中车城轨齿轮传动系统模块化设计平台

一、项目背景

  中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司（以下简称“戚墅堰所”) 始建于1959年，是中国中车旗下全资子公司，是我国轨道交通装备材料及制造工艺的专业研究机构，国家级高新技术企业。目前已形成了轨道交通装备关键零部件、齿轮传动系统、工程机械、汽车零部件、柴油机零部件等主要产业板块。

  戚墅堰所经过多年的经营，公司业务不断的发展与扩大，已产生大量的设计数据与技术文件，也培训了一批经验丰富的设计人员，但累积的成熟设计经验和知识没有进行统一的归类管理，较难有效传承。对于新手设计人员，经验的缺少直接导致设计成本的增加。戚墅堰所急需建立一套以城轨齿轮传动系统为试点的模块化设计系统，实现信息化的在线设计平台，用在线流程管控产品设计研发的整个过程，尽可能的减少新制零部件，规范设计计算方法，缩短设计周期，提升产品质量。

二、当前现状

  戚墅堰所在产品数字化设计方面已经引入了三维设计和数据管理平台，并取得了很大的进展，但设计结果数据的产生过程并没有一套完整的设计体系进行有效管理，传统的线下设计模式面临诸多问题：

● 设计师按照自己的方式进行设计，无参考标准与设计规范，随意性较大；

● 每个产品都习惯从头设计，已经成熟的模块信息未进行行之有效的集中管理，模块信息未可视化展示与提取，可以借用的模块不能及时发现；

● 方案制作需要大量重复工作，没有竞标优势，需要额外制作效果图进行竞标；

● 根据客户需求，人工进行匹配设计，不能及时响应客户，根据客户需求，依赖个人的知识和经验报价；

● 对产品结构类似的组件需要花费大量重复的工作进行装配和绘图；

● 产品设计过程中，设计师通常根据自身经验开展设计，缺乏准确的理论依据，标准化、规范化的设计参考文档未能嵌入设计过程中；

● 产品试制、试验、试运营中发现的设计问题，随机解决；

● 设计人员的水平对设计质量、成本、效率的影响大。

三、建设必要性

  模块化设计平台是以持续为客户带来增值为指引，以显著提升企业核心竞争力为目标，以模块化设计和知识管理为基础，并依托信息化手段，在信息化流程的智能化导引下，产品模块、设计规范等知识资源实现自动化推送的产品设计与管理平台。建立模块化设计平台存在如下必要性：

（1）模块缺乏统一管理

  现有的设计模式，历史模块保存于本地计算机或PDM管理平台中，甚至有可能各种原因导致数据的丢失，缺乏零部件的集中统一管理，设计人员无法通过零部件特性进行快速精确查询，零部件重用率低，导致存在很多类似的新零件，加大设计制造及维护成本。

（2）缺少系列化产品标准设计流程

  设计人员通常按自己的方式开展设计，缺乏标准化和规范化设计流程，质量、成本、可制造性存在诸多相似问题。

（3）经验知识难以积累与共享

  设计人员的水平对设计质量、成本、效率的影响大，不能有效使用的知识文档，经验难以存档进行积累与共享。

（4）缺少统一集成化设计环境

  设计过程需要使用很多工具，设计过程与设计工具之间文档及参数等不能有效交互，容易引起数据传递丢失或错误，交互效率较低。

四、建设思路

  介于当前企业业务现状，借助信息化手段，构建一套以城轨产品为试点，未来可向其他专业可扩展、可配置化的知识驱动设计专家系统。通过系统规范设计活动与流程，推动知识共享与传承，优化研发人员资源配置，全面提升企业核心竞争力。平台总体建设思路如下：

（1）建立统一可配置化设计平台

  通过以城轨产品为试点实施，实现平台用户权限管理、平台管理、产品管理、流程管理、模块管理、模板管理、知识管理等可配置化。其他专业用户基于平台基础功能自行配置即可实现各自专业的专家设计平台。

（2）实现知识资源统一化管理

  在平台中实现设计资源库统一化管理，包括产品库、模块库、通用件库、模型模板库、通用特征库、文档库及方案库等，将分散在个人或管理平台的隐性设计资源进行显性的集中管理，提高资源的利用率。

（3）实现知识驱动设计的创新设计模式

  将成熟的产品设计过程重新梳理并固化，形成各类产品的规范化设计流程，将设计经验和知识融入设计流程中，驱动产品正向设计，并在设计过程中沉淀所产生的知识，实现知识的积累与复用。

