基于三維數(shù)據(jù)的工藝設(shè)計及管理

王學(xué)典++岑青山

以某專用車公司的設(shè)計流程為例，在現(xiàn)有 PDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過二次開發(fā)，以設(shè)計輸出的三維模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)工藝流程控制，工藝路線及卡片編制，工藝數(shù)據(jù)及資源管理，為同行業(yè)產(chǎn)品的工藝設(shè)計及管理提供借鑒。

一、引言

隨著企業(yè)信息化的持續(xù)發(fā)展，越來越多的離散制造型企業(yè)從二維設(shè)計模式過渡到全三維設(shè)計模式。三維設(shè)計的參數(shù)化、可視化和分析驗證等功能大幅提高了企業(yè)的設(shè)計效率、研發(fā)及創(chuàng)新能力。

但是，由于原有的工藝管理應(yīng)用工具是基于二維設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，無法享受到三維設(shè)計帶來的便利性，數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)性。大多數(shù)企業(yè)的工藝解決方案是工藝人員以設(shè)計人員輸出的設(shè)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，生成所需要的工藝步驟及路線。由此造成設(shè)計與工藝脫節(jié)，設(shè)計數(shù)據(jù)不符合工藝要求，設(shè)計數(shù)據(jù)根據(jù)工藝要求更改的時間滯后；三維設(shè)計數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)參數(shù)聯(lián)動和同步更新等問題。

本文以某專用車公司為例，介紹如何通過 SolidWorksEPDM系統(tǒng)及工藝模塊的開發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計及工藝流程控制，工藝路線卡片編制，真正實現(xiàn)三維環(huán)境下的設(shè)計與工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)及動態(tài)變化更新。

圖 5兩種不同結(jié)構(gòu)形式的蝶板動水力矩對比

二、設(shè)計與工藝關(guān)聯(lián)實現(xiàn)原理

基于產(chǎn)品的設(shè)計流程，一般的審核流程會經(jīng)過設(shè)計、校對、工藝、審核及批準等步驟，最終完成后產(chǎn)品發(fā)布用于生產(chǎn)。因此，基于設(shè)計、工藝一體化的過程，可以考慮在工藝審核過程中完成工藝編制及工藝審批，最終實現(xiàn)設(shè)計與工藝關(guān)聯(lián)的目標。

具體的實現(xiàn)原理如圖 1所示，通過 SolidWorksEnterprise PDM系統(tǒng) ，實現(xiàn)三維設(shè)計數(shù)據(jù)的電子審批流管理，產(chǎn)品在設(shè)計 -校對 -審核 -批準的審批流程基礎(chǔ)上，增加工藝會審過程，實現(xiàn)工藝信息的編制及審批。

不同企業(yè)的工藝編制方法有所不同，在圖 1所示的流程中，產(chǎn)品工藝的編制分為兩部分，首先由綜合工藝員編制產(chǎn)品的工藝路線，然后由工藝員編制各工藝路線的工序方法。具體如下。

當數(shù)據(jù)處于“綜合工藝會簽中（試制）”的狀態(tài)時，由綜合工藝員確定產(chǎn)品設(shè)計是否符合工藝要求，不符合則退回設(shè)計人員重新修改，符合則制訂產(chǎn)品的工藝路線（如下料、機加、焊接和裝配等），然后流轉(zhuǎn)到下一流程狀態(tài)“工藝會簽中（試制）”，由各個工藝員對其中的工藝路線，包括產(chǎn)品展開尺寸、所用原材料規(guī)格、加工方法、所用設(shè)備和耗費工時等進行編輯。編制完成確認無誤后，流轉(zhuǎn)到下一個流程狀態(tài)“綜合工藝最終會簽（試制）”，由綜合工藝員檢查工藝編制的完整性，做最終的審核判斷。

以上過程所涉及的工藝路線，我們可以定義好對應(yīng)的代碼，如表所示，在工藝編制過程中直接使用。為體現(xiàn)一體化設(shè)計的優(yōu)勢，在工藝模塊中滿足以下要求。

（1）集成在 SolidWorks的 CAD工作界面上，可以隨意查看三維數(shù)據(jù)的同時進行工藝編制，對于三維數(shù)據(jù)沒有權(quán)限做修改。

（2）通過 PDM的用戶組權(quán)限，確定是否具有修改編輯權(quán)限。當數(shù)據(jù)處于“綜合工藝會簽中（試制）”狀態(tài)時，用戶處在綜合工藝員組，滿足這兩個權(quán)限，才可以編輯生成對應(yīng)的工藝路線；當數(shù)據(jù)處于“工藝會簽中（試制）”狀態(tài)時，用戶處在工藝員組，滿足這兩個權(quán)限，才可以編輯生成對應(yīng)的工序加工方法。

（3）后臺使用的數(shù)據(jù)庫，支持調(diào)用材料庫、設(shè)計庫等信息數(shù)據(jù)。

（4）根據(jù)需求可以導(dǎo)出各類工藝數(shù)據(jù)信息。

三、工藝編制

綜合工藝員在 SolidWorks中打開需要審核的三維數(shù)據(jù)，然后調(diào)用加載到界面上的工藝路線模塊，如圖 2所示。此時，綜合工藝員可以調(diào)用 SolidWorks命令，隨意旋轉(zhuǎn)或放大縮小產(chǎn)品模型，了解詳細的產(chǎn)品特性，進行工藝路線的編輯生成，如圖 3所示。

工藝路線編輯完成后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)經(jīng)流程審批，轉(zhuǎn)換到“工藝會簽中（試制） ”狀態(tài)下，并同時通過PDM系統(tǒng)發(fā)出通知，要求工藝員進行工序方法的編制。此時，綜合工藝員或其他用戶查看工藝路線時，處理灰色不可編輯狀態(tài)，如圖4所示。

