l.基于輕量化模型的CAD/CAPP集成模型

　　基于輕量化模型的CAD/CAPP系統(tǒng)集成的功能模型如圖1所示，主要包括輕量化模型的生成、制造特征提取、CAPP工藝設(shè)計、CAM刀位軌跡計算和集成仿真五部分。U3D輕最化模型中僅包含了與顯示有關(guān)的幾何信息，這些幾何信息層次較低，不能滿足CAPP系統(tǒng)的需求。為使CAD/CAPP系統(tǒng)能夠在一個較高層次上實現(xiàn)集成，需要從輕量化模型巾提取零件的制造特征，該制造特征不但能夠表示零件的幾何信息，而日.對于工藝設(shè)計所需要的形位公差、表面粗糙度、材料等非兒何信息也能夠很好地進(jìn)行表達(dá)。通過制造特征提取工具，應(yīng)用特征識別算法提取零件的制造特征，并為每一個制造特征加入工藝信息，建屯零件的制造特征模型，可以滿足CAPP系統(tǒng)對信息的需求。

　　圖1.基于輕量化模型的CAD/CAPP系統(tǒng)集成功能模型

　　提取制造特征之后，結(jié)合工藝資源庫中的工藝知識及企業(yè)資源的使用狀況進(jìn)行可視化工藝設(shè)計，確定零件的加工工序;然后由工序驅(qū)動生成數(shù)字控制(Numerical Control，NC)程序;最后基于輕營化模型財每道工序進(jìn)行裝夾仿真和加工過程仿真，檢查加工過程中存在的問題，及時反饋給工藝設(shè)計和CAM，避免實際加工過程中造成的損失。

　　2.基于輕量化模型的工藝信息建模

　　傳統(tǒng)工藝設(shè)計中產(chǎn)品的信息關(guān)聯(lián)性差，工藝信息模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非幾何信息通常與三維模型分離，或者工藝信息模型中根本就不涉及三維模型。同時，由于工藝設(shè)計過程中的信息量大、牽涉面廣，而且信息的類型和關(guān)系都很復(fù)雜，難以保證工藝信息的完整性和一致性。因此，需要建立一個統(tǒng)一的工藝信息模型，并采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language，XML)文件來表示信息，不但可以實現(xiàn)CAPP與CAD系統(tǒng)間的信息交流，還可以實現(xiàn)CAPP與PDM等系統(tǒng)的信息集成和共享。通過對工藝設(shè)計過程涉及到的各種信息進(jìn)行分析，建立了基于輕量化模型的工藝信息模型，包括制造特征模型、工藝設(shè)計模型和資源模型三個子模型，如圖2所示。

　　圖2.工藝信息模型

　　制造特征指零件上一個具有語義的幾何實體，它描述一個工件上需要加工的區(qū)域，表達(dá)一個加工過程的結(jié)果，包括材料特征、精度特征、形狀特征以及該特征的加工方法。通過對企業(yè)內(nèi)所有零件的制造特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲取該企業(yè)的典型制造特征，根據(jù)組成特征的面集合及其之間的拓?fù)潢P(guān)系定義制造特征的形狀特征模板，并根據(jù)企業(yè)的制造資源為每一個制造特征定義相應(yīng)的加工方法。

　　工藝設(shè)計過程是工藝信息不斷產(chǎn)生、流轉(zhuǎn)和完善的過程，工藝設(shè)計模型總體上可分為工藝規(guī)劃信息、工藝設(shè)計信息和工藝過程信息。工藝規(guī)劃信息主要指零部件的工藝分工路線，根據(jù)車間的資源使用情況合理分配每個車間的任務(wù)，實現(xiàn)車間資源的有效利用;工藝設(shè)計信息描述零件從毛坯到成品的加工方法和過程信息，主要是一些工藝文檔;工藝過程信息描述工藝狀態(tài)、工藝版本及工藝更改等信息。加工元是工藝設(shè)計模型的核心，是組成零件工藝規(guī)程的最基本單元，它是以特征為核心的、有關(guān)特征加工所需要的信息實體，包括制造特征、該特征的加工方法、加工該特征所需要的機(jī)床和刀具等制造資源以及加工該特征的加工參數(shù)等信息。通過加工元將制造特征模型和工藝設(shè)計模型相關(guān)聯(lián)，如一個外圓特征的加工方法可以包括粗車、半精車和精車三個加工元。零件的資源模型包括制造資源和工藝資源。制造資源包括機(jī)床設(shè)備、工藝裝備、材料等;工藝資源包括典型零件工藝信息、切削參數(shù)信息等。

