基于C3P的工藝設計模式的創新

唐偉+吳威+陳袁恒+李勇

摘要： 分析了C3P環境下工藝人員角色的轉換，建議工藝人員在概念設計階段就介入產品設計，及時對設計進行評估；分析了3D環境下工藝設計的輸入與輸出，并建議以PDM中的數據作為工藝設計的唯一數據源；介紹了SolidWorks環境下機加工工藝、鈑金工藝、焊接件工藝的顛覆式創新，介紹了基于圖解和動畫的裝配工藝設計及車間看圖系統。

Abstract： This paper analyzes the conversion of the role of the technician in the C3P environment. It is suggested that the technician should be involved in the product design at the conceptual design stage and evaluate the design in time. The input and output of the process design in the 3D environment are analyzed and the data in the PDM Design is considered as the only data source； the subversive innovation of the machining process， sheet metal technology and welding parts under SolidWorks environment and the assembly process design and workshop diagram system based on the graphic and animation are introduced.

關鍵詞： C3P技術；工藝設計；裝配工藝；看圖系統

Key words： C3P technology；process designing；assembly processing；picture system

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0103-03

0 引言

C3P是CAD/CAM/CAE/PDM的簡稱，C3P技術是美國福特公司在1993年至1996年期間創立的一個基于3D的產品研發平臺，隨后的幾年間，C3P技術在全球主流汽車制造廠獲得推廣應用。盡管具有前瞻性的企業都在積極推廣C3P技術，但其產品研發模式和制造模式還停留在二維工程圖模式下，三維CAD軟件在產品設計和工藝設計中應用是彼此孤立的，模型之間沒有關聯，工藝設計時常需要重新建模，C3P技術的優勢沒有充分發揮。探索基于C3P的工藝設計模式具有重要意義。

1 工藝部門的角色定位

1.1 設計評估

對產品設計進行工藝審核，評估零件的可制造、裝配體的可裝配性、制造的效率和成本是工藝部門的重要工作。在串行設計模式下，若沒有DFX評估工具，很難對零件的可制造性、制造成本進行準確評估，只能糾正產品設計中的非常低級的錯誤。

C3P技術環境下，設計人員與工藝人員之間的交流可以通過PDM系統完成，工藝人員可以實時了解產品設計的狀態及設計成果。建議在產品概念設計完成后就要進行工藝審核，在詳細設計之前就要確定零件的加工方式，因為在三維CAD環境下，不同的加工方式其零件的建模方法是不同；同時采用DFX工具對設計的可制造性及制造成本進行評估，還有一些專業的工藝仿真軟件如薄板沖壓仿真軟件、鑄造凝固模擬軟件可以模擬制造過程并給出零件優化設計的建議。在概念設計階段進行工藝評審，可以在設計的早期及時發現錯誤，減少修改工作量，屬于事中控制。

1.2 工藝設計

工藝設計是工藝規程設計和工藝裝備設計的總稱。工藝規程設計包括零部件的工藝規劃，工藝路線設計卡、零件制造工藝過程卡和工序卡、部件和產品裝配工藝卡的編制；工藝裝備設計包括刀具與檢具設計、夾具與模具設計、加工設備設計。

在C3P技術環境下，推行基于3D模型的工藝規劃、工序卡制作、可視化裝配工藝，才能最大化利用3D模型資源，提高工藝設計的質量和效率。我們把產品設計人員構建的、用于描述產品零部件功能要求的3D模型稱為產品模型，產品模型是零部件制造與裝配的依據。把工藝規劃過程中，有工藝人員構建的、用于描述加工過程中零件狀態的3D模型稱為工藝模型，如鍛造件毛坯模型、焊接件毛坯模型、數控加工模型等。

C3P技術環境下對工藝人員的技能提出了更高的要求。最基本的技能是掌握三維CAD軟件的使用，能夠靈活應用三維CAD中的配置設計和派生設計技術進行工藝規劃并構建加工過程中的工藝模型。根據專業的不同，還應該掌握相應的CAM軟件、DFX軟件和工藝仿真軟件，比如從事薄板沖壓工藝的人員應該掌握薄板沖壓模擬軟件，從事焊接工藝的人員應該掌握焊接工藝仿真軟件。

1.3 工藝設計的輸入與輸出

C3P技術環境下，工藝設計的輸入數據除了工程圖，還必須有3D模型和設計BOM。產品設計的交付物必須存儲在PDM系統中，以便保證唯一數據源。工藝設計的輸入數據只能從PDM中獲取，紙質的技術文檔僅作參考。

在工藝設計中會產生許多過程文件，比如描述加工過程中零件狀態的工藝模型，制作裝配工藝的圖片或動畫，產品的工藝評審報告、工藝仿真分析報告等，這些過程文件也必須保存在PDM系統中。

