三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造推動(dòng)產(chǎn)品研制模式變革！

2017-02-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

前言

近10余年,以波音、空客和洛克希德?馬丁為代表的飛機(jī)制造企業(yè)在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)用方面取得了巨大的成功。波音公司在以波音787為代表的新型客機(jī)研制過(guò)程中,全面采用了MBD技術(shù),將三維產(chǎn)品制造信息(Product Manufacturing Information,PMI)與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)模型中,摒棄二維圖樣,直接使用三維標(biāo)注模型作為制造依據(jù),使工程技術(shù)人員從百年來(lái)的二維文化(藍(lán)圖)中解放出來(lái),實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、零件加工、部件裝配、零部件檢測(cè)檢驗(yàn)的高度集成、協(xié)同和融合,建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系,開(kāi)創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的嶄新模式,確保了波音787客機(jī)的研制周期和質(zhì)量。

隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外軍工行業(yè)的應(yīng)用,使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造流程發(fā)生了重大變革。傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開(kāi)始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替,三維數(shù)模已經(jīng)取代二維圖紙,成為軍工產(chǎn)品研制的唯一制造依據(jù)。需要特別指出的是,產(chǎn)品的制造過(guò)程是直接利用產(chǎn)品的基于模型數(shù)字化定義數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)的,即產(chǎn)品的零部件加工和生產(chǎn)用工裝制造,直到產(chǎn)品的裝配設(shè)備,都可直接根據(jù)基于模型定義MBD數(shù)據(jù)進(jìn)行,體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)的融合。這樣基本上沒(méi)有中間的數(shù)據(jù)傳遞環(huán)節(jié),消除了形狀和尺寸的傳遞誤差,即所謂裝配過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了“零誤差”,保證制造出高質(zhì)量的軍工產(chǎn)品。

一、三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是目前軍工企業(yè)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的突破口

飛機(jī)、衛(wèi)星、潛艇、火箭、導(dǎo)彈和裝甲車輛等復(fù)雜軍工產(chǎn)品客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過(guò)程復(fù)雜、項(xiàng)目管理復(fù)雜等特點(diǎn),其研制周期長(zhǎng)且一般采用單件或小批生產(chǎn)模式,以上特點(diǎn)導(dǎo)致難以保障復(fù)雜產(chǎn)品的合格率。例如衛(wèi)星總裝,其即使在產(chǎn)品零件全部合格的情況下,也很難保證裝配后產(chǎn)品的合格率,往往需要經(jīng)過(guò)多次試裝、拆卸、返工才能裝配出合格產(chǎn)品。

軍工產(chǎn)品的高度復(fù)雜性,導(dǎo)致軍工產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量一直是是困擾軍工企業(yè)的最大難題。多年以來(lái),我國(guó)軍工產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段發(fā)展慢,產(chǎn)品設(shè)計(jì)還主要依靠實(shí)物驗(yàn)證,工藝設(shè)計(jì)主要依靠試切試裝,既耽誤周期又耗費(fèi)經(jīng)費(fèi)。“十一五”以來(lái),軍工企業(yè)普遍面臨產(chǎn)品的技術(shù)要求越來(lái)越嚴(yán)格、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、研制任務(wù)越來(lái)越繁重,但研制周期越來(lái)越短的現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的以產(chǎn)品藍(lán)圖(二維圖紙)為核心的設(shè)計(jì)制造模式已經(jīng)不能應(yīng)對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn),常導(dǎo)致設(shè)計(jì)問(wèn)題和工藝問(wèn)題在產(chǎn)品研制階段不能充分暴露,后移至批生產(chǎn)階段,造成批生產(chǎn)階段產(chǎn)品制造質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā),制造周期延長(zhǎng)。

