浅谈三维数字化设计制造技术应用与趋势

1、浅谈三维数字化设计制造技术应用与趋势本文在阐述了三维数字化设计制造技术的发展历程基础上，对基于三维数模的产品定义、基于三维数模的产品建模与仿真、基于MBD的数字化工艺设计、基于仿真的三维工艺验证与优化、基于MBD的数字化检测技术等三维数字化设计制造中的关键技术进行了论述，以及企业未来如何成功实施三维设计制造技术。 一、 工程语言演变1、工程师的语言语言、文字和图形是人们进行交流的主要方式。在工程界，准确表达一个物体的形状的主要工具就是图形，在工程技术中为了正确表示出机器、设备的形状、大小、规格和材料等内容，通常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，这种根据正投影原理、标准或有关规定，表

2、示工程对象，并有必要的技术说明的图就称图样。工程图样是人们表达设计的对象，生产者依据图样了解设计要求并组织、制造产品。这种采用类似工程图样的产品定义方式常被称为工程师的语言。2、工程语言的历史演进2.1 第一代工程语言工程定义需要明白和无歧义的表达。中国古代工匠就有采用物理实体模型（如：故宫“样式张”）和二维绘图法表达工程思想的历史。1795年法国科学家加斯帕尔·蒙日（Gaspard  Monge，17461818）系统地提出了以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，工程图便成为工程界常用的定义产品的语言第一代工程语言。这种工程设计语言的缺陷是显

3、而易见的，设计师在设计新产品时，首先涌现在脑海里的是三维的实体形象而不是平面视图。但为了向制造它的人传递产品的信息，必须将这个活生生的实体通过严格的标准和投影关系变成为复杂的、但为工程界所共识的标准工程图。这当中的浪费不仅是投影图的绘制，还包括了从实体形象向抽象的视图表达方式转换的思维，以及在转换过程中不可避免出现的表达不清和存在歧义。制造工程师、工人在使用这种平面图纸时，又要通过想象恢复它的立体形状，以理解设计意图。这又是一番思维、脑力和时间的浪费。平面图纸的再利用能力几乎没有，定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。有时不是创意而是对平面图形的理解程度，制图技术的好坏往往是能否设计、制造出好

4、的产品的关键。对二维图样的绘制和理解是需要严格的专门训练，要求工程人员有良好的空间想象能力。直到今日画法几何和工程制图仍然是工科大学最重要的必修课之一。二百年来，制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。2.2 第二代工程语言世纪年代后期，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，CAD技术越来越成为工程表达的标准方式，逐渐成为第二代工程语言。二维CAD将手工二维绘图计算机化，人们借助此项技术来摆脱烦琐、费时、精度低的传统手工绘图，从而甩掉了沿用200多年的图板。年代初期出现了三维系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的

5、表面信息。进入年代，由于飞机和汽车工业的蓬勃发展，飞机及汽车制造过程中遇到大量自由曲面问题，此时，基于三视图方法的多截面视图、特征纬线近似表达所设计自由曲面产生的不完整性，已经不能满足工程要求，大大拖延了产品研发时间。由于贝塞尔算法的提出，使得用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，从而结束了计算机辅助设计技术单纯模仿工程图纸的三视图模式，首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统为人类带来了第一次技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。由于曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特征，如质量、重心、惯

6、性矩等，从而提出了对实体造型技术的需求。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着发展史上的第二次技术革命。2.3 第三代工程语言年代中期，一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化特征造型方法开始出现。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了发展史上的第三次革命。此时众多软件开发公司群雄逐鹿。年代后期到年代，向系统集成化方向发展，引起了发展史上的第四次革命。特别是波音实现了全数字样机，进一步发展了数字化设计制造技术，此后，波音公司在以波音787为

7、代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，将MBD 模型作为制造的唯一依据。至此，基于三维模型定义技术的MBD已经成为第三代工程语言。近10余年，以波音、空客和洛克希德?马丁为代表的飞机制造企业在三维数字化设计制造技术应用方面取得了巨大的成功。波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息(Product Manufacturing Information，PMI)与三维设计信息共同定义到产品的三维数模型中，摒弃二维图样，直接使用三维标注模型作为制造依据，使工程技术人员从

8、百年来的二维文化（蓝图）中解放出来，实现了产品设计、工艺设计、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同和融合，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式，确保了波音787客机的研制周期和质量。图一：CAD演变历史二、 国内CAD应用历程九五”期间CAD应用工程的推广，我国二维CAD的普及取得了明显的效益。进入21世纪，三维CAD应用逐步开始普及，大部分制造企业也都已经从最初的二维CAD制图转向了CAD的三维应用。三、 当前企业CAD应用现状通过调查发现，目前，制造企业CAD的应用情况可以概括为以下几类：  1、单纯地使

