時間：2023-05-30 10:27:26
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇三維工藝設計，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
隨著CAD/CAM/CAE以及計算機信息和網絡技術的發展，歐美各航空制造大國均已全面采用三維數字化設計和制造技術，全面采用三維數字化產品定義和仿真技術，從根本上改變了傳統的飛機設計與制造方式，大幅度地提高了飛機設計制造技術水平。波音公司在波音777飛機的研制過程中，由于全面采用了該項新技術，使研制周期縮短50%，出錯返工率減少75%，成本降低25%，其研制過程是數字化設計制造技術在飛機研制中應用的重大突破。近幾年在美國波音787、F-35、歐洲A400M及A350的研制中，數字化設計及裝配技術有了更為深入的應用[1]。近幾年，國家加強了對航空業的扶持力度，我國的航空制造業迎來了高速發展時期。當前一些新型號的研制已全面采用了基于MBD的全三維產品設計，飛機產品設計已全面實現三維無紙化設計，取得了產品從二維模擬量到全三維數字量的革命性突破，也為進一步實施數字化制造打好了堅實的基礎。目前零件制造部門使用MBD數據已較為順利，大大減少了因工人對圖紙理解偏差導致的質量問題；然而裝配工藝設計部門依然按照傳統方式進行裝配工藝的規劃和設計，導致三維數字化的產品數據在裝配工藝設計階段出現斷層，使得三維數字化的產品設計數據無法準確順利地往下一級流動，需要大量的人員手工參與，數據的準確性、連續性被破壞，裝配指令（即AO）的編制完全采用文字或者插入少量圖片的方式進行表達，工人現場使用時還需參照大量設計技術文件以及各類工藝性文件，可讀性和操作性極差，一線操作者意見很大，普遍存在師傅干什么徒弟干什么的情況，無法起到指導現場操作的作用。因此裝配工藝設計部門需要適應全三維數字化設計的新形勢，采用基于MBD的三維數字化裝配工藝設計系統進行裝配工藝的設計和規劃，利用設計部門在VPM協同設計系統中設計并發放的產品三維數模，通過數據接口將產品數據導入裝配工藝設計系統中，并將產品三維數模的路徑關聯到每個零件上，在三維可視環境下進行產品的裝配工藝規劃及工藝設計，直觀地反映裝配狀態，最后生成現場使用的三維可視化裝配指令指導現場生產。
2基于MBD的三維數字化裝配工藝的設計過程
基于MBD的三維數字化裝配工藝設計不僅僅是指編制三維裝配指令，而是貫穿飛機設計的整個過程，在整個過程中不同階段有不同的側重點。這個過程主要包含以下三個階段：第一階段：工藝系統接收產品初步設計數據，分析產品結構特點，與設計人員協商初步確定工藝分離面并制定初步的裝配方案，然后在三維仿真軟件內進行裝配方案可行性的初步分析，制定總體裝配方案，分析可能的裝配難點和重點。第二階段：工藝系統接收產品較高成熟度的MBD設計數據，在三維仿真軟件內對重點部位（必要時對全部）結構件、管路、自動化裝配設備等進行裝配過程和人機功效的詳細仿真分析，發現并解決產品、工裝以及工藝方面的問題并給出解決方案，如圖1～圖3所示；這個階段的工藝工作主要包括：裝配順序的創建和優化；裝配路徑設計和優化；裝配工藝過程仿真模擬、人機功效模擬、自動化定位及制孔設備等的工作仿真。利用三維數字化仿真軟件對產品的組件或部件進行裝配過程規劃，確定組件或部件內零組件的裝配順序；按照工廠現有裝配條件和裝配單元工作內容，進行裝配路徑的仿真和優化；最后在數字化裝配仿真系統中進行零組件或自動化設備的裝配過程及人機功效的仿真模擬，分析裝配工藝過程的可操作性和合理性，發現并解決數字化產品模型裝配過程中所遇到的產品、工裝以及工藝設計中的各類問題，同時也可以進行工具等的選型工作[2]。第三階段：接收設計部門的最終三維MBD設計數據，創建頂層MBOM以及PBOM等工藝數據，在數字化工藝設計系統中進行裝配工藝的詳細規劃和細節設計以及資源庫的創建，在三維可視化的環境下進行零組件以及標準件的劃分，在全三維的環境下對裝配指令進行工步級的細節編輯，最終生成現場使用的三維可視化工藝指令。
3三維數字化裝配工藝設計系統的架構和工作模式
3.1三維數字化裝配工藝設計系統的架構
本文所述的裝配工藝設計系統是基于達索公司的DELMIA軟件平臺進行開發的三維數字化裝配工藝設計系統，DELMIA軟件平臺分DPE和DPM兩個工作環境，DPE側重數據管理和工藝規劃，DPM則提供一個三維可視化的環境便于產品數據的劃分和裝配仿真等工作。由于DELMIA只是提供了一個平臺且目前MBD設計標準不統一，故需要在原有基礎上進行客戶化定制和開發，本系開發了多種輔助工藝設計工具以便工藝設計人員只需極少的文字輸入即可完成工藝設計，所有關鍵數據均直接繼承自產品MBD數模，保證了工藝信息的完整和準確；此系統中最為復雜難度最大是MBD數模中標準件的處理和劃分，由于大型飛機標準件數量都在數十萬甚至上百萬件以上，采用實體建模將會產生天量的數據，因此目前飛機標準件設計大都采用點線等元素進行簡化表達，無法使用DELMIA中標準功能進行標準件的工藝規劃，因此系統開發了一套專門處理標準件模型的工具，本系統也是國內目前唯一實現了對以點線表達的標準件識別和劃分的系統，如圖9所示。本系統依托VPM協同設計平臺提供MBD產品數據，在DELMIA中完成PBOM的創建、頂層MBOM的劃分、三維裝配指令的設計并向協同平臺提供底層MBOM以及三維裝配指令等數據，由系統平臺進行管理和發放。三維數字化裝配工藝設計系統的流程及架構如圖4所示，整個三維數字化裝配工藝設計系統始終保持設計數據的一致性，保證數據的準確性及完整性，同時本系統可給生產管控系統（MES）以及ERP系統設置數據接口[3]。
3.2三維數字化裝配工藝設計系統的工作流程
三維數字化裝配工藝設計系統主要由需要工藝管理部門和各車間工藝設計部門使用和管理，工藝管理部門和各車間工藝設計部門必須緊密協同才能順利開展三維數字化裝配工藝設計，同時工藝管理部門需要給予車間一級足夠的權限，畢竟車間一級工藝人員對產品設計特點有更深入的了解。工藝管理部門主要負責三維裝配設計系統數據的頂層設計，其利用DELMIA中的DPE環境下的數據接口進行EBOM導入，通過對EBOM的重組增加工藝組件和路線定義等形成PBOM；在PBOM的基礎上構建頂層MBOM；根據各廠際分工要求進行大部件級的頂層工藝組件的劃分，如圖5所示。各車間工藝技術主管接收工藝管理部門下發的數據，進行各車間內部工藝面的進一步劃分并將之分派給具體每個工藝員；工藝員接收工藝主管分發的具體某個裝配單元的數據，進行本裝配單元裝配工藝的層次劃分以及具體工步的分解，在DPM三維可視化的環境中中進行零組件及標準件的劃分，然后在DPE環境下進一步進行裝配可視化修飾等細節編輯，但對于裝配工藝所需飛機裝配技術條件、材料、工藝規范文件等全部采用專門開發的工藝設計工具進行創建以保證編制數據的準確和完整。最后直接在DPE中輸出結構化和標準化的三維裝配指令并提交審批，經過審批的裝配指令發送到協同平臺進行統一進行發放及管理，以上過程見下圖6～圖14所示。三維裝配指令審批發送到系統平臺后由工藝管理部門統一管理，不屬于裝配工藝設計的范疇，本文不再贅述。
4基于MBD的三維數字化裝配工藝設計的優勢及要求
4.1基于MBD的三維數字化裝配工藝設計的優勢
1）采用基于MBD的三維數字化裝配工藝設計，徹底解決了制約裝配工藝設計過程中涉及的數據準確性、完整性的問題，整個裝配工藝的設計完全基于設計的MBD數模，保證了與設計數據的一致性；2）工藝人員在三維可視化的環境下進行裝配工藝的規劃、仿真和設計，使得裝配工藝設計更加直觀更有操作性，通過裝配路徑仿真、人機功效仿真以及自動化設備工作仿真等可提前發現存在的設計、工裝及工藝規劃包含的問題并提前予以解決，大幅減少現場實際生產時的各類問題，提高生產效率并大幅降低生產成本；三維可視化裝配指令設計系統使工藝人員完全從枯燥的文字編輯以及事后數據校對中解放出來，工藝人員只需關注裝配工藝的可行性和合理性，無需花大量精力進行數據準確性和完整性的檢查；3）在三維數字化裝配工藝設計系統中輸出的三維裝配指令徹底顛覆了傳統文字化的裝配指令，工人只需在系統輸出的三維可視化裝配指令中進行簡單操作即可，無需查找大量的圖紙、設計技術文件以及其他工藝性文件，做到了可見即所得、所得即所需的效果，同時工人還可在裝配指令的三維視圖中對輕量化的設計數模進行各類尺寸的直觀測量，便于工人現場操作的進一步了解；4）三維數字化裝配工藝設計系統可輸出裝配部門準確完整的底層MBOM，有利于ERP以及MES系統的實施和管理；5）三維數字化裝配工藝設計系統可以與裝配知識庫系統緊密集成，使得公司積累的知識在裝配工藝設計時順利地的共享和調用；6）工藝管理部門可利用DELMIA軟件平臺中DPE模塊對整個裝配數據進行有效的管理，保證下游數據的完整性和準確性，利于工藝設計部門編制完整準確的裝配指令。
4.2基于MBD的三維數字化裝配工藝設計的要求
1）基于MBD的三維數字化裝配工藝設計要求有準確、完整及規范的且嚴格執行的MBD數模，產品設計數據是所有下游數據的源頭，設計數據是否準確、完整及規范是決定三維裝配工藝設計系統是否順暢和準確最關鍵的要素。因此產品設計部門必須要有科學合理的與制造部門協商過的MBD設計標準和規范且必須嚴格執行，否則必定會導致整個下游其他系統的數據的混亂和實施困難[4]。2）工程制造部門也須有嚴格的與設計部門MBD設計標準和規范相協調的各類工藝規范且必須嚴格執行，用以支撐三維數字化裝配工藝設計。本文所述的裝配工藝設計系統在開發過程中發現產品設計標準很大程度上體現的是傳統二維設計模式的思想，不能很好的適應當前基于MBD的三維數字化設計要求，而且設計人員沒有嚴格執行現有標準化要求，特別是以點線表達的標準件模型存在大量的格式錯誤等不規范設計，導致系統開發比較緩慢，僅為了解決標準件數模處理和劃分就占了近三分之一的時間。因此產品設計應開發專用的標準化設計工具和數據庫用以支撐基于MBD的產品設計，同時需要借助專業化的軟件工具對MBD產品數據進行標準化等項目的批量檢查，最大限度地減少因人為因素導致的產品數據錯誤。3）工藝設計人員必須具備相當的工程經驗，熟練理解并掌握三維數字化裝配工藝設計系統所涉及的理念和軟件使用要求，三維數字化裝配工藝設計系統對工程技術人員來說只是工具，它本身無法識別工藝設計和規劃的合理性和可行性，這些都必須由工藝設計人員依靠經驗和知識確定。
