UG NX设计应用的质量管理

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UG NX设计应用的质量管理
  
一、问题的提出
  
三维设计与传统二维设计模式相比，其设计思想、设计理念、设计方法和设计手段都发生了根本性的变化。
  
1． 迥然不同的设计思维方式
  
二维设计：设计者需要首先构思产品（零件）的几何实体概念，再将实体概念用手工（或平面CAD绘图软件）转换为二维图纸。使用二维图纸时，再将二维图纸思维还原为实体概念。在这种由三维→二维→三维的思维方式里，二维图纸成了向实体模型转换的中间环节，充当着不可或缺的至关重要的角色。
三维设计：设计者首先构思产品（零件）的几何实体概念，再通过三维实体建模技术直接得到可视化的实体模型。如果需用二维图纸，可以由计算机从实体模型自动生成二维图纸。在这种三维→三维的思维方式里，二维图纸的作用被大大削弱了。而二维图纸的生成过程，也完全可以让计算机去完成，设计者无须进行思维的转换。
  
2． 全新的产品数据表达方式
  
在产品数据表达方式方面，三维设计与二维设计有着根本的区别。从三维设计与二维设计的输出结果看：二维设计输出的结果，其介质为纸质的二维工程图纸，也有由二维CAD软件生成的电子文档，但都属于二维视图。
三维设计输出的结果，其介质为电子三维模型数据文件，也可以是二维电子文档和纸质二维工程图纸。
三维设计与二维设计输出结果的本质区别，在于前者生成三维电子数据文件，后者生成二维纸质文件。
二维设计是工业化时代的产物，与工业化时代生产力发展水平相适应。二维工程图纸作为一种世界通用的工程语言，是工业化时代机械设计、制造和质量管理的依据。
三维设计是信息化时代的产物，是在继承二维设计工程语言的基本内核和语言元素的基础上，把三维设计思维方式、计算机技术和三维数字模型表现形式完美结合的最新科技成果，它兼容二维设计技术，与信息化时代产品数字化设计和制造技术相适应。
  
二、 UG NX ——世界领先的设计理念和设计方法
  
作为世界CAD软件的旗舰产品，UG NX融合了制造行业最先进的设计理念和设计方法：产品全生命周期管理的设计；面向制造的设计；面向装配的设计；知识驱动自动化；主模型原理；参数化建模和WAVE技术；相关性设计；自顶向下设计；基于分析验证的设计……
大量的实践案例证明，三维设计具有二维设计无法比拟的优越性。越来越多的企业已经或准备采用三维软件进行产品数字化设计与制造。但从整体状况来看，三维软件尚处于推广应用阶段，大多数企业还沿用传统的二维设计，即使已率先使用三维软件的用户，也存在着三维模型与二维图纸不分主次使用混乱的情况，造成数据管理的极大混乱。产生这种情况的原因是多方面的，其中一个重要原因，就是三维CAD工程应用尚未建立起一个新的标准化体系和质量体系。
技术和管理是企业发展进步的两个轮子，二者相互依存，缺一不可，而且应协调发展，同步跟进。一方面，三维设计技术要“合法化”，就必须得到质量体系的承认；另一方面，质量体系也只有及时纳入三维设计技术的应用成果，才能保证管理的权威性和有效性。
单从质量体系而言，目前企业贯彻执行的ISO9000系列质量体系文件并没有涵盖三维软件的内容，给UG NX的应用带来许多管理困难，处于“无法可依”的窘境。本文作者根据所在单位产品数字化设计和制造以及UG NX软件应用的实践经验，对UG NX设计应用的质量管理进行讨论，希望能起到抛砖引玉的作用。
  
三、UG NX设计应用质量管理的内容  
  
质量体系是为实现质量管理的组织结构、职责、程序、过程和资源组成的互相联系、互相协调的有机整体，质量手册、质量体系程序和支持性文件是组成ISO9000质量体系的三个层次文件。UG NX设计应用的质量管理主要回答由使用UG NX软件进行产品设计所新产生的问题。这些新问题发生在产品研制的全过程并与这三个层次文件的关系密切，主要是：设计准备；设计策划；产品设计；数据集检查；设计验证；设计文件审签；设计更改；设计评审；设计定型。  
  
