CN101339575A - 三维可视化工艺设计***及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种三维可视化工艺设计***及其设计方法，属于计算机集成制造领域。本发明中，设计***CAD支撑平台建立三维模型，其余模块以CAD***为支撑，三维模型为基础进行工艺设计；特征识别模块自动和半自动的对三维模型的特征进行识别；加工方法选择和定位方案设计模块针对识别的特征分别完成加工链的确定、装夹方案的设计、刀具和夹具的选择；工艺排序完成加工特征的排序；中间状态模型生成是工艺设计形象化可视化；工艺尺寸计算模块完成公差的校验；工艺卡片管理模块输出符合要求的各种工艺卡片。本发明具有工艺设计形象化、智能好、效率高、质量好等优点。

Description

三维可视化工艺设计***及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种计算机集成制造技术领域的***及其方法，具体是一种三维可视化工艺设计***及其设计方法。

背景技术

计算机辅助工艺设计(CAPP)是连接CAD和CAM的桥梁，是先进制造技术的重要基础之一。长期以来人们一直在努力提高和改进CAPP***的实用性、集成性和智能化水平。特别是近些年来随着产品更新换代速度加快、产品形状结构日趋复杂，对CAD/CAPP/CAM的集成度以及CAPP处理复杂形状零件产品的能力有了更高和更迫切的要求。近些年来，CAD和CAM***处理复杂形状能力有了极大的提高，相形之下，CAPP这一能力更显薄弱，许多能够在CAD***中创建的复杂零件产品，无法自动得到其工艺过程，从而难以真正实现CAD/CAPP/CAM集成和一体化。造成这些现象的主要原因在于：当前的CAPP***在信息表达和处理上是基于符号的。零件信息的描述采用的是成组GT码或形状特征码；工艺知识的表达采用的是产生式规则、框架或语义网络等符号语言；工艺设计推理中的信息处理采用的是规则搜索和符号匹配的方法。因此整个工艺设计活动都是基于符号的。这种基于符号的方法对CAPP处理复杂形状以及与CAD、CAM***集成构成了巨大障碍，具体表现在：

(1)任何语言符号难以用来表达和处理复杂几何形状，符号只能用来指代标准的几何形状，无法描述形状细节和空间结构，特别是不规则形状。然而，工艺设计中的大多数活动都与几何信息有关，都含有几何信息的加工。因此，基于符号的CAPP***在定量化和实用性方面必然具有很大的局限性。

(2)在当前的制造信息***中，CAD、CAM是直接建立在三维图形***基础上的。而CAPP***是基于语言符号***的，这是两类完全不同的***，因此，它们之间的信息集成在本质上是困难的，往往需要通过人机交互或者通过中间文件(例如STEP或DXF等)等方式进行图形和语言之间的相互转换。在转换过程中，必然带来信息的丢失和歧义性产生，从而造成集成的困难。

综上所述，仅用符号来表达和处理工艺设计活动是不全面的，基于纯符号的CAPP***也必然具有较大的局限性。解决这一问题的关键是：CAPP***需要在符号***基础上，增加三维图形***上的信息表达和处理能力。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“一种榴弹加工工艺设计***及工艺设计方法”，申请号200410050530.3，该专利公开了一种基于二维零件信息的工艺设计***和工艺设计方法：以CAX集成平台为工艺设计的零件模型来源，并以零件信息输入为工艺设计基础，通过信息输入模块输入产品的代号、名称、材料、批量、热处理要求等信息，并完成对产品定义、加工特征及其典型工艺制定和典型工艺的工序图，采用交互式或派生式的工艺设计方法进行工艺设计。该技术存在以下不足：[1]有CAX集成平台，但工艺设计中以工艺图片为主，没有三维零件模型转换成二维图纸的接口，即使通过中间文件等方式进行图形和语言之间的相互转换。在转换过程中，必然带来信息的丢失和歧义性产生，从而造成集成的困难；[2]有加工特征定义和典型工艺制定，自动化程度低，效率不高，不能满足快速高效的现代工艺设计要求；[3]有交互式和派生式工艺设计方法，但该两类设计方法是基于语言符号信息的推理过程，而零件结构工艺性分析、加工表面可接近性判断、刀具空间轨迹规划、加工方法选择、定位方法和基准表面选择、空间尺寸链计算等工艺设计活动都离不开有关基于三维模型信息的几何形状分析、空间结构推理和形状匹配等活动。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种三维可视化工艺设计***及其设计方法。本发明具有工艺设计形象化、智能好、效率高、质量好等优点，满足现代企业提高生产效率和市场竞争力的需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的三维可视化工艺设计***，包括设计***CAD支撑平台、三维模型管理模块、毛坯设计模块、零件信息输入模块、特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块、工艺卡管理模块、工艺资源管理模块，其中：

