隨著三維軟件的普及應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員逐漸習(xí)慣于采用三維建模的方式進(jìn)行繪圖工作，其效率比二維軟件、手工制圖提高很多倍，效率不言而喻，這要求下游的工藝設(shè)計(jì)也要與時(shí)俱進(jìn)，充分利用上游設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生的三維模型及其攜帶的MBD信息。這是實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)變革的根本手段。

    傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)手段盡管可以采用一些輔助軟件進(jìn)行良好的信息表達(dá)，但對(duì)于CAD成果的利用有限，尤其是三維CAD的有效利用，其落后極大地制約了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，因此當(dāng)上游實(shí)現(xiàn)了面向三維的設(shè)計(jì)，則工藝設(shè)計(jì)面向三維成為了發(fā)展趨勢(shì)。而企業(yè)不斷深化發(fā)展的信息化系統(tǒng)和集成平臺(tái)的搭建，為三維工藝的平臺(tái)應(yīng)用性和集成性也提出了新的要求，設(shè)計(jì)三維化導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)的發(fā)展方向是面向三維的交互可視且集成性高的實(shí)現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

    傳統(tǒng)的工藝編制過(guò)程是在分析和處理圖樣、機(jī)床和刀具等大量信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加工方法、機(jī)床、刀具和加工順序的選擇或決策，并計(jì)算加工余量、工序尺寸、公差、切削參數(shù)、工時(shí)定額、繪制工序圖和編制工藝文件。其核心部分是是否可以將CAD圖樣當(dāng)中表現(xiàn)的零件歸入經(jīng)常加工的類并按以往該類的加工方案建立整體的加工路線。對(duì)于不能歸類，或加工經(jīng)驗(yàn)不多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，則需要工藝人員反復(fù)思考、設(shè)計(jì)加工路線、不斷改進(jìn)，最終確定加工路線，細(xì)化工藝內(nèi)容。

    該過(guò)程需要工藝人員結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀、工藝手冊(cè)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在大腦中確定從毛坯到成品的每個(gè)工步的全部信息，并以文字、圖表等形式反映到各種工藝文件中。對(duì)工藝人員要求高，工作量大，易出錯(cuò)，是傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中難解決的問(wèn)題。而隨著設(shè)計(jì)的三維化，MBD信息逐漸完善，使得采用軟件對(duì)零件進(jìn)行工藝分析和決策成為了可能，而其中最核心的技術(shù)難點(diǎn)是確定加工特征和讀取加工特征的屬性。

    企業(yè)信息化進(jìn)程逐漸加深，許多企業(yè)搭建的信息化平臺(tái)缺少對(duì)設(shè)計(jì)信息充分利用的有力手段。無(wú)論是新建還是更改的上游數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)正確地指導(dǎo)生產(chǎn)，是造成數(shù)控設(shè)備效率低下，制造周期延長(zhǎng)的一大原因。

2 面向三維的機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

    在三維機(jī)加工藝方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已經(jīng)處于起步階段，許多高校和企業(yè)都開展了相關(guān)研究工作。目前國(guó)外的三維工藝現(xiàn)在以交互式為主，即工藝人員或數(shù)控編程人員指定具體加工部位，計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇加工方式、刀具和參數(shù)，自動(dòng)生成刀具軌跡指導(dǎo)生產(chǎn)。其中，指定具體加工部位是效率最低的部分，很多情況下很難甚至無(wú)法直接識(shí)別出具體的加工部位，這使得數(shù)控編程人員的效率較低。因此，如何能使計(jì)算機(jī)正確識(shí)別出具體的加工部位(即加工特征)就成了三維工藝的核心問(wèn)題。

