基于SOLIDWORKS的激光设备研制企业三维设计标准体系的建立

1. 背景简述

随着计算机科学技术的迅猛发展,世界制造业已经进入数字化设计与制造时代【1】。先进的三维设计和制造方式正在迅速、全面地被采用。三维CAD是数字化设计、仿真验证、制造与管理的基础,是现代化产品创新的基本工具。而法国达索(Dassault Systemes S.A)旗下的solidworks 软件正是这样一款集设计/验证/发布/产品数据管理(PDM)/制造于一体的实用工具,以其易学易用性兼具功能强大为广大设计人员所熟知并广泛采用。

武汉华工激光工程有限责任公司("华工激光")于1997年由激光加工国家工程研究中心转制而成,是国内第一家以激光为主业的上市公司--华工科技产业股份有限公司的核心子公司。依托华中科技大学,以激光技术国家重点实验室为技术源头,基于其高集成度和高度模块化设计,国际化的标准体系,以及其产品在汽车、冶金、电子、轻工、医疗等领域广泛而长期的应用,华工激光一直处于中国激光技术研究及应用的最前沿。企业近三十年致力于激光加工中关键技术和共性技术的研究开发,是中国重点科技攻关计划"激光技术"项目的牵头单位和主要承担单位。企业从2009年开始探索三维设计平台的统一与设计环境、产出标准化管理,于2012年与Dassault Systemes SOLIDWORKS 达成合作,全面开始SOLIDWORKS 三维设计标准化的推广,经过一年多的时间初见成效。

2. 激光行业企业三维设计标准化面临的主要挑战

近些年激光设备行业向着客户定制、小批量的方向发展。行业竞争的激烈也让成本控制水平、团队设计效率、创新设计能力成为企业设计研发能力提升的核心内容【1】。来自各方面的挑战主要包括如下内容:

1.设计平台与设计环境不统一。

1)将导致设计效率低,工程师保持各自的软件使用习惯,不同三维设计软件的产出数据不方便交互借用。而且在一个工程师的一次设计工作中,需要用三维工具完成模型设计,再采用二维工具来出具工程图。重复的数据转换,导致设计效率大大降低。

2)也会引起设计重用率低。工程师按照自己对设计方法的理解和产品功能的理解进行产品设计,导致产出数据其他人无法修改并重用。企业设计团队中频繁出现同一个零件或部件,多个人重复工作设计出不同的版本。

3)与此同时,大多数激光行业企业中工程师的设计工具使用能力参差不齐,让设计平台统一、标准化推广非常困难。

2.缺乏统一的平台与设计环境时,没法针对产品特点进行设计标准的定义。

3.再者,没有统一环境的设计过程、统一格式的产出,企业的标准化管理,甚至由CAD设计数据向PDM(产品数据管理)、企业ERP管理端的数据传递都变得非常困难。

由此可见,设计平台、设计环境的统一是激光行业三维设计工具标准化应用推广的必经之路。

3. 华工激光SOLIDWORKS三维设计标准体系的建立

虽然最新的国家标准GB/T26099-2010《机械产品三维建模通用规则》已经出台,但具体到企业的实际生产管理情况,则会有许多的问题难以解决【2】。经过华工激光过去一年多的探索与实践,发现讨论并建立符合企业实际的三维标准体系能够为企业带来诸多的好处。这其中,工程师在产品设计过程中用到的各类基础数据库是否完备对产品的设计周期和其后的产品数据管理有着较大的影响。要建立企业的三维标准体系,三维设计环境的搭建是首当其冲的要务,具体包括以下几个方面。

3.1 设计环境与模板的发放与管理方式

设计环境与模板的发放与管理方式应该满足便于下发、统一更新与维护的基本原则。华工激光经过审慎考虑,决定选用Dassault Systemes SOLIDWORKS华中地区增值服务商-武汉高顿科技发展有限公司(简称“武汉高顿”)提供的设计环境与模板自动下发安装包。

工程师只需在安装了SOLIDWORKS 软件的操作系统双击该安装包便可自动完成原设计环境备份和新设计环境自行安装与配置的工作。企业需要修改或更新设计环境与模板等数据库时,只需将更新后的安装包下发统一即可。

对于本次部署SOLIDWORKS 三维设计平台的华工激光集团旗下华工激光精密事业部、武汉法利普纳泽切割系统有限公司分别定制了不同的设计环境与模板自动安装包。如图3-1示意。

图3-1 华工激光精密事业部设计环境&模板自动安装包

3.2 三维设计基础环境

在设计基础环境中,分别对三维模型设计过程中零件、装配体、工程图三种类型定义不同的设计环境,具体内容包括显示样式、绘图标准、设计单位制、尺寸标注样式、绘图线型等的标准定义,如图3-2所示。一旦定义完成后,将随自动安装的设计环境和模板一起自动发放安装,如图3-3所示。工程师在进行设计时将在统一的环境下进行,避免大量由于单位制不统一、显示样式不同等导致的信息沟通错误和设计效率降低。

