基于Pro/E的車體導航式參數化設計系統開發

劉晉，劉宇，黃烈威，孫加平，王廣明

(中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

唐山軌道客車有限責任公司(以下簡稱“唐車公司”)是一家知名的大型軌道交通一體化解決方案及軌道交通裝備提供商，在其主產品動車組及城軌、地鐵的設計中，采用Pro/E進行三維設計.近年來，隨著軌道車輛市場化程度的提高，用戶對產品的定制導向性越來越強，同時設計周期也被大大壓縮，這就迫使公司的設計部門在產品種類不斷增加的情況下，重視設計數據的重用性并大力推廣標準化設計，以達到更快更好地響應用戶需求和市場形勢的目的.

唐車公司設計部門通過對軌道車輛車體種類的詳細分析與歸納，得到了車體種類及系列和模塊化劃分方法;通過對結構的深入分析，得到了車體及其子模塊參數分級及參數驅動表.在此基礎上創建了參數化模型庫，并結合Pro/E強大的二次開發功能，應用Pro/TOOLKIT及VC++開發了車體導航式參數化設計系統，大大提高了設計效率，初步實現了車體的標準化設計，為產品走向系列化、譜系化奠定了基礎.

所謂導航設計系統，簡單來說是指由二次開發的人機界面引導用戶一步步完成產品設計的系統.導航設計系統具有以下優點:

(1)大大提升設計效率，顯著縮短產品設計周期;

(2)變更極為方便，特別適合于產品改型設計、編寫標書、產品概念設計和方案評審等;

(3)固化產品設計模式和設計方法，確保設計質量趨于一致;

(4)有利于培養新人.

本文中所指的導航設計系統，是以車體的產品系列劃分、結構的模塊化劃分和部件的參數化規劃為基礎，由在Pro/E中運用二次開發技術，按照設計流程開發的一系列人機交互界面構成的.系統的基礎是后臺封裝的車體設計知識庫、模型庫、參數和關系數據庫.

1 車體

1.1 結構

圖1 車體結構

對軌道車輛來說，車體擔負著承載作用，是重要組成部分之一.車體一般可分為底架、車頂、側墻和端墻四大模塊，如圖1.

1.2 車體模塊化劃分

將車體分為四大模塊是開發導航式參數化設計系統的第一步，通過對其進行模塊化劃分，我們發現:

(1)模塊之間關系簡單，除端墻外，各模塊均不與兩個及以上模塊有連接關系;

(2)模塊獨立性強，劃分方法與公司目前設計模式與分工原則相同;

(3)在三維建模過程中，四大模塊一級是參數分級控制的分級點;

(4)在導航界面中，四大模塊一級是程序調用的對象，它們的排列組合形成了目標車體.

1.3 車體參數化控制原則

唐車公司采用基于Pro/E的Top-Down設計方法，對幾何的Top-Down，采用上級骨架發布幾何，下級骨架復制并發布幾何，模型復制幾何并實體化的方法實現，這些發布和復制幾何多為基準面、曲面特征、坐標系等;對參數和屬性的Top-Down，采用繼承的方法.為了實現對整個車體的參數化控制，我們根據參數分級表將參數寫入相應級別的骨架中，并建立驅動關系式.

需要注意的是，參數分為數值參數和標識參數.數值參數通過關系式控制與其相關的參數或數值，從而實現裝配體參數和數值的合理聯動;標識參數則表明所屬模型的屬性，例如在鼓形側墻的骨架中添加了“鼓形側墻”參數，作為程序調用的標識.

1.4 車體參數化控制內容

通過對多年來用戶定制的要求和車體各大部件結構和尺寸的匯總分析，我們得出了車體參數化控制的內容:

(1)底架主結構由橫梁組成，橫梁排布由下部吊裝的電氣和制動設備決定，因此可根據不同的設備吊裝方案對底架進行參數化控制;

(2)車頂內部的彎梁排布與安裝在車頂上的空調、受電弓安裝位置為車頂參數化控制內容;

(3)側墻的門窗排布與尺寸受用戶定制的影響最大，因此作為側墻參數化控制內容;

(4)端墻端門高度及寬度、風擋安裝位置為端墻參數化控制內容.

