三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)內(nèi)涵及關(guān)鍵問(wèn)題

劉檢華，孫連勝，張 旭，劉少麗

（1．北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2．北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)都在探索一種自然（便于理解）、準(zhǔn)確、高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造等信息的表達(dá)方法，以支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工、裝配和維修等產(chǎn)品全生命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)定義和傳遞。基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了一種有效的途徑。MBD技術(shù)是指將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的數(shù)字化定義方法［1］。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在MBD技術(shù)的研究方面取得了很多成果，Alemanni［2］研究了基于MBD的產(chǎn)品全生命周期管理解決方案，并在某航天器結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行了驗(yàn)證。Quintana［3］分析了在產(chǎn)品全生命周期中運(yùn)用MBD技術(shù)所面臨的問(wèn)題，提出解決措施并總結(jié)了制造過(guò)程中運(yùn)用MBD技術(shù)的優(yōu)越性。北京航空航天大學(xué)周秋忠等［4］給出了 MBD技術(shù)的內(nèi)涵，并建立了基于MBD的三維數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用體系。張魁等［5］結(jié)合我國(guó)對(duì)波音787飛機(jī)的轉(zhuǎn)包生產(chǎn)，給出了基于MBD制造技術(shù)體系的飛機(jī)裝配工藝數(shù)據(jù)的集成方式，并提出了控制數(shù)據(jù)一致性的實(shí)現(xiàn)方法。成飛的余志強(qiáng)等［6］研究了基于MBD的三維數(shù)字化定義、三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真、三維數(shù)字化工藝裝備的設(shè)計(jì)與制造、基于輕量化模型的裝配過(guò)程可視化技術(shù)、三維數(shù)字化檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)以及基于MBD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)二維圖紙、無(wú)紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，并指出MBD技術(shù)的深入應(yīng)用必將推動(dòng)我國(guó)飛機(jī)制造業(yè)的迅猛發(fā)展。

隨著MBD技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了基于模型的制造（Model Based Manufacturing，MBM）、基于模型的維修保障（Model Based Support，MBS）以及基于模型的企業(yè)（Model Based Enterprise，MBE）等概念。美國(guó)于2005在下一代制造技術(shù)計(jì)劃（Next Generation Manufacturing Technologies Initiative，NGMTI）中，將基于模型的企業(yè) MBE列為振興美國(guó)國(guó)防制造業(yè)和美國(guó)制造業(yè)的六大領(lǐng)域技術(shù)之首，并發(fā)布了MBE的計(jì)劃路線報(bào)告。MBE技術(shù)是在MBD技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其核心思想是通過(guò)使用模型來(lái)定義、執(zhí)行、控制和管理一切企業(yè)流程，通過(guò)應(yīng)用基于科學(xué)的仿真和分析工具在產(chǎn)品生命周期的每個(gè)環(huán)節(jié)輔助決策，從而快速減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)、制造和支持的時(shí)間和成本。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，MBD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為：①集成化、全數(shù)字化的面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)制造集成系統(tǒng)，將逐漸取代單一功能的系統(tǒng)，CAx/DFx等系統(tǒng)的功能逐漸融合，設(shè)計(jì)制造集成度將更高，其集成應(yīng)用將從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造擴(kuò)展到維修保障等產(chǎn)品全生命周期；②專業(yè)化的建模與仿真方法及工具將深入發(fā)展并廣泛應(yīng)用，采用建模和仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期的信息進(jìn)行精確、全面的定義，利用模型來(lái)定義、執(zhí)行、控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造及維護(hù)等全部技術(shù)和業(yè)務(wù)流程，從根本上減少產(chǎn)品研發(fā)制造的時(shí)間和成本。

近10余年，以波音、空客和洛克希德·馬丁為代表的飛機(jī)制造企業(yè)在基于MBD的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的應(yīng)用方面也取得了巨大的成功。在以波音787為代表的新型客機(jī)研制過(guò)程中，波音公司摒棄二維工程圖，建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系，全面采用MBD技術(shù)，并直接使用三維模型作為制造依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、零件加工、裝配與檢測(cè)的高度信息集成、并行協(xié)同和融合，開(kāi)創(chuàng)了飛機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的嶄新模式，從而大幅度提高了產(chǎn)品研制能力，確保波音787客機(jī)的研制周期和質(zhì)量［6］。

隨著基于MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展及其在國(guó)內(nèi)外軍工行業(yè)的應(yīng)用，使得產(chǎn)品研制中的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造流程發(fā)生了重大變革。傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、以模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開(kāi)始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，三維數(shù)模已經(jīng)取代二維工程圖紙，成為產(chǎn)品研制的唯一制造依據(jù)［7］。需要特別指出的是，采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)后，產(chǎn)品的制造過(guò)程是直接利用產(chǎn)品的基于模型數(shù)字化定義數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，即產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、零部件加工、裝配與檢測(cè)，都直接根據(jù)MBD數(shù)據(jù)進(jìn)行，從而消除了產(chǎn)品研制中“模擬量傳遞”所帶來(lái)的形狀和尺寸的傳遞誤差，也避免了傳統(tǒng)的“三維設(shè)計(jì)模型→二維紙質(zhì)圖紙→三維工藝模型”研制過(guò)程中信息傳遞鏈條的斷裂，既提高了研制效率，又保證了研制質(zhì)量。

國(guó)外先進(jìn)企業(yè)基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造實(shí)現(xiàn)了研制模式的變革，國(guó)內(nèi)也在積極探索三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的應(yīng)用，尤其是近幾年國(guó)內(nèi)航空企業(yè)在新型飛機(jī)研制過(guò)程中大量采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，取得了令人矚目的成績(jī)。但從總體上看，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造目前在國(guó)內(nèi)仍未在諸如飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等復(fù)雜產(chǎn)品上從設(shè)計(jì)、制造到交付的全過(guò)程實(shí)現(xiàn)，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成為飛機(jī)、火箭等復(fù)雜產(chǎn)品研制的主要手段和研制模式變革的主要?jiǎng)恿ΑＭ瑫r(shí)，目前在國(guó)內(nèi)企業(yè)實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的過(guò)程中，有些企業(yè)把三維工藝仿真片面理解為三維工藝，對(duì)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)內(nèi)涵的把握不準(zhǔn)確，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)的研制模式和研制流程的變革，以及三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)的從“傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)模式”向“基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)模式”的轉(zhuǎn)變。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先從系統(tǒng)的角度闡述了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的內(nèi)涵，在此基礎(chǔ)上對(duì)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，最后分析總結(jié)了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)給軍工企業(yè)研制模式帶來(lái)的重大變革，并給出了目前我國(guó)軍工企業(yè)實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的建議。

