三維輕量化模型在制造工藝上的應用

隨著三維CAD在國內制造業的廣泛推廣應用，三維設計過程已經成為企業進行產品設計的主流工具。企業在產品設計中積累了大量的三維模型數據，如何充分利用這些三維模型數據成為企業關注的焦點。設計手段的變革，工藝設計跟著需要變革。工藝如何和三維CAD進行集成，工藝如何基于三維CAD進行加工工藝設計和裝配工藝設計等，目前在很多企業都有迫切的需求。

企業設計逐步采用三維設計模式后，工藝設計模式也面臨著改變和沖擊。企業迫切地需要利用三維模型的信息完整、可視的獨特優勢提高工藝編制的質量和效率，并實現產品模型信息的統一。然而，三維模型數據量雖大，但目前的數據模型主要表達設計幾何信息，對于制造工藝以及數據模型卻涉及很少，同時，不同的CAD系統產生的數據在異構平臺下不兼容、工藝信息量龐大和網絡帶寬的限制，使得三維模型數據的交換、共享以及在制造工藝上的應用具有很大的困難。

本又就內蒙古第一機械集團有限公司(簡稱內蒙一機)采用岡P岡5制造規劃管理系統買現基于三維輕量化模型的工藝無紙化應用的買際情況，探討三維模型下工藝管理的關鍵技術。

  一、三維模型輕量化是工藝三維化的關鍵技術支撐

為了買現產品全生命周期內三維模型數據的交換和共享，人們對三維模型的輕量化進行了大量的研究和探索，內蒙一機在「xtech MPMS系統上開發應用了符合企業需求的輕量化格式，取得了很好的制造工藝應用效果。

由于工藝制造信息是設計信的息數十倍，在三維工藝設計中，數據的輕量化是買現三維工藝的關鍵技術，三維工程輕量化模型需買現標注、測量、裝配和制造工序模型技術。

在成熟輕量化軟件的基礎上，開發適合工藝應用的輕量化工具，達到工藝設計模式從二維向三維的轉變。將原有的CAPP與2D CAD集成轉變為CAPP與3D CAD的集成，為設計人員提供一個接近真買的可視化工藝設計環境。在這個環境下進行包括建立和提取三維模型中的加工特征信息，加工過程仿真和校驗、裝配過程仿真優化、加工資源規劃等高層次的工藝設計工作。這將大大提高工藝設計的質量和效率，并強化工藝在產品研發過程中的地位。

  1.基于輕量化模型的數字化定義技術

數字化產品定義(DPD)是買現數字化制造的基礎，它以數字的方式對產品進行準確描述。采用輕量化模型技術后，數字化產品定義信息必須按輕量化模型要求進行分類組織管理，完整準確地表達產品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足制造過程各階段對數據的需求，保證產品設計制造過程中的協調性。

  2.基于輕量化模型的數字化工藝設計與仿真技術

輕量化模型是產品三維數模的過程制造模型，使產品的工藝設計活動發生了根本變化。工藝設計與仿真將在三維數字化環境下，依據基于輕量化模型技術的數字化工藝協調制造體系要求，以產品的「BOM和三維數字樣機為基礎，以工藝數字化并行定義為核心，制定工藝總方案，建立三維工藝數字樣機，進行數字化三維工藝設計、數字化工藝容差分配、仿真優化和數字化三維工藝仿真驗證。

在工藝設計與仿真的不同階段，仿真的內容也不同。在工藝審查階段，對零件、組件及部件組成的制造單元進行可制造性、可裝配性分析，檢查結構設計的合理性；在工藝規劃階段，通過裝配工藝仿真，確定零部件之間的裝配順序和運動路徑；在工裝設計階段，進行制造資源仿真，設計出合格的工裝資源；在工藝編制階段，通過建立起產品、工藝和資源的數字化工藝數據模型(PPR)，并對關鍵部件進行基于M即的工藝容差分配計算和優化，買現基于模型的工藝分離面劃分、裝配工位設計、裝配流程設計和三維工藝指令設計等。