所述设计***CAD支撑平台，根据图纸建立三维UG模型，并通过数据总线和三维模型管理模块、毛坯设计模块、零件信息输入模块、特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块、工艺卡片管理模块、工艺资源管理模块相互交换数据；

所述三维模型管理模块通过工艺资源管理模块在数据库中存取和管理毛坯、零件和中间动态模型的三维模型；

所述毛坯设计模块完成毛坯的三维模型的设计以及毛坯的代号、名称、材料、工艺要求等信息的输入，输入信息通过工艺资源管理模块保存到数据库；

所述零件信息输入模块完成零件的各个面的公差、粗糙度、圆柱度、直线度、平面度等面工艺信息的输入，输入的面信息通过工艺资源管理模块保存到零件信息数据库中，提供给特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块作为分析的基础信息；

所述特征识别模块，在设计***CAD支撑平台上，针对三维零件模型，采用基于刀具切削能力的特征识别方法，在这个模块中刀具的切削能力被分为表面类型、刀具接近方向、尺寸能力、精度能力和体积干涉五个属性，通过比较从零件信息输入模块获得的面的属性和工艺资源管理模块中刀具的加工能力，搜索出每个待加工表面所能使用的刀具，把具有相同可加工刀具的邻接面组合为一个特征，获得加工特征；

所述加工方法选择模块针对特征识别模块识别出的零件各个加工特征，根据加工特征的工艺特点、零件表面粗糙度、公差要求以及刀具库的刀具信息，选择加工方法和刀具，并形成加工链，并通过工艺资源管理模块将以上数据保存到零件信息数据中；

所述定位方案选择模块完成零件各个加工特征的装夹定位方案以及夹具，以减少装夹次数为目的，根据零件的类型、加工方法选择模块获得的加工方法类型、加工特征的工艺特点，在满足工艺约束的前提下，通过层次聚类法对已获得的加工特征进行分组，并针对每组加工特征通过工艺资源管理模块从夹具数据库选择夹具；

所述工艺路线排序模块利用遗传算法产生加工特征的加工顺序，该模块产生的工步序列提供给动态模型生成模块作为逆序模型生成的依据；

所述动态模型生成模块根据当前工序逆序地产生上一步工序的三维零件模型，生成的三维零件模型通过三维零件管理模块保存，动态模型生成模块通过工艺资源管理模块更新零件信息数据库中相应的数据；

所述工艺尺寸计算模块对完成尺寸链校验，如果工艺路线不能满足尺寸公差要求，则重新进行加工方法选择、定位方案选择、工艺路线排序和动态模型生成；

所述工艺卡片管理模块针对工艺路线排序模块和动态模型生成模块产生的加工顺序，完成工艺卡片的设计、生成，产生一系列符合国家或企业标准的工艺卡片；工艺卡片管理模块还包括对工艺卡片的管理、编辑和检索，通过工艺资源管理模块在数据库中对完成的工艺卡片进行检索、保存等操作；

所述工艺资源管理模块是各个模块和数据库***的接口，完成对工艺资源的管理和对数据库的维护，包括定义和维护工厂的设备库、刀具库、夹具库、量具库。

所述动态模型生成模块根据当前工序逆序地产生上一步工序的三维零件模型，包括几何推理子模块、工件模型生成子模块、工艺信息的继承和更新子模块，其中：

所述几何推理子模块利用几何推理技术来实现几何结构分析，归纳分析工艺决策中常用的几何特性，建立相应的推理算法，如尺寸大小、长径比、夹角、表面积等计算模型，组成几何推理算法库，推理时根据不同要求，选择相应算法进行计算，来支持工艺设计活动。

所述工件模型生成子模块以零件信息数据库中的零件信息为最初状态，毛坯设计模块设计的毛坯为最终状态，工艺路线排序模块完成的工序序列为顺序，从零件到毛坯逆序地产生一系列中间状态模型，即根据上一步工序的加工内容从当前工序的对应三维模型中，利用CAD支撑平台的二次开发函数，消去经过上一步工序产生的面和加工特征，以增加零件体积的方式补上被加工去除的体积，产生上一步工序对应的零件模型，并通过三维零件管理模块保存。

所述工艺信息的继承和更新子模块根据零件面、特征在UG模型中ID的唯一性特点，对比工件模型生成子模块产生的相邻工序的中间状态模型，分别遍历UG模型的所有节点，保留两个工序的中间状态模型中都存在面和特征信息，删除还未经过加工并产生的面和加工特征信息，并通过工艺资源管理模块更新零件信息数据库中相应的数据。