1 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是目前軍工企業(yè)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的突破口

飛機(jī)、衛(wèi)星、潛艇、火箭、導(dǎo)彈和裝甲車輛等復(fù)雜軍工產(chǎn)品，具有組成復(fù)雜、技術(shù)復(fù)雜、制造過(guò)程復(fù)雜、項(xiàng)目協(xié)作單位多管理復(fù)雜等特點(diǎn)，其研制周期長(zhǎng)且一般采用單件或小批生產(chǎn)模式，產(chǎn)品研制過(guò)程中需要進(jìn)行反復(fù)裝調(diào)。例如衛(wèi)星總裝，即使在產(chǎn)品零件全部合格的情況下，也很難保證裝配后產(chǎn)品的合格率，往往需要經(jīng)過(guò)多次試裝、拆卸、返工才能裝配出合格產(chǎn)品［8］。

軍工產(chǎn)品的高度復(fù)雜性使得提高軍工產(chǎn)品的研制效率并保障研制質(zhì)量，一直是困擾軍工企業(yè)的最大難題。多年來(lái)，我國(guó)軍工產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段發(fā)展慢，產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要靠實(shí)物驗(yàn)證，工藝設(shè)計(jì)主要靠試切試裝，既耽誤周期又耗費(fèi)經(jīng)費(fèi)。近10年來(lái)，我國(guó)軍工企業(yè)普遍面臨產(chǎn)品的技術(shù)要求越來(lái)越嚴(yán)格、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、研制任務(wù)越來(lái)越繁重但研制周期越來(lái)越短的現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的以二維工程圖為核心的設(shè)計(jì)制造模式已經(jīng)不能應(yīng)對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn)，常導(dǎo)致設(shè)計(jì)問(wèn)題和工藝問(wèn)題在產(chǎn)品研制階段不能充分暴露，后移至批生產(chǎn)階段，造成批生產(chǎn)階段產(chǎn)品制造質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，制造周期延長(zhǎng)。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)能否減少實(shí)物驗(yàn)證，工藝設(shè)計(jì)能否減少試切試裝，產(chǎn)品研制和批產(chǎn)階段能否減少設(shè)計(jì)更改和工藝更改的數(shù)量，一直是工程技術(shù)人員努力的方向之一。

另一方面，目前國(guó)外相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證也非常普遍，例如設(shè)計(jì)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析等，以及工藝領(lǐng)域的鑄造仿真、焊接仿真、鈑金仿真、裝配仿真等都有很強(qiáng)大的軟件工具，軍工行業(yè)迫切需要借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的大幅提升。但是，傳統(tǒng)的二維圖只有工程人員能夠看懂，計(jì)算機(jī)看不懂，而計(jì)算機(jī)和工程人員都能看懂的就是三維數(shù)模［9］。因此，要想借助信息化與數(shù)字化的浪潮實(shí)現(xiàn)騰飛，就必須實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)通過(guò)大量采用數(shù)字化建模、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段，可大幅提升新產(chǎn)品的研制能力，是國(guó)內(nèi)軍工行業(yè)實(shí)現(xiàn)研制能力變革的支撐點(diǎn)和突破口。以三維模型為核心的信息表達(dá)及傳遞的設(shè)計(jì)制造模式與傳統(tǒng)的以二維圖紙為核心的設(shè)計(jì)制造模式不同，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式具有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)以三維模型為核心并行開(kāi)展工作，工藝人員可直觀理解設(shè)計(jì)意圖，將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為制造過(guò)程的工藝模型加以應(yīng)用，同時(shí)通過(guò)工藝過(guò)程仿真工具進(jìn)行工藝驗(yàn)證和工藝參數(shù)優(yōu)化，從而大大提高產(chǎn)品研制效率和質(zhì)量。

2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的內(nèi)涵

數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)內(nèi)涵十分廣泛，從“大制造”的角度來(lái)看，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是一種廣義概念，指將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造以及管理等產(chǎn)品全生命周期中，以達(dá)到提高制造效率和質(zhì)量、降低制造成本、實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)的目的所涉及的一系列活動(dòng)的總稱。一般包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化加工、數(shù)字化裝配、數(shù)字化檢測(cè)、數(shù)字化工廠及數(shù)字化管理等。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的重要組成部分，指工程技術(shù)人員在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以三維模型為核心實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)及維修等一體化應(yīng)用，并通過(guò)基于三維模型的數(shù)字化建模與仿真、信息與過(guò)程集成等技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)決策的能力和水平，獲得提高產(chǎn)品研發(fā)效率和保障研發(fā)質(zhì)量的相關(guān)技術(shù)及方法。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的核心，是基于三維模型進(jìn)行早期分析仿真與驗(yàn)證，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題并減少更改，從而在最短時(shí)間內(nèi)使產(chǎn)品完成加工裝配并滿足設(shè)計(jì)性能。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的主要支撐手段有：①以基于三維模型的“唯一數(shù)據(jù)源”為核心，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制過(guò)程中全過(guò)程的“零誤差”信息傳遞和全過(guò)程的并行及協(xié)同；②通過(guò)基于三維模型的數(shù)字化建模和仿真工具，以實(shí)現(xiàn)最好的產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、工程分析和制造。建模與仿真技術(shù)體現(xiàn)了機(jī)械工程的科學(xué)性，美國(guó)在2010年及其以后的美國(guó)國(guó)防制造業(yè)計(jì)劃中，將基于建模和仿真的設(shè)計(jì)工具列為優(yōu)先發(fā)展的四種重點(diǎn)能力之一。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造主要包括三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、三維數(shù)字化工藝和三維數(shù)字化檢測(cè)等。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)指工程技術(shù)人員以三維模型為核心來(lái)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的各項(xiàng)工作，如零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程分析等，以達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的目的。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是基于物理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證為主的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，其主要流程為：物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)→物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭圃炫c試驗(yàn)→修改設(shè)計(jì)→產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是借助三維數(shù)字樣機(jī)來(lái)部分或全部取代物理樣機(jī)的方法，是一種基于數(shù)值模擬與性能仿真預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)方法，其主要流程為：三維數(shù)字樣機(jī)建?！鷶?shù)值模擬仿真與試驗(yàn)→修改設(shè)計(jì)→產(chǎn)品制造［10］。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)思想是采用“基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)”進(jìn)行早期驗(yàn)證，判斷產(chǎn)品是否滿足功能要求，并不斷迭代修改設(shè)計(jì)直到滿意為止。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中優(yōu)先得到發(fā)展的技術(shù)，目前我國(guó)許多軍工企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但是制造環(huán)節(jié)仍以二維工程圖作為依據(jù)，設(shè)計(jì)與制造之間的信息傳遞基本維持在將三維產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換成二維工程圖后，進(jìn)入工藝設(shè)計(jì)、制造與現(xiàn)場(chǎng)裝配等環(huán)節(jié)。