9、用二维CAD绘制图形。这类企业目前已经比较少了，他们所生产的产品一般都非常简单，基本上是三视图连想都不用想就能够直接画出来，比如一些很简单的钣金件生产企业，不需要思考三视图就能直接画出钣金图纸，直接规则折弯，而如果用三维软件建模再转成二维还没有直接使用二维效率高。这类企业往往规模比较小，基本不进行产品的创新设计，只是在原来的基础上做一些设计变更等简单的工作。  2、二维为主，三维作为建模工具辅助使用。这类企业依旧比较重视二维CAD的应用，他们运用三维CAD基本上不是源于自身产品研发的需求，虽然在应用三维CAD，但是出发点却不太明确。一般是看着别的企业都在大肆地推进三维的应用

10、，效果还不错，迫于竞争的压力，也上了三维；或是应上游企业的要求，上游企业规定必须用某种三维软件进行产品设计以符合他们的要求；等等。这类企业的工程师在设计过程中，采用二三维CAD混用的模式，使用三维CAD进行产品功能结构设计，工程图还是在原来的二维CAD中进行，存档文件也是采用二维图档，指导后续的加工生产。在这些企业中，二维图纸依旧作为信息传输过程中的重要文件，他们认为传统的方式来指导生产已经够了，不太重视三维的推广和深入应用，这样有可能导致上了三维CAD后，设计效率反而降低。目前，制造业中这种类型的企业占了大多数。   3、以三维模型文件为主，二维文件作为辅助工具

11、使用。这类企业在运用三维CAD之初，通过软件供应商、第三方咨询公司或者公司专业技术团队的分析，基本上对公司采用三维CAD的出发点、公司所设计产品的开发过程以及产品开发的特点都比较清楚，对所需求三维CAD的功能特点、通过运用三维CAD想要达到的效果会有比较明确的需求，因此在应用上就会有的放矢，一步步推进。包括在三维推广初期对三维产品设计规范的制定，三维模型的建模要求，三维标准件库的建立，等等。处于这种应用状态的制造企业也占了相当一部分。    4、基于MBD的数字化设计制造，即基于模型的数字化定义技术，它将三维制造信息PMI与三维设计信息共同定义到产品三维数字化模型

12、中，使CAD和CAM等实现真正高度集成，使生产制造过程可不再使用二维图纸。这种方式在国外发达航空制造企业已经有成功的应用经验，目前国内航空制造领域的企业也在纷纷地借鉴这种模式。中航工业成飞公司结合数字化制造技术的发展方向，摒弃了传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法，开始采用全数字量传递的协调工作法，并取得了一些阶段性成果。但是，在应用的过程中，他们的三维数模并没有贯穿于整个飞机数字化制造过程中，基于MBD（Model-Based Design）技术的产品定义工作尚处于探索阶段。在国内，以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟，MBD的设计、制造和管理规范还有待完善，三维数字化

13、设计制造一体化集成应用体系尚未贯通。    5、全三维应用。这是三维CAD应用最理想的状态，是制造企业深化三维CAD应用的方向。通俗来讲，全三维设计就是在建立三维模型时，不仅要包含精确的产品几何模型，还需要包含表示产品尺寸、公差、基准等非几何信息，以满足下游工艺设计和检验设计的要求，替代原二维图样，从而实现取消二维图纸的功能，是MBD技术成熟应用的表现。全三维应用首先体现在产品设计必须是三维，其次设计过程中的数据一定是独立的、稳定的、可管理的、可重用的，模型中包含的数据信息能在工艺、制造环节有效传递，生产制造包括后续的过程都高度自动化，实现数字样机和物理样机中间各

14、个环节的通路。但是，就目前来说，很少有企业实现。一方面，实现全三维，企业需要投入的成本太高，再者，要求企业人员具备较高的素质。目前国内企业应用大多数停留在第一和第二阶段。四、 未来三维设计制造技术应用趋势-MBD基于模型的定义（Model-Based Definition-MBD）传统的产品定义技术主要以工程图为主，通过专业的绘图反映出产品的几何结构以及制造要求，实现设计和制造信息的共享与传递。基于模型的定义（MBD）以全新的方式定义产品，改变了传统的信息授权模式。它以三维产品模型为核心，将产品设计信息、制造要求共同定义到该数字化模型中，通过对三维产品制造信息和非几何管理信息的定义，实现更高层

15、次的设计制造一体化。MBD是一种超越二维工程图实现产品数字化定义的全新方法，使工程人员摆脱了对二维图样的依赖。MBD是一个管理和技术的体系，并不仅仅是一个带有三维标注的数据模型。MBD使制造信息和设计信息共同定义到三维数字化模型中，使其成为生产制造过程的唯一依据，实现CAD和CAM（加工、装配、测量、检验）的高度集成。ASMEY14.41、BDS600系列等标准是MBD的重要基础，这些标准的制定促进了CAD软件公司参照其开发软件新功能，使MBD的思想得以实现，并很快应用到以波音787为代表的生产实践中。    （1）基于三维数模的产品定义  &

