基于C3P的工藝設(shè)計(jì)模式的創(chuàng)新

唐偉+吳威+陳袁恒+李勇

摘要： 分析了C3P環(huán)境下工藝人員角色的轉(zhuǎn)換，建議工藝人員在概念設(shè)計(jì)階段就介入產(chǎn)品設(shè)計(jì)，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估；分析了3D環(huán)境下工藝設(shè)計(jì)的輸入與輸出，并建議以PDM中的數(shù)據(jù)作為工藝設(shè)計(jì)的唯一數(shù)據(jù)源；介紹了SolidWorks環(huán)境下機(jī)加工工藝、鈑金工藝、焊接件工藝的顛覆式創(chuàng)新，介紹了基于圖解和動(dòng)畫的裝配工藝設(shè)計(jì)及車間看圖系統(tǒng)。

Abstract： This paper analyzes the conversion of the role of the technician in the C3P environment. It is suggested that the technician should be involved in the product design at the conceptual design stage and evaluate the design in time. The input and output of the process design in the 3D environment are analyzed and the data in the PDM Design is considered as the only data source； the subversive innovation of the machining process， sheet metal technology and welding parts under SolidWorks environment and the assembly process design and workshop diagram system based on the graphic and animation are introduced.

關(guān)鍵詞： C3P技術(shù)；工藝設(shè)計(jì)；裝配工藝；看圖系統(tǒng)

Key words： C3P technology；process designing；assembly processing；picture system

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）21-0103-03

0 引言

C3P是CAD/CAM/CAE/PDM的簡(jiǎn)稱，C3P技術(shù)是美國福特公司在1993年至1996年期間創(chuàng)立的一個(gè)基于3D的產(chǎn)品研發(fā)平臺(tái)，隨后的幾年間，C3P技術(shù)在全球主流汽車制造廠獲得推廣應(yīng)用。盡管具有前瞻性的企業(yè)都在積極推廣C3P技術(shù)，但其產(chǎn)品研發(fā)模式和制造模式還停留在二維工程圖模式下，三維CAD軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用是彼此孤立的，模型之間沒有關(guān)聯(lián)，工藝設(shè)計(jì)時(shí)常需要重新建模，C3P技術(shù)的優(yōu)勢(shì)沒有充分發(fā)揮。探索基于C3P的工藝設(shè)計(jì)模式具有重要意義。

1 工藝部門的角色定位

1.1 設(shè)計(jì)評(píng)估

對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝審核，評(píng)估零件的可制造、裝配體的可裝配性、制造的效率和成本是工藝部門的重要工作。在串行設(shè)計(jì)模式下，若沒有DFX評(píng)估工具，很難對(duì)零件的可制造性、制造成本進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，只能糾正產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的非常低級(jí)的錯(cuò)誤。

C3P技術(shù)環(huán)境下，設(shè)計(jì)人員與工藝人員之間的交流可以通過PDM系統(tǒng)完成，工藝人員可以實(shí)時(shí)了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)的狀態(tài)及設(shè)計(jì)成果。建議在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)完成后就要進(jìn)行工藝審核，在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前就要確定零件的加工方式，因?yàn)樵谌SCAD環(huán)境下，不同的加工方式其零件的建模方法是不同；同時(shí)采用DFX工具對(duì)設(shè)計(jì)的可制造性及制造成本進(jìn)行評(píng)估，還有一些專業(yè)的工藝仿真軟件如薄板沖壓仿真軟件、鑄造凝固模擬軟件可以模擬制造過程并給出零件優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行工藝評(píng)審，可以在設(shè)計(jì)的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，減少修改工作量，屬于事中控制。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和工藝裝備設(shè)計(jì)的總稱。工藝規(guī)程設(shè)計(jì)包括零部件的工藝規(guī)劃，工藝路線設(shè)計(jì)卡、零件制造工藝過程卡和工序卡、部件和產(chǎn)品裝配工藝卡的編制；工藝裝備設(shè)計(jì)包括刀具與檢具設(shè)計(jì)、夾具與模具設(shè)計(jì)、加工設(shè)備設(shè)計(jì)。

在C3P技術(shù)環(huán)境下，推行基于3D模型的工藝規(guī)劃、工序卡制作、可視化裝配工藝，才能最大化利用3D模型資源，提高工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。我們把產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員構(gòu)建的、用于描述產(chǎn)品零部件功能要求的3D模型稱為產(chǎn)品模型，產(chǎn)品模型是零部件制造與裝配的依據(jù)。把工藝規(guī)劃過程中，有工藝人員構(gòu)建的、用于描述加工過程中零件狀態(tài)的3D模型稱為工藝模型，如鍛造件毛坯模型、焊接件毛坯模型、數(shù)控加工模型等。

