一、  方案概述

近年来，随着智能制造、企业信息化建设的不断深入，国内制造企业产品研发工作已逐步实现了产品全生命周期管理（PLM）与三维CAD协同设计集成应用。三维CAD模型与传统的二维图纸相比，文件数据更加完整，可视化程度更高。目前，PLM中普遍使用三维轻量化技术，对模型进行轻量化处理，轻量化模型具有文件数据量小、传输方便、安全性高等优点。利用该模型可以实现部门数据共享交互，从而为三维模型应用到后续的工艺、制造、售后维修环节中提供了保障。

与设计部门相比，工艺部门的三维应用还比较落后，主要采用二维工艺设计模式。利用文字、卡片以及表格的方式来描述产品的工艺过程。设计部门进行三维设计后需要转换成二维图纸传递到工艺部门，工艺部门利用二维图纸来进行工艺编制。现有的工艺应用模式，不仅导致了设计部门的三维模型数据得不到充分利用，同时卡片形式的工艺数据结构单一，数据之间缺少关联性，进一步导致了工艺数据统计汇总困难。目前，二维工艺的应用模式是限制企业三维数据在整个产品生命周期中应用的主要瓶颈，也是企业需要解决的首要问题。

工艺是连接设计和制造之间的桥梁，三维设计的普及必然会促进工艺的升级更新，天喻三维工艺解决方案则是解决企业在三维环境中工艺的应用问题。

天喻三维工艺规划系统是基于三维轻量化模型的基础上来进行可视化工艺设计。系统可以直接读取主流的三维模型数据，充分利用原始设计模型中的信息，可对三维模型的产品结构进行管理，通过交互的方式来定义产品的装配工序以及工序中的零件组成。对工序中的零部件在三维空间中进行路径规划，同时加入工装设备来模拟产品的实际装配场景，仿真整个装配过程，分析比较产品装配工艺的可行性。三维工艺的设计结果直接用来指导车间进行装配制造生产，实现车间无纸化生产。利用该系统可以高效、直观的完成产品的装配工作，提高产品的装配质量、降低装配时间和成本。

二、  方案创新点

2.1  设计模式

天喻三维工艺解决方案采用了先进的设计模式，主要由四大模块组成，分别为三维数据转化接口、Inte3D三维工艺设计工具、三维工艺数据集成接口和三维工艺浏览器。四个模块相互独立，相辅相成，形成完整的解决方案。三维数据转换接口主要是用来将设计模型转化成轻量化模型；Inte3D三维工艺设计工具是基于轻量化模型来进行工艺设计规划，形成指导性的工艺文件；三维工艺数据集成接口则是用来和企业的管理系统进行交互，把工艺设计的内容提交到管理系统中进行管理；三维工艺浏览器是独立的浏览工具，该浏览器采用插件形式，可以和PLM、MES等进行集成，用于查看工艺文件，指导车间进行工艺生产，下图为该解决方案的系统框架。

2.2  技术先进性

2.2.1       数字化工艺设计

天喻三维工艺解决方案采用了先进的技术，拥有独立自主的三维工艺设计平台，并获得软件著作权，申请发明专利一项。其先进性主要体现在以下内容：

2.2.2.1   轻量化模型转换接口

天喻三维工艺解决方案中采用了先进的模型轻量化技术，在进行大模型装配时，通过模型轻量化可以减少模型的数据量，加快模型显示效率，轻量化后的模型数据量是原始模型的1/30-1/50。系统可以直接转换设计模型为轻量化模型，并提取模型中的结构以及几何信息。利用轻量化模型转换接口可以保证三维工艺数据的数据源直接来源于设计，实现设计数据与工艺数据的一致性。同时，轻量化模型也可以保证企业核心数据不外泄。

2.2.2.2   装配结构调整

天喻轻量化模型转换接口可以转换模型数据并提取模型中装配结构关系，模型的属性参数等信息。在进行工艺设计时，设计BOM很难直接应用于工艺设计，因此需要对BOM进行调整以方便进行工艺设计。系统中支持对模型的装配结构进行调整，可以对零部件进行重新分组处理，从而方便后续进行工艺规划。系统中模型装配结构调整非常方便，整个过程在全三维环境中完成，用户可以拖拽零部件到其他零部件节点下方，也可以创建新的工艺虚拟件对象，从而形成新的BOM结构。如下图所示为飞机引擎产品结构展示调整：

