借助局域網運用CATIA對盾構刀盤協同設計的方法

韓偉鋒，李鳳遠，陳啟偉

(中鐵隧道集團有限公司盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001)

0 引言

隨著科技的進步，我國裝備制造業得到了飛速發展，很多復雜的大型設備都已國產化，但是產品的質量和可靠性普遍偏低［1－2］。重大裝備的設計研發階段，是產品開發的重要環節。目前，大多數產品設計，仍然按照“產品概念設計—單體設計—產品組裝”這種理念進行。由于設計人員之間缺乏有效的信息溝通，單體設計人員負責設計部件配合在裝配階段會出現各種意想不到的問題，總體裝配困難，即便裝配成功，也可能影響產品的使用性能。提高產品質量和可靠性是提升裝備制造業的關鍵，優化產品設計，必須轉變設計理念。基于裝備業發展的需要和CAD技術的發展，協同設計的理念應運而生。20世紀80年代設計領域開始大力推進CAD技術，但是直到90年代中期我國計算機輔助設計制造仍然僅僅限于拋開手工圖板的作用。2005年初，中國建筑標準設計研究院提出召開三維協同設計的研討會，主要研究三維協同設計技術;從此，協同設計的理念在我國蓬勃發展，協同設計可以保證產品各個部分之間的正確聯系，最終達到產品裝配的最佳效果及性能。

同時，隨著計算機技術的飛速發展，各種工程制圖軟件層出不窮，如目前使用較多的CATIA。雖然建模功能非常強大，但自身帶有的協同設計功能操作麻煩且更新容易出錯［3－6］。由于計算機網絡技術的普及，各個設計單位基本都使用局域網辦公［7］，研發團隊可以拋開CATIA自身帶有的發布協同功能，借助于局域網信息溝通方便的特點，采用CATIA軟件在局域網平臺上實現產品協同設計。

由于人們生活和工作的需要，各種代替人類勞動的復雜機械產品越來越多。產品越復雜，設計難度越大，需要及時轉變設計理念，采用協同設計，以滿足復雜產品的設計需求。作為蓬勃發展的地下工程，盾構已經成為地下工程施工的重要裝備，其集機、電、液、信息化技術于一體，由上千個零部件組成，可靠性要求非常高。盾構刀盤是盾構的關鍵部件［8－9］，由于其結構復雜且與其他部件之間有相對旋轉運動，盾構刀盤設計只能由一個設計團隊共同完成。但是，不同的設計人員的想法和思路各不同，負責人把設計任務分配給各個設計人員以后，如果設計人員之間不能進行有效的溝通與資源共享，最終每個人負責設計的部分在裝配焊接過程中可能會出現干涉等問題。本文以盾構刀盤為例，介紹基于局域網技術的3D協同設計。

1 在局域網平臺上運用CATIA協同設計特點

1.1 技術應用

CATIA自身帶有的協同設計必須通過發布功能來實現［10］。如果要建一個基準面，首先必須先建一個平面，然后發布，使用此基準的設計人員再復制到自己的參考圖形集內。如果產品較復雜，這樣的基準會有很多，設計人員操作起來將會非常麻煩。而在局域網平臺上運用CATIA協同設計，設計人員只需要創建基準，其他設計人員通過局域網即可使用;這不但能提高設計人員的設計效率，而且能保證設計的準確性。

1.2 實施過程

項目負責人通過局域網設置文件的共享權限，每個設計人員只能看到其他設計人員負責部分的圖紙而不能復制和修改文件產品設計完成后，技術管理人員只需及時把服務器上的電子圖保存歸檔即可，而不必向各個設計人員收集整理后再保存。這對設計單位來說，不但保證了技術資料的完整性，而且提高了技術保密性。

1.3 硬件要求

大型產品借助于局域網平臺進行協同設計只需一臺性能較高的服務器來處理圖形，而普通設計人員所使用的設備只是1個操作端口，不需配置性能很高的電腦即可通過網絡在服務器上進行大型產品的設計;這可以降低對設備性能的要求，進而降低設計費用。

借助局域網平臺運用CATIA進行協同設計符合了機械設計的整體要求:操作簡便、設計效率高、技術保密性強、設計成本低等特點。

2 在局域網平臺上運用CATIA協同建模過程

2.1 建模方法

1個工作團隊接到設計任務后，借助于局域網平臺運用CATIA協同設計。項目負責人首先根據產品的總體性能和空間位置要求，在服務器上新建產品文件夾和各個總成存放的文件夾并設置相應的共享權限，在產品文件夾內運用CATIA作出產品的概念設計和各種定位基準，然后將任務分解下發給各設計人員，各設計人員根據項目負責人分配的任務和建立的基準完成自己負責部分的建模設計。

設計人員建模首先要滿足項目負責人制訂的外部基準，根據外部基準定義單體部件的內部基準。建模設計過程中，項目負責人可以實時監控下一級設計人員的設計狀況，若有干涉等問題，可以及時通知下一級設計人員做出相應調整。建模設計完成后，項目負責人對產品總成進行整體裝配分析、空間分析和運動分析等處理后，如果存在干涉或配合不合理的情況，可對該部分進行空間位置合理調整，以達到產品裝配成型的目的。

2.2 盾構刀盤建模

2.2.1 建模團隊

人員管理模式根據建模對象各個總成關系確定為2層結構，即每個設計人員只對上層管理人員負責。該種人員管理模式既方便了設計人員的分工，又有利于技術保密工作的開展;即使有個別技術人員辭職，那么他所帶走的技術也只限于個人負責設計的部分。盾構刀盤設計建模團隊共有7位設計人員，其中1位項目負責人a，1位二級負責人 (高級工程師)b1和5位建模人員 (工程師b2，b3，c1，c2，c3)。項目負責人a直接管理工程師b2，b3和高級工程師b1，另外3位工程師由高級工程師b1管理。團隊的組織結構見圖1。