因此,產(chǎn)品設(shè)計(jì)能否減少實(shí)物驗(yàn)證,工藝設(shè)計(jì)能否減少試切試裝,大量采用數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段,大幅提升新產(chǎn)品的研制能力,是國(guó)內(nèi)軍工行業(yè)需要通過(guò)數(shù)字化手段進(jìn)行變革的共同領(lǐng)域。以三維模型為核心的信息傳遞、工藝設(shè)計(jì)與制造模式與傳統(tǒng)的以二維圖紙為核心的模式完全不同,并且具有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì),如設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)以三維模型為核心并行開(kāi)展工作,工藝人員可直觀理解設(shè)計(jì)意圖,將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為制造過(guò)程的工藝模型加以應(yīng)用,并通過(guò)工藝過(guò)程仿真工具進(jìn)行工藝驗(yàn)證和工藝參數(shù)優(yōu)化,從而提高產(chǎn)品研制質(zhì)量和效率。

在國(guó)際上相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)發(fā)展非常迅速,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證也非常普遍,比如設(shè)計(jì)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析等等,工藝領(lǐng)域的鑄造仿真、焊接仿真、鈑金仿真、裝配仿真等等都有很強(qiáng)大的軟件工具,軍工行業(yè)迫切需要借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的大幅提升。但是,傳統(tǒng)的二維圖只有工程人員能夠看懂,計(jì)算機(jī)看不懂,而計(jì)算機(jī)和工程人員都能看懂的就是三維。所以,要想借助信息化與數(shù)字化的浪潮實(shí)現(xiàn)騰飛,就必須實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。

二、三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的內(nèi)涵

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程中有效利用數(shù)字化三維模型的建模技術(shù)、仿真優(yōu)化技術(shù)、信息與過(guò)程集成等技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)決策的能力和水平,加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程、降低成本的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)和方法。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的核心,是基于三維模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行早期分析仿真與驗(yàn)證,及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題并減少設(shè)計(jì)更改,從而在最短的時(shí)間內(nèi)使產(chǎn)品完成加工裝配并滿足設(shè)計(jì)性能。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的主要支撐手段,是通過(guò)建模和仿真工具,以實(shí)現(xiàn)最好的產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、工程分析和制造。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造主要包括三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和三維數(shù)字化工藝。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)就是在計(jì)算機(jī)輔助下,通過(guò)產(chǎn)品的三維數(shù)字模型全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證等全過(guò)程。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的應(yīng)用,可以大大提高企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)(設(shè)計(jì))能力,縮短產(chǎn)品研制(設(shè)計(jì))周期,降低產(chǎn)品研發(fā)(設(shè)計(jì))成本,實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)效果。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是基于實(shí)物模型試驗(yàn)驗(yàn)證為主的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。其主要流程為:實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)→試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭圃炫c試驗(yàn)→符合工程要求后再進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是基于數(shù)值模擬與性能預(yù)測(cè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。其主要流程為:初步設(shè)計(jì)→數(shù)值模擬試驗(yàn)→修改設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)思想是采用基于模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行早期驗(yàn)證,判斷產(chǎn)品是否合格,不斷修改設(shè)計(jì)直到滿意為止。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中優(yōu)先得到發(fā)展的技術(shù),目前我國(guó)許多軍工企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了三維產(chǎn)品設(shè)計(jì),但是制造環(huán)節(jié)仍以二維圖紙作為依據(jù),設(shè)計(jì)與制造之間的信息傳遞基本維持在將三維產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換成二維圖紙后,進(jìn)入工藝設(shè)計(jì)、制造與現(xiàn)場(chǎng)裝配等環(huán)節(jié)。

三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)是指在計(jì)算機(jī)輔助下,基于產(chǎn)品的三維數(shù)字模型全面開(kāi)展產(chǎn)品工藝過(guò)程的模擬仿真,輔助工藝設(shè)計(jì)人員確定出合理的、可行的工藝文件的過(guò)程。三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于從制造角度出發(fā),如何充分利用三維模型信息完整性的特點(diǎn)支撐產(chǎn)品工藝、加工、檢驗(yàn)和裝配過(guò)程,有效提高產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,并保證產(chǎn)品制造過(guò)程技術(shù)狀態(tài)的一致性。

