研究三维制造特征提取关键技术在CAPP系统中应用

　　1 引言

　　工艺设计是现代制造业的重要基础工作，是连接产品设计与产品制造的桥梁。随着大量成熟的三维CAD软件在企业的应用，迫切需要一种基于三维模型的CAPP系统来完成工艺过程设计、定量化的工艺设计、工序设计等;要实现基于三维CAD模型的CAPP系统，则需要从三维CAD模型中自动读取数据并转换成制造特征，再根据制造特征进行工艺决策、规划和排序等，本文就三维制造特征的提取进行研究。

　　2. 基于特征的零件信息建模

　　零件信息模型是计算机内部对零件信息的描述与表达方式，是计算机进行零件设计、工艺决策、工序尺寸链计算、工序图生成、道具路径规划、NC程序生成以及加工过程仿真等的依据和核心。在三维CAD建模中，零件信息模型的总体信息层逐步确定，用户可以对零件的非几何信息进行添加，以逐步完善零件信息模型的其他信息。CAPP从三维模型中读取设计特征，进一步转化为制造特征，对零件信息模型的特征层进行填充，同时，CAPP部分结合特征知识库对各个制造特征的加工方法链进行填充。

　　零件特征模型的总体结构可以分为三层，即总体信息层、特征层和特征属性 层。如图1所示

　　图1 零件特征模型总体结构

　　总体信息层用于描述与零件总体描述有关的信息，包括管理信息、零件属性信息以及总体技术要求等。其中管理信息可以包括：零件代号、零件名称、设计者等。零件属性信息可以包括材料名称、材料牌号等。总体技术要求描述总体热处理信息以及其他技术要求信息等。

　　零件是由一个个的特征组合而成。特征是具有一定几何形状、工程意义和加工要求的一组信息的集合，是构造零件集合形状和零件信息模型的基本信息单元。如圆柱面、球面、倒角、螺孔等。特征层就是用于描述组成零件的各个特征以及他们之间的关系。

　　特征属性层主要描述组成零件的每一个特征的属性。特征主属性用于描述特征名，特征ID，表面粗糙度等信息;特征定位描述特征在零件坐标系中的位置;特征定形属性描述特征的形状信息;加工方法链描述该特征的加工工步信息。

　　3制造特征提取过程

　　因为设计特征与制造特征有许多不同之处，并不是一对一的映射关系，而是包括一对一、一对多、多对多及多对一的映射关系[1]。在CAD向CAPP进行数据传递的过程中，非几何的信息都可以直接映射;和形状有关的特征，必须将CAD中的设计特征转换成CAPP中的制造特征，才能进行后续工作。设计特征和制造特征之间存在一定的关系，有可能是直接映射关系，如单一的孔特征;有可能是互补特征，如凸台特征;也有可能是复合关系，如一个形状复杂的旋转特征。

　　制造特征模型，无论制造特征模型有多少个，它们都必须采用凹陷特征组合而成[2]。例如，对于阶梯轴的制造特征应该是两个圆环。假如是通过对Pro/E进行二次开发进行特征提取，那么提取出来仅仅是一个旋转特征，要将旋转特征(如阶梯轴)直接映射成制造特征(两个圆环)难度比较大，因此先将组成阶梯轴的两个圆柱提取出来，作为两个制造特征(圆环)的伪制造特征。因此伪制造特征是制造特征本身(负特征)或制造特征(即正特征)的补充。

　　对设计领域而言，设计的目的是为了完成与零件功能相匹配的几何模型，其关键是设计最终几何形状;对制造领域而言，制造特征则必须由制造所采用的加工方式来决定。因此，对设计特征和制造特征之间不能直接映射的情形，就需要做一定的转换，可以在设计特征向制造特征的转换中加入一个中间节点，即伪制造特征，见图2。

　　图2 设计特征转换图

　　4伪制造特征的提取

　　从设计特征提取伪制造特征，本质上变成了特征分解，即把非制造特征、复合特征分解成为单一特征的过程。基于具体的CAD平台的特征提取，则主要是利用CAD平台的二次开发工具进行二次开发，提取其建模特征，和特征数据库进行匹配比较，提取出特征。

　　为了提取伪制造特征，首先应建立伪制造特征数据库，伪特征数据库初始时至少应该包含常见的基本的单一伪特征，如圆柱、孔、矩形凸台、用户自定义特征等。基于数据模型构建伪特征数据库，每个伪特征包括以下信息：特征编码、特征参数、参数说明，见表1

