淺談三維數(shù)字化設計制造技術(shù)應用與趨勢

1、淺談三維數(shù)字化設計制造技術(shù)應用與趨勢本文在闡述了三維數(shù)字化設計制造技術(shù)的發(fā)展歷程基礎(chǔ)上，對基于三維數(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)字化工藝設計、基于仿真的三維工藝驗證與優(yōu)化、基于 MBD的數(shù)字化檢測技術(shù) 等三維數(shù)字化設計制造中的關(guān)鍵技術(shù)進行了論述，以及企業(yè)未來如何成功實施三維設計制造技術(shù)。一、 工程語言演變1、工程師的語言語言、文字和圖形是人們進行交流的主要方式。在工程界，準確表達一個物體的形狀的主 要工具就是圖形，在工程技術(shù)中為了正確表示出機器、設備的形狀、大小、規(guī)格和材料等 內(nèi)容，通常將物體按一定的投影方法和技術(shù)規(guī)定表達在圖紙上，這種根據(jù)正投影原理、標 準或有

2、關(guān)規(guī)定，表示工程對象，并有必要的技術(shù)說明的圖就稱圖樣。工程圖樣是人們表達 設計的對象，生產(chǎn)者依據(jù)圖樣了解設計要求并組織、制造產(chǎn)品。這種采用類似工程圖樣的 產(chǎn)品定義方式常被稱為工程師的語言。2、工程語言的歷史演進2.1 第一代工程語言工程定義需要明白和無歧義的表達。中國古代工匠就有采用物理實體模型(如：故宮“樣 式張”)和二維繪圖法表達工程思想的歷史。1795年法國科學家加斯帕爾蒙日(Gaspard Monge , 17461818)系統(tǒng)地提出了以投影幾何為主線的畫法幾何，把工程 圖的表達與繪制高度規(guī)范化、唯一化，工程圖便成為工程界常用的定義產(chǎn)品的語言第一代工程語言。這種工程設計語言的缺陷是顯而

3、易見的，設計師在設計新產(chǎn)品時，首先涌現(xiàn)在腦海里的是 三維的實體形象而不是平面視圖。但為了向制造它的人傳遞產(chǎn)品的信息，必須將這個活生 生的實體通過嚴格的標準和投影關(guān)系變成為復雜的、但為工程界所共識的標準工程圖。這 當中的浪費不僅是投影圖的繪制，還包括了從實體形象向抽象的視圖表達方式轉(zhuǎn)換的思 維，以及在轉(zhuǎn)換過程中不可避免出現(xiàn)的表達不清和存在歧義。制造工程師、工人在使用這 種平面圖紙時，又要通過想象恢復它的立體形狀，以理解設計意圖。這又是一番思維、腦 力和時間的浪費。平面圖紙的再利用能力幾乎沒有，定義的質(zhì)量完全依賴設計人員的個人 能力。有時不是創(chuàng)意而是對平面圖形的理解程度，制圖技術(shù)的好壞往往是能否設

4、計、制造 出好的產(chǎn)品的關(guān)鍵。對二維圖樣的繪制和理解是需要嚴格的專門訓練，要求工程人員有良 好的空間想象能力。直到今日畫法幾何和工程制圖仍然是工科大學最重要的必修課之一。 二百年來，制造業(yè)為這種平面圖形的轉(zhuǎn)換付出了巨大的代價。2.2 第二代工程語言2 0世紀5。年代后期，隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，在計算機屏幕上繪圖變?yōu)榭赡? CAD技術(shù)越來越成為工程表達的標準方式，逐漸成為第二代工程語言。二維CAD將手工二維繪圖計算機化，人們借助此項技術(shù)來擺脫煩瑣、費時、精度低的傳 統(tǒng)手工繪圖，從而甩掉了沿用 200多年的圖板。6 0年代初期出現(xiàn)了三維CAD系統(tǒng)，起初是極為簡單的，只能表達基本幾何信息線框系

