陳 劍

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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基于PLM系統(tǒng)的數(shù)字化三維制造工藝平臺建設(shè)及應(yīng)用

陳 劍

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

基于PLM(產(chǎn)品生命周期管理)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立面向制造過程的三維工藝設(shè)計(jì)、仿真的數(shù)字化工藝平臺，實(shí)現(xiàn)制造BOM(物料清單)的編制和管理，實(shí)現(xiàn)工藝路線定義與劃分，實(shí)現(xiàn)組裝工藝過程和機(jī)加工藝過程的三維設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)現(xiàn)對工裝、工具、刀具等工藝資源的管理，從而全面提升工藝設(shè)計(jì)能力，提高工藝管理水平，并縮短工藝準(zhǔn)備周期進(jìn)而縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。

PLM系統(tǒng)； 數(shù)字化工藝；三維工藝仿真

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件工程、數(shù)字化工程、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)階段引入了CAD、CAE、PDM、PLM等系統(tǒng)，在生產(chǎn)制造階段采用大量的數(shù)控機(jī)床等設(shè)備，在制造過程環(huán)節(jié)中實(shí)施了ERP系統(tǒng)，企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力和生產(chǎn)制造能力有了很大的提高。然而，上述系統(tǒng)給企業(yè)的制造能力和與之相關(guān)的生產(chǎn)調(diào)整能力并沒有產(chǎn)生相應(yīng)的提升效果。因?yàn)?，設(shè)計(jì)部門的“數(shù)字樣機(jī)”數(shù)據(jù)不能直接用于工藝、制造等系統(tǒng)，造成設(shè)計(jì)階段的“數(shù)字樣機(jī)”并沒有考慮到產(chǎn)品的可制造性，到生產(chǎn)才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題而進(jìn)行更改、調(diào)整時，還是要花大量的時間、金錢進(jìn)行協(xié)調(diào)，排故。如同駝峰，如圖1所示，兩邊水平都很高，而中間的水平卻很低，由此產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)，極大地限制了企業(yè)的效能。

圖1 工藝瓶頸示意圖

為實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)數(shù)字樣機(jī)”到“制造數(shù)字工程”，必須要有一套系統(tǒng)其能夠充分利用“數(shù)字樣機(jī)”的三維數(shù)據(jù)[1]，實(shí)現(xiàn)在三維模型基礎(chǔ)上的三維工藝設(shè)計(jì)，并對零件的加工過程、產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行三維仿真并驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)制造BOM與工程BOM的協(xié)同編制和管理，最終輸出生產(chǎn)系統(tǒng)需要的技術(shù)文檔、指令、清單，報(bào)表等，以完成產(chǎn)品的加工、采購、裝配、得到最終的產(chǎn)品。綜上，本文將重點(diǎn)論述如何搭建適應(yīng)本企業(yè)自身現(xiàn)狀和需求的三維數(shù)字化工藝平臺。

1 數(shù)字化三維制造工藝平臺總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段已經(jīng)引入了SolidWorks、Reqtify、ENOVIA PLM等CAD軟件和信息系統(tǒng)，考慮到與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的集成和協(xié)同，我們?nèi)S工藝平臺選取達(dá)索的DELMIA(產(chǎn)品名稱)數(shù)字化制造產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)定制，將產(chǎn)品、工藝路線和工藝資源緊密地聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型、工藝數(shù)據(jù)、制造信息實(shí)時的共享和管理。同時，通過PPR-HUB并利用Middleware技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)其他異構(gòu)信息管理系統(tǒng)(如ERP、PLM)的集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和共享。

系統(tǒng)具體實(shí)施架構(gòu)原理圖如圖2所示。

如圖2所示， 系統(tǒng)數(shù)據(jù)按以下方式流動： (1)DELMIA數(shù)字化平臺的數(shù)據(jù)來源為PLM系統(tǒng);(2)產(chǎn)品的數(shù)字化模型由PLM傳入到DPE模塊進(jìn)行工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì);(3)數(shù)字化的工藝規(guī)程導(dǎo)入到DPM模塊進(jìn)行數(shù)字化制造過程的仿真(機(jī)加仿真和裝配仿真);(4)數(shù)字化制造過程在3DCOMPOSER中進(jìn)行詳細(xì)編制;(5)輸出實(shí)際需求的各種工藝文件和BOM。

