干货 | 浅谈基于模型的工艺评审
摘要
市场激烈竞争不但要求企业提供物美价廉的产品，而且要不断提高质量、降低成本。竞争能力的本质是技术能力和管理水平的竞争。现代产品的构造和功能越来越复杂，在保证产品性能、质量要求的前提下，如何降低制造成本和缩短产品的研制生产周期，是市场竞争取胜的关键。另外，在产品全生命周期中，设计对产品的性能、质量和成本控制起着关键作用。一般情况下，设计费用约占产品总成本的5%，但却决定了产品总成本的约70%，而约80%的设计差错要到制造、使用过程才能发现。制造业公认的“十倍定律”表明，如果在概念设计阶段发现并改正一个错误所需费用为1，那么改正同一错误，在详细设计阶段所需费用为10，在生产制造阶段所需费用为100，并且直接造成制造周期的延长。
图1.1 产品从设计到制造的演变
设计工艺性是产品设计工作中的一项重要因素，也是产品的固有属性之一，它直接决定了产品的可制造性，是采用经济、合理和可靠的方法制造产品的基础。因此，产品设计中选用合理的结构、合适的材料及工艺，在制造源头提高产品的设计工艺性，对保证产品的质量和可靠性、提高快速研制水平、增强产品批生产能力和有效控制成本有着重要的现实意义。
工艺性审查的概要
设计工艺性与可制造性或可生产性在很大程度上表示的意义是一致的。美国军用标准MIL—STDl528《生产管理》中给出的定义是：“设计工艺性是多种特性的综合，即通过产品设计和生产策划，形成最有效的和经济的方法，进行产品的制造、装配、检查、试验、安装、检验和验收”；美国军用手册MIL—HDBK—727《可制造性设计导则》给出的定义是：“可制造性是设计要素、特性和生产策划的综合，通过折中权衡，在满足质量和性能要求前提下，使设计描述的产品，在最小可能成本和最短时间的优化方案下进行生产和检验”；美国国防部指令50000.34《生产管理》给出的定义是：“可制造性就是相对容易地生产出受设计特性和要求规定的产品或系统，即采用可利用的生产技术经济地制造、装配、检验和试验产品或系统”；对工艺性的定义是：“在一定的产量和生产条件下，经综合权衡后，能以尽可能低的成本和短的周期制造出来，并能符合必须的使用性能和质量要求”的那些结构特性。
目前我国许多制造企业在对零件制造和产品组装工艺性进行审查时使用的审查规范不统一,审查过程往往依靠工艺人员的经验判断。而且由于产品数模包括的零件种类众多,人工审查容易出现遗漏,难以满足生产实际需求。针对工艺审查水平良莠不齐,费时费力等问题,对产品零件制造和产品组装工艺性审查技术进行了研究。在从产品设计、材料、加工、装配、检验、试验到使用、维护的全生命周期中均体现了产品的设计工艺性。因此，具有良好工艺性的设计应该是：具有适当技能的操作者，通过合理、经济的方法，采用经济和易获得的材料，在较短时间内，制造出满足技术要求的产品。如图2.1
图2.1 产品设计生产
设计工艺性的内涵，可以归结为以下三点：
1) 设计工艺性是产品的固有属性，产品结构设计的各种要素都对设计工艺性产生影响。
2) 设计工艺性是对产品性能、生产周期、全生命成本、可靠性、安全性和可维护性等的综合平衡优化的结果，其目标是在满足产品性能和可靠性要求的前提下，满足经济高效生产的要求。
3) 设计工艺性不但与产品结构的要素相关，而且与工艺布局、设备条件等生产要素密切相关，同时与产品的生产批量密切相关。
工艺性审查的意义
工艺审查是工艺准备的重要环节，抓好工艺审查这一关，对确保产品结构合理性、工艺可行性和高经济性有着非常重要的意义。从工艺角度看，这是非常重要的第一关。一个零件根据生产规模可以拟订出多种不同的工艺方案，但制造成本却有所不同。一个最佳最合理的工艺方案，必须是在保证达到设计加工精度和技术要求之外，还应是制造成本最低。
因为零件结构和组装关系在很大程度上决定工艺方案和工艺方法，因此必须对零件结构和组装关系进行审查和分析，审查其结构是否合理、是否经济。力争使设计的产品或零件，在满足使用功能前提下，力求结构简单，便于加工、便于使用和维修，尽量符合本厂的加工和组装条件，且制造成本最低。
通过工艺性审查，达到下列目的：
1.及时发现工艺问题，产品发布之前得到更正，加快工艺编制速度，缩短工艺准备时间，减少生产过程中发生工艺问题可能性。
2.通过工艺审查，了解新产品所需工装情况，为提高工装利用率，尽量采用已有的公用工装，缩短生产准备周期，降低制造成本。
3.通过工艺审查，提早发现产品加工所需关键设备和特殊工装，以便提前准备或安排订货。
基于模型的工艺性审查方法
传统的制造业多年来普遍采用的是从设计到制造的开发模式。该模式的主要缺点是在产品的设计过程中不能及时考虑在产品制造过程中可能出现的加工（如制造工具的约束）、装配等问题，容易造成设计与制造的脱节，产品的开发成为设计——加工——修改——设计——再加工……这样循环的过程，规范性较差，劳动强度大，速度慢，效率低，势必会大大延长产品的开发周期，增加产品的开发成本，并且难以保证产品的质量。
面向制造的设计（DFM-Design for Manufacture）方法是解决这些问题的有效途径之一。工艺性审查，又成为产品可制造性分析（Manufacturability Analysis，MA）是面向制造的设计（DFM）的一项关键技术。在DFM发展过程中，DFM从基于单一产品的模型到复杂产品的集成信息，从简单的结构工艺到综合的可加工、可装配、低成本、省时间、智能化的综合发展。
