三維數字化設計制造推動產品研制模式變革！

2017-02-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

前言

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在三維數字化設計制造技術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,將三維產品制造信息(Product Manufacturing Information,PMI)與三維設計信息共同定義到產品的三維數模型中,摒棄二維圖樣,直接使用三維標注模型作為制造依據,使工程技術人員從百年來的二維文化(藍圖)中解放出來,實現了產品設計、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、協同和融合,建立了三維數字化設計制造一體化集成應用體系,開創了飛機數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量。

隨著三維數字化設計與制造技術在國內外軍工行業的應用,使傳統設計與制造流程發生了重大變革。傳統的以數字量為主、模擬量為輔的協調工作法開始被全數字量傳遞的協調工作法代替,三維數模已經取代二維圖紙,成為軍工產品研制的唯一制造依據。需要特別指出的是,產品的制造過程是直接利用產品的基于模型數字化定義數據來驅動的,即產品的零部件加工和生產用工裝制造,直到產品的裝配設備,都可直接根據基于模型定義MBD數據進行,體現了數字化技術與其他先進技術的融合。這樣基本上沒有中間的數據傳遞環節,消除了形狀和尺寸的傳遞誤差,即所謂裝配過程中實現了“零誤差”,保證制造出高質量的軍工產品。

一、三維數字化設計制造技術是目前軍工企業應對挑戰的突破口

飛機、衛星、潛艇、火箭、導彈和裝甲車輛等復雜軍工產品客戶需求復雜、產品組成復雜、產品技術復雜、制造過程復雜、項目管理復雜等特點,其研制周期長且一般采用單件或小批生產模式,以上特點導致難以保障復雜產品的合格率。例如衛星總裝,其即使在產品零件全部合格的情況下,也很難保證裝配后產品的合格率,往往需要經過多次試裝、拆卸、返工才能裝配出合格產品。

軍工產品的高度復雜性,導致軍工產品設計效率和質量一直是是困擾軍工企業的最大難題。多年以來,我國軍工產品設計方法和設計手段發展慢,產品設計還主要依靠實物驗證,工藝設計主要依靠試切試裝,既耽誤周期又耗費經費。“十一五”以來,軍工企業普遍面臨產品的技術要求越來越嚴格、產品結構越來越復雜、研制任務越來越繁重,但研制周期越來越短的現狀。傳統的以產品藍圖(二維圖紙)為核心的設計制造模式已經不能應對當前的挑戰,常導致設計問題和工藝問題在產品研制階段不能充分暴露,后移至批生產階段,造成批生產階段產品制造質量問題頻發,制造周期延長。

因此,產品設計能否減少實物驗證,工藝設計能否減少試切試裝,大量采用數字化的實驗驗證手段,大幅提升新產品的研制能力,是國內軍工行業需要通過數字化手段進行變革的共同領域。以三維模型為核心的信息傳遞、工藝設計與制造模式與傳統的以二維圖紙為核心的模式完全不同,并且具有很多技術優勢,如設計制造等環節以三維模型為核心并行開展工作,工藝人員可直觀理解設計意圖,將設計模型轉為制造過程的工藝模型加以應用,并通過工藝過程仿真工具進行工藝驗證和工藝參數優化,從而提高產品研制質量和效率。

在國際上相關的計算機軟件系統發展非常迅速,在計算機上實現仿真驗證也非常普遍,比如設計領域的結構分析、熱分析、電磁分析等等,工藝領域的鑄造仿真、焊接仿真、鈑金仿真、裝配仿真等等都有很強大的軟件工具,軍工行業迫切需要借助計算機實現設計效率和設計質量的大幅提升。但是,傳統的二維圖只有工程人員能夠看懂,計算機看不懂,而計算機和工程人員都能看懂的就是三維。所以,要想借助信息化與數字化的浪潮實現騰飛,就必須實現三維數字化設計制造。

二、三維數字化設計制造技術的內涵

三維數字化設計制造是在產品開發的整個過程中有效利用數字化三維模型的建模技術、仿真優化技術、信息與過程集成等技術來提高產品開發決策的能力和水平,加速產品開發過程、降低成本的系統開發技術和方法。三維數字化設計制造技術的核心,是基于三維模型的設計進行早期分析仿真與驗證,及早發現設計問題并減少設計更改,從而在最短的時間內使產品完成加工裝配并滿足設計性能。三維數字化設計制造技術的主要支撐手段,是通過建模和仿真工具,以實現最好的產品性能設計、工程分析和制造。

