近年來，隨著企業信息化建設的不斷深入，國內大型裝備制造企業產品研發工作已逐步實現了產品全生命周期管理系統（PLM）以及三維產品設計的全面應用。如何確保三維產品設計數據的完整性、正確性，如何利用PLM系統實現三維產品設計工程化應用，如何實現PLM系統與三維CAD設計軟件的緊密集成，已成為裝備制造企業研發信息化應用必須盡快解決的關鍵問題。本文以大同機車在基于PLM系統的三維協同應用與實踐為切入點，做如下闡述。
大同電力機車有限責任公司（以下簡稱大同機車）隸屬于中國北車股份有限公司的全資子公司，通過技術引進、消化吸收和再創新，批量生產了HXD2C、深度國產化八軸、160km客運、200km客運、30噸大軸重、中白貨運1型和2型（出口白俄羅斯）等多個型號的交流傳動電力機車，是中國鐵路干線牽引電力機車的專業研制生產廠家之一。
一、應用前企業的問題
2006年大同機車就引入了國產PLM系統，在產品開發部、工藝開發部、物資供應部、生產制造部、質量保證部和生產車間等單位開展了全面應用，取得了良好的應用效果。2008年大同機車又引入了國外某大型三維CAD設計軟件，電力機車逐步開始了全三維設計應用。
但三維CAD應用相對復雜，一方面三維CAD應用產生的文件很大，小則幾MB，大者到GB，遠大于二維CAD應用的文件，另一方面三維應用文件之間具有相關性，裝配模型依賴零件模型，二維圖依賴三維模型，打開或瀏覽一個稍復雜一點的裝配模型，涉及文件的大小都差不多是1GB以上。單純三維CAD應用，可以使用更好更快的客戶機來完成，但涉及數據共享、數據交換時，則對網絡帶寬需求很大，導致大量的三維模型數據不能在后續的工藝、制造、采購和維護維修環節中得到合理、有效的應用，嚴重影響部門之間和設計團隊與供應商、客戶之間圍繞產品的數字化模型進行細節溝通和確認。
三維CAD設計中，由于造型的需要，三維文件的結構、三維模型的結構都不是產品的結構關系，諸如骨架件、管路布線等不是子件，在提交PLM系統管理時，為保證產品結構的正確性用戶需做大量的調整，另需手動逐一指定三維模型對應的二維圖文件，給設計者帶來大量的重復煩瑣工作。如何利用現有的國產PLM系統，實現三維數據的管理？如何在企業內各業務部門和企業間有效的共享三維數據？如何在企業設計、工藝部門間實現三維設計的高效協同？如何實現異地協同？這已成為制約大同機車新產品研發全三維應用的一大瓶頸。
二、協同設計的實現
為了更好地推進全三維設計和應用，解決瓶頸問題，大同機車于2012年啟動了PLM系統升級工作，在與PLM軟件商充分溝通的基礎上，決定開展基于國產PLM的三維CAD協同設計的應用。
通過引入輕量化、縮略圖技術，利用三維CAD軟件的開發接囗，結合PLM系統在數據簽審、管理方面的優勢，實現三維CAD軟件與PLM系統的數據、文件及產品結構樹的集成，實現PLM系統對三維設計數據的簽審、輕量化流轉和管理。
利用骨架功能，在三維CAD軟件中進行自頂向下的產品研發設計。首先由產品主管或部件主責開展骨架設計，提交入PLM系統中，由PLM系統分發給各設計師；設計師在骨架基礎上完成設計，然后將完成的頂級三維模型提交PLM系統，集成插件利用三維模型的內部關系找到全部的子模型和模型關系，并按預定制的三維模型與二維圖的關系找到相關的全部二維圖；同時利用預定制的虛件處理關系，把三維模型的關系轉化為產品結構關系，并相應處理文件之間的關系，最后在PLM系統中創建出對應的零件，并保證零件具有正確的結構關系和文檔描述關系；部件主管或產品主管在基層設計完成后再逐層向上按指定層方式提交大部件或整個產品。
提交完成后，由PLM轉換服務器自動進行相應的輕量化處理，并在PLM系統中完成設計、工藝、標準化等評審流程；PLM系統自動提供版本控制和追溯管理；二維圖出圖時由PLM系統把審批流程的執行人信息回寫入二維圖；審批過程中以及三維數據定版后，工藝、質保、采購、售后和生產車間等單位都可以在PLM系統中直接瀏覽和使用輕量化三維模型文件，實現基于PLM系統的三維協同化應用。
三、關鍵技術
為了更好地基于PLM系統搭建三維協同工作環境（圖1），PLM軟件商在三維模型的輕量化、可視化瀏覽、三維模型的審批、二維工程圖電子簽名、三維模型結構樹與制造BOM集成等方面做了大量的研發工作和卓有成效的探索。
圖1 基于CATIA的集成應用
1. 三維CAD文件輕量化構件和可視化構件套件
