CN109840359A - 一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，基于三维CAD软件中的视图管理功能，正序地组建框架式机加工序模型组织管理树中的树枝节点；再自最后一道树枝节点开始，通过与之关联的被标定加工特征面，按其所属特征类型，结合特征加工工艺参数集中工艺信息，应用适当的特征建模操作方法，得到与建模操作方法存在映射关系的工步模型和工序模型，其余树节点对应机加工序模型按上述过程依次生成；然后，在机加工序模型组织管理树顶层节点上再添加一道毛坯划线工序，用于校验和改进理想毛坯模型；最后基于机加工序模型组织管理树表达可视化机加工艺信息。解决单个主模型文件下轻量化组织机加工序模型和连贯构建各道机加工序模型的问题。

Description

一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法

技术领域

本发明属于计算机集成制造领域，涉及三维机加工序模轻量化组织模式及构建方法。通过在CAD软件的视图管理平台下，基于对加工特征类型进行分类，以此为依据对零件实体设计模型进行几何和拓扑的操作，从而获得三维机加工序模型，并依托构建的机加工序模型组织管理树来存储结构化机加工艺信息，打通设计制造集成链路，完成在一个模型文件下对结构化工艺信息的集成管理，辅助实现基于统一数据源的三维数字化制造过程，达到轻量化组织和合理生成三维机加工序模型的目的。

背景技术

机加工序模型作为连接设计与制造之间的纽带，是实现工艺设计和制造环节无缝集成的关键要素，因而在机加工序模型上必然存储着大量的设计与制造信息，同时，产品在进行加工工艺设计时，通常会产生大量的机加工序模型，若是结构复杂产品，此情更甚。现下，结合国内外研究进展，发现机加工序模型的组织模式基本采用树状结构化表达的方式，此组织模式按照工艺过程进展，将工艺设计时产生的各类工艺信息有机的汇总至对应树状节点上。与机加工序模型组织模式高度匹配的是机加工序模型的构建方法，不同的机加工序模型组织模式，其对应的机加工序模型构建方法一般不同。

中国专利“基于图层的零件多加工工序MBD模型及实现方法”(专利申请号：CN201510659248.3)针对三维工艺设计***中多工序模型管理的需求，提出了一种基于图层的零件多加工工序MBD模型及实现方法，此方法先产生单独的工序模型，再将多工序模型复制至一个设计部件的图层中，在图层管理器中形成工序组织管理树，对工序信息进行统一管理。此法虽可在一个模型文件下管理所有工序模型，但其组织过程中仍需生成多个单独的工序模型文件作为支撑，无法达到轻量化组织机加工序模型的目的。中国专利“一种基于正逆序结合的三维工序模型生成方法”(CN201410352581.5)提出一种基于正序逆序结合的三维工序模型生成方法，此法通过三维CAD软件中的装配管理器去构建工序组织框架树，在三维工序模型生成过程中，采用了框架节点工序模型正序人工交互设计和小工序节点工序自动逆序生成结合的方法，此方法虽能在装配管理器下统一管理机加工序模型，但亦会产生多个工序模型存储文件，且其工序模型构建方法较为繁琐，各道工序模型生成的连贯性不佳。《基于三维模型的机加工艺设计技术》(兵工自动化，2016,06)一文阐述了在识别产品加工特征的基础上，结合由特征工艺链聚合而成的工艺路线，逆向生成零件各级机加工序模型的方法，此法按照工艺路线，设计出有序的工序模型，但依旧是在单个主模型文件中以树形结构去统一管理分散存储的各道工序模型，整体模型文件数量多，统一管理需要耗费较多有效资源。

综上，在大多数关于三维机加工序模型组织模式及构建的研究中，皆是在单个主模型文件阅览界面中，通过开发或借助三维CAD软件的部分功能模块去生成树状结构化管理模型来组织各道机加工序模型上存储的工艺信息，各道机加工序模型文件成组管理。此类机加工序模型组织模式及其对应的模型构建方法，不利于机加工序模型的轻量化存储，即无法在不产生额外机加工序模型文件的前提下，在主模型文件阅览界面中动态查验各道机加工序模型及获取封装在其中的工艺信息。

发明内容

本发明的目的是针对现有机加工序模型组织模式及构建方法研究中存在的无法在一个主模型文件阅览界面中高效地生成及动态查验各道机加工序模型，获取封装在不同机加工序模型下工艺信息的操作连贯性差，不利于快速地与下游CAM实现集成制造等问题，本发明提出一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，以解决在单个主模型文件下轻量化组织机加工序模型和连贯构建各道机加工序模型的问题。

所述零件三维机加工序模型指代的是三维工艺设计过程中产生的一系列三维实体模型的总称，按照工艺层级划分，机加工序模型包含系列工序模型及对应工序模型下的工步模型，其包含关系为：工步模型工序模型机加工序模型。

