高速動車組三維設(shè)計及數(shù)據(jù)管理平臺建設(shè)

王廣明，劉 宇，張 波，王金迪，竇景欣

（1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心 ，唐山 063035)2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司 企管信息部，唐山 063035)

唐山軌道客車有限責(zé)任公司（以下簡稱唐車公司）自開展設(shè)計國產(chǎn)新一代 “和諧號”動車組以來，一方面， 深入開展技術(shù)研發(fā)，在高速動車組的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)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(nèi)同行業(yè)頂級企業(yè)的成功經(jīng)驗，以先進的產(chǎn)品平臺和技術(shù)平臺為依托，搭建了具有唐車特色的三維設(shè)計平臺和數(shù)據(jù)管理平臺，為國產(chǎn)新一代 “和諧號”動車組的研發(fā)設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。

唐車公司的三維設(shè)計和數(shù)據(jù)管理平臺采用PTC公司的Pro/E-Intralink系統(tǒng)。（1）運用Pro/E實現(xiàn)了Top-Down自頂向下設(shè)計；（2）運用Intralink實現(xiàn)了多人異地協(xié)同設(shè)計和數(shù)據(jù)管理，固化了依托平臺的設(shè)計流程；（3）通過定制開發(fā)的Intralink-SAP接口將設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SAP系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造環(huán)節(jié)的信息共享。系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1 基于Pro/E的自頂向下設(shè)計

1.1 自頂向下設(shè)計理念

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

自頂向下設(shè)計過程能最大限度地發(fā)揮設(shè)計人員的設(shè)計潛力和減少設(shè)計實施階段不必要的重復(fù)工作，使企業(yè)的人力、物力等資源得到充分的利用，提高了設(shè)計效率，減少了新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計時間。其優(yōu)點：（1）通過自頂向下設(shè)計參數(shù)和幾何的層層傳遞，保證設(shè)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(shè)計還是更改過程中都是極為重要的；（2）對于大型復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計，必須由多人分工協(xié)作完成，涉及到不同級別的設(shè)計角色，自頂向下設(shè)計可實現(xiàn)大型裝配體中團隊的信息共享，為分擔(dān)不同層次設(shè)計任務(wù)的設(shè)計師們提供了技術(shù)基礎(chǔ)[1～4]。

1.2 自頂向下設(shè)計方法的執(zhí)行

1.2.1 設(shè)計角色劃分

基于對自頂向下設(shè)計理念的深入理解，在高速動車組三維設(shè)計過程中，將新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計角色劃分為主管、系統(tǒng)工程師、部位工程師三級。主管控制該產(chǎn)品的頂級參數(shù)和特征，并控制各系統(tǒng)的接口關(guān)系及設(shè)計進度；系統(tǒng)工程師控制本系統(tǒng)的主要參數(shù)和特征，并管理本系統(tǒng)部位工程師的設(shè)計；部位工程師則根據(jù)傳遞下來的設(shè)計意圖完成本部位設(shè)計。（1）可以保證設(shè)計意圖的貫徹；（2）便于主管實時掌握設(shè)計進度，發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題。若涉及到頂級或系統(tǒng)級參數(shù)和幾何的變更，則由主管或系統(tǒng)工程師執(zhí)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(shè)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(fā)布幾何（幾何包括面、軸、坐標(biāo)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(fā)布，以增強對其的控制力）。下級骨架復(fù)制并發(fā)布幾何，模型復(fù)制幾何并用實體化的方法實現(xiàn)。多年的實踐證明，總體級和系統(tǒng)級骨架的優(yōu)劣對產(chǎn)品三維設(shè)計的周期和質(zhì)量，特別是涉及到變更，有極其重要的影響。總體級和系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，對于需要借用別的部位做環(huán)境出工程圖的情況，我們定義了A、B、E模型類型劃分規(guī)則，即：A代表總體，B代表本部位，E代表需要借用的環(huán)境，A、B、E模型樹如圖3。

（1）設(shè)計意圖傳遞明確；（2）良好的穩(wěn)定性，適應(yīng)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(jié)構(gòu)

2 基于Intralink的協(xié)同設(shè)計和數(shù)據(jù)管理

2.1 Intralink協(xié)同設(shè)計管理

高速動車組的設(shè)計為多人、異地協(xié)同設(shè)計，應(yīng)用Intralink系統(tǒng)實現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計管理，包括：

（1）B/S架構(gòu)：Intralink采用了Web進行連接的B/S架構(gòu)，用戶只要使用IE瀏覽器就可以對服務(wù)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(chǎn)品設(shè)計的協(xié)同。應(yīng)用Intralink B/S架構(gòu)模式，在國產(chǎn)新一代“和諧號”動車組設(shè)計過程中，形成了唐山、長春、北京三地的協(xié)同設(shè)計。