5結束語
關鍵詞：三維輕量化模型、數字化制造定義
隨著三維CAD在國內制造業的廣泛推廣應用，三維設計過程已經成為企業進行產品設計的主流工具。企業在產品設計中積累了大量的三維模型數據，如何充分利用這些三維模型數據成為企業關注的焦點。設計手段的變革，工藝設計跟著需要變革。工藝如何和三維C AD進行集成，工藝如何基于三維CAD進行加工工藝設計和裝配工藝設計等，目前在很多企業都有迫切的需求。
企業設計逐步采用三維設計模式后，工藝設計模式也面臨著改變和沖擊。企業迫切地需要利用三維模型的信息完整、可視的獨特優勢提高工藝編制的質量和效率，并實現產品模型信息的統一。然而，三維模型數據量雖大，但目前的數據模型主要表達設計幾何信息，對于制造工藝以及數據模型卻涉及很少，同時，不同的C A D系統產生的數據在異構平臺下不兼容、工藝信息量龐大和網絡帶寬的限制，使得三維模型數據的交換、共享以及在制造工藝上的應用具有很大的困難。
本文就內蒙古第一機械集團有限公司（簡稱內蒙一機）采用M P M S制造規劃管理系統實現基于三維輕量化模型的工藝無紙化應用的實際情況，探討三維模型下工藝管理的關鍵技術。
一、三維模型輕量化是工藝三維化的關鍵技術支撐
為了實現產品全生命周期內三維模型數據的交換和共享，人們對三維模型的輕量化進行了大量的研究和探索，內蒙一機在Extech MPMS系統上開發應用了符合企業需求的輕量化格式，取得了很好的制造工藝應用效果。
由于工藝制造信息是設計信的息數十倍，在三維工藝設計中，數據的輕量化是實現三維工藝的關鍵技術，三維工程輕量化模型需實現標注、測量、裝配和制造工序模型技術。
在成熟輕量化軟件的基礎上，開發適合工藝應用的輕量化工具，達到工藝設計模式從二維向三維的轉變。將原有的CAPP與2D CAD集成轉變為CAPP與3D CAD的集成，為設計人員提供一個接近真實的可視化工藝設計環境。在這個環境下進行包括建立和提取三維模型中的加工特征信息，加工過程仿真和校驗、裝配過程仿真優化、加工資源規劃等高層次的工藝設計工作。這將大大提高工藝設計的質量和效率，并強化工藝在產品研發過程中的地位。
1.基于輕量化模型的數字化定義技術
數字化產品定義（DPD）是實現數字化制造的基礎，它以數字的方式對產品進行準確描述。采用輕量化模型技術后，數字化產品定義信息必須按輕量化模型要求進行分類組織管理，完整準確地表達產品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足制造過程各階段對數據的需求，保證產品設計制造過程中的協調性。
2.基于輕量化模型的數字化工藝設計與仿真技術
輕量化模型是產品三維數模的過程制造模型，使產品的工藝設計活動發生了根本變化。工藝設計與仿真將在三維數字化環境下，依據基于輕量化模型技術的數字化工藝協調制造體系要求，以產品的EBOM和三維數字樣機為基礎，以工藝數字化并行定義為核心，制定工藝總方案，建立三維工藝數字樣機，進行數字化三維工藝設計、數字化工藝容差分配、仿真優化和數字化三維工藝仿真驗證。
在工藝設計與仿真的不同階段，仿真的內容也不同。在工藝審查階段，對零件、組件及部件組成的制造單元進行可制造性、可裝配性分析，檢查結構設計的合理性；在工藝規劃階段，通過裝配工藝仿真，確定零部件之間的裝配順序和運動路徑；在工裝設計階段，進行制造資源仿真，設計出合格的工裝資源；在工藝編制階段，通過建立起產品、工藝和資源的數字化工藝數據模型（P P R），并對關鍵部件進行基于M B D的工藝容差分配計算和優化，實現基于模型的工藝分離面劃分、裝配工位設計、裝配流程設計和三維工藝指令設計等。
3.建設輕量化模型的工藝裝備數據
工藝裝備設計在三維數字化環境下，以產品數字樣機、工藝數字樣機為基礎，進行工藝技術裝備的設計和仿真，逐步形成面向現代航空制造的基于三維的飛機制造技術裝備工程體系，實現技術裝備數字化、自動化和柔性化。在工裝設計過程中，產品設計數模、工藝數模的版本變化將直接引起工裝數模的版本變化。因此，必須應用三維關聯技術和三維在線技術，預先開展基于輕量化模型工藝裝備設計與產品、工藝設計及仿真的數字化協同技術，工藝裝備設計與產品設計、工藝設計的關聯更改技術，工藝裝備三維數字化設計制造一體化集成技術和基于三維數字化工藝裝備設計制造等技術的研究工作。
4.基于輕量化模型的裝配過程可視化技術
在數字化制造模式下，裝配現場已擺脫傳統基于二維圖樣的模擬量傳遞體系，三維數模及三維工藝指令已經完全替代了二維工程圖樣和紙質工藝指令，成為在生產現場指導工人工作的技術依據。
為了確保裝配現場能夠及時獲取現行有效的三維數模、輕量化模型和三維裝配工藝指令，滿足產品裝配過程管理與執行控制的要求，需要解決三維數模輕量化的問題，并將基于數字化制造的設計模型、工藝模型、檢驗模型、三維工裝資源數據、輕量化模型和三維裝配工藝指令統一納入企業級P L M中進行管理（圖1），并建立與裝配現場作業計劃的關聯關系，實現三維可視化裝配技術在裝配制造執行系統（MES）的集成應用，實現真正的無紙化。
二、輕量化三維模型的應用
1.現場工藝實現三維模型化以減少生產人員的識圖時間
三維數字模型的直觀性可以幫助工藝人員直接了解零件內部結構，減少看圖出錯的幾率，提高工作效率，工藝人員可以把更多的時間和精力投入到其他工作中。因為對于比較復雜的鑄件圖樣，工藝人員要想在很短的時間內看明白，不是一件容易的事。
對三維數字模型還可以進行三維立體尺寸標注，隨時測量各個需要加工的工序尺寸，檢查零件實際加工的尺寸是否正確。對于復雜且比較大、重的零件，要想知道它的體積和重量不是一件容易的事，需要大量的計算。基于三維數字模型，得到體積和重量則是一件非常簡單的事。
2.更好地了解組件的內部結構
為了更好地了解組件內部結構，需要用軸測圖來表示部件的裝配形式，用這種形式可以很好地反映部件的裝配結構。如果用過去的二維形式來畫軸測圖，幾十個零件組成的部件可能要用十幾天的時間才能夠完成。用三維數字模型裝配的部件，可以很容易生成軸測圖。并能夠及時發現問題，如：在設計過程中通過裝配能夠及時發現零件之間是否有干涉。在裝配中有些零件之間的空間距離在二維圖樣中很難確定，但在三維數字模型裝配中卻是件很容易的事。同時能夠生成任何方向的裝配和軸測圖，并能夠做成各種方向的裝配圖片。這樣就會大大提高了裝配工人的感官認識和實際操作能力，提高了裝配的速度和準確性。
3.動態數字化工藝視頻指導現場正確操作
三維數字模型在計算機中進行裝配，就可以很好地了解整個部件的裝配順序，減少工藝規程編寫中的錯誤，提高工藝規程編寫的質量。
對于稍有文化和專業技術培訓基礎，且有一定識圖能力的年輕員工，如果用播放數字媒體的形式來反映復雜部件裝配的過程，再配合正確的工藝規程文件，就會很好地完成復雜部件的裝配。
制作好的數字媒體，不僅可用以對現場的員工進行培訓，還可用以通過互聯網對千里之外的協作用戶進行培訓，這將是未來培訓的必然趨勢，也是現場工藝人員用于了解裝配部件內部結構最有效的方法。
另外，用三維數字模型制作的視頻文件存為avi形式，就可用Windows中的Windows Media Player或其他視頻軟件來播放，從而反映整個部件的裝配過程。
三、應用效果與部署情況
圖2所示是內蒙一機制造規劃管理系統的完整應用模型。系統將企業的工藝設計與管理組合成一個有機結構化的數據體系，這些數據完全可以為信息系統和后續的應用系統服務，運用三維數字化定義、三維數字化工藝設計與仿真、三維數字化工藝裝備的設計與制造、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術、三維數字化檢驗檢測技術以及基于結構化的工藝數據，結合產品數據管理系統集成技術的應用，能夠有效地縮短產品研制周期，改善生產現場工作環境，提高產品質量和生產效率，真正實現無二維圖紙、無紙質工作指令的三維數字化集成制造。
參考文獻
洛陽職業技術學院 趙俊霞
針對大型裝備制造企業廣泛應用三維設計模型的現狀，基于數據管理平臺Teamcenter 開展三維裝配工藝應用模式研究；通過開展基于三維模型的裝配工藝設計、裝配工藝仿真，構建多樣的裝配工藝應用模式；達到驗證和改進產品的裝配工藝，提高裝配效率和質量，滿足三維環境下開展裝配工藝設計的目的。
一、引言
三維設計軟件NX 和數據管理平臺Teamcenter 在以航空、船舶為代表的國內大型裝備制造企業中得到了廣泛的應用，實現了產品數字化設計及管理。但是當產品從設計階段延伸到工藝階段時卻出現了三維數據傳遞的“斷層”，在工藝系統中基于三維產品模型應用等方面還很薄弱。現有的工藝模式仍然采用二維圖紙和傳統工藝文件的方式進行，無法滿足三維環境下工藝工作的要求。目前，工藝工作中面臨的問題如下。
（1）工藝設計沒有直觀的產品和資源表現形式，工藝設計人員依據二維圖紙去理解產品的裝配關系及工裝的使用方式，并構想產品的裝配順序，整個過程耗費時間，且容易出現歧義。
（2）工藝數據表達手段單一，目前工藝輸出結果以二維工藝卡片為主，不能充分應用上游的三維設計數據，很難對復雜結構和過程進行清晰、直觀地表達，不利于操作者快速理解產品的裝配過程。
（3）工藝人員在工藝編制過程中根據生產要求提出的工裝需求，只能在實際生產中驗證工裝的可行性和合理性，如果在虛擬環境中驗證工裝的可行性和合理性，能夠有效避免工裝返工和修改，提高工裝設計效率和質量。
針對以上問題，開展數字化裝配工藝應用模式研究，構建基于三維模型的裝配工藝設計系統，實現三維設計、工藝數據的完整搭接，為最終實現數字化裝配工藝奠定基礎。
二、技術路線
基于三維模型的裝配工藝設計系統的總體技術路線如圖1 所示。實現途徑如下。
（1）從Teamcenter 系統中獲取設計BOM 及產品三維模型，進行裝配結構的可視化調整，形成工藝BOM，根據工藝BOM 進行工藝分工，確定各個部件所屬的裝配部門，最后輸出PBOM 和分單位目錄。
（2）工藝編制人員接收任務后制定工藝流程順序，確定產品在裝配過程中所需的裝配工序，形成裝配工藝流程；進行裝配工藝的詳細設計，指定各個裝配工序所需要的零組件、制造資源( 工裝、夾具) 等信息。
（3）工藝人員根據裝配工藝要求，進行裝配路徑規劃，對裝配工藝設計進行仿真驗證，確保裝配工藝設計的可行性和合理性，并輸出相應的仿真圖片、仿真動畫信息。
