(guān)系，轉(zhuǎn)向架整體的質(zhì)量分布要基本正確。對其中難度較大的零部件，如搖枕、側(cè)架、基礎(chǔ)制動裝置、交叉支撐裝置和旁承等，可作較大的簡化。同樣要保證質(zhì)量分布的正確性。

簡化造型可采用參數(shù)化方法，也可導(dǎo)入DwG文件的線條造型。

用于有限元分析的模型（包括零件或組件）應(yīng)另存為副本文件，將副本文件存放在做分析用的另外文件夾中，該副本文件可根據(jù)分析的需要做去參數(shù)、簡化等操作。這樣，進行有限元分析的相關(guān)操作就不會對設(shè)計模型造成不必要的破壞。

3.產(chǎn)品設(shè)計的統(tǒng)一規(guī)定

（1）坐標系

車輛坐標系見圖6，定義如下：

原點O：位于軌面上車輛縱、橫向中心線的交點；

縱軸x：車輛縱向方向，1位端方向為x軸負向；

橫軸Y.車輛橫向方向，2位側(cè)梁所在側(cè)為Y軸負向；

豎軸z：垂直于軌面方向，向上為z軸正向。

整車裝配模型及各大部件裝配模型（如1位和2位牽枕裝置等）坐標系符合上述規(guī)定。

下級零部件模型的坐標系方位與車輛坐標系盡量統(tǒng)一。

在建立車輛總圖后，新建2個平面，分別為1位和2位轉(zhuǎn)向架的中心平面（圖7）。

（2）層設(shè)置

對圖層的設(shè)置做出如下統(tǒng)一規(guī)定：

1～20：實體（Model），優(yōu)先選擇1層。

21～40：草圖（sketch），優(yōu)先選擇21層。

41～50.曲線（Curves），包括輔助線，優(yōu)先選擇41層。

51～60：曲面（片體）（sheet），優(yōu)先選擇51層。

61～80：基準（Datum），優(yōu)先選擇61層。

81～100：注釋：尺寸與文字、圖樣等，優(yōu)先選擇81層。

171～180：工程圖中的注釋，優(yōu)先選擇171層。

其它層：備用。

四、結(jié)論

上述規(guī)定及為協(xié)同設(shè)計所做的工作，主要有以下作用：

（1）對設(shè)計數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效管理，如對車輛坐標系的規(guī)定、對各類要素歸屬圖層的規(guī)定、文件管理的規(guī)定。按照這些規(guī)定設(shè)計，可以方便的查找所需文件，在設(shè)計模型中可以有效且陜速對各類要素進行顯示與否等控制，在裝配操作中能快速定位，使整個設(shè)計更加規(guī)范，始終處于可控狀態(tài)。

（2）使設(shè)計圖紙符合GB等技術(shù)標準，符合本企業(yè)的統(tǒng)一規(guī)定，使一個企業(yè)設(shè)計出的圖紙以一種統(tǒng)一的面貌出現(xiàn)，如對圖框和標題欄、明細表、圖代號和典型零件數(shù)據(jù)表（如齒輪和鏈輪參數(shù)表等）作出的統(tǒng)一格式規(guī)定等。

（3）使建模和裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如對建模和裝配作出的規(guī)定。建模結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要表現(xiàn)在完整體現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)的情況下，特征數(shù)更少，這樣最有利于對特征管理，且盡量減少文件容量。對裝配結(jié)構(gòu)要做到層次清晰、配合關(guān)系正確和文件問鏈接可靠。

（4）盡量加快計算機運行的速度，如優(yōu)化建模和裝配結(jié)構(gòu)，以及在裝配環(huán)境中采用引用集來控制要素等。

（5）在目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)仍主要采用工程圖指導(dǎo)生產(chǎn)的情況下，三維標注更多的用于操作指導(dǎo)、培訓(xùn)、演示和宣傳等方面，三維標注的效果要求清晰、美觀等。

（6）通過對軟件的二次開發(fā)，大大提高了設(shè)計效率，如運行圖紙初始化程序、明細表的生成方法、應(yīng)用設(shè)置文件和模板文件以及調(diào)用修改參數(shù)化標注零件等。

采取這些措施后，協(xié)同設(shè)計能更加有序進行，始終處于可控狀態(tài)，同時加快了設(shè)計速度。圖8為鋁粉罐車總圖。鋁粉罐車設(shè)計完成后，很快就能進入試制、批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)。