（计算机应用技术专业论文）基于tigems的卡车零部件设计系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 卡车作为一种重要的运载工具，在国民经济的发展中起着越来 越重要的作用。但是，由于卡车专用c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 。 计算机辅助设计) 系统这种大型系列化产品设计过程复杂，目前通 用的三维c a d 软件又没有卡车的专用设计功能，使得卡车设计者不 得不因为要设计一个卡车专用零部件而进行大量繁琐操作，甚至是 用多种不同的设计软件之间频繁切换。相比国外卡车生产企业的设 计方式，国内大多数载货车生产企业的设计手段还几乎停留在拼装 阶段，急需专业的设计手段和方法来提高设计质量。本文结合国家 8 6 3 重点项目子课题“基于国产三维c a d 核心系统的卡车零部件产 品设计”，实现在基于清华大学自主开发的三维数字化设计系统 t i g e m s 平台下，对卡车零部件设计系统进行了研发和相关关键技 术的研究。 论文在分析卡车行业特点及国内外卡车生产企业的设计现状现 状的基础上，讨论了本文研究的背景和意义。并以成都某汽车制造 厂设计部门现有的设计手段及流程为研究对象，企业需求为根据， 对基于t i g e m s 三维c a d 平台的卡车专用零部件设计系统进行了分 析，通过了解和分析企业目前设计现状，指出了其中不足，并结合 企业对于卡车设计各个阶段的需求和企业现有的汽车产业链a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e s 应用服务提供商) 平台，展开了本系统 的框架分析。在分析和讨论的基础之上，对系统进行了总体设计， 然后对于涉及到的相关关键技术进行了讨论并提出了解决方案，最 后对部分功能模块进行了详细的设计。 关键词：卡车设计；三维c a d ：二次开发；整车性能计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a o t a sa ni m p o r t a n tm e a n so fd e l i v e r y , t r u c kp l a y sa l li n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l ei ne c o n o m i cd e v e l o p m e n t n o wt h ec o m m o n3 dc a d s o f t w a r ei sd i v e r s i f i e d ，a st h ep r o c e s so f s u c hl a r g es e r i a l i z a t i o n p r o d u c t i o nd e s i g n i s c o m p l e x ，d e s i g n e r s h a v et om a k e l a r g e c o m p l i c a t e do p e r a t i o n s ，e v e ns w i t c h i n gf r e q u e n t l ya m o n gv a r i e t i e so f d i f f e r e n ts o f t w a r e s c o m p a r e dt o f o r e i g na u t o m o b i l em a n u f a c t u r e s ， m o s to ft h ed o m e s t i cv e h i c l em a n u f a c t u r e r ss t a yi na s s e m b l ys t a g e p r o f e s s i o n a ld e s i g nt o o l sa n dm e t h o d o l o g i e sa r en e e d e dt o i m p r o v e d e s i g nq u a l i t y c o m b i n i n gt h es t a t e s8 6 3k e yp r o j e c t s “t r u c kp a r t s d e s i g nb a s e do n3 dc a ds y s t e m ”，u n d e rt h e3 dd i g i t a ls y s t e m t i g e m sp l a t f o r mw h i c hi s d e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yt s i n g h u a u n i v e r s i t y , t h et r u c kp a r t sd e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e da n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d o nt h e b a s i so fa n a l y z i n gt r u c ki n d u s t r yc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d e s i g ns t a t