（4）將裝配工藝設計、裝配工藝仿真產生的結果通過工藝卡片、包含三維模型信息的PDF 文件以及AVI 格式的視頻動畫等方式輸出，以指導現場生產。
（5） 三維裝配工藝設計系統產生的結果信息存儲在Teamcenter 系統， 生產現場通過制造執行系統與Teamcenter系統的接口獲取相應的工藝數據用于指導生產。
三、基于三維模型的裝配工藝規劃
1. 裝配工藝性審查
在產品設計階段，工藝人員應用三維裝配工藝設計系統進行工藝審查，檢查產品的可裝配性。當主管提出合理化建議時，通過批閱的形式反饋到設計人員，達到工藝提前介入的目的，提高產品的工程化水平。
2. 構建PBOM
通過集成接口讀取Teamcenter 系統中的EBOM 及相應的產品輕量化模型。根據產品的結構特點和裝配關系，在可視化環境中方便地調整裝配零組件組成結構、設置工藝組件、完善零組件的工藝信息，最終形成完整的PBOM。
3. 工藝分工
通過三維工藝設計系統，直接在三維環境中從產品樹上選取零組件分配到相應生產部門。系統能夠自動識別零組件的分配狀態，未分配的零組件和分配后的零組件分別以不同的方式顯示，避免零組件漏分而引起工藝錯誤。
四、基于三維模型的裝配工藝設計
1. 任務分工
生產分廠接到生產任務后，主管工藝人員根據實際情況進行裝配單元的分解，并且能對組件的組成進行調整，將本部門承擔的任務進一步分解為更小的裝配單元，并指定具體的負責人編制裝配工藝。系統能夠方便、快捷地輸出任務分工表。任務分工完成后進行零組件遺漏檢查，確保任務分工的完整性和正確性。
2. 制定工藝路線
工藝編制人員接收任務后在三維環境下制定工藝流程，確定產品的裝配工序，形成裝配工藝路線卡，并可指定裝配工位等。
3. 詳細工序設計
工藝編制人員在三維環境下指定本工序零部件、工裝和設備，并填寫工藝內容。工序設計完成后，零部件、工裝和設備信息自動匯總，填入相關的匯總表中，并進行零組件遺漏檢查，確保產品裝配的正確性和完整性。
裝配工藝設計完成后形成裝配過程信息樹，如圖2 所示，包含具有順序關系的各個裝配工序以及對應的裝配件和裝配資源。
五、基于三維模型的裝配工藝仿真
完成裝配工藝設計后，所有的裝配所需要的資源信息已經具備，進行裝配過程的仿真工作。在虛擬環境中驗證零組件的裝配過程，確定合理的裝配順序，避免發生因裝配順序不正確而出現的無裝配通路的情況，并且能夠優化裝配流程，得到最適合的裝配順序。裝配過程仿真的主要內容如下。
1. 裝配路徑設計
根據工藝路線的要求，在三維虛擬裝配環境中通過手動交互式的操作待裝配的零組件，規劃每道工序中裝配件的裝配順序來得到的零組件的裝配路徑，如圖3 所示。在保證零組件裝配的合理性的前提下，制定正確的裝配路徑。
2. 裝配路徑仿真
裝配路徑仿真主要包含以下內容。（1）根據生產的實際要求對裝配過程進行模擬，以保證裝配路徑的可行性，最終通過驗證零部件的裝配順序、裝配路和裝配操作姿態等數據的合理性，裝配所需要的工裝、工具等的可達性，以及裝配操作空間的敞開性。
（2）裝配路徑動態分析，工藝人員根據裝配路徑動態的分析情況，動態的調整零組件的裝配順序、裝配的優先級，重要特性的保障措施等，從而優化產品的裝配過程，達到驗證產品的裝配工藝性，完善工藝設計的目的。
3. 裝配干涉檢查
在裝配移動過程中實時進行干涉檢查，檢查裝配件、工裝在裝配過程中是否和其它裝配件或裝配資源發生干涉。模擬零組件在裝配過程中實際可能發生的問題，幫助用戶分析裝配過程并檢測可能產生的錯誤。當遇到干涉和失調時能夠及時停止仿真，并且能夠在裝配過程中標注和修改出現的問題。
通過裝配過程仿真，定位影響裝配整體效能的關鍵裝配環節，并對不同的改進方案進行實時分析、比較以及優化，建立局部和整體相結合的持續性優化機制，形成相對最優的工藝方案。
六、裝配工藝的輸出及管理
1. 裝配工藝輸出
工藝人員在系統中完成了全部的工藝工作，并通過仿真驗證裝配工藝過程的準確性，最終得到優化后的工藝設計的結果。這些結果能夠通過工藝卡片、在線交互工藝、包含三維模型信息的PDF（3D PDF）文件以及AVI 格式的視頻動畫等方式輸出，如圖4 所示。最終以視頻或電子文檔形式到生產現場，從而指導現場工人準確、快速的進行裝夾、裝配、拆卸和維護等。
2. 裝配工藝的管理
最終形成的裝配工藝等資源信息存儲在Teamcenter系統中，由Teamcenter 系統完成三維裝配工藝變更過程的控制，包括工藝版本的控制、審批流程的驅動、工藝更改以及工藝升版的控制等。
七、實現意義
通過開展基于三維模型的裝配工藝研究，實現意義如下。
（1）構建基于三維設計模型的裝配工藝設計體系以適應MBD 環境下開展工藝工作，改變以二維圖紙為主的傳統工藝設計；以產品三維設計模型為基礎，通過構造數字化的工藝設計與仿真環境，形成快速的裝配工藝設計、裝配工藝仿真及驗證能力。
（2）建立三維工藝文件表達及管理模式，滿足工藝文件審批、有效性管理以及現場應用等方面的需求，基于三維設計模型構建面向生產現場的工藝，豐富工藝展現形式，提高工藝指導生產的能力。
（3）一方面對產品的設計結果進行驗證，實現面向裝配的設計；另一方面實現基于虛擬現實的裝配工藝設計，通過建立三維可視化的虛擬環境，檢驗產品裝配工藝性，從而指導實際裝配生產。
（4）將裝配工藝設計與產品結構設計緊密結合，裝配工藝設計能夠在產品設計過程中同步開展，在產品實物到達裝配現場前直觀的開展工藝設計工作，充分體現并行工程的設計思想。
【關鍵詞】鈑金；二次開發；工藝設計
1.引言
現有的三維軟件，例如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA都具有鈑金模塊，但只能實現一些簡單鈑金件的展開，現階段相關的研究也只完成了鈑金的部分工藝，例如華中科技大學郝明等人利用自主研制的FASTAMP求解器，以Pro/E為平臺實現了復雜鈑金件的展開；南京航空航天大學洪晴等人以CATIA為平臺通過Automation及CAA二次開發技術，實現了飛機復雜鈑金件的展開；華中科技大學秦宇等人在Solidworks平臺上，開發了一套面向沖壓工藝的坯料展開模擬系統SW-BEX。因此開發出一套基于三維軟件的鈑金CAPP系統用來滿足企業的需求是有必要的。
2.鈑金CAPP系統框架設計
將現有三維軟件（Pro/E、CATIA、Solid-works）和二維CAPP系統相結合，系統允許用戶基于三維軟件的三維鈑金模型輸入和編輯工藝信息，并將完成的鈑金工藝設計以表格的形式輸出到CAPPFramework。工藝表格與三維模型的設計參數相關聯，并能自動地動態刷新。應用三維軟件自帶的API函數對三維軟件二次開發，實現復雜鈑金件的展開和展開件的排樣，并且在三維軟件中建立鈑金件特征信息交互窗口，完成三維軟件和二維CAPP數據庫的集成，便于信息的調用和存儲。
3.鈑金CAPP系統總體設計
如圖1所示，將系統分為前置處理子系統、后置處理子系統、文件管理子系統三個部分。前置處理完成了鈑金件的三維建模、展開、優化排樣和鈑金件的工藝設計；后置處理完成了工藝文件的輸出、數控代碼的生成，通過數據集成接口完成三維軟件調用或導入PDM部分和二維CAPP部分的信息；文件管理完成了企業制造資源和鈑金工藝資源的管理，以便設計和生產部門調用。下面對系統的關鍵技術進行闡述。
圖1 基于三維軟件的鈑金CAPP系統
3.1 基于三維軟件的鈑金件展開
3.1.1 可展鈑金件的參數化展開
根據鈑金的功能和結構特點本文將可展鈑金分為六大類。分別是：等徑圓管鈑金件、異徑異口三通管、棱錐管及其組合件、圓錐管及其組合件、圓方過渡接頭、其他可展開板金件。鈑金參數化原理如圖2所示。
第一步，以三維軟件（Pro/E、CATIA）為平臺，結合軟件自帶的二次開發函數（protoolkit、AutomationAPI）和函數支持的開發語言（C++、VB、JAVA等），編制后臺鈑金展開相關程序。第二步，在三維軟件界面創建鈑金件展開菜單、參數對話框，建立鈑金模板庫鏈接窗口。最后，用戶點擊鈑金模板庫鏈接窗口中鈑金模型圖標鏈接，通過鏈接調用先前編制好的后臺程序，最終生成三維鈑金件模型參數對話框、三維模型和對應展開件共存的界面窗口。文獻[3]利用Pro/E（protoolkit）和VC++，對相貫鈑金件實現了參數化展開，可詳見。
圖2 鈑金件參數化展開原理
3.1.2 不可展鈑金件的近似展開
南京航空航天大學謝蘭生等人提出的“基于幾何映射法的鈑金展開有限元逆算法”，彌補了鈑金件用有限元逆算法展開過程中出現的不足。
系統設計的第一步和2.1.1的相同，第二步需要在三維軟件界面建立一些鏈接窗口來實現鈑金展開：模型處理、接口程序、求解器、展開結果結果后處理和展開模型處理。各個模塊通過三維軟件及程序提供的特定接口，互相傳遞數據進行通信，協調合作實現在三維軟件環境下的鈑金展開功能。
模型處理主要功能是對原始鈑金零件進行網格劃分，并根據劃分好的網格生成后續處理所需要的信息。然后由接口程序提供三維軟件與外部程序的數據通信接口。生成的網格數據通過該接口傳輸至求解器模塊，在求解器中經過幾何映射法的鈑金展開有限元逆算法處理得到零件毛坯數據，包括零件毛坯形狀、原始鈑金零件的應力、應變、厚度分布信息等。再通過這個接口將數據傳回至三維軟件。
保存三維模型、展開件和云圖的快照，并錄制成形動畫為AVI格式，以便以后查看。將展開圖以DXF、DWG、IGES等多種圖形文件格式輸出，可以很方便地與數控設備進行圖形文件的數據交換，將相應格式的展開文件直接輸入到數控鈑金加工機床進行編程切割，實現無紙化加工。
3.2 基于三維軟件的鈑金展開件排樣
對鈑金CAD系統而言，排樣算法決定了鈑金CAD系統的性能和實用性。對于矩形排樣，梁利東等人在剩余矩形的匹配方法基礎上提出了剩余矩形的動態匹配方法，經驗證取得了較好的效果。對于不規則鈑金件排樣，提出了粒子群算法的優化方法。
（1）信息庫管理模塊存儲了板材信息和零件信息，零件信息管理的功能是設置即將入排的零件信息和所需的板料信息。（2）展開圖輸入模塊功能是將前面展開步驟得到的圖形導入到三維軟件界面建立的鈑金排樣窗口中。（3）圖形預處理模塊利用粒子群優化算法程序將不規則圖形進行自動組合和自動填充處理，最終組合成最小包絡矩形。（4）優化排樣模塊將得到的矩形，利用剩余矩形動態匹配方法程序在給定的板料上自動排樣，可以借助交互排樣功能進行修改。（5）排樣輸出及存儲模塊輸出排樣圖形，并保存排樣結果信息。
3.3 鈑金工藝設計
