《MBD数字化制造》课件 第四章 基于模型的协同工艺设计技术

第四章基于模型的协同工艺设计技术目录4.1基于MBD的工艺设计系统4.2复杂产品工艺数据的组织标题4.3并行协同设计流程4.4产品结构调整(装配单元划分)4.5协同工艺流程设计4.6确定产品交付技术状态(中间件模型建立)4.7工装技术条件(定位计划)制定4.8协同工艺设计实例CONTENTS4.1.1工艺方案策划工艺策划：对产品制造过程中关键环节，形成指令性工艺信息或文件。工艺策划的主要内容包括以下五个方面：装配单元的划分：对产品进行装配单元的划分，将产品拆分成若干个相对独立的装配单元，以便于后续的装配工作零部件的装配顺序：工艺策划需要明确主要零部件的装配顺序，以确保产品装配的顺利进行零部件的装配基准及定位方法：工艺策划需要确定主要零部件的装配基准和定位方法，以确保产品装配的精度工序的安排：工艺策划需要合理安排工序，以确保产品的质量和生产效率零部件的交付技术状态：工艺策划需要明确零部件的交付技术状态，以确保产品装配质量和生产效率4.1.1工艺方案策划数字化工艺策划：在MBD技术条件下，工艺策划工作及其全过程需要在工艺设计与管理平台的支持下进行与完成。具体形式取决于不同的装配工艺策划内容，包括但不限于以下几种：BOM结构形式：通过物料清单（BOM）结构展示工艺策划过程中零部件的组成及其关系，便于工艺人员管理零部件BOP结构形式：通过工艺清单（BOP）结构展示工艺策划过程中的工艺步骤及其关系，便于工艺人员管理工艺过程MBD数据模型：通过MBD数据模型展示工艺策划过程中的三维模型及其关联信息，便于工艺人员查看和操作三维模型数字关联图表：通过数字关联图表展示工艺策划过程中的数据关联关系，便于工艺人员进行数据分析和优化电子文档形式：通过电子文档形式展示工艺策划过程中的文档信息，便于工艺人员编辑和查阅文档4.1.2工艺设计过程仿真数字化虚拟制造技术中工艺过程仿真为核心技术，通过先进的数字化工艺仿真系统，构建了一个高度仿真的工艺系统模型在虚拟化、可视化的环境中精确模拟实际的制造环境及其工艺流程，涵盖从原材料处理到最终产品装配的全过程，对产品的制造过程和系统进行全面的预测和评估

产品数字化虚拟装配过程的设计包括以下几个方面：装配顺序的生成和优化。利用模拟软件对产品部件进行装配过程定义，确定部件所属各零组件的装配顺序，确保每个部件在装配过程中的位置和方向都正确无误装配路径规划和优化。模拟工厂现有装配条件和工段安排，进行装配路径的调整和优化，确保装配过程符合实际生产环境装配过程仿真模拟。在数字化装配仿真系统中进行装配过程仿真，利用人机工程等技术，确定装配过程的可操作性和合理性，解决数字化产品MBD模型装配过程中遇到的所有干涉问题4.1.2工艺设计过程仿真工艺过程仿真的应用使得在产品设计早期阶段即可对零部件的全面结构进行精细设计和深入分析识别和解决技术难题。通过仿真分析及早发现问题，有效减少后期修改需求，避免额外成本和时间延误提供虚拟制造环境。在无需物理原型的情况下，测试和验证产品的生产工艺评估各种生产方案。模拟不同的生产方案，评估材料选择、工艺参数和装配顺序对产品性能和成本的影响，找到最优的生产方案数字化虚拟制造技术的发展，特别是工艺过程仿真的应用，为产品设计和生产带来了革命性的改变提高设计和生产精确性。工艺过程仿真大幅提升了设计和生产的精确性缩短产品上市周期。仿真技术有效缩短了产品从设计到市场的周期，加速产品上市速度，迅速响应市场需求成本控制和生产效率最大化。通过优化生产流程和资源利用，仿真技术有效控制生产成本，提高生产效率，实现成本效益的最大化数字化虚拟制造技术在竞争激烈的市场环境中，为企业带来强大的竞争优势加速产品创新。技术使得企业能够快速实施产品创新，提高产品质量，满足市场需求实现可持续发展。随着技术进步，企业能够灵活应对市场变化，优化资源配置，推动全球范围内的可持续发展促进跨部门协作与团队效率。工艺过程仿真通过信息的流动和共享，加强了设计、工程和生产之间的协同，提高了团队效率和一致性4.2复杂产品工艺数据的组织工艺设计过程通过将被加工零件的几何信息和装配、加工工艺信息输入，输出零件的工艺路线和相关的工艺指令，从而实现产品的加工制造

