譚子良

（貴州黎陽裝備科技發(fā)展有限公司，貴州 貴陽550081）

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工裝設(shè)計的數(shù)字化設(shè)計及制造技術(shù)的探究

譚子良

（貴州黎陽裝備科技發(fā)展有限公司，貴州 貴陽550081）

摘要：工裝設(shè)計的數(shù)字化及制造技術(shù)是近年來比較受關(guān)注的問題。本文闡述了其包含的關(guān)鍵技術(shù)的內(nèi)容以及原理，為該技術(shù)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：工裝設(shè)計；數(shù)字化；制造技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)是新時期技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)模式、生產(chǎn)方式以及生產(chǎn)流程等均實現(xiàn)了數(shù)字化生產(chǎn)。只有充分借助數(shù)字化技術(shù)，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本及生產(chǎn)的競爭力才能夠在根本上得到改善。工裝設(shè)計的數(shù)字化設(shè)計及制造指的是在一個虛擬的環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計和制造，經(jīng)過對產(chǎn)品的制造、裝配之后，再對產(chǎn)品的細(xì)節(jié)進(jìn)行定義和分析。經(jīng)過數(shù)字化的設(shè)計和制造后，產(chǎn)品的開發(fā)周期明顯縮短，制作過程去繁就簡。最終，工裝的可用性得到了極大的提高，并且對工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)險顯著降低[1]。

1　工裝數(shù)字化設(shè)計及制造的基本理念

目前來看，機(jī)械制造行業(yè)中在設(shè)計產(chǎn)品時大多使用三維系統(tǒng)來完成，在設(shè)計工裝時，首先要把最終產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型作為依據(jù)，使用三維CAD軟件進(jìn)行設(shè)計之后，再進(jìn)行更加精確的機(jī)械以及數(shù)控加工。運用運用數(shù)字化設(shè)備比如激光跟蹤儀對工裝在整個的制造和安裝的過程中進(jìn)行檢測，使得產(chǎn)品的安裝精度得到了提高，工裝的整個調(diào)試過程得到了加快。由于數(shù)字化的設(shè)計和制造過程，工裝產(chǎn)品以數(shù)字化幾何數(shù)據(jù)來展現(xiàn)外外形以及交點信息，這充分的實現(xiàn)了模擬量由數(shù)字量代替，也滿足了機(jī)械產(chǎn)品在制造過程中產(chǎn)品外形以及協(xié)調(diào)互換。在工裝產(chǎn)品的制造階段中，以往傳統(tǒng)的樣板以及樣件統(tǒng)一被數(shù)字化協(xié)調(diào)所代替，數(shù)字化制造過程實現(xiàn)了“零”工裝[2]。

2　傳統(tǒng)的設(shè)計制造和數(shù)字化設(shè)計制造的區(qū)別

傳統(tǒng)的設(shè)計制造具有明顯地優(yōu)勢和缺陷，其優(yōu)點在于：制造過程簡單、使用方便、生產(chǎn)的準(zhǔn)備時間短等，缺點在于：制造過程必須按照規(guī)定好的前后路線依次進(jìn)行，這使得平行作業(yè)具有極大的難度。數(shù)字化設(shè)計制造的優(yōu)勢在于不必積累較多的誤差，能夠方便的進(jìn)行測量尺寸以及傳遞形狀等活動，這不僅僅使平行作業(yè)變得容易，更是提高了制造的準(zhǔn)確性和協(xié)調(diào)性、縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備的時間、減少了勞動量、生產(chǎn)效率大大提高。不過目前來看，大部分企業(yè)不具備數(shù)控制造工裝的能力，因此仍然采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行工裝的制造。

3　工裝數(shù)字化設(shè)計及制造的重要技術(shù)

3.1并行工程

傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)中，制作流程通常都是一環(huán)扣一環(huán)，前一個環(huán)節(jié)完成之后才能繼續(xù)進(jìn)行下一個環(huán)節(jié)，這就使得時間和成本得不到根本上的減少，而如果反饋消息不及時的話，還要進(jìn)行返工，因此整個制造過程很難一次性完成。

并行工程的價值就在于將原來一環(huán)扣一環(huán)的生產(chǎn)過程變?yōu)橥瑫r進(jìn)行或者并行處理。在并行工程當(dāng)中，信息的反饋都是及時的，沒有任何的滯后，這就使得一次性完成設(shè)計的概率加大了很多，成本得到了降低，生產(chǎn)效率大大提高。圖1表示的就是傳統(tǒng)的工作方式與并行工程方式的對比示意圖。

圖1　傳統(tǒng)的串行工作和并行工程對比示意圖

在對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)之前，并行工程采用綜合設(shè)計評審對設(shè)計構(gòu)件進(jìn)行研究分析、幾何、圖號樹等工作。

3.2三維設(shè)計技術(shù)

