制造业三维CAD深化应用难点与对策解析.docx

制造业三维CAD深化应用难点问题与对策解析1制造业三维CAD应用现状随着三维建模技术由曲面建模、实体建模到参数化建模、变量技术、同步技术的不断发 展与融合，三维CAD产品设计方面的优势越来越凸显，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。那么，三维CAD在企业的应用现状具体是怎样的 呢？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：第一，单纯地使用二维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。第二，二维为主，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，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。第三，以三维模型文件为主，二维文件作为辅助工具使用。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。第四，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，三维数字化设计制造一体化 集成应用体系尚未贯通。第五，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。下图1为制造企业三维CAD应用层次。三维模型为主、二维表达为辅 |序于MBD的数字化设计制腊I荃三维应用1*0/图1制造企业三维CAD应用层次当然，仅仅通过企业三维CAD的应用层次来评判一个企业CAD应用情况的好坏是片面 的，还需要结合企业所处的行业以及所生产的产品的复杂程度来考虑。如果一个企业不需要 将三维用的很深入，基本的应用就能够解决问题产品设计中的问题，我们认为，对于这个企 业来说这种程度的三维CAD应用就够了。那么，对于大部分想要深化三维CAD应用的企业 来说，存在着哪些难点问题呢？2制造企业三维CAD应用难点分析通过对企业三维CAD应用情况的调查和分析，笔者发现，三维CAD在企业的应用之所 以踟蹰不前，应用效果不明显，存在的难点问题大致可以归纳为以下几个方面：应用者的习惯从“甩图版”到“ 1215”工程，再到国家推进制造业信息化工程，二维CAD在国内制 造业已经使用了很多年。无论是从事产品设计的工作人员，还是与生产配套相关的工作人员， 二维CAD的应用都已经深入人心：工程师习惯了使用二维CAD展开日常的工作，车间工人 也已经习惯了依据二维图纸进行生产。如何引导他们改变传统的习惯，逐步地融入到三维设 计的环境中，是三维CAD应用上的首要难点。技术角度从技术角度来说，虽然三维CAD的建模技术已经相当完善，但在某些方面还有待加强。 具体表现在：1. 三维模型的标注。在二维CAD中，通过三视图的方式，可以清晰明了地表现零部件 的尺寸、公差、粗糙度等所有需要的要素；而在三维CAD中，虽然有软件提供了三维标注 的功能，但是相对二维CAD来说简单很多，表达的信息相当有限，识图者并不能通过一个 三维模型明确所有需要的信息。2. 三维模型修改的便捷性。由于采用了参数化等建模方式，三维模型在修改上相当不方 便，一旦改变了一个部位的尺寸，所有与之相关联的尺寸都会受影响；同时，在三维中对模 型进行了修改，整个模型会重新驱动更新，而在二维中，如果需要修改某一个尺寸，很容易 就可以完成。3. 三维CAD生成的二维工程图简单。目前，三维CAD软件都具备三维转二维的功能， 问题在于，生成的二维工程图在对国标的支持上比较欠缺。工程师在三维CAD中完成设计 工作，生成二维工程图后，还需要对二维工程图进行大量的修改工作才能交付，这在一定程 度上影响了设计工作的效率。4. 变型设计的效率问题。大多三维CAD模型都采用了参数化技术，但在变型设计中，基于参数化的设计存在以下局限：1）参数驱动技术重点强调模型的尺寸驱动变型设计，但 未研究变型设计尺寸参数的来源（设计计算或设计经验）、模型变型设计后的工程有效性。2） 当前参数化设计思想停留在零部件设计层次，没有充分发挥三维CAD设计软件的参数化优 势，也没有从根本上解决工程师出图重复、设计效率低、设计周期长的问题。