DELMIA 在机械加工领域中的应用

一线天

DELMIA 是法国DASSAULT SYSTEMS 公司为数字化制造开发的一套软件，它与CATIA 互为补充，为制造业从产品设计阶段、工艺规划到产品生产过程的设计和优化提供了彻底的强大的解决方案，共同在CAD/CAM/CAE 集成应用领域拓展了新的应用空间。    DELMIA 的功能模块包含了整个制造行业的大部分需求，其中包括：
    ●产品三维实体模型的建立与装配
    ●加工工艺规划和装配工艺规划的编制与管理
    ●制造公差分析
    ●数字化生产线的建立与模拟
    ●NC 加工程序的编制与机床仿真
    ●机器人仿真
    ●专家系统等
    一、现阶段机械加工行业存在的问题
    1、产品设计与工艺设计脱节
    现阶段的产品设计和工艺设计是分为两个步骤串行进行的，工艺设计对产品设计的变更反应较为缓慢，产品设计与工艺数据不能共享，信息沟通不畅，信息丢失情况较为严重，从而造成重复劳动及资源浪费。
    2、广泛采用二维图纸
    二维图纸存在识图困难，对复杂形状表达不清楚，图纸体积大不易保管等缺点。
    3、在头脑中抽象的建立零件的形状，然后将工艺设计结果反映在二维图纸上，难以保证设计质量。
    4、在产品设计初期无法精确预计生产成本
    5、加工工艺的水平受编制者自身能力所限，知识积累得不到很好的传播。
    6、在工艺设计初期，无法准确判断工艺的优劣以及提出改进方法。
    郑州飞机装备有限责任(集团)公司是国内首家采用DELMIA 进行机械加工工艺规划的企业，经过工作人员的不懈努力，将国外先进技术与国内机械加工企业的现状结合起来，初步形成了以DELMIA 为核心的数字化机械加工工艺体系，解决了以往工艺设计的弊端。
    二、 DELMIA 的结构
    DELMIA 的核心是PPR HUB，主要由三大部分组成，即DELMIA Process Engineer（工艺工程师）、Digital Process of Manufa—cturing
（数字化制造工艺）和DELMIA QUEST（Queuing Event Simulation Tool，队列事件仿真工具）。
    （一）、PPRHUB
    DELMIA 解决方案是在一个被称作制造HUB 的独特数据模型上运行的。这个制造HUB 允许储存、管理和重复使用产品生命周期中所需的所有产品、工艺和资源信息。
    这些信息定义用户配置的属性，在每个规划阶段可用于生成状态报告。这些属性信息是工艺设计规划所涉及的问题的数据依据，如
    ▲机械加工方案
    ▲机械加工顺序关系
    ▲制造资源需要的投资
    ▲要求工作面积和区域
    ▲需要工人数量
    ▲整个产品的预期生产周期等
    都可以通过统计计算得到结果。另外，DELMIA PPR Hub 可以自定义实施以适应客户的特殊需求，增加了规划准确性和数据的实用性。
    （二）、DPE
    将产品设计部门的EBOM 经过工艺设计转化成MBOM，并管理MBOM。DPE 通过Project（项目）形式管理数据，在这个Project 中存储和产品有关的所有信息，如设计数模、所需制造资源和工艺设计的结果。
    DPE 的工作内容：
    1、工艺设计：导入产品数据、资源数据，由工艺工程师划分产品的工艺结构，制定加工方案，然后进行详细工艺流程的设计，制定加工产品的步骤。
    2、制造概念建立和工厂布局、物流规划：制造概念包括生产所需的所有工艺和资源，如机器、工位和工具、运输设备、缓冲和测试位置等等。
    3、时间和成本计算：通过工艺、制造概念和布局、物流规划，在DPE 中对产品生产所需要成本和生产周期进行汇总统计。
    （三）、DELMIA QUEST：
    在DPE 中完成布局规划后通过PPRHUB 读取布局数据，在QUEST 中建立厂房、资源模型，进行厂房、工作站位的布局和物流仿真，寻找出瓶颈点，评估生产中关键设备能力、缓冲站数量或运输速度等对产能造成的影响。
    （四）、DELMIA：
    通过PPRHUB 读取工艺设计数据及相关的产品和资源模型，在三维环境下对工艺规划结果（包括加工方案和详细工艺流程）进行验证。检查加工流程、零件输送路径和人员操作的可达性和合理性。
    三、DELMIA 机械加工工艺流程规划

