機械制造協同設計體系的構建研究

盛洪林

摘 要：協同設計最大的難點是對各個獨立設計環節的有序整合與銜接。本文對CAXA機械制造控制系統搭建協同設計平臺的具體方法、設計流程、關鍵技術進行了分析論述，以期滿足協同設計對數據兼容、數據安全的需要。

關鍵詞：機械制造 協同設計 關鍵技術

在傳統制造業領域，機械制造從產品設計到成品出廠，涵蓋結構設計、控制設計、工藝設計、樣機試制、設計完善、正式投產等多個工序。通常機械制造設計周期長、工序多、組織銜接與融合復雜，尤其是在“串行”設計思路下，各工序需要順序執行，而一旦某工序出現設計錯誤，可能導致后續多道工序翻工。

協同設計理念是將現代信息技術、大數據、云計算平臺作為設計創新支撐，借助并行工作方式來實現對不同工序、不同項目、不同任務之間的有效協同，利用交互設計規范，充分利用數據重用技術、虛擬仿真技術，來化解傳統設計的“串行”弊端，提高設計協同效率，提升設計質量和效益。

一、機械制造協同設計的支撐技術

在協同設計中，考慮到機械制造設計行業特點，需要對機械制造的各個過程、環節進行協同。在每個階段，所需數據雖然是不完整的，但是可以通過數據模型、數據管理來實現數據共享。支撐技術的運用，主要包括過程重構技術、數字化產品技術、CAD/CAM/CAPP集成技術和產品數據管理等關鍵技術。

1.過程重構技術

在過程重構技術中，協同設計能夠從全局設計視角，對各個環節的設計過程進行管理，并提出不斷改進和優化的方法。其思路為：能夠根據設計需要重估設計流程，強調用戶設計目標，面向制造、面向裝配、面向用戶。其核心有三方面：一是根據設計需求從零設計，構建新的設計過程;二是根據過程進行重新設計，而非局部修改;三是根據用戶需求，重新設計產品。協同設計在機械制造設計中的應用，就是要對現有機械產品設計開發流程進行優化、重構，使其能夠滿足設計需要。

2.數字化產品技術

在機械設計模型與設計技術領域，CAD、CAM等模型化軟件的發展，為機械設計創新帶來重大變化。分析機械設計模型，從幾何模型、特征模型、集成產品模型的變化，相應的建模技術也從單一到復雜逐漸形成。可以利用計算機語言來完成表達產品的定義，但產品幾何信息是整個產品設計的基礎，也是關鍵點。如線框模型設計，結構相對簡單，易于表達自由曲面產品設計，但不利于對復雜構造零件的幾何表達。表面模型相對線框模型更豐富，但其在構造復雜的產品設計中，也存在不足。實體模型是融入了實體幾何法、小平面邊界表示法、拓撲邊界表示法等造型方法來實現對復雜構件的仿真設計需要。

3.CAD/CAM/CAPP集成技術

隨著CAD/CAM/CAPP技術的不斷發展，越來越多的研究成果應用其中，也推進了CAD/CAM/CAPP集成系統的快速更新。如美國EDS公司的UnigraphicsII、SRDC公司的I-DEAS、IBM公司的CATIA。運用這些軟件技術能夠實現對復雜曲面、精度曲面實體造型的加工與設計，能夠從參數化造型、裝配模擬、加工仿真等領域發揮優勢。同時，依托CAD/CAM/CAPP技術優勢，可以引入協同開發理念，實現各部門、各分工的有效協作。

二、機械設計協同技術的構建過程

1.遵循機械制造規律，明確協同設計分工

在機械設計領域中，大規模、流水線生產制造工藝升級，以小批量、個性化設計制造為特點，更需要關注機械制造設計各個環節的協作與交互。

一方面注重專業化分工與協作，結合機械制造行業及產品設計實際，明確各崗位、各設計人員的職責，并建立統一網絡平臺下的協同機制。另一方面，注重設計任務的協作，依托設計任務，從設計過程入手化解其中的沖突與矛盾，實現設計工作相互制約。另外，在協同設計中，要突出過程的動態性，要協同各方設計進度，優化設計工藝，并協同解決其中的。設計人員借助信息交互平臺，通過同步或異步協同信息交互確保實現機械設計的整體性目標。

2.基于CAXA協同設計系統的部署

根據機械制造協同設計要求，建立基于CAXA系統的機械制造協同設計平臺，該平臺由數字化設計軟件、數字化制造平臺和協同管理平臺構成。在協同設計平臺上，數字化設計平臺由實體設計、電子圖版等設計軟件構成，也是設計人員進行設計實踐的重要基礎。其中包括各類設計圖樣、圖表、機械設計工藝等軟件，并提供與數控設備、數控制造、線切割等關聯的制造軟件。

利用機械制造協同設計管理平臺，可以實現對產品數據管理、CAPP軟件設計、MES生產制造系統軟件的應用，利用協同平臺所提供的各類資源信息，更好地協同機械制造產品設計過程，滿足對各類設計信息、設計圖紙、設計文檔、設計數據的高效利用。同時，根據協同平臺，對機械制造設計工作流程進行優化和規范，結合CAPP計算機輔助工藝過程設計軟件，來化解傳統機械設計低效、一致性差矛盾。