u sq u oo fh o m ea n da b r o a dt r u c ke n t e r p r i s e s ，t h eb a c k g r o u n d a n ds i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i sw e r ed i s c u s s e d m a k i n ge x i s t i n gd e s i g n t o o l sa n dp r o c e s s e so ft h ea u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gp l a n ti nc h e n g d u a ss t u d y i n go b j e c t ，t h ee n t e r p r i s ed e m a n da sb a s i s ，t h es p e c i a lp a r t s d e s i g ns y s t e mb a s e do nt i g e m s3 dc a dp l a t f o r mw a sa n a l y z e d b y u n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fe n t e r p r i s e s ，t h e l i m i t i o n sw e r ep o i n t e do u t ，a n dc o m b i n i n gt h ed e m a n di nv a r i o u ss t a g e s o ft r u c kd e s i g na n de x i s t i n ga u t o m o b i l ei n d u s t r ya s pp l a t f o r m ，t h e f r a m e w o r ko ft h es y s t e mw a sa n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa n d d i s c u s s ，t h es y s t e mw a sd e s i g n e d ，r e l a t e dt e c h n o l o g yw a sd i s c u s s e d ， a n das o l u t i o nw a sp u tf o r w a r d f i n a l l y , ad e t a i l e dd e s i g no ff u n c t i o n m o d u l e sw e r eg i v e n k e yw o r d s ：t r u c kd e s i g n ；3 dc a d ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；v e h i c l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 课题来源 第1 章绪论 本研究来源于国家8 6 3 重点项目子课题“基于国产三维c a d 核 心系统的卡车零部件产品设计”( 项目编号：2 0 0 5 a a 4 1 1 0 2 0 ) 。主要 实现在基于清华大学自主开发的三维数字化设计系统t i g e m s 平台 下，对卡车零部件产品进行了设计和相应软件的研发。 1 2 研究背景 1 2 1 卡车c a d 设计概述 卡车作为一种重要的运载工具，在经济的发展中起着越来越重 要的作用。国民经济的迅速发展促进了卡车工业的飞速发展。能够 以最快的速度上市，以最好的质量、最低的成本、最好的服务来满 足不同顾客的需求，是提高卡车制造企业竞争力的关键。 卡车工业由于具有性能要求高、负荷变化大、技术密集性高、 设计要求高等特点，尤其适合c a d 系统优势的发挥，所以c a d 在卡 车工业中得到了应用。 1 9 6 4 年，美国通用汽车公司宣布了d a c 一1 系统的诞生，这是最 早的c a d 系统软件，是c a d 技术步入实用性的重要标志。2 0 世纪6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的 线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间 的拓扑关系。c a d 系统的功能主要集中在辅助绘图和有限元分析等计 算方面。 随着三维曲面造型系统c a t i a 在2 0 世纪7 0 年代的出现，标志 着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出 来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ，计算机辅助制造) 技术的开发有 了现实的基础，使卡车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型 开发速度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6 年缩短到 约3 年。c a d 技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益，汽车工 业开始大量采用c a d 技术”1 一 经过2 0 多年的研究与发展，逐渐形成了对三维形体进行几何造 型的理论、方法和系统。