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三维数字化条件下的三维下厂应用

2013/6/8    来源:e-works    特约撰稿人:王中天      
关键字:三维数字化  产品工艺设计  产品设计  MBD  
在面向生产制造企业的工程信息化建设过程中,如何能正确的处理传统做法与创新变革之间的关系,往往比信息化建设问题本身还要重要。从企业全局的角度考虑,三维数字化设计与制造,是企业设计部门与制造部门提升研制能力和制造能力的重要手段,三维数据分发是设计数据与制造数据良好交互的重要纽带。本文针对企业部门之间的三维数字化方向作了一些讨论,并且在实际中也得到了比较有效的应用。

1 引言

    随着数字化技术和信息化技术的不断发展,制造业企业发展数字化及信息化制造成为必然趋势,20年前,制造业开展了轰轰烈烈的甩图板运动,逐步将二维图纸电子化,10年前三维设计软件开始登上历史舞台,转眼间,三维设计、三维数模、三维协同与三维工艺等等三维概念逐步崭露头角,更有一些行业佼佼者,从三维设计到三维制造的整个业务环节全程联通,随着三维软件的普及,三维理念的深入人心,制造业企业中推行数字化产品设计与制造已经成为设计、工程和制造企业管理创新方面的重要战略举措。

    建立基于三维设计模型的数字化产品制造平台,打通从设计到制造的信息化之路,构建基于MBD(Model Based Definition)的三维产品设计和MBI(Model Based Instructions)的三维工艺和制造的一体化应用平台,实现产品从设计、工艺到制造的全生命周期信息化管理,并集成企业现有的PDM、ERP、DNC系统,实现一体化的、基于三维的管理设计、工艺、制造过程的产品研发和精益制造体系,已成为制造业信息化的又一趋势。

2 三维数字化产品设计

    三维数字化设计制造使产品信息的描述和在各环节之间的传递,从传统模拟的、二维平面的模式向三维模式转变,被称为制造工程史上的一次重大革命。它避免了大量的三维二维转换工作,避免了大量的必须靠实物进行判别、评估和确认的工作。它可以预先精确的定义、模拟和优化产品,提前发现可能出现的错误,从而大大缩短研制周期、降低成本。在这个过程中,三维数字化设计是一切工作的源头,是要首先予以解决的问题。

    MBD是一种介于三维的产品数字化定义技术,它面向产品三维模型对数字化信息进行完整描述,如:三维模型的尺寸、几何形状、公差的标注和产品非几何信息的标注(产品物理特征、制造特征、数据管理特征、状态特征的属性等)等。

    美国制造工程师协会于2003年发布了“数字化产品定义数据实践ASME Y14.42-2003”,国际上几大主流CAD软件(CATIA、UG、PTC等)都支持ASME Y14.41标准。与此同时,波音公司也制订了自己的三维设计标准(BDS-600系列),并与CATIA、Delimia等软件实现集成。另外,还有大量的二级软件供应商也在制订自己的三维设计标准。我国三维标注的国家标准《数字化产品定义数据通则》(GB/T24734)于2010年正式发布,但是,这些已发布的标准都比较宏观,与实际应用还有一段距离,国内企业还需要确定自身的应用模式,同时还要针对自身的应用形成一系列辅助规范,不能拿过来直接使用。

    国内某企业以国标GB/T24734为总纲,以波音公司“显示空间元素的二维视图集合”方案为基调,以波音外包数据为参照,制订了一套符合自身特点的标注规范,初步解决三维产品定义问题。该企业三维标注规范的基本思路是在视图平面上进行标注,首先通过软件平台提供的视图管理器建立导引视图,然后根据导引视图在三维模型上进行详细标注,或者说利用视图管理器实现传统二维图的视图功能(包括各种剖视图),同时又不破坏三维主模型。这样做的最大好处是实现了二维图纸到三维模型的平滑过渡,既实现了三维标注,又与现行规范差距最小,设计标注时既清晰又简洁,后续引用也很方便,设计员、工艺员、操作工人、检验员等都很容易接受,不会出现“二义性”。

    有人问,这和传统的二维标注有多大区别呢?