　　3.基于輕量化模型的制造特征提取及其算法

　　基于輕量化模型制造特征的提取過程如圖3所示。輕量化模型僅包含了與顯示有關(guān)的三角網(wǎng)格信息，這些三角網(wǎng)格層次較低，不便于制造特征的提取。因此，首先需要重新表示輕量化模型，結(jié)合U3D的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及工藝需求，采用邊界表示法(Brep)對三維輕量化模型進(jìn)行表示;其次利用制造特征提取工具，通過遍歷零件的幾何/拓?fù)湫畔⒉⑴c制造特征庫中的特征進(jìn)行比較，獲得零件的制造特征;最后對制造特征進(jìn)行必要地編輯，加人工藝設(shè)計所需要的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等工藝信息。

　　圖3.制造業(yè)特征的提取過程

　　3.1輕量化模型的邊界表示

　　3.1.1 基于輕量化模型的幾何信息提取

　　要建立輕量化模型的邊界表示模型，首先從三角網(wǎng)格集合中提取具有實際意義的點、線、面，建立三角網(wǎng)格和幾何信息之間的映射關(guān)系。提取規(guī)則描述如下：

　　(1)一個三角網(wǎng)格僅屬于一個面。若兩個相互鄰接的三角網(wǎng)格的法矢相同，則兩個三角網(wǎng)格屬于同一個平面;對于圓柱面、錐面和自由曲面，給定一個ξ>O，若兩個相互鄰接的三角網(wǎng)格的法矢夾角小于ξ，則認(rèn)為這兩個三角網(wǎng)格屬于同一個圓柱面、錐面或自由曲面。

　　(2)對于一個面內(nèi)的所有三角網(wǎng)格集合，三角網(wǎng)格中的一條邊至多屬于兩個三角網(wǎng)格。若一個三角網(wǎng)格的某條邊僅屬于一個三角網(wǎng)格，則這個邊是邊界邊，否則為內(nèi)邊;然后對邊界邊進(jìn)行合并，若兩個相互鄰接的邊界邊法矢相同，則兩個邊界邊屬于同一條直線;對于弧線和自由曲線，給定一個ξ>0，若兩個相互鄰接的邊界邊的法矢夾角小于ξ，則認(rèn)為這兩個邊界邊屬于同一弧線或自由曲線。

　　(3)構(gòu)成邊界邊的兩個頂點為邊界點。其中，ξ與輕量化模型的轉(zhuǎn)化精度有關(guān)，精度越高，表面三角剖分越細(xì)，ξ越小;反之，精度越低，ξ越大。對于中等精度的輕量化模型，取ξ=0.1 rad。

　　3.1.2基于輕量化模型的拓?fù)湫畔?gòu)建

　　為有效提取制造特征，定義面之間的約束關(guān)系Ci，其中：

　　式中：

　　分別表示面之間的垂直、平行、凸鄰接、凹鄰接、相切鄰接、同軸、共面和陣列關(guān)系。

　　面之間的約束關(guān)系可以分為鄰接關(guān)系和非鄰接關(guān)系，一條邊唯一確定兩個面之間的鄰接關(guān)系，將鄰接關(guān)系記為 ，它表示面fm與面fn通過邊lj以方式Ci進(jìn)行約束，其中， 。

　　對于面之間的平行、垂直和同軸關(guān)系比較容易判別，文獻(xiàn)給出一個判別面之間的凸鄰接、凹鄰接和相切鄰接的方法。

　　如圖4所示，設(shè)ni，nj分別為面fi，fj的法向量fi和fj通過邊lk鄰接，判斷面fi和面fj之間鄰接關(guān)系的方法如下：

　　(1)首先確定邊lk相對于面fi的方向。沿著邊lk的某一方向，若面fi在邊lk的左側(cè)，則該方向為邊lk。相對于面fi的方向，并記該方向向量為 。

　　(2)計算兩個面法向量ni和nj的叉積，并記v=ni×nj。需要注意的是，若方向向量 是相對于面fi的，則計算叉積的第一個操作數(shù)必須是ni，否則為nj。

　　(3)如果方向向量 與向量v的方向相同，則面fi和面fj為凸鄰接;若方向相反，則為凹鄰接;若兩個向量的叉積v為0，則兩個面為相切鄰接。

　　圖4.面之間的鄰接關(guān)系

　　根據(jù)上述判別方法，可以確定圖4中各個面之間的鄰接關(guān)系。例如，面f1和面f2之間的鄰接關(guān)系可以表示為， ，面f2和面f3之間的鄰接關(guān)系可以表示為 ，面f2和面f4之間的鄰接關(guān)系可以表示為 。

