高速動車組三維設計及數據管理平臺建設

王廣明，劉 宇，張 波，王金迪，竇景欣

（1.唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心 ，唐山 063035)2.唐山軌道客車有限責任公司 企管信息部，唐山 063035)

唐山軌道客車有限責任公司（以下簡稱唐車公司）自開展設計國產新一代 “和諧號”動車組以來，一方面， 深入開展技術研發，在高速動車組的結構設計、電氣設計和仿真等方面取得了一系列成果；另一方面，吸納國際國內同行業頂級企業的成功經驗，以先進的產品平臺和技術平臺為依托，搭建了具有唐車特色的三維設計平臺和數據管理平臺，為國產新一代 “和諧號”動車組的研發設計奠定了堅實的基礎。

唐車公司的三維設計和數據管理平臺采用PTC公司的Pro/E-Intralink系統。（1）運用Pro/E實現了Top-Down自頂向下設計；（2）運用Intralink實現了多人異地協同設計和數據管理，固化了依托平臺的設計流程；（3）通過定制開發的Intralink-SAP接口將設計數據導入到SAP系統，實現產品設計與制造環節的信息共享。系統的軟件架構如圖1。

圖1 系統軟件架構

1 基于Pro/E的自頂向下設計

1.1 自頂向下設計理念

自頂向下設計理念是區別于自底向上理念的一種設計模式，簡單說是指在設計的初期就考慮部件之間、零件之間的約束和定位關系，在完成產品的整體設計之后，再實現單個零件的詳細設計；可以用在組織和管理各種復雜零件、大型裝配件的設計以及在設計過程工作組之間共享信息。

自頂向下設計過程能最大限度地發揮設計人員的設計潛力和減少設計實施階段不必要的重復工作，使企業的人力、物力等資源得到充分的利用，提高了設計效率，減少了新產品的開發和設計時間。其優點：（1）通過自頂向下設計參數和幾何的層層傳遞，保證設計意圖及重要特征和尺寸自上而下的貫徹，這一點不論在設計還是更改過程中都是極為重要的；（2）對于大型復雜產品的開發和設計，必須由多人分工協作完成，涉及到不同級別的設計角色，自頂向下設計可實現大型裝配體中團隊的信息共享，為分擔不同層次設計任務的設計師們提供了技術基礎[1～4]。

1.2 自頂向下設計方法的執行

1.2.1 設計角色劃分

基于對自頂向下設計理念的深入理解，在高速動車組三維設計過程中，將新產品開發的設計角色劃分為主管、系統工程師、部位工程師三級。主管控制該產品的頂級參數和特征，并控制各系統的接口關系及設計進度；系統工程師控制本系統的主要參數和特征，并管理本系統部位工程師的設計；部位工程師則根據傳遞下來的設計意圖完成本部位設計。（1）可以保證設計意圖的貫徹；（2）便于主管實時掌握設計進度，發現設計問題。若涉及到頂級或系統級參數和幾何的變更，則由主管或系統工程師執行，模型更新后將自動更新所有下級模型。

1.2.2 骨架模型傳遞和控制設計信息

自頂向下控制的常見方法有多種。唐車公司采用的是骨架控制，即通過上級骨架模型發布幾何（幾何包括面、軸、坐標系、曲線、曲面等，如圖2 中所有平面、車體斷面輪廓線、車輛縱斷面曲線框及門窗布置等，有些骨架中會將重要部位做成曲面發布，以增強對其的控制力）。下級骨架復制并發布幾何，模型復制幾何并用實體化的方法實現。多年的實踐證明，總體級和系統級骨架的優劣對產品三維設計的周期和質量，特別是涉及到變更，有極其重要的影響。總體級和系統級骨架必須具備以下能力：

針對出工程圖的A、B、E模型樹結構，對于需要借用別的部位做環境出工程圖的情況，我們定義了A、B、E模型類型劃分規則，即：A代表總體，B代表本部位，E代表需要借用的環境，A、B、E模型樹如圖3。

（1）設計意圖傳遞明確；（2）良好的穩定性，適應變更的能力強；（3）對下級骨架和模型的控制力強，控制范圍明確。

某車型的總體骨架如圖2。

圖2 某車型的總體骨架

圖3 A、B、E模型樹結構

2 基于Intralink的協同設計和數據管理

2.1 Intralink協同設計管理

高速動車組的設計為多人、異地協同設計，應用Intralink系統實現了協同設計管理，包括：

（1）B/S架構：Intralink采用了Web進行連接的B/S架構，用戶只要使用IE瀏覽器就可以對服務器來進行瀏覽，這樣身在異地的不同人員都可以通過IE來進行產品設計的協同。應用Intralink B/S架構模式，在國產新一代“和諧號”動車組設計過程中，形成了唐山、長春、北京三地的協同設計。

