鄧云飛等

摘 要：研究了基于協(xié)同的全三維關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)，探索了在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中采用基于三維模型的定義（MBD）進行全面的定義，基于骨架模型自頂向下進行數(shù)據(jù)鏈傳遞流程等，實現(xiàn)產(chǎn)品實時協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計，從而達到提高研制效率，確保研制質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品研制；關(guān)聯(lián)設(shè)計；協(xié)同設(shè)計

引言

面對現(xiàn)代制造業(yè)高質(zhì)量、高效率的研制需求，采用先進的計算機設(shè)計技術(shù)，提高研制質(zhì)量和研制效率非常必要。目前，在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計過程中，一方面仍然采用三維數(shù)模加二維圖紙的設(shè)計模式，既不能保證設(shè)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，又增加了設(shè)計更改的工作量[1]；另一方面，上游總體和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和制造部門不能做到并行設(shè)計，降低了設(shè)計效率。協(xié)同研制模式要求設(shè)計人員從方案階段就考慮到全生命周期內(nèi)因素，并強調(diào)各專業(yè)間的協(xié)同工作，使后續(xù)可能出現(xiàn)的問題在設(shè)計的早期階段就被發(fā)現(xiàn)，并得到解決，最大限度地減少設(shè)計反復(fù)，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造時間[2]。國際領(lǐng)先的產(chǎn)品創(chuàng)新團隊波音787采用基于協(xié)同的關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品的全球協(xié)同研制，取得了令人矚目的成就。研究全三維關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)，通過先進的信息化設(shè)計手段確保數(shù)據(jù)傳遞的鏈接狀態(tài)正確，對提高產(chǎn)品研制效率和質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 關(guān)聯(lián)設(shè)計的內(nèi)涵

傳統(tǒng)的設(shè)計模式下，三維模型設(shè)計需要二維圖紙的輔助，不能直接使用產(chǎn)品的三維模型表達所有設(shè)計、制造等信息。同時，由于缺乏有效地關(guān)聯(lián)設(shè)計規(guī)范體系和數(shù)字化平臺，不能實現(xiàn)零組件之間的關(guān)聯(lián)、自動更新以及制造材料清單的自動生成等，一定程度上制約了設(shè)計效率的提高。

關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)是以實現(xiàn)產(chǎn)品面向制造的三維數(shù)字樣機需求為牽引，運用集成產(chǎn)品開發(fā)團隊（IPT）模式，以設(shè)計資源和知識工程庫為基礎(chǔ)，以構(gòu)建數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺環(huán)境為核心，固化應(yīng)用三維協(xié)同設(shè)計和精益管理流程，實現(xiàn)基于模型的設(shè)計（MBD）[3]數(shù)據(jù)及其上下文關(guān)系實現(xiàn)設(shè)計與工藝應(yīng)用數(shù)據(jù)傳遞，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計流程、并行協(xié)同數(shù)據(jù)預(yù)發(fā)放流程、數(shù)據(jù)狀態(tài)控制流程及方法等流程體系制定和優(yōu)化。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)資源設(shè)計技術(shù)

產(chǎn)品系統(tǒng)組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、儀器、電纜、管路安裝設(shè)計工作量極大，需要調(diào)用大量的材料、設(shè)備成品件、電接插件、安裝支座、緊固件等基礎(chǔ)資源?；诳申P(guān)聯(lián)驅(qū)動的基礎(chǔ)資源庫技術(shù)的應(yīng)用作為提高設(shè)計效率的重要手段，可將重復(fù)建模、重復(fù)建材料的工作大幅度降低，實現(xiàn)資源有效共享和快速設(shè)計。

資源庫包括緊固件庫、模型庫、技術(shù)文件、設(shè)計模板等多個方面。資源庫的主要研究內(nèi)容包括頂層規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)建、參數(shù)化建模等。工作流程包括了從技術(shù)文件準(zhǔn)備，到具體模型的種類、材料屬性、規(guī)格，再到建模的規(guī)則等，涵蓋了可滿足工程需求的各個方面信息。

在具體資源庫設(shè)計過程中，應(yīng)采用參數(shù)化建模的方法，該方法具有建模過程簡易，支持關(guān)聯(lián)設(shè)計，便于維護使用?；具^程包括：模型幾何創(chuàng)建、設(shè)計參數(shù)、關(guān)聯(lián)驅(qū)動、編輯設(shè)計表、定義屬性、系列演化、入庫、控制。資源庫設(shè)計技術(shù)可提高三維設(shè)計的效率，同時也是建設(shè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺的基礎(chǔ)支撐，對于縮短型號的研制周期將起到極大地促進作用。