线框模型是最早被发展应用的( 7 0 年代初) ， 然后是表面模型( 7 0 年代后期) ，实体模型自8 0 年代以来逐渐得到 发展和广泛应用，现已成为三维模型的主要形式。而进入9 0 年代， 参数化技术变得成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设 计上存在的简便易行的优势。p t c 与c a t i a 、i d e a s 、c v 、u g 等大型 c a d 软件在卡车制造业都有了更广泛的应用。 进入2 1 世纪，c a d 技术已经成为卡车设计的主要方法和手段。 c a d 技术在卡车工业中的应用已基本普及。分析我国当前c a d 技术的 应用情况哺】，大致可为4 个层次：基于计算机绘图、产品三维几何 设计的应用层次；基于计算机辅助工程分析进行产品性能设计的应 用层次；基于p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，产品数据管理) 的应 用层次；基于企业信息化平台的应用层次。c a d 技术应用水平的提高 对卡车工业的发展具有极其重大的意义“1 。 1 2 2 三维数字化设计 产品设计的数字化是企业信息化的重要内容。近年来，随着产 品复杂性的不断增长，以及企业间竞争的日趋激烈，传统的产品设 计方法已经很难满足企业当前生存和发展的要求。为了能在竞争中 处于有力位置，实现产品设计数字化势在必行。 产品设计过程本质上是一个对信息进行采集、传递、加工处理 的过程，其中包含了两种重要活动：设计活动和仿真活动。因此产 品设计也可以看作是一个设计活动和仿真活动彼此交织相互作用的 过程。设计活动推动信息流程向前演进，而仿真则是验证设计结果 的重要手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 以三维c a d 为核心的创新设计系统是实现产品数字化创新设计 的总要手段，据国外有关调查报告分析，应用三维c a d 设计可使企 业生产力提高4 6 。取代二维c a d 已经成为企业和技术发展的必然 抽1 。在大量发展二维c a d 和以几何处理为主的三维c a d 系统后。国 际上知名的c a d 软件供应商( 如e d s 、i b m 、p t c 等) 都在投巨资研究 开发具有创新设计能力的三维设计核心系统，以期继续保持世界制 造业的优势和c a d 软件产业的垄断地位。 1 2 3 t i g e m s 三维c a d 造型软件简介 t i g e m s 是清软英泰以三维几何造型核心构件系统t i c o r e 为基 础，以用户具体实际需求为导向，以国际最先进技术为支撑，研发 出的完全有我国自主知识版权的商品化三维c a d 造型系统，该系统 最新版本为t i g e m s 6 0 ，具有草图设计、零件设计、装配设计、工程 图、渲染、有限元分析的功能，并且轻松集成c a e ( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r ，计算机辅助工程) c a m ，拥有强大的国标图库，实用而强 大的排图打印浏览工具，和清软英泰的二维c a d 软件产品 o p e n c a d 紧密集成，能为用户提供c a d c a m c a e 的全面解决方案“1 。 三维造型平台模块将面向卡车设计，针对卡车设计的各种特征， 采用特征造型技术来表征造型实体。各种特征大致可以分为三类： 构造几何特征( 原点、辅助轴、辅助平面) ；辅助特征( 草图、曲线) ； 形体构造特征( 拉伸、回转、扫描、放样、切边、阵列、镜像等) 。 每个零件都通过这些特征构造出来，如图1 - 1 是某变速器的三维造 型。针对每种特征又有4 种基本操作：特征创建、特征修改、特征 查询、特征删除。下面是一些主要的特征操作： 1 ) 草图元素操作。如创建平面，获取平面参数；创建点；创建 直线；创建曲线，创建圆等等，对应于创建功能，当然还有修改， 查修和删除等操作接口。这些接口集提供给了用户绘制草图的功能， 用户通过调用这些功能，可以绘制一些基本图形。 2 ) 形体构造特征。如拉伸、回转、扫描、放样、倒角、切边、 抽壳、拔模、阵列、镜像等操作，用户通过调用这些特征，能够对 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 草图进一步处理，生成一些复杂的三维形体或零件毛坯模型。 3 ) 工程构造特征。如倒角，圆角等比较高级的操作。这些操作 将大大方便用户的使用，使得专业设计用户可以把注意力集中在设 计本身，而不是如何使用c a d 软件上。 4 ) 特征树管理操作。这些接口提供直接对特征树的操作，如增 加特征，删除特征，修改特征等，还有对特征之间冲突情况的检测， 以及提出建议等功能。 5 ) 二次开发及其他a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，应用程序接口) 接口为了适应用户可能提出的更高层 的需求，映泰还提供了二次开发及访问系统数据结构的a p ih 1 图i - i 变速器在t i g e m s6 0 中的三维造型 1 3 卡车零部件设计的研究现状 到2 0 世纪9 0 年代，整车设计由过去以制作比例模型为主转变到 以计算机辅助设计的数据模型为主的阶段。在此阶段，体现三维设计 思想的各种软件层出不穷。