机械制造协同设计体系的构建研究

盛洪林

摘 要：协同设计最大的难点是对各个独立设计环节的有序整合与衔接。本文对CAXA机械制造控制系统搭建协同设计平台的具体方法、设计流程、关键技术进行了分析论述，以期满足协同设计对数据兼容、数据安全的需要。

关键词：机械制造 协同设计 关键技术

在传统制造业领域，机械制造从产品设计到成品出厂，涵盖结构设计、控制设计、工艺设计、样机试制、设计完善、正式投产等多个工序。通常机械制造设计周期长、工序多、组织衔接与融合复杂，尤其是在“串行”设计思路下，各工序需要顺序执行，而一旦某工序出现设计错误，可能导致后续多道工序翻工。

协同设计理念是将现代信息技术、大数据、云计算平台作为设计创新支撑，借助并行工作方式来实现对不同工序、不同项目、不同任务之间的有效协同，利用交互设计规范，充分利用数据重用技术、虚拟仿真技术，来化解传统设计的“串行”弊端，提高设计协同效率，提升设计质量和效益。

一、机械制造协同设计的支撑技术

在协同设计中，考虑到机械制造设计行业特点，需要对机械制造的各个过程、环节进行协同。在每个阶段，所需数据虽然是不完整的，但是可以通过数据模型、數据管理来实现数据共享。支撑技术的运用，主要包括过程重构技术、数字化产品技术、CAD/CAM/CAPP集成技术和产品数据管理等关键技术。

1.过程重构技术

在过程重构技术中，协同设计能够从全局设计视角，对各个环节的设计过程进行管理，并提出不断改进和优化的方法。其思路为：能够根据设计需要重估设计流程，强调用户设计目标，面向制造、面向装配、面向用户。其核心有三方面：一是根据设计需求从零设计，构建新的设计过程;二是根据过程进行重新设计，而非局部修改;三是根据用户需求，重新设计产品。协同设计在机械制造设计中的应用，就是要对现有机械产品设计开发流程进行优化、重构，使其能够满足设计需要。

2.数字化产品技术

在机械设计模型与设计技术领域，CAD、CAM等模型化软件的发展，为机械设计创新带来重大变化。分析机械设计模型，从几何模型、特征模型、集成产品模型的变化，相应的建模技术也从单一到复杂逐渐形成。可以利用计算机语言来完成表达产品的定义，但产品几何信息是整个产品设计的基础，也是关键点。如线框模型设计，结构相对简单，易于表达自由曲面产品设计，但不利于对复杂构造零件的几何表达。表面模型相对线框模型更丰富，但其在构造复杂的产品设计中，也存在不足。实体模型是融入了实体几何法、小平面边界表示法、拓扑边界表示法等造型方法来实现对复杂构件的仿真设计需要。

3.CAD/CAM/CAPP集成技术

随着CAD/CAM/CAPP技术的不断发展，越来越多的研究成果应用其中，也推进了CAD/CAM/CAPP集成系统的快速更新。如美国EDS公司的UnigraphicsII、SRDC公司的I-DEAS、IBM公司的CATIA。运用这些软件技术能够实现对复杂曲面、精度曲面实体造型的加工与设计，能够从参数化造型、装配模拟、加工仿真等领域发挥优势。同时，依托CAD/CAM/CAPP技术优势，可以引入协同开发理念，实现各部门、各分工的有效协作。

二、机械设计协同技术的构建过程

1.遵循机械制造规律，明确协同设计分工

在机械设计领域中，大规模、流水线生产制造工艺升级，以小批量、个性化设计制造为特点，更需要关注机械制造设计各个环节的协作与交互。

一方面注重专业化分工与协作，结合机械制造行业及产品设计实际，明确各岗位、各设计人员的职责，并建立统一网络平台下的协同机制。另一方面，注重设计任务的协作，依托设计任务，从设计过程入手化解其中的冲突与矛盾，实现设计工作相互制约。另外，在协同设计中，要突出过程的动态性，要协同各方设计进度，优化设计工艺，并协同解决其中的。设计人员借助信息交互平台，通过同步或异步协同信息交互确保实现机械设计的整体性目标。

2.基于CAXA协同设计系统的部署

根据机械制造协同设计要求，建立基于CAXA系统的机械制造协同设计平台，该平台由数字化设计软件、数字化制造平台和协同管理平台构成。在协同设计平台上，数字化设计平台由实体设计、电子图版等设计软件构成，也是设计人员进行设计实践的重要基础。其中包括各类设计图样、图表、机械设计工艺等软件，并提供与数控设备、数控制造、线切割等关联的制造软件。

利用机械制造协同设计管理平台，可以实现对产品数据管理、CAPP软件设计、MES生产制造系统软件的应用，利用协同平台所提供的各类资源信息，更好地协同机械制造产品设计过程，满足对各类设计信息、设计图纸、设计文档、设计数据的高效利用。同时，根据协同平台，对机械制造设计工作流程进行优化和规范，结合CAPP计算机辅助工艺过程设计软件，来化解传统机械设计低效、一致性差矛盾。

