機車企業集團級標準件庫建庫關鍵技術研究*

柳少華，孫 華，韓彩夏

（南車青島四方機車車輛股份有限公司 信息技術部，山東 青島 266111）

中國機車車輛行業作為典型的現代制造企業，在全球經濟一體化環境下，正面臨著產品交貨周期縮短、產品加工成本降低、質量提高等壓力[1]。為此在使用CAD技術和軟件進行產品設計的過程中，需要合理有效地處理設計過程中的重復設計。使用標準件和通用件進行產品設計，實現了避免重復設計、保證產品數據唯一、提高產品質量的目標，標準件和通用件的使用已經成為衡量機械制造業考核產品設計質量的重要指標。

目前我國的機車車輛行業已經建立了企業級或產品級的標準件庫，這些標準件在機車設計、制造、檢修過程中發揮了重要的作用。由于各單位根據本單位的需求建立標準件庫，在標準件庫的建設和應用上出現了重復設計、標準化和規范化程度不高、標準件庫的動態管理和維護規范缺失、數據異構等問題[2]，因此需要建立集團級標準件庫以及相應的標準件庫管理和使用規范，實現集團級知識積累和重用。最大程度地降低產品開發成本，提高產品設計質量和效率，提高企業競爭力。

1 機車車輛企業三維標準件庫使用狀況

在產品開發過程中使用標準件能節省大量的設計成本，同時，標準件的使用極大地節省產品的制造成本。隨著現代制造業和工業技術的飛速發展，工業標準化程度的不斷提高，工業分工日益細化與協作程度的日益加深[3]，機車車輛行業標準件化程度也在不斷的提高。

目前，用于機車設計的標準件很多，以某動車組中的一輛車為例，該車所有零件數為196 759，其中標通件數為55 113，標通件數量占整車零件數的28.01%。機車使用的標準件類型集中在 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多種標準號的近10 000種規格的標準件。表1所示為該車標通件使用情況分析。

表1 標通件使用分析表

2 集團級CATIA三維標準件庫建庫關鍵技術

在已有標準件庫基礎上，深入分析和挖掘集團級產品結構信息、標準件信息和應用需求、標準件的使用狀況等，構建集團級CATIA三維標準件庫產品[4]。構建集團級標準件庫關鍵技術如下：（1）根據集團下各單位標準件庫的建設與應用需求，界定標準件庫的范圍及分類信息；（2）確定標準件屬性信息，形成標準件設計模板，以規范標準件基礎數據；（3）參考集團層面三維設計的相關規范確定建立CATIA的標準件模型的一般要求。

2.1 確定標準件分類及范圍

標準件種類繁多，數量龐大，而在實際應用過程中使用頻率高的標準件種類和數目相對比較固定。分析目前機車行業產品特點以及標準件使用狀況及集團下各單位使用標準件的狀況，構建含有GB、TB、通用件同時兼顧HB、JB、QB的集團級標準件庫。標準件庫的基礎結構圖如圖1所示。

圖1 CATIA三維標準件庫結構

將功能、目的、設計或特征相似的標準件組織為一類。利用分類結構樹，用戶可以利用分類信息直觀快捷地找到所需的零件。標準件庫的分類結構及分類管理對促進標準件的使用、促進設計重用、減少查詢標準的時間及減少重復設計有重要意義。分類管理的意義有助于企業提高標通件的使用，提高標準化水平，降低設計成本。本標準件庫按標準類型分類。

2.2 標準件屬性信息

根據集團層面的標準件管理和應用現狀，定義標準件的基本屬性信息包括ID號、名稱、規格型號、材料、單重、標準號等信息。屬性信息作為模型管理的關鍵字，為避免出現復合關鍵字，屬性信息盡可能拆分成具有明確意義的單一屬性。標準件基本屬性信息見表2。

表2 標準件基本屬性信息

決定一個標準件的信息除了基本屬性信息還需要尺寸參數信息的支持。一個完整的標準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展屬性信息。完整的標準件屬性信息構成如表3所示。

表3 標準件屬性信息構成

2.3 模型定義的一般要求

標準件最終需要應用到集團下各單位的PDM系統，但是考慮各單位的PDM系統不同及設計軟件版本不同，因此模型屬性名稱定義不同，模型屬性與PDM系統中零組件屬性之間的映射關系不同。因此，建立集團級標準件庫需要定義標準件建模模板，建立屬性之間的關聯關系，保證屬性信息完整，確保本標準件庫中的產品最大限度地適用于不同單位的PDM系統。

標準件建模的一般要求如下：

（1）建模的軟件環境要求：制定統一的標準件建模模板，該模板規定了標準件的基本屬性信息、擴展屬性以及相關參數屬性等信息，并規定了屬性之間的關聯信息。如：Name=ClassName+Specs+SurfaceTreatment+PerformanceLevel。

（2）屬性填寫要求：件零件號（PartNumber）是零件唯一標識，PartNumber屬性名稱中，不能出現空格、中文、斜杠等內容，零件物理文件名稱、設計表名稱保持一致；根據標準件圖紙要求，把模型相關的所有特征用參數體現出來，參數要求有意義，盡可能使用標準件圖紙標注的驅動尺寸，不得隨意增加控制尺寸；創建完成基準零件后要定義各參數。定義ID號、名稱、材料、規格、單重等屬性。

