三维数字化设计制造推动产品研制模式变革！

2017-02-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

前言

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(Product Manufacturing Information,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。

随着三维数字化设计与制造技术在国内外军工行业的应用,使传统设计与制造流程发生了重大变革。传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替,三维数模已经取代二维图纸,成为军工产品研制的唯一制造依据。需要特别指出的是,产品的制造过程是直接利用产品的基于模型数字化定义数据来驱动的,即产品的零部件加工和生产用工装制造,直到产品的装配设备,都可直接根据基于模型定义MBD数据进行,体现了数字化技术与其他先进技术的融合。这样基本上没有中间的数据传递环节,消除了形状和尺寸的传递误差,即所谓装配过程中实现了“零误差”,保证制造出高质量的军工产品。

一、三维数字化设计制造技术是目前军工企业应对挑战的突破口

飞机、卫星、潜艇、火箭、导弹和装甲车辆等复杂军工产品客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂等特点,其研制周期长且一般采用单件或小批生产模式,以上特点导致难以保障复杂产品的合格率。例如卫星总装,其即使在产品零件全部合格的情况下,也很难保证装配后产品的合格率,往往需要经过多次试装、拆卸、返工才能装配出合格产品。

军工产品的高度复杂性,导致军工产品设计效率和质量一直是是困扰军工企业的最大难题。多年以来,我国军工产品设计方法和设计手段发展慢,产品设计还主要依靠实物验证,工艺设计主要依靠试切试装,既耽误周期又耗费经费。“十一五”以来,军工企业普遍面临产品的技术要求越来越严格、产品结构越来越复杂、研制任务越来越繁重,但研制周期越来越短的现状。传统的以产品蓝图(二维图纸)为核心的设计制造模式已经不能应对当前的挑战,常导致设计问题和工艺问题在产品研制阶段不能充分暴露,后移至批生产阶段,造成批生产阶段产品制造质量问题频发,制造周期延长。

因此,产品设计能否减少实物验证,工艺设计能否减少试切试装,大量采用数字化的实验验证手段,大幅提升新产品的研制能力,是国内军工行业需要通过数字化手段进行变革的共同领域。以三维模型为核心的信息传递、工艺设计与制造模式与传统的以二维图纸为核心的模式完全不同,并且具有很多技术优势,如设计制造等环节以三维模型为核心并行开展工作,工艺人员可直观理解设计意图,将设计模型转为制造过程的工艺模型加以应用,并通过工艺过程仿真工具进行工艺验证和工艺参数优化,从而提高产品研制质量和效率。

在国际上相关的计算机软件系统发展非常迅速,在计算机上实现仿真验证也非常普遍,比如设计领域的结构分析、热分析、电磁分析等等,工艺领域的铸造仿真、焊接仿真、钣金仿真、装配仿真等等都有很强大的软件工具,军工行业迫切需要借助计算机实现设计效率和设计质量的大幅提升。但是,传统的二维图只有工程人员能够看懂,计算机看不懂,而计算机和工程人员都能看懂的就是三维。所以,要想借助信息化与数字化的浪潮实现腾飞,就必须实现三维数字化设计制造。

二、三维数字化设计制造技术的内涵

三维数字化设计制造是在产品开发的整个过程中有效利用数字化三维模型的建模技术、仿真优化技术、信息与过程集成等技术来提高产品开发决策的能力和水平,加速产品开发过程、降低成本的系统开发技术和方法。三维数字化设计制造技术的核心,是基于三维模型的设计进行早期分析仿真与验证,及早发现设计问题并减少设计更改,从而在最短的时间内使产品完成加工装配并满足设计性能。三维数字化设计制造技术的主要支撑手段,是通过建模和仿真工具,以实现最好的产品性能设计、工程分析和制造。

三维数字化设计制造主要包括三维数字化设计和三维数字化工艺。三维数字化设计就是在计算机辅助下,通过产品的三维数字模型全面模拟产品的设计、分析、验证等全过程。

三维数字化设计的应用,可以大大提高企业的产品开发(设计)能力,缩短产品研制(设计)周期,降低产品研发(设计)成本,实现最佳设计效果。传统的产品设计是基于实物模型试验验证为主的产品设计方法。其主要流程为:实验模型设计→试验模型制造与试验→符合工程要求后再进行产品的设计制造。三维数字化设计是基于数值模拟与性能预测的产品设计方法。其主要流程为:初步设计→数值模拟试验→修改设计。这种设计方法的指导思想是采用基于模型的设计进行早期验证,判断产品是否合格,不断修改设计直到满意为止。

三维数字化设计技术是三维数字化设计制造中优先得到发展的技术,目前我国许多军工企业基本实现了三维产品设计,但是制造环节仍以二维图纸作为依据,设计与制造之间的信息传递基本维持在将三维产品模型转换成二维图纸后,进入工艺设计、制造与现场装配等环节。

