车身开发过程中的数据质量控制-车辆工程硕士论文

湖南大学 硕士学位论文 车身开发过程中的数据质量控制 姓名：刘乐平 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：成艾国;黄宗斌 20120525 摘要 在当代汽车数字化设计和制造环境下，产品数据作为产品信息的重要源头， 其数据质量的控制变得越来越重要。产品数据质量问题将导致产品的设计和生产 出问题，只有从源头上保证数据的正确性，才能使后续工作顺利、高效、准确地 进行。如何建立科学、规范、完整的产品数据质量标准，如何检查、控制和管理 产品数据质量成为了汽车设计企业的迫在眉睫需要解决的问题。 本文总结工程设计经验，力求对车身开发过程中的数据质量进行控制。并在 此思想指导下，创建全面的车身建模规范，选择合适的检查工具，使用完善的数 据管理，将数据质量控制方法与车身开发过程进行结合，寻求最佳的产品数据质 量控制方法，真正实现产品数据质量的全面控制。 本文首先研究了产品数据概念、产品数据质量概念和产品数据管理理论，奠 定了相关的理论基础。然后对车身开发过程中的数据质量问题产生原因和数据质 量控制的重要性进行了研究，并提出了解决数据质量问题的理论方法。在以上研 究的基础上，介绍了车身数据在C A D 模型、C A E 模型和数据交换三个方面的相 关数据质量问题类型，提出了完善模型标准和规范、定制数据检查规范、建立建 模原则、减少数据转换次数等具体数据质量控制方法。最后，将上述理论应用于 实际项目，在车身结构详细设计阶段通过流程管理，将数据质量控制方法糅合在 一起，实现了高数据质量的零件模型发布。验证了如果在实际工作中能够充分利 用这些控制方法，将很大程度地提高产品的数据质量，为以后的数据交换和生产 制造打下良好的基础。 通过本文研究工作，提出了一整套的数据质量控制方法，并证明了方法的有 效性，对主机厂缩短产品设计周期、节约开发成本具有重要意义。 关键词：数据质量；数据质量标准；数据检查；数据交换 I I A b s t r a c t I nc u r r e n ta u t o m o b i l ed i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r ee n v i r o n m e n t ，P r o d u c tD a t a ， a sa ni m p o r t a n ts o u r c eo fp r o d u c ti n f o r m a t i o n ，i t sq u a l i t yc o n t r o lb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t P r o d u c td a t a q u a l i t yi s s u e sw i l l r e s u l ti n p r o d u c td e s i g na n d p r o d u c t i o np r o b l e m s O n l yt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h ed a t af r o mt h es o u r c e ，t h e s u b s e q u e n tc a nw o r ks m o o t h l y , e f f i c i e n t l ya n da c c u r a t e l y N o wt h ew a yt oc r e a t ea s c i e n t i f i c ，s t a n d a r d i z e da n dc o m p l e t ep r o d u c td a t aq u a l i t ys t a n d a r d s ，a n dt h ew a yt o c h e c k ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n to fp r o d u c td a t aq u a l i t yh a sb e c o m eu r g e n tp r o b l e m s t h a ta u t o m o b i l ef a c t o r yn e e d sa d d r e s s i n g I nt h i sp a p e r ，m u c hw o r ki sd o n et oc o n t r o lt h ed a t aq u a l i t yi nt h ev e h i c l eb o d y d e v e l o p m e n tp r o c e s su n d e re n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e A n do nt h i sg u i d a n c e ，t h ep a p e r c r e a t eac o m p r e h e n s i v eb o d ym o d e l i n gs p e c i f i c a t i o n ，s e l e c ta p p r o