（3）設計表命名要求：設計表要求名稱和零件名稱相同，使用excel創建。

（4）草圖要求：基準零件的模型草圖要“全約束”，草圖上的約束尺寸要和已經定義的那些參數相關聯。

（5）種子文件的創建應嚴格按照三維建模相關規范執行。

3 CATIA三維標準件庫創建流程

基于CATIA的標準件庫中，數據模型為以子圖（detail）形式存在的實體零件。每一種標準件的所有規格，都需要事先在子圖中生成相應的實體模型。對于規格多的標準件來說，可以通過參數化建模，后應用基本屬性參數和尺寸參數建立設計表，通過修改設計表的值驅動生成不同的實例模型[4]。CATIA的知識工程提供的Formula功能、Design Table功能和Catalog功能創建標準件庫。用戶通過定義特征、公式、規則和檢查、產生Parameters（參數）、Design Table（設計表）、Formula（方程）以及 rules（規則）等知識對象，實現參數化設計，最終應用Catalog功能將參數化的標準件系列添加到Catalog標準件庫[5]。

基于CATIA V5的標準件庫創建流程如圖2所示。

圖2 標準件建庫流程

3.1 參數化創建標準件模型

對標準件分類以后，利用CATIA軟件對標準件進行實體建模，實體建模過程中必須使用事先制定好的軟件環境和軟件模板，實體建模必須嚴格按照標準圖紙的要求定義尺寸參數。零件建模過程嚴格按照參數化設計的要求[6]。CATIA軟件提供了參數化設計的工具Formula功能，利用 Formula功能創建 Parameters，并建立參數與實體之間的聯系，尺寸參數包括描述零件特征尺寸、特征與元素之間的關系等。參數化建模需要定義約束關系，模型實體需要全約束，但同時不能出現過約束[7]。

標準件參數化建模步驟：

（1）首先進入零件設計（Part Design）模塊。創建草圖及三維實體模型，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功能創建參數。尺寸參數必須嚴格按照標準圖紙標注的尺寸，不得隨意添加和修改參數。

（3）創建參數與實體尺寸之間的函數關系。

3.2 創建設計表

同一系列的標準件，尺寸上的區別由尺寸參數的值決定。通過Design Table功能建立參數化實體模型的設計表，定義設計表的屬性參數和尺寸參數，包含PartNumber（ID號）、Name（零件名稱）及尺寸信息等[6]。設計表保存成excel數據表格式，該excel表作為CATIA文檔的外部數值，通過修改該表的值驅動生成不同的實體模型。

3.3 創建Catalog庫文件

CATIA的標準件是通過Catalog來管理的，Catalog由章節（Chapter）、系列（Families）組成標準件庫的數據結構。將帶有設計表的標準件模型導入Catalog相應的系列中，根據設計表中的值解析成不同型號規格的單個實例模型[8]。通過瀏覽Catalog庫，可以快速預覽標準件模型實例，Catalog的“章節”和“關鍵字”等對模型進行分類管理。創建Catalog庫的步驟如下：

（1）在 CATIA里創建 Catalog文檔。

（2）將含有設計表的模型添加到Catalog文檔的對應分類下。

（3）加入描述等，生成 Catalog庫文件。

本標準件庫覆蓋含有ISO、GB、TB、其他標準件、通用件的緊固件、機構件、管道件等零件類型。本標準件庫采用三級結構示意圖如圖3所示。

圖3 標準件庫結構圖

標準件庫是信息資源的重要組成部分，對產品開發、生產具有重要意義。目前，國內很多機車企業采用CATIA作為產品設計的CAD軟件，CATIA軟件自身強大的知識工程和參數化建模的功能為研究和創建CATIA的三維標準件庫提供了重要的保障。對基于CATIA的三維標準件庫的研究成為機車行業推進快速設計的重要手段。在分析機車車輛行業標準件建設及使用基礎上，建立機車車輛企業集團級CATIA三維標準件庫，避免企業重復投入與資源浪費，消除數據異構，提高集團內基礎信息資源的利用，支持集團的戰略實施，實現信息資源的共享共建，實現提高設計效率、降低開發成本、提高產品質量、增強企業知識積累與重用，提高企業的競爭力的目標。

[1]機械制造業企業信息化[J/OL].http：//www.hb.xinhuanet.com/zhuanti/2004-09/22/content_2915828.htm.

[2]董洪飛，孫香云.集團級標準件數據庫建設與應用探討[J].航空標準化與質量，2012（2）：43-46.

[3]劉昱，閆光榮，雷毅.面向產品全生命周期的標準件庫研究與實現[J].圖學學報，2012，33（2）：21-25.

[4]胡忠會.基于CATIA V5的三維標準件庫和非幾何屬性庫的開發及應用[J].航空標準化與質量，2003（6）：13-15.

[5]王翔.基于CATIA V5的汽車三維標準件庫的建立[J].汽車零部件，2011（6）：70-73.

[6]孫忠志，鄭敏.三維標準件庫創建技術研究[J].飛機設計，2010，30（6）：66-70.

[7]王仁龍.飛機工裝的參數化組建庫技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[8]李強，吳維金，施實建.基于 CATIA建立機電零件標準件庫[J].水電站設計，2010，26（2）：31-35.