基于CBB的機械產(chǎn)品平臺化研發(fā)模式研究*

李梓嘉 徐軼軻 田超 楊垂錦

（北京機械設(shè)備研究所，北京，100854）

文 摘：針對產(chǎn)品平臺化研發(fā)模式，論述了產(chǎn)品平臺化管理方法。對于機械類產(chǎn)品，形成了CBB (共用基礎(chǔ)模塊)資源庫的建立方法及管理模式。搭建機械產(chǎn)品的產(chǎn)品平臺和技術(shù)平臺，并以實例詳細進行平臺搭建論述。

隨著企業(yè)市場的拓展與細分、客戶數(shù)量的增長，產(chǎn)品種類和型號、產(chǎn)品復(fù)雜度隨之增長，產(chǎn)品開發(fā)面臨嚴峻挑戰(zhàn)：開發(fā)人員數(shù)量需求急速膨脹；要求的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期縮短；新產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定；同樣的技術(shù)問題在不同產(chǎn)品重復(fù)出現(xiàn)；響應(yīng)客戶小批量個性化的需求成本高、周期長。

應(yīng)對這些問題，最主要的策略就是加強產(chǎn)品和技術(shù)的共享共用。不同產(chǎn)品、系統(tǒng)之間存在許多可以共用的零部件、模塊和技術(shù)，如果產(chǎn)品開發(fā)中盡可能多地采用這些成熟的CBB（共用基礎(chǔ)模塊） 和技術(shù)，產(chǎn)品的質(zhì)量、進度、成本無疑會得到很好的控制和保證，產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)風險也將大大降低[1]。

從上世紀開始，國外的航天企業(yè)逐步建立了一套完整的產(chǎn)品系列化、型譜化的研發(fā)模式，形成了成熟的產(chǎn)品平臺和規(guī)范的標準接口，使產(chǎn)品成為以型譜為指導(dǎo)、技術(shù)成熟、質(zhì)量穩(wěn)定的貨架產(chǎn)品。

另外，國家科技部于2008年公布的《國家高新技術(shù)發(fā)展計劃指南》[2]將設(shè)計知識發(fā)現(xiàn)、共享和重用作為數(shù)字化設(shè)計方法與技術(shù)領(lǐng)域中探索導(dǎo)向類課題予以優(yōu)先發(fā)展。CBB是指在不同產(chǎn)品、系統(tǒng)之間共用的零部件、模塊、技術(shù)和其他相關(guān)的設(shè)計成果，是建立產(chǎn)品和技術(shù)共享平臺的基礎(chǔ)[3]。建立和運用CBB平臺，共享共用最佳工程實踐、先進設(shè)計方法、有效設(shè)計準則、成熟應(yīng)用規(guī)范等，實現(xiàn)設(shè)計開發(fā)的知識重用，對于提升研發(fā)質(zhì)量和進度、降低研發(fā)成本具有十分重要的意義。

1 平臺化管理方法

1.1 概述

傳統(tǒng)的武器裝備研制模式是自頂向下進行任務(wù)分解，自下而上進行集成，這種方式勢必帶來研發(fā)周期長，研制效率低，對市場需求響應(yīng)慢的弊端。而平臺化的產(chǎn)品研發(fā)管理模式是一種自頂向下研究產(chǎn)品的通用架構(gòu)，先做好頂層規(guī)劃，然后在成熟并固化平臺的基礎(chǔ)上快速衍生出新產(chǎn)品的過程。平臺化研發(fā)模式依據(jù)成熟的產(chǎn)品平臺和技術(shù)平臺，形成不同規(guī)格的系列化產(chǎn)品族，即產(chǎn)品型譜。型譜化的產(chǎn)品種類及規(guī)格劃分能夠有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，大幅提升研發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，快速響應(yīng)市場需求[4]。

平臺是特定架構(gòu)及基于此架構(gòu)的一組構(gòu)件，是在各層級上一系列貨架技術(shù)和產(chǎn)品的集合，包含產(chǎn)品平臺和技術(shù)平臺，產(chǎn)品平臺又分為硬件產(chǎn)品平臺和軟件產(chǎn)品平臺。