p r i a t ec h e c kt o o l s ， u s et h o r o u g hd a t am a n a g e m e n t ，c o m b i n ed a t aq u a l i t yc o n t r o lm e t h o da n dv e h i c l eb o d y d e v e l o pp r o c e s s ，a n ds e e kt h eb e s tp r o d u e td a t aq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d ，t or e a l i z et h e q u a l i t yc o n t r o lo ft h ep r o d u c td a t a I n t h i sp a p e r ，c o n c e p to fp r o d u c td a t aa n dq u a l i t yo fp r o d u c td a t aa n dp r o d u c t d a t am a n a g e m e n tt h e o r ya r es t u d i e df i r s t T h e n ，t h er e a s o n so ft h ed a t a q u a l i t y p r o b l e m si nv e h i c l eb o d yd e v e l o p m e n ta n dt h ei m p o r t a n c eo ft h ed a t aq u a l i t yc o n t r o l a r ea l s os t u d i e d A n dt h em e t h o dt os o l v et h ed a t aq u a l i t yp r o b l e m si sp r o p o s e di n t h i sp a p e r D a t aq u a l i t yp r o b l e m st y p eo fv e h i c l eb o d yi nC A Da n dC A Em o d e la n d d a t ae x c h a n g ei si n t r o d u c e du n d e rt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e M o d e ls t a n d a r d s ， C u s t o md a t ac h e c k i n gs p e c i f i c a t i o n s ，M o d e l i n gp r i n c i p l e sa n dR e d u c i n gt h en u m b e r o fd a t ac o n v e r s i o na r ep r o p o s e df o rd a t aq u a l i t y 。F i n a l l y , t h ea b o v et h e o r yi sa p p l i e d t oa c t u a lp r o j e c t s A l lt h ed a t aq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d sa r eb l e n d e d t o g e t h e ra n dp a r t m o d e lr e l e a s ei nh i g hq u a l i t yi sa c h i e v e di nd e t a i l e dd e s i g ns t a g eo ft h eb o d ys t r u c t u r e t h r o u g hp r o c e s sm a n a g e m e n t A n di t i sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ed a t aq u a l i t yo ft h e p r o d u c tw i l lb eg r e a t l yi n c r e a s e d ，i ft h ec o n t r o lm e t h o d sa r ef u l l yt a k e na d v a n t a g ea n d ag o o df o u n d a t i o nf o rf u t u r ed a t ae x c h a n g ea n dm a n u f a c t u r i n gw i l lb el a i d As e to fd a t aq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d sa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt h e i r e f f e c t i v ea n di m p o r t a n c ef o rt h ea u t o m o b i l ef