基于协同的全三维关联设计关键技术研究

邓云飞等

摘 要：研究了基于协同的全三维关联设计技术的内涵和关键技术，探索了在产品结构设计过程中采用基于三维模型的定义（MBD）进行全面的定义，基于骨架模型自顶向下进行数据链传递流程等，实现产品实时协同关联设计，从而达到提高研制效率，确保研制质量的目的。

关键词：产品研制；关联设计；协同设计

引言

面对现代制造业高质量、高效率的研制需求，采用先进的计算机设计技术，提高研制质量和研制效率非常必要。目前，在传统产品设计过程中，一方面仍然采用三维数模加二维图纸的设计模式，既不能保证设计数据的关联性，又增加了设计更改的工作量[1]；另一方面，上游总体和结构系统和制造部门不能做到并行设计，降低了设计效率。协同研制模式要求设计人员从方案阶段就考虑到全生命周期内因素，并强调各专业间的协同工作，使后续可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，并得到解决，最大限度地减少设计反复，缩短生产准备和制造时间[2]。国际领先的产品创新团队波音787采用基于协同的关联设计技术，实现了产品的全球协同研制，取得了令人瞩目的成就。研究全三维关联设计技术，通过先进的信息化设计手段确保数据传递的链接状态正确，对提高产品研制效率和质量具有十分重要的意义。

1 关联设计的内涵

传统的设计模式下，三维模型设计需要二维图纸的辅助，不能直接使用产品的三维模型表达所有设计、制造等信息。同时，由于缺乏有效地关联设计规范体系和数字化平台，不能实现零组件之间的关联、自动更新以及制造材料清单的自动生成等，一定程度上制约了设计效率的提高。

关联设计技术是以实现产品面向制造的三维数字样机需求为牵引，运用集成产品开发团队（IPT）模式，以设计资源和知识工程库为基础，以构建数字化协同设计平台环境为核心，固化应用三维协同设计和精益管理流程，实现基于模型的设计（MBD）[3]数据及其上下文关系实现设计与工艺应用数据传递，完善结构设计流程、并行协同数据预发放流程、数据状态控制流程及方法等流程体系制定和优化。

2 关键技术

2.1 基础资源设计技术

产品系统组成复杂，结构、机构、仪器、电缆、管路安装设计工作量极大，需要调用大量的材料、设备成品件、电接插件、安装支座、紧固件等基础资源。基于可关联驱动的基础资源库技术的应用作为提高设计效率的重要手段，可将重复建模、重复建材料的工作大幅度降低，实现资源有效共享和快速设计。

资源库包括紧固件库、模型库、技术文件、设计模板等多个方面。资源库的主要研究内容包括顶层规划、标准产品结构创建、参数化建模等。工作流程包括了从技术文件准备，到具体模型的种类、材料属性、规格，再到建模的规则等，涵盖了可满足工程需求的各个方面信息。

在具体资源库设计过程中，应采用参数化建模的方法，该方法具有建模过程简易，支持关联设计，便于维护使用。基本过程包括：模型几何创建、设计参数、关联驱动、编辑设计表、定义属性、系列演化、入库、控制。资源库设计技术可提高三维设计的效率，同时也是建设数字化协同设计平台的基础支撑，对于缩短型号的研制周期将起到极大地促进作用。

2.2 关联设计平台研究

全三维关联设计平台是实现多专业、多系统协同设计的载体，目的是实现信息流在研制过程中的快速流动，并对信息技术状态进行有效控制。关联设计平台的主要难点是解决设计上下游信息的标准化控制、自动关联传播、自动化驱动问题。

实现三维关联设计标准化控制，一方面需要依靠全面系统的基于知识工程的设计资源库，利用规范体系保障协同设计操作的正确性；另一方面，需要借助一系列软硬件环境，将标准规范与软件进行集成二次开发，实现规范固化并提高设计效率。

实现设计信息的自动关联传播，核心是对协同设计平台进行合理的系统配置。设计人员在3D的环境中进行基于定制开发环境的上下文关联设计。在上下游相关的设计数据之间或并行设计的数据之间建立信息关联，实现数据更改（尺寸、外形等）的自动传播，从而实现设计更新的自动化、缩短设计周期并提高设计的正确性。

实现设计自动化驱动，关键需要在复杂产品的开发过程中，建立合理的自顶向下设计规则。在协同设计环境中，上游设计中的特征（如参数、几何特征等）都可以通过发布（Publication）功能实现共享，供下游设计过程使用。当发布的参数或特征发生变化时，下游的设计可以自动实现数据的更新。采用Top-Down设计方法，在多人参与的某一产品设计阶段，将每个设计人员需参考的特征搭建在一个骨架模型（Skeleton）中，加以特征发布处理（Publication）。这样，其他设计人员可以方便地调用共享特征进行并行的局部设计，在设计进行到一定阶段后，通过产品装配或零件布尔运算等方法实现设计整合。当骨架模型的参数或特征发生变化时，所有并行的局部设计都可以实现相应的设计更新，如图2所示。

