1、引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，三維建模、數(shù)字樣機(jī)技術(shù)日益成熟。以三維數(shù)字化為基礎(chǔ)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)正在改變著傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制方式，并行設(shè)計(jì)制造一體化的模式正在形成。在全球化背景下，企業(yè)競爭加劇，客戶多樣性需求不斷增強(qiáng)，以往“重設(shè)計(jì)、輕工藝”的傳統(tǒng)企業(yè)需要逐步建立和完善統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)和管理平臺，應(yīng)對全球化的挑戰(zhàn)。
在傳統(tǒng)的研發(fā)流程中，由于缺乏統(tǒng)一的平臺，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)大都采用串行的工作模式，產(chǎn)生大量的重復(fù)迭代的過程。達(dá)索3D體驗(yàn)平臺能夠?yàn)槠髽I(yè)管理人員、設(shè)計(jì)人員、制造人員、服務(wù)人員、供應(yīng)商等不同角色用戶提供單一數(shù)據(jù)源、三維數(shù)據(jù)共享和并行的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。本文主要結(jié)合達(dá)索3D體驗(yàn)平臺提供的一系列結(jié)構(gòu)化、可視化的專業(yè)工具軟件和信息管理平臺的功能應(yīng)用，對協(xié)同設(shè)計(jì)過程中的工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)、工藝仿真、工藝管理過程解決方案進(jìn)行探討。
2、基于3D體驗(yàn)的數(shù)字化制造業(yè)務(wù)流程
數(shù)字化制造是圍繞著產(chǎn)品的全生命周期開展的活動，設(shè)計(jì)部門開展產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)的同時，工藝部門始終要關(guān)注產(chǎn)品“能否制造”和“如何制造”的問題。如下圖1所示，基于達(dá)索3D體驗(yàn)協(xié)同平臺的產(chǎn)品研發(fā)的過程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)可以分別創(chuàng)建為獨(dú)立的子項(xiàng)目進(jìn)行管理，貫穿在研發(fā)周期的不同階段。
圖1. 基于3D體驗(yàn)的數(shù)字化制造業(yè)務(wù)流程
基于3D體驗(yàn)平臺的數(shù)字化制造業(yè)務(wù)流程可以概括為以下幾個步驟：
1) 項(xiàng)目啟動，在項(xiàng)目主計(jì)劃之下分別創(chuàng)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)子計(jì)劃；
2) 設(shè)計(jì)師從3D體驗(yàn)平臺接收到任務(wù)后開始相關(guān)設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)計(jì)達(dá)到一定成熟度，可為下游工藝和性能分析提供依據(jù)時，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)發(fā)放，工藝人員、分析工程師可以在協(xié)同平臺上瀏覽設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；
3) 工藝部門根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)發(fā)放的數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝評估，包括工藝規(guī)范性檢查、工藝風(fēng)險(xiǎn)評估、是否采用新工藝以及工裝初步方案等；在工藝評估過程中如發(fā)現(xiàn)任何問題或者風(fēng)險(xiǎn)，工藝工程師可通過協(xié)同平臺與設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行在線交流，對于需要進(jìn)行跟蹤的問題，可以在協(xié)同平臺中創(chuàng)建、跟蹤、反饋問題及相關(guān)解決方案；
4) 工藝部門從3D體驗(yàn)協(xié)同平臺中獲取經(jīng)過設(shè)計(jì)評審和工藝會簽后正式發(fā)布的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括三維模型和EBOM數(shù)據(jù)，在3D體驗(yàn)平臺環(huán)境中開展工藝規(guī)劃，根據(jù)EBOM和三維模型創(chuàng)建PBOM，編制系統(tǒng)工藝路線；
5) 工藝部門根據(jù)產(chǎn)品系統(tǒng)工藝路線，同步創(chuàng)建與之相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)WBS，明確各專業(yè)任務(wù)分工；各專業(yè)工藝主管接到工藝任務(wù)后，進(jìn)一步進(jìn)行工藝分工，將專業(yè)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)分配到具體的工藝人員進(jìn)行專業(yè)工藝的編制；
6) 工藝工程師接收到系統(tǒng)分配的任務(wù)，展開與之關(guān)聯(lián)的工藝任務(wù)，進(jìn)行詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)，工藝評審，編制工藝文檔并發(fā)放到制造現(xiàn)場；