三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)是指工程技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)輔助下，基于產(chǎn)品的三維數(shù)字模型全面開(kāi)展產(chǎn)品工藝過(guò)程的模擬仿真，從而輔助工藝設(shè)計(jì)人員確定出合理的工藝規(guī)程的過(guò)程。三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于從制造角度出發(fā)，如何充分利用產(chǎn)品三維模型信息支撐產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)和裝配過(guò)程，有效提高產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)一方面要解決傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)的工藝設(shè)計(jì)方法向科學(xué)的工藝設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變，即傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)傳承，主要是以師傅帶徒弟的方式實(shí)現(xiàn)的，而實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)之后，工藝設(shè)計(jì)需要從經(jīng)驗(yàn)傳承向基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)的飛躍；另一方面要解決傳統(tǒng)二維裝配工藝卡片向基于三維的工藝規(guī)程的轉(zhuǎn)變，由于取消了傳統(tǒng)的二維工程圖（藍(lán)圖），工藝規(guī)程要借助三維模型向操作工人和檢驗(yàn)人員傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖，同時(shí)要借助三維模型提出工藝要求，這無(wú)論在技術(shù)上、管理上、習(xí)慣上還是思想觀念上，都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

3 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵問(wèn)題

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)模擬的和二維的模式向數(shù)字的和三維的模式的轉(zhuǎn)變，被稱為制造工程史上的一次重大革命。它避免了大量的二、三維間的轉(zhuǎn)換工作，避免了大量的必須靠實(shí)物進(jìn)行判別、評(píng)估和確認(rèn)的工作。它可以通過(guò)預(yù)先精確的定義、模擬和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的每個(gè)環(huán)節(jié)輔助決策，并提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，從而縮短研制周期并保障研制質(zhì)量。在這個(gè)過(guò)程中，基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義是一切工作的源頭，是需要首先解決的問(wèn)題。在解決了基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義后，工藝制造等環(huán)節(jié)可以以三維模型為核心并行開(kāi)展工作，工藝人員可直觀理解設(shè)計(jì)意圖，將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為制造過(guò)程的工藝模型加以應(yīng)用，從而達(dá)到大幅提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)能力的目的。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)包括基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義、基于三維模型的工程分析優(yōu)化、基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、基于仿真的三維工藝驗(yàn)證與優(yōu)化、三維工藝信息的集成應(yīng)用、基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)等。

（1）基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義

在以二維工程圖為核心的設(shè)計(jì)模式下，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果以二維工程圖的方法表達(dá)，二維工程圖的繪制遵循我國(guó)的國(guó)標(biāo)及各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。二維工程圖通常在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)中以文檔的形式進(jìn)行管理，作為文檔附件添加到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的零部件節(jié)點(diǎn)上。在工藝規(guī)劃、加工仿真、夾具設(shè)計(jì)等制造階段，需要通過(guò)二維工程圖獲取設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)二維工程圖重新建立零部件的三維模型，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)數(shù)控編程和加工仿真等工作。以二維工程圖為核心的設(shè)計(jì)模式實(shí)際上是傳統(tǒng)手工繪制工程圖的計(jì)算機(jī)化，由于缺乏模型幾何等信息的傳遞手段，使設(shè)計(jì)與制造難以實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享。

在以三維模型為核心的設(shè)計(jì)模式中，產(chǎn)品的所有定義信息都以三維模型為基礎(chǔ)進(jìn)行表達(dá)，包括尺寸、公差、技術(shù)要求、制造要求等，這種設(shè)計(jì)模式也稱為MBD技術(shù)。三維模型在PDM系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下進(jìn)行發(fā)布（工程中可采用多次模型預(yù)發(fā)布的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造等人員的并行協(xié)同）和傳遞。工藝人員在獲取三維模型后，可以根據(jù)需要，采用相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)、NC編程、加工仿真和虛擬裝配等軟件，進(jìn)行工藝的設(shè)計(jì)和仿真分析。三維模型可以通過(guò)模型轉(zhuǎn)換技術(shù)，傳遞到其他應(yīng)用系統(tǒng)中。值得一提的是，有些企業(yè)認(rèn)為開(kāi)展三維數(shù)字化制造技術(shù)后，設(shè)計(jì)師提交的三維模型可以直接傳遞給其他專業(yè)（例如數(shù)控加工）使用而不做任何的模型修改，同時(shí)機(jī)加工藝師用到的包括毛坯在內(nèi)的中間工序的三維模型也可以通過(guò)三維模型映射自動(dòng)得到。但現(xiàn)實(shí)情況卻不是這樣理想，一般其他專業(yè)獲得三維模型后，都要進(jìn)行一定的修正才能應(yīng)用，有時(shí)模型的修正量相當(dāng)大，甚至與重建模型的工作量不相上下。因此，為減少各專業(yè)的模型修正工作，一定要做大量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定工作，盡量提高三維模型的質(zhì)量。在實(shí)現(xiàn)以三維模型為核心的產(chǎn)品數(shù)字化建模中，需要解決標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、建模工具、模型管理等一系列問(wèn)題。

在以波音為代表的國(guó)際航空企業(yè)中，已經(jīng)廣泛實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造，其中一項(xiàng)重要的工作是建立以三維模型為核心的產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括建模過(guò)程、屬性信息定義、模型標(biāo)注、模型檢查等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前，國(guó)際上已經(jīng)建立的三維建模標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 16792《技術(shù)產(chǎn)品文件 ——數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程》、美國(guó)ASME Y14．41《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程》，以及我國(guó)的GBT24734《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》等。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為針對(duì)以三維模型為核心的數(shù)據(jù)集定義、三維模型完整性要求、模型標(biāo)注、三維模型的表達(dá)要求等進(jìn)行了規(guī)范，可以用于指導(dǎo)企業(yè)的實(shí)踐。但是由于各個(gè)行業(yè)產(chǎn)品的差異性以及三維軟件工具的差異性，國(guó)際上各個(gè)行業(yè)、企業(yè)還針對(duì)自身的產(chǎn)品、軟件工具、管理要求等，建立了一系列行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如波音公司的BSD－600系列標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采用MBD技術(shù)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(jìn)行了規(guī)定。波音的標(biāo)準(zhǔn)不但要在公司內(nèi)部執(zhí)行，而且所有參與波音產(chǎn)品的供應(yīng)商也需要遵照波音的規(guī)范，進(jìn)行產(chǎn)品模型的定義。

