浅谈三维数字化设计制造技术应用与趋势

浅谈三维数字化设计制造技术应用与趋势本文在阐述了三维数字化设计制造技术的发展历程基础上，对基于三维数模的产品定义、基于三维数模的产品建模与仿真、基于MBD的数字化工艺设计、基于仿真的三维工艺验证与优化、基于MBD的数字化检测技术等三维数字化设计制造中的关键技术进行了论述，以及企业未来如何成功实施三维设计制造技术。一、工程语言演变1、工程师的语言语言、文字和图形是人们进行交流的主要方式。在工程界，准确表达一个物体的形状的主要工具就是图形，在工程技术中为了正确表示出机器、设备的形状、大小、规格和材料等内容，通常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，这种根据正投影原理、标准或有关规定，表示工程对象，并有必要的技术说明的图就称图样。工程图样是人们表达设计的对象，生产者依据图样了解设计要求并组织、制造产品。这种采用类似工程图样的产品定义方式常被称为工程师的语言。2、工程语言的历史演进2.1第一代工程语言工程定义需要明白和无歧义的表达。中国古代工匠就有采用物理实体模型（如：故宫“样式张”）和二维绘图法表达工程思想的历史。1795年法国科学家加斯帕尔·蒙日（GaspardMonge，1746～1818）系统地提出了以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，工程图便成为工程界常用的定义产品的语言——第一代工程语言。这种工程设计语言的缺陷是显而易见的，设计师在设计新产品时，首先涌现在脑海里的是三维的实体形象而不是平面视图。但为了向制造它的人传递产品的信息，必须将这个活生生的实体通过严格的标准和投影关系变成为复杂的、但为工程界所共识的标准工程图。这当中的浪费不仅是投影图的绘制，还包括了从实体形象向抽象的视图表达方式转换的思维，以及在转换过程中不可避免出现的表达不清和存在歧义。制造工程师、工人在使用这种平面图纸时，又要通过想象恢复它的立体形状，以理解设计意图。这又是一番思维、脑力和时间的浪费。平面图纸的再利用能力几乎没有，定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。有时不是创意而是对平面图形的理解程度，制图技术的好坏往往是能否设计、制造出好的产品的关键。对二维图样的绘制和理解是需要严格的专门训练，要求工程人员有良好的空间想象能力。直到今日画法几何和工程制图仍然是工科大学最重要的必修课之一。二百年来，制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。2.2第二代工程语言２０世纪５０年代后期，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，CAD技术越来越成为工程表达的标准方式，逐渐成为第二代工程语言。二维CAD将手工二维绘图计算机化，人们借助此项技术来摆脱烦琐、费时、精度低的传统手工绘图，从而甩掉了沿用200多年的图板。６０年代初期出现了三维ＣＡＤ系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。进入７０年代，由于飞机和汽车工业的蓬勃发展，飞机及汽车制造过程中遇到大量自由曲面问题，此时，基于三视图方法的多截面视图、特征纬线近似表达所设计自由曲面产生的不完整性，已经不能满足工程要求，大大拖延了产品研发时间。由于贝塞尔算法的提出，使得用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，从而结束了计算机辅助设计技术单纯模仿工程图纸的三视图模式，首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得ＣＡＤ技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统为人类带来了第一次ＣＡＤ技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。由于曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特征，如质量、重心、惯性矩等，从而提出了对实体造型技术的需求。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着ＣＡＤ发展史上的第二次技术革命。2.3第三代工程语言８０年代中期，一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法———参数化特征造型方法开始出现。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了ＣＡＤ发展史上的第三次革命。此时众多ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ软件开发公司群雄逐鹿。８０年代后期到９０年代，ＣＡＤ向系统集成化方向发展，引起了ＣＡＤ发展史上的第四次革命。特别是波音７７７实现了全数字样机，进一步发展了数字化设计制造技术，此后，波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据。至此，基于三维模型定义技术的MBD已经成为第三代工程语言。近10余年，以波音、空客和洛克希德?马丁为代表的飞机制造企业在三维数字化设计制造技术应用方面取得了巨大的成功。波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息(ProductManufacturingInformation，PMI)与三维设计信息共同定义到产品的三维数模型中，摒弃二维图样，直接使用三维标注模型作为制造依据，使工程技术人员从百年来的二维文化（蓝图）中解放出来，实现了产品设计、工艺设计、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同和融合，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式，确保了波音787客机的研制周期和质量。图一：CAD演变历史二、国内CAD应用历程九五”期间CAD应用工程的推广，我国二维CAD的普及取得了明显的效益。