基于達索3D體驗平台的數字化制造解決方案探讨

Writer： 華星信息技術 更新時(shí)間：2020-03-27 13:22

1、引言
随着信息技術的發展，三維建模、數字樣機技術日益成熟。以三維數字化爲基礎的現(xiàn)代設計(jì)制造技術正在改變着傳統的産品研制方式，并行設計(jì)制造一體化的模式正在形成。在全球化背景下(xià)，企業競争加劇(jù)，客戶多樣性需求不斷增強，以往“重設計(jì)、輕工(gōng)藝”的傳統企業需要逐步建立和(hé)完善統一的協同設計(jì)和(hé)管理(lǐ)平台，應對(duì)全球化的挑戰。

在傳統的研發流程中，由于缺乏統一的平台，産品設計(jì)和(hé)工(gōng)藝設計(jì)大(dà)都采用(yòng)串行的工(gōng)作(zuò)模式，産生大(dà)量的重複叠代的過程。達索3D體驗平台能(néng)夠爲企業管理(lǐ)人員、設計(jì)人員、制造人員、服務人員、供應商等不同角色用(yòng)戶提供單一數據源、三維數據共享和(hé)并行的協同設計(jì)環境。本文(wén)主要結合達索3D體驗平台提供的一系列結構化、可視(shì)化的專業工(gōng)具軟件和(hé)信息管理(lǐ)平台的功能(néng)應用(yòng)，對(duì)協同設計(jì)過程中的工(gōng)藝規劃、工(gōng)藝設計(jì)、工(gōng)藝仿真、工(gōng)藝管理(lǐ)過程解決方案進行探讨。

2、基于3D體驗的數字化制造業務流程

數字化制造是圍繞着産品的全生命周期開(kāi)展的活動，設計(jì)部門(mén)開(kāi)展産品結構和(hé)功能(néng)設計(jì)的同時(shí)，工(gōng)藝部門(mén)始終要關注産品“能(néng)否制造”和(hé)“如何制造”的問題。如下(xià)圖1所示，基于達索3D體驗協同平台的産品研發的過程中，産品設計(jì)和(hé)工(gōng)藝設計(jì)可以分别創建爲獨立的子項目進行管理(lǐ)，貫穿在研發周期的不同階段。

圖1.  基于3D體驗的數字化制造業務流程

基于3D體驗平台的數字化制造業務流程可以概括爲以下(xià)幾個步驟：
1) 項目啓動，在項目主計(jì)劃之下(xià)分别創建産品設計(jì)和(hé)工(gōng)藝設計(jì)子計(jì)劃；
2) 設計(jì)師從(cóng)3D體驗平台接收到(dào)任務後開(kāi)始相關設計(jì)，當設計(jì)達到(dào)一定成熟度，可爲下(xià)遊工(gōng)藝和(hé)性能(néng)分析提供依據時(shí)，将設計(jì)數據預發放(fàng)，工(gōng)藝人員、分析工(gōng)程師可以在協同平台上(shàng)浏覽設計(jì)數據；
3) 工(gōng)藝部門(mén)根據設計(jì)預發放(fàng)的數據進行工(gōng)藝評估，包括工(gōng)藝規範性檢查、工(gōng)藝風(fēng)險評估、是否采用(yòng)新工(gōng)藝以及工(gōng)裝初步方案等；在工(gōng)藝評估過程中如發現(xiàn)任何問題或者風(fēng)險，工(gōng)藝工(gōng)程師可通過協同平台與設計(jì)工(gōng)程師進行在線交流，對(duì)于需要進行跟蹤的問題，可以在協同平台中創建、跟蹤、反饋問題及相關解決方案；
4) 工(gōng)藝部門(mén)從(cóng)3D體驗協同平台中獲取經過設計(jì)評審和(hé)工(gōng)藝會(huì)簽後正式發布的設計(jì)數據，包括三維模型和(hé)EBOM數據，在3D體驗平台環境中開(kāi)展工(gōng)藝規劃，根據EBOM和(hé)三維模型創建PBOM，編制系統工(gōng)藝路線；
5) 工(gōng)藝部門(mén)根據産品系統工(gōng)藝路線，同步創建與之相關聯的系統工(gōng)藝設計(jì)任務WBS，明(míng)确各專業任務分工(gōng)；各專業工(gōng)藝主管接到(dào)工(gōng)藝任務後，進一步進行工(gōng)藝分工(gōng)，将專業工(gōng)藝設計(jì)任務分配到(dào)具體的工(gōng)藝人員進行專業工(gōng)藝的編制；
6) 工(gōng)藝工(gōng)程師接收到(dào)系統分配的任務，展開(kāi)與之關聯的工(gōng)藝任務，進行詳細的工(gōng)藝設計(jì)，工(gōng)藝評審，編制工(gōng)藝文(wén)檔并發放(fàng)到(dào)制造現(xiàn)場；
在協同設計(jì)的過程中，工(gōng)藝設計(jì)任務的發放(fàng)、審批流程、工(gōng)程更改策略等根據實際的業務需求可以在3D體驗平台中集中管理(lǐ)。


