基于Teamcenter的WAVE 技术在拖拉机传动系协同设计中的研究

2014-09-19陈军王伟

机械制造与自动化 2014年6期

陈军,王伟

(1.马恒达悦达(盐城)拖拉机有限公司,江苏盐城224000;2.盐城工学院机械优集学院,江苏盐城224051)

0 引言

Teamcenter是西门子工业软件公司旗下的数字化产品全生命周期软件,为制造业、电子电气、医药化工、纺织服装等各行业提供产品数据管理的解决方案。Teamcenter可以实现产品设计研发的协同工作,包括协同管理、协同设计、协同流程,是真正意义的企业级协同管理平台。

WAVE是一种自动推断的全相关参数设计技术,可以优化工程设计过程,实现自顶向下的协同设计,是参数化造型技术与系统工程设计的有机结合。西门子公司的NX/WAVE技术是目前实现产品协同设计的优秀工具,Teamcenter系统与三维CAD软件的集成应用也是研究的热点之一。本文通过构建Teamcenter协同设计环境,在NX集成环境下运用WAVE技术,成功地实现了拖拉机传动系的协同设计过程。

1 WAVE协同设计现状

当今,国内外先进企业在设计信息化技术的支撑下,产品设计已进入资源共享、团队合作、协同创新的工作模式。现代制造业的发展,对产品级和零件级的结构和设计过程提出了越来越高的要求,面对快速多变的市场,企业必须具备强有力的产品快速设计开发能力。使用WAVE技术进行产品协同设计,实现了产品设计工作以适应性设计和变型设计为主导,采用先进的设计方法、思想和理念,获取及重用设计知识,在尽可能短的时间内开发出满足用户要求的新产品。在具体实现方式上,首先建立产品的控制结构,实现产品模型的同一层或不同层次之间典型几何模型的关联拷贝,用来控制几何模型之间的关系。然后完成自顶向下的装配设计,建立新组件,把几何模型加到新建的组件中。使用WAVE技术进行产品协同设计,在很多行业产品设计中都有成功的案例,包括组合机床、家电产品设计、汽车车身整体设计等产品[1－3]。

通过WAVE技术,主管工程师可以定制产品整体模板,分析产品结构,实现产品的结构控制,并建立基准面,交由不同的工程师完成子部件的设计,从而实现协同设计过程。但是,用户在单机环境下使用WAVE技术,不能实现真正意义上的协同设计,工程师之间缺乏有效的数据管理与交流平台,不能实时查看共享数据,设计进度不能量化考核与跟踪。通过数据拷贝等方式分发设计任务,极易造成数据的丢失或重复,工程师在设计过程中,容易产生一件多号或重复建模等问题,造成设计效率降低,设计数据出错等问题,为协同设计造成很多不利的影响,严重制约WAVE技术的推广使用。

2 协同设计的关键技术研究

2.1 NX/WAVE技术与自顶向下设计

WAVE技术以传统参数化建模技术为基础,针对参数化建模技术存在的不足,通过将驱动产品设计重要的总体设计参数建立在具有相关性的控制结构中,用少量的设计变量就可以控制产品开发的全过程[1]。基于Teamcenter的自顶向下设计过程除了支持传统的CAD创建约束、表达式与定位关系外,还有如下优越性:共享统一的数据平台、共享的数据源保证了数据的唯一性;基于Teamcenter的安全管理机制,提高了数据访问的安全性,并能保证数据所有权移交后权限的变更;工程项目中设计过程实施管控,实现了协同设计、协同管理、协同流程等功能。在Teamcenter平台下,利用NX/WAVE技术的强大功能,可以快速地建造一个具有共同控制结构的3D模型。在Teamcenter系统内分发设计任务后,可以自动地将控制结构、草图约束传递到子级零部件,这样,大大减少了设计更改的成本,解决了由于数据拷贝而引起的版本错误、模型不一致等问题。

2.2 Teamcenter工程项目管理

Teamcenter中的工程项目应用程序提供了对数据的组织、访问和管理的功能。项目负责人建立一个实时的“共享空间”,添加不同角色的团队成员到项目组,指定项目访问权限规则,将项目数据的读、修改等权限授予项目组成员。项目负责人可以进行实时的项目安排、工作任务分解、资源合理配置、工时表实时统计以及项目跟踪与报表统计,项目组成员基于工作职责来访问项目中共享的设计数据与技术文档。

2.3 NX Manager

通过Teamcenter与NX的深度集成工具NX Manager,将NX数字化设计、分析/仿真、制造和Teamcenter数据存储、管理能力集成在一起,用来管理NX的设计数据和设计过程,使得项目组能够在一个统一的设计环境下协同工作,可以增加团队的设计能力、提高设计效率和设计的精确性。通过NX Manager,Teamcenter可以管理NX数据及其相关联的WAVE文件,提高对数据的存取控制能力,保证数据的唯一性与版本一致性。工程师使用NX创建或修改模型图样时,存取的数据是当前的个人电脑,而通过NX Manager可直接访问Teamcenter的统一数据库,调取文件系统中的数据,这为协同设计提供了数据基础[4]。Teamcenter中产品结构树和NX中的装配结构相对应,当对工程BOM修改时,Teamcenter和NX两个系统能够保持同步变化。通过NX Manager实现了Teamcenter不同用户WAVE表达式自动同步,工程师可以看到并使用相同的表达式和定位关系,完成协同设计过程。

2.4 访问权限与数据所有权转换

的产品数据进行集中管理,在协同设计过程中为项目组成员提供共享的数据,因此适当的保护数据,防止数据被没有权限的人误操作、修改或者删除是必要的。Teamcenter通过规则的设定,将具有共性的数据对象(例如自制件、标准件、文件夹)授权给具有共性的访问者(例如有相同的职责,或在同一个项目组工作的人员)。通过这种方式可以定义多种条件或规则来控制对数据对象的访问,并影响Teamcenter的所有用户。表1所示是项目组数据访问权限设置。