通过构造特征和实体造型，三维状态下的 c a d 可以有效地克服在二维状态下无法清晰、直观表达零部件几何关 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 系和运动关系的弊端，产品开发周期普遍缩短，设计质量也得到很大 提高。 如今在世界车身等领域应用较多的c a d c a m 软件包有美国 a l i a s 公司的a u t o s t u d i o 、i b m 公司的子公司d a s s a u l t 的c a t i a 、 c o m p u t e r v i s i o n 公司的c a d d s5 、e d s 公司的u gi i 、参数技术( p t c ) 公司的p r o e n g i n e e r 及m a t r a d a t a v i s i o n 公司的e u c l i d 、s t r i m 等。 这些软件都属于通用机械设计软件，具有较强的曲面设计( s u r f a c e m o d e l i n g ) 、参数化设计( p a r a m e t r i cm o d e l i n g ) 或者混合设计 ( h y b r i dm o d e l i n g ) 功能，并能支持机械制造的全过程，即概念设计 ( c o n c e p td e s i g n ) 极端( 如a u t o s t u d i o ) ，并通过一定的手段将其和 建模阶段结合起来，将平面设计转换成三维模型。但他们大多数不 是专门用于卡车设计的软件，因而对卡车设计过程某些方面的支持 缺乏足够的灵活性”1 。 目前国内市场上已经出现了一些针对卡车系列化产品的专用 c a d 软件，如哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所开发的基 于s o l i d w o r k s 平台的涡轮盘专用c a d c a m 系统，燕山大学开发的 基于特征造型的轴类零件g t c a d 系统，同济大学开展了卡车整车 设计专家系统的研究工作，整个系统在大型c a d c a m 软件 u n i g r a p h i c s 基础上，通过其二次开发工具u g o p e n 进行二次开发 等。这些系统投入了市场，取得了一定的经济效益阻1 。但是总体说 来卡车专用c a d 其实用价值并未充分体现出来，限制其技术进一步 发展的因素可能有以下几方面： 1 ) 由于卡车专用c a d 系统这种复杂大型机械系列化产品的设计 周期长，设计过程繁琐复杂，而目前大多数专用c a d 本身都是针对 设计规则较简单的系列零部件的，如齿轮、轴、夹具等，很少有用 于设计复杂大型设备的专用c a d 软件。 2 ) 虽然国产通用c a d 使用范围越来越广，但是国产c a d 在专用 c a d 的二次开发技术领域仍然落后于国外的c a d 。大部分专用c a d 是 在国外的通用c a d 平台基础上开发的，如a u t o c a d 、u g 等。应用软 件对二次开发的支持已经成为当今软件业的一大趋势，是否拥有二 次开发能力，也已成为衡量软件品质的一项标准，二次开发就作为 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第4 代c a d 系统的一个特色而单独列出。然而，国内开发二次平台 的经验却及其匮乏，这对中国c a d 软件的发展是一大阻碍，也使得 我国c a d 技术落后于国外先进水平“”。 3 ) 目前卡车专用c a d 的知识库框架可移植性不好。专用c a d 的 知识库结构决定了整个专用c a d 系统设计的水平，而目前专用c a d 的知识库组织结构不合理，不能适用于大部分卡车系列化产品的知 识库，例如适合轴系列的知识库结构不适合齿轮系列的知识库。 4 ) 自动化绘图功能不强。已经有一些专用c a d 实现了自动化绘 图功能，但是大部分专用c a d 系统只能运用模板和参数化技术绘制 零件图和比较简单的装配图，对于复杂系统的装配图却无能为力， 或者可靠性很差，自动绘制的图纸错误很多，不能直接投入生产使 用。 1 4 课题工作内容和实现目标 卡车零部件设计系统的实现设计的面广度都很深，本文就以下 几个目标，进行研究： 1 ) 收集整理国内外有关卡车零部件设计系统的现状及其发展趋 势的资料，分析解决基于国产三维c a d 软件的卡车零部件设计系统 研究的重要性。 2 ) 根据卡车零部件设计系统的功能结构和体系结构特点，结合 目前卡车零部件设计的现状和存在的问题，分析基于t i g e m s 的卡车 零部件设计系统的需求和解决方法。 3 ) 通过分析和整理企业对于卡车零部件设计系统的需求，提出 系统的总体设计方案。 4 ) 对以上提出总体设计方案的各个功能模块进行分析，对可能 遇到的关键技术进行研究，提出解决方案 5 ) 研究t i g e m s 通用三维c a d 平台的二次开发技术，利用组件 技术，开发实现整车性能计算程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章卡车零部件设计系统需求分析 2 1 卡车设计的行业特点 过去1 0 年，我国g d p ( g r o s sd o m e s t i cp r o d u c t ，国内生产总值) 年均增长9 3 ，同期汽车年均增长1 5 ，世界汽车产量年均增长 1 5 。