工藝設計主要是工藝規程的編制，需要根據企業現有的制造資源和工藝信息編寫。如何從大量的文件中找到所需要的工藝信息，是工藝規程編制的關鍵。劉闖提出的“鈑金CAPP中實例檢索的灰色關聯方法”很好地解決了這個問題。圖3為工藝設計流程。
圖3 鈑金件工藝設計流程
首先，在二維CAPP中建立鈑金零件的實例庫、管理和材料特征庫，并進行分類編碼。然后，對二維CAPP進行二次開發，用VC++編制“灰色關聯算法”的程序。最后，建立鈑金工藝卡片模板庫、企業制造資源庫以及設置用戶權限管理等。
首先，在三維軟件二次開發函數中用VC++編制調用程序，調用二維CAPP中的工藝信息。其次，在三維軟件界面建立工藝信息交互窗口模塊，這些窗口模塊包括：鈑金模型打開模塊、鈑金信息輸入模塊、鈑金工藝生成模塊、鈑金工藝輸出模塊。窗口界面有：菜單控制部分、工藝流程顯示部分、工序圖顯示部分、各命令控制部分。
鈑金工藝輸出模塊包括工序卡的生成和輸出，工序卡包括：零件信息、加工工藝信息、工序圖三部分，工序圖可由鈑金建模和展開過程的快照圖片來代替，利用VC++編程調用二維CAPP中的模板實現工序卡的生成和輸出。
4.后置處理和文件管理
通過二維CAPP接口和PDM接口將前面展開、排樣和工藝決策產生的圖片、數據和工藝文件傳送到二維CAPP系統和PDM系統中，實現信息的共享。根據二維CAPP系統的工藝信息，結合企業現有制造資源，生成NC加工代碼并進行加工仿真，及早發現錯誤并糾正。文件管理部分包含了企業制造資源管理和鈑金工藝信息管理，制造資源包含了生產設備和排樣所需的板料資源，工藝信息部分包括鈑金技術手冊、進行分類編碼的工藝實例和用戶權限設置（防止工藝資源被亂修改）。
5.結論
基于三維軟件的鈑金CAPP系統實現了鈑金件由設計（建模、展開、優化排樣）到工藝卡片輸出的整個過程，通過對軟件的二次開發技術完成了二維CAPP系統和三維軟件的集成。系統對于鈑金企業應用不同三維軟件（Pro/E、CATIA、UG等）具有借鑒意義。
參考文獻
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作者簡介：
隨著計算機軟硬件技術的發展,微型計算機上的三維設計已經由專業的設計領域進入了普通設計師的設計領域。由專業的圖形工作站-服務器模式轉化為易于為大眾接收的個人計算機領域。由需要專門的圖形顯示卡過渡到普通的、非專業的圖形顯示卡就可以運行的狀態。從前,設計師在設計對象時,總要把三維的設計對象轉化到用二維設計的語言在圖紙上表述;這種轉化過程的本身就難免會產生錯誤和歧義,而且設計師有相當一部分的精力用在這種轉換上,影響了設計質量和設計水平的完全發揮。如今,微型計算機三維設計突破了設計領域傳統的設計模式,讓設計師完全回歸到自然的、正常的從設計到表達的直接的設計思路中去。三維設計的所見即所得設計理念,是歷史的進步。這雖然看似一次簡單的設計方式的改革,但帶來的將會是重大的設計思想改變,必定帶來設計質量的提升,是設計領域中一次革命。
2 三維設計的概念
三維設計在設計領域有著廣泛的應用基礎,在工業的各個設計領域中扮演著日益重要的作用。那么什么是三維設計的概念呢？
從某種意義上來講,工程設計中沒有二維設計,只有用二維圖紙來表現三維設計。過去,我們用傳統的鉛筆、圖板、丁字尺畫圖,后來用AutoCAD、CAXA電子圖版畫圖(北航海爾的CAXA有三維軟件,CAXA電子圖版是其二維軟件),其工作過程都是一樣,只是介質變了,但本質沒變。它們都是工具畫圖,其工具的本身沒有設計思想。用AutoCAD畫圖只能冠以計算機輔助設計;那么同理,鉛筆、圖板、丁字尺也能冠以文具輔助設計。三維設計與二維設計一樣,首先分析在整個設計過程中,體現主要設計成分的是設計師還是計算機。如果是設計師,而計算機偏重于表現,通過表現來幫助設計師完善設計方案,那么,計算機在整個設計過程中所承擔的是一個輔助角色,也是屬于計算機輔助設計。那么何謂計算機三維設計呢？當然是要強調“設計”二字,而不是“畫圖”。由計算機來完成整個或者部分的設計過程。
我們知道任何一個物體至少都應具備這樣兩個屬性,一是幾何屬性;二是物理屬性。以一個階梯軸為例來說明此問題,它的幾何屬性是指它的外形尺寸,各段的直徑與長度、鍵槽的尺寸等;它的物理屬性是指它的材質、重量、強度、硬度等。如果設計師設計了階梯軸的幾何屬性(或稱幾何參數),那么計算機將通過計算,最后給出它的物理屬性。設計師可以通過這些物理屬性檢查是不是滿足該階梯軸的設計性能要求。 如果設計師給定了階梯軸的物理屬性(或稱設計參數),那么計算機將自動給出該階梯軸的幾何屬性。設計師可以通過約束條件等因素確定其外形尺寸。但是在設計過程中這兩個屬性始終是相互關聯的,相互確定部分參數,再得到另外的參數。設計的過程,也是這兩個屬性相互補充的過程。而三維設計的結果可以直接進行計算機的輔助工程設計,即CAE工程。如進行局部受力的有限元分析、運動分析、碰撞變形分析、熱應力分析等;也可以進行CAPP工藝。即計算機輔助工藝。利用計算機CAE的結果,進行各種分析之后確定所設計的產品確實滿足設計要求,經過次數相對較少的中試之后需要形成制造工藝,此工藝直接采用三維軟件形成的數據庫,結合企業資源計劃ERP形成單一數據庫的制造工藝。此工藝絕非是二維圖紙出圖-曬圖形成的紙質工藝,而是立體的、涵蓋各方面綜合數據的全面的工藝數據。它考慮了從上游產業鏈的原材料資源數據,到企業制造數據再到下游市場數據的全面而綜合的數據庫數據。這樣的工藝可以滿足現代產業發展的需求。而CAM,即計算機輔助制造則直接將CAPP的工藝,通過計算機網絡直接傳送給制造單元,如數控加工中心進行集成制造。上述過程被稱為4C。即CAD-CAE-CAPP-CAM。三維CAD設計是4C的核心。
3 掌握三維設計技術提高機械專業畢業生的畢業設計水平
筆者從1982年大學畢業至今,從最初的丁字尺、三角板、鉛筆到AUTOCAD、CAXA電子圖版的二維設計到如今工業設計中普遍采用的三維軟件設計,多年的實踐中體會到,傳統的二維設計已經無法滿足現今工業設計的需要,只有三維設計才是工業設計的出路所在。如果將來畢業后進行技術工作,必須進行三維軟件的學習并通過課程設計、畢業設計等環節來加深對三維軟件設計的深入掌握。
由于在設計中采用三維軟件,學生能夠更好地領會課題并充滿興趣地使用所學到的三維軟件進行輔助設計。也僅有通過三維設計,使學生更好地設計出更符合工程實際需要的設計作品來。通過筆者多年的實踐,好的畢業設計或課程設計源于對專業知識的綜合運用。但能夠使用三維軟件設計出來的產品將會使優秀的設計錦上添花,更上一層樓。畢業設計是機械專業畢業生對四年大學所學知識的綜合運用與掌控過程,任何走過場的現象都會造成學習資源的浪費,為今后的就業造成隱患。而平面的繪圖僅僅能夠描述圖紙的尺寸線條,對于運動干涉、強度設計、有限元分析等三維技術獨有的設計技術,無從把握與熟悉,更加需要提及的是三維制造與虛擬設計的技術及對理論設計的檢驗也無從下手。這些技術僅僅只有三維設計技術才能獨有。因此,對于熟練掌握與運用三維軟件技術是畢業生進行全面而綜合設計的重要工具,僅有通過三維設計,才能更好地體現現代設計理念與掌握現代設計的精髓所在。因此,掌握三維設計技術,是提高機械專業畢業生畢業設計水平,使其得到全面鍛煉的必由之路。
參考文獻
【關鍵詞】數字化 工藝設計 裝配仿真
數字化裝配仿真技術在產品的設計階段，實現虛擬產品的預裝配，驗證和改進產品的裝配工藝過程，生動直觀地展示產品的可裝配性，從而提高產品的裝配效率，減少裝配時間和費用。數字化技術的應用從根本上改變了傳統的飛機設計和制造方式，大大地提高了設計水平，最大限度地避免了設計漏洞和缺陷，減少了返修率。近年來，國外飛機數字化裝配技術的研究主要集中在裝配分析與仿真、裝配數據管理、裝配工裝夾具設計制造以及自動化裝配等方面。裝配過程仿真與優化技術的使用使波音、 空客取得了顯著的效益，比如空客典型部件的裝配周期縮短了60%，裝配工藝的設計周期縮短了30%～50%，裝配成本卻減少了近20%～30%。
一、傳統裝配設計存在的問題
（一）裝配工藝設計仍然停留在二維方式
傳統的工藝設計是由設計人員在頭腦中想象出三維裝配空間，以及設計裝配順序，然后再用二維的方式描述出來。傳統的工藝設計質量主要取決于工藝設計人員的高超的技術水平和豐富的設計經驗，操作人員則要根據設計人員的設計文件以及二維工程圖紙，在大腦中還原設計人員構建的三維裝配空間，進而理解裝配順序及需求，如此設計非常容易在設計人員與操作人員之間產生偏差，造成嚴重的裝配錯誤，因此，二維模式的裝配工藝設計嚴重阻礙了制造業的快速發展。
（二）缺少科學的工藝設計優化方法
傳統工藝設計主要以二維的設計為主要模式，工藝設計的修改和優化周期較長，方案的優劣主要取決于設計人員的工作經驗，缺乏科學的研究方法，沒有定性定量的分析，制造工藝水平因人而異，會增加制造周期和制造成本。傳統工藝設計中制造資源的二維描述可能導致設計過程中對細節設計的淡化，不能充分利用三維CAD數據，不能完全消除工藝設計轉換造成與產品設計數據的不一致性，難以實現工藝設計的繼承性、規范化、標準化。
（三）無法進行一些三維工藝設計
工藝設計環境不具備三維工藝驗證能力，不能用三維的方式準確的檢測工藝設計過程中存在的錯誤，還可能會導致裝配中裝配順序是否合理、工藝設備是否滿足需求、操作空間是否要開敞等一系列的問題，直到在生產試制階段才會發現。任何一個環節出現了問題，都會影響飛機制造的進度和質量，進而造成巨大的損失。
二、數字化裝配設計和仿真
（一）ARJ21中央翼組件特點
ARJ21中央翼組件式飛機上機身與外翼對接部位，是全機對接基準件。該組件有一些特點，比如定位精度要求高，協調部位多，工人操作困難，工裝定位器多等，使得工藝設計過程更細致，也更復雜。如果按照傳統工藝設計模式，不僅不能在規定時間內完成中央翼工藝準備，而且可能因為考慮不周、經驗不足等原因造成試制過程停工，甚至返修等嚴重問題。
（二）工藝規劃設計
我們采用DELMIA軟件來進行設計，在DELMIA的數字化工藝設計模塊支持下，將產品數據導入到數字化工藝設計環境，直接使用產品數字化數據進行工藝設計，能夠有效提高設計效率，保證產品數據的準確性和唯一性。工藝規劃設計方法有兩種：
方法一：1在數字化工藝設計模塊，以設計樹為基礎來構建工藝樹；2在數字化工藝仿真模塊瀏覽三維裝配順序；3根據三維模擬效果，在數字化工藝仿真模塊下修改工藝組件定義及裝配順序；4根據三維顯示，在數字化工藝設計模塊直接修改工藝組件定義。重復123步驟，直到獲得滿意的規劃設計并記錄下裝配工藝設計模型。