三維CAD應用相對復雜，涉及文件大小總量與純二維不是同一數量級。為了提高瀏覽和共享的速度，項目應用中引入了三維CAD文件輕量化技術和可視化技術，利用PLM軟件商提供的轉換器可以實現三維CAD文件的輕量化轉換，瀏覽器可嵌入C/S或B/S架構的界面中，用于顯示三維模型，提供放大、縮小、窗口縮放、平移、旋轉、繞轉和選擇等交互操作功能，并提供多種渲染模式：線框、陰影、隱藏線、輪廓、陰影線、表面分析和反射等，可進行實體搜索與屬性瀏覽，還具有剖視和分解、測量和批注、干涉檢查、模型和圖紙比較等功能，這些功能方便了業務部門對三維模型的再利用，工藝、質保、采購、售后和生產車間等單位可以通過PLM系統提供的三維可視化瀏覽工具，實現對三維模型的瀏覽和使用。
2. 輕量化轉換服務
PLM系統利用瀏覽器輕量化的接囗，提供了輕量化轉換功能，設計人員在三維軟件的前端直接點擊提交菜單后，集成軟件自動完成全部的提交功能，并由PLM系統發起相應的轉換任務請求（圖2）。
圖2 輕量化轉換服務
轉換任務分為同步和異步兩種：同步轉換任務優先異步轉換任務的處理，同步轉換任務處于任務隊列的首部，一般由用戶點擊文件瀏覽時直接發起，加入任務隊列的首部；異步轉換任務是在文件上傳服務器時發起，加在轉換任務隊列的尾部。由轉換服務調度轉換任務，按先后次序完成全部的轉換任務。轉換服務啟動時，自動從PLM庫中獲取未成功完成的轉換任務，做為異步轉換任務加入轉換任務隊列。
轉換任務完成后，將把轉換形成的hsf文件、sab文件和xml文件放在和源文件一起的文件列表中，與文檔對象建立關聯。裝配模型文件轉換時，會把與裝配模型相關的所有子孫文件中沒有轉換過的和失效的文件也同步進行轉換。瀏覽轉換后的輕量化文件，實現了即使是大型裝配，瀏覽文件也沒有明顯的延時感覺。
3. 縮略圖功能支持
縮略圖是比輕量化文件數量級更小的文件，處理速度也快，在列表顯示文件時，每條記錄前顯示一個縮略圖，可方便用戶快速定位文件，比通過逐項瀏覽文件查找，進一步提高了查找速度，同時進一步減少了網絡流量。三維模型文件和二維文件提交PLM系統服務器時，可配選由PLM系統的轉換服務自動生成縮略圖文件，方便用戶使用縮略圖功能。
4. 與三維CAD軟件的深度集成
為了更好地發揮PLM系統與三維CAD軟件的作用，大同機車與PLM軟件商進一步開展了三維CAD軟件的深度集成工作。
（1）三維模型與產品結構樹。
三維模型含有大量的產品信息，不僅包括零部件的形狀、尺寸和位置等幾何信息，還包括零部件的代號、名稱、材料和零件結構等管理信息。通過PLM系統與三維CAD軟件的集成，不僅可以提取模型文件的管理信息，還可以根據預定制的規則把三維模型的關系轉換為產品結構關系，形成產品結構樹；還可方便地通過定制“批提取范圍”選項內容，控制同時提取產品結構樹、三維模型文件和二維圖文件，也可只提取三維模型文件或只提取二維圖文件（圖3）。
圖3 三維模型批量導入
（2）三維模型與二維工程圖的關聯管理。
集成應用中，可通過定制關鍵字“附屬文件標識”來實現三維模型與二維工程圖的關聯管理，即可由三維模型文件查找對應的二維圖文件，也可由二維圖文件查找對應的三維模型文件，還可由提取文件自動查找其他的非三維CAD軟件的附屬文件，同時可定制是否建立兩文件之間的關聯關系。集成應用還可檢查二維圖的標題欄信息與三維模型屬性信息是否一致、二維圖中的明細信息與三維模型的子件信息是否一致，并為用戶給出提示性錯誤報告。
（3）評審和電子簽名。
研發人員完成設計后，在CAD前端直接完成提交PLM工作，PLM轉換服務自動完成輕量化工作，再在PLM中發起設計、工藝會簽、標準化和批準等標準評審流程，實現版本控制及追溯管理，保證三維數據的完整性、正確性和有效性。二維工程圖實現了電子簽名管理，在出圖的同時把PLM系統中評審流程的相關步驟人員的電子簽名及日期回寫入二維工程圖。
四、應用效果
目前，大同機車PLM系統管理三維模型的電力機車產品包括深度國產化八軸、160km客運、200km客運、30噸大軸重、中白貨運1型和中白貨運2型等6個車型，三維模型的數量達到3萬多個。實現了：基于三維模型設計的企業內和企業間的協同工作環境；海量三維模型、二維工程圖的關聯管理；通過評審流程進行三維模型文件版本控制和數據有效性的管理；通過三維模型直接產生產品結構樹和設計BOM的集成化應用。通過流程和項目任務的驅動，也實現了輕量級三維模型在大同機車設計、工藝、物資、質保、售后、生產車間等業務部門的實時共享，搭建了基于PLM系統的協同工作平臺和三維工程化的應用環境，提高了大同機車的研發工作效率和協作企業間的協同應用水平，也大大減少了開展三維工程化應用企業所投入的建設成本，取得了良好的應用效果。
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