16、#160; 在以二维工程图为核心的设计模式下，产品的设计结果以二维工程图的方法表达，二维工程图的绘制遵循我国的国标及各个行业标准。二维工程图通常在PDM系统中以文档的形式进行管理，作为文档附件添加到产品结构树的零部件节点上。在工艺规划、加工仿真、夹具设计等制造阶段，需要通过二维工程图获取设计要求，并根据二维工程图重新建立零部件的三维模型，以实现后续的数控编程、加工仿真。以二维工程图为核心的设计模式实际上是传统的手工绘制工程图的计算机化。由于缺乏模型几何等信息的传递手段，使设计与制造难以实现信息的集成和共享。    在以三维模型为核心的设计模式中，产品的所有定义信息

17、都是以三维模型的形式进行表达，尺寸、公差、技术要求、制造要求等，以三维模型的标注、属性等进行表达，形成三维工程图模型，这种设计模式也称为基于模型的定义（MBD：Model-Based Definition）技术。三维模型在PDM的统一管理下，进行发布和传递。工艺人员在获取三维模型后，可以根据需要，采用相应的工艺设计、NC编程、加工仿真、虚拟装配等软件，进行工艺的设计和仿真分析。三维模型可以通过模型转换技术，传递到其他应用系统中。在实现以三维模型为核心的产品数字化建模中，需要解决标准规范、建模工具、模型管理等一系列的问题。    在以波音为代表的国际航空企业中，已经

18、广泛实现了基于三维模型定义的设计和制造。其中一项重要的工作是建立三维模型为核心的产品数字化定义的标准规范，包括建模过程、属性信息定义、模型标注、模型检查等标准规范。目前，国际上已经建立的三维建模的标准包括国际标准化组织的ISO 16792技术产品文件数字化产品定义数据实施规程、美国ASME Y14.41数字化产品定义数据实施规程以及我国的GBT24734数字化产品定义数据通则等。这些标准规范为针对以三维模型为核心的数据集定义、三维模型完整性要求、模型标注、三维模型的表达要求等进行了规范，可以用于指导企业的实践。但是由于各个行业产品的差异性，以及三维软件工具的差异性，国际上各个行业、企业还针对自

19、身的产品、软件工具、管理要求等，建立了一系列行业和企业标准，如波音公司的BSD600系列标准，对采用MBD技术的三维模型定义、各类零件建模要求、装配建模和模型检查等具体要求进行了规定。波音的标准不仅要在公司内部执行，同时所有参与波音产品的供应商也需要遵照波音的规范，进行产品模型的定义。       同时，在三维数字化设计制造中，为了实现设计制造的集成以及并行工程的实现，需要在设计过程中考虑后续制造环节的要求，采用设计和工艺一体化（IPPDIntegrate Product and Process Development）的设计模式，在

20、设计过程中将制造过程的各种要求和约束，包括加工能力、经济精度、工序能力等，融入到设计建模过程中，采用有效的建模和分析手段，保证设计结果可以方便、经济地制造。这种设计模式称为面向制造与装配的设计（DFMADesign for Manufacture and Assembly）。根据制造过程中不同的工艺方法，DFMA可以分为面向加工的设计（DFM）、面向装配的设计（DFA）、面向检验的设计（DFT）、面向维修的设计（DFS）等。    （2）基于三维数模的产品建模与仿真技术    在产品三维数字模型并行定义阶段，可以全面使用结构分析、热分

21、析、电磁分析等数字化产品开发工具软件，大幅提升设计分析的效率和质量，取消实物验证，使产品研制能力产生质的飞跃。    三维数字化设计技术的发展离不开数字化的产品开发工具，从建立单个的数字化辅助工具，到多工具的集成，从建立工程专业领域的数字化开发系统，再到建立覆盖整个产品开发过程的数字化产品开发体系，形成整体的数字化产品开发能力，都需要各种建模与仿真工具的支持，这些工具包括两类：1）具体技术类工具，直接用于产品的建模与仿真分析，如NASTRAN、ANSYS等CAE分析软件；2）产品开发过程应用的系统集成平台，用以组织和管理开发流程、工具软件、数据和自他资源，如Win

22、dchill、TeamCenter等PDM软件平台。  （3）基于MBD的数字化工艺设计    基于MBD的数字化工艺设计是指，工艺设计人员接收产品设计部门签发的产品结构（BOM）、三维模型、技术要求等信息后，根据这些信息进行三维工艺设计，并对设计结果进行三维仿真验证，最后编制成三维工艺规程供操作工人和检验人员使用。    三维工艺设计涉及的主要内容包括三维设计模型转换、三维工艺过程建模、结构化工艺设计、基于MBD的工装设计、三维工艺仿真验证与标准资源库建立等，并最终形成基于数模的工艺规程MBI。  &#