C3P技術(shù)環(huán)境下對(duì)工藝人員的技能提出了更高的要求。最基本的技能是掌握三維CAD軟件的使用，能夠靈活應(yīng)用三維CAD中的配置設(shè)計(jì)和派生設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行工藝規(guī)劃并構(gòu)建加工過程中的工藝模型。根據(jù)專業(yè)的不同，還應(yīng)該掌握相應(yīng)的CAM軟件、DFX軟件和工藝仿真軟件，比如從事薄板沖壓工藝的人員應(yīng)該掌握薄板沖壓模擬軟件，從事焊接工藝的人員應(yīng)該掌握焊接工藝仿真軟件。

1.3 工藝設(shè)計(jì)的輸入與輸出

C3P技術(shù)環(huán)境下，工藝設(shè)計(jì)的輸入數(shù)據(jù)除了工程圖，還必須有3D模型和設(shè)計(jì)BOM。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的交付物必須存儲(chǔ)在PDM系統(tǒng)中，以便保證唯一數(shù)據(jù)源。工藝設(shè)計(jì)的輸入數(shù)據(jù)只能從PDM中獲取，紙質(zhì)的技術(shù)文檔僅作參考。

在工藝設(shè)計(jì)中會(huì)產(chǎn)生許多過程文件，比如描述加工過程中零件狀態(tài)的工藝模型，制作裝配工藝的圖片或動(dòng)畫，產(chǎn)品的工藝評(píng)審報(bào)告、工藝仿真分析報(bào)告等，這些過程文件也必須保存在PDM系統(tǒng)中。

C3P技術(shù)環(huán)境下工藝設(shè)計(jì)的輸出數(shù)據(jù)除了傳統(tǒng)的工藝過程卡、工序卡之外，一般還需要提供鍛造件毛坯模型；焊接件毛坯模型；數(shù)控加工模型及數(shù)控程序代碼，裝配工藝采用動(dòng)畫表達(dá)更為清楚。無紙化生產(chǎn)已經(jīng)是大勢(shì)所趨，工藝設(shè)計(jì)的輸出數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在PDM中，生產(chǎn)部門通過“車間看圖系統(tǒng)”查閱工藝文件。

2 零件的加工工藝

2.1 基于3D的工藝規(guī)劃

隨著三維CAD的普及，工藝設(shè)計(jì)也開始遷移到三維平臺(tái)上來?；?D模型進(jìn)行工藝規(guī)劃更加方便，為了更加清晰地描述制造過程，需要建立關(guān)鍵工序的工藝模型，最典型的工藝模型如零件的鑄造毛坯模型、焊接件毛坯模型、數(shù)控編程用的過程模型。二維工藝設(shè)計(jì)模式下一般不提供鑄造毛坯圖、焊接件毛坯圖、鈑金件展開圖，因?yàn)樵诙SCAD環(huán)境下，提供這些工藝模型是非常費(fèi)時(shí)。SolidWorks的配置設(shè)計(jì)功能可以用一個(gè)文件描述零件的產(chǎn)品模型和各個(gè)工藝過程的工藝模型。以設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過壓縮一些特征（機(jī)加工），或添加一些特征（毛坯余量）可以非常方便地生成各個(gè)工藝過程的工藝模型。

當(dāng)把3D模型轉(zhuǎn)化為2D工程圖時(shí)，就在產(chǎn)品制造流程中制造了一個(gè)斷層，而且這個(gè)斷層將消耗大量的成本。首先把3D模型轉(zhuǎn)化為2D工程圖是一項(xiàng)艱巨的工作，把3D模型中包含的制造信息無遺漏的傳達(dá)到工程圖需要設(shè)計(jì)師具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心；后續(xù)制造過程中又需要把2D工程圖工序轉(zhuǎn)化為3D模型，而且該過程很容易產(chǎn)生理解歧義而導(dǎo)致錯(cuò)誤。SolidWorks MBD提供了基于3D模型的制造解決方案，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中尺寸標(biāo)注是根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)標(biāo)注的，在SolidWorks MBD只需要指定零件的加工基準(zhǔn)，可以自動(dòng)將基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)標(biāo)注的尺寸轉(zhuǎn)換為基于制造基準(zhǔn)的尺寸標(biāo)注。