2.2.2.3   装配工序规划

Inte3D三维工艺设计工具可以基于三维模型来对产品进行工序规划，根据产品实际的工位步骤，规划出产品完整的装配过程。针对每个装配工序，规划出该工序需要装配的零部件对象，形成该步骤的装配BOM清单。步骤之间可以通过引用的方式从而表达出零部件的装配层次关系，如产品各个部件的部装到最后的总装过程。每个工序中都包含工序的相关属性，主要有工序基本参数、工序中装配BOM表、工序中工装资源BOM表、工序中待检查项目、工序中工艺视图等。三维可视化环境中的工序表达清晰，工序之间可以通过拖拽的方式改变工序顺序，直观方便。

2.2.2.4   装配活动定义

装配活动是用来描述产品的装配动作，用来细化产品的装配工序，类似于工艺的装配工步。在进行装配工艺设计时，路径规划是用来描述产品中零部件的运动轨迹，是基于拆卸方式形成的装配路径。路径规划的主要方法有平移、旋转、自由移动、螺旋运动、组合运动等组成。

路径规划是描述装配活动最常用的一种，其他的装配活动如视角活动、焊接活动、缩放活动、闪烁活动、工具活动等都是用来描述零部件的装配动作。利用装配活动可以形象的表达出产品实际的装配过程。产品的装配模拟仿真是由所有工序中的装配活动单元来组成，最终形成整个产品装配过程的仿真。

2.2.2.5  线缆布置

在对产品进行工艺设计时，对于电子类产品时，不仅包含机械零部件常常还包含电子类设备，对于电子设备的工艺设计，线缆工艺则非常有必要，线缆工艺设计时需要表达出产品的线缆布置过程，从而指导车间进行线缆的布置。Inte3D中可以支持电线、线缆、排线、螺旋线、套筒的布置，用户只需选择线缆的起始接头和终止接头，系统会自动连接线缆，同时支持用户手动调整，线缆的整个布置过程流畅美观，使用方便。如下图所示：

2.2.2.6   技术图解

Inte3D中可以提供丰富的技术图解功能，技术图解用来辅助描述产品的装配过程，在进行工艺设计时，三维可以形象的表达产品的装配工艺过程，而对于工艺过程中的技术参数、技术要求、工艺内容等则需要采用二维的技术图解来表达。Inte3D中支持的技术图解主要有标签、文字、局部放大、图片、序号、BOM表、技术要求、直线、箭头等。技术图解可以与对应的装配活动进行关联，从而可以在进行工艺模拟仿真时实时展示技术图解的内容。Inte3D中技术图解的二三维混排技术获得了国家专利。

2.2.2.7   大模型显示

在进行工艺设计时，像机床总装，发动机总装这些大模型时，三维工艺设计软件需要对大模型进行数据压缩处理。模型轻量化可以大幅度的减少原始设计模型的数据量，但是在进行总装装配时，轻量化模型数据量依旧比较大。因此Inte3D中对大模型显示进行了处理，可以直接提取产品或部件的外壳形状，从而采用简化模型来进行替换，实现大模型数据的简化。

2.2.2       装配工艺仿真

装配工艺仿真是基于三维环境下对工艺过程进行仿真验证，通过实时的工艺仿真可以查看零部件的安装顺序以及安装路径是都正确。同时，还可以检查零部件与工装设备之间是否会发生干涉，验证工艺的正确性，优化工艺设计过程。

2.2.3.1   工艺干涉检查

Inte3D中可以支持产品装配过程中的工艺验证，如零部件与工装之间是否发生干涉检查、零部件的安装空间是否足够等问题。Inte3D中可以支持针对每个装配活动来定义干涉检查的零部件，默认状态下是装配活动中的零部件与装配工序中的零部件进行干涉检查。

目前Inte3D中可以支持动态干涉检查和静态干涉检查两种模式。其中动态干涉检查主要指零部件在路径规划过程中的干涉检查和零部件装配仿真时的干涉检查。静态干涉检查是指零部件和设备在静止状态下的干涉检查，动态干涉检查又分为在路径规划定义过程中的干涉和装配仿真时的干涉检查。