方法二：1在數字化工藝設計模塊命名工藝裝配件；2在數字化仿真模塊，拆分設計裝配模型獲得裝配順序；3在數字化工藝仿真模塊，瀏覽三維動態裝配順序，修改并完善工藝組件定義，直到獲得滿意的規劃設計并記錄下裝配工藝設計模型。
（三） 裝配過程仿真及結果輸出
在數字化工藝設計模塊對裝配過程進行實時仿真與分析，然后優化飛機零部件的裝配順序以及裝配路徑、裝配操作姿態、工具使用方案等，檢驗裝配工具的可達性、裝配操作空間的開敞性，為產品設計、工裝設計、工藝設計提供可靠的依據。數字化的裝配工藝設計輸出結果十分豐富，可以實現我們想象的大部分形式。可輸出AVI文件，比如詳細裝配操作AVI文件等。還可以輸出各種形式的報表，比如輸出包含零件三維信息的文件等。
三、數字化工藝裝配技術特點
（一）工藝設計特點
首先，數字化裝配工藝設計以產品設計數據為源，在工藝設計數據的基礎上，通過增加和補充工藝設計內容的方式來建立符合要求的工藝裝配模型，使得工藝效率得到大大的提高，同時也保證了產品數據的前后一致性。其次，數字化裝配工藝設計的工藝人員很容易能夠獲得相關的制造資源的詳細數據，這不僅為工藝設計提供了堅強有力的支持，在很大程度上使工藝設計更加標準，更加規范，而且使工藝設計的效率大大提高，質量也得到了保證，同時也降低了制造成本。然后，二維設計與三維設計相互結合，汲取各個的優勢，使工藝人員可以以多種方式完成并完善工藝設計，工藝優化簡單而且有效。此外，數字化裝配工藝設計有各種各樣的輸出形式，工藝人員不需要接受培訓就可以方便地使用相關的設計數據，這將在很大程度上提高產品數據利用率，保證工作效率。
（二）過程仿真特點
裝配過程仿真是當前先進產品設計的驗證、優化手段。DELMIA的數字化工藝仿真系統具有優秀的特性，可以使工藝人員更直觀、定性、定量的分析每個工藝設計細節，可以將以前大量的再試制過程中驗證、優化的設計結果提前在計算機網絡環境中模擬，這種方式不但可以提前發現問題，而且可以通過科學測量和分析手段，設計比較合理的改進方案。
比如在裝配仿真過程中發現的部分工藝設計問題：1中央翼下壁板距型架地板約1350mm，操作人員很難把工具鉆進中央翼里進行相關工作，為此可以在工裝對稱兩側分別增加一個高約800mm的活動梯，方便操作人員的進出。2操作人員需要拿著工具進入中央翼里工作，我們在仿真分析中分析得到右腿與上部軀體夾角106.53度，接近極限113度，工作環境極其惡劣，可以根據仿真結構，更改連接方式，盡最大程度的改善操作人員的工作姿態。
四、結束語
數字化裝配技術在制造業中起著舉足輕重的作用，是產品制造過程中的關鍵工序。數字化裝配仿真技術有著強大的優勢，可以大大縮短產品的開發時間，提高產品的生產質量，還可以降低產品生產成本，可以檢驗裝配順序。
近年來，科學技術與信息技術迅猛發展，傳統的設計方法逐漸地被現代的科學的設計方法所取代，國內投入大量的人力物力財力進行新的設計方法的探索與研究，在機械系統中，數字化裝備仿真技術的得到了廣泛的應用。產品數字化制造的基本前提是數字化的工藝設計，產品設計是制造業的靈魂，只有高質量的產品設計方案，才能進行高質量、高標準的數字化制造。在我國，大力推廣仿真技術應用能力建設已經成為貫徹科學發展觀、建設創新型國家的迫切需要。
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關鍵詞：逆向工程；快速成型；模具制造；反求技術；三維掃描儀
中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）05-0053-04
1 逆向工程
1.1 逆向工程及反求技術
逆向工程，又稱反求工程（RE），是以先進產品設備實物、軟件（圖紙、程序、技術文件等）或影像（圖片、照片等）作為研究對象，應用現代設計理論方法、生產工程學、材料學有關專業知識進行系統深入的分析和研究，探索掌握其關鍵技術，進而開發出同類的先進產品。
反求技術是利用電子儀器去收集物體表面的原始數據，之后再使用軟件，計算出采集數據的空間坐標，并得到對應的顏色。掃描儀是對物體做全方位的掃描，然后整理數據、三維造型、格式轉換、輸出結果。整個操作過程，可以分為以下幾個步驟：物體數據化：普遍采用三坐標測量機或光學三維掃描儀來采集物體表面的空間坐標值；從采集的數據中分析物體的幾何特征：依據數據的屬性，進行分割，再采用幾何特征和識別方法來分析物體的設計及加工特征；物體三維模型重建：利用CAD軟件，把分割后的三維數據做表面模型的擬合，得出實物的三維模型；檢驗、修正三維模型；加工、制造三維模型。
1.2 逆向工程流程
1.2.1 三維掃描：用三維掃描儀對實物進行高精度三維測量，得到三維點云數據，輸出ASC及STL文件。
1.2.2 曲面重構：利用Geomagic、Imageware、Rapidform、Copycad等逆向軟件和Catia、Pro/e、Ug等設計軟件讀入掃描數據，對其進行數據重構。
1.2.3 數控加工：用三維軟件重構數據進行數控加工出成品。或快速成型加工：掃描儀得出STL數據直接進行快速成型加工。
1.3 三維反求設備發展現狀
1.3.1 第一代反求設備：三坐標測量機。精度高、體積較大、采集速度慢、測量范圍受機械行程限制、設備維護成本高。
1.3.2 第二代反求設備：激光掃描設備。投射線激光，采集速度慢、測量范圍受機械行程限制、掃描死角多，測量數據無法編輯、無自動拼接測量數據。
1.3.3 第三代反求設備：白光光柵式三維掃描儀。具有便攜、點距小、分辨率高、精度高、采集速度較快、對人體無害、標志點全自動拼接、硬件要求低等特點。
2 快速成型（Rapid Prototyping）
2.1 快速成形技術
快速成形技術（簡稱RP）是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱，是一種集CAD/CAM、CNC、激光、新材料等技術于一體的現代先進制造技術。該技術改變了傳統的通過去除多余材料獲得零件的方法，利用分層制造、逐層累加成型的原理，可自動、直接、精確、快速地將設計思想轉變成具有一定功能的原形實物零件，制造速度、制造成本與零件的復雜程度基本無關，從而可對實物零件進行快速功能驗證、市場評估、修改定型。用定型零件進行模具的快速制造，可以實現零件的批量生產。因此，采用該技術可大大地縮短新產品的研制開發周期，降低研制開發的成本。
快速成型的基本過程是：首先設計出所需零件的計算機三維模型（數字模型、CAD模型）；其次根據工藝要求，按照一定的規律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向將其按一定厚度進行離散（習慣稱為分層），把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；再次根據每個層片的輪廓信息，輸入加工參數，自動生成數控代碼；最后由成形系統成形一系列層片并自動將它們聯接起來，得到一個三維物理實體，如圖1所示：
2.2 快速成型技術的特點
2.2.1 快速性。通過STL格式文件，RPM系統幾乎可以與所有的CAD造型系統無縫連接，從CAD模型到完成原型制作通常只需幾小時到幾十小時，大幅度縮短新產品的開發成本和周期。可減少產品開發成本30%～70%，減少開發時間50%，甚至更少。
2.2.2 高度柔性化。快速成型系統是真正的數字化制造系統，在整個制造過程，僅需改變CAD模型或反求數據結構模型，對成型設備進行適當的參數調整，即可在計算機的管理下制造出不同形狀的零件或模型，特別適合新品開發或單件小批量
生產。
2.2.3 技術高度集成化。快速成型技術是計算機技術、數控技術、控制技術、激光技術、材料技術和機械工程等多項交叉學科的綜合集成。它以離散/堆積為方法，在計算機和數控技術基礎上，追求最大的柔性為目標。
2.2.4 設計制造一體化。一個顯著特點是CAD/CAM一體化。由于采用了離散/堆積的分層制造工藝，能夠很好地將CAD、CAM結合起來。
2.2.5 制造自由成型化。它可根據零件的形狀，不受任何專用工具或模具的限制而自由成型，也不受零件任何復雜程度的限制，能夠制造任何復雜形狀與結構、不同材料復合的零件。RPM技術大大簡化了工藝規程、工裝設備、裝配等過程，很容易實現由產品模型驅動的直接制造或稱自由制造。
2.2.6 材料使用廣泛性。金屬、紙張、塑料、樹脂、石蠟、陶瓷甚至纖維等材料在快速原型制造領域已有很好的應用。
2.3 快速成型主要工藝
RP技術結合了眾多當代高新技術：計算機輔助設計、數控技術、激光技術、材料技術等，并將隨著技術的更新而不斷發展。自1986年出現至今，世界上已有大約20多種不同的成形方法和工藝，而且新方法和工藝不斷地出現。目前已出現的RP技術的主要工藝有：SL工藝：光固化/立體光；FDM工藝：熔融沉積成形；SLS工藝：選擇性激光燒結；LOM工藝：分層實體制造；3DP工藝：三維印刷；PCM工藝：無木模鑄造。
3 逆向工程和快速成形在模具制造中的應用
RPM技術在模具制造方面的應用可分為RP原型間接快速制模和RP系統直接快速制模，主要用于制造注射類模具、沖壓類模具和鑄造類模具等，通過將精密鑄造、中間軟模過渡法以及金屬噴涂、電火花加工、研磨等先進模具制造技術與快速成型制造相結合，就可以快速地制造出各種金屬模具來。
3.1 間接快速制模技術
間接快速制模技術（IRT）是將快速成型技術與傳統的成型技術有效地結合，實現模具的快速
制造。
間接快速制模技術通常以非金屬材料為主（如紙、ABS工程塑料、蠟、尼龍、樹脂等）。通常情況下，非金屬成型無法直接作為模具使用，需要以RP原型作母模，通過各種工藝轉換來制造金屬模具。而間接制模一般可以使模具制造成本和周期下降一半，明顯提高了生產效率。
間接制模工藝依據零件生產批量大小、模具材料和生產成本有下列幾種：
3.1.1 硅膠模（SRM）。適用于單件或數十件以下的小批量零件的制造，硅膠模的壽命一般為10～80件。在制作時，將表面光整處理后的RP或其他產品原型置入成型用的框內，注入硅膠，等其固化后從原型分離即得到模具。其優點是成本低、周期短、形狀限制小、復制精度高，具有良好的柔性和彈性，能夠澆注出結構復雜、花紋精細、無拔模斜度以及具有深凹槽的塑料件。缺點是可供成型的樹脂種類有限。
