基于達索3D體驗平台的(de)數字化(huà)制造解決方案探討(tǎo)

Writer： 華星信息技術 更新時(shí)間：2020-03-27 13:22

1、引言
随著(zhe)信息技術的(de)發展，三維建模、數字樣機技術日益成熟。以三維數字化(huà)爲基礎的(de)現代設計制造技術正在改變著(zhe)傳統的(de)産品研制方式，并行設計制造一體化(huà)的(de)模式正在形成。在全球化(huà)背景下(xià)，企業競争加劇，客戶多(duō)樣性需求不斷增強，以往“重設計、輕工藝”的(de)傳統企業需要逐步建立和(hé)完善統一的(de)協同設計和(hé)管理(lǐ)平台，應對(duì)全球化(huà)的(de)挑戰。

在傳統的(de)研發流程中，由于缺乏統一的(de)平台，産品設計和(hé)工藝設計大(dà)都采用(yòng)串行的(de)工作模式，産生大(dà)量的(de)重複叠代的(de)過程。達索3D體驗平台能夠爲企業管理(lǐ)人(rén)員(yuán)、設計人(rén)員(yuán)、制造人(rén)員(yuán)、服務人(rén)員(yuán)、供應商等不同角色用(yòng)戶提供單一數據源、三維數據共享和(hé)并行的(de)協同設計環境。本文主要結合達索3D體驗平台提供的(de)一系列結構化(huà)、可(kě)視化(huà)的(de)專業工具軟件和(hé)信息管理(lǐ)平台的(de)功能應用(yòng)，對(duì)協同設計過程中的(de)工藝規劃、工藝設計、工藝仿真、工藝管理(lǐ)過程解決方案進行探討(tǎo)。

2、基于3D體驗的(de)數字化(huà)制造業務流程

數字化(huà)制造是圍繞著(zhe)産品的(de)全生命周期開展的(de)活動，設計部門開展産品結構和(hé)功能設計的(de)同時(shí)，工藝部門始終要關注産品“能否制造”和(hé)“如何制造”的(de)問題。如下(xià)圖1所示，基于達索3D體驗協同平台的(de)産品研發的(de)過程中，産品設計和(hé)工藝設計可(kě)以分(fēn)别創建爲獨立的(de)子項目進行管理(lǐ)，貫穿在研發周期的(de)不同階段。

圖1.  基于3D體驗的(de)數字化(huà)制造業務流程

基于3D體驗平台的(de)數字化(huà)制造業務流程可(kě)以概括爲以下(xià)幾個(gè)步驟：
1) 項目啓動，在項目主計劃之下(xià)分(fēn)别創建産品設計和(hé)工藝設計子計劃；
2) 設計師從3D體驗平台接收到任務後開始相關設計，當設計達到一定成熟度，可(kě)爲下(xià)遊工藝和(hé)性能分(fēn)析提供依據時(shí)，将設計數據預發放，工藝人(rén)員(yuán)、分(fēn)析工程師可(kě)以在協同平台上浏覽設計數據；
3) 工藝部門根據設計預發放的(de)數據進行工藝評估，包括工藝規範性檢查、工藝風險評估、是否采用(yòng)新工藝以及工裝初步方案等；在工藝評估過程中如發現任何問題或者風險，工藝工程師可(kě)通(tōng)過協同平台與設計工程師進行在線交流，對(duì)于需要進行跟蹤的(de)問題，可(kě)以在協同平台中創建、跟蹤、反饋問題及相關解決方案；
4) 工藝部門從3D體驗協同平台中獲取經過設計評審和(hé)工藝會簽後正式發布的(de)設計數據，包括三維模型和(hé)EBOM數據，在3D體驗平台環境中開展工藝規劃，根據EBOM和(hé)三維模型創建PBOM，編制系統工藝路線；
5) 工藝部門根據産品系統工藝路線，同步創建與之相關聯的(de)系統工藝設計任務WBS，明(míng)确各專業任務分(fēn)工；各專業工藝主管接到工藝任務後，進一步進行工藝分(fēn)工，将專業工藝設計任務分(fēn)配到具體的(de)工藝人(rén)員(yuán)進行專業工藝的(de)編制；
6) 工藝工程師接收到系統分(fēn)配的(de)任務，展開與之關聯的(de)工藝任務，進行詳細的(de)工藝設計，工藝評審，編制工藝文檔并發放到制造現場(chǎng)；
在協同設計的(de)過程中，工藝設計任務的(de)發放、審批流程、工程更改策略等根據實際的(de)業務需求可(kě)以在3D體驗平台中集中管理(lǐ)。