（2）工作區管理：每個設計師在Intralink系統客戶端和服務器端都有自己的工作區，作為本地設計（Pro/E）與服務器端的通信，設計師可在工作區中對多個對象進行保存、上載下載、檢入檢出等操作。所有設計師通過工作區操作完成設計任務并實現數據的共享。

（3）文件屬性管理：文件檢入到系統后，所有具有權限的設計師可以檢索到該文件，并通過文件屬性了解到其版本、狀態、位置、創建人、創建和更新時間等，這些都是協同設計的必要信息。

（4）權限管理：根據不同設計角色的劃分，在Intralink中對產品文件夾設定了不同的角色，具有對產品相應的權限。將角色分為產品經理（擁有對產品所有數據的更改和成員權限的控制權）、團隊成員（對有權限文件夾的寫入和對其他文件夾的只讀權）、訪客（對產品數據僅有只讀權）等。

2.2 Intralink產品數據管理

（1）文件夾管理：根據動車組產品的結構及設計團隊分工，在Intralink中搭建樹狀文件結構，將不同系統的設計數據分別存儲到相應的文件夾中便于管理。（2）文件版本管理：設計師每對文件執行一次檢入操作將升一個小版本，這就在服務器中保留歷史數據以便重用，同時向其他相關設計師明確有效版本，便于信息實時更新。（3）模型結構管理：組件模型檢入后將保留其結構和Pro/E中的父子關系，并附帶有每個零件的版本、狀態、更新者及創建者等信息。

3 依托平臺的三維設計流程

經過探索和實踐，唐車公司確立并固化了的依托平臺的三維設計流程。流程將高速動車組設計過程劃分為概念設計、方案設計和詳細設計等階段，在各階段明確了角色定義、任務及工作流、交付物與考核指標等。目前該流程已推廣到依托Pro/E-Intralink系統進行新設計和改型設計的所有產品，并在不斷優化中。設計流程的固化是平臺趨于完善和成熟的重要標志。

依托三維設計和數據管理平臺以及固化在其中的設計流程及近百個操作說明文件，完成了高速動車組的全三維設計。

4 平臺未來發展方向

4.1 廣義協同

唐車公司產品的復雜性決定了以多級、多家供應商組成的供應鏈將成為產品研發設計的重要組成部分。目前唐車公司的Pro/E-Intralink平臺實現了設計的內部協同，即各部室、各分系統的協同，尚未將供應商設計納入到系統中，未來將通過廣域網（WAN）、共享數據庫、廣義協同流程等，實現供應商和主機廠的廣義協同。

4.2 數據精細化管理

限于各種因素的制約，產品數據還存在質量不高、管理流程不細致等問題。未來的產品數據管理平臺和模式必須向精細化管理發展，以適應高速動車組及公司其他產品的研發需求。

4.3 向集成研發平臺發展

未來的產品數據管理平臺不應僅管理設計數據，還應包括仿真試驗數據、產品信息、供應商數據等，數據管理平臺越來越緊密地與其他平臺集成起來，形成高度集成的產品研發平臺，為新產品的創新設計奠定堅實基礎。

4.4 產品系列化與數據重用管理

（1）必須提高數據質量；（2）在做好產品結構譜系化和系列化規劃基礎上，引入先進的設計理念，如模塊化和參數化設計等。數據重用性的提高是產品走向成熟的重要標志。

5 結束語

以我們近年來的研究和實踐經驗來看，平臺的功能并非最重要的，保證適合本公司產品特點的業務流程的順暢才是衡量平臺優劣的重要標準，必要時，軟件功能要給業務流程讓道。好的平臺一般應具備集成度好、業務順暢、數據管理和流程清晰、使用簡捷、效率高、升級便利等特點。

[1]高東強，姚素芬，李 進. 基于PRO/E的雙擺線鋼球減速器的參數化設計技術的研究[J].機械設計與研究，2009（3）：222-224.

[2]范 勤，石從繼. 機械零件參數化設計中的尺寸驅動[J]. 武漢科技大學學報，2002，25（4）：379-381.

[3]歐荔蘋，劉 斌. 基于Pro/E二次開發的電極模塊參數化設計[J]. 機械設計與制造，2008（4）：67-69.