三維模型是在三維CAD軟件中完成創(chuàng)建的，根據(jù)設(shè)計(jì)建模規(guī)范需要在CAD模型中完成幾何建模、尺寸公差標(biāo)注、技術(shù)要求定義、基本屬性信息定義，同時(shí)定義裝配關(guān)系，形成產(chǎn)品裝配物料清單（Bill of Material，BOM）。目前，在軍工行業(yè)中應(yīng)用的主流CAD系統(tǒng)包括PTC公司的Pro/E、西門(mén)子UGS公司的UG－NX、達(dá)索公司的CATIA等，一些企業(yè)還使用了SolidEdge、CAXA等其他軟件系統(tǒng)。在基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義中，現(xiàn)有的三維CAD系統(tǒng)在建模、標(biāo)注、屬性定義等基本功能上都能滿足工程應(yīng)用的要求，只是在使用方式和易用性上有一些差異。但是，為實(shí)現(xiàn)規(guī)范性的建模，保證三維模型在數(shù)據(jù)集定義、建模方法、尺寸及公差標(biāo)注、技術(shù)要求標(biāo)注等方面符合企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證模型可以在后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)、制造仿真、制造執(zhí)行中得到全面的應(yīng)用，需要在CAD軟件的基本功能上進(jìn)行專門(mén)配置或者定制開(kāi)發(fā)。

同時(shí)，在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的集成以及并行工程，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮后續(xù)制造環(huán)節(jié)的要求，采用設(shè)計(jì)和工藝一體化（Integrate Product and Process Development，IPPD）的設(shè)計(jì)模式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將制造過(guò)程的各種要求和約束，包括加工能力、經(jīng)濟(jì)精度、工序能力等，融入設(shè)計(jì)建模過(guò)程中，采用有效的建模和分析手段，從而保證設(shè)計(jì)結(jié)果制造的方便和經(jīng)濟(jì)。這種設(shè)計(jì)模式稱為面向制造與裝配的設(shè)計(jì)（Design for Manufacture and Assembly，DFMA）。根據(jù)制造過(guò)程中不同的工藝方法，DFMA又可以分為面向加工的設(shè)計(jì)（Design for Manufacturing，DFM）、面向裝配的設(shè)計(jì)（Design for Assembly，DFA）、面向檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)（Design for Test，DFT）、面向維修的設(shè)計(jì)（Design for Seniceaility，DFS）等。

（2）基于三維模型的工程分析優(yōu)化

在產(chǎn)品三維模型并行定義階段，可以全面使用結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析等數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具軟件，大幅提升設(shè)計(jì)分析的效率和質(zhì)量，部分或全部取消實(shí)物驗(yàn)證，從而使產(chǎn)品研制能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)數(shù)字化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具，從建立單個(gè)的數(shù)字化輔助工具到多工具的集成，從建立工程專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，再到建立覆蓋整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)體系，形成整體的數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)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(shù)類工具，直接用于產(chǎn)品的建模與仿真分析，如NASTRAN、ANSYS等CAE分析軟件；②產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用的系統(tǒng)集成平臺(tái)，用以組織和管理開(kāi)發(fā)流程、工具軟件、數(shù)據(jù)和其他資源，如 Windchill、TeamCenter等PDM軟件平臺(tái)。

同時(shí)，軍工產(chǎn)品研制過(guò)程涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，應(yīng)用大量不同的信息模型和數(shù)據(jù)模型，各個(gè)模型間在交互和共享過(guò)程中存在的復(fù)雜性問(wèn)題，已成為影響產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)周期及設(shè)計(jì)方案合理性的主要問(wèn)題之一。目前，國(guó)內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)的重要性，形成了一些多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真集成平臺(tái)的軟件，包括MSC公司的MSC．Sim－Manager以及ANSYS公司的Workbench等。

（3）基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)

基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)是指工藝設(shè)計(jì)人員接收產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)發(fā)布的BOM、三維模型、技術(shù)要求等信息后，根據(jù)這些信息進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行三維仿真驗(yàn)證，最后編制成三維工藝規(guī)程供操作工人和檢驗(yàn)人員使用。采用三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)手段有助于實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行的三維工藝設(shè)計(jì)和分析，提前發(fā)現(xiàn)可能的設(shè)計(jì)缺陷，保證研制質(zhì)量，縮短研制周期［11］。

三維工藝設(shè)計(jì)涉及的主要內(nèi)容包括三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換、三維工藝過(guò)程建模、結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)、基于MBD的工裝設(shè)計(jì)、三維工藝仿真驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)資源庫(kù)建立等，并最終形成基于數(shù)模的工藝規(guī)程（Model Based Instructions，MBI）。

1）三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換將接收到的來(lái)自設(shè)計(jì)部門(mén)的三維模型轉(zhuǎn)換為制造環(huán)節(jié)需要的模型格式，這部分工作一方面包括由于設(shè)計(jì)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(dǎo)致的需要進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，另一方面包括將設(shè)計(jì)的三維模型轉(zhuǎn)換為制造環(huán)節(jié)需要的輕量化模型（例如將Pro/E的．prt模型轉(zhuǎn)換為．pvz輕量化模型）。

2）三維工藝過(guò)程建模建立產(chǎn)品制造過(guò)程中包括毛坯在內(nèi)的中間工序的三維模型（包括模型標(biāo)注），以滿足工裝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)計(jì)算和數(shù)控編程等工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)的需要。

3）結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)BOM到工藝BOM，乃至工藝全要素的完整定義。

4）基于MBD的工裝設(shè)計(jì)充分利用三維模型實(shí)現(xiàn)工裝的快速設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真提高工裝設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5）三維工藝仿真驗(yàn)證充分利用三維模型進(jìn)行機(jī)加、裝配、鈑金、鑄造等多專業(yè)的工藝仿真與驗(yàn)證，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)。