工艺设计与管理的综合性分析，主要包含以下几个方面：纽带与衔接功能。工艺设计与管理扮演着产品设计与生产制造间至关重要的联结角色。在此过程中，产品设计的美学与功能性规格需经由工艺设计的转化，结合细致的加工工艺知识与材料属性分析，制定出既满足生产条件又符合设计愿景的工艺流程与作业指导。复杂性与灵活性的决策框架。工艺设计与管理体现为一个多维度、动态调整的决策过程。科技进步与市场需求的不断演进，要求工艺设计具备高度的适应性和迭代能力，强调在实践积累中不断优化策略，展现了该领域决策的高度复杂性和灵活性特征。跨部门协同的必要性。有效的工艺设计与管理还依赖于企业内部各部门间的紧密合作。任何部门间的沟通障碍或协作不畅都可能导致工艺流程受阻，进而影响整个生产系统的顺畅运行及企业的生产效率。工艺信息管理的重要性。工艺信息的有序组织与高效管理是支撑企业高效运营的基石。作为物资采购、生产调度、资源分配和成本控制等决策的依据，良好的工艺信息管理体系能够显著提升企业管理效能。4.2复杂产品工艺数据的组织工艺设计与管理在现代制造业中具有极其重要的地位和作用。在解决工艺设计与管理中的问题时，可以采取以下措施：加强部门间的沟通与协作。建立跨部门的协作机制，确保各个部门之间的信息畅通，共同制定并执行工艺设计与管理方案。运用信息化技术。利用先进的信息技术手段，建立起工艺信息管理系统，实现对工艺数据的集中管理和实时监控，提高工艺设计与管理的效率和精度。强化人才培养与技术创新。加强对工艺设计与管理人员的培训与学习，提高其专业水平和技术能力；同时，鼓励技术创新，引进新的工艺技术和设备，不断提升企业的竞争力。建立健全的质量管理体系。制定严格的质量管理标准和流程，确保产品质量符合设计要求，提高客户满意度和市场竞争力。4.3.1工艺流程设计工艺设计流程是规划和制定产品制造的方法、生产步骤，将产品设计的几何MBD数据模型转化为层次结构的工艺过程数据模型MBD数字化制造技术使得原本的串行工艺流程得以转变为并行协同的可能，提高了效率和准确性工艺流程设计需遵循以下一般原则：系统性：工艺流程设计应考虑产品从原材料到成品的整个制造过程，确保每个环节都符合设计要求。经济性：在满足产品质量要求的前提下，工艺流程应尽可能简化，以降低成本。可操作性：工艺流程应易于理解和执行，确保生产线工人能够准确无误地完成每个工序。灵活性：工艺流程应具有一定的灵活性，能够适应产品设计变更和市场需求的变化。4.3.1工艺流程设计工艺流程设计与数字样机设计之间的协同作用提高了设计的系统性和灵活性确保了具体工艺流程的经济性和操作性

