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基于ProE全三维设计的关键点


基于 Pro/E 全三维设计的关键点
1 前言 近几年,随着三维设计软件不断推进,三维虚拟样机设计技术在设计意图的传递、设计协调和匹配 检查、运动机构仿真、分析仿真等方面给大型产品设计带来了巨大的好处,大大降低了劳动强度,提高 了设计质量,减少了设计返工。但是,由于受生产模式和习惯及其生产条件、员工技能特别是软件等因 素的限制,目前绝大多数产品仍然采用“三维设计+二维生

产”的混合模式进行设计和生产,设计人员 除了建立三维模型外,还需要花大量时间和精力用于把三维模型转化为二维图样,提交制造厂使用,这 样不仅增加了工作量, 还难以保证数据的唯一性。 这种混合模式已经成为阻碍产品数字化技术应用进程 的主要障碍之一。 为了解决以上问题,越来越多的企业提出了全三维的设计目标,试图通过全三维的 TOP-DOWN, 找到适合产品设计特点的全三维设计的规范、方法和技术工具,实现全三维的设计目标。 全三维设计技术可保证设计数据的唯一性; 保证设计数据的一致性; 提高设计效率、 保证设计质量; 设计意图直观表现,提高制造效率和质量;可直接应用于后续的仿真与分析,简化分析建模,减少数据 转换。全三维设计是产品数字化技术应用的基础。全面推动全三维设计技术的应用,必将带动企业数字 化设计技术的跨越式发展。 目前,越来越多的企业通过与森科合作以 Pro/E 二次开发方式,解决三维设计中出现的设计难题, 基本均可实现较为完整的三维数字化样机设计,这样在设计环节的样机模型的完整性就不是主要问题 了,而设计模型数据由设计向工艺和生产部门如何传递,成为制约企业全三维设计的瓶颈。本方案就是 探讨三维模型在由设计向工艺和生产部门传递中应遵循的三维标注规范和配套的标注工具, 以最终实现 企业设计不出二维图,以三维标注的形式下厂的目标。 随着全三维设计在国内大型装备制造业中得到了越来越广发的应用, 青岛森科在等众多领域也接触 到越来越多关于全三维设计的规范和二次开发等工作,现将森科对全三维设计的理解,结合产品特色, 整理成本文,供企业技术人员参考。 2 全三维设计的理解 2.1 全三维设计的提出 全三维设计技术(Full Three-Dimensional Design)指在建立三维模型时,产品模型不仅要包含精确 的几何模型,还需要包含尺寸、公差、基准、属性等信息,以满足下游工艺设计和检验设计的要求,替 代原二维工程图,实现设计、工艺、制造的一体化,最终完全由三维模型取代二维工程图。全三维设计 技术在企业的应用, 不仅会带来了研制模式的改变, 而且会实现更为高效的设计/工艺/制造一体化集成, 为企业的数字化技术体系化的应用打下了坚实的基础。

全三维设计技术最早在波音公司得到应用, 我国的全三维设计概念也是从从波音的转包生产中开始 逐步开展的,如今在航空工业中,基于达索 CATIA 的全三维设计已经逐步开展起来,应用水平比较高。 在航天总体设计部门, 其卫星、 火箭等产品逐步开展了不出二维图、 以三维形式下厂的设计模式的尝试, 目前取得较好的成果。同时,在大型装配制造业中,如南车、北车在高速列车设计生产中,也在推行全 三维设计(三维下厂)的工作。可以说,全三维设计是今后装配制造业的发展趋势。 2.2 全三维设计的要点 全三维设计的前提是设计部门实现了包含电缆管路的全三维数字样机。 通常, 企业面向设计的数字 样机模型比较成熟和完备,因此,面向工艺和制造的模型是全三维设计技术的重点和难点,通常全三维 设计就是指面向工艺和制造的模型的建立和应用。全三维设计在企业中实现主要问题包括三个方面: ? ? ? 全三维规范。主要包括三维标注的规范、流程规范 全三维设计工具。包括三维标注工具、显示工具、测量工具 全三维数据管理。主要指模型数据的管理,使用 WindChill/PDS 系统管理