这就是说，我国汽车工业的增幅是国家g d p 增幅的1 5 倍左 右，是世界汽车产量增幅的1 0 倍左右，属于高速增长到2 0 1 0 年， 我国汽车市场需求量将为8 0 0 万一9 0 0 万辆，汽车产量在1 0 0 0 万辆 左右，汽车保有量达到5 5 0 0 万辆左右，汽车化水平达到4 0 辆千人。 目前，我国有1 1 7 家汽车整车制造厂，5 5 4 家改装汽车厂，除一 汽、二汽、上汽等轿车生产企业外，不同规格的载货车制造厂家就 有1 0 0 多家。2 0 0 4 年，汽车工业总产值占全国工业总产值5 0 5 ， 汽车总产值5 7 6 2 6 9 7 5 万元，而全国汽车5 0 7 万辆中载货车就有1 5 1 万辆( 不包含三轮货车) ，占2 9 8 8 。 国内载货汽车发展非常迅速，1 0 年前还基本上是一汽、二汽处 于垄断地位，而其总产量也不足1 0 万台，到2 0 0 4 年，全国整车和 改装车已经达1 2 0 0 余家，总产量已经近达3 0 0 万台( 不含三轮汽车) ， 以超过2 0 产量速度增长“。 我国进入w t o 后，客车和轿车行业受国外市场冲击越来越大， 已经纷纷采用了一些先进的设计手段来提高竞争能力，但竞争力仍 显不足，而对中低档载货车行业而言，由于其价格低廉，发达国家 在我国这样的发展中国家却没有市场竞争能力，主要是国内同行间 的竞争。 中低档载货车是适应发展中国家发展的主要运输工具，除了国 内具有广阔的市场前景外，近几年其他发展中国家如：非洲和东南 亚发展国家对我国中低档载货车的需求量也在逐年增加，特别是东 南亚国家需求量非常大，又几乎没有此类车的生产能力，同时，载 货整车厂的发展又可直接带动其配套相关的1 4 6 个行业的发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 目前该行业的设计手段还几乎停留在拼装阶段，企业对设计周 期缩短、设计质量的提高、设计创新的需求非常大，企业急需载货 汽车新的设计手段和方法来提高设计质量，加快产品的开发周期 【1 2 】 2 2 卡车零部件产品设计手段的现状和存在的问题 2 ，2 1 产品设计与生产现状及特点 四川省某中小型汽车制造企业，该企业下属四个专门从事整车、 专用车、驾驶室、车架等车辆及重要部件制造的子公司；建设有完 整的冲压、焊接、涂装、总装四大工艺装备生产线和电脑整车检测 线( 二条总长2 3 0 m 、2 0 0 m 的轻卡和中重卡总装生产线，总长3 5 0 m 双组份阴极电泳功能的涂装生产线) ；产品涵盖载货汽车、自卸汽车、 专用汽车、客车及底盘。 该企业属于多品种小批量的生产企业，企业产品型号多，品种比 较全主要是根据销售订单进行生产。技术部现有技术人员5 0 余人， 主要负责整车设计、电气设计、整车工艺设计等，其技术中心的组 织结构图如2 - 1 所示“” 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 整车研发部 工艺保簿部 货 箱 及 液 压 系 统 工 作 室 图2 - 1 技术中心组织结构图 企业以前使用过a u t o c a d ，产生了大量a u t o c a d 格式的图纸，目 前采用的二维c a d 主要是c a x a 电子图板三维软件采用的是清软英 泰的三维c a d 。企业技术部建立了局域网，快速完成了企业的甩图板 工程，图纸几乎采用二维绘图软件进行，建立了专门的资料室，对 各种设计二维图纸和技术资料的纸质文档和电子文档进行统一管 理。同时采用高度的模块化系列化设计手段，按照国家汽车行业相 关标准，将组成车体的各个部件组合成为若干个模块。销售部门根 据技术部提供的配置单，根据客户要求进行具体的产品配置，技术 部门根据销售部门提供的详细配置下达具体的生产任务并配发相应 图纸。 新产品设计主要是在原有模块的基础上进行变型设计和系列化 设计。根据市场的需求情况，首先确定新车型设计方案，然后将设 计任务下达到技术部，安排具体设计人员图纸设计完成后由主任工 程师进行校对，然后由技术部长进行签审 设计时采用系列化、模块化的设计手段设计人员接到设计任务 后，找到相应的模块，然后在原有图纸上完成设计。零部件通用性 强，借用比较多。 1 限惜旧 一 目 - 1 制动系统工作室 一i车架爱悬槊秉统工作室一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 工艺文件主要是整车装配工艺，也有少量机加、冲压工艺。 企业图纸、工艺更改量比较大。更改一般由技术部门提出申请， 经技术部领导同意后方可进行更改，如遇到方案或者结构性的更改， 需提交总工程师同意后方可更改。更改时，需要将底图和电子图纸 一同更改。 2 2 2 产品数据管理现状及特点 技术部人员流动性比较大，为防止因为人员流失造成的设计资料 外泄，技术部有专人负责备份和保管纸制以及电子图纸： 纸制图纸一般交由资料室按照车型类别和模块进行统一管理。电 子图纸则由资料室共享一个移动硬盘，移动硬盘上按照车型和总成 的名称设置文件夹，要求设计人员将完成的工作自觉放入移动硬盘 上相应的目录中去。移动硬盘上图纸更新时，同时更新产品目录。 移动硬盘每日上班时接入网络，下班后统一保管在保险柜中。原 则上，只有包括技术部长在内的2 个人能获得全套的图纸。 同时，为避免技术人员保留在本机的图纸外泄，技术部借助管理 手段，不安排某技术人员长期从事一个固定模块的设计工作。由于 产品变化非常快，设计人员保留在本机的图纸很快就会变成无效图 纸。 