C3P技術環境下工藝設計的輸出數據除了傳統的工藝過程卡、工序卡之外，一般還需要提供鍛造件毛坯模型；焊接件毛坯模型；數控加工模型及數控程序代碼，裝配工藝采用動畫表達更為清楚。無紙化生產已經是大勢所趨，工藝設計的輸出數據必須存儲在PDM中，生產部門通過“車間看圖系統”查閱工藝文件。

2 零件的加工工藝

2.1 基于3D的工藝規劃

隨著三維CAD的普及，工藝設計也開始遷移到三維平臺上來。基于3D模型進行工藝規劃更加方便，為了更加清晰地描述制造過程，需要建立關鍵工序的工藝模型，最典型的工藝模型如零件的鑄造毛坯模型、焊接件毛坯模型、數控編程用的過程模型。二維工藝設計模式下一般不提供鑄造毛坯圖、焊接件毛坯圖、鈑金件展開圖，因為在二維CAD環境下，提供這些工藝模型是非常費時。SolidWorks的配置設計功能可以用一個文件描述零件的產品模型和各個工藝過程的工藝模型。以設計模型為基礎，通過壓縮一些特征（機加工），或添加一些特征（毛坯余量）可以非常方便地生成各個工藝過程的工藝模型。

當把3D模型轉化為2D工程圖時，就在產品制造流程中制造了一個斷層，而且這個斷層將消耗大量的成本。首先把3D模型轉化為2D工程圖是一項艱巨的工作，把3D模型中包含的制造信息無遺漏的傳達到工程圖需要設計師具有豐富的經驗和責任心；后續制造過程中又需要把2D工程圖工序轉化為3D模型，而且該過程很容易產生理解歧義而導致錯誤。SolidWorks MBD提供了基于3D模型的制造解決方案，在產品設計過程中尺寸標注是根據設計基準標注的，在SolidWorks MBD只需要指定零件的加工基準，可以自動將基于設計基準標注的尺寸轉換為基于制造基準的尺寸標注。

2.2 機加工工藝設計

傳統的機加工設備已經被數控機床或加工中心取代，數控機床加工代碼的編程成為機加工工藝中最關鍵的技術。在機床的操作界面上可以完成一些簡單的數控編程，完成一些簡單特征的加工；復雜零件（如葉輪、型腔模具的型芯、型腔）的加工必須采用專業的CAM軟件進行編程。SolidWorks 軟件中的配置設計可以方便地根據3D產品模型生成數控加工編程所需的工藝模型，目前主流的CAM軟件廠商都開發了與SolidWorks 深度集成的CAM插件，可以在統一的界面下完成數控代碼的編程。

現在基于特征識別的數控加工軟件非常流行，這類軟件需要事先對刀具庫、各種典型特征的加工策略、加工工藝參數進行定制，編程時非常智能，軟件會自動對工藝模型進行特征識別，根據內置的加工策略自動生成數控代碼，CAM軟件可以自動生成數控加工工序的工序卡片。CAMWorks就是一款非常智能的、集成于SolidWorks界面下的特征識別加工軟件。可以把在CAM軟件中定義的典型工藝特征移植到SolidWorks的特征庫中，從而通過工藝的標準化實現設計的標準化。

2.3 鈑金件工藝設計

鈑金工藝設計中一項非常重要的工作是下料展開圖，在二維環境下出折彎件的下料展開圖都是非常困難的，拉延件的下料圖根本出不了，只能在生產中反復拼湊。SolidWorks中有專業的鈑金件設計模塊，對于折彎件只需指定中性層系數就可以自動生成下料展開圖；對于拉延件則需要通過薄板沖壓成型仿真軟件計算下料展開圖。

大型覆蓋件的模具設計非常復雜，需要通過薄板沖壓成型仿真軟件模擬沖壓過程，評估拉延過程中是否會產生起皺、拉裂缺陷。鈑金件上的許多特征，如孔、凸臺、加強筋、百葉窗，是需要通過模具成型的，把沖壓模具的成型部分移植到SolidWorks的特征庫中，也可以通過工藝的標準化實現設計的標準化。

2.4 焊接件工藝設計

SolidWorks提供了一個很好的焊接件設計工具——焊接特征，使用接頭裁剪、角撐板、頂端蓋等焊接工具能高效率地進行焊接件設計，設計完成后能自動生成切割清單。插入焊接特征后，系統會自動生成兩個默認配置：一個父配置是“按加工”，描述零件的設計需求，一個派生配置是“按焊接”，描述焊接件的毛坯形態。

在SolidWorks焊接件設計模塊中可以對用于焊接的塊料開坡口、添加真實的焊縫。在專業的焊接分析軟件中模擬焊接過程，評估焊接質量和殘余應力；也可以在SolidWorks Simulation中對焊接件的強度進行分析。

