基于三維模型的結構化工藝設計系統應用研究

摘 "要：隨著信息化、數字化技術的快速發展，制造企業中的產品數據信息能否在各個制造環節之間進行快速、準確地獲取和傳遞，在一定程度上反映出企業的實際競爭力。該文重點研究通過搭建結構化工藝設計系統，利用結構化工藝設計，上承產品三維設計模型的數據信息，再將自身的數據信息和繼承的數據信息加工處理后，傳遞給制造、質量檢驗等相關單位生產制造產品，實現設計工藝制造檢驗數據貫通，提升企業數字化技術水平和競爭力。

關鍵詞：三維模型；結構化；工藝設計；智能制造；數據信息

中圖分類號：TP302 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0104-04

Abstract：With the rapid development of informatization and digital technology， whether product data information in manufacturing enterprises can be quickly and accurately obtained and transmitted between various manufacturing links reflects the actual competitiveness of the enterprise to a certain extent. This paper focuses on building a structured process design system， using structured process design to inherit the data information of the product's three-dimensional design model， and then processing its own data information and the inherited data information， and then transmitting it to manufacturing， quality inspection and other related units to produce and manufacture products， realize the integration of design process， manufacturing inspection data， and improve the digital technical level and competitiveness of enterprises.

Keywords： 3D model; structure; process planning; intelligent manufacturing; data information

工藝設計作為制造企業中產品設計與制造的橋梁，起著連接作用，是產品全生命周期管理中的重要組成部分[1]，是產品制造過程中的一個重要環節。在軌道交通車輛制造行業，由于零部件多、工序多、工序流程和工藝路線復雜，其傳統工藝設計主要依托文本文件或計算機輔助工藝系統（Computer Aided Process Planning，CAPP），以文本描述和二維圖相結合的方式編制電子工藝文件。傳統工藝設計管理系統通過工藝卡片來組織和管理工藝數據，不僅效率低下，而且不利于工藝數據在不同系統間有效集成[2]。在輸入端，不能充分利用產品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系統中既有的三維設計模型和結構化設計數據；在輸出端，工藝文件中信息均為非結構化數據，無法被質量、制造和生產等環節調用，工藝無法起到承上啟下的作用。在此背景下，結合軌道交通車輛制造業特點，探索搭建基于三維模型的結構化工藝設計系統，該系統不是在PLM中開發，而是單獨構建的工藝系統，其數據與PLM進行對接。該系統結構化工藝設計將以工藝要素結構化處理、對象化管理、結構化存儲、關聯化組織和可視化展示為目標，基于PLM系統中產品三維設計模型數據編制可人機交互的現場作業工藝文件，以三維動畫方式直觀生動地表達工藝過程和技術要求，真正架起從設計到制造的數字化工藝橋梁，從而最大限度地提高現場操作人員對設計意圖、工藝要求的快速理解、作業質量和生產效率。

1 "總體設計方案

結構化工藝設計系統，是以工藝數據結構化為核心，將工藝以結構化的形式來組織和管理，覆蓋產品工藝設計全階段全過程，圖1為某公司結構化工藝設計系統基礎架構模型，包括系統運行模式和主要功能模塊[3]。

在該框架中，結構化工藝設計系統上游承接PLM中輸出的產品結構樹、三維設計模型、產品數據管理和設計BOM（Design Bill of Material，DBOM）等相關數據作為工藝設計的輸入，通過工藝結構樹、工藝設計、工藝知識、工藝數據庫、工藝仿真和工藝資源等模塊，輸出結構化的工藝BOM（Process Bill of Material，PBOM）、三維結構化工藝設計文件，并通過系統傳遞至質量管理信息系統（Quality，Management Information System，QMIS）、制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）和企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統，整個系統運行過程中工藝數據在產品設計、工藝、質量檢驗和生產制造等過程實現數據有效關聯，保證產品數據的一致性、有效性和繼承性，為工業全數字化提供數據支持和基礎[4]。

圖1 "某公司結構化工藝設計系統基礎架構模型

2 "三維結構化工藝設計

2.1 "構建基于三維模型的產品結構樹

產品結構樹是用于描述產品構成的多層級結構，包括產品的三維設計模型、DBOM及關聯的文檔。利用PLM系統強大功能，在產品結構管理器（Product structure editor，PSE）中依據設定的層次關系搭建產品結構樹。為滿足不同的產品，PSE結構管理器能根據客戶的需要任意設置層次并自定義，以父子關系建成產品結構樹。一般產品結構樹主體由產品層、系統層、裝置層、安裝層和零部件層等層級構成。在這里特別需要強調一點，在每層級均有DBOM，在該DBOM中僅設計本層所屬的物料信息，依次類推。

在結構化工藝設計系統中，建立產品結構樹提取模塊，該模塊主要功能是從PLM系統中，將產品結構樹相關信息提取至結構化工藝設計系統，提取的信息包括層級結構、產品的三維設計模型、DBOM及關聯的文檔等信息，同時所有提取的信息均是結構化數據，便于工藝設計時應用。

2.2 "構建產品工藝結構樹

在結構化工藝設計系統中，以產品、工序組、工序為層級，按照父子結構，搭建產品工藝結構樹模塊，樹上每個層級上的節點都有自己的屬性定義。工藝結構樹將項目所包括的所有產品、全部工序以結構樹的形成搭建起來，從而可以很容易看清整個項目產品、工序的結構層級和關系，且隨著工序層級的進一步細化，工藝管理的顆粒度將越來越細，圖2為某公司工藝結構樹應用實例。

