协同设计制造与CATIA

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20世纪后期以来，市场和竞争的全球化已成为重要的发展趋势。一方面，全球化的市场竞争以及客户定制非标产品等要求企业能够快速响应市场机遇，有效地提供高质量、低成本的产品或服务，而单个企业很难满足这种要求，这就需要企业间针对市场机遇迅速组成联盟，发挥各自核心能力优势，共同实现市场机遇；另一方面，先进的信息技术和通信技术，使企业间在分布模式下合作变成可能。在这两个主要方面的作用下协同制造应运而生，在目前成功应用的协同制造平台中，CATIA是较为领先的，因此该我们选择该文作为协同制造话题的开篇。
　　协同设计与协同制造早已从理论概念进入了实施阶段。回顾过去的2007年，用于协同设计与制造的软件功能也是更上一层楼，基于网络与数据库架构的协同设计与制造解决方案，在一些小制造厂商内部也已自己搭建起来，加上国内外的CAD/CAM行业软件助阵，我们似乎看到处处都有数字化运转的设计制造厂，而最具特色的就是本文将要介绍的，由CATIA驱动的3D(三维)协同设计与制造模式。
　　一、耀眼的3D PLM
) H; X' X4 `. d$ v7 ^! T1 w4 _4 N" d　　在设计与制造完全“协同”起来的系统中，设计与制造部门的工程师们通常是不关心网络与数据库的架构，而只需要专心做好设计与绘图，并将设计结果或者修改调整后的参数快速传达到制造现场。例如，使用AutoCAD的工程师绘制好图形，即可在这个软件中将图纸发布到Internet中，世界各地的制造者通过网络即可在第一时间获取制造参数。今天，基于PLM(Product Lifecycle Management)的协同设计与制造模式正悄然兴起，它将为制造业把人、过程和信息有效地集成在一起，并作用于遍布于世界各地的相关部门，让各种相关人员遍历产品从设计概念到制造，甚至报废的全生命周期，全面支持与产品相关的协同研发、制造、管理、分发和使用信息。
　　确切的说，PLM是一种企业信息化的商业战略与概念，它由多种信息化元素构成：基础技术和标准(XML、协作和企业应用集成等)、信息生成工具(MCAD、ECAD和技术发布等)、核心功能(数据仓库、文档和内容管理、工作流和程序管理等)、功能性的应用(配置管理),以及构建在其它系统上的商业解决方案，著名的标志雪铁龙集团是PLM的成功实施者之一。
　　标志雪铁龙实施的是3D PLM，其目的是要将各开发流程联合起来，对产品全生命周期进行管理，大大缩短新产品的开发与制造过程，并提高新产品的质量，降低新产品的开发与生产成本。从20世纪90年代中期开始，标志雪铁龙集团的技术管理部门就已经认识到必须重建集团的设计与生产流程，更新旧的计算机应用技术。并于1998年初在IBM-达索系统公司的3D PLM解决方案CATIA、ENOVIAvpm的基础上实施了INGENUM工程项目，建立虚拟的车辆平台，然后在此信息平台上对所有来自扩展企业的产品、工艺流程和资源等信息均做虚拟管理和集成。为达到这一目标，该集团制定了三个主要实施阶段：建立一套在整个集团进行产品协同开发的虚拟环境；将这套协同开发环境扩大到扩展企业、通过对产品、工艺流程和资源等数据的集成实现数字化工厂。为便于实施协同开发的环境，采用了核心3D建模工具来设计整辆汽车。最初，该集团用的是CADDS来设计车身，用IBM-达索系统公司的CATIA设计动力系统。但它们很快发现CATIA作为一套完整的3D建模工具更加高效。于是，它们将所有的工作从CADDS向CATIA的移植，最终成为了CATIA的铁杆用户。
& {) U/ c+ i+ R/ Z6 v0 V4 k- m( E　　二、3D数字样机大放异彩
