借助局域网运用CATIA对盾构刀盘协同设计的方法

韩伟锋，李凤远，陈启伟

(中铁隧道集团有限公司盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001)

0 引言

随着科技的进步，我国装备制造业得到了飞速发展，很多复杂的大型设备都已国产化，但是产品的质量和可靠性普遍偏低［1－2］。重大装备的设计研发阶段，是产品开发的重要环节。目前，大多数产品设计，仍然按照“产品概念设计—单体设计—产品组装”这种理念进行。由于设计人员之间缺乏有效的信息沟通，单体设计人员负责设计部件配合在装配阶段会出现各种意想不到的问题，总体装配困难，即便装配成功，也可能影响产品的使用性能。提高产品质量和可靠性是提升装备制造业的关键，优化产品设计，必须转变设计理念。基于装备业发展的需要和CAD技术的发展，协同设计的理念应运而生。20世纪80年代设计领域开始大力推进CAD技术，但是直到90年代中期我国计算机辅助设计制造仍然仅仅限于抛开手工图板的作用。2005年初，中国建筑标准设计研究院提出召开三维协同设计的研讨会，主要研究三维协同设计技术;从此，协同设计的理念在我国蓬勃发展，协同设计可以保证产品各个部分之间的正确联系，最终达到产品装配的最佳效果及性能。

同时，随着计算机技术的飞速发展，各种工程制图软件层出不穷，如目前使用较多的CATIA。虽然建模功能非常强大，但自身带有的协同设计功能操作麻烦且更新容易出错［3－6］。由于计算机网络技术的普及，各个设计单位基本都使用局域网办公［7］，研发团队可以抛开CATIA自身带有的发布协同功能，借助于局域网信息沟通方便的特点，采用CATIA软件在局域网平台上实现产品协同设计。

由于人们生活和工作的需要，各种代替人类劳动的复杂机械产品越来越多。产品越复杂，设计难度越大，需要及时转变设计理念，采用协同设计，以满足复杂产品的设计需求。作为蓬勃发展的地下工程，盾构已经成为地下工程施工的重要装备，其集机、电、液、信息化技术于一体，由上千个零部件组成，可靠性要求非常高。盾构刀盘是盾构的关键部件［8－9］，由于其结构复杂且与其他部件之间有相对旋转运动，盾构刀盘设计只能由一个设计团队共同完成。但是，不同的设计人员的想法和思路各不同，负责人把设计任务分配给各个设计人员以后，如果设计人员之间不能进行有效的沟通与资源共享，最终每个人负责设计的部分在装配焊接过程中可能会出现干涉等问题。本文以盾构刀盘为例，介绍基于局域网技术的3D协同设计。

1 在局域网平台上运用CATIA协同设计特点

1.1 技术应用

CATIA自身带有的协同设计必须通过发布功能来实现［10］。如果要建一个基准面，首先必须先建一个平面，然后发布，使用此基准的设计人员再复制到自己的参考图形集内。如果产品较复杂，这样的基准会有很多，设计人员操作起来将会非常麻烦。而在局域网平台上运用CATIA协同设计，设计人员只需要创建基准，其他设计人员通过局域网即可使用;这不但能提高设计人员的设计效率，而且能保证设计的准确性。

1.2 实施过程

项目负责人通过局域网设置文件的共享权限，每个设计人员只能看到其他设计人员负责部分的图纸而不能复制和修改文件产品设计完成后，技术管理人员只需及时把服务器上的电子图保存归档即可，而不必向各个设计人员收集整理后再保存。这对设计单位来说，不但保证了技术资料的完整性，而且提高了技术保密性。

1.3 硬件要求

大型产品借助于局域网平台进行协同设计只需一台性能较高的服务器来处理图形，而普通设计人员所使用的设备只是1个操作端口，不需配置性能很高的电脑即可通过网络在服务器上进行大型产品的设计;这可以降低对设备性能的要求，进而降低设计费用。

