機(jī)車企業(yè)集團(tuán)級標(biāo)準(zhǔn)件庫建庫關(guān)鍵技術(shù)研究*

柳少華，孫 華，韓彩夏

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 信息技術(shù)部，山東 青島 266111）

中國機(jī)車車輛行業(yè)作為典型的現(xiàn)代制造企業(yè)，在全球經(jīng)濟(jì)一體化環(huán)境下，正面臨著產(chǎn)品交貨周期縮短、產(chǎn)品加工成本降低、質(zhì)量提高等壓力[1]。為此在使用CAD技術(shù)和軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的過程中，需要合理有效地處理設(shè)計過程中的重復(fù)設(shè)計。使用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了避免重復(fù)設(shè)計、保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)唯一、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)件和通用件的使用已經(jīng)成為衡量機(jī)械制造業(yè)考核產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的重要指標(biāo)。

目前我國的機(jī)車車輛行業(yè)已經(jīng)建立了企業(yè)級或產(chǎn)品級的標(biāo)準(zhǔn)件庫，這些標(biāo)準(zhǔn)件在機(jī)車設(shè)計、制造、檢修過程中發(fā)揮了重要的作用。由于各單位根據(jù)本單位的需求建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，在標(biāo)準(zhǔn)件庫的建設(shè)和應(yīng)用上出現(xiàn)了重復(fù)設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度不高、標(biāo)準(zhǔn)件庫的動態(tài)管理和維護(hù)規(guī)范缺失、數(shù)據(jù)異構(gòu)等問題[2]，因此需要建立集團(tuán)級標(biāo)準(zhǔn)件庫以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件庫管理和使用規(guī)范，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)級知識積累和重用。最大程度地降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和效率，提高企業(yè)競爭力。

1 機(jī)車車輛企業(yè)三維標(biāo)準(zhǔn)件庫使用狀況

在產(chǎn)品開發(fā)過程中使用標(biāo)準(zhǔn)件能節(jié)省大量的設(shè)計成本，同時，標(biāo)準(zhǔn)件的使用極大地節(jié)省產(chǎn)品的制造成本。隨著現(xiàn)代制造業(yè)和工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度的不斷提高，工業(yè)分工日益細(xì)化與協(xié)作程度的日益加深[3]，機(jī)車車輛行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件化程度也在不斷的提高。

目前，用于機(jī)車設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)件很多，以某動車組中的一輛車為例，該車所有零件數(shù)為196 759，其中標(biāo)通件數(shù)為55 113，標(biāo)通件數(shù)量占整車零件數(shù)的28.01%。機(jī)車使用的標(biāo)準(zhǔn)件類型集中在 ISO、GB、TB、JB、QB以及通用件等的螺釘、螺母、螺柱、銷等的緊固件以及TB的管道件等的300多種標(biāo)準(zhǔn)號的近10 000種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件。表1所示為該車標(biāo)通件使用情況分析。

表1 標(biāo)通件使用分析表

2 集團(tuán)級CATIA三維標(biāo)準(zhǔn)件庫建庫關(guān)鍵技術(shù)

在已有標(biāo)準(zhǔn)件庫基礎(chǔ)上，深入分析和挖掘集團(tuán)級產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息、標(biāo)準(zhǔn)件信息和應(yīng)用需求、標(biāo)準(zhǔn)件的使用狀況等，構(gòu)建集團(tuán)級CATIA三維標(biāo)準(zhǔn)件庫產(chǎn)品[4]。構(gòu)建集團(tuán)級標(biāo)準(zhǔn)件庫關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）根據(jù)集團(tuán)下各單位標(biāo)準(zhǔn)件庫的建設(shè)與應(yīng)用需求，界定標(biāo)準(zhǔn)件庫的范圍及分類信息；（2）確定標(biāo)準(zhǔn)件屬性信息，形成標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計模板，以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（3）參考集團(tuán)層面三維設(shè)計的相關(guān)規(guī)范確定建立CATIA的標(biāo)準(zhǔn)件模型的一般要求。

2.1 確定標(biāo)準(zhǔn)件分類及范圍

標(biāo)準(zhǔn)件種類繁多，數(shù)量龐大，而在實(shí)際應(yīng)用過程中使用頻率高的標(biāo)準(zhǔn)件種類和數(shù)目相對比較固定。分析目前機(jī)車行業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)以及標(biāo)準(zhǔn)件使用狀況及集團(tuán)下各單位使用標(biāo)準(zhǔn)件的狀況，構(gòu)建含有GB、TB、通用件同時兼顧HB、JB、QB的集團(tuán)級標(biāo)準(zhǔn)件庫。標(biāo)準(zhǔn)件庫的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 CATIA三維標(biāo)準(zhǔn)件庫結(jié)構(gòu)

