基于CBB的機械產品平臺化研發模式研究*

李梓嘉 徐軼軻 田超 楊垂錦

（北京機械設備研究所，北京，100854）

文 摘：針對產品平臺化研發模式，論述了產品平臺化管理方法。對于機械類產品，形成了CBB (共用基礎模塊)資源庫的建立方法及管理模式。搭建機械產品的產品平臺和技術平臺，并以實例詳細進行平臺搭建論述。

隨著企業市場的拓展與細分、客戶數量的增長，產品種類和型號、產品復雜度隨之增長，產品開發面臨嚴峻挑戰：開發人員數量需求急速膨脹；要求的產品設計開發周期縮短；新產品的質量不穩定；同樣的技術問題在不同產品重復出現；響應客戶小批量個性化的需求成本高、周期長。

應對這些問題，最主要的策略就是加強產品和技術的共享共用。不同產品、系統之間存在許多可以共用的零部件、模塊和技術，如果產品開發中盡可能多地采用這些成熟的CBB（共用基礎模塊） 和技術，產品的質量、進度、成本無疑會得到很好的控制和保證，產品開發技術風險也將大大降低[1]。

從上世紀開始，國外的航天企業逐步建立了一套完整的產品系列化、型譜化的研發模式，形成了成熟的產品平臺和規范的標準接口，使產品成為以型譜為指導、技術成熟、質量穩定的貨架產品。

另外，國家科技部于2008年公布的《國家高新技術發展計劃指南》[2]將設計知識發現、共享和重用作為數字化設計方法與技術領域中探索導向類課題予以優先發展。CBB是指在不同產品、系統之間共用的零部件、模塊、技術和其他相關的設計成果，是建立產品和技術共享平臺的基礎[3]。建立和運用CBB平臺，共享共用最佳工程實踐、先進設計方法、有效設計準則、成熟應用規范等，實現設計開發的知識重用，對于提升研發質量和進度、降低研發成本具有十分重要的意義。

1 平臺化管理方法

1.1 概述

傳統的武器裝備研制模式是自頂向下進行任務分解，自下而上進行集成，這種方式勢必帶來研發周期長，研制效率低，對市場需求響應慢的弊端。而平臺化的產品研發管理模式是一種自頂向下研究產品的通用架構，先做好頂層規劃，然后在成熟并固化平臺的基礎上快速衍生出新產品的過程。平臺化研發模式依據成熟的產品平臺和技術平臺，形成不同規格的系列化產品族，即產品型譜。型譜化的產品種類及規格劃分能夠有效縮短產品研發周期，大幅提升研發效率和產品質量，快速響應市場需求[4]。

平臺是特定架構及基于此架構的一組構件，是在各層級上一系列貨架技術和產品的集合，包含產品平臺和技術平臺，產品平臺又分為硬件產品平臺和軟件產品平臺。

1.2 產品和技術雙平臺構建

1.2.1 產品平臺構建

產品平臺是指一系列產品所采用的共同要素的集合，通常包括：一個特定架構及基于此架構的一組技術構件的集合。產品平臺通常包括：共用的系統架構、分系統、子系統、CBB/組件、關鍵技術等。

梳理現有產品的結構樹，對產品層次進行優化并按照標準進行命名。將各層次的產品按標準歸類管理，同時兼顧未來5到10年內對此類產品的市場需求和技術需求，形成產品平臺。

1.2.2 技術平臺構建

技術平臺是指可以在不同產品、系統間共用的軟件包及模塊、技術等相關成果。

梳理產品當前的技術基礎和未來5到10年的技術進步空間，形成技術樹。按照專業領域劃分，按照標準對技術樹的分支進行命名和分類，最終形成技術平臺。

1.3 產品型譜構建

產品型譜是以最少數目的不同規格產品為標志的、能滿足較長時期及一定范圍內全部使用要求的產品系列。

產品型譜的建立基于對產品發展趨勢的充分分析。產品型譜規劃體現出多型號、當前與未來的技術需求和數量需求，以關鍵參數為劃分依據對產品進行系列化劃分，淘汰技術落后和無市場前景的產品，規劃技術先進、具有充分市場前景的產品。