3、3D體驗數字化(huà)制造關鍵技術

3.1 3D體驗統一的(de)實時(shí)協同平台
達索3D體驗平台全面整合了(le)CATIA/DELMIA/ENOVIA等軟件産品，形成了(le)統一的(de)設計過程數據源、統一的(de)設計視圖、并行的(de)實時(shí)協同平台。如圖2所示，分(fēn)散在不同地域的(de)企業管理(lǐ)人(rén)員(yuán)、設計人(rén)員(yuán)、制造人(rén)員(yuán)、服務人(rén)員(yuán)、供應商等不同角色用(yòng)戶都能夠共享單一數據源和(hé)并行的(de)協同設計環境。
圖2.  3D體驗統一的(de)實時(shí)協同平台


3.2 3D體驗的(de)PPR模型
在3D體驗統一的(de)設計視圖環境中，不同的(de)用(yòng)戶角色和(hé)操作都會對(duì)應管理(lǐ)相應的(de)數據模型，設計工程師管理(lǐ)的(de)是反映産品裝配位置關系和(hé)三維幾何特征的(de)數據模型“Product（産品）”，也(yě)就是裝配和(hé)零件的(de)集合；如下(xià)圖3 所示工藝設計人(rén)員(yuán)管理(lǐ)的(de)PPR數據模型，模型不僅包含“Product（産品）”數據節點，還(hái)包含工藝規劃過程的(de)“Process（工藝）”節點和(hé)制造相關的(de)“Logical/Physical Resource（資源）”節點。

3D體驗 PPR數據模型的(de)組織結構使得(de)工藝工程師能夠和(hé)設計工程師在統一的(de)視圖環境中構建工藝相關的(de)數據節點，而不會對(duì)産品數據造成影(yǐng)響，然後再将産品和(hé)工藝的(de)節點進行内部關聯，開展詳細工藝設計。PPR數據模型中構建的(de)所有工藝和(hé)資源節點，如制造裝配（Manufacturing Assembly）、工序操作（Loading Operation）都作爲标準數據對(duì)象，可(kě)以在3D體驗平台中獨立保存、查找和(hé)加載。
圖3.  3D體驗的(de)PPR模型


3.3 基于MBD技術的(de)全三維設計-工藝-制造協同
MBD（Model-Based-Definition，基于模型的(de)工程定義）技術改變了(le)傳統的(de)通(tōng)過三維模型描述幾何形狀信息，用(yòng)二維工程圖紙來(lái)定義零件尺寸、公差和(hé)工藝信息的(de)分(fēn)步産品數字化(huà)定義方法；MBD技術将三維模型作爲信息的(de)唯一載體，産品的(de)設計、工藝、制造、檢驗等都将在三維環境下(xià)完成，它的(de)優勢可(kě)以體現在：
a)提供單源産品定義，消除3D和(hé)2D圖紙間存在的(de)不一緻的(de)潛在風險；
b)減少下(xià)遊人(rén)員(yuán)（工藝、制造、市場(chǎng)、服務等）對(duì)模型的(de)理(lǐ)解時(shí)間和(hé)偏差；
c)和(hé)CAD工具配合使用(yòng)可(kě)以規範、自動化(huà)數據集的(de)輸入，并進行公差分(fēn)析；
d)可(kě)以在産品開發流程的(de)早期獲取設計意圖，極大(dà)地支持并行工程。
如下(xià)圖4所示，MBD技術在裝配和(hé)機加工藝過程中的(de)應用(yòng)實例：
圖4. MBD技術在裝配和(hé)機加工藝應用(yòng)示例


