1 引言
近年来，产品设计工具正逐步从二维CAD转向三维CAD，这较大地提高了装备制造企业产品创新设计能力，缩短了新产品研发周期。但作为连接产品设计与生产制造的桥梁与纽带的工艺设计，却仍停留在基于二维工程图填写工艺卡片的初级应用阶段。现有工艺设计手段的局限性越来越明显，具体表现为：
（1）工艺设计无法直接使用产品三维模型，需要人工识别模型信息；
（2）使用普通的工艺卡表达工艺不够直观，容易造成工艺信息误读，工人仍然需要经常与工艺员沟通消除误解；
（3）二维工艺的正确性只能以经验和实物样机验证为主，方法落后，成本高，时间周期长。
为解决这些问题，工艺设计应该由传统的基于二维工程图的工艺设计模式转变为基于三维模型的工艺设计模式。本文分析了三维工艺设计的概念和内涵，提出一种面向机械加工和装配的三维工艺设计系统功能框架及关键技术，并应用三维工艺设计系统完成实例制作，展示三维工艺设计的效果。
2 三维工艺设计系统概念与功能框架
近年来，三维工艺设计系统的研究逐渐成为热点，众多学者开展了一些理论上的研究和应用技术的探索。但由于工艺设计过程的复杂性和经验性，目前尚没有统一的三维工艺设计系统的概念与功能范围，一定程度上影响了系统的推广使用。例如，工艺作为一个讲究专业分工的工作，哪些专业可以三维化，三维工艺应包含哪些内容，三维工艺设计系统与传统工艺管理系统的关系等。本文给出如下三维工艺设计的概念和内涵，在此基础上提出一种三维工艺设计系统功能框架。
（1）三维工艺设计是以全三维设计数据作为制造依据进行数字化工艺设计与管理的过程。三维工艺设计系统将工艺设计思路和方法融入到与三维产品模型的可视化交互过程中，以工序模型、装配动画等方式，模拟产品的制造过程，并将工艺发送至车间终端，指导现场生产。
（2）工艺有多种分工，不同行业专业工艺所占比重不同，但应用范围最广，较容易实现三维化的工艺是装配和机械加工。
（3）与二维工艺设计/管理系统相比，三维装配工艺设计与三维机加工艺设计系统应分别以专业工艺设计工具方式独立存在，两个系统均可以从PDM/2DCAPP系统中获取产品模型或设计BOM等基础数据，并将设计结果保存到PDM/2DCAPP系统中。
下图1所示为一种包含装配和机加的三维工艺设计系统功能框架。
图1 一种三维工艺设计系统功能框架
三维装配工艺设计系统围绕装配工艺设计活动，提供结构件装配、柔性线缆装配、变形件装配、装配工艺详细设计、干涉检查、公差分析、装配线平衡、工艺输出浏览等功能，并将装配工艺设计结果在传统工艺设计数据信息的基础上增加了更为直观形象的三维装配动画。
三维机械加工工艺设计系统建立在一个支持异构CAD模型转换的三维设计环境中，提供数据转换、加工特征识别、特征加工方法链设计、工艺详细设计、工序模型设计、工序模型PMI标注、加工仿真、工艺输出等功能。工艺详细设计过程中通过工艺设计面板中设定的选项，驱动毛坯模型变化，快速生成工序模型，实现可视化的机加工艺设计。
3 三维工艺设计系统关键技术
相对于传统的二维工艺设计与管理系统，三维工艺设计系统基于产品三维模型，有许多与模型处理相关的技术需要研究与突破。
（1）三维装配模型轻量化处理：产品三维装配模型文件一般规模较大，对计算机性能要求较高。为降低装配工艺设计过程中对计算机配置的依赖，加快模型计算速度，改善系统操作性能，使设计过程更加流畅，需提供对产品装配模型的轻量化处理功能。经过处理的模型保留了每个零部件的外部轮廓表达和模型工艺特征，满足装配工艺的基本需求，比较适合在PC、移动端浏览。表1为NX模型原始文件与经过轻量化处理的模型文件（文件扩展名为SVL）的大小对比。模型轻量化技术同时可以确保三维装配工艺设计系统支持多种异构CAD模型。
表1原始模型文件和轻量化处理后的模型文件大小对比
