淺談三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)用與趨勢

1、淺談三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)用與趨勢本文在闡述了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)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(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)字化檢測技術(shù) 等三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，以及企業(yè)未來如何成功實(shí)施三維設(shè)計(jì)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(jìn)行交流的主要方式。在工程界，準(zhǔn)確表達(dá)一個(gè)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(jī)器、設(shè)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(dá)在圖紙上，這種根據(jù)正投影原理、標(biāo) 準(zhǔn)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(dá) 設(shè)計(jì)的對象，生產(chǎn)者依據(jù)圖樣了解設(shè)計(jì)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(jìn)2.1 第一代工程語言工程定義需要明白和無歧義的表達(dá)。中國古代工匠就有采用物理實(shí)體模型(如：故宮“樣 式張”)和二維繪圖法表達(dá)工程思想的歷史。1795年法國科學(xué)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(dá)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(shè)計(jì)語言的缺陷是顯而

3、易見的，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，首先涌現(xiàn)在腦海里的是 三維的實(shí)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(gè)活生 生的實(shí)體通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和投影關(guān)系變成為復(fù)雜的、但為工程界所共識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)工程圖。這 當(dāng)中的浪費(fèi)不僅是投影圖的繪制，還包括了從實(shí)體形象向抽象的視圖表達(dá)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(dá)不清和存在歧義。制造工程師、工人在使用這 種平面圖紙時(shí)，又要通過想象恢復(fù)它的立體形狀，以理解設(shè)計(jì)意圖。這又是一番思維、腦 力和時(shí)間的浪費(fèi)。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(shè)計(jì)人員的個(gè)人 能力。有時(shí)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(shè)

4、計(jì)、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(yán)格的專門訓(xùn)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(xué)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(jià)。2.2 第二代工程語言2 0世紀(jì)5。年代后期，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)屏幕上繪圖變?yōu)榭赡? CAD技術(shù)越來越成為工程表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)方式，逐漸成為第二代工程語言。二維CAD將手工二維繪圖計(jì)算機(jī)化，人們借助此項(xiàng)技術(shù)來擺脫煩瑣、費(fèi)時(shí)、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(dá)基本幾何信息線框系

5、統(tǒng)，不能有效表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系，缺乏形體的表面信息。進(jìn)入7 0年代，由于飛 機(jī)和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，飛機(jī)及汽車制造過程中遇到大量自由曲面問題，止匕時(shí)，基于三 視圖方法的多截面視圖、特征緯線近似表達(dá)所設(shè)計(jì)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(shí)間。由于貝塞爾算法的提出，使得用計(jì)算機(jī)處理曲線 及曲面問題變得可行，從而結(jié)束了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)單純模仿工程圖紙的三視圖模式， 首次實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時(shí)也使得C AD技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實(shí) 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(dá)曲面的落后的工作方式。

6、由于曲面造型技術(shù)只能表達(dá)形體的表面信息，難以準(zhǔn)確表達(dá)零件的其他特征，如質(zhì)量、重 心、慣性矩等，從而提出了對實(shí)體造型技術(shù)的需求。實(shí)體造型技術(shù)能夠精確表達(dá)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(dá)，給設(shè)計(jì)帶來了驚人的 方便性?？梢哉f，實(shí)體造型技術(shù)的普及應(yīng)用標(biāo)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(dòng)設(shè)計(jì)修改的特征?？梢哉J(rèn) 為，參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用主導(dǎo)了CAD發(fā)展史上的第三次革命。此時(shí)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(shí)現(xiàn)了全數(shù)字樣機(jī)，進(jìn)一步 發(fā)展了數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，此后，波音公司在以波音787為代表的新型客機(jī)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(shè)計(jì)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(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(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)人員從百年來的二維文化(藍(lán)圖)中解放出來，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。IJTJwiiig liiucd Surract: JlmedFcalurii Hiiscd Process BulgedKnow led 學(xué)：Ua

9、sed1974198219R81 羽5ZOGO圖一：CAD演變歷史二、 國內(nèi)CAD應(yīng)用歷程九五”期間CAD應(yīng)用工程的推廣，我國二維 CAD的普及取得了明顯的效益。進(jìn)入21世紀(jì)，三維CAD應(yīng)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(yīng)用。當(dāng)前企業(yè)CAD應(yīng)用現(xiàn)狀通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前，制造企業(yè) CAD的應(yīng)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(jìn)行產(chǎn) 品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，只是在原來的基礎(chǔ)上做一些設(shè)計(jì)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(yīng)用，他們運(yùn)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(yīng)用三維CAD,但是出發(fā)點(diǎn)卻不太明確。一般是看著別的企業(yè)都在大肆地推進(jìn)三維的應(yīng)用，效果還不錯(cuò)，迫于競 爭的壓力，也上了三維；或是應(yīng)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(jìn)行 產(chǎn)品設(shè)計(jì)以符合他們的要求；等等。這類企業(yè)的工程師在設(shè)計(jì)過程中，采用二三維CAD混用的模式，使用三維 CAD進(jìn)行產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工程圖還是

