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1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 33页1 绪论1.1 课题研究背景及意义伴随着信息化时代的来临，全球进入了数字化时代。在迅猛发展的信息技术、网络技术的推动下，制造业正经历着革命性的变革。数字化制造技术应运而生，从产品的设计、制造、销售、维护到报废等阶段，均是归属于数字化制造的范围。但是目前只是对设计、销售、维护阶段的研究比较多，比如数字化模拟、数字化设计、数字化资源管理等都是一些耳熟能详的名词。然而在生产制造阶段，特别是车间现场对数字化技术的应用则相对比较薄弱。数字化制造需要均衡的发展，因此融合数字化技术和制造技术，面向车间生产现场的数字化制造技术，有待研究与突破。生产工艺对于
2、制造企业来说至关重要1，它是连接产品设计和产品生产的桥梁，是指导作业人员完成加工任务的大纲蓝本，是实现企业增值的关键所在，对生产制造有着举足轻重的地位和作用。工艺工作贯穿于制造企业的整个生产流程2，主要包括工艺设计和工艺应用两方面。目前，工艺设计方面的研究较多，特别是三维工艺的出现，带来了基于三维模型工艺设计的研究热潮，如三维工艺规划与仿真技术3, 4、三维工艺中的特征识别技术5, 6、三维工艺信息表达技术7等。对于工艺应用方面的研究，特别是面向生产制造的工艺文件下发和展示的文献相对较少。工艺文件记录如何在过程中实现成最终产品的操作文件，是指导劳动者如何利用生产工具对各种原材料、半成品进行增值
3、加工或处理，最终使之成为成品的方法与过程说明。其最终落脚点是指导作业人员更好更快地进行加工作业，完成零部件的生产任务。因此，工艺文件能否以更合理、更便捷、更友好的方式呈现给作业人员，是能否最大化地实现其价值的关键。传统二维环境下，工艺信息依托二维工程图，以纸质工艺卡片或图册跟随流转单下发至工位，加之配套的操作说明、安全规程等纸质文件，形成指导作业人员加工作业的文件体系。此方式广泛应用于我国大中小企业。然而其存在工艺更改滞后、工艺知识系统化困难、资源浪费等弊端，不利于企业和环境的可持续发展。同时，随着信息化时代的来临，数字化趋势不断冲击着此种落后的模式，随着ERP、MES等信息化系统的不断推进，
4、企业纷纷开始加入数字化、无纸化的行列。特别是在“全三维”8概念提出之后，要求工艺指导信息在制造各个环节之间的传递从二维平面、纸质的模式转向三维立体、数字的模式，传统纸质方式与数字化之间的矛盾正激化着人类制造工程历史上的一次必要革命。因此如何在“全三维”这一全新的生产方式下为作业人员提供优于传统模式的基于工艺信息的作业指导，具有广阔的应用前景和深厚的现实意义。1.2 国内外相关研究综述1.2.1 三维工艺的研究现状a) 三维工艺的兴起二维平面工程图是制造业用于描述产品生产制造相关信息的重要依据，且曾经是唯一依据。然而人的思维是多维的，产品信息在全生命周期过程中流动时，传递过程的二维需求和人们理解
5、过程的三维需求产生巨大矛盾，不断的转换造成了巨大的思维浪费，同时也容易出现表达不清或表达错误的情况。如图1.1 所示，产品设计师以三维的方式设计出产品，将其转化为二维图之后传递给制造阶段；工艺人员拿到二维图纸之后，首先在思维中转化为三维模型以理解设计，从而编制出使用于生产作业指导的二维工程图纸；作业人员拿到二维工程图之后，通用首先要在思维中将其转化为三维模型以理解产品和工艺。过程中四次转化将产生四次不必要的浪费，同时伴随着潜在理解错误的危险。然而这种浪费和错误的代价却已在制造业存在了百年之久。图1.1 产品描述信息传递与转化过程自此，基于三维模型的概念应运而生，它将产品整个生命周期中的产品信息