3、3D體驗數字化制造關鍵技術

3.1 3D體驗統一的實時(shí)協同平台
達索3D體驗平台全面整合了(le)CATIA/DELMIA/ENOVIA等軟件産品，形成了(le)統一的設計(jì)過程數據源、統一的設計(jì)視(shì)圖、并行的實時(shí)協同平台。如圖2所示，分散在不同地域的企業管理(lǐ)人員、設計(jì)人員、制造人員、服務人員、供應商等不同角色用(yòng)戶都能(néng)夠共享單一數據源和(hé)并行的協同設計(jì)環境。
圖2.  3D體驗統一的實時(shí)協同平台


3.2 3D體驗的PPR模型
在3D體驗統一的設計(jì)視(shì)圖環境中，不同的用(yòng)戶角色和(hé)操作(zuò)都會(huì)對(duì)應管理(lǐ)相應的數據模型，設計(jì)工(gōng)程師管理(lǐ)的是反映産品裝配位置關系和(hé)三維幾何特征的數據模型“Product（産品）”，也(yě)就是裝配和(hé)零件的集合；如下(xià)圖3 所示工(gōng)藝設計(jì)人員管理(lǐ)的PPR數據模型，模型不僅包含“Product（産品）”數據節點，還包含工(gōng)藝規劃過程的“Process（工(gōng)藝）”節點和(hé)制造相關的“Logical/Physical Resource（資源）”節點。

3D體驗 PPR數據模型的組織結構使得工(gōng)藝工(gōng)程師能(néng)夠和(hé)設計(jì)工(gōng)程師在統一的視(shì)圖環境中構建工(gōng)藝相關的數據節點，而不會(huì)對(duì)産品數據造成影響，然後再将産品和(hé)工(gōng)藝的節點進行内部關聯，開(kāi)展詳細工(gōng)藝設計(jì)。PPR數據模型中構建的所有工(gōng)藝和(hé)資源節點，如制造裝配（Manufacturing Assembly）、工(gōng)序操作(zuò)（Loading Operation）都作(zuò)爲标準數據對(duì)象，可以在3D體驗平台中獨立保存、查找和(hé)加載。
圖3.  3D體驗的PPR模型


3.3 基于MBD技術的全三維設計(jì)-工(gōng)藝-制造協同
MBD（Model-Based-Definition，基于模型的工(gōng)程定義）技術改變了(le)傳統的通過三維模型描述幾何形狀信息，用(yòng)二維工(gōng)程圖紙(zhǐ)來(lái)定義零件尺寸、公差和(hé)工(gōng)藝信息的分步産品數字化定義方法；MBD技術将三維模型作(zuò)爲信息的唯一載體，産品的設計(jì)、工(gōng)藝、制造、檢驗等都将在三維環境下(xià)完成，它的優勢可以體現(xiàn)在：
a)提供單源産品定義，消除3D和(hé)2D圖紙(zhǐ)間存在的不一緻的潛在風(fēng)險；
b)減少下(xià)遊人員（工(gōng)藝、制造、市場、服務等）對(duì)模型的理(lǐ)解時(shí)間和(hé)偏差；
c)和(hé)CAD工(gōng)具配合使用(yòng)可以規範、自(zì)動化數據集的輸入，并進行公差分析；
d)可以在産品開(kāi)發流程的早期獲取設計(jì)意圖，極大(dà)地支持并行工(gōng)程。
如下(xià)圖4所示，MBD技術在裝配和(hé)機加工(gōng)藝過程中的應用(yòng)實例：
圖4. MBD技術在裝配和(hé)機加工(gōng)藝應用(yòng)示例