　　3.2制造特征提取

　　一個零件可以認(rèn)為由若干個制造特征和非制造特征(鑄造圓角、工藝凸臺)組成。因此，可以將一個零件表示為

　　式中：Q表示零件的總體信息; 表示第i個制造特征; 表示第j個非制造特征;Rk表示特征之間的約束關(guān)系，

　　式中：Rparent和Rchild分別表示特征之間的父約束和子約束。例如，一個平面特征上面有一個通孔特征，則平面特征是通孔特征的父特征，通孔特征是平面特征的子特征。

　　制造特征包括形狀特征、特征的工藝信息和加工方法，因此單個制造特征可以表示為

　　式中： 表示該制造特征的形狀特征;Ij表示屬性信息，如精度信息、熱處理信息等;Mk表示加工該特征所采用的加工方法。形狀特征 可以用構(gòu)成該形狀特征的面集合以及這些面之間的約束關(guān)系來表示：

　　式中：fj表示組成該形狀特征的一個面;Ck表示這些面之間的約束關(guān)系， 。

　　制造特征提取實際上是對制造特征形狀特征的識別，通過與預(yù)先定義的形狀特征進(jìn)行比較，提取出零件的制造特征。制造特征提取算法描述如下：

　　(1)確定相鄰表面間的約束關(guān)系。通過上述表面間鄰接關(guān)系判別方法，遍歷零件的所有邊，確定表面間的鄰接關(guān)系，并將表面問的鄰接關(guān)系存儲在二元組中。

　　(2)確定不相鄰表面間的約束關(guān)系。不相鄰表面間的約束關(guān)系主要有平行、同軸和共面約束。若兩個不相鄰表面的法矢相同或相反，且兩表面問兩個頂點連線所形成的向量與面的法向量的點積不為零，則兩表面為平行約束，否則為共面約束;若兩個不相鄰表面具有公共的軸線，則為同軸約束。

　　(3)將表面間的約束關(guān)系與預(yù)先定義的制造特征模板進(jìn)行比較，識別出所有的制造特征。識別過程中，對于有歧義的特征需要用戶交互操作。

　　(4)提取特征的尺寸信息，如槽的寬度、深度，孔的半徑、深度等信息。

　　(5)確定制造特征之間的約束關(guān)系，檢測模型中的所有封閉環(huán)，若一個封閉環(huán)在另一個封閉環(huán)的內(nèi)部，則與這兩個封閉環(huán)相關(guān)的制造特征具有父子關(guān)系。

　　制造特征自動提取工具僅對制造特征的幾何信息進(jìn)行提取，并不包含工藝規(guī)劃所需要的信息。因此，需要對制造特征進(jìn)行編輯，加入表面粗糙度、形狀公差、位置公差、特征的定位基準(zhǔn)等工藝信息。另外，對于特征模板庫中不存在的特征，可以進(jìn)行用戶自定義特征的定義和提取。

　　基于上述方法，結(jié)合對U3D標(biāo)準(zhǔn)的研究，筆者利用Visual Studio開發(fā)了一個3D-CAPP原型系統(tǒng)，對上述制造特征提取方法進(jìn)行了驗證。通過開發(fā)針對CATIA的專用接口，將CATIA生成的三維模型轉(zhuǎn)換成U3D格式的文件，并在3D-CAPP系統(tǒng)中打開，如圖5所示。按照上述幾何信息提取算法將輕量化模型中的幾何信息提取到圖5左側(cè)控制樹窗體的幾何信息節(jié)點中，通過制造特征識別算法將輕量化模型中的所有制造特征提取出來，并顯示在圖5左側(cè)控制樹窗體的制造特征節(jié)點下面。然后對特征進(jìn)行編輯，加入特征的幾何參數(shù)信息、定位信息以及表面粗糙度和硬度等工藝信息。圖5右側(cè)為外圓特征編輯窗口，其中特征方位表示刀具的可進(jìn)刀方向。

　　圖5.應(yīng)用實例

　　4.結(jié)束語

　　三維模型信息集成是CAD/CAPP系統(tǒng)集成的難點，也是目前研究的熱點之一。本文構(gòu)建了基于輕量化模型的CAD/CAPP系統(tǒng)集成模型，通過輕量化模型實現(xiàn)了系統(tǒng)間三維模型信息的交換和共享。建立了基于輕量化模型的工藝信息模型，包括制造特征模型、工藝設(shè)計模型和資源模型三個子模型，實現(xiàn)了CAPP與CAD系統(tǒng)間的信息交流，有效解決了信息的集成和共享問題。深入研究了基于輕量化模型的制造特征提取方法，打通了幾何模型和制造特征模型之間的聯(lián)系，為三維模型在CAPP系統(tǒng)中的充分應(yīng)用創(chuàng)造了條件，并通過一個實例驗證了制造特征提取方法的可行性和有效性。