a c t o r yi nr e d u c i n gd e s i g nc y c l ea n dc o s t i sa l s op r o v e d K e yW o r d s ：D a t aq u a l i t y ；D a t aq u a l i t ys t a n d a r d s ；D a t ac h e c k i n g ；D a t ee x c h a n g e ； I I I 工程硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 1 1 1 当今汽车企业面临的挑战 随着科技的进步，电子，信息及自动化技术的广泛应用，使制造业的生产模 式发生了翻天覆地的变化，市场竞争也越来越激烈n 3 。竞争使整个社会迅猛发展， 同时也使企业的生存环境更加恶劣1 。近年来，伴随着中国汽车的“井喷式”增 长，汽车开发的周期越来越短，汽车开发设计企业需要在缩短产品上市时间，降 低产品的综合成本，提供优质的售后服务的同时力争设计生产出满足市场需求的 有着良好品质的新车。因此，世界各国的汽车制造企业都面临着严峻的挑战：如 何生产出短周期、低成本、高品质的新车，以适应快速变化的市场需求，从而在 激烈的市场竞争中求生存和发展。 为了达到这一目标，汽车设计企业不断强化在新车设计开发过程中的各个环 节中采用计算机辅助技术，例如产品设计( C A D ) 、分析仿真( C A E ) 、工艺规划 f C A P P ) 、数控：打1 1 ：E ( C A M ) 等。早在上世纪8 0 年代，国外汽车企业已开始研究并 组织实施全数字化设计与制造技术，从根本上改变产品的设计和制造方法口，4 】。我 国在“十一五”制造业信息化工程中也提出了以“甩图纸“ 为标志的设计制造一 体化的要求。所谓“甩图纸”，是指以三维产品模型为核心，研究开发C A D 、C A E 、 C A P P 、C A M 以及质量检测的集成技术哺1 。 不管是汽车数字化设计和制造环境还是“甩图纸”环境，产品数据已经成为 企业技术知识的载体，汽车的设计和生产也日益依赖数字化模型哺3 。这就使得有 效保证产品数据的准确性和规范性显得非常重要。产品数据的质量问题将导致产 品的设计和生产出问题，只有从源头上保证数据的正确性，才能使后续工作顺利、 高效、准确地进行。如何建立科学，规范，完整的产品数据质量标准，如何控制 和管理产品数据质量成为了汽车设计企业的迫在眉睫需要解决的问题。 1 1 2 数据质量问题产生原因及其影响 全球汽车工业已日益依赖数字化模型进行汽车的设计和生产。因此，产品数 据质量问题将导致产品的设计和生产出问题。目前产品数据质量问题主要来源于 以下几个方面： ( 1 ) 信息问题域：信息类问题是由于理解原始数据描述信息和度量标准有偏 差而产生的数据质量问题。原因包括：原始数据描述错误或理解错误、数据的度 量标准不一致等。 车身开发过程中的数据质量控制 ( 2 ) 流程问题域：流程类问题是指由于系统作业流程和人工操作流程设置不 当造成的数据质量问题，可能来源于系统数据的创建流程、传递流程、使用流程 和稽核流程等各环节。 ( 3 ) 技术问题域：技术类问题是指由于具体数据处理的各技术环节的异常造 成的数据质量问题，它产生的直接原因是技术实现上的某种缺陷。 ( 4 ) 管理问题域：管理类问i 题是指由于人员素质及管理机制方面的原因造成 的数据质量问题，如人员管理、培训和奖励等方面的措施不当导致的管理缺失。 虽然产品数据质量问题产生的主要原因一目了然，但在汽车实际设计开发过 程中，控制产品数据质量费时费力，并且检查困难，许多汽车设计公司频频出现 数据质量问题。造成这一现象的根本原因是不同的产品数据使用者对数据有不同 的要求，产品数据质量难以定义。 以C A D 数据为例，不同领域数据使用者的要求各不相同。计算机数控编程 要求C A D 数据包含C N C 对零件加工自动编程所需要的正确信息，不允许模型存 在导致C N C 程序软件报错或造成零件错误制造的多余或者缺失的几何特征。有 限元结构分析不需要详细设计的C A D 模型中的细节特征，需要经过适当简化才 能进行仿真。刀具设计又希望C A D 模型附带有模压所需的分模线、铸造所需的 收缩补偿量、冲压所需的回弹补偿等。 当数据质量问题产生后，这些数据缺陷在整车开发流程中传递到后续的任意 阶段都可能会引起一系列的应用问题。 首先，如果模型存在质量缺陷，在企业间或各部门问进行产品模型数据交换 过程中会出现问题。比如模型中的微小元素在数据交换过程中容易丢失等，模型 数据将发生改变。 其次，具有缺陷的模型用于有限元分析，会使分析结果不准确甚至错误，将 引起性能判断失真。具有缺陷的模型用于制造，会产生无法加工、模具刀具损坏， 生产延迟等错误。 更为严重的是，数据质量的缺陷如果不能在设计阶段或制造阶段被及时地发 现和消除，由此引起的产品质量问题可能直至产品使用阶段才能被发现，这会给 企业带来直接的经济损失。 即便是在下游应用过程中发现了数据质量缺陷，人们一般会花费时间修改数 模，有时修改部分太过耗费时间和成本，还不如重新新建一个模型数据。假设产 品的设计数据转给生产厂家前没有进行数据检查，如果数模中存在错误，在后续 的每项下游应用过程中都需进行返工，总返工时间将大大高于设计时间，如图1 1 所示。 