近年來，隨著企業(yè)信息化建設(shè)的不斷深入，國(guó)內(nèi)大型裝備制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)工作已逐步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)（PLM）以及三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全面應(yīng)用。如何確保三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的完整性、正確性，如何利用PLM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程化應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)PLM系統(tǒng)與三維CAD設(shè)計(jì)軟件的緊密集成，已成為裝備制造企業(yè)研發(fā)信息化應(yīng)用必須盡快解決的關(guān)鍵問題。本文以大同機(jī)車在基于PLM系統(tǒng)的三維協(xié)同應(yīng)用與實(shí)踐為切入點(diǎn)，做如下闡述。
大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱大同機(jī)車）隸屬于中國(guó)北車股份有限公司的全資子公司，通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和再創(chuàng)新，批量生產(chǎn)了HXD2C、深度國(guó)產(chǎn)化八軸、160km客運(yùn)、200km客運(yùn)、30噸大軸重、中白貨運(yùn)1型和2型（出口白俄羅斯）等多個(gè)型號(hào)的交流傳動(dòng)電力機(jī)車，是中國(guó)鐵路干線牽引電力機(jī)車的專業(yè)研制生產(chǎn)廠家之一。
一、應(yīng)用前企業(yè)的問題
2006年大同機(jī)車就引入了國(guó)產(chǎn)PLM系統(tǒng)，在產(chǎn)品開發(fā)部、工藝開發(fā)部、物資供應(yīng)部、生產(chǎn)制造部、質(zhì)量保證部和生產(chǎn)車間等單位開展了全面應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。2008年大同機(jī)車又引入了國(guó)外某大型三維CAD設(shè)計(jì)軟件，電力機(jī)車逐步開始了全三維設(shè)計(jì)應(yīng)用。
但三維CAD應(yīng)用相對(duì)復(fù)雜，一方面三維CAD應(yīng)用產(chǎn)生的文件很大，小則幾MB，大者到GB，遠(yuǎn)大于二維CAD應(yīng)用的文件，另一方面三維應(yīng)用文件之間具有相關(guān)性，裝配模型依賴零件模型，二維圖依賴三維模型，打開或?yàn)g覽一個(gè)稍復(fù)雜一點(diǎn)的裝配模型，涉及文件的大小都差不多是1GB以上。單純?nèi)SCAD應(yīng)用，可以使用更好更快的客戶機(jī)來完成，但涉及數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)交換時(shí)，則對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求很大，導(dǎo)致大量的三維模型數(shù)據(jù)不能在后續(xù)的工藝、制造、采購(gòu)和維護(hù)維修環(huán)節(jié)中得到合理、有效的應(yīng)用，嚴(yán)重影響部門之間和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與供應(yīng)商、客戶之間圍繞產(chǎn)品的數(shù)字化模型進(jìn)行細(xì)節(jié)溝通和確認(rèn)。
三維CAD設(shè)計(jì)中，由于造型的需要，三維文件的結(jié)構(gòu)、三維模型的結(jié)構(gòu)都不是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系，諸如骨架件、管路布線等不是子件，在提交PLM系統(tǒng)管理時(shí)，為保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的正確性用戶需做大量的調(diào)整，另需手動(dòng)逐一指定三維模型對(duì)應(yīng)的二維圖文件，給設(shè)計(jì)者帶來大量的重復(fù)煩瑣工作。如何利用現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)PLM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的管理？如何在企業(yè)內(nèi)各業(yè)務(wù)部門和企業(yè)間有效的共享三維數(shù)據(jù)？如何在企業(yè)設(shè)計(jì)、工藝部門間實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)的高效協(xié)同？如何實(shí)現(xiàn)異地協(xié)同？這已成為制約大同機(jī)車新產(chǎn)品研發(fā)全三維應(yīng)用的一大瓶頸。
二、協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
為了更好地推進(jìn)全三維設(shè)計(jì)和應(yīng)用，解決瓶頸問題，大同機(jī)車于2012年啟動(dòng)了PLM系統(tǒng)升級(jí)工作，在與PLM軟件商充分溝通的基礎(chǔ)上，決定開展基于國(guó)產(chǎn)PLM的三維CAD協(xié)同設(shè)計(jì)的應(yīng)用。
