应用CATIA V5实现无图制造

　　无图制造在制造业领域已不再是一个新鲜的话题。克莱斯勒公司从1994年开始对汽车车体进行无纸化设计，1998年汽车发动机也全部实现了无纸数字化设计。实施无图制造的产品应用对象除通常的零部件外，也包括生产制造的过程、客户的售后服务等。波音777飞机的设计制造过程是行业内最具典型的应用范例，至今仍是不同行业应用无图制造技术进行产品创新设计的一个成功范例。波音777采用了全数字化设计，包括整机设计、零部件测试和整机装配。所有的开发和测试都采用并行工程的方法，在不同的地点、不同的部门同时展开。利用虚拟现实技术进行各种条件下的模拟试飞。工程师们在工作站上实时采集和处理数据并及时解决设计问题。最终制造出来的波音777飞机与设计方案相比误差小于0.001英寸，保证了机身和机翼一次对接成功和飞机一次上天成功，整个设计制造周期从8年缩短到5年。

    今天，对于这样一个并非全新的概念，我们更关心的应是在技术上如何实现。笔者结合工作经历与CATIA V5的功能，简单阐述结构类零件在CATIA下是如何实现的。

    在无图制造的应用中，3D几何数据贯穿整个设计与制造的流程。因此3D造型是无图制造的基础，也是起点，也就是说，如果要实现无图制造，我们所有的设计工作都要以3D开始。我们将以一个飞机简单的框弦类零件作为我们的案例。飞机或汽车的零件外形很多都是非常规的，用常规的二维工程图很难对其进行描述，这也是航空与汽车行业最早应用3D设计的原因。无论是二维工程图还是3D设计，归根结底都是工程的表示方法，是进行工程交流的语言，二维是我们在缺乏技术手段的前提下迫不得已采用的方法，而我们的现实产品都是三维的。 

    飞机框弦类零件，它的外形是非常规的，使用常规的二维手段无法对它进行描述。它的外形是与整个飞机的外形相关的，大家知道，飞机的外形因为气动的需要，本身就是不规则的，而我们的二维设计通常是通过标注规则几何元素的长度、角度等来实现的。使用CATIA 进行这类零件设计时，我们通常需要得到飞机的外形曲面、外形模线或外形控制点的坐标。这个零件就是通过外形控制点进行设计的。首先我们将得到两组外型控制点的坐标值。然后我们分别将两组外型控制点按照设计所允许的公差拟合成两条样条曲线，作为我们进行曲面设计所需的导动线。因为我们所需的外形曲面是直纹面，所以我们在使用扫掠方式生成曲面时将扫掠的轮廓默认为直线段。在得到我们需要的外形曲面后，再生成相应的实体，并通过曲面与实体之间修剪等混合操作得到所需的零件。

    数控加工是实现无图制造的一个有效手段。针对这个零件，因为我们已经得到了它的3D数据，因此应采用铣加工的加工方式。常规的铣加工方式通常是这样的，先由划线工依照二维图纸在零件上划出加工参考线，加工的参考线基本描述出了零件的形状，然后由操作工按照参考线，操作铣床进行加工。而对于现在这个零件，我们没有二维工程图，划线工没有划线的参考依据，即使有，人工划出的曲线的准确性也是值得怀疑的。唯一可行的加工方式只有数控加工。由于我们已经得到了该零件的3D数据，进行数控加工前提已经满足。如图3～图5所示是使用CATIA 五轴加工方式进行加工。使用数控加工方式基本排除了加工过程中人为的干扰因素。对产品质量起决定作用的是3D数据的精度，数控程编员只需选择合理的加工方式和参数。如果得到刀具和工艺方式的保证，将大大提高产品的合格率。数控加工技术最早就是应用在航空和汽车制造业，目前也是在这两个行业应用最广。从例子中我们可以看出这是由产品决定的。最后一步就是将CATIA 生成的加工程序转换成相应数控机床的NC代码，并传入数控机床的控制系统。到这时，我们的3D设计才真正转化成了产品，真正形成了生产力。

    要成为真正的无图制造，我们还需要一个重要环节，即产品检验的无图化，这也是我们往往忽略的一个环节。它包括数控测量、三维公差和尺寸标注。二维工程图通常是检验人员进行产品检验的依据。现在我们经常遇到这种情况，设计部门已经采用3D设计，产品也使用数控加工的方式，但问题出在了产品检验等环节。他们没有检验和指导生产的依据。面对这种尴尬局面，最后设计部门只好将3D设计重新生成二维工程图，提供给这些部门，无图制造又变成了有图制造。解决这个问题的方法是采用数控测量、三维公差和尺寸标注。数控测量主要针对数控加工零件。参照我们的例子，因为它的外形曲面是空间的，而我们的常规检测手段多是使用卡尺、量规的工具。检测三维空间外形必须使用三坐标数控测量机，并且需要零件的3D数据。第一步是采集测量的数据点。我们可以利用CATIA 操作平台和MSC 提供的CATCMM 产品完成这样的操作，在零件的3D模型上采集测量点的坐标值。然后将数据点的坐标输入测量机并编制测量程序，操作测量机完成对零件的测量，比较测量点坐标测量值与3D理论值的误差值，误差值在公差范围内即为合格产品。对于非数控加工产品，至少从成本方面考虑我们还会采用常规的检验方式。但如果实现全部的无图制造，检验人员和操作工人将无法得到二维工程图，作为参考依据，后续的工作将如何进行呢？在波音飞机公司，他们利用CATIA 的三维公差和尺寸标注来解决这个问题。在得到产品3D数据后，他们使用CATIA 直接在3D模型上标注出常规的尺寸和公差。同时他们通过CATIA 浏览器可以浏览产品的相关尺寸和公差，但无法对其进行修改。这样做的一个好处是使尺寸的公差标注更为直观，减少了二维工程图造成的理解上的偏差。通过这些相应的手段，使整个产品的设计、制造、检验流程成为真正的无图制造流程。

    实现无图制造还需要一些其他的技术环节作为保障，如计算机辅助工程分析技术（CAE）、电子样机技术（DMU）等，本文对其不再做详细的介绍。无图制造技术在国外制造业领域已得到广泛应用，但在国内才刚刚兴起。在与国内许多制造业企业的接触过程中，我们发现相当多的企业对3D设计还缺乏更深层次的理解，对其所能产生的巨大效益认识不足。很多企业对3D的理解还停留在这样的阶段 ：3D设计很方便，效果很直观，能很快转成二维工程图。究其原因，其一是我们的应用时间还太短，其二是我们的竞争还不是太激烈。无图制造在汽车行业应用广泛，很大程度是由激烈的市场竞争造成的。提高企业核心竞争力，首先应提高产品质量，然后是降低成本，而现在则主要集中在产品的创新上。产品的创新体现在企业在最短时间内提供全新的具有竞争力的产品，无图制造是创新的一种手段，而采用原有设计与制造模式很难达到这个目标。相信随着市场竞争的逐渐白热化，无图制造将会在国内制造业得到越来越广泛的应用。