3.4 3D體驗制造資源庫和(hé)工藝模闆庫
Catalog（庫）作爲工藝協同設計平台重要的(de)組成部分(fēn)，除包含标準機器人(rén)庫、人(rén)體姿态庫等常用(yòng)資源庫之外，還(hái)能夠方便創建和(hé)管理(lǐ)多(duō)種類型對(duì)象的(de)庫文件，從而實現知識和(hé)經驗的(de)積累，加速工藝設計過程；工藝路線模闆和(hé)加工特征模闆對(duì)同一類型或具有相似加工特征的(de)零部件，建立典型工藝路線模闆和(hé)特征模闆，如圖5所示，工藝設計過程中實現快(kuài)速調用(yòng)；
圖5.  典型工藝模闆
4、3D體驗數字化(huà)制造解決方案及案例說明(míng)

如前文所述，工藝部門從3D體驗協同平台中獲取到經過設計評審和(hé)工藝會簽後正式發布的(de)三維模型和(hé)EBOM數據，在3D體驗環境中開展工藝規劃和(hé)設計。如下(xià)圖6所示，裝配工藝人(rén)員(yuán)首先根據産品的(de)工藝屬性，在EBOM和(hé)三維模型的(de)基礎上進行BOM重構：去除虛拟件、增加工藝組件，定義零部件的(de)裝配順序、操作工步的(de)内容，分(fēn)配場(chǎng)地或者工位資源，增加工藝物(wù)料等信息，BOM重構的(de)過程包含了(le)PBOM、工藝路線和(hé)MBOM的(de)形成。對(duì)于單個(gè)零件，加工工藝路線可(kě)能需要包含毛坯材料準備、熱(rè)處理(lǐ)、數控加工等多(duō)道工序步驟，工藝人(rén)員(yuán)可(kě)以根據任務分(fēn)工，細化(huà)相關的(de)工藝節點。 圖6.  3D體驗工藝設計和(hé)規劃解決方案

在工藝設計和(hé)規劃的(de)基礎上，工藝人(rén)員(yuán)繼續開展工藝仿真、工時(shí)分(fēn)析、線平衡等工作。接下(xià)來(lái)，本章(zhāng)将對(duì)3D體驗數字化(huà)制造裝配工藝流程舉例說明(míng)。

4.1 根據EBOM和(hé)3D數模進行BOM重構，創建初始MBOM（或稱之爲PBOM）

工藝人(rén)員(yuán)在DELMIA窗(chuāng)口中搜索和(hé)加載産品的(de)EBOM和(hé)3D數模（NX、Creo等其它3D CAD軟件創建的(de)三維裝配和(hé)零件模型可(kě)以通(tōng)過達索3D體驗數據轉換接口直接讀入），根據零部件工藝屬性創建工藝組/合件，然後通(tōng)過零件分(fēn)配工具或手工拖拽的(de)方式将零件分(fēn)配到對(duì)應的(de)工藝組件中，如下(xià)圖7所示，形成3D可(kě)視化(huà)裝配工藝結構樹，PPR數據模型樹中EBOM和(hé)初始MBOM并列。