图3.1 DFM技术的应用价值
4.1.产品研发阶段的三维可视化工艺审查
(1) 可视化产品模型的三维校审
3DEXPERIENCE平台技术提供给工艺评审人员一个三维环境下的产品工艺性审查。它能够接收产品研发提供的产品三维模型数据，并在三维环境中对产品进行零件结构和组装关系的分析，提出合理的改进意见，优化产品的工艺性。平台提供了对三维模型的基本操作，如显示/隐藏、动态切割、颜色标识等等。如图4.1
图4.1 产品三维模型校审
通过产品的三维设计工艺性审查，能快速帮助用户定位到存在问题的结构件上，并及时进行设计变更和工艺调整。在3DEXPERIENCE平台上我们也能快速的识别结构的变化和版本的迭代，能将产品的变更快速应用到工艺过程中，从而缩短产品研发的整个生命周期过程。如图4.2
图4.2 颜色标识反应产品状态
(2) 工厂级数字化模型的三维校审
设计工艺性的评价伴随着整个设计工艺性分析过程，而且随时可以进行，不只是在产品设计方案确定以后。在一定的产重和生产条件下，经综合权衡后，能以尽可能低的成本和短的周期制造出来，并能符合必须的使用性能和质量要求”的那些结构特性，我们会认为该产品具备合理的工艺性。
那么如何考量设计出的产品在量产下的工艺性呢？生产工艺技术分析是评估产品生产所采用的工艺技术、生产方法、主要设备、测量自控装备等技术方案的可行性评价。因此，产品自身的结构合理性和拆装关系能在一定程度上反应设计工艺性的评价指标，但不能综合权衡产品设计在批量生产时的成本和质量要求。
3DEXPERIENCE平台技术就给我们提供了大体量环境模型下的产品工艺性审查。它能够支持整个生产车间的三维模型数据展示（如图4.3）。利用逼真的三角几何表达形式，轻量化的展示工厂级的数字化模型，并能在该数字模型下进行工艺性审查。在虚拟真实环境中工艺评审人员可以轻松的判断产品组装与所使用工具、设备的合理性及可行性，便于实现装配自动化；能够判断加工的流程与设备装夹的关系，制定合理的加工需求，并满足所需的加工精度，节约制造成本。
图4.3 工厂级工艺审查
4.2.基于模型的三维动态可视化工艺审查
零件设计信息模型是工艺性审查的对象和依据，总成设计信息模型就是对审查对象的信息补充和信息整合。因此，要用计算机辅助工艺性审查，首先要对建立零件信息模型。系统对零件模型的需求已不再局限于几何信息，诸如精度、材料、工艺等非几何信息也是零件模型的重要组成部分。通过对零件模型的分析将各个零件之间的几何关系和位置约束进行梳理，整合成产品总成所需的组装关系。针对结构工艺和装配约束，仅仅靠静态的分析验证是无法完整验证产品在组装或加工等生产活动过程中产生的问题，因此基于模型的动态可视化工艺审查能有效提高工艺性审查的准确性，降低制造生产成本。
(1)产品模型的动态审查
产品组件内的工艺验证能帮助我们判断产品加工和组装的工艺性，而产品装配或加工过程中的工艺性问题则需要动态的进行仿真验证。3DEXPERIENCE平台能提供我们从静态的产品组装验证到动态的产品装配关系的仿真验证，并对这个装配过程中产生的问题进行工艺审查。
图4.4 产品动态审查
(2) 关键场景的动态审查
3DEXPERIENCE平台根据用户建立的仿真模拟场景进行动态的关键场景验证。在虚拟场景中能否对产品组装、设备操作、工件装夹、工艺参数等进行逐一的分析和评价。其技术支撑也是基于大数据模型下的工厂级场景展示，在这个场景下工艺评审可以根据人机料法环等几大生产要素进行工艺性审查，提供给生产制造一个合理的工艺方案，并有效提高工作效率和降低资源成本。
图4.5 关键场景的动态审查
(3)流程驱动的动态审查
由于DFM方法的引入，可能会导致设计阶段成本的增加和时间的延长，但是，我们知道，在产品开发过程中，错误发现得越晚，由于这个错误而引起的一系列修改、返工与管理协调所花费的时间就越长，费用就越高。这就是说，DFM在设计阶段由于考虑工艺而多出的时间和费用能够在下游的加工装配等阶段得到补偿，从而总体上达到了缩短开发周期和降低生产成本的目的。
3DEXPERIENCE平台不仅提供了从单一数字模型到复杂场景模型的工艺审查，也提供了基于产品生命周期的工艺审查方法。它能够根据用户反馈的问题管理，提出审查意见，并通过流程驱动工艺评审人员介入，更高效的开展工艺审查工作，在产品设计过程中随时介入进行设计工艺性审查工作。
图4.5 流程驱动动态审查
结束语
近年来科技的进步促进三维模型工艺审查解决方案的发展，达索3DEXPERIENCE平台可视化数字模型审查方案能够做到跨平台跨专业模型解析、多方在线协同与审查意见实时追踪。采用数字化解决方案能够加快审查速度，提高审查效率，无论国内还是国外，纷纷将数字化解决方案纳入应用范围。为了保质保量的完成数字化工艺审查，我们需要将工艺审查进行结构化整理，定性定量分析，为提高产品的工艺性，将工艺性审查自始至终贯穿于设计的全过程。
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