三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的關(guān)鍵問題探討

王忠生,盛 楠

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230000；2.淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000；3.淮北師范大學(xué) 美術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的關(guān)鍵問題探討

王忠生1,2,盛 楠3

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230000；2.淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000；3.淮北師范大學(xué) 美術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

伴隨社會(huì)發(fā)展的腳步，科學(xué)技術(shù)也在快速的發(fā)展和進(jìn)步.現(xiàn)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)特別發(fā)達(dá)，信息化、數(shù)字化發(fā)展飛速，因而在制造企業(yè)中，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)成為企業(yè)發(fā)展和提高競爭力的核心部分.產(chǎn)品制造企業(yè)發(fā)展需要積極的提升研發(fā)和制造水平，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須建立三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)之上，以此做為依托，突破研制過程中的技術(shù)難題，才能真正的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展.本文就對我國三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的關(guān)鍵問題展開探討，并提供些許建議以供參考.

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)；制造技術(shù)；關(guān)鍵問題；探討

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的興起，摒棄了傳統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式，通過先進(jìn)的技術(shù)，對產(chǎn)品的研發(fā)制造過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和完善，轉(zhuǎn)變產(chǎn)品制造技術(shù)，設(shè)計(jì)模式采用科學(xué)的建模及仿真技術(shù)，是產(chǎn)品制造技術(shù)上了一個(gè)新臺階.

1 產(chǎn)品制造運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)分析

眾所周知，軍工產(chǎn)品制作相當(dāng)繁雜，難度極高，使得軍工產(chǎn)品的研制效率低下，同時(shí)研制質(zhì)量也無法確保.這些問題已成為軍工企業(yè)運(yùn)作中最大的難點(diǎn).長久以來，我國產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法與手段都比較落后，發(fā)展也較為緩慢，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)大都采取實(shí)物驗(yàn)證的方法，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)大都采取試切試裝模式，這樣方式使得設(shè)計(jì)時(shí)間延長，所需成本直線上升.我國軍工企業(yè)在最近幾年陷入了困境，因產(chǎn)品對技術(shù)和結(jié)構(gòu)的要求、標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格和精細(xì)，艱巨的研制任務(wù)，對研制時(shí)間的要求卻一再縮短.面對這些挑戰(zhàn)，以往設(shè)計(jì)制造主要以二維工程圖為主的模式，已無法滿足當(dāng)下的發(fā)展現(xiàn)狀.該模式往往在產(chǎn)品研制過程中，不能真實(shí)的反應(yīng)出設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與工藝等各方面存在的問題，使得產(chǎn)品研制環(huán)節(jié)中的問題不能被及時(shí)的發(fā)現(xiàn)而拖延到產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，使得生產(chǎn)出的產(chǎn)品出現(xiàn)不合格、制作有漏洞等許多問題，必須要更改或重新設(shè)計(jì)，這將延誤產(chǎn)品的工期，企業(yè)因此而費(fèi)財(cái)費(fèi)力，造成的損失不可估量.但三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)槠湎冗M(jìn)的技術(shù)，通過仿真模型就可以進(jìn)行驗(yàn)證，而不需要實(shí)物驗(yàn)證，設(shè)計(jì)工藝時(shí)不再需要進(jìn)行試切試裝，極大的規(guī)避了產(chǎn)品在研制與生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝等出現(xiàn)漏洞等問題的發(fā)生.

其次，隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)上就可以直接進(jìn)行仿真驗(yàn)證.如，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要分析的結(jié)構(gòu)、電磁、冷熱、能力等，以及工藝制作中從鑄造一直到裝配等一系列的仿真工藝.因計(jì)算機(jī)裝載有領(lǐng)先、強(qiáng)大的軟件工具做支撐，通過仿真驗(yàn)證等系統(tǒng)工具，可以推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量不斷的提高.但這中間有一個(gè)難題，就是以往的二維設(shè)計(jì)圖紙的真正意圖唯有專業(yè)的工程人員才能看明白，但計(jì)算機(jī)卻不能完全看明白.而三維數(shù)模工程人員與計(jì)算機(jī)都可以看懂.所以，在數(shù)字化和信息化異常發(fā)達(dá)的今天，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，如數(shù)字化建模、仿真及驗(yàn)證等技術(shù)，而將其運(yùn)用到產(chǎn)品研發(fā)制造過程中，將不斷的提高產(chǎn)品研制能力.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)還具備特別的優(yōu)勢，如，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)即制造過程中，將三維模型當(dāng)做核心進(jìn)行運(yùn)作，可以為工藝人員提供更清晰、直接的設(shè)計(jì)圖，讓工藝人員更了解設(shè)計(jì)的意圖，從而把設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)變成制造過程的工藝模型進(jìn)行運(yùn)用.而在工藝制作環(huán)節(jié)中，利用仿真工具對工藝進(jìn)行驗(yàn)證，從而不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，將產(chǎn)品研制效率和質(zhì)量不斷提高的目標(biāo)實(shí)現(xiàn).