將功能、目的、設(shè)計或特征相似的標(biāo)準(zhǔn)件組織為一類。利用分類結(jié)構(gòu)樹，用戶可以利用分類信息直觀快捷地找到所需的零件。標(biāo)準(zhǔn)件庫的分類結(jié)構(gòu)及分類管理對促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)件的使用、促進(jìn)設(shè)計重用、減少查詢標(biāo)準(zhǔn)的時間及減少重復(fù)設(shè)計有重要意義。分類管理的意義有助于企業(yè)提高標(biāo)通件的使用，提高標(biāo)準(zhǔn)化水平，降低設(shè)計成本。本標(biāo)準(zhǔn)件庫按標(biāo)準(zhǔn)類型分類。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)件屬性信息

根據(jù)集團(tuán)層面的標(biāo)準(zhǔn)件管理和應(yīng)用現(xiàn)狀，定義標(biāo)準(zhǔn)件的基本屬性信息包括ID號、名稱、規(guī)格型號、材料、單重、標(biāo)準(zhǔn)號等信息。屬性信息作為模型管理的關(guān)鍵字，為避免出現(xiàn)復(fù)合關(guān)鍵字，屬性信息盡可能拆分成具有明確意義的單一屬性。標(biāo)準(zhǔn)件基本屬性信息見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)件基本屬性信息

決定一個標(biāo)準(zhǔn)件的信息除了基本屬性信息還需要尺寸參數(shù)信息的支持。一個完整的標(biāo)準(zhǔn)件信息不僅包含上述基本屬性信息，同時包含尺寸信息以及擴(kuò)展屬性信息。完整的標(biāo)準(zhǔn)件屬性信息構(gòu)成如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)件屬性信息構(gòu)成

2.3 模型定義的一般要求

標(biāo)準(zhǔn)件最終需要應(yīng)用到集團(tuán)下各單位的PDM系統(tǒng)，但是考慮各單位的PDM系統(tǒng)不同及設(shè)計軟件版本不同，因此模型屬性名稱定義不同，模型屬性與PDM系統(tǒng)中零組件屬性之間的映射關(guān)系不同。因此，建立集團(tuán)級標(biāo)準(zhǔn)件庫需要定義標(biāo)準(zhǔn)件建模模板，建立屬性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證屬性信息完整，確保本標(biāo)準(zhǔn)件庫中的產(chǎn)品最大限度地適用于不同單位的PDM系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)件建模的一般要求如下：

（1）建模的軟件環(huán)境要求：制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)件建模模板，該模板規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)件的基本屬性信息、擴(kuò)展屬性以及相關(guān)參數(shù)屬性等信息，并規(guī)定了屬性之間的關(guān)聯(lián)信息。如：Name=ClassName+Specs+SurfaceTreatment+PerformanceLevel。

（2）屬性填寫要求：件零件號（PartNumber）是零件唯一標(biāo)識，PartNumber屬性名稱中，不能出現(xiàn)空格、中文、斜杠等內(nèi)容，零件物理文件名稱、設(shè)計表名稱保持一致；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件圖紙要求，把模型相關(guān)的所有特征用參數(shù)體現(xiàn)出來，參數(shù)要求有意義，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件圖紙標(biāo)注的驅(qū)動尺寸，不得隨意增加控制尺寸；創(chuàng)建完成基準(zhǔn)零件后要定義各參數(shù)。定義ID號、名稱、材料、規(guī)格、單重等屬性。

（3）設(shè)計表命名要求：設(shè)計表要求名稱和零件名稱相同，使用excel創(chuàng)建。

（4）草圖要求：基準(zhǔn)零件的模型草圖要“全約束”，草圖上的約束尺寸要和已經(jīng)定義的那些參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

（5）種子文件的創(chuàng)建應(yīng)嚴(yán)格按照三維建模相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

3 CATIA三維標(biāo)準(zhǔn)件庫創(chuàng)建流程

基于CATIA的標(biāo)準(zhǔn)件庫中，數(shù)據(jù)模型為以子圖（detail）形式存在的實(shí)體零件。每一種標(biāo)準(zhǔn)件的所有規(guī)格，都需要事先在子圖中生成相應(yīng)的實(shí)體模型。對于規(guī)格多的標(biāo)準(zhǔn)件來說，可以通過參數(shù)化建模，后應(yīng)用基本屬性參數(shù)和尺寸參數(shù)建立設(shè)計表，通過修改設(shè)計表的值驅(qū)動生成不同的實(shí)例模型[4]。CATIA的知識工程提供的Formula功能、Design Table功能和Catalog功能創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件庫。用戶通過定義特征、公式、規(guī)則和檢查、產(chǎn)生Parameters（參數(shù)）、Design Table（設(shè)計表）、Formula（方程）以及 rules（規(guī)則）等知識對象，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，最終應(yīng)用Catalog功能將參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)件系列添加到Catalog標(biāo)準(zhǔn)件庫[5]。

