（机械制造及其自动化专业论文）基于实体造型特征信息的提取的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 特征识别技术作为c a d ，c a p p c a m 等领域间的桥梁，把c a d 中的几何拓 扑信息与具体的工程信息紧紧的连接起来，提高了c a d 、c a m 、c a p p 等的实 际应用程度，使产品模型由原始的无工程意义的几何拓扑信息组合变为具有工 程意义的特征信息组合。 本文根据特征识别的基本思想，对特征及其识别进行深入的研究。基于图 的特征识别方法，采用截面造型轮廓识别的方法开发了一个回转体的特征提取 系统，为后续工艺规划提供初始数据。 本文从产品建模方法出发，对特征识别技术的发展进行了探讨，分析了特 征识别技术中存在的不足。通过对特征的定义、分类，以及对特征识别的主要 方法的分析，着重研究了基于图的特征识别的原理，提出了特征识别的算法， 以及算法的实现，解决了特征信息提取中智能化不足的问题。 在机械加工中，常用机械零件多以2 5 维模型为主。针对2 5 维模型加工特 征的特点，深入探讨了基于图的特征识别过程中所涉及的概念，分析了孤立特 征的识别原理。本文从理论的角度对特征识别进行更深入透彻的研究，分别详 细分析了以离散点为数据结构和一般数据结构的特征的识别方法，从而得知匹 配规则建立的成熟程度决定了特征被识别的程度。针对2 5 维零件主要特征，构 造了特征匹配元素，给出了边的凹凸性的基本算法。对主要特征匹配规则进行 了量化，给出了端面环矩阵。并在此基础上，提出在实体零件上的某个面上获 取造型特征，并与预定义好的规则进行匹配，以获取该特征的几何和拓扑信息 的信息识别与提取方法。 在上述方法的指导下，建立了一个实体零件特征识别系统，完成零件单个 特征的拾取，获得其空间绝对位置尺寸，并从工艺数据库中提取基本加工工艺 信息，所获得的信息都将供后续工装使用。 关键词：特征识别，加工特征，识别规则，信息提取 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e a t u r ei sab r i d g eo fc a d c a p p c a ma n dag o o dc o n n e c t o ro fg e o m e t r y t o p o l o g yi n f o r m a t i o no nc a da n dc o n c r e t ee n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o n i th e i g h t e n s a p p l i c a t i o no fc a d c a p pa n dc a ma n dp r o d u c tm o d e l sm a k en e ws e n s ef r o m g e o m e t r yt o p o l o g yi n l b r m a t t o nt os p e c i a la n g l n e e n n gi n l o r m a t m n a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo nf e a t u r ei n f o r m a t i o n t h i st h e s i sd e e pr e s e a r c h e s f e a t u r ea n df e a t u r er e c o g n i z ea n dd e v e l o p sas y s t e mo ff e a t t i r ea b s t r a c t i o nu s i n gt h e m e t h o do fc r o s s - s e c t i o n a lp r o f i l ea u t o m a t i o nf e a t u r er e c o g n i t i o n t l l i ss 3 ，s t e mc a l l p r o v i d ep r i m a r yd a t af o rl a t e rp r o g r a m t 1 1 i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to ff e a t u r er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g ya n d a n a l y z e sd e f i c i e n c i e so ni ta c c o r d i n gt op r o d u c tm o d e l b yd e f t n i n ga n dc l a s s i f y i n g