Inte3D中还支持对干涉检查的结果进行动态提示，主要有两种方式，1）检查到干涉时停止；2）动态加亮干涉部位。如下图所示：同时Inte3D中还可以修改干涉精度控制，在某个范围内的距离才认为干涉。

2.2.3.2   装配工艺仿真

Inte3D中以装配工序为基础定义出产品的装配过程，每个装配工序又有多个装配活动来组成。基于完整的装配过程，Inte3D中可以直接进行装配仿真验证。Inte3D中支持多种仿真形式，主要的仿真类型有装配仿真和拆卸仿真。装配仿真可以根据工序细分为单步装配和整体连续装配，拆卸仿真则可以分为单步拆卸和整体拆卸仿真。采用装配仿真可以形象的模拟出零部件真实的运动轨迹，验证装配过程的合理性，输出的装配仿真视频可以直接指导车间进行装配作业。如下图所示：

2.2.3       装配工装仿真

Inte3D装配工装仿真主要是把工装资源加入到装配过程中，仿真出工装资源作用于零部件上的效果，检查工装设备与零部件装配时是否发生干涉，从而验证该工装夹具的设计正确性。Inte3D中拥有标准的工装资源库，也可以支持增加外部的零部件或者直接与企业PLM中的三维工装资源库进行集成，从而可以从工装资源库中添加合适的工装设备。

2.2.3.1   标准工具库

目前Inte3D中提供的标准工具主要有榔头、扳手、螺丝刀、游标卡尺、百分表、千分尺、深度千分尺、螺纹塞规、塞规等。标准工具库中的工具采用参数化的方式进行定义，通过修改工具的运动参数可以快速生成标准工具的运动动作。同时Inte3D中的工具型号是根据使用工具的零部件尺寸来智能化的选择，如选择了M20的螺钉，Inte3D中会自动匹配计算调用M20的扳手。如下图所示为一些常用的工具使用。

2.2.3.2   添加外部工装

对于企业设计好的工装夹具，需要进行装配工装仿真验证时，则可以通过外部引入的方式加到Inte3D中进行工装装配的验证。通过在工序节点中添加工装设备的功能可以直接打开并把外部的工装加到工序中，从而在工序中进行工装资源的装配验证。如下图所示为外部工装添加界面，通过打开本地文件的方式增加工装资源。

2.2.3.3   添加工装资源库中的工装

企业的工装夹具一般由企业统一设计，并提交到PLM中进行审批管理，也有部分存在本地。对于PLM中的工装资源库，Inte3D中可以通过接口进行访问来获取工装资源模型并添加到系统中，与企业的工装资源管理系统无缝集成。

2.2.3.4   人体模型工装

Inte3D中目前已经拥有人体模型，并且拥有多种不同的姿态。Inte3D中可以直接加入人体模型，利用人体模型的多种不同姿态可以快速分析出工位设计的合理性，分析出人体装配时的可操作性和装配操作的可达性。下图为Inte3D中添加的人体模型，通过引入人体模型来和工作台进行对比从而表达工作台高度设计的合理性。

2.2.3.5   多姿态人体模型

Inte3D中拥有多姿态的人体模型，用户可以很方便的来修改模型姿势，不同姿态的人体模型都可以加到装配过程中来表达人体工作时的状态，从而分析出当前工位设计以及产品工艺设计的合理性。

2.2.4       车间工艺可视化

天喻三维工艺解决方案中还提供了三维工艺浏览器，该浏览器采用插件的形式，可以和PLM管理系统以及MES管理系统进行集成。该浏览器用来显示浏览三维工艺文件，可以查看工序、工步内容，查看工艺的仿真动画。利用该浏览器实现三维工艺直接下方车间，指导车间生产制造，实现车间的无纸化生产。如下图为车间工艺浏览器和车间现场查看。

2.3  易用性

天喻三维工艺解决方案简单易用，系统界面友好，操作方便，用户可以快速掌握系统的功能，提高用户的工艺编制效率。主要体现在以下几点：

• 全新的界面风格

Inte3D三维工艺规划系统中采用Office2010的界面风格以及菜单样式。系统提供了Ribbon风格的选项式菜单，取代了传统的下拉式菜单样式，菜单功能可以折叠，用户可以很方便的查找需要使用的功能。如下图所示为：