在整個數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)過程中同時對于輸出的生產(chǎn)性文件進(jìn)行了數(shù)據(jù)接收、發(fā)放和變更管理，各種工藝文件和制造BOM的流程審批、版本管理，同時建立數(shù)字化的生產(chǎn)資源庫，供工藝工程師進(jìn)行調(diào)用。而且對于公司已實(shí)施的ERP系統(tǒng)，平臺采用把制造過程數(shù)據(jù)通過接口返回到PLM系統(tǒng)，由PLM系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理與ERP系統(tǒng)進(jìn)行集成。

圖2 系統(tǒng)實(shí)施架構(gòu)原理

2 基于DELMIA系統(tǒng)的制造BOM模塊搭建與應(yīng)用

制造BOM也就是MBOM，是下達(dá)物料的生產(chǎn)計(jì)劃、采購計(jì)劃的依據(jù)，同時MBOM包含的結(jié)構(gòu)層級信息也為生產(chǎn)部門組織生產(chǎn)提供了技術(shù)依據(jù)[2]。

根據(jù)企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司(簡稱：縱橫公司)的MBOM定義為：在產(chǎn)品EBOM(設(shè)計(jì)BOM)的基礎(chǔ)上添加工藝過程物料信息(包括：噴漆、機(jī)加件)+工藝組合件/虛擬件物料信息(如：必要的組合件)，并包含物料順序(裝配圖順序)、零部件的工藝分工，產(chǎn)品相關(guān)的輔料、包裝材料、機(jī)加自制件原材料，并寫出用量定額。

縱橫公司在DELMIA系統(tǒng)MBOM編制業(yè)務(wù)流程如圖3所示，從PLM系統(tǒng)平臺獲取產(chǎn)品EBOM和EBOM中包含物料的各個屬性，MBOM功能模塊在DELMIA環(huán)境下通過以下功能開發(fā)來滿足MBOM實(shí)際業(yè)務(wù)需求。MBOM編輯完成后需要進(jìn)行發(fā)布流程，首先把MBOM發(fā)送到PLM系統(tǒng)存在物料的工廠視圖下，MBOM審批結(jié)束后，進(jìn)入發(fā)布狀態(tài)，PLM系統(tǒng)會對已經(jīng)發(fā)布的MBOM通過接口自動傳輸?shù)紼RP系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證可以滿足縱橫公司MBOM編制業(yè)務(wù)需求。

3 基于DELMIA系統(tǒng)的三維機(jī)加工藝過程模塊搭建與應(yīng)用

三維機(jī)加工藝仿真是屬于工藝細(xì)節(jié)的規(guī)劃和驗(yàn)證應(yīng)用的環(huán)境，屬于在DPM環(huán)境下的應(yīng)用，根據(jù)已編制的機(jī)加工藝路線、工藝規(guī)程，在DPM提供的加工仿真環(huán)境下進(jìn)行虛擬的切削加工過程的仿真，可以模擬包括加工設(shè)備(機(jī)床)、輔助設(shè)備(換刀機(jī)構(gòu))在內(nèi)的機(jī)加全過程的仿真。進(jìn)而分析數(shù)控加工代碼的可行性、保證數(shù)控加工的質(zhì)量。DELMIA的機(jī)加工藝工作流程如圖4所示。

圖3 制造BOM的編制流程

圖4 三維加工工藝流程

對于三維機(jī)加工藝平臺特點(diǎn)也是3個結(jié)點(diǎn)PPR的結(jié)構(gòu)樹，區(qū)別是3個結(jié)點(diǎn)下面的數(shù)據(jù)類型都是仿真驗(yàn)證過程中使用的產(chǎn)品類三維模型、資源類三維模型、參數(shù)驅(qū)動型的工藝設(shè)置。對于產(chǎn)品三維工藝編制首先從PLM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀入，通過STEP接口或直接的Solidworks接口把產(chǎn)品和毛坯原材料三維模型導(dǎo)入到Product結(jié)點(diǎn)下，DELMIA也可以建立3D的毛坯模型(通過修改設(shè)計(jì)模型或按毛坯圖紙建模)，并把工裝夾具等模型進(jìn)行導(dǎo)入，在完成相關(guān)三維模型導(dǎo)入后接著需要在Process結(jié)點(diǎn)下進(jìn)行工藝設(shè)置，包括加工設(shè)備的設(shè)定、加工零件設(shè)定、干涉檢測的范圍、安全平面的設(shè)定、加工坐標(biāo)系的設(shè)定、碰撞的策略設(shè)定，在完成詳細(xì)加工設(shè)定后可以進(jìn)行刀具軌跡計(jì)算，刀具軌跡計(jì)算是仿真的初步依據(jù)，刀具軌跡計(jì)，根據(jù)計(jì)算得出的刀具軌跡可以初步判斷仿真的結(jié)果，在完成刀具軌跡計(jì)算后可以進(jìn)行加工仿真[3]，加工仿真就是切削過程和切削結(jié)果的仿真，可以驗(yàn)證加工過程中的干涉碰撞和加工后模型的精度分析，是否存在過切等現(xiàn)象，對于加工模型的精度和余量可以通過顏色進(jìn)行顯示。如圖5所示，為縱橫公司實(shí)際生產(chǎn)的軸裝制動盤刀具軌跡計(jì)算和加工仿真結(jié)果，最終輸出加工NC代碼。