所述工艺路线排序模块通过对加工特征、以及相应的加工方法和装夹定位等表现型到基因型的编码，产生一个可能存在潜在解的初始种群，然后按优胜劣汰的原理，逐代演化产生越来越好的近似解；在每一代中，根据以加工时间最短为优化目标的适应度函数，评价各个体，选择适应度高的，对其进行交叉、变异操作，产生代表新解集的下一代种群，末代种群的最优个体经过解码作为近似最优解，即加工顺序。

本发明上述***为基于分布式、客户机/服务器体系结构，其中：服务器上存放数据库、工艺资源管理模块，以及各个模块产生的数据，包括三维模型管理模块、毛坯设计模块、零件信息输入模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块、工艺卡片管理模块产生的数据，以上数据通过工艺资源管理模块在数据库中保存和维护。客户端安装设计***CAD支撑平台，除工艺资源管理模块以外的其他各个模块集成在设计***CAD支撑平台上，包括毛坯设计模块、零件信息输入模块、特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块，每个客户机上还配有一套三维可视化工艺设计***的应用软件(如UGS公司的UG NX 4.0等)。各个模块之间的数据，通过网络和安装在服务器端的工艺资源管理模块和数据库进行数据交换。

本发明所涉及的三维可视化工艺设计方法，包括以下步骤：

第一步，零件三维模型的建立，为***的初始动作，在设计***CAD支撑平台中建立零件三维模型，通过三维模型管理模块保存和维护；

第二步，零件信息输入模块针对第一步建立的三维模型，输入零件的表面工艺特征，包括面的类型，尺寸精度，形位公差，表面粗糙度，包络边的形状和尺寸要求，并通过工艺资源管理模块保存进数据库；

第三步，特征识别模块对零件加工特征进行识别，采用基于刀具切削能力的特征识别方法，针对第一步获得的三维模型，根据第二步获得的工艺信息，包括表面的类型，尺寸，形位公差等确定采用的加工方法和加工刀具，通过考察面的边界形状，尺寸，及刀具在加工过程中与零件实体的干涉情况确定刀具的类型、进刀方向和大致形状，把具有相同加工方法，刀具尺寸和加工方向的邻接面进行聚类，形成一系列可以在一个工步中切削成形的特征，即加工特征；

所述基于刀具切削能力的特征识别方法，包括三个步骤：

①刀具在零件表面以及毛坯表面运动，产生刀心轨迹表面；

②根据面的边界形状、尺寸对刀心轨迹表面和零件表面进行干涉判断，确定可加工该表面的刀具类型、进刀方向和大致形状；

③把具有相同加工方法、刀具尺寸和加工方向的邻接面进行聚类，形成一系列可以在一个工步中切削成形的特征，即加工特征。

第四步，加工方法选择和刀具选择，加工方法选择模块针对特征识别模块识别出的零件各个加工特征，根据加工特征的工艺特点、零件表面粗糙度、公差要求以及刀具库的刀具信息，选择加工方法和刀具，并形成加工链，并通过工艺资源管理模块将以上数据保存到零件信息数据中，作为第六步的输入信息；

第五步，定位方案选择模块进行定位方案设计、夹具选择，以减少装夹次数为目的，根据零件的类型、加工方法选择模块获得的加工方法类型、加工特征的工艺特点，在满足工艺约束的前提下，通过层次聚类法对已获得的加工特征进行分组，并针对每组加工特征通过工艺资源管理模块从夹具数据库选择夹具，作为第六步的输入信息；

第六步，工艺路线排序模块利用遗传算法对第三步、第四步、第五步产生的加工特征进行排序；

所述利用遗传算法对第三步、第四步、第五步产生的加工特征进行排序，是指：首先通过对加工特征、以及相应的加工方法和装夹定位等表现型到基因型的编码，产生一个可能存在潜在解的初始种群，然后按优胜劣汰的原理，逐代演化产生越来越好的近似解，在每一代中，根据以加工时间最短为优化目标的适应度函数，评价各个体，选择适应度高的，对其进行交叉、变异等遗传操作，产生代表新解集的下一代种群，末代种群的最优个体经过解码作为近似最优解。

第七步，动态模型生成模块产生中间状态模型，以零件信息数据库中的零件信息为最初状态，毛坯设计模块设计的毛坯为最终状态，以第六步完成的加工顺序为次序，从零件到毛坯逆序地产生一系列中间状态模型，即根据上一步工序的加工内容从当前工序的对应三维模型中，利用CAD支撑平台的二次开发函数，消去经过上一步工序产生的面和加工特征，以增加零件体积的方式补上被加工去除的体积，产生上一步工序对应的零件模型，并通过三维零件管理模块保存；

第八步，工艺资源管理模块对数据库进行更新和维护，完成对工艺数据的日常维护，不断地向库中填充数据，并与第二步、第三步、第四步、第五步、第六步、第七步、第八步相互交换数据和更新数据库；