常用的工艺流程设计方法包括：在MBD数字化制造中，数字样机构建、模拟法和优化法的应用日益广泛流程图法：通过绘制流程图清晰展示工序的顺序和逻辑关系，是最常用的方法之一。矩阵法：适用于复杂工艺流程，通过工艺矩阵表达工序之间的关系。模拟法：利用计算机模拟预测工艺流程的执行情况，并评估不同设计方案的效率和成本。优化法：运用数学优化方法寻找最佳工艺流程方案，以达到成本最低或效率最高的目标。4.3.1工艺流程设计在MBD数字化制造中，数字样机如何改变了原有的串行产品工艺流程设计可以具体说明如下：并行协同工艺设计流程根据产品、部件、组件和零件的层次结构，工艺设计可分为总装工艺、部装工艺、组装工艺和零件工艺。不同类型的工艺活动在产品设计的不同阶段与数字样机MBD模型的级别同时启动，以实现产品设计与工艺设计的并行协同。如图所示，总装工艺在复杂产品的主几何MBD数据预发布阶段启动。部装工艺在一级数字样机建立阶段启动。组装工艺和零件工艺设计分别在二级和三级数字样机MBD模型批准发布阶段启动。4.3.1工艺流程设计确保工艺设计流程的质量和效率，关键节点设立了阶段评审机制。评审小组由工程分析人员、制造工艺人员、工装设计人员、材料供应员及其他相关人员组成，评审小组成员在批准预发放或最终发放的数据文件上签字之前，需对文件的质量和准确性负责。

各部分人员的职能可以分配为：工程分析人员负责对产品设计进行详细的工程分析，包括产品结构、性能和可靠性等方面的评估。制造工艺人员主要负责制定产品的制造工艺设计，包括工艺流程、参数设置和设备选择，确保工艺的可行性、经济性和生产效率。工装设计人员负责设计产品的工装，包括模具、夹具和量具等，以确保其满足产品制造的需求，并考虑到生产成本和使用寿命等因素。材料供应员负责产品的材料供应，包括材料的选择、采购和库存管理等。其他相关人员如质量管理人员、生产成本核算人员和市场销售人员也参与评审，各自角度提出改进建议。4.3.1工艺流程设计工艺设计流程可以细分为以下几个活动阶段：产品结构分解阶段：将复杂的产品结构分解为更小、更易管理的部件和组件，为后续的工艺规划和制造奠定基础。定位方法与零件交付状态制定阶段：确定部件和组件在装配过程中的定位方法，以及装配完成后的交付状态要求，如清洁度和表面处理等。工艺顺序规划阶段：确定各部件和组件的制造顺序及其装配关系。工艺过程仿真阶段：通过计算机模拟验证工艺顺序和装配过程的正确性，预测可能出现的制造问题，如干涉和间隙不足等。工艺编制阶段：根据前述规划结果编制详细的工艺文件，包括工艺规程和操作指南，以便生产现场的工作人员和技术人员理解和执行。4.3.1工艺流程设计工艺方案设计的不同阶段一、在工艺方案规划阶段：按照产品结构的设计分离面，将产品结构划分成几大部件根据一级数字样机MBD模型的设计结果，考虑部件结构特点、工厂生产能力等因素，确定各部件的工艺分离面将复杂产品部件结构划分成结构上相对独立的、工艺上相对简单的组件制造单元形成总装、部装及组装三级装配工艺二、在详细工艺设计阶段：根据装配单元的划分结果制定各个部件、组件制造单元的装配单位，即确定装配分工路线根据产品结构特点及装配单元划分，确定出装配对象的安装定位方法及其交付状态按照这一需求确定所需的工装类型、结构，并提出工装需求申请，启动工装设计流程4.3.1工艺流程设计在装配方案的制定过程中，根据装配单元的划分结果以及装配对象的交付状态要求，确定零件在制造过程中因工艺需要而留有的余量、导孔和其他相关技术要求经分析和调整，最终形成满足装配工艺要求的零部件数据MBD模型及产品结构树当结合方案规划过程来划分各个装配单元，并进行总装、部装和组装三级装配工艺的详细设计时，有以下几个步骤需要完成：确定装配单元中各零部件对象的装配顺序，并设计它们在装配过程中的运动路径。进行装配过程的仿真，结合工装设计的结果，解决可能出现的碰撞和干涉问题，以实现装配工艺的优化。根据仿真结果生成装配工艺图解、装配过程动画等多媒体数据，并编制成装配工艺数据文件，以便生产现场的工人和技术人员更好地理解和执行装配工艺，从而提高生产效率和质量。4.3.2装配工装流程设计装配工装一般应遵循的原则：功能性、可靠性、适应性、经济性在启动工艺装备设计阶段之前，工艺装备工程部门应与制造工程部门协作，共同明确并确定关键定义表面与尺寸，这些尺寸需包括在零部件发放前所标识的关键特性。工艺装备的整个协同设计过程在此基础上，双方需共同制定各类工艺装备的基本设计方案：根据预先获得的产品数据与工艺方案信息，着手进行工装骨架的设计以及定位器的初步设计工作。在产品设计流程圆满完成且产品设计数据正式发放之后，相关部门需对定位器的设计进行进一步的完善与细化。工艺装备的整个协同设计过程如图所示。工艺装备设计的流程与产品设计在某种程度上相似，均需执行三维建模（实体模型）的工作。工艺装备设计团队将运用三维零部件模型进行工艺装备的数字化预装配。检验零部件与工艺装备之间、以及工艺装备相互之间是否存在干涉现象，并确保预留了充足的空间。4.3.2装配工装流程设计在制定具有指令性的工艺规程之前，团队应基本确定所需工艺装备的种类和数量，并据此制定出详尽的工艺装备设计方案