1．设计准备
  
设计准备阶段是UG NX设计应用的基础，也是UG NX设计应用质量管理的起始点和关键环节。
（1）资格认证
UG NX是一个CAD/CAE/CAM紧密集成的一体化高端软件。要熟练掌握应用UG NX，必须经过必要的技术培训和实践锻炼。对于设计师系统来讲，除了具有相应专业知识和计算机操作能力之外，还应通过UG设计师任职资格认证。任职资格认证应包括主任设计师、主管设计师、设计师等各级设计技术人员。任职资格标准根据职责分工不同而有所区别和侧重。
工艺师系统和标准化、质量管理等技术管理部门也应建立相应的UG应用的资格认证制度。
（2）系统管理
应设置系统管理员岗位，统一负责UGNX系统数据的管理与维护的工作。UG软件系统管理员的主要职责是：负责网络和数据安全，设置和管理数据使用权限，适时进行数据备份；设置和管理UG环境变量文件和用户默认文件，保证状态的统一和确定性，进行版本的控制；设置和管理种子部件；设置和管理标准件库、材料库、螺纹数据文件、用户二次开发数据文件。
（3）规范
应遵循先规范后设计的原则，可以基于UG软件，或者基于产品对象建立CAD设计应用技术规范。UG NX设计应用规范是包括建模、装配、制图、数据检查、审批、更改等内容的总和，也可以单独成文。其中建模（包括装配建模）和制图规范是核心内容，它至少应反映以下几点要求：产品设计总则 —— 包括UG建模的内容、UG文件的组织方式、UG文件成套性和完整性要求等内容；UG建模的通用规定 —— 包括图层设置、线型、颜色、文本字体和字符集、引用集、part文件的属性、表达式、种子部件等内容；文件管理 —— 包括文件的命名、文件的目录、加载和保存选项等内容；建模的精度；建立零部件UG模型特征构成的通用规定 —— 包括使用特征（Feature）、体素特征（Primitive features）、参考特征（reference feature）、引用特征（instance array Feature）、用户定义特征（User Defined Features，UDF）、草图特征（Sketch Features）、螺纹特征（Thread Feature）等内容；装配建模构成的通用规定；二维制图；数据检查。
建立UG NX设计应用技术规范的时候，要考虑分析、加工、数据交换各个应用环节的协调一致。如果在TCEng环境下应用UG NX，要保证规范与PDM系统的无缝衔接。规范由标准化部门负责制定和管理。
（4）螺纹数据文件
UG所用的米制螺纹和英制螺纹数据文件（thd_metric.dat和thd_english.dat）应按国标（GB）或企业标准等相关标准进行修订，以适应建模工作的需要。
（5）标准件库  
企业应建立标准件库，有利于全局性的数据管理。尤其在TCEng环境下应用UG NX，统一使用标准件是必须的。
（6）材料库
企业应根据实际需要建立材料库，有利于提高设计效率。
（7）用户二次开发和自定义特征
企业可以根据需要对UG NX软件进行二次开发，包括创建自定义特征，以扩展UG NX软件的应用功能，但必须经过验证和确认。
  
2．设计策划
  
较之二维设计的设计策划工作的组织程序、内容和要求，应用UG NX的设计策划工作考虑的问题更多，它主要新涉及以下内容：
（1）组织结构
UG NX更加注重团队的协调一致的工作。在设计策划时，对参与设计的人员配备、职责、权限要预先做出规定。如果在TCEng环境下，预先设定产品结构树及确定设计人员角色和权限是必不可少的。
（2）设计思路和方法
当针对具体产品的设计阶段划分好了以后，就要规划设计思路和方法，回答以下问题：使用UG NX哪个版本？是否在TCEng环境下运行？——考虑客户和关联用户进行数据交换的现状和需求，尽量与之相适应。如果发生冲突要协商解决；是否需要向用户提供数字化样机？提供什么样的数字化样机？如何提供？采取自顶向下设计（Top-Down Design），还是自底向上设计（Bottom-Up Design）？建模、装配、制图、分析是否并行工作？怎样并行工作？二维出图是与三维模型直接关联出图，还是用AutoCAD出图？——特别提醒：三维参数化实体模型与二维工程制图完全相关是UG软件的一大优势，它是UG软件核心技术之一。如果先用UG三维建模，然后却用AutoCAD出图，不但屏蔽了UG独到的优势功能，违背了使用UG的初衷，在实际操作里也更加复杂和费时，并且对以后的PDM数据管理造成极大困难；是否使用UG WAVE技术进行相关部件间建模？借用件、标准件、成件的设计和使用策略。
（3）明确主模型原理和方法
主模型原理很好的体现了数据表达方式的一致性，大大减少数据冗余程度，还支持产品不同设计阶段的人们使用不同的应用来共享相同的模型。
所有的部件文件应按照UG主模型原理进行创建。
（4）确定设计验证的内容
很多设计验证工作都可以在UG NX中进行，例如几何公差分析、装配间隙和干涉检查、运动机构分析仿真、结构分析、数据分析和检查，设计策划时应做出规定。
（5）与模具设计、工艺制造的协调
设计创建的三维模型是下游用户的唯一数据源。当设计方案确定之后，要与模具设计、工艺制造、工装设计进行沟通，明确它们对设计的要求。
（6）对计算机网络和硬件配置的要求。
设计策划的结果应该反映到设计任务书里。
  