为解决上述技术问题，达到发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，包括以下步骤：

(1)基于视图组建框架式机加工序模型组织管理树树枝节点：在显示零件设计模型的主模型文件阅览界面中，工艺设计人员按照特征面标识规则对工艺设计过程中涉及的特征面进行颜色标定，同时记录加工特征面序列号，按照加工特征面序列号，正序地在三维CAD软件的视图管理模块内组建框架式机加工序模型组织管理树中的树枝节点(工序模型组织节点)。

(2)逆序构建机加工序模型，初创机加工序模型组织管理树：以步骤(1)中基于视图组建框架式机加工序模型组织管理树树枝节点为输入，将最后一道树枝节点(最后一道工序模型管理节点)设为工作状态，根据步骤(1)中记录的加工特征面序列号，高亮显示与之对应的加工特征面，依据加工特征面所属加工特征类型，结合特征加工工艺参数集中相关工艺信息，应用适当的特征建模操作方法，得到工步模型和工序模型(最后一道工步模型，与树枝节点关联)，同时在机加工序模型组织管理树树枝下生成与工步模型相关联的树叶节点，建立工步模型和工序模型与特征建模操作方法间的映射关系，其余树节点上对应机加工序模型按上述过程依次逆序生成，初步完成工序模型组织结构管理树的构建。

(3)添加毛坯划线工序，完成机加工序模型组织管理树的构建：在步骤(2)完成所有树节点对应的工序模型和工步模型创建后，在此基础上额外添加一道顶层树枝节点，定义为毛坯划线工序，用于校验和改进理想毛坯模型，使之与实际毛坯模型更为匹配，便于后续CAM在加工零件毛坯时更为精准的分配加工余量。

(4)基于机加工序模型组织管理树表达可视化机加工艺信息：在上述步骤完成的基础上，基于工序模型组织管理树，在树节点属性中存储对应工序模型和工步模型所携带的机加工艺信息，同时借助三维可视化技术在三维模型实体上可视化输出机加工艺信息，便于与CAM(Computer Aided Manufacturing)进行集成，指导实际生产过程。

进一步，上述步骤(1)中所述特征面，按照其在三维工艺设计过程的作用分为：加工特征面，用来标识零件加工时需要加工到位的面；定位特征面，在零件加工前，用于限定其空间活动的且与夹具定位元件相配的面；基准特征面，属于加工特征面的一类特殊情况，用来标识制造特征先后加工顺序的面；夹紧特征面，在零件加工前，用于限定其空间活动的且与夹具夹紧元件相配的面。

进一步，上述步骤(2)中所述加工特征类型，分为单元素特征和多元素特征，所述单元素特征，即基本特征，指的是最基本最简单的加工特征，不能再进行几何拆分且具有加工意义的几何形状，包括孔特征、平面特征、曲面特征、腔槽特征、轮廓特征和过渡特征；所述多元素特征，由基本特征根据用户的定义和设置形成，如两级台阶孔和台阶腔体，用户通过在基本特征上定义孔中台阶的数量、腔体底面外环边的凹凸特性和变化数量等，完成复杂特征的用户自定义。

进一步，上述步骤(2)中所述特征建模操作方法，对单元素特征提出三种特征建模操作方法，分别为面移位法、面殒毁法和面更新法；多元素特征是单元素特征在几何拓扑结构上的拓展，故多元素特征的实体构建需综合使用面移位法、面殒毁法和面更新法来实现；针对难于界定其是否为单元素特征或多元素特征的加工特征，其形状相对较为复杂，且涉及构成加工特征的特征面较多，难于单独或综合使用面移位法、面殒毁法和面更新法来快速生成工步模型，采用特征辅助建模法。

其中，所述面移位法的具体方法是，依靠构成单元素的特征面的移位，来实现机加工序模型的生成，具体操作时，选中待操作特征面，给定移位方向，获取工艺尺寸信息中的加工余量，加工余量与特征建模参数关联，得到特征面移位量，进而生成机加工序模型；所述面殒毁法的具体方法是，依靠特征面的殒毁来实现机加工序模型的生成，具体操作时，选中待操作特征面，选中面通过延伸相邻面的拓扑结构来重构模型，得到机加工序模型；所述面更新法的具体方法是，依靠数据结构中拓扑与几何相分离的特性，对某面做变形操作时，此面边界能依据某种方式更新计算后再生成，使得操作面在经过几何修改后仍能保持拓扑结构的完整性；所述特征辅助建模法的具体方法是，通过借助通用三维CAD软件中的草图绘制功能，基于投影等辅助操作，快速获得特征面在某一投影方向上的轮廓曲线，再将开放式轮廓曲线补充至封闭式轮廓曲线，应用拉伸，回转等常规实体建模操作方法，快速的得到零件工步模型。

