1 引言

    近年來(lái)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具正逐步從二維CAD轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)能力，縮短了新產(chǎn)品研發(fā)周期。但作為連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造的橋梁與紐帶的工藝設(shè)計(jì)，卻仍停留在基于二維工程圖填寫(xiě)工藝卡片的初級(jí)應(yīng)用階段�，F(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)手段的局限性越來(lái)越明顯，具體表現(xiàn)為：

    （1）工藝設(shè)計(jì)無(wú)法直接使用產(chǎn)品三維模型，需要人工識(shí)別模型信息；

    （2）使用普通的工藝卡表達(dá)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(yàn)和實(shí)物樣機(jī)驗(yàn)證為主，方法落后，成本高，時(shí)間周期長(zhǎng)。

    為解決這些問(wèn)題，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)該由傳統(tǒng)的基于二維工程圖的工藝設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛�于三維模型的工藝設(shè)計(jì)模式。本文分析了三維工藝設(shè)計(jì)的概念和內(nèi)涵，提出一種面向機(jī)械加工和裝配的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能框架及關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成實(shí)例制作，展示三維工藝設(shè)計(jì)的效果。

2 三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)概念與功能框架

    近年來(lái)，三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點(diǎn)，眾多學(xué)者開(kāi)展了一些理論上的研究和應(yīng)用技術(shù)的探索。但由于工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性和經(jīng)驗(yàn)性，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的三維工藝設(shè)計(jì)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(gè)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(yīng)包含哪些內(nèi)容，三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)工藝管理系統(tǒng)的關(guān)系等。本文給出如下三維工藝設(shè)計(jì)的概念和內(nèi)涵，在此基礎(chǔ)上提出一種三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能框架。

    （1）三維工藝設(shè)計(jì)是以全三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為制造依據(jù)進(jìn)行數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與管理的過(guò)程。三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)將工藝設(shè)計(jì)思路和方法融入到與三維產(chǎn)品模型的可視化交互過(guò)程中，以工序模型、裝配動(dòng)畫(huà)等方式，模擬產(chǎn)品的制造過(guò)程，并將工藝發(fā)送至車(chē)間終端，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用范圍最廣，較容易實(shí)現(xiàn)三維化的工藝是裝配和機(jī)械加工。

    （3）與二維工藝設(shè)計(jì)/管理系統(tǒng)相比，三維裝配工藝設(shè)計(jì)與三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)分別以專業(yè)工藝設(shè)計(jì)工具方式獨(dú)立存在，兩個(gè)系統(tǒng)均可以從PDM/2DCAPP系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品模型或設(shè)計(jì)BOM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果保存到PDM/2DCAPP系統(tǒng)中。

    下圖1所示為一種包含裝配和機(jī)加的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能框架。

圖1 一種三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能框架

    三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)圍繞裝配工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)，提供結(jié)構(gòu)件裝配、柔性線纜裝配、變形件裝配、裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)結(jié)果在傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上增加了更為直觀形象的三維裝配動(dòng)畫(huà)。

    三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立在一個(gè)支持異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換的三維設(shè)計(jì)環(huán)境中，提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、加工特征識(shí)別、特征加工方法鏈設(shè)計(jì)、工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)、工序模型設(shè)計(jì)、工序模型PMI標(biāo)注、加工仿真、工藝輸出等功能。工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)工藝設(shè)計(jì)面板中設(shè)定的選項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)毛坯模型變化，快速生成工序模型，實(shí)現(xiàn)可視化的機(jī)加工藝設(shè)計(jì)。

3 三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

    相對(duì)于傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)，三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于產(chǎn)品三維模型，有許多與模型處理相關(guān)的技術(shù)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(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高。為降低裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)計(jì)算機(jī)配置的依賴，加快模型計(jì)算速度，改善系統(tǒng)操作性能，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加流暢，需提供對(duì)產(chǎn)品裝配模型的輕量化處理功能。經(jīng)過(guò)處理的模型保留了每個(gè)零部件的外部輪廓表達(dá)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(dòng)端瀏覽。表1為NX模型原始文件與經(jīng)過(guò)輕量化處理的模型文件（文件擴(kuò)展名為SVL）的大小對(duì)比。模型輕量化技術(shù)同時(shí)可以確保三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持多種異構(gòu)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(duì)比