3．产品设计  
  
产品设计根据设计任务的不同而有自行设计、测绘仿制、改进改型等多种方式和途径，而设计过程也一般划分为设计方案论证（概念设计）、初样研制（技术设计）、试样研制（详细设计）、试生产等多个阶段。应用UG因不同的设计方式和设计阶段其具体要求也有所区别。下面以详细设计为主描述应用UG进行产品设计应遵循的一般原则和方法。
（1）模型质量的基本要求
1）正确性：模型应准确反映设计意图，对其内容的技术要求理解不能有任何歧义。要确立“面向制造”的新的设计理念，充分考虑模具设计、工艺制造等下游用户的应用要求，做到与实际的加工过程基本匹配。
2） 相关性和一致性：应用主模型原理和方法，进行相关参数化建模，正确体现数据的内在关联关系，保证三维模型数据在产品数据链中的唯一性、一致性并能正确传递。
3） 可编辑性：模型能编辑修改，整个建模过程可以回放（Playback）。模型可被重用和相互操作。重用性和相互操作性是由可编辑性派生出来的重要特性。
4） 可靠性：模型通过了UG的几何质量检查，拓扑关系正确，实体严格交接，内部无空洞，外部无细缝，无细小台阶。模型文件大小得到有效控制，模型没含有多余的特征、空的组和其他过期的特征，总能在任何情况下正确的打开。
（2）实体建模的质量管理
1）实体建模的内容和方法必须与设计不同阶段的设计目标相一致。
2）实体建模必须按照建模规范进行。
3）实体建模必须按照建模步骤进行。建模的一般步骤是：明确设计意图，梳理建模思路，规划特征框架；引用种子部件，搭建建模环境；确定零件的原点和方向；建立最初始的基准；创建模型的根特征。（提示：复杂零件通常把草图作为建模的根特征。如果非要把体素特征作为建模的根特征，仅允许使用一次，禁止使用更多的体素特征。）；创建特征，进行特征操作、定位、约束、编辑；坚持边建模边分析检查的原则；输入部件属性；创建引用集；清理模型数据；进行模型总体检查，提交模型。
4）必须按照参数化原则建模，禁止使用非参数化的命令，保证模型的可编辑性。
5） 运用UG相关参数化设计的功能和技巧，正确反映产品几何结构和尺寸的内在关系，实现设计意图的相关性。
6） 注意对文件数据大小进行控制，使用尽可能少的特征来达到表现模型的目的。
（3）装配建模的质量管理
1）UG提供两种基本的装配方法：自底向上设计和自顶向下设计。可以根据需要灵活的选择运用。
2） 重视部件名和装配加载路径的管理，防止文件名和加载路径出现混乱或错误。
3） 进行严格的组件版本管理和技术状态管理，保证装配所引用的模型数据的唯一性和一致性。
4） 根据产品的技术特点选择使用引用集（通用引用集、自定义引用集、专用引用集），对引用集的创建、修改、检查、使用、置换等都应有明确的规定。
5） 遵循装配规则的一般原则：按实际的安装顺序进行装配；在主装配中使用“绝对定位”的方法装配子装配件；在子装配中使用配对条件进行装配；避免在不同子装配中使用部件间的交叉约束。
（4）制图的质量管理
1） 严格按主模型原理进行制图工作，制图数据（包括组件图、装配图）与三维模型分别存放在不同的文件中。
2） 二维工程图样与三维实体模型完全相关是制图的最重要原则。制图的关联性主要是指：视图与模型的关联；尺寸与视图的关联；注释与图样或视图的关联。
3） 二维图样要符合国家和企业有关标准。
  
