1 引言

　　工藝設(shè)計(jì)是現(xiàn)代制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工作，是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造的橋梁。隨著大量成熟的三維CAD軟件在企業(yè)的應(yīng)用，迫切需要一種基于三維模型的CAPP系統(tǒng)來(lái)完成工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、定量化的工藝設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)等;要實(shí)現(xiàn)基于三維CAD模型的CAPP系統(tǒng)，則需要從三維CAD模型中自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成制造特征，再根據(jù)制造特征進(jìn)行工藝決策、規(guī)劃和排序等，本文就三維制造特征的提取進(jìn)行研究。

　　2. 基于特征的零件信息建模

　　零件信息模型是計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)零件信息的描述與表達(dá)方式，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、工藝決策、工序尺寸鏈計(jì)算、工序圖生成、道具路徑規(guī)劃、NC程序生成以及加工過(guò)程仿真等的依據(jù)和核心。在三維CAD建模中，零件信息模型的總體信息層逐步確定，用戶可以對(duì)零件的非幾何信息進(jìn)行添加，以逐步完善零件信息模型的其他信息。CAPP從三維模型中讀取設(shè)計(jì)特征，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為制造特征，對(duì)零件信息模型的特征層進(jìn)行填充，同時(shí)，CAPP部分結(jié)合特征知識(shí)庫(kù)對(duì)各個(gè)制造特征的加工方法鏈進(jìn)行填充。

　　零件特征模型的總體結(jié)構(gòu)可以分為三層，即總體信息層、特征層和特征屬性 層。如圖1所示

　　圖1 零件特征模型總體結(jié)構(gòu)

　　總體信息層用于描述與零件總體描述有關(guān)的信息，包括管理信息、零件屬性信息以及總體技術(shù)要求等。其中管理信息可以包括：零件代號(hào)、零件名稱、設(shè)計(jì)者等。零件屬性信息可以包括材料名稱、材料牌號(hào)等?？傮w技術(shù)要求描述總體熱處理信息以及其他技術(shù)要求信息等。

　　零件是由一個(gè)個(gè)的特征組合而成。特征是具有一定幾何形狀、工程意義和加工要求的一組信息的集合，是構(gòu)造零件集合形狀和零件信息模型的基本信息單元。如圓柱面、球面、倒角、螺孔等。特征層就是用于描述組成零件的各個(gè)特征以及他們之間的關(guān)系。

　　特征屬性層主要描述組成零件的每一個(gè)特征的屬性。特征主屬性用于描述特征名，特征ID，表面粗糙度等信息;特征定位描述特征在零件坐標(biāo)系中的位置;特征定形屬性描述特征的形狀信息;加工方法鏈描述該特征的加工工步信息。

　　3制造特征提取過(guò)程

　　因?yàn)樵O(shè)計(jì)特征與制造特征有許多不同之處，并不是一對(duì)一的映射關(guān)系，而是包括一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多及多對(duì)一的映射關(guān)系[1]。在CAD向CAPP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的過(guò)程中，非幾何的信息都可以直接映射;和形狀有關(guān)的特征，必須將CAD中的設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)換成CAPP中的制造特征，才能進(jìn)行后續(xù)工作。設(shè)計(jì)特征和制造特征之間存在一定的關(guān)系，有可能是直接映射關(guān)系，如單一的孔特征;有可能是互補(bǔ)特征，如凸臺(tái)特征;也有可能是復(fù)合關(guān)系，如一個(gè)形狀復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)特征。

　　制造特征模型，無(wú)論制造特征模型有多少個(gè)，它們都必須采用凹陷特征組合而成[2]。例如，對(duì)于階梯軸的制造特征應(yīng)該是兩個(gè)圓環(huán)。假如是通過(guò)對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行特征提取，那么提取出來(lái)僅僅是一個(gè)旋轉(zhuǎn)特征，要將旋轉(zhuǎn)特征(如階梯軸)直接映射成制造特征(兩個(gè)圓環(huán))難度比較大，因此先將組成階梯軸的兩個(gè)圓柱提取出來(lái)，作為兩個(gè)制造特征(圓環(huán))的偽制造特征。因此偽制造特征是制造特征本身(負(fù)特征)或制造特征(即正特征)的補(bǔ)充。