该方案是工装设计过程中的核心技术文件，其内容涵盖了以下关键点：

装配工装流程设计是确保产品装配质量和生产效率的重要环节。通过遵循一定的原则和方法，借助MBD技术，可以协同设计出既高效又经济的工装，缩短装配工装研制周期。设计师和工程师在设计过程中需要不断应对多变的产品需求、提高精度和复杂性、控制成本以及技术更新等挑战。通过持续的技术创新和优化，制造商可以提升工装设计的水平，从而提高整体的生产效率和产品质量。工艺装备设计基准的确定：包括工件在工艺装备中的放置状态和定位基准的选择。定位件的结构形式与布置方式的设计：确保工件能够准确、稳定地定位在工艺装备中。工件的进出路径规划：设计确保工件能够顺利进出工艺装备的路径，以提高生产效率。工艺装备的总体结构设计：考虑工装的稳定性、可靠性和生产现场布置的实际情况。制造方法的详细说明：确保制造过程中各项技术要求的执行。4.4.1产品结构调整概述在以装配工艺为核心的产品制造领域，对产品结构进行细致的分解不仅是实现生产可行性、经济性和均衡性的关键步骤，更是确保产品质量和生产效率的基础。尤其对于结构复杂、体量庞大的机械产品，如汽车等，从设计结构到工艺结构的转换过程显得尤为重要。以航空器的制造为例，其严格的气动外形要求、结构的互换性、以及对重量的极致减轻，均要求在生产过程中对每个零件的尺寸和形状进行精确控制。在这样的生产环境中，除了那些形状规则、刚性优良的机械加工零件外，大多数零件，尤其是形状复杂、尺寸庞大、刚性较弱的钣金零件，需要通过专用的工艺装备进行制造，确保其满足严格的精度要求。为了将这些易变形的复杂零件装配成符合设计精度要求的完整产品，不仅需要采用专门设计的装配型架，还需要在多个工作站点上，利用多台装配型架协同完成整个产品的装配工作。4.4.1产品结构调整概述工艺分解的核心在于，基于设计结构，合理利用产品结构的设计分离面和工艺分离面，将产品划分为若干个独立的装配单元这一过程的基础在于对产品的设计分离面和工艺分离面的精准识别关键定义表面与尺寸