2.2 機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)加工設(shè)備已經(jīng)被數(shù)控機(jī)床或加工中心取代，數(shù)控機(jī)床加工代碼的編程成為機(jī)加工工藝中最關(guān)鍵的技術(shù)。在機(jī)床的操作界面上可以完成一些簡(jiǎn)單的數(shù)控編程，完成一些簡(jiǎn)單特征的加工；復(fù)雜零件（如葉輪、型腔模具的型芯、型腔）的加工必須采用專業(yè)的CAM軟件進(jìn)行編程。SolidWorks 軟件中的配置設(shè)計(jì)可以方便地根據(jù)3D產(chǎn)品模型生成數(shù)控加工編程所需的工藝模型，目前主流的CAM軟件廠商都開發(fā)了與SolidWorks 深度集成的CAM插件，可以在統(tǒng)一的界面下完成數(shù)控代碼的編程。

現(xiàn)在基于特征識(shí)別的數(shù)控加工軟件非常流行，這類軟件需要事先對(duì)刀具庫、各種典型特征的加工策略、加工工藝參數(shù)進(jìn)行定制，編程時(shí)非常智能，軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)工藝模型進(jìn)行特征識(shí)別，根據(jù)內(nèi)置的加工策略自動(dòng)生成數(shù)控代碼，CAM軟件可以自動(dòng)生成數(shù)控加工工序的工序卡片。CAMWorks就是一款非常智能的、集成于SolidWorks界面下的特征識(shí)別加工軟件?？梢园言贑AM軟件中定義的典型工藝特征移植到SolidWorks的特征庫中，從而通過工藝的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。

2.3 鈑金件工藝設(shè)計(jì)

鈑金工藝設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的工作是下料展開圖，在二維環(huán)境下出折彎件的下料展開圖都是非常困難的，拉延件的下料圖根本出不了，只能在生產(chǎn)中反復(fù)拼湊。SolidWorks中有專業(yè)的鈑金件設(shè)計(jì)模塊，對(duì)于折彎件只需指定中性層系數(shù)就可以自動(dòng)生成下料展開圖；對(duì)于拉延件則需要通過薄板沖壓成型仿真軟件計(jì)算下料展開圖。

大型覆蓋件的模具設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，需要通過薄板沖壓成型仿真軟件模擬沖壓過程，評(píng)估拉延過程中是否會(huì)產(chǎn)生起皺、拉裂缺陷。鈑金件上的許多特征，如孔、凸臺(tái)、加強(qiáng)筋、百葉窗，是需要通過模具成型的，把沖壓模具的成型部分移植到SolidWorks的特征庫中，也可以通過工藝的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4 焊接件工藝設(shè)計(jì)

SolidWorks提供了一個(gè)很好的焊接件設(shè)計(jì)工具——焊接特征，使用接頭裁剪、角撐板、頂端蓋等焊接工具能高效率地進(jìn)行焊接件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后能自動(dòng)生成切割清單。插入焊接特征后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成兩個(gè)默認(rèn)配置：一個(gè)父配置是“按加工”，描述零件的設(shè)計(jì)需求，一個(gè)派生配置是“按焊接”，描述焊接件的毛坯形態(tài)。

在SolidWorks焊接件設(shè)計(jì)模塊中可以對(duì)用于焊接的塊料開坡口、添加真實(shí)的焊縫。在專業(yè)的焊接分析軟件中模擬焊接過程，評(píng)估焊接質(zhì)量和殘余應(yīng)力；也可以在SolidWorks Simulation中對(duì)焊接件的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

3 可視化裝配工藝

3.1 基于圖解的裝配工藝

在表達(dá)裝配工藝時(shí)，圖比文字更有說服力，三維立體圖比二維工程圖更容易理解。傳統(tǒng)的裝配工藝以文字描述為主，輔以二維圖加以說明，也有采用照片進(jìn)行輔助說明的，這種裝配工藝閱讀和理解困難，外觀質(zhì)量差。采用三維CAD軟件后，一些企業(yè)采用三維CAD軟件的三維爆炸圖描述產(chǎn)品的裝配關(guān)系，但是這種爆炸圖只能描述的裝配體的組成，沒有描述裝配關(guān)系的標(biāo)識(shí)符。

SolidWorks Composer是一款制作3D圖解和交互式動(dòng)畫的軟件，該軟件可直接讀取市面上主流三維CAD軟件的3D模型，制作精美的3D圖解圖片。SolidWorks Composer提供了許多操作符號(hào)，可以更清楚地表達(dá)零部件之間的裝配關(guān)系，生成的圖片文件可以是矢量文件、或者選擇高分辨率的圖片。使用SolidWorks Composer可以制作表達(dá)零部件裝配關(guān)系的圖片，嵌入到裝配工藝卡片中，就形成了基于圖解的裝配工藝。