2.3 "數據貫通

在結構化工藝設計系統中，與PLM系統實現數據對接，獲取產品三維設計模型，并將三維設計模型與工藝結構樹中的工序進行關聯，實現產品結構樹與工藝結構樹數據互通。產品結構樹與工藝結構樹關系如圖3所示。

在該模型圖中，工藝結構樹中的各個工序，根據自身的需要，可以在系統中任意獲取產品結構樹中的三維設計模型，系統支持一個工序對應多個設計模型圖，在提取三維設計模型同時將該模型所有屬性全部帶過來，包括三維結構信息、DBOM信息、尺寸標注信息等轉成系統裝配信息模型進行存儲，用于后續三維工藝設計。

2.4 "三維工藝設計

2.4.1 "工序樹設計

基于模型的三維工藝設計以產品三維設計模型為載體，貫穿產品工藝設計全過程。在工藝結構樹中選擇某一工序進行工序設計。三維工序設計架構主要由工序名稱、工步、動作點3個節點組成，按照父子關系形成工序樹，工序名稱是工步的父節點，工步是動作點的父節點。在每個節點均有相應的屬性，工序名稱主要屬性有適用列數、適用型號、作業工位等；工步節點主要屬性有工步名稱、工步順序關系、關特防特性、作業時長和人員數量等；動作點節點主要屬性有動作點名稱、作業內容、工藝裝備、技術參數和物料等屬性。在各個節點能對相應的屬性進行編輯設計。某公司三維工序樹如圖4所示。

在該設計界面，包括裝配結構和裝配過程2個部分，裝配結構主要將從產品結構樹分配過來的三維圖形進行展示，從中能查看到設計圖號、名稱、物料編碼與三維模型等相關信息。裝配過程是三維工藝設計核心部分，將該工序的工步、動作點以結構樹的形式串起來。在該結構樹中，工步與工步之間有先后順序關系，按照從上而下的順序；每個工步里若干動作點也有先后順序關系，同樣也是按照從上而下的順序，工步、動作點按照設定的順序關系以結構化的數據形成樹狀可視化作業路線，極大地提高工序作業管理水平。

2.4.2 "動作點設計

動作點是三維結構化工藝設計核心，是作業工步的子層級，是結構樹中最小單元。其主要數據包括三維設計模型、裝配路徑及視角、三維工藝標注信息、技術要求（即作業內容，包括工藝參數、智能扭矩驅動參數引用、二維碼追溯參數引用）、工藝注釋、檢驗項點及零部件等信息。某公司三維工藝設計零部件和尺寸標準示圖如圖5所示。

2.5 "三維仿真驗證

在結構化工藝設計系統中，開發裝配仿真模塊。在三維裝配工藝設計完成后在裝配仿真模塊進行工藝仿真驗證，檢查被裝配的零部件之間、工裝和工具與零部件之間是否有干涉；同時檢查裝配作業工藝路線規劃的合理性，并根據裝配仿真驗證結果進行調整、優化再仿真驗證直至符合技術要求。

2.6 "三維結構化工藝現場應用

隨著自動化、數字化、智能化在工業領域的逐步推進，企業在生產作業過程中根據實際需要逐漸引入自動化、數字化、智能化工具及設備。如應用智能焊機的焊接作業，應用智能扳手、智能測量工具的裝配作業，智能化改造的軌道車輛調試作業等。與以往的單機自動化作業模式不同，在三維結構化工藝制造模式下，智能裝備應支持基于三維結構化工藝實現人機協同作業模式，其底層業務邏輯如圖6所示。

在現場作業執行時，通過與MES系統對接，在產線作業智能終端，可查看三維工藝文件裝配動畫及裝配作業內容，支持對三維模型的旋轉、縮放、移動和多視圖等交互操作。同時MES系統通過調用三維結構化工藝文件，將作業指令協同方式給到人與設備，實現人與設備的協同作業模式。比如，在使用智能扭力扳手場景下，采用如下方式進行人機協同：人員通過交互界面終端，接收MES系統里引用的三維結構化工藝任務，按照工藝規定的智能扳手，選取匹配的智能扳手，MES系統即將此動作的工藝參數指令下達至所選智能扳手，人員操作此智能扳手，不需再設置此扳手參數，即可實施作業。作業過程和要求按照三維動畫指引進行。作業最終結果信息，如作業人員、作業時間、所用智能扳手、工藝標準參數、實際作業結果數據、合格與否、作業工序和作業產品等信息通過MES系統回傳至數據庫內，作業完畢后，自動生成相應的質量記錄表。

3 "結束語

基于三維模型的結構化工藝設計是以工藝數據結構化為核心、數據流為牽引載體、知識管理為驅動、可視化作業為指導的全新工藝設計思路，三維結構化工藝將產品設計、工藝、制造、檢驗各環節產品數據有效關聯起來，形成統一、規范、準確和標準的數據源，極大地提升企業產品數據信息在各環節傳遞效率，是實現企業數字化和智能化轉型的基礎。經實踐應用，基于三維模型的結構化工藝設計實現方法在離散型制造業中取得較好的應用效果，有較好的推廣應用價值。

參考文獻：

[1] 胡昌國.PDM/CAPP一體化的研究與應用[D].重慶：重慶大學，2008.

[2] CHEN Z N， ZHANG F， YAN X G. Collaborative design in PDM/3DCAD integrated environment[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences，2006，11（3）：642-648.

[3] 彭冠華.三維結構化工藝管理系統的研究與開發[D].武漢：華中科技大學，2018.

[4] 邱凱飛.基于PLM平臺的結構化工藝系統開發[D].上海：東華大學，2017.