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数字化制造与仿真技术
数字化制造与仿真技术
未来的仿真工具可以更好地使制造工程与产品设计保持同步。
今天的数字化制造仿真工具功能变得越来越强大。同时，产品生命周期治理（PLM）软件也能更好地将这些仿真工具整合到产品开发的最初阶段。软件开发商也推出一些定制的软件包，让那些中小型企业也可以从数字制造中获益。随着技术的不断前进，如何更好地利用这些工具显得至关重要。 “传统上采用3D CAD和数字样机技术的产品设计方法可以带来很多好处。但是一旦因生产或维修题目不得不对产品设计进行调整时，这些方法就显得有点无能为力了，”行业分析机构协同产品开发协会（CPDA）主席Don Brown说。他以为，在很多情况下，这些方法都无法对因加工或组装而导致的设计调整进行有效地评估。通过铸造、冲压和焊接生产的零件会产生一定的几何公差，此外还会给材料的属性带来稍微的改变。在组装过程中，因设备或工人操纵等原因还会对装配工艺带来影响。出厂检验往往只看中性能表现，以上这些题目却经常被忽视掉。 造成这种疏忽的原因往往是文化和流程上的题目，而不是所采用工具的题目，Brown表示。他还指出，以往工具的开发主要集中于拓展其在各种不同学科内的功能。这种方法实在使职能条块分割（functional silos）更加明显。近年来，不同学科之间的合作进步了软件开发的效率。“固然传统上用于设计中的工具，尤其是CAD软件，都比数字制造仿真工具更加成熟，但是今天看来这些制造工具完全可以满足需求，”Brown表示。 通过达索3DLive界面展示的制造本钱与目标本钱，体现了数据挖掘工具的发展。数字化制造仿真工具 数字化制造仿真工具从采用多维变分分析方法（DVA）对公差叠加仿真一直到工厂布局和厂房设计都可以进行仿真。离线CAM软件程序模拟CNC切割刀具路线，同时离线机器人程序可以模拟部件从CNC磨床到装配台的移动过程。人体仿真模型可以确定因操纵工操纵而出现的题目并进行解决。在工程师以为所有的仿真没有题目后，数字制造系统将操纵下载到CNC磨床、机器人以及自动化控制器上。 “制造过程中所有的操纵和流程都可以进行仿真和验证，”达索公司全球市场执行总监Robert Axtman说。达索公司提供的Delmia数字制造产品可以对很多流程进行仿真，比如资源治理、组装流程和人体工学等。 Axtman指出，这些仿真工具在今天的产品和制造设计部分中处于一种比较尴尬的地位。“你可以称之为部分隔阂、职能条块分割或职能筒仓等，这些的确是存在的，”Axtman承认。但是对于部分之间的合作题目他所持的态度并不像其他人那样悲观。在一些长期合作的客户中，尤其是较大的汽车客户，他以为这些公司在产品开发过程中已经从一定程度上缓解了这些部分间的共享题目。不过供给商的情况并非如此。“对于二级和三级供给商来说，这些部分间的题目依然存在。” 不过事实上，这些供给商已经可以像那些至公司多年来那样享用所有的数字制造技术。“幸运的是，计算资源（包括机器和软件）的本钱越来越低。以前，只有预算较高的大企业才能使用数字制造软件；而现在，小型公司也可以采用这些技术并把它们整合到PLM流程中，”Axtman说。Delmia PLM Express针对不同的制造领域提供五种以角色为基础的特殊模块，帮助中小型企业向PLM迈出第一步。 西门子PLM也为中小型企业提供定制的解决方案。西门子的Tecnomatix提供所有的数字化制造功能，从零件工艺规划到知识治理。2006年，西门子在此基础上为中型制造企业推出了定制软件包Velocity。该软件包包含数字产品设计、物理分析、CNC程序设计和数据治理等功能模块。该软件包内的Teamcenter Express组件是着名的Teamcenter整合工具的经济型版本。Teamcenter Express还为客户预设置了行业最佳实践经验。 除了定制性开发，基本的数字制造工具也处于精益求精中。与控制器的双向交流功能也在不断发展中。基本的CAD技术也使数据分享更加轻易。新一代Catia V6构架于Web 2.0技术上。达索声称采取这种方式可以不必进行文件传输，通过一台服务器进行同步合作。西门子PLM最新的NX 6包含的同步建模应用技术层可以轻易地将不同的CAD数据导进NX。数字化制造仿真工具几乎可以进进所有的功能区域，比如该图中Delmia 3DLive就显示了数据库中的制造资源。“实际设计”与“实际制造” 制造仿真工具也是一个重要因素。