进一步，上述步骤(2)中所述逆序构建机加工序模型，初创机加工序模型组织管理树，其构建过程为：首先，将最后一道工序模型依附树枝节点设置为工作状态，即该工序下待加工的特征面全部高亮显示，在确定特征加工特征类型，获得特征建模操作方法后，将特征工艺信息集中特征加工工艺参数中包含的加工余量信息和特征建模操作记录中保存的特征建模参数信息做关联操作，进而构建零件最后一道工序下的所有工步模型，最后一道工步模型即其所属工序的工序模型；其次，在生成所有工步模型后，聚合特征建模操作记录，结合机加工序模型组织管理树树叶节点命名规则，设计每道树叶节点的名称，即工步名称，同时在对应树枝节点下批量生成树叶节点；然后，进入上道工序模型的设计环节，此时，下道工序模型中所有与工步模型构建相关的特征建模操作方法全部执行，在此基础上，重复下道工序模型中生成工步模型的操作，完成本道工序中工序模型的完整创建，其余工序中的工序模型的生成循环同样的操作过程来实现，初步完成工序模型组织结构管理树的构建。

进一步，上述步骤(3)中所述添加毛坯划线工序，完成机加工序模型组织管理树的构建，其构建过程为：以步骤(2)中初步构建完成的工序模型组织管理树中最上一道树枝节点中保留的工序模型为输入，此工序模型即为理想毛坯模型，在原有工序模型组织结构树的最上层树枝节点上再添加一道树枝节点，命名为毛坯划线工序，接着对实际批量毛坯进行毛坯工艺尺寸的统计分析，获得中性毛坯工艺尺寸，通过对比理想毛坯模型上的工艺尺寸，对输入到此树节点中的理想毛坯模型进行修正，使用步骤(2)中描述的特征建模操作方法，将理想毛坯模型更新至具有中性毛坯尺寸的毛坯模型。

进一步，上述步骤(4)中所述基于机加工序模型组织管理树表达可视化机加工艺信息，其构建过程为：在工序模型和工步模型中，对其中易于用抽象符号来表达的工艺信息采用符号化的注释方法进行注解，如各类标准的工艺信息，如加工操作余量、尺寸参数、公差和行业应用符号；一些不宜符号化的信息采用自然语义的方式标注在视图中，表达的工艺信息可实际保存于工序组织结构树节点中；符号化方法的表达形式包括转义字符、图标、动态图、矢量图和定制图像，当在一个主模型文件中，创建了完整的机加工序模型组织管理树后，将包含三维模型建模信息及封装在其中的工艺信息的主模型文件转置为中性模型文件，例如STEP格式文件，接着利用现有的PDM管理软件对中性模型文件进行解析，获取相应的工艺信息，用于技术存档。

本发明的有益效果是：

1、本发明首次提出使用三维建模软件的视图管理模块来构建轻量化的三维机加工序模型组织模式，工艺设计人员可在一个主模型文件阅览界面中动态查验各道机加工序模型，便于对机加工艺信息进行统一管理，实现机加工序模型的轻量化存储。

2、本发明提出一种新的机加工序模型组织管理树的构建形式，根据加工特征面属性中的特征序列号，先在视图管理器中正向批量地生成机加工序模型管理树中树枝节点(工序模型依附节点)，再逆向自管理树底层树枝节点开始，逐级批量地生成各树枝节点下的树叶节点(工步模型依附节点)，各类机加工艺信息皆在机加工序模型组织管理树中保存，此种构建形式方便快捷，便于在不同软件平台下实现，规范工艺设计过程。

3、本发明提出面向普通机加工特征的三维成形方法，通过将加工特征面进行分类组合成单元素特征和多元素特征，结合单元素特征建模法(通过特征建模操作来实现)，其原理是通过对B-Rep格式的实体模型进行几何和拓扑的操作，来实现各道机加工序模型的快速生成。

4、本发明提出建立特征建模操作与机加工序模型组织管理树中各树枝节点(工序模型组织节点)和其下各树叶节点(工步模型组织节点)间的关联关系，通过对树节点的操作来执行或抑制特征建模操作，从而达到在一个主模型文件中动态查验各道工序模型及其下工步模型的目的。

5、本发明提出在传统三维工艺设计过程中设计工艺路线时，额外添加一道顶层工序，即毛坯划线工序，用于校验和改造理想毛坯模型，使之与实际毛坯模型更为匹配，使得后续CAM模块在加工零件毛坯时生成的刀路轨迹最大限度的贴近实际工况。

附图说明

图1：面向集成制造的三维机加工序模型轻量化组织模式及构建方法总体流程图；

图2：特征面颜色标定与加工特征面序列号赋值界面；

图3：机加工序模型组织管理树中工序模型树节点创建界面；

图4：批量生成工序模型树节点实例效果图；

图5：单元素特征分类图；

图6：多元素特征分类图；

图7：特征辅助建模法应用效果图；

图8：聚合特征建模操作生成工步模型树节点界面；

图9：机加工序模型创建流程图；

图10：划线毛坯工序的布置及最终的毛坯模型示意图；

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明做出详细说明：该实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，实施例中三维工艺设计软件为NX(Unigraphics NX，交互式CAD/CAM***)，实施例中涉及的几何尺寸单位均为毫米。

