1 引言

    数字化制造技术经过多年的发展，对以三维产品建模技术为基础的数字化产品设计进行了深入研究，取得了丰硕成果。我国以军工和汽车行业为代表的三维产品建模技术应用普及率分别达到91.3%和86.5%。数字化制造技术同时带动了数字化样机、工程分析和预装配等方面技术的发展，取得了一定成效。随着产品设计建模领域三维数字化技术的研究和应用日趋成熟，如何基于三维产品模型进行工艺设计已经成为企业的迫切需求。

    复杂结构产品如新型运载火箭、美国X-51高超音速飞行器等具有研制周期短、大尺寸薄壁结构制造、制造工艺复杂、复合材料结构应用比重大、加工精度要求高等研制特点，传统的工艺设计方法难以适应新型号研制的需要。为适应复杂结构产品研制对数字化制造技术的新需求，有必要开展复杂结构产品三维数字化工艺技术研究，建立一个能与设计集成、支持工艺信息的三维化表达、方便后续过程应用的三维工艺模型，并在此基础上研究如何基于三维模型进行工艺设计，将促进工艺设计智能化和自动化的实现，加快我国基于三维产品模型的数字化制造与集成应用，有效提高复杂结构产品的工艺创新能力，缩短新产品的研制周期，提高市场应变能力。

2 三维数字化工艺设计的内涵

    三维数字化工艺设计的目标是以产品零件三维数字化模型为基础，建立数字化加工工艺设计与管理方法，开发实现面向生产现场可视化的三维工序模型快速建立、工艺过程设计、资源定义与选择、数控编程、仿真、工艺规程生成、工艺设计业务过程管理及工艺数据管理的方法，进而构建三维数字化工艺设计环境，实现基于三维产品模型的工艺方案制定及详细工艺设计，并生成三维数字化工艺，指导生产加工，提升产品零件数字化工艺设计与管理的水平和效率。三维数字化工艺设计的特点是，工艺设计人员在三维数字化环境下，基于三维产品模型建立与三维产品设计集成的三维数字化工艺模型，通过工艺决策生成工艺信息和三维工序模型。三维数字化工艺便于利用仿真技术验证制造工艺的可行性和合理性；同时，也便于完整反映工艺信息的过程性和动态性，提供多视角三维工艺信息的表达，从而便于后续制造过程实现对工艺过程的可视化应用。通过以产品三维数字样机和EBOM为基础，改变现有的工艺协调制造体系，建立工艺数字样机，形成以工艺数字样机为核心的数字化工艺设计体系。采用三维数字化工艺设计手段还将有助于实现与产品设计并行的三维工艺设计和分析，提前发现可能的设计缺陷，保证研制质量，缩短研制周期。

    在三维数字化工艺设计中，建立的三维数字化工艺模型包含描述产品零件制造状态的几何信息、加工或装配等制造工艺技术要求、尺寸和工序说明信息等，即包含了可直接提供给加工、装配等制造过程使用的、能完整描述产品零件的制造工艺过程的工艺规程信息。因此，三维数字化工艺设计不仅可直观地为加工制造过程的操作提供指导说明，更重要的是，三维数字化工艺设计可为生产制造执行过程提供完整的结构化工艺信息。

3 三维数字化工艺设计的研究现状及存在的问题

    计算机辅助工艺设计系统作为数字化工艺设计的手段已得到较大发展。在支持三维产品模型表达的应用方面，国内外在三维数字化产品定义技术方面展开了大量研究，美国机械工程师协会（ASME）在波音公司的协助下开始进行有关MBD（Model Based Definition）标准的研究和制定工作，制定了“数字化产品定义数据规程”ASME Y14.41标准。波音公司通过MBD技术实现787全机100%的三维数字化产品定义、数字化预装配和数字化工装设计，为三维工艺设计及三维数据可视化应用奠定了基础。

    我国近年也重视MBD技术的研究，航空航天集团的一些科研院所及工厂，以及北航、西工大等多所高校，都在相关方面展开了探索和研究，并召开了MBD技术专题研讨会，讨论相关标准的制定。北京航空航天大学提出了制造数据过程语义结构（Process of Manufacturing，POM）理论，建立了一种以过程为核心的新的制造数据的描述方式，并基于该理论建立了统一制造信息模型——eP3R模型，该模型支持过程化工艺信息表达，并通过集成制造信息模型，有效地将工艺设计与MES等制造应用系统进行集成。

