借助局域網(wǎng)運用CATIA對盾構(gòu)刀盤協(xié)同設(shè)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(gòu)及掘進技術(shù)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(yè)得到了飛速發(fā)展，很多復(fù)雜的大型設(shè)備都已國產(chǎn)化，但是產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性普遍偏低［1－2］。重大裝備的設(shè)計研發(fā)階段，是產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。目前，大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計，仍然按照“產(chǎn)品概念設(shè)計—單體設(shè)計—產(chǎn)品組裝”這種理念進行。由于設(shè)計人員之間缺乏有效的信息溝通，單體設(shè)計人員負責(zé)設(shè)計部件配合在裝配階段會出現(xiàn)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(chǎn)品的使用性能。提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性是提升裝備制造業(yè)的關(guān)鍵，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，必須轉(zhuǎn)變設(shè)計理念。基于裝備業(yè)發(fā)展的需要和CAD技術(shù)的發(fā)展，協(xié)同設(shè)計的理念應(yīng)運而生。20世紀80年代設(shè)計領(lǐng)域開始大力推進CAD技術(shù)，但是直到90年代中期我國計算機輔助設(shè)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(biāo)準設(shè)計研究院提出召開三維協(xié)同設(shè)計的研討會，主要研究三維協(xié)同設(shè)計技術(shù);從此，協(xié)同設(shè)計的理念在我國蓬勃發(fā)展，協(xié)同設(shè)計可以保證產(chǎn)品各個部分之間的正確聯(lián)系，最終達到產(chǎn)品裝配的最佳效果及性能。

同時，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)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(xié)同設(shè)計功能操作麻煩且更新容易出錯［3－6］。由于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，各個設(shè)計單位基本都使用局域網(wǎng)辦公［7］，研發(fā)團隊可以拋開CATIA自身帶有的發(fā)布協(xié)同功能，借助于局域網(wǎng)信息溝通方便的特點，采用CATIA軟件在局域網(wǎng)平臺上實現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計。

由于人們生活和工作的需要，各種代替人類勞動的復(fù)雜機械產(chǎn)品越來越多。產(chǎn)品越復(fù)雜，設(shè)計難度越大，需要及時轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，采用協(xié)同設(shè)計，以滿足復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計需求。作為蓬勃發(fā)展的地下工程，盾構(gòu)已經(jīng)成為地下工程施工的重要裝備，其集機、電、液、信息化技術(shù)于一體，由上千個零部件組成，可靠性要求非常高。盾構(gòu)刀盤是盾構(gòu)的關(guān)鍵部件［8－9］，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與其他部件之間有相對旋轉(zhuǎn)運動，盾構(gòu)刀盤設(shè)計只能由一個設(shè)計團隊共同完成。但是，不同的設(shè)計人員的想法和思路各不同，負責(zé)人把設(shè)計任務(wù)分配給各個設(shè)計人員以后，如果設(shè)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(zé)設(shè)計的部分在裝配焊接過程中可能會出現(xiàn)干涉等問題。本文以盾構(gòu)刀盤為例，介紹基于局域網(wǎng)技術(shù)的3D協(xié)同設(shè)計。

1 在局域網(wǎng)平臺上運用CATIA協(xié)同設(shè)計特點

1.1 技術(shù)應(yīng)用

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

1.2 實施過程

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

1.3 硬件要求

大型產(chǎn)品借助于局域網(wǎng)平臺進行協(xié)同設(shè)計只需一臺性能較高的服務(wù)器來處理圖形，而普通設(shè)計人員所使用的設(shè)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(wǎng)絡(luò)在服務(wù)器上進行大型產(chǎn)品的設(shè)計;這可以降低對設(shè)備性能的要求，進而降低設(shè)計費用。

借助局域網(wǎng)平臺運用CATIA進行協(xié)同設(shè)計符合了機械設(shè)計的整體要求:操作簡便、設(shè)計效率高、技術(shù)保密性強、設(shè)計成本低等特點。

2 在局域網(wǎng)平臺上運用CATIA協(xié)同建模過程

2.1 建模方法

1個工作團隊接到設(shè)計任務(wù)后，借助于局域網(wǎng)平臺運用CATIA協(xié)同設(shè)計。項目負責(zé)人首先根據(jù)產(chǎn)品的總體性能和空間位置要求，在服務(wù)器上新建產(chǎn)品文件夾和各個總成存放的文件夾并設(shè)置相應(yīng)的共享權(quán)限，在產(chǎn)品文件夾內(nèi)運用CATIA作出產(chǎn)品的概念設(shè)計和各種定位基準，然后將任務(wù)分解下發(fā)給各設(shè)計人員，各設(shè)計人員根據(jù)項目負責(zé)人分配的任務(wù)和建立的基準完成自己負責(zé)部分的建模設(shè)計。

