数字化样机技术在柴油机设计中的实践

随着国内企业技术水平的不断提高，可视化、高效、直观形象的三维CAD系统已越来越多地被推广和应用，其便捷高效的快速变形设计使企业能够最大限度地缩短产品前置时间，减少设计失误，从而提高市场竞争力。就目前的企业应用情况来说，尚存在很多问题，其根本原因是缺少数据积累，未建立起基于三维CAD的设计体系，对此，笔者认为，实施数字化样机项目是解决这一焦点问题的有效措施。

数字化样机的功能

数字化样机又被称为“机械系统动态仿真技术”——工程师利用三维CAD进行实体建模，形成样机模型，然后对模型进行各种动态性能分析，改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机试验。

数字化样机完成的功能包括：基于工程的参数化三维零部件模型；零部件干涉检查，以最大限度地避免样机制造过程中返工；机构的运动仿真分析；模拟真实场景的零部件有限元分析、动力学分析、运动力学分析、模拟各种各样作用力分析；作为CAM/PDM/ERP的前端数据源。

由此可见，运用数字化样机可以减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优化的创新产品设计。

 
在三维环境中的柴油机装配效果

数字化样机项目的实施步骤

随着业务的迅速发展，我公司在设计开发方面面临很多实际问题，如人员专业水平不够、缺乏数据积累、开发体系不系统等，为了彻底解决这些问题，我公司实施了基于PDM系统的数字化样机项目。

1、技术准备

我公司PDM项目于2005年1月成功上线，在此基础上，我们确立了以产品B3012样机的零部件为主要三维设计模型的数字化样机项目，组织以内燃所所长为项目经理的项目团队，由山大华天软件公司的技术人员进驻企业，提供相应的技术服务。

2、操作过程及开发结果的严格管理

该项目完全按照“Project”的管理规定，从立项到总结都有严格的操作规范。这样对项目的操作过程和结果都有了明确的管理和有权威性的成果。

3、建立基于三维CAD的BOM结构体系

我公司建立了以产品B3012样机所有零部件的三维CAD模型及各级装配体为中心的设计研发项目，形成了基于三维CAD的BOM结构体系，使三维模型参数化、模块化。

（1）开发体系

项目中的产品开发流程继承了原有的设计开发体系，结合我公司现有的产品开发软硬件总结出来，做到产品数据管理统一化、产品设计过程无纸化和自动化，做到了产品设计的可追溯性，实现了自动化办公，并且所有数据均在统一的数据库中管理和保存，做到了数据的统一管理，可控可查；本开发体系中的流程传递均在Project与PDM中实现自动传递，并可在系统中查看各项目进度情况，实现流程的可视化控制。这样形成的开发体系，降低了人为传递失误，CAD/CAM系统也大大提高设计人员的设计效率，CAE系统则大大降低了设计过程中的失误。

（2）Top-down设计方法

在我公司的各个研发项目中，都特别注重团队协调一致的工作，在此数字化样机项目中，我们利用UG NX的虚拟装配技术完成了新产品柴油机的设计。在设计过程中，我们以Top-down设计方法为主线，适当结合Bottom-up设计方法，从整体到局部来完成整个设计过程。

（3）产品三维设计与质量管理

质量体系是为实现质量管理的组织结构、职责、程序、过程和资源组成的互相联系、互相协调的有机整体，质量手册、质量体系程序和支持性文件是组成ISO9000质量体系的三个层次文件。我公司数字化样机项目根据UG NX设计应用的质量管理规定，完成的工作有主要有：设计准备、设计策划、产品设计、数据集检查、设计验证、设计文件审签、设计更改、设计评审和设计定型。