第九步，工艺尺寸计算模块对第七步的动态模型的公差尺寸链进行尺寸链校验，如果工艺路线不能满足尺寸公差要求，则回到第四步重新进行加工方法选择、定位方案选择、工艺路线排序和动态模型生成等步骤；

第十步，工艺卡片管理模块根据第六步产生的加工顺序生成工艺卡片，形成一个符合国标和企业标准的工艺卡片形式送给第十一步；

第十一步，打印预览输出，工作完成。

本发明在三维CAD技术基础上，建立基于三维工件几何模型的工艺设计几何推理理论与方法；建立以几何推理为基础的工艺设计中实用的智能化知识推理机制；该***将能自动或半自动从三维CAD产品模型中提取产品制造特征模型；在这些数字化制造特征模型之上实现具有一定自动化水平的智能工艺设计手段工艺设计***。本发明具有工艺设计形象化、智能好、效率高、质量好等优点，满足现代企业提高生产效率和市场竞争力的需要。

附图说明

图1是表示本发明实施例三维可视化工艺设计***的结构示意图；

图2是表示本发明实施例三维可视化工艺设计方法的工作流程图；

图3是表示本发明实施例中采用的***硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是显示本发明的一个例子的三维可视化工艺设计***的结构框图。包括：设计***CAD支撑平台1、三维模型管理模块2、毛坯设计模块3、零件信息输入模块4、特征识别模块5、加工方法选择模块6、定位方案选择模块7、工艺路线排序模块8、动态模型生成模块9、工艺尺寸计算模块10、工艺卡片管理模块11、工艺资源管理模块12。设计***CAD支撑平台1通过数据总线和三维模型管理模块2、毛坯设计模块3、零件信息输入模块4、加工方法选择模块6、定位方案选择模块7、工艺路线排序模块8、动态模型生成模块9、工艺尺寸计算模块10、工艺卡片管理模块11、工艺资源管理模块12相互交换数据，通过工艺资源管理模块12管理数据库并和数据库进行数据更新和维护。

所述设计***CAD支撑平台1，通过数据总线和三维模型管理模块2、毛坯设计模块3、零件信息输入模块4、特征识别模块5、加工方法选择模块6、定位方案选择模块7、工艺路线排序模块8、动态模型生成模块9、工艺尺寸计算模块10、工艺卡片管理模块11、工艺资源管理模块12相互交换数据。工艺资源管理模块12控制各个模块和数据库之间的数据传递。

所述三维模型管理模块2，通过工艺资源管理模块12在数据库中存取和管理毛坯、零件和中间动态模型的三维模型；

所述毛坯设计模块3，在设计***CAD支撑平台1上完成毛坯的三维模型的设计，并通过工艺资源管理模块12将毛坯的代号、名称、材料、工艺要求等输入信息保存到数据库；

所述零件信息输入模块4，完成零件的各个面的公差、粗糙度、圆柱度、直线度、平面度等面工艺信息的输入，输入的面信息通过工艺资源管理模块12保存到零件信息数据库中，提供给特征识别模块5、加工方法选择模块6、定位方案选择模块7作为分析的基础信息；

所述特征识别模块5，在设计***CAD支撑平台1上，针对三维零件模型，采用基于刀具切削能力得特征识别方法，在这个模块中刀具的切削能力被分为表面类型，刀具接近方向，尺寸能力，精度能力和体积干涉五个属性；通过比较从零件信息输入模块4获得的面的属性和工艺资源管理模块12中刀具的加工能力，搜索出每个待加工表面所能使用的刀具，把具有相同可加工刀具的邻接面组合为一个特征，获得加工特征；

所述加工方法选择模块6，针对特征识别模块5识别出的零件各个加工特征，根据加工特征的工艺特点、零件表面粗糙度、公差要求以及刀具库的刀具信息，选择加工方法和刀具，并形成加工链，并通过工艺资源管理模块12将以上数据保存到零件信息数据中；

所述定位方案选择模块7，完成零件各个加工特征的装夹定位方案以及夹具，以减少装夹次数为目的，根据零件的类型、加工方法选择模块6获得的加工方法类型、加工特征的工艺特点，在满足工艺约束的前提下，通过层次聚类法对已获得的加工特征进行分组，并针对每组加工特征通过工艺资源管理模块12从夹具数据库选择夹具；

所述工艺路线排序模块8利用遗传算法产生加工特征的加工顺序，首先通过对加工特征、以及相应的加工方法和装夹定位等表现型到基因型的编码，产生一个可能存在潜在解的初始种群，然后按优胜劣汰的原理，逐代演化产生越来越好的近似解，在每一代中，根据以加工时间最短为优化目标的适应度函数，评价各个个体，选择适应度高的，对其进行交叉、变异等遗传操作，产生代表新解集的下一代种群，末代种群的最优个体经过解码作为近似最优解；

