產品設計標準數字化方法的研究與實踐

王佩章，蔣亞平，徐　萍（中國北方車輛研究所，北京　100072）

產品設計標準數字化方法的研究與實踐

王佩章，蔣亞平，徐萍
（中國北方車輛研究所，北京100072）

論文討論了數字化協同研制環境下產品設計標準的變革內涵，提出了新型標準化工作的應變措施，探索了貫徹執行設計標準的新方法；通過某軍工型號產品研制的實際工作分析、總結，說明了設計標準數字化創新管理的必要性、可行性及重要意義。

產品設計標準；自頂向下設計；PDM系統；并行協同

0　引言

國外對汽車、電子、武器系統等產品開發成本與周期進行統計分析發現，設計階段的成本雖然僅占產品開發總成本的7%以下，卻決定了產品開發成本的83%以上，而且設計階段對后續環節的影響是以指數形式遞增。中國北方車輛研究所是我國特種車輛總體設計所，最近幾年來正積極開展現代研發體系建設，在產品設計階段，通過參數化設計、虛擬樣機、半實物或數字仿真技術應用提高設計成功率，降低研制風險，保證優化的思想在設計階段得到較好貫徹，縮短研制周期。

數字化標準、規范體系是指導產品的數字化設計、試驗、制造、管理全過程。隨著數字化協同研制模式在坦克裝甲車輛領域逐步全面推廣應用，現有的傳統標準化體系已不能滿足實際應用要求。研究所在設計標準方面迫切需要解決的關鍵問題有：①新的設計模式帶來了設計標準的哪些變革；②如何切實有效地保證設計標準的貫徹執行。

研究所擬創建以 “滿足型號研制需求”為導向，以“數字化協同設計制造”為核心的數字化研制標準和規范體系，指導數字化應用系統的建設與應用、規范產品協同研制過程中的流程與管理。

1　產品設計標準的變革內涵

數字化協同研制模式要求的產品設計方法具有兩大特征：一是基于三維模型的自頂向下設計；二是能夠支持設計與設計、設計與仿真的并行協同。

特種車輛自頂向下設計方法：首先，總體組在PDM系統中建立整車產品結構樹，發布總體頂層骨架模型、整車空裝配模型，總體頂層骨架模型作為系統及部件設計的幾何約束；第二，系統及部件設計負責人下載總體頂層骨架模型，以復制幾何方式得到總體給出的幾何約束，建立系統及部件骨架模型與空裝配模型，檢入PDM系統；第三，系統及部件的下一層設計人員依照第二步方法完成組別級骨架模型與空裝配模型設計，檢入PDM系統，根據具體設計資源分配、產品結構劃分決定是否進一步分解設計；第四，各設計人員展開零部件三維模型與二維圖形相關聯設計，檢入PDM系統。當部件的裝配模型進一步細化、充實時，整車空裝配模型會自動更新，這就是自底向上裝配過程。最后，在PDM系統中構成完整的、可自動裝配的產品數字樣機，并能生成設計BOM。

并行協同設計模式：基于產品數據管理（PDM）系統進行產品單一數據源管理，設計與分析人員具有PDM系統對應的用戶權限，共享工程設計及仿真設計階段的輸入與輸出數據，并行工作。基于這種模式，總體與部件設計人員及時協調修改方案；設計人員根據產品設計數據的成熟度，提前進行關聯部件的裝配檢查、零件工藝設計等工作；分析人員提前進行仿真對象的模型設計、虛擬試驗。

數字化協同研制模式引發了產品數據內容與表達形式發生變化的同時，也促發了研制業務流程的變革。傳統設計方法主要基于二維圖紙的串行設計，設計圖紙與技術文件的標準化審查依靠人工紙質完成。數字化協同設計方法則是基于三維模型的并行協同，技術文件、產品設計圖樣（包括骨架模型、裝配模型、二三維圖樣、EBOM等）均在PDM系統中完成電子協同審簽。

產品設計標準因設計模式而變的要求體現在三個方面：①自頂向下設計產生了骨架模型、裝配模型、三維圖樣、EBOM等新型產品數據，相應的標準化要求增加了新的內容；②現行的某些質量體系文件定義的技術文件表達形式不滿足電子協同審簽的要求，例如：《制造驗收規范》的審簽頁規定為正文首頁，是動態變化難以通過軟件開發實現或得不償失；③數字化協同模式不僅需要規范產品數據產生的軟件型號與版本、定義產品數據交換共享的條件，而且需要重新定義數字化協同流程。

2　數字化協同研制模式下標準化工作的應變措施

從技術角度分析，傳統的產品研發標準規范更多是從制度上要求研發人員去遵守、執行，而數字化協同模式下的標準規范力圖從客觀條件上杜絕或減少違反標準化要求的可能性。前者依賴于標準化部門宣貫、設計人員自覺性，標準化審查工作費時、費力，往往事倍功半；后者依靠計算機技術，將設計標準、業務流程盡可能地通過軟件編程定制在數字化設計軟件系統中，形成設計過程中的剛性要求，使得設計人員與標準檢查人員的工作量大大降低，而效率卻大幅提升。

只有建立剛性的設計知識應用管理系統、統一的共享資源管理系統，才能保證產品研發過程中產品數據的唯一性。在數字化協同研制模式下的標準化工作的革新主要體現為兩部分工作：一是將具有繼承性的現有工程標準規范數字化；二是創建全新標準、規范：

