工裝設計的數字化設計及制造技術的探究

譚子良

（貴州黎陽裝備科技發展有限公司，貴州 貴陽550081）

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工裝設計的數字化設計及制造技術的探究

譚子良

（貴州黎陽裝備科技發展有限公司，貴州 貴陽550081）

摘要：工裝設計的數字化及制造技術是近年來比較受關注的問題。本文闡述了其包含的關鍵技術的內容以及原理，為該技術的應用提供了理論依據。

關鍵詞：工裝設計；數字化；制造技術

數字化技術是新時期技術發展的產物，隨著技術的快速發展，傳統制造業的生產模式、生產方式以及生產流程等均實現了數字化生產。只有充分借助數字化技術，產品的生產周期、生產效率、生產成本及生產的競爭力才能夠在根本上得到改善。工裝設計的數字化設計及制造指的是在一個虛擬的環境中進行設計和制造，經過對產品的制造、裝配之后，再對產品的細節進行定義和分析。經過數字化的設計和制造后，產品的開發周期明顯縮短，制作過程去繁就簡。最終，工裝的可用性得到了極大的提高，并且對工裝的結構設計風險顯著降低[1]。

1　工裝數字化設計及制造的基本理念

目前來看，機械制造行業中在設計產品時大多使用三維系統來完成，在設計工裝時，首先要把最終產品的數學模型作為依據，使用三維CAD軟件進行設計之后，再進行更加精確的機械以及數控加工。運用運用數字化設備比如激光跟蹤儀對工裝在整個的制造和安裝的過程中進行檢測，使得產品的安裝精度得到了提高，工裝的整個調試過程得到了加快。由于數字化的設計和制造過程，工裝產品以數字化幾何數據來展現外外形以及交點信息，這充分的實現了模擬量由數字量代替，也滿足了機械產品在制造過程中產品外形以及協調互換。在工裝產品的制造階段中，以往傳統的樣板以及樣件統一被數字化協調所代替，數字化制造過程實現了“零”工裝[2]。

2　傳統的設計制造和數字化設計制造的區別

傳統的設計制造具有明顯地優勢和缺陷，其優點在于：制造過程簡單、使用方便、生產的準備時間短等，缺點在于：制造過程必須按照規定好的前后路線依次進行，這使得平行作業具有極大的難度。數字化設計制造的優勢在于不必積累較多的誤差，能夠方便的進行測量尺寸以及傳遞形狀等活動，這不僅僅使平行作業變得容易，更是提高了制造的準確性和協調性、縮短了生產準備的時間、減少了勞動量、生產效率大大提高。不過目前來看，大部分企業不具備數控制造工裝的能力，因此仍然采用傳統方法進行工裝的制造。

3　工裝數字化設計及制造的重要技術

3.1并行工程

傳統的產品生產中，制作流程通常都是一環扣一環，前一個環節完成之后才能繼續進行下一個環節，這就使得時間和成本得不到根本上的減少，而如果反饋消息不及時的話，還要進行返工，因此整個制造過程很難一次性完成。

并行工程的價值就在于將原來一環扣一環的生產過程變為同時進行或者并行處理。在并行工程當中，信息的反饋都是及時的，沒有任何的滯后，這就使得一次性完成設計的概率加大了很多，成本得到了降低，生產效率大大提高。圖1表示的就是傳統的工作方式與并行工程方式的對比示意圖。

圖1　傳統的串行工作和并行工程對比示意圖

在對產品進行設計和開發之前，并行工程采用綜合設計評審對設計構件進行研究分析、幾何、圖號樹等工作。

3.2三維設計技術

三維設計技術中的建模技術是實現數字化設計及制造的核心所在。目前，以三維CAD技術為基礎的集成技術已經成為數字化設計的核心技術。CAD技術的特點可以概括為：以特征為基礎、進行全尺寸的約束、與全數據均相關等。經過不斷的發展，三維CAD技術正從以下三個方面繼續發展：（1）集成——也就是三維CAD技術作為基礎，結合CAD/CAPP/ CAM/CAE等集成技術。通過三維CAD的集成系統的“自底向頂”以及“自頂向底”功能，能夠將設計過程變得更加具有操作性。三維CAD系統功能豐富齊全，以CAD/CAPP/CAM/CAE集成技術為基礎，可以輕松的聯結設計和分析以及工藝和制造等。（2）創新——創新需要繼承承襲老產品的設計經驗以及設計知識，還要借助已經建立起的設計資源。在工裝的設計與制造過程中，以三維CAD系統為基礎的數字化技術是創新的立足之本。（3）合作。隨著各企業的快速發展，企業家們正逐漸認識到集團化與相互合作的重要性。在西方發達國家中，有一半以上的制造企業與其他的企業建立起了合作關系。因此，在設計制造的過程中，互相學習、互相合作是不可或缺的。

