一种三维工艺设计系统的研究与实现

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