两者的区分是在工艺性审查过程中同步完成的：在进行工艺分解时，选择工艺分离面需综合考虑生产的性质、产品产量、生产周期、成本等因素，并进行详尽的技术经济分析。在研制或试制生产阶段，通常采用较为集中的工艺方案，工艺分离面的选取以满足生产准备周期和装配周期为目标。在批量生产阶段，倾向于采用分散的工艺方案，以提高劳动生产率和保证产品质量为原则，尽可能多地采用工艺分离面。4.4.1产品结构调整概述在复杂产品的研制过程中，结构工程师首先从结构功能的角度划分设计分离面，并将复杂产品结构数据组织成工程结构树（EBOM）的形式。制造工程师根据制造商的装配方法和工艺技术水平，同时考虑工艺方面及生产效率，从制造生产的角度出发，对产品结构进行工艺分离面的划分，可能需要对原始设计的结构关系和组件隶属层次进行调整，将产品结构从EBOM调整为装配结构树（PBOM），以指导后续的工艺设计工作。在对结构树进行调整的过程中，需要参考丰富的工艺知识，并依据长期积累的经验，充分考虑制造过程中的各个方面，须严格保持工程结构树与装配结构树之间的一致性，即所有零部件号及其数量在两树中必须相同。这种调整是在工程结构树的基础上进行的，调整后的数据应能够清晰表示生产中的直接装配关系和安装次序，从而构成了指导生产的装配结构树。4.4.2装配单元划分工作模式在装配车间流程设计、装配ACC流程设计以及装配POS流程设计的背景下，装配工艺设计人员与结构设计人员需共同协作，以协商一致的方式制定各层级的装配单元结构设计人员对EBOM结构进行直接调整和修改，确保上层EBOM结构与PBOM结构的一致性，从而实现装配单元的有效划分

装配单元划分的工作模式详述如下：装配单元划分依据：划分工作基于任务对象的EBOM结构表和构成该任务对象的下属结构对象的数字化结构模型。设计方法：通过工程技术管理平台的BOM结构调整功能页面，对BOM结构进行调整。PBOM形成过程：在形成PBOM的过程中，需考虑工艺因素，确保PBOM数据与EBOM中的数据保持一致。设计输出：经过调整并增加了装配单元的PBOM结构表，该表详细列出了所有装配单元及其组成部分，为后续的装配工艺流程提供了明确的指导。划分人员：负责装配工序层流程设计和零件工艺流程设计的主管工艺设计人员承担划分任务。划分时间：装配单元的划分工作与车间、ACC、POS、工序层流程设计同步进行，确保在整个生产准备阶段，产品的结构调整与流程设计紧密相连，形成高效的生产布局。4.5协同工艺流程设计工艺流程设计的核心目标是按照自顶向下的原则，综合考虑产品结构、工艺技术、所需时间，以及场地、人力和设备等关键制造资源，将复杂的产品制造过程分解为层次化的制造工艺单元。车间层流程设计一