1.4 CBB資源庫

CBB資源庫是實現產品平臺化研發和管理的基礎。傳統的CBB模塊可以認為是“三化件”，“三化件”完成建模并入庫發布后，其結構、尺寸是不能隨意改變的，即規格是離散化的，使用時有可能找不到最適合用戶需求的“三化件”。為解決這個問題，我們提出并實現了通過技術模版快速創建CBB模塊的方法，即事先不創立CBB庫，只是建立一系列CBB技術模版，用時根據客戶需求，填寫參數表，由計算機快速創建出所需要的CBB三維模型和技術文件。

2 機械產品CBB資源庫構建

2.1 機械產品的特點

本單位涉及的主要機械結構類產品包括：梁式吊具、拖車、停放架、匯流環、機箱、包裝箱等。相較于電子類產品，機械產品受外界約束條件較多，如空間限制、重量限制、接口匹配限制等，嚴格進行型譜化形成貨架產品的成本太高，且預期復用率比較低；但是許多產品拓撲結構近似、技術原理相通，僅是參數不同，同樣可以采用CBB的基本理念進行研究和管理。因此，對于機械類的CBB產品平臺建設，應該采用不同的產品分類和管理方法。

2.2 機械產品CBB資源庫

2.2.1 基于結構化數據表單的CBB模塊構建方法

一般來說，對同一種機械產品，設計師在進行設計時，常因為設計方法和設計理念的差異，造成產品的設計參數存在差異，即多組設計參數都可以完成該產品的設計，使模型的規范性和重復利用性差。為避免上述問題，本文采用結構化數據表單的CBB模塊構建方法，規范CBB模塊的建立，提高模塊的復用率。

以典型機械產品（如某轉臺） 為對象，研究其拓撲結構、產品組成，總結出組成該產品的CBB模塊，對CBB模塊的設計參數進行優化并形成能夠確定該模塊設計的唯一一組最優參數組合，即參數的一個最小完備集合，并固化在模型中。在此基礎之上，將CBB模塊的設計參數以顯性化方式呈現，即形成基于結構化數據表單的CBB技術模版。通過結構化數據表單，把CBB技術模版與設計參數進行關聯映射，從而實現CBB技術模版驅動模塊的設計，實現基于CBB技術模版的模型比對，實現一種基于CBB技術模版的管理模式。基于結構化數據表單驅動下的CBB模塊定義，在三維設計軟件中，CBB模塊可以直觀地體現為三維模型，也可以體現為某一張數據表單，即模型與表單存在一一對應關系。CBB平臺總體構建方法如圖1所示。

圖1 CBB平臺總體方法

2.2.2 典型機械產品CBB資源庫建設

根據機械產品自身的特點，本文將機械產品CBB模塊分為3類：標準模塊、參數化模塊、定制模塊。“標準模塊”等同于狹義的CBB單元，按照型譜化的方法形成產品貨架；“參數化模塊”是指基于相同拓撲結構但是部分參數可變的廣義CBB單元，可以視為技術貨架；“定制模塊”是指用于滿足無法預期的總體和客戶需求的部分，主要是指具有對外結構接口的零部件，該部分通常不納入CBB貨架。標準模塊、參數化模塊、定制模塊的內涵及區別見表1。

表1 機械產品組成模塊分類對照表

通過梳理典型機械產品的CBB貨架，建立典型機械產品的貨架框架，從零件、部組件、整機等多個層級梳理典型機械產品的共享模塊，從而建立典型機械產品的CBB資源庫。而以結構化數據表單的CBB技術體系為基礎，典型機械產品的CBB資源庫主要包含3個層次的模型（模版）庫：平臺產品參數化模版庫、系列化產品參數化模版庫、定制產品數據庫。