三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)一方面要解決傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)的工藝設(shè)計(jì)方法向科學(xué)的工藝設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變,即傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)傳承,主要是以師傅帶徒弟的方式實(shí)現(xiàn)的,而實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)之后,工藝設(shè)計(jì)需要從經(jīng)驗(yàn)傳承向基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)的飛躍;另一方面要解決傳統(tǒng)的二維裝配工藝卡片向基于三維的工藝規(guī)程的轉(zhuǎn)變,由于取消了傳統(tǒng)的二維圖紙(藍(lán)圖),工藝規(guī)程要借助三維模型向操作工人和檢驗(yàn)人員傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖,同時(shí)要借助三維模型提出工藝要求,這無(wú)論從技術(shù)上、管理上、習(xí)慣上、還是思想觀念上都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

三、三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵問(wèn)題

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造使產(chǎn)品信息的描述和在各環(huán)節(jié)之間的傳遞,從傳統(tǒng)模擬的、二維平面的模式向三維模式轉(zhuǎn)變,被稱為制造工程史上的一次重大革命。它避免了大量的三維二維轉(zhuǎn)換工作,避免了大量的必須靠實(shí)物進(jìn)行判別、評(píng)估和確認(rèn)的工作。它可以預(yù)先精確的定義、模擬和優(yōu)化產(chǎn)品,提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤,從而大大縮短研制周期、降低成本。在這個(gè)過(guò)程中,基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義是一切工作的源頭,是要首先予以解決的問(wèn)題。在解決了基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義之后,工藝制造等環(huán)節(jié)可以以三維模型為核心并行開(kāi)展工作,工藝人員可直觀理解設(shè)計(jì)意圖,將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為制造過(guò)程的工藝模型加以應(yīng)用,從而達(dá)到大幅提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力(包括工藝設(shè)計(jì))的目的。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)包括基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義、基于三維數(shù)模的產(chǎn)品建模與仿真、基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、基于仿真的三維工藝驗(yàn)證與優(yōu)化、基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)等。

(1)基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義

在以二維工程圖為核心的設(shè)計(jì)模式下,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果以二維工程圖的方法表達(dá),二維工程圖的繪制遵循我國(guó)的國(guó)標(biāo)及各個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。二維工程圖通常在PDM系統(tǒng)中以文檔的形式進(jìn)行管理,作為文檔附件添加到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的零部件節(jié)點(diǎn)上。在工藝規(guī)劃、加工仿真、夾具設(shè)計(jì)等制造階段,需要通過(guò)二維工程圖獲取設(shè)計(jì)要求,并根據(jù)二維工程圖重新建立零部件的三維模型,以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)控編程、加工仿真。以二維工程圖為核心的設(shè)計(jì)模式實(shí)際上是傳統(tǒng)的手工繪制工程圖的計(jì)算機(jī)化。由于缺乏模型幾何等信息的傳遞手段,使設(shè)計(jì)與制造難以實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享。

在以三維模型為核心的設(shè)計(jì)模式中,產(chǎn)品的所有定義信息都是以三維模型的形式進(jìn)行表達(dá),尺寸、公差、技術(shù)要求、制造要求等,以三維模型的標(biāo)注、屬性等進(jìn)行表達(dá),形成三維工程圖模型,這種設(shè)計(jì)模式也稱為基于模型的定義(MBD:Model-Based Definition)技術(shù)。三維模型在PDM的統(tǒng)一管理下,進(jìn)行發(fā)布和傳遞。工藝人員在獲取三維模型后,可以根據(jù)需要,采用相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)、NC編程、加工仿真、虛擬裝配等軟件,進(jìn)行工藝的設(shè)計(jì)和仿真分析。三維模型可以通過(guò)模型轉(zhuǎn)換技術(shù),傳遞到其他應(yīng)用系統(tǒng)中。在實(shí)現(xiàn)以三維模型為核心的產(chǎn)品數(shù)字化建模中,需要解決標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、建模工具、模型管理等一系列的問(wèn)題。

