三维模型下工厂.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date三维模型下工厂三维模型下工厂三维模型下工厂纵观产品设计的发展历史，我们经历了从绘制图样，到无纸设计，到基于三维模型的二维工程图关联设计。当前，随着数字化设计与制造技术的广泛应用，特别是三维CAD技术的日益普及，以及CAD/CAM一体化技术的日趋成熟，在许多情况下，三维模型可以替代二维图样作为技术交流和信息传递的主要方式，二维图样不再是设计制造过程所必需的文件，无图的三

2、维模型在许多国家的合同上已具有法律地位。因此， 基于三维模型的产品研发已经成为一个新的产品研发模式，并成为未来产品研制方向。本文所阐释的三维模型下厂，就是对基于三维模型进行产品研发的深入探讨。 纵观产品设计的发展历史，我们经历了从绘制图样，到无纸设计，到基于三维模型的二维工程图关联设计。当前，随着数字化设计与制造技术的广泛应用，特别是三维CAD技术的日益普及，以及CAD/CAM一体化技术的日趋成熟，在许多情况下，三维模型可以替代二维图样作为技术交流和信息传递的主要方式，二维图样不再是设计制造过程所必需的文件，无图的三维模型在许多国家的合同上已具有法律地位。因此， 基于三维模型的产品研发已经成为

3、一个新的产品研发模式，并成为未来产品研制方向。本文所阐释的三维模型下厂，就是对基于三维模型进行产品研发的深入探讨。一、三维模型下厂的业务需求当前，许多单位的研发模式仍然是：产品设计部门用三维软件进行产品设计获得数字化三维模型，再基于三维模型进行二维图设计，然后将二维图输出为图样，发放给制造部门。制造部门获得设计部门发放的图样后，首先进行图样消化，然后根据后续制造的要求，进行工装模具的设计、工艺设计和加工编程，并组织生产，实现产品的制造和加工。这样的产品研发模式存在的问题是：(1)需要消化图样：制造部门需要花费大量的时间消化二维图样。(2)数据重复录入：制造部门需要在消化设计图样的前提下，重新录

4、入数据，以实现工装模具的设计、工艺设计和加工编程。数据的重新录入一方面加大了工程师的工作量，另一方面也会带 来重新录入数据出错的可能。(3)设计数据和制造数据不关联：设计和制造部门基于图样进行产品信息交流，设计、工艺和制造数据不关联，发生了数据断流。设计数据的更改，工艺制造部门需要针对设计更改进行相应的更改，这样会带来附加的更改工作量，也会延误更改落实，同时也会带来设计、工艺和制造数据的不一致性问题。面对当前产品研发模式和存在的问题，越来越多的企业想变革当前的产品研发模式基于三维模型实现产品研发三维模型下厂的需求越来越高。二、三维模型下厂的应用探索针对三维模型下厂，我们需要面对和解决以下问题。

5、1.相关业务问题首先我们需要改变目前的业务模式，几十年不变的基于图样的产品研发，要被基于三维模型的产品研发所取代;和用户、合作伙伴、供应商之间以技术要求、图样和报告为媒体的交流沟通和交付方式，要被用三维模型交流沟通和交付方式所取代;三维模型定义中所包含的内容及表现方式的设计任务分 工也需要重新定义。2.产品设计问题(1)三维模型要包含产品研制有关的所有信息：除了包含几何信息、尺寸信息、公差信息、基准、注释、剖面和焊接符号等外，还需要包含产品研制有关的所有信息，包括：正式版本记录零件号，遵循ASME 14.41/ISO16792，DoD 安全需求，属性分类，ITAR标记，政府通告、版权等，材料需

