三維數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

吳 昊， 江 潔

（紅河學(xué)院， 云南 蒙自 661199）

引言

在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計制造過程中，主要是通過人工繪制二維圖的模式進(jìn)行零件的設(shè)計、制造、加工，在應(yīng)用過程中存在著效率低、可追溯性差的不足，因此在20 世紀(jì)末，有學(xué)者提出了三維數(shù)字化制造的概念，企圖通過三維設(shè)計、三維虛擬裝配等，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)字化，大幅提升機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計、制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但由于傳統(tǒng)制造模式中不同的階段需要不同類別的指導(dǎo)方案，在制造過程中需要多次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真嚴(yán)重，因此難以進(jìn)行工業(yè)推廣[1]。

隨著我國提出《中國制造2025》行動綱領(lǐng)，進(jìn)一步明確了我國需要由制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的要求，因此數(shù)字化工藝設(shè)計制造技術(shù)再次受到廣泛的關(guān)注。在對整個工藝設(shè)計、制造流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的三維數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)，構(gòu)建了面向三維數(shù)字化工藝設(shè)計的MBD 模型，將傳統(tǒng)的三維-二維-三維的制造指導(dǎo)模式，轉(zhuǎn)換為了三維-二維的制造指導(dǎo)模式，初步搭建了能夠用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的三維數(shù)字化生產(chǎn)體系架構(gòu)，對提升機(jī)械設(shè)計制造的數(shù)字化、智能化水平具有十分重要的意義。

1 三維數(shù)字化制造理論

三維數(shù)字化制造主要是指將三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢驗等各個過程，從而提升產(chǎn)品的設(shè)計、制造效率及產(chǎn)品質(zhì)量。在進(jìn)行三維數(shù)字化制造時需要圍繞“數(shù)字化設(shè)計-數(shù)字化制造”兩個方面進(jìn)行，利用三維及二維集成軟件搭建面向數(shù)字化制造的管理平臺，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品制造的全流程數(shù)字化管控。以產(chǎn)品的數(shù)字化制造為主線，目前其主要的業(yè)務(wù)流程可分為業(yè)務(wù)層、系統(tǒng)層、技術(shù)層、服務(wù)層、制造層及平臺層留個部分，其框架如圖1 所示[2]。

圖1 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

在該數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計體系中，業(yè)務(wù)層是數(shù)字化設(shè)計的核心，需要根據(jù)產(chǎn)品的時間需求來開展產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)規(guī)劃方案，系統(tǒng)層則是根據(jù)業(yè)務(wù)層的需求選擇合適的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計工具，技術(shù)處則是用于開展實(shí)際的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，服務(wù)層是包括信息集成及WEB 服務(wù)[3]，保證各個層級之間數(shù)據(jù)連通的準(zhǔn)確性和可靠性，制造資源層則是用于存儲各類文件及模型庫，便于進(jìn)行更快速的數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計。平臺層主要是用于整個系統(tǒng)的權(quán)限管理、流程管理等，確保系統(tǒng)工作的可靠性。

雖然三維數(shù)字化制造體系具有數(shù)字化程度高、設(shè)計效率高等優(yōu)勢，但由于目前制造業(yè)普遍是“三維+二維工程圖”混合設(shè)計制造模式，在產(chǎn)品設(shè)計的不同階段，需要對產(chǎn)品的二維、三維模式進(jìn)行多次的轉(zhuǎn)換，極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換偏差，影響整個產(chǎn)品制造的精確性，嚴(yán)重限制了三維數(shù)字化制造在機(jī)械制造過程中的應(yīng)用。

2 三維數(shù)字化工藝設(shè)計體系

為了解決傳統(tǒng)三維數(shù)字化設(shè)計所存在的不足，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，本文提出了一種新的三維數(shù)字化工藝設(shè)計體系，以工序MBD 模型驅(qū)動為核心，減少了數(shù)字化工藝設(shè)計層級，并將數(shù)字化加工及數(shù)字化檢測納入到了三維數(shù)字化機(jī)加工藝設(shè)計中。通過集成BOM 管理工具、WEB 管理工具并對數(shù)據(jù)建模方案和三維工藝指令的統(tǒng)一，減少了在圖層轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)據(jù)失真問題，有效提升了三維數(shù)字化設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性，該三維數(shù)字化工藝設(shè)計構(gòu)架如圖2 所示[4]。