　　标志雪铁龙的成功，在世界制造业的影响是革命性的，今天我们国内已经有多家大型飞机、汽车制造厂与它们的研发机构也借助于由CATIA之类的软件构造自己的数字样机，通过虚拟产品让设计与制造人员以设计并管理自己的零部件，对装配中的所有零件与自己设计的零部件进行协调，让所有的零部件定义也保持最新状态。这样，设计人员就可以在整个装配环境下设计自己的零件，从而缩短产品开发周期。此外，由于有了数字样机的可视化和仿真工作，还使综合性技术工程师可以在产品开发的早期阶段就检查出零部件的几何尺寸是否协调一致，通过3D可视技术还可检查零件之间的干涉情况。这就可以减少误差，减少对物理样机的需求，并降低研究与开发新产品的周期和成本。
　　由于各种不同的零件和装配件构成不同型号的汽车，因而在虚拟产品数据库中必须有零件的配置，机械零部件和车身零件使用各种属性需要进行详细描述，这就要求CATIA自动捕捉这些属性，并按一整套规则根据多种可能的选项进行检查，生成有效的配置。又由于许多不同类型的用户都需要访问这个数据库，考虑到标志雪铁龙集团汽车的多样性，IBM-达索系统公司对协同设计环境功能做了大幅提升，让用户可以定义多种访问的视图，以满足不同用户访问不同数据的需要。而且，基于ENOVIAvpm1.5的功能，还能建立远距离联通，实现多个设计与制造现场用户访问数字样机。有了这样的基础，标志雪铁龙集团建立起了一个“虚拟平台”，使相关设计与制造人员能在集中精力完成自己任务的同时，还能与其他用户、部门共享设计结果而不受地理限制。
/ ]9 p7 n0 L0 b/ i; Z$ [　　三、由“虚拟平台”连接企业与外部厂商
　　此后，标志雪铁龙集团决定与其供应商共享此“虚拟平台”，以求在整个企业内取得缩短设计周期的效果。这就是INGENUM项目的第二个里程碑。今天，标志雪铁龙集团的设计师们和他们的制造商，通过基于ENOVIAvpm和ENOVIA Portal解决方案的互联网门户入口，即可在同一台数字样机上实时协同工作。经认可的制造商与供应商通过加密技术安全可靠地优先进入标志雪铁龙集团的信息系统，登录保护区访问数字样机。
　　每一个设计员对自己设计的零件保持控制，并具有绝对的修改权限，而且可立即将结果提供给所有项目参与者共享包括E-Mail、文档、设计标准图库、模拟仿真制造加工车间、各种会议的文件和相关的设计数据和企业管理信息、3D仿真等数据信息。
　　目前CAITA的最新版本是V5R17，与先前的版本相比，“虚拟平台”功能更加强大，增强了在3D线束展平和CAITA加工模块NC编程与仿真中的功能，扩展了端到端的行业流程覆盖范围；利用新的核心造型增强功能，迅速地探索设计想法；利用突破的自动倒角功能，显著改善设计生产率；通过在VPM导航器和ENOVIA SmarTeam协调机制中的关键增强功能，改善横跨扩展企业的并行工作能力；最大限度地扩大利用3D XML的协同能力，以便在设计办公室之外共享信息。
　　四、采用无纸办公的方式在开发和生产产品
- a# z/ R; K/ e$ g　　有了上面所说的“数字样机”与“虚拟平台”的支持，制造业就能采用无纸办公的方式在开发和生产产品了。著名的克莱斯勒公司从多年前就开始就对汽车车体进行无纸化设计，并在包括汽车发动机在内的产品全部实现了无图纸的数字化设计与制造。
　　现在，实施无图纸制造的产品应用对象除通常的零部件外，也包括生产制造的过程、客户的售后服务等。波音777飞机的设计制造过程是行业内最具典型的应用范例，也是不同行业应用无图纸制造技术进行产品创新设计的学习样板。而且，波音公司现在为自己的产品生产采用了全数字化设计，包括整机设计、零部件测试和整机装配，所有的开发和测试都并行工作的架构，在不同的地点、不同的部门同时展开各自的工作，利用“虚拟平台”现实技术做各种条件下的模拟试飞，让各部门工程师们在工作站上实时采集和处理数据并及时解决设计问题。最终制造出来现在的波音飞机，其产品与设计方案相比误差仅小于0.001英寸，保证了机身和机翼一次对接成功和飞机一次上天试飞成功，整个设计制造周期从8年缩短到5年。
