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摘 要：由于工艺数据比设计数据更加庞大，同时在产品设计过程使用众多的三维设计软件，工艺如何和三维CAD进行集成，工艺如何基于三维CAD进行加工工艺设计和装配工艺设计，如何利用三维模型的信息完整、可视的独特优势提高工艺编制的质量和效率，并实现产品模型信息的统一，对于数字化制造具有重要意义。文中重点描述使用三维轻量化技术实现工艺设计的原则和应用场景。
关键词：三维轻量化模型、数字化制造定义
随着三维CAD在国内制造业的广泛推广应用，三维设计过程已经成为企业进行产品设计的主流工具。企业在产品设计中积累了大量的三维模型数据，如何充分利用这些三维模型数据成为企业关注的焦点。设计手段的变革，工艺设计跟着需要变革。工艺如何和三维C AD进行集成，工艺如何基于三维CAD进行加工工艺设计和装配工艺设计等，目前在很多企业都有迫切的需求。
企业设计逐步采用三维设计模式后，工艺设计模式也面临着改变和冲击。企业迫切地需要利用三维模型的信息完整、可视的独特优势提高工艺编制的质量和效率，并实现产品模型信息的统一。然而，三维模型数据量虽大，但目前的数据模型主要表达设计几何信息，对于制造工艺以及数据模型却涉及很少，同时，不同的C A D系统产生的数据在异构平台下不兼容、工艺信息量庞大和网络带宽的限制，使得三维模型数据的交换、共享以及在制造工艺上的应用具有很大的困难。
本文就内蒙古第一机械集团有限公司（简称内蒙一机）采用M P M S制造规划管理系统实现基于三维轻量化模型的工艺无纸化应用的实际情况，探讨三维模型下工艺管理的关键技术。
一、三维模型轻量化是工艺三维化的关键技术支撑
为了实现产品全生命周期内三维模型数据的交换和共享，人们对三维模型的轻量化进行了大量的研究和探索，内蒙一机在Extech MPMS系统上开发应用了符合企业需求的轻量化格式，取得了很好的制造工艺应用效果。
由于工艺制造信息是设计信的息数十倍，在三维工艺设计中，数据的轻量化是实现三维工艺的关键技术，三维工程轻量化模型需实现标注、测量、装配和制造工序模型技术。
在成熟轻量化软件的基础上，开发适合工艺应用的轻量化工具，达到工艺设计模式从二维向三维的转变。将原有的CAPP与2D CAD集成转变为CAPP与3D CAD的集成，为设计人员提供一个接近真实的可视化工艺设计环境。在这个环境下进行包括建立和提取三维模型中的加工特征信息，加工过程仿真和校验、装配过程仿真优化、加工资源规划等高层次的工艺设计工作。这将大大提高工艺设计的质量和效率，并强化工艺在产品研发过程中的地位。
1.基于轻量化模型的数字化定义技术
数字化产品定义（DPD）是实现数字化制造的基础，它以数字的方式对产品进行准确描述。采用轻量化模型技术后，数字化产品定义信息必须按轻量化模型要求进行分类组织管理，完整准确地表达产品零部件本身的几何属性、工艺属性、质量检测属性以及管理属性等信息，满足制造过程各阶段对数据的需求，保证产品设计制造过程中的协调性。
2.基于轻量化模型的数字化工艺设计与仿真技术
轻量化模型是产品三维数模的过程制造模型，使产品的工艺设计活动发生了根本变化。工艺设计与仿真将在三维数字化环境下，依据基于轻量化模型技术的数字化工艺协调制造体系要求，以产品的EBOM和三维数字样机为基础，以工艺数字化并行定义为核心，制定工艺总方案，建立三维工艺数字样机，进行数字化三维工艺设计、数字化工艺容差分配、仿真优化和数字化三维工艺仿真验证。
在工艺设计与仿真的不同阶段，仿真的内容也不同。在工艺审查阶段，对零件、组件及部件组成的制造单元进行可制造性、可装配性分析，检查结构设计的合理性；在工艺规划阶段，通过装配工艺仿真，确定零部件之间的装配顺序和运动路径；在工装设计阶段，进行制造资源仿真，设计出合格的工装资源；在工艺编制阶段，通过建立起产品、工艺和资源的数字化工艺数据模型（P P R），并对关键部件进行基于M B D的工艺容差分配计算和优化，实现基于模型的工艺分离面划分、装配工位设计、装配流程设计和三维工艺指令设计等。
3.建设轻量化模型的工艺装备数据
