機械制造協(xié)同設(shè)計體系的構(gòu)建研究

盛洪林

摘 要：協(xié)同設(shè)計最大的難點是對各個獨立設(shè)計環(huán)節(jié)的有序整合與銜接。本文對CAXA機械制造控制系統(tǒng)搭建協(xié)同設(shè)計平臺的具體方法、設(shè)計流程、關(guān)鍵技術(shù)進行了分析論述，以期滿足協(xié)同設(shè)計對數(shù)據(jù)兼容、數(shù)據(jù)安全的需要。

關(guān)鍵詞：機械制造 協(xié)同設(shè)計 關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域，機械制造從產(chǎn)品設(shè)計到成品出廠，涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制設(shè)計、工藝設(shè)計、樣機試制、設(shè)計完善、正式投產(chǎn)等多個工序。通常機械制造設(shè)計周期長、工序多、組織銜接與融合復(fù)雜，尤其是在“串行”設(shè)計思路下，各工序需要順序執(zhí)行，而一旦某工序出現(xiàn)設(shè)計錯誤，可能導(dǎo)致后續(xù)多道工序翻工。

協(xié)同設(shè)計理念是將現(xiàn)代信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算平臺作為設(shè)計創(chuàng)新支撐，借助并行工作方式來實現(xiàn)對不同工序、不同項目、不同任務(wù)之間的有效協(xié)同，利用交互設(shè)計規(guī)范，充分利用數(shù)據(jù)重用技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)，來化解傳統(tǒng)設(shè)計的“串行”弊端，提高設(shè)計協(xié)同效率，提升設(shè)計質(zhì)量和效益。

一、機械制造協(xié)同設(shè)計的支撐技術(shù)

在協(xié)同設(shè)計中，考慮到機械制造設(shè)計行業(yè)特點，需要對機械制造的各個過程、環(huán)節(jié)進行協(xié)同。在每個階段，所需數(shù)據(jù)雖然是不完整的，但是可以通過數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)管理來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。支撐技術(shù)的運用，主要包括過程重構(gòu)技術(shù)、數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)、CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵技術(shù)。

1.過程重構(gòu)技術(shù)

在過程重構(gòu)技術(shù)中，協(xié)同設(shè)計能夠從全局設(shè)計視角，對各個環(huán)節(jié)的設(shè)計過程進行管理，并提出不斷改進和優(yōu)化的方法。其思路為：能夠根據(jù)設(shè)計需要重估設(shè)計流程，強調(diào)用戶設(shè)計目標，面向制造、面向裝配、面向用戶。其核心有三方面：一是根據(jù)設(shè)計需求從零設(shè)計，構(gòu)建新的設(shè)計過程;二是根據(jù)過程進行重新設(shè)計，而非局部修改;三是根據(jù)用戶需求，重新設(shè)計產(chǎn)品。協(xié)同設(shè)計在機械制造設(shè)計中的應(yīng)用，就是要對現(xiàn)有機械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程進行優(yōu)化、重構(gòu)，使其能夠滿足設(shè)計需要。

2.數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)

在機械設(shè)計模型與設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，CAD、CAM等模型化軟件的發(fā)展，為機械設(shè)計創(chuàng)新帶來重大變化。分析機械設(shè)計模型，從幾何模型、特征模型、集成產(chǎn)品模型的變化，相應(yīng)的建模技術(shù)也從單一到復(fù)雜逐漸形成?？梢岳糜嬎銠C語言來完成表達產(chǎn)品的定義，但產(chǎn)品幾何信息是整個產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵點。如線框模型設(shè)計，結(jié)構(gòu)相對簡單，易于表達自由曲面產(chǎn)品設(shè)計，但不利于對復(fù)雜構(gòu)造零件的幾何表達。表面模型相對線框模型更豐富，但其在構(gòu)造復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計中，也存在不足。實體模型是融入了實體幾何法、小平面邊界表示法、拓撲邊界表示法等造型方法來實現(xiàn)對復(fù)雜構(gòu)件的仿真設(shè)計需要。

3.CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)

隨著CAD/CAM/CAPP技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究成果應(yīng)用其中，也推進了CAD/CAM/CAPP集成系統(tǒng)的快速更新。如美國EDS公司的UnigraphicsII、SRDC公司的I-DEAS、IBM公司的CATIA。運用這些軟件技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜曲面、精度曲面實體造型的加工與設(shè)計，能夠從參數(shù)化造型、裝配模擬、加工仿真等領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。同時，依托CAD/CAM/CAPP技術(shù)優(yōu)勢，可以引入?yún)f(xié)同開發(fā)理念，實現(xiàn)各部門、各分工的有效協(xié)作。