2.2 關(guān)聯(lián)設(shè)計平臺研究

全三維關(guān)聯(lián)設(shè)計平臺是實現(xiàn)多專業(yè)、多系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計的載體，目的是實現(xiàn)信息流在研制過程中的快速流動，并對信息技術(shù)狀態(tài)進行有效控制。關(guān)聯(lián)設(shè)計平臺的主要難點是解決設(shè)計上下游信息的標(biāo)準(zhǔn)化控制、自動關(guān)聯(lián)傳播、自動化驅(qū)動問題。

實現(xiàn)三維關(guān)聯(lián)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化控制，一方面需要依靠全面系統(tǒng)的基于知識工程的設(shè)計資源庫，利用規(guī)范體系保障協(xié)同設(shè)計操作的正確性；另一方面，需要借助一系列軟硬件環(huán)境，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與軟件進行集成二次開發(fā)，實現(xiàn)規(guī)范固化并提高設(shè)計效率。

實現(xiàn)設(shè)計信息的自動關(guān)聯(lián)傳播，核心是對協(xié)同設(shè)計平臺進行合理的系統(tǒng)配置。設(shè)計人員在3D的環(huán)境中進行基于定制開發(fā)環(huán)境的上下文關(guān)聯(lián)設(shè)計。在上下游相關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)之間或并行設(shè)計的數(shù)據(jù)之間建立信息關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)更改（尺寸、外形等）的自動傳播，從而實現(xiàn)設(shè)計更新的自動化、縮短設(shè)計周期并提高設(shè)計的正確性。

實現(xiàn)設(shè)計自動化驅(qū)動，關(guān)鍵需要在復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)過程中，建立合理的自頂向下設(shè)計規(guī)則。在協(xié)同設(shè)計環(huán)境中，上游設(shè)計中的特征（如參數(shù)、幾何特征等）都可以通過發(fā)布（Publication）功能實現(xiàn)共享，供下游設(shè)計過程使用。當(dāng)發(fā)布的參數(shù)或特征發(fā)生變化時，下游的設(shè)計可以自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。采用Top-Down設(shè)計方法，在多人參與的某一產(chǎn)品設(shè)計階段，將每個設(shè)計人員需參考的特征搭建在一個骨架模型（Skeleton）中，加以特征發(fā)布處理（Publication）。這樣，其他設(shè)計人員可以方便地調(diào)用共享特征進行并行的局部設(shè)計，在設(shè)計進行到一定階段后，通過產(chǎn)品裝配或零件布爾運算等方法實現(xiàn)設(shè)計整合。當(dāng)骨架模型的參數(shù)或特征發(fā)生變化時，所有并行的局部設(shè)計都可以實現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計更新，如圖2所示。

2.3 基于集成產(chǎn)品關(guān)聯(lián)設(shè)計流程

全三維關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在型號中的應(yīng)用，實現(xiàn)了跨系統(tǒng)、跨單位協(xié)同的關(guān)聯(lián)設(shè)計，使上游結(jié)構(gòu)的更改可以實時地傳遞到下游系統(tǒng)中，通過更新快速完成系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的同步，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)始終處于最新狀態(tài)，整個研制團隊中設(shè)計、工藝、物流、管理等職能部門都可以圍繞一個統(tǒng)一的模型進行定義和審查，消除了傳統(tǒng)串行流程中的工作反復(fù)迭代的浪費。關(guān)聯(lián)設(shè)計流程研究為其中一項關(guān)鍵技術(shù)，基本流程一般包括以下幾個方面。

2.3.1 建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是指在數(shù)字化平臺上，根據(jù)產(chǎn)品圖號分配表為基礎(chǔ)建立的零組件父子級關(guān)系。通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上不同組件劃分工作包并利用數(shù)字化平臺進行權(quán)限分配和流程定制，可以將工作包分配給相應(yīng)的IPT微團隊進行設(shè)計，并便于不同工作組成員快速定位和查找。

2.3.2 建立主骨架模型

根據(jù)前期產(chǎn)品方案初步論證的結(jié)果，總體設(shè)計部門在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上的特定位置建立主骨架模型，如產(chǎn)品理論外形、框梁站位平面、接口協(xié)調(diào)軸線等作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的頂層幾何基準(zhǔn)。

