0 引言

    由于數字化制造技術的快速發展，復雜的產品零件對三維工藝模型的需求及其更新替代頻率增強，目前三維模型的設計、制造、仿真數字樣機技術已成為制造業的主流，三維模型貫穿了整個產品全生命周期。但是大多數設計軟件以三維建模為主，工藝圖樣還在使用二維圖，操作人員需要花費時間理解圖樣內容，有時產生歧義。而且產品的二維工序圖與三維模型沒有關聯性，當設計模型發生改變時，下游的工藝設計部門有可能使用舊的工序圖樣指導生產加工，從而造成加工零件的報廢。

    為了便于加工操作者識圖，提高理解圖形的效率，同時縮短產品的加工時間，加工制造過程中引人三維工藝模型。西北工業大學的黃瑞采用基于子圖同構的方式，在當前二維工序圖與三維模型的各個方向投影相對比，重構當前工序的三維模型。陳剛應用本體理論，將工藝信息模型和建模信息模型相映射，生成三維工序模型。石云飛提出一個工藝語義驅動的三維模型構建系統框架，以數字化工藝卡片為研究對象，將工藝語義映射到工序圖中，完成三維工序模型的構建。有些研究基于MBD技術生成了零件工藝模型，在三維模型上添加尺寸從而消除了使用二維圖，但是比標注尺寸到工序工程圖，沒有減少制圖時間，反而引發了三維模型圖樣的“刺猬”現象。

    本文采用同步建模技術，快速地生成產品的三維工藝模型并且與設計模型有很好的關聯性。首先從三維設計模型中提取的設計特征將其轉化為加工特征，實現模型間的數據統一;再根據工藝規則將加工特征歸類、排序生成加工零件的工藝過程路線；然后以該路線的逆過程中每道工序的加工特征和加工余量設計工序模型及毛坯模型，實現三維工藝模型的快速生成。

    1 工藝過程路線規劃

    工藝過程路線規劃的最有效方式是利用零件設計模型，將基于特征設計的建模方法與加工方法相關聯，將設計特征映射為加工特征并用于規劃工藝路線。

    1.1 加工特征的提取

    設計特征是幾何、拓撲和功能基元組合的一個實體，在設計、分析和加工過程中使用，也是產品的局部形狀[5]，它也是幾何形狀及功能的抽象，包括幾何尺寸、材料特征、公差、表面粗糙度和精度等;而加工特征是幾何形狀與加工相關的信息集，包括了該幾何特征的加工方法、加工設備、加工屬性等。

    為了將設計特征轉化為加工特征，需要從設計零件模型中提取產品的幾何信息確定零件的加工區域，判斷構成零件的基本幾何要素：曲面（圓柱面、圓錐面等）、平面等;并識別幾何特征類型(孔、槽、倒角、鍵槽、螺紋等）。根據零件模型的設計過程表示出的特征樹，在設計零件時，先畫主特征，然后在此基礎上添加輔特征，如倒角、圓角、鍵槽等。將零件設計過程中拉伸、旋轉、掃略等建模方法與工藝設計中的加工方法相映射，例如:拉伸可以對應車、銑、鉆、磨等加工方法，旋轉對應車和磨，在建模過程掃略通常為非規則幾何體，在制造加工過程中作為非加工表面。表1說明了將車削加工方法與旋轉建模方法的映射關系。

    表1 三維建模方法與機械加工方法的映射

    根據上述方法得到的加工特征，將其分為可以加工的簡單特征和多個簡單特征相交的復合特征，實現了加工特征的提取。這種基于特征的建模方法描述了零件的幾何信息和拓撲幾何信息，能夠快速轉換為加工特征[7]。

    1.2 工藝過程路線的生成

    根據提取加工特征類型、加工精度和材料特性，結合產品的生產質量要求，參考現有的加工能力選擇加工設備，確定加工方法。然后以加工特征為核心對其歸類、合并生成包含加工該特征所需要的加工參數等信息的加工元，在工藝規則約束下制定工藝路線。

    工藝加工規則包括先粗后細，同一個特征需要不同的加工工序，才能達到設計的精度要求，如先粗加工，半精加工、精加工、磨削等;先基準，確定加工基準是保證零件的加工精度;先主后輔，先加工主要特征再加工依附在其上的倒角、圓角、鍵槽等。滿足上述工藝規則的加工排序，保證生產出合格的產品，生成宏觀指導生產的工藝路線，為快速建立三維工藝模型提供依據。

    2 三維工藝模型的建立

    零件的工藝過程是由多個工序按一定的順序組成的，在確定了加工路線后，就要逐步細化每一個工序的工藝內容。按照每一個工序中加工特征類型所需要的加工方法確定加工余量、選擇機床和刀具，將整個加工過程離散為毛坯模型、工序模型、工步模型等各個加工階段所需要的模型。