通過引入輕量化、縮略圖技術(shù)，利用三維CAD軟件的開發(fā)接囗，結(jié)合PLM系統(tǒng)在數(shù)據(jù)簽審、管理方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)三維CAD軟件與PLM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、文件及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的集成，實(shí)現(xiàn)PLM系統(tǒng)對(duì)三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的簽審、輕量化流轉(zhuǎn)和管理。
利用骨架功能，在三維CAD軟件中進(jìn)行自頂向下的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)。首先由產(chǎn)品主管或部件主責(zé)開展骨架設(shè)計(jì)，提交入PLM系統(tǒng)中，由PLM系統(tǒng)分發(fā)給各設(shè)計(jì)師；設(shè)計(jì)師在骨架基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)，然后將完成的頂級(jí)三維模型提交PLM系統(tǒng)，集成插件利用三維模型的內(nèi)部關(guān)系找到全部的子模型和模型關(guān)系，并按預(yù)定制的三維模型與二維圖的關(guān)系找到相關(guān)的全部二維圖；同時(shí)利用預(yù)定制的虛件處理關(guān)系，把三維模型的關(guān)系轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系，并相應(yīng)處理文件之間的關(guān)系，最后在PLM系統(tǒng)中創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的零件，并保證零件具有正確的結(jié)構(gòu)關(guān)系和文檔描述關(guān)系；部件主管或產(chǎn)品主管在基層設(shè)計(jì)完成后再逐層向上按指定層方式提交大部件或整個(gè)產(chǎn)品。
提交完成后，由PLM轉(zhuǎn)換服務(wù)器自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的輕量化處理，并在PLM系統(tǒng)中完成設(shè)計(jì)、工藝、標(biāo)準(zhǔn)化等評(píng)審流程；PLM系統(tǒng)自動(dòng)提供版本控制和追溯管理；二維圖出圖時(shí)由PLM系統(tǒng)把審批流程的執(zhí)行人信息回寫入二維圖；審批過程中以及三維數(shù)據(jù)定版后，工藝、質(zhì)保、采購(gòu)、售后和生產(chǎn)車間等單位都可以在PLM系統(tǒng)中直接瀏覽和使用輕量化三維模型文件，實(shí)現(xiàn)基于PLM系統(tǒng)的三維協(xié)同化應(yīng)用。
三、關(guān)鍵技術(shù)
為了更好地基于PLM系統(tǒng)搭建三維協(xié)同工作環(huán)境（圖1），PLM軟件商在三維模型的輕量化、可視化瀏覽、三維模型的審批、二維工程圖電子簽名、三維模型結(jié)構(gòu)樹與制造BOM集成等方面做了大量的研發(fā)工作和卓有成效的探索。
圖1 基于CATIA的集成應(yīng)用
1. 三維CAD文件輕量化構(gòu)件和可視化構(gòu)件套件
三維CAD應(yīng)用相對(duì)復(fù)雜，涉及文件大小總量與純二維不是同一數(shù)量級(jí)。為了提高瀏覽和共享的速度，項(xiàng)目應(yīng)用中引入了三維CAD文件輕量化技術(shù)和可視化技術(shù)，利用PLM軟件商提供的轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)三維CAD文件的輕量化轉(zhuǎn)換，瀏覽器可嵌入C/S或B/S架構(gòu)的界面中，用于顯示三維模型，提供放大、縮小、窗口縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、繞轉(zhuǎn)和選擇等交互操作功能，并提供多種渲染模式：線框、陰影、隱藏線、輪廓、陰影線、表面分析和反射等，可進(jìn)行實(shí)體搜索與屬性瀏覽，還具有剖視和分解、測(cè)量和批注、干涉檢查、模型和圖紙比較等功能，這些功能方便了業(yè)務(wù)部門對(duì)三維模型的再利用，工藝、質(zhì)保、采購(gòu)、售后和生產(chǎn)車間等單位可以通過PLM系統(tǒng)提供的三維可視化瀏覽工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的瀏覽和使用。
2. 輕量化轉(zhuǎn)換服務(wù)
PLM系統(tǒng)利用瀏覽器輕量化的接囗，提供了輕量化轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計(jì)人員在三維軟件的前端直接點(diǎn)擊提交菜單后，集成軟件自動(dòng)完成全部的提交功能，并由PLM系統(tǒng)發(fā)起相應(yīng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)請(qǐng)求（圖2）。
圖2 輕量化轉(zhuǎn)換服務(wù)
轉(zhuǎn)換任務(wù)分為同步和異步兩種：同步轉(zhuǎn)換任務(wù)優(yōu)先異步轉(zhuǎn)換任務(wù)的處理，同步轉(zhuǎn)換任務(wù)處于任務(wù)隊(duì)列的首部，一般由用戶點(diǎn)擊文件瀏覽時(shí)直接發(fā)起，加入任務(wù)隊(duì)列的首部；異步轉(zhuǎn)換任務(wù)是在文件上傳服務(wù)器時(shí)發(fā)起，加在轉(zhuǎn)換任務(wù)隊(duì)列的尾部。由轉(zhuǎn)換服務(wù)調(diào)度轉(zhuǎn)換任務(wù)，按先后次序完成全部的轉(zhuǎn)換任務(wù)。轉(zhuǎn)換服務(wù)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)從PLM庫(kù)中獲取未成功完成的轉(zhuǎn)換任務(wù)，做為異步轉(zhuǎn)換任務(wù)加入轉(zhuǎn)換任務(wù)隊(duì)列。