2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵問題分析

目前，制造行業(yè)將三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)定義為制造行業(yè)發(fā)展史上的一次重大變革.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是一種數(shù)字化和三維的一種全新模式，實(shí)踐效果要遠(yuǎn)超過二維模擬技術(shù).該技術(shù)直接省略龐大的二維與三維之間的交替互換，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造中許多必須用實(shí)物來進(jìn)行判斷、評估及確認(rèn)的工作，予以摒棄.同時(shí)，該技術(shù)將根據(jù)產(chǎn)品，自動(dòng)生成一套精準(zhǔn)的設(shè)置，從而對產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)展開定義、模擬和優(yōu)化，正是有了這種精確、有效的輔助決策，才會(huì)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中及時(shí)的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在問題，從而很好的規(guī)避制造設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，在以保證研制質(zhì)量為前提的基礎(chǔ)上，極大的降低研制時(shí)間.三維模型的設(shè)計(jì)圖分成清晰，工藝人員非常容易掌握，對設(shè)計(jì)的意圖也非常明確，將這種設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)成制造工藝模型投入使用，將推動(dòng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)水平不斷提高.

2.1 基于三維數(shù)模的產(chǎn)品定義

產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式中所由的產(chǎn)品定義信息都是建立在以三維模型做核心組織的基礎(chǔ)上展現(xiàn)出來的，而這些信息涵蓋了產(chǎn)品尺寸和公差，還有技術(shù)和制造工藝等各方面的要求等，這種設(shè)計(jì)模式就是人們口中所說的MBD技術(shù).三維模型是在PDM系統(tǒng)的統(tǒng)一管理模式下，來進(jìn)行信息發(fā)布及傳送.通常，工藝員在獲得三維模型后，按照設(shè)計(jì)的要求，采用工藝設(shè)計(jì)、NC編程、加工仿真及虛擬裝配等軟件，展開工藝設(shè)計(jì)與仿真剖析等工作.三維模型都是借助模型轉(zhuǎn)換技術(shù)將相應(yīng)的信息直觀的傳送到其他應(yīng)用系統(tǒng)中，該模型一般不進(jìn)行修改就可以直接使用.但是在實(shí)踐中，三維模型的使用情況并不樂觀，其他專業(yè)在使用三維模型時(shí)，一般都不可以直接使用，需要進(jìn)行某些修改才能在其他專業(yè)上使用.而修正工作較大的，無疑于模型重建工作量不相上下.所以，要解決這一難題，應(yīng)當(dāng)使制定環(huán)節(jié)趨于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，做好預(yù)先工作以確保三維模型的質(zhì)量.

2.2 基于三維模型的工程分析優(yōu)化

產(chǎn)品的三維模型在進(jìn)行并行定義過程中，對數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)工具軟件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、電磁、冷熱等，都可以展開全面系統(tǒng)的分析，從而提高設(shè)計(jì)的分析效率與質(zhì)量，推動(dòng)產(chǎn)品研制能力不斷優(yōu)化和提高.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)想要進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)借助數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)工具的支持和幫助.不管是建立單一的數(shù)字化輔助工具或多個(gè)工具的組合，還是打造工程中專業(yè)的數(shù)字化開發(fā)軟件和系統(tǒng)，及創(chuàng)建貫徹產(chǎn)品開發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化產(chǎn)品的開發(fā)體系，建成一體化的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)這一切都需要建模與仿真工具的支持，只有在數(shù)字化工具的優(yōu)化分析之下，才能進(jìn)一步完善產(chǎn)品的三維模型.

2.3 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)通常指的是工藝設(shè)計(jì)者按照相關(guān)部門提供的信息，如BOM、三維模型、技術(shù)等各方面的要求展開三維工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后再借助三維仿真技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和考證工作，檢驗(yàn)結(jié)果為合格，方能進(jìn)行下面的三維工藝規(guī)程編制工作，編制成功后交由操作及檢驗(yàn)人員應(yīng)用.三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)方法運(yùn)用過程中，通常是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作與三維工藝設(shè)計(jì)、分析工作同步進(jìn)行，這樣做的目的是為了在設(shè)計(jì)過程中，如果出現(xiàn)漏洞和瑕疵可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并迅速做出更正，這樣可以將研制時(shí)間縮短，同時(shí)又確保了產(chǎn)品研制的質(zhì)量.