所述动态模型生成模块9，根据当前工序逆序地产生上一步工序的三维零件模型，包括几何推理子模块、工件模型生成子模块、工艺信息的继承和更新子模块，几何推理子模块利用几何推理技术来实现几何结构分析，归纳分析工艺决策中常用的几何特性，建立相应的推理算法，如尺寸大小、长径比、夹角、表面积等计算模型，组成几何推理算法库。推理时根据不同要求，选择相应算法进行计算，来支持工艺设计活动；工件模型生成子模块以零件信息数据库中的零件信息为最初状态，毛坯设计模块3设计的毛坯为最终状态，工艺路线排序模块8完成的工序序列为顺序，从零件到毛坯逆序地产生一系列中间状态模型，即根据上一步工序的加工内容从当前工序的对应三维模型中，利用CAD支撑平台的二次开发函数，消去经过上一步工序产生的面和加工特征，以增加零件体积的方式补上被加工去除的体积，产生上一步工序对应的零件模型，并通过三维零件管理模块保存；工艺信息的继承和更新子模块根据零件面、特征在UG模型中ID的唯一性特点，对比工件模型生成子模块产生的相邻工序的中间状态模型，分别遍历UG模型的所有节点，保留两个工序的中间状态模型中都存在面和特征信息，删除还未经过加工并产生的面和加工特征信息，并通过工艺信息更新零件信息数据库中相应的数据；

所述工艺尺寸计算模块10，对完成尺寸链校验，如果工艺路线不能满足尺寸公差要求，则重新进行加工方法选择、定位方案选择、工艺路线排序和动态模型生成等步骤；

所述工艺卡片管理模块11，针对工艺路线排序模块8和动态模型生成模块9产生的工步数据，完成工艺卡片的设计、生成，产生一系列符合国家或企业标准的工艺卡片；工艺卡片管理模块11还包括对工艺卡片数据的管理、编辑和检索，通过工艺资源管理模块12在数据库中对完成的工艺卡片进行检索、保存等操作；

所述工艺资源管理模块12，是各个模块和数据库***的接口，以上各个模块工艺资源管理模块12完成对工艺资源的管理，包括定义和维护工厂的设备库、刀具库、夹具库、量具库。

本实例中，设计***CAD支撑平台1采用UGS公司的CAD软件UGNX4.0；数据库采用Oracle公司的数据库软件Oracle92；PC客户端采用微软公司的Windows XP作为操作***；数据库服务器采用Windows Sever 2000作为操作***。

图2是本实例的三维可视化设计方法的一个工作流程，如图所示：

步骤一  为零件三维模型的建立，为***的初始动作；

步骤二  为零件工艺信息的输入，输入完成后保存数据到零件信息数据库；

步骤三  为零件加工特征识别，是完成后续步骤的基础；

步骤四  为针对加工特征加工方法选择，形成加工链，并进行刀具选择；

步骤五  为针对加工特征进行定位方案设计，并选择夹具；

步骤六  为工艺路线排序，对步骤三-五产生的加工特征进行加工顺序排序和优化；

步骤七  为产生中间状态模型，完成三维模型的工艺设计；

步骤八  为数据库更新和维护，完成对工艺数据的日常维护，不断地向库中填充数据，并与步骤二-七交换数据和更新数据库；

步骤九  为尺寸链计算，如不符合公差要求，回到步骤4重新开始；

步骤十  为工艺卡片生成，形成一个符合国标和企业标准的工艺卡片形式送给11；

步骤十一 为打印预览输出；工作完成。

所述步骤一为零件三维模型的建立，为***的初始动作，在设计***CAD支撑平台1中建立零件三维模型，通过三维模型管理模块2保存和维护；

所述步骤二为零件工艺信息输入，零件信息输入模块4针对1建立的三维模型，输入零件的表面工艺特征，包括面的类型，尺寸精度，形位公差，表面粗糙度，包络边的形状和尺寸要求，并通过工艺资源管理模块12保存进数据库；

所述步骤三是对三维零件的加工特征识别，特征识别模块5对零件加工特征进行识别，采用基于刀具切削能力的特征识别方法，针对步骤一获得的三维模型和步骤二获得的工艺信息，根据表面的类型，尺寸，形位公差等确定采用的加工方法和加工刀具，通过考察面的边界形状，尺寸，及刀具在加工过程中与零件实体的干涉情况确定刀具的类型、进刀方向和大致形状，把具有相同加工方法，刀具尺寸和加工方向的邻接面进行聚类，形成一系列可以在一个工步中切削成形的特征，即加工特征；