3.1.2 環氧樹脂模具。環氧樹脂模具采用環氧樹脂作為模具基材，制作工藝與硅膠模類似。與傳統注射模具相比，成本只有傳統方法的幾分之一，生產周期也大大減少，模具制造件數達到1000～5000件，可滿足中小批量生產的需要。
3.1.3 金屬冷噴涂模。以成型為母模，將低熔點金屬充分霧化后以一定的速度噴射到樣模表面，形成一層金屬殼層（即模具型腔表面，其厚度可達2mm甚至更厚），然后用鋁顆粒與樹脂混合材料作為背襯物起支撐作用，將殼與成型分離，得到精密的金屬模具和用快速成型直接加工模具。其特點是工藝簡單、周期短、模具尺寸精度高、成
本低。
3.1.4 陶瓷型精密鑄造法。以RP成型為母模，用特制的陶瓷漿料澆注成陶瓷鑄型，制成模具。
（1）化學粘接陶瓷（CBC）澆注型腔。用快速成型系統制作紙質母模的成型，澆注硅膠模、環氧樹脂、聚氨酯等軟體材料，構成軟模，移去成型，在軟模中澆注化學粘接陶，在205℃下固化CBC型腔，并拋光型腔表面，加入澆注和冷卻系統后便制成小批量（約300件）生產用模具。
（2）用陶瓷或石膏模澆注鋼或鐵型腔（型芯）。與上法相似，制作模具周期不超過4周，壽命較長，可生產250000個塑料制品。
3.2 直接快速制模技術（DRT）
對于單件小批量生產，模具的成本占有很大的比重，而修模占近1/3，因此小批量生產的成本較高。較好的解決方法就是采用快速成型直接制造模具，可在幾天之內完成非常復雜的零部件模具的制造，而且越復雜越能顯示其優越性。
基于LOM基礎的金屬板材堆積成型工藝。以LOM工藝為基礎，直接采用金屬片材為材料，通過激光切割、焊接或粘接金屬片材成型金屬零件。
基于SLS基礎的金屬粉末堆積成型工藝。該類工藝主要是采用激光燒結或粘接劑粘接金屬粉末成型，典型代表是SLS工藝。
基于FDM基礎的金屬絲材熔融堆積工藝。首先將能用FDM成型的金屬粉與粘接劑摻勻，然后擠壓成具有足夠彎曲度和粘接度的金屬絲材供FDM設備成型使用。金屬材料包括不銹鋼、鎢及碳化鎢。
3.3 應用實例
3.3.1 模型驗證：為減少模具投入風險，利用快速成形工藝，制作樣板，通過實物功能驗證，以保證產品設計的正確性。
3.3.2 翻模成型：利用快速成形制造樣件，然后翻制模具，具有節省時間和費用的特點。
3.3.3 鉆頭模具制造：傳統方式，制造鉆頭需要通過制作石墨模具加工，成本高；如果設計出錯，就會完全報廢；使用快速成形制作印模，澆注硅膠模，節省時間及成本。
4 結語
RE、RP、RT技術是產品快速設計與制造系統的核心技術，并行工程、虛擬技術、快速模具、反求工程、快速成型、網絡相結合而組成的快速反應集成制造系統，將成為設計與制造新技術主要的發展方向。從以上論述可以看出，快速成型技術及以其為基礎的快速模具技術在企業新產品的快速開發中有著重要的作用，它可以極大地縮短新產品的開發周期，降低開發成本，降低研發風險，對所有企業都是一個特別有效地研發平臺，該項技術必將得到廣闊的應用與發展。
參考文獻
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關鍵詞：飛機；數據管理；集成管理
飛機是當今交通運輸行業的主要交通工具之一，其匯集了當今各種高新技術，可以說是人類當今工作科技發展支柱，航空產業也因此成為當今各國經濟與國力的體現依據。就我國而言，航空產業的興起也帶動著材料產業、通信產業及電子產業的蓬勃發展。在飛機裝備綜合保障的分析與設計工作中，可靠性維修性保障性分析已成為關注的焦點。文章通過分析飛機數字化裝備數據集成管理的內涵，提出了具體的實施方案。
1 飛機綜合保障數據集成管理
飛機是一個集機械、電子、通導、武器等多種裝備及技術的綜合體。在使用過程中如何保持飛機的最大系統效能，以最少的投入來保障各裝備的安全可靠的運行一直是各級部門以及裝備使用和維修管理人員追求的目標。為了實現該目標，要進行有效地綜合保障，必須要有能描述裝備狀態的準確數據。也就是說，要有大量的有效信息用于分析與決策，這就涉及到數據的集成管理。即數據是各種保障方案得以執行的前提。
飛機數字化裝備數據是飛機數字化裝配工藝設計、制造中所使用的制造數據的總稱，它包含了工程數據、裝配工藝數據、資源數據及檢驗數據等多個領域。其中工程數據主要指的是工程設計部門所的有關產品結構、產品物理性能、功能及設計方面的數據。裝配工藝數據指的是飛機是數字化裝配中所生成的各項工藝信息流。資源數據則是飛機數字化裝配工藝設計、生產當中所生成的基本信息，其中包含了材料信息、設備庫信息、人員配置信息及工具庫等。檢驗數據是一個動態的過程，它隨著裝配業務流程的開展而不斷變化，其中包含了檢驗測驗數據、現場裝置數據、數字化測量設備得出的實驗數據以及誤差分析數據等。
2 以數字化為核心的裝配技術
飛機裝配的關鍵在于要協調和解決好系統件裝配過程中的互換問題，只有這樣才能實現裝配的科學合理。數字化裝配技術是一種能提高產品質量、適應快速研制和生產、降低制造成本的技術。數字化裝配方法不僅包括了傳統數字化裝配概念中工裝的設計、制造及裝配的虛擬仿真等，還包括了如柔性裝配、無型架裝配等自動化裝配方法。飛機數字化裝配技術是數字化裝配工藝技術、數字化柔性裝配工裝技術、光學檢測與反饋技術、數字化鉆鉚技術及數字化的集成控制技術等多種先進技術的綜合應用。數字化裝配技術在飛機裝配過程中實現裝配的數字化、柔性化、信息化、模K化和自動化，是將傳統的依靠手工或專用型架夾具的裝配方式轉變為數字化的裝配方式，將傳統裝配模式下的模擬量傳遞模式改為數字量傳遞模式，因此要首先明確以下概念：
2.1 協調準確度。
協調準確度描述的是兩個系統件相互配合的實際尺寸和幾何形狀的匹配程度，符合程度越高該值越大。由此可見，采用的先進裝配技術必須能夠提高不同系統件之間的協調準確度。
2.2 關鍵特性
關鍵特性是指那些能夠影響飛機系統件之間協調準確度的過程特性、零部件特性以及材料特性。它是由具體的計量和計數數據來衡量的，并根據數據制定相應的特性樹從而指導飛機裝配。
2.3 基于數字化標工定義的互換協調方法
數字化協調方法是一種建立在數字化標準工裝定義上的協調互換方法，也即是常說的數字化標準工裝協調方法，它能夠保證組件和產品部件、產品和生產工藝裝備、工藝裝備之間形狀和尺寸的協調互換。數字標工協調法的實現依賴于測量系統、數字化制造以及數字化工裝設計，利用數控成形加工出定位元素。在進行工裝制造時，通過室內GPS、數字照相測量、電子經緯儀、激光跟蹤儀等數字測量系統實時控制測量，建立相關的坐標系統從而直接比較3D模型定義數據和測量數據，達到驗證產品是否合格的目的。
3 裝配數據集成模型
飛機數據裝配之中需要大量的數據信息，這些信息在各個應用系統之間要及時互通共享，此時集成數據則能有效的保證業務流和數據流的互轉。在飛機裝配中，數據集成模型的構建主要從以下方面入手。
3.1 系統集成框架的建立
集成框架指的是在分布式、異構的計算機環境中實現信息集成、功能集成及過程集成的軟件系統，這一環節通常都是以PDM作為集成平臺，將CAD、CAPP、ERP、MES作為數據傳輸平臺，從而實現內外信息的共享與互通，使信息流處于有效、有序、可控的狀態。這種集成框架是以現有的數據庫技術、網絡技術為支撐平臺來完成文檔管理、項目管理和配置管理等任務。
3.2 裝配數據集成實現的關鍵技術
3.2.1 數字化裝配工藝的設計
數字化裝配工藝設計的基礎是基于模型的定義（MBD）技術，即用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息，作為唯一的制造依據。MBD技術根據數字化定義規范，采用三維建模進行數字化產品定義，建立起滿足協調要求的全機三維數字樣機和三維工裝模型。工藝人員可直接依據三維實體模型開展三維工藝設計，改變了以往同時依據二維工程圖紙和三維實體模型來設計產品裝配工藝和零件加工工藝的做法，依據數字化裝配工藝流程，建立三維數字化裝配工藝模型，通過數字化虛擬裝配環境對裝配工藝過程進行模擬仿真，在工藝工作進行的同時及飛機產品實物裝配前進行制造工藝活動的虛擬裝配驗證，確認工藝操作過程準確無誤后再將裝配工藝授權發放，進行現場使用和實物裝配。在工藝模擬仿真過程中還可生成裝配操作的三維工藝圖解和多媒體動畫，為數字化裝配工藝現場應用提供依據。
3.2.2 框架系統之間的集成
現階段的裝配數據是在數字化技術的基礎上，以PDM作為集成平臺，這一集成方式包含了封裝模式、接口模式、內部函數調用模式、中間交火模式和中間數據庫等，是根據數據類型、信息操作分類及存儲方法再結合管理流程、開發成本形成的一套系統集成模式。
（1）CAD與PDM集成
CAD與PDM之間的信息集成利用接口連接的方式來實現，CAD系統將產品的結構。零件信息及時、準確的反映給PDM系統，確保了兩個系統數據的一致性，另外通過PDM系統內部借口，將這些文件批量導出并存儲到PDM系統中，讀取零件相關信息，且生成BOM結構樹，與三維模型、文件等信息一一對應。
（2）CAPP與PDM集成
CAPP與PDM系統之間的集成采用了接口與緊密集成混合的繼承方式，是通過DELMIA作為系統核心，以PPR-HUB作為存儲器，用來存儲集成產品的相關信息和工藝資源，為產品裝配各階段工藝人員使用提供了最新、最真實的數據資料。
結束語
伴隨科學技術的進一步發展，裝配企業的信息集成勢在必行，本文通過對飛機綜合保障數據集成管理分析，旨在通過建立統一裝配數據模型，達到信息共享與交換的目的，但由機系統的復雜性，這一方案還有待進一步的探討與研究。
參考文獻
[關鍵詞]機械產品 三維CAD系統 建模及關鍵技術
[中圖分類號] TH128 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2014）-2-109-1
傳統機械制造業要想提高企業競爭力，就必須提高產品的創新能力，利用先進的技術代替傳統的制造技術。將先進的三維CAD系統應用到機械產品的設計當中，對于產品的開發、工藝流程的設計等都有了很大的改進，而且很容易的就可以設計出三維機械產品的模型。
1機械產品中三維CAD系統建模的探索
1.1三維CAD系統體系結構
目前國內外有許多關于三維CAD系統建模、設計及分析的方法，例如ARIS、PERA等，這些方法論從各個角度對系統進行分析和描述。