5、統(tǒng)，不能有效表達幾何數(shù)據(jù)間的拓撲關(guān)系，缺乏形體的表面信息。進入7 0年代，由于飛 機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，飛機及汽車制造過程中遇到大量自由曲面問題，止匕時，基于三 視圖方法的多截面視圖、特征緯線近似表達所設計自由曲面產(chǎn)生的不完整性，已經(jīng)不能滿 足工程要求，大大拖延了產(chǎn)品研發(fā)時間。由于貝塞爾算法的提出，使得用計算機處理曲線 及曲面問題變得可行，從而結(jié)束了計算機輔助設計技術(shù)單純模仿工程圖紙的三視圖模式， 首次實現(xiàn)了計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時也使得C AD技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實 的基礎(chǔ)。曲面造型系統(tǒng)為人類帶來了第一次CAD技術(shù)革命，改變了以往只能借助油泥模 型來近似表達曲面的落后的工作方式。

6、由于曲面造型技術(shù)只能表達形體的表面信息，難以準確表達零件的其他特征，如質(zhì)量、重 心、慣性矩等，從而提出了對實體造型技術(shù)的需求。實體造型技術(shù)能夠精確表達零件的全 部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD/CAE/CAM的模型表達，給設計帶來了驚人的 方便性?？梢哉f，實體造型技術(shù)的普及應用標志著CAD發(fā)展史上的第二次技術(shù)革命。2.3 第二代工程語百8。年代中期，一種比無約束自由造型更新穎、更好的算法 參數(shù)化特征造型方法開始出現(xiàn)。它具有基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設計修改的特征?？梢哉J 為，參數(shù)化技術(shù)的應用主導了CAD發(fā)展史上的第三次革命。此時眾多CAD/CAM/ CAE軟件開發(fā)公司群雄逐鹿。

7、80年代后期到90年代，CAD向系統(tǒng)集成化方向發(fā) 展，引起了CAD發(fā)展史上的第四次革命。特別是波音7 7 7實現(xiàn)了全數(shù)字樣機，進一步 發(fā)展了數(shù)字化設計制造技術(shù)，此后，波音公司在以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了 MBD技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品的三維 模型中，摒棄二維圖樣，將 MBD模型作為制造的唯一依據(jù)。至此，基于三維模型定義技 術(shù)的MBD已經(jīng)成為第三代工程語言。近10余年，以波音、空客和洛克希德？馬丁為代表的飛機制造企業(yè)在三維數(shù)字化設計制造技術(shù)應用方面取得了巨大的成功。波音公司在以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了 MBD技術(shù)，將三維

8、產(chǎn)品制造信息 (Product Manufacturing Information , PMI)與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)模型中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標注模型作為制造依據(jù)，使工程技術(shù)人員從百年來的二維文化(藍圖)中解放出來，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成、協(xié)同和融合，建立了三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系，開創(chuàng)了飛機數(shù)字化設計制造的嶄新模式，確保了波音787客機的研制周期和質(zhì)量。IJTJwiiig liiucd Surract: JlmedFcalurii Hiiscd Process BulgedKnow led 學：Ua

9、sed1974198219R81 羽5ZOGO圖一：CAD演變歷史二、 國內(nèi)CAD應用歷程九五”期間CAD應用工程的推廣，我國二維 CAD的普及取得了明顯的效益。進入21世紀，三維CAD應用逐步開始普及，大部分制造企業(yè)也都已經(jīng)從最初的二維CAD制圖轉(zhuǎn)向了 CAD的三維應用。當前企業(yè)CAD應用現(xiàn)狀通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前，制造企業(yè) CAD的應用情況可以概括為以下幾類：1、單純地使用二維 CAD繪制圖形。這類企業(yè)目前已經(jīng)比較少了，他們所生產(chǎn)的產(chǎn)品一 般都非常簡單，基本上是三視圖連想都不用想就能夠直接畫出來，比如一些很簡單的鉞金 件生產(chǎn)企業(yè)，不需要思考三視圖就能直接畫出鉞金圖紙，直接規(guī)則折彎，而如果用三維