f e a t u r ea n da n a l y z i n gt h em a i nf e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o d s ，i te m p h a t i e a l l y r e s e a r c h e st h et h e o r yo ng r a p h - b a s e df e a t t i r er e c o g n i t i o na n db r i n g sf o r w a r d s a r i t h m e t i co nf e a t u r er e c o g n i t i o n t h ea r i t h m e t i cc a nf i g u r e0 t i tl a c k so fi n t e l l i g e n to n e x t r a c t i o nf e a t u r ei n f o r m a t i o n u n i v e r s a lw o r k p i e c e sa r em a i n2 5 dm o d e l si nm a c h i n e i na l l u s i o nt ot h e i r c h a r a c t e r i s t i c s t h i st h e s i sd e e pd i s c u s s e sc o n c e p t si n v o l v e di nt h ec o u r s eo f g r a p h b a s e df e a t u r er e c o g n i t i o na n da n a l y z e sr e c o g n i t i o nt h e o r yo nt h ei s o l a t e d f e a t u r e t l i st h e s i si n t e n s i v e l yr e s e a r c h e sf e a t u r er e c o g n i t i o nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h e o r y f e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o di sr e s p e c t i v e l ya n a l y z e di nd e t a i la b o u tt h ed a t a s t r u c t u r eo fd i s c r e t ep o i n ta n dg e n e r i cd a t as t r u c t i l r e a c c o r d i n g l yi ti se l i c i t e dt h a ta m a t u r ed e g r e eo fc o n s t i t u t e dm a t c h i n gr e g u l a t i o nd e t e r m i n e sad e g r e eo fi d e n t i f i e d f e a t u r e a i ma t2 5 dp a r t sp r i n c i p a lf e a t u r e s as u i t e de l e m e n ta n dab a s i ca r i t h m e t i c a b o u tl i m b i cc o n c a v ea n dp r o t r u d i n ga r ec o n s t r u c t e d m a i n l ys u i t e de l e m e n t sa r e q u a n t i f i e da n da ne n df a c el o o pm a t r i xi sb u i l t 0 nt h eb a s i so fi t am e t h o do ff e a t u r e i n f o r m a t i o nr e c o g n i t i o na n de x t r a c t i o ni sp u tf o r w a r d b yw h i c hf e a t u r ei n f o r m a t i o n c a no b t a i ni ns o m es u r f a c eo fa ne n t i t yp a r t ，a n di tm u s tm a t c hw i t hp r e c o n c e r t e d r e g u l a t i o n s i no r d e rt oo b t a i ni t sg e o m e t r