    （2）三維裝配工藝設(shè)計(jì)：三維裝配工藝設(shè)計(jì)根據(jù)產(chǎn)品裝配模型提供的結(jié)構(gòu)信息，采用幾何推理和人工指導(dǎo)拆卸相結(jié)合的方法進(jìn)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(jìn)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(cè)方法，最終輸出可視化的裝配工藝方案。

    （3）加工特征識(shí)別技術(shù)：是實(shí)現(xiàn)三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)智能化和自動(dòng)化的核心技術(shù)。加工特征承載幾何信息和工藝信息，是設(shè)計(jì)、工藝、仿真之間的橋梁。三維加工特征是具有工藝語(yǔ)義的面或者符號(hào)的組合。如簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)實(shí)體表示法CSG（Constructive Solid Geometry）等方法進(jìn)行加工特征識(shí)別。除了基于工藝語(yǔ)義的形狀特征，加工特征識(shí)別還需要提取零件模型中的制造信息（PMI）。

    （4）機(jī)械加工工序模型快速構(gòu)建：工序模型構(gòu)建是三維工藝設(shè)計(jì)的特征和難點(diǎn)。工序模型從模型角度反映了工件的幾何形態(tài)在加工過(guò)程中的變化，同時(shí)還用于表達(dá)工序的加工要求和檢驗(yàn)要求，工序模型也可以用于CAM/CAE系統(tǒng)。工序模型構(gòu)建的價(jià)值在于工藝設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果直觀和可視化，其難點(diǎn)在于工序模型如何能快速構(gòu)建，并且承載盡量多的工藝信息。在三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)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(qū)動(dòng)關(guān)系。因此，基于模型的工藝路線設(shè)計(jì)和工序模型快速構(gòu)建將成為現(xiàn)實(shí)。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(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)輸出和管理的對(duì)象是各種圖表，難以通過(guò)工藝仿真驗(yàn)證工藝方案的合理性，只能通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐去檢驗(yàn)。對(duì)于三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，與之相關(guān)的對(duì)象是產(chǎn)品三維模型，可以借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝的仿真。加工仿真包括幾何仿真和物理仿真，當(dāng)前一般以幾何仿真為主。

4 三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)例驗(yàn)證

    基于在制造業(yè)信息化特別是CAPP領(lǐng)域眾多項(xiàng)目實(shí)踐，以及對(duì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)SVMAN-A和三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)SVMAN-M。SVMAN-A和SVMAN-M均以華天軟件工藝設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)環(huán)境，SVMAN-M以SV7.2三維設(shè)計(jì)環(huán)境作為三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)。

    如下各圖分別為在SVMAN-A系統(tǒng)中進(jìn)行可視化組件分配、使用三維工裝進(jìn)行裝配工藝仿真和在SVMAN-M系統(tǒng)中進(jìn)行特征識(shí)別與工序模型構(gòu)建的功能展示。

圖3 在SVMAN-A中進(jìn)行可視化組件分配

圖4 使用三維工裝進(jìn)行裝配仿真

圖5 在SVMAN-M進(jìn)行特征識(shí)別  

圖6 在SVMAN-M中構(gòu)建工序模型

5 結(jié)論

    三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)是為了滿足實(shí)現(xiàn)全三維設(shè)計(jì)模式后，為提高設(shè)計(jì)與工藝的業(yè)務(wù)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(qiáng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)的不足，指出了三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的概念與內(nèi)涵，據(jù)此提出一種包含裝配和機(jī)加的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能框架，論證了三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最終使用華天軟件三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)SVMAN-A和三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)SVMAN-M制作了實(shí)例，展示了三維工藝設(shè)計(jì)效果。

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本文標(biāo)題：一種三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

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