10、軟 件建模再轉(zhuǎn)成二維還沒有直接使用二維效率高。這類企業(yè)往往規(guī)模比較小，基本不進行產(chǎn) 品的創(chuàng)新設計，只是在原來的基礎(chǔ)上做一些設計變更等簡單的工作。2、二維為主，三維作為建模工具輔助使用。這類企業(yè)依舊比較重視二維CAD的應用，他們運用三維CAD基本上不是源于自身產(chǎn)品研發(fā)的需求，雖然在應用三維CAD,但是出發(fā)點卻不太明確。一般是看著別的企業(yè)都在大肆地推進三維的應用，效果還不錯，迫于競 爭的壓力，也上了三維；或是應上游企業(yè)的要求，上游企業(yè)規(guī)定必須用某種三維軟件進行 產(chǎn)品設計以符合他們的要求；等等。這類企業(yè)的工程師在設計過程中，采用二三維CAD混用的模式，使用三維 CAD進行產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設計，工程圖還是

11、在原來的二維CAD中進行，存檔文件也是采用二維圖檔，指導后續(xù)的加工生產(chǎn)。在這些企業(yè)中，二維圖紙依舊作 為信息傳輸過程中的重要文件，他們認為傳統(tǒng)的方式來指導生產(chǎn)已經(jīng)夠了，不太重視三維的推廣和深入應用，這樣有可能導致上了三維CAD后，設計效率反而降低。目前， 制造業(yè)中這種類型的企業(yè)占了大多數(shù)。3、以三維模型文件為主，二維文件作為輔助工具使用。這類企業(yè)在運用三維CAD之初，通過軟件供應商、第三方咨詢公司或者公司專業(yè)技術(shù)團隊的分析，基本上對公司采用 三維CAD的出發(fā)點、公司所設計產(chǎn)品的開發(fā)過程以及產(chǎn)品開發(fā)的特點都比較清楚，對所 需求三維CAD的功能特點、通過運用三維 CAD想要達到的效果會有比較明確的

12、需求，因 此在應用上就會有的放矢，一步步推進。包括在三維推廣初期對三維產(chǎn)品設計規(guī)范的制 定，三維模型的建模要求，三維標準件庫的建立，等等。處于這種應用狀態(tài)的制造企業(yè)也 占了相當一部分。4、基于MBD的數(shù)字化設計制造，即基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)，它將三維制造信息 PMI與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品三維數(shù)字化模型中，使CAD和CAM等實現(xiàn)真正高度集成，使生產(chǎn)制造過程可不再使用二維圖紙。這種方式在國外發(fā)達航空制造企業(yè)已經(jīng)有成 功的應用經(jīng)驗，目前國內(nèi)航空制造領(lǐng)域的企業(yè)也在紛紛地借鑒這種模式。中航工業(yè)成飛公 司結(jié)合數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展方向，摒棄了傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作 法，開始采用全數(shù)

13、字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法，并取得了一些階段性成果。但是，在應用的過 程中，他們的三維數(shù)模并沒有貫穿于整個飛機數(shù)字化制造過程中，基于 MBD ( ModelBased Design)技術(shù)的產(chǎn)品定義工作尚處于探索階段。在國內(nèi)，以 MBD為核心的數(shù)字化 工藝設計和產(chǎn)品制造模式尚不成熟，MBD的設計、制造和管理規(guī)范還有待完善，三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通。5、全三維應用。這是三維 CAD應用最理想的狀態(tài)，是制造企業(yè)深化三維CAD應用的方向。通俗來講，全三維設計就是在建立三維模型時，不僅要包含精確的產(chǎn)品幾何模型， 還需要包含表示產(chǎn)品尺寸、公差、基準等非幾何信息，以滿足下游工藝設計和檢驗設計的

14、要求，替代原二維圖樣，從而實現(xiàn)取消二維圖紙的功能，是MBD技術(shù)成熟應用的表現(xiàn)。全三維應用首先體現(xiàn)在產(chǎn)品設計必須是三維，其次設計過程中的數(shù)據(jù)一定是獨立的、穩(wěn)定 的、可管理的、可重用的，模型中包含的數(shù)據(jù)信息能在工藝、制造環(huán)節(jié)有效傳遞，生產(chǎn)制造包括后續(xù)的過程都高度自動化，實現(xiàn)數(shù)字樣機和物理樣機中間各個環(huán)節(jié)的通路。但是， 就目前來說，很少有企業(yè)實現(xiàn)。一方面，實現(xiàn)全三維，企業(yè)需要投入的成本太高，再者， 要求企業(yè)人員具備較高的素質(zhì)。目前國內(nèi)企業(yè)應用大多數(shù)停留在第一和第二階段四、未來三維設計制造技術(shù)應用趨勢-MBD基于模型的定義(Model-Based Definition-MBD )傳統(tǒng)的產(chǎn)品定義技術(shù)主要