4、企业三维CAD相关应用人员的针对性系统培训

该项目的实施不仅完成了B3012产品的全部设计及总结任务，更重要的是有一大批设计人员在整个项目中得到了有针对性的系统培训：

□ 基础培训：在项目启动初期进行全体设计人员的三维基础建模培训；

□ 有针对性的培训：在项目运作过程中对项目团队中的设计人员、工艺人员、标准化人员进行有针对性的培训，并随时关注他们在三维应用中遇到的问题，随时答疑、随时解决；

□ 高级培训：在项目即将结束时对全体设计人员进行三维软件的应用的高级培训，并进行考试，其中有二十几名工程师通过了UG设计师的任职资格认证。

质量管理

以上步骤中，质量管理是我们的核心工作之一，在此做详细阐述。

PDM中的标准件库

1、 设计准备

设计准备阶段是UG NX设计应用的基础，也是UG NX设计应用质量管理的起始点和关键环节。

□ 资格认证：山大华天的技术人员在项目启动以及项目结束时都对本企业技术人员进行了初/高级的培训，并进行了考试。

□ 系统管理：设置系统管理员岗位，统一负责UG NX系统数据的管理与维护的工作。

□ 设计规范：严格按照UG NX设计应用规范，对建模、装配、制图、数据检查、审批、更改等内容进行产品的三维设计，并将规范单独成文，放在PDM系统平台上，供设计人员随时参阅。

□ 其他相关规范：螺纹数据文件、标准件库、材料库等都建立基于统一的UG NX标准库。在这项工作中，我公司标准技术部的人员会同山大华天技术人员，将本企业常用的标准件、材料库、螺纹数据文件的三维图形以及其他属性都维护到标准件库中，以便在详细设计中直接使用，有利于数据的协调一致和有效管理。

2、 设计策划

该项目的三维设计策划工作所完成任务较二维设计所要新涉及的内容有：

□ 组织结构：项目组在TCEng环境下预先设定产品结构树，确定项目团队的所有人员角色和权限，保证在项目运作中团队工作的协调一致。

□ 设计思路和方法：针对具体产品——B3012数字化样机，我们确定了产品的设计思路和方法。

□ 明确主模型的原理和方法：该项目的所有的部件文件都按照UG NX主模型原理进行创建，支持了产品不同设计阶段的人员使用不同的应用来共享相同的模型，这种主模型原理有效地保证了数据表达方式的一致性，大大减少了数据冗余。

□ 确定需验证的内容：项目中的几何公差分析、装配间隙和干涉检查、运动机构分析仿真、结构分析、数据分析和检查等工作，在设计策划时规定都在UG NX中进行。

3、 产品设计

项目中不同设计阶段的三维设计要求都有所区别。例如在该项目的详细设计阶段中，项目组人员遵循的一般原则和方法是：

□ 模型质量的基本要求：正确性、相关性、一致性、可编辑性、可靠性。

□ 实体建模的质量管理：实体建模的内容和方法必须与设计不同阶段的设计目标相一致；实体建模必须按照建模规范进行；实体建模必须按照建模步骤进行；实体建模必须按照参数化原则建模，禁止使用非参数化的命令，保证模型的可编辑性；运用UG NX相关参数化设计的功能和技巧，正确反映产品几何结构和尺寸的内在关系，实现设计意图的相关性；用尽可能少的文件数据特征来达到表现模型的目的。

□ 装配建模的质量管理：严格采用UG NX提供的自顶向下设计装配方法；重视部件名和装配加载路径的管理，防止文件名和加载路径出现混乱或错误；进行严格的组件版本管理和技术状态管理，保证装配所引用的模型数据的唯一性和一致性；根据产品的技术特点选择使用引用集，对引用集的创建、修改、检查、使用、置换等都应有明确的规定。

□ 装配规则原则：按实际的安装顺序进行装配；在主装配中使用“绝对定位”的方法装配子装配件；在子装配中使用配对条件进行装配；避免在不同子装配中使用部件间的交叉约束。

□ 制图的质量管理：严格按主模型原理进行制图工作，制图数据（包括组件图、装配图）与三维模型分别存放在不同的文件中；注重三维实体模型注重制图的关联性，如视图与模型的关联、尺寸与视图的关联、注释与图样或视图的关联。

4、数据集检查

数据集检查的内容主要包括：系统参数检查、通用数据检查、实体模型检查、装配模型检查、制图检查。

在本项目的产品设计模型中，数据检查的方法有自动批处理检查、手工交互检查。自动批处理检查指使用UG NX开发工具编制相应检查程序进行UG NX/CAD模型检查，例如使用UG NX Check Mate 检查一致性。手工交互检查指在UG/CAD环境下，采用交互方式按要求对UG NX/CAD模型进行检查。

