基于PLM系统的数字化三维制造工艺平台建设及应用

陈 剑

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)



基于PLM系统的数字化三维制造工艺平台建设及应用

陈 剑

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

基于PLM(产品生命周期管理)协同设计系统建立面向制造过程的三维工艺设计、仿真的数字化工艺平台，实现制造BOM(物料清单)的编制和管理，实现工艺路线定义与划分，实现组装工艺过程和机加工艺过程的三维设计和仿真，实现对工装、工具、刀具等工艺资源的管理，从而全面提升工艺设计能力，提高工艺管理水平，并缩短工艺准备周期进而缩短新产品研发周期。

PLM系统； 数字化工艺；三维工艺仿真

随着计算机技术的发展，软件工程、数字化工程、互联网等技术的广泛应用在产品研发设计阶段引入了CAD、CAE、PDM、PLM等系统，在生产制造阶段采用大量的数控机床等设备，在制造过程环节中实施了ERP系统，企业的产品开发能力和生产制造能力有了很大的提高。然而，上述系统给企业的制造能力和与之相关的生产调整能力并没有产生相应的提升效果。因为，设计部门的“数字样机”数据不能直接用于工艺、制造等系统，造成设计阶段的“数字样机”并没有考虑到产品的可制造性，到生产才发现产品设计问题而进行更改、调整时，还是要花大量的时间、金钱进行协调，排故。如同驼峰，如图1所示，两边水平都很高，而中间的水平却很低，由此产生的瓶颈效应，极大地限制了企业的效能。

图1 工艺瓶颈示意图

为实现“设计数字样机”到“制造数字工程”，必须要有一套系统其能够充分利用“数字样机”的三维数据[1]，实现在三维模型基础上的三维工艺设计，并对零件的加工过程、产品的装配过程进行三维仿真并验证，实现制造BOM与工程BOM的协同编制和管理，最终输出生产系统需要的技术文档、指令、清单，报表等，以完成产品的加工、采购、装配、得到最终的产品。综上，本文将重点论述如何搭建适应本企业自身现状和需求的三维数字化工艺平台。

1 数字化三维制造工艺平台总体架构设计

由于本企业在产品设计研发阶段已经引入了SolidWorks、Reqtify、ENOVIA PLM等CAD软件和信息系统，考虑到与设计系统的集成和协同，我们三维工艺平台选取达索的DELMIA(产品名称)数字化制造产品进行开发定制，将产品、工艺路线和工艺资源紧密地联系起来，实现设计模型、工艺数据、制造信息实时的共享和管理。同时，通过PPR-HUB并利用Middleware技术，实现与企业其他异构信息管理系统(如ERP、PLM)的集成，实现数据的传递和共享。

系统具体实施架构原理图如图2所示。

如图2所示， 系统数据按以下方式流动： (1)DELMIA数字化平台的数据来源为PLM系统;(2)产品的数字化模型由PLM传入到DPE模块进行工艺规划、工艺设计;(3)数字化的工艺规程导入到DPM模块进行数字化制造过程的仿真(机加仿真和装配仿真);(4)数字化制造过程在3DCOMPOSER中进行详细编制;(5)输出实际需求的各种工艺文件和BOM。

在整个数字化工艺设计过程中同时对于输出的生产性文件进行了数据接收、发放和变更管理，各种工艺文件和制造BOM的流程审批、版本管理，同时建立数字化的生产资源库，供工艺工程师进行调用。而且对于公司已实施的ERP系统，平台采用把制造过程数据通过接口返回到PLM系统，由PLM系统进行统一管理与ERP系统进行集成。

图2 系统实施架构原理

2 基于DELMIA系统的制造BOM模块搭建与应用

制造BOM也就是MBOM，是下达物料的生产计划、采购计划的依据，同时MBOM包含的结构层级信息也为生产部门组织生产提供了技术依据[2]。

根据企业实际业务需求，北京纵横机电技术开发公司(简称：纵横公司)的MBOM定义为：在产品EBOM(设计BOM)的基础上添加工艺过程物料信息(包括：喷漆、机加件)+工艺组合件/虚拟件物料信息(如：必要的组合件)，并包含物料顺序(装配图顺序)、零部件的工艺分工，产品相关的辅料、包装材料、机加自制件原材料，并写出用量定额。

纵横公司在DELMIA系统MBOM编制业务流程如图3所示，从PLM系统平台获取产品EBOM和EBOM中包含物料的各个属性，MBOM功能模块在DELMIA环境下通过以下功能开发来满足MBOM实际业务需求。MBOM编辑完成后需要进行发布流程，首先把MBOM发送到PLM系统存在物料的工厂视图下，MBOM审批结束后，进入发布状态，PLM系统会对已经发布的MBOM通过接口自动传输到ERP系统，经实践验证可以满足纵横公司MBOM编制业务需求。