1.2 產(chǎn)品和技術(shù)雙平臺構(gòu)建

1.2.1 產(chǎn)品平臺構(gòu)建

產(chǎn)品平臺是指一系列產(chǎn)品所采用的共同要素的集合，通常包括：一個特定架構(gòu)及基于此架構(gòu)的一組技術(shù)構(gòu)件的集合。產(chǎn)品平臺通常包括：共用的系統(tǒng)架構(gòu)、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、CBB/組件、關(guān)鍵技術(shù)等。

梳理現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)樹，對產(chǎn)品層次進行優(yōu)化并按照標準進行命名。將各層次的產(chǎn)品按標準歸類管理，同時兼顧未來5到10年內(nèi)對此類產(chǎn)品的市場需求和技術(shù)需求，形成產(chǎn)品平臺。

1.2.2 技術(shù)平臺構(gòu)建

技術(shù)平臺是指可以在不同產(chǎn)品、系統(tǒng)間共用的軟件包及模塊、技術(shù)等相關(guān)成果。

梳理產(chǎn)品當前的技術(shù)基礎(chǔ)和未來5到10年的技術(shù)進步空間，形成技術(shù)樹。按照專業(yè)領(lǐng)域劃分，按照標準對技術(shù)樹的分支進行命名和分類，最終形成技術(shù)平臺。

1.3 產(chǎn)品型譜構(gòu)建

產(chǎn)品型譜是以最少數(shù)目的不同規(guī)格產(chǎn)品為標志的、能滿足較長時期及一定范圍內(nèi)全部使用要求的產(chǎn)品系列。

產(chǎn)品型譜的建立基于對產(chǎn)品發(fā)展趨勢的充分分析。產(chǎn)品型譜規(guī)劃體現(xiàn)出多型號、當前與未來的技術(shù)需求和數(shù)量需求，以關(guān)鍵參數(shù)為劃分依據(jù)對產(chǎn)品進行系列化劃分，淘汰技術(shù)落后和無市場前景的產(chǎn)品，規(guī)劃技術(shù)先進、具有充分市場前景的產(chǎn)品。

1.4 CBB資源庫

CBB資源庫是實現(xiàn)產(chǎn)品平臺化研發(fā)和管理的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的CBB模塊可以認為是“三化件”，“三化件”完成建模并入庫發(fā)布后，其結(jié)構(gòu)、尺寸是不能隨意改變的，即規(guī)格是離散化的，使用時有可能找不到最適合用戶需求的“三化件”。為解決這個問題，我們提出并實現(xiàn)了通過技術(shù)模版快速創(chuàng)建CBB模塊的方法，即事先不創(chuàng)立CBB庫，只是建立一系列CBB技術(shù)模版，用時根據(jù)客戶需求，填寫參數(shù)表，由計算機快速創(chuàng)建出所需要的CBB三維模型和技術(shù)文件。

2 機械產(chǎn)品CBB資源庫構(gòu)建

2.1 機械產(chǎn)品的特點

本單位涉及的主要機械結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品包括：梁式吊具、拖車、停放架、匯流環(huán)、機箱、包裝箱等。相較于電子類產(chǎn)品，機械產(chǎn)品受外界約束條件較多，如空間限制、重量限制、接口匹配限制等，嚴格進行型譜化形成貨架產(chǎn)品的成本太高，且預(yù)期復(fù)用率比較低；但是許多產(chǎn)品拓撲結(jié)構(gòu)近似、技術(shù)原理相通，僅是參數(shù)不同，同樣可以采用CBB的基本理念進行研究和管理。因此，對于機械類的CBB產(chǎn)品平臺建設(shè)，應(yīng)該采用不同的產(chǎn)品分類和管理方法。

2.2 機械產(chǎn)品CBB資源庫

2.2.1 基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表單的CBB模塊構(gòu)建方法

一般來說，對同一種機械產(chǎn)品，設(shè)計師在進行設(shè)計時，常因為設(shè)計方法和設(shè)計理念的差異，造成產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)存在差異，即多組設(shè)計參數(shù)都可以完成該產(chǎn)品的設(shè)計，使模型的規(guī)范性和重復(fù)利用性差。為避免上述問題，本文采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表單的CBB模塊構(gòu)建方法，規(guī)范CBB模塊的建立，提高模塊的復(fù)用率。