    图1 机械加工工艺流程总体结构图

从图1 中可以清楚的看到，整个机械加工工艺流程是由DELMIA 为核心，配合其他软件共同完成。DELMIA 从上层的PDM（Product Data Management，产品数据管理）系统取得设计数据，包括零件实体设计模型，EBOM 等；在DPE（DELMIA Process Engineer）中进行机械加工方案以及加工路线的总体规划；再将工艺路线导入DPM/MPP（DELMIA V5），在三维环境中进行详细的加工工艺编制；并基于由此产生的IPM（In-Process Model 在制品毛坯模型）进行机械加工NC 程序（CATIA/CAM）、检验用三坐标测量仪程序（CATIA/Inspection Offline）的编制，并且在NC 程序编制的过程中，使用机床仿真技术（DELMIA/MSG）检查加工过程中可能出现的过切与干涉，确保加工程序的正确性和合理性。将编制完成的NC 程序导入VERICUT 中进行NC 代码的仿真，从而可以保证NC 程序在输入到机床之前已经经过验证，并且加工参数也得到了优化，从而降低了试切的时间和成本；编制机械加工工艺规划时需要的刀具信息由Tool Manager 提供，其中包含刀具的形式和参数，以及刀片和刀杆的类型，库存数量等，方便刀具的管理和使用。OMATIVE-Pro 配合OptiMill（优铣）可以实时从机床取得在线加工数据，包括加工时间（单件时间和平均时间），机床负载状况，并且可以通过对机床负载状况的监测来调整切削参数，达到优化切削参数的目的；与此同时，通过Omative –Pro 提供的加工时间以及DPE 提供的布局数据在QUEST 中进行生产能力分析以及生产线平衡。最终将以上得到各项信息输出至MES，从而进行合理的生产安排。

    （一）工艺规程的总体规划
    工艺规程的总体工艺路线安排是在DPE 中完成的。在DPE 中，用户可以根据自己企业的产品特点定制符合本企业的产品结构。DPE 的结构主要包含三个内容：Productview（产品列表）、Processview （ 工艺列表） 以及Resourceview（资源列表）。
    Productview 包含企业所有生产的产品模型、毛坯模型和在制品毛坯模型（IPM）。其中，产品模型是由产品设计人员提供的；毛坯模型是由工艺人员提供的，包括自由锻、模锻或者铸造毛坯模型；IPM 则是在工艺规划编制过程中产生的。在工艺规程的总体规划阶段，工艺人员可以将PDM 中的零件信息（EBOM）导入DPE，在零件这些设计属性的基础上添加工艺属性，这样便生成了MBOM。
    Processview 中包含对应于Productview 中的零件的加工工艺列表。每个零件的加工工艺都可以在产品列表中找到其所对应的零件。每个零件的工艺可以有不同的版本，使用这些不同版本的工艺可以进行工艺性的评估和生产平衡的静态分析，将其中最适合的版本作为有效工艺。
    Resourceview 中是所有加工资源的列表，这些资源包括刀具、工装、机床以及人员等等，当某个零件的加工工艺中使用到车间的某些资源时，便可以将这些资源与加工工艺建立联结从而可以很直观的得出生产这项产品所需要的资源，这样便可以进行产品成本分析。
    由于零件设计与工艺设计是在同一时间使用同一零件的三维模型，因此实现了设计与制造的并行作业，减少了设计与制造的周期。同时在产品设计的初期便可以估算出产品的成本，使得生产预算的精确性大为提高。
    （二）工艺规程的细化
    在DPE 中安排好的工艺路线，可以通过PPR HUB 在DELMIA V5 中进行详细的工艺规程编制。使用DELMIA V5 制订加工工艺的过程大致可以
分为以下几步：首先建立资源库，包括机床库、刀具库、夹具库、工艺库等；然后是制订具体的工艺路线，最后是编制NC 加工程序和进行加工仿真。
    资源库的建立是使用DELMIA 制订加工工艺的基础。机床库、刀具库、夹具库属于资源库，而工艺库则属于知识库，工艺库中可以保存各种典型工艺，以备将来使用时直接调用，达到知识延续的目的。资源库的建立方式有多种方案，可以借助于DELMIA 提供的内部接口通过编制二次开发程序来实现， 也可以通过catalog（库）的形式来完成。当资源库建立好之后，在编制工艺的过程中便可以快速的从这些库中选取所需要的资源。
    在DPM(Digital Process of Manufacturing)中编制三维工艺。首先从PPR HUB 中获取在DPE 中编制的加工工艺路线，然后在三维环境下对每道工序的加工内容进行细化，产生IPM。如图2 所示，图片中部为设计模型,在设计模型周围是从毛坯到成品的各个阶段的所产生IPM。这些IPM 是基于三维设计模型所生成的,与设计模型是相互关联的,当设计模型发生改变时, IPM 也发生相应的改变。这样实现了零件设计与工艺设计同步进行的目的，同时使用不同颜色来表示加工部位，使得加工状态清晰明了，解决了使用二维工序图的弊端。图中红色代表本道工序的加工内容，黄色代表上道工序的加工内容。

