面向三维工艺的作业指导书设计.doc

1 绪论 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“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。 国内外相关研究综述 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功能。基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）/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