  3.建設輕量化模型的工藝裝備數據

工藝裝備設計在三維數字化環境下，以產品數字樣機、工藝數字樣機為基礎，進行工藝技術裝備的設計和仿真，逐步形成面向現代航空制造的基于三維的飛機制造技術裝備工程體系，買現技術裝備數字化、自動化和柔性化。在工裝設計過程中，產品設計數模、工藝數模的版本變化將直接引起工裝數模的版本變化。因此，必須應用三維關聯技術和三維在線技術，預先開展基于輕量化模型工藝裝備設計與產品、工藝設計及仿真的數字化協同技術，工藝裝備設計與產品設計、工藝設計的關聯更改技術，工藝裝備三維數字化設計制造一體化集成技術和基于三維數字化工藝裝備設計制造等技術的研究工作。

a.基于輕量化模型的裝配過程可視化技術

在數字化制造模式下，裝配現場已擺脫傳統基于二維圖樣的模擬量傳遞體系，三維數模及三維工藝指令已經完全替代了二維工程圖樣和紙質工藝指令，成為在生產現場指導工人工作的技術依據。

為了確保裝配現場能夠及時獲取現行有效的三維數模、輕量化模型和三維裝配工藝指令，滿足產品裝配過程管理與執行控制的要求，需要解決三維數模輕量化的問題，并將基于數字化制造的設計模型、工藝模型、檢驗模型、三維工裝資源數據、輕量化模型和三維裝配工藝指令統一納入企業級PLM中進行管理(圖1)，并建立與裝配現場作業計劃的關聯關系，買現三維可視化裝配技術在裝配制造執行系統(MES)的集成應用，買現真正的無紙化。

  二、輕量化三維模型的應用

  1.現場工藝實現三維模型化以減少生產人員的識圖時間

三維數字模型的直觀性可以幫助工藝人員直接了解零件內部結構，減少看圖出錯的幾率，提高工作效率，工藝人員可以把更多的時間和精力投入到其他工作中。因為對于比較復雜的鑄件圖樣，工藝人員要想在很短的時間內看明白，不是一件容易的事。

對三維數字模型還可以進行三維立體尺寸標注，隨時測量各個需要加工的工序尺寸，檢查零件買際加工的尺寸是否正確。對于復雜且比較大、重的零件，要想知道它的體積和重量不是一件容易的事，需要大量的計算。基于三維數字模型，得到體積和重量則是一件非常簡單的事。

圖1 裝配工藝定義

  2.更好地了解組件的內部結構

為了更好地了解組件內部結構，需要用軸測圖來表示部件的裝配形式，用這種形式可以很好地反映部件的裝配結構。如果用過去的二維形式來畫軸測圖，幾十個零件組成的部件可能要用十幾天的時間才能夠完成。用三維數字模型裝配的部件，可以很容易生成軸測圖。并能夠及時發現問題，如！在設計過程中通過裝配能夠及時發現零件之間是否有干涉。在裝配中有些零件之間的空間距離在二維圖樣中很難確定，但在三維數字模型裝配中卻是件很容易的事。同時能夠生成任何方向的裝配和軸測圖，并能夠做成各種方向的裝配圖片。這樣就會大大提高了裝配工人的感官認識和買際操作能力，提高了裝配的速度和準確性。

  3.動態數字化工藝視頻指導現場正確操作

三維數字模型在計算機中進行裝配，就可以很好地了解整個部件的裝配順序，減少工藝規程編寫中的錯誤，提高工藝規程編寫的質量。

對于稍有又化和專業技術培訓基礎，且有一定識圖能力的年輕員工，如果用播放數字媒體的形式來反映復雜部件裝配的過程，再配合正確的工藝規程又件，就會很好地完成復雜部件的裝配。

制作好的數字媒體，不僅可用以對現場的員工進行培訓，還可用以通過互聯網對千里之外的協作用戶進行培訓，這將是未來培訓的必然趨勢，也是現場工藝人員用于了解裝配音「件內部結構最有效的方法。

另外，用三維數字模型制作的視頻又件存為aVl形式，就可用Window：中的Windows Media Playe：或其他視頻軟件來播放，從而反映整個部件的裝配過程。

圖2 制造規劃管理系統模型

  三、應用效果與部署情況

圖2所示是內蒙一機制造規劃管理系統的完整應用模型。系統將企業的工藝設計與管理組合成一個有機結構化的數據體系，這些數據完全可以為信息系統和后續的應用系統服務，運用三維數字化定義、三維數字化工藝設計與仿真、三維數字化工藝裝備的設計與制造、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術、三維數字化檢驗檢測技術以及基于結構化的工藝數據，結合產品數據管理系統集成技術的應用，能夠有效地縮短產品研制周期，改善生產現場工作環境，提高產品質量和生產效率，真正買現無二維圖紙、無紙質工作指令的三維數字化集成制造。