借助局域网平台运用CATIA进行协同设计符合了机械设计的整体要求:操作简便、设计效率高、技术保密性强、设计成本低等特点。

2 在局域网平台上运用CATIA协同建模过程

2.1 建模方法

1个工作团队接到设计任务后，借助于局域网平台运用CATIA协同设计。项目负责人首先根据产品的总体性能和空间位置要求，在服务器上新建产品文件夹和各个总成存放的文件夹并设置相应的共享权限，在产品文件夹内运用CATIA作出产品的概念设计和各种定位基准，然后将任务分解下发给各设计人员，各设计人员根据项目负责人分配的任务和建立的基准完成自己负责部分的建模设计。

设计人员建模首先要满足项目负责人制订的外部基准，根据外部基准定义单体部件的内部基准。建模设计过程中，项目负责人可以实时监控下一级设计人员的设计状况，若有干涉等问题，可以及时通知下一级设计人员做出相应调整。建模设计完成后，项目负责人对产品总成进行整体装配分析、空间分析和运动分析等处理后，如果存在干涉或配合不合理的情况，可对该部分进行空间位置合理调整，以达到产品装配成型的目的。

2.2 盾构刀盘建模

2.2.1 建模团队

人员管理模式根据建模对象各个总成关系确定为2层结构，即每个设计人员只对上层管理人员负责。该种人员管理模式既方便了设计人员的分工，又有利于技术保密工作的开展;即使有个别技术人员辞职，那么他所带走的技术也只限于个人负责设计的部分。盾构刀盘设计建模团队共有7位设计人员，其中1位项目负责人a，1位二级负责人 (高级工程师)b1和5位建模人员 (工程师b2，b3，c1，c2，c3)。项目负责人a直接管理工程师b2，b3和高级工程师b1，另外3位工程师由高级工程师b1管理。团队的组织结构见图1。

图1 刀盘建模团队组织结构示意图Fig.1 Sketch of the work team organization for cutter head modeling

2.2.2 盾构刀盘

以设计海瑞克S－261型盾构机所用的刀盘为例，该刀盘依靠法兰和牛腿与主轴承连接。为适应复合地层的快速稳定掘进，刀梁上安装有39把滚刀、64把切刀和4组边刮刀，滚刀又分为中心滚刀、边滚刀和辐条上安装的滚刀，刀盘上有各种泡沫剂、润滑剂和液压油的管道。刀盘法兰盘、刀梁和刀座为焊接组合，为保证焊接强度，要求设计间隙不能大于焊缝允许范围要求，滚刀、切刀和边刮刀为装配件，设计间隙不大于3 mm。

因此，该盾构刀盘A整体分为3大部件:B1法兰盘、B2刀梁和B3刀座。B2刀梁又分为C1滚刀安装、C2切刀安装和C3边刮刀安装3个小总成［9－10］。刀盘各部分关系见图2。

2.2.3 建模任务分配

根据设计团队人员组织情况，项目负责人a主要负责对整个盾构刀盘建模的布置和后处理工作，由于刀梁包括滚刀安装、切刀安装和边刮刀安装3大部分较为复杂，由高级工程师b1带领c1，c2，c3 3位工程师共同完成建模;法兰盘和刀座由b2和b3 2位工程师分别负责完成建模。

图2 盾构刀盘各部分关系示意图Fig.2 Relationship of parts of cutter head

2.2.4 建模过程

项目负责人a在服务器上新建1个共享文件夹，命名为“盾构刀盘”，包含“法兰盘”、“刀梁”和“刀座”3个下级文件夹，这3个文件夹分别对工程师b2、高级工程师b1和工程师b3完全共享(有修改文件夹内容的权限)。高级工程师在文件夹“刀梁”内新建“滚刀安装”、“切刀安装”和“边刮刀安装”3个文件夹，分别对应c1，c2，c3 3位工程师，文件夹完全网络共享。