“产品设计的基本要求是你所设计的产品要满足一定的性能指标，”ESI北美公司首席执行官Michael Bloor表示。“当你通过金属成型的方式做一个工件时，材料的属性会发生改变，材料内会产生张力和应力。铸造也会使材料内部产生张力和应力，同时还会产生孔隙。铸造也会影响金属的属性。既然这些加工过程会影响终极产品，那就有必要对其进行分析记录，从而模拟产品的设计性能。假如仅仅采用标称参数则会产生偏差。” Bloor举了汽车转向系统上一个上下控制臂作为例子来说明。该控制臂采用设计中的几何尺寸和标称材料属性进行加工，但是Bloor表示这样生产出来的部件在使用中会出现故障。工程师还是对该部件进行了测试，但是让他们惊奇的是，该部件竟然通过了测试。“到底哪里出了题目？”Bloor问道。“由于测试仿真并没有考虑到控制臂加工的金属成型过程――这个例子对工件设计有很大的参考意义。” 他指出很多物理和制造仿真技术已经得到普遍应用。碰撞建模和静态压力以及张力分析在很多企业中也很常见。“有些公司非常了解仿真的重要性，并将其融合到设计流程中。但是即使如此，仿真的应用范围还没有应有的那么广泛，”Bloor表示，并指出仿真只是更多地应用在对性能更重要的子组件和零件设计上，而不是整车上。 该领域的工具也在不断发展。除了不断推出物理仿真工具，有些公司还提供一些治理仿真数据的工具。对负载工况或材料属性改变的跟踪与标准的产品数据治理（PDM）相比是不同级别的数据治理，后者主要集中在对产品或部件的描述上。Bloor表示，这种高级数据治理称为仿真数据治理（SDM），同时介绍ESI公司提供的VisualDSS产品可以帮助其客户针对这些仿真进行数据治理。SDM可以治理所有与整个产品有关的仿真数据，如负载工况，这样制造仿真数据就可以替换标称的数据。假如可以正确使用的话，这种方式可以帮助获取实际产品性能。其他SDM工具还有达索公司的SLM Tool和西门子PLM Teamcenter。 ESI Group熟悉到工程仿真将越来越复杂而且数据要在多个部分之间分享，因此公司推出了一个仿真数据治理工具VisualDSS。更好地使用工具 假如有这样一种工具可以弄清楚制造方面的改变是如何对设计带来影响的，那应该怎样最大限度地利用该工具？曾任德尔福动力系统数学工程师经理的Rich Wells几年前就解决了这个题目。实在题目的关键在于设计目标和制造目标之间存在的矛盾。“设计工程师希看他想要的系统不会受变化的影响。他们想尽可能地使配置保持不变，而制造部分却想尽可能地减少改变，”Wells解释道。“事实上，当出现题目时，产品设计职员几乎永远是想减少容许公差，而制造职员却希看进行更多更大的调整。” 为了解决这个题目，Wells采用了一些方法，如六西格玛设计方法、公理设计及强劲工程（robust engineering）以及德尔福自己开发的一些方法。此外，他还开发了一种称为维度治理（Dimensional Management）的方法，夸大将仿真工具与可以打破文化桎梏的流程结合起来的必要性。“我们多年来一直采用DVA工具，”他说。“但是并没有得到应有的开发，”指出各个功能部分之间一直存在的矛盾关系导致数据无法充分共享。“我们搜集了很多信息，但是都没有落实下来。”Wells与其小组推行的维度治理流程针对产品功能公差数据、制造公差定位方案和丈量方法（如仪器）制定一系列要求。“这样我们就可以通过有效地利用仿真工具来对我们整个决策过程进行量化了。” 仿真的使用还有一个障碍来自人们所持的怀疑态度。并没有哪一个工具可以模拟所有的效果。比如，腐蚀就是一种很难模拟的现象。针对这种情况，Wells开发了一种称为“分析设计确认（Analytical Design Confirmation）”的工具。这是一个简单的流程，帮助人们确定在哪些应用下仿真可以带来有用的结果，而在哪些情况下须持怀疑的态度。“这个流程消除了人们在认知方面的障碍。通过对仿真和硬件测试进行优化，它还帮助我们建立了一个在以前布满疑问的团队。” 与其他流程转换一样，比如精益化流程，将数字化制造和制造仿真引进到设计流程中首先需要具有消除障碍的决心。“实在最大的障碍是人和文化，其次流程题目，最后才是技术题目，”CPDA的Brown说，同时解释了这种决心的重要性。“这是一种转变，假如我们现在不往实现它的话，我们将会失往更多的业务。” (end)
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