基于CBB的机械产品平台化研发模式研究*

2019-07-12李梓嘉徐轶轲田超杨垂锦

航天标准化 2019年2期

李梓嘉徐轶轲田超杨垂锦

（北京机械设备研究所，北京，100854）

文摘：针对产品平台化研发模式，论述了产品平台化管理方法。对于机械类产品，形成了CBB (共用基础模块)资源库的建立方法及管理模式。搭建机械产品的产品平台和技术平台，并以实例详细进行平台搭建论述。

随着企业市场的拓展与细分、客户数量的增长，产品种类和型号、产品复杂度随之增长，产品开发面临严峻挑战：开发人员数量需求急速膨胀；要求的产品设计开发周期缩短；新产品的质量不稳定；同样的技术问题在不同产品重复出现；响应客户小批量个性化的需求成本高、周期长。

应对这些问题，最主要的策略就是加强产品和技术的共享共用。不同产品、系统之间存在许多可以共用的零部件、模块和技术，如果产品开发中尽可能多地采用这些成熟的CBB（共用基础模块）和技术，产品的质量、进度、成本无疑会得到很好的控制和保证，产品开发技术风险也将大大降低[1]。

从上世纪开始，国外的航天企业逐步建立了一套完整的产品系列化、型谱化的研发模式，形成了成熟的产品平台和规范的标准接口，使产品成为以型谱为指导、技术成熟、质量稳定的货架产品。

另外，国家科技部于2008年公布的《国家高新技术发展计划指南》[2]将设计知识发现、共享和重用作为数字化设计方法与技术领域中探索导向类课题予以优先发展。CBB是指在不同产品、系统之间共用的零部件、模块、技术和其他相关的设计成果，是建立产品和技术共享平台的基础[3]。建立和运用CBB平台，共享共用最佳工程实践、先进设计方法、有效设计准则、成熟应用规范等，实现设计开发的知识重用，对于提升研发质量和进度、降低研发成本具有十分重要的意义。

1 平台化管理方法

1.1 概述

传统的武器装备研制模式是自顶向下进行任务分解，自下而上进行集成，这种方式势必带来研发周期长，研制效率低，对市场需求响应慢的弊端。而平台化的产品研发管理模式是一种自顶向下研究产品的通用架构，先做好顶层规划，然后在成熟并固化平台的基础上快速衍生出新产品的过程。平台化研发模式依据成熟的产品平台和技术平台，形成不同规格的系列化产品族，即产品型谱。型谱化的产品种类及规格划分能够有效缩短产品研发周期，大幅提升研发效率和产品质量，快速响应市场需求[4]。

平台是特定架构及基于此架构的一组构件，是在各层级上一系列货架技术和产品的集合，包含产品平台和技术平台，产品平台又分为硬件产品平台和软件产品平台。

1.2 产品和技术双平台构建

1.2.1 产品平台构建

产品平台是指一系列产品所采用的共同要素的集合，通常包括：一个特定架构及基于此架构的一组技术构件的集合。产品平台通常包括：共用的系统架构、分系统、子系统、CBB/组件、关键技术等。

梳理现有产品的结构树，对产品层次进行优化并按照标准进行命名。将各层次的产品按标准归类管理，同时兼顾未来5到10年内对此类产品的市场需求和技术需求，形成产品平台。

1.2.2 技术平台构建

技术平台是指可以在不同产品、系统间共用的软件包及模块、技术等相关成果。

梳理产品当前的技术基础和未来5到10年的技术进步空间，形成技术树。按照专业领域划分，按照标准对技术树的分支进行命名和分类，最终形成技术平台。

1.3 产品型谱构建

产品型谱是以最少数目的不同规格产品为标志的、能满足较长时期及一定范围内全部使用要求的产品系列。

产品型谱的建立基于对产品发展趋势的充分分析。产品型谱规划体现出多型号、当前与未来的技术需求和数量需求，以关键参数为划分依据对产品进行系列化划分，淘汰技术落后和无市场前景的产品，规划技术先进、具有充分市场前景的产品。

1.4 CBB资源库

CBB资源库是实现产品平台化研发和管理的基础。传统的CBB模块可以认为是“三化件”，“三化件”完成建模并入库发布后，其结构、尺寸是不能随意改变的，即规格是离散化的，使用时有可能找不到最适合用户需求的“三化件”。为解决这个问题，我们提出并实现了通过技术模版快速创建CBB模块的方法，即事先不创立CBB库，只是建立一系列CBB技术模版，用时根据客户需求，填写参数表，由计算机快速创建出所需要的CBB三维模型和技术文件。