二、機械設(shè)計協(xié)同技術(shù)的構(gòu)建過程

1.遵循機械制造規(guī)律，明確協(xié)同設(shè)計分工

在機械設(shè)計領(lǐng)域中，大規(guī)模、流水線生產(chǎn)制造工藝升級，以小批量、個性化設(shè)計制造為特點，更需要關(guān)注機械制造設(shè)計各個環(huán)節(jié)的協(xié)作與交互。

一方面注重專業(yè)化分工與協(xié)作，結(jié)合機械制造行業(yè)及產(chǎn)品設(shè)計實際，明確各崗位、各設(shè)計人員的職責(zé)，并建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺下的協(xié)同機制。另一方面，注重設(shè)計任務(wù)的協(xié)作，依托設(shè)計任務(wù)，從設(shè)計過程入手化解其中的沖突與矛盾，實現(xiàn)設(shè)計工作相互制約。另外，在協(xié)同設(shè)計中，要突出過程的動態(tài)性，要協(xié)同各方設(shè)計進度，優(yōu)化設(shè)計工藝，并協(xié)同解決其中的。設(shè)計人員借助信息交互平臺，通過同步或異步協(xié)同信息交互確保實現(xiàn)機械設(shè)計的整體性目標。

2.基于CAXA協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的部署

根據(jù)機械制造協(xié)同設(shè)計要求，建立基于CAXA系統(tǒng)的機械制造協(xié)同設(shè)計平臺，該平臺由數(shù)字化設(shè)計軟件、數(shù)字化制造平臺和協(xié)同管理平臺構(gòu)成。在協(xié)同設(shè)計平臺上，數(shù)字化設(shè)計平臺由實體設(shè)計、電子圖版等設(shè)計軟件構(gòu)成，也是設(shè)計人員進行設(shè)計實踐的重要基礎(chǔ)。其中包括各類設(shè)計圖樣、圖表、機械設(shè)計工藝等軟件，并提供與數(shù)控設(shè)備、數(shù)控制造、線切割等關(guān)聯(lián)的制造軟件。

利用機械制造協(xié)同設(shè)計管理平臺，可以實現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、CAPP軟件設(shè)計、MES生產(chǎn)制造系統(tǒng)軟件的應(yīng)用，利用協(xié)同平臺所提供的各類資源信息，更好地協(xié)同機械制造產(chǎn)品設(shè)計過程，滿足對各類設(shè)計信息、設(shè)計圖紙、設(shè)計文檔、設(shè)計數(shù)據(jù)的高效利用。同時，根據(jù)協(xié)同平臺，對機械制造設(shè)計工作流程進行優(yōu)化和規(guī)范，結(jié)合CAPP計算機輔助工藝過程設(shè)計軟件，來化解傳統(tǒng)機械設(shè)計低效、一致性差矛盾。

另外，結(jié)合生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件，可以從機械產(chǎn)品設(shè)計需求訂單到產(chǎn)品設(shè)計完成整個流程實現(xiàn)現(xiàn)場管理。借助協(xié)同設(shè)計平臺對各類軟件、電子數(shù)據(jù)的整合，可以滿足對設(shè)計數(shù)據(jù)的查詢、對相關(guān)標準規(guī)范的引用、對圖紙的打印等功能，還能從設(shè)計數(shù)據(jù)的共享、設(shè)計工作流程的優(yōu)化上提升機械設(shè)計效率。

3.細化協(xié)同運行流程，增進交互設(shè)計

在機械制造協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)運行中，圍繞電子倉庫，將與機械設(shè)計相關(guān)的各類圖紙、文檔、數(shù)據(jù)、標準等信息進行集中、統(tǒng)一存放和管理，便于設(shè)計人員能夠結(jié)合設(shè)計需要，訪問并應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)。

在協(xié)同設(shè)計業(yè)務(wù)流程中，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，分析訂單類型，并參照相關(guān)設(shè)計流程進行設(shè)計。如對于改進型設(shè)計任務(wù)，可以通過查詢相關(guān)電子倉庫，獲取相應(yīng)設(shè)計文件及圖紙內(nèi)容，直接對相關(guān)圖紙或設(shè)計文件進行修改、存儲，從而獲得快速、高效設(shè)計目標。對于全新設(shè)計訂單，結(jié)合設(shè)計要求及規(guī)范，對相關(guān)設(shè)計文件、圖紙、數(shù)據(jù)進行提取，在電子倉庫中新建機械零部件，并按照相應(yīng)模型、工藝進行設(shè)置，參照機械制造設(shè)計規(guī)范進行全新設(shè)計。設(shè)計完成后要對設(shè)計文件、圖紙等信息進行存儲，以便再次使用。利用協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)平臺，可以根據(jù)不同的機械制造設(shè)計任務(wù)，進行新建、入庫、出庫、發(fā)布、歸檔等處理。同時，根據(jù)機械設(shè)計任務(wù)的不同環(huán)節(jié)，對相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)和信息進行處理。

