1 引言
近年來，產(chǎn)品設計工具正逐步從二維CAD轉向三維CAD，這較大地提高了裝備制造企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設計能力，縮短了新產(chǎn)品研發(fā)周期。但作為連接產(chǎn)品設計與生產(chǎn)制造的橋梁與紐帶的工藝設計，卻仍停留在基于二維工程圖填寫工藝卡片的初級應用階段。現(xiàn)有工藝設計手段的局限性越來越明顯，具體表現(xiàn)為：
（1）工藝設計無法直接使用產(chǎn)品三維模型，需要人工識別模型信息；
（2）使用普通的工藝卡表達工藝不夠直觀，容易造成工藝信息誤讀，工人仍然需要經(jīng)常與工藝員溝通消除誤解；
（3）二維工藝的正確性只能以經(jīng)驗和實物樣機驗證為主，方法落后，成本高，時間周期長。
為解決這些問題，工藝設計應該由傳統(tǒng)的基于二維工程圖的工藝設計模式轉變?yōu)榛谌S模型的工藝設計模式。本文分析了三維工藝設計的概念和內(nèi)涵，提出一種面向機械加工和裝配的三維工藝設計系統(tǒng)功能框架及關鍵技術，并應用三維工藝設計系統(tǒng)完成實例制作，展示三維工藝設計的效果。
2 三維工藝設計系統(tǒng)概念與功能框架
近年來，三維工藝設計系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點，眾多學者開展了一些理論上的研究和應用技術的探索。但由于工藝設計過程的復雜性和經(jīng)驗性，目前尚沒有統(tǒng)一的三維工藝設計系統(tǒng)的概念與功能范圍，一定程度上影響了系統(tǒng)的推廣使用。例如，工藝作為一個講究專業(yè)分工的工作，哪些專業(yè)可以三維化，三維工藝應包含哪些內(nèi)容，三維工藝設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)工藝管理系統(tǒng)的關系等。本文給出如下三維工藝設計的概念和內(nèi)涵，在此基礎上提出一種三維工藝設計系統(tǒng)功能框架。
（1）三維工藝設計是以全三維設計數(shù)據(jù)作為制造依據(jù)進行數(shù)字化工藝設計與管理的過程。三維工藝設計系統(tǒng)將工藝設計思路和方法融入到與三維產(chǎn)品模型的可視化交互過程中，以工序模型、裝配動畫等方式，模擬產(chǎn)品的制造過程，并將工藝發(fā)送至車間終端，指導現(xiàn)場生產(chǎn)。
（2）工藝有多種分工，不同行業(yè)專業(yè)工藝所占比重不同，但應用范圍最廣，較容易實現(xiàn)三維化的工藝是裝配和機械加工。
（3）與二維工藝設計/管理系統(tǒng)相比，三維裝配工藝設計與三維機加工藝設計系統(tǒng)應分別以專業(yè)工藝設計工具方式獨立存在，兩個系統(tǒng)均可以從PDM/2DCAPP系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品模型或設計BOM等基礎數(shù)據(jù)，并將設計結果保存到PDM/2DCAPP系統(tǒng)中。
下圖1所示為一種包含裝配和機加的三維工藝設計系統(tǒng)功能框架。
圖1 一種三維工藝設計系統(tǒng)功能框架
三維裝配工藝設計系統(tǒng)圍繞裝配工藝設計活動，提供結構件裝配、柔性線纜裝配、變形件裝配、裝配工藝詳細設計、干涉檢查、公差分析、裝配線平衡、工藝輸出瀏覽等功能，并將裝配工藝設計結果在傳統(tǒng)工藝設計數(shù)據(jù)信息的基礎上增加了更為直觀形象的三維裝配動畫。
三維機械加工工藝設計系統(tǒng)建立在一個支持異構CAD模型轉換的三維設計環(huán)境中，提供數(shù)據(jù)轉換、加工特征識別、特征加工方法鏈設計、工藝詳細設計、工序模型設計、工序模型PMI標注、加工仿真、工藝輸出等功能。工藝詳細設計過程中通過工藝設計面板中設定的選項，驅動毛坯模型變化，快速生成工序模型，實現(xiàn)可視化的機加工藝設計。
3 三維工藝設計系統(tǒng)關鍵技術
相對于傳統(tǒng)的二維工藝設計與管理系統(tǒng)，三維工藝設計系統(tǒng)基于產(chǎn)品三維模型，有許多與模型處理相關的技術需要研究與突破。
（1）三維裝配模型輕量化處理：產(chǎn)品三維裝配模型文件一般規(guī)模較大，對計算機性能要求較高。為降低裝配工藝設計過程中對計算機配置的依賴，加快模型計算速度，改善系統(tǒng)操作性能，使設計過程更加流暢，需提供對產(chǎn)品裝配模型的輕量化處理功能。經(jīng)過處理的模型保留了每個零部件的外部輪廓表達和模型工藝特征，滿足裝配工藝的基本需求，比較適合在PC、移動端瀏覽。表1為NX模型原始文件與經(jīng)過輕量化處理的模型文件（文件擴展名為SVL）的大小對比。模型輕量化技術同時可以確保三維裝配工藝設計系統(tǒng)支持多種異構CAD模型。