三維數字化設計制造主要包括三維數字化設計和三維數字化工藝。三維數字化設計就是在計算機輔助下,通過產品的三維數字模型全面模擬產品的設計、分析、驗證等全過程。

三維數字化設計的應用,可以大大提高企業的產品開發(設計)能力,縮短產品研制(設計)周期,降低產品研發(設計)成本,實現最佳設計效果。傳統的產品設計是基于實物模型試驗驗證為主的產品設計方法。其主要流程為:實驗模型設計→試驗模型制造與試驗→符合工程要求后再進行產品的設計制造。三維數字化設計是基于數值模擬與性能預測的產品設計方法。其主要流程為:初步設計→數值模擬試驗→修改設計。這種設計方法的指導思想是采用基于模型的設計進行早期驗證,判斷產品是否合格,不斷修改設計直到滿意為止。

三維數字化設計技術是三維數字化設計制造中優先得到發展的技術,目前我國許多軍工企業基本實現了三維產品設計,但是制造環節仍以二維圖紙作為依據,設計與制造之間的信息傳遞基本維持在將三維產品模型轉換成二維圖紙后,進入工藝設計、制造與現場裝配等環節。

三維數字化工藝設計是指在計算機輔助下,基于產品的三維數字模型全面開展產品工藝過程的模擬仿真,輔助工藝設計人員確定出合理的、可行的工藝文件的過程。三維數字化工藝設計的難點在于從制造角度出發,如何充分利用三維模型信息完整性的特點支撐產品工藝、加工、檢驗和裝配過程,有效提高產品工藝設計的效率和質量,并保證產品制造過程技術狀態的一致性。

三維數字化工藝設計一方面要解決傳統的靠經驗的工藝設計方法向科學的工藝設計方法的轉變,即傳統的工藝設計主要是依靠經驗傳承,主要是以師傅帶徒弟的方式實現的,而實現了三維數字化設計之后,工藝設計需要從經驗傳承向基于建模和仿真的科學設計的飛躍;另一方面要解決傳統的二維裝配工藝卡片向基于三維的工藝規程的轉變,由于取消了傳統的二維圖紙(藍圖),工藝規程要借助三維模型向操作工人和檢驗人員傳達設計意圖,同時要借助三維模型提出工藝要求,這無論從技術上、管理上、習慣上、還是思想觀念上都是一個巨大的挑戰。

三、三維數字化設計制造中的關鍵問題

三維數字化設計制造使產品信息的描述和在各環節之間的傳遞,從傳統模擬的、二維平面的模式向三維模式轉變,被稱為制造工程史上的一次重大革命。它避免了大量的三維二維轉換工作,避免了大量的必須靠實物進行判別、評估和確認的工作。它可以預先精確的定義、模擬和優化產品,提前發現可能出現的錯誤,從而大大縮短研制周期、降低成本。在這個過程中,基于三維數模的產品定義是一切工作的源頭,是要首先予以解決的問題。在解決了基于三維數模的產品定義之后,工藝制造等環節可以以三維模型為核心并行開展工作,工藝人員可直觀理解設計意圖,將設計模型轉為制造過程的工藝模型加以應用,從而達到大幅提升產品設計能力(包括工藝設計)的目的。

三維數字化設計制造中的關鍵技術包括基于三維數模的產品定義、基于三維數模的產品建模與仿真、基于MBD的數字化工藝設計、基于仿真的三維工藝驗證與優化、基于MBD的數字化檢測技術等。

(1)基于三維數模的產品定義

在以二維工程圖為核心的設計模式下,產品的設計結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標準。二維工程圖通常在PDM系統中以文檔的形式進行管理,作為文檔附件添加到產品結構樹的零部件節點上。在工藝規劃、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,并根據二維工程圖重新建立零部件的三維模型,以實現后續的數控編程、加工仿真。以二維工程圖為核心的設計模式實際上是傳統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信息的集成和共享。

在以三維模型為核心的設計模式中,產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。三維模型在PDM的統一管理下,進行發布和傳遞。工藝人員在獲取三維模型后,可以根據需要,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。三維模型可以通過模型轉換技術,傳遞到其他應用系統中。在實現以三維模型為核心的產品數字化建模中,需要解決標準規范、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中,已經廣泛實現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品數字化定義的標準規范,包括建模過程、屬性信息定義、模型標注、模型檢查等標準規范。目前,國際上已經建立的三維建模的標準包括國際標準化組織的ISO 16792《技術產品文件——數字化產品定義數據實施規程》、美國ASME Y14.41《數字化產品定義數據實施規程》以及我國的GBT24734《數字化產品定義數據通則》等。這些標準規范為針對以三維模型為核心的數據集定義、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范,可以用于指導企業的實踐。但是由于各個行業產品的差異性,以及三維軟件工具的差異性,國際上各個行業、企業還針對自身的產品、軟件工具、管理要求等,建立了一系列行業和企業標準,如波音公司的BSD—600系列標準,對采用MBD技術的三維模型定義、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定。波音的標準不僅要在公司內部執行,同時所有參與波音產品的供應商也需要遵照波音的規范,進行產品模型的定義。