另外，在機械制造工藝編制上，引入交互設(shè)計模式對機械加工、鑄造、鈑金、焊接、熱處理、裝配等不同工藝類型進行專門化設(shè)計，并根據(jù)相應(yīng)設(shè)計標準、規(guī)范要求，輸出各類相關(guān)統(tǒng)計報表和數(shù)據(jù)文件信息，交由網(wǎng)絡(luò)DNC傳送給數(shù)控加工設(shè)備中心。最后對加工后的設(shè)計文件進行反饋，傳送給協(xié)同機械設(shè)計系統(tǒng)中，留存歸檔。

整個CAXA協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)平臺可以對各工序、各工作流的執(zhí)行進行控制，能夠滿足節(jié)點授權(quán)，利用協(xié)同監(jiān)控工具可以對各環(huán)節(jié)、各設(shè)計人員的工作進度和狀態(tài)進行查看、監(jiān)督。

三、基于CAXA協(xié)同機械制造設(shè)計系統(tǒng)在運行時存在的問題及解決方法

1.存在問題

協(xié)同設(shè)計在機械制造中的應(yīng)用，考慮到機電設(shè)備制造的多樣性、復(fù)雜性的實際情況，在進行協(xié)同設(shè)計管理中還存在一些不足。筆者結(jié)合CAXA協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，對其存在的問題梳理如下。

一是協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)自身涵蓋了諸多設(shè)計環(huán)節(jié)，包括知識庫管理、工作流管理、變更管理、電子簽審、系統(tǒng)集成等內(nèi)容。各設(shè)計節(jié)點、不同操作系統(tǒng)、不同設(shè)計人員在使用設(shè)計軟件時，可能會出現(xiàn)圖紙格式不統(tǒng)一、工藝表格不規(guī)范、技術(shù)文檔選擇不兼容等問題，這些問題在進行人工轉(zhuǎn)換時，反而會帶來設(shè)計圖文檔案信息的混亂。特別是在設(shè)計人員較多時，可能出現(xiàn)的問題更多，管理難度更大。

二是在進行協(xié)同設(shè)計中，由于設(shè)計人員的流動性、臨時性，對設(shè)計任務(wù)、設(shè)計項目、設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)交互較多，由此帶來的數(shù)據(jù)安全性問題突出。

2.解決方法

從機械制造協(xié)同設(shè)計目標來看，引入?yún)f(xié)同設(shè)計，旨在提高機械制造設(shè)計效率。對于存在的問題，需要我們從技術(shù)、規(guī)范、制度等方面進行化解。考慮到協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可持續(xù)性要求，我們對整個協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)進行虛擬化處理，利用虛擬云桌面與CAXA協(xié)同系統(tǒng)進行融合，更好地化解格式不統(tǒng)一、不規(guī)范、不一致的難題。

在運用協(xié)同系統(tǒng)時，設(shè)計人員通過虛擬云桌面來訪問設(shè)計軟件，并對相關(guān)權(quán)限、角色進行配置，確保數(shù)據(jù)安全性和一致性。另外，利用云技術(shù)，可以實現(xiàn)對虛擬協(xié)同設(shè)計平臺的構(gòu)建，還可以滿足遠程用戶的登錄使用。用戶不再受限于操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件，更好地解決了數(shù)據(jù)不兼容問題，也讓協(xié)同設(shè)計效率獲得提升。

四、小結(jié)

協(xié)同設(shè)計在現(xiàn)代機械制造業(yè)的應(yīng)用，以新行信息技術(shù)創(chuàng)新為支撐，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)機械制造設(shè)計、生產(chǎn)、制造模式的變革。基于CAXA協(xié)同機械制造設(shè)計平臺能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)制造、虛擬仿真技術(shù)的融合，特別是利用虛擬云桌面技術(shù)，可以更好地改進和完善機械制造協(xié)同設(shè)計方法，提高協(xié)同設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性。同樣，隨著科技的創(chuàng)新，對機械制造設(shè)計而言，我們還要結(jié)合學(xué)生專業(yè)方向、學(xué)科發(fā)展特點，積極協(xié)同教學(xué)目標與課程改革的關(guān)系，幫助學(xué)生從協(xié)同設(shè)計中掌握機械制造設(shè)計的要點，化解學(xué)習(xí)難點，提高學(xué)生的動手操作和實踐能力。

參考文獻：

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[2]李濤.探析協(xié)同設(shè)計在工程機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].電子測試，2017（2）.

[作者單位：紹興技師學(xué)院（籌）]