15、以工程圖為主，通過專業(yè)的繪圖反映出產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)以及制造要求，實現(xiàn)設計和制造信息的共享與傳遞?；谀Ｐ偷亩x( MBD)以全新的方式定義產(chǎn)品，改 變了傳統(tǒng)的信息授權(quán)模式。它以三維產(chǎn)品模型為核心，將產(chǎn)品設計信息、制造要求共同定義到 該數(shù)字化模型中，通過對三維產(chǎn)品制造信息和非幾何管理信息的定義，實現(xiàn)更高層次的設計制 造一體化。MBD是一種超越二維工程圖實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化定義的全新方法，使工程人員擺脫了對二維圖樣的依賴。MBD是一個管理和技術(shù)的體系，并不僅僅是一個帶有三維標注的數(shù)據(jù)模型。MBD使制造信息和設計信息共同定義到三維數(shù)字化模型中，使其成為生產(chǎn)制造過程的唯一依據(jù)，實現(xiàn) CAD和CAM (加工、裝

16、配、測量、檢驗)的高度集成。ASMEY14.41、BDS600系列等標準是MBD的重要基礎(chǔ)，這些標準的制定促進了CAD軟件公司參照其開發(fā)軟件新功能，使 MBD的思想得以實現(xiàn)，并很快應用到以波音787為代表的生產(chǎn)實踐中。(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計模式下，產(chǎn)品的設計結(jié)果以二維工程圖的方法表達，二維 工程圖的繪制遵循我國的國標及各個行業(yè)標準。二維工程圖通常在PDM系統(tǒng)中以文檔的形式進行管理，作為文檔附件添加到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的零部件節(jié)點上。在工藝規(guī)劃、加工仿 真、夾具設計等制造階段，需要通過二維工程圖獲取設計要求，并根據(jù)二維工程圖重新建 立零部件的三維模型，以實現(xiàn)后續(xù)的數(shù)控編程

17、、加工仿真。以二維工程圖為核心的設計模 式實際上是傳統(tǒng)的手工繪制工程圖的計算機化。由于缺乏模型幾何等信息的傳遞手段，使 設計與制造難以實現(xiàn)信息的集成和共享。在以三維模型為核心的設計模式中，產(chǎn)品的所有定義信息都是以三維模型的形式進行表 達，尺寸、公差、技術(shù)要求、制造要求等，以三維模型的標注、屬性等進行表達，形成三 維工程圖模型，這種設計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，采用相應的工藝設計、NC編程、加工仿真、虛擬裝配等軟件，進行工藝的設計和仿真分析。三

18、維模型可以通過模型轉(zhuǎn)換技術(shù)，傳遞到其他應用系統(tǒng)中。在實現(xiàn)以 三維模型為核心的產(chǎn)品數(shù)字化建模中，需要解決標準規(guī)范、建模工具、模型管理等一系列 的問題。在以波音為代表的國際航空企業(yè)中，已經(jīng)廣泛實現(xiàn)了基于三維模型定義的設計和制造。 其中一項重要的工作是建立三維模型為核心的產(chǎn)品數(shù)字化定義的標準規(guī)范，包括建模過 程、屬性信息定義、模型標注、模型檢查等標準規(guī)范。目前，國際上已經(jīng)建立的三維建模 的標準包括國際標準化組織的 ISO 16792技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī) 程、美國ASME Y14.41數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī)程以及我國的 GBT24734數(shù)字 化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則等。這些標準規(guī)范為針對以