表1原始模型文件和輕量化處理后的模型文件大小對比
（2）三維裝配工藝設計：三維裝配工藝設計根據(jù)產(chǎn)品裝配模型提供的結構信息，采用幾何推理和人工指導拆卸相結合的方法進行裝配序列規(guī)劃，得到產(chǎn)品的最佳裝配順序；在三維環(huán)境下進行交互式工藝規(guī)劃及防干涉檢查，確定組件分配方案，規(guī)劃裝配路徑，選取合適的工裝工具和裝配方法，定義工序工步內(nèi)容，確定每道工序的質(zhì)量控制內(nèi)容和檢測方法，最終輸出可視化的裝配工藝方案。
（3）加工特征識別技術：是實現(xiàn)三維機械加工工藝設計智能化和自動化的核心技術。加工特征承載幾何信息和工藝信息，是設計、工藝、仿真之間的橋梁。三維加工特征是具有工藝語義的面或者符號的組合。如簡單孔（系）、中心孔、A型鍵槽、圓柱面等。通常使用邊界表示法（Boundary Representation，BRep）或結構實體表示法CSG（Constructive Solid Geometry）等方法進行加工特征識別。除了基于工藝語義的形狀特征，加工特征識別還需要提取零件模型中的制造信息（PMI）。
（4）機械加工工序模型快速構建：工序模型構建是三維工藝設計的特征和難點。工序模型從模型角度反映了工件的幾何形態(tài)在加工過程中的變化，同時還用于表達工序的加工要求和檢驗要求，工序模型也可以用于CAM/CAE系統(tǒng)。工序模型構建的價值在于工藝設計過程和結果直觀和可視化，其難點在于工序模型如何能快速構建，并且承載盡量多的工藝信息。在三維工藝設計過程中，以加工特征為基本元素，可以較容易的獲得工藝與三維模型的切削體之間的驅動關系。因此，基于模型的工藝路線設計和工序模型快速構建將成為現(xiàn)實。下圖2所示為某支架零件毛坯模型與工序模型展示。
圖2 支架零件毛坯模型與工序模型展示
（5）工藝仿真：工藝仿真是三維工藝區(qū)別于二維工藝的重要特征。傳統(tǒng)工藝設計與管理系統(tǒng)輸出和管理的對象是各種圖表，難以通過工藝仿真驗證工藝方案的合理性，只能通過生產(chǎn)實踐去檢驗。對于三維工藝設計系統(tǒng)來說，與之相關的對象是產(chǎn)品三維模型，可以借助計算機圖形學及計算機輔助數(shù)控編程等技術，實現(xiàn)工藝的仿真。加工仿真包括幾何仿真和物理仿真，當前一般以幾何仿真為主。
4 三維工藝設計系統(tǒng)實現(xiàn)與實例驗證
基于在制造業(yè)信息化特別是CAPP領域眾多項目實踐，以及對大型CAD/CAM系統(tǒng)的研發(fā)積累，華天軟件先后推出三維裝配工藝設計系統(tǒng)SVMAN-A和三維機械加工工藝設計系統(tǒng)SVMAN-M。SVMAN-A和SVMAN-M均以華天軟件工藝設計與管理系統(tǒng)Inforcenter6.5為工藝管理系統(tǒng)。SVMAN-A以SView4.1三維瀏覽器作為三維裝配工藝設計環(huán)境，SVMAN-M以SV7.2三維設計環(huán)境作為三維機加工藝設計平臺。
如下各圖分別為在SVMAN-A系統(tǒng)中進行可視化組件分配、使用三維工裝進行裝配工藝仿真和在SVMAN-M系統(tǒng)中進行特征識別與工序模型構建的功能展示。
圖3 在SVMAN-A中進行可視化組件分配
圖4 使用三維工裝進行裝配仿真
圖5 在SVMAN-M進行特征識別
圖6 在SVMAN-M中構建工序模型
5 結論
三維工藝設計系統(tǒng)是為了滿足實現(xiàn)全三維設計模式后，為提高設計與工藝的業(yè)務協(xié)同和數(shù)據(jù)集成，提高工藝編制效率和智能程度，增強工藝輸出的直觀性而產(chǎn)生的。本文首先分析了傳統(tǒng)工藝設計系統(tǒng)的不足，指出了三維工藝設計系統(tǒng)的概念與內(nèi)涵，據(jù)此提出一種包含裝配和機加的三維工藝設計系統(tǒng)功能框架，論證了三維工藝設計系統(tǒng)的關鍵技術，最終使用華天軟件三維裝配工藝設計系統(tǒng)SVMAN-A和三維機加工藝設計系統(tǒng)SVMAN-M制作了實例，展示了三維工藝設計效果。
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本文標題：一種三維工藝設計系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
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