1 引言
近年來，產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產品創新設計能力，縮短了新產品研發周期。但作為連接產品設計與生產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。現有工藝設計手段的局限性越來越明顯，具體表現為：
（1）工藝設計無法直接使用產品三維模型，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，工人仍然需要經常與工藝員溝通消除誤解；
（3）二維工藝的正確性只能以經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的基于二維工程圖的工藝設計模式轉變為基于三維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涵，提出一種面向機械加工和裝配的三維工藝設計系統功能框架及關鍵技術，并應用三維工藝設計系統完成實例制作，展示三維工藝設計的效果。
2 三維工藝設計系統概念與功能框架
近年來，三維工藝設計系統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驗性，目前尚沒有統一的三維工藝設計系統的概念與功能范圍，一定程度上影響了系統的推廣使用。例如，工藝作為一個講究專業分工的工作，哪些專業可以三維化，三維工藝應包含哪些內容，三維工藝設計系統與傳統工藝管理系統的關系等。本文給出如下三維工藝設計的概念和內涵，在此基礎上提出一種三維工藝設計系統功能框架。
（1）三維工藝設計是以全三維設計數據作為制造依據進行數字化工藝設計與管理的過程。三維工藝設計系統將工藝設計思路和方法融入到與三維產品模型的可視化交互過程中，以工序模型、裝配動畫等方式，模擬產品的制造過程，并將工藝發送至車間終端，指導現場生產。
（2）工藝有多種分工，不同行業專業工藝所占比重不同，但應用范圍最廣，較容易實現三維化的工藝是裝配和機械加工。
（3）與二維工藝設計/管理系統相比，三維裝配工藝設計與三維機加工藝設計系統應分別以專業工藝設計工具方式獨立存在，兩個系統均可以從PDM/2DCAPP系統中獲取產品模型或設計BOM等基礎數據，并將設計結果保存到PDM/2DCAPP系統中。
下圖1所示為一種包含裝配和機加的三維工藝設計系統功能框架。
圖1 一種三維工藝設計系統功能框架
三維裝配工藝設計系統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工藝設計數據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建立在一個支持異構CAD模型轉換的三維設計環境中，提供數據轉換、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，實現可視化的機加工藝設計。
3 三維工藝設計系統關鍵技術
相對于傳統的二維工藝設計與管理系統，三維工藝設計系統基于產品三維模型，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：產品三維裝配模型文件一般規模較大，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，改善系統操作性能，使設計過程更加流暢，需提供對產品裝配模型的輕量化處理功能。經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產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劃，得到產品的最佳裝配順序；在三維環境下進行交互式工藝規劃及防干涉檢查，確定組件分配方案，規劃裝配路徑，選取合適的工裝工具和裝配方法，定義工序工步內容，確定每道工序的質量控制內容和檢測方法，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。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別于二維工藝的重要特征。傳統工藝設計與管理系統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，只能通過生產實踐去檢驗。對于三維工藝設計系統來說，與之相關的對象是產品三維模型，可以借助計算機圖形學及計算機輔助數控編程等技術，實現工藝的仿真。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 三維工藝設計系統實現與實例驗證
基于在制造業信息化特別是CAPP領域眾多項目實踐，以及對大型CAD/CAM系統的研發積累，華天軟件先后推出三維裝配工藝設計系統SVMAN-A和三維機械加工工藝設計系統SVMAN-M。SVMAN-A和SVMAN-M均以華天軟件工藝設計與管理系統Inforcenter6.5為工藝管理系統。SVMAN-A以SView4.1三維瀏覽器作為三維裝配工藝設計環境，SVMAN-M以SV7.2三維設計環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
三維工藝設計系統是為了滿足實現全三維設計模式后，為提高設計與工藝的業務協同和數據集成，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生的。本文首先分析了傳統工藝設計系統的不足，指出了三維工藝設計系統的概念與內涵，據此提出一種包含裝配和機加的三維工藝設計系統功能框架，論證了三維工藝設計系統的關鍵技術，最終使用華天軟件三維裝配工藝設計系統SVMAN-A和三維機加工藝設計系統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的研究與實現
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