所述步骤四是加工方法选择以及针对加工方法的刀具选择，加工方法选择模块6针对步骤三中特征识别模块5识别出的零件各个加工特征，根据加工特征的工艺特点、零件表面粗糙度、公差要求以及刀具库的刀具信息，选择加工方法和刀具，并形成加工链，并通过工艺资源管理模块12将以上数据保存到零件信息数据中，作为步骤五的输入信息；

所述步骤五为定位方案设计以及夹具的选择，定位方案选择模块7进行定位方案设计、夹具选择，以减少装夹次数为目的，根据零件的类型、加工方法选择模块6获得的加工方法类型、加工特征的工艺特点，在满足工艺约束的前提下，通过层次聚类法对已获得的加工特征进行分组，并针对每组加工特征通过工艺资源管理模块12从夹具数据库选择夹具，作为步骤六的输入信息；

所述步骤六是工艺路线排序，工艺路线排序模块8利用遗传算法产生加工特征的加工顺序，首先通过对加工特征、以及相应的加工方法和装夹定位等表现型到基因型的编码，产生一个可能存在潜在解的初始种群，然后按优胜劣汰的原理，逐代演化产生越来越好的近似解，在每一代中，根据以加工时间最短为优化目标的适应度函数，评价各个体，选择适应度高的，对其进行交叉、变异等遗传操作，产生代表新解集的下一代种群，末代种群的最优个体经过解码作为近似最优加工顺序，作为步骤七的模型工件模型逆序生成的依据；

所述步骤七是各个工序的对应动态模型生成，动态模型生成模块9产生中间状态模型，以零件信息数据库中的零件信息为最初状态，毛坯设计模块3设计的毛坯为最终状态，以步骤六完成的工序序列为顺序，从零件到毛坯逆序地产生一系列中间状态模型，即根据上一步工序的加工内容从当前工序的对应三维模型中，利用CAD支撑平台的二次开发函数，消去经过上一步工序产生的面和加工特征，以增加零件体积的方式补上被加工去除的体积，产生上一步工序对应的零件模型，并通过三维零件管理模块保存；

所述步骤八是对各个工艺数据库管理和维护，工艺资源管理模块12对数据库进行更新和维护，完成对工艺数据的日常维护，不断地向库中填充数据，并与步骤二、三、四、五、六、七、八相互交换数据和更新数据库；

所述步骤九为公差尺寸链校验，工艺尺寸计算模块10对步骤七的动态模型的公差尺寸链进行尺寸链校验，如果工艺路线不能满足尺寸公差要求，则回到步骤四重新进行加工方法选择、定位方案选择、工艺路线排序和动态模型生成等步骤；

所述步骤十是工艺卡片的生成和管理，工艺卡片管理模块11根据步骤六产生的加工顺序生成工艺卡片，形成一个符合国标和企业标准的工艺卡片形式送给步骤十一；

所述步骤十一为打印预览输出。

图3表示本实例的一个硬件结构，***为基于分布式、客户机/服务器体系结构，由安装有UG***和CAPP***的客户端PC、装有数据库以及数据管理***的服务器、连接客户端PC和服务器的路由器以及RS232电缆组成。

所述客户端PC安装设计***CAD支撑平台，除工艺资源管理模块以外的其他各个模块集成在设计***CAD支撑平台上，包括毛坯设计模块、零件信息输入模块、特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块，每个客户机上还配有一套UGS公司的UG NX 4.0作为三维可视化工艺设计***的应用软件。

所述路由器以及RS232电缆连接网络并传输服务器端的工艺资源管理模块和数据库之间的数据；

所述服务器上存放数据库、工艺资源管理模块，以及各个模块产生的数据，包括三维模型管理模块、毛坯设计模块、零件信息输入模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块、工艺卡片管理模块产生的数据，以上数据通过工艺资源管理模块在数据库中保存和维护。

Claims (8)

1、一种三维可视化工艺设计***，其特征在于，包括设计***CAD支撑平台、三维模型管理模块、毛坯设计模块、零件信息输入模块、特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块、工艺卡管理模块、工艺资源管理模块，其中：

所述设计***CAD支撑平台，根据图纸建立三维UG模型，并通过数据总线和三维模型管理模块、毛坯设计模块、零件信息输入模块、特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块、工艺卡片管理模块、工艺资源管理模块相互交换数据；

所述三维模型管理模块通过工艺资源管理模块在数据库中存取和管理毛坯、零件和中间动态模型的三维模型；

所述毛坯设计模块完成毛坯的三维模型的设计以及毛坯的代号、名称、材料、工艺要求信息的输入，输入信息通过工艺资源管理模块保存到数据库；

所述零件信息输入模块完成零件的各个面的公差、粗糙度、圆柱度、直线度、平面度信息的输入，输入的面信息通过工艺资源管理模块保存到零件信息数据库中，提供给特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块作为分析的基础信息；