ya n dt o p o l o g yi n f o r m a t i o n af e a t u r er e c o g n i t i o ns y s t e mo ne n t i t yp a n si s d e v e l o p e da c c o r d i n gt o b e f o r e m e n t i o n e dr e s e a r c h e s 1 1 1 i ss y s t e mc a np i c ku ps i n g l ef e a t u r eo n aw o r k p i e c e o b t a i ni t sa b s o l u t es p a c ep o s i t i o n sd i m e n s i o na n dp r o c e s si n f ( ，r m a t i o nf r o mp r o c e s s d a t a - b a s e t h ei n f o r m a t i o nw i l lb ep r o v i d e d 、i t hf o l l o w i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：f e a t u r er e c o g n i z e ，m a c h i n ef e a t u r e ，r e c o g n i t i o nr e g u l a t i o n , i n f o l m a t i o n e x t r a c t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m , c i m s ) 被 广泛地认为是先进的机械制造工业的生产模式。它是企业生产活动全过程中各 功能子系统的集成，即从市场预测、经营决策、计划控制、工程设计、生产制 造、质量控制到产品销售等支持功能部门，合理地通过计算机网络联合成一个 整体，以保证企业内部信息的一致性、共享性、可靠性、精确性和及时性，实 现生产的自动化和柔性化，达到高效率、高质量、低成本和灵活生产的目的i i 。 作为c i m s 的重要组成模块的计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g nc a d ) 、计 算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) ，等单元技术在各 自的领域都取得了巨大的发展，并在生产实践中获得了很好的应用。为了进一 步提高企业的生产效率，加快企业的信息化进程，c a d c a p p c a m 系统的集成 己经成为国内外研究的热点，而基于特征的技术则是实现集成的有效途径之一。 1 1 特征建模技术 1 1 1 产品建模技术概况 特征建模的过程也是特征信息处理的过程。设计过程中产品信息的表达方 式与当时的生产发展水平紧密相关。随着c a d 和c a m 概念的逐步形成以及计 算机硬件和软件的飞速发展，产品的表达方式发生了显著的变化。相继出现了 几何模型、线框模型、表面模型、实体模型以及8 0 年代末期的特征模型等不同 的产品设计模型。 线框模型结构简单。容易处理，适合表达自由曲面的产品。但它不包含零 件的表面信息，不能区分零件表面的里边或外边，对零件描述不完整，且有二 义性。表面模型能处理较复杂型面的设计与加工，只能表现零件几何形状的外 壳，不能描述零件内部的信息。而实体模型能完整地描述产品的几何形状，数 据结构简单，可以表示更高层次的特征信息与拓扑信息，适合构造复杂的零件。 g t 代码是用若干位数码来抽象地表达零件的几何、工艺特征，但由于描述方法 简单，对于需要生成详细工序、工序内容的c a p p 系统来说，靠几位或十几位 数码来描述零件信息就远远不够了。上述几何模型的共同特点是，仅能描述零 武汉理工大学硕士学位论文 件的几何数据，模型中对特征及公差表达不完整或不精确，满足不了 c d ，c a p p c a m 集成的需要。 从c a d c a m 集成的角度出发，要求从产品整个生命周期各阶段的不同需 求来描述产品，能够完整地、全面地、描述产品的信息，即重构零件模型，使 得各应用系统可以直接从该零件模型中抽取所需的信息。人们把这种模型称为 特征模型，这样的建模技术称为产品建模或特征建模，是目j i i 被认为最适合于 c a d c a m 集成系统的产品表达方法之一。国外在系统集成方面作了大量工作， 涌现出许多集成化的系统软件，如美国s d r c 公司研制的集设计、仿真、加工、 测试、数据库于一体的m a s t e rs e r i e sc a d c a e c a m 集成系统i d e a s ；法国达 索飞机公司开发人型c a d c a m 软件c a t i a ，目前世界大部分航空和汽车业使 用该软件。 