全三维设计规范是企业全三维设计的基础,一般企业需要针对企业产品、设计、工艺和制造特点来 定义三维模型中三维标注的标准和规范, 仅靠产品的三维数字化模型, 往往难以进行产品的生产和检验。 也就是说,三维模型中没有让技术人员立刻明白的方式,将制造工艺、生产技术、部件装配、部件与产 品检验等工序所必须的设计意图添加到三维模型中去。 也就是说, 虽然三维模型包含了二维图纸所不具 备的详细形状信息,但是,三维数据中不包括几何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处 理方法、材质、结合形势、间隙的设置、连接范围、润滑油/油漆涂刷范围和颜色、要求符合的规格与 标准等, 这些仅靠形状是无法表达的 (非形状或几何) 信息。 基于这一情况, 美国机械工程师协会 (ASME) 联合波音公司于 2003 年制订了“数字化产品定义数据规程” (DigitalProduct Definition Data Practice, DPDDP)ASME Y14.41 标准。其主导思想不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维模型中去,而要 充分利用三维模型所具备的表现力,去探索便于用户理解、更具效率的设计信息表达方式。 ” 全三维设计工具主要是指三维标注工具, 与基于航空的 CATIA 软件在三维标注方面强大功能不同, 企业使用的 Pro/E 设计软件虽然在相关性和参数化等方面优势明显,但在三维标注方面起步较晚,功能 较弱。基本是野火 2 开始才具备三维标注的影子,在野火 3 及以后的版本中其功能才逐步增强,目前的 最新的野火 5 在三维标注方面功能虽有增强,但一般不能完全满足在产品规范、高效标注要求,一般需 要通过二次开发的方式,实现标注工具的根据企业规范的定制开发。 2.3 全三维设计的关键技术 全三维设计的关键是解决产品尺寸、公差、BOM 表和工艺等信息在三维实体模型中的描述问题, 使三维实体模型成为工艺与制造过程中的唯一依据, 使产品后续的工艺设计和制造组装等工作发生了根

本变化。后续的制造工作将在三维数字化环境下,直接依据三维实体模型展开,完成工艺设计和制造与 装配,作为生产现场的操作依据,因此,本工作涉及到设计、工艺和制造等技术部门,需要企业组织专 门小组开展大量工作。 工作内容主要是全三维设计规范即三维标注规范的制定和三维标注工具的开发和 应用。本文即对规范和工具两个层次描述全三维设计的关键技术。 3 三维标注规范的制定 3.1 三维模型与二维图表达差异 传统的以二维工程图下厂的生产方式,从设计向下传递的信息,不仅包含了产品的几何投影信息, 更为重要的是表达了完整的最终的外形及尺寸、工艺和制造信息。在全三维设计过程中,如何工艺、制 造生产等信息在三维模型中进行表达成为关键。 以下对两种方式的表达进行分析: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 内 容 几何形状 剖面信息 尺寸标注 几何公差 尺寸公差 表面粗糙度 表面处理方法 热处理方法 材质 结合间隙 连接范围 润滑油/油漆涂刷范围和颜色 加工信息 技术要求 材料表 BOM 成组位号(成组件号) 二维工程图 一般 一般 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 若 有 有 有 三维模型 强 强 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 备注

3.2 全三维规范制定的要点 3.2.1 关于全三维设计关键 全三维设计的关键在于如何结合企业生产特点和产品特点, 在三维模型中, 将原有二维图中产品的

视图方向、剖面、尺寸、公差、粗糙度、技术要求等工艺信息,以制造等部门能够接受的方式,进行规 范表达、标注和显示,形成适合产品和企业设计特点的三维标注规范。 3.2.2 关于规范的制定 由于三维标注规范涉及到设计、工艺和制造等三大部门,因此需要组织标准化、总体、分系统、工 艺和制造等各部门专人参加的全三维技术攻关小组, 通过梳理产品各类型三维模型, 具体研究其尺寸和 公差标注、剖视图生成、加工要求、特征视图创建与管理、组件等进行三维装配模型的标注技术和内容 等,并充分借鉴航空航天等已有成果,分析消化吸收,重点协调下游的工艺和制造部门,以确定三维标 注的技术方案, 以及三维标注各分类模板和各种标注规范, 为全三维设计技术的大范围应用奠定了基础。 3.2.3 关于三维标注内容 关于三维标注内容, 目前国内企业对三维标注大体有两种的形式, 一是将二维图中所有的信息都表 达到三维模型中,以三维标注形式全部标注并显示出来。优点是信息完整、直观,缺点是信息多时表达 杂乱;二是对模型信息进行部分标注,以显示重要的或者体现设计意图的信息,其余信息由制造部门自 行量取。优点是视图简介清晰、重点突出,缺点是制造部门工作量大,易产生歧义。企业全三维设计标 注规范的具体制订,应依据产品特点和后续工艺及制造特点,确定自己合适的规范。 3.2.4 森科提出建议 规范制订注意点: ? ? ? ? ? 重点分析二维图表达的信息,结合目前二维图表达的内容和方式特点制定规范; 标注模型的接受方为下游工艺和制造部门,应充分听取后续部门的意见; 规范的制定要综合考虑设备、加工方法、人员状况等; 还要考虑后续工艺部门进行工艺标注的需求; 三维标注内容与显示控制