3.3數字化裝配技術

在工裝設計的過程中，數字化裝配技術，也就是利用計算機進行模擬裝配的技術正受到越來越多的關注。該技術主要應用于工裝的設計過程中，進行設計靜態、動態的界面、檢查程序的工藝性、檢查運動性、優化結構、分析壽命等工作。通過數字化的裝配，工裝的可裝配性能、使用維護性能以及制造過程的工藝性能夠得到有效的評價，并降低返工的可能性，降低工裝制造過程的成本，大大縮短研制的時間，提高了產品的競爭力[3]。

工裝的數字化裝配技術中，建模的效果是工裝結構及功能達到要求的重要前提。產品的幾何數字信息可以通過三維實體教學模型獲得的到，這些數字信息可以作為工裝數字化建模的參考依據，根據零部件的裝配關系可以確定產品的裝配位置。以裝配信息作為基礎，裝配模型可以由工裝自行完成。工裝數字化裝配系統能夠滿足工裝自頂向下的結構、設計能力以及功能的要求。圖2表示的就是在虛擬化的環境中工裝裝配數字化的示意圖。

圖2　CAD系統虛擬化環境中工裝的數字化裝配示意圖

3.4工裝的CAE技術

工裝CAE指的是在工程設計的過程中進行計算和仿真，主要針對分析工程的數值、結構以及對過程設計的優化，還有評估系統的強度以及壽命，以及針對運動和運動學的仿真過程。CAE技術的核心為有限元以及運動/動力學仿真。

在工裝的原理、性能以及結構已經明確的前提下，CAE技術可以幫助工裝發揮出最大的效能。其工作原理是通過分析對工裝的結構當中的特定區域進行專業的修改。極大的提升工裝的性能，而不改變工裝的工作原理；另一方面，如果是新開發的工裝，借助仿真分析的功能，CAE技術可以驗證工裝預期的功能是否達到標準，并驗證工裝中是否有設計缺陷，以使工裝的有效性和可靠性得到可觀的增強。

4　結束語

數字化技術正逐步改變著人們的生活，世界的面貌也在數字化技術的影響下得到了翻天覆地的改變。傳統制造業正經歷著由數字化生產的刺激而產生的制造業技術革命。目前而言，許多先進的數字化技術在工裝設計及制造中得到了廣泛的應用，特別是在數字化制造技術方面，在國外有很多國家已經得到了應用，產品以及工裝的設計、制造過程在這些國家已經得到了實現。我們若想保持自身的競爭力，也要在數字化技術中加大投入，以適應時代發展的要求。

參考文獻：

[1]劉檢華，孫連勝，張旭，等.三維數字化設計制造技術內涵及關鍵問題[J].計算機集成制造系統，2014，（03）:494-504.

[2]薛航.基于數字化參數化設計的工裝設計關聯技術研究[D].沈陽航空航天大學，2014.

[3]高建國，羅榮，田文松，等.數字化工藝設計、工裝設計及制造技術一體化系統應用[J].機械制造，2013，（08）:80-83.

中圖分類號：TG702

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0263-03

收稿日期：2016-01-06

作者簡介：譚子良（1973-）男，貴州開陽人，本科，工程師，研究方向：機電一體化設備設計。

Research on Digital Design and Manufacturing Technology of Tooling Design

TAN Zi-liang
（Guizhou Li Yang equipment science and Technology Development Co.，Ltd.Guizhou Guiyang 550081，China）

Abstract:In recent years，the digital and manufacturing technology of fixture design is a problem which has been concerned.This paper expounds the contents and principles of the key technologies，which provides a theoretical basis for the application of the technology.

Key words:tooling design；digital；manufacturing technology