　　對(duì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域而言，設(shè)計(jì)的目的是為了完成與零件功能相匹配的幾何模型，其關(guān)鍵是設(shè)計(jì)最終幾何形狀;對(duì)制造領(lǐng)域而言，制造特征則必須由制造所采用的加工方式來(lái)決定。因此，對(duì)設(shè)計(jì)特征和制造特征之間不能直接映射的情形，就需要做一定的轉(zhuǎn)換，可以在設(shè)計(jì)特征向制造特征的轉(zhuǎn)換中加入一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，即偽制造特征，見(jiàn)圖2。

　　圖2 設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)換圖

　　4偽制造特征的提取

　　從設(shè)計(jì)特征提取偽制造特征，本質(zhì)上變成了特征分解，即把非制造特征、復(fù)合特征分解成為單一特征的過(guò)程。基于具體的CAD平臺(tái)的特征提取，則主要是利用CAD平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提取其建模特征，和特征數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配比較，提取出特征。

　　為了提取偽制造特征，首先應(yīng)建立偽制造特征數(shù)據(jù)庫(kù)，偽特征數(shù)據(jù)庫(kù)初始時(shí)至少應(yīng)該包含常見(jiàn)的基本的單一偽特征，如圓柱、孔、矩形凸臺(tái)、用戶自定義特征等?；跀?shù)據(jù)模型構(gòu)建偽特征數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)偽特征包括以下信息：特征編碼、特征參數(shù)、參數(shù)說(shuō)明，見(jiàn)表1

　　表1 偽制造特征的定義

　　偽制造特征的提取流程如下(圖3所示)，本文以Pro/E為例進(jìn)行說(shuō)明：

　　1)利用Pro/TOOLKIT工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使用ProSolidFeatVisit()遍歷設(shè)計(jì)特征并提取出來(lái);

　　2)提取出的設(shè)計(jì)特征和偽特征數(shù)據(jù)庫(kù)中信息進(jìn)行匹配，若能匹配，則轉(zhuǎn)換成功，轉(zhuǎn)向第五步;

　　3)采用基于中間平臺(tái)格式的方法中的一種(擬定采用基于圖的識(shí)別方法)對(duì)特征涉及的幾何形狀及其約束進(jìn)行分解并和偽特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，完成特征提取。

　　4)第三步中可能未匹配成功或者遺漏了部分偽制造特征，也有可能特征分解過(guò)細(xì)而需要合并，因此采用人工方式進(jìn)行再進(jìn)行分解或合并，分解結(jié)果除了保存為偽特征供下一步映射之外，還要保存到偽特征數(shù)據(jù)庫(kù)中豐富數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　5)進(jìn)行非幾何約束合理性檢查，若通過(guò)則開(kāi)始提取下一個(gè)設(shè)計(jì)特征，否則轉(zhuǎn)第三步。

　　該技術(shù)路線充分利用Pro/E提供的特征造型技術(shù)和二次開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化偽特征的提取過(guò)程，對(duì)不存在于偽特征庫(kù)中的特征，才采用基于中間格式的方式進(jìn)行匹配，由于不能識(shí)別的特征一般是由少數(shù)幾個(gè)面構(gòu)成的復(fù)雜特征，因此可以避免由于匹配帶來(lái)的組合爆炸問(wèn)題，可以解決效率低的問(wèn)題。再加上偽特征數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷豐富，設(shè)計(jì)效率會(huì)越來(lái)越高。

