隨著國內企業技術水平的不斷提高，可視化、高效、直觀形象的三維CAD系統已越來越多地被推廣和應用，其便捷高效的快速變形設計使企業能夠最大限度地縮短產品前置時間，減少設計失誤，從而提高市場競爭力。就目前的企業應用情況來說，尚存在很多問題，其根本原因是缺少數據積累，未建立起基于三維CAD的設計體系，對此，筆者認為，實施數字化樣機項目是解決這一焦點問題的有效措施。

數字化樣機的功能

數字化樣機又被稱為“機械系統動態仿真技術”——工程師利用三維CAD進行實體建模，形成樣機模型，然后對模型進行各種動態性能分析，改進樣機設計方案，用數字化形式代替傳統的實物樣機試驗。

數字化樣機完成的功能包括：基于工程的參數化三維零部件模型；零部件干涉檢查，以最大限度地避免樣機制造過程中返工；機構的運動仿真分析；模擬真實場景的零部件有限元分析、動力學分析、運動力學分析、模擬各種各樣作用力分析；作為CAM/PDM/ERP的前端數據源。

由此可見，運用數字化樣機可以減少產品開發費用和成本，明顯提高產品質量，提高產品的系統及性能，獲得最優化的創新產品設計。

 
在三維環境中的柴油機裝配效果

數字化樣機項目的實施步驟

隨著業務的迅速發展，我公司在設計開發方面面臨很多實際問題，如人員專業水平不夠、缺乏數據積累、開發體系不系統等，為了徹底解決這些問題，我公司實施了基于PDM系統的數字化樣機項目。

1、技術準備

我公司PDM項目于2005年1月成功上線，在此基礎上，我們確立了以產品B3012樣機的零部件為主要三維設計模型的數字化樣機項目，組織以內燃所所長為項目經理的項目團隊，由山大華天軟件公司的技術人員進駐企業，提供相應的技術服務。

2、操作過程及開發結果的嚴格管理

該項目完全按照“Project”的管理規定，從立項到總結都有嚴格的操作規范。這樣對項目的操作過程和結果都有了明確的管理和有權威性的成果。

3、建立基于三維CAD的BOM結構體系

我公司建立了以產品B3012樣機所有零部件的三維CAD模型及各級裝配體為中心的設計研發項目，形成了基于三維CAD的BOM結構體系，使三維模型參數化、模塊化。

（1）開發體系

項目中的產品開發流程繼承了原有的設計開發體系，結合我公司現有的產品開發軟硬件總結出來，做到產品數據管理統一化、產品設計過程無紙化和自動化，做到了產品設計的可追溯性，實現了自動化辦公，并且所有數據均在統一的數據庫中管理和保存，做到了數據的統一管理，可控可查；本開發體系中的流程傳遞均在Project與PDM中實現自動傳遞，并可在系統中查看各項目進度情況，實現流程的可視化控制。這樣形成的開發體系，降低了人為傳遞失誤，CAD/CAM系統也大大提高設計人員的設計效率，CAE系統則大大降低了設計過程中的失誤。

（2）Top-down設計方法

在我公司的各個研發項目中，都特別注重團隊協調一致的工作，在此數字化樣機項目中，我們利用UG NX的虛擬裝配技術完成了新產品柴油機的設計。在設計過程中，我們以Top-down設計方法為主線，適當結合Bottom-up設計方法，從整體到局部來完成整個設計過程。

（3）產品三維設計與質量管理

質量體系是為實現質量管理的組織結構、職責、程序、過程和資源組成的互相聯系、互相協調的有機整體，質量手冊、質量體系程序和支持性文件是組成ISO9000質量體系的三個層次文件。我公司數字化樣機項目根據UG NX設計應用的質量管理規定，完成的工作有主要有：設計準備、設計策劃、產品設計、數據集檢查、設計驗證、設計文件審簽、設計更改、設計評審和設計定型。