三维数字化工艺设计是指在计算机辅助下,基于产品的三维数字模型全面开展产品工艺过程的模拟仿真,辅助工艺设计人员确定出合理的、可行的工艺文件的过程。三维数字化工艺设计的难点在于从制造角度出发,如何充分利用三维模型信息完整性的特点支撑产品工艺、加工、检验和装配过程,有效提高产品工艺设计的效率和质量,并保证产品制造过程技术状态的一致性。

三维数字化工艺设计一方面要解决传统的靠经验的工艺设计方法向科学的工艺设计方法的转变,即传统的工艺设计主要是依靠经验传承,主要是以师傅带徒弟的方式实现的,而实现了三维数字化设计之后,工艺设计需要从经验传承向基于建模和仿真的科学设计的飞跃;另一方面要解决传统的二维装配工艺卡片向基于三维的工艺规程的转变,由于取消了传统的二维图纸(蓝图),工艺规程要借助三维模型向操作工人和检验人员传达设计意图,同时要借助三维模型提出工艺要求,这无论从技术上、管理上、习惯上、还是思想观念上都是一个巨大的挑战。

三、三维数字化设计制造中的关键问题

三维数字化设计制造使产品信息的描述和在各环节之间的传递,从传统模拟的、二维平面的模式向三维模式转变,被称为制造工程史上的一次重大革命。它避免了大量的三维二维转换工作,避免了大量的必须靠实物进行判别、评估和确认的工作。它可以预先精确的定义、模拟和优化产品,提前发现可能出现的错误,从而大大缩短研制周期、降低成本。在这个过程中,基于三维数模的产品定义是一切工作的源头,是要首先予以解决的问题。在解决了基于三维数模的产品定义之后,工艺制造等环节可以以三维模型为核心并行开展工作,工艺人员可直观理解设计意图,将设计模型转为制造过程的工艺模型加以应用,从而达到大幅提升产品设计能力(包括工艺设计)的目的。

三维数字化设计制造中的关键技术包括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。

(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-Based Definition)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和制造。其中一项重要的工作是建立三维模型为核心的产品数字化定义的标准规范,包括建模过程、属性信息定义、模型标注、模型检查等标准规范。目前,国际上已经建立的三维建模的标准包括国际标准化组织的ISO 16792《技术产品文件——数字化产品定义数据实施规程》、美国ASME Y14.41《数字化产品定义数据实施规程》以及我国的GBT24734《数字化产品定义数据通则》等。这些标准规范为针对以三维模型为核心的数据集定义、三维模型完整性要求、模型标注、三维模型的表达要求等进行了规范,可以用于指导企业的实践。但是由于各个行业产品的差异性,以及三维软件工具的差异性,国际上各个行业、企业还针对自身的产品、软件工具、管理要求等,建立了一系列行业和企业标准,如波音公司的BSD—600系列标准,对采用MBD技术的三维模型定义、各类零件建模要求、装配建模和模型检查等具体要求进行了规定。波音的标准不仅要在公司内部执行,同时所有参与波音产品的供应商也需要遵照波音的规范,进行产品模型的定义。

三维模型是在三维CAD软件中完成创建的,根据设计建模规范需要在CAD模型中完成几何建模、尺寸公差标注、技术要求定义、基本属性信息定义,同时定义装配关系,形成产品装配清单(BOM)。目前在军工行业中应用的主流CAD系统包括了PTC公司的Pro/E、西门子UGS公司的UG-NX、达索公司的CATIA等,在一些企业还使用了Solid Edge、CAXA等其他软件系统。在以三维工程图模型表达为目的的设计中,现有的三维CAD系统在建模、标注、属性定义等基本功能上都能够满足工程应用的要求,只是在使用方式、易用性上有一些差异。但是,为了实现规范性的建模,保证三维模型在数据集定义、建模方法、尺寸及公差标注、技术要求标注等方面符合企业内部的标准和规范,保证模型可以在后续的工艺设计、制造仿真、制造执行中得到全面的应用,需要在CAD软件的基本功能上进行专门的配置或者定制开发。

同时,在三维数字化设计制造中,为了实现设计制造的集成以及并行工程的实现,需要在设计过程中考虑后续制造环节的要求,采用设计和工艺一体化(IPPD—Integrate Product and Process Development)的设计模式,在设计过程中将制造过程的各种要求和约束,包括加工能力、经济精度、工序能力等,融入到设计建模过程中,采用有效的建模和分析手段,保证设计结果可以方便、经济地制造。这种设计模式称为面向制造与装配的设计(DFMA—Design for Manufacture and Assembly)。根据制造过程中不同的工艺方法,DFMA可以分为面向加工的设计(DFM)、面向装配的设计(DFA)、面向检验的设计(DFT)、面向维修的设计(DFS)等。