    在工艺设计系统研究开发方面，随着三维CAD技术不断完善和逐渐成熟，基于三维几何模型的工艺设计系统得到发展和应用。Boeing、Lockhead、Airbus、NASA及BMW等著名公司和研究单位将CAD系统和PLM系统的应用与并行工程和知识工程等先进思想相结合，形成了面向产品全生命周期的三维设计制造集成应用，并将新的技术成果应用于航空、航天和汽车等产品的设计、制造和管理过程中，改变了传统工艺设计模式，提高了工艺设计的效率，缩短了生产周期。国内的CAPP系统，如CAXA工艺图表、CAPPFramework及开目CAPP等也在企业得到广泛应用，但在充分利用三维模型中的几何信息和工艺要求信息进行工艺设计方面仍有待深入研究和发展。

    综上所述，虽然当前基于三维产品模型的数字化工艺设计技术及系统已得到研究和应用，但在新产品研制所带来提高工艺设计效率、缩短开发周期方面仍难以满足当前和未来发展的要求。三维数字化工艺设计在企业的技术实施中主要存在以下几个方面问题。

    3.1 三维工艺信息建模与表达问题

    产品设计建模领域的三维数字化技术的研究和应用已比较成熟，但工艺设计系统以二维CAPP为主，缺乏对三维产品模型的支持。在工艺设计领域尚未深入研究工艺信息的三维表达和动态演化。三维数字化工艺设计模式的实现需要从支持集成、过程性、动态性和三维化表达的角度研究三维工艺信息建模，综合运用计算机信息建模、基于模型的数字化定义和三维标注等理论和技术构建三维工艺模型。解决工艺设计与三维设计的集成、基于三维模型的工艺信息定义、三维工序模型生成以及工艺信息的三维化表达等问题，支持基于三维模型的工艺决策和三维工艺信息生成。

    3.2 基于三维模型的工艺决策方法问题

    三维工艺设计系统中基于三维模型的工艺决策是三维数字化工艺设计的关键。传统工艺决策缺乏对三维产品模型中几何信息和非几何信息的处理和支持。基于MBD的三维产品模型可提供工艺决策所需完整产品几何和非几何信息。因此，需要研究此情况下工艺信息的生成方法，建立工艺信息之间的推演关系，引入人工智能方法支持工艺设计决策，促进工艺信息生成的自动化。

    3.3 基于三维模型的快速数控编程问题

    随着数控加工技术的日益发展和普及，研究和建立基于三维工艺模型的快速数控编程方法具有重要意义。特别是针对复杂结构产品零件，如舱段、精密异型件及结构件等，如何直接利用三维产品模型快速建立三维数控加工工艺模型，如何利用知识工程和分析仿真等方法实现数控工艺参数的合理决策，实现数控程序的快速编制、验证及优化，并最终实现产品零件的高效高质量数控加工，都是急待研究解决的问题。同时，这些研究也将为提高数控工艺知识的重用和积累提供有效的手段。

4 三维数字化工艺设计中的关键问题研究

    围绕如何实现三维数字化工艺设计的关键问题，按照三维工艺信息的建模、表达、生成和使用的过程，三维数字化工艺设计中的关键技术包括三维工艺信息建模与表达、基于三维模型的智能工艺决策以及基于三维工艺模型的快速数控编程辅助支持技术三个方面的关键问题。

    4.1 三维工艺信息建模与表达技术

    三维工艺建模的研究处于起步和探索阶段，特别是从支持集成、过程性、动态性和三维化表达的角度研究工艺模型结构方面，有待深入研究和突破。根据本文前述POM理论及MBD等理论和方法的作用，可以以POM和MBD理论为基础研究三维数字化工艺信息模型的建立及其表达方法。

