在研究三維CAD實體模型特征提取和特征的平臺無關(guān)表達方法的基礎(chǔ)上，采用基于STEP 的方法，為統(tǒng)一的CAD/CAPP/CAFD 集成系統(tǒng)建立方案模型并研究其中的關(guān)鍵技術(shù)。確定包含零件設(shè)計特征的零件信息模型，采用STEP 中性文件包含該模型。研究幾何特征的識別、幾何特征到工藝特征的映射，基于規(guī)則推理與基于實例推理結(jié)合的方式解決基于特征的工藝規(guī)劃過程中的工藝推理問題。以面向?qū)ο蠹夹g(shù)以及UML等方法對系統(tǒng)進行功能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，初步建立集成系統(tǒng)的功能模型和結(jié)構(gòu)模型。

　　前言

　　CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果以實體模型輸出，CAPP(Computer aided process planning，計算機輔助工藝設(shè)計)和CAFD(Computer aided fixture design，計算機輔助夾具設(shè)計)可以利用實體模型作為信息源，頭直接生成生產(chǎn)、工藝規(guī)程和工裝，夾具設(shè)計結(jié)果，充分利用CAD系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。特征是CAD三維建模技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑，在工藝設(shè)計和夾具設(shè)計中識別、利用特征信息是降低幾何信息交換和共享的難度，提高設(shè)計智能化程度，實現(xiàn)與CAD集成的客觀要求。

　　CAPP、CAFD與行業(yè)、企業(yè)和產(chǎn)品對象等方面的特點密切相關(guān)，具有較強的專用性，研究和開發(fā)一般都是獨立進行的，缺乏統(tǒng)一的理論和實現(xiàn)方法。其中一個根源在于沒有充分與設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)有效的集成，不能充分利用、共享三維產(chǎn)品設(shè)計模型。因此，對三維設(shè)計結(jié)果的有效利用，特別是對特征層次的三維信息的利用，是研究具有智能化的CAD/CAPP/CAFD集成系統(tǒng)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

　　1 零件信息模型的建立

　　1.1 零件信息模型結(jié)構(gòu)分析

　　零件信息模型內(nèi)容必須涵蓋零件設(shè)計、工藝和制造等方面的信息。設(shè)計信息描述了零件的目標狀態(tài)，包括零件幾何信息(幾何形狀、拓撲結(jié)構(gòu)、形狀尺寸、定位尺寸、尺寸精度、形位公差和粗糙度等)，及非幾何信息(材料、物理、機械性狀等);工藝信息一般包括加工工藝過程、工序內(nèi)容等。

　　設(shè)計特征的概念被用于抽象一些相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計信息元素。在零件信息模型中采用特征作為集成的基本元素成為這方面研究的一個共識。設(shè)計特征與工藝特征存在必然的關(guān)聯(lián)。在零件信息模型中，設(shè)計特征作為源頭生成工藝特征，工藝特征可以添加到零件信息模型當中，成為CAPP與CAFD系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息。

　　零件信息模型還應包含零件毛坯的信息，毛坯與設(shè)計結(jié)果存在推理的因果關(guān)系，CAPP系統(tǒng)可正向或反向推導二者之間的關(guān)系，CAFD系統(tǒng)則與毛坯乃至零件加工過程中的過渡狀態(tài)相關(guān)。

　　零件信息模型的建立遵從STEP標準，其EXPRESS-G 圖如圖1 所示。

圖1 零件信息模型EXPRESS-G 圖

　　1.2 零件信息模型的實現(xiàn)

　　不同CAD平臺所輸出的實體模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容存在著差異。特定CAD模型與CAPP、CAFD等的集成導致這些下游單元失去開放性和通用性。以中性的標準數(shù)據(jù)模型(STEP 模型)實現(xiàn)零件信息模型，不同的CAD模型通過專用的前置處理過程，生成一致的中性模型。

　　以STEP實現(xiàn)零件信息模型需要分析該模型文件生成的具體環(huán)境;一類是在CAD平臺內(nèi)部完成，一類是在CAD平臺外部完成。有些CAD系統(tǒng)本身可以遵循某些STEP協(xié)議輸出模型，簡化了對設(shè)計信息的處理。有些CAD平臺的二次開發(fā)接口允許實現(xiàn)后處理模塊對產(chǎn)生和處理中性模型。如果CAD平臺沒有引入特征的概念，則必須針對平臺中實體模型文件的構(gòu)造特點具體分析和研究，從實體模型文件中的設(shè)計基本元素及其構(gòu)成關(guān)系出發(fā)，提出具體的特征識別算法。