(2)基于三维数模的产品建模与仿真技术

在产品三维数字模型并行定义阶段,可以全面使用结构分析、热分析、电磁分析等数字化产品开发工具软件,大幅提升设计分析的效率和质量,取消实物验证,使产品研制能力产生质的飞跃。

三维数字化设计技术的发展离不开数字化的产品开发工具,从建立单个的数字化辅助工具,到多工具的集成,从建立工程专业领域的数字化开发系统,再到建立覆盖整个产品开发过程的数字化产品开发体系,形成整体的数字化产品开发能力,都需要各种建模与仿真工具的支持,这些工具包括两类:1)具体技术类工具,直接用于产品的建模与仿真分析,如NASTRAN、ANSYS等CAE分析软件;2)产品开发过程应用的系统集成平台,用以组织和管理开发流程、工具软件、数据和自他资源,如Windchill、TeamCenter等PDM软件平台。

同时,军工产品研制过程要涉及多个学科领域,应用大量不同的信息模型和数据模型,各个模型间在交互和共享过程中存在的复杂性问题已成为影响总体设计周期和设计方案的合理性的主要问题之一。目前国内外企业已经充分认识到协同设计和仿真平台的重要性,形成了一些多学科协同设计与仿真集成平台的软件。这些软件包括MSC公司的MSC.SimManager以及ANSYS公司的Workbench等。

(3)基于MBD的数字化工艺设计

基于MBD的数字化工艺设计是指,工艺设计人员接收产品设计部门签发的产品结构(BOM)、三维模型、技术要求等信息后,根据这些信息进行三维工艺设计,并对设计结果进行三维仿真验证,最后编制成三维工艺规程供操作工人和检验人员使用。

三维工艺设计涉及的主要内容包括三维设计模型转换、三维工艺过程建模、结构化工艺设计、基于MBD的工装设计、三维工艺仿真验证与标准资源库建立等,并最终形成基于数模的工艺规程MBI。

三维设计模型转换:将接收到的来自设计部门的三维模型转换为制造环节需要的模型格式,这部分工作一方面包括由于设计制造单位所使用的三维CAD软件不同或者软件版本不一致导致需要进行模型转换,另一方面包括将设计的三维模型转换为制造环节需要的轻量化模型,例如将Pro/E的.prt模型转换为.pvz轻量化模型。

三维工艺过程建模:建立产品制造过程中包括毛坯在内的中间工序的三维模型(包括模型标注),以满足工装设计、工艺参数设计和数控编程等工艺设计活动的需要。

结构化工艺设计:实现从设计BOM到工艺BOM,乃至工艺全要素的完整定义。

基于MBD的工装设计:充分利用三维模型实现工装的快速设计,通过仿真提高工装设计质量。

三维工艺仿真验证:充分利用三维模型进行机加、装配、钣金、铸造等多专业的工艺仿真与验证,获得最优的工艺参数。

标准资源库:针对专业特点建立包括工装、材料、设备、标准在内的资源库,辅助工艺编制。

三维工艺设计最终形成基于数模的工艺规程MBI。目前有人认为基于数模的工艺规程必须是以三维为主的无纸化的工艺规程,也有人片面地把三维工艺过程仿真理解为三维工艺。工艺规程是由工艺员向操作工人、检验员等转达设计意图并提出工艺要求的文件。传统的工艺规程是在标准表格上基于设计下发的二维工程图(蓝图)提出工艺要求,工艺规程必须和二维工程图一起交给操作者和检验员才能进行加工制造。实现三维数字化设计以后,二维工程图取消了,设计下发的是三维模型,需要将设计下发的三维模型转换为轻量化模型后与工艺规程一起下发。三维工艺规程是一种以文字信息、三维模型、图片、动画等多媒体信息组成的多维工艺文档,其以三维形式为主还是以文字信息为主应依据由工艺的专业类型(有的加工专业不适合三维形式表达)和当前的计算机信息技术应用水平决定。

采用三维数字化工艺设计手段有助于实现与产品设计并行的三维工艺设计和分析,提前发现可能的设计缺陷,保证研制质量,缩短研制周期。三维数字化工艺设计不仅可直观地为加工制造过程的操作提供多维工艺文档,更重要的是,三维数字化工艺设计可为生产制造执行过程提供完整的结构化工艺信息。

(4)基于仿真的三维工艺验证与优化

实施三维数字化工艺设计不仅仅是用三维工艺规程取代传统的表格式工艺规程,而是要彻底改变落后的工艺设计模式,要采用先进的工艺设计理念、方法和工具,最终达到大幅提升工艺设计能力的目的。为此,三维工艺验证和工艺参数优化工作是一个很重要的环节。