圖5 制動盤刀具軌跡計(jì)算和仿真結(jié)果

4 基于DELMIA系統(tǒng)的三維裝配工藝過程模塊搭建與應(yīng)用

DELMIA系統(tǒng)的三維裝配工藝過程也是在基于設(shè)計(jì)三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配、拆解過程的三維仿真。三維裝配功能模塊也是在PPR結(jié)構(gòu)樹結(jié)構(gòu)下進(jìn)行工藝編輯，所以是屬于基于流程型的工藝設(shè)計(jì), 工藝人員通過PLM系統(tǒng)導(dǎo)入產(chǎn)品三維模型，產(chǎn)品三維模型的數(shù)據(jù)讀入是通過STEP接口把Solidworks的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入DPM的PPR結(jié)構(gòu)樹的Product結(jié)點(diǎn)下，把裝配過程中的工裝、工具、設(shè)備等工藝資源設(shè)置在DPM的PPR結(jié)構(gòu)樹的Resource結(jié)點(diǎn)下，裝配工藝路線和工序內(nèi)容、工步在DPM的PPR結(jié)構(gòu)樹的Process結(jié)點(diǎn)下編輯并進(jìn)行工藝仿真驗(yàn)證，輸出基于MBOM物料信息的工藝路線仿真。如圖6所示，縱橫公司實(shí)際生產(chǎn)救援回送裝置的產(chǎn)品裝配三維過程仿真和裝配工藝的輸出。

對于Process下的工序編制和安排，由于復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)，工序安排也存在并行工序和工序嵌套結(jié)構(gòu)，對于在Process結(jié)點(diǎn)下已創(chuàng)建的工序，在進(jìn)行三維裝配仿真之前需要使用PERT圖對于工序進(jìn)行動態(tài)化的處理，PERT圖是一個有向圖[4]，圖中的方塊表示工序，還給出了工序之間的關(guān)系，如圖7所示，即哪些工序完成后才能開始另外一些工序，以及如期完成整個裝配過程的關(guān)鍵路徑，使得在調(diào)整工序間的關(guān)系和重構(gòu)結(jié)構(gòu)變得更加直觀。

圖6 救援回送裝置三維裝配仿真和工藝輸出

圖7 工序PERT圖

以上內(nèi)容為DELMIA三維工藝模塊開發(fā)和應(yīng)用。

5 結(jié)束語

主要論述通過基于DELMIA軟件搭建的三維數(shù)字化工藝平臺，并重點(diǎn)介紹了制造BOM、三維加工、三維裝配等工藝平臺主要功能模塊的搭建原理和應(yīng)用效果，從實(shí)際應(yīng)用角度上實(shí)現(xiàn)了與PLM系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)現(xiàn)制造BOM、工藝路線和工藝物料進(jìn)行發(fā)布管理和變更管理，并對全部流程進(jìn)行全壽命周期管理，實(shí)現(xiàn)與ERP的系統(tǒng)集成。解決了工藝系統(tǒng)信息化管理手段的相對瓶頸問題，從而實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的并行，并實(shí)現(xiàn)對制造過程的成本降低和效率的提高。

[1] 蘇 春. 數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 陳啟申. ERP-從內(nèi)部集成起步[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3] 趙松年，等. 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4] 韓秋實(shí). 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.3D Digital Manufacturing Technology Platform Construction and Application Based on the PLM System

CHENJian

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences， Beijing 10081, China)

PLM combined with design system for manufacturing process, establish 3D process technology design, simulation platform for the digital technology, then realize management of manufacturing BOM, realize the process definition and classification, implement assembly process and 3D design and simulation of machining process, realize the fixtures, tools, cutting tools, such as process resource management, so as to improve process design ability, improve the level of process management, and shorten the process cycle and shorten new product development cycle.

PLM system; digital technology; 3D process simulation

男，工程師(

2016-03-21)

1008-7842 (2016) 05-0048-03

U260.6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.10