基于C3P的工艺设计模式的创新

唐伟+吴威+陈袁恒+李勇

摘要： 分析了C3P环境下工艺人员角色的转换，建议工艺人员在概念设计阶段就介入产品设计，及时对设计进行评估；分析了3D环境下工艺设计的输入与输出，并建议以PDM中的数据作为工艺设计的唯一数据源；介绍了SolidWorks环境下机加工工艺、钣金工艺、焊接件工艺的颠覆式创新，介绍了基于图解和动画的装配工艺设计及车间看图系统。

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.

關键词： C3P技术；工艺设计；装配工艺；看图系统

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

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0103-03

0 引言

C3P是CAD/CAM/CAE/PDM的简称，C3P技术是美国福特公司在1993年至1996年期间创立的一个基于3D的产品研发平台，随后的几年间，C3P技术在全球主流汽车制造厂获得推广应用。尽管具有前瞻性的企业都在积极推广C3P技术，但其产品研发模式和制造模式还停留在二维工程图模式下，三维CAD软件在产品设计和工艺设计中应用是彼此孤立的，模型之间没有关联，工艺设计时常需要重新建模，C3P技术的优势没有充分发挥。探索基于C3P的工艺设计模式具有重要意义。

1 工艺部门的角色定位

1.1 设计评估

对产品设计进行工艺审核，评估零件的可制造、装配体的可装配性、制造的效率和成本是工艺部门的重要工作。在串行设计模式下，若没有DFX评估工具，很难对零件的可制造性、制造成本进行准确评估，只能纠正产品设计中的非常低级的错误。

C3P技术环境下，设计人员与工艺人员之间的交流可以通过PDM系统完成，工艺人员可以实时了解产品设计的状态及设计成果。建议在产品概念设计完成后就要进行工艺审核，在详细设计之前就要确定零件的加工方式，因为在三维CAD环境下，不同的加工方式其零件的建模方法是不同；同时采用DFX工具对设计的可制造性及制造成本进行评估，还有一些专业的工艺仿真软件如薄板冲压仿真软件、铸造凝固模拟软件可以模拟制造过程并给出零件优化设计的建议。在概念设计阶段进行工艺评审，可以在设计的早期及时发现错误，减少修改工作量，属于事中控制。

1.2 工艺设计

工艺设计是工艺规程设计和工艺装备设计的总称。工艺规程设计包括零部件的工艺规划，工艺路线设计卡、零件制造工艺过程卡和工序卡、部件和产品装配工艺卡的编制；工艺装备设计包括刀具与检具设计、夹具与模具设计、加工设备设计。

在C3P技术环境下，推行基于3D模型的工艺规划、工序卡制作、可视化装配工艺，才能最大化利用3D模型资源，提高工艺设计的质量和效率。我们把产品设计人员构建的、用于描述产品零部件功能要求的3D模型称为产品模型，产品模型是零部件制造与装配的依据。把工艺规划过程中，有工艺人员构建的、用于描述加工过程中零件状态的3D模型称为工艺模型，如锻造件毛坯模型、焊接件毛坯模型、数控加工模型等。

C3P技术环境下对工艺人员的技能提出了更高的要求。最基本的技能是掌握三维CAD软件的使用，能够灵活应用三维CAD中的配置设计和派生设计技术进行工艺规划并构建加工过程中的工艺模型。根据专业的不同，还应该掌握相应的CAM软件、DFX软件和工艺仿真软件，比如从事薄板冲压工艺的人员应该掌握薄板冲压模拟软件，从事焊接工艺的人员应该掌握焊接工艺仿真软件。

1.3 工艺设计的输入与输出

C3P技术环境下，工艺设计的输入数据除了工程图，还必须有3D模型和设计BOM。产品设计的交付物必须存储在PDM系统中，以便保证唯一数据源。工艺设计的输入数据只能从PDM中获取，纸质的技术文档仅作参考。

在工艺设计中会产生许多过程文件，比如描述加工过程中零件状态的工艺模型，制作装配工艺的图片或动画，产品的工艺评审报告、工艺仿真分析报告等，这些过程文件也必须保存在PDM系统中。

C3P技术环境下工艺设计的输出数据除了传统的工艺过程卡、工序卡之外，一般还需要提供锻造件毛坯模型；焊接件毛坯模型；数控加工模型及数控程序代码，装配工艺采用动画表达更为清楚。无纸化生产已经是大势所趋，工艺设计的输出数据必须存储在PDM中，生产部门通过“车间看图系统”查阅工艺文件。