在以波音為代表的國(guó)際航空企業(yè)中,已經(jīng)廣泛實(shí)現(xiàn)了基于三維模型定義的設(shè)計(jì)和制造。其中一項(xiàng)重要的工作是建立三維模型為核心的產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,包括建模過(guò)程、屬性信息定義、模型標(biāo)注、模型檢查等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前,國(guó)際上已經(jīng)建立的三維建模的標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 16792《技術(shù)產(chǎn)品文件——數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程》、美國(guó)ASME Y14.41《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程》以及我國(guó)的GBT24734《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》等。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為針對(duì)以三維模型為核心的數(shù)據(jù)集定義、三維模型完整性要求、模型標(biāo)注、三維模型的表達(dá)要求等進(jìn)行了規(guī)范,可以用于指導(dǎo)企業(yè)的實(shí)踐。但是由于各個(gè)行業(yè)產(chǎn)品的差異性,以及三維軟件工具的差異性,國(guó)際上各個(gè)行業(yè)、企業(yè)還針對(duì)自身的產(chǎn)品、軟件工具、管理要求等,建立了一系列行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如波音公司的BSD—600系列標(biāo)準(zhǔn),對(duì)采用MBD技術(shù)的三維模型定義、各類零件建模要求、裝配建模和模型檢查等具體要求進(jìn)行了規(guī)定。波音的標(biāo)準(zhǔn)不僅要在公司內(nèi)部執(zhí)行,同時(shí)所有參與波音產(chǎn)品的供應(yīng)商也需要遵照波音的規(guī)范,進(jìn)行產(chǎn)品模型的定義。

三維模型是在三維CAD軟件中完成創(chuàng)建的,根據(jù)設(shè)計(jì)建模規(guī)范需要在CAD模型中完成幾何建模、尺寸公差標(biāo)注、技術(shù)要求定義、基本屬性信息定義,同時(shí)定義裝配關(guān)系,形成產(chǎn)品裝配清單(BOM)。目前在軍工行業(yè)中應(yīng)用的主流CAD系統(tǒng)包括了PTC公司的Pro/E、西門子UGS公司的UG-NX、達(dá)索公司的CATIA等,在一些企業(yè)還使用了Solid Edge、CAXA等其他軟件系統(tǒng)。在以三維工程圖模型表達(dá)為目的的設(shè)計(jì)中,現(xiàn)有的三維CAD系統(tǒng)在建模、標(biāo)注、屬性定義等基本功能上都能夠滿足工程應(yīng)用的要求,只是在使用方式、易用性上有一些差異。但是,為了實(shí)現(xiàn)規(guī)范性的建模,保證三維模型在數(shù)據(jù)集定義、建模方法、尺寸及公差標(biāo)注、技術(shù)要求標(biāo)注等方面符合企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,保證模型可以在后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)、制造仿真、制造執(zhí)行中得到全面的應(yīng)用,需要在CAD軟件的基本功能上進(jìn)行專門的配置或者定制開(kāi)發(fā)。

同時(shí),在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中,為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的集成以及并行工程的實(shí)現(xiàn),需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮后續(xù)制造環(huán)節(jié)的要求,采用設(shè)計(jì)和工藝一體化(IPPD—Integrate Product and Process Development)的設(shè)計(jì)模式,在設(shè)計(jì)過(guò)程中將制造過(guò)程的各種要求和約束,包括加工能力、經(jīng)濟(jì)精度、工序能力等,融入到設(shè)計(jì)建模過(guò)程中,采用有效的建模和分析手段,保證設(shè)計(jì)結(jié)果可以方便、經(jīng)濟(jì)地制造。這種設(shè)計(jì)模式稱為面向制造與裝配的設(shè)計(jì)(DFMA—Design for Manufacture and Assembly)。根據(jù)制造過(guò)程中不同的工藝方法,DFMA可以分為面向加工的設(shè)計(jì)(DFM)、面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)、面向檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)(DFT)、面向維修的設(shè)計(jì)(DFS)等。

(2)基于三維數(shù)模的產(chǎn)品建模與仿真技術(shù)

