從創意設計到逆向工程 製造業需要的3D技術
- 鄭景懋
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前言: 在現實世界中，塑膠會收縮，刀具會變鈍，而零件可能不會完全合適。此次的3D工業專輯，以當紅的電子書為藍本，邀請到業界與學業的相關人士，透過用硬體與軟體的輔助，實際操作逆向工程與創意設計的發想，期許能夠讓各種領域產品有新的發想，進一步改良生產流程與設計。
本文：
本文首先討論：如何透過軟體公差分析按照現實情況準備模型？從容器上取下一長條擠壓成形的鋁塊，將它切成 10 份，然後將它們頭尾相接地放在一起。現在，看看它們是否能夠裝回原來的容器中。由於各種因素的影響，例如刀具的刀鋒略為變鈍，銑床出現微小的振動，或者溫度或濕度有所上升，因此，它們裝不回去的幾率非常高。
對於向客戶銷售用於最終產品的零件、元件甚至 CAD模型的工程公司，它們深知製造過程的偏差所帶來的風險。 CAD模型代表著製造合作夥伴或客戶將製造的產品的理想形式。但是，除非模型的規範容許製造過程出現一定程度的偏差，否則客戶最終可能會產生數量令人無法接受的生產廢品，而您最終可能會失去客戶。
平衡的需求
由於產品開發的全球化程度越來越高，而且加快產品上市速度的壓力越來越大，因此，瞭解製造過程偏差（也稱為“變化的行為”）的實際情況在當今是非常重要的。而由於沒什麼時間和機會來建造並分析物理原型，因此，如今基於 Web 且分散在全球的設計團隊改為使用虛擬原型來推動創新，以及作出明智的產品開發決策。對此過程很重要的是，設計工程師要能夠首先預測製造偏差如何影響到 CAD模型，然後相應地設置公差。
但是，手工設置公差說起來容易做起來難。最輕鬆的方法是，讓設計工程師在存在標準公差的地方應用標準的公差。標準公差通常與常用的零件和組件相關聯。但是，這種做法可能會導致以後有麻煩，也即在後期設計步驟中或在將模型交付製造時可能有麻煩。
首先，標準公差可能根本不適合未來的產品的最終尺寸。這可能迫使設計師在模型或元件增大時作出折衷，而這些折衷可能會危及產品品質或延誤產品的上市時間。第二，如果標準公差比特定的產品所需的公差更緊，那麼，使用標準公差的結果可能是製造成本很高。過緊的公差可能迫使製造部門使用專門的機器；如果設計師可以放寬公差，但仍然使公差保持在產品的規範內，那麼，製造部門就可以使用較便宜的機器來加工零件。
綜上所述，設計師不應使用標準的通用公差，而應將公差設置為正好等於所需的公差：如果太緊，可能會導致製造成本升高或廢品率高於必要的比例；如果太鬆，雖然可製造出產品，但產品可能不符合最終使用者的要求。
公差分析軟體的工作方式
公差分析軟體過去非常複雜，而且只有大型製造商才買得起。現在，它通過與 3D CAD 軟體進行整合，開始進入到中小型的工程公司中。
本質上，公差分析軟體透過盡可能多吸納有關模型，及其預期行為的資訊來執行分析。然後，它應用專業的演算法，以圖形方式近乎即時地向 CAD設計師顯示公差的變化將如何影響所製造的產品。
舉例而言，作為建模過程的一部分，公差分析軟體識別模型的重要尺寸，然後引入偏差以測試尺寸對不同的製造和性能方案的敏感度。
在 3D CAD 軟體中使用時，公差分析軟體在整個建模過程中可以起到很重要的作用。以下是一些例子：概念建模 —即使是骨架模型，公差分析軟體也能説明確定重要的尺寸將出現在哪裡；而且，利用製造部門提供的資訊，此軟體還能説明確定現有的工具和 / 或資本資產可以實現的公差。此資訊可以説明您決定將來是否可以在指定的預算內設計出產品。
功能組件建模 —在這裡，軸承接口、接頭、螺栓、材料和其他因素開始起作用；而且，為各式各樣的偏差建立模型（連物理原型也無法做到這樣）的能力在這裡有極大的助益。在這裡還能夠實施簡單的設計變更，以彌補本來需要進行昂貴的加工變更的情況。舉例而言，為使汽車引擎氣閥機構的底座間隙具有可以接受的公差， CAD設計師可以更改氣閥導管的中心孔位置 -此變更在費用上遠低於添加新的加工過程。