2 工程硕士学位论文 c 毪系统 图1 1 设计发放不进行检查造成返工 总的来说，当数据质量问题产生后，必将造成企业生产的受阻、时间的浪费 和金钱的损失。 1 1 3 问题解决的途径 针对上述问题，目前认为国内企业应从以下四个方面来控制产品数据质量： ( 1 ) 建立产品数据质量的相关标准和规范，形成系统地产品建模要求标准体 系。 影响产品数据质量的最主要因素是产品数据设计所应用的方法。相同的零件， 不同公司、不同结构工程师、甚至同一工程师在不同时间建立的模型都有可能是 有差别的。只有建立产品建模规范和数据质量要求的统一标准，规范产品建模过 程，才能消除这种不一致性所导致的数据质量问题。企业应在国家和行业标准的 基础上，制定与企业数据平台和产品向适应的产品数据建模及检测规范的企业标 准，形成比较系统全面的产品建模要求标准体系。 ( 2 ) 引导和约束设计人员遵循相关规范进行产品数据建模，并建立合理的数 据检查、发布流程，使数据缺陷消除在设计早期。 如果模型中出现了数据质量问题，即便是作为产品数据质量第一责任人的结 构工程师，寻找和消除这些问题还不如重新创建模型更节省时间和精力。企业建 立相应的监督与管理机制，引导和约束结构工程师规范建模，以及结构工程师自 觉养成良好的建模习惯是相当重要的。在模型创建过程中，数据的质量缺陷是无 法完全避免的，但通过合理的数据检查，可进一步消除数据质量缺陷。因此，企 业应建立合理的数据检查、发布流程，使数据缺陷消除在设计早期，以减少下游 应用的返工时间，进而缩短项目开发周期。如图1 2 所示，在在设计发放前进行 有效的数据检查，可大幅减少数据返工时间H 8 。 渤麒设诗笈效 图1 2 设计发放不进行检查造成返工 ( 3 ) 采用有效的技术手段检查产品数据，最大限度地消除产品数据中的质量 缺陷。 虽然相关的国家、行业标准陆续发布，对产品建模的规则、数据质量等有比 较详尽的要求。但是目前还缺少基于这些要求和规范的辅助应用工具，对产品数 据质量进行有效检测和管理。以人工方式为主的传统的数据检测方法效率低、工 作量大、准确性差、成本高。由于检测手段比较落后，结构工程师需花费更多的 时间去检查、消除错误而不是设计，难以满足现代化产品开发需求。采用有效的 技术手段辅助进行产品数据质量的检测，以提高设计的效率和准确性是一个必然 的发展趋势。 ( 4 ) 采用高效的P D M 平台管理产品数据，保证产品生命周期中数据信息的 可靠性。 在汽车数字化设计和制造环境下，C A D 、C A E 、C A P P 、C A M 等各种数据种 类繁多，很容易产生数据检索困难，数据流向不明，数据缺乏安全性，数据无法 共享等数据失控问题。此外，在产品研发和生产过程中，数据模型也经常性的变 化和更新，设计师需要及时的将任何设计工程任务的变更反映到数据变更上来， 数据的变化进行实时的沟通。我们需要对产品设计和生产中的数据、产生数据的 过程及产生数据的人进行管理。每个企业需根据各自的生产产品和管理方式，选 择一个适合自己需要的数据管理平台，管理产品全生命周期相关的信息和所有与 产品相关的过程，保证数据的有效流转和完整性。 1 2 国内外产品数据质量控制现状 欧洲的汽车工业最早提出C A D 模型的质量问题。德国从上世纪9 0 年代以来 一直在研究汽车工业方面的C A D 模型质量标准及与此有关的软件工具。欧洲汽 车工业界协会O d e t t e 组织1 9 9 3 年1 0 月推出了第一版模型质量标准V D A4 9 5 5 和 数据交换协议V D A4 9 5 0 。为了鼓励国际产品数据转换标准I S O1 0 3 0 3 的推广和 发展，而于19 9 4 年成立的S A S I G ( S t r a t e g i cA u t o m o t i v ep r o d u c td a t aS t a n d a r d I n d u s t r yG r o u p ) 组织也于1 9 9 9 年在V D A4 9 5 5 的基础上开始编写P r o d u c tD a t a 4 工程硕士学位论文 Q u a l i t yG u i d e l i n e sf o rt h eG l o b a lA u t o m o t i v eI n d u s t r y 。美国波音公司也对C A T I A 系统上的建模过程提出了企业内的标准。但是这些标准、规范还仅限于各组织内 部使用，国际标准化组织I S O 还没有相应的C A D C A M 数据质量标准。 在“甩图板”示范推广工程的有效推动下，国内企业的C A D C A M 应用逐步 深入，部分企业或科研机构开始逐步认识到数据质量控制的重要性，开始重视这 方面的研究，并且已经开始着手研究相关的标准。在2 0 0 2 年推出了C A D C A M 数据质量方面的国家标准( G B T0 1 8 7 8 4 2 0 0 2 ) 凹3 。汽车、工程机械、国防等行业 的领先企业也针对本企业产品具体情况，制定了一些企业产品建模标准、产品设 计规范以及数据质量检测规范。比如广西玉柴机器股份有限公司制定的 Q Y C 5 0 3 3 玉柴U G 三维建模和制图规范。但是，由于国家标准推出时间较短， 在许多中小企业中并没有引起足够的重视。