　　表1 伪制造特征的定义

　　伪制造特征的提取流程如下(图3所示)，本文以Pro/E为例进行说明：

　　1)利用Pro/TOOLKIT工具进行二次开发，使用ProSolidFeatVisit()遍历设计特征并提取出来;

　　2)提取出的设计特征和伪特征数据库中信息进行匹配，若能匹配，则转换成功，转向第五步;

　　3)采用基于中间平台格式的方法中的一种(拟定采用基于图的识别方法)对特征涉及的几何形状及其约束进行分解并和伪特征数据库中的数据进行匹配，完成特征提取。

　　4)第三步中可能未匹配成功或者遗漏了部分伪制造特征，也有可能特征分解过细而需要合并，因此采用人工方式进行再进行分解或合并，分解结果除了保存为伪特征供下一步映射之外，还要保存到伪特征数据库中丰富数据库。

　　5)进行非几何约束合理性检查，若通过则开始提取下一个设计特征，否则转第三步。

　　该技术路线充分利用Pro/E提供的特征造型技术和二次开发技术来简化伪特征的提取过程，对不存在于伪特征库中的特征，才采用基于中间格式的方式进行匹配，由于不能识别的特征一般是由少数几个面构成的复杂特征，因此可以避免由于匹配带来的组合爆炸问题，可以解决效率低的问题。再加上伪特征数据库的不断丰富，设计效率会越来越高。

　　图3伪特征提取算法

　　5 伪制造特征向制造特征的映射

　　伪制造特征向制造特征的映射本质上就是将伪制造特征直接等价于制造特征或求伪制造特征的补的问题。

　　5.1 伪制造特征和制造特征分析

　　设计人员在设计产品时，可以使用凹特征模型，也可以使用凸特征模型，因此设计特征实质上是凹(负)特征和凸(正)特征的集合。用公式表示为：

　　DF：设计特征

　　CF：凹(负)特征

　　PF：凸(正)特征

　　而对于制造特征而言，其制造过程一般是在毛坯上去除一定的材料，因此制造特征是凹(负)特征的集合，用公式表示为：

　　MF：制造特征

　　考虑特征转化问题，将特征分类为：

　　基本特征：不能再进一步分解为其他组合特征的特征称为基本特征，如槽、孔、键槽、台阶等，基本特征对应可以直接加工的单一制造特征;

　　复合特征：如一个特征可以分解为两个或两个以上的基本特征的组合形式，则为复合特征，如阶梯孔等;

　　阵列特征：若一系列的特征是单个特征在多个位置的拷贝，则称这类特征为阵列特征。

　　正基本特征：若一基本特征的加入能使零件体积增加，则称这一类特征为正基本特征。

　　负基本特征：若一基本特征的加入能使零件的体积减少，则称这一特征为负基本特征。

　　此外，还有正复合特征、负复合特征、正阵列特征和负阵列特征。

　　由伪制造特征的定义可知，伪制造特征实质上对应了以上特征分类中的正基本特征和负基本特征。本课题中，由于事先已经将设计特征全部转换成了伪制造特征，因此在处理特征映射时要考虑的情况大大减少，有利于计算机处理的实现。本文中对特征的分类仅定为正基本特征和负基本特征，简称正特征和负特征。

　　5.2 特征映射的方法

　　下面通过说明两种转换类别来说明特征映射方法。

　　符号定义：　

　　基本算法是，依次取出识别出的伪制造特征进行判别，根据其正负性进行相应操作。

　　1)如果第i+1次取出的是负特征，则毛坯不变，该伪制造特征为制造特征，即 ， ，同时遍历已经识别出来的制造特征，检查本特征是否和其他制造特征有相交关系，如果有，则需要进行相关处理，获得。

　　2)如果第i+1次取出的是正特征，则在原毛坯的 基础上增加毛坯材料以包容正特征，具体增加形式，根据 决定。 ，同时遍历已经识别出来的制造特征，检查该伪制造特征是否和其他制造特征有相交关系，如果有，则需要进行相关处理，获得。

　　6 结束语

　　如何从设计资源中识别和提取应用特征是CAD/CAM集成的关键问题，对于继承已有的设计资源以及在现有CAD技术的基础上实现设计和制造的集成具有较重要的意义。作者从应用的角度着重讨论了特征识别和提取技术的两大关键技术：从设计模型中提取伪制造特征和将伪制造特征映射成制造特征。后续将根据这些提取的制造特征进行工艺决策、规划和排序，即生成零件的加工顺序或工序与工步的次序。