下料工藝員登陸系統(tǒng)，接到通知，要求進行新產(chǎn)品工序方法的編制，此時，下料工藝員打開產(chǎn)品，進行工序編制，輸入該工序所需工時，選擇需要的加工設(shè)備，同時雙擊打開模夾具編輯按鈕，在彈出的模夾具清單中選擇對應(yīng)的工裝夾具及輔助設(shè)備。接著，下料工藝員確定加工工位，計算并輸入下料尺寸，調(diào)用原材料庫導(dǎo)入原材料規(guī)格并輸入工序要求，完成工序方法的編制過程，如圖 5所示。

工藝員根據(jù)產(chǎn)品的需要，利用配置功能，同時建立基于三維設(shè)計數(shù)據(jù)的工藝卡，實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動關(guān)聯(lián)管理，如圖 6所示。

其他機加工工藝員、裝配工藝員等可同時調(diào)用工藝路線模塊進行編制，相互之間獨立操作，不受影響。最終完成工序方法的編制，提交流程審批進入“綜合工藝員最終會簽（試制）”環(huán)節(jié)，最后，經(jīng)綜合工藝員重新檢查校對后，完成所有工藝路線的編制。

制造加工部門人員通過PDM系統(tǒng)，在產(chǎn)品的數(shù)據(jù)卡信息中，可以很直觀方便地了解到產(chǎn)品的最終工藝信息，如圖7所示。

四、工藝資源管理

工藝資源管理實現(xiàn)的很重要一點是在后臺建立基準庫，包括工藝路線庫、材料庫、工藝庫、原材料庫、設(shè)備庫和模夾具庫。無論是設(shè)計人員還是工藝人員，都有了統(tǒng)一的基準庫?；鶞蕩鞂崿F(xiàn)權(quán)限控制，管理員可增加或刪除庫信息，其他人員僅有調(diào)用使用的權(quán)限。

利用基準庫之間的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)工序、設(shè)備和模夾具之間的對應(yīng)，選擇不同的工序時，系統(tǒng)自動選出與之對應(yīng)的設(shè)備和模夾具，以減少使用人員操作的復(fù)雜性。工藝路線的后臺管理系統(tǒng)如圖 8所示。

五、報表輸出

以后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為基礎(chǔ)，所有的工藝信息都做為屬性信息記錄在產(chǎn)品數(shù)據(jù)中。因此，結(jié)合 PDM的功能，可實現(xiàn)各類報表信息的匯集輸出，如圖 9所示。工藝模塊可實現(xiàn)以下功能。

（1）支持在PDM系統(tǒng)內(nèi)點擊零部件，調(diào)出輸出界面，做特定需求輸出。

（2）支持在 PDM系統(tǒng)內(nèi)點擊零部件，直接輸出工藝清單。

（3）支持通過工藝審批流程自動輸出工藝清單到PDM系統(tǒng)固定文件夾內(nèi)。

六、應(yīng)用行業(yè)及優(yōu)勢

該工藝方案適用于設(shè)計工藝一體化的產(chǎn)品，也就是設(shè)計 BOM的產(chǎn)品樹結(jié)構(gòu)層次符合生產(chǎn)工藝的 BOM加工制造的要求。因此，設(shè)計師在產(chǎn)品設(shè)計階段就需要考慮產(chǎn)品裝配組合的層級關(guān)系，從設(shè)計階段實現(xiàn) EBOM和 MBOM的一致性。該工藝方案體現(xiàn)的優(yōu)勢總結(jié)如下。

（1）工藝數(shù)據(jù)管理：建立關(guān)聯(lián)到 SolidWorks模型的零部件工藝數(shù)據(jù)的管理界面。該工藝數(shù)據(jù)和 SolidWorks文件關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)（包含工時、材料定額、工藝路線、工序工位數(shù)據(jù)、加工設(shè)備及工裝夾器具）導(dǎo)入、創(chuàng)建、修改和導(dǎo)出等管理功能。

（2）工藝數(shù)據(jù)庫管理：建立企業(yè)級 MSSQL形式的工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括：工藝路線庫、設(shè)備庫和材料庫等。提供模型的工藝屬性輸入界面，工藝屬性創(chuàng)建后可進行導(dǎo)出、修改以及進行自動輸出工藝清單，工藝屬性的管理需要設(shè)置權(quán)限，增刪改只有對應(yīng)的負責(zé)人才可以操作，工藝數(shù)據(jù)可以匯總成報表進行輸出。

（3）工藝清單自動輸出：工藝數(shù)據(jù)和模型進行自動關(guān)聯(lián)，當裝配體及其子件更改時可自動輸出更新后的工藝清單，輸出的格式為 Excel，輸出后可以進行版本和權(quán)限管理。

（4）建立數(shù)據(jù)向下游系統(tǒng)傳輸：建立基于 MSSQL的中間庫，實現(xiàn) EPDM系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)向中間庫的傳輸。通過中間庫實現(xiàn)與將來部署的 ERP系統(tǒng)對接，實現(xiàn) BOM數(shù)據(jù)的傳輸，以及PDM系統(tǒng)內(nèi)對ERP數(shù)據(jù)的物料信息的查詢。

通過在SolidWorks EPDM基礎(chǔ)上開發(fā)定制工藝模塊，構(gòu)建企業(yè)產(chǎn)品工藝編制及管理平臺。實現(xiàn)以信息化手段，規(guī)范工藝信息的創(chuàng)建、發(fā)布和更改流程，最終形成工藝數(shù)據(jù)輸出，管理、共享和協(xié)同的計算機管理系統(tǒng)。 IM