传统的工艺设计过程主要依靠典型工艺、样板工艺、工艺手册等的复制修改,缺少先进的验证手段,机械加工一般都是依靠试切试装来确定工艺方案的合理性,周期长、成本高、一经确定很难改变。例如,工艺员一般先复制相似产品的工艺方案,接着查工艺手册修改相关参数,然后申请试验件验证方案的可行性和合理性,再昂贵的零件也要申请试验件进行试加工。最重要的是,传统的工艺设计方法严重限制了工艺人员的创新性,工艺师的主要工作其实是文字编辑。

三维工艺验证与优化涉及加工、装配等专业,加工又主要包括切削加工过程和成型加工过程的工艺验证与优化。切削加工过程的工艺验证与优化,包括用于刀位轨迹和运动过程干涉检测的运动学仿真及对切削加工特性和加工精度进行预测的动态仿真,目前前者应用较多,而后者则需要针对不同的切削加工方法,如车、铣、钻、镗、磨等建立由相应的机床、刀具、工装组成的切削系统的动力学模型及误差分析模型,并需要大量的切削试验研究相配合。通过基于切削过程仿真的切削参数数据库的研究发现:仿真和优化技术是快速获取优化切削参数的最佳途径。目前成型工艺验证与优化的仿真应用也日益增加,例如通过基于非线性有限元的数值模拟不仅可以全面预测金属流动规律,如位移场、速度场、应力应变场和温度场,还可预测成型缺陷的产生和演化过程。美国Northrop公司通过对钣金件成型的模拟,可预测回弹量、撕裂、起皱等缺陷,使废品率减少95%,周期缩短78%。

导管弯曲成型过程是一种复杂成型加工过程。数控弯管机是一种先进的管材弯曲加工设备,与切削类数控加工设备的刀位轨迹仿真不同,导管弯曲成型过程中不正确的加工程序不仅会影响弯曲的质量和效率,而且不断变化的导管形状还会导致设备的干涉甚至危及人身的安全,所以随着目前产品轻量化的发展、导管装填密度的提高及成型精度的提高,对数控弯管加工过程的仿真的需求日益迫切。图1所示的为北京理工大学自主开发的数控弯管加工过程仿真系统(TBS),它提供的功能包括弯管机床的几何建模和运动学建模、模夹具选取与定义、机床配置定义与调整、导管毛坯建模和装载、碰撞和干涉检验、导管动态造型等。在数控弯管加工过程中,由于导管的成型过程是一个形状不断变化的动态过程,如果针对每一条NC指令都重新生成导管实体,势必造成系统运算速度降低,考虑实际加工中只是当前的弯曲段做变形运动,而已成型部分仅做位置上的变换,所以可以把整个导管表示成直段和弯曲段的集合以及它们之间相互位置的变换,当然还要考虑回弹因素对位置变换矩阵的影响。

三维数字化设计制造推动产品研制模式变革！manufacturing图片1

图1 数控导管加工过程仿真

三维装配工艺验证与优化也是近年来得到迅猛发展的技术,通过该技术不仅可以发现产品设计上存在的装配干涉,并对零部件的装配顺序、装配路径和工夹具的使用进行验证,而且随着近几年技术的发展,还可以对装配误差累计的分析、装配顺序和零件制造误差对装配方案的影响进行分析和预测。图2为北京理工大学自主开发的柔性线缆插头插装过程仿真软件界面。法国的Delmia DPM软件也是典型的装配工艺仿真软件。

三维数字化设计制造推动产品研制模式变革！manufacturing图片2

图2 线缆接头插装过程仿真

(5)基于MBD的数字化检测技术

在基于MBD的产品数字样机和工艺数字样机的基础上,还可开展三维工艺检验技术研究,通过三维数字图形转换为测量机等数字化设备能够识别的数字信息的技术方法,并以基于MBD的三维设计数模、工艺数模和检测方案为依据开发检验数据计算程序,建立基于MBD的三维检验数模,并与产品数字样机和工艺数字样机一起纳入PDM系统进行管理。与此同时,以PDM系统的检测计划和三维检测模型为依据,可实现生产现场自动采集产品检验检测数据。

四、结束语

先进的三维数字化设计制造技术已经成为国外军工产品研制不可或缺的手段,并推动了军工产品研制模式发生重大变革。实施三维数字化设计制造不仅仅是用三维模型取代大量的二维三维转换,而是要通过设计与工艺协同以及大量的建模与仿真技术,达到大幅提升产品设计和工艺设计能力的目的。目前在国内企业实施三维数字化设计制造技术过程中,有些企业把三维装配工艺仿真理解为三维装配工艺,有的企业过于强调三维模型下车间、强调三维工艺必须是以三维为主的工艺规程,没有认识到三维数字化设计制造技术带来的研制模式和研制流程的变革,以及三维数字化设计制造技术带来的从传统的经验为主的设计模式向基于建模和仿真的科学设计模式的转变。

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