    三維工藝需要實(shí)現(xiàn)基于MBD的數(shù)據(jù)繼承，使得工藝設(shè)計(jì)趨向于基于知識(shí)的工藝策劃而不是傳統(tǒng)的工藝編制。作為設(shè)計(jì)和制造的橋梁，將計(jì)算機(jī)形式的工藝語(yǔ)言傳遞到下游信息化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)真正的三維下車間。同時(shí)將零件內(nèi)在的加工方法和邏輯自動(dòng)總結(jié)，轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，形成工藝知識(shí)庫(kù)，將優(yōu)秀的工藝、典型工藝知識(shí)庫(kù)固化下來(lái)，實(shí)現(xiàn)工藝智能化。

2.1 面向三維的工藝設(shè)計(jì)流程

    綜上所述，面向三維的機(jī)加工藝規(guī)劃系統(tǒng)基于制造特征實(shí)現(xiàn)，零件信息的存儲(chǔ)、加工工藝的編排以及最終的加工仿真都是以特征為單位的。其技術(shù)路線如下圖所示：

圖 三維機(jī)加工藝規(guī)劃系統(tǒng)技術(shù)路線

    數(shù)據(jù)流程如下：

    （1）從設(shè)計(jì)部門獲得零件的設(shè)計(jì)模型并審查，可來(lái)自CAD或者企業(yè)PDM系統(tǒng)。

    （2）提取模型信息。一般情況下，全三維模型中的信息是完整的。信息包括幾何形狀信息、標(biāo)注信息、零件屬性信息等。

    （3）從零件模型中識(shí)別出需要加工的制造特征及其屬性。對(duì)于有明顯制造意義的模型特征（如倒角、倒圓、螺紋孔等），可以直接通過(guò)映射關(guān)系識(shí)別為制造特征。對(duì)于其他特征（如外圓柱、圓錐、鍵槽、退刀槽、砂輪越程槽、中心孔、階梯孔、凹槽等），通過(guò)特征識(shí)別規(guī)則組合幾何體素將面及面組合識(shí)別為制造特征。通過(guò)標(biāo)注的關(guān)聯(lián)體轉(zhuǎn)換和匹配，得到特征的加工屬性。

    （4）制造特征識(shí)別出來(lái)后通過(guò)特征工藝知識(shí)庫(kù)推理出各個(gè)制造特征的加工步驟。系統(tǒng)輸出的加工步驟中，工藝參數(shù)包括切削余量、加工精度、機(jī)床、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度等。

    （5）根據(jù)特征的加工步驟進(jìn)行零件加工工藝排序，即將各個(gè)制造特征的加工步驟排到零件加工工序中。系統(tǒng)提供零件工藝規(guī)劃平臺(tái)，工藝員以交互的方式完成零件加工工藝編排。系統(tǒng)會(huì)幫助工藝員特征的加工步驟不漏排、不倒排。

    （6）系統(tǒng)根據(jù)零件的類型及加工工序（工步）自動(dòng)產(chǎn)生零件的毛坯模型及各工序的工序模型圖。在工序模型圖中指定每道工序的加工基準(zhǔn)面、被加工面的粗糙度，并標(biāo)注工序尺寸。

    （7）通過(guò)CAM集成模塊產(chǎn)生某道工序的刀位文件，并仿真加工過(guò)程、生成數(shù)控加工代碼。

    （8）工藝規(guī)劃完成后產(chǎn)生工藝文件，工藝文件中嵌入三維工序模型并關(guān)聯(lián)仿真錄像，直觀的在車間進(jìn)行呈現(xiàn)。

2.2 三維工藝設(shè)計(jì)對(duì)制造的指導(dǎo)

    更多的企業(yè)引進(jìn)了大量復(fù)雜數(shù)控設(shè)備，其數(shù)控編程卻需要花費(fèi)較大精力，其根本原因是制造與設(shè)計(jì)的信息脫節(jié)，而設(shè)計(jì)三維化必將加劇惡化這種現(xiàn)狀。解決該難題的唯一出路必定需要從工藝環(huán)節(jié)入手，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與CAD和CAM的有力集成，其目的是為了加工過(guò)程的仿真、刀位文件的生成及NC代碼（工藝指令）的智能生成。其運(yùn)行流程如下圖所示。三維工藝系統(tǒng)將當(dāng)前工序被加工特征信息及加工參數(shù)傳遞給CAM，CAM讀取信息后，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程仿真、刀位文件生成及NC代碼生成。