4．数据集检查
  
模型数据检查是质量管理和控制的一项重要内容。模型数据检查的依据是UG NX/CAD设计技术规范和其他有关标准、规定。模型数据检查的内容主要包括：系统参数检查、通用数据检查、实体模型检查、装配模型检查、制图检查。
模型数据检查的方法有自动批处理检查、手工交互检查。自动批处理检查指使用UGNX开发工具编制相应检查程序进行UG NX/CAD模型检查，例如使用UG NX Check Mate 检查一致性；手工交互检查指在UG/CAD环境，采用交互方式按要求对UG NX/CAD模型进行检查。
（1）系统参数检查
系统参数检查的内容包括环境变量文件(ugii_env.dat)、默认文件(ug_metric.def)、螺纹数据文件(thd_metvic)、字体文件(ugfonts)等。
一般情况下，在进行系统设置时经标准化校对确认后，可将UG的整个目录设置为只读，不允许用户进行手工修改，只有UG系统管理员才有权限修改，并进行其版本管理，以保持设置数据的一致性。在此种情况下，可不进行系统参数检查。
（2）通用检查
通用检查主要检查以下项目：文件名；单位制；日期格式；属性；比例； 材料；表达式；重量；颜色；视图；图层。
（3）实体模型检查
实体模型主要检查以下项目：
1） 特征状态：是否有被抑制、过期、非参数化的特征；有无多余的特征；有无特征欠缺；特征能否回放；基准特征：固定基准特征的使用是否适当（只允许在建模最初使用，其它地方不能使用固定基准）；不用的基准一般应将其删除；草图：满约束，既不能欠约束，也不能过约束；螺纹；其它需要检查的特征。
2） 引用集
3） 检查几何体
☆ 对象（Objects）
微小的（Tiny）：在选中体或几何体中查找所有微小的体、面、边或曲线。未对齐的（Misaligned）：检查所有与工作坐标系接近正交但又未与之精确对齐的选中几何体。
☆ 体（Bodies）
数据结构（Data Structures）：检查每个选中体的数据结构问题，如数据损坏。一致性（Consistency）：拓扑结构是否一致；几何体对象是否合法以及面和边是否有G1（一阶导数）连续体；几何体对象是否一致。面-面相交（Face-face Intersections）：检查每个选中体的面-面相交情况和所有面的不一致性。例如，将一个立方体挖空到1mm的厚度，然后将一条外部边修成5mm半径的圆角，内壳就会与外壳相交产生面-面相交的情况。片体边界（Sheet Boundaries）：查找选中体的所有边界（或缝隙）。
☆ 面（Faces）
光顺性（Smoothness）：检查B曲面沿其面片边界光顺。
自相交（Self-intersection）：检查自相交的面。
锐刺/细缝（Spikes/cuts）：检查选中面上可能有的锐刺或细缝。
☆ 边界（Edges）
光顺性（Smoothness）：检查所有与相邻面不光顺联接的边。
公差（Tolerances）：根据距离公差字段中指定的值检查所有选中的边的公差。
（4）装配模型检查
装配模型主要进行以下检查：检查参与装配的是否为正式归档的零件和子装配件（保证参与装配的模型数据的唯一性和一致性）；检查无图件、标准件、对称件、变形件、借用件、外构件、选配件、补充加工件等是否按规定正确参与了装配（保证装配数据的完整性）；检查装配关系和装配次序是否正确；检查引用集；检查装配约束，不允许有过约束和部件间的交叉约束； 检查装配干涉。
（5）制图检查
制图主要进行以下检查：检查制图文件包括组件图、装配图是否用主模型方法建立；检查制图的关联性：视图与模型的关联；尺寸与视图的关联；注释与图样或视图的关联；检查图纸是否有过期状态；检查与国家标准、机械制图的一致性。
  