4、企業三維CAD相關應用人員的針對性系統培訓

該項目的實施不僅完成了B3012產品的全部設計及總結任務，更重要的是有一大批設計人員在整個項目中得到了有針對性的系統培訓：

□ 基礎培訓：在項目啟動初期進行全體設計人員的三維基礎建模培訓；

□ 有針對性的培訓：在項目運作過程中對項目團隊中的設計人員、工藝人員、標準化人員進行有針對性的培訓，并隨時關注他們在三維應用中遇到的問題，隨時答疑、隨時解決；

□ 高級培訓：在項目即將結束時對全體設計人員進行三維軟件的應用的高級培訓，并進行考試，其中有二十幾名工程師通過了UG設計師的任職資格認證。

質量管理

以上步驟中，質量管理是我們的核心工作之一，在此做詳細闡述。

PDM中的標準件庫

1、 設計準備

設計準備階段是UG NX設計應用的基礎，也是UG NX設計應用質量管理的起始點和關鍵環節。

□ 資格認證：山大華天的技術人員在項目啟動以及項目結束時都對本企業技術人員進行了初/高級的培訓，并進行了考試。

□ 系統管理：設置系統管理員崗位，統一負責UG NX系統數據的管理與維護的工作。

□ 設計規范：嚴格按照UG NX設計應用規范，對建模、裝配、制圖、數據檢查、審批、更改等內容進行產品的三維設計，并將規范單獨成文，放在PDM系統平臺上，供設計人員隨時參閱。

□ 其他相關規范：螺紋數據文件、標準件庫、材料庫等都建立基于統一的UG NX標準庫。在這項工作中，我公司標準技術部的人員會同山大華天技術人員，將本企業常用的標準件、材料庫、螺紋數據文件的三維圖形以及其他屬性都維護到標準件庫中，以便在詳細設計中直接使用，有利于數據的協調一致和有效管理。

2、 設計策劃

該項目的三維設計策劃工作所完成任務較二維設計所要新涉及的內容有：

□ 組織結構：項目組在TCEng環境下預先設定產品結構樹，確定項目團隊的所有人員角色和權限，保證在項目運作中團隊工作的協調一致。

□ 設計思路和方法：針對具體產品——B3012數字化樣機，我們確定了產品的設計思路和方法。

□ 明確主模型的原理和方法：該項目的所有的部件文件都按照UG NX主模型原理進行創建，支持了產品不同設計階段的人員使用不同的應用來共享相同的模型，這種主模型原理有效地保證了數據表達方式的一致性，大大減少了數據冗余。

□ 確定需驗證的內容：項目中的幾何公差分析、裝配間隙和干涉檢查、運動機構分析仿真、結構分析、數據分析和檢查等工作，在設計策劃時規定都在UG NX中進行。

3、 產品設計

項目中不同設計階段的三維設計要求都有所區別。例如在該項目的詳細設計階段中，項目組人員遵循的一般原則和方法是：

□ 模型質量的基本要求：正確性、相關性、一致性、可編輯性、可靠性。

□ 實體建模的質量管理：實體建模的內容和方法必須與設計不同階段的設計目標相一致；實體建模必須按照建模規范進行；實體建模必須按照建模步驟進行；實體建模必須按照參數化原則建模，禁止使用非參數化的命令，保證模型的可編輯性；運用UG NX相關參數化設計的功能和技巧，正確反映產品幾何結構和尺寸的內在關系，實現設計意圖的相關性；用盡可能少的文件數據特征來達到表現模型的目的。

□ 裝配建模的質量管理：嚴格采用UG NX提供的自頂向下設計裝配方法；重視部件名和裝配加載路徑的管理，防止文件名和加載路徑出現混亂或錯誤；進行嚴格的組件版本管理和技術狀態管理，保證裝配所引用的模型數據的唯一性和一致性；根據產品的技術特點選擇使用引用集，對引用集的創建、修改、檢查、使用、置換等都應有明確的規定。

□ 裝配規則原則：按實際的安裝順序進行裝配；在主裝配中使用“絕對定位”的方法裝配子裝配件；在子裝配中使用配對條件進行裝配；避免在不同子裝配中使用部件間的交叉約束。

□ 制圖的質量管理：嚴格按主模型原理進行制圖工作，制圖數據（包括組件圖、裝配圖）與三維模型分別存放在不同的文件中；注重三維實體模型注重制圖的關聯性，如視圖與模型的關聯、尺寸與視圖的關聯、注釋與圖樣或視圖的關聯。

4、數據集檢查

數據集檢查的內容主要包括：系統參數檢查、通用數據檢查、實體模型檢查、裝配模型檢查、制圖檢查。

在本項目的產品設計模型中，數據檢查的方法有自動批處理檢查、手工交互檢查。自動批處理檢查指使用UG NX開發工具編制相應檢查程序進行UG NX/CAD模型檢查，例如使用UG NX Check Mate 檢查一致性。手工交互檢查指在UG/CAD環境下，采用交互方式按要求對UG NX/CAD模型進行檢查。