工艺装备设计在三维数字化环境下，以产品数字样机、工艺数字样机为基础，进行工艺技术装备的设计和仿真，逐步形成面向现代航空制造的基于三维的飞机制造技术装备工程体系，实现技术装备数字化、自动化和柔性化。在工装设计过程中，产品设计数模、工艺数模的版本变化将直接引起工装数模的版本变化。因此，必须应用三维关联技术和三维在线技术，预先开展基于轻量化模型工艺装备设计与产品、工艺设计及仿真的数字化协同技术，工艺装备设计与产品设计、工艺设计的关联更改技术，工艺装备三维数字化设计制造一体化集成技术和基于三维数字化工艺装备设计制造等技术的研究工作。
4.基于轻量化模型的装配过程可视化技术
在数字化制造模式下，装配现场已摆脱传统基于二维图样的模拟量传递体系，三维数模及三维工艺指令已经完全替代了二维工程图样和纸质工艺指令，成为在生产现场指导工人工作的技术依据。
为了确保装配现场能够及时获取现行有效的三维数模、轻量化模型和三维装配工艺指令，满足产品装配过程管理与执行控制的要求，需要解决三维数模轻量化的问题，并将基于数字化制造的设计模型、工艺模型、检验模型、三维工装资源数据、轻量化模型和三维装配工艺指令统一纳入企业级P L M中进行管理（图1），并建立与装配现场作业计划的关联关系，实现三维可视化装配技术在装配制造执行系统（MES）的集成应用，实现真正的无纸化。
二、轻量化三维模型的应用
1.现场工艺实现三维模型化以减少生产人员的识图时间
三维数字模型的直观性可以帮助工艺人员直接了解零件内部结构，减少看图出错的几率，提高工作效率，工艺人员可以把更多的时间和精力投入到其他工作中。因为对于比较复杂的铸件图样，工艺人员要想在很短的时间内看明白，不是一件容易的事。 对三维数字模型还可以进行三维立体尺寸标注，随时测量各个需要加工的工序尺寸，检查零件实际加工的尺寸是否正确。对于复杂且比较大、重的零件，要想知道它的体积和重量不是一件容易的事，需要大量的计算。基于三维数字模型，得到体积和重量则是一件非常简单的事。
2.更好地了解组件的内部结构
为了更好地了解组件内部结构，需要用轴测图来表示部件的装配形式，用这种形式可以很好地反映部件的装配结构。如果用过去的二维形式来画轴测图，几十个零件组成的部件可能要用十几天的时间才能够完成。用三维数字模型装配的部件，可以很容易生成轴测图。并能够及时发现问题，如：在设计过程中通过装配能够及时发现零件之间是否有干涉。在装配中有些零件之间的空间距离在二维图样中很难确定，但在三维数字模型装配中却是件很容易的事。同时能够生成任何方向的装配和轴测图，并能够做成各种方向的装配图片。这样就会大大提高了装配工人的感官认识和实际操作能力，提高了装配的速度和准确性。
3.动态数字化工艺视频指导现场正确操作
三维数字模型在计算机中进行装配，就可以很好地了解整个部件的装配顺序，减少工艺规程编写中的错误，提高工艺规程编写的质量。
对于稍有文化和专业技术培训基础，且有一定识图能力的年轻员工，如果用播放数字媒体的形式来反映复杂部件装配的过程，再配合正确的工艺规程文件，就会很好地完成复杂部件的装配。
制作好的数字媒体，不仅可用以对现场的员工进行培训，还可用以通过互联网对千里之外的协作用户进行培训，这将是未来培训的必然趋势，也是现场工艺人员用于了解装配部件内部结构最有效的方法。
另外，用三维数字模型制作的视频文件存为avi形式，就可用Windows中的Windows Media Player或其他视频软件来播放，从而反映整个部件的装配过程。
三、应用效果与部署情况
图2所示是内蒙一机制造规划管理系统的完整应用模型。系统将企业的工艺设计与管理组合成一个有机结构化的数据体系，这些数据完全可以为信息系统和后续的应用系统服务，运用三维数字化定义、三维数字化工艺设计与仿真、三维数字化工艺装备的设计与制造、基于轻量化模型的装配过程可视化技术、三维数字化检验检测技术以及基于结构化的工艺数据，结合产品数据管理系统集成技术的应用，能够有效地缩短产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率，真正实现无二维图纸、无纸质工作指令的三维数字化集成制造。
参考文献
[1]田富君，田锡天，耿俊浩，李洲洋，张振明.基于轻量化模型的加工特征识别技术.中国机械工程，第21卷第18期.