ACC层流程设计二

POS层流程设计三

JOB层流程设计四工艺流程设计工作模式五4.5.1车间层流程设计基本制造单元：在汽车制造中，装配车间和零件车间构成了基本的制造单元部件和总装流程：对于如汽车这样的复杂产品，其结构通常较为复杂，需要通过工艺分离面将其划分为多个部件。流程设计的组织与实施：车间流程的划分通常由厂级制造工艺部门负责编制，根据产品的工艺结构树来设计整个流程。汽车制造流程示意图4.5.2ACC层流程设计基本概念：ACC流程以ACC（区域控制码）为基本单元，建立起各个站位之间的装配产品流动关系。工作区域的划分与装配：由于飞机的部件或部件组在装配时相对独立，生产过程中会将这些部件分布在不同的工作区域进行装配。基于产品结构树的ACC划分：部件ACC的划分基于产品结构树进行，并在产品协同设计组（LCPT）中完成。ACC流程的实施：划分工作区域→标识和管理→优化装配流程组件ACC的划分与管理：部件ACC的划分需要考虑工作量，并由产品工艺分离面确定的进度、成本、质量来控制和组织生产。ACC树的构建：ACC之间的关系在装配工艺树中可以明确地反映出来。4.5.3POS层流程设计POS流程，即工位流程，是对ACC流程的进一步详细划分。它专注于某一工位内部各装配单元之间的具体工作关系和流程顺序。POS作为ACC的细分，管理复杂产品制造过程中更小单元——工位的运作。通过将ACC按工艺装备、工作地和产品工艺分离面进行划分，可以形成若干个在空间上相对独立且具有特定功能的制造活动中心，每个中心对应一个POS。在实际操作中，一个ACC中的各个POS之间存在前后关系，形成了树状结构，构成了ACC内部的POS树。对于部件ACC，其POS树是单一的；对于组件ACC，则存在多棵平行的POS树。通过将所有ACC中的POS树按照其之间的关系进行组合，可以得到整个装配的POS树。4.5.4JOB层流程设计JOB流程，即工序流程，在工业制造领域内，是一种基础指导原则，用于详细规划和指示车间内部各种零部件的组装或零件制造的精确操作序列。此流程采纳“作业”（Job）作为最小作业单元，确立各生产步骤间的产品流动逻辑与操作序列，为生产流程的有序进行提供蓝图。与相对固定的设备位置树（ACC树）和系统位置树（POS树）相异，Job树在实际生产中展现出较高的动态调整能力，可根据生产周期的变动、人力资源的调配或生产设备状况进行适时调整。4.5.5工艺流程设计的工作模式工艺流程设计作为确保制造作业高效性与秩序性的核心环节。设计方法涉及使用工程技术管理平台的工艺流程设计功能。设计人员会根据发动机装配线的要求，对照PBOM结构树，建立发动机装配的工艺流程。设计输出为一系列详细的装配工艺文档，这些文档是生产线操作人员及管理人员开展日常生产的直接指导手册。工艺流程设计任务由主管级工艺设计专家担纲，他们在接收指定的设计任务后随即启动工作流程，设计活动的时间规划依据项目紧迫性与复杂度灵活调整。4.6确定产品交付技术（中间件模型建立）对于装配单元结构在车间、ACC、POS划分时形成的装配件结构状态描述，由装配工艺设计人员与结构设计人员共同协商制定，由结构设计人员将相关信息直接描述在装配单元结构MBD模型中。对于零件结构在划分流程单元后所对应的结构状态描述，需由零件工艺设计人员建立并描述在中间件MBD模型中。确定交付技术状态工作模式4.6确定产品交付技术（中间件模型建立）确定技术状态根据工艺流水，工艺设计师需要确定各个车间或中心加工完成后的技术状态。建立中间件MBD结构模型工艺设计师需要利用三维建模软件，根据确定的技术状态，建立反映该技术状态的中间件MBD结构模型。上传与关联管理将建立的中间件MBD结构模型上传到PDM系统中，与产品零组件对象进行关联管理。工艺设计师工作职责描述4.6确定产品交付技术（中间件模型建立）对于装配件的完工状态描述，其重点在于详细记录装配流程末尾，即装配件自装配单元移除时的结构特征与连接详情。这包括但不限于最终紧固件的锁定状况、临时紧固件的使用情况、以及未完成连接的预制孔状态等关键信息。装配件完工描述设计输出是反映零组件实际制造状态的中间件MBD结构模型,包含了零组件的详细设计信息，如尺寸、形状、材料等，及与其他组件的装配关系,有助于工程师在制造过程中更好地理解和控制零组件的质量。设计输出交付制孔要求的表达完工状态描述4.7工件技术条件（定位计划）制定

依据复杂产品装配过程的主要特点，保证其形状和尺寸的协调准确度要求，必须用大量体现零件尺寸和形状的专用装配工艺装备来定位零部件空间位置并保证其形状。

工装设计人员设计装配工艺装备时，需要由工程设计人员设计的装配对象的几何形状与尺寸信息，还要由制造工艺技术人员制定的装配对象的装配过程及其零部件的具体定位方法，即工装定位计划TIP(ToolIndexPlan)。4.7.1工装定位计划在制定工装定位计划时，首先要分析闭合翼肋的装配结构，明确其定位基准和定位方法。需要考虑以下因素：结构件基准面确定装配配合表面分析空间交点孔位精确定位装配孔位置与尺寸校核关注重要轮廓外缘的吻合立尾闭合翼肋4.7.1工装定位计划右图展示的闭合翼肋工装定位计划，包含了五个关键点的细致规划：机身后段对接保险翼弦定位主翼弦配合装配复板装配精确定位加强筋定位优化闭合翼肋工装定位计划4.