3）2D工程图 仍是国内机械产品生产加工的重要参考，国内外对三维参数化设计平台NX、Creo、SolidWorks、等进行三维参数化开发研究的工作较多，但对三维参数化模型驱动后的工程图 自动调整研究却很少。因此，导致三维参数化变型设计技术应用范围受到限制。设计协同从设计的协同性来说，三维CAD应用方面存在的问题包括：1. 企业内部三维CAD的应用不统一，版本不统一。虽然很多企业应用了三维CAD软件， 但是企业内部不同的部门对于软件的应用却五花八门，版本各异，这样对于协同设计是极为 不利的。2. 企业的二三维软件不统一。在上三维CAD之前，企业都采用的是比较成熟的二维CAD 软件，应用三维CAD之后，由于习惯问题或是其它原因，很多企业都是用三维做设计，投 影生成二维图，然后再在另外一种二维软件中进行公差、尺寸等技术要求的标注，而如果后 续需要进行修改的话，常常会因为情况紧急，仅仅修改了二维图档，并没有在三维模型上进 行相应的修改，这就造成了生产中实际使用的图档和原始的三维设计不符，产品文档的技术 状态失控，企业二三维CAD应用脱节。3. 企业三维CAD应用范围窄。很多企业三维CAD仅仅在设计部门内部应用推广，而在 工艺、制造环节，完全和三维CAD没有任何关联，没有与CAPP、CAM技术有效结合应用， 这是三维CAD应用深度和广度无法体现的根本原因。三维设计标准和规范1. 三维模型缺乏相应的标准和规范，无法作为技术文件存档。在三维CAD之前，技术 文件的存档都是二维图档，大部分制造企业也制定了非常详细的二维图样标准，二维设计标 准已经相当成熟和完善。然而，企业在运用三维CAD后，对于三维的建模规范和标准的制 定并没有跟上来，导致不同的设计师建立的三维模型差异大。2. 三维标准件库缺失。应用三维CAD后，企业没有根据自身的特点，建立和积累通用 零部件库，造成在设计过程中，对以往的设计资源难以有效重用，设计效率没有本质提升。3. 缺乏三维模型的设计审核流程，没有规范好三维模型设计审核流程，不重视基于PDM 的三维模型文件的管理，这也是三维模型的权威性得不到保证的重要原因。企业角度从企业的角度来讲，企业对于三维CAD的投资直接影响三维CAD的应用。是否定期组 织三维CAD的培训和学习，以提高设计人员的工作能力；是否购买了相应的服务，以保证 在遇到问题时能获得有效的技术支持，等等，这些都是企业在三维CAD应用的过程中需要 考虑的问题。下表1为三维CAD应用过程中的难点问题。表1三维CAD应用难点应用者习惯设计协同effiSi规范企业角度三维技术方面设计者二维CAD版本和种类二维建模规范三维CAD培训三维标注二三维软件的统一三维标准件库三维模型修改设计结果的分学者二维应用范围三维漱计由核 流程三维CAD服务二三维的转换变型跚厂零3三维CAD深化应用的对策三维CAD的应用是一个从形到数再从数到形的过程。企业如何在现有应用的基础上， 深化三维CAD的应用，进而实现全三维设计呢？笔者认为可以从以下几方面入手：首先，企业内部需要制定一套完整的三维设计标准，并规范三维设计流程，使工程师在 设计在设计工作中能够有标准可依据，按流程进行。企业可以着手研究制订统一的三维建模 规范，如统一规定术语、数据集模型、三维标注的方式、简化表示法等；在进行三维建模时 应该做好以下工作的规范化：三维设计不要用简单的体素特征堆砌，必须采用相关特征建模；要充分运用具有几何约束的草图特征，以方便零件的变型修改；要充分利用部件间参数进行互配零件的相关设计；对模型的重要参数应按规则进行变量命名，不要采用系统的缺省变量名；不要采用绝对坐标进行装配定位，要使用配对条件把装配件关联起来；在设计完成的三维模型文件中不要保留无关、冗余的几何元素；严格按图层分类管理进行不同几何类型元素的操作；以主模型为基础开展2D制图、工程分析、数控编程、模具设计。在国标和企业标准化允许的范围内，结合当前二维的设计标准，以及三维设计软件的特 点，制定出合理、有效的三维设计标准以及二维图纸标准，规范制定以后，还必须定出具体 可操作的监控程序，帮助工程师有效地实施这套规范。在此基础上，建立一定规模的外购件 3D模型库、特殊外购标准件3D模型库、企业通用部件的3D模型库以及具有快速查询3D 模型库的工具等。其次，为了保证三维CAD的应用能够真正落到实处，企业可以考虑将三维软件的应用 与绩效考核挂钩，即针对软件的使用者设定一些奖励机制，以促进技术人员对三维设计工具 应用的重视度，实现由二维向三维的逐步转变。很多企业的经验表明，将三维CAD的应用 与绩效考核相对应是比较行之有效的策略。