6、和工艺信息均以数字化的方式呈现。特别是对于工艺信息的呈现，基于三维模型的三维工艺免除了大量的3D 和2D 的转换，在降低脑力浪费、体力浪费和资源浪费的同时最大化了生产制造的效率和效能。三维工艺相关技术是目前制造业研究的热点问题。b) 三维工艺相关技术研究现状三维工艺同传统工艺最根本的区别是两者基于不同的模型。传统的二维工艺建立在二维工程图的基础上，而三维工艺的基础是三维模型9-11。不同于传统的产品三维模型，三维工艺所依赖的三维模型在包含精确几何模型的同时，也包含了尺寸、公差、基准、属性等信息，以满足工艺设计和检验设计的要求， 从设计、工艺、生产、运营到服务实现“全三维”，替代原二维工程图样的
7、功能。基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）可以全面描述产品/零部件的性能模型、几何模型、工艺模型和维护模型，为“全三维”的实现提供了基础技术支持，是该领域国内外研究的热点技术。1）产品定义的发展随着信息技术、计算机技术的迅猛发展，结合三维CAD 技术的成熟和普及， 数字化产品定义将经历从二维工程图到三维模型发展的三个阶段，从过去的仅依赖于2D 工程图进行产品形状的定义和注释，到现在的2D 和3D 并存阶段， 产品定义的手段不断丰富化、人性化，未来，将脱离2D 工程图的表现形式， 通过3D 独立模型，以三维的方式定义产品形状和包含制造特征在内的三维注释标注，实现
8、全三维，如图1.2 所示。图1.2 产品定义的发展美国波音公司是飞机研究无纸化设计的典范公司，早在1994年波音777的研制中全面采用了数字化技术12。自此，各国纷纷采取举措开展相关产品定义标准的研究和制定工作。美国关于三维模型的标注标准的起草工作由机械工程师协会于1997年1月发起，于2003年7月成为美国国家标准，以实现图纸与信息系统之间的传输13。在欧洲，ISO以ASME Y14.41标准为蓝本，制定了ISO16792标准。在日本，标准的制定始于汽车行业，并基于ASME Y14.41标准和ISO16792标准于2006年底出台了相关行业标准。在英国，于2006年颁布了军用标准。我国对MB
9、D的应用自国家标准GB/T24734-20095颁布实施后成为国家行为。然而，这些标准仍未完全脱离二维工程图，处于三维和二维共存的状态，因此，要真正实现全三维，仍需努力。2）MBD技术是三维工艺实现的基础(1)MBD概述MBD（Model Based Definition，MBD），即基于模型的定义，是波音公司在20世纪90年代中期提出的一种产品数字化定义技术。该技术以三维实体模型为核心，在一系列规范标准的支撑下，将产品几何、尺寸及工艺信息等完整的产品信息集成，定义于一个三维实体模型，在确保了数据唯一性的同时，有效搭建了设计和制造过程之间的信息交换通道，实现设计与制造一体化。(2)MBD研究现
10、状在国外，对于MBD的研究起源较早，应用相对成熟。如波音公司的787项目，全机的工程信息都是通过MBD定义的，从设计开始，全面在合作伙伴中推行了MBD技术，并依托达索软件基于三维模型完成工艺设计，同时在生产加工和装配过程中均依据该单一化的数据流和信息流。此外，如由日本三菱重工主导研发的新世代喷气客机MRJ等均采用了MBD技术。 在国内，20世纪末期启动的新飞豹研制计划标识着三维设计规模化应用的开始，同美国相差了10年。新飞豹设计全面采用三维设计技术，其全机电子样机是国内第一架全机电子样机，也是首次用电子样机替代物理样机进行协调设计，用数字量代替模拟量进行设计信息的传递。另外，中航工业成飞公司在
11、枭龙飞机和ARJ21飞机机头的制造过程中也应用了全数字量传递的协调工作法。沈阳飞机设计研究所某型飞机研制中全面应用了全机电子样机协调、全三维建模的方法，并取得了显著的效益。 目前，我国航天产品研制正在由基于模拟量传递的研制模式向基于数字量传递的数字化研制模式转变，在航天工业新研项目中几乎全部进行了MBD技术的研究和应用。但是在生产过程的主要依据仍然是二维数字化模型，还未实现三维模型的全面推广和应用，在生产制造过程中仍需要将三维转化成二维并输出成图纸指导生产作业。1.2.2 三维工艺信息应用系统研究现状MBD技术的特点是采用三维数字化模型作为飞机零件制造、部件装配的依据，生产现场不再发放二维图纸