    有本质的区别,它解决了长期困扰大家的一个重大问题,即三维标注和模型一体的问题。以往由于三维标注问题没有解决,只能用Pro/E建三维模型,同时在AutoCAD中画二维图并标注尺寸,设计人员要分别维护三维模型和二维图,久而久之,二维图可以持续受控,三维模型就逐渐废弃。现在三维标注和模型成为一体,不需要针对三维模型和二维图之分别进行维护,三维模型和标注构成的产品数模可以直接进行仿真分析、工艺设计等应用,也不需要在对着二维图纸去下载三维模型使用。实践证明,这是目前最易理解、最宜食用的方法。

3 三维数字化产品工艺设计

    基于数模的产品定义MBD解决了“造什么”的问题,而基于数模的工艺规程MBI要解决“怎么造”的问题。

    传统的工艺规程是在标准表格上基于设计下发的二维工程图提出工艺要求,工艺规程必须和二维工程图一起交给操作者和检验员才能进行加工制造。实现三维数字化设计以后,二维工程图取消了,设计下发的是三维模型,工艺规程要独自承担转达设计意图和提出工艺要求的双重任务,并且还要采用三维的方法和手段,不仅要适应现场有计算机的使用情况,现阶段还要适应暂时不具备条件的使用情况,例如恶劣加工环境、狭窄空间内(箭体内等)的使用以及产品外协等,对工艺设计提出了新的挑战。

    三维工艺规程是什么样子呢?目前在这个问题上的争议还比较大,业界对这一部分的探讨和实践比较广泛,并没有像设计阶段那样达成相对统一的认识。以某企业为例,从目前的技术水平和可接受程度看,三维工艺规程还是以文字描述为主,以三维模型、图片、动画等多媒体信息为辅的形式出现。为什么三维工艺规程还是以文字描述为主呢?因为设计信息和工艺信息在表达和使用上有很大的区别,设计信息是围绕三维模型的说明信息,在表达上没有严格的先后顺序要求,大家已经熟悉了把设计信息作为一个整体来理解,所以设计信息有条件用三维模型集中表现,至于先看哪个尺寸后再看哪个尺寸并不影响设计意图的正确表述。而工艺信息是要求制造时严格执行的指令性信息,有很强的顺序性,先加工哪个部门,后加工那个尺寸都有严格要求,而用文字描述先后顺序有很强的优势,三维模型、图片、动画等多媒体信息作为视觉补充,可以帮助深入设计意图和工艺要求。所以,现阶段的三维工艺规程还不具备在三维模型上集中表达工艺要求的条件,依然以文字描述为主。

    现在有一种倾向,一说到三维工艺规程就必须是全部用三维形式表达的,就必须是无纸的。其实,工艺规程是否用三维形式表达主要由当前的信息技术水平和应用水平决定,是否无纸主要由现场的环境条件决定。理论上,这些都是形式上的表现,他们都可以实现,但是必须评估目前的接受能力以及投入产出是否匹配。

    当前三维工艺规程的编制工具还不规范,虽然几大CAD软件公司都有自己的解决方案,但是互相之间的兼容性很差。另外,三维工艺规程的展示软件也不规范,目前大多是借通用的动画软件或者三维模型检查软件实现的,现场展示效果不甚理想,不能充分发挥三维工艺规程的特点。其次,由于三维工艺规程包含大量的多媒体信息,数据管理问题也很突出,必须有更理想的管理平台支撑。

    三维数字化工艺设计不仅仅是用三维工艺规程取代传统的表格式工艺规程,而是要彻底改变落后的工艺设计模式,要采用先进的工艺设计理念、方法和工具,最终达到大幅提升工艺设计能力的目的。为此。三维工艺验证工作是一个很重要的环节。

    传统的工艺设计过程主要依靠典型工艺、样板工艺、工艺手册等的复制修改,缺少先进的验证手段,一般都是依靠试切试装来确定工艺方案的合理性,周期长、成本高、一经确定很难改变。三维数字化设计制造实施过程中,工艺设计的数字化仿真工作也相应开展起来,针对产品三维模型和工艺要求进行铸造过程仿真,在众多方案中优选出最合理的工艺方案交付生产,取消试验件和试验周期,同时保留仿真过程和仿真结果待设备环境等条件发生变化时重新仿真使用。工艺员可以在模拟环境下验证自己的新思路、新方法,从而促进了工艺方法的创新。

    三维工艺设计要设计产品结构、产品三维模型、工艺路线、材料定额、工艺仿真、工艺参数、设备、工装、工具、计量器具等大量信息,要与生产管理质量管理、现场管理等实现集成,还要实现工艺试验、工艺攻关、工艺问题处理等过程的数字化,很难用人工方法进行管理,必须建立三维数字化工艺设计与管理平台及相应的管理规范,从而构建三维数字化工艺体系。

责任编辑:程玥
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