　　圖3偽特征提取算法

　　5 偽制造特征向制造特征的映射

　　偽制造特征向制造特征的映射本質(zhì)上就是將偽制造特征直接等價(jià)于制造特征或求偽制造特征的補(bǔ)的問(wèn)題。

　　5.1 偽制造特征和制造特征分析

　　設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，可以使用凹特征模型，也可以使用凸特征模型，因此設(shè)計(jì)特征實(shí)質(zhì)上是凹(負(fù))特征和凸(正)特征的集合。用公式表示為：

　　DF：設(shè)計(jì)特征

　　CF：凹(負(fù))特征

　　PF：凸(正)特征

　　而對(duì)于制造特征而言，其制造過(guò)程一般是在毛坯上去除一定的材料，因此制造特征是凹(負(fù))特征的集合，用公式表示為：

　　MF：制造特征

　　考慮特征轉(zhuǎn)化問(wèn)題，將特征分類為：

　　基本特征：不能再進(jìn)一步分解為其他組合特征的特征稱為基本特征，如槽、孔、鍵槽、臺(tái)階等，基本特征對(duì)應(yīng)可以直接加工的單一制造特征;

　　復(fù)合特征：如一個(gè)特征可以分解為兩個(gè)或兩個(gè)以上的基本特征的組合形式，則為復(fù)合特征，如階梯孔等;

　　陣列特征：若一系列的特征是單個(gè)特征在多個(gè)位置的拷貝，則稱這類特征為陣列特征。

　　正基本特征：若一基本特征的加入能使零件體積增加，則稱這一類特征為正基本特征。

　　負(fù)基本特征：若一基本特征的加入能使零件的體積減少，則稱這一特征為負(fù)基本特征。

　　此外，還有正復(fù)合特征、負(fù)復(fù)合特征、正陣列特征和負(fù)陣列特征。

　　由偽制造特征的定義可知，偽制造特征實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)了以上特征分類中的正基本特征和負(fù)基本特征。本課題中，由于事先已經(jīng)將設(shè)計(jì)特征全部轉(zhuǎn)換成了偽制造特征，因此在處理特征映射時(shí)要考慮的情況大大減少，有利于計(jì)算機(jī)處理的實(shí)現(xiàn)。本文中對(duì)特征的分類僅定為正基本特征和負(fù)基本特征，簡(jiǎn)稱正特征和負(fù)特征。

　　5.2 特征映射的方法

　　下面通過(guò)說(shuō)明兩種轉(zhuǎn)換類別來(lái)說(shuō)明特征映射方法。

　　符號(hào)定義：　

　　基本算法是，依次取出識(shí)別出的偽制造特征進(jìn)行判別，根據(jù)其正負(fù)性進(jìn)行相應(yīng)操作。

　　1)如果第i+1次取出的是負(fù)特征，則毛坯不變，該偽制造特征為制造特征，即 ， ，同時(shí)遍歷已經(jīng)識(shí)別出來(lái)的制造特征，檢查本特征是否和其他制造特征有相交關(guān)系，如果有，則需要進(jìn)行相關(guān)處理，獲得。

　　2)如果第i+1次取出的是正特征，則在原毛坯的 基礎(chǔ)上增加毛坯材料以包容正特征，具體增加形式，根據(jù) 決定。 ，同時(shí)遍歷已經(jīng)識(shí)別出來(lái)的制造特征，檢查該偽制造特征是否和其他制造特征有相交關(guān)系，如果有，則需要進(jìn)行相關(guān)處理，獲得。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　如何從設(shè)計(jì)資源中識(shí)別和提取應(yīng)用特征是CAD/CAM集成的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于繼承已有的設(shè)計(jì)資源以及在現(xiàn)有CAD技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造的集成具有較重要的意義。作者從應(yīng)用的角度著重討論了特征識(shí)別和提取技術(shù)的兩大關(guān)鍵技術(shù)：從設(shè)計(jì)模型中提取偽制造特征和將偽制造特征映射成制造特征。后續(xù)將根據(jù)這些提取的制造特征進(jìn)行工藝決策、規(guī)劃和排序，即生成零件的加工順序或工序與工步的次序。