基于Creo2.0的三维机加工工艺设计方法

２Ｏ１　７年第５期　Ｔｅｃｈｎ０　ａｎｄ　工艺与检测　

基于Ｃｒｅｏ２．０的三维机加工工艺设计方法水　

叶维生①　曹文钢①　程五四②　张祥祥②　

（①合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥２３０００９；②中国电子科技集团第三十八研究所，安徽合肥２３００００）　

摘　要：随着模型定义（ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ＭＢＤ）技术的发展，传统二维环境下的机加工工艺已无法满　

足企业要求。提出一种新的三维机加工工艺方法。通过工艺模型动态构建、工艺信息标识及标注、　

工艺规程设计和三维工艺输出及管理实现了基于三维模型的工艺设计；通过可视化发布、车间工艺　

推送等技术实现“三维模型下车间”；同时使得设计、工艺、制造使用相同的数据源，突破设计、工　

艺、制造之间的信息不统一问题。实例分析结果证明：该方法有利于提高工艺设计的效率和准确　

性。具有可行性和有效性。　

关键词：ＭＢＤ；三维机加工工艺；工艺模型　

中图分类号：ＴＨ１６　文献标识码：Ａ　

ＤｏＩ：１０．１９２８７／ｊ．ｃｎｋｉ．１００５—２４０２．２０１７．０５．０２６　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｒｅｏ２．０　

ＹＥ　Ｗｅｉｓｈｅｎｇ①，ＣＡＯ　Ｗｅｎｇａｎｇ①，ＣＨＥＮＧ　Ｗｕｓｉ②，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｎｇｘｉａｎｇ②　

（（￣）Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，ＣＨＮ；　

（￣）Ｔｈｉｒｔｙ—ｅｉｇｈｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ，Ｈｅｆｅｉ　２３００００，ＣＨＮ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍａ—　

ｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｎａｂｌｅ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ａｎｄ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　３　Ｄ　ｍａ—　

ｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ，ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎｎｏｔａｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐｌａｎｎｉｎｇ，３　Ｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｕｔｐｕｔ　

ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｖｉｓｕａｌ　ｄｉｓｓｅｍｉｎａｔｉｏｎ，ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｐｕｓｈ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ”ｔｈｒｅｅ—　

ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ”．Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｍａｋｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　

ｓａｍｅ　ｄａｔａ　ｓｏｕｒｃｅ　ｗｈｉｃｈ　ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈ—　

ｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　

ｐｒｏｃｅｓｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＢＤ；ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ　