6）標(biāo)準(zhǔn)資源庫(kù)針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)建立包括工裝、材料、設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的資源庫(kù)，輔助工藝編制。

三維工藝設(shè)計(jì)最終形成MBI。目前有人認(rèn)為MBI必須是以三維為主的無(wú)紙化的工藝規(guī)程，也有人片面地把三維工藝過(guò)程仿真理解為三維工藝，這些理解都具有局限性。工藝規(guī)程是由工藝員向操作工人、檢驗(yàn)員等轉(zhuǎn)達(dá)設(shè)計(jì)意圖并提出工藝要求的文件。傳統(tǒng)的工藝規(guī)程必須和二維工程圖一起交給操作者和檢驗(yàn)員，才能進(jìn)行加工制造。實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)后，取消二維工程圖，設(shè)計(jì)下發(fā)的是三維模型，需要將設(shè)計(jì)下發(fā)的三維模型轉(zhuǎn)換為輕量化模型，然后與工藝規(guī)程一起下發(fā)。三維工藝規(guī)程是一種以文字信息、三維模型、圖片、動(dòng)畫(huà)等多媒體信息組成的多維工藝文檔，它以三維形式為主還是以文字信息為主，應(yīng)由工藝的專業(yè)類型（有的工藝專業(yè)不適合三維形式表達(dá)）和當(dāng)前的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用水平?jīng)Q定。

與傳統(tǒng)的卡片式工藝規(guī)程相比，三維工藝規(guī)程具有三維表達(dá)、結(jié)構(gòu)化和多媒體化三個(gè)典型特征。

1）三維表達(dá)三維工藝規(guī)程是基于三維數(shù)模產(chǎn)生的（不是基于二維工程圖），是設(shè)計(jì)模型（包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM信息）在工藝設(shè)計(jì)階段的重用。三維設(shè)計(jì)模型應(yīng)用于工藝信息表達(dá)，不僅是簡(jiǎn)單取代工藝簡(jiǎn)圖。應(yīng)用三維數(shù)字化工藝模型有如下優(yōu)勢(shì)：①便于在三維模型的基礎(chǔ)上提取設(shè)計(jì)要求，也能夠?qū)崿F(xiàn)工藝描述性文字與視圖、特征、標(biāo)注等不同信息的鏈接，從而大大提高工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)效率；②三維數(shù)字化工藝模型能夠直觀、準(zhǔn)確、全面地展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造信息，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、工藝設(shè)計(jì)人員和車間工人之間的信息傳遞效率和協(xié)同能力；③通過(guò)三維工序模型按工序或工步順序形成工序模型序列，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)的加工或裝配過(guò)程展示，有利于查看和分析工藝設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品的制造過(guò)程。

2）結(jié)構(gòu)化三維工藝規(guī)程的結(jié)構(gòu)化，一方面指三維工藝規(guī)程改變了原來(lái)基于產(chǎn)品圖號(hào)的管理模式，采用基于BOM結(jié)構(gòu)的管理模式，方便用戶更直觀快捷地了解所需信息及相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高了管理效率；另一方面，與傳統(tǒng)的基于卡片式的工藝規(guī)程相比，三維工藝規(guī)程實(shí)現(xiàn)了工藝內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化管理。三維工藝規(guī)程把原來(lái)表格式的結(jié)構(gòu)形式變?yōu)樽匀豁樞虻慕Y(jié)構(gòu)形式，按照面向?qū)ο蟮姆椒?，?shí)現(xiàn)了主工藝與分工藝、工藝與工序、工序與相關(guān)資源的全要素關(guān)聯(lián)，并將每道工序涉及的文字性的工藝描述信息、配套資源（工裝夾具、工具等）、三維工序模型、檢驗(yàn)要求等信息分別進(jìn)行組織和管理，同時(shí)可按用戶要求對(duì)各種報(bào)表進(jìn)行匯總，不但大大提高了工藝管理效率，而且便于工藝數(shù)據(jù)定義、關(guān)聯(lián)、擴(kuò)展及后續(xù)與其他系統(tǒng)的信息集成。

3）多媒體化三維工藝規(guī)程是一種以文字信息、三維模型、圖片、動(dòng)畫(huà)、錄像等多媒體信息組成的多維工藝文檔。例如在機(jī)加工藝規(guī)程中提供產(chǎn)品的三維模型，可以從不同角度、不同剖面詳細(xì)了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖；再如裝配工藝規(guī)程中包含產(chǎn)品裝配順序和路徑的仿真動(dòng)畫(huà)，可用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配等。

（4）基于仿真的三維工藝驗(yàn)證與優(yōu)化

實(shí)施三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)不僅是用三維工藝規(guī)程取代傳統(tǒng)的表格式工藝規(guī)程，而且是要徹底改變落后的工藝設(shè)計(jì)模式，要采用先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)理念、方法和工具，最終達(dá)到大幅提升工藝設(shè)計(jì)能力的目的。為此，三維工藝驗(yàn)證和工藝參數(shù)優(yōu)化工作是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程主要依靠典型工藝、樣板工藝、工藝手冊(cè)等的復(fù)制修改，缺少先進(jìn)的驗(yàn)證手段，機(jī)械加工一般都是依靠試切試裝來(lái)確定工藝方案的合理性，周期長(zhǎng)、成本高，一經(jīng)確定很難改變［12］。例如，工藝員一般先復(fù)制相似產(chǎn)品的工藝方案，接著查工藝手冊(cè)修改相關(guān)參數(shù)，然后申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)件驗(yàn)證方案的可行性和合理性，再昂貴的零件也要申請(qǐng)?jiān)囼?yàn)件進(jìn)行試加工。最重要的是，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法嚴(yán)重限制了工藝人員的創(chuàng)新性，工藝師的主要工作其實(shí)是文字編輯。

三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)是一種以工藝過(guò)程的建模與仿真為核心的設(shè)計(jì)方法，其核心是通過(guò)建模與仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的工藝驗(yàn)證及優(yōu)化。三維工藝驗(yàn)證與優(yōu)化涉及加工、鑄造、裝配等專業(yè)，加工過(guò)程建模和仿真一般主要包括切削加工過(guò)程和成型加工過(guò)程。切削加工過(guò)程的工藝驗(yàn)證與優(yōu)化主要包括幾何仿真優(yōu)化和物理仿真優(yōu)化。幾何仿真優(yōu)化包括刀位軌跡和運(yùn)動(dòng)過(guò)程干涉檢測(cè)仿真，不考慮切削參數(shù)、切削力以及其他因素的影響，主要驗(yàn)證NC程序的正確性；物理仿真優(yōu)化是對(duì)切削加工特性和加工精度進(jìn)行預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)仿真，主要根據(jù)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來(lái)預(yù)測(cè)刀具磨損、刀具振動(dòng)和變形，并通過(guò)控制切削參數(shù)達(dá)到優(yōu)化切削過(guò)程的目的。美國(guó)Northrop公司通過(guò)對(duì)鈑金件成型的模擬，可預(yù)測(cè)回彈量、撕裂、起皺等缺陷，使廢品率減少95%，周期縮短78%［13］。