另外，缺少基二于二这些要求和规范的辅 助应用工具，这些标准没有起到应有的作用。 以人工方式为主的传统的数据检测方法已无法满足数字化设计制造需求，国 内汽车行业企业急需一套用于产品数据质量检测的专用软件工具。在国内，产品 C A D 数据质量计算机辅助检测方法的应用还处于起步阶段，相关软件产品也正在 发展之中。国外已开发了一些针对专门行业，面向特定功能需求的数据缺陷的识 别、检测、修复方面的工具。比如日本E L Y S I U M 公司推出的P D Q ( 产品数据质量) 工具最新版“C A DD o c t o rV e r 5 2 ”，强化了在C A E 和C A M 等后期工序中进行 应用数据的形状简化等功能。 1 3 数据质量控制相关理论 1 3 1 产品数据 汽车行业的产品数据是一个广义的概念，指的是产品从概念到制造过程中的 所有相关数据。因此，不单包括C A D 数据，还包括C A M 、C A E 、P D M 等各种数 据。例如：C A D 模型( 实体、曲面、线框等) 、二维产品图纸或尺寸公差图纸、 工程零件清单、工程和制造材料清单、主计划、产品装配结构、数控机床加工程 序等。 产品数据的产生和使用贯穿整个产品的生命周期，种类多样。为提高其数据 质量，更好的为数据使用者服务，应对产品数据进行合理的分类。 按照数据的功能用途分，可以分为用于C A E 结构性能的分析数据，用于C A M 的制造数据，用于流程控制的管理数据等。 按照数据进展的精细程度及项目时间进展，可以将主机厂在车身开发过程中 的C A D 数据分为： 车身开发过程中的数据质量控制 u O 数据一概念设计阶段初始数模，如图1 3 所示。主要进行结构框架的搭建， 包括结构整车位置特征的面体或实体，不涉及生产制造； 图1 3U 0 数据图1 4T 1 数据 T 1 数据一详细设计阶段中期数模，如图1 4 所示。主要完成工程方案，是在 结构框架的基础上，进行粗略的零件打包、建立初步的符合、构思零件的多种设 计方法等，最终确定结构方案。此时初步细化的面体和或实体，已经包括整车位 置的主要特征( 翻边、倒角等) ，可用于手工制造和进行软工装模具设计； T 2 数据一详细设计阶段最终发布的3 D 数模，如图1 5 所示。主要完成结构 的定义，是在完成工程方案后，对零件进行细化设计，实现零件的精确化、可生 产化和紧固物的尺寸化、数字化，使得所有零件实现主目标，结构设计最终确认。 此时零件符合生产和工程的需要和意图，已完成全部开发，为完整的实体，能进 行正式工装制造； 图1 5T 2 数据图1 6P 3 数据 P 3 数据一2 D 产品图纸及尺寸公差图纸，如图1 6 所示。包括G D & T 图、标 准、技术条件等，支持零部件检具、工装和相关台架的制造； 1 3 2 产品数据质量 产品数据质量，即P r o d u c tD a t aQ u a l i t y ，简称P D Q ，是评估数据的精确度和 及时性，并将其提供给所有需要它的人。也就是说，好的数据质量意味着在正确 工程硕士学位论文 的时候提供正确的数据给正确的人。 上述定义包含两个关键点，第一个是必须有一个适当的质量评价标准。为了 提高产品数据质量，首先必须评估P D Q ，然后修改，评价是否得到了改善。第二 个关键点是存储和读取。不管模型或者数据多么详细精确，如果没有在某种意义 上及时的让需要它的人可以使用，那这些模型或者数据就没有价值。 以C A D 三维模型数据文件为例，随着三维设计软件的广泛应用，其数据质 量主要关注在产品数据的精度( a c c u r a c y ) ，几何( g e o m e t r y ) 和数据结构( d a t a s t r u c t u r e ) 上。其数据质量由下列几个方面组成： 1 、数据文件结构：如文件的可读性好、对象放置的有规律、非几何属性定义 完整等。 2 、数字化模型本身的完整性：数字化模型无缺陷，下游应用没有问题。具体 应用在整车设计上，如外形A 面质量需要满足白车身外覆盖件的设计( 如曲面偏 置、增厚) 、白车身数据需要满足制造要求( 制图、装配、模具设计) 、制造工 程数据满足加工编程( 数据转换) 等。 3 、数字模型的可修改性、可重用性：数字化模型建模过程简洁、符合建模规 范的要求，模型的参数化程度好、便于修改。装配结构是模板化的、便于重复利 用等。 为了能够有效的保证产品数据质量满足以上要求，各相关机构提出了相应的 P D Q 企业标准，如S A S I GP r o d u c tD a t aQ u a l i t yG u i d e l i n e sf o rt h eG l o b a lA u t o m o t i v e I n d u s t r y 、国家标准G B T1 8 7 8 4 2 2 0 0 5 ( ( C A D C A M 数据质量保证方法等。 1 3 3 车身开发流程 车身开发是整车开发的一部分，随着并行工程和供应商协同开发的推进，其 开发过程要严格按照整车开发流程来实施。 整车开发流程即V e h i c l eD e v e l o p m e n tP r o g r e s s ，简称V D P ，是企业根据自身 的经营战略目标，在企业内外资源的支持下，以市场需求分析为出发点，从概念 开发到产品销售的全过程。