2 零件的加工工艺

2.1 基于3D的工艺规划

随着三维CAD的普及，工艺设计也开始迁移到三维平台上来。基于3D模型进行工艺规划更加方便，为了更加清晰地描述制造过程，需要建立关键工序的工艺模型，最典型的工艺模型如零件的铸造毛坯模型、焊接件毛坯模型、数控编程用的过程模型。二维工艺设计模式下一般不提供铸造毛坯图、焊接件毛坯图、钣金件展开图，因为在二维CAD环境下，提供这些工艺模型是非常费时。SolidWorks的配置设计功能可以用一个文件描述零件的产品模型和各个工艺过程的工艺模型。以设计模型为基础，通过压缩一些特征（机加工），或添加一些特征（毛坯余量）可以非常方便地生成各个工艺过程的工艺模型。

当把3D模型转化为2D工程图时，就在产品制造流程中制造了一个断层，而且这个断层将消耗大量的成本。首先把3D模型转化为2D工程图是一项艰巨的工作，把3D模型中包含的制造信息无遗漏的传达到工程图需要设计师具有丰富的经验和责任心；后续制造过程中又需要把2D工程图工序转化为3D模型，而且该过程很容易產生理解歧义而导致错误。SolidWorks MBD提供了基于3D模型的制造解决方案，在产品设计过程中尺寸标注是根据设计基准标注的，在SolidWorks MBD只需要指定零件的加工基准，可以自动将基于设计基准标注的尺寸转换为基于制造基准的尺寸标注。

2.2 机加工工艺设计

传统的机加工设备已经被数控机床或加工中心取代，数控机床加工代码的编程成为机加工工艺中最关键的技术。在机床的操作界面上可以完成一些简单的数控编程，完成一些简单特征的加工；复杂零件（如叶轮、型腔模具的型芯、型腔）的加工必须采用专业的CAM软件进行编程。SolidWorks 软件中的配置设计可以方便地根据3D产品模型生成数控加工编程所需的工艺模型，目前主流的CAM软件厂商都开发了与SolidWorks 深度集成的CAM插件，可以在统一的界面下完成数控代码的编程。

现在基于特征识别的数控加工软件非常流行，这类软件需要事先对刀具库、各种典型特征的加工策略、加工工艺参数进行定制，编程时非常智能，软件会自动对工艺模型进行特征识别，根据内置的加工策略自动生成数控代码，CAM软件可以自动生成数控加工工序的工序卡片。CAMWorks就是一款非常智能的、集成于SolidWorks界面下的特征识别加工软件。可以把在CAM软件中定义的典型工艺特征移植到SolidWorks的特征库中，从而通过工艺的标准化实现设计的标准化。

2.3 钣金件工艺设计

钣金工艺设计中一项非常重要的工作是下料展开图，在二维环境下出折弯件的下料展开图都是非常困难的，拉延件的下料图根本出不了，只能在生产中反复拼凑。SolidWorks中有专业的钣金件设计模块，对于折弯件只需指定中性层系数就可以自动生成下料展开图；对于拉延件则需要通过薄板冲压成型仿真软件计算下料展开图。

大型覆盖件的模具设计非常复杂，需要通过薄板冲压成型仿真软件模拟冲压过程，评估拉延过程中是否会产生起皱、拉裂缺陷。钣金件上的许多特征，如孔、凸台、加强筋、百叶窗，是需要通过模具成型的，把冲压模具的成型部分移植到SolidWorks的特征库中，也可以通过工艺的标准化实现设计的标准化。

2.4 焊接件工艺设计

SolidWorks提供了一个很好的焊接件设计工具——焊接特征，使用接头裁剪、角撑板、顶端盖等焊接工具能高效率地进行焊接件设计，设计完成后能自动生成切割清单。插入焊接特征后，系统会自动生成两个默认配置：一个父配置是“按加工”，描述零件的设计需求，一个派生配置是“按焊接”，描述焊接件的毛坯形态。

在SolidWorks焊接件设计模块中可以对用于焊接的块料开坡口、添加真实的焊缝。在专业的焊接分析软件中模拟焊接过程，评估焊接质量和残余应力；也可以在SolidWorks Simulation中对焊接件的强度进行分析。