2.2.3 CBB管理要求

CBB的3個層次的模型（模版）庫的成熟度評價及模型管理是CBB平臺應用實施的關鍵環節，需要通過成熟度評價及模型管理進行不斷迭代，使經驗、規范、歸零措施等知識通過信息化手段固化到軟件中，通過平臺的運行不斷完善知識庫，從而使得設計出來的產品質量不斷提高。

CBB模型的成熟度可以從3個維度進行評價和管理，分別是：模版成熟度、仿真模型成熟度、產品成熟度。“模版成熟度”基于KBE（KnowledgeBasedEngineering，知識工程）相關理論進行評價和管理，主要評價CBB模版與現有知識庫的符合程度，軟件基于現有知識庫對CBB模版進行檢查，從而給出成熟度評估數據，通過技術評審等管理活動對模版成熟度進行確認。“仿真模型成熟度”主要基于計算機仿真驗證進行評價，軟件生成模型后驅動計算機仿真驗證環節，通過虛擬驗證的結果對CBB模型成熟度進行評價。“產品成熟度”是通過實物的相關試驗（含設計工藝性驗證）對CBB模型成熟度進行評價。管理部門制定放行準則，視成熟度評價結果決定進行模型迭代或者放行至下一環節。

3 機械產品平臺化研發模式的軟件實現

本文搭建的機械產品先進設計系統基于PTC公司creo和Windchill系統，以技術模版為依托，以通用化結構參數表單為手段，通過參數映射的形式實現對不同產品模版的調用和對結構化任務書的讀取，從而構建機械產品CBB平臺，實現機械產品的可配置設計和變型設計，實現快速裝配，實現對CBB數據的快速查詢和比對，自動生成產品的結構化文檔。CBB平臺基于B/S（Browser/Server） 架構，支持基于互聯網通過IE瀏覽器驅動服務器端進行產品設計的研發模式，以便于遠程協同設計，并可通過云端進行軟件部署及設計資源配置。

3.1 拖車產品平臺

以典型機械產品拖車為實例，介紹拖車平臺的構建方法。

3.1.1 拖車產品平臺構建依據

拖車是一種用于短距離轉移筒彈、導彈，或筒彈停放架的裝備。其主要承載結構為車架，根據其承載的不同將車架形式劃分為斜梁式車架、橫梁式車架、縱梁式車架，如圖2所示。基于此平臺，可以衍生出筒彈拖車、導彈拖車、停放架拖車，以適應不同用戶的技術陣地需求。

圖2 拖車平臺

3.1.2 拖車產品CBB資源庫建立

建立拖車CBB模塊庫，拖車的CBB模塊包括18種標準模塊、18種參數化模塊，但無定制模塊，部分主要模塊劃分見表2。

表2 拖車CBB模塊 （部分）

3.1.3 拖車產品的設計實例

首先，打開機械產品參數化設計軟件，以本地用戶身份登錄。選擇圖2中所示的斜梁式車架形式。其次，對斜梁形式的拖車進行詳細設計，填寫相應的設計參數，填寫界面如圖3所示。然后，進行材料屬性、要號、仿真等一些列設計后，最終生成斜梁式拖車的三維模型、二維工程圖及結構化文檔，拖車設計結果如圖4所示。

圖3 拖車詳細設計

圖4 拖車設計結果

3.2 拖車技術平臺

根據拖車的功能要求、直接與拖車的功能性能相關的技術需求開展拖車技術樹的構建，見文后附圖。其中第一層為拖車的功能要求；第二層為直接影響拖車功能性能指標的技術要求；第三層和第四層為第二層技術實現的細分技術要求。

本文基于我單位在產品平臺化研發模式研究的成果，建立了針對機械類產品特點的平臺化構建方法，提出了機械產品CBB模塊的劃分準則、形成了機械產品CBB的管理方法和成熟度評價準則。以我單位典型機械產品拖車為例，論述了其產品平臺和技術平臺的構建方法，并劃分出CBB模塊。

本研究對于機械產品平臺化構建方法和CBB資源庫的建立進行了創新性研究，平臺化研發模式必將成為航天企業轉型升級、提升產品質量的必然趨勢。