2 2 3 企业信息化的现状 近年来，企业本身自发地期望在短期内明显提升企业信息化水 平，并在与四川省制造业信息化生产力促进中心等单位合作过程中， 已经初步建立和应用了信息化管理系统，企业希望能够在此基础上， 发展其先进的设计手段，设计与系统与信息管理系统的关系如下图 2 2 所示1 ”。 企业顺利推广了a s p 平台，该平台能够实现在线产品配置，供 应商管理、销售商管理、维修管理等功能。销售部能够通过a s p 平 台，按照技术部提供的产品目录，按照功能模块在线进行产品配置， 并将相应的产品配置表提交给技术部。技术部根据销售部提供的配 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 置表组织设计生产。 8 8 8 图2 - 2 设计系统与信息管理系统关系框架 由于企业迅速发展，企业内部管理系统纷纷实施，企业技术设 计部门原来的产品设计手段和设计管理过程都逐显弊端，产品品种 的创新需求和市场反应速度的提升需求，更进一步要求先进的设计 手段。 2 2 4 现行系统主要问题分析 通过对企业现行设计部门的设计处理流程和相关设计方法、手 段的分析，我们认为，企业在设计过程中仍旧存在以下一些问题： 1 ) 现有设计流程不合理 目前公司的设计部门主要按车型设计来组织人员，每个车型都 由一个主任工程师和几个设计人员组成，并独立完成设计和开发工 作，而不同车型的设计人员问交流很少，非常独立。但不同车型间 存在大量借用件、类似件和标准件，总成也有相同和类似的情况， 而且某个车型一旦出了问题，哪怕是同类性质的，也只能是该车型 的人员才能出面解决，这样既造成了图纸冗余、人员浪费，更使工 作通用性降低。 2 ) 设计手段和方法跟不上企业发展的需要 目前，公司技术部采用电子图版c a x a 进行二维绘图。c a x a 的使 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 用，使公司技术文档的修改、保存、交流和管理都更加方便和有效。 但是，随着公司的不断壮大，业务不断发展，很多设计阶段必须解 决的问题用二维设计手段已经无法再解决，这已经成为与其他阶段 交流的瓶颈“。”1 。如：二维图纸无法在设计时期发现零部件的装配 是否干涉，而要等到试制阶段，等零部件买回来，装上去后才能发 现，再来修改图纸，造成了极大浪费，诸如此类的问题造成了公司 在时间、人力、物力和财力上的极大浪费，经常还对市场反响造成 不良影响。 设计规划和任务分解主要靠经验。车型的总体布置，部件结构 和连接关系的安排主要靠技术骨干的经验进行，这样，人员的流动 给公司带来巨大损失，任务的分解也没有相应的科学辅助手段，难 免造成人员工作负荷不均衡等。 简化计算和经验判断对主要的受力构件计算和分析使成本上 升，整车性能下降。主要受力构件如车架等是三包件，返厂率非常 高，而目前对这些受力构件进行计算分析，均是依赖于手工简化计 算法和经验来增加材料采用手工简化计算法对受力构件如车架等 高次超静定结构进行计算时，未知数繁多，运算过程极其复杂，而 且，计算时的假设条件和实际的受力情况有很大的出入，这样的计 算结果与实际的受力情况有较大的出入，因此不能很好的指导生产； 经验性地增加材料不仅使材料不科学的增加，成本上升，而且使自 重增加，整车性能下降。 设计过程信息交流靠口头或纸质传输，影响了交流的速度，并 且难以达到随时、准确地传递信息的作用。 信息化与手工交流的矛盾。信息化与手工交流的矛盾不仅存在 于技术部内部，还存在于技术部与其他部门之间的交流。技术部内 部二维电子图纸与图纸手工管理的矛盾，计算机二维绘图与纸质审 图的矛盾等造成交流不畅、信息不一致、效率低下技术部信息传 递上与其他部门还没有形成集成的信息化交流接1 3 或平台，使其与 其他部门的交流成为影响工作效率和准确性的一个瓶颈。 设计过程管理没有实现信息化管理。目前，技术部对设计过程 管理信息化程度如图2 3 所示，从任务下达，到任务管理几乎都是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 手工过程，只有在设计任务中设计人员间互审设计，以及设计的结 束阶段，才采用了信息化的手段，而虽然在任务归档环节采用了电 子文档的管理方式，但并没有专门的管理系统来完成电子文档信息 化管理，并且很多过程都是单向过程。这样造成了以下的几个突出 问题： 从设计文件查找困难，其它设计资料，如方案设计、方案评审、 结构计算等更难查找； 由于设计人员不方便查找历史的设计资料，又缺乏有效的控制 机制，难免出现重复设计和一物多图，一物多号的情况。 缺乏完整有效的版本管理，难以跟踪产品数据的动态变化时 间长后，既无法分清最后的正确版本，也无法追溯版本的更改过程； 没有方便有效的产品结构管理，产品配置和各种数据报表都需 要人工完成，使得生产部完成车型的b o m ( b i l lo fm a t e r i a l ，物料 清单) 周期长，也很难保证其正确性； 产品数据全部保存在文件服务器中，容易被非法调用、复制和 修改，安全性无法保障； 图2 3 目前设计管理流程 4 ) 工艺设计手段落后 工艺设计手段落后，目前还处于手工填卡阶段，工艺过程的规 范性差，工艺信息的统计分析困难，如刀具、夹具、材料定额等需 要手工汇总，难以及对的为物流系统提供有效数据，影响整体的生 产效率； 5 ) 设计对其他部门的支持手段薄弱 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 总的来说，设计对其他部门的支持手段相对落后，部门间形成 信息孤岛，信息共享困难，设计部的图纸资料，与其它部门如工艺、 售后等难以调用和共享，突出的主要有以下几方面： 从与物流管理系统的集成来看，已有的二维设计软件和物流管 理系统没有相应的接口，从设计文件到物流管理之间的数据传递还 不能直接进行，缺少一个将设计数据提取出来传送给物流管理系统 的中间平台。 