产品三维标注内容可兼顾国内常用两种形式的优点, 分类显示。 首先对原二维图中应表达的所有设 计信息按照重要度进行分类,以利于三维标注和显示控制。包括尺寸、尺寸公差、形位公差、粗糙度、 技术要求、方向符号和焊接符号等设计信息,依照重要度进行分类,将三维模型中需要体现设计意图或 重要尺寸等作为一类信息,将一般信息作为二类信息,对于不重要的信息作为三维信息; 对分类信息进行显示控制。 对三维标注中一类信息进行默认状态下的清晰完整显示, 对二类信息通 过层根据需要进行显示/隐藏控制,对三类信息不进行标注处理; 信息分类原则 (一) 一类信息主要包括: ? ? 体现设计意图的尺寸和公差 主要尺寸

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

重要的检查尺寸 配合尺寸 形位公差 粗糙度和其余粗糙度 焊接符号 方向符号 技术要求 孔表等数控加工信息 组件的元件组成信息 需要工艺进行二次标注的信息,如设计基准变换为工艺基准的尺寸变换

(二) 二类信息主要包括: ? ? ? ? ? ? 参考尺寸 测量尺寸 组件的外形尺寸 易引起公差积累的尺寸 加工特性要求,如组焊后加工等 电缆/管路的编号、线规、长度、端口等信息

(三) 三类信息主要包括: 余下的以默认公差进行显示的尺寸信息 其它信息 1) 产品分类

对所有的产品零部件,以后续制造方式进行详细分类,对每一分类制定具体详实的三维标注规范; 分类方式可按照材料和加工方式分类,如钣金类、结构类、一般加工件、数控加工件、焊接件、铆 接件、铸锻件和一般组件、系统组件等。对于通用件和标准件等不需要分类。 2) 三维视图

三维模型中应定义各视图,如同二维的各向视图,且名称需要规范。各种标注均在视图平面内进行 表达; 3) 组件标注

组件标注比较特殊,应清楚表达各元件的装配位置关系和物料信息,尤其是产品特殊性,包括特有 的设备主件及其附件,大量非真实装配的紧固件,以及工艺虚拟件等,对元件的分组显示和物料数量统 计要求较高。

森科建议企业可以考虑选择以下两种方式之一来处理组件三维标注: 一种是在三维标注时视图中完 整表达清楚件号(成组标注)信息和 BOM 信息以及必要的外轮廓尺寸信息等(等同于二维图) ;另一 种是以件号方式详细描述各元件的物料和数量信息。汇总 BOM(包含未装配紧固件和虚拟件)需要通 过特定工具导入 PDS 中进行统计。 具体标注方式: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 钣金件无论是否能展平,均以最终状态进行标注,不以展平状态标注; 易引起公差积累的尺寸,以统一基准的位置公差进行保证,也可以在技术要求中注明; 特殊零件如多孔件,应考虑加工信息,表达清楚孔表等数控加工信息; 技术要求标注等同二维图,以注释方式在主视图中表达清楚; 方向指引符号,及其向视图; 几何公差/尺寸公差/焊接符号/形位公差等同二维; 剖面在三维模型中定义,名称规范,使用时激活显示; 润滑油/油漆涂刷范围和颜色允许以注释方式标注 三维电缆允许进行特殊标注,包括线规、长度、端口代号等可自动标注; 加工特性,如组件加工(焊接后加工)需求。

结束语 全三维设计是一种全新的技术, 更是一种全新的管理, 必然会受到传统二维设计方法及设计习惯的

阻碍与限制,其上线冲击最大的应该是制造部门,将彻底改变原有的二维下厂的生产流程,不仅对技术 人员软件应用水平有较高的要求,同时对设计工具也要求适合。因此,在全三维设计技术应用过程中, 有些不是通过技术手段可以解决的,必须通过管理手段,在此过程中最为艰难的是“要从二维图纸文化 这种现有概念中跳出来” ,要从决策和管理层进行推进。 全三维设计的重点工作还是在于规范的制定, 尤其是符合自身产品、 设计和制造模式的规范的制定, 一定要符合自身条件。 在制定规范和开发工具的同时, 全三维设计的数据管理技术也应该是个比较重要的内容, 这部分工 作可利用企业 PDM/PLM 系统进行管理,本文不做论述。 目前青岛森科在三维标注等方面取得部分成果, 针对具体产品和标注规范进行针对性开发, 大幅度 提高设计效率。


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