根據國內外三維CAD系統建模方法及理論的研究，針對我國目前建模方面在實圖集成和系統實施模型等內容中存在的相關問題，我國的三維CAD軟件專家提出了集成化建模的方法。集成化建模方法是根據相關項目的研究建立的建模體系結構，以產品的流程模型作為體系的核心，還包括了功能模型、組織模型、信息模型等，建立起了一套完整的企業模型。所有的模型構成了一個完成的生命周期，能夠體現出企業產品不斷的研發和更新的過程。
1.2構建三維CAD系統功能的內容
利用統一的三維CAD系統設計平臺，能夠幫助公司獲得相關的工作流程及數據信息，及時將研究人員所需的資料傳遞過去，這樣可以節約時間，提高工作效率，縮短了等待數據的時間。與此同時，三維CAD系統除了能夠設計計算機模型、圖紙外，還可以通過統一的系統平臺進行仿真模擬實驗、網絡編程和流程管理，形成與企業相關的知識庫數據，在有限的時間內，獲取最合適的資料，提高研發的決策。統一的三維CAD系統設計平臺的這種優勢消除了非自動化、信息堵塞以及流程不足所造成的內在滯后。
1.3并行設計三維CAD支持系統功能模型
目前大多數實施CIMS的企業，采用的都是IDEFO方法來建立功能模型。IDEFO主要是通過結構化分析方法來建模，該功能模型由許多的圖形構成，它將復雜的整體分成許多的小部分，按照大小層次分解，采用圖形的方式對三維CAD系統進行描述，稱作三維CAD系統的模型。三維CAD系統建模僅僅處于概念性的階段，是結構化進程的前半部分，系統工作的的主要內容是實施階段，我們可以利用功能模型模型分析系統的組成和結構，還能夠實現從模型到現實的轉變。與此同時，應用IDEFO的方法對并行設計三維CAD支持系統功能，能夠在三維CAD系統平臺上完成制造、裝配、特征建模的功能設計。
2機械產品中三維CAD關鍵應用技術
近年來，隨著機械產品開發過程中新技術的應用，三維造型技術、虛擬技術等新的理論已經逐漸代替了傳統的結構設計方法，所以將三維CAD技術功能與機械產品的開發相結合，在機械產品研發中建立CAD系統軟件平臺，采用先進的CAD系統軟件技術有利于推動機械設計技術的發展，提高產品的質量、降低研發成本。
2.1將三維CAD建模技術與機械產品模型相結合
機械產品的設計就是產品模型的改變，各種模型相互映射，且受到各種條件的限制。在對產品進行評估時，必須以大量的工程實例為依據對產品的結構、性能以及工藝進行審查。在產品設計的過程中，由于產品設計的目的、對象和約束條件的不同，得到的產品設計模型也大不相同。因此，根據產品設計模型的不同，對產品的設計人員進行分配，由產品的總設計師給出機械產品設計的概念和功能模型，再由其他的設計人員對產品進行模型設計。在產品進行模型構造的各個時期，主特征模型作為產品設計中最重要的模型，是連接上游和下游設計的一個紐帶。產品設計過程中的構思、概念、結構設計、制造工藝等每一個環節都需要設計人員進行詳細的計算、分析和評價。而產品模型就是將產品的概念設計轉變成產品結構、組成、制造工藝的一個真實表達。
2.2將三維CAD裝配建模技術與機械產品裝配相結合
機械產品的裝配模型就是產品由理論設計到零件設計，而且還能夠準確的完成不同機械產品裝配體設計的參數、層次以及信息的產品模型。產品模型包含了產品零部件之間的的層次和裝配關系，還包含了不同機械產品裝配設計參數之間的相互約束以及傳遞關系。產品模型是機械產品設計的核心，是產品在設計和開發過程中的最有用的工具。
機械產品裝配模型的目的主要有兩個方面。第一，能夠使三維CAD系統為機械產品的設計過程提供全面的支持；第二，產品裝配模型能夠給新的三維CAD系統的裝配自動化和工藝設計提供數據資料，并完成對設計的產品進行分析。
2.3將三維CAD系統軟件設計技術與產品設計流程相結合
機械產品的結構設計中包含了概念設計、結構設計、工程圖紙的繪制、性能參與以及產品制造工藝等。在進行零件設計時，首先要考慮零部件之間的約束關系，在對產品的整體設計完成后，再考慮每個零件的設計。目前在三維CAD系統中可以采用bottom-up設計過程和top-down設計過程來完成將設計好的零部件裝配成產品的過程。
3結語
機械產品的開發過程十分復雜，采用三維CAD系統建模的方式建立產品模型，根據我國軟件專家提出的集成系統建模的思想，將機械產品開發三維CAD系統軟件相聯系，建立起系統體系結構，并以流程模型為核心，其他模型為輔助模型，建立起了機械產品設計結構模型。
參考文獻
[1]鷹胡鐘.基于Gu的汽車縱梁模具cAD技術的研究[J].吉林工業大學，2009（12）.
機械制造工藝學課程設計是學完機械制造工藝學課程后進行的一項實踐訓練，目的是使學生運用所學基本理論和生產實踐的基本知識去解決工藝及工藝裝備設計的實際問題，要求學生結合先修課程的知識，如機械制圖、工程力學、工程材料、互換性與技術測量、機械設計基礎、機械制造工藝學等，能夠綜合運用所學的基礎理論知識和專業技術知識，聯系工程生產實際和零件的具體工作條件，設計合理的工藝工裝，同時需要查閱大量的機械設計手冊、國家標準等相關資料。因此，機械制造工藝學課程設計在培養學生的綜合設計能力和創新能力所需的知識結構中，具有十分重要的地位，同時要求學生能獨立編制一個中等復雜程度的機械零件加工工藝規程，設計其中一道工序的工藝裝備(夾具)，以培養和鍛煉學生的實際動手設計能力，提高學生在設計計算、繪制工程圖、運用設計資料、進行經驗估算、考慮技術決策等機械設計方面的基本技能以及機械CAD技術［1］。
對于機械制造工藝學課程設計的實踐教學，需要進一步研究教學改革方法，以適應我校應用型本科人才培養目標的要求，應用型本科教育在培養模式上，以適應社會需要為目標，以培養技術應用能力的應用型人才為主線設計學生的知識、能力、素質結構和培養方案，以“應用型”為主旨和特征構建課程和教學內容體系，重視學生的技術應用能力的培養［2－3］。
1課程設計的內容要求及存在的不足
1．1課程設計的內容要求
我校開設機械制造工藝學課程設計的對象為機械類專業(包括機械設計制造及其自動化、機械電子工程、材料成型及控制工程)的學生，課時安排為兩周(28學時)，具體內容是編制一個中等復雜程度的機器零件加工工藝規程，設計其中一道具體工序的工藝裝備(夾具)，主要包括以下幾個方面［4］:(1)確定生產類型，分析零件工藝性。(2)確定毛坯種類及制造方法，繪制零件毛坯圖。(3)擬定零件的機械加工工藝規程，包括:選擇各工序加工設備及工藝裝備;確定工序尺寸及公差;計算各工序切削用量;計算時間定額;繪制工序簡圖等。(4)填寫工藝文件。(5)設計某一道工序所使用的專用機床夾具，繪制夾具裝配圖。(6)撰寫設計計算說明書。
1．2課程設計存在的不足
根據我校機械相關專業的機械制造工藝學課程設計的具體內容，大部分學生在進行課程設計過程中采用傳統設計模式，即主要體現在繪制二維工程圖環節里采用手工繪圖。在課程設計教學過程中，發現學生的空間想象能力和工程實踐經驗缺乏，創新點更為欠缺，因此學生的設計結果質量不高，具體存在的不足從以下幾個方面分析，主要體現在:
(1)從課程設計的內容分析
從上面分析我校機械類專業開設的機械制造工藝學課程設計的內容來看，與國內大多數高校機械類相關專業的一致，設計題目較成熟，與之配套的指導書、參考資料等也較完整，形成設計過程規范化的一種模式，因此，學生在進行課程設計過程中，根據課程設計指導書和參考資料上的步驟進行設計計算，并撰寫設計說明書，也正是因為這種教科書式的模式下導致學生的設計理念單一，設計的產品缺乏創新性。
(2)從設計手段分析
設計手段主要是人工計算和手工繪圖，人工計算不僅浪費了大部分時間，而且容易出錯，發現錯誤返回修改等工作比較繁瑣復雜，大大影響了設計效率。同樣，手工繪圖效率較低而且返回修改也很累贅，這與現代設計理念相違背，不能滿足現代設計的要求。手工繪圖導致學生出現局限于二維設計、空間想象能力無法拓展的情況，僅從二維空間去了解設計過程，無法提升到三維空間層面，對夾具體零部件之間的裝配關系、運動關系等認識不充分，由此對夾具體的整體設計與裝配過程缺乏全面的了解。
在這種設計手段模式下，學生與專業軟件(如CAD、UG、Pro/E等)的應用脫節，同時對整個設計方案和結構創新設計的考慮較少，也不利于學生對專業軟件知識的掌握及將專業軟件應用于工程設計的能力培養，更加制約了學生創新能力的提高。
(3)從學生自身因素分析
課程設計要求學生能夠綜合運用所學的基礎理論知識和專業技術知識去解決工藝及工藝裝備設計的實際問題，并需要查閱大量的機械設計手冊、國家標準等相關資料，而部分學生專業課程知識卻不夠扎實，如機械制圖、工程力學、工程材料、互換性與技術測量、機械設計基礎、機械制造工藝學等課程，對專業課程知識的綜合應用能力更為薄弱，導致最后完成的課程設計質量不高。
2課程設計改革的具體措施
針對目前我校機械相關專業的機械制造工藝學課程設計存在的不足之處，結合我校應用型本科人才的培養目標，從實際出發，提出以下幾個改革措施:
(1)改革課程設計內容
在保證工作任務要求、設計難易程度大致相同的情況下，擴大課程設計選題范圍，增加學生自主選題，從以下兩個方面考慮:第一，結合機械類專業的學科競賽主題，如大學生創新創業訓練計劃項目、大學生工程訓練綜合能力競賽、機械創新設計大賽等，以參賽作品的某些零部件作為課程設計內容對象;第二，結合校企合作項目，以廣州圓大智能設備有限公司生產的工業機器人主要部件作為課程設計內容對象。由于設計內容對象來源于生產實際的工程項目，因此可以提高學生對課程設計的興趣，更能挖掘學生對工程設計的創新能力。
(2)改變設計手段
充分利用專業軟件工具，在繪制二維工程圖環節要求學生利用CAD或UG，根據我校應用型本科人才培養目標，我校機械類專業的人才培養方案中，開設了CAD、UG兩門課程，學生已經掌握CAD和UG操作的基本技能，為了能使二維工程圖與三維實體的關聯性，推薦使用UG軟件建立三維模型和制作二維工程圖。
UG是Unigraphics的縮寫，是一個交互式的計算機輔助設計與計算機輔助制造系統，集CAD(計算機輔助設計)、CAM(計算機輔助制造)、CAE(計算機輔助工程分析)于一身［5］。UG具有強大的工程制圖功模塊，依據三維實體模型可制作出符合國家標準的二維工程圖，此外通過UG的裝配模塊能實現對產品進行模擬裝配和干涉檢查，以檢驗零部件設計的合理性。將三維設計軟件UG應用于課程設計，使三維建模與二維工程圖緊密結合，大大提高學生使用三維軟件進行自主設計的能力，并改善設計質量，最終促進教學效果的提高。
(3)加強學生專業課程知識的學習