在该工序模型轻量化组织与构建方法中，首先，工艺设计人员按照工序的先后顺序，在零件设计模型上按照特征面标识规则对不同工序下存在的特征面进行颜色标定，并对同一工序下的加工特征面赋予相同的加工特征面序列号，根据加工特征面序列号，正序地在NX视图管理模块组件组建框架式机加工序模型组织管理树中的树枝节点(工序模型关联节点)，此方式既符合现有工艺设计规范，又兼顾三维工艺设计的特点，能够快速设计零件的初步工艺路线；其次，逆序构建完整的三维机加工序模型，将最后一道树枝节点设为工作状态，通过与之绑定的加工特征面序列号，高亮显示加工特征面，依据加工特征面所属加工特征类型，结合特征工艺信息集中相关工艺信息，应用适当的特征建模操作方法，得到工步模型和工序模型(最后一道工步模型，与树枝节点关联)，同时在机加工序模型组织管理树树枝下生成与工步模型相关联的树叶节点，建立工步模型和工序模型与特征建模操作方法间的映射关系，其余树节点上对应机加工序模型按上述过程依次逆序生成，初步完成工序模型组织结构管理树的构建，此过程连贯无冗余，执行效率高，工艺信息在逐级传递过程中不易丢失；然后，在完成所有树节点对应的工序模型和工步模型创建的基础上，额外添加一道顶层树枝节点，定义为毛坯划线工序，用于校验和改进理想毛坯模型，使之与实际毛坯模型更为匹配；最后，在上述步骤完成的基础上，基于工序模型组织管理树，在树节点属性中存储对应工序模型和工步模型所携带的机加工艺信息，同时借助三维可视化技术在三维模型实体上可视化输出这类机加工艺信息，便于与CAM进行集成，指导实际生产过程。

所述特征面，即构成三维机加工序模型的独立几何面，零件各类制造特征皆由特征面所组成，如通孔特征，其特征面为内圆柱面，若为盲孔特征，则其特征面为内圆柱面和底平面。特征面按照其在三维工艺设计过程的作用，可分为：加工特征面，用来标识零件加工时需要加工到位的面；定位特征面，在零件加工前，用于限定其空间活动的且与夹具定位元件相配的面；基准特征面，属于加工特征面的一类特殊情况，用来标识制造特征先后加工顺序的面；夹紧特征面，在零件加工前，用于限定其空间活动的且与夹具夹紧元件相配的面。

所述特征工艺信息集包含两大子集，一类为特征加工工艺参数集，另一类为特征建模操作记录集，经工艺设计后形成的完整特征工艺信息封装在机加工艺结构管理树下对应于工序模型和工步模型的树状节点中，其集合表现形式为：

特征加工工艺参数集∪特征建模操作记录集＝特征工艺信息集

所述特征加工工艺参数集主要包含零件特征属性信息和工艺尺寸信息，特征属性信息用于记录特征的描述信息，诸如特征边数、邻接特征数目、特征面颜色、特征面序列号等内容；工艺尺寸信息主要包括零件设计模型和各道机加工序模型上所携带的表面粗糙度、加工尺寸、形位公差、定位基准、加工余量及技术要求等。

所述特征建模操作记录集主要保存构建三维实体加工特征时的建模信息，具体包括特征建模操作方法、特征构建参数和特征构建面素信息等内容。

所述特征加工工艺参数集和特征建模操作记录集中存储的部分工艺信息元素间存在关联关系，如构建一简单的平面特征实体模型，需将零件特征加工工艺参数(加工余量)和特征建模操作记录(特征建模参数)做关联操作。

如图1所示，为本发明的一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，包括以下步骤：

步骤一、基于视图组建框架式机加工序模型组织管理树树枝节点：

在NX建模环境下，显示零件设计模型的主模型文件阅览界面中，工艺设计人员按照特征面标识规则对工艺设计过程中涉及的特征面进行颜色标定，同时记录加工特征面序列号，按照加工特征面序列号，正序地在NX的视图管理模块内组建框架式机加工序模型组织管理树中的树枝节点(工序模型管理节点)。期间，对特征面的颜色标定和树枝节点的命名皆有相应的规则来制约，以便更为清晰高效地生成机加工序模型组织管理树树枝节点。

一次完整的机加工艺设计过程通常包含多道工序内容的设计，一道工序下往往包含多个制造特征，将每道工序下包含的所有与制造特征相关的特征面依工序顺序进行颜色标定，在本实例中，其标定规则为：加工特征面(绿色)、定位特征面(蓝色)、基准特征面(橙色)、夹紧特征面(紫色)，不同企业可根据自身需求调整特征面标定颜色。