以典型機械產(chǎn)品（如某轉(zhuǎn)臺） 為對象，研究其拓撲結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品組成，總結(jié)出組成該產(chǎn)品的CBB模塊，對CBB模塊的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化并形成能夠確定該模塊設(shè)計的唯一一組最優(yōu)參數(shù)組合，即參數(shù)的一個最小完備集合，并固化在模型中。在此基礎(chǔ)之上，將CBB模塊的設(shè)計參數(shù)以顯性化方式呈現(xiàn)，即形成基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表單的CBB技術(shù)模版。通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表單，把CBB技術(shù)模版與設(shè)計參數(shù)進行關(guān)聯(lián)映射，從而實現(xiàn)CBB技術(shù)模版驅(qū)動模塊的設(shè)計，實現(xiàn)基于CBB技術(shù)模版的模型比對，實現(xiàn)一種基于CBB技術(shù)模版的管理模式。基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表單驅(qū)動下的CBB模塊定義，在三維設(shè)計軟件中，CBB模塊可以直觀地體現(xiàn)為三維模型，也可以體現(xiàn)為某一張數(shù)據(jù)表單，即模型與表單存在一一對應(yīng)關(guān)系。CBB平臺總體構(gòu)建方法如圖1所示。

圖1 CBB平臺總體方法

2.2.2 典型機械產(chǎn)品CBB資源庫建設(shè)

根據(jù)機械產(chǎn)品自身的特點，本文將機械產(chǎn)品CBB模塊分為3類：標準模塊、參數(shù)化模塊、定制模塊。“標準模塊”等同于狹義的CBB單元，按照型譜化的方法形成產(chǎn)品貨架；“參數(shù)化模塊”是指基于相同拓撲結(jié)構(gòu)但是部分參數(shù)可變的廣義CBB單元，可以視為技術(shù)貨架；“定制模塊”是指用于滿足無法預(yù)期的總體和客戶需求的部分，主要是指具有對外結(jié)構(gòu)接口的零部件，該部分通常不納入CBB貨架。標準模塊、參數(shù)化模塊、定制模塊的內(nèi)涵及區(qū)別見表1。

表1 機械產(chǎn)品組成模塊分類對照表

通過梳理典型機械產(chǎn)品的CBB貨架，建立典型機械產(chǎn)品的貨架框架，從零件、部組件、整機等多個層級梳理典型機械產(chǎn)品的共享模塊，從而建立典型機械產(chǎn)品的CBB資源庫。而以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表單的CBB技術(shù)體系為基礎(chǔ)，典型機械產(chǎn)品的CBB資源庫主要包含3個層次的模型（模版）庫：平臺產(chǎn)品參數(shù)化模版庫、系列化產(chǎn)品參數(shù)化模版庫、定制產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 CBB管理要求

CBB的3個層次的模型（模版）庫的成熟度評價及模型管理是CBB平臺應(yīng)用實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要通過成熟度評價及模型管理進行不斷迭代，使經(jīng)驗、規(guī)范、歸零措施等知識通過信息化手段固化到軟件中，通過平臺的運行不斷完善知識庫，從而使得設(shè)計出來的產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。

CBB模型的成熟度可以從3個維度進行評價和管理，分別是：模版成熟度、仿真模型成熟度、產(chǎn)品成熟度。“模版成熟度”基于KBE（KnowledgeBasedEngineering，知識工程）相關(guān)理論進行評價和管理，主要評價CBB模版與現(xiàn)有知識庫的符合程度，軟件基于現(xiàn)有知識庫對CBB模版進行檢查，從而給出成熟度評估數(shù)據(jù)，通過技術(shù)評審等管理活動對模版成熟度進行確認。“仿真模型成熟度”主要基于計算機仿真驗證進行評價，軟件生成模型后驅(qū)動計算機仿真驗證環(huán)節(jié)，通過虛擬驗證的結(jié)果對CBB模型成熟度進行評價。“產(chǎn)品成熟度”是通過實物的相關(guān)試驗（含設(shè)計工藝性驗證）對CBB模型成熟度進行評價。管理部門制定放行準則，視成熟度評價結(jié)果決定進行模型迭代或者放行至下一環(huán)節(jié)。