圖2 三維數(shù)字化工藝設(shè)計架構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該新的三維數(shù)字化工藝設(shè)計架構(gòu)主要包括了制造資源層、技術(shù)方案層、集成層及管理層四個部分[5]，顯著地壓縮了整體系統(tǒng)的管理層級，且不同層級的模塊化程度和信息化接口程度顯著提升。

1）制造資源層。主要是由使用單位根據(jù)各自的加工能力、加工工藝、及構(gòu)建的MBD 模型，將其存儲在數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器內(nèi)，設(shè)計人員在開展三維數(shù)字化工藝設(shè)計時，能夠直接從制造資源層內(nèi)調(diào)取對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，滿足快速、精確設(shè)計的需求。

2）技術(shù)方案層。主要是包括了設(shè)計單位根據(jù)自身實(shí)際情況所建立的工藝決策方法、工藝優(yōu)化方法、工藝制造流程等，是一個單位技術(shù)設(shè)計和加工能力的積淀，也是實(shí)現(xiàn)工藝決策和優(yōu)化的核心。

3）集成層。主要包含了不同系統(tǒng)和模塊之間的數(shù)據(jù)通信、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換等，保證整個三維數(shù)字化工藝設(shè)計過程中數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

4）管理層。管理層的主要作用是對各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)分析，實(shí)現(xiàn)對三維數(shù)字化工藝設(shè)計過程中各類工藝參數(shù)信息的有效轉(zhuǎn)換和管理，通過基于BOM 的數(shù)據(jù)管理方案，能夠快速的對產(chǎn)品明細(xì)、配件、更改等進(jìn)行全流程監(jiān)測和控制，確保數(shù)據(jù)更新的效率和及時性。

該維數(shù)字化工藝設(shè)計體系通過對數(shù)字化制造工藝過程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化管理，為構(gòu)建全面的數(shù)字化制造管理體系奠定了基礎(chǔ)。

3 工藝路線決策及優(yōu)化

工藝路線決策，是指在明確了各個零件的加工工藝特征混合技術(shù)要求的情況下，按照數(shù)字化工藝設(shè)計的需求建立約束條件[6]，明確在不同階段用于指導(dǎo)生產(chǎn)的圖形類別，將傳統(tǒng)的三維-二維-三維的指導(dǎo)模式，轉(zhuǎn)換為三維-二維的指導(dǎo)模式，在整個產(chǎn)品制造周期內(nèi)只需要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，解決了數(shù)據(jù)反復(fù)轉(zhuǎn)換時的失真問題。同時為了提高數(shù)字化設(shè)計的效率，結(jié)合廠內(nèi)零件加工工藝特性，將典型零件的加工特征進(jìn)行固化，形成標(biāo)準(zhǔn)工序及標(biāo)準(zhǔn)崗位，極大地降低了工序選擇、設(shè)備選擇時的決策時間，提高了數(shù)字化工藝設(shè)計的效率和可靠性。

為了便于工序流程的數(shù)字化定義并提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精確性，構(gòu)建了新的MBD 模型，在模型內(nèi)構(gòu)建了工序信息，并將工藝決策規(guī)則及MBD 模型[7]進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對各個加工單元進(jìn)行劃分，確定最優(yōu)工序生成順序，滿足了數(shù)字化快速決策的需求，該工藝路線決策及優(yōu)化原理如圖3 所示。

圖3 工藝決策及優(yōu)化理論示意圖

4 結(jié)論

針對目前三維數(shù)字化工藝設(shè)計中存在的信息流程不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)傳遞不一致、過于依賴人工經(jīng)驗的難題，提出了一種新的三維數(shù)字化工藝設(shè)計新模式，構(gòu)建了面向三維數(shù)字化工藝設(shè)計模型，對三維數(shù)字化設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）數(shù)字化工藝設(shè)計體系通過對數(shù)字化制造工藝過程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化管理，為構(gòu)建全面的數(shù)字化制造管理體系奠定了基礎(chǔ)。

2）新的MBD 模型，實(shí)現(xiàn)了整個產(chǎn)品制造周期內(nèi)只需要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，解決了數(shù)據(jù)反復(fù)轉(zhuǎn)換時的失真問題。