当对一道工序下所有加工特征面进行标定后，为其下所有加工特征面的特征属性中添加加工特征面序列号属性值(隶属于同一工序下的加工特征面其值一致)，序列号范围为1—100之间的整数，实现形式为顺次递增，递增步长为1。在此赋值过程中，存在特例，即某加工特征面可能分步在不同的工序环节中进行加工制造，此时需对加工特征面进行重复标定，其特征面序列号值将进行复合性的叠加绑定生成复合特征面序列号，例如某加工特征面分别出现在工序6和8中，则其最后的特征面序列号值为6/8。特征面颜色标定与加工特征面序列号赋值界面参见图2。

当对工艺设计过程中的所有工序，按照加工顺序标定其加工特征面且赋予其加工特征面序列号后，在操作结果可视化输出界面中顺次列出加工特征面序列号(或存在复合特征面序列号，此时将其解组为单特征面序列号)，对不同的特征面序列号，顺次输入工序名称，该过程操作参见图3。在NX建模环境下的视图管理器中结合机加工序模型组织管理树树节点命名规则，批量生成工序组织管理树树枝节点(工序模型关联节点)，该过程的实现效果参见图4，其中，基于实施例是在NX视图管理器下生成的，视图管理器下存储节点是并行的，可通过对树节点制定相应的命名规则，从而实现树形组织管理工序模型的效果，若另外开发一个树节点管理工具，此套命名方式亦适用。

所述机加工序模型组织管理树树节点命名规则为：管理树根节点的命名方式要求能直观地反应待加工零件的工艺内容、工艺级别和工艺名称，工艺内容按照主要加工方式的不同可分为：机加工艺(JJ)、热处理工艺(RC)、铸造工艺(ZG)、锻造工艺(DZ)和焊接工艺(HJ)等；工艺级别按照加工阶段的不同可分为：正式级(ZS)、试制级(SZ)和返修级(FX)。其具体命名规则为：“工艺标识码”+“顺序流水码”+“工艺名称”，工艺标识码为“工艺内容”+“工艺级别”的码值组合，流水码为“000000”至“999999”的正整数，跨度步长为1，例如实施例，表达连杆机加正式工艺，则其工艺名全称为：JJZS000001(连杆机加正式工艺)。

机加工序模型组织管理树树枝节点表达零件加工时的工序内容，其命名规则为：“工艺依附码”+“顺序工序号码”+“操作码”+“工序名”，工艺依附码表达工序所属工艺，其值取工艺标识码的第一位和第三位，顺序工序号码为“005”至“100”，跨度为5的数字码，操作码按照工序活动划分可分为领料操作(OPLL)、机加操作(OPJJ)、数控操作(OPSK)、检验操作(OPJY)和热处理操作(OPRC)等。例如连杆第一道工序采用数控操作加工连杆一侧端面，且正式用于生产制造，则其工序名全称表示为：JZ_005_OPSK(数控加工连杆身大小端面)。

机加工序模型组织管理树树叶节点表达零件加工时的工步内容，其命名规则为：“工序依附码”+“顺序工步号码”+“工步名”，工序依附码表达工步所属工序，其值取工序名全部码值，顺序工步号码为“GB001”至“GB999”，跨度为1，例如数控加工连杆大小端面时，粗加工连杆大端面，其工步名称全称为：JZ_005_OPSK_GB001(粗铣连杆大端面)。

步骤二、逆序构建机加工序模型，初创机加工序模型组织管理树：

以步骤一中基于视图组建框架式机加工序模型组织管理树树枝节点为输入，将最后一道树枝节点(最后一道工序模型管理节点)设为工作状态，通过与之绑定的加工特征面序列号，高亮显示加工特征面，依据加工特征面所属加工特征类型，结合特征加工工艺参数集中相关工艺信息，应用适当的特征建模操作方法，得到工步模型和工序模型，同时建立工步模型和工序模型与特征建模操作方法间的映射关系，其余树节点上对应机加工序模型按上述过程依次逆序生成，初步完成工序模型组织结构管理树的构建。

机加工序模型组织管理树树枝下树叶节点，用于存储和管理一道工序模型下所包含的工步模型，工步模型主要反映零件上加工特征类型所包含的加工信息，加工特征由加工特征面构成，加工特征类型可分为单元素特征和多元素特征。

所述单元素特征：主要指最基本最简单的加工特征，不能再进行几何拆分且具有一定加工意义的几何形状，包括孔特征、平面特征、曲面特征、腔槽特征、轮廓特征和过渡特征等，具体分类情况参见图5。

所述多元素特征：由基本特征根据用户的定义和设置形成的，如两级台阶孔、台阶腔体等。用户可以通过在基本特征上定义孔中台阶的数量、腔体底面外环边的凹凸特性和变化数量等，完成复杂特征的用户自定义。这样就为用户自定义特征提供了极大的自由性，可以根据不同类型零件自定义特征，具体分类情况参见图6。