此外，本系統對各大模塊間接口尺寸也進行參數化控制.

2 系統開發方法

2.1 角色劃分與參數控制原則

車體的設計是由團隊完成的，這就必須在系統開發過程中考慮到角色的劃分及權限分配問題.我們將角色劃分為主管、系統工程師、部位工程師三級.主管控制產品的頂級參數和特征;系統工程師控制本系統的主要參數和特征，并協調本系統部位工程師;部位工程師則根據傳遞下來的特征及參數完成本部位設計.在本系統中開發過程中，角色劃分與參數控制原則如圖2:

圖2 角色劃分與參數控制原則

2.2 系統開發技術路線及設計流程

該系統架構如圖3所示.應用該系統進行產品設計的流程如下:

(1)主管通過Pro/E的定制菜單進入導航設計系統.首先進入總體設計界面進行車輛總體參數的定義及總體幾何特征的建立，載體為總體骨架模型(總體參數包含在骨架的參數中);

(2)車體系統工程師進入車體總體設計界面，以參數繼承和復制幾何方式繼承總體參數及總體幾何，定義車體參數并繪制下級需要的幾何，載體為車體總體骨架.若為新產品初次設計，則發布到下級由部位工程師按要求完成參數化三維模型;若為繼承設計(由歷史產品進行改型設計)，則首先在標準模型庫中選擇符合要求的各大部件，修改參數并再生模型，對模型命名進行處理，檢入本產品的文件夾，并為部位設計師分配權限;

(3)部位設計師繼承車體系統工程師發布的參數及幾何，完成本部位詳細設計;

(4)對于變更，部位設計師有權提出車體級或車輛總體級變更，車體系統工程師有權提出車輛總體級變更，變更管理如圖2所示.

圖3 系統架構

3 運行實例

系統菜單結構為總體設計和分系統設計，分系統設計包含了車體設計，并保留了其他系統導航式參數化設計的接口.

總體設計界面:通過該界面可定義車輛的總體屬性，如車體輪廓、車體總體尺寸、門類型、門窗分布、空調布置形式等.

車體總體設計界面:可定義車輛門窗尺寸，通過子界面可定義車體各大部件接口.灰顯部分為總體定義的參數及特征，不允許在本級更改.(如圖4樣例).

圖4 車體總體及接口設計界面

車頂部位設計界面:車頂部位工程師通過此界面可修改車頂梁排布，并完成其他細節設計.灰顯部分為總體及車體定義的車頂部位相關參數和屬性，不允許在本級更改.

4 結論

基于Pro/E應用的普遍性及其強大的二次開發功能，應用Pro/TOOLKIT和VC++開發的基于Pro/E的快速設計系統、參數化設計系統及相關文獻資料十分繁多.本文所使用的開發工具與方法和這些文獻描述并無二致，因此在界面設計及代碼編寫等方面未多作論述.但作者認為，在企業中推廣應用好參數化設計系統，特別是滿足不同業務場景，以及涉及到設計-制造環節的信息交換，情況要復雜得多，可看作一個系統工程.

(1)系統的開發一定要在深入研究產品種類和結構的基礎上進行.如何進行合理的模塊化劃分，哪些數值作為參數，這些參數控制哪些參數或數值，參數的取值范圍等，都是系統開發前必須明確的;

(2)要規劃好產品未來的系列和譜系，選取有代表性的、典型的產品進入標準模型庫，并對入庫模型定義嚴格的標準;

(3)圖3中的標準模型庫的建模質量對系統運用至關重要，在建立過程中，要考慮現有設計流程及產品譜系劃分和積累程度，對標準模型庫建模的完整程度(達到目標模型的百分比)進行合理把控，必須在保證模型庫的通用性及可移植性的基礎上，再考慮最大限度削減部位工程師的工作量;

(4)要制定完善的數據管理方案將標準模型庫與產品區分開，并制定合理的流程以完成產品與標準模型庫的數據交換與轉換;

(5)要考慮系統上線后遇到不同的業務場景，如方案設計、基于標準模型庫的產品開發、產品入庫、改型設計、設計變更等;

(6)要考慮上線后對設計以外部門原有工作模式的沖擊，考慮對制造、物料的物流和倉儲、采購等環節的影響.

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