隨著三維軟件的普及應用，設計人員逐漸習慣于采用三維建模的方式進行繪圖工作，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計也要與時俱進，充分利用上游設計人員產(chǎn)生的三維模型及其攜帶的MBD信息。這是實現(xiàn)工藝設計變革的根本手段。

    傳統(tǒng)工藝設計手段盡管可以采用一些輔助軟件進行良好的信息表達，但對于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)品設計周期，因此當上游實現(xiàn)了面向三維的設計，則工藝設計面向三維成為了發(fā)展趨勢。而企業(yè)不斷深化發(fā)展的信息化系統(tǒng)和集成平臺的搭建，為三維工藝的平臺應用性和集成性也提出了新的要求，設計三維化導致工藝設計的發(fā)展方向是面向三維的交互可視且集成性高的實現(xiàn)。

傳統(tǒng)工藝設計存在的問題

    傳統(tǒng)的工藝編制過程是在分析和處理圖樣、機床和刀具等大量信息的基礎上，進行加工方法、機床、刀具和加工順序的選擇或決策，并計算加工余量、工序尺寸、公差、切削參數(shù)、工時定額、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。對于不能歸類，或加工經(jīng)驗不多，結構復雜的零件，則需要工藝人員反復思考、設計加工路線、不斷改進，最終確定加工路線，細化工藝內(nèi)容。

    該過程需要工藝人員結合企業(yè)現(xiàn)狀、工藝手冊和相關經(jīng)驗，在大腦中確定從毛坯到成品的每個工步的全部信息，并以文字、圖表等形式反映到各種工藝文件中。對工藝人員要求高，工作量大，易出錯，是傳統(tǒng)工藝設計過程中難解決的問題。而隨著設計的三維化，MBD信息逐漸完善，使得采用軟件對零件進行工藝分析和決策成為了可能，而其中最核心的技術難點是確定加工特征和讀取加工特征的屬性。

    企業(yè)信息化進程逐漸加深，許多企業(yè)搭建的信息化平臺缺少對設計信息充分利用的有力手段。無論是新建還是更改的上游數(shù)據(jù)無法及時正確地指導生產(chǎn)，是造成數(shù)控設備效率低下，制造周期延長的一大原因。

面向三維的機加工藝設計系統(tǒng)

    在三維機加工藝方面的應用，國內(nèi)已經(jīng)處于起步階段，許多高校和企業(yè)都開展了相關研究工作。目前國外的三維工藝現(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，計算機自動選擇加工方式、刀具和參數(shù)，自動生成刀具軌跡指導生產(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法直接識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，如何能使計算機正確識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題。

    三維工藝需要實現(xiàn)基于MBD的數(shù)據(jù)繼承，使得工藝設計趨向于基于知識的工藝策劃而不是傳統(tǒng)的工藝編制。作為設計和制造的橋梁，將計算機形式的工藝語言傳遞到下游信息化系統(tǒng)中，實現(xiàn)真正的三維下車間。同時將零件內(nèi)在的加工方法和邏輯自動總結，轉(zhuǎn)化成計算機語言，形成工藝知識庫，將優(yōu)秀的工藝、典型工藝知識庫固化下來，實現(xiàn)工藝智能化。

面向三維的工藝設計流程

    綜上所述，面向三維的機加工藝規(guī)劃系統(tǒng)基于制造特征實現(xiàn)，零件信息的存儲、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。其技術路線如下圖所示：

圖1 三維機加工藝規(guī)劃系統(tǒng)技術路線

數(shù)據(jù)流程如下：

    （1）從設計部門獲得零件的設計模型并審查，可來自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、標注信息、零件屬性信息等。

    （3）從零件模型中識別出需要加工的制造特征及其屬性。對于有明顯制造意義的模型特征（如倒角、倒圓、螺紋孔等），可以直接通過映射關系識別為制造特征。對于其他特征（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），通過特征識別規(guī)則組合幾何體素將面及面組合識別為制造特征。通過標注的關聯(lián)體轉(zhuǎn)換和匹配，得到特征的加工屬性。