3 可視化裝配工藝

3.1 基于圖解的裝配工藝

在表達裝配工藝時，圖比文字更有說服力，三維立體圖比二維工程圖更容易理解。傳統的裝配工藝以文字描述為主，輔以二維圖加以說明，也有采用照片進行輔助說明的，這種裝配工藝閱讀和理解困難，外觀質量差。采用三維CAD軟件后，一些企業采用三維CAD軟件的三維爆炸圖描述產品的裝配關系，但是這種爆炸圖只能描述的裝配體的組成，沒有描述裝配關系的標識符。

SolidWorks Composer是一款制作3D圖解和交互式動畫的軟件，該軟件可直接讀取市面上主流三維CAD軟件的3D模型，制作精美的3D圖解圖片。SolidWorks Composer提供了許多操作符號，可以更清楚地表達零部件之間的裝配關系，生成的圖片文件可以是矢量文件、或者選擇高分辨率的圖片。使用SolidWorks Composer可以制作表達零部件裝配關系的圖片，嵌入到裝配工藝卡片中，就形成了基于圖解的裝配工藝。

3.2 基于交互式動畫的裝配工藝

表達產品裝配關系最有效的媒介當屬動畫。SolidWorks Composer是一款面向工程的動畫軟件，其最大的優點是可以制作交互式動畫（見圖1），所謂交互式動畫是指在動畫的播放過程中，你可以暫停動畫，對畫面進行縮放、旋轉、從各種角度以任意比例觀察產品的結構（見圖2）。SolidWorks Composer可以直接讀取主流CAD系統創建的3D模型，不需要重新建模，生成的交互式動畫可以嵌入到PPT、Word、PDF文檔中，點擊即可播放動畫。SolidWorks Composer提供了豐富的 Advanced ActiveX API，可用于工藝管理的開發。

湘電風能是風力發電設備的骨干廠商，為了使裝配工藝更加精細化，選擇SolidWorks Composer制作裝配工藝文檔，包括工廠內部的典型部件裝配工藝（用于裝配車間）、陸上運輸工藝、風機現場吊裝工藝（用于風場）。關鍵部件可視化裝配工藝包括車間裝配工位及車間裝配環境的描述，關鍵裝配工位的工具清單和裝備清單描述，輪轂、機艙、發電機等核心部件裝配工藝的動畫展示。風機產品陸上運輸工藝包括大型零部件（如葉片）運輸過程中零部件在車上的安裝與固定，運輸過程中典型路況的處理。風機現場吊裝工藝包括現場的吊裝方法和零部件的安裝方法，以及關鍵工序的注意事項。

3.3 車間看圖系統

以動畫形式呈現的裝配工藝只能在電腦、手機等電子設備上觀看。裝配工藝動畫通常以裝配工位為單位進行制作，即每個裝配工位上的操作制成一個小動畫，這樣一個部件的裝配工藝就由很多個小動畫組成，要查看一個部件的裝配工藝需要查閱多個小動畫。在車間裝配現場，每個裝配工位需要根據工作指令查閱相關的裝配工藝，所以需要有一個車間看圖系統對裝配工藝進行有序的管理，生產現場能夠根據生產指令號、名稱或物料代碼快速查找、觀看對應的裝配工藝。

長沙凱士達信息技術有限公司基于SolidWorks Enterprise PDM開發的車間看圖系統可以在車間現場查閱PDM中存儲的各種技術文件、包括產品的3D模型、工程圖、工藝卡片、可視化裝配工藝。根據權限的不同，可以查閱特定工序的裝配工藝或全部的裝配工藝。

4 結論

C3P技術將徹底顛覆傳統的產品制造模式，2D環境下許多無法實現的工藝設計在3D環境下變得輕而易舉；在PDM平臺下設計師與工藝師之間的交流更加通暢，產品設計與工藝設計的并行與協同成為可能；車間無紙化生產已經成為趨勢。C3P技術中蘊含的現代設計思想和制造哲理在二維CAD環境下無法實現，只有在三維CAD環境下才能落地，只有挖掘并應用了這些先進制造理念，C3P技術的優勢才得到了體現，所以C3P技術的應用不僅僅是一個技術問題，同時也是一個管理問題和哲學問題。

參考文獻：

[1]王力夫，羅宇飛.C3P技術在汽車產品開發中的應用[J].公路與汽運，2002（06）.

[2]李原，李建軍，何為平，楊海成.基于PDM的CAx集成技術研究[J].制造業自動化，2000（01）.

[3]喬良，李原，楊海成.基于PDM的CAD/CAPP/CAM/CAE集成系統設計[J].制造業自動化，1999（01）.