在產(chǎn)品三維數(shù)字模型并行定義階段,可以全面使用結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析等數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具軟件,大幅提升設(shè)計(jì)分析的效率和質(zhì)量,取消實(shí)物驗(yàn)證,使產(chǎn)品研制能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)數(shù)字化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具,從建立單個(gè)的數(shù)字化輔助工具,到多工具的集成,從建立工程專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化開(kāi)發(fā)系統(tǒng),再到建立覆蓋整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)體系,形成整體的數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力,都需要各種建模與仿真工具的支持,這些工具包括兩類:1)具體技術(shù)類工具,直接用于產(chǎn)品的建模與仿真分析,如NASTRAN、ANSYS等CAE分析軟件;2)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)用的系統(tǒng)集成平臺(tái),用以組織和管理開(kāi)發(fā)流程、工具軟件、數(shù)據(jù)和自他資源,如Windchill、TeamCenter等PDM軟件平臺(tái)。

同時(shí),軍工產(chǎn)品研制過(guò)程要涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,應(yīng)用大量不同的信息模型和數(shù)據(jù)模型,各個(gè)模型間在交互和共享過(guò)程中存在的復(fù)雜性問(wèn)題已成為影響總體設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)方案的合理性的主要問(wèn)題之一。目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)的重要性,形成了一些多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真集成平臺(tái)的軟件。這些軟件包括MSC公司的MSC.SimManager以及ANSYS公司的Workbench等。

(3)基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)

基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)是指,工藝設(shè)計(jì)人員接收產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門簽發(fā)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)(BOM)、三維模型、技術(shù)要求等信息后,根據(jù)這些信息進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì),并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行三維仿真驗(yàn)證,最后編制成三維工藝規(guī)程供操作工人和檢驗(yàn)人員使用。

三維工藝設(shè)計(jì)涉及的主要內(nèi)容包括三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換、三維工藝過(guò)程建模、結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)、基于MBD的工裝設(shè)計(jì)、三維工藝仿真驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)資源庫(kù)建立等,并最終形成基于數(shù)模的工藝規(guī)程MBI。

三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換:將接收到的來(lái)自設(shè)計(jì)部門的三維模型轉(zhuǎn)換為制造環(huán)節(jié)需要的模型格式,這部分工作一方面包括由于設(shè)計(jì)制造單位所使用的三維CAD軟件不同或者軟件版本不一致導(dǎo)致需要進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換,另一方面包括將設(shè)計(jì)的三維模型轉(zhuǎn)換為制造環(huán)節(jié)需要的輕量化模型,例如將Pro/E的.prt模型轉(zhuǎn)換為.pvz輕量化模型。

三維工藝過(guò)程建模:建立產(chǎn)品制造過(guò)程中包括毛坯在內(nèi)的中間工序的三維模型(包括模型標(biāo)注),以滿足工裝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)控編程等工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)的需要。

結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì):實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)BOM到工藝BOM,乃至工藝全要素的完整定義。

基于MBD的工裝設(shè)計(jì):充分利用三維模型實(shí)現(xiàn)工裝的快速設(shè)計(jì),通過(guò)仿真提高工裝設(shè)計(jì)質(zhì)量。

三維工藝仿真驗(yàn)證:充分利用三維模型進(jìn)行機(jī)加、裝配、鈑金、鑄造等多專業(yè)的工藝仿真與驗(yàn)證,獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)資源庫(kù):針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)建立包括工裝、材料、設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的資源庫(kù),輔助工藝編制。

三維工藝設(shè)計(jì)最終形成基于數(shù)模的工藝規(guī)程MBI。目前有人認(rèn)為基于數(shù)模的工藝規(guī)程必須是以三維為主的無(wú)紙化的工藝規(guī)程,也有人片面地把三維工藝過(guò)程仿真理解為三維工藝。工藝規(guī)程是由工藝員向操作工人、檢驗(yàn)員等轉(zhuǎn)達(dá)設(shè)計(jì)意圖并提出工藝要求的文件。傳統(tǒng)的工藝規(guī)程是在標(biāo)準(zhǔn)表格上基于設(shè)計(jì)下發(fā)的二維工程圖(藍(lán)圖)提出工藝要求,工藝規(guī)程必須和二維工程圖一起交給操作者和檢驗(yàn)員才能進(jìn)行加工制造。實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)以后,二維工程圖取消了,設(shè)計(jì)下發(fā)的是三維模型,需要將設(shè)計(jì)下發(fā)的三維模型轉(zhuǎn)換為輕量化模型后與工藝規(guī)程一起下發(fā)。三維工藝規(guī)程是一種以文字信息、三維模型、圖片、動(dòng)畫等多媒體信息組成的多維工藝文檔,其以三維形式為主還是以文字信息為主應(yīng)依據(jù)由工藝的專業(yè)類型(有的加工專業(yè)不適合三維形式表達(dá))和當(dāng)前的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用水平?jīng)Q定。