所述特征识别模块，在设计***CAD支撑平台上，针对三维零件模型，采用基于刀具切削能力的特征识别方法，在这个模块中刀具的切削能力被分为表面类型、刀具接近方向、尺寸能力、精度能力和体积干涉五个属性，通过比较从零件信息输入模块获得的面的属性和工艺资源管理模块中刀具的加工能力，搜索出每个待加工表面所能使用的刀具，把具有相同可加工刀具的邻接面组合为一个特征，获得加工特征；

所述加工方法选择模块针对特征识别模块识别出的零件各个加工特征，根据加工特征的工艺特点、零件表面粗糙度、公差要求以及刀具库的刀具信息，选择加工方法和刀具，并形成加工链，并通过工艺资源管理模块将以上数据保存到零件信息数据中；

所述定位方案选择模块完成零件各个加工特征的装夹定位方案以及夹具，以减少装夹次数为目的，根据零件的类型、加工方法选择模块获得的加工方法类型、加工特征的工艺特点，在满足工艺约束的前提下，通过层次聚类法对已获得的加工特征进行分组，并针对每组加工特征通过工艺资源管理模块从夹具数据库选择夹具；

所述工艺路线排序模块利用遗传算法产生加工特征的加工顺序，该模块产生的工步序列提供给动态模型生成模块作为逆序模型生成的依据；

所述动态模型生成模块根据当前工序逆序地产生上一步工序的三维零件模型，生成的三维零件模型通过三维零件管理模块保存，动态模型生成模块通过工艺资源管理模块更新零件信息数据库中相应的数据；

所述工艺尺寸计算模块对完成尺寸链校验，如果工艺路线不能满足尺寸公差要求，则重新进行加工方法选择、定位方案选择、工艺路线排序和动态模型生成；

所述工艺卡片管理模块针对工艺路线排序模块和动态模型生成模块产生的加工顺序，完成工艺卡片的设计、生成，产生一系列符合国家或企业标准的工艺卡片；工艺卡片管理模块还包括对工艺卡片的管理、编辑和检索，通过工艺资源管理模块在数据库中对完成的工艺卡片进行检索、保存操作；

所述工艺资源管理模块是各个模块和数据库***的接口，完成对工艺资源的管理和对数据库的维护，包括定义和维护工厂的设备库、刀具库、夹具库、量具库。

2、根据权利要求1所述的三维可视化工艺设计***，其特征是，所述***为基于分布式、客户机/服务器体系结构，其中：

服务器上存放数据库、工艺资源管理模块，以及各个模块产生的数据，包括三维模型管理模块、毛坯设计模块、零件信息输入模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块、工艺尺寸计算模块、工艺卡片管理模块产生的数据，以上数据通过工艺资源管理模块在数据库中保存和维护；

客户端安装设计***CAD支撑平台，毛坯设计模块、零件信息输入模块、特征识别模块、加工方法选择模块、定位方案选择模块、工艺路线排序模块、动态模型生成模块以及工艺尺寸计算模块集成在设计***CAD支撑平台上，每个客户机上还配有一套三维可视化工艺设计***的应用软件，各个模块之间的数据通过网络和安装在服务器端的工艺资源管理模块和数据库进行数据交换。

3、根据权利要求1或2所述的三维可视化工艺设计***，其特征是，所述动态模型生成模块根据当前工序逆序地产生上一步工序的三维零件模型，包括几何推理子模块、工件模型生成子模块、工艺信息的继承和更新子模块，其中：

所述几何推理子模块利用几何推理技术来实现几何结构分析，归纳分析工艺决策中常用的几何特性，建立相应的推理算法，包括尺寸大小、长径比、夹角、表面积计算模型，组成几何推理算法库，推理时选择相应算法进行计算来支持工艺设计活动；

所述工件模型生成子模块以零件信息数据库中的零件信息为最初状态，毛坯设计模块设计的毛坯为最终状态，工艺路线排序模块完成的工序序列为顺序，从零件到毛坯逆序地产生一系列中间状态模型，即根据上一步工序的加工内容从当前工序的对应三维模型中，利用CAD支撑平台的二次开发函数，消去经过上一步工序产生的面和加工特征，以增加零件体积的方式补上被加工去除的体积，产生上一步工序对应的零件模型，并通过三维零件管理模块保存；

所述工艺信息的继承和更新子模块根据零件面、特征在UG模型中ID的唯一性特点，对比工件模型生成子模块产生的相邻工序的中间状态模型，分别遍历UG模型的所有节点，保留两个工序的中间状态模型中都存在面和特征信息，删除还未经过加工并产生的面和加工特征信息，并通过工艺资源管理模块更新零件信息数据库中相应的数据。