三維模型是在三維CAD軟件中完成創建的,根據設計建模規范需要在CAD模型中完成幾何建模、尺寸公差標注、技術要求定義、基本屬性信息定義,同時定義裝配關系,形成產品裝配清單(BOM)。目前在軍工行業中應用的主流CAD系統包括了PTC公司的Pro/E、西門子UGS公司的UG-NX、達索公司的CATIA等,在一些企業還使用了Solid Edge、CAXA等其他軟件系統。在以三維工程圖模型表達為目的的設計中,現有的三維CAD系統在建模、標注、屬性定義等基本功能上都能夠滿足工程應用的要求,只是在使用方式、易用性上有一些差異。但是,為了實現規范性的建模,保證三維模型在數據集定義、建模方法、尺寸及公差標注、技術要求標注等方面符合企業內部的標準和規范,保證模型可以在后續的工藝設計、制造仿真、制造執行中得到全面的應用,需要在CAD軟件的基本功能上進行專門的配置或者定制開發。

同時,在三維數字化設計制造中,為了實現設計制造的集成以及并行工程的實現,需要在設計過程中考慮后續制造環節的要求,采用設計和工藝一體化(IPPD—Integrate 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,保證設計結果可以方便、經濟地制造。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)、面向維修的設計(DFS)等。

(2)基于三維數模的產品建模與仿真技術

在產品三維數字模型并行定義階段,可以全面使用結構分析、熱分析、電磁分析等數字化產品開發工具軟件,大幅提升設計分析的效率和質量,取消實物驗證,使產品研制能力產生質的飛躍。

三維數字化設計技術的發展離不開數字化的產品開發工具,從建立單個的數字化輔助工具,到多工具的集成,從建立工程專業領域的數字化開發系統,再到建立覆蓋整個產品開發過程的數字化產品開發體系,形成整體的數字化產品開發能力,都需要各種建模與仿真工具的支持,這些工具包括兩類:1)具體技術類工具,直接用于產品的建模與仿真分析,如NASTRAN、ANSYS等CAE分析軟件;2)產品開發過程應用的系統集成平臺,用以組織和管理開發流程、工具軟件、數據和自他資源,如Windchill、TeamCenter等PDM軟件平臺。

同時,軍工產品研制過程要涉及多個學科領域,應用大量不同的信息模型和數據模型,各個模型間在交互和共享過程中存在的復雜性問題已成為影響總體設計周期和設計方案的合理性的主要問題之一。目前國內外企業已經充分認識到協同設計和仿真平臺的重要性,形成了一些多學科協同設計與仿真集成平臺的軟件。這些軟件包括MSC公司的MSC.SimManager以及ANSYS公司的Workbench等。

(3)基于MBD的數字化工藝設計

基于MBD的數字化工藝設計是指,工藝設計人員接收產品設計部門簽發的產品結構(BOM)、三維模型、技術要求等信息后,根據這些信息進行三維工藝設計,并對設計結果進行三維仿真驗證,最后編制成三維工藝規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容包括三維設計模型轉換、三維工藝過程建模、結構化工藝設計、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,并最終形成基于數模的工藝規程MBI。

三維設計模型轉換:將接收到的來自設計部門的三維模型轉換為制造環節需要的模型格式,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換,另一方面包括將設計的三維模型轉換為制造環節需要的輕量化模型,例如將Pro/E的.prt模型轉換為.pvz輕量化模型。

三維工藝過程建模:建立產品制造過程中包括毛坯在內的中間工序的三維模型(包括模型標注),以滿足工裝設計、工藝參數設計和數控編程等工藝設計活動的需要。

結構化工藝設計:實現從設計BOM到工藝BOM,乃至工藝全要素的完整定義。

基于MBD的工裝設計:充分利用三維模型實現工裝的快速設計,通過仿真提高工裝設計質量。

三維工藝仿真驗證:充分利用三維模型進行機加、裝配、鈑金、鑄造等多專業的工藝仿真與驗證,獲得最優的工藝參數。

標準資源庫:針對專業特點建立包括工裝、材料、設備、標準在內的資源庫,輔助工藝編制。

三維工藝設計最終形成基于數模的工藝規程MBI。目前有人認為基于數模的工藝規程必須是以三維為主的無紙化的工藝規程,也有人片面地把三維工藝過程仿真理解為三維工藝。工藝規程是由工藝員向操作工人、檢驗員等轉達設計意圖并提出工藝要求的文件。傳統的工藝規程是在標準表格上基于設計下發的二維工程圖(藍圖)提出工藝要求,工藝規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。實現三維數字化設計以后,二維工程圖取消了,設計下發的是三維模型,需要將設計下發的三維模型轉換為輕量化模型后與工藝規程一起下發。三維工藝規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由工藝的專業類型(有的加工專業不適合三維形式表達)和當前的計算機信息技術應用水平決定。

