三維數字化工藝設計系統在機械制造中的應用

吳 昊， 江 潔

（紅河學院， 云南 蒙自 661199）

引言

在傳統的機械設計制造過程中，主要是通過人工繪制二維圖的模式進行零件的設計、制造、加工，在應用過程中存在著效率低、可追溯性差的不足，因此在20 世紀末，有學者提出了三維數字化制造的概念，企圖通過三維設計、三維虛擬裝配等，實現產品設計的數字化，大幅提升機械產品的設計、制造效率和產品質量。但由于傳統制造模式中不同的階段需要不同類別的指導方案，在制造過程中需要多次進行轉換，導致數據失真嚴重，因此難以進行工業推廣[1]。

隨著我國提出《中國制造2025》行動綱領，進一步明確了我國需要由制造業大國向制造業強國轉變的要求，因此數字化工藝設計制造技術再次受到廣泛的關注。在對整個工藝設計、制造流程進行分析的基礎上，本文提出了一種新的三維數字化工藝設計系統，構建了面向三維數字化工藝設計的MBD 模型，將傳統的三維-二維-三維的制造指導模式，轉換為了三維-二維的制造指導模式，初步搭建了能夠用于指導實際生產的三維數字化生產體系架構，對提升機械設計制造的數字化、智能化水平具有十分重要的意義。

1 三維數字化制造理論

三維數字化制造主要是指將三維數字化技術應用于產品的設計、制造、檢驗等各個過程，從而提升產品的設計、制造效率及產品質量。在進行三維數字化制造時需要圍繞“數字化設計-數字化制造”兩個方面進行，利用三維及二維集成軟件搭建面向數字化制造的管理平臺，實現對產品制造的全流程數字化管控。以產品的數字化制造為主線，目前其主要的業務流程可分為業務層、系統層、技術層、服務層、制造層及平臺層留個部分，其框架如圖1 所示[2]。

圖1 產品數字化設計結構示意圖

在該數字化結構設計體系中，業務層是數字化設計的核心，需要根據產品的時間需求來開展產品的結構規劃方案，系統層則是根據業務層的需求選擇合適的三維結構設計工具，技術處則是用于開展實際的產品結構設計，服務層是包括信息集成及WEB 服務[3]，保證各個層級之間數據連通的準確性和可靠性，制造資源層則是用于存儲各類文件及模型庫，便于進行更快速的數字化結構設計。平臺層主要是用于整個系統的權限管理、流程管理等，確保系統工作的可靠性。

雖然三維數字化制造體系具有數字化程度高、設計效率高等優勢，但由于目前制造業普遍是“三維+二維工程圖”混合設計制造模式，在產品設計的不同階段，需要對產品的二維、三維模式進行多次的轉換，極易導致數據的轉換偏差，影響整個產品制造的精確性，嚴重限制了三維數字化制造在機械制造過程中的應用。

2 三維數字化工藝設計體系

為了解決傳統三維數字化設計所存在的不足，結合數字化技術的發展，本文提出了一種新的三維數字化工藝設計體系，以工序MBD 模型驅動為核心，減少了數字化工藝設計層級，并將數字化加工及數字化檢測納入到了三維數字化機加工藝設計中。通過集成BOM 管理工具、WEB 管理工具并對數據建模方案和三維工藝指令的統一，減少了在圖層轉換過程中的數據失真問題，有效提升了三維數字化設計的效率和準確性，該三維數字化工藝設計構架如圖2 所示[4]。

圖2 三維數字化工藝設計架構示意圖

由圖2 可知，該新的三維數字化工藝設計架構主要包括了制造資源層、技術方案層、集成層及管理層四個部分[5]，顯著地壓縮了整體系統的管理層級，且不同層級的模塊化程度和信息化接口程度顯著提升。

1）制造資源層。主要是由使用單位根據各自的加工能力、加工工藝、及構建的MBD 模型，將其存儲在數據庫和服務器內，設計人員在開展三維數字化工藝設計時，能夠直接從制造資源層內調取對應的數據信息，滿足快速、精確設計的需求。

2）技術方案層。主要是包括了設計單位根據自身實際情況所建立的工藝決策方法、工藝優化方法、工藝制造流程等，是一個單位技術設計和加工能力的積淀，也是實現工藝決策和優化的核心。

3）集成層。主要包含了不同系統和模塊之間的數據通信、標準數據交換等，保證整個三維數字化工藝設計過程中數據傳輸和轉換的準確性。

4）管理層。管理層的主要作用是對各類數據信息進分析，實現對三維數字化工藝設計過程中各類工藝參數信息的有效轉換和管理，通過基于BOM 的數據管理方案，能夠快速的對產品明細、配件、更改等進行全流程監測和控制，確保數據更新的效率和及時性。

該維數字化工藝設計體系通過對數字化制造工藝過程的優化，實現了數字化設計、數字化生產、數字化管理，為構建全面的數字化制造管理體系奠定了基礎。

3 工藝路線決策及優化

工藝路線決策，是指在明確了各個零件的加工工藝特征混合技術要求的情況下，按照數字化工藝設計的需求建立約束條件[6]，明確在不同階段用于指導生產的圖形類別，將傳統的三維-二維-三維的指導模式，轉換為三維-二維的指導模式，在整個產品制造周期內只需要進行一次數據的轉換，解決了數據反復轉換時的失真問題。同時為了提高數字化設計的效率，結合廠內零件加工工藝特性，將典型零件的加工特征進行固化，形成標準工序及標準崗位，極大地降低了工序選擇、設備選擇時的決策時間，提高了數字化工藝設計的效率和可靠性。

為了便于工序流程的數字化定義并提高數據轉換的精確性，構建了新的MBD 模型，在模型內構建了工序信息，并將工藝決策規則及MBD 模型[7]進行關聯，對各個加工單元進行劃分，確定最優工序生成順序，滿足了數字化快速決策的需求，該工藝路線決策及優化原理如圖3 所示。

圖3 工藝決策及優化理論示意圖

4 結論

針對目前三維數字化工藝設計中存在的信息流程不統一、數據傳遞不一致、過于依賴人工經驗的難題，提出了一種新的三維數字化工藝設計新模式，構建了面向三維數字化工藝設計模型，對三維數字化設計的整體結構和原理進行了分析，結果表明：

1）數字化工藝設計體系通過對數字化制造工藝過程的優化，實現了數字化設計、數字化生產、數字化管理，為構建全面的數字化制造管理體系奠定了基礎。

2）新的MBD 模型，實現了整個產品制造周期內只需要進行一次數據的轉換，解決了數據反復轉換時的失真問題。