第三，对3D模型文件的管理要到位，将三维模型纳入到企业管理环节。同2D设计图 纸一样，最终3D模型肯定要纳入到PDM平台下统一管理，包括模型版本管理，轻量化模 型的自动生成，流程审批与发布等，赋予三维模型和二维图纸同等的效用。图2为以三维模 型为基础的数字化研发。图2以三维模型为基础的数字化研发第四，为了使企业各部门之间能够更好地协同工作，必须建立通用的三维数据平台，统 一企业内部三维CAD的应用。同时，为了保证二三维文件的同步性和关联性，二维和三维 软件的应用也要统一，在此基础上建立二、三维一体化设计平台，实现三维建模和二维图纸 的同步。并且，三维的应用并不应仅仅局限于设计部门，其它相关部门也要有与之相辅相成 的三维工具来配套，以此建立基于三维的信息交流通道，保证三维信息在各部门之间交互畅 通。第五，3D应用推广的思路要清晰。软件只是一种手段，目的是为了更好地为产品设计 和产品开发服务，所以，企业要在理顺自身的业务流程的基础上，从现有的修改设计、新的 研发设计和典型零部件系列化设计三个方面入手，对于不同类型的设计，采用不同的思路。 对于现有的修改设计，关键部件必须3D造型与预装（数字化样机），干涉检查，避免废品 和返修，解决质量、成本、工时、交货期问题；对于新的设计研发，必须从3D建模开始， 3D造型与预装，数字化样机，直接出2D图，3D模型与2D图纸关联，做到修改3D模型， 2D工程图自动修改，快速出图；而典型零部件系列化设计，3D参量化建模，3D模型变量 化驱动，快速出工程图，提高设计效率和质量。第六，对于导致三维CAD无法深入应用的技术方面的原因，如三维标注、三维修改、 三维与二维的转换、三维CAD在变型设计方面的缺陷等问题，企业可以考虑与供应商合作， 通过二次开发或定制的方式来满足自身的业务需求。对于软件供应商来说，应该在充分地考 虑用户需求的基础上，不断地研究和总结，及早推出相应的解决方案。图3为企业三维CAD 深化应用图。以为基础的全三维设计建立三维标准件库三维模型库 三维模型文件的管理制定相应的三维设计标准和规范制定三维建模标准,规范三维设计流程统一'二三维设计软件保证设计的美联性立三维通用数据平台实现与其它应用系统的集成与交互图3三维CAD深化应用图事实上，三维CAD的应用是一个长期的系统工程。入门容易，但要精通很难。企 业应当系统地思考自己的三维CAD应用模式，并充分考虑到与其它应用软件的集成和交互， 在此基础上不断地优化、深化，进而向CAD的全三维应用迈进。全三维设计的主导思想不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维数模中，而是充分利用三 维模型所具备的表现力，去探索便于用户理解且更具效率的设计信息表达方式。采用全三维 模型的设计方式打破了传统的二维图纸为主的设计理念，并将由此带来一系列设计模式的变 革。目前，国际流行的MBD（Model Based Definition）技术-基于模型的数字化定义技术是实 现全三维设计的前提，基于模型定义的内容包括产品的功能模型（性能模型）、空间模型（几 何模型）、制造模型（工艺模型）和支持模型（维护模型）”，图4为基于模型的定义所包含的内 容。图4基于模型的数字化定义全三维设计技术的实现主要包括以下几个方面：全三维设计开发环境、基于MBD的全 三维设计规范、关联设计驱动的协同设计方法、全三维设计数据组织与管理、全三维工程注 释信息的管理、三维设计模型的轻量化应用、三维标准件库的建立和使用等。图5为以BOM 为基础的数字化设计制造流程。产品追计EBi»T当fl #4工&rria |* -网£.2D”FO. ADa工*M时7a工艺 3fK#等掉M工岫季拜里性 的（I零胳铮.tnTKfSLzkSJ*M部蚓11配4 KffJJ! i图5基于BOM的数字化设计制造流程4结语企业三维CAD的深化应用，必须要系统的、有计划、有步骤地逐步推进实施，因为它 牵涉的不仅仅是设计部门，而是一个关联企业众多部门的系统工程，并非仅仅买几套三维软 件、有一批掌握三维软件操作的设计师就能应用好。三维设计的开展，除了软件本身的功能 外，还需要企业根据自身的实际情况，结合企业信息化管理系统，在实现数据流通的前提下， 完成三维设计环境下信息系统的集成等问题，并要求企业内部工艺、加工、装配等整个产品 流程环节也要有相应的同步技术支持。同时，还需要在企业管理层面上制订一系列的管理规 章制度，以保证系统内数据的正确传输和系统的良好运行。