进入21世纪，三维CAD应用逐步开始普及，大部分制造企业也都已经从最初的二维CAD制图转向了CAD的三维应用。三、当前企业CAD应用现状通过调查发现，目前，制造企业CAD的应用情况可以概括为以下几类：1、单纯地使用二维CAD绘制图形。这类企业目前已经比较少了，他们所生产的产品一般都非常简单，基本上是三视图连想都不用想就能够直接画出来，比如一些很简单的钣金件生产企业，不需要思考三视图就能直接画出钣金图纸，直接规则折弯，而如果用三维软件建模再转成二维还没有直接使用二维效率高。这类企业往往规模比较小，基本不进行产品的创新设计，只是在原来的基础上做一些设计变更等简单的工作。2、二维为主，三维作为建模工具辅助使用。这类企业依旧比较重视二维CAD的应用，他们运用三维CAD基本上不是源于自身产品研发的需求，虽然在应用三维CAD，但是出发点却不太明确。一般是看着别的企业都在大肆地推进三维的应用，效果还不错，迫于竞争的压力，也上了三维；或是应上游企业的要求，上游企业规定必须用某种三维软件进行产品设计以符合他们的要求；等等。这类企业的工程师在设计过程中，采用二三维CAD混用的模式，使用三维CAD进行产品功能结构设计，工程图还是在原来的二维CAD中进行，存档文件也是采用二维图档，指导后续的加工生产。在这些企业中，二维图纸依旧作为信息传输过程中的重要文件，他们认为传统的方式来指导生产已经够了，不太重视三维的推广和深入应用，这样有可能导致上了三维CAD后，设计效率反而降低。目前，制造业中这种类型的企业占了大多数。3、以三维模型文件为主，二维文件作为辅助工具使用。这类企业在运用三维CAD之初，通过软件供应商、第三方咨询公司或者公司专业技术团队的分析，基本上对公司采用三维CAD的出发点、公司所设计产品的开发过程以及产品开发的特点都比较清楚，对所需求三维CAD的功能特点、通过运用三维CAD想要达到的效果会有比较明确的需求，因此在应用上就会有的放矢，一步步推进。包括在三维推广初期对三维产品设计规范的制定，三维模型的建模要求，三维标准件库的建立，等等。处于这种应用状态的制造企业也占了相当一部分。4、基于MBD的数字化设计制造，即基于模型的数字化定义技术，它将三维制造信息PMI与三维设计信息共同定义到产品三维数字化模型中，使CAD和CAM等实现真正高度集成，使生产制造过程可不再使用二维图纸。这种方式在国外发达航空制造企业已经有成功的应用经验，目前国内航空制造领域的企业也在纷纷地借鉴这种模式。中航工业成飞公司结合数字化制造技术的发展方向，摒弃了传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法，开始采用全数字量传递的协调工作法，并取得了一些阶段性成果。但是，在应用的过程中，他们的三维数模并没有贯穿于整个飞机数字化制造过程中，基于MBD（Model-BasedDesign）技术的产品定义工作尚处于探索阶段。在国内，以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟，MBD的设计、制造和管理规范还有待完善，三维数字化设计制造一体化集成应用体系尚未贯通。5、全三维应用。这是三维CAD应用最理想的状态，是制造企业深化三维CAD应用的方向。通俗来讲，全三维设计就是在建立三维模型时，不仅要包含精确的产品几何模型，还需要包含表示产品尺寸、公差、基准等非几何信息，以满足下游工艺设计和检验设计的要求，替代原二维图样，从而实现取消二维图纸的功能，是MBD技术成熟应用的表现。全三维应用首先体现在产品设计必须是三维，其次设计过程中的数据一定是独立的、稳定的、可管理的、可重用的，模型中包含的数据信息能在工艺、制造环节有效传递，生产制造包括后续的过程都高度自动化，实现数字样机和物理样机中间各个环节的通路。但是，就目前来说，很少有企业实现。一方面，实现全三维，企业需要投入的成本太高，再者，要求企业人员具备较高的素质。目前国内企业应用大多数停留在第一和第二阶段。四、未来三维设计制造技术应用趋势-MBD基于模型的定义（Model-BasedDefinition-MBD）传统的产品定义技术主要以工程图为主，通过专业的绘图反映出产品的几何结构以及制造要求，实现设计和制造信息的共享与传递。基于模型的定义（MBD）以全新的方式定义产品，改变了传统的信息授权模式。它以三维产品模型为核心，将产品设计信息、制造要求共同定义到该数字化模型中，通过对三维产品制造信息和非几何管理信息的定义，实现更高层次的设计制造一体化。MBD是一种超越二维工程图实现产品数字化定义的全新方法，使工程人员摆脱了对二维图样的依赖。MBD是一个管理和技术的体系，并不仅仅是一个带有三维标注的数据模型。MBD使制造信息和设计信息共同定义到三维数字化模型中，使其成为生产制造过程的唯一依据，实现CAD和CAM（加工、装配、测量、检验）的高度集成。ASMEY14.41、BDS600系列等标准是MBD的重要基础，这些标准的制定促进了CAD软件公司参照其开发软件新功能，使MBD的思想得以实现，并很快应用到以波音787为代表的生产实践中。（1）基于三维数模的产品定义在以二维工程图为核心的设计模式下，产品的设计结果以二维工程图的方法表达，二维工程图的绘制遵循我国的国标及各个行业标准。二维工程图通常在PDM系统中以文档的形式进行管理，作为文档附件添加到产品结构树的零部件节点上。在工艺规划、加工仿真、夹具设计等制造阶段，需要通过二维工程图获取设计要求，并根据二维工程图重新建立零部件的三维模型，以实现后续的数控编程、加工仿真。以二维工程图为核心的设计模式实际上是传统的手工绘制工程图的计算机化。由于缺乏模型几何等信息的传递手段，使设计与制造难以实现信息的集成和共享。在以三维模型为核心的设计模式中，产品的所有定义信息都是以三维模型的形式进行表达，尺寸、公差、技术要求、制造要求等，以三维模型的标注、属性等进行表达，形成三维工程图模型，这种设计模式也称为基于模型的定义（MBD：Model-BasedDefinition）技术。三维模型在PDM的统一管理下，进行发布和传递。工艺人员在获取三维模型后，可以根据需要，采用相应的工艺设计、NC编程、加工仿真、虚拟装配等软件，进行工艺的设计和仿真分析。三维模型可以通过模型转换技术，传递到其他应用系统中。在实现以三维模型为核心的产品数字化建模中，需要解决标准规范、建模工具、模型管理等一系列的问题。在以波音为代表的国际航空企业中，已经广泛实现了基于三维模型定义的设计