3 機械產(chǎn)品平臺化研發(fā)模式的軟件實現(xiàn)

本文搭建的機械產(chǎn)品先進設(shè)計系統(tǒng)基于PTC公司creo和Windchill系統(tǒng)，以技術(shù)模版為依托，以通用化結(jié)構(gòu)參數(shù)表單為手段，通過參數(shù)映射的形式實現(xiàn)對不同產(chǎn)品模版的調(diào)用和對結(jié)構(gòu)化任務(wù)書的讀取，從而構(gòu)建機械產(chǎn)品CBB平臺，實現(xiàn)機械產(chǎn)品的可配置設(shè)計和變型設(shè)計，實現(xiàn)快速裝配，實現(xiàn)對CBB數(shù)據(jù)的快速查詢和比對，自動生成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化文檔。CBB平臺基于B/S（Browser/Server） 架構(gòu)，支持基于互聯(lián)網(wǎng)通過IE瀏覽器驅(qū)動服務(wù)器端進行產(chǎn)品設(shè)計的研發(fā)模式，以便于遠程協(xié)同設(shè)計，并可通過云端進行軟件部署及設(shè)計資源配置。

3.1 拖車產(chǎn)品平臺

以典型機械產(chǎn)品拖車為實例，介紹拖車平臺的構(gòu)建方法。

3.1.1 拖車產(chǎn)品平臺構(gòu)建依據(jù)

拖車是一種用于短距離轉(zhuǎn)移筒彈、導(dǎo)彈，或筒彈停放架的裝備。其主要承載結(jié)構(gòu)為車架，根據(jù)其承載的不同將車架形式劃分為斜梁式車架、橫梁式車架、縱梁式車架，如圖2所示。基于此平臺，可以衍生出筒彈拖車、導(dǎo)彈拖車、停放架拖車，以適應(yīng)不同用戶的技術(shù)陣地需求。

圖2 拖車平臺

3.1.2 拖車產(chǎn)品CBB資源庫建立

建立拖車CBB模塊庫，拖車的CBB模塊包括18種標準模塊、18種參數(shù)化模塊，但無定制模塊，部分主要模塊劃分見表2。

表2 拖車CBB模塊 （部分）

3.1.3 拖車產(chǎn)品的設(shè)計實例

首先，打開機械產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計軟件，以本地用戶身份登錄。選擇圖2中所示的斜梁式車架形式。其次，對斜梁形式的拖車進行詳細設(shè)計，填寫相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，填寫界面如圖3所示。然后，進行材料屬性、要號、仿真等一些列設(shè)計后，最終生成斜梁式拖車的三維模型、二維工程圖及結(jié)構(gòu)化文檔，拖車設(shè)計結(jié)果如圖4所示。

圖3 拖車詳細設(shè)計

圖4 拖車設(shè)計結(jié)果

3.2 拖車技術(shù)平臺

根據(jù)拖車的功能要求、直接與拖車的功能性能相關(guān)的技術(shù)需求開展拖車技術(shù)樹的構(gòu)建，見文后附圖。其中第一層為拖車的功能要求；第二層為直接影響拖車功能性能指標的技術(shù)要求；第三層和第四層為第二層技術(shù)實現(xiàn)的細分技術(shù)要求。

本文基于我單位在產(chǎn)品平臺化研發(fā)模式研究的成果，建立了針對機械類產(chǎn)品特點的平臺化構(gòu)建方法，提出了機械產(chǎn)品CBB模塊的劃分準則、形成了機械產(chǎn)品CBB的管理方法和成熟度評價準則。以我單位典型機械產(chǎn)品拖車為例，論述了其產(chǎn)品平臺和技術(shù)平臺的構(gòu)建方法，并劃分出CBB模塊。

本研究對于機械產(chǎn)品平臺化構(gòu)建方法和CBB資源庫的建立進行了創(chuàng)新性研究，平臺化研發(fā)模式必將成為航天企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提升產(chǎn)品質(zhì)量的必然趨勢。