另外，结合生产制造执行系统软件，可以从机械产品设计需求订单到产品设计完成整个流程实现现场管理。借助协同设计平台对各类软件、电子数据的整合，可以满足对设计数据的查询、对相关标准规范的引用、对图纸的打印等功能，还能从设计数据的共享、设计工作流程的优化上提升机械设计效率。

3.细化协同运行流程，增进交互设计

在机械制造协同设计系统运行中，围绕电子仓库，将与机械设计相关的各类图纸、文档、数据、标准等信息进行集中、统一存放和管理，便于设计人员能够结合设计需要，访问并应用相关数据。

在协同设计业务流程中，根据设计任务，分析订单类型，并参照相关设计流程进行设计。如对于改进型设计任务，可以通过查询相关电子仓库，获取相应设计文件及图纸内容，直接对相关图纸或设计文件进行修改、存储，从而获得快速、高效设计目标。对于全新设计订单，结合设计要求及规范，对相关设计文件、图纸、数据进行提取，在电子仓库中新建机械零部件，并按照相应模型、工艺进行设置，参照机械制造设计规范进行全新设计。设计完成后要对设计文件、图纸等信息进行存储，以便再次使用。利用协同设计系统平台，可以根据不同的机械制造设计任务，进行新建、入库、出库、发布、归档等处理。同时，根据机械设计任务的不同环节，对相关设计数据和信息进行处理。

另外，在机械制造工艺编制上，引入交互设计模式对机械加工、铸造、钣金、焊接、热处理、装配等不同工艺类型进行专门化设计，并根据相应设计标准、规范要求，输出各类相关统计报表和数据文件信息，交由网络DNC传送给数控加工设备中心。最后对加工后的设计文件进行反馈，传送给协同机械设计系统中，留存归档。

整个CAXA协同设计系统平台可以对各工序、各工作流的执行进行控制，能够满足节点授权，利用协同监控工具可以对各环节、各设计人员的工作进度和状态进行查看、监督。

三、基于CAXA协同机械制造设计系统在运行时存在的问题及解决方法

1.存在问题

协同设计在机械制造中的应用，考虑到机电设备制造的多样性、复杂性的实际情况，在进行协同设计管理中还存在一些不足。笔者结合CAXA协同设计系统的运行现状，对其存在的问题梳理如下。

一是协同设计系统自身涵盖了诸多设计环节，包括知识库管理、工作流管理、变更管理、电子签审、系统集成等内容。各设计节点、不同操作系统、不同设计人员在使用设计软件时，可能会出现图纸格式不统一、工艺表格不规范、技术文档选择不兼容等问题，这些问题在进行人工转换时，反而会带来设计图文档案信息的混乱。特別是在设计人员较多时，可能出现的问题更多，管理难度更大。

二是在进行协同设计中，由于设计人员的流动性、临时性，对设计任务、设计项目、设计过程中的数据交互较多，由此带来的数据安全性问题突出。

2.解决方法

从机械制造协同设计目标来看，引入协同设计，旨在提高机械制造设计效率。对于存在的问题，需要我们从技术、规范、制度等方面进行化解。考虑到协同设计系统的安全性、稳定性、可持续性要求，我们对整个协同设计系统进行虚拟化处理，利用虚拟云桌面与CAXA协同系统进行融合，更好地化解格式不统一、不规范、不一致的难题。

在运用协同系统时，设计人员通过虚拟云桌面来访问设计软件，并对相关权限、角色进行配置，确保数据安全性和一致性。另外，利用云技术，可以实现对虚拟协同设计平台的构建，还可以满足远程用户的登录使用。用户不再受限于操作系统、应用软件，更好地解决了数据不兼容问题，也让协同设计效率获得提升。

四、小结

协同设计在现代机械制造业的应用，以新行信息技术创新为支撑，实现了对传统机械制造设计、生产、制造模式的变革。基于CAXA协同机械制造设计平台能够实现现代生产制造、虚拟仿真技术的融合，特别是利用虚拟云桌面技术，可以更好地改进和完善机械制造协同设计方法，提高协同设计的可靠性和稳定性。同样，随着科技的创新，对机械制造设计而言，我们还要结合学生专业方向、学科发展特点，积极协同教学目标与课程改革的关系，帮助学生从协同设计中掌握机械制造设计的要点，化解学习难点，提高学生的动手操作和实践能力。

参考文献：

[1]朱贤斌，浦玉池，胡益鑫.关于机械工厂PDM、ERP、MES协同平台设计的研究[J].工程建设与设计， 2018（5）.

[2]李涛.探析协同设计在工程机械设计中的应用[J].电子测试，2017（2）.

[作者单位：绍兴技师学院（筹）]