采用三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)手段有助于實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行的三維工藝設(shè)計(jì)和分析,提前發(fā)現(xiàn)可能的設(shè)計(jì)缺陷,保證研制質(zhì)量,縮短研制周期。三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)不僅可直觀地為加工制造過(guò)程的操作提供多維工藝文檔,更重要的是,三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)可為生產(chǎn)制造執(zhí)行過(guò)程提供完整的結(jié)構(gòu)化工藝信息。

(4)基于仿真的三維工藝驗(yàn)證與優(yōu)化

實(shí)施三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)不僅僅是用三維工藝規(guī)程取代傳統(tǒng)的表格式工藝規(guī)程,而是要徹底改變落后的工藝設(shè)計(jì)模式,要采用先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)理念、方法和工具,最終達(dá)到大幅提升工藝設(shè)計(jì)能力的目的。為此,三維工藝驗(yàn)證和工藝參數(shù)優(yōu)化工作是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程主要依靠典型工藝、樣板工藝、工藝手冊(cè)等的復(fù)制修改,缺少先進(jìn)的驗(yàn)證手段,機(jī)械加工一般都是依靠試切試裝來(lái)確定工藝方案的合理性,周期長(zhǎng)、成本高、一經(jīng)確定很難改變。例如,工藝員一般先復(fù)制相似產(chǎn)品的工藝方案,接著查工藝手冊(cè)修改相關(guān)參數(shù),然后申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)件驗(yàn)證方案的可行性和合理性,再昂貴的零件也要申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)件進(jìn)行試加工。最重要的是,傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法嚴(yán)重限制了工藝人員的創(chuàng)新性,工藝師的主要工作其實(shí)是文字編輯。

三維工藝驗(yàn)證與優(yōu)化涉及加工、裝配等專業(yè),加工又主要包括切削加工過(guò)程和成型加工過(guò)程的工藝驗(yàn)證與優(yōu)化。切削加工過(guò)程的工藝驗(yàn)證與優(yōu)化,包括用于刀位軌跡和運(yùn)動(dòng)過(guò)程干涉檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及對(duì)切削加工特性和加工精度進(jìn)行預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)仿真,目前前者應(yīng)用較多,而后者則需要針對(duì)不同的切削加工方法,如車、銑、鉆、鏜、磨等建立由相應(yīng)的機(jī)床、刀具、工裝組成的切削系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型及誤差分析模型,并需要大量的切削試驗(yàn)研究相配合。通過(guò)基于切削過(guò)程仿真的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的研究發(fā)現(xiàn):仿真和優(yōu)化技術(shù)是快速獲取優(yōu)化切削參數(shù)的最佳途徑。目前成型工藝驗(yàn)證與優(yōu)化的仿真應(yīng)用也日益增加,例如通過(guò)基于非線性有限元的數(shù)值模擬不僅可以全面預(yù)測(cè)金屬流動(dòng)規(guī)律,如位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng),還可預(yù)測(cè)成型缺陷的產(chǎn)生和演化過(guò)程。美國(guó)Northrop公司通過(guò)對(duì)鈑金件成型的模擬,可預(yù)測(cè)回彈量、撕裂、起皺等缺陷,使廢品率減少95%,周期縮短78%。