1 _ 1 2 特征建模方法综述 特征建模大至可分为交互式特征定义、特征识别和基于特征设计三个方面。 1 交互式特征定义利用现有的造型系统建立产品的几何模型，由用户直 接通过图形交互式拾取，定义特征几何所需要有的几何要素，并将特征参数或 精度、技术要求、材料热处理等信息作为属性添加到特征模型中。这种建模方 法自动化程度低，产品数据的共享也难以实现，信息处理过程中容易产生人为 的错误。 2 特征识别将几何模型与预先定义的特征进行比较，确定特征的具体类 型及其它信息。它一般由下列步骤组成： ( 1 ) 搜索产品几何数据库，匹配特征的拓朴几何模型； ( 2 ) 从数据库中提取己识别的特征信息； ( 3 ) 确定特征参数； ( 4 ) 完成特征几何模型； ( 5 ) 组合简单特征以获得高级特征。 以上识别的主要是加工特征，然而，提取产品的特征信息是非常困难的。 不少学者对特征识别的算法进行了深入研究，如特征匹配法、c s g 树识别法、 体积积分法、实体生成法等，但结果令人不是很满意。特征识别往往只对一简 单形状有效，而且c a p p 所需要的公差、材料等属性仍然缺乏。针对特征识别 武汉理工大学硕士学位论文 中存在的困难和问题，w i l s o n e r 等提出直接采用特征建立产品模型，而不是事 后去识别特征来定义零件几何体，即将特征库中预定义的特征实例化后，以实 例特征为基本单元建立特征模型，从而完成产品的定义或设计。 1 2 特征识别技术 1 2 1 特征识别的研究概况 特征识别的作用是从零件的设计模型中抽取具有特定工程意义的几何形状 信息。它的研究工作最早开始于7 0 年代中期的英国剑桥大学c a d 中心，该中 心的c r r a y e r i 2 j 在1 9 7 5 年首次尝试从零件的实体模型中自动提取出对计算零件的 数控) j f l _ 【刀具轨迹有意义的几何形状，并基于此类特征进行零件的月具轨迹计 算。该中心的另一位研究人员k y p r i a n o u ，在他的博士论文中首次正式引入了现 有的特征识别思想【3 】，从而奠定了基于边界表示进行特征识别的基础。从此以后 特征识别技术得到不断的发展，新的特征识别的算法不断出现。 特征识别可以分为自动识别和人工识别两种方式，其中自动特征识别过程 包括以下四个阶段： ( 1 ) 特征识别阶段：对几何形状的形式描述中的特征进行鉴别，此步骤是特 征识别的关键。 ( 2 ) 参数确定阶段：从几何模型中计算出特征的参数。 ( 3 ) 特征提取阶段：将特征从几何模型中移出。 ( 4 ) 特征组织阶段：将特征组织成特征图形。 1 2 2 特征识别技术的发展现状 1 特征识别的方法 到目前为止，特征识别方法的种类己经很多，j o s h i 和c h a n g 提出了基于属 性面邻接图的特征识别方法【4 l ，该方法的特征搜索策略是予图匹配，即通过将零 件面边图中的适当子图与特征的面边图进行匹配来识别特征。 周广平 5 1 等提出了一种面向网络，基于分治的加工特征识别算法。首先将零 件剖分为若干个适当大小的分解体，然后对每一分解体进行加工特征识别最后 通过对相关分解体的识别结果进行合并生成零件的加工特征模型。 武汉理工大学硕士学位论文 高曙明【6 】融合了基于图的特征识别和基于痕迹的特征识别。提出了一种统一 定义、生成和延拓特征痕迹的方法。该方法用扩展属性邻接图表示特征的边界 模式，扩展属性邻接图比一般的面边图具有更多的属性。以特征的最小条件子 图即特征属性面邻接图残留在零件属性面邻接图中的最大子图作为特征痕迹， 采用图分解生成特征痕迹，通过添加虚拟链接和相关面进行特征延拓。 在基于图的特征识别方法基础上，针对一些应用领域的特征，z h u a n g 和 d y i p h o i 提出了一种基于普通特征关系图来识别一些复合特征的方法i 。”。他们 所指的普通特征即孔、槽和型腔之类的一般意义上的特征，通常来自于传统的 特征识别方法或者是基于特征的c a d 造型系统。复合特征往往是由一组普通特 征通过用户定义的一些规则组合在一起后形成的，如装配孔、阶梯孔等。该方 法将特征之间的关系分为五种：相交、平行、重叠、可合并的和被阻挡的，通 过相关的计算，首先确定普通特征之间的关系，建立起特征关系图，然后通过 子图匹配的方法，识别出预定义的复合特征。 安鲁陵等提出一种基于边界表示( b r e p ) 的特征识别方法【s i 。该方法通过对组 成实体的边和面进行搜索，生成有向边面图，然后根据该有向图生成封闭环即 特征。这种方法可用于相交特征的识别和较为复杂的几何体的加工特征识别。 m w f u ，s k o n g ，i b h l e e 和a y c n e e 提出了从数据交换模型 ( s t e p i g e s ) 中识别设计特征和加工特征的方法1 9 1 。在他们的研究中，特征分为 两种，一种是单个特征，另一种是复合特征，这里的复合特征是指由若干个单 个特征相互叠加之后产生的结果。