　　在上述设计研发与制造过程中，始终贯穿差3D PLM概念与3D几何参数数据。标致雪铁龙与波音公司都将建立3D模型体作为无图纸设计与制造的基础和协同制造工作的起点。以一个飞机上简单的框弦类零件为例，读者可清楚的看到由此所来带来的工作效率。飞机或汽车的零件外形很多都是非规则的，用常规的二维工程设计视图很难对其进行描述，这也是航空与汽车行业最早应用3D设计的原因。无论是2D还是3D设计蓝图，归根结底都将用于传送设计参数，蓝图是落在图纸上设计结果，工程设计通常要求用多个正交投影视图来建立蓝图(如常用的三视图)来指导制造者生产出产品。但飞机框弦类零部件外形是非标准的，不规则的，用常规的2D正投投影视图手段描述它困难重重。而且只有通过标注规则的几何元素的长度、角度等方法来输出蓝图。现在好了，使用CATIA设计这类零部件时，由飞机的外形曲面、外形模线或外形控制点的坐标建立其3D模型体，不但能让设计人员的工作变得容易，还能让制造人员一目了然的明白设计者的意图。例如，设计人员建立好零部件的两组外型控制点坐标值，然后分别将这两组外型控制点按照设计所允许的公差拟合成两条样条曲线，并将它们作为曲面设计所需的导动线，进而得到所需的外形曲面(可以由直纹面来描述)，或者使用扫掠方式生成曲面，最后再生成相应的零部件3D实体图形，标注上设计参数与制造工艺要求，设计阶段的工作就可以完成了。
　　五、为数控机床输出NC代码加工获取产品
1 }; L3 f7 ~+ |0 A; D　　数控加工是实现无图纸制造重要环节。制造者可从已经得到了它的3D数据来判断生产加工方式和编制工艺流程。如常规的铣加工方式通常是先由划线工依照2D图纸在零部件毛坯上划出加工参考线，粗略地描述出零件的形状，然后由铣床操作者按照此参考线进行加工。有了3d模型体与它的3D数据，数控铣床之类的机械加工设备将不再需要人工划线的程序，完全排了加工过程中人为的干扰因素。而且，使用数控加工方式完全可确保零部件的2D与3D数据精度，一丝不苟的满足设计要求。数控程序员只需选择合理的加工方式和参数。
　　如能得到刀具和工艺方式的保证，就能生产出合格产品。数控加工技术最早就是应用在航空和汽车制造业，目前也是在这两个行业应用最广，而将CATIA生成的加工程序转换成相应数控机床的NC代码，并传入数控机床的控制系统，任何企业都能将3D PLM转化成了产品，形成了强大的生产力。
　　六、实现产品检验的无图纸化
) a: f0 U: ?, L  w　　完成了上面的各项工作，还可以实现产品检验的无图纸化。其内容可包括数控测量、三维公差和几何尺寸值。过去，检验人员进行产品检验的依据2D工程视图，现在采用3D设计与数控加工的方式，检验方式可做出相应变换：采用数控测量、三维公差和尺寸标注。数控测量主要针对数控加工零件，检测三维空间外形时可使用三做标数控测量机，并且参照零部件的3D设计数据。其工作流程可以先利用CATIA操作平台和MSC 提供的CATCMM 产品，在零件的3D模型体上采集测量点的坐标值。然后，将数据点的坐标输入测量机并编制测量程序，操作测量机完成对零件的测量，比较测量点坐标测量值与3D设计理论值的误差值，误差值在公差范围内即为合格产品。对于非数控加工产品，从成本方面考虑可采用常规的检验方式。在波音飞机公司，检验人员就是利用CATIA 的三维公差和尺寸标注来工作的。他们在得到产品的3D数据后，使用CATIA直接在3D模型体上标注出常规的尺寸和公差，并通过CATIA浏览器浏览产品的相关尺寸和公差。

1 x4 V3 ]" F* @$ M5 ]# M2 H　　综上所述，采用3D PLM设计与生产产品早已不是一种单纯的概念，而是企业发展的必然趋势，连不可一世的AutoCAD也从2007版本开始大幅度的增强了3D功能，将它过去的2D绘图环境定义成“经典工作空间”，将“三维工作空间”放在了第一位。由于无图纸设计与生产产品给企业带来的将是革命必的变化，随着市场竞争的需要，2008年里必将有大量的企业采用3D PLM，CATIA这类软件的用户群也将进一步扩大