、从与生产部门的交流来看，图纸变更缺乏有效控制，与生产部 门没有有效的交流途径，导致设计信息的更改无法及时传递到生产 部。 7 从设计对销售定制的支持来看，目前，还主要是通过文档形式 的定单和回访记录来完成定制信息的收集、整理和反馈，设计对销 售定制的支持能力太弱，客户思想的表达和回应需要以一种更直观、 方便的方式来完成。 从设计对售后的支持来看，公司承担售后服务的几百家服务站 分布在全国各地，每天都有很多问题需要得到技术部门的支持，如： 零部件名称、规格、代码、具体的实体形状，零部件的装配关系和 技术指标，这些问题目前都只能通过简单的电话或者邮件、甚至需 要派技术人员现场指导来实现，显然，这样的方式效率低下而且增 加了企业成本。 2 3 卡车零部件设计系统的需求信息 经过对四j i i 省某中小型汽车制造企业的调研，为满足卡车零部 件设计的需要，开发一个专用的卡车三维c a d 设计系统，应满足以 下一些功能需求： 2 3 1 基于参数化造型技术的三维基本造型功能 变量化设计技术采用联立求解的数学手段，可更好的满足各种 约束条件的计算，可以解决任意约束情况下的产品设计问题，不仅 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 可以做到尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，也可实现约束驱动 ( c o n s t r a i n d r i v e n ) ，这对产品的结构优化是十分有意义的。在变 量化技术中，工程关系可以作为约束，直接与几何方程耦合，最后 统一解算。变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理，这种思想 使设计过程能以欠约束的方式进行，操作者可先决定所感兴趣的形 状，然后给一些必要尺寸，尺寸是否不全不影响后续操作。可在设 计的中后期再完成对形状尺寸的全约束。 变量化系统的指导思想是：设计者可以采用先形状后尺寸的设 计方法，允许采用不完全的尺寸约束，只给出必要的设计条件。这 种设计思想给了设计者更加灵活的设计空间，使设计者在设计初期 不必过多考虑尺寸因素，而是先从全局形状进行考虑，再慢慢完善 细节尺寸，从设计上更加贴近设计者的创造性思维过程。由于变量 化系统的特点，使变量化系统的应用领域也更为广阔。除了一般的 系列化零件设计，此系统在做概念设计时也能发挥很大的作用，比 较适于新产品开发、老产品改型等创新式设计 参数化设计方法和变量化设计方法具有各自的适用范围，用户 可根据自己特定的设计要求进行取舍。当前基于约束的设计方法研 究趋向于将两者有机结合起来，以发挥更大的效益。一般情况下， 把基于约束的设计方法简称为参数化设计。 参数化设计系统方程的建立和求解依赖于创建它们的顺序，每 个几何元素根据已知的几何元素定位，编程人员预先设置一些几何 图形约束，然后供设计者在造型时使用。系统调用这些预设约束的 组合，以确定各几何元素的相关位置。参数化方法注重于几何图形 元素的邻域，适用于完全特征化的设计问题，即无需在设计方案上 做重大改变的问题，如具有明确层次依赖关系的装配体设计、标准 件库设计等。 参数化造型技术具有如下的技术特点“”： 1 ) 基于特征参数化造型的技术将某些具有代表性的平面集合形 状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以 此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。 2 ) 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全 约束) ，既不能漏注尺寸( 欠约束) ，也不能多注尺寸( 过约束) ； 3 ) 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改 变。 z 4 ) 全数据相关：已和尺寸参数的修改将导致萁他相关模块中的 相关尺寸得以全面的更新。 图2 - 4 参数化造型技术求解步骤 参数化造型技术是三维c a d 技术上的极大进步，它彻底克服了 自由造型的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式被控制。如果需 要修改零件形状，只需要编辑尺寸数值即可实现形状上的改变。 2 3 2 基于知识的标准件、常用件库 基于知识的c a d 系统是将知识工程( k n o w l e d g eb a s e d e n g i n e e r i n g ，k b e ) 技术和计算机辅助设计理论相结合的综合性技 术，它使c a d 系统利用计算机延伸以创造性思维为核心的人类专家 的设计能力，尽可能地实现设计过程的自动化n ”。与传统c a d 系统 不同，基于知识的c a d 系统是面向整个设计过程的开放式体系结 构，它不局限于某些设计环节的自动化。基于知识的产品模型包含 了从需求定义、设计、分析到制造所需要的所有信息，并集成多种 知识表达动态性、层次性、上下文相关的领域深层知识。