23、160; 三维设计模型转换：将接收到的来自设计部门的三维模型转换为制造环节需要的模型格式，这部分工作一方面包括由于设计制造单位所使用的三维CAD软件不同或者软件版本不一致导致需要进行模型转换，另一方面包括将设计的三维模型转换为制造环节需要的轻量化模型，例如将Pro/E的.prt模型转换为.pvz轻量化模型。    三维工艺过程建模：建立产品制造过程中包括毛坯在内的中间工序的三维模型（包括模型标注），以满足工装设计、工艺参数设计和数控编程等工艺设计活动的需要。    结构化工艺设计：实现从设计BOM到工艺BOM，乃至工艺全要素的完整定义

24、。    基于MBD的工装设计：充分利用三维模型实现工装的快速设计，通过仿真提高工装设计质量。    三维工艺仿真验证：充分利用三维模型进行机加、装配、钣金、铸造等多专业的工艺仿真与验证，获得最优的工艺参数。    标准资源库：针对专业特点建立包括工装、材料、设备、标准在内的资源库，辅助工艺编制。    三维工艺设计最终形成基于数模的工艺规程MBI。目前有人认为基于数模的工艺规程必须是以三维为主的无纸化的工艺规程，也有人片面地把三维工艺过程仿真理解为三维工艺。工艺规程是由工艺

25、员向操作工人、检验员等转达设计意图并提出工艺要求的文件。传统的工艺规程是在标准表格上基于设计下发的二维工程图（蓝图）提出工艺要求，工艺规程必须和二维工程图一起交给操作者和检验员才能进行加工制造。实现三维数字化设计以后，二维工程图取消了，设计下发的是三维模型，需要将设计下发的三维模型转换为轻量化模型后与工艺规程一起下发。三维工艺规程是一种以文字信息、三维模型、图片、动画等多媒体信息组成的多维工艺文档，其以三维形式为主还是以文字信息为主应依据由工艺的专业类型（有的加工专业不适合三维形式表达）和当前的计算机信息技术应用水平决定。    采用三维数字化工艺设计手段有助于实

26、现与产品设计并行的三维工艺设计和分析，提前发现可能的设计缺陷，保证研制质量，缩短研制周期。三维数字化工艺设计不仅可直观地为加工制造过程的操作提供多维工艺文档，更重要的是，三维数字化工艺设计可为生产制造执行过程提供完整的结构化工艺信息。    （4）基于仿真的三维工艺验证与优化    实施三维数字化工艺设计不仅仅是用三维工艺规程取代传统的表格式工艺规程，而是要彻底改变落后的工艺设计模式，要采用先进的工艺设计理念、方法和工具，最终达到大幅提升工艺设计能力的目的。为此，三维工艺验证和工艺参数优化工作是一个很重要的环节。  

27、;  传统的工艺设计过程主要依靠典型工艺、样板工艺、工艺手册等的复制修改，缺少先进的验证手段，机械加工一般都是依靠试切试装来确定工艺方案的合理性，周期长、成本高、一经确定很难改变。例如，工艺员一般先复制相似产品的工艺方案，接着查工艺手册修改相关参数，然后申请试验件验证方案的可行性和合理性，再昂贵的零件也要申请试验件进行试加工。最重要的是，传统的工艺设计方法严重限制了工艺人员的创新性，工艺师的主要工作其实是文字编辑。三维工艺验证与优化涉及加工、装配等专业，加工又主要包括切削加工过程和成型加工过程的工艺验证与优化。切削加工过程的工艺验证与优化，包括用于刀位轨迹和运动过程干涉检测的运动学仿

28、真及对切削加工特性和加工精度进行预测的动态仿真，目前前者应用较多，而后者则需要针对不同的切削加工方法，如车、铣、钻、镗、磨等建立由相应的机床、刀具、工装组成的切削系统的动力学模型及误差分析模型，并需要大量的切削试验研究相配合。通过基于切削过程仿真的切削参数数据库的研究发现：仿真和优化技术是快速获取优化切削参数的最佳途径。目前成型工艺验证与优化的仿真应用也日益增加，例如通过基于非线性有限元的数值模拟不仅可以全面预测金属流动规律，如位移场、速度场、应力应变场和温度场，还可预测成型缺陷的产生和演化过程。美国Northrop公司通过对钣金件成型的模拟，可预测回弹量、撕裂、起皱等缺陷，使废品率减少95%，周期缩短78%（5）基于MBD的数字化检测技术    在基于MBD的产品数字样机和工艺数字样机的基础上，还可开展三维工艺检验技术研究，通过