2.3 基于集成产品关联设计流程

全三维关联设计技术在型号中的应用，实现了跨系统、跨单位协同的关联设计，使上游结构的更改可以实时地传递到下游系统中，通过更新快速完成系统与结构的同步，使系统数据始终处于最新状态，整个研制团队中设计、工艺、物流、管理等职能部门都可以围绕一个统一的模型进行定义和审查，消除了传统串行流程中的工作反复迭代的浪费。关联设计流程研究为其中一项关键技术，基本流程一般包括以下几个方面。

2.3.1 建立产品结构树

产品结构树是指在数字化平台上，根据产品图号分配表为基础建立的零组件父子级关系。通过对产品结构树上不同组件划分工作包并利用数字化平台进行权限分配和流程定制，可以将工作包分配给相应的IPT微团队进行设计，并便于不同工作组成员快速定位和查找。

2.3.2 建立主骨架模型

根据前期产品方案初步论证的结果，总体设计部门在产品结构树上的特定位置建立主骨架模型，如产品理论外形、框梁站位平面、接口协调轴线等作为产品结构设计的顶层几何基准。

2.3.3 发布

发布是关联设计技术中一项特征性概念。根据设计任务书，总体设计人员将骨架模型中的一些后续进行产品设计需要参考的基准信息进行发布。只有发布后的元素才可以被下游人员引用作为外部参考，发布的元素后续若更新，与之关联的零件可自动更新。另外，发布的元素不能删除，以防止出现不可恢复的错误。

2.3.4 建立局部骨架模型

由于总体骨架模型综合考虑了不同系统的全面几何信息，对于不同工作包的设计IPT（比如后舱结构设计IPT）来说，过多的信息读取困难，也无必要。因此工作包的负责人可以以总体骨架模型为基准，创新一个局部骨架，只包含该工作包的基准信息，供工作包内部的设计员使用，局部骨架中的有效元素也需要发布。

2.3.5 自顶向下进行关联设计

骨架模型完成设计和发布后，各工作包的设计人员设计零件时一般应根据骨架模型进行设计，见图3，而不能脱离骨架模型进行孤立设计再装配到产品中去。例如，某产品机身第5框设计时，5框的框腹板平面应有骨架模型中5框站位平面决定；5框外缘条应由5框处产品气动外形面决定，因此，5框的三维模型至少与骨架模型中2个元素相关联，后续一旦总体对5框站位或者5框附近气动外形调整更改，5框三维模型将自动同步更新，如图4所示，保障满足总体要求。而如果孤立按照二维设计的思想，用尺寸设计的理念完成了5框的模型设计，再将5框装配到某个位置，则无关联设计关系，将存在很大不协调隐患。

2.3.6 模型下厂发放

三维模型下厂技术状态控制为制造业公认的难题，为了实现设计模型下厂发放版本有效管理，应对每个三维模型设计“三维模型数据发放通知单”随三维模型一同发放，该通知单上注明模型的零件号，名称，版次，另外按照企业质量管理规范进行签字确认，一般零件的发放通知单上应由设计员提出，经过设计组长校对，设计主任审核，制造部门会签，标准化部门审查，项目技术负责人批准后交给构型管理人员发放。

2.3.7 设计变更和构型管理

三维模型下厂后，如需要对设计信息进行变更，则需要进行模型升版，需要发放新的“三维模型数据发放通知单”，通知单上注明概括性的变更内容，具体的变更信息应在模型中定义。构型管理人员对设计基线和变更情况进行汇总和管理并与制造部门保持实时协调，确保设计更改闭环。

3 结束语

全三维关联设计技术的应用使产品设计彻底摆脱了绘制二维工程图或者二维图、三维模型结合使用，导致反复更改引起的繁琐劳动。三维关联设计将三维模型作为唯一数据源，极大地节约了设计成本、提高了设计效率。通过在产品设计中的深入应用，可以得出：全三维关联设计技术可极大提高产品设计的质量和效率，对于推动制造业的数字化应用水平具有重要意义。

参考文献

[1]刘俊堂，刘看旺.关联设计技术在飞机研制中的应用[J].航空制造技术，2008（14）：45-47.

[2]刘雅星.飞机并行协同研制模式与支撑技术探索[J].航空制造技术，2010（18）：77-80

[3]ASME. Dimensioning and tolerancing，engineering drawings and related documentation practices[S].Y14.5. [S.l.]：ASME Press，2009.

作者简介：邓云飞（1983-），男，工程师，硕士，研究方向：结构机构总体设计。