11、在原來的二維CAD中進(jìn)行，存檔文件也是采用二維圖檔，指導(dǎo)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(rèn)為傳統(tǒng)的方式來指導(dǎo)生產(chǎn)已經(jīng)夠了，不太重視三維的推廣和深入應(yīng)用，這樣有可能導(dǎo)致上了三維CAD后，設(shè)計(jì)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(yùn)用三維CAD之初，通過軟件供應(yīng)商、第三方咨詢公司或者公司專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的分析，基本上對公司采用 三維CAD的出發(fā)點(diǎn)、公司所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的開發(fā)過程以及產(chǎn)品開發(fā)的特點(diǎn)都比較清楚，對所 需求三維CAD的功能特點(diǎn)、通過運(yùn)用三維 CAD想要達(dá)到的效果會(huì)有比較明確的

12、需求，因 此在應(yīng)用上就會(huì)有的放矢，一步步推進(jìn)。包括在三維推廣初期對三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范的制 定，三維模型的建模要求，三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立，等等。處于這種應(yīng)用狀態(tài)的制造企業(yè)也 占了相當(dāng)一部分。4、基于MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)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(dá)航空制造企業(yè)已經(jīng)有成 功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)用的過 程中，他們的三維數(shù)模并沒有貫穿于整個(gè)飛機(jī)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(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式尚不成熟，MBD的設(shè)計(jì)、制造和管理規(guī)范還有待完善，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系尚未貫通。5、全三維應(yīng)用。這是三維 CAD應(yīng)用最理想的狀態(tài)，是制造企業(yè)深化三維CAD應(yīng)用的方向。通俗來講，全三維設(shè)計(jì)就是在建立三維模型時(shí)，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(zhǔn)等非幾何信息，以滿足下游工藝設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的

14、要求，替代原二維圖樣，從而實(shí)現(xiàn)取消二維圖紙的功能，是MBD技術(shù)成熟應(yīng)用的表現(xiàn)。全三維應(yīng)用首先體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須是三維，其次設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)一定是獨(dú)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(dòng)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)和物理樣機(jī)中間各個(gè)環(huán)節(jié)的通路。但是， 就目前來說，很少有企業(yè)實(shí)現(xiàn)。一方面，實(shí)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(yīng)用大多數(shù)停留在第一和第二階段四、未來三維設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)更高層次的設(shè)計(jì)制 造一體化。MBD是一種超越二維工程圖實(shí)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(gè)管理和技術(shù)的體系，并不僅僅是一個(gè)帶有三維標(biāo)注的數(shù)據(jù)模型。MBD使制造信息和設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) CAD和CAM (加工、裝

16、配、測量、檢驗(yàn))的高度集成。ASMEY14.41、BDS600系列等標(biāo)準(zhǔn)是MBD的重要基礎(chǔ)，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定促進(jìn)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(shí)現(xiàn)，并很快應(yīng)用到以波音787為代表的生產(chǎn)實(shí)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(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的國標(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

17、、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

18、維模型可以通過模型轉(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 的問題。在以波音為代表的國際航空企業(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 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，國際上已經(jīng)建立的三維建模 的標(biāo)準(zhǔn)包括國際標(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(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，國際上各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，如波音公司的BSA600系列標(biāo)準(zhǔn)，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(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。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)過程中考慮后續(xù)制造環(huán)

20、節(jié)的要求，采用設(shè)計(jì)和工藝一體化( IPPDIntegrate Product and Process Development )的設(shè)計(jì)模式，在設(shè)計(jì)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(jì)精度、工序能力等，融入到設(shè)計(jì)建模過程中，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)、面向維彳的設(shè)計(jì)(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(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)展離不開數(shù)字化的產(chǎn)品開發(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)字化開發(fā)系統(tǒng)，再到建立覆蓋整個(gè)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(yīng)用的系統(tǒng)集成平臺(tái)，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(tái)。(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：將接收到的來自設(shè)計(jì)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(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(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

24、、裝配、鉞金、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：針對專業(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，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(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)

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(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)QaEo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

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(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)過程主要依靠典型工藝、樣板工藝、工藝手冊等的復(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(fù)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?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?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

27、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程和成型加工 過程的工藝驗(yàn)證與優(yōu)化。切削加工過程的工藝驗(yàn)證與優(yōu)化，包括用于刀位軌跡和運(yùn)動(dòng)過程 干涉檢測的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及對切削加工特性和加工精度進(jìn)行預(yù)測的動(dòng)態(tài)仿真，目前前者應(yīng)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(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(yàn)證與優(yōu)化的仿真應(yīng)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(yù)測金屬流動(dòng)規(guī)律，如位移場、速度場、應(yīng) 力應(yīng)變場和溫度場，還可預(yù)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(yù)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(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上，還可開展三維工藝檢驗(yàn)技術(shù)研究， 通過三維數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換為測量機(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)模和檢測方案為依據(jù)開發(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)的檢測計(jì)劃和三維檢測模型為依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場自動(dòng)采集產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測數(shù) 據(jù)。企業(yè)如何成功實(shí)施MBD構(gòu)建一個(gè)