通过对B-Rep格式的实体模型进行几何和拓扑的操作，对单元素特征提出如下特征建模操作方法：

1、面移位法：依靠构成单元素的特征面的移位，来实现机加工序模型的生成，其操作过程为：选中待操作特征面，给定移位方向，获取工艺尺寸信息中的加工余量，由于加工余量与特征建模参数关联，故得到特征面移位量，进而生成机加工序模型。一般曲面的参数方程可表示为：

z＝f(x，y) (a)

(a)式中x与y为自由维度，故可引入自由参量u和v，使得：x＝x(u，v)，y＝y(u，v)。进而(a)式可转化为：

z＝f(x，y)＝f(x(u，v)，y(u，v)) (b)

将(b)式记为z＝z(u，v)，则曲面方程可化为：

F(u，v)＝(x，y，z)＝(x(u，v)，y(u，v)，z(u，v)) (c)

在此基础上，面移位的数学表达模型为：

T(u，v)＝O(u，v)+k×M(u，v) (d)

(d)式中，T(u，v)为移位后的面，O(u，v)为移位前的面，k为移位系数(移位量)，M(u，v)为面移位法向量。此法适用于加工过程中，不改变原先特征面拓扑结构的情况下使用，如简单平面经此法操作后仍是简单平面。

2、面殒毁法：依靠特征面的殒毁来实现机加工序模型的生成，其操作过程为：选中待操作特征面，选中面通过延伸相邻面的拓扑结构来重构模型，得到机加工序模型。

面殒毁法可控制特征加工面的存在情况，应用于加工特征在零件加工过程中初次出现的情况，诸如实体模型上产生的孔和规则内腔等特征，此方法合理地描述了实际加工过程中对加工特征进行开粗的操作。面殒毁后，可通过延伸相邻面或采用曲面替换、曲面缝等手段来进一步得到所需机加工序模型，在此过程中，要对新得模型的拓扑结构进行查验，以防拓扑结构损毁。

3、面更新法：依靠数据结构中拓扑与几何相分离的特性，对某面做变形操作时，此面边界能依据某种方式更新计算后再生成，使得操作面在经过几何修改后仍能保持拓扑结构的完整性。面更新法主要用于已加工特征面在经过更新还原到未加工面时，其几何拓扑结构发生变化的情况下使用，特别适用于辅助元素特征的更新操作，如将带有圆角面或倒角面的工序模型更新为加工前不带圆角面或倒角面的工序毛坯模型。

由前述可知，多元素特征可以看作是单元素特征在几何拓扑结构上的拓展，故而多元素特征的实体构建可综合使用面移位法、面殒毁法和面更新法来实现。针对难于界定其是否为单元素特征或多元素特征的加工特征，其形状相对较为复杂，且涉及构成加工特征的特征面较多，难于应用上述3种方法快速生成工步模型，可采用特征辅助建模法。

所述特征辅助建模法：通过借助通用三维CAD软件中的草图绘制功能，基于投影等辅助操作，快速获得特征面在某一投影方向上的轮廓曲线，再将开放式轮廓曲线补充至封闭式轮廓曲线，应用拉伸，回转等常规实体建模操作方法，快速的得到零件工步模型。其应用实例参见对实施例中齿形面的实体特征创建过程，如图7所示。

最后一道工序模型下工步模型的生成过程：首先，将最后一道工序模型依附树枝节点设置为工作状态，即该工序下待加工的特征面全部高亮显示，在确定特征加工特征类型，获得特征建模操作方法后，将特征工艺信息集中特征加工工艺参数(加工余量)和特征建模操作记录(特征建模参数)做关联操作，进而构建零件最后一道工序下的所有工步模型(最后一道工步模型即其所属工序的工序模型)；其次，在生成所有工步模型后，聚合特征建模操作记录，结合按照步骤一中所述的机加工序模型组织管理树树叶节点命名规则，设计每道树叶节点的名称(工步名称)，最后在对应树枝节点下批量生成树叶节点，该过程的实现参见图8。

其余工序模型及工步模型的生成过程：当设计完最后一道工序模型后，进入上道工序模型的设计环节，此时，下道工序模型中所有与工步模型构建相关的特征建模操作方法全部执行，再此基础上，重复下道工序模型中生成工步模型的操作，完成本道工序中工序模型的完整创建。其余工序中的工序模型皆按上述方法操作实现，初步完成工序模型组织结构管理树的构建。其完整生成流程参见图9。

步骤三、添加毛坯划线工序，完成机加工序模型组织管理树的构建：

在步骤二完成所有树节点对应的工序模型和工步模型创建后，在此基础上额外添加一道顶层树枝节点，定义为毛坯划线工序，用于校验和改进理想毛坯模型，使之与实际毛坯模型更为匹配。此步骤意义在于对后续CAM模块在进行毛坯加工时，纠正初始刀路轨迹，防止工艺设计环节生成的毛坯模型与实际毛坯模型间存在较大的毛坯工艺尺寸误差，导致实际加工过程中，发生过切或多次走空刀的现象。毛坯划线工序的命名规则为(其中依附码与操作码同步骤一中描述的一致)：“工艺依附码”+“000”+“操作码”+“工序名”，JZ_000_OPJJ(毛坯划线工序)。