（1）現有標規范改造：根據質量體系文件及標準文件要求，創建、完善滿足數字化研制模式要求的機械產品標準件庫、通用件、電子電器元件庫、工藝庫、材料庫以及與產品設計相關的文檔模板庫；對現有的坦克裝甲車輛研制規范與標準進行數字化改造，從三維模型的設計原型、設計方法、材料選擇、加工工藝設計到各種不同類型零件三維模型設計、電子產品仿真設計等等進行明確規定，設計人員按照統一的要求進行三維模型設計、電子產品設計，將極大提高設計質量，減少設計的更改和返工。

（2）創建新標準規范：基于PDM、CAD系統進行多單位協同研發的特點，在制定相應的CAD及PDM應用規范、實現統一設計環境的同時，創建PDM、數字化項目管理、SDM、TDM、情報檔案管理等系統應用與集成規范，定義異地異構數據共享格式及標準，保證數據流暢通，最大限度地整合與充分共享資源、保證協同研制流程有效運行。

3　型號研制需求導向的設計標準有效實踐

研究所以型號需求為牽引，強化產品研制標準的創建與推廣工作。2009年，在某型號研制設計師系統成立了數字化專項組，數字化專項組與標準化專項組緊密合作，卓有成效地開展數字化標準探索、建設、應用工作：

（1）演示驗證階段：以研究所內部推廣三維自頂向下協同設計方法為主要目的，以PDM系統作為唯一有效設計數據存儲、發放平臺，數字化定義技術文件、設計圖樣電子審簽流程；根據質量體系文件標準化要求，創建了十二大類近二百小類技術文檔模板，包括：項目管理、綜合文件、技術管理、質量管理、技術文件、RMST文件、軟件文件、試驗文件、圖樣文件、隨圖文件、工藝文件、其他文件；收集整理型號研制所用標準件信息，建立了包括規格型號信息、三維模型的標準件庫。

（2）初樣車階段：在調研軟件功能、業務流程基礎上，針對基于PDM系統的三維協同設計、機電一體化設計要求，完成PDM系統、電子產品設計平臺的客制化工作，創建了骨架模型、與三維關聯的二維程圖、電子產品設計圖樣的電子協同審簽流程；在電子產品設計軟件Altium Designer平臺上開發定制符合標準格式的輸出，包括：元器件清單、原理圖、原理圖SCH文件、印制板PCB文件；建立了電子元器件優選庫，元器件信息包括原理圖符號、PCB封裝，設計人員可以直接施拉式選用；初步創建研究所如下電子產品設計標準與規范：《元器件命名規范》、《PCB封裝命名規范》、《PCB封裝模型建立規范》、《原理圖符號模型建立規范》、《EDA數據建立標準流程》、《EDA數據庫管理辦法》、《EDA數據庫建立檢查標準》、《EDA數據庫使用方法》。

（3）正樣車階段：為解決型號參研多廠所之間的協同問題、全面推廣前期的標準數字化成果、提升總體設計水平，制定并發布實施了一系列型號研制標準，共計32項。其中《產品研制數據交換的規定》通過近五年的努力，研究所的設計標準數字化工作取得了較大進展，在某型號研制過程中發揮了重用支撐作用：產品數據及時檢入PDM系統，準確標識研制階段、版本等技術狀態，產品數據的轉階段、工程變更、統一打印都在PDM系統中得以實現，所有數據都能夠在PDM系統中進行電子審簽，強化了產品設計質量控制與管理；不同地域的各參研單位采用相同的設計軟件，產品設計數據共享、模型預裝配檢查糾錯得以實現，協同研制模式提高了研制效率。

對產品設計所需軟件的型號與版本、產品數據的內容與格式進行了統一定義；《PDM系統應用規范》要求各承研單位實現內部的數字化協同設計，并與其他承研單位實現設計與設計、設計與制造的并行；《產品設計變更管理規范》要求型號設計、生產、試驗等過程中產生設計數據更改必須在PDM系統中按規定流程，完成產品數據修改工作，形成閉環，保證圖物一致；《自頂向下協同設計規范》、《產品機電一體化設計規范》、《產品研制圖紙統一管理規范》等數字化設計標準與規范為設計人員提供了具有指導作用、可行性強的操作流程。

4　結束語

本文討論了數字化協同研制環境下產品設計標準的變革內涵，提出了新型標準化工作的應變措施，通過某型號研制的實際工作分析、總結，說明了設計標準數字化創新管理的必要性、可行性及重要意義。

Research and Practice of Product Design Standard Digital Method

WANG Pei-Zhang，JIANG Ya-Ping，XU Ping
（China North Vehicle Research Institute，BeiJing 100072，China）

This article discusses the change of product design standard under the digital collaborative development environment，and new standardization strain measures are put forward to explore a new method for carrying out the design standard.Through the analysis of the actual work a military product development model，the summary，illustrates the design standard of digital innovation management the necessity，feasibility and important significance.

product design standards；top down design；PDM system；concurrent and collaborative

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.025

1002-6673（2015）05-066-03

2015-06-08

王佩章，男，大學本科，副研究員。主要從事工程信息數字化方面的推廣和研究工作。