19、三維模型為核心的數(shù)據(jù)集定義、三維模 型完整性要求、模型標注、三維模型的表達要求等進行了規(guī)范，可以用于指導企業(yè)的實 踐。但是由于各個行業(yè)產(chǎn)品的差異性，以及三維軟件工具的差異性，國際上各個行業(yè)、企 業(yè)還針對自身的產(chǎn)品、軟件工具、管理要求等，建立了一系列行業(yè)和企業(yè)標準，如波音公司的BSA600系列標準，對采用 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行了規(guī)定。波音的標準不僅要在公司內(nèi)部執(zhí)行，同時所有參 與波音產(chǎn)品的供應商也需要遵照波音的規(guī)范，進行產(chǎn)品模型的定義。同時，在三維數(shù)字化設計制造中，為了實現(xiàn)設計制造的集成以及并行工程的實現(xiàn)，需 要在設計過程中考慮后續(xù)制造環(huán)

20、節(jié)的要求，采用設計和工藝一體化( IPPDIntegrate Product and Process Development )的設計模式，在設計過程中將制造過程的各種要求和 約束，包括加工能力、經(jīng)濟精度、工序能力等，融入到設計建模過程中，采用有效的建模 和分析手段，保證設計結(jié)果可以方便、經(jīng)濟地制造。這種設計模式稱為面向制造與裝配的 設計(DFMA Design for Manufacture and Assembly )。根據(jù)制造過程中不同的工藝方 法，DFMA可以分為面向加工的設計(DFM)、面向裝配的設計(DFA)、面向檢驗的設 計(DFT)、面向維彳的設計(DFS)等。(2)基于三維數(shù)

21、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)品開發(fā)工具軟件，大幅提升設計分析的效率和質(zhì)量，取消實物驗證，使產(chǎn)品研制能力 產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。三維數(shù)字化設計技術(shù)的發(fā)展離不開數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)工具，從建立單個的數(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)字化開發(fā)系統(tǒng)，再到建立覆蓋整個產(chǎn)品開 發(fā)過程的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)體系，形成整體的數(shù)字化產(chǎn)品開發(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)品開發(fā)過程應用的系統(tǒng)集成平臺，用

22、以組織和管理開發(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。(3)基于MBD的數(shù)字化工藝設計基于MBD的數(shù)字化工藝設計是指，工藝設計人員接收產(chǎn)品設計部門簽發(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)這些信息進行三維工藝設計，并對設計結(jié)果進行三維仿真驗證，最后編制成三維工藝規(guī)程供操作工人和檢驗人員使用。三維工藝設計涉及的主要內(nèi)容包括三維設計模型轉(zhuǎn)換、三維工藝過程建模、結(jié)構(gòu)化工藝 設計、基于MBD的工裝設計、三維工藝仿真驗證與標準資源庫建立等，并最終形成基于 數(shù)模的工藝規(guī)程MBI。三維設計模型轉(zhuǎn)換：將接收到的來自設計部門的三維模型轉(zhuǎn)

23、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計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致需要進行模型轉(zhuǎn)換，另一方面包括將設計的三維模型轉(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。三維工藝過程建模：建立產(chǎn)品制造過程中包括毛坯在內(nèi)的中間工序的三維模型（包括模 型標注），以滿足工裝設計、工藝參數(shù)設計和數(shù)控編程等工藝設計活動的需要。結(jié)構(gòu)化工藝設計：實現(xiàn)從設計 BOM到工藝BOM,乃至工藝全要素的完整定義?；贛BD的工裝設計：充分利用三維模型實現(xiàn)工裝的快速設計，通過仿真提高工裝設 計質(zhì)量。三維工藝仿真驗證：充分利用三維模型進行機加

24、、裝配、鉞金、鑄造等多專業(yè)的工藝仿 真與驗證，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)。標準資源庫：針對專業(yè)特點建立包括工裝、材料、設備、標準在內(nèi)的資源庫，輔助工藝 編制。三維工藝設計最終形成基于數(shù)模的工藝規(guī)程MBI。目前有人認為基于數(shù)模的工藝規(guī)程必須是以三維為主的無紙化的工藝規(guī)程，也有人片面地把三維工藝過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、檢驗員等轉(zhuǎn)達設計意圖并提出工藝要求的文件。傳 統(tǒng)的工藝規(guī)程是在標準表格上基于設計下發(fā)的二維工程圖（藍圖）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員才能進行加工制造。實現(xiàn)三維數(shù)字化設計以 后，二維工程圖取消了，設計下發(fā)的是三維模型，需要將設計