Inte3D中的整个产品设计界面大方易用，针对装配工艺规划设计，Inte3D中还提供了多种视图模式，用户可以很方便的来规划出产品的整个工艺过程，如下图所示：

• 强大的撤销回退机制

Inte3D中提供了强大的撤销回退机制，Inte3D中采用命令的方式来实现系统的撤销回退，基本上涵盖了95%的功能。用户的任何操作都可以进行撤销回退处理，使用非常方便。

• 友好的用户交互模式

Inte3D三维工艺设计工具在与用户交互时非常方便，在进行装配活动定义时，系统会显示出零部件的坐标系，用户可以通过用鼠标选择坐标系拖拽来完成装配活动的定义。如下图所示：

• 智能化的设计

Inte3D中的智能化设计主要体现在工艺活动上，Inte3D中提供了标准的工具活动、焊接活动、视角活动等。该类活动被封成标准的活动，如工具活动，Inte3D中提供了如榔头、扳手、千分尺等常用的工具，并且把工具的动作以及运动方式都进行了参数化定义，用户只需要修改对应的运动参数，则可以形成新的运动方式。同时，系统也可以根据零件的尺寸来匹配工具的型号，如扳手活动。下图为标准工具的定义参数以及工具型号预设。

2.4  可移植性

• 解决企业的实际业务：

工艺设计是整个产品生命周期中不可或缺的一部分，工艺是连接设计到制造的桥梁，任何产品的生产制造离不开产品的工艺设计，工艺设计的好坏是决定产品质量的首要因素。目前，三维设计已经在各大企业中得到应用，三维设计的结果如何传递到工艺过程中是企业需要解决的首要问题。天喻三维工艺解决方案是专门来解决企业的痛点，可以快速的在各大行业进行推广应用。从实践中也可以看出，目前该解决方案已经应用于机床、工程机械、电子设备、汽车、军工等单位，主要的客户有海天精工、吴忠仪表、江淮汽车、中国电子集团、中国工程物理研究院等。

• 系统框架设计的可扩展性：

从整个解决方案的系统框架来看也具有很强的移植性，天喻三维工艺解决方案由四大模块构成：轻量化数据转换接口、三维工艺设计工具、三维工艺集成接口和三维工艺浏览器。轻量化数据转换接口主要用来读取企业的三维设计原始数据，由于各大企业的设计工具不统一，常用的有UG、PRO/E、CATIA、SolidWorks、Inventor等。轻量化转换接口可以解析各大主流的三维设计数据并转换成轻量化文件，这就为我们后续的三维工艺设计提供了统一的数据源。在企业数据管理层，各大企业的数据管理软件不一，常用的有西门子的TemaCenter、PTC公司的Windchill、达索的Enovia，还有一些国内实施的PDM/PLM等。三维工艺设计的最终结果需要上传到PLM管理系统，因此该解决方案中提供了三维工艺集成接口，该接口专门用于负责与各大管理系统进行数据交互，从而可以保证工艺数据顺利的传递的PLM中，实现三维工艺数据的管理与审批流转。系统的柔性框架设计可以解决各类企业在复杂环境下工艺的应用问题。

因此从企业的工艺业务以及系统架构这两个角度来分析，系统具有很强的移植性，易于推广应有。

2.5  数据独立性

天喻三维工艺解决方案的输入数据直接来源于原始的三维设计模型，工艺数据依赖于设计数据可以保证工艺和设计的数据统一性，也是由企业的业务所决定。但整个系统内部的工艺数据则相对比较独立。在整个工艺的制作过程中，与外界发生交互的主要是工艺资源的引入和工艺结果上传到PLM审核这两部分。

2.6  安全性

• 以轻量化模型为基础：

企业的原始设计数据是企业的核心数据，Inte3D中内置的轻量化转换接口可以读取设计模型的原始数据并转成轻量化模型。由于轻量化模型剔除了原始模型中的设计过程信息，只提取了模型外形轮廓信息，保留了模型的部分几何尺寸信息，所以采用轻量化模型作为工艺的数据源相对比较安全，企业的核心数据得到很好的保护。

• 三维工艺文件的安全性：

其次，对于制作好的三维工艺文件来说，相对来说也比较安全，该工艺文件采用单个二进制文件打包的形式，所有的工艺数据保存在一个文件中，且只可以采用Inte3D工艺浏览器进行查看浏览，工艺信息得到很好的保护。