[2] 田富君，田锡天，李洲洋，耿俊浩.CAD/CAPP系统集成技术轻量化模型研究.计算机集成制造系统，2010年03期.
关键词：三维轻量化模型、数字化制造定义
随着三维CAD在国内制造业的广泛推广应用，三维设计过程已经成为企业进行产品设计的主流工具。企业在产品设计中积累了大量的三维模型数据，如何充分利用这些三维模型数据成为企业关注的焦点。设计手段的变革，工艺设计跟着需要变革。工艺如何和三维C AD进行集成，工艺如何基于三维CAD进行加工工艺设计和装配工艺设计等，目前在很多企业都有迫切的需求。
企业设计逐步采用三维设计模式后，工艺设计模式也面临着改变和冲击。企业迫切地需要利用三维模型的信息完整、可视的独特优势提高工艺编制的质量和效率，并实现产品模型信息的统一。然而，三维模型数据量虽大，但目前的数据模型主要表达设计几何信息，对于制造工艺以及数据模型却涉及很少，同时，不同的C A D系统产生的数据在异构平台下不兼容、工艺信息量庞大和网络带宽的限制，使得三维模型数据的交换、共享以及在制造工艺上的应用具有很大的困难。
本文就内蒙古第一机械集团有限公司（简称内蒙一机）采用M P M S制造规划管理系统实现基于三维轻量化模型的工艺无纸化应用的实际情况，探讨三维模型下工艺管理的关键技术。
一、三维模型轻量化是工艺三维化的关键技术支撑
为了实现产品全生命周期内三维模型数据的交换和共享，人们对三维模型的轻量化进行了大量的研究和探索，内蒙一机在Extech MPMS系统上开发应用了符合企业需求的轻量化格式，取得了很好的制造工艺应用效果。
由于工艺制造信息是设计信的息数十倍，在三维工艺设计中，数据的轻量化是实现三维工艺的关键技术，三维工程轻量化模型需实现标注、测量、装配和制造工序模型技术。
在成熟轻量化软件的基础上，开发适合工艺应用的轻量化工具，达到工艺设计模式从二维向三维的转变。将原有的CAPP与2D CAD集成转变为CAPP与3D CAD的集成，为设计人员提供一个接近真实的可视化工艺设计环境。在这个环境下进行包括建立和提取三维模型中的加工特征信息，加工过程仿真和校验、装配过程仿真优化、加工资源规划等高层次的工艺设计工作。这将大大提高工艺设计的质量和效率，并强化工艺在产品研发过程中的地位。
1.基于轻量化模型的数字化定义技术
数字化产品定义（DPD）是实现数字化制造的基础，它以数字的方式对产品进行准确描述。采用轻量化模型技术后，数字化产品定义信息必须按轻量化模型要求进行分类组织管理，完整准确地表达产品零部件本身的几何属性、工艺属性、质量检测属性以及管理属性等信息，满足制造过程各阶段对数据的需求，保证产品设计制造过程中的协调性。
2.基于轻量化模型的数字化工艺设计与仿真技术
轻量化模型是产品三维数模的过程制造模型，使产品的工艺设计活动发生了根本变化。工艺设计与仿真将在三维数字化环境下，依据基于轻量化模型技术的数字化工艺协调制造体系要求，以产品的EBOM和三维数字样机为基础，以工艺数字化并行定义为核心，制定工艺总方案，建立三维工艺数字样机，进行数字化三维工艺设计、数字化工艺容差分配、仿真优化和数字化三维工艺仿真验证。
在工艺设计与仿真的不同阶段，仿真的内容也不同。在工艺审查阶段，对零件、组件及部件组成的制造单元进行可制造性、可装配性分析，检查结构设计的合理性；在工艺规划阶段，通过装配工艺仿真，确定零部件之间的装配顺序和运动路径；在工装设计阶段，进行制造资源仿真，设计出合格的工装资源；在工艺编制阶段，通过建立起产品、工艺和资源的数字化工艺数据模型（P P R），并对关键部件进行基于M B D的工艺容差分配计算和优化，实现基于模型的工艺分离面划分、装配工位设计、装配流程设计和三维工艺指令设计等。
3.建设轻量化模型的工艺装备数据
工艺装备设计在三维数字化环境下，以产品数字样机、工艺数字样机为基础，进行工艺技术装备的设计和仿真，逐步形成面向现代航空制造的基于三维的飞机制造技术装备工程体系，实现技术装备数字化、自动化和柔性化。在工装设计过程中，产品设计数模、工艺数模的版本变化将直接引起工装数模的版本变化。因此，必须应用三维关联技术和三维在线技术，预先开展基于轻量化模型工艺装备设计与产品、工艺设计及仿真的数字化协同技术，工艺装备设计与产品设计、工艺设计的关联更改技术，工艺装备三维数字化设计制造一体化集成技术和基于三维数字化工艺装备设计制造等技术的研究工作。