是一个从规划到生产，直至投放市场的过程。其新产 品开发流程如图1 7 所示。 7 车身开发过程中的数据质量控制 项巨任务书 毒 l 建立项目组织枫构I J r上 l 项目援翘纲要I 项目计划 N Y l 山山士 I 造型设计l 总布置| | 缝构方案设计l N Y l 0 士 l 零部件设计| | 发布s o Rl B O M 表 t 原塑车麟作翮试验 各N 图1 7 新产品开发流程 新产品开发流程一般由概念开发、总体设计、详细设计、测试与改进、投产 五个阶段组成。表1 1 所示为设计部门在这五个阶段的大体工作内容。 表1 1 设计部门各阶段主要活动 产品数据( 数模和图纸) 的开发跟随产品开发各阶段的输入和要求，从概念 设计阶段初始数模，由粗糙到精细直至最后锁定以指导生产制造。 1 3 4 产品数据管理 在数字化设计和制造环境下，产品开发过程中产生和应用的数据急剧膨胀。 企业极易因数据种类繁多造成数据检索困难，数据流向不明，数据缺乏安全性， 数据无法共享等各种问题。当企业使用的应用软件布置一个，而是多个时，复杂 的数据引起的数据泛滥或称“数据失控”对企业形成了巨大的压力n0 。 在数字化设计和制造过程中，数据需要即时的反映设计工程任务的变更， 数据必然会经常变化。而在并行设计和供应商协同开发过程中，人们需要及时的 得到最新的数据，更新的数据又需及时的传达给相关区域。因此，我们需要管理 工程硕士学位论文 在产品设计和生产中的数据、产生数据的过程及产生数据的人，以实现在正确的 时间，将正确的数据，以正确的方式，传递给正确的使用者。 产品数据管理( P r o d u c tD a t aM a n a g e m e n t ，P D M ) 是一门用来管理与产品全生 命周期相关的信息和所有与产品相关的过程的技术n 1 1 2 1 。作为设计过程中数据的 有效管理手段，对保证数据的有效流转和完整性，以及设计目标的实现扮演着重 要的角色。 P D M 发展至今，已从单纯的面向设计的产品数据管理进入产品全生命周期管 理阶段( P r o d u c tL i f eM a n a g e m e n t ，P L M ) n3 】，其内容不断扩充更新，其功能以数 据管理和过程管理两大功能为主，如图1 8 所示。 图1 8P D M 系统的功能组成 美国C I Md a t a 公司调查的企业中，有9 8 的美国企业都已经实施或正在实 施P D M 。目前，我国也有一些企业实施了P D M 。采用计算机辅助设计制造和产 品信息管理已成为当代企业技术更新改造和提高产品竞争力的必要手段n 4 15 】。由 于在各个企业中所生产的产品不同，管理方式不同，因此任何一个P D M 系统都 有一个在企业中根据自己的需要进行实施的过程。如果企业选择了一个适合自己 需要的软件平台，将会为企业在P D M 系统的实施和应用打下良好的基础。 目前主要流行的P D M 产品有：美国U G S 公司的I M A N ：美国P T C 公司的 W i n dc h i l l ；美国S D R C 公司的M E T A P H A S E ；清华英泰的T iP D M n6 1 。本文的数 据质量控制是在西门子公司的T c A E 系统内实现的。 T c A E ( T e a m c e n t e rE n g i n e e r i n gA u t o m o t i v eE d i t i o n ) 系统是由美国通用汽车 联合西门子公司为汽车行业量身定做的，是在E D S 公司的i M A N 系统的升级版。 该数据管理系统结合产品设计、产品零部件管理、产品文档分类管理、产品配置 模型、工艺数据模型管理以及产品数据查询、产品周期管理、数据全程跟踪等多 重功能为一体，规范了整车开发过程中的产品数据设计，形成了一系列的规范和 模板，实现了数据及时共享与协同合作，提高了整车开发能力。 T c A E 是一套成熟的产品数据管理( P D M ) 系统，其形成了一个强大的数据 9 车身开发过程中的数据质量控制 库概念，与同属西门子公司的C A D 产品U GN X 完全集成，可以高效便捷地完成 数据的管理工作m 3 。其数据设计管理功能如图1 9 所示，几乎涵盖了产品数据设 计全过程。 图1 9T e A E 涵盖的数据管理系统 1 4 本论文研究工作的意义 随着我国在“十一五”制造业信息化工程中提出的以“甩图纸“ 为标志的设 计制造一体化的要求，汽车的设计和生产己日益依赖数字化模型。如果在整车开 发过程中出现了数据质量问题，这必将造成阻碍生产、浪费时间、损失金钱。当 下频繁出现的产品数据质量问题严重影响了新车的设计开发与生产制造。 本论文在对国内主机厂及零部件供应商汽车产品数据质量控制需求调研基础 上，依托国内外最新的研究进展，以及日益形成的国家和行业的标准规范体系， 深入研究，着眼于实际和实践过程，探索符合实际需求的产品数据质量控制方法。 全篇来看，本论文在如下几个方面有比较突出的意义： 健全数据相关规范。通过对数据缺陷的产生原因和缺陷类型进行分析，总结 各区域建模经验，对产品数据相关的各项信息如命名、编号、建模原则等建立标 准和规范，提高模型源文件的数据质量。 改变传统检测方法和手段。得益于在P D M 软件平台下的电子化设计过程， 探讨采用计算机批量自动的检查技术，替代传统的以人工方式为主的数据质量检 测手段。 