詳細的零件建模 —在模型將近完成時，公差分析可以幫助設計師和制造工程師商定在“製造狀態”的模型中可能需要作出的任何折衷，以適應特定的機器配置或同時在兩台不同的機器上運轉。
簡化過程：3D、2D 和 1D
公差分析軟體附帶變化多樣的功能。高端、獨立的套裝軟體通過使用 3D和 2D 演算法來組合多個軸上的公差極限，能夠為複雜的元件和元件計算公差。此類套裝軟體在專業的測試應用場合下很有價值，但它們通常不是設計工程師所需的，他們對公差支持的基本需求涉及到一維 (1D)或線性堆疊分析。迄今為止， 1D是最常用的公差領域，因為大多數產品都是以線性方式裝配的。甚至可以將具有四個橫向頂點（左、右、前、後）的產品視為線性組件：右和左參數在先，前和後參數在後。
由於 1D分析很常見，而且其執行速度與 2D 和 3D 分析相比非常快，因此，它在存在著橫向或縱向堆疊的情況下是設計工程師的得力工具。汽車（或拖拉機或卡車）傳動系統的齒輪箱是橫向堆疊的一個例子；在齒輪箱中，設計師必須先沿著主軸裝配齒輪，然後將主軸穿過齒輪箱體，再穿過兩個墊片進入到引擎外殼中。垂直堆疊的一個例子是，帶有印刷電路板的電子元件堆疊在另一個此類電子元件之上。
如果設計工程師確定公差問題的起源是一維的，則也可以在特定的 2D或 3D情況下使用 1D分析。舉例而言，齒輪箱可能要求一側的墊片比另一側的厚。這種不同可能導致某一側具有額外的材料。但是，設計師不必擔心要在齒輪箱的寬度上找到空間來容納額外的材料，因為存在著備用的空間。因此，齒輪箱墊片－箱體堆疊仍然是分析的根本問題。
作出明智的決策
一維分析可以在幾個方面幫助設計工程師作出更明智的設計決策。設計師可以進行檢查，以確保實際的公差接近在原始要求規範中建立的公差目標。如果實際值穩定處於目標極限內，則這可能預示著通過放寬一些公差來降低製造成本的機會。此外，設計師可以即時嘗試多種公差方案，以便為指定的問題在多個備選解決方案中找出最佳的那一個。對於想產生出成本盡可能最低、品質盡可能最高的模型和產品的設計工程師，通過按照以上方式來使用公差分析軟體，就可以獲得巨大的好處。
供應商觀點
PTC 通過推出 Pro/ENGINEER®Tolerance Analysis Extension（由CETOL Technology驅動），使設計工程師無需離開 Pro/ENGINEER應用程序就能輕鬆執行 1D 公差分析。 ToleranceAnalysis Extension 維護與 Pro/ENGINEER 模型的相關性，從而提供了許多重大的好處：模型中的任何變更會自動反映在分析參數中；軟體會自動驗證尺寸和尺寸環；它使用極易理解的圖形説明設計工程師比較設計變化；而且，它支持 6西格瑪設計方法，因此設計工程師可以構建為製造進行了優化的模型。
對於 2D 和 3D 分析， Pro/ENGINEER設計師或測試工程師可以輕鬆轉移到 CETOL 6s 元件建模軟體（由PTC 的合作夥伴 Sigmetrix, LLC 提供）。由於針對 Pro/ENGINEER 的CETOL 6s 軟體使用與 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension（由 CETOL Technology驅動）相同的介面約定，因此，工程師可以很舒適地從一個應用程式轉到另一個應用程式。
公差分析的好處
很顯然，公差分析可以在許多方面以及在設計的許多階段為 CAD設計師提供幫助。也很顯然的是，由於如今設計團隊分散在全球，而且產品上市時間的期限更短，因此，公差分析對於中小型產品開發公司不再是一種奢侈的技術；它是一種必需的技術。
公差分析幫助您快速完善設計方案以及將其推出市場，這不僅減少了對物理原型的需求，而且還通過以虛擬方式執行的“假設分析”方案增強了創新力度。可能最重要的是，公差分析軟體可以極大地改善與製造合作夥伴或客戶之間的協作，因為它可讓您在設計過程的早期提供經過驗證的公差資訊（此時是決定產品品質和控制成本的最關鍵時刻）。像這樣及早洞察產品性能可説明您的客戶做好製造計畫，這對您的客戶和您都可能是巨大的好處。（本文作者為PTC Center技術總監）