3 基于DELMIA系统的三维机加工艺过程模块搭建与应用

三维机加工艺仿真是属于工艺细节的规划和验证应用的环境，属于在DPM环境下的应用，根据已编制的机加工艺路线、工艺规程，在DPM提供的加工仿真环境下进行虚拟的切削加工过程的仿真，可以模拟包括加工设备(机床)、辅助设备(换刀机构)在内的机加全过程的仿真。进而分析数控加工代码的可行性、保证数控加工的质量。DELMIA的机加工艺工作流程如图4所示。

图3 制造BOM的编制流程

图4 三维加工工艺流程

对于三维机加工艺平台特点也是3个结点PPR的结构树，区别是3个结点下面的数据类型都是仿真验证过程中使用的产品类三维模型、资源类三维模型、参数驱动型的工艺设置。对于产品三维工艺编制首先从PLM系统进行数据读入，通过STEP接口或直接的Solidworks接口把产品和毛坯原材料三维模型导入到Product结点下，DELMIA也可以建立3D的毛坯模型(通过修改设计模型或按毛坯图纸建模)，并把工装夹具等模型进行导入，在完成相关三维模型导入后接着需要在Process结点下进行工艺设置，包括加工设备的设定、加工零件设定、干涉检测的范围、安全平面的设定、加工坐标系的设定、碰撞的策略设定，在完成详细加工设定后可以进行刀具轨迹计算，刀具轨迹计算是仿真的初步依据，刀具轨迹计，根据计算得出的刀具轨迹可以初步判断仿真的结果，在完成刀具轨迹计算后可以进行加工仿真[3]，加工仿真就是切削过程和切削结果的仿真，可以验证加工过程中的干涉碰撞和加工后模型的精度分析，是否存在过切等现象，对于加工模型的精度和余量可以通过颜色进行显示。如图5所示，为纵横公司实际生产的轴装制动盘刀具轨迹计算和加工仿真结果，最终输出加工NC代码。

图5 制动盘刀具轨迹计算和仿真结果

4 基于DELMIA系统的三维装配工艺过程模块搭建与应用

DELMIA系统的三维装配工艺过程也是在基于设计三维模型的基础上进行装配、拆解过程的三维仿真。三维装配功能模块也是在PPR结构树结构下进行工艺编辑，所以是属于基于流程型的工艺设计, 工艺人员通过PLM系统导入产品三维模型，产品三维模型的数据读入是通过STEP接口把Solidworks的数据直接导入DPM的PPR结构树的Product结点下，把装配过程中的工装、工具、设备等工艺资源设置在DPM的PPR结构树的Resource结点下，装配工艺路线和工序内容、工步在DPM的PPR结构树的Process结点下编辑并进行工艺仿真验证，输出基于MBOM物料信息的工艺路线仿真。如图6所示，纵横公司实际生产救援回送装置的产品装配三维过程仿真和装配工艺的输出。

对于Process下的工序编制和安排，由于复杂产品的生产特点，工序安排也存在并行工序和工序嵌套结构，对于在Process结点下已创建的工序，在进行三维装配仿真之前需要使用PERT图对于工序进行动态化的处理，PERT图是一个有向图[4]，图中的方块表示工序，还给出了工序之间的关系，如图7所示，即哪些工序完成后才能开始另外一些工序，以及如期完成整个装配过程的关键路径，使得在调整工序间的关系和重构结构变得更加直观。

图6 救援回送装置三维装配仿真和工艺输出

图7 工序PERT图

以上内容为DELMIA三维工艺模块开发和应用。

5 结束语

主要论述通过基于DELMIA软件搭建的三维数字化工艺平台，并重点介绍了制造BOM、三维加工、三维装配等工艺平台主要功能模块的搭建原理和应用效果，从实际应用角度上实现了与PLM系统的集成，实现三维工艺设计和仿真，实现制造BOM、工艺路线和工艺物料进行发布管理和变更管理，并对全部流程进行全寿命周期管理，实现与ERP的系统集成。解决了工艺系统信息化管理手段的相对瓶颈问题，从而实现工艺设计和产品设计的并行，并实现对制造过程的成本降低和效率的提高。

[1] 苏 春. 数字化设计与制造[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[2] 陈启申. ERP-从内部集成起步[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3] 赵松年，等. 现代设计方法[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4] 韩秋实. 机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，1998.3D Digital Manufacturing Technology Platform Construction and Application Based on the PLM System

CHENJian

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences， Beijing 10081, China)

PLM combined with design system for manufacturing process, establish 3D process technology design, simulation platform for the digital technology, then realize management of manufacturing BOM, realize the process definition and classification, implement assembly process and 3D design and simulation of machining process, realize the fixtures, tools, cutting tools, such as process resource management, so as to improve process design ability, improve the level of process management, and shorten the process cycle and shorten new product development cycle.

PLM system; digital technology; 3D process simulation

男，工程师(

2016-03-21)

1008-7842 (2016) 05-0048-03

U260.6

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.10