随着ＭＢＤ技术在企业中的深度应用，以工程图作　

为设计数据输入，通过二维ＣＡＰＰ工艺设计辅助系统　

完成工艺简图绘制及工艺设计，生成纸质工艺文件的　

传统工艺设计方法已不能满足企业的要求…。将制　

造信息和设计信息共同定义到产品三维数字化模型　

中，以该模型作为工艺设计的唯一数据源的设计模式　

已成为现代企业进行工艺设计的主流　ｊ。设计信息　

和工艺信息的融合和一体化是ＭＢＤ的重要特点之一，　

它将ＰＭＩ（ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）和非几何　

信息融为一体，使技术人员以清晰明白的方式使用　

ＭＢＤ数模获取需要的信息，改变了过去产品设计和工　艺设计分离的局面，对三维机加工工艺设计模式的实　

施产生了深远影响　。　

Ｃｒｅｏ２．０是继Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ之后ＰＴＣ公司推出　

的新一代三维ＣＡＤ软件，大幅提升了在柔性建模、三　

维标注方面的实用性和可操作性　５　。本文在分析传　

统制造方式和三维制造方式差异的基础上，以Ｃｒｅｏ２．０　

为软件平台提出了三维环境下的机加工工艺设计方　

法。该方法以三维模型作为唯一的数据信息，贯穿从　

设计到加工整个过程，打破了设计、工艺、制造之间的　

信息壁垒，有效缩短产品的设计、生产周期。　

国防基础科研重大项目（Ａ１１２０１３１０４４）；国防技术基础项目（ＪＳＢＺ２０１４２１０Ａ００５）　

身Ｉ也教　占　．；　一　・　ｌ３１　・

　工艺与检测Ｔｅｃｈｎ０咖ａｎｄ　Ｔｅｓｔ　２Ｏ１　７年第５期　

１　三维环境下的机加工工艺设计特征　

随着三维软件在企业中的推广和应用，因其在制　

图方面高效、简洁的功能，逐渐取得设计人员的青睐。　

目前，设计人员大多采用三维建模的方式进行绘图工　

作，而工艺设计环节却仍以二维为主　。二维工艺设　

计方式无法有效利用上游三维模型中的数据信息，需　

要手工进行信息提取、转换，难以保证数据一致性和完　

整性，极大制约企业设计生产周期　Ｊ。传统二维工艺　

在设计过程中频繁变更工艺路线、效率低等问题已逐　

渐成为技术发展的瓶颈（图１所示为传统制造方式与　

基于三维工艺的制造方式对比）。　

三维机加工工艺设计的特征主要有：　

（１）数据来源三维化。传统二维制造方式下，将　

三维产品模型转换成二维图纸并以二维图纸作为产品　

数据来源；而三维制造方式是基于ＭＢＤ的三维产品模　

型作为数据来源，能够最大限度地传承设计信息，有效　

减少工艺人员对工艺和设计理解的偏差，降低工作量　

和出错概率。　

（２）工艺规程三维化、可视化。工艺规程设计过　

程中构建的工艺过程树实现了产品、工艺、资源的有机　

结合，更直观表达了各种信息之间的关联关系。　

（３）信息载体三维化、唯一化。整个设计过程中　

都以三维工序模型作为唯一载体，避免了在二维图纸　

与三维模型之间来回转换以及工艺卡片、工程图等信　

息载体多样化造成信息管理混乱。　

（４）工艺过程三维化。工艺表达方式更加直观，增　

强了工艺的可读性，提高了生产制造阶段的效率。通过　

・　１３２　・　对机加工过程进行全程仿真，可以将问题暴露在工艺规　

划环节，最大限度地降低后端更改的成本和时间。　

（５）设计生产无纸化。实现设计生产无纸化，避　

免图纸表达不直观、难理解、易污易损的问题。　

（６）数据管理平台统一化。采用ＰＤＭ数据管理　

平台对工序模型和工艺规程进行管理，减少人工干预，　

实现数据有效管理。　

三维制造方式以零件的三维模型作为数据输入　

源，运用ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＰＰ／ＰＤＭ的集成思想进行三维　

机加工工艺设计，通过构建工艺特征、添加信息和加工　

仿真等方式完成工序模型构建。规范工艺信息的表达　

方式并将其进行关联存储，以工序模型作为指导生产　

的唯一依据，突破设计、工艺之间的信息孤岛，实现数　

据的统一管理。　

２三维机加工工艺设计方法　

２．１　三维机加工工艺设计的流程　

三维机加工工艺设计主要以三维设计模型作为设　

计的数据输人，通过工序模型构建、工艺规程设计，工艺　

发布等来指导生产。目前，三维工序模型的构建主要有　

正向生成法和逆向生成法　。逆向生成法需要基于　

ＭＢＤ设计模型通过“增材料”方式生成工序模型，一般　

适用于设计特征与加工特征具有映射关系的情况，对　

ＭＢＤ设计模型的建模方式要求较高¨。。。因此，本文采　

用正向生成法对工序模型进行构建，通过减材料的方法　

完成从产品毛坯到最终设计模型的过程。在分析三维　

机加工工艺设计的基础上，结合Ｃｒｅｏ２．０软件平台，提　

出了三维机加工工艺设计方法的流程如图２所示。　

图１传统二维制造与三维制造方式对比　

蓉Ｉ主技　喜扣．　

一　２Ｏ１　７年第５期　

图２三维机加工工艺设计方扶藏程　

２．２三维机加工工艺设计步骤　

三维机加工工艺设计方法主要分为四个步骤：工　

艺模型动态构建、工艺信息标识及标注、工艺规程设计　

和三维工艺输出及管理。　

（１）工艺模型动态构建　

工艺模型动态创建主要包括毛坯模型构建和工艺　

特征构建。毛坯模型是进行三维机加工工艺的基础，　

通过典型毛坯库导入、典型毛坯模板库的动态创建、基　

于设计模型生成和三维建模等方式完成毛坯模型的快　

速构建。工艺特征构建旨在工件模型的基础上快速构　

建机加工工艺过程的各种中间工艺特征，用以反映加　

工过程。特征构建可以借助Ｃｒｅｏ２．０的标准建模功　

能，一些典型工艺也可调用用户自定义的典型工艺特　

征库快速构建（如图３所示）。　

图３工艺楱基动ｊ盘ｌ构建　

（２）工艺信息标识及标注　

工艺信息标识及标注分为两个部分：工艺信息组　

合符号生成、组合符号的三维标注。对于机加件需要　

表达的工艺信息繁多、复杂，主要有加工方法、工作中　

蓉ｆ皂教　喜　Ｔｅｃｈｎ０１０ｇｙ　ａｎｄ　工艺与检测　

心、设备类别号、切削液、热处理方式及刀具参数信息　

等。为清晰直观的表达出零件的工艺信息，在制定工　

艺符号时应遵循相应的规则。将工艺信息符号按照一　

定的逻辑关系组织起来生成工艺信息组合符号，以多　

个柔性码段的工艺框格来表示机加工艺信息（表１给　

出一种工艺信息的表示方法）。　

表１工艺信息组合符号示例　

加工　设备　刀具　工作　刀具　切削　数量　切削液　方法　类别号　编号　中心　参数　参数　ＪＦ一３０　ｎ＝　微乳型　ｌＸ　ＳＤＭＣ一　ｔ０３５一￣４５　。＝　切削液　８４０３４７８９４　ＧＯ００ｌ　｛：　［］　８Ｏｏｏ　＝ｌ２８　或ＦＸ一　‘＝　２切削液　

通过读取ＰＤＭ中各单位制造资源生成相应组合　

符号，符号内的数量、加工方法、设备类别号、工作中心　

会自动填充，刀具信息也可从ＰＤＭ中选取并选择合适　

刀具参数和切削参数。完成设置后进行组合符号的三　

维标注，如图４所示。　

＾。　ｌＸ　垒ＳＤＭＣ－８０００　８４０３４７８９４　Ｖ３５・Ｉ　４５－１２８　口　ＪＦ３Ｏ般乳型切削藏　产　或ＦＸ－２切嘲ｉ直　

图４组台符号标拄样式　

（３）工艺规程设计　

工艺规程设计主要包括工艺规程组织编辑和工艺　

特征关联两个模块。工艺规程组织编辑按照工艺过程　

构建工艺规程树，工艺规程树按照实际加工生产的工　

艺流程以结构树形式表达三维机加工工艺过程。通过　

构建工序／３２步节点，将工艺规程树与材料、工装资源