導(dǎo)管彎曲成形過(guò)程是一種復(fù)雜加工過(guò)程，與切削類數(shù)控加工設(shè)備的刀位軌跡仿真不同，導(dǎo)管彎曲成形過(guò)程中不正確的加工程序不但會(huì)影響彎曲的質(zhì)量和效率，而且不斷變化的導(dǎo)管形狀還會(huì)導(dǎo)致干涉甚至危及人身的安全。圖1所示為北京理工大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的導(dǎo)管數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)（Tube Bending Simulation system，TBS），它提供的功能包括彎管機(jī)床的幾何建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、模/夾具選取與定義、機(jī)床配置定義與調(diào)整、導(dǎo)管毛坯建模和裝載、碰撞和干涉檢驗(yàn)、導(dǎo)管加工過(guò)程仿真等功能。

三維裝配工藝驗(yàn)證與優(yōu)化也是近年來(lái)得到迅猛發(fā)展的技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)不僅可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在的裝配干涉，并對(duì)零部件的裝配順序、裝配路徑和工/夾具的使用進(jìn)行驗(yàn)證，隨著近幾年技術(shù)的發(fā)展，還可以對(duì)裝配誤差累計(jì)的分析、裝配順序和零件制造誤差對(duì)裝配方案的影響進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，從而在產(chǎn)品實(shí)物裝配之前，通過(guò)帶物理特性和精度信息的裝配過(guò)程仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)存在的缺陷，達(dá)到有效減少工藝更改和設(shè)計(jì)更改、保證裝配質(zhì)量的目的。圖2為北京理工大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星電纜插頭插裝過(guò)程仿真軟件界面。

（5）三維工藝信息在車間的集成應(yīng)用

在MBD制造模式下，三維產(chǎn)品模型、工裝模型和三維工藝數(shù)據(jù)完全替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令，成為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工人工作的技術(shù)依據(jù)。三維工藝信息在車間的集成應(yīng)用中，需要解決的技術(shù)問(wèn)題包括：

1）三維模型的輕量化和車間展示在三維設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，由于取消了二維工程圖紙，三維模型成為表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的載體，也是其他各專業(yè)開(kāi)展工作的重要依據(jù)。但是，設(shè)計(jì)人員通常采用專業(yè)的商品化三維建模軟件（例如Pro/E、CATIA等）進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，車間操作人員如果直接采用專業(yè)的三維建模軟件查閱設(shè)計(jì)人員下發(fā)的三維模型，則造成了資源的浪費(fèi)（一方面商品化的三維建模軟件價(jià)格昂貴；另一方面車間需要大幅提升計(jì)算機(jī)性能以滿足對(duì)“巨模型”的瀏覽需求）。因此，目前普遍采用的方法是將設(shè)計(jì)的三維模型轉(zhuǎn)換為制造環(huán)節(jié)需要的輕量化模型（例如將Pro/E的．prt模型轉(zhuǎn)換為．pvz輕量化模型），車間采用免費(fèi)的瀏覽器軟件即可打開(kāi)輕量化模型進(jìn)行查閱，同時(shí)輕量化模型也大大降低了對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求。但是在模型的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如何保證三維標(biāo)注等信息的完整性和一致性是關(guān)鍵，該工作一方面靠嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)制定的三維模型在數(shù)據(jù)集定義、建模方法、尺寸及公差標(biāo)注、技術(shù)要求標(biāo)注等方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；另一方面需要選擇有成功應(yīng)用背景的商品化軟件（例如CATIA、UG等）。

2）三維工藝發(fā)布及其集成應(yīng)用三維工藝編程完成后，需進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)控制。由于三維工藝信息是完全結(jié)構(gòu)化的，審批發(fā)布的工藝信息，包括工藝內(nèi)容、產(chǎn)品屬性、過(guò)程模型、配套資源等信息很方便查詢和提取，并以用戶自定義的結(jié)構(gòu)化或表格方式等形式輸出（例如利用西門(mén)子公司Teamcenter的Publish功能，可將審批完畢的包含三維中間工序模型的三維工藝按定制的格式輸出，供網(wǎng)頁(yè)發(fā)布瀏覽）。同時(shí)，提取審批發(fā)布的三維工藝中的相關(guān)信息，可通過(guò)自定義的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（eXtensible Markup Language，XML）數(shù)據(jù)包形式提供給車間的下游系統(tǒng)（例如制造執(zhí)行系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)等），下游系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)發(fā)XML解析接口，讀入并解析XML數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)三維工藝數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用。值得一提的是，三維工藝展示的形式和內(nèi)容不同于傳統(tǒng)的紙質(zhì)工藝，通過(guò)數(shù)字化應(yīng)用終端，車間操作人員不僅需要快速瀏覽產(chǎn)品制造工藝數(shù)據(jù)和工藝圖解，觀看產(chǎn)品的制造過(guò)程動(dòng)畫(huà)，還需查詢并瀏覽產(chǎn)品三維模型，這對(duì)現(xiàn)有軟硬件和使用人員均提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)出于軍工企業(yè)信息安全的考慮，類似移動(dòng)終端中的無(wú)線等技術(shù)手段不宜在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，目前企業(yè)更多采用臺(tái)式計(jì)算機(jī)或觸摸屏的方式展示三維工藝信息。

（6）基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)

準(zhǔn)確高效的檢測(cè)技術(shù)是保障產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的手工檢測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，限于檢驗(yàn)規(guī)劃制定者和檢驗(yàn)人員個(gè)人素質(zhì)、技能、工作態(tài)度、身體條件等因素的制約，所設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)規(guī)劃缺乏足夠的一致性，常常造成重復(fù)檢驗(yàn)、漏檢、檢驗(yàn)錯(cuò)誤等問(wèn)題。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)為解決以上問(wèn)題提供了有效的解決方案，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)從三維CAD模型中獲得檢測(cè)信息，自動(dòng)制定檢測(cè)規(guī)劃和生成控制代碼，驅(qū)動(dòng)尺寸測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量工作。同時(shí)，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，可反饋給三維CAD系統(tǒng)，從而判斷實(shí)際零件是否滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而控制進(jìn)一步的加工。最終形成一個(gè)以產(chǎn)品質(zhì)量為目標(biāo)的產(chǎn)品自動(dòng)測(cè)量和質(zhì)量控制的閉環(huán)系統(tǒng)［14］。

