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2012年PLM征文:三维数字化设计制造技术推动产品研制模式重大变革

2012/11/12    来源:e-works    专家:刘检华      
关键字:三维数字化设计  三维工艺  产品研制模式  
三维数字化设计制造能力已经成为我国军工企业竞争的核心,是实现军工研制能力变革的支点和突破口。本文在阐述了三维数字化设计制造技术的内涵的基础上,对基于三维数模的产品定义、基于三维数模的产品建模与仿真、基于MBD的数字化工艺设计、基于仿真的三维工艺验证与优化、基于MBD的数字化检测技术等三维数字化设计制造中的关键技术进行了论述,并指出三维数字化设计制造技术将推动军工装备研制模式发生重大变革。

前言

    近10余年,以波音、空客和洛克希德?马丁为代表的飞机制造企业在三维数字化设计制造技术应用方面取得了巨大的成功。波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中,全面采用了MBD技术,将三维产品制造信息(Product Manufacturing Information,PMI)与三维设计信息共同定义到产品的三维数模型中,摒弃二维图样,直接使用三维标注模型作为制造依据,使工程技术人员从百年来的二维文化(蓝图)中解放出来,实现了产品设计、工艺设计、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同和融合,建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系,开创了飞机数字化设计制造的崭新模式,确保了波音787客机的研制周期和质量。

    随着三维数字化设计与制造技术在国内外军工行业的应用,使传统设计与制造流程发生了重大变革。传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替,三维数模已经取代二维图纸,成为军工产品研制的唯一制造依据。需要特别指出的是,产品的制造过程是直接利用产品的基于模型数字化定义数据来驱动的,即产品的零部件加工和生产用工装制造,直到产品的装配设备,都可直接根据基于模型定义MBD数据进行,体现了数字化技术与其他先进技术的融合。这样基本上没有中间的数据传递环节,消除了形状和尺寸的传递误差,即所谓装配过程中实现了“零误差”,保证制造出高质量的军工产品。

一、三维数字化设计制造技术是目前军工企业应对挑战的突破口

    飞机、卫星、潜艇、火箭、导弹和装甲车辆等复杂军工产品客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂等特点,其研制周期长且一般采用单件或小批生产模式,以上特点导致难以保障复杂产品的合格率。例如卫星总装,其即使在产品零件全部合格的情况下,也很难保证装配后产品的合格率,往往需要经过多次试装、拆卸、返工才能装配出合格产品。

    军工产品的高度复杂性,导致军工产品设计效率和质量一直是是困扰军工企业的最大难题。多年以来,我国军工产品设计方法和设计手段发展慢,产品设计还主要依靠实物验证,工艺设计主要依靠试切试装,既耽误周期又耗费经费。“十一五”以来,军工企业普遍面临产品的技术要求越来越严格、产品结构越来越复杂、研制任务越来越繁重,但研制周期越来越短的现状。传统的以产品蓝图(二维图纸)为核心的设计制造模式已经不能应对当前的挑战,常导致设计问题和工艺问题在产品研制阶段不能充分暴露,后移至批生产阶段,造成批生产阶段产品制造质量问题频发,制造周期延长。

    因此,产品设计能否减少实物验证,工艺设计能否减少试切试装,大量采用数字化的实验验证手段,大幅提升新产品的研制能力,是国内军工行业需要通过数字化手段进行变革的共同领域。以三维模型为核心的信息传递、工艺设计与制造模式与传统的以二维图纸为核心的模式完全不同,并且具有很多技术优势,如设计制造等环节以三维模型为核心并行开展工作,工艺人员可直观理解设计意图,将设计模型转为制造过程的工艺模型加以应用,并通过工艺过程仿真工具进行工艺验证和工艺参数优化,从而提高产品研制质量和效率。

    在国际上相关的计算机软件系统发展非常迅速,在计算机上实现仿真验证也非常普遍,比如设计领域的结构分析、热分析、电磁分析等等,工艺领域的铸造仿真、焊接仿真、钣金仿真、装配仿真等等都有很强大的软件工具,军工行业迫切需要借助计算机实现设计效率和设计质量的大幅提升。但是,传统的二维图只有工程人员能够看懂,计算机看不懂,而计算机和工程人员都能看懂的就是三维。所以,要想借助信息化与数字化的浪潮实现腾飞,就必须实现三维数字化设计制造。

二、三维数字化设计制造技术的内涵

    三维数字化设计制造是在产品开发的整个过程中有效利用数字化三维模型的建模技术、仿真优化技术、信息与过程集成等技术来提高产品开发决策的能力和水平,加速产品开发过程、降低成本的系统开发技术和方法。三维数字化设计制造技术的核心,是基于三维模型的设计进行早期分析仿真与验证,及早发现设计问题并减少设计更改,从而在最短的时间内使产品完成加工装配并满足设计性能。三维数字化设计制造技术的主要支撑手段,是通过建模和仿真工具,以实现最好的产品性能设计、工程分析和制造。

    三维数字化设计制造主要包括三维数字化设计和三维数字化工艺。三维数字化设计就是在计算机辅助下,通过产品的三维数字模型全面模拟产品的设计、分析、验证等全过程。

    三维数字化设计的应用,可以大大提高企业的产品开发(设计)能力,缩短产品研制(设计)周期,降低产品研发(设计)成本,实现最佳设计效果。传统的产品设计是基于实物模型试验验证为主的产品设计方法。其主要流程为:实验模型设计→试验模型制造与试验→符合工程要求后再进行产品的设计制造。三维数字化设计是基于数值模拟与性能预测的产品设计方法。其主要流程为:初步设计→数值模拟试验→修改设计。这种设计方法的指导思想是采用基于模型的设计进行早期验证,判断产品是否合格,不断修改设计直到满意为止。

    三维数字化设计技术是三维数字化设计制造中优先得到发展的技术,目前我国许多军工企业基本实现了三维产品设计,但是制造环节仍以二维图纸作为依据,设计与制造之间的信息传递基本维持在将三维产品模型转换成二维图纸后,进入工艺设计、制造与现场装配等环节。

    三维数字化工艺设计是指在计算机辅助下,基于产品的三维数字模型全面开展产品工艺过程的模拟仿真,辅助工艺设计人员确定出合理的、可行的工艺文件的过程。三维数字化工艺设计的难点在于从制造角度出发,如何充分利用三维模型信息完整性的特点支撑产品工艺、加工、检验和装配过程,有效提高产品工艺设计的效率和质量,并保证产品制造过程技术状态的一致性。

    三维数字化工艺设计一方面要解决传统的靠经验的工艺设计方法向科学的工艺设计方法的转变,即传统的工艺设计主要是依靠经验传承,主要是以师傅带徒弟的方式实现的,而实现了三维数字化设计之后,工艺设计需要从经验传承向基于建模和仿真的科学设计的飞跃;另一方面要解决传统的二维装配工艺卡片向基于三维的工艺规程的转变,由于取消了传统的二维图纸(蓝图),工艺规程要借助三维模型向操作工人和检验人员传达设计意图,同时要借助三维模型提出工艺要求,这无论从技术上、管理上、习惯上、还是思想观念上都是一个巨大的挑战。

 

责任编辑:程玥
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