基于国产PLM系统的三维CAD协同设计的应用与实践

近年来，随着企业信息化建设的不断深入，国内大型装备制造企业产品研发工作已逐步实现了产品全生命周期管理系统（PLM）以及三维产品设计的全面应用。如何确保三维产品设计数据的完整性、正确性，如何利用PLM系统实现三维产品设计工程化应用，如何实现PLM系统与三维CAD设计软件的紧密集成，已成为装备制造企业研发信息化应用必须尽快解决的关键问题。本文以大同机车在基于PLM系统的三维协同应用与实践为切入点，做如下阐述。

大同电力机车有限责任公司（以下简称大同机车）隶属于中国北车股份有限公司的全资子公司，通过技术引进、消化吸收和再创新，批量生产了HXD2C、深度国产化八轴、160km客运、200km客运、30吨大轴重、中白货运1型和2型（出口白俄罗斯）等多个型号的交流传动电力机车，是中国铁路干线牵引电力机车的专业研制生产厂家之一。

一、应用前企业的问题

2006年大同机车就引入了国产PLM系统，在产品开发部、工艺开发部、物资供应部、生产制造部、质量保证部和生产车间等单位开展了全面应用，取得了良好的应用效果。2008年大同机车又引入了国外某大型三维CAD设计软件，电力机车逐步开始了全三维设计应用。

但三维CAD应用相对复杂，一方面三维CAD应用产生的文件很大，小则几MB，大者到GB，远大于二维CAD应用的文件，另一方面三维应用文件之间具有相关性，装配模型依赖零件模型，二维图依赖三维模型，打开或浏览一个稍复杂一点的装配模型，涉及文件的大小都差不多是1GB以上。单纯三维CAD应用，可以使用更好更快的客户机来完成，但涉及数据共享、数据交换时，则对网络带宽需求很大，导致大量的三维模型数据不能在后续的工艺、制造、采购和维护维修环节中得到合理、有效的应用，严重影响部门之间和设计团队与供应商、客户之间围绕产品的数字化模型进行细节沟通和确认。

三维CAD设计中，由于造型的需要，三维文件的结构、三维模型的结构都不是产品的结构关系，诸如骨架件、管路布线等不是子件，在提交PLM系统管理时，为保证产品结构的正确性用户需做大量的调整，另需手动逐一指定三维模型对应的二维图文件，给设计者带来大量的重复烦琐工作。

如何利用现有的国产PLM系统，实现三维数据的管理？如何在企业内各业务部门和企业间有效的共享三维数据？如何在企业设计、工艺部门间实现三维设计的高效协同？如何实现异地协同？这已成为制约大同机车新产品研发全三维应用的一大瓶颈。

二、协同设计的实现

为了更好地推进全三维设计和应用，解决瓶颈问题，大同机车于2012年启动了PLM系统升级工作，在与PLM软件商充分沟通的基础上，决定开展基于国产PLM的三维CAD协同设计的应用。

通过引入轻量化、缩略图技术，利用三维CAD软件的开发接囗，结合PLM系统在数据签审、管理方面的优势，实现三维CAD软件与PLM系统的数据、文件及产品结构树的集成，实现PLM系统对三维设计数据的签审、轻量化流转和管理。

利用骨架功能，在三维CAD软件中进行自顶向下的产品研发设计。首先由产品主管或部件主责开展骨架设计，提交入PLM系统中，由PLM系统分发给各设计师；设计师在骨架基础上完成设计，然后将完成的顶级三维模型提交PLM系统，集成插件利用三维模型的内部关系找到全部的子模型和模型关系，并按预定制的三维模型与二维图的关系找到相关的全部二维图；同时利用预定制的虚件处理关系，把三维模型的关系转化为产品结构关系，并相应处理文件之间的关系，最后在PLM系统中创建出对应的零件，并保证零件具有正确的结构关系和文档描述关系；部件主管或产品主管在基层设计完成后再逐层向上按指定层方式提交大部件或整个产品。

提交完成后，由PLM转换服务器自动进行相应的轻量化处理，并在PLM系统中完成设计、工艺、标准化等评审流程；PLM系统自动提供版本控制和追溯管理；二维图出图时由PLM系统把审批流程的执行人信息回写入二维图；审批过程中以及三维数据定版后，工艺、质保、采购、售后和生产车间等单位都可以在PLM系统中直接浏览和使用轻量化三维模型文件，实现基于PLM系统的三维协同化应用。

三、关键技术

为了更好地基于PLM系统搭建三维协同工作环境（图1），PLM软件商在三维模型的轻量化、可视化浏览、三维模型的审批、二维工程图电子签名、三维模型结构树与制造BOM集成等方面做了大量的研发工作和卓有成效的探索。