圖1 刀盤建模團隊組織結構示意圖Fig.1 Sketch of the work team organization for cutter head modeling

2.2.2 盾構刀盤

以設計海瑞克S－261型盾構機所用的刀盤為例，該刀盤依靠法蘭和牛腿與主軸承連接。為適應復合地層的快速穩定掘進，刀梁上安裝有39把滾刀、64把切刀和4組邊刮刀，滾刀又分為中心滾刀、邊滾刀和輻條上安裝的滾刀，刀盤上有各種泡沫劑、潤滑劑和液壓油的管道。刀盤法蘭盤、刀梁和刀座為焊接組合，為保證焊接強度，要求設計間隙不能大于焊縫允許范圍要求，滾刀、切刀和邊刮刀為裝配件，設計間隙不大于3 mm。

因此，該盾構刀盤A整體分為3大部件:B1法蘭盤、B2刀梁和B3刀座。B2刀梁又分為C1滾刀安裝、C2切刀安裝和C3邊刮刀安裝3個小總成［9－10］。刀盤各部分關系見圖2。

2.2.3 建模任務分配

根據設計團隊人員組織情況，項目負責人a主要負責對整個盾構刀盤建模的布置和后處理工作，由于刀梁包括滾刀安裝、切刀安裝和邊刮刀安裝3大部分較為復雜，由高級工程師b1帶領c1，c2，c3 3位工程師共同完成建模;法蘭盤和刀座由b2和b3 2位工程師分別負責完成建模。

圖2 盾構刀盤各部分關系示意圖Fig.2 Relationship of parts of cutter head

2.2.4 建模過程

項目負責人a在服務器上新建1個共享文件夾，命名為“盾構刀盤”，包含“法蘭盤”、“刀梁”和“刀座”3個下級文件夾，這3個文件夾分別對工程師b2、高級工程師b1和工程師b3完全共享(有修改文件夾內容的權限)。高級工程師在文件夾“刀梁”內新建“滾刀安裝”、“切刀安裝”和“邊刮刀安裝”3個文件夾，分別對應c1，c2，c3 3位工程師，文件夾完全網絡共享。

項目負責人a用CATIA新建1個“·CATProduct”文件，命名為“dun gou dao pan”，然后在“dun gou dao pan·CATProduct”文件內新建 1個 “·CATPart”文件，命名為“ji zhun”，把文件“dun gou dao pan·CATProduct”保存在“盾構刀盤”文件夾內。在文件“ji zhun·CATPart”內根據盾構刀盤的總體空間和性能要求，根據法蘭盤B1、刀梁B2和刀座B3 3個單體總成的空間位置、連接方式等，合理設計出刀盤的前后基準和中心基準，完成刀盤的概念設計。根據盾構刀盤基準完成法蘭盤、刀梁和刀座3部分的空間基準的設計。刀盤的概念設計見圖3(a)和基準面的設計見圖3(b)。

高級工程師b1在“刀梁”文件夾中用CATIA新建1個文件命名為“dao liang·CATProduct”，并保存在“刀梁”文件夾內。把項目負責人a建立的“ji zhun·CATPart”復制一份重命名為“dao liang ji zhun·CATPart”存放在“刀梁”文件夾內，把文件“dao liang ji zhun·CATPart”載入刀梁文件“dao liang·CATProduct”內，在文件“dao liang ji zhun·CATPart”內完成滾刀安裝C1、切刀安裝C2和邊刮刀安裝C3 3個總成的基準設計。

工程師b2，b3，c1，c2和c3分別在上級負責人為自己定義存放文件的文件夾內，用CATIA創建負責單體部分的裝配文件，并把上級基準重命名后載入到裝配文件內。每一級負責人都把該級的裝配文件載入到自己負責部件的總成文件內。所有設計人員根據自己的定位基準，在指定的位置采用自上而下的建模方法完成負責部分的建模設計工作。

圖3 刀盤設計圖Fig.3 Cutter head designing

2.2.5 產品設計質量分析

每位設計人員進入正常建模狀態后，每一級負責人都要及時的分析自己下級的設計配合狀況。如果發現問題，要及時提醒和溝通。

例如，在建模過程中，項目負責人對刀盤總成圖進行干涉分析，結果發現刀梁的一部分和中心刀座有干涉，后經分析是中心刀座在建模中沒有與中心刀座的基準對齊的緣故，見圖4，圖片左側顯示的是有干涉的零部件，中間顯示的是刀盤設計的總體狀況，右側列表列出有干涉的零部件的名字，負責人可以通過列表方便地找到所有有干涉的零部件。

圖4 刀盤裝配分析示意圖Fig.4 Analysis on assembling of cutter head

2.2.6 建模后處理以及技術資料的歸檔保存

建模完成后，項目負責人利用CATIA的結構分析、裝配分析、運動分析和空間分析等模塊來完成對整個盾構刀盤模型的分析，審核各個方面都沒有問題后，項目負責人立即取消服務器上所有完全共享的文件夾，只保留供設計人員瀏覽，而沒有復制和修改的權限，技術管理人員只需把服務器上所有技術資料保存歸檔即可完成技術資料的管理。

3 結論

本文通過對盾構刀盤協同設計方法的研究，采用協同設計的理念對盾構刀盤建模，可以使設計出來的刀盤在各個總成級部件結合處配合更加協調，避免在裝配階段出現裝配干涉、運動干涉和裝配間隙太大等錯誤。而借助局域網平臺對大型復雜產品進行協同設計要比直接應用建模軟件自身攜帶的協同設計功能進行協同設計更加簡單、方便，而且有利于技術資料歸檔保密，負責人對產品進度的監控。

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