　　由零件實體模型提取設(shè)計信息添加到零件信息模型，并以中性文件(如STEP 文件)表達，可以解決不同CAD平臺零件實體模型的異構(gòu)問題;同時也可以解決CAD與CAPP、CAFD等單元集成的通用性問題。

　　2 三維實體特征的識別和映射

　　2.1 三維實體特征的識別

　　特征識別與提取是設(shè)計模型數(shù)據(jù)向制造指令轉(zhuǎn)換的第一步，也是最重要的一步。從是否直接集成CAD 平臺來區(qū)分，特征識別方式可以分為基于CAD圖形表達模型的集成和基于CAD語義表達模型的集成。基于語義表達模型的特征識別一般采用成組編碼(GT coding)、描述性語言符號等方式來輸入零件設(shè)計信息。這種設(shè)計模型一般通過手工建立，工作強度大，自動化程度低，不能充分利用設(shè)計系統(tǒng)的輸出模型?；贑AD模型的特征識別是CAX系統(tǒng)集成的有效途徑。

　　當前常用的CSG(Constructive solid geometry)和B-rep(Boundary representation)實體表達方法代表了大部分CAD平臺的實體模型構(gòu)成。針對這些表達方式的特征識別方法的的研究是當前特征識別研究的主要著眼點，也已經(jīng)取得了相當?shù)倪M展。

　　這些方法一般只能處理預先定義的特征，如果某個特征事先沒有定義，那么特征識別的結(jié)果必然存在遺漏和缺陷。一方面，需要建立通用特征庫，通過歸納、排列的方式預先定義通用特征;另一方面需要針對產(chǎn)品對象和制造資源，進行進一步的特征庫的定制。并研究具有魯棒性的特征識別算法。從共性和個性、算法基礎(chǔ)等方面解決特征的提取。

　　文中重點研究了基于體積的空間分解算法。算法的原理是通過對零件實體模型與特征所占空間體積分別進行分解，并進行對比，如果零件實體某一部分覆蓋了特征體積空間，則將這一部分體積提取出來。進行空間分解和體積對比時，為了簡化識別算法，加快算法效率，提出了基于圖的布爾運算的特征體積的分解與識別算法。

　　2.2 特征的映射與轉(zhuǎn)換

　　由于加工過程與設(shè)計過程是兩個相互關(guān)聯(lián)的階段，設(shè)計特征與工藝特征間存在映射關(guān)系。特征的映射建立在預定義的工藝特征庫基礎(chǔ)之上，這個階段的推理是在語義符號基礎(chǔ)上的推理。

　　工藝特征與加工、制造方法有著直接的聯(lián)系，在一般的塑性成形(如鍛造鈑金等)和切削成形(如車銑線切割等)加工方法中，每種加工方法都對應了可加工的設(shè)計特征。文中把這種可加工的特征定義為工藝特征;用于定位、夾緊的特征定義為裝夾特征。設(shè)計特征與工藝特征在有些情況下是重合的;有些情況下這種映射比較復雜?？紤]設(shè)計特征中除幾何特征之外的其它特征類型，如精度、材料、機械性能等，則可能產(chǎn)生設(shè)計特征與工藝特征之間其他的映射關(guān)系。

　　針對這些映射關(guān)系，這里所采用的解決方法是：首先定義較為完整的工藝特征庫，以規(guī)則形式抽象設(shè)計特征與工藝特征、裝夾特征間的關(guān)系，以基于規(guī)則推理方法實現(xiàn)特征映射過程。當然高度的智能化目標可能以整個系統(tǒng)實現(xiàn)難度的增大為代價，出于這種考慮，在系統(tǒng)實現(xiàn)中以智能推理輔助設(shè)計人員的手工轉(zhuǎn)換來最終實現(xiàn)特征的映射。

　　3 基于特征的工藝推理

　　3.1 基于特征的工藝推理技術(shù)