该步骤的操作过程为：以步骤二中初步构建完成的工序模型组织管理树中最上一道树枝节点中保留的工序模型(理想毛坯模型)为输入，在原有工序模型组织结构树的最上层树枝节点上再添加一道树节点，命名为毛坯划线工序，通过对实际批量毛坯进行毛坯工艺尺寸的统计，获得中性毛坯工艺尺寸，通过与理想毛坯模型上工艺尺寸的对比，对输入到此树节点中的理想毛坯模型进行修正，通过步骤二中描述的特征建模操作方法，将理想毛坯模型更新至具有中性毛坯尺寸的毛坯模型，毛坯划线工序的命名及最终的毛坯模型参见图10。

步骤四、基于机加工序模型组织管理树表达可视化机加工艺信息：

在上述步骤完成的基础上，基于工序模型组织管理树，在树节点属性中存储对应工序模型和工步模型所携带的机加工艺信息，同时借助三维可视化技术在三维模型实体上可视化输出这类机加工艺信息，便于与CAM(Computer Aided Manufacturing)进行集成，指导实际生产过程。

基于机加工序模型组织管理树表达可视化机加工艺信息，其过程是：为能清晰表达分布于工序与工步模型中较为复杂的工艺信息，减少工艺设计人员与后续生产制造人员对工艺内容理解的耦合性，提高制造企业不同部门之间进行信息交流的有效性，在工序模型和工步模型中，对其中易于用抽象符号来表达的工艺信息采用符号化的注释方法进行注解，如各类标准的工艺信息，如加工操作余量、尺寸参数、公差、行业应用符号等；一些不宜符号化的信息采用自然语义的方式标注在视图中。表达的工艺信息可实际保存于工序组织结构树节点中。符号化方法可采用，转义字符、图标、动态图、矢量图、定制图像等各类形式。

当在一个主模型文件中，创建了完整的机加工序模型组织管理树后，可将包含模型建模信息及封装在其中的工艺信息的主模型文件转置为中性模型文件(STEP格式文件)，利用现有的PDM(Product Date Management)管理软件，开发相应的工具，对中性模型文件进行解析，获取相应的工艺信息，用于技术存档，积累数字化的历史工艺信息，为后续三维工艺智能化设计做有用的数据积累。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (8)

1.一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、基于视图组建框架式机加工序模型组织管理树树枝节点，在显示零件设计模型的主模型文件阅览界面中，工艺设计人员按照特征面标识规则对工艺设计过程中涉及的特征面进行颜色标定，同时记录加工特征面序列号，按照加工特征面序列号，正序地在三维CAD软件的视图管理模块内组建框架式机加工序模型组织管理树中的树枝节点；

步骤二、逆序构建机加工序模型，初创机加工序模型组织管理树，以步骤一中基于视图组建框架式机加工序模型组织管理树树枝节点为输入，将最后一道树枝节点设为工作状态，根据步骤一中记录的加工特征面序列号，高亮显示与之对应的加工特征面，依据加工特征面所属加工特征类型，结合特征加工工艺参数集中相关工艺信息，应用适当的特征建模操作方法，得到工步模型和工序模型，同时在机加工序模型组织管理树树枝下生成与工步模型相关联的树叶节点，建立工步模型和工序模型与特征建模操作方法间的映射关系，其余树节点上对应的机加工序模型亦按此过程依次逆序生成，初步完成工序模型组织结构管理树的构建；

步骤三、添加毛坯划线工序，完成机加工序模型组织管理树的构建，在步骤二完成所有树节点对应的工序模型和工步模型创建后，在此基础上额外添加一道顶层树枝节点，定义为毛坯划线工序，用于校验和改进理想毛坯模型，使之与实际毛坯模型更为匹配，便于后续CAM在加工零件毛坯时更为精准的分配加工余量；

步骤四、基于机加工序模型组织管理树表达可视化机加工艺信息，在步骤一、二、三完成的基础上，基于工序模型组织管理树，在树节点属性中存储对应工序模型和工步模型所携带的机加工艺信息，同时借助三维可视化技术在三维模型实体上可视化输出机加工艺信息。

2.根据权利要求1所述一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征在于：步骤一中所述特征面，按照其在三维工艺设计过程的作用分为：加工特征面，用来标识零件加工时需要加工到位的面；定位特征面，在零件加工前，用于限定其空间活动的且与夹具定位元件相配的面；基准特征面，属于加工特征面的一类特殊情况，用来标识制造特征先后加工顺序的面；夹紧特征面，在零件加工前，用于限定其空间活动的且与夹具夹紧元件相配的面。