项目负责人a用CATIA新建1个“·CATProduct”文件，命名为“dun gou dao pan”，然后在“dun gou dao pan·CATProduct”文件内新建 1个 “·CATPart”文件，命名为“ji zhun”，把文件“dun gou dao pan·CATProduct”保存在“盾构刀盘”文件夹内。在文件“ji zhun·CATPart”内根据盾构刀盘的总体空间和性能要求，根据法兰盘B1、刀梁B2和刀座B3 3个单体总成的空间位置、连接方式等，合理设计出刀盘的前后基准和中心基准，完成刀盘的概念设计。根据盾构刀盘基准完成法兰盘、刀梁和刀座3部分的空间基准的设计。刀盘的概念设计见图3(a)和基准面的设计见图3(b)。

高级工程师b1在“刀梁”文件夹中用CATIA新建1个文件命名为“dao liang·CATProduct”，并保存在“刀梁”文件夹内。把项目负责人a建立的“ji zhun·CATPart”复制一份重命名为“dao liang ji zhun·CATPart”存放在“刀梁”文件夹内，把文件“dao liang ji zhun·CATPart”载入刀梁文件“dao liang·CATProduct”内，在文件“dao liang ji zhun·CATPart”内完成滚刀安装C1、切刀安装C2和边刮刀安装C3 3个总成的基准设计。

工程师b2，b3，c1，c2和c3分别在上级负责人为自己定义存放文件的文件夹内，用CATIA创建负责单体部分的装配文件，并把上级基准重命名后载入到装配文件内。每一级负责人都把该级的装配文件载入到自己负责部件的总成文件内。所有设计人员根据自己的定位基准，在指定的位置采用自上而下的建模方法完成负责部分的建模设计工作。

图3 刀盘设计图Fig.3 Cutter head designing

2.2.5 产品设计质量分析

每位设计人员进入正常建模状态后，每一级负责人都要及时的分析自己下级的设计配合状况。如果发现问题，要及时提醒和沟通。

例如，在建模过程中，项目负责人对刀盘总成图进行干涉分析，结果发现刀梁的一部分和中心刀座有干涉，后经分析是中心刀座在建模中没有与中心刀座的基准对齐的缘故，见图4，图片左侧显示的是有干涉的零部件，中间显示的是刀盘设计的总体状况，右侧列表列出有干涉的零部件的名字，负责人可以通过列表方便地找到所有有干涉的零部件。

图4 刀盘装配分析示意图Fig.4 Analysis on assembling of cutter head

2.2.6 建模后处理以及技术资料的归档保存

建模完成后，项目负责人利用CATIA的结构分析、装配分析、运动分析和空间分析等模块来完成对整个盾构刀盘模型的分析，审核各个方面都没有问题后，项目负责人立即取消服务器上所有完全共享的文件夹，只保留供设计人员浏览，而没有复制和修改的权限，技术管理人员只需把服务器上所有技术资料保存归档即可完成技术资料的管理。

3 结论

本文通过对盾构刀盘协同设计方法的研究，采用协同设计的理念对盾构刀盘建模，可以使设计出来的刀盘在各个总成级部件结合处配合更加协调，避免在装配阶段出现装配干涉、运动干涉和装配间隙太大等错误。而借助局域网平台对大型复杂产品进行协同设计要比直接应用建模软件自身携带的协同设计功能进行协同设计更加简单、方便，而且有利于技术资料归档保密，负责人对产品进度的监控。

［1］ 吉卫喜.现代制造技术与装备［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［2］ 张展.机械设计通用手册［M］.北京:机械工业出版社，2008.(ZHANG Zhan.General purpose handbook of machine design［M］.Beijing:China Machine Press，2008.(in Chinese))

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［7］ 金刚善.局域网组建和管理入门与提高［M］.北京:人民邮电出版社，2004.

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