（2）工作區(qū)管理：每個設(shè)計師在Intralink系統(tǒng)客戶端和服務(wù)器端都有自己的工作區(qū)，作為本地設(shè)計（Pro/E）與服務(wù)器端的通信，設(shè)計師可在工作區(qū)中對多個對象進行保存、上載下載、檢入檢出等操作。所有設(shè)計師通過工作區(qū)操作完成設(shè)計任務(wù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

（3）文件屬性管理：文件檢入到系統(tǒng)后，所有具有權(quán)限的設(shè)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(tài)、位置、創(chuàng)建人、創(chuàng)建和更新時間等，這些都是協(xié)同設(shè)計的必要信息。

（4）權(quán)限管理：根據(jù)不同設(shè)計角色的劃分，在Intralink中對產(chǎn)品文件夾設(shè)定了不同的角色，具有對產(chǎn)品相應(yīng)的權(quán)限。將角色分為產(chǎn)品經(jīng)理（擁有對產(chǎn)品所有數(shù)據(jù)的更改和成員權(quán)限的控制權(quán)）、團隊成員（對有權(quán)限文件夾的寫入和對其他文件夾的只讀權(quán)）、訪客（對產(chǎn)品數(shù)據(jù)僅有只讀權(quán)）等。

2.2 Intralink產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

（1）文件夾管理：根據(jù)動車組產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及設(shè)計團隊分工，在Intralink中搭建樹狀文件結(jié)構(gòu)，將不同系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)據(jù)分別存儲到相應(yīng)的文件夾中便于管理。（2）文件版本管理：設(shè)計師每對文件執(zhí)行一次檢入操作將升一個小版本，這就在服務(wù)器中保留歷史數(shù)據(jù)以便重用，同時向其他相關(guān)設(shè)計師明確有效版本，便于信息實時更新。（3）模型結(jié)構(gòu)管理：組件模型檢入后將保留其結(jié)構(gòu)和Pro/E中的父子關(guān)系，并附帶有每個零件的版本、狀態(tài)、更新者及創(chuàng)建者等信息。

3 依托平臺的三維設(shè)計流程

經(jīng)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(shè)計流程。流程將高速動車組設(shè)計過程劃分為概念設(shè)計、方案設(shè)計和詳細設(shè)計等階段，在各階段明確了角色定義、任務(wù)及工作流、交付物與考核指標(biāo)等。目前該流程已推廣到依托Pro/E-Intralink系統(tǒng)進行新設(shè)計和改型設(shè)計的所有產(chǎn)品，并在不斷優(yōu)化中。設(shè)計流程的固化是平臺趨于完善和成熟的重要標(biāo)志。

依托三維設(shè)計和數(shù)據(jù)管理平臺以及固化在其中的設(shè)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(shè)計。

4 平臺未來發(fā)展方向

4.1 廣義協(xié)同

唐車公司產(chǎn)品的復(fù)雜性決定了以多級、多家供應(yīng)商組成的供應(yīng)鏈將成為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的重要組成部分。目前唐車公司的Pro/E-Intralink平臺實現(xiàn)了設(shè)計的內(nèi)部協(xié)同，即各部室、各分系統(tǒng)的協(xié)同，尚未將供應(yīng)商設(shè)計納入到系統(tǒng)中，未來將通過廣域網(wǎng)（WAN）、共享數(shù)據(jù)庫、廣義協(xié)同流程等，實現(xiàn)供應(yīng)商和主機廠的廣義協(xié)同。

4.2 數(shù)據(jù)精細化管理

限于各種因素的制約，產(chǎn)品數(shù)據(jù)還存在質(zhì)量不高、管理流程不細致等問題。未來的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺和模式必須向精細化管理發(fā)展，以適應(yīng)高速動車組及公司其他產(chǎn)品的研發(fā)需求。

4.3 向集成研發(fā)平臺發(fā)展

未來的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺不應(yīng)僅管理設(shè)計數(shù)據(jù)，還應(yīng)包括仿真試驗數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息、供應(yīng)商數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)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(chǎn)品研發(fā)平臺，為新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計奠定堅實基礎(chǔ)。

4.4 產(chǎn)品系列化與數(shù)據(jù)重用管理

（1）必須提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；（2）在做好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)譜系化和系列化規(guī)劃基礎(chǔ)上，引入先進的設(shè)計理念，如模塊化和參數(shù)化設(shè)計等。數(shù)據(jù)重用性的提高是產(chǎn)品走向成熟的重要標(biāo)志。

5 結(jié)束語

以我們近年來的研究和實踐經(jīng)驗來看，平臺的功能并非最重要的，保證適合本公司產(chǎn)品特點的業(yè)務(wù)流程的順暢才是衡量平臺優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，必要時，軟件功能要給業(yè)務(wù)流程讓道。好的平臺一般應(yīng)具備集成度好、業(yè)務(wù)順暢、數(shù)據(jù)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(shù)化設(shè)計技術(shù)的研究[J].機械設(shè)計與研究，2009（3）：222-224.

[2]范 勤，石從繼. 機械零件參數(shù)化設(shè)計中的尺寸驅(qū)動[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報，2002，25（4）：379-381.

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