3.4 3D體驗制造資源庫和(hé)工(gōng)藝模闆庫
Catalog（庫）作(zuò)爲工(gōng)藝協同設計(jì)平台重要的組成部分，除包含标準機器人庫、人體姿态庫等常用(yòng)資源庫之外(wài)，還能(néng)夠方便創建和(hé)管理(lǐ)多種類型對(duì)象的庫文(wén)件，從(cóng)而實現(xiàn)知(zhī)識和(hé)經驗的積累，加速工(gōng)藝設計(jì)過程；工(gōng)藝路線模闆和(hé)加工(gōng)特征模闆對(duì)同一類型或具有相似加工(gōng)特征的零部件，建立典型工(gōng)藝路線模闆和(hé)特征模闆，如圖5所示，工(gōng)藝設計(jì)過程中實現(xiàn)快(kuài)速調用(yòng)；
圖5.  典型工(gōng)藝模闆
4、3D體驗數字化制造解決方案及案例說明(míng)

如前文(wén)所述，工(gōng)藝部門(mén)從(cóng)3D體驗協同平台中獲取到(dào)經過設計(jì)評審和(hé)工(gōng)藝會(huì)簽後正式發布的三維模型和(hé)EBOM數據，在3D體驗環境中開(kāi)展工(gōng)藝規劃和(hé)設計(jì)。如下(xià)圖6所示，裝配工(gōng)藝人員首先根據産品的工(gōng)藝屬性，在EBOM和(hé)三維模型的基礎上(shàng)進行BOM重構：去除虛拟件、增加工(gōng)藝組件，定義零部件的裝配順序、操作(zuò)工(gōng)步的内容，分配場地或者工(gōng)位資源，增加工(gōng)藝物料等信息，BOM重構的過程包含了(le)PBOM、工(gōng)藝路線和(hé)MBOM的形成。對(duì)于單個零件，加工(gōng)工(gōng)藝路線可能(néng)需要包含毛坯材料準備、熱處理(lǐ)、數控加工(gōng)等多道(dào)工(gōng)序步驟，工(gōng)藝人員可以根據任務分工(gōng)，細化相關的工(gōng)藝節點。 圖6.  3D體驗工(gōng)藝設計(jì)和(hé)規劃解決方案

在工(gōng)藝設計(jì)和(hé)規劃的基礎上(shàng)，工(gōng)藝人員繼續開(kāi)展工(gōng)藝仿真、工(gōng)時(shí)分析、線平衡等工(gōng)作(zuò)。接下(xià)來(lái)，本章将對(duì)3D體驗數字化制造裝配工(gōng)藝流程舉例說明(míng)。

4.1 根據EBOM和(hé)3D數模進行BOM重構，創建初始MBOM（或稱之爲PBOM）

工(gōng)藝人員在DELMIA窗口中搜索和(hé)加載産品的EBOM和(hé)3D數模（NX、Creo等其它3D CAD軟件創建的三維裝配和(hé)零件模型可以通過達索3D體驗數據轉換接口直接讀入），根據零部件工(gōng)藝屬性創建工(gōng)藝組/合件，然後通過零件分配工(gōng)具或手工(gōng)拖拽的方式将零件分配到(dào)對(duì)應的工(gōng)藝組件中，如下(xià)圖7所示，形成3D可視(shì)化裝配工(gōng)藝結構樹，PPR數據模型樹中EBOM和(hé)初始MBOM并列。