他们提出了一种多层次的特征分类法，最底 层的特征就相当于s t e p a p 2 2 4 中定义的特征，其它层的特征是为了容易描述和 实现整个识别方法而定义的。 吴江等也提出了一种从s t e p 文件中识别出轴类零件加工特征的方法【1o 。，该 方法对轴类零件常见的几类加工特征具有良好的识别效果。 2 自动特征识别系统 随着特征识别研究工作的不断深入，特征识别技术得到了不断的发展，国 内外己经开发出了一些自动特征识别系统。这些系统可以分为两类：一类是研 究型原型系统，主要侧重予对算法的验证，其中比较典型的有k i m 等人用于验 证a s v p 的原型系统【i “。另一类是商品化系统，典型的有印度g s s l 公司开发 的a f r ，此系统己被s o l i d w o r k s 、s o l i de d g e 采用。它可以从实体模型中识别出 面向不同应用领域的特征模型，包括设计特征、加工特征和分析特征等，其中 4 武汉理工大学硕士学位论文 可以识别的加工特征主要包括槽、孔、台阶、倒角和过渡等几类常见的二维半 的加工特征。但该系统对相交特征的识别仍然不尽人意，对含曲面的零件和对 用户自定义特征的处理也有很多不足。 f e a t u r e w o r k s 是s o l i d w o r k s 的一个附加模块，可以识别包括s t e p ，i g e s ， s a t ，v a d f s 和p a r a s o l i d 标准数据格式的实体模型。对于规则的机加工轮廓和 钣金特征f e a t u r e w o r k s 可以很有效地进行识别，+ 另外它提供自动和交互两种特 征识别方式。当自动识别方式不能有效工作时便会转入交互式模式，通过简单 的交互来实现特征识别。 c a m w o r k s 是美国著名c a d c a m 软件开发商t e k s o f t 公司研制的智 能化数控加工编程软件，它可以与s o l i d w o r k s 无缝链接。c a m w o r k s 所拥有 的加工特征识别技术能够快捷、智能化地识别和提取零件几何特征，而不要考 虑创建特征的c a d 系统是什么类型。目前，它能够识别绝大多数的两轴或两轴 半的加工特征，而对于较复杂的零件模型，还不能有效地加以识别，需要通过 交互式特征识别方法来处理。 t e c n o m a t i x 公司的p a r t 是一个基于特征的棱柱类零件的c a p p 系统。该系 统是基于零件的b r e p 实体表示通过交互机床选择、自动特征识别直至自动生成 刀具轨迹和n c 代码。它可以识别复杂特征并把它们分层，提取的特征有简单特 征和复合特征。 f e a t u r e c a m 是e n g i n e e r i n gg e o m e t r ys y s t e m s 公司的基于特征技术的制造加 工软件，它包含的f e a t u r e r e c o g n i t i o n 模块是用于对零件进行特征识别，并利用 识别出的加工特征进行自动工艺规划和刀具路径的自动生成。f e a t u r e r e c o g n i t i o n 模块能够自动识别孔、槽、凸台、型腔和开放槽或型腔几类特征。但是，对于 拥有较多相交特征或者零件比较复杂时它的自动特征识别就不够有效，需要借 助于人工的干预，通过交互才可以识别。 几十年来尽管特征识别技术得到了很大的发展，但现有的商用特征识别系 统还只能对常见的较为简单的加工特征进行有效的识别。对于相对复杂的实体 模型，只能依赖于需要人工干预的交互式方式进行处理。 1 2 3 特征识别研究中存在的问题 如上所述，现有的特征识别方法都具有一定的实用性，但是还存在着如下 武汉理工大学硕士学位论文 一些问题： 1 相交特征的识别 相交特征是特征识别中公认的难点。对此，人们做了大量的研究，使得它 在一定的程度上得到解决，但是问题的解决程度还是不尽人意。现有的方法一 般只能识别常见的相交特征，而且识别效率也不理想。另外，相交特征多重解 释的组合又构成相交特征识别中的新问题。 2 复杂零件的特征识别 现有的特征识别方法在识别现实加工中的复杂零件时都存在着不同程度的 问题，主要表现在： ( 1 ) 所能识别的特征种类有限。一般仅为常规的切削加工特征； ( 2 ) 所处理的曲面类型有限。通常仅为平面，虽然有些包含圆柱面、圆锥面， 但极少涉及自由曲面； ( 3 ) 当识别的零件包含上千拓扑元素，成百个特征时，识别速度往往不够理 想。 3 现有的加工特征识别算法尚未考虑网络化设计与制造的需要，加工特征 识别系统基本都是单机用户使用的，对网络化设计与制造的支持不够。 4 基于多种信息的特征识别 现有的特征识别方法基本都仅仅利用了零件的实体表示进行特征识别，而 忽略t n 用可能对特征识别同样有用的设计特征、公差等信息。现在，人们已 经普遍认识到应该对这种不合理的状况加以改变。 