5、设计验证

利用UG NX为产品设计提供的功能较完善的设计验证工具，例如分析、简单干涉、装配间隙、公差分析、机构运动及动力学分析、结构分析等功能，进行产品的可靠性设计验证。

设计验证的结果产生设计报告，经审签后归档，作为批准、发放设计数据文件的依据，也为设计评审和设计确认提供信息。

6、设计文件审签

文件审签是质量管理的一个重点。为了与三维设计相适应，我公司在PDM中已经实现了把原来以二维图纸为中心的人工更改管理方式转变为以三维模型为中心的电子文档审签的管理。当然，如果大型产品的电子文档审签和更改不方便时，也可先进行纸质设计文件的审签，再进行电子文档审签、更改的管理。

7、设计更改

□ 更改贯彻主模型原理和方法:确保零件实体模型是制图、装配的唯一数据源；有关更改对象的所有不同介质的文件、文档应同时更改，并保持一致；下级零组件的更改应与上级组件进行协调。

□ 更改流程：设计更改方案的评审、验证；填写设计更改单（更改单的内容要以数据模型要素的更改为主线，协调与装配、制图及其他文档之间的相互关系，进行相应更改）；审批更改单；进行设计更改（先模型，再装配、制图、其他文档）；设计更改文件审批；归档；实施更改。

□ 版本管理：我公司的PDM平台已经实现了对版本进行定义并很容易进行有效的管理，保证了设计更改的一致性、完整性和协调性。

8、设计评审

在该项目的产品设计的不同阶段，设计文件的构成有不同的要求。例如在初样研制（技术设计）时只需要创建产品总体模型和主要零部件模型或图纸，而在试样研制（详细设计）时则要包含零件模型数据文件、装配模型数据文件、二维制图数据文件等全套设计数据文件。对设计数据文件的质量要求在各个设计阶段评审时都是相同的，即：数据的正确性；设计的相关性和一致性； 模型的可编辑性；数据的可靠性；设计数据的完整性。

9、设计定型

这是新产品研制设计任务基本结束的标志。设计定型完成后，产品研制就进入试生产阶段。在完成产品设计任务时，需上交两份文档资料：一份是产品设计总结，该报告提供对产品设计过程基本情况描述、全套设计数据文件概况描述、设计验证、机构运动及动力学分析、结构分析及其他（如数字样机仿真等内容）、产品设计数据模型在制造过程的使用情况等；另一份是设计定型审查报告，该报告对产品设计全套设计数据文件进行审查并得出结论。

实施效果

1、初步形成了完整的基于三维CAD的设计体系

在本项目的运作过程中，山大华天的技术人员针对本企业的产品特点，在三维环境中直接进行产品的实际开发，带动了企业项目人员完成三维建模及产品设计，这种针对实际应用、针对项目团队研发人员的技术服务有力地推进了本企业三维设计的水平以及设计规范的统一。

通过数字化样机项目的成功实施，我公司不仅完成了产品B3012样机的所有零部件的三维CAD模型及各级装配体的设计等各项开发任务，更重要的是帮助企业完成了完整的基于三维CAD的设计体系，为下一步三维设计工作的开展打下了坚实的基础；

2、企业具备了必要的三维数据积累

本项目中形成的所有的三维设计的数据库、标准件库、典型结构库等成果全部由成功上线的PDM平台进行统一分类管理，使企业的三维设计具备了必要的数据积累，使下一步的三维设计工作更加方便、准确、快捷。

3、三维CAD相关应用人员得到了有针对性的系统培训

数字化样机项目成功实施后，很快使我公司的一大批三维设计、工艺、标准化技术人员成长起来，为企业的产品创新准备好了人才力量。

结论

我们所实施的数字化样机项目继承了公司现行的开发体系，结合上线的PDM数据管理系统、CAPP工艺管理系统、NX CAD/CAM系统，力争做到统一结合，一个新的技术先进的三维设计体系基本建立。经过后续设计开发中的磨合和总结，这个设计开发体系已经成功运行。该体系是我们对高集成环境下的数字化产品设计体系的探索，大幅度地提高了产品研发的水平，并取得了显著的经济效益。