三维数字化制造技术以三维建模仿真替代传统的物理样机试验,与传统制造技术相比,在提高产品质量和降低生产成本方面表现出了更大的技术优势,近年来受到工业界和学术界的广泛关注。然而,三维数字化制造技术的推广应用受传统基于二维工程图的工艺设计模式影响,目前存在业务和信息管理流程不统一、数据传递不一致等诸多问题。工艺设计过程过度依赖人工经验,设计结果的合理性难以得到有效保证。为了解决上述问题,本文针对机械加工(简称机加)工艺,探索了三维数字化工艺设计新模式,借鉴基于模型定义(Model Based Definition,MBD)技术思想和原理,构建了面向三维数字化制造的工艺设计与优化体系。重点研究了基于典型工序MBD模型的工艺路线决策与优化、基于模型定义的工序设计与优化和面向CAD/CAPP/CAM集成的虚拟加工环境优化配置等关键技术。论文主要研究内容如下:(1)构建了面向三维数字化制造的机加工艺设计模式与技术体系。针对当前三维数字化设计制造过程中存在的数据传递不一致的问题,提出工序MBD模型驱动的三维数字化机加工艺设计模式,将工序MBD模型作为信息传递的唯一载体,避免了二维工程图和三维模型的转换过程,保证了数据传递的一致性。构建了面向三维数字化制造的机加工艺设计体系结构,为后续理论及方法的研究提供了总体框架。(2)研究了基于典型工序MBD模型的工艺路线决策与优化方法。为了简化工艺路线推理过程,提出了基于典型工序MBD模型的工艺路线推理方法。通过特征与典型工序MBD模型匹配,减少了不必要的加工方法、机床和工装选择决策步骤,简化了工艺路线推理过程。研究了基于粗糙集理论的典型工序MBD模型优选方法,通过工艺知识的度量和距离计算,实现了工艺路线的优化,保证了工艺路线推理结果更具客观性、合理性。(3)研究了基于模型定义的工序设计与优化方法。为了消除过渡特征对工序几何建模准确性的影响,提出一种基于过渡特征简化的工序三维几何建模方法,通过重建过渡特征线段对过渡特征进行简化,消除了圆弧曲面对加工特征边界获取的干扰,保证了工序几何建模的准确性。研究了工序MBD模型组织管理方法,采用超变量几何相关性技术建立工序MBD模型几何变量关联关系,实现了工序模型自动更新,简化了工序更改过程。为保证工步安排的合理性,进一步研究了基于改进遗传算法的工步优化排序方法。以缩短加工辅助用时为优化目标,采用精英保留策略设计遗传算法步骤。该方法能够以较快的收敛速度获取全局最优解,得到加工辅助用时最少的加工工步序列。(4)研究了面向CAD/CAPP/CAM集成的虚拟加工环境优化配置方法。为了简化三维虚拟加工环境配置过程,提出了基于工序MBD模型的虚拟加工环境配置方法。通过模板调用的方式自动配置虚拟加工环境,简化了CAM阶段的工艺准备过程,提高了工艺设计效率。为了实现制造资源的合理利用,以机床模型作为研究对象,提出了基于加工能力元聚类的机床模型优化配置方法。采用区间数FCM聚类算法获取机床模型最优集合,降低了人工经验对机床选择过程的主观影响,保证了机床配置方案的合理性。(5)设计开发了三维数字化工艺设计与优化系统。基于UG/NX7.5平台设计开发了UG-CAPP原型系统,并通过TC系统和UG-CAPP系统的集成应用,实现了三维数字化工艺设计与优化。以飞机双面大框结构件的机加工艺设计实例,验证了本文所提方法和技术的有效性。