3.根据权利要求1所述一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征在于：步骤二中所述加工特征类型，分为单元素特征和多元素特征，所述单元素特征，即基本特征，指的是最基本最简单的加工特征，不能再进行几何拆分且具有加工意义的几何形状，包括孔特征、平面特征、曲面特征、腔槽特征、轮廓特征和过渡特征；所述多元素特征，由基本特征根据用户的定义和设置形成，如两级台阶孔和台阶腔体，用户通过在基本特征上定义孔中台阶的数量、腔体底面外环边的凹凸特性和变化数量等，完成复杂特征的用户自定义。

4.根据权利要求1所述一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征在于：步骤二中所述特征建模操作方法，对单元素特征提出三种特征建模操作方法，分别为面移位法、面殒毁法和面更新法；多元素特征是单元素特征在几何拓扑结构上的拓展，故多元素特征的实体构建需综合使用面移位法、面殒毁法和面更新法来实现；针对难于界定其是否为单元素特征或多元素特征的加工特征，其形状相对较为复杂，且涉及构成加工特征的特征面较多，难于单独或综合使用面移位法、面殒毁法和面更新法来快速生成工步模型，采用特征辅助建模法。

5.根据权利要求4所述一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征在于：所述面移位法的具体方法是，依靠构成单元素的特征面的移位，来实现机加工序模型的生成，具体操作时，选中待操作特征面，给定移位方向，获取工艺尺寸信息中的加工余量，加工余量与特征建模参数关联，得到特征面移位量，进而生成机加工序模型；所述面殒毁法的具体方法是，依靠特征面的殒毁来实现机加工序模型的生成，具体操作时，选中待操作特征面，选中面通过延伸相邻面的拓扑结构来重构模型，得到机加工序模型；所述面更新法的具体方法是，依靠数据结构中拓扑与几何相分离的特性，对某面做变形操作时，此面边界能依据某种方式更新计算后再生成，使得操作面在经过几何修改后仍能保持拓扑结构的完整性；所述特征辅助建模法的具体方法是，通过借助通用三维CAD软件中的草图绘制功能，基于投影等辅助操作，快速获得特征面在某一投影方向上的轮廓曲线，再将开放式轮廓曲线补充至封闭式轮廓曲线，应用拉伸，回转等常规实体建模操作方法，快速的得到零件工步模型。

6.根据权利要求1所述一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征在于：步骤二中所述逆序构建机加工序模型，初创机加工序模型组织管理树，其构建过程为：首先，将最后一道工序模型依附树枝节点设置为工作状态，即该工序下待加工的特征面全部高亮显示，在确定特征加工特征类型，获得特征建模操作方法后，将特征工艺信息集中特征加工工艺参数中包含的加工余量信息和特征建模操作记录中保存的特征建模参数信息做关联操作，进而构建零件最后一道工序下的所有工步模型，最后一道工步模型即其所属工序的工序模型；其次，在生成所有工步模型后，聚合特征建模操作记录，结合机加工序模型组织管理树树叶节点命名规则，设计每道树叶节点的名称，即工步名称，同时在对应树枝节点下批量生成树叶节点；然后，进入上道工序模型的设计环节，此时，下道工序模型中所有与工步模型构建相关的特征建模操作方法全部执行，在此基础上，重复下道工序模型中生成工步模型的操作，完成本道工序中工序模型的完整创建，其余工序中的工序模型的生成循环同样的操作过程来实现，初步完成工序模型组织结构管理树的构建。

7.根据权利要求1所述一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征在于：步骤三中，所述添加毛坯划线工序，完成机加工序模型组织管理树的构建，其构建过程为：以步骤二中初步构建完成的工序模型组织管理树中最上一道树枝节点中保留的工序模型为输入，此工序模型即为理想毛坯模型，在原有工序模型组织结构树的最上层树枝节点上再添加一道树枝节点，命名为毛坯划线工序，接着对实际批量毛坯进行毛坯工艺尺寸的统计分析，获得中性毛坯工艺尺寸，通过对比理想毛坯模型上的工艺尺寸，对输入到此树节点中的理想毛坯模型进行修正，使用步骤二中描述的特征建模操作方法，将理想毛坯模型更新至具有中性毛坯尺寸的毛坯模型。

8.根据权利要求1所述一种三维机加工序模型轻量化组织模式的构建方法，其特征在于：步骤四中，所述基于机加工序模型组织管理树表达可视化机加工艺信息，其构建过程为：在工序模型和工步模型中，对其中易于用抽象符号来表达的工艺信息采用符号化的注释方法进行注解，如各类标准的工艺信息，如加工操作余量、尺寸参数、公差和行业应用符号；一些不宜符号化的信息采用自然语义的方式标注在视图中，表达的工艺信息可实际保存于工序组织结构树节点中；符号化方法的表达形式包括转义字符、图标、动态图、矢量图和定制图像，当在一个主模型文件中，创建了完整的机加工序模型组织管理树后，将包含三维模型建模信息及封装在其中的工艺信息的主模型文件转置为中性模型文件，例如STEP格式文件，接着利用现有的PDM管理软件对中性模型文件进行解析，获取相应的工艺信息，用于技术存档。