3.2 基于交互式動(dòng)畫的裝配工藝

表達(dá)產(chǎn)品裝配關(guān)系最有效的媒介當(dāng)屬動(dòng)畫。SolidWorks Composer是一款面向工程的動(dòng)畫軟件，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以制作交互式動(dòng)畫（見圖1），所謂交互式動(dòng)畫是指在動(dòng)畫的播放過程中，你可以暫停動(dòng)畫，對(duì)畫面進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、從各種角度以任意比例觀察產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)（見圖2）。SolidWorks Composer可以直接讀取主流CAD系統(tǒng)創(chuàng)建的3D模型，不需要重新建模，生成的交互式動(dòng)畫可以嵌入到PPT、Word、PDF文檔中，點(diǎn)擊即可播放動(dòng)畫。SolidWorks Composer提供了豐富的 Advanced ActiveX API，可用于工藝管理的開發(fā)。

湘電風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的骨干廠商，為了使裝配工藝更加精細(xì)化，選擇SolidWorks Composer制作裝配工藝文檔，包括工廠內(nèi)部的典型部件裝配工藝（用于裝配車間）、陸上運(yùn)輸工藝、風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)吊裝工藝（用于風(fēng)場(chǎng)）。關(guān)鍵部件可視化裝配工藝包括車間裝配工位及車間裝配環(huán)境的描述，關(guān)鍵裝配工位的工具清單和裝備清單描述，輪轂、機(jī)艙、發(fā)電機(jī)等核心部件裝配工藝的動(dòng)畫展示。風(fēng)機(jī)產(chǎn)品陸上運(yùn)輸工藝包括大型零部件（如葉片）運(yùn)輸過程中零部件在車上的安裝與固定，運(yùn)輸過程中典型路況的處理。風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)吊裝工藝包括現(xiàn)場(chǎng)的吊裝方法和零部件的安裝方法，以及關(guān)鍵工序的注意事項(xiàng)。

3.3 車間看圖系統(tǒng)

以動(dòng)畫形式呈現(xiàn)的裝配工藝只能在電腦、手機(jī)等電子設(shè)備上觀看。裝配工藝動(dòng)畫通常以裝配工位為單位進(jìn)行制作，即每個(gè)裝配工位上的操作制成一個(gè)小動(dòng)畫，這樣一個(gè)部件的裝配工藝就由很多個(gè)小動(dòng)畫組成，要查看一個(gè)部件的裝配工藝需要查閱多個(gè)小動(dòng)畫。在車間裝配現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)裝配工位需要根據(jù)工作指令查閱相關(guān)的裝配工藝，所以需要有一個(gè)車間看圖系統(tǒng)對(duì)裝配工藝進(jìn)行有序的管理，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)能夠根據(jù)生產(chǎn)指令號(hào)、名稱或物料代碼快速查找、觀看對(duì)應(yīng)的裝配工藝。

長(zhǎng)沙凱士達(dá)信息技術(shù)有限公司基于SolidWorks Enterprise PDM開發(fā)的車間看圖系統(tǒng)可以在車間現(xiàn)場(chǎng)查閱PDM中存儲(chǔ)的各種技術(shù)文件、包括產(chǎn)品的3D模型、工程圖、工藝卡片、可視化裝配工藝。根據(jù)權(quán)限的不同，可以查閱特定工序的裝配工藝或全部的裝配工藝。

4 結(jié)論

C3P技術(shù)將徹底顛覆傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造模式，2D環(huán)境下許多無法實(shí)現(xiàn)的工藝設(shè)計(jì)在3D環(huán)境下變得輕而易舉；在PDM平臺(tái)下設(shè)計(jì)師與工藝師之間的交流更加通暢，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的并行與協(xié)同成為可能；車間無紙化生產(chǎn)已經(jīng)成為趨勢(shì)。C3P技術(shù)中蘊(yùn)含的現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想和制造哲理在二維CAD環(huán)境下無法實(shí)現(xiàn)，只有在三維CAD環(huán)境下才能落地，只有挖掘并應(yīng)用了這些先進(jìn)制造理念，C3P技術(shù)的優(yōu)勢(shì)才得到了體現(xiàn)，所以C3P技術(shù)的應(yīng)用不僅僅是一個(gè)技術(shù)問題，同時(shí)也是一個(gè)管理問題和哲學(xué)問題。

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