另外，結合生產制造執行系統軟件，可以從機械產品設計需求訂單到產品設計完成整個流程實現現場管理。借助協同設計平臺對各類軟件、電子數據的整合，可以滿足對設計數據的查詢、對相關標準規范的引用、對圖紙的打印等功能，還能從設計數據的共享、設計工作流程的優化上提升機械設計效率。

3.細化協同運行流程，增進交互設計

在機械制造協同設計系統運行中，圍繞電子倉庫，將與機械設計相關的各類圖紙、文檔、數據、標準等信息進行集中、統一存放和管理，便于設計人員能夠結合設計需要，訪問并應用相關數據。

在協同設計業務流程中，根據設計任務，分析訂單類型，并參照相關設計流程進行設計。如對于改進型設計任務，可以通過查詢相關電子倉庫，獲取相應設計文件及圖紙內容，直接對相關圖紙或設計文件進行修改、存儲，從而獲得快速、高效設計目標。對于全新設計訂單，結合設計要求及規范，對相關設計文件、圖紙、數據進行提取，在電子倉庫中新建機械零部件，并按照相應模型、工藝進行設置，參照機械制造設計規范進行全新設計。設計完成后要對設計文件、圖紙等信息進行存儲，以便再次使用。利用協同設計系統平臺，可以根據不同的機械制造設計任務，進行新建、入庫、出庫、發布、歸檔等處理。同時，根據機械設計任務的不同環節，對相關設計數據和信息進行處理。

另外，在機械制造工藝編制上，引入交互設計模式對機械加工、鑄造、鈑金、焊接、熱處理、裝配等不同工藝類型進行專門化設計，并根據相應設計標準、規范要求，輸出各類相關統計報表和數據文件信息，交由網絡DNC傳送給數控加工設備中心。最后對加工后的設計文件進行反饋，傳送給協同機械設計系統中，留存歸檔。

整個CAXA協同設計系統平臺可以對各工序、各工作流的執行進行控制，能夠滿足節點授權，利用協同監控工具可以對各環節、各設計人員的工作進度和狀態進行查看、監督。

三、基于CAXA協同機械制造設計系統在運行時存在的問題及解決方法

1.存在問題

協同設計在機械制造中的應用，考慮到機電設備制造的多樣性、復雜性的實際情況，在進行協同設計管理中還存在一些不足。筆者結合CAXA協同設計系統的運行現狀，對其存在的問題梳理如下。

一是協同設計系統自身涵蓋了諸多設計環節，包括知識庫管理、工作流管理、變更管理、電子簽審、系統集成等內容。各設計節點、不同操作系統、不同設計人員在使用設計軟件時，可能會出現圖紙格式不統一、工藝表格不規范、技術文檔選擇不兼容等問題，這些問題在進行人工轉換時，反而會帶來設計圖文檔案信息的混亂。特別是在設計人員較多時，可能出現的問題更多，管理難度更大。

二是在進行協同設計中，由于設計人員的流動性、臨時性，對設計任務、設計項目、設計過程中的數據交互較多，由此帶來的數據安全性問題突出。

2.解決方法

從機械制造協同設計目標來看，引入協同設計，旨在提高機械制造設計效率。對于存在的問題，需要我們從技術、規范、制度等方面進行化解。考慮到協同設計系統的安全性、穩定性、可持續性要求，我們對整個協同設計系統進行虛擬化處理，利用虛擬云桌面與CAXA協同系統進行融合，更好地化解格式不統一、不規范、不一致的難題。

在運用協同系統時，設計人員通過虛擬云桌面來訪問設計軟件，并對相關權限、角色進行配置，確保數據安全性和一致性。另外，利用云技術，可以實現對虛擬協同設計平臺的構建，還可以滿足遠程用戶的登錄使用。用戶不再受限于操作系統、應用軟件，更好地解決了數據不兼容問題，也讓協同設計效率獲得提升。

四、小結

協同設計在現代機械制造業的應用，以新行信息技術創新為支撐，實現了對傳統機械制造設計、生產、制造模式的變革?；贑AXA協同機械制造設計平臺能夠實現現代生產制造、虛擬仿真技術的融合，特別是利用虛擬云桌面技術，可以更好地改進和完善機械制造協同設計方法，提高協同設計的可靠性和穩定性。同樣，隨著科技的創新，對機械制造設計而言，我們還要結合學生專業方向、學科發展特點，積極協同教學目標與課程改革的關系，幫助學生從協同設計中掌握機械制造設計的要點，化解學習難點，提高學生的動手操作和實踐能力。

參考文獻：

[1]朱賢斌，浦玉池，胡益鑫.關于機械工廠PDM、ERP、MES協同平臺設計的研究[J].工程建設與設計， 2018（5）.

[2]李濤.探析協同設計在工程機械設計中的應用[J].電子測試，2017（2）.

[作者單位：紹興技師學院（籌）]