2.4 基于仿真的三維工藝驗(yàn)證與優(yōu)化

以往產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)方法較為落后，工藝人員的創(chuàng)新不能得到充分發(fā)揮.直到最近幾年，工藝師以三維裝配工藝為主的驗(yàn)證及優(yōu)化技術(shù)才得到快速的發(fā)展.將這一技術(shù)使用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，不但能及時(shí)的察覺設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些干預(yù)裝配，同時(shí)對零部件的安裝順序、路徑及使用工具展開檢驗(yàn)，還可以分析裝配是否正確，研究并預(yù)測安裝時(shí)的順序變化及元件制造形成的誤差對裝配方案是否有影響.同時(shí)還可以在安裝產(chǎn)品實(shí)物之前，按照其物理特征，將裝配中的精準(zhǔn)信息設(shè)計(jì)成仿真模型，對產(chǎn)品的制作工藝和工裝等設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，以便實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的缺陷和漏洞，真正達(dá)到降低更改設(shè)計(jì)及工藝的目的，進(jìn)一步確保產(chǎn)品的裝配質(zhì)量.

2.5 三維工藝信息在車間的集成應(yīng)用

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展和MBD制造模式的大力使用，淘汰了原先的二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝的指示，全部改為應(yīng)用三維產(chǎn)品模型及工藝數(shù)據(jù)和工裝模型.目前，在產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，工作人員在進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)時(shí)，將三維產(chǎn)品模型定義為最重要的技術(shù)依據(jù).在車間組合應(yīng)用三維工藝信息的過程中，應(yīng)當(dāng)予以處理好兩點(diǎn)技術(shù)難題，其一，制造的三維模型盡可能的更輕盈，減少資源損耗，其二，三維工藝的發(fā)布與集成應(yīng)用，對車間的操作人員提出了更高的要求.三維數(shù)字化是最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，因此在車間應(yīng)用進(jìn)行瀏覽時(shí)，操作員不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品制造的工藝數(shù)據(jù)、圖紙解說與產(chǎn)品制造的全部過程操作熟練、快速瀏覽，并對產(chǎn)品三維模型也可以進(jìn)行嫻熟的查閱.

2.6 基于MBD的數(shù)字化檢測技術(shù)

想要確保產(chǎn)品的質(zhì)量，需要有精確、高效的檢測技術(shù)做依托.以往使用的手工檢測，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)因受到檢驗(yàn)設(shè)計(jì)人員與檢測人員身體素質(zhì)、技術(shù)水平、工作狀態(tài)等條件因素的影響，導(dǎo)致使用的檢驗(yàn)規(guī)劃沒有一定的規(guī)范性和統(tǒng)一化，在檢測中經(jīng)常發(fā)生漏檢、錯(cuò)檢，往往需要一再的反復(fù)檢測也不能完全確保產(chǎn)品的質(zhì)量.但借助自動(dòng)檢測系統(tǒng)，再加上合理、有效的措施和手段，使這種難題得以圓滿解決.自動(dòng)檢測系統(tǒng)通過三維CAD模型獲得檢測信息后，會(huì)自動(dòng)生成最優(yōu)的檢測規(guī)劃，同時(shí)獲得控制代碼，最后使用尺寸測量裝置對模型進(jìn)行測量.不僅如此，自動(dòng)檢測系統(tǒng)測量完成后，將測量數(shù)據(jù)直接提供到三維CAD系統(tǒng)，再由該系統(tǒng)進(jìn)行甄斷實(shí)踐中所使用的零件是否與設(shè)計(jì)要求相符，從而掌控下面的加工工作.所以，在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)中，數(shù)字化檢測技術(shù)同樣重要.

3 結(jié)語

就目前而言，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是一種領(lǐng)先的科學(xué)技術(shù)，在整個(gè)制造行業(yè)占據(jù)相當(dāng)重要的位置，應(yīng)用于各種產(chǎn)品的研發(fā)及制作中，是不可替代、缺少的技術(shù)手段.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的普及應(yīng)用，推動(dòng)了制造行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，通過創(chuàng)新研制方式和制造環(huán)節(jié)，不但使產(chǎn)品的制造技術(shù)得到提升，更保障了產(chǎn)品的質(zhì)量、提高了制造效率、減少了制作材料的損耗，為制造企業(yè)的發(fā)展保駕護(hù)航.

〔1〕周秋忠,郭具濤,徐萬洪.基于MBD的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn) [J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2016(12): 107-109+112.

〔2〕周國奎,張帆,張慎滿,曾祥忠.靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪通報(bào),2015(08):105-109.

TD353

A

1673-260X（2017）04-0036-02

2017-02-24

2016年度安徽省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（16030901029）；《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2015-2018年）》任務(wù)和項(xiàng)目承接（RW-38，XM-06）