规范数据提交流程。结合产品设计开发过程，分阶段采用数据提交流程4 ，使 数据质量缺陷尽早被发现，以避免后期返工。 优化产品开发设计流程。引入短周期快速开发软件S F EC O N C E P T ，减少数 据转换过程中产生的数据质量问题。 1 0 工程硕士学位论文 1 5 本论文的主要研究内容 本文始终以产品数据质量作为贯穿全文的主线，围绕基于不同类型的产品数 据质量控制方法进行论述，着力研究产品数据生命周期，产品数据质量来源， C A D ，C A E 等产品数据详细控制要求，以及不同类型数据转换质量控制等相关核 心内容。具体组织如下： 第一章引言，阐述了本文的研究背景，介绍分析了当前产品数据质量在汽车 设计中的重要意义，总结了当前产品数据质量问题的主要来源，进而引入了车身 开发过程中设计数据质量控制的相关理论。最后提出了本课题的研究意义，并对 论文各章节组织情况和研究内容进行了简要的说明。 第二章C A D 模型质量控制，着重介绍C A D 数据相关的产品数据的质量标准； 并以单一零件和装配总成的常见数据质量问题为例，对质量问题类型、问题产生 原因和推荐解决方法进行了介绍；提出了几何体检查和干涉间隙检查两种分别针 对单一零件和装配总成的C A D 模型数据质量检测方法。 第三章C A E 模型质量控制，介绍了仿真分析中最重要、最常用的手段有限单 元法的数据模型类型；并以单一零件网格质量问题翘曲和装配总成常见点焊连接 问题为例，对质量问题类型、问题产生原因和推荐解决方法进行了介绍；提出了 通过网格质量标准和模型命名及编号规范等来控制C A E 模型质量。 第四章数据交换质量控制，介绍了数据交换的概念和常用数据交换格式；重 点研究了数据转换过程中客观存在的几何缺陷和拓扑缺陷质量问题；提出了提高 模型数据交换质量的两个方向：规范的建模方法、建模原则以提供良好的原始交 换模型；通过S F E 等新方法以减少数据转换次数。 第五章实例，总结介绍了在实际汽车设计开发过程中，在产品数据管理软件 下，通过合理的开发流程控制产品数据质量问题。 最后对全文研究内容进行总结，并对本课题的研究作进一步展望。 车身开发过程中的数据质量控制 2 1 引言 第二章C A D 模型质量控制 与C A D 数据相关的产品数据的质量标准，一般可分为三个方面。 一、几何质量标准。 关于如何，以怎样的精度产生几何元素，使这些元素在过程链的后续环节中 能够使用。这些元素包括C u r v e 曲线、S u r f a c e 分析曲面( 构成零件的基本面) 、 E d g e 边界、E d g eL o o p 边界环、F a c e 有界曲面( 用边界曲线数学描述的有边界 轮廓的曲面) 、S h e l l 缝合面、S o l i d 实体，如图2 1 所示。 曲面组成 边界环 图2 1C A D 模型几何元素 二、非几何质量标准。 C A D 模型的非几何方面指的是模型结构。模型结构是一个C A D 三维数据模 型的清晰度和可用性的一个必不可少的先决条件。它还确保模型的内容安全和迅 速减少到一个有用的交换范围中。模型结构遵循以下特点： 它必须能被C A D 数据模型识别，理解、和明确的分配。 它应该能够区分出辅助几何和重要产品的几何形状( 即，线，面，立体几何) 。 它应该能够区分几何的左右中间区域。 它应该能够重新生成函数、装配或类似等的逻辑关系。 它应该能够区分内容的可更改和不可更改。 在上述数据交换期间，必须同时提供符合涉及质量文件编制规则的数据。 非几何质量包括C A D 模型的版本、初始环境、命名、文件大小、引用集设 置、图层、分组、坐标系、装配关系、草图等的要求。 三、绘图质量标准。 虽然目前三维模型使用得越来越方便，但二维工程制图仍广泛应用于汽车工 业领域。 工程硕士学位论文 例如结构制图的一个重要元素“视图“ ，就必须满足一些特殊的质量要求： 视图可以更改比例，几何不能改变比例；图样元素应该在描述他们的“视图”中 产生；带有细节断面或放大的视图应该与原视图有同样的原点( 原点，参考点) 。 此外，对绘图的几何和非几何质量如命名、版本、文件大小等也何三维模型 一样有对应的质量要求。 本章仅以几何质量标准中的单一零件的连续性问题和总成装配的干涉间隙问 题为例，对C A D 模型质量控制进行阐述。 2 2 单一零件数据质量控制 在所有情况下，处理更复杂几何形状的标准是假设底层的几何结构也符合相 关标准。在应用实体模型标准时，我们认为该模型也满足曲线、分析曲面、边界、 闭环边界、面和壳体的标准。反过来，如果构成复杂几何形状的底层几何结构存 在质量问题，则该复杂几何形状也必定存在质量问题。例如，如果构成实体的曲 面存在质量问题，则该实体必定存在数据质量问题，而曲面的质量问题也很可能 是因为其基础边界曲线存在问题造成的。 本章以分析曲面的连续性问题为例，介绍C A D 模型常见的几何质量问题的 分析解决办法。 构成零件的基本面称作曲面( 分析曲面) ，它可以伸出零件的实际轮廓之外。 该面的边界通常由“简单的“ 解析边界曲线构成，一般用作带有复杂边界曲线的 有界曲面。曲面是由边界曲线构成的几何曲面元素的基本的数学表示名称。 曲面可以由多个片组成，称为曲面片。曲面片的个数取决于边界曲线的段数。 曲面片之间在边界上要满足适当的位置或斜率公差。