    2.1 毛坯模型

    毛坯類型主要有鑄造和鍛造成型這兩大類，鑄造的毛坯一般為箱體零件，鍛造的毛坯通常為旋轉和連接件。應用逆向生成毛坯模型的方法是根據加工工藝路線的逆過程，由零件到毛坯，將每道工序的加工特征，通過刪除、抑制設計模型上的特征，修改增添每道工序的加工余量，一步一步生成毛坯模型。每一個工序對應的工藝信息都有據可依，不會由于人為疏忽而出現設計余量不足，可以方便、快捷、準確地設計出需要的毛坯模型。

    2.2 工序模型

    機械加工工藝過程中由毛坯到零件的每道工序都會形成一個中間狀態模型稱為工序模型。3D工序模型明確表達本道工序加工特征的類型、加工基準、零件的裝夾方式以及加工參數等。根據加工特征上的幾何尺寸和加工精度，設置工藝參數，如車床轉速、刀具進給量、下刀位置及刀具的走刀方向等，從而自動獲取加工信息生成工序模型。

    為了保證加工精度，在一次裝夾中加工多個特征，需要定義每個工步的加工內容。由若干個工步構成每道工序，識別加工特征類型，關聯建模位置，生成用于可視化加工的工步模型。在加工過程中有些特征在零件模型中不存在，但是為了加工裝夾或毛坯設計需要添加特征(凸臺、加強筋、冒口等），需要在工步模型中重構該特征。將每一步的加工信息與建模方法相映射，自動獲取加工余量作為建模參數，以工藝信息驅動建模，通過偏移、抑制特征、重構等方法生成工步模型，如表2所示。

    表2 工藝信息與建模信息相映射

    2.3 三維工藝模型的實現

    根據工藝路線生成N道工序，應用同步建模技術將每道工序模型的加工特征，映射為三維建模系統中的工藝模型，如果加工工序為0時生成毛坯模型，不為0時生成該道工序的三維模型如圖1所示。同步建模技術是在參數化、歷史記錄建模的基礎上的飛躍，不考慮模型是怎樣構造的，主要是修改模型的三維實體建模技術，它包括移動面、抽取面、替換面、修改面的尺寸、刪除面、偏置區域等改變面的特征，調整倒角和圓角的大小等細節特征，幾何約束變換和尺寸約束，截面編輯等命令操作。

    在機械加工的過程中，零件的特征變化多為面的偏置和特征的布爾運算，所以毛坯模型和工序模型與零件模型是相似的。依據設計模型創建每道工序模型并與其相關聯，當設計模型發生更改時，其相關的工序模型也將發生相應改變。應用同步建模技術修改模型不需設計建模的經驗，很適合機械切削加工的特性。

    3 應用實例

    電動機的軸類零件，下料的毛坯模型均為一定尺寸的圓柱體，通過切削外圓表面，加工出符合設計要求的臺階面、倒角和鍵槽等。毛坯模型設計有兩種方法，一種是三維設計軟件按最大包容原則，設置合理加工余量，進行零件加工毛坯設計，導人零件CAD模型，將毛坯模型與CAD模型進行比對，識別待加工特征，按加工順序建立工序模型。另一種方法是由零件到毛坯的過程逆推，通過刪除、抑制零件模型的特征，應用同步建模技術增添每個工序的加工余量，快速生成工序模型。本文采用后一種方法，通過零件模型的逆推過程，下一道工序模型在本道工序模型的基礎上進行修改，這樣由加工特征將零件模型、工序模型和毛坯模型相關聯。

    應用VC6.0開發了三維工藝設計模塊，基于NX/OpenAPI遍歷建模特征，輸出設計特征和其定位尺寸和大小參數，將建模方法與加工方法相關聯。然后根據尺寸精度等技術要求將設計特征轉換為加工特征，依據工藝知識和加工經驗添加熱處理等工序，可生成完整的工藝路線，如圖2所示。然后，工藝設計師以圖2生成工藝路線的逆過程為指導，確定該道工序加工的特征，選擇加工設備、設置加工參數和裝夾方式和定位基準。應用同步建模技術以工序的加工余量作為建模參數，在零件模型上偏移依次生成加工過程中的動態工步模型最終生成該道工序的工序模型，直至毛坯模型。如圖3是捶式破碎機軸加工的第一道工序，工序名稱為粗加工軸零件端面和外圓，以逆推的方式構建工藝模型，該道工序包括的6個工步模型(1個端面和5個臺階軸)最終構建了零件的毛坯模型。

    4 結語

    三維工藝設計的實現過程中，三維實體模型作為非幾何體信息的載體，尺寸、公差、標注符號、裝夾標記、加工基準等信息均顯示在實體模型上。工藝設計的三維化，有利于將設計模型和工藝模型相關聯，以同步建模技術驅動的工藝過程路線，為用戶提供了一個強大的智能化三維工藝建模工具，快速建立產品的各個階段的相關聯的工序模型。該方法建模靈活，節約時間，方便工裝的設計、加工可視化仿真、檢驗信息及生成數控程序，促進制造過程的上下游部門的協同工作，縮短產品的生產制造周期。

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