圖 CAD/CAPP/CAM運(yùn)行流程

    在企業(yè)的信息化集成平臺(tái)中，除了與CAM的數(shù)據(jù)集成，工藝數(shù)據(jù)還需發(fā)布到多個(gè)系統(tǒng)，如MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)。

2.3 三維工藝設(shè)計(jì)在企業(yè)信息化過(guò)程中的作用

    企業(yè)信息化建設(shè)逐漸趨于三維化、平臺(tái)化和數(shù)據(jù)集成化，除產(chǎn)供銷進(jìn)銷存等企業(yè)管理信息，生產(chǎn)制造所需技術(shù)數(shù)據(jù)還是需要來(lái)自工藝和設(shè)計(jì)。換言之，工藝數(shù)據(jù)在信息化系統(tǒng)占據(jù)不可替代的位置。因此計(jì)算機(jī)對(duì)工藝數(shù)據(jù)的識(shí)別度和掌握度越高，工藝對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用就更加智能化，而設(shè)計(jì)三維化提供了契機(jī)。

    三維模型很好的解決了模型信息計(jì)算機(jī)化的問(wèn)題，但是對(duì)制造過(guò)程的幫助不明顯。工藝是符合我國(guó)國(guó)情和企業(yè)數(shù)據(jù)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝環(huán)節(jié)的三維化將直接影響設(shè)計(jì)三維化在企業(yè)的利用密度。下圖為三維工藝在企業(yè)信息化過(guò)程中的數(shù)據(jù)流：

圖 基于三維的數(shù)據(jù)流程

3 典型示例

    工藝設(shè)計(jì)模式和數(shù)據(jù)繼承模式的變革可極大促進(jìn)企業(yè)數(shù)據(jù)管理模式的信息化進(jìn)程，因?yàn)槿�維模型提供了數(shù)據(jù)源頭。下面以某箱體件為例，將三維工藝的應(yīng)用流程做簡(jiǎn)單描述。

    該流程構(gòu)建在基于模型的信息化平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到工藝和制造的三維可視化及信息的集成。事實(shí)證明，可有效地縮短產(chǎn)品研制周期，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)二維圖紙、無(wú)紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，有效改善市場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，使現(xiàn)場(chǎng)工人容易理解，減少操作錯(cuò)誤。

結(jié)束語(yǔ)

    工藝設(shè)計(jì)是制造系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝創(chuàng)新是制造業(yè)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的重要部分，機(jī)加工藝作為制造過(guò)程中承上啟下的工種，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和制造成本具有極其重要的影響，占用了企業(yè)大量的人力物力資源。

    面向三維的工藝是以三維CAD技術(shù)、可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，考慮產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，利用產(chǎn)品的三維模型，由工藝規(guī)劃人員在計(jì)算機(jī)環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程進(jìn)行交互式的定義和分析。可實(shí)現(xiàn)基于三維模型的自動(dòng)化工藝規(guī)劃、工藝的可視化規(guī)劃、工藝仿真與優(yōu)化、動(dòng)態(tài)工藝呈現(xiàn)，從而使制造人員能更加直觀、準(zhǔn)確、高效地完成加工工作。對(duì)企業(yè)的工藝規(guī)劃的模式和方法以及實(shí)現(xiàn)手段等均產(chǎn)生重大影響，從而引起數(shù)字化制造技術(shù)的重大變革，真正帶動(dòng)三維數(shù)字化制造時(shí)代的來(lái)臨。 

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本文標(biāo)題：設(shè)計(jì)三維化帶來(lái)的工藝模式變革淺析

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