图3-2 零件、装配体、工程图模板定制若干信息

图3-3 生成的零件、装配体、工程图模板

3.3 设计数据输出标准格式

在以二维CAD软件为主要设计工具的时代,企业均以产出的二维工程图格式作为设计数据标准化的主要对象。经过多年的积累,华工激光也在二维设计数据标准化管理上积累了丰富的经验,并且经过多年的验证,已经形成的设计数据产出标准确实能有效的将设计、工艺部门的产品设计信息传递至生产部门,最大程度让设计、工艺、生产部门人员采用基于同一种标准的表达方式进行沟通。当SOLIDWORKS引进时,需要将华工激光现有的先进标准化成果从原来的二维CAD平台移植到三维CAD环境,并做出一些适应三维设计模式特点的改进。

于是在定义设计数据输出格式模板时,将各种图幅的图纸图框标题栏(如图3-4以A3图幅示意)、BOM清单模板(如图3-5)、切割清单模板、标注样式等全部进行了统一的定义。

工程师在进行工程图创建时,只需要调用相应的模板、标注样式块便可完成设计,将大大节省工作量,并让企业标准化审核与管理的工作量降到最低。

3.4 设计流程跟踪

使用三维设计后,产品数据格式和文件类型都发生了较大的变化,PDM在进行二维设计图样管理时,只负责文件的名称及属性,不涉及文件的内容,而三维设计则不同,零件、装配体、工程图之间能实现自动的关联与更新,文件版本的改动会造成整个产品的改动。因此在三维设计环境中需要进行设计流程跟踪的属性管理。

例如工程图中携带的修订表,会记录图纸版本修改的相关信息(如图3-6),或者图框标题栏中版本。

3.5 企业基础设计库

在产品的三维设计过程中,基于企业标准化管理的考虑,会使用到大量的基础数据库。例如:完善的各类常用标准件、常用的通用件/外购件、符合企业实际应用的焊接型材数据库、材质库以及企业常用的各类符号库等。这些基础数据库的建立,不仅能够较好地实现企业的标准化管理,同时还大大简化和提高了工程师在设计过程中的工作量和工作效率【3】。在表1中,列出了企业主要关注的关于三维基础数据库的几个方面。

3.6 模型属性数据管理卡片

企业要想用好三维设计,除了标准化的设计过程与产出外,在设计进行过程中的图文档管理也是非常重要的环节。例如工作流管理、版本管理、权限管理等。而要实现有序的管理,在设计模型中搜集好用于管理的属性信息非常关键。在SOLIDWORKS中,通过模型的属性卡片来进行属性管理,该卡片为设计环境自动集成方式,随零件、装配体的设计环境被自动调用。华工激光根据企业的实际特点进行了属性卡片的定制。具体字段包括产品编码、材质、重量、所属项目名称、所属项目编码、设计者信息、设计日期等,如图3-7。

图3-7 模型自定义属性卡片信息示例

属性卡片中的所有信息除了将来可用于PDM平台上信息的搜索、查询等管理外,还可被直接调用于工程图中的注释、材料明细表、标题栏等位置。

4. 总结与展望

4.1 总结

一个企业的标准体系建立是一个长期、长效的过程,对企业将会产生长远的影响,一个科学、严谨且运行良好的标准体系,会为企业的发展带来不可估量的好处。通过设计环境与设计模板的标准化统一,是华工激光一百多人的设计团队采用同样的设计环境和标准进行产品设计,大大提高了企业团队的沟通效率,设计重用率,标准化程度。并且基于本次工作,将华工激光多年探索并践行的二维标准化成果完好的继承并发扬,使华工激光由二维切换至三维设计平台的周期大大缩短。

这其中,三方面因素促成了华工激光三维标准化体系的顺利推广。华工激光方面,企业高层和标准化部门对于企业信息化建设的前瞻性认识——三维化、设计标准化对于企业团队设计效率提升至关重要,华工激光全体设计人员在项目实施过程中全程高度重视与投入。实施服务方面,来自SOLIDWORKS——武汉高顿的技术实施服务团队充分调研华工激光的企业特点,结合多年服务于激光行业的丰富经验细心定制各部分内容。软件方面,SOLIDWORKS软件的易学易用性,对于国标标准完美的支持大大缩短了工程师软件学习的周期。

4.2 展望

标准体系的建立是一个渐近的、不断完善的过程,它需要企业针对自己的实际情况,在不同时期、不同阶段做出不同的改进和修改,以服务企业的生产经营活动,推动企业的发展。标准化的设计和产出只是发挥三维设计优势的初步工作【1】。

华工激光产品特有设计方法的进一步探索、积累、固化,标准化产出数据有序管理、传递是华工激光三维平台建设的下一步两项重点工作。期望在不久的将来,经过华工激光、武汉高顿、SOLIDWORKS的共同努力,成功搭建的三维设计、管理、发布平台能为中国激光设备制造企业的信息化建设提供更生动的典范。

参考文献:

[1]何永堂.浅谈企业三维设计标准体系的建立[J].CAD/CAM 与制造业信息化,2012.4

[2]李光耀,杜鹃.基于参数的SOLIDWORKS 零件库的开发与实现[J].机械设计与制造,2005(5):40-45.

[3]龚英弢.推进三维设计标准制定工作[J].上海造船,2009(3):48-49.