MBD技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的數(shù)字化定義方法。從MBD思想的角度來(lái)看，檢測(cè)工序、檢測(cè)方法、檢測(cè)工具、測(cè)量路徑等檢測(cè)規(guī)劃信息也應(yīng)融入三維模型中，成為檢測(cè)數(shù)模的一部分［15］。因此，基于MBD可開(kāi)展三維工藝檢驗(yàn)技術(shù)研究，通過(guò)分析MBD中的三維標(biāo)注信息來(lái)獲得檢測(cè)特征，并以基于MBD的三維設(shè)計(jì)數(shù)模、工藝數(shù)模和檢測(cè)方案為依據(jù)開(kāi)發(fā)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算程序，建立基于MBD的三維檢驗(yàn)數(shù)模。最后，以檢測(cè)計(jì)劃和三維檢測(cè)模型為依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。隨著三維工藝發(fā)布與車間三維工藝看板技術(shù)的推廣應(yīng)用，基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)將越來(lái)越受到重視。

4 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)的產(chǎn)品研制模式變革及典型案例分析

目前，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)給我國(guó)企業(yè)帶來(lái)的產(chǎn)品研制模式的變革主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）二維和三維并行的設(shè)計(jì)制造模式向全三維的設(shè)計(jì)制造模式的轉(zhuǎn)變

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)將使工程技術(shù)人員從繁瑣的二維圖紙和表格文化中解放出來(lái)，從而將更多精力轉(zhuǎn)移到需求分析和產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)上。全三維的設(shè)計(jì)制造模式為從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造為主向基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)制造為主的轉(zhuǎn)變提供了解決途徑，通過(guò)全面的以三維模型為核心的建模和仿真，可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題并減少更改，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)的設(shè)計(jì)與制造。實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造不僅要實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)計(jì)制造流程的再造，還要實(shí)現(xiàn)企業(yè)文化、管理體制和生產(chǎn)方式的變革。北京航空航天大學(xué)范玉青指出［16］，MBD涉及到設(shè)計(jì)、制造的方方面面，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，在向MBD技術(shù)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，轉(zhuǎn)變企業(yè)文化是首要任務(wù)。其中最為艱難的是要從二維圖紙文化這種現(xiàn)有概念中跳出來(lái)，從零開(kāi)始研究新的信息表達(dá)方式。同時(shí)指出，現(xiàn)代飛機(jī)產(chǎn)品制造過(guò)程的實(shí)質(zhì)，是對(duì)一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行并行協(xié)同的數(shù)字化建模、模擬仿真和產(chǎn)品定義，然后對(duì)產(chǎn)品的定義數(shù)據(jù)從設(shè)計(jì)的上游向零件制造、部件裝配、產(chǎn)品總裝和測(cè)量檢驗(yàn)的下游進(jìn)行傳遞、拓延和加工處理的過(guò)程，最終形成的飛機(jī)產(chǎn)品可以被看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。

（2）以數(shù)字量為主、以模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法（或者模擬量為主、數(shù)字量為輔的協(xié)調(diào)工作法）向全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法的轉(zhuǎn)變

例如傳統(tǒng)的航天產(chǎn)品研制過(guò)程就是一個(gè)典型的基于二維圖紙和實(shí)物驗(yàn)證進(jìn)行循環(huán)迭代的串行過(guò)程，在該過(guò)程中要依靠大量實(shí)物來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)（實(shí)物模裝、零件試切試裝等）的正確性，還有大量的設(shè)計(jì)更改存在。隨著載人航天等工程項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)物驗(yàn)證的周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等問(wèn)題更加突出。采用基于三維的產(chǎn)品數(shù)字化定義后，三維數(shù)模作為產(chǎn)品研制的唯一制造依據(jù)，產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、零部件加工、裝配與檢測(cè)都直接根據(jù)MBD數(shù)據(jù)進(jìn)行，從而徹底改變了例如傳統(tǒng)飛機(jī)制造中尺寸傳遞采用模線樣板——標(biāo)準(zhǔn)樣件來(lái)協(xié)調(diào)產(chǎn)品的形狀和尺寸的落后方式。

（3）真正并行和協(xié)同的實(shí)現(xiàn)

通過(guò) MBD/MBI技術(shù)的應(yīng)用，提供了一種自然、準(zhǔn)確、高效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與制造間的數(shù)據(jù)傳遞和信息集成，解決了并行工程的核心難點(diǎn)，為真正并行協(xié)同的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)產(chǎn)品、工藝過(guò)程和生產(chǎn)資源的建模仿真及集成優(yōu)化，提高了多學(xué)科的設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同性和并行性?，F(xiàn)代飛機(jī)研制方法的核心是從原有的基于物理（實(shí)物）樣機(jī)的串行方式演變成基于數(shù)字樣機(jī)的并行方式，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)的飛機(jī)串行制造模式，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)的并行工程，從而降低產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短產(chǎn)品研制周期，減少開(kāi)發(fā)成本。

美國(guó)波音是最早推行三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的公司，該公司以CATIA V5作為產(chǎn)品建模工具，采用ENOVIA作為不同研發(fā)階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與協(xié)同環(huán)境，采用Delmia V5作為工藝設(shè)計(jì)與制造仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了MBD技術(shù)從設(shè)計(jì)到制造整個(gè)流程的應(yīng)用。波音787全面采用了MBD技術(shù)，并制定了基于模型定義MBD技術(shù)應(yīng)用規(guī)范BDS－600系列，構(gòu)建了787飛機(jī)的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，進(jìn)而將三維產(chǎn)品制造信息與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、零件加工、裝配和檢測(cè)的高度集成、協(xié)同和融合，建立了完整的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系，確保波音787客機(jī)的研制周期和質(zhì)量。值得一提的是，推行三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，波音公司早在20世紀(jì)90年代中期就已提出MBD的概念，但由于在技術(shù)轉(zhuǎn)型期間，波音內(nèi)部的某些生產(chǎn)流程及大量的供應(yīng)商的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)手段還未達(dá)到MBD技術(shù)體系的要求，為保證生產(chǎn)的穩(wěn)定和平穩(wěn)過(guò)渡，在此期間波音推行MBD技術(shù)并沒(méi)有進(jìn)行激進(jìn)的改革，而是采取了許多“容忍”折中措施，如仍保留部分二維圖作為制造依據(jù)，承包商可選擇使用三維或二維圖紙等，目的是循序漸進(jìn)而又堅(jiān)定不移地推行MBD技術(shù)。