    图2 各工序产生的IPM

    在IPM 的产生方式上，DPM 采用的是通过布尔运算的方式来生成IPM。系统将加工过程中切除的材料与原毛坯材料进行布尔差运算，从而将毛坯“切”成所需要的形状。在定义“切”的过程中，DPM 是通过计算切削刀具所实际切除的毛坯形状来产生用来进行布尔运算的“切除的材料”。这样生成的IPM 更加符合生产实际状态。同时，通过这样的方式生成IPM 之后，在数控编程时，只需在工艺规程编制的基础上，指定适当的走刀方式和切削用量，便可以直接生成走刀路径，减少了重复劳动。
在DELMIA V5 环境中可以为每个IPM 标注尺寸，这些尺寸一方面使得每道工序加工完毕的状态清晰明了，另一方面是当设计基准和工艺基准不重合的时候，可以自动进行工艺尺寸链的换算，从而保证零件加工后的尺寸符合设计要求。如图3 所示，绿色代表加工公差在设计公差范围之内；蓝色代表加工公差要求过严，会增加零件的制造成本；黄色代表制造公差超出设计公差的要求。

    图3 公差分析

    在工艺规程编制完成之后可以使用GANTT图进行工序平衡分析。如图4 所示，红色的线代表目标时间线，可以设定预期时间，当某道工序的时间超出预期的目标时间时，可以调整本道工序的加工内容，使得每道工序的时间趋于一致，减少生产瓶颈的产生。

    图4 GANTT 图

    使用DELMIA 制订加工工艺可以将产品在制造过程中所使用所有的资源整合在一起，便于管理和使用。它包含了制订加工工艺过程中所使用的工艺方式，工艺模型（包括零件模型、毛坯以及在制品毛坯模型）以及工艺资源（包括机床，刀具，夹具等）。这些内容在以后进行工艺卡片的输出，NC 加工程序的编制以及加工仿真都非常有用。
    （三）输出机械加工工艺卡片
    当三维工艺编制完成之后可以输出所需的工艺卡片，DELMIA 本身提供了输出工艺卡片的功能，用户也可以通过对其进行二次开发来获得符合本企业自身标准的表格形式。卡片中所需要的信息可以从MBOM 中提取。
    （四）编制NC 加工程序
    将前面生成的IPM 导入到NC 加工模块，使用上道工序的IPM 作为毛坯，以本道工序的IPM作为零件，进行NC 加工程序的编制。这样编制出的加工程序更加符合真实加工环境，同时也减少了程序错误的产生概率。在NC 程序编制的过程中调入本道工序所使用的机床模型，如图5所示，进行机床防真，检查干涉情况。

    图5 机床仿真

    （五）加工程序验证与优化
    将经过后置处理的NC 程序以及编制程序时所使用IPM、夹具等同时导入VERICUT，进行NC代码的仿真验证与程序优化，经过这样处理后的NC 程序便可以直接通过DNC 系统下发机床，不需要试切直接进行加工。
    （六）建立虚拟工厂
    在QUEST 中建立虚拟工厂，从DPE 中提取相关信息，通过PPR HUB 导入所有零件的工艺，所需资源，工时状况到QUEST 中，运用物流系统的知识，合理安排各项零件在工厂中的运行路线，然后在QUEST 中进行仿真运行。如图6所示，左图为一生产线模型，右图为这条生产线上某一台机床的利用率。通过QUEST 的仿真便可以发现生产线布局规划是否合理，是否有阻滞现象或机床闲置现象发生，针对仿真过程中出现的问题合理调整，直到满足需要。通过QUEST 的仿真可以预先发现生产物流系统的不足，提前做出修正，这样可以节约大量的时间和成本，产生可观的经济效益。

    图6 QUEST 生产线仿真优化

    结束语
    数字化制造带给我们更加便利和更加快捷的生产手段，极大缩短了产品的交付周期，最大限度的降低成本，提高产品质量，使得我国的制造行业迈上一个崭新的台阶。

t60

开眼界了

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