導(dǎo)管彎曲成型過(guò)程是一種復(fù)雜成型加工過(guò)程。數(shù)控彎管機(jī)是一種先進(jìn)的管材彎曲加工設(shè)備,與切削類數(shù)控加工設(shè)備的刀位軌跡仿真不同,導(dǎo)管彎曲成型過(guò)程中不正確的加工程序不僅會(huì)影響彎曲的質(zhì)量和效率,而且不斷變化的導(dǎo)管形狀還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的干涉甚至危及人身的安全,所以隨著目前產(chǎn)品輕量化的發(fā)展、導(dǎo)管裝填密度的提高及成型精度的提高,對(duì)數(shù)控彎管加工過(guò)程的仿真的需求日益迫切。圖1所示的為北京理工大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的數(shù)控彎管加工過(guò)程仿真系統(tǒng)(TBS),它提供的功能包括彎管機(jī)床的幾何建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、模夾具選取與定義、機(jī)床配置定義與調(diào)整、導(dǎo)管毛坯建模和裝載、碰撞和干涉檢驗(yàn)、導(dǎo)管動(dòng)態(tài)造型等。在數(shù)控彎管加工過(guò)程中,由于導(dǎo)管的成型過(guò)程是一個(gè)形狀不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程,如果針對(duì)每一條NC指令都重新生成導(dǎo)管實(shí)體,勢(shì)必造成系統(tǒng)運(yùn)算速度降低,考慮實(shí)際加工中只是當(dāng)前的彎曲段做變形運(yùn)動(dòng),而已成型部分僅做位置上的變換,所以可以把整個(gè)導(dǎo)管表示成直段和彎曲段的集合以及它們之間相互位置的變換,當(dāng)然還要考慮回彈因素對(duì)位置變換矩陣的影響。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造推動(dòng)產(chǎn)品研制模式變革！manufacturing圖片1

圖1 數(shù)控導(dǎo)管加工過(guò)程仿真

三維裝配工藝驗(yàn)證與優(yōu)化也是近年來(lái)得到迅猛發(fā)展的技術(shù),通過(guò)該技術(shù)不僅可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在的裝配干涉,并對(duì)零部件的裝配順序、裝配路徑和工夾具的使用進(jìn)行驗(yàn)證,而且隨著近幾年技術(shù)的發(fā)展,還可以對(duì)裝配誤差累計(jì)的分析、裝配順序和零件制造誤差對(duì)裝配方案的影響進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。圖2為北京理工大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的柔性線纜插頭插裝過(guò)程仿真軟件界面。法國(guó)的Delmia DPM軟件也是典型的裝配工藝仿真軟件。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造推動(dòng)產(chǎn)品研制模式變革！manufacturing圖片2

圖2 線纜接頭插裝過(guò)程仿真

(5)基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)

在基于MBD的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上,還可開(kāi)展三維工藝檢驗(yàn)技術(shù)研究,通過(guò)三維數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換為測(cè)量機(jī)等數(shù)字化設(shè)備能夠識(shí)別的數(shù)字信息的技術(shù)方法,并以基于MBD的三維設(shè)計(jì)數(shù)模、工藝數(shù)模和檢測(cè)方案為依據(jù)開(kāi)發(fā)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算程序,建立基于MBD的三維檢驗(yàn)數(shù)模,并與產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)一起納入PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理。與此同時(shí),以PDM系統(tǒng)的檢測(cè)計(jì)劃和三維檢測(cè)模型為依據(jù),可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采集產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外軍工產(chǎn)品研制不可或缺的手段,并推動(dòng)了軍工產(chǎn)品研制模式發(fā)生重大變革。實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造不僅僅是用三維模型取代大量的二維三維轉(zhuǎn)換,而是要通過(guò)設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同以及大量的建模與仿真技術(shù),達(dá)到大幅提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)能力的目的。目前在國(guó)內(nèi)企業(yè)實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)過(guò)程中,有些企業(yè)把三維裝配工藝仿真理解為三維裝配工藝,有的企業(yè)過(guò)于強(qiáng)調(diào)三維模型下車間、強(qiáng)調(diào)三維工藝必須是以三維為主的工藝規(guī)程,沒(méi)有認(rèn)識(shí)到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)的研制模式和研制流程的變革,以及三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)的從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)模式向基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變。

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