CATIA V5應用：實現無圖製造無圖製造，在製造業領域已不再是一個新鮮的話題。克萊斯勒公司從1994年開始對汽車車體進行無紙化設計，1998年汽車發動機也全部實現了無紙數字化設計。實施無圖製造的產品應用對象除通常的零部件外，也包括生產製造的過程、客戶的售後服務等。波音777飛機的設計製造過程是行業內最具典型的應用範例，至今仍是不同行業應用無圖製造技術進行產品創新設計的一個成功範例。波音777採用了全數字化設計，包括整機設計、零部件測試和整機裝配。所有的開發和測試都採用并行工程的方法，在不同的地點、不同的部門同時展開。利用虛擬現實技術進行各種條件下的模擬試飛。工程師們在工作站上實時採集和處理數據並及時解決設計問題。最終製造出來的波音777飛機與設計方案相比誤差小於0.001英寸，保證了機身和機翼一次對接成功和飛機一次上天成功，整個設計製造周期從8年縮短到5年。
今天，對於這樣一個並非全新的概念，我們更關心的應是在技術上如何實現。筆者結合工作經歷與CATIA V5的功能，簡單闡述結構類零件在CATIA下是如何實現的。
在無圖製造的應用中，3D幾何數據貫穿整個設計與製造的流程。因此3D造型是無圖製造的基礎，也是起點，也就是說，如果要實現無圖製造，我們所有的設計工作都要以3D開始。我們將以一個飛機簡單的框弦類零件作為我們的案例。飛機或汽車的零件外形很多都是非常規的，用常規的二維工程圖很難對其進行描述，這也是航空與汽車行業最早應用3D設計的原因。無論是二維工程圖還是3D設計，歸根結底都是工程的表示方法，是進行工程交流的語言，二維是我們在缺乏技術手段的前提下迫不得已採用的方法，而我們的現實產品都是三維的。
飛機框弦類零件，它的外形是非常規的，使用常規的二維手段無法對它進行描述。它的外形是與整個飛機的外形相關的，大家知道，飛機的外形因為氣動的需要，本身就是不規則的，而我們的二維設計通常是通過標註規則幾何元素的長度、角度等來實現的。使用CATIA 進行這類零件設計時，我們通常需要得到飛機的外形曲面、外形模線或外形控制點的坐標。這個零件就是通過外形控制點進行設計的。首先我們將得到兩組外型控制點的坐標值。然後我們分別將兩組外型控制點按照設計所允許的公差擬合成兩條樣條曲線，作為我們進行曲面設計所需的導動線。因為我們所需的外形曲面是直紋面，所以我們在使用掃掠方式生成曲面時將掃掠的輪廓默認為直線段。在得到我們需要的外形曲面后，再生成相應的實體，並通過曲面與實體之間修剪等混合操作得到所需的零件。
數控加工是實現無圖製造的一個有效手段。針對這個零件，因為我們已經得到了它的3D數據，因此應採用銑加工的加工方式。常規的銑加工方式通常是這樣的，先由劃線工依照二維圖紙在零件上劃出加工參考線，加工的參考線基本描述出了零件的形狀，然後由操作工按照參考線，操作銑床進行加工。而對於現在這個零件，我們沒有二維工程圖，劃線工沒有劃線的參考依據，即使有，人工劃出的曲線的準確性也是值得懷疑的。唯一可行的加工方式只有數控加工。由於我們已經得到了該零件的3D數據，進行數控加工前提已經滿足。如圖3～圖5所示是使用CATIA 五軸加工方式進行加工。使用數控加工方式基本排除了加工過程中人為的干擾因素。對產品質量起決定作用的是3D數據的精度，數控程編員只需選擇合理的加工方式和參數。如果得到刀具和工藝方式的保證，將大大提高產品的合格率。數控加工技術最早就是應用在航空和汽車製造業，目前也是在這兩個行業應用最廣。從例子中我們可以看出這是由產品決定的。最後一步就是將CATIA 生成的加工程序轉換成相應數控機床的NC代碼，並傳入數控機床的控制系統。到這時，我們的3D設計才真正轉化成了產品，真正形成了生產力。
要成為真正的無圖製造，我們還需要一個重要環節，即產品檢驗的無圖化，這也是我們往往忽略的一個環節。它包括數控測量、三維公差和尺寸標註。二維工程圖通常是檢驗人員進行產品檢驗的依據。現在我們經常遇到這種情況，設計部門已經採用3D設計，產品也使用數控加工的方式，但問題出在了產品檢驗等環節。他們沒有檢驗和指導生產的依據。面對這種尷尬局面，最後設計部門只好將3D設計重新生成二維工程圖，提供給這些部門，無圖製造又變成了有圖製造。解決這個問題的方法是採用數控測量、三維公差和尺寸標註。數控測量主要針對數控加工零件。參照我們的例子，因為它的外形曲面是空間的，而我們的常規檢測手段多是使用卡尺、量規的工具。檢測三維空間外形必須使用三坐標數控測量機，並且需要零件的3D數據。第一步是採集測量的數據點。我們可以利用CATIA 操作平台和MSC 提供的CATCMM 產品完成這樣的操作，在零件的3D模型上採集測量點的坐標值。然後將數據點的坐標輸入測量機並編製測量程序，操作測量機完成對零件的測量，比較測量點坐標測量值與3D理論值的誤差值，誤差值在公差範圍內即為合格產品。對於非數控加工產品，至少從成本方面考慮我們還會採用常規的檢驗方式。但如果實現全部的無圖製造，檢驗人員和操作工人將無法得到二維工程圖，作為參考依據，後續的工作將如何進行呢？在波音飛機公司，他們利用CATIA 的三維公差和尺寸標註來解決這個問題。在得到產品3D數據后，他們使用CATIA 直接在3D模型上標註出常規的尺寸和公差。同時他們通過CATIA 瀏覽器可以瀏覽產品的相關尺寸和公差，但無法對其進行修改。這樣做的一個好處是使尺寸的公差標註更為直觀，減少了二維工程圖造成的理解上的偏差。通過這些相應的手段，使整個產品的設計、製造、檢驗流程成為真正的無圖製造流程。
實現無圖製造還需要一些其他的技術環節作為保障，如計算機輔助工程分析技術（CAE）、電子樣機技術（DMU）等，本文對其不再做詳細的介紹。無圖製造技術在國外製造業領域已得到廣泛應用，但在國內才剛剛興起。在與國內許多製造業企業的接觸過程中，我們發現相當多的企業對3D設計還缺乏更深層次的理解，對其所能產生的巨大效益認識不足。很多企業對3D的理解還停留在這樣的階段 ：3D設計很方便，效果很直觀，能很快轉成二維工程圖。究其原因，其一是我們的應用時間還太短，其二是我們的競爭還不是太激烈。無圖製造在汽車行業應用廣泛，很大程度是由激烈的市場競爭造成的。提高企業核心競爭力，首先應提高產品質量，然後是降低成本，而現在則主要集中在產品的創新上。產品的創新體現在企業在最短時間內提供全新的具有競爭力的產品，無圖製造是創新的一種手段，而採用原有設計與製造模式很難達到這個目標。相信隨著市場競爭的逐漸白熱化，無圖製造將會在國內製造業得到越來越廣泛的應用。