2 机械产品CBB资源库构建

2.1 机械产品的特点

本单位涉及的主要机械结构类产品包括：梁式吊具、拖车、停放架、汇流环、机箱、包装箱等。相较于电子类产品，机械产品受外界约束条件较多，如空间限制、重量限制、接口匹配限制等，严格进行型谱化形成货架产品的成本太高，且预期复用率比较低；但是许多产品拓扑结构近似、技术原理相通，仅是参数不同，同样可以采用CBB的基本理念进行研究和管理。因此，对于机械类的CBB产品平台建设，应该采用不同的产品分类和管理方法。

2.2 机械产品CBB资源库

2.2.1 基于结构化数据表单的CBB模块构建方法

一般来说，对同一种机械产品，设计师在进行设计时，常因为设计方法和设计理念的差异，造成产品的设计参数存在差异，即多组设计参数都可以完成该产品的设计，使模型的规范性和重复利用性差。为避免上述问题，本文采用结构化数据表单的CBB模块构建方法，规范CBB模块的建立，提高模块的复用率。

以典型机械产品（如某转台）为对象，研究其拓扑结构、产品组成，总结出组成该产品的CBB模块，对CBB模块的设计参数进行优化并形成能够确定该模块设计的唯一一组最优参数组合，即参数的一个最小完备集合，并固化在模型中。在此基础之上，将CBB模块的设计参数以显性化方式呈现，即形成基于结构化数据表单的CBB技术模版。通过结构化数据表单，把CBB技术模版与设计参数进行关联映射，从而实现CBB技术模版驱动模块的设计，实现基于CBB技术模版的模型比对，实现一种基于CBB技术模版的管理模式。基于结构化数据表单驱动下的CBB模块定义，在三维设计软件中，CBB模块可以直观地体现为三维模型，也可以体现为某一张数据表单，即模型与表单存在一一对应关系。CBB平台总体构建方法如图1所示。

图1 CBB平台总体方法

2.2.2 典型机械产品CBB资源库建设

根据机械产品自身的特点，本文将机械产品CBB模块分为3类：标准模块、参数化模块、定制模块。“标准模块”等同于狭义的CBB单元，按照型谱化的方法形成产品货架；“参数化模块”是指基于相同拓扑结构但是部分参数可变的广义CBB单元，可以视为技术货架；“定制模块”是指用于满足无法预期的总体和客户需求的部分，主要是指具有对外结构接口的零部件，该部分通常不纳入CBB货架。标准模块、参数化模块、定制模块的内涵及区别见表1。

表1 机械产品组成模块分类对照表

通过梳理典型机械产品的CBB货架，建立典型机械产品的货架框架，从零件、部组件、整机等多个层级梳理典型机械产品的共享模块，从而建立典型机械产品的CBB资源库。而以结构化数据表单的CBB技术体系为基础，典型机械产品的CBB资源库主要包含3个层次的模型（模版）库：平台产品参数化模版库、系列化产品参数化模版库、定制产品数据库。

2.2.3 CBB管理要求

CBB的3个层次的模型（模版）库的成熟度评价及模型管理是CBB平台应用实施的关键环节，需要通过成熟度评价及模型管理进行不断迭代，使经验、规范、归零措施等知识通过信息化手段固化到软件中，通过平台的运行不断完善知识库，从而使得设计出来的产品质量不断提高。

CBB模型的成熟度可以从3个维度进行评价和管理，分别是：模版成熟度、仿真模型成熟度、产品成熟度。“模版成熟度”基于KBE（KnowledgeBasedEngineering，知识工程）相关理论进行评价和管理，主要评价CBB模版与现有知识库的符合程度，软件基于现有知识库对CBB模版进行检查，从而给出成熟度评估数据，通过技术评审等管理活动对模版成熟度进行确认。“仿真模型成熟度”主要基于计算机仿真验证进行评价，软件生成模型后驱动计算机仿真验证环节，通过虚拟验证的结果对CBB模型成熟度进行评价。“产品成熟度”是通过实物的相关试验（含设计工艺性验证）对CBB模型成熟度进行评价。管理部门制定放行准则，视成熟度评价结果决定进行模型迭代或者放行至下一环节。

3 机械产品平台化研发模式的软件实现

本文搭建的机械产品先进设计系统基于PTC公司creo和Windchill系统，以技术模版为依托，以通用化结构参数表单为手段，通过参数映射的形式实现对不同产品模版的调用和对结构化任务书的读取，从而构建机械产品CBB平台，实现机械产品的可配置设计和变型设计，实现快速装配，实现对CBB数据的快速查询和比对，自动生成产品的结构化文档。CBB平台基于B/S（Browser/Server）架构，支持基于互联网通过IE浏览器驱动服务器端进行产品设计的研发模式，以便于远程协同设计，并可通过云端进行软件部署及设计资源配置。