轉(zhuǎn)換任務(wù)完成后，將把轉(zhuǎn)換形成的hsf文件、sab文件和xml文件放在和源文件一起的文件列表中，與文檔對(duì)象建立關(guān)聯(lián)。裝配模型文件轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)把與裝配模型相關(guān)的所有子孫文件中沒有轉(zhuǎn)換過的和失效的文件也同步進(jìn)行轉(zhuǎn)換。瀏覽轉(zhuǎn)換后的輕量化文件，實(shí)現(xiàn)了即使是大型裝配，瀏覽文件也沒有明顯的延時(shí)感覺。
3. 縮略圖功能支持
縮略圖是比輕量化文件數(shù)量級(jí)更小的文件，處理速度也快，在列表顯示文件時(shí)，每條記錄前顯示一個(gè)縮略圖，可方便用戶快速定位文件，比通過逐項(xiàng)瀏覽文件查找，進(jìn)一步提高了查找速度，同時(shí)進(jìn)一步減少了網(wǎng)絡(luò)流量。三維模型文件和二維文件提交PLM系統(tǒng)服務(wù)器時(shí)，可配選由PLM系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換服務(wù)自動(dòng)生成縮略圖文件，方便用戶使用縮略圖功能。
4. 與三維CAD軟件的深度集成
為了更好地發(fā)揮PLM系統(tǒng)與三維CAD軟件的作用，大同機(jī)車與PLM軟件商進(jìn)一步開展了三維CAD軟件的深度集成工作。
（1）三維模型與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。
三維模型含有大量的產(chǎn)品信息，不僅包括零部件的形狀、尺寸和位置等幾何信息，還包括零部件的代號(hào)、名稱、材料和零件結(jié)構(gòu)等管理信息。通過PLM系統(tǒng)與三維CAD軟件的集成，不僅可以提取模型文件的管理信息，還可以根據(jù)預(yù)定制的規(guī)則把三維模型的關(guān)系轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系，形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹；還可方便地通過定制“批提取范圍”選項(xiàng)內(nèi)容，控制同時(shí)提取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、三維模型文件和二維圖文件，也可只提取三維模型文件或只提取二維圖文件（圖3）。
圖3 三維模型批量導(dǎo)入
（2）三維模型與二維工程圖的關(guān)聯(lián)管理。
集成應(yīng)用中，可通過定制關(guān)鍵字“附屬文件標(biāo)識(shí)”來實(shí)現(xiàn)三維模型與二維工程圖的關(guān)聯(lián)管理，即可由三維模型文件查找對(duì)應(yīng)的二維圖文件，也可由二維圖文件查找對(duì)應(yīng)的三維模型文件，還可由提取文件自動(dòng)查找其他的非三維CAD軟件的附屬文件，同時(shí)可定制是否建立兩文件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。集成應(yīng)用還可檢查二維圖的標(biāo)題欄信息與三維模型屬性信息是否一致、二維圖中的明細(xì)信息與三維模型的子件信息是否一致，并為用戶給出提示性錯(cuò)誤報(bào)告。
（3）評(píng)審和電子簽名。
研發(fā)人員完成設(shè)計(jì)后，在CAD前端直接完成提交PLM工作，PLM轉(zhuǎn)換服務(wù)自動(dòng)完成輕量化工作，再在PLM中發(fā)起設(shè)計(jì)、工藝會(huì)簽、標(biāo)準(zhǔn)化和批準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)評(píng)審流程，實(shí)現(xiàn)版本控制及追溯管理，保證三維數(shù)據(jù)的完整性、正確性和有效性。二維工程圖實(shí)現(xiàn)了電子簽名管理，在出圖的同時(shí)把PLM系統(tǒng)中評(píng)審流程的相關(guān)步驟人員的電子簽名及日期回寫入二維工程圖。
四、應(yīng)用效果
目前，大同機(jī)車PLM系統(tǒng)管理三維模型的電力機(jī)車產(chǎn)品包括深度國(guó)產(chǎn)化八軸、160km客運(yùn)、200km客運(yùn)、30噸大軸重、中白貨運(yùn)1型和中白貨運(yùn)2型等6個(gè)車型，三維模型的數(shù)量達(dá)到3萬多個(gè)。實(shí)現(xiàn)了：基于三維模型設(shè)計(jì)的企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間的協(xié)同工作環(huán)境；海量三維模型、二維工程圖的關(guān)聯(lián)管理；通過評(píng)審流程進(jìn)行三維模型文件版本控制和數(shù)據(jù)有效性的管理；通過三維模型直接產(chǎn)生產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和設(shè)計(jì)BOM的集成化應(yīng)用。通過流程和項(xiàng)目任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，也實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)三維模型在大同機(jī)車設(shè)計(jì)、工藝、物資、質(zhì)保、售后、生產(chǎn)車間等業(yè)務(wù)部門的實(shí)時(shí)共享，搭建了基于PLM系統(tǒng)的協(xié)同工作平臺(tái)和三維工程化的應(yīng)用環(huán)境，提高了大同機(jī)車的研發(fā)工作效率和協(xié)作企業(yè)間的協(xié)同應(yīng)用水平，也大大減少了開展三維工程化應(yīng)用企業(yè)所投入的建設(shè)成本，取得了良好的應(yīng)用效果。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：基于國(guó)產(chǎn)PLM系統(tǒng)的三維CAD協(xié)同設(shè)計(jì)的應(yīng)用與實(shí)踐
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