系统的推 理机制与问题求解方法紧密结合，体现出高度集成的智能化设计环 境，能适应工程设计的数值计算和知识推理交替进行的需求。基于 知识的c a d 系统能够对设计任务和设计过程进行恰当的分解，以适 应设计任务的多层次，设计过程多阶段性的特点“”。 专用c a d 系统需要设计知识才能工作，知识的质量和数量关系 到系统的专业化程度，知识的描述方法决定知识库的质量，而知识 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 库结构则决定系统的效率和知识库的容量，甚至决定系统的成败。 知识库部分是整个系统的关键，知识库框架和结构决定了专用c a d 在设计推理过程中的可靠性和推理效率。 在卡车设计中，设计经验都要通过知识来体现，而基于知识的 标准件库和常用件库就是这种体现在c a d 系统中的表现形式之一， 构件库是实现产品快速原型的重要途径。通过构件库的参数化设计， 可以大大减少系列产品设计的重复劳动，提高设计效率。构件库包 含了严格的工业标准，通过构件库，有利于标准的贯彻与执行，也 可以使设计知识共享，提高了产品的设计能力如图2 - 5 是一个典 型的基于知识的c a d 系统体系结构 产品设计人斑 图2 5 一个典型的基于知识的c a d 系统体系结构“” 针对卡车设计来说，一部卡车有将近2 0 0 0 多个零件。其中绝大 部分零部件都是标准化的，满足不同层次的工业标准。对于不同的 车型或者是同一车型的不同版本，绝大部分零部件是相同或者相似 的。通过建立卡车构件库，可以极大的提高卡车的设计效率，减少 数据冗余，深化标准的执行程度。 标准件库帮助企业在产品设计开发过程中进行零部件的统一和 优化，实现零部件的通用化、标准化。同时，能和产业链上游和下 游进行交互设计以及订单处理。 标准件库的建立可以有效地积累设计成果，实现在设计过程中 对已有设计资源及成果最大限度的重用，提高了设计质量与效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 3 3 设计对售后的技术支持 企业技术部和售后部门在自身的运作过程中，也意识到了这些 不足，希望对目前技术对售后的支持体系进行改造，使技术部既能 有效的对售后进行支持，同时又不至于耗费大量的人力成本和时间 成本。 企业针对技术对售后的支持，提出了如下的需求“”： 1 ) 希望在技术对售后进行支持时，采取数字化的手段。 企业的技术部和售后系统分别实现了数字化，但是两个部门进 行业务联系时却还是使用较落后的手工文字手段。该方式效率低、 不直观，和企业的信息化状况不相适应。所以在这次改造时，企业 希望能实现技术部们和售后部门的数字化对接，使两个部门之间进 行业务往来时也采取数字化的手段。 2 ) 希望在获取零部件信息时，可以获取零部件的图形信息。 目前，企业在零部件的编码上还不太完善，存在一件多码的情 况，一个零件，技术部一个编码、而售后部门又是另外一个编码， 因此在调拨零部件时，时常会产生错误。因此，售后部门和技术部 门都希望各方在进行业务往来时，不仅要提供零部件的编码，而且 要提供相应的图形信息，这样既有编码，又有图形，就能大大减少 调拨的出错率。 3 ) 在指导服务站的装配和维修时，能提供相应的装配图。 近年来，企业的新车型大量推出，目前，共有车型3 0 0 多种。 新车型的大量涌现，也给各地服务站的维修带来了一定的困难。一 些原来已有的维修经验不在适用于新的车型，因此他们就迫切希望 技术部们能进行相应的技术指导。现在，公司的技术部采取文字的 形式进行指导的，据售后服务站的反映，这种方式不直观，尤其是 遇到复杂的零部件时，很难确切的获取技术部的意图。所以他们迫 切希望能技术部在进行指导时能结合相应的装配图。 4 ) 能有效节约技术部的人力成本。 技术部以现有方式支持售后系统时，暴露出了人力成本较高的 缺点。每年企业技术部均要耗费大量的人力资源，用于支持售后系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 统，从而影响了新产品的开发进展。因此，在这次改造时，技术部 提出了能有效减少技术部人力投入的需求，实现以较少的技术人员 支持好售后服务系统的工作。 企业的产品销售到全国各地，因此，他们的售后服务也是遍布 全国各地。他们在各个销售地点建立售后服务站。售后服务站的主 要作用就是对销售到各地的卡车进行售后的服务，比如了解当地的 卡车的运行情况，对出现问题的卡车进行维修等工作。售后服务站 对于卡车的设计的需求有很多，因此必须建立设计对于售后服务的 技术支持。服务站的分布在地域上的广泛性，造成现有的设计对于 售后的技术支持系统的缺陷，而且，这种地域上的限制将没法改变， 如果只是靠现在的电话、传真等联系进行售后服务，显然不能够满 足要求针对企业的目前的设计对售后服务的支持系统，不能够满 足现在高速发展的数字化设计的需求。必须改进现有的支持方案， 设计一套新的技术支持方案，以解决现有的缺陷。 2 3 4 卡车整车性能计算模块 卡车的总体布置、整车和总成的设计参数以及他们之间的匹 配，对卡车性能有决定性的影响。为了提高设计质量、缩短研制周 期，在总体布置开始之前就应对整车和各个总成的参数进行优化选 择、合理匹配，对整车和个总成的性能进行初步预测。当整车方案 和各总成的设计参数确定以后，还要根据个总成、部件设计所提供 的具体参数数据对整车性能尽快地作出全面、准确的预测，以便尽 早发现