圖7.  3D體驗初始MBOM創建


4.2 創建和(hé)編輯工藝路線
EBOM重構形成了(le)初始的(de)MBOM，工藝人(rén)員(yuán)結合企業内部制造場(chǎng)地（site）和(hé)工位資源（station）的(de)分(fēn)布情況，将制造組件和(hé)零部件分(fēn)别分(fēn)配到對(duì)應的(de)場(chǎng)地資源上去；如下(xià)圖8所示，将其中的(de)一個(gè)裝配組件分(fēn)配到兩個(gè)site上進行分(fēn)裝和(hé)總成，形成了(le)産品的(de)裝配工藝路線；對(duì)于零件加工工藝路線，可(kě)以在工藝分(fēn)工之後進一步細化(huà)，如材料準備、熱(rè)處理(lǐ)、數控加工等工序步驟。此處的(de)Site是Logical對(duì)象，在PPR數據模型中代表物(wù)理(lǐ)場(chǎng)地和(hé)工位。
圖8.  3D體驗工藝路線編輯

4.3 分(fēn)發和(hé)接收工藝任務
産品的(de)裝配工藝路線在3D體驗平台中定義完成之後，還(hái)需要将不同專業的(de)工作分(fēn)配到專門的(de)工程師負責，并能夠監控工藝的(de)進展情況；在此可(kě)以将DELMIA創建的(de)工藝路線自動轉換爲項目WBS任務，同時(shí)，工藝任務和(hé)負責人(rén)等屬性都自動與WBS關聯；如下(xià)圖9所示，在ENOVIA窗(chuāng)口中可(kě)以分(fēn)發和(hé)監控任務的(de)完成進度，當用(yòng)戶登錄接收到通(tōng)知系統時(shí)，可(kě)以查看自己的(de)任務節點。 圖9.  3D體驗工藝任務分(fēn)發和(hé)管理(lǐ)

4.4 詳細工藝設計和(hé)仿真驗證
工藝人(rén)員(yuán)接收到任務，在DELMIA窗(chuāng)口中加載相關的(de)産品數模和(hé)工序信息，估算(suàn)工時(shí)并完成負載平衡分(fēn)析，然後可(kě)以調入工裝和(hé)夾具三維數模，仿真驗證各零部件的(de)裝配路徑，确定産品裝配工藝順序，如下(xià)圖10所示。
圖10.  3D體驗裝配工藝仿真驗證


4.5 文檔工藝輸出
如下(xià)圖11所示，針對(duì)工序步驟的(de)每一步操作，工藝人(rén)員(yuán)可(kě)以在DELMIA窗(chuāng)口添加工序說明(míng)、技術附圖、文檔，現場(chǎng)需要采集的(de)工藝數據、交驗要求等信息，通(tōng)過定制模闆格式輸出當前步驟的(de)3D作業指導。對(duì)于熱(rè)處理(lǐ)和(hé)材料準備等二維工藝卡片，也(yě)可(kě)以根據格式要求定制輸出。
圖11.  3D體驗工藝文檔輸出


4.6 工藝設計審批
如下(xià)圖12所示，3D體驗平台項目工藝任務WBS節點可(kě)以關聯工藝任務和(hé)工藝文檔等交付件，當工藝人(rén)員(yuán)完成所負責的(de)工藝任務後，包括詳細工藝設計産生的(de)PPR模型文件和(hé)作業指導等工藝文檔都以交付物(wù)的(de)形式關聯到任務節點，通(tōng)過進行審批和(hé)發放流程來(lái)提升PPR模型及工藝文檔的(de)生命周期狀态；當所有相關交付件審批完成後，工藝任務也(yě)提升爲“完成”狀态。
圖12.  3D體驗工藝任務審批


5、結束語

在并行設計制造一體化(huà)的(de)背景下(xià)，企業需要建立跨越時(shí)間和(hé)空間的(de)數字化(huà)協同平台，讓分(fēn)布的(de)設計和(hé)制造團隊共享協同工作模式，利用(yòng)數字化(huà)平台實現企業内部和(hé)企業之間不同區(qū)域多(duō)個(gè)開發小組之間的(de)分(fēn)工協作，不同廠家、外部合作夥伴之間的(de)協作。達索3D體驗數字化(huà)協同平台的(de)推廣應用(yòng)正在逐步開展，希望能有更多(duō)的(de)用(yòng)戶來(lái)挖掘深層次的(de)價值。