5、設計驗證

利用UG NX為產品設計提供的功能較完善的設計驗證工具，例如分析、簡單干涉、裝配間隙、公差分析、機構運動及動力學分析、結構分析等功能，進行產品的可靠性設計驗證。

設計驗證的結果產生設計報告，經審簽后歸檔，作為批準、發放設計數據文件的依據，也為設計評審和設計確認提供信息。

6、設計文件審簽

文件審簽是質量管理的一個重點。為了與三維設計相適應，我公司在PDM中已經實現了把原來以二維圖紙為中心的人工更改管理方式轉變為以三維模型為中心的電子文檔審簽的管理。當然，如果大型產品的電子文檔審簽和更改不方便時，也可先進行紙質設計文件的審簽，再進行電子文檔審簽、更改的管理。

7、設計更改

□ 更改貫徹主模型原理和方法:確保零件實體模型是制圖、裝配的唯一數據源；有關更改對象的所有不同介質的文件、文檔應同時更改，并保持一致；下級零組件的更改應與上級組件進行協調。

□ 更改流程：設計更改方案的評審、驗證；填寫設計更改單（更改單的內容要以數據模型要素的更改為主線，協調與裝配、制圖及其他文檔之間的相互關系，進行相應更改）；審批更改單；進行設計更改（先模型，再裝配、制圖、其他文檔）；設計更改文件審批；歸檔；實施更改。

□ 版本管理：我公司的PDM平臺已經實現了對版本進行定義并很容易進行有效的管理，保證了設計更改的一致性、完整性和協調性。

8、設計評審

在該項目的產品設計的不同階段，設計文件的構成有不同的要求。例如在初樣研制（技術設計）時只需要創建產品總體模型和主要零部件模型或圖紙，而在試樣研制（詳細設計）時則要包含零件模型數據文件、裝配模型數據文件、二維制圖數據文件等全套設計數據文件。對設計數據文件的質量要求在各個設計階段評審時都是相同的，即：數據的正確性；設計的相關性和一致性； 模型的可編輯性；數據的可靠性；設計數據的完整性。

9、設計定型

這是新產品研制設計任務基本結束的標志。設計定型完成后，產品研制就進入試生產階段。在完成產品設計任務時，需上交兩份文檔資料：一份是產品設計總結，該報告提供對產品設計過程基本情況描述、全套設計數據文件概況描述、設計驗證、機構運動及動力學分析、結構分析及其他（如數字樣機仿真等內容）、產品設計數據模型在制造過程的使用情況等；另一份是設計定型審查報告，該報告對產品設計全套設計數據文件進行審查并得出結論。

實施效果

1、初步形成了完整的基于三維CAD的設計體系

在本項目的運作過程中，山大華天的技術人員針對本企業的產品特點，在三維環境中直接進行產品的實際開發，帶動了企業項目人員完成三維建模及產品設計，這種針對實際應用、針對項目團隊研發人員的技術服務有力地推進了本企業三維設計的水平以及設計規范的統一。

通過數字化樣機項目的成功實施，我公司不僅完成了產品B3012樣機的所有零部件的三維CAD模型及各級裝配體的設計等各項開發任務，更重要的是幫助企業完成了完整的基于三維CAD的設計體系，為下一步三維設計工作的開展打下了堅實的基礎；

2、企業具備了必要的三維數據積累

本項目中形成的所有的三維設計的數據庫、標準件庫、典型結構庫等成果全部由成功上線的PDM平臺進行統一分類管理，使企業的三維設計具備了必要的數據積累，使下一步的三維設計工作更加方便、準確、快捷。

3、三維CAD相關應用人員得到了有針對性的系統培訓

數字化樣機項目成功實施后，很快使我公司的一大批三維設計、工藝、標準化技術人員成長起來，為企業的產品創新準備好了人才力量。

結論

我們所實施的數字化樣機項目繼承了公司現行的開發體系，結合上線的PDM數據管理系統、CAPP工藝管理系統、NX CAD/CAM系統，力爭做到統一結合，一個新的技術先進的三維設計體系基本建立。經過后續設計開發中的磨合和總結，這個設計開發體系已經成功運行。該體系是我們對高集成環境下的數字化產品設計體系的探索，大幅度地提高了產品研發的水平，并取得了顯著的經濟效益。