4、根据权利要求1或2所述的三维可视化工艺设计***，其特征是，所述工艺路线排序模块通过对加工特征、以及相应的加工方法和装夹定位这些表现型到基因型的编码，产生一个可能存在潜在解的初始种群，然后按优胜劣汰的原理，逐代演化产生越来越好的近似解；在每一代中，根据以加工时间最短为优化目标的适应度函数，评价各个体，选择适应度高的，对其进行交叉、变异操作，产生代表新解集的下一代种群，末代种群的最优个体经过解码作为近似最优解，即加工顺序。

5、一种根据权利要求1所述的三维可视化工艺设计***的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，零件三维模型的建立，为***的初始动作，在设计***CAD支撑平台中建立零件三维模型，通过三维模型管理模块保存和维护；

第二步，零件信息输入模块针对第一步建立的三维模型，输入零件的表面工艺特征，包括面的类型，尺寸精度，形位公差，表面粗糙度，包络边的形状和尺寸要求，并通过工艺资源管理模块保存进数据库；

第三步，特征识别模块对零件加工特征进行识别，针对第一步获得的三维模型，根据第二步获得的工艺信息，采用基于刀具切削能力的特征识别方法得到加工特征；

第四步，加工方法选择和刀具选择，加工方法选择模块针对特征识别模块识别出的零件各个加工特征，根据加工特征的工艺特点、零件表面粗糙度、公差要求以及刀具库的刀具信息，选择加工方法和刀具，并形成加工链，并通过工艺资源管理模块将以上数据保存到零件信息数据中，作为第六步的输入信息；

第五步，定位方案选择模块进行定位方案设计、夹具选择，以减少装夹次数为目的，根据零件的类型、加工方法选择模块获得的加工方法类型、加工特征的工艺特点，在满足工艺约束的前提下，通过层次聚类法对已获得的加工特征进行分组，并针对每组加工特征通过工艺资源管理模块从夹具数据库选择夹具，作为第六步的输入信息；

第六步，工艺路线排序模块利用遗传算法对第三步、第四步、第五步产生的加工特征进行排序；

第七步，动态模型生成模块产生中间状态模型，以零件信息数据库中的零件信息为最初状态，毛坯设计模块设计的毛坯为最终状态，以第六步完成的加工顺序为次序，从零件到毛坯逆序地产生一系列中间状态模型，并通过三维零件管理模块保存；

第八步，工艺资源管理模块对数据库进行更新和维护，完成对工艺数据的日常维护，不断地向库中填充数据，并与第二步、第三步、第四步、第五步、第六步、第七步、第八步相互交换数据和更新数据库；

第九步，工艺尺寸计算模块对第七步的动态模型的公差尺寸链进行尺寸链校验，如果工艺路线不能满足尺寸公差要求，则回到第四步重新进行加工方法选择、定位方案选择、工艺路线排序和动态模型生成步骤；

第十步，工艺卡片管理模块根据第六步产生的加工顺序生成工艺卡片，形成一个符合国标和企业标准的工艺卡片形式送给第十一步；

第十一步，打印预览输出，工作完成。

6、根据权利要求5所述的三维可视化工艺设计方法，其特征是，第三步中，所述基于刀具切削能力的特征识别方法，包括三个步骤：

①刀具在零件表面以及毛坯表面运动，产生刀心轨迹表面；

②根据面的边界形状、尺寸对刀心轨迹表面和零件表面进行干涉判断，确定可加工该表面的刀具类型、进刀方向和大致形状；

③把具有相同加工方法、刀具尺寸和加工方向的邻接面进行聚类，形成一系列能在一个工步中切削成形的特征，即加工特征。

7、根据权利要求5所述的三维可视化工艺设计方法，其特征是，第六步中，所述利用遗传算法对第三步、第四步、第五步产生的加工特征进行排序，是指：首先通过对加工特征、以及相应的加工方法和装夹定位则这些表现型到基因型的编码，产生一个可能存在潜在解的初始种群，然后按优胜劣汰的原理，逐代演化产生越来越好的近似解，在每一代中，根据以加工时间最短为优化目标的适应度函数，评价各个体，选择适应度高的，对其进行交叉、变异操作，产生代表新解集的下一代种群，末代种群的最优个体经过解码作为近似最优解。

8、根据权利要求5所述的三维可视化工艺设计方法，其特征是，第七步中，根据上一步工序的加工内容从当前工序的对应三维模型中，利用CAD支撑平台的二次开发函数，消去经过上一步工序产生的面和加工特征，以增加零件体积的方式补上被加工去除的体积，产生上一步工序对应的零件模型，并通过三维零件管理模块保存。

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