基于三维模型的工艺设计应用经验

hottnthot · 发表于 2020-3-31 16:37:00

本文正是基于产品设计的MBD模型，以实现设计、工艺、制造一体化为目标，提出一种三维工艺的解决方案：工序模型来源于设计模型，保证了数据的继承性和来源唯一性；同时工序模型又能被下游的生产系统利用，为智能工厂和数字孪生奠定了基础。
工艺设计是制造型企业的重要生产活动，连接产品设计与制造的桥梁，是影响产品质量的重要因素。传统工艺设计以固定表格模板的工艺卡片形式输出，用文字、符号描述各工序、工步内容及需要的工艺资源并配以二维工序简图。随着三维设计工具在企业的深入应用，以及企业各系统之间集成的需要，传统的工艺设计方式已经不能满足当前的应用要求。
●三维产品设计、二维工艺设计，使得设计数据在工艺环节不能有效继承；
●CAE仿真、CAM数控加工等重要活动，离不开三维工序模型的支持；
●三维工序模型能够节省三维工装设计时间，并支持通过仿真手段检验工装设计的可靠性及合理性；
●传统卡片式的工艺，无法与下游生产系统（如ERP、MES）集成；
●没有模型的支持，无法实现工厂仿真及数字孪生技术应用，智能工厂更无从谈起。
最近几年，国内外软件供应商及制造企业也在不断探索三维工艺的解决方案。达索公司推出的数字化设计与制造软件DELMIA中的DPM-MachiningProcessPlanning模块面向三维机加工艺设计；国内的开目公司也研发三维工艺设计产品——3DAST...通力有限公司基于西门子的工业软件（Teamcenter+NX），结合多年的行业经验形成了自主研发的落地解决方案——UMPP，并在多家企业得到实践应用。本文研究的课题是如何有效利用产品设计的三维模型，在三维环境下开展工艺设计并形成结构化的工艺数据，可供下游生产系统识别与利用。
1三维工艺的实现方式
1.三维工艺实现方法研究
如何有效继承三维产品设计数据，快速构建三维工序模型并形成工艺路线，建立设计与工艺的关联，工序模型又能够被下游的仿真和生产活动识别与利用，是三维工艺研究的重要课题。
MBD产品设计模型包含了零部件属性、几何模型、PMI注释等全部信息。利用特征提取技术，可以在不同的工艺设计阶段提取相关数据。提取产品属性、制造要求等信息，结合企业工艺资源库，工艺知识辅助决策工艺路线；通过NXWAVE技术，基于设计模型构建工序模型；工序模型又能直接用作三维工装设计及数控编程；最终形成的三维结构化工艺，通过系统集成传递到下游的生产系统，并且能够被下游系统识别解析。

图1基于三维设计模型的工艺设计
2.三维机加工艺
三维机加工艺的核心是利用三维工序模型、PMI标注来表达加工过程、技术要求、检验项等。实现基础在于直接利用产品设计的MBD模型进行工艺设计，关联产品、工艺资源、工厂进行工艺的结构化表达。
工序模型来源于设计模型，不需要工艺师重复设计，极大减少工艺师的工作量，并保证了产品的单一数据源。在NX环境中，工序模型可以关联产品设计模型或其他工序模型，通过NXWAVE同步建模技术，对工序模型进行修改，如删除加工特征、增加加工余量等。修改的特征能够根据引用关系在模型间进行传递，工艺设计师可以采用正向（由毛坯到产品）和反向（由产品到毛坯）工序建模方式，方便快速地建立各工序模型。

图2一组工序模型示例
在NX中通过PMI进行各工序加工内容的描述，如加工特征、尺寸公差、技术要求等。对于复杂的工艺可以采用多视图、剖视图的方式进行表达，还可以采用不同颜色来表达工艺内容。

图3工序模型内容
基于MBD构建的工序模型，可以直接用于CAM编程，结合PLM系统的工艺资源库，可以进行加工模拟及机床仿真，提高加工效率及精度。结构化工艺存储方式，与下游的DNC系统集成，可以直接将NC代码传递到生产工位。

图4基于MBD的数控编程
3.三维装配工艺
装配工艺处理的核心信息为MBOM，MBOM又由设计部门提供的EBOM转换而来。工艺师调整EBOM结构，添加必要的工艺虚拟件、辅料等，形成MBOM。

图5MBOM转换
依据MBOM进行装配工艺构建，而装配工艺的工序模型设计方式与机加工艺不同，装配工序模型由该工序的装入件构成。当为工序指派了工序消耗，其工序模型自然就由其下的装入零部件模型组成。

图6装配工序模型
有了具备三维工序模型的装配工艺，就可以开展装配模拟验证、装配过程仿真、人因工程仿真等，能够解决装配干涉问题、装配顺序问题，可以有效评价和验证装配工艺。
4.工艺卡片输出
在三维环境中完成工艺设计后，可以根据企业模板输出各种格式的工艺卡片，在形式上支持传统二维卡片及三维工艺的输出。

图7工艺卡片输出
在三维工艺卡片中，可以进行旋转、剖切、测量等操作，查看三维标注、播放三维动画等。
2典型应用案例
结合通力有限公司多年的技术积累，研发了自主的三维工艺设计产品——UMPP。UMPP以三维化和结构化为核心，基于MBD设计数据进行工艺设计，统一了数据来源，保持了再设计、工艺、制造环境中数据的继承性和关联性；通过系统集成，直接将工艺数据传递到生产现场。目前已经在数家制造企业正式上线应用，支持机加、装配、热表等常规工艺的编制，并取得良好的应用成果。

图8工艺路线规划

图9工序模型设计
3小结
本文探讨了一种三维工艺的实现方式，并且在企业中得到了应用，对其他企业实施和应用三维工艺有一定的参考价值，同时面临如自动识别零部件特征、工艺要求、工艺知识推送、工艺路线自动决策等问题，通力也在不断探索并提供相应解决方案，为更多客户解决行业痛点与困难。