采用三維數字化工藝設計手段有助于實現與產品設計并行的三維工藝設計和分析,提前發現可能的設計缺陷,保證研制質量,縮短研制周期。三維數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,三維數字化工藝設計可為生產制造執行過程提供完整的結構化工藝信息。

(4)基于仿真的三維工藝驗證與優化

實施三維數字化工藝設計不僅僅是用三維工藝規程取代傳統的表格式工藝規程,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優化工作是一個很重要的環節。

傳統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、一經確定很難改變。例如,工藝員一般先復制相似產品的工藝方案,接著查工藝手冊修改相關參數,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,傳統的工藝設計方法嚴重限制了工藝人員的創新性,工藝師的主要工作其實是文字編輯。

三維工藝驗證與優化涉及加工、裝配等專業,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化。切削加工過程的工藝驗證與優化,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、銑、鉆、鏜、磨等建立由相應的機床、刀具、工裝組成的切削系統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數據庫的研究發現:仿真和優化技術是快速獲取優化切削參數的最佳途徑。目前成型工藝驗證與優化的仿真應用也日益增加,例如通過基于非線性有限元的數值模擬不僅可以全面預測金屬流動規律,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生和演化過程。美國Northrop公司通過對鈑金件成型的模擬,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%。

導管彎曲成型過程是一種復雜成型加工過程。數控彎管機是一種先進的管材彎曲加工設備,與切削類數控加工設備的刀位軌跡仿真不同,導管彎曲成型過程中不正確的加工程序不僅會影響彎曲的質量和效率,而且不斷變化的導管形狀還會導致設備的干涉甚至危及人身的安全,所以隨著目前產品輕量化的發展、導管裝填密度的提高及成型精度的提高,對數控彎管加工過程的仿真的需求日益迫切。圖1所示的為北京理工大學自主開發的數控彎管加工過程仿真系統(TBS),它提供的功能包括彎管機床的幾何建模和運動學建模、模夾具選取與定義、機床配置定義與調整、導管毛坯建模和裝載、碰撞和干涉檢驗、導管動態造型等。在數控彎管加工過程中,由于導管的成型過程是一個形狀不斷變化的動態過程,如果針對每一條NC指令都重新生成導管實體,勢必造成系統運算速度降低,考慮實際加工中只是當前的彎曲段做變形運動,而已成型部分僅做位置上的變換,所以可以把整個導管表示成直段和彎曲段的集合以及它們之間相互位置的變換,當然還要考慮回彈因素對位置變換矩陣的影響。

三維數字化設計制造推動產品研制模式變革！manufacturing圖片1

圖1 數控導管加工過程仿真

三維裝配工藝驗證與優化也是近年來得到迅猛發展的技術,通過該技術不僅可以發現產品設計上存在的裝配干涉,并對零部件的裝配順序、裝配路徑和工夾具的使用進行驗證,而且隨著近幾年技術的發展,還可以對裝配誤差累計的分析、裝配順序和零件制造誤差對裝配方案的影響進行分析和預測。圖2為北京理工大學自主開發的柔性線纜插頭插裝過程仿真軟件界面。法國的Delmia DPM軟件也是典型的裝配工藝仿真軟件。

三維數字化設計制造推動產品研制模式變革！manufacturing圖片2

圖2 線纜接頭插裝過程仿真

(5)基于MBD的數字化檢測技術

在基于MBD的產品數字樣機和工藝數字樣機的基礎上,還可開展三維工藝檢驗技術研究,通過三維數字圖形轉換為測量機等數字化設備能夠識別的數字信息的技術方法,并以基于MBD的三維設計數模、工藝數模和檢測方案為依據開發檢驗數據計算程序,建立基于MBD的三維檢驗數模,并與產品數字樣機和工藝數字樣機一起納入PDM系統進行管理。與此同時,以PDM系統的檢測計劃和三維檢測模型為依據,可實現生產現場自動采集產品檢驗檢測數據。

四、結束語

先進的三維數字化設計制造技術已經成為國外軍工產品研制不可或缺的手段,并推動了軍工產品研制模式發生重大變革。實施三維數字化設計制造不僅僅是用三維模型取代大量的二維三維轉換,而是要通過設計與工藝協同以及大量的建模與仿真技術,達到大幅提升產品設計和工藝設計能力的目的。目前在國內企業實施三維數字化設計制造技術過程中,有些企業把三維裝配工藝仿真理解為三維裝配工藝,有的企業過于強調三維模型下車間、強調三維工藝必須是以三維為主的工藝規程,沒有認識到三維數字化設計制造技術帶來的研制模式和研制流程的變革,以及三維數字化設計制造技術帶來的從傳統的經驗為主的設計模式向基于建模和仿真的科學設計模式的轉變。

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