由于課程設計綜合運用多門專業課程的知識，如機械制圖、工程力學、工程材料、互換性與技術測量、機械設計基礎、機械制造工藝學等課程，因此，在開展各個課程的教學過程中，老師應當從理論教學和踐教學上嚴格要求，同時多結合工程項目實際案例，以培養學生將專業理論知識應用于工程實踐的能力，為后續進行課程設計打下堅實基礎。
3UG在課程設計中的應用實例
以CA6140車床后托架為例，其三維模型，該零件安裝于CA6140車床床身的尾部，起到支撐的作用，以防止絲桿和光桿下垂，保證在工作循環中，保持水平，托架的結構形式同活動鉆模版相似，但其作用僅在于支撐絲桿和光桿，托架不起直接保證加工精度的作用，但它卻直接影響機床能否正常的工作。在完成編制零件加工工藝規程、設計參數計算以及設計兩道工序的夾具(鏜φ40+0．02050孔、鉆φ6和M6孔)之后，運用三維軟件UG對兩副夾具體進行三維設計。
摘要:當前，三維CAD技術被越來越多地應用到機械設計中去，開展新形勢下CAD技術和機械制圖的教學研究是必要之舉。基于此，本文分析了CAD技術三維化的影響，介紹了三維建模的方式，并據此提出若干提升教學效果的措施。
關鍵詞:CAD技術；機械制圖；教學；三維CAD技術
隨著信息技術的不斷發展，三維CAD技術被越來越多地應用到機械設計中去，作為一種輔助設計技術，三維CAD改變了制造業的理論和技術，使人們的思維和工作方式都發生了很大的變化。為了適應現代化設計制造、培養出較高素質的機械設計人才，我們有必要對新形勢下的CAD技術和機械制圖的教學做出研究。
1 CAD技術出現了三維平臺為設計制造提供了方便
傳統的二維設計平臺雖然設計者腦中已經形成了設計產品的三維圖像，但是受到技術條件的制約，只能把腦中的三維圖像以二維的形式表現在設計圖紙上，只有根據多張產品設計的二維圖紙才能想象出圖紙中所表達的三維產品，有時在圖紙翻譯的過程中還會遺漏一些產品設計的信息，可見二維設計平臺有其弊端。
現代CAD技術為設計制造提供了一個三維平臺，設計者對腦中已經形成的設計產品的三維圖像可以通過CAD軟件表現于電腦屏幕上，三維平臺不僅能表現出設計產品的三維圖像，還能直觀地看到產品各個零部件的材質以及不同零件之間裝配關系，因此，CAD技術支持下的三維平臺改變了傳統的設計制造的概念。
計算機圖形和CAD技術教學已經被引入到制圖教學中，但是效果卻不如預想的那么好，在實際的產品設計中，產品實體造型軟件應用較少，學生們更多的還是使用傳統的二維繪圖軟件。
2 三維建模的方式
三維CAD系統與二維CAD系統不同，三維CAD系統提供多種產品的實體造型和特征造型的功能，在產品的設計過程中，可以實現產品的拉伸、旋轉、打孔、陣列等多種功能，也可以采取多種方式對產品進行三維建模。
2.1 滿足設計要求和工藝要求的建模方式。一個完整的產品是有多個零部件構成的，從產品零部件的設計角度來看，零部件在產品中發揮的功能作用直接決定了零部件的整體結構，因此應該充分考慮到產品裝配的相關性。從產品零部件的設計共計角度來看，零部件的工藝，如倒角、退刀槽等也直接影響著零部件的局部結構。
特征互相疊加、形成特征樹是三維建模過程的主要要素。這些特征之間有著密切的關系。例如特征之間父子關系，子特征的體現必須依賴父特征的存在；父特征在發生修改等變化時，子特征也要隨之變化。例如圖1（a）所示的是一個軸，從設計的角度來看，要求軸必須有4個軸段；從加工工藝來看，要求軸必須經過倒角和退刀槽等工藝步驟；軸左側的倒角和退刀槽是左側軸段子特征。使用旋轉和拉伸的方法對各個軸段進行建模，最后使用布爾
運算將設計出的4個軸段相連。
2.2 適應機內造型的建模方式。為了使產品的內部零部件的結構清晰、便于修改，可以使用多種方法對內部零部件進行建模。例如：
2.2.1 簡化建模過程的結構，對零部件進行建模的過程中要盡量減少零部件的特征數量，減少各個零部件之間的布爾運算。例如，圖1（a）表示的軸，可將圖1（b）所示的面繞旋轉軸旋轉生成，各軸段與倒角和退刀槽一次同時形成。
2.2.2 將具有功能相同特征相同的設計特征組合在一起。
2.2.3 為了避免相同的操作多次使用，將多種不同的特征相組合，最后進行統一操作。
2.3 三維建模的教學安排。在教學的過程中，應該對建模方法的順序做出合理的安排，為了更好的培養學生的工程意識，首先，在學生實際設計制造的前提下，讓學生學會滿足制造工藝要求和設計標準的建模形式。其次，學生應該學會機內造型的建模方式，并且學生要通過計算機內部建立數字化集合模型，并進行三維模型顯示的原理、靈活多邊的建模方法。這對于發散思維、創新思維大有益處。
針對機械設計專業知識舉出比較薄弱的學生，應該淡化學生對產品工藝專業性的要求，并且把如何設計產品的三維形狀作為重點。給學生留的二維環境下的機械制圖方面的作業，可以更好的幫助學生消化所學的概念性內容，但是學生的創造性思維也將受到限制。三維環境下的機械制圖方面的作業，可以讓學生在設計產品的過程中，對產品的存在的內部缺陷進行修改，極大的激發的學生們的創造欲望，同時也很大程度開闊了同學們的視野。
3 改變教學方式
3.1 以“體”為中心。在實際的教學中應該以“體”為中心，因為學生對立體感的圖形比孤立的圖認知能力更好，所以我們應該從三維物體本身著手，將原來的點、線、面教學方法整改為抽點、抽線、抽面的教學方法。
將點、線、面、體組合成多種三維圖像和二為圖像，增強學生這圖形組合能力的訓練，可以增加學生對常見三維圖形的記憶，從而增強空間思維能力。
3.2 適度地增減教學內容，適應現代設計制造技術。有些教學內容可以適當的降低其內容的難度，例如機械制圖中相貫線的相關內容，這些內容對培養學生的空間三維能力不能起到很好的作用，而且在三維CAD中，輸入關鍵數據后相貫線也能自動生成，因此對于這些內容，我們只需掌握其概念和基本畫法就足夠了。
因為CAD系統提供了全面的標準件庫，因此對于螺紋等標準件的教學內容也可以適當的做出修改。
關鍵詞：職業院校；CAD/CAM；軟件應用；分析
中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）07-031-01
一、職業院校應用CAD/CAM軟件必要性分析
現代企業機械產品的工藝設計方法及加工方法以從平面設計走向模型設計。這樣便于實現智能化，實現信息的共享，并且易于向整個生產系統提供信息，共享特性；實現管理、設計、實施人員在同一模型上工作，減少不必要的條件傳遞與確認，可將項目過程中產生的所有信息及設計全過程利用現代制造手段有效地管理起來；確保和提高產品質量，將手工作坊式的作業方式變為流水線協作作業方式，大大提高工作效率。即為CAD/CAM軟件應用模式。
隨著中國向制造業強國邁進的步伐不斷加大，使市場對機械尤其是掌CAD/CAM軟件應用能力的工藝人員需求急劇增加。目前掌握數控加工工藝的機械加工工藝人員已出現青黃不接的局面，機械加工經驗豐富的老工藝人員很多對數控加工了解有限，掌握數控加工技術的青年工藝人員的機械加工經驗又相對匱乏，符合用人企業要求的中青年數控加工工藝人員供不應求。優秀的掌握數控加工工藝的機械工藝人員因此成為市場上的緊缺人才。作為技能教學型高校的職業院校的制造類專業，承擔著學生與現代工業生產水平相對應的設計、制造、運行、實施、開發、管理能力和素質的訓練任務；與現代科技發展水平相適應的生產技能開發能力和創新能力的訓練任務；與現代工程相適應的質量意識、安全意識、環境意識、競爭意識和協作意識的培養任務。CAD/CAM軟件是支撐學生從操作員崗位向車間技術和生產管理崗位遷移能力訓練任務的適用工具。
二、職業院校CAD/CAM軟件應用前景分析
CAD/CAM軟件應用在CAD方面主要包括：二維繪圖、三維造型、裝配造型、有限元分析和優化設計等。在CAM方面,目前普遍應用的是數控程序編制。
CAD/CAM技術應易于采用多媒體教學，能突破視覺的限制，多角度地觀察對象，便于突出重點，圖文并茂，有利于突破教學難點；教、學、做一體有助于方法的掌握；行為導向，可以最大限度的調動學生的注意力和興趣。人機交互界面，學生有更多的參與，學習更為主動，并通過創造反思的環境，有利于學生形成新的認知結構；重復再現，可以使針對不同層次學生開展分層教學。
CAD/CAM提供從設計、制造、測試到管理一體化的解決方案，建立起計算機三維造型、工藝分析、仿真模擬、加工處理的集成系統。這有助于專業課程體系的分析與系統設計，教學成本的降低，教學效果的提高。
CAD/CAM系統包括專家系統、經驗儲存、智能庫、推理規則和自動學習功能。這將為學生利用信息、采集信息解決實際問題，提高了寶貴的知識和經驗。
三、CAD/CAM軟件在不同專業的應用方向分析
在職業院校機械類專業中CAD/CAM軟件應用較為集中的專業包括：模具設計與制造專業、數控技術專業、專業機械制造專業等，一下就其應用方向進行分析。
模具設計與制造專業
由于模具屬于單件小批量生產，產品質量要求高，加工時間長等特點，使得模具制造行業成為最早使用CAD/CAM軟件的行業之一。CAD/CAM技術能使模具設計與制造借助于計算機對產品結構、成型工藝、數控加工及成本等進行設計和優化。其中在教學設計中應側重在鑄造模領域重點關注鑄件的溫度場分布，應用CAD/CAE/CAM軟件主要進行三維復雜形狀鑄件的充模過程模擬，并能將流動和傳熱過程相耦合，其次是鑄造工藝及模具結構設計。在鍛模領域，在鍛造工藝過程設計、鍛模結構設計和金屬流動模擬等方面應用廣泛。在級進沖模領域，主要鈑金零件特征造型、基于特征的沖壓工藝設計、模具結構設計、標準件及典型結構建庫工具和線切割自動編程。在汽車覆蓋件模具領域。在塑膠模具領域的應用基于特征的參數化實體/曲面造型技術。
數控技術專業
數控技術專業主要承擔著培養數控加工的工藝設計與實施任務，軟件一般具有建模功能。根據加工策略的不同分為二維、二維半和三維CAM軟件，制造軟件生成標準的G代碼，通過傳輸代碼指揮數控機床工作。主要包括模型構建、設置加工環境、設置加工工序、生成軌跡文件及后置處理等。其模型應具有精確性，能真實反映加工表面的形狀和大小技巧精度要求。可以只針對加工表面和干涉表面進行模型構建，涉及線框、曲面和特征建模。
專機制造專業
由于專機具有設計周期短、產品改型多、設計流程相對固化的特點。注重直接建模技術、增強二維草圖方案，形成自頂向下設計方式 ，系列化設計，大裝配管理 ，二維工程圖等。還要強調由三維模型自動生成的二維模型。
參考資料