4.基于轻量化模型的装配过程可视化技术
在数字化制造模式下，装配现场已摆脱传统基于二维图样的模拟量传递体系，三维数模及三维工艺指令已经完全替代了二维工程图样和纸质工艺指令，成为在生产现场指导工人工作的技术依据。
为了确保装配现场能够及时获取现行有效的三维数模、轻量化模型和三维装配工艺指令，满足产品装配过程管理与执行控制的要求，需要解决三维数模轻量化的问题，并将基于数字化制造的设计模型、工艺模型、检验模型、三维工装资源数据、轻量化模型和三维装配工艺指令统一纳入企业级P L M中进行管理（图1），并建立与装配现场作业计划的关联关系，实现三维可视化装配技术在装配制造执行系统（MES）的集成应用，实现真正的无纸化。
二、轻量化三维模型的应用
1.现场工艺实现三维模型化以减少生产人员的识图时间
三维数字模型的直观性可以帮助工艺人员直接了解零件内部结构，减少看图出错的几率，提高工作效率，工艺人员可以把更多的时间和精力投入到其他工作中。因为对于比较复杂的铸件图样，工艺人员要想在很短的时间内看明白，不是一件容易的事。 对三维数字模型还可以进行三维立体尺寸标注，随时测量各个需要加工的工序尺寸，检查零件实际加工的尺寸是否正确。对于复杂且比较大、重的零件，要想知道它的体积和重量不是一件容易的事，需要大量的计算。基于三维数字模型，得到体积和重量则是一件非常简单的事。
2.更好地了解组件的内部结构
为了更好地了解组件内部结构，需要用轴测图来表示部件的装配形式，用这种形式可以很好地反映部件的装配结构。如果用过去的二维形式来画轴测图，几十个零件组成的部件可能要用十几天的时间才能够完成。用三维数字模型装配的部件，可以很容易生成轴测图。并能够及时发现问题，如：在设计过程中通过装配能够及时发现零件之间是否有干涉。在装配中有些零件之间的空间距离在二维图样中很难确定，但在三维数字模型装配中却是件很容易的事。同时能够生成任何方向的装配和轴测图，并能够做成各种方向的装配图片。这样就会大大提高了装配工人的感官认识和实际操作能力，提高了装配的速度和准确性。
3.动态数字化工艺视频指导现场正确操作
三维数字模型在计算机中进行装配，就可以很好地了解整个部件的装配顺序，减少工艺规程编写中的错误，提高工艺规程编写的质量。
对于稍有文化和专业技术培训基础，且有一定识图能力的年轻员工，如果用播放数字媒体的形式来反映复杂部件装配的过程，再配合正确的工艺规程文件，就会很好地完成复杂部件的装配。
制作好的数字媒体，不仅可用以对现场的员工进行培训，还可用以通过互联网对千里之外的协作用户进行培训，这将是未来培训的必然趋势，也是现场工艺人员用于了解装配部件内部结构最有效的方法。
另外，用三维数字模型制作的视频文件存为avi形式，就可用Windows中的Windows Media Player或其他视频软件来播放，从而反映整个部件的装配过程。
三、应用效果与部署情况
图2所示是内蒙一机制造规划管理系统的完整应用模型。系统将企业的工艺设计与管理组合成一个有机结构化的数据体系，这些数据完全可以为信息系统和后续的应用系统服务，运用三维数字化定义、三维数字化工艺设计与仿真、三维数字化工艺装备的设计与制造、基于轻量化模型的装配过程可视化技术、三维数字化检验检测技术以及基于结构化的工艺数据，结合产品数据管理系统集成技术的应用，能够有效地缩短产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率，真正实现无二维图纸、无纸质工作指令的三维数字化集成制造。
参考文献
[1]田富君，田锡天，耿俊浩，李洲洋，张振明.基于轻量化模型的加工特征识别技术.中国机械工程，第21卷第18期.
[2] 田富君，田锡天，李洲洋，耿俊浩.CAD/CAPP系统集成技术轻量化模型研究.计算机集成制造系统，2010年03期.