3 可视化装配工艺

3.1 基于图解的装配工艺

在表达装配工艺时，图比文字更有说服力，三维立体图比二维工程图更容易理解。传统的装配工艺以文字描述为主，辅以二维图加以说明，也有采用照片进行辅助说明的，这种装配工艺阅读和理解困难，外观质量差。采用三维CAD软件后，一些企业采用三维CAD软件的三维爆炸图描述产品的装配关系，但是这种爆炸图只能描述的装配体的组成，没有描述装配关系的标识符。

SolidWorks Composer是一款制作3D图解和交互式动画的软件，该软件可直接读取市面上主流三维CAD软件的3D模型，制作精美的3D图解图片。SolidWorks Composer提供了许多操作符号，可以更清楚地表达零部件之间的装配关系，生成的图片文件可以是矢量文件、或者选择高分辨率的图片。使用SolidWorks Composer可以制作表达零部件装配关系的图片，嵌入到装配工艺卡片中，就形成了基于图解的装配工艺。

3.2 基于交互式动画的装配工艺

表达产品装配关系最有效的媒介当属动画。SolidWorks Composer是一款面向工程的动画软件，其最大的优点是可以制作交互式动画（见图1），所谓交互式动画是指在动画的播放过程中，你可以暂停动画，对画面进行缩放、旋转、从各种角度以任意比例观察产品的结构（见图2）。SolidWorks Composer可以直接读取主流CAD系统创建的3D模型，不需要重新建模，生成的交互式动画可以嵌入到PPT、Word、PDF文档中，点击即可播放动画。SolidWorks Composer提供了丰富的 Advanced ActiveX API，可用于工艺管理的开发。

湘电风能是风力发电设备的骨干厂商，为了使装配工艺更加精细化，选择SolidWorks Composer制作装配工艺文档，包括工厂内部的典型部件装配工艺（用于装配车间）、陆上运输工艺、风机现场吊装工艺（用于风场）。关键部件可视化装配工艺包括车间装配工位及车间装配环境的描述，关键装配工位的工具清单和装备清单描述，轮毂、机舱、发电机等核心部件装配工艺的动画展示。风机产品陆上运输工艺包括大型零部件（如叶片）运输过程中零部件在车上的安装与固定，运输过程中典型路况的处理。风机现场吊装工艺包括现场的吊装方法和零部件的安装方法，以及关键工序的注意事项。

3.3 车间看图系统

以动画形式呈现的装配工艺只能在电脑、手机等电子设备上观看。装配工艺动画通常以装配工位为单位进行制作，即每个装配工位上的操作制成一个小动画，这样一个部件的装配工艺就由很多个小动画组成，要查看一个部件的装配工艺需要查阅多个小动画。在车间装配现场，每个装配工位需要根据工作指令查阅相关的装配工艺，所以需要有一个车间看图系统对装配工艺进行有序的管理，生产现场能够根据生产指令号、名称或物料代码快速查找、观看对应的装配工艺。

长沙凯士达信息技术有限公司基于SolidWorks Enterprise PDM开发的车间看图系统可以在车间现场查阅PDM中存储的各种技术文件、包括产品的3D模型、工程图、工艺卡片、可视化装配工艺。根据权限的不同，可以查阅特定工序的装配工艺或全部的装配工艺。

4 结论

C3P技术将彻底颠覆传统的产品制造模式，2D环境下许多无法实现的工艺设计在3D环境下变得轻而易举；在PDM平台下设计师与工艺师之间的交流更加通畅，产品设计与工艺设计的并行与协同成为可能；车间无纸化生产已经成为趋势。C3P技术中蕴含的现代设计思想和制造哲理在二维CAD环境下无法实现，只有在三维CAD环境下才能落地，只有挖掘并应用了这些先进制造理念，C3P技术的优势才得到了体现，所以C3P技术的应用不仅仅是一个技术问题，同时也是一个管理问题和哲学问题。

参考文献：

[1]王力夫，罗宇飞.C3P技术在汽车产品开发中的应用[J].公路与汽运，2002（06）.

[2]李原，李建军，何为平，杨海成.基于PDM的CAx集成技术研究[J].制造业自动化，2000（01）.

[3]乔良，李原，杨海成.基于PDM的CAD/CAPP/CAM/CAE集成系统设计[J].制造业自动化，1999（01）.