1 3c a d c a p p 集成技术 1 3 1c a d c a p p 集成的必要性 随着工业化的不断深入，制造领域对c a d c a m 集成提出了越来越迫切的 要求。而传统的c a d 与c a p p 技术分别发展至今，虽然己经在产品设计自动化 和工艺过程规划等方面发挥了重要的作用，取得了显著的成果，但这些独立的 单元系统尤如一个个自动化的信息化孤岛，无法满足用户对于真正意义上的集 成的需求。c a p p 系统是c a d i c a p p i c a m 集成制造系统的重要组成模块，是实 现产品设计和制造自动化的关键技术。为了实现c a d c a m 的有效集成，需要 6 武汉理工大学硕士学位论文 解决的诸多困难之一就是缺少c a d 与c a p p 之间的智能接口。原因在于传统的 基于实体模型的产品建模技术只注重产品的几何信息细节的描述，产生较低层 次的几何信息，如点、线、面、体等，但对于c a p p 及后续单元来说，点、线、 面的层次太低，无法被其所自动理解，因此在根据面向制造的需要来解释零件 时需要大量的人工干预和二次输入，因而降低了效率并增加了许多不确定因素。 因此，在高层次上描述零件的几何信息、拓扑信息的零件信息模型是实现 c a d c a p p 的集成的关键。 1 3 2c a d c a p p 集成方法概述 目前提出的解决c a d c a p p 系统集成的模式主要有三种： 1 ) 基于标准的数据交换：数据交换方式是信息集成过程中经常采用的一种 方式，它既可以按指定的数据接口进行，也可以通过标准数据形式连接。 2 ) 特征造型方法和参数化设计：特征造型是基于特征的零件设计，以预定 义的形状特征作为建模的基本元素直接建立产品模型，其设计数据库中包含完 整的特征定义数据。特征设计可以实现对零件特征的准确描述，简化零件几何 规范，并捕捉设计者的设计思想，它将产品设计提高到一个较高的层次，使产 品设计的对象不再是简单的几何要素，而是产品的功能要素。参数化则在产品 的表达和设计上提供了很多方便，使得工艺信息的提取变得更为容易。 3 ) 特征识别方法：所谓特征识别就是从产品的实体模型出发自动识别出其 中具有一定工程意义的几何形状，即特征，进而生成产品的特征模型。c a p p 系 统从c a d 系统给出的零件几何和工艺描述中获取零件的特征数据，并能从c a d 数据库中自动识别出零件的特征。它是实现c a d c a p p 无缝集成的有效途径， 不足之处在于无法获取c a d 实体数据中不存在的数据信息，如公差、表面粗糙 度等。 虽然目前特征识别技术发展还不是很完善，但人们越来越清楚地认识到在 c a d c a p p 集成中自动特征识别所发挥的重要作用，本文即是以特征识别技术 为核心，从c a d 实体边界模型中提取加工特征信息以服务于后续的c a p p 和 c a m 系统。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3c a d c a p p 集成的发展趋势 纵观近年来信息集成的发展历程和当前生产部门对信息集成的需求情况， c a d c a p p 集成系统正逐步朝着集成化、网络化、智能化、可视化方向发展。 1 ) 集成化 c a p p 是c a d 与c a m 之间的桥梁，是c a m 、p d m 的重要产品信息来源， 这些系统的发展可以相对不平衡，但必须在并行工程思想的指导下实现c a p p 与c a d 、c a m 等系统的全面集成。 2 ) 网络化 随着经济全球化以及网络技术的发展，网络化成为c i m s 应用的必然要求。 单个系统的处理能力是有限的，只有通过网络互联，才能有效地实现资源共享 和协同合作，从而发挥集成系统的优势。 3 ) 智能化 c a d c a p p 系统不会停留在以解决事务性、管理性工作为主的阶段。基于 知识的c a p p 系统应该将工艺专家的经验和知识积累起来并加利用 4 1 可视化 可视化的c a d c a p p 集成系统从准备数据、实施计算到表达结果都是用图 像来给以说明，可以给用户以直观印象，从而易于理解。 1 3 4 特征识别方法在c a d ，c a p p ，c a m 集成中的应用 随着c a d 、c a p p 、c a m 等技术的发展，零件设计与工艺设计以及制造的 集成是c i m s 发展的必然要求。所谓c a d c a p p c a m 的集成是指c a d 、c a p p 、 c a m 各模块之间有关信息的自动传递和转换，实质上是信息的集成。它是一种 以计算机应用技术为核心，以系统工程的科学思想为指导，借助计算机网络和 数据库工具，组织和运营企业的生产过程，使之达到全过程、全局性优化的新 型生产应用系统。 由于传统的基于实体模型的产品建模技术只注重产品的几何信息细节的描 述，产生的几何信息层次较低，c a p p 及后续系统无法识别，因此需要一个c a d 与c a p p 之间的智能接口。