    通过把POM的制造数据语义化过程结构理论与产品三维信息、工艺设计、决策、计算及信息组织等过程相结合，以设计加工对象的三维几何模型为载体，精确定义工艺多视角数据信息，采用POM理论的活动网络AOON（Activity & Object-on-Node）定义工艺过程间的网络化关系和过程与对象间的引用关系，通过PSL（Process Specification Language）本体对工艺活动进行语义定义，基于统一制造信息模型和中性化方法进行工艺过程信息描述，建立工艺过程模型，并在此基础上，根据工艺过程语义和中性化表达方法建立工艺过程数据交换的标准接口，最终建立应用三维模型进行表达的三维工艺模型结构框架。

    通过把MBD的思想引入到三维工艺模型的表达与应用中，在MBD的基础上利用三维标注技术进行基于模型的工艺信息三维定义与标注，实现三维工艺模型表达，解决工艺信息的“三维化表达”问题。工艺规程三维化表达是对三维工艺模型生成结果的应用，通过将三维工序模型按工序或工步顺序形成工序模型序列，从动态工艺设计过程的视角考察工艺设计意图和产品的加工制造过程。

    4.2 基于三维模型的智能化工艺决策方法

    如何完善面向人机智能耦合的工艺设计系统和体系结构，使得工艺设计系统既能基于三维模型进行工艺设计，又能提供通用的自动工艺决策功能，辅助工艺人员提高工作效率，真正实现动态设计，是工艺设计系统开发需要研究的课题。工艺设计中的决策技术主要包括有加工方法选择决策、工序排序决策、工艺参数决策确定和设备选择决策等内容。

    基于三维模型的工艺决策方法可以在基于POM理论的三维工艺模型基础上，通过研究产品特征信息提取、工艺方法匹配、工艺方案冲突消解和工序排序优化进行实现。在基于POM理论的三维工艺模型框架基础上，利用基于特征技术的制造要求信息提取技术，研究产品设计与工艺设计的集成，实现工艺决策所需的设计信息来自于以特征为组织单元的三维数字化产品模型。同时，以人工智能和知识工程相关理论技术为背景，研究基于规则引擎的工艺推理方法，建立规则引擎推理机，实现依据产品特征信息生成制造工艺方法的知识推理。以加工工艺决策为例，基于三维模型实现加工方法、资源及加工参数选择决策，并采用基于智能优化算法的工序排序等工艺决策方法，最终实现整体工艺过程的优化设计。图1给出了一种基于三维模型的加工工艺设计及决策方法应用过程的示意。

图1 基于三维模型的加工工艺设计与决策

    4.3 快速数控编程辅助支持技术

    工艺设计包括工艺路线设计和工序设计两个层次。在工序设计方面，目前，数控工艺设计中直接利用三维工艺模型中的产品设计信息和工艺要求信息进行数控编程的方法需要更多研究与发展，特别是当存在复杂结构件不可展曲面的数控加工等情况时，数控编程效率低且难以保证数控工艺设计质量。因此，应针对产品复杂结构件数控编程的特点，结合三维工艺模型的功能，开展基于特征和三维工艺模型的快速数控编程辅助支持技术研究，是提高产品复杂结构件的数控编程效率和质量的一种有效途径。

    基于特征和三维工艺模型的快速数控加工编程技术，将特征技术与三维工艺模型有机结合，建立产品复杂结构件快速数控加工编程技术，主要通过加工特征信息获取、加工顺序决策、工艺参数决策和刀具轨迹设计等方面进行研究和开发。利用特征信息提取、基于规则引擎的工艺推理方法和数控模板技术，可实现加工方法、刀具和参数的自动选择，并进一步自动生成刀具轨迹。

5 结束语

    基于三维产品模型的数字化工艺设计技术及系统已得到初步的研究和应用，但在新产品研制所带来提高工艺设计效率、缩短开发周期方面仍难以满足当前和未来发展的要求。建立以制造数据过程语义结构POM和MBD为基础的三维工艺模型将实现三维数字化工艺设计中工艺信息的集成和三维化表达；在三维模型和特征的基础上，应用知识工程，开发智能工艺决策方法，提供自动工艺决策功能，实现三维数字化工艺过程设计；通过建立快速数控加工编程方法，辅助工艺参数决策，简化数控编程过程，改善和提高数控加工编程的效率和质量。三维数字化工艺设计将规范产品的三维数字化工艺设计及其数据和过程管理，提高工艺设计效率和水平，提升复杂结构产品的研制与生产能力。