三維設(shè)計技術(shù)中的建模技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計及制造的核心所在。目前，以三維CAD技術(shù)為基礎(chǔ)的集成技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字化設(shè)計的核心技術(shù)。CAD技術(shù)的特點可以概括為：以特征為基礎(chǔ)、進(jìn)行全尺寸的約束、與全數(shù)據(jù)均相關(guān)等。經(jīng)過不斷的發(fā)展，三維CAD技術(shù)正從以下三個方面繼續(xù)發(fā)展：（1）集成——也就是三維CAD技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合CAD/CAPP/ CAM/CAE等集成技術(shù)。通過三維CAD的集成系統(tǒng)的“自底向頂”以及“自頂向底”功能，能夠?qū)⒃O(shè)計過程變得更加具有操作性。三維CAD系統(tǒng)功能豐富齊全，以CAD/CAPP/CAM/CAE集成技術(shù)為基礎(chǔ)，可以輕松的聯(lián)結(jié)設(shè)計和分析以及工藝和制造等。（2）創(chuàng)新——創(chuàng)新需要繼承承襲老產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗以及設(shè)計知識，還要借助已經(jīng)建立起的設(shè)計資源。在工裝的設(shè)計與制造過程中，以三維CAD系統(tǒng)為基礎(chǔ)的數(shù)字化技術(shù)是創(chuàng)新的立足之本。（3）合作。隨著各企業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)家們正逐漸認(rèn)識到集團(tuán)化與相互合作的重要性。在西方發(fā)達(dá)國家中，有一半以上的制造企業(yè)與其他的企業(yè)建立起了合作關(guān)系。因此，在設(shè)計制造的過程中，互相學(xué)習(xí)、互相合作是不可或缺的。

3.3數(shù)字化裝配技術(shù)

在工裝設(shè)計的過程中，數(shù)字化裝配技術(shù)，也就是利用計算機(jī)進(jìn)行模擬裝配的技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注。該技術(shù)主要應(yīng)用于工裝的設(shè)計過程中，進(jìn)行設(shè)計靜態(tài)、動態(tài)的界面、檢查程序的工藝性、檢查運動性、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、分析壽命等工作。通過數(shù)字化的裝配，工裝的可裝配性能、使用維護(hù)性能以及制造過程的工藝性能夠得到有效的評價，并降低返工的可能性，降低工裝制造過程的成本，大大縮短研制的時間，提高了產(chǎn)品的競爭力[3]。

工裝的數(shù)字化裝配技術(shù)中，建模的效果是工裝結(jié)構(gòu)及功能達(dá)到要求的重要前提。產(chǎn)品的幾何數(shù)字信息可以通過三維實體教學(xué)模型獲得的到，這些數(shù)字信息可以作為工裝數(shù)字化建模的參考依據(jù)，根據(jù)零部件的裝配關(guān)系可以確定產(chǎn)品的裝配位置。以裝配信息作為基礎(chǔ)，裝配模型可以由工裝自行完成。工裝數(shù)字化裝配系統(tǒng)能夠滿足工裝自頂向下的結(jié)構(gòu)、設(shè)計能力以及功能的要求。圖2表示的就是在虛擬化的環(huán)境中工裝裝配數(shù)字化的示意圖。

圖2　CAD系統(tǒng)虛擬化環(huán)境中工裝的數(shù)字化裝配示意圖

3.4工裝的CAE技術(shù)

工裝CAE指的是在工程設(shè)計的過程中進(jìn)行計算和仿真，主要針對分析工程的數(shù)值、結(jié)構(gòu)以及對過程設(shè)計的優(yōu)化，還有評估系統(tǒng)的強(qiáng)度以及壽命，以及針對運動和運動學(xué)的仿真過程。CAE技術(shù)的核心為有限元以及運動/動力學(xué)仿真。

在工裝的原理、性能以及結(jié)構(gòu)已經(jīng)明確的前提下，CAE技術(shù)可以幫助工裝發(fā)揮出最大的效能。其工作原理是通過分析對工裝的結(jié)構(gòu)當(dāng)中的特定區(qū)域進(jìn)行專業(yè)的修改。極大的提升工裝的性能，而不改變工裝的工作原理；另一方面，如果是新開發(fā)的工裝，借助仿真分析的功能，CAE技術(shù)可以驗證工裝預(yù)期的功能是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并驗證工裝中是否有設(shè)計缺陷，以使工裝的有效性和可靠性得到可觀的增強(qiáng)。

4　結(jié)束語

數(shù)字化技術(shù)正逐步改變著人們的生活，世界的面貌也在數(shù)字化技術(shù)的影響下得到了翻天覆地的改變。傳統(tǒng)制造業(yè)正經(jīng)歷著由數(shù)字化生產(chǎn)的刺激而產(chǎn)生的制造業(yè)技術(shù)革命。目前而言，許多先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)在工裝設(shè)計及制造中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字化制造技術(shù)方面，在國外有很多國家已經(jīng)得到了應(yīng)用，產(chǎn)品以及工裝的設(shè)計、制造過程在這些國家已經(jīng)得到了實現(xiàn)。我們?nèi)粝氡３肿陨淼母偁幜Γ惨跀?shù)字化技術(shù)中加大投入，以適應(yīng)時代發(fā)展的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉檢華，孫連勝，張旭，等.三維數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)內(nèi)涵及關(guān)鍵問題[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2014，（03）:494-504.

[2]薛航.基于數(shù)字化參數(shù)化設(shè)計的工裝設(shè)計關(guān)聯(lián)技術(shù)研究[D].沈陽航空航天大學(xué)，2014.

[3]高建國，羅榮，田文松，等.數(shù)字化工藝設(shè)計、工裝設(shè)計及制造技術(shù)一體化系統(tǒng)應(yīng)用[J].機(jī)械制造，2013，（08）:80-83.

中圖分類號：TG702

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0263-03

收稿日期：2016-01-06

作者簡介：譚子良（1973-）男，貴州開陽人，本科，工程師，研究方向：機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計。

Research on Digital Design and Manufacturing Technology of Tooling Design

TAN Zi-liang
（Guizhou Li Yang equipment science and Technology Development Co.，Ltd.Guizhou Guiyang 550081，China）

Abstract:In recent years，the digital and manufacturing technology of fixture design is a problem which has been concerned.This paper expounds the contents and principles of the key technologies，which provides a theoretical basis for the application of the technology.

Key words:tooling design；digital；manufacturing technology