（2）三维装配工艺设计：三维装配工艺设计根据产品装配模型提供的结构信息，采用几何推理和人工指导拆卸相结合的方法进行装配序列规划，得到产品的最佳装配顺序；在三维环境下进行交互式工艺规划及防干涉检查，确定组件分配方案，规划装配路径，选取合适的工装工具和装配方法，定义工序工步内容，确定每道工序的质量控制内容和检测方法，最终输出可视化的装配工艺方案。
（3）加工特征识别技术：是实现三维机械加工工艺设计智能化和自动化的核心技术。加工特征承载几何信息和工艺信息，是设计、工艺、仿真之间的桥梁。三维加工特征是具有工艺语义的面或者符号的组合。如简单孔（系）、中心孔、A型键槽、圆柱面等。通常使用边界表示法（Boundary Representation，BRep）或结构实体表示法CSG（Constructive Solid Geometry）等方法进行加工特征识别。除了基于工艺语义的形状特征，加工特征识别还需要提取零件模型中的制造信息（PMI）。
（4）机械加工工序模型快速构建：工序模型构建是三维工艺设计的特征和难点。工序模型从模型角度反映了工件的几何形态在加工过程中的变化，同时还用于表达工序的加工要求和检验要求，工序模型也可以用于CAM/CAE系统。工序模型构建的价值在于工艺设计过程和结果直观和可视化，其难点在于工序模型如何能快速构建，并且承载尽量多的工艺信息。在三维工艺设计过程中，以加工特征为基本元素，可以较容易的获得工艺与三维模型的切削体之间的驱动关系。因此，基于模型的工艺路线设计和工序模型快速构建将成为现实。下图2所示为某支架零件毛坯模型与工序模型展示。
图2 支架零件毛坯模型与工序模型展示
（5）工艺仿真：工艺仿真是三维工艺区别于二维工艺的重要特征。传统工艺设计与管理系统输出和管理的对象是各种图表，难以通过工艺仿真验证工艺方案的合理性，只能通过生产实践去检验。对于三维工艺设计系统来说，与之相关的对象是产品三维模型，可以借助计算机图形学及计算机辅助数控编程等技术，实现工艺的仿真。加工仿真包括几何仿真和物理仿真，当前一般以几何仿真为主。
4 三维工艺设计系统实现与实例验证
基于在制造业信息化特别是CAPP领域众多项目实践，以及对大型CAD/CAM系统的研发积累，华天软件先后推出三维装配工艺设计系统SVMAN-A和三维机械加工工艺设计系统SVMAN-M。SVMAN-A和SVMAN-M均以华天软件工艺设计与管理系统Inforcenter6.5为工艺管理系统。SVMAN-A以SView4.1三维浏览器作为三维装配工艺设计环境，SVMAN-M以SV7.2三维设计环境作为三维机加工艺设计平台。
如下各图分别为在SVMAN-A系统中进行可视化组件分配、使用三维工装进行装配工艺仿真和在SVMAN-M系统中进行特征识别与工序模型构建的功能展示。
图3 在SVMAN-A中进行可视化组件分配
图4 使用三维工装进行装配仿真
图5 在SVMAN-M进行特征识别
图6 在SVMAN-M中构建工序模型
5 结论
三维工艺设计系统是为了满足实现全三维设计模式后，为提高设计与工艺的业务协同和数据集成，提高工艺编制效率和智能程度，增强工艺输出的直观性而产生的。本文首先分析了传统工艺设计系统的不足，指出了三维工艺设计系统的概念与内涵，据此提出一种包含装配和机加的三维工艺设计系统功能框架，论证了三维工艺设计系统的关键技术，最终使用华天软件三维装配工艺设计系统SVMAN-A和三维机加工艺设计系统SVMAN-M制作了实例，展示了三维工艺设计效果。
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本文标题：一种三维工艺设计系统的研究与实现
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