圖7.  3D體驗初始MBOM創建


4.2 創建和(hé)編輯工(gōng)藝路線
EBOM重構形成了(le)初始的MBOM，工(gōng)藝人員結合企業内部制造場地（site）和(hé)工(gōng)位資源（station）的分布情況，将制造組件和(hé)零部件分别分配到(dào)對(duì)應的場地資源上(shàng)去；如下(xià)圖8所示，将其中的一個裝配組件分配到(dào)兩個site上(shàng)進行分裝和(hé)總成，形成了(le)産品的裝配工(gōng)藝路線；對(duì)于零件加工(gōng)工(gōng)藝路線，可以在工(gōng)藝分工(gōng)之後進一步細化，如材料準備、熱處理(lǐ)、數控加工(gōng)等工(gōng)序步驟。此處的Site是Logical對(duì)象，在PPR數據模型中代表物理(lǐ)場地和(hé)工(gōng)位。
圖8.  3D體驗工(gōng)藝路線編輯

4.3 分發和(hé)接收工(gōng)藝任務
産品的裝配工(gōng)藝路線在3D體驗平台中定義完成之後，還需要将不同專業的工(gōng)作(zuò)分配到(dào)專門(mén)的工(gōng)程師負責，并能(néng)夠監控工(gōng)藝的進展情況；在此可以将DELMIA創建的工(gōng)藝路線自(zì)動轉換爲項目WBS任務，同時(shí)，工(gōng)藝任務和(hé)負責人等屬性都自(zì)動與WBS關聯；如下(xià)圖9所示，在ENOVIA窗口中可以分發和(hé)監控任務的完成進度，當用(yòng)戶登錄接收到(dào)通知(zhī)系統時(shí)，可以查看(kàn)自(zì)己的任務節點。 圖9.  3D體驗工(gōng)藝任務分發和(hé)管理(lǐ)

4.4 詳細工(gōng)藝設計(jì)和(hé)仿真驗證
工(gōng)藝人員接收到(dào)任務，在DELMIA窗口中加載相關的産品數模和(hé)工(gōng)序信息，估算(suàn)工(gōng)時(shí)并完成負載平衡分析，然後可以調入工(gōng)裝和(hé)夾具三維數模，仿真驗證各零部件的裝配路徑，确定産品裝配工(gōng)藝順序，如下(xià)圖10所示。
圖10.  3D體驗裝配工(gōng)藝仿真驗證


4.5 文(wén)檔工(gōng)藝輸出
如下(xià)圖11所示，針對(duì)工(gōng)序步驟的每一步操作(zuò)，工(gōng)藝人員可以在DELMIA窗口添加工(gōng)序說明(míng)、技術附圖、文(wén)檔，現(xiàn)場需要采集的工(gōng)藝數據、交驗要求等信息，通過定制模闆格式輸出當前步驟的3D作(zuò)業指導。對(duì)于熱處理(lǐ)和(hé)材料準備等二維工(gōng)藝卡片，也(yě)可以根據格式要求定制輸出。
圖11.  3D體驗工(gōng)藝文(wén)檔輸出


4.6 工(gōng)藝設計(jì)審批
如下(xià)圖12所示，3D體驗平台項目工(gōng)藝任務WBS節點可以關聯工(gōng)藝任務和(hé)工(gōng)藝文(wén)檔等交付件，當工(gōng)藝人員完成所負責的工(gōng)藝任務後，包括詳細工(gōng)藝設計(jì)産生的PPR模型文(wén)件和(hé)作(zuò)業指導等工(gōng)藝文(wén)檔都以交付物的形式關聯到(dào)任務節點，通過進行審批和(hé)發放(fàng)流程來(lái)提升PPR模型及工(gōng)藝文(wén)檔的生命周期狀态；當所有相關交付件審批完成後，工(gōng)藝任務也(yě)提升爲“完成”狀态。
圖12.  3D體驗工(gōng)藝任務審批


5、結束語

在并行設計(jì)制造一體化的背景下(xià)，企業需要建立跨越時(shí)間和(hé)空(kōng)間的數字化協同平台，讓分布的設計(jì)和(hé)制造團隊共享協同工(gōng)作(zuò)模式，利用(yòng)數字化平台實現(xiàn)企業内部和(hé)企業之間不同區(qū)域多個開(kāi)發小(xiǎo)組之間的分工(gōng)協作(zuò)，不同廠(chǎng)家、外(wài)部合作(zuò)夥伴之間的協作(zuò)。達索3D體驗數字化協同平台的推廣應用(yòng)正在逐步開(kāi)展，希望能(néng)有更多的用(yòng)戶來(lái)挖掘深層次的價值。