6、要量，加工精度和工艺，公司名字和地址，CAGE代码，数据集标题，数据集号，批复指示和日期，合同号，设计者名称和日期，应用数据;可用的零件列表等。(2)三维模型上的所有信息都需要分类管理和显示：对于三维模型上所包含的所有信息，需要根据需要进行分类管理和显示，将信息按照各种需求分类，形成信息的各种描述形式。如设计描述、工艺描述、制造描述、检验描述、采购描述、维护描述和协作描述等。(3)面向生产的产品设计：针对模型的制造方式，在设计过程中，就要考虑到产品的工艺性、制造性、装配性和检验性，并针对制造要求进行三维建模、尺寸标注和参数定义等。如针对数控加工的模型，在三维建模时，就需要标注带有公差信息的尺寸

7、，并以中差的方式设定尺寸，以便于数控编程和成品检验。对于需要装配其他零部件的模型，在三维建模时，就需要定义好设计基准，在三维装配设计时，就需要基于装配基准进行装配，以便后续的装配和检验。3.审阅问题以往的审阅都是基于图样进行，针 对基于三维模型的产品研发，审阅工作也需要在三维模型上进行，需要在三维 模型上实现：模型浏览、模型检查、模型测量、模型剖切、模型比较、模型的会签、模型的干涉检查和模型的批注等。4.检验问题以往的检验都是基于图样，借助于量具或三座标测量仪来实现的，针对基于三维模型的产品研发，检验的工作也需要基于三维模型，借助于量具或三座标测量仪来实现。5.数据管理问题针对基于三维模型的产

8、品研发，PLM不仅需要基于产品结构管理产品所有数据，而且还需要管理三维模型上 所包含的所有信息，实现数据的有效管理和分类输出，以便相关部门快速获得自己所需要的所有信息。PLM系统还需要管理审阅信息和检验信息，以实现对与产品研制有关的所有信息进行统一管理和维护。6.标准化问题基于图样的产品研发，需要有相应的标准规范作保障，这些标准规范都是面向二维图样的，针对基于三维模型的产品研发，也需要有面向三维模型产品研发的标准和规范，以形成一个完整的产品研发体系。三、三维模型下厂的技术实现途径图1是三维工程图中所包含的信息，这些信息包括有：产品结构、产品CAD数据、产品CAD数据的轻量化表示以及包含有产品属

9、性描述的元数据。三维模型下厂需要在技术上解决这些信息的创建问题、分类分析和管理问题，以及针对这些数据的后续工艺和制造问题、数据审阅问题、标准化检验问题和质量检验问题等。如图2所示是三维模型下厂的技术架构。产品研发从需求管理开始，将用户需求信息保存到PLM环境，产品设计是在PLM环境下，基于用户需求信息开始设计。PLM中管理产品的需求信息、结构信息、几何信息、属性信息、工艺信息、审阅信息和测量报告等。产品信息可转换成轻量化模型，在可视化环境下供其他部门的人员查阅和批注。工艺设计人员在PLM的工艺制造管理环境下，实现PBOM创建、总工艺设计、工艺路线定义、工艺规程设计、工艺汇总和工艺资源管理等操作

10、，所生产的工艺文件被PLM 系统管理。制造部门基于工艺设计文件组织生产，实现产品制造和装配。对于需要数控加工的零件，可以直接参照产品的三维模型进行数控编程加工，数控加工后的零件，可以在三坐标测量仪上进行测量，测量结果可以在可视化环境下，针对产品轻量化的模型进行比对，比对结果可以检验报告形式在PLM系统归档管理。1.基于模型的定义MBD(Model Based Definition)，基于模型的定义是三维模型下厂的核心理念， 是指将产品生命周期内的所有信息定义于三维模型上，实现基于模型的设计、设计审核、工艺审核、标准审核、工艺设计、 制造加工、测量、检验MBD提供产品 定义完整的单个主数据集，这

11、些数据被企业PLM管理，在整个产品开发过程中传递。用户可以通过PLM、CAD工具、可视化工具和发布信息对其进行访问。2.三维工程图的设计在三维模型上进行三维工程图设计，实现以下信息描述：注释、符号、曲面精加工、几何公差、设置基准标签、纵坐标基线、从动尺寸、纵坐标从动尺寸、参考尺寸、纵坐标参考尺寸、制造模板、非图形和注释，如图3所示。一些零部件信息，可以以属性的方式进行定义，这些信息包括：零件号，遵循标准类型，DoD安全需求，属性分类，ITAR标记，政府通告、版权等，材料需要量，加工精度和工艺，公司名字和地址，CAGE代码，数据集标题;数据集号，合同号，应用数据和可用的零件 列表等。有些信息可以