12、。因此在摒弃沿用了百年的二维图纸之后，以何种方式指导现场进行有效生产成为该领域学者研究的热点。目前，研究主要集中在三维工艺设计和现场可视化技术方面，且偏重于三维工艺设计系统的研究，如西门子闫太生提出了一种利用Teamcenter实现基于三维中间工序模型的新型工艺设计模式；武汉理工王飞飞等对基于三维的工艺变型设计进行了深入研究，对工艺建模和工艺设计中的相关工艺参数和工艺流程变量进行了定义，研究了变量驱动生成工艺模型以及该零件加工工艺的工艺设计方法14。而针对三维工艺现场应用技术的研究相对较少，且研究主要集中在部件装配领域，如北航张魁等人开发了面向MBD制造环境的装配工艺数据集成系统；中航工业陕飞
13、搭建了基于Windchill审签和管理装配仿真视频、装配大纲和三维工步视图的用于指导现场装配作业的解决方案。而未见面向零件制造（如机加车间、钣金车间、铸造车间等）现场应用方面的研究。然而零件制造是装配的基础，只有在确保零部件生产制造快速高效的基础上，才可能实现装配的高效可控15。此外从实现“全三维”的角度来看，必须重视产品生命周期的每一环节，任一环节的忽视都将阻碍“全三维”实现的进程，研究必须均衡。因此，建立一个面向生产车间，且能随车间性质的变化而实现系统定制化的三维工艺信息应用系统具有现实需求和时代意义。1.3 课题主要研究内容及组织结构本文主要研究面向三维工艺的作业指导书设计，以钢格板制造
14、业为对象，研究三维作业指导书的内容、构成以及如何在生产现场展示。最终实现三维工艺信息在生产现场的应用，达到指导生产作业、提高生产效益的目的。本文分为5个章节，各章节具体内容和相互关系如图1.3所示。图1.3 文章结构示意图2 面向三位工艺的作业指导书总体设计2.1 需求分析2.1.1 钢格板制造企业现状分析钢格板向来是中国的优势产业，特别是最近十年里，钢格板得到了很好的发展，如今广泛用于精练油厂，轻化工，矿业及精练，发电厂，海上工程，建材业，农牧业，军工工程，园林，机场工程，自来水厂，废弃物处理，食品加工，纸浆及造纸业，水产养殖，运输业，制药工业。 可以说是各行各业中无不涉及到钢格板，随着中国
15、的工业需求不断的上升，钢格板的需求量也会越来越大，而钢格板的质量要求也要比以前更高。在飞速发展过程中往往机遇与挑战并存，钢格板的被应用越来越广泛，在各个行业中的运用日趋成熟，市场需求量也不断增加，这些发展趋势都给钢格板制造企业提出了新的要求，要求其为满足产业发展需要必须快速提升能力。为适应钢格板制造业的发展形势，钢格板制造企业迫切需要解决车间生产过程中存在的诸多问题，特别是在工艺管理、现场可视化及信息化方面，存在如下几个比较显著问题。a) 工艺文件现场应用模式古老工艺文件是指导工人进行生产作业的依据，其现场应用模式的好坏将直接影响其指导效果。当前的工艺文件应用多采用纸质下发方式进行，通过条码技
16、术将工艺文件和进度信息关联，在编制流转单时，通过扫描条码将各道工序与相应的工艺文件关联起来，跟随流转单下发至相应工位，供作业人员浏览。若有临时工艺文件需要修改，都要通过纸质文件的形式提交给工艺人员，反馈速度慢，响应滞后，易导致生产周期的延长。同时大量的纸质文件无法进行重用，造成资源的浪费，违背环境保护原则。b) 信息化效果不佳在车间信息化方面，虽已实施了制造执行系统（MES），但效果不尽如人意。突出问题是，MES所提供的信息量不能充分满足需求，容易遗漏；且一些重要信息不够实时准确，作业人员只能将其列为参考数据，而无法按其要求执行，反而增加了作业人员的工作量，违背了信息化的初衷。 当前，钢格板制造企业正大力推广三维工艺的应用，上述问题在三维工艺环境下尤为突出。特别是在工艺下发至车间的过程中，脱离二维、纸质文件