在協(xié)同設(shè)計(jì)的過程中，工藝設(shè)計(jì)任務(wù)的發(fā)放、審批流程、工程更改策略等根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求可以在3D體驗(yàn)平臺中集中管理。
3、3D體驗(yàn)數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)
3.1 3D體驗(yàn)統(tǒng)一的實(shí)時協(xié)同平臺
達(dá)索3D體驗(yàn)平臺全面整合了CATIA/DELMIA/ENOVIA等軟件產(chǎn)品，形成了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)源、統(tǒng)一的設(shè)計(jì)視圖、并行的實(shí)時協(xié)同平臺。如圖2所示，分散在不同地域的企業(yè)管理人員、設(shè)計(jì)人員、制造人員、服務(wù)人員、供應(yīng)商等不同角色用戶都能夠共享單一數(shù)據(jù)源和并行的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。
圖2. 3D體驗(yàn)統(tǒng)一的實(shí)時協(xié)同平臺
3.2 3D體驗(yàn)的PPR模型
在3D體驗(yàn)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)視圖環(huán)境中，不同的用戶角色和操作都會對應(yīng)管理相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)工程師管理的是反映產(chǎn)品裝配位置關(guān)系和三維幾何特征的數(shù)據(jù)模型“Product（產(chǎn)品）”，也就是裝配和零件的集合；如下圖3 所示工藝設(shè)計(jì)人員管理的PPR數(shù)據(jù)模型，模型不僅包含“Product（產(chǎn)品）”數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，還包含工藝規(guī)劃過程的“Process（工藝）”節(jié)點(diǎn)和制造相關(guān)的“Logical/Physical Resource（資源）”節(jié)點(diǎn)。
3D體驗(yàn) PPR數(shù)據(jù)模型的組織結(jié)構(gòu)使得工藝工程師能夠和設(shè)計(jì)工程師在統(tǒng)一的視圖環(huán)境中構(gòu)建工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，而不會對產(chǎn)品數(shù)據(jù)造成影響，然后再將產(chǎn)品和工藝的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部關(guān)聯(lián)，開展詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)。PPR數(shù)據(jù)模型中構(gòu)建的所有工藝和資源節(jié)點(diǎn)，如制造裝配（Manufacturing Assembly）、工序操作（Loading Operation）都作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對象，可以在3D體驗(yàn)平臺中獨(dú)立保存、查找和加載。
圖3. 3D體驗(yàn)的PPR模型
3.3 基于MBD技術(shù)的全三維設(shè)計(jì)-工藝-制造協(xié)同
MBD（Model-Based-Definition，基于模型的工程定義）技術(shù)改變了傳統(tǒng)的通過三維模型描述幾何形狀信息，用二維工程圖紙來定義零件尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法；MBD技術(shù)將三維模型作為信息的唯一載體，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等都將在三維環(huán)境下完成，它的優(yōu)勢可以體現(xiàn)在：
a)提供單源產(chǎn)品定義，消除3D和2D圖紙間存在的不一致的潛在風(fēng)險(xiǎn)；
b)減少下游人員（工藝、制造、市場、服務(wù)等）對模型的理解時間和偏差；
c)和CAD工具配合使用可以規(guī)范、自動化數(shù)據(jù)集的輸入，并進(jìn)行公差分析；
d)可以在產(chǎn)品開發(fā)流程的早期獲取設(shè)計(jì)意圖，極大地支持并行工程。
如下圖4所示，MBD技術(shù)在裝配和機(jī)加工藝過程中的應(yīng)用實(shí)例：
圖4. MBD技術(shù)在裝配和機(jī)加工藝應(yīng)用示例
3.4 3D體驗(yàn)制造資源庫和工藝模板庫
Catalog（庫）作為工藝協(xié)同設(shè)計(jì)平臺重要的組成部分，除包含標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人庫、人體姿態(tài)庫等常用資源庫之外，還能夠方便創(chuàng)建和管理多種類型對象的庫文件，從而實(shí)現(xiàn)知識和經(jīng)驗(yàn)的積累，加速工藝設(shè)計(jì)過程；工藝路線模板和加工特征模板對同一類型或具有相似加工特征的零部件，建立典型工藝路線模板和特征模板，如圖5所示，工藝設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)快速調(diào)用；
圖5. 典型工藝模板
4、3D體驗(yàn)數(shù)字化制造解決方案及案例說明
如前文所述，工藝部門從3D體驗(yàn)協(xié)同平臺中獲取到經(jīng)過設(shè)計(jì)評審和工藝會簽后正式發(fā)布的三維模型和EBOM數(shù)據(jù)，在3D體驗(yàn)環(huán)境中開展工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)。如下圖6所示，裝配工藝人員首先根據(jù)產(chǎn)品的工藝屬性，在EBOM和三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行BOM重構(gòu)：去除虛擬件、增加工藝組件，定義零部件的裝配順序、操作工步的內(nèi)容，分配場地或者工位資源，增加工藝物料等信息，BOM重構(gòu)的過程包含了PBOM、工藝路線和MBOM的形成。對于單個零件，加工工藝路線可能需要包含毛坯材料準(zhǔn)備、熱處理、數(shù)控加工等多道工序步驟，工藝人員可以根據(jù)任務(wù)分工，細(xì)化相關(guān)的工藝節(jié)點(diǎn)。圖6. 3D體驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)和規(guī)劃解決方案