基于CATIA V5的標(biāo)準(zhǔn)件庫創(chuàng)建流程如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)件建庫流程

3.1 參數(shù)化創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件模型

對標(biāo)準(zhǔn)件分類以后，利用CATIA軟件對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行實(shí)體建模，實(shí)體建模過程中必須使用事先制定好的軟件環(huán)境和軟件模板，實(shí)體建模必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)圖紙的要求定義尺寸參數(shù)。零件建模過程嚴(yán)格按照參數(shù)化設(shè)計的要求[6]。CATIA軟件提供了參數(shù)化設(shè)計的工具Formula功能，利用 Formula功能創(chuàng)建 Parameters，并建立參數(shù)與實(shí)體之間的聯(lián)系，尺寸參數(shù)包括描述零件特征尺寸、特征與元素之間的關(guān)系等。參數(shù)化建模需要定義約束關(guān)系，模型實(shí)體需要全約束，但同時不能出現(xiàn)過約束[7]。

標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化建模步驟：

（1）首先進(jìn)入零件設(shè)計（Part Design）模塊。創(chuàng)建草圖及三維實(shí)體模型，同時建立模型約束，注意不能遺失必要約束，同時避免過約束。

（2）使用Formula功能創(chuàng)建參數(shù)。尺寸參數(shù)必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)圖紙標(biāo)注的尺寸，不得隨意添加和修改參數(shù)。

（3）創(chuàng)建參數(shù)與實(shí)體尺寸之間的函數(shù)關(guān)系。

3.2 創(chuàng)建設(shè)計表

同一系列的標(biāo)準(zhǔn)件，尺寸上的區(qū)別由尺寸參數(shù)的值決定。通過Design Table功能建立參數(shù)化實(shí)體模型的設(shè)計表，定義設(shè)計表的屬性參數(shù)和尺寸參數(shù)，包含PartNumber（ID號）、Name（零件名稱）及尺寸信息等[6]。設(shè)計表保存成excel數(shù)據(jù)表格式，該excel表作為CATIA文檔的外部數(shù)值，通過修改該表的值驅(qū)動生成不同的實(shí)體模型。

3.3 創(chuàng)建Catalog庫文件

CATIA的標(biāo)準(zhǔn)件是通過Catalog來管理的，Catalog由章節(jié)（Chapter）、系列（Families）組成標(biāo)準(zhǔn)件庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。將帶有設(shè)計表的標(biāo)準(zhǔn)件模型導(dǎo)入Catalog相應(yīng)的系列中，根據(jù)設(shè)計表中的值解析成不同型號規(guī)格的單個實(shí)例模型[8]。通過瀏覽Catalog庫，可以快速預(yù)覽標(biāo)準(zhǔn)件模型實(shí)例，Catalog的“章節(jié)”和“關(guān)鍵字”等對模型進(jìn)行分類管理。創(chuàng)建Catalog庫的步驟如下：

（1）在 CATIA里創(chuàng)建 Catalog文檔。

（2）將含有設(shè)計表的模型添加到Catalog文檔的對應(yīng)分類下。

（3）加入描述等，生成 Catalog庫文件。

本標(biāo)準(zhǔn)件庫覆蓋含有ISO、GB、TB、其他標(biāo)準(zhǔn)件、通用件的緊固件、機(jī)構(gòu)件、管道件等零件類型。本標(biāo)準(zhǔn)件庫采用三級結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)件庫結(jié)構(gòu)圖

標(biāo)準(zhǔn)件庫是信息資源的重要組成部分，對產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)具有重要意義。目前，國內(nèi)很多機(jī)車企業(yè)采用CATIA作為產(chǎn)品設(shè)計的CAD軟件，CATIA軟件自身強(qiáng)大的知識工程和參數(shù)化建模的功能為研究和創(chuàng)建CATIA的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫提供了重要的保障。對基于CATIA的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的研究成為機(jī)車行業(yè)推進(jìn)快速設(shè)計的重要手段。在分析機(jī)車車輛行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件建設(shè)及使用基礎(chǔ)上，建立機(jī)車車輛企業(yè)集團(tuán)級CATIA三維標(biāo)準(zhǔn)件庫，避免企業(yè)重復(fù)投入與資源浪費(fèi)，消除數(shù)據(jù)異構(gòu)，提高集團(tuán)內(nèi)基礎(chǔ)信息資源的利用，支持集團(tuán)的戰(zhàn)略實(shí)施，實(shí)現(xiàn)信息資源的共享共建，實(shí)現(xiàn)提高設(shè)計效率、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)企業(yè)知識積累與重用，提高企業(yè)的競爭力的目標(biāo)。

[1]機(jī)械制造業(yè)企業(yè)信息化[J/OL].http：//www.hb.xinhuanet.com/zhuanti/2004-09/22/content_2915828.htm.

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