其结构图如下图i - 1 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 c a d 系统b ! ! 堡! 刊特征识别器静! ! ! 堕刮c a p p 系统l 卜一c a m 系统睦 1 需蕊蕊瓣麟1 蕊弼e 熏燃、缀缀露黎添燃缀露蕊蕊燃 特征模式 图1 1 特征识别系统的结构示意图 1 4 课题来源与研究背景 1 4 1 课题来源 本论文课题来源于企业项目基于三维c a d 平台的产品参数化设计系统。 1 4 2 研究背景与意义 随着社会不断发展，人们对于产品的需求己经从大批量、少品种转化为小 批量、多品种。这就要求企业能够快速地响应市场需求，积极缩短产品开发、 生产周期。要解决这些问题，从技术层面上来看，就是要实现c a d c a p p c a m 的集成。c a p p 在c a d 、c a m 中起纽带作用，它从c a d 系统中获取零件的特 征信息、工艺信息，并从工程数据库中获取企业的生产条件、资源情况及企业 工人技术水平等信息，进行工艺设计，形成工艺流程卡、工序卡、工步卡及n c 加工控制指令等。为了提高c a p p 的智能化水平，人们提出用特征识别技术去 解决集成中出现的一些问题，经过大量的研究表明特征识别技术是实现集成的 有效途径之一。因此，对特征识别技术的研究具有理论和现实意义。 1 5 主要研究内容 本文的目标是以实体模型为研究对象，基于图的加工特征识别技术，运用 截面轮廓特征识别方法，开发一个基于s o l i d w o r k s 平台的零件加工特征自动识 别原型系统。研究的主要内容是从三维c a d 边界模型中自动提取出零件的加工 特征及其相应的几何、拓扑信息，从而为后续的c a p p 系统提供必要的信息。 研究内容如下： 1 对特征的定义、分类，以及特征识别的主要方法进行分析，着重分析基 9 武汉理工大学硕士学位论文 于图的特征识别方法的原理。 2 通用零件以2 5 维零件为主，针对2 5 维零件的加工特征的特点，探讨 基于图的特征识别过程中所涉及的概念，分析孤立特征和相交特征的识别原理。 为后面识别规则的确立提供理论基础。 3 分析特征识别技术的识别规则，并在此基础上提出采用截面造型轮廓特 征识别方法的具体步骤。 4 采用上述方法建立一个实体零件特征识别系统，获得实体某面上的一个 特征的加工特征，根据识别出来的特征获得加工位置尺寸，同时从工艺数据库 中提取基本的数据，供后续工艺使用。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章特征识别技术原理 2 1 零件特征的概念 2 1 1 特征的定义 特征概念的首次提出至8 0 年代后期，相继出现了多个特征概念的定义，按 照面向不同的应用背景大致可以分为面向设计、面向制造以及广义的定义。面 向设计的定义比较典型的有：“特征就是在工件的表面、棱边或转角上形成的几 何轮廓，用于修饰工件的几何外观或者有助于实现工件的给定功能【1 2 1 ”，“特征 是将要完成的特定活动具有一定含义的一组几何实体【l3 】”，“特征是零件表面感 兴趣的区域 1 4 1 。面向制造的定义有：“特征是对应于主要加工操作的几何形体 ” ，“特征是由基本的切削加工操作所除去的体积【1 6 l ”，“特征是工件上具有显 著特性的部分，它定义专用于加工过程或用来固定和测量等目的的几何形状 7 j ，。广义的比较典型的定义有：“特征是用于生成、分析或评价设计的元素【1 8 】”， “具有一定几何形状的实体，与c i m s 的一个或多个功能相关，可以作为基本单 元进行设计和处理i l9 j ”，“特征是出于某种目的被作为一个整体看待的并具有固 定的形状表面的一部分1 2 u j ”等。 8 0 年代末出现的基于特征的产品定义模型被认为是最合适的c a d c a p p 集 成的模型，此模型把特征作为产品模型的基本单元，将产品描述为特征的组合， 以实现对产品更为详细的描述。它不再根据低级的点、线、面来表示形状，而 是用具有明显工程语义的孔、台阶等来表示。基于特征的零件信息模型不仅包 含几何拓扑信息，而且包含零件总体信息、零件结构信息和材料、精度等工艺 信息。这样把零件的几何信息和非几何信息统一描述的特征定义，有利于构造 完备的零件信息模型，为后续的c a p p 系统提供了基础。 2 1 1 2 特征的分类 对特征按一定规则进行归类，对特征的表达、操作都有诸多的好处，进而 得以有效地组织零件信息。特征分类具有以下四个好处【2 1 】： 1 ) 便于按类表达特征，使特征的表达规范化和结构化； 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 可以建立通用的特征和特征术语； 3 ) 把复杂的事物简单化，有利于分析理解； 4 ) 有利于产品数据交换的标准化。 