1.三维CAD文件轻量化构件和可视化构件套件

三维CAD应用相对复杂，涉及文件大小总量与纯二维不是同一数量级。为了提高浏览和共享的速度，项目应用中引入了三维CAD文件轻量化技术和可视化技术，利用PLM软件商提供的转换器可以实现三维CAD文件的轻量化转换，浏览器可嵌入C/S或B/S架构的界面中，用于显示三维模型，提供放大、缩小、窗口缩放、平移、旋转、绕转和选择等交互操作功能，并提供多种渲染模式：线框、阴影、隐藏线、轮廓、阴影线、表面分析和反射等，可进行实体搜索与属性浏览，还具有剖视和分解、测量和批注、干涉检查、模型和图纸比较等功能，这些功能方便了业务部门对三维模型的再利用，工艺、质保、采购、售后和生产车间等单位可以通过PLM系统提供的三维可视化浏览工具，实现对三维模型的浏览和使用。

2.轻量化转换服务

PLM系统利用浏览器轻量化的接囗，提供了轻量化转换功能，设计人员在三维软件的前端直接点击提交菜单后，集成软件自动完成全部的提交功能，并由PLM系统发起相应的转换任务请求（图2）。

转换任务分为同步和异步两种：同步转换任务优先异步转换任务的处理，同步转换任务处于任务队列的首部，一般由用户点击文件浏览时直接发起，加入任务队列的首部；异步转换任务是在文件上传服务器时发起，加在转换任务队列的尾部。由转换服务调度转换任务，按先后次序完成全部的转换任务。转换服务启动时，自动从PLM库中获取未成功完成的转换任务，做为异步转换任务加入转换任务队列。

转换任务完成后，将把转换形成的hsf文件、sab文件和xml文件放在和源文件一起的文件列表中，与文档对象建立关联。装配模型文件转换时，会把与装配模型相关的所有子孙文件中没有转换过的和失效的文件也同步进行转换。浏览转换后的轻量化文件，实现了即使是大型装配，浏览文件也没有明显的延时感觉。

3.缩略图功能支持

缩略图是比轻量化文件数量级更小的文件，处理速度也快，在列表显示文件时，每条记录前显示一个缩略图，可方便用户快速定位文件，比通过逐项浏览文件查找，进一步提高了查找速度，同时进一步减少了网络流量。三维模型文件和二维文件提交PLM系统服务器时，可配选由PLM系统的转换服务自动生成缩略图文件，方便用户使用缩略图功能。

4.与三维CAD软件的深度集成

为了更好地发挥PLM系统与三维CAD软件的作用，大同机车与PLM软件商进一步开展了三维CAD软件的深度集成工作。

（1）三维模型与产品结构树。

三维模型含有大量的产品信息，不仅包括零部件的形状、尺寸和位置等几何信息，还包括零部件的代号、名称、材料和零件结构等管理信息。通过PLM系统与三维CAD软件的集成，不仅可以提取模型文件的管理信息，还可以根据预定制的规则把三维模型的关系转换为产品结构关系，形成产品结构树；还可方便地通过定制“批提取范围”选项内容，控制同时提取产品结构树、三维模型文件和二维图文件，也可只提取三维模型文件或只提取二维图文件（图3）。

（2）三维模型与二维工程图的关联管理。

集成应用中，可通过定制关键字“附属文件标识”来实现三维模型与二维工程图的关联管理，即可由三维模型文件查找对应的二维图文件，也可由二维图文件查找对应的三维模型文件，还可由提取文件自动查找其他的非三维CAD软件的附属文件，同时可定制是否建立两文件之间的关联关系。集成应用还可检查二维图的标题栏信息与三维模型属性信息是否一致、二维图中的明细信息与三维模型的子件信息是否一致，并为用户给出提示性错误报告。

（3）评审和电子签名。

研发人员完成设计后，在CAD前端直接完成提交PLM工作，PLM转换服务自动完成轻量化工作，再在PLM中发起设计、工艺会签、标准化和批准等标准评审流程，实现版本控制及追溯管理，保证三维数据的完整性、正确性和有效性。二维工程图实现了电子签名管理，在出图的同时把PLM系统中评审流程的相关步骤人员的电子签名及日期回写入二维工程图。

四、应用效果

目前，大同机车PLM系统管理三维模型的电力机车产品包括深度国产化八轴、160km客运、200km客运、30吨大轴重、中白货运1型和中白货运2型等6个车型，三维模型的数量达到3万多个。实现了：基于三维模型设计的企业内和企业间的协同工作环境；海量三维模型、二维工程图的关联管理；通过评审流程进行三维模型文件版本控制和数据有效性的管理；通过三维模型直接产生产品结构树和设计BOM的集成化应用。通过流程和项目任务的驱动，也实现了轻量级三维模型在大同机车设计、工艺、物资、质保、售后、生产车间等业务部门的实时共享，搭建了基于PLM系统的协同工作平台和三维工程化的应用环境，提高了大同机车的研发工作效率和协作企业间的协同应用水平，也大大减少了开展三维工程化应用企业所投入的建设成本，取得了良好的应用效果。

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