表1 数据访问权限规则

Teamcenter提供数据转换所有权的功能,用以在系统内部实现工程师对数据访问权限的移交。更改所有权是Teamcenter系统实现协同设计重要的一步,并作为设计任务分发、权限移交的基础。需要更改所有权的数据包括三维模型、图样、版本信息,同时更改过程信息也会记录到数据库中,供审计与查询使用。更改前主管工程师对数据具有查看、修改的权限,数据所有权变更后,只有分配到设计任务的工程师本人能修改数据,同项目组所有人对被更改所有权的数据只读,并实施掌握设计进度。

3 Teamcenter平台下拖拉机传动系设计

传动系是拖拉机底盘中的重要总成,其设计需求来自于拖拉机总体设计需求或相关设计需求。结合Teamcenter的产品协同管理平台与NX WAVE产品级全相关参数化设计,可以实现项目组成员间的协同设计。如图1所示,是Teamcenter平台下的产品级控制结构自顶向下协同设计流程,项目组成员主要工作过程如下:

1)项目经理在Teamcenter中创建项目,指派人员,设置项目数据访问权限;

2)主管工程师分析传动系控制结构,在Teamcenter中搭建骨架模型,利用WAVE技术建立控制草图,建立表达式的关联拷贝;

3)主管工程师更改第1级子部件数据所有权,在系统内将模型分发给各级工程师,由工程师完成子模型的创建;

4)各级工程师根据控制结构以及继承的关联表达式设计子部件,根据访问权限对数据进行实施交流;

5)子部件通过关联约束检查后,由主管工程师实现自底向上的装配,完成协同设计过程。

在企业Teamcenter系统中,需要实现的目标是将所有

图1 协同设计流程图

3.1 传动系结构与设计分析

一个复杂产品按其结构和功能可以分解为若干个子结构体,每一个子结构体完成一定的功能,零件是功能和结构最基本的单元,用树状层次结构表示产品的功能和结构。拖拉机传动系结构如图2所示,传动系统由离合器、变速箱、中央传动机构、动力输出、最终传动和制动器等组成。组成传动系各部分机构的规格如下所示:

图2 拖拉机传动系功能结构图

1)离合器:单片、干式/双作用干式;

2)变速箱:(4＋1)×2型齿轮箱,滑动齿轮换档(用操纵杆);

3)中央传动:主传动圆锥齿轮、差速器;

4)动力输出:直齿圆柱齿轮传动;

5)最终传动:单级直齿圆柱齿轮外置式;

6)制动器:领从蹄式鼓式制动器。

3.2 传动系产品级参数化设计

产品结构知识主要反映产品中各子部件的位置及关联关系,各级结构驱动参数,几何结构尺寸,以及零件之间的装配关系、空间约束关系和几何对应关系。主管工程师根据拖拉机传动系参数化设计特征层次,在404B拖拉机项目文件夹中创建顶层装配,分配图号,搭建传动系骨架结构。按照传动系的设计要求对1级子部件重要零件空间位置分析,确定部件间位置距离,并对发动机、离合器、传动轴等部件进行关联关系分析。通过设计计算,提炼产品级控制结构驱动参数,并在顶层装配中建立驱动表达式,建立控制结构几何要素,添加几何之间的关联表达式,完成顶层装配草图的设计(图3)。对于结构、位置和方向都可能在模型更新时发生改变的部件及部件间的关系,用基准面间位置关系进行表达,通过这些基准面来对部件产品在产品整体结构中的具体位置进行约束。通过建立部件间几何链接关系,进行自顶向下的逐层设计,更改不同部件的模型形状,从而自动驱动产品模型的更新。例如变速箱和中央传动机构、动力输出之间的端面特征相关。

图3 拖拉机传动系控制结构简图

3.3 任务分发与自顶向下设计

主管工程师在Teamcenter中搭建传动系骨架结构,设置顶层装配中各部件的几何控制要素,,通过WAVE技术实现关联拷贝,从而把相关的设计意图传达给各级设计工程师。主管工程师通过Teamcenter系统内的更改所有权功能,将1级部件交由工程师设计。设计工程师接收到设计任务后可以分别同时进行设计,即并行工程。同时,当设计意图发生变化时,主管工程师也可以及时地更新控制结构,Teamcenter系统自动同步反映到工程师的设计数据中。如图4所示,在任务分发前,为1级子部件拷贝设计需要的、继承的关联约束信息,并为每个1级子部件和顶层部件建立关联。最后通过更改所有权,在Teamcenter平台内将1级部件数据分发给相关设计工程师完成,保证部件版本的唯一性。

图4 WAVE关联控制及各级部件任务分发

3.4 自底向上装配过程

工程项目提供了一个项目组内成员间数据集中管理、进度实时掌握的共享空间,各级工程师按照设计任务完成子部件的设计后,将设计数据指派到工程项目中。子部件通过关联约束检查后,由主管工程师实现自底向上的装配,完成协同设计过程。

在Teamcenter平台下,利用 WAVE技术在设计复杂产品时,更容易体现自顶向下的协同设计优势。如图5所示,通过项目组分工协作,可以在较短的时间内完成拖拉机传动系的设计过程,可以在保持传动系外形尺寸不变的前提下,通过参数驱动和全相关技术来变更中央传动位置与尺寸以获得更大的动力输出,并可以迅速获得这种更改带来的影响。如果使用传统的技术,可能会花费几倍甚至几十倍的时间,并在数据发放,版本更新过程中造成数据不一致,模型装配约束错误等问题。