• 专业的加密保护系统：

武汉天喻软件具有国家三级保密机制，作为航天、军工等保密单位长期的软件服务提供商，具有很强的保密意识，同时该公司的加密软件Intekey在国内众多企业进行实施，也间接的提高了该解决方案实施的安全性。

2.7  可操作性

由于工艺设计、工艺知识是企业长期积累的重要数据，天喻三维工艺解决方案都是通过从实际的工艺规划过程中的提炼，是从传统的二维工艺设计向三维工艺设计的过渡升级，是解决企业三维设计应用普及后，工艺怎样更新应用的问题。

从现有已经实施的企业来看，该解决方案提出来的理论、方法和设计原则等都在现实生产过程中得到了应用。如宁波海天精工，该解决方案在企业实施后，用户由传统的二维工艺设计升级到现在的三维工艺设计，用户可以在三维环境中进行装配工序规划、定义零部件的装配活动、添加工装设备、进行工艺仿真、上传PLM、车间工艺浏览等。如下图所示：为该企业的工艺由二维卡片向三维工艺转变的过程。

下图为企业实施三维工艺后，企业制作的工艺文件展示：

下图为企业的三维工艺最终在车间终端进行展示，达到直接指导生产的作用：

2.8 可维护性

天喻三维工艺解决方案具有很强的可维护性，该系统是具有很好的问题容错机制，系统内部拥有问题捕获机制，可以捕获用户在使用过程的异常，同时系统具有日志管理机制，可以实时记录用户的操作日志。同时，系统还具有文件自动保存和文件恢复机制，可以保证用户在使用过程中的突发情况的发生。

同时系统也具有很强的可改进性，整个三维工艺设计系统都是独立自主研发的，可以对系统中现有功能快速改进升级以满足用户新的需求，适应企业的业务需要。整体来说，系统的可维护性非常强。

三、  方案推广价值与推广前景

• 企业智能制造的需要：

随着“工业4.0”和智能制造的推动，企业信息化建设则不断朝着智能化、集成化、可视化的方向去发展。企业MES管理系统的顺利实施，则要求工艺数据的更加完整和精确。工艺数据是为MES提供的数据源头，是指导车间生产的关键数据。三维工艺解决方案专门为企业提供了完整的结构化工艺数据，是企业朝着智能制造方向发展时不可或缺的一环。

• 企业三维设计向车间传递的需要：

工艺是连接设计到制造的桥梁。随着企业信息化的不断深入，工艺的优化、工艺知识的积累传承是企业在激烈的市场竞争中提高竞争力的关键因素，天喻三维工艺解决方案是解决三维设计普及后工艺如何应用的问题，是解决企业现在和未来即将面临的首要问题。工艺的应用范围非常广，是机床、工程机械、电子、船舶、汽车、锅炉、航空航天、军工等各个行业都会面临的问题。

总体来说，该解决方案具有很强的推广价值和推广前景，直接聚焦企业的核心问题，解决企业的工艺设计痛点，通过对该解决方案的推广可以提升企业的工艺设计质量，提高产品的质量、提升企业的核心竞争力。

四、服务保障措施

      咨询服务：在项目实施前期，公司对用户进行了相关的培训和咨询，其内容包括解决方案的介绍，以及该解决方案给客户带来的效益，以及实施完后企业达到的运行效果。

实施：项目实施过程中，实施人员与企业的相关人员、系统管理员保持实时沟通配合，及时解决实施过程中遇到的问题，保证方案的顺利实施。

培训：为保证用户及相关技术人员对系统的熟练使用，在产品终验后，对相关人员提供操作说明书以及产品使用培训服务。在培训期间，公司通过多次的培训效果评估，根据培训评估效果对培训进行针对性的调整，努力让用户熟练使用系统。

技术支持：在系统终验后的运行期间，公司向用户方提供了现场技术指导和培训。公司对该系统建立系统安装手册、运行管理手册、用户使用手册等档案资料，以便于快速故障上报和处理。系统正式运行后，公司提供7*24小时热线电话服务，电话服务包括技术咨询和故障报修，并根据故障等级采取远程维护或到达客户现场等多种形式进行故报报修。

五、用户单位或目标群体的受益情况

宁波海天精工

吴忠仪表

四川德恩精工

中国电子41所

中国工程物理研究院

航天七院

江淮汽车

圣美精密机械

重村刚模