    （4）制造特征識別出來后通過特征工藝知識庫推理出各個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、機床、主軸轉(zhuǎn)速、進給量、切削深度等。

    （5）根據(jù)特征的加工步驟進行零件加工工藝排序，即將各個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，工藝員以交互的方式完成零件加工工藝編排。系統(tǒng)會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面、被加工面的粗糙度，并標注工序尺寸。

    （7）通過CAM集成模塊產(chǎn)生某道工序的刀位文件，并仿真加工過程、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聯(lián)仿真錄像，直觀的在車間進行呈現(xiàn)。

三維工藝設計對制造的指導

    更多的企業(yè)引進了大量復雜數(shù)控設備，其數(shù)控編程卻需要花費較大精力，其根本原因是制造與設計的信息脫節(jié)，而設計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，實現(xiàn)工藝設計數(shù)據(jù)與CAD和CAM的有力集成，其目的是為了加工過程的仿真、刀位文件的生成及NC代碼（工藝指令）的智能生成。其運行流程如下圖所示。三維工藝系統(tǒng)將當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，實現(xiàn)加工過程仿真、刀位文件生成及NC代碼生成。

圖2 CAD/CAPP/CAM運行流程

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

三維工藝設計在企業(yè)信息化過程中的作用

    企業(yè)信息化建設逐漸趨于三維化、平臺化和數(shù)據(jù)集成化，除產(chǎn)供銷進銷存等企業(yè)管理信息，生產(chǎn)制造所需技術數(shù)據(jù)還是需要來自工藝和設計。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。因此計算機對工藝數(shù)據(jù)的識別度和掌握度越高，工藝對生產(chǎn)的指導作用就更加智能化，而設計三維化提供了契機。

    三維模型很好的解決了模型信息計算機化的問題，但是對制造過程的幫助不明顯。工藝是符合我國國情和企業(yè)數(shù)據(jù)流程的關鍵環(huán)節(jié)，工藝環(huán)節(jié)的三維化將直接影響設計三維化在企業(yè)的利用密度。下圖為三維工藝在企業(yè)信息化過程中的數(shù)據(jù)流：

圖3 基于三維的數(shù)據(jù)流程

典型示例

    工藝設計模式和數(shù)據(jù)繼承模式的變革可極大促進企業(yè)數(shù)據(jù)管理模式的信息化進程，因為三維模型提供了數(shù)據(jù)源頭。下面以某箱體件為例，將三維工藝的應用流程做簡單描述。

圖4 某箱體件設計流程

    該流程構建在基于模型的信息化平臺上，實現(xiàn)了從設計到工藝和制造的三維可視化及信息的集成。事實證明，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，真正實現(xiàn)無二維圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，有效改善市場現(xiàn)場工作環(huán)境，使現(xiàn)場工人容易理解，減少操作錯誤。

結束語

    工藝設計是制造系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，工藝創(chuàng)新是制造業(yè)企業(yè)技術創(chuàng)新的重要部分，機加工藝作為制造過程中承上啟下的工種，對產(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、可視化技術為基礎，考慮產(chǎn)品全生命周期的各個環(huán)節(jié)，利用產(chǎn)品的三維模型，由工藝規(guī)劃人員在計算機環(huán)境中對產(chǎn)品的加工過程進行交互式的定義和分析�？蓪崿F(xiàn)基于三維模型的自動化工藝規(guī)劃、工藝的可視化規(guī)劃、工藝仿真與優(yōu)化、動態(tài)工藝呈現(xiàn)，從而使制造人員能更加直觀、準確、高效地完成加工工作。對企業(yè)的工藝規(guī)劃的模式和方法以及實現(xiàn)手段等均產(chǎn)生重大影響，從而引起數(shù)字化制造技術的重大變革，真正帶動三維數(shù)字化制造時代的來臨。

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本文標題：設計三維化帶來的工藝模式變革

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