25、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）和當前的計算機信息技術(shù)應用水平?jīng)QaEo采用三維數(shù)字化工藝設計手段有助于實現(xiàn)與產(chǎn)品設計并行的三維工藝設計和分析，提前 發(fā)現(xiàn)可能的設計缺陷，保證研制質(zhì)量，縮短研制周期。三維數(shù)字化工藝設計不僅可直觀地 為加工制造過程的操作提供多維工藝文檔，更重要的是，三維數(shù)字化工藝設計可為生產(chǎn)制 造執(zhí)行過程提供完整的結(jié)構(gòu)化工藝信息。（4）基于仿真的三維工藝驗證與優(yōu)化實施三維數(shù)字化工藝設計不

26、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計模式，要采用先進的工藝設計理念、方法和工具，最終達到大幅 提升工藝設計能力的目的。為此，三維工藝驗證和工藝參數(shù)優(yōu)化工作是一個很重要的環(huán) 節(jié)。傳統(tǒng)的工藝設計過程主要依靠典型工藝、樣板工藝、工藝手冊等的復制修改，缺少先進 的驗證手段，機械加工一般都是依靠試切試裝來確定工藝方案的合理性，周期長、成本 高、一經(jīng)確定很難改變。例如，工藝員一般先復制相似產(chǎn)品的工藝方案，接著查工藝手冊 修改相關(guān)參數(shù)，然后申請試驗件驗證方案的可行性和合理性，再昂貴的零件也要申請試驗 件進行試加工。最重要的是，傳統(tǒng)的工藝設計方法嚴重限制了工藝人員的創(chuàng)新

27、性，工藝師 的主要工作其實是文字編輯。三維工藝驗證與優(yōu)化涉及加工、裝配等專業(yè)，加工又主要包括切削加工過程和成型加工 過程的工藝驗證與優(yōu)化。切削加工過程的工藝驗證與優(yōu)化，包括用于刀位軌跡和運動過程 干涉檢測的運動學仿真及對切削加工特性和加工精度進行預測的動態(tài)仿真，目前前者應用 較多，而后者則需要針對不同的切削加工方法，如車、銃、鉆、鎮(zhèn)、磨等建立由相應的機 床、刀具、工裝組成的切削系統(tǒng)的動力學模型及誤差分析模型，并需要大量的切削試驗研 究相配合。通過基于切削過程仿真的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫的研究發(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。目前成型工藝驗證與優(yōu)化的仿真應用也日益增加，例如通 過基

28、于非線性有限元的數(shù)值模擬不僅可以全面預測金屬流動規(guī)律，如位移場、速度場、應 力應變場和溫度場，還可預測成型缺陷的產(chǎn)生和演化過程。美國 Northrop公司通過對鉞 金件成型的模擬，可預測回彈量、撕裂、起皺等缺陷，使廢品率減少95%周期縮短78%(5)基于MBD的數(shù)字化檢測技術(shù)在基于MBD的產(chǎn)品數(shù)字樣機和工藝數(shù)字樣機的基礎(chǔ)上，還可開展三維工藝檢驗技術(shù)研究， 通過三維數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換為測量機等數(shù)字化設備能夠識別的數(shù)字信息的技術(shù)方法，并以基于 MBD的三維設計數(shù)模、工藝數(shù)模和檢測方案為依據(jù)開發(fā)檢驗數(shù)據(jù)計算程序，建立基于MBD的三維檢驗數(shù)模，并與產(chǎn)品數(shù)字樣機和工藝數(shù)字樣機一起納入PDM系統(tǒng)進行管理。與此同時，以PDM系統(tǒng)的檢測計劃和三維檢測模型為依據(jù)，可實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場自動采集產(chǎn)品檢驗檢測數(shù) 據(jù)。企業(yè)如何成功實施MBD構(gòu)建一個