（4）满足与其他系统一体化集成

  将设计过程中所需的分散、独立的系统基于平台进行一体化集成，打通以流程为主线，实现节点与专业研制活动的输入/输出、数据传递、交换过程，实现流程与专业的贯通融合，实现过程数据与结果数据统一化管理。

五、实施情况

  项目实施开始后，国睿信维项目组通过对业务难点与业务需求分析，梳理出如下业务框架：

图1.业务框架

  针对戚墅堰所的业务框架，国睿信维项目组依托在行业中多年的模块化设计项目经验，提出平台主要建设内容：

（1）建立有效管理并快速满足客户定制化需求的产品开发模式

  建立产品优选手册引导客户选型，供方根据其对自身产品的理解，结合历史产品使用情况，通过对已有产品的特定需求集合进行分析后精炼出来的面向产品簇的优选需求，明确了何种技术特征的产品可以最好满足何种产品需求，可有效引导客户选型。

（2）构建基于供应链协同设计的共用基础模块

  共用基础模块通常是指那些可以在不同产品、系统之间共用的设计方案、模块、零部件、结构特征等相关的设计成果。这些模块的梳理与制定，必须基于供应链协同设计，并兼顾外部和内部、当前和长远的要求。构建共用基础模块有利于既有成品在不同产品、系统中高效利用。

（3）制定基于任务工作包的标准化产品研发流程

  结合产品特性，进一步梳理、细化设计流程，规范设计活动及其之间的数据传递关系，明晰各活动可参考或需遵循的设计准则和规范，固化设计过程。

（4）实现基于知识推送的模块化、智能化快速设计

  产品共用基础模块和设计规则等通过信息化的手段，实现与产品设计工作包的结合，并在设计流程的牵引下，实现由产品需求触发系统自动推荐优选模块、并逐步引导设计师完成产品的方案设计、详细设计等活动及其质量校核与管控。

（5）实现部件参数化生成和组件的自动化装配

  同类产品的结构关系基本相似，几乎由相同类型的子部件组成，且部件几何结构相近，通过模块化设计平台与三维设计软件以及数据管理平台无缝集成，对于新试制部件可通过已有模块或模板基于三维设计软件与数据管理关键集成参数化生成。预先定义组件间装配关系，实现新组件的自动化装配。

（6）实现自动化计算分析与设计文档的自动化输出

  随着质量体系要求的日益严格，设计人员仅完成设计及出图等工作已不能满足要求，还需开展设计的仿真验证、输出越来越多的文档。据不完全统计，设计人员30～40%的时间用于这部分工作。基于模块化设计平台自动完成计算分析、输出相关文档。

依托国睿信维REACH.Foundation基础平台，以产品研发流程为导向，定制开发模块化设计平台，包括系统管理、知识资源库管理、产品管理、角色管理、产品设计流程管理、专业系统集成等。技术架构如下图：

图2.技术架构

六、实施成效

通过应用模块化设计平台，给产品研发带来如下提升：

● 消除重复设计、显著提高设计效率

  消除了重复建立相近的装配结构、骨架模型、特征结构、参数关联、特征关联、整件安装等工作，一般可减少重复工作量50%～70%以上，从而显著地提高设计效率，根据部件特点结构不同，可提高设计效率100%到200%，有时甚至更高。

● 设计方法导引，降低设计难度

  设计人员在系统的导引下分步骤完成设计，通过系统模板，将建模难度大工作量大的部分自动派生，设计人员仅需对个别部位进行修改即可。另外，通过系统可以使设计人员有更多的精力关注在设计上，而不是消耗在模型和特征的具体操作上。因而，降低了对设计人员的要求，设计更容易。

● 模型由系统产生，提高设计规范性

  系统的模型由模板创建，而模板是经过优化建模的优质模型，因此可以保证通过系统产生的模型的质量和规范化，消除了人为差异。

● 提高设计自动化程度

  快速设计系统的中可以将设计经验和知识融入系统，植入经验算法或公式。对不合理的参数进行校和，一方面提高了设计质量，另一方具备了自动化设计或智能化设计的特点。

● 缩短工程师培养时间

  工程师的成长一方面依靠导师和领导的引导，另一方面依靠在工程实践中反复的摸索、学习和总结。成长的过程因人和环境而异，通常需要3到5年以上才能成为研发的中坚力量。此外，在长期的工程实践中，还要允许研发人员出现一定的错误，从错误中汲取教训并提高。这些都造成了企业的学习成本过高，降低了企业的竞争力。在模块化设计平台环境下，新员工从一开始就按照规范的流程、方法进行设计。既能防止设计失误，又能快速学习和提高。在模块化设计平台上，经过1年左右的使用即可在指定的岗位进行工作，节省企业的培养成本。