北京衛(wèi)星制造廠采用西門(mén)子Teamcenter軟件，探索了一套適合航天產(chǎn)品研制的三維工藝技術(shù)應(yīng)用解決方案，建立了適合航天型號(hào)產(chǎn)品研制的三維工藝管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，圖3為北京衛(wèi)星制造廠的三維工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用流程，其中涉及的主要流程環(huán)節(jié)包括：

（1）工藝會(huì)簽工藝部門(mén)依據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)按基線預(yù)發(fā)放的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝分析，并向設(shè)計(jì)部門(mén)反饋工藝審查意見(jiàn)。另外，設(shè)計(jì)部門(mén)通過(guò)提供產(chǎn)品預(yù)發(fā)布、發(fā)布、定型等不同成熟的發(fā)放機(jī)制，讓工藝人員能夠根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度決定工藝成熟度，并按照工藝成熟度確定下一步的工藝計(jì)劃安排及物資準(zhǔn)備。

（2）三維模型接收與管理檔案室依據(jù)基線下載三維設(shè)計(jì)模型，并導(dǎo)入三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，同時(shí)將接收到的來(lái)自設(shè)計(jì)部門(mén)的三維模型轉(zhuǎn)換為制造環(huán)節(jié)需要的模型格式。

（3）三維工藝編制設(shè)計(jì)人員依據(jù)事先定義的工藝模板，完成三維工藝編制，并確保工藝中的工序描述、材料、工裝、過(guò)程模型、工具、標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)要求等符合工藝規(guī)范要求并進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。在三維工藝編制過(guò)程中，對(duì)于機(jī)加工藝還需要建立毛坯等中間工序模型，以滿足工裝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)控編程等系統(tǒng)的需要。同時(shí)，通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程的建模與仿真，驗(yàn)證工藝的可行性并優(yōu)化工藝參數(shù)。

（4）三維工藝審批與發(fā)放三維工藝設(shè)計(jì)完成后，需要通過(guò)審批流程對(duì)工藝進(jìn)行審批，審批完成后定版發(fā)布，并進(jìn)行歸檔管理。

圖4為北京衛(wèi)星制造廠采用TeamCenter軟件的機(jī)械加工工藝規(guī)程示例。其中左邊視圖為工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，列出了完成該零件加工的所有工序；中間視圖（分為上下兩部分）列出了用戶當(dāng)前選擇的工序的詳細(xì)信息，其中上半部分視圖中展示了該工序用到的配套資源列表，下半部分視圖中展示了該工序的詳細(xì)工序內(nèi)容；右邊視圖展示了當(dāng)前工序的帶標(biāo)注信息的三維工序模型。目前，北京衛(wèi)星制造廠已經(jīng)完成了多個(gè)產(chǎn)品的三維工藝技術(shù)應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了車間的無(wú)紙化生產(chǎn)。通過(guò)基于三維模型的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同設(shè)計(jì)提供的產(chǎn)品預(yù)發(fā)布、發(fā)布、定型等不同成熟度的發(fā)放機(jī)制，從產(chǎn)品的配置之初就能夠讓工藝人員接入設(shè)計(jì)過(guò)程，一方面工藝人員通過(guò)三維環(huán)境進(jìn)行工藝性審查，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中可能給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)的問(wèn)題；另一方面能夠根據(jù)不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成熟度決定工藝成熟度，并按照工藝成熟度確定下一步的計(jì)劃安排和物資準(zhǔn)備。同時(shí)，通過(guò)對(duì)完全結(jié)構(gòu)化的三維工藝信息的提取，實(shí)現(xiàn)了三維工藝信息在車間的集成應(yīng)用，圖5為北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星裝配過(guò)程制造執(zhí)行軟件界面，該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口接收工藝信息后，可實(shí)現(xiàn)車間的調(diào)度排產(chǎn)、工藝集成展示、裝配過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及裝配過(guò)程監(jiān)控等集成應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)已成為國(guó)外軍工產(chǎn)品研制中不可或缺的手段，并推動(dòng)了軍工產(chǎn)品研制模式發(fā)生重大變革。國(guó)內(nèi)軍工企業(yè)也提出了全三維設(shè)計(jì)、三維到工藝、三維到設(shè)備的三步走戰(zhàn)略。實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造不僅是用三維模型取代大量的二維三維轉(zhuǎn)換，而是要通過(guò)設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同以及大量的建模與仿真技術(shù)，達(dá)到大幅提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)能力的目的。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)過(guò)程中，有些企業(yè)把三維裝配工藝仿真片面理解為三維裝配工藝，有的企業(yè)過(guò)于強(qiáng)調(diào)三維模型下車間、強(qiáng)調(diào)三維工藝必須是以三維為主的工藝規(guī)程，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)的研制模式和研制流程的變革，以及三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)的從傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)模式向基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)模式的重大轉(zhuǎn)變。

目前，我國(guó)軍工企業(yè)實(shí)施三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的建議主要有：①要充分認(rèn)識(shí)到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的應(yīng)用是一項(xiàng)長(zhǎng)期而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，該過(guò)程不僅要解決技術(shù)問(wèn)題，還要解決由此帶來(lái)的對(duì)企業(yè)文化和管理體制的沖突。另外，目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)在MBD應(yīng)用程度和水平方面參差不齊，選用的軟件平臺(tái)架構(gòu)也五花八門(mén)，成功的MBD案例是難以簡(jiǎn)單地完全復(fù)制的，這與各企業(yè)間發(fā)展歷程的差距、企業(yè)工程信息化本身的復(fù)雜性、企業(yè)本身產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的差異性密切相關(guān)。②三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)的融合，必須與工藝技術(shù)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)代管理等技術(shù)的研究相結(jié)合，同時(shí)將仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，避免“仿而不真”，從而真正實(shí)現(xiàn)基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)與制造，以及傳統(tǒng)制造向科學(xué)制造的轉(zhuǎn)變。

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