5、设计验证
  
UGNX为产品设计提供了功能较完善的设计验证工具，例如分析(Analysis)、简单干涉(Simple Interference)、装配间隙(Assembly Clearance)、公差分析(Quick Stack ——注：先决模块Geometric Tolerancing)、机构运动及动力学分析、结构分析等功能，可以进行可靠的设计验证。
设计验证的结果应输出为设计报告，经审签后归档，作为批准、发放设计数据文件的依据，也为设计评审和设计确认提供信息。
  
6、设计文件审签
  
一般二维设计编制的成套设计文件（产品图样、技术条件等等），在UG NX三维设计环境下完全可以满足设计需要。所以，原先质量体系规定的设计文件签署程序照常有效。所不同的，是UG NX新设计的三维模型数据文件包括零件、组件、装配件应补充增加签署程序。
三维模型数据文件包括零件、组件、装配件的签署程序参照原二维设计产品图样的签署程序进行。
设计文件的签署方法可以在TCEng产品数据管理环境里进行流程管理，也可以输出为纸质文件手工签署（三维模型数据文件目前只能在计算机内进行审签）。
  
7、设计更改
  
设计更改是UG NX设计应用质量管理的一个重点，也是一个难点。为了与三维设计相适应，必须把原来以二维图纸为中心的人工式更改管理转变到以三维模型为中心的电子文档更改管理上来。当然，电子文档更改并不排斥纸质设计文件的更改和使用。  
（1） 更改要求
1）必须贯彻主模型原理和方法，确保零件实体模型是制图、装配的唯一数据源。凡是涉及到产品数据模型更改时（对于模型文件中的对象，包括特征、特征的顺序、数据的组织方式、属性、引用集、特征集以及目录结构等作任何的改动和调整，都视为对主模型的重新定义），应采取先更改产品数据模型，通过产品数据模型生成二维图样的方法，以保证产品数据模型与二维图样数据状态的一致性。
2） 有关更改对象的所有不同介质的文件、文档应同时更改，并保持一致（如：三维模型与二维图样保持一致，装配图与装配明细保持一致）。
3） 下级零组件的更改，应与上级组件进行协调。
4） 相关更改，应进行协调。
（2）更改的主要流程
设计更改方案的评审、验证；填写设计更改单：更改单的内容要以数据模型要素的更改为主线，协调与装配、制图及其他文档之间的相互关系，进行相应更改；审批更改单；进行设计更改：先模型，再装配、制图、其他文档；设计更改文件审批；归档；更改的实施。
（3）版本管理
设计更改如果在PDM(TCEng)数据管理的环境外进行，容易发生版本混乱现象。为了更好的保证设计更改的一致性、完整性和协调性，最好能使用TCEng进行PDM数据管理。在TCEng环境下，可以对版本进行定义并很容易进行有效的管理。
  
8．设计评审
  
UG NX产品设计的评审，不改变原来设计评审的程序和内容，但在每个设计阶段的设计评审时，都必须相应的增加对产品设计数据文件的要求。这些要求是：
（1）设计文件的构成
在不同的设计阶段有不同的要求。例如在初样研制（技术设计）时只需要创建产品总体模型和主要零部件模型或图纸，而在试样研制（详细设计）时则要包含零件模型数据文件、装配模型数据文件、二维制图数据文件等全套设计数据文件。
（2）设计数据文件的质量要求
对设计数据文件的质量要求在各个设计阶段评审时都是相同的，即：数据的正确性；设计的相关性和一致性； 模型的可编辑性；数据的可靠性；设计数据的完整性。
  
9．设计定型
  
设计定型是新产品研制设计任务基本结束的标志。设计定型完成后，产品研制就进入试生产阶段。应用UG NX的产品设计定型，同样不改变原来设计定型的程序和内容，但应该在下列定型文件中补充或增加相关内容：
（1） 产品研制总结
1) UG NX产品设计过程基本情况描述，包括设计的组织、规范、设计质量管理与控制等内容。
2) UG NX产品设计全套设计数据文件概况描述，包括建模、装配、制图及借用件、成件、标准件的使用等内容。
3) UG NX设计验证、机构运动及动力学分析、结构分析等内容。
4) 其他如数字样机仿真等内容。
5) 产品设计数据模型在制造过程的使用情况，包括模具设计、工艺设计、数控加工、工装设计等方面的使用情况。
（2）设计定型审查报告
在要求设计文件是否完整、正确、统一、协调的审查时，主要是对UG NX产品设计全套设计数据文件的审查并得出结论。

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