　　零件工藝特征以及特征之間的關(guān)系體現(xiàn)了零件加工的工藝特性。工藝設(shè)計與工裝設(shè)計均需要由工藝特征推理出加工所需的加工方法、工序內(nèi)容。這個過程在體現(xiàn)經(jīng)驗性的同時與制造資源密切相關(guān)。派生式或創(chuàng)成式工藝設(shè)計是最基本的過程?；谝?guī)則推理主要用于加工方式、工序內(nèi)容的選擇。基于實例推理、框架推理、面向?qū)ο蠓椒ㄓ糜谂c規(guī)則推理方式結(jié)合，這種混合推理方法被用以解決知識獲取不全面可能帶來的規(guī)則推理能力的不足的問題。模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)可用于工藝流程的排序;遺傳算法則被用于優(yōu)化一組可行的工藝方案。

　　3.2 智能推理模型

　　本文采用基于實例推理與基于規(guī)則推理混合的推理方式來實現(xiàn)工藝派生過程。實例檢索過程采用零件級和特征級兩級的產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)程、夾具設(shè)計三方面的綜合匹配。當?shù)玫阶钕嘟鼘嵗螅紫葘Ρ仍搶嵗c目標實例的區(qū)別，這個對比過程是對兩個樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不完全遍歷的對比。對比的結(jié)果將作為規(guī)則推理的前提進一步得到實例更完整的解。模糊評價與遺傳算法相結(jié)合的方法來實現(xiàn)對推理結(jié)果的評估和優(yōu)化。

　　3.3 知識的組織與表達

　　實例表達模型與零件信息模型之間存在重合的屬性，零件信息模型提供了基于實例推理中實例的基本屬性。文中以零件信息模型為基礎(chǔ);附加其它信息組成工藝推理實例。附加的內(nèi)容包括引導實例調(diào)整和修改的知識，主要以規(guī)則形式歸納和保存。實例庫中并不保存規(guī)則的內(nèi)容，而只包含對規(guī)則庫中規(guī)則的引用。

　　4 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

　　對CAPP與CAFD系統(tǒng)在功能上具有共性或重疊部分進行統(tǒng)一的分析和設(shè)計。同時，針對這兩個系統(tǒng)的個性化功能部分獨立設(shè)計。采用靈活的組件結(jié)構(gòu)，既可以構(gòu)建獨立的CAPP和CAFD系統(tǒng)，又可以構(gòu)建集成的、統(tǒng)一的CAPP/CAFD集成系統(tǒng)。這種設(shè)計和實現(xiàn)可以保證系統(tǒng)的可集成性、開放性、可重構(gòu)性和組件的可重用性。

　　4.1 總體框架

　　系統(tǒng)的總體功能模型可以分為產(chǎn)品信息模型、工藝推理模型、夾具設(shè)計模型、制造資源模型、綜合約束模型五個子模型，這五個子模型的相互作用構(gòu)成系統(tǒng)總體功能，如圖2 所示。其中產(chǎn)品推理子模型是系統(tǒng)功能建模的關(guān)鍵，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)及UML方法所建立的該子模型靜態(tài)功能結(jié)構(gòu)如圖3。

圖2 集成系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 集成系統(tǒng)產(chǎn)品推理模型靜態(tài)邏輯類圖

　　4.2 基于組件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　這里的工作是建立在所在項目組已有的CAPP、CAFD 研究與開發(fā)基礎(chǔ)之上的，這些獨立系統(tǒng)都采用或部分采用了COM組件封裝相對獨立的功能和程序結(jié)構(gòu)，但并未實現(xiàn)兩個系統(tǒng)統(tǒng)一的設(shè)計和實現(xiàn)。文中以COM技術(shù)、.NET 技術(shù)結(jié)合進行對象封裝和系統(tǒng)的構(gòu)建，從而實現(xiàn)兩個系統(tǒng)相對的統(tǒng)一性和獨立性，并使系統(tǒng)具有較高的可重構(gòu)性和可重用性。同時在設(shè)計階段考慮不同實體模型、不同企業(yè)資源特點和產(chǎn)品特點，設(shè)計相應的定制模塊，以提高系統(tǒng)的靈活性和通用性。

　　5 結(jié)論

　　通過對CAPP和CAFD系統(tǒng)統(tǒng)一的分析與設(shè)計，使兩者的公共部分得到了規(guī)范和合并。同時，以特征技術(shù)為基礎(chǔ)，遵照STEP標準，對零件信息模型的結(jié)構(gòu)、特征識別與映射、工藝推理模型等系統(tǒng)建模的總體和關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。為進一步研究和開發(fā)基于特征的智能化CAD/CAPP/CAFD系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。