2.3.3 發(fā)布

發(fā)布是關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)中一項特征性概念。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，總體設(shè)計人員將骨架模型中的一些后續(xù)進行產(chǎn)品設(shè)計需要參考的基準(zhǔn)信息進行發(fā)布。只有發(fā)布后的元素才可以被下游人員引用作為外部參考，發(fā)布的元素后續(xù)若更新，與之關(guān)聯(lián)的零件可自動更新。另外，發(fā)布的元素不能刪除，以防止出現(xiàn)不可恢復(fù)的錯誤。

2.3.4 建立局部骨架模型

由于總體骨架模型綜合考慮了不同系統(tǒng)的全面幾何信息，對于不同工作包的設(shè)計IPT（比如后艙結(jié)構(gòu)設(shè)計IPT）來說，過多的信息讀取困難，也無必要。因此工作包的負責(zé)人可以以總體骨架模型為基準(zhǔn)，創(chuàng)新一個局部骨架，只包含該工作包的基準(zhǔn)信息，供工作包內(nèi)部的設(shè)計員使用，局部骨架中的有效元素也需要發(fā)布。

2.3.5 自頂向下進行關(guān)聯(lián)設(shè)計

骨架模型完成設(shè)計和發(fā)布后，各工作包的設(shè)計人員設(shè)計零件時一般應(yīng)根據(jù)骨架模型進行設(shè)計，見圖3，而不能脫離骨架模型進行孤立設(shè)計再裝配到產(chǎn)品中去。例如，某產(chǎn)品機身第5框設(shè)計時，5框的框腹板平面應(yīng)有骨架模型中5框站位平面決定；5框外緣條應(yīng)由5框處產(chǎn)品氣動外形面決定，因此，5框的三維模型至少與骨架模型中2個元素相關(guān)聯(lián)，后續(xù)一旦總體對5框站位或者5框附近氣動外形調(diào)整更改，5框三維模型將自動同步更新，如圖4所示，保障滿足總體要求。而如果孤立按照二維設(shè)計的思想，用尺寸設(shè)計的理念完成了5框的模型設(shè)計，再將5框裝配到某個位置，則無關(guān)聯(lián)設(shè)計關(guān)系，將存在很大不協(xié)調(diào)隱患。

2.3.6 模型下廠發(fā)放

三維模型下廠技術(shù)狀態(tài)控制為制造業(yè)公認的難題，為了實現(xiàn)設(shè)計模型下廠發(fā)放版本有效管理，應(yīng)對每個三維模型設(shè)計“三維模型數(shù)據(jù)發(fā)放通知單”隨三維模型一同發(fā)放，該通知單上注明模型的零件號，名稱，版次，另外按照企業(yè)質(zhì)量管理規(guī)范進行簽字確認，一般零件的發(fā)放通知單上應(yīng)由設(shè)計員提出，經(jīng)過設(shè)計組長校對，設(shè)計主任審核，制造部門會簽，標(biāo)準(zhǔn)化部門審查，項目技術(shù)負責(zé)人批準(zhǔn)后交給構(gòu)型管理人員發(fā)放。

2.3.7 設(shè)計變更和構(gòu)型管理

三維模型下廠后，如需要對設(shè)計信息進行變更，則需要進行模型升版，需要發(fā)放新的“三維模型數(shù)據(jù)發(fā)放通知單”，通知單上注明概括性的變更內(nèi)容，具體的變更信息應(yīng)在模型中定義。構(gòu)型管理人員對設(shè)計基線和變更情況進行匯總和管理并與制造部門保持實時協(xié)調(diào)，確保設(shè)計更改閉環(huán)。

3 結(jié)束語

全三維關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)品設(shè)計徹底擺脫了繪制二維工程圖或者二維圖、三維模型結(jié)合使用，導(dǎo)致反復(fù)更改引起的繁瑣勞動。三維關(guān)聯(lián)設(shè)計將三維模型作為唯一數(shù)據(jù)源，極大地節(jié)約了設(shè)計成本、提高了設(shè)計效率。通過在產(chǎn)品設(shè)計中的深入應(yīng)用，可以得出：全三維關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)可極大提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量和效率，對于推動制造業(yè)的數(shù)字化應(yīng)用水平具有重要意義。

參考文獻

[1]劉俊堂，劉看旺.關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在飛機研制中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2008（14）：45-47.

[2]劉雅星.飛機并行協(xié)同研制模式與支撐技術(shù)探索[J].航空制造技術(shù)，2010（18）：77-80

[3]ASME. Dimensioning and tolerancing，engineering drawings and related documentation practices[S].Y14.5. [S.l.]：ASME Press，2009.

作者簡介：鄧云飛（1983-），男，工程師，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)機構(gòu)總體設(shè)計。