12、在PLM中获得，这些信息包括：正式版本记录、批复指示和日期、设计者名称和日期等。3.数据分类管理三维工程图上所标注的所有信息，可以根据具体需要进行分门别类地管理和显示，数据分类可以分为设计视图，制造视图或检验视图。图4图6是支架模型的设计视图表述方式。图7图8 是支架模型的制造视图表述方式。4.三维数据的审阅将三维工程图转换成轻量化的可视化文件，让和产品有关的其他部门人员，通过可视化平台，实现模型浏览、 模型检查、模型测量、模型剖切、模型比较、模型的会签、模型的干涉检查和 模型的批注等，如图9所示。工艺、标准化和检验人员可基于轻量化模型进行模型的审阅，审阅结果可直接标注在三维模型上，同一轻量化

13、模型可以被不同角色进行多次审阅，审阅结果可随轻量化模型保存，如图10所示。5.三维数据的管理在PLM环境下基于产品结构对MBD数据进行管理，实现产品相关数据的关联性管理、版本管理、权限管理和变更管理等。在PLM环境下可以根据不同部门的需要提取MBD数据，并以各种视图方式 展示产品信息，形成产品信息的设计描述、工艺描述、制造描述、检验描述、 采购描述、维护描述和协作描述等，供后续产品研制使用。6.基于三维模型的工艺设计在PLM的产品工艺管理环境下，实现PBOM的创建，并完成总工艺设计、工艺路线定义、工艺规程设计、工艺汇总和工艺资源管理等工作。7.基于三维模型的数控加工基于三维模型进行数控编程，数

14、控编程信息被PLM管理。三维工程图中，针对具体工程特征，包含有装配信息、工艺信息和制造信息，在产品加工模式下，可以将这些信息直接抽取出来，实现该工程特征的数控编程。基于三维工程图的产品研发，可以充分应用已有的工艺知识库和加工知识库，实现产品的快速制造。8.三维设计标准目前针对三维工程图的设计标准有两个：AMSE Y14.41标准和ISO16792标准(如图11和图12所示)，针对三维模型设计的国标标准正在制定过程中。相对而言，ISO16792标准更满足国标要求， 对于国内企业的三维模型下厂项目，可以ISO16792标准作为设计标准。四、三维模型下厂案例分享国外许多优秀企业已经将MBD应用于产品

15、研制过程中，并取得了显著的成效。波音公司基于MBD进行产品研发， 使模具和制造成本减少50%，整个装配 时间缩减30%，重复设计减少50%。丰田 汽车公司应用MBD研发模式后，使产品研发成本缩减50%，工程更改减少33%，整体产品研发周期缩短33%。 航天科技一院在某型号项目中，针对某部件实现了三维模型下厂。该全新 产品研发模式，实现了工程数据的充分再利用，保证了设计、工艺、制造数据 的关联性，避免了数据的重复录入，保 证了产品研制质量，大大缩减了产品研 制周期，三维模型下厂是我们未来产品 研制的方向。五、结束语三维模型下厂是产品研制的一场革 命，它实现了单一控制权限下统一格式的 集中工程数据定义、管理和再利用，从而实现了快速制造、快速更改。这样的产品 研发模式可提高初样质量，降低整个项目 研制成本。它提供无缝的产品研发和协作 环境，改善了版本控制和更改通知，实 现了单一数据源的有效管理和充分共享。轻量化模型显示了丰富的三维模型，可使 上下游协作单位以不同的角色访问同一模 型，实现产品信息的充分共享，实现了快 速沟通，为产品审阅和检验提供了技术保 障。三维模型下厂现正被国内外许多优秀企业探索应用，三维模型下厂是未来产品 研制模式。-