設(shè)計人員建模首先要滿足項目負責(zé)人制訂的外部基準，根據(jù)外部基準定義單體部件的內(nèi)部基準。建模設(shè)計過程中，項目負責(zé)人可以實時監(jiān)控下一級設(shè)計人員的設(shè)計狀況，若有干涉等問題，可以及時通知下一級設(shè)計人員做出相應(yīng)調(diào)整。建模設(shè)計完成后，項目負責(zé)人對產(chǎn)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(diào)整，以達到產(chǎn)品裝配成型的目的。

2.2 盾構(gòu)刀盤建模

2.2.1 建模團隊

人員管理模式根據(jù)建模對象各個總成關(guān)系確定為2層結(jié)構(gòu)，即每個設(shè)計人員只對上層管理人員負責(zé)。該種人員管理模式既方便了設(shè)計人員的分工，又有利于技術(shù)保密工作的開展;即使有個別技術(shù)人員辭職，那么他所帶走的技術(shù)也只限于個人負責(zé)設(shè)計的部分。盾構(gòu)刀盤設(shè)計建模團隊共有7位設(shè)計人員，其中1位項目負責(zé)人a，1位二級負責(zé)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(zé)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(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 刀盤建模團隊組織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the work team organization for cutter head modeling

2.2.2 盾構(gòu)刀盤

以設(shè)計海瑞克S－261型盾構(gòu)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(yīng)復(fù)合地層的快速穩(wěn)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(shè)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(shè)計間隙不大于3 mm。

因此，該盾構(gòu)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(guān)系見圖2。

2.2.3 建模任務(wù)分配

根據(jù)設(shè)計團隊人員組織情況，項目負責(zé)人a主要負責(zé)對整個盾構(gòu)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(fù)雜，由高級工程師b1帶領(lǐng)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(zé)完成建模。

圖2 盾構(gòu)刀盤各部分關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship of parts of cutter head

2.2.4 建模過程

項目負責(zé)人a在服務(wù)器上新建1個共享文件夾，命名為“盾構(gòu)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(nèi)容的權(quán)限)。高級工程師在文件夾“刀梁”內(nèi)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(yīng)c1，c2，c3 3位工程師，文件夾完全網(wǎng)絡(luò)共享。

項目負責(zé)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(nèi)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(gòu)刀盤”文件夾內(nèi)。在文件“ji zhun·CATPart”內(nèi)根據(jù)盾構(gòu)刀盤的總體空間和性能要求，根據(jù)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(shè)計出刀盤的前后基準和中心基準，完成刀盤的概念設(shè)計。根據(jù)盾構(gòu)刀盤基準完成法蘭盤、刀梁和刀座3部分的空間基準的設(shè)計。刀盤的概念設(shè)計見圖3(a)和基準面的設(shè)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(nèi)。把項目負責(zé)人a建立的“ji zhun·CATPart”復(fù)制一份重命名為“dao liang ji zhun·CATPart”存放在“刀梁”文件夾內(nèi)，把文件“dao liang ji zhun·CATPart”載入刀梁文件“dao liang·CATProduct”內(nèi)，在文件“dao liang ji zhun·CATPart”內(nèi)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(shè)計。

工程師b2，b3，c1，c2和c3分別在上級負責(zé)人為自己定義存放文件的文件夾內(nèi)，用CATIA創(chuàng)建負責(zé)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(nèi)。每一級負責(zé)人都把該級的裝配文件載入到自己負責(zé)部件的總成文件內(nèi)。所有設(shè)計人員根據(jù)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(zé)部分的建模設(shè)計工作。

圖3 刀盤設(shè)計圖Fig.3 Cutter head designing

2.2.5 產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量分析

每位設(shè)計人員進入正常建模狀態(tài)后，每一級負責(zé)人都要及時的分析自己下級的設(shè)計配合狀況。如果發(fā)現(xiàn)問題，要及時提醒和溝通。

例如，在建模過程中，項目負責(zé)人對刀盤總成圖進行干涉分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)刀梁的一部分和中心刀座有干涉，后經(jīng)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(cè)顯示的是有干涉的零部件，中間顯示的是刀盤設(shè)計的總體狀況，右側(cè)列表列出有干涉的零部件的名字，負責(zé)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(shù)資料的歸檔保存

建模完成后，項目負責(zé)人利用CATIA的結(jié)構(gòu)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(gòu)刀盤模型的分析，審核各個方面都沒有問題后，項目負責(zé)人立即取消服務(wù)器上所有完全共享的文件夾，只保留供設(shè)計人員瀏覽，而沒有復(fù)制和修改的權(quán)限，技術(shù)管理人員只需把服務(wù)器上所有技術(shù)資料保存歸檔即可完成技術(shù)資料的管理。

3 結(jié)論

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

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