如果其位置公差或斜率公差 超出给定范围，分析曲面就会产生连续性问题。 2 2 1 分析曲面G O 不连续 如果相邻曲面片间存在较大间隙或重叠，其临近边界上最接近两点的最大距 离超过给定位置公差，则分析曲面G 0 不连续。这种情况一般发生在相邻两面片 是由不同曲线创建时。如图2 2 所示，分析曲面G 0 不连续表现为两面片间存在大 于位置公差的间隙，其曲率梳起点不在同一位置。 图2 2 分析曲面G O 不连续 车身开发过程中的数据质量控制 有间隙或重叠的曲面在C A D 软件中进行剪裁( t r i m m i n g ) 命令或从C A D 软件 中输出为中性格式时( 例如I G E S 或S T E P ) 都会造成问题；如果这种间隙或重叠传 递到下游产品制造，在数控加工准备的刀位计算时，迭代算法会出现错误；此外， 间隙大于容差的曲面不能缝合成实体。 因此，自然边界内曲面片之间的不连续性必须纠正，或通过设定适当的基本 条件重新生成。在数据转换时，也应限定间隙和重叠的最大容差，以避免在接收 系统中造成麻烦。 2 2 2 分析曲面G 1 不连续 如果相邻曲面片的夹角不相切，即沿曲面片公共边界上相邻两点的两曲面切 平面法矢方向的最大角度超过给定的角度公差，则分析曲面G 1 不连续。如图2 3 所示，分析曲面G 1 不连续表现为两面片公共边界上相邻两点处曲率梳起点重叠， 但角度不重叠，长度也一般不一致。 图2 3 分析曲面G 1 不连续 曲面的G 1 阶连续性是指沿着曲面片共同边界上各点两个曲面片的切平面的 法矢量方向应该一致。真正的G 1 阶连续不允许有角度差存在。由G l 阶不连续的 曲面生成的等距面可能出现大的间隙或重叠；当曲面的G 1 非连续性大于推荐值 时，则曲面上会产生明显的皱摺或折痕。例如车身的外造型曲面如果存在微小的 G l 阶不连续，则根据车身外板厚度生成的结构件表面就会形成明显的间隙或重 叠。 当然，由于系统的精度是有限的，微小的角度差可以接受。在实际应用中， 可接受的角度差异和相邻曲面片的大小有关( 越小的曲面片能接受更大的夹角) 。 对结构质量要求严格的车身零件设计时，建议交替修改或重建两曲面片，使之符 合切矢条件。 2 2 3 分析曲面G 2 不连续 如果相邻曲面片间存在较大曲率变化，则分析曲面G 2 不连续。如图2 4 所示， 分析曲面G 2 不连续表现为两面片公共边界上相邻两点处曲率梳起点和角度重叠， 但长度不一致。如果分析曲面G 2 连续则如图2 5 所示，两面片公共边界上相邻两 点处曲率梳起点和角度重叠，且长度也完全相同。 1 4 工程硕士学位论文 一一 图2 4 分析曲面G 2 不连续图2 5 分析曲面G 2 连续 要求两曲面片接触点曲率连续意味着：在连续的剖切截面上曲率连续；曲率 半径的圆心位于曲面片的同一侧；曲率半径差的绝对值，除以曲率半径的平均值， 小于给定的精度。 通常只有描述组成部件的特殊功能( 如螺纹) 或造型要素时才要求曲面的曲 率连续。对于汽车的外造型，曲面的外观印象几乎完全取决于它的G 2 阶连续性， 可通过C A D 系统的特殊功能或物理方法进行检查，例如光照反射曲线。也有一 些系统能够以图示方式显示各点的曲率半径大小，以此来观察曲率变化。 由于系统精度，曲率的微小差别只要在容差范围之内则可以接受。可以用符 合公共边界上的合适曲率条件的元素替换被感染的元素，或重新构建曲面。此外， 在G 2 曲面构建中，需把具有恒定的曲率相邻的元素( 圆柱面、球面、平面等) 替换成自由形式曲面。 2 3 装配总成数据质量问题 在汽车C A D 模型设计时，一般使用两种装配方式：一种是坐标系方式，就 是将所有的零部件放在同一汽车坐标系下各自的实际的空间位置上。另一种是零 件匹配方式，这种方式主要应用于简单的装配或是需要运动校核的装配。 汽车车身是由成百上千块形状复杂的薄板冲压件经焊装、铆接和螺栓连接等 方法装配而成的。其装配过程一般先由零件组成分总成，再由分总成形成总成， 最后由总成装配成车身。对于车身零件设计，所有模型都在整车坐标系下建模， 因而可以通过绝对坐标方法完成车身零部件的装配。图2 6 所示，是建好并完成 装配后的车身总体C A D 装配模型。 图2 6 车身总体C A D 装配模型图 车身开发过程中的数据质量控制 装配总成的数据质量问题主要是干涉和间隙。就车身而言，由于安装在其上 的零部件数量众多，而且采用的是各个部门及产品供应商的协同设计方式，各设 计区域所要完成的小总成中本来就存在很多质量问题，到总体装配的时候数据质 量问题的数量就非常之多了，而且一些细小零部件装配好后他们之间的干涉间隙 等非常难发现，不仅浪费了设计人员大量的查找时间降低了设计效率，而且影响 了车身装配的准确性，甚至导致部分组件设计的返工。 2 3 1 干涉问题 使用U G 或者V i s m o u k u p 等软件进行零件的干涉检查会得出以下几种干涉类 型，如图2 7 所示n 8 1 9 2 引： 不干涉：对象问的距离大于间隙区域； 接触干涉：两个对象接触但没有干涉，系统给出一个接触的点、线或者区域； 硬干涉：两个对象彼此相交，系统用公共部分建立干涉实体； 软干涉：对象间的最小距离小于间隙要求，但两个对象不接触。系统生成表 示最小距离的线条： 包容干涉：一个对象完全包容于另一个对象内，系统建立表示干涉被包容实