在工藝設(shè)計(jì)和規(guī)劃的基礎(chǔ)上，工藝人員繼續(xù)開展工藝仿真、工時分析、線平衡等工作。接下來，本章將對3D體驗(yàn)數(shù)字化制造裝配工藝流程舉例說明。
4.1 根據(jù)EBOM和3D數(shù)模進(jìn)行BOM重構(gòu)，創(chuàng)建初始MBOM（或稱之為PBOM）
工藝人員在DELMIA窗口中搜索和加載產(chǎn)品的EBOM和3D數(shù)模（NX、Creo等其它3D CAD軟件創(chuàng)建的三維裝配和零件模型可以通過達(dá)索3D體驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口直接讀入），根據(jù)零部件工藝屬性創(chuàng)建工藝組/合件，然后通過零件分配工具或手工拖拽的方式將零件分配到對應(yīng)的工藝組件中，如下圖7所示，形成3D可視化裝配工藝結(jié)構(gòu)樹，PPR數(shù)據(jù)模型樹中EBOM和初始MBOM并列。
圖7. 3D體驗(yàn)初始MBOM創(chuàng)建
4.2 創(chuàng)建和編輯工藝路線
EBOM重構(gòu)形成了初始的MBOM，工藝人員結(jié)合企業(yè)內(nèi)部制造場地（site）和工位資源（station）的分布情況，將制造組件和零部件分別分配到對應(yīng)的場地資源上去；如下圖8所示，將其中的一個裝配組件分配到兩個site上進(jìn)行分裝和總成，形成了產(chǎn)品的裝配工藝路線；對于零件加工工藝路線，可以在工藝分工之后進(jìn)一步細(xì)化，如材料準(zhǔn)備、熱處理、數(shù)控加工等工序步驟。此處的Site是Logical對象，在PPR數(shù)據(jù)模型中代表物理場地和工位。
圖8. 3D體驗(yàn)工藝路線編輯4.3 分發(fā)和接收工藝任務(wù)
產(chǎn)品的裝配工藝路線在3D體驗(yàn)平臺中定義完成之后，還需要將不同專業(yè)的工作分配到專門的工程師負(fù)責(zé)，并能夠監(jiān)控工藝的進(jìn)展情況；在此可以將DELMIA創(chuàng)建的工藝路線自動轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目WBS任務(wù)，同時，工藝任務(wù)和負(fù)責(zé)人等屬性都自動與WBS關(guān)聯(lián)；如下圖9所示，在ENOVIA窗口中可以分發(fā)和監(jiān)控任務(wù)的完成進(jìn)度，當(dāng)用戶登錄接收到通知系統(tǒng)時，可以查看自己的任務(wù)節(jié)點(diǎn)。
圖9. 3D體驗(yàn)工藝任務(wù)分發(fā)和管理
4.4 詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證
工藝人員接收到任務(wù)，在DELMIA窗口中加載相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)模和工序信息，估算工時并完成負(fù)載平衡分析，然后可以調(diào)入工裝和夾具三維數(shù)模，仿真驗(yàn)證各零部件的裝配路徑，確定產(chǎn)品裝配工藝順序，如下圖10所示。
圖10. 3D體驗(yàn)裝配工藝仿真驗(yàn)證
4.5 文檔工藝輸出
如下圖11所示，針對工序步驟的每一步操作，工藝人員可以在DELMIA窗口添加工序說明、技術(shù)附圖、文檔，現(xiàn)場需要采集的工藝數(shù)據(jù)、交驗(yàn)要求等信息，通過定制模板格式輸出當(dāng)前步驟的3D作業(yè)指導(dǎo)。對于熱處理和材料準(zhǔn)備等二維工藝卡片，也可以根據(jù)格式要求定制輸出。
圖11. 3D體驗(yàn)工藝文檔輸出
4.6 工藝設(shè)計(jì)審批
如下圖12所示，3D體驗(yàn)平臺項(xiàng)目工藝任務(wù)WBS節(jié)點(diǎn)可以關(guān)聯(lián)工藝任務(wù)和工藝文檔等交付件，當(dāng)工藝人員完成所負(fù)責(zé)的工藝任務(wù)后，包括詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)生的PPR模型文件和作業(yè)指導(dǎo)等工藝文檔都以交付物的形式關(guān)聯(lián)到任務(wù)節(jié)點(diǎn)，通過進(jìn)行審批和發(fā)放流程來提升PPR模型及工藝文檔的生命周期狀態(tài)；當(dāng)所有相關(guān)交付件審批完成后，工藝任務(wù)也提升為“完成”狀態(tài)。
圖12. 3D體驗(yàn)工藝任務(wù)審批
5、結(jié)束語
在并行設(shè)計(jì)制造一體化的背景下，企業(yè)需要建立跨越時間和空間的數(shù)字化協(xié)同平臺，讓分布的設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)共享協(xié)同工作模式，利用數(shù)字化平臺實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)之間不同區(qū)域多個開發(fā)小組之間的分工協(xié)作，不同廠家、外部合作伙伴之間的協(xié)作。達(dá)索3D體驗(yàn)數(shù)字化協(xié)同平臺的推廣應(yīng)用正在逐步開展，希望能有更多的用戶來挖掘深層次的價值。
關(guān)鍵詞：3D體驗(yàn)平臺、3DExperience、達(dá)索軟件、數(shù)字化制造
達(dá)索系統(tǒng) C&SI 合作伙伴
達(dá)索系統(tǒng)開發(fā)合作伙伴