然而，由于特征与产品类型及工程应用密切相关，因此在不同的应用中， 特征具有不同的含义和表达形式，各个领域对它的理解也各有不同。即使在同 一个应用领域，由于用户所关心的特征相似性不同，所产生的特征分类也不会 完全相同，另外，基于不同的特征定义也会产生不同的分类。要对特征进行通 用的分类是非常困难的。一般都是从某些特定的应用角度进行分类。 p r a t t t z 2 1 和w i l s o n 为c a m i ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a l ) 提出 了一个按形状和构造特点对形状特征分类的模式。它把形状特征分为显式特征 和隐式特征。 根据形状特征在设计中所起的作用不同，c u n n i n g 和d i x o n 将特征分为静态 和动态两类。动态特征是传递运动或能量的产品实体，静态特征进一步分为基 本类、附加类、交类、整体形状类、宏类等五大类特征。 近年来随着对特征技术的研究和应用，国内的学者及工厂也对特征进行了 不同的分类。例如： 祝国旺1 2 3 1 跟据特征的定义以及特征分类的原则将构造零件模型的特征分为 形状特征、管理特征、技术特征、材料特征和精度特征等五大类。 胡庆夕【2 4 】等按照并行集成系统的信息需求将零件特征分为设计特征、总体 特征、形状特征、材料特征、精度特征和工艺特征等六大类。 吴江根据集成开发环境中特征的定义以及c a d c a p p 集成系统对于信息的 需求，把零件模型的特征分为六类： 1 ) 总体特征：总体特征用于描述零件的管理信息。包括标题栏( 如零件名、 零件编号、图号、批量等) 、表面粗糙度、材料等信息。 2 ) 形状特征：形状特征是产品上具有一定拓扑关系的一组几何元素( 点、 线、面) 所组成的特征形状，具有特定的功能，不仅可以描述特征之间的关系， 而且与一定的加工方式相对应，适宜于在设计、分析和制造中使用。根据形状 特征在构造零件中所起的不同作用，形状特征又可以分为主形状特征和辅助形 状特征。完整的形状特征分类如图2 1 所示。 3 ) 精度特征：精度特征是用来表示公称几何形状及尺寸的允许变化量，是 实现零件互换和评定产品质量的重要指标。一般包括尺寸公差、形状公差、位 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 置公差和表面粗糙度等信息。 4 ) 材料特征：材料特征用于描述与零件的材料和热处理有关的信息。包括 材料的名称、类型、规格、毛坯状态、机械性能及规范、工艺性能表面处理方 式及要求等。 5 ) 工艺特征；工艺特征用于描述与零件制造、装配过程有关的信息集合包 括加工方法、零部件配合关系、装配关系等。 6 ) 制造特征；制造特征用于描述零件制造过程中需要的信息，如零件和特 征的加工方法、加工基准、加工精度要求、切削用量、机床、刀具等。 在本文中将按照以上六类对特征进行分类。 图2 - 1 形状特征分类 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 特征识别的主要方法 虽然特征识别方法的种类己经很多，但它们从整体上可以分为两大类，一 类是基于边界匹配的特征识别方法，一类是基于体分解的特征识别方法。 2 2 1 基于边界匹配的特征识别方法 由于每一类特征都有其一定的边界模式，因而特征识别的一个自然方法就 是通过搜索零件的边界模型，寻找其中符合特征边界模式的区域，进而识别出 零件中包含的所有特征。这种基于零件的边界表示，通过边界匹配进行特征识 别的方法统称为基于边界匹配的特征识别方法，这类方法也是最早出现的特征 识别方法。 基于边界匹配的特征识别方法的基本步骤为： 1 1 搜索零件的边界表示，并将其特定部分与每一类特征的边界模式进行匹 配； 2 ) 确定己识别特征的参数，构造完整的特征几何模型； 3 1 对能够合并成组合特征的基本特征进行组合。 因为特征的边界模式定义和特征搜索策略是该类特征识别方法的关键内容 也是各种方法的区别所在，以下就以这两方面为内容，介绍具有代表性的基于 边界匹配的特征识别方法。 1 基于规则的特征识别方法 基于规则的特征识别方法通过规则定义特征的边界模式，基于专家系统进 行特征识别。h e n d e r s o n 2 3 】在博士论文中关于孔特征的规则描述是：孔开始于一 个入口面：孔面共轴；孔的所有面顺序相连；孔终止于一个有效的孔底面。基 于上述定义的规则，该类方法通过将零件边界模型谓词表示中的事实与特征规 则进行匹配，识别出零件中的特征。 基于规则的特征识别方法是最早提出的特征识别方法之一，但如今己不太 受重视，主要是它难以解决以下三个问题f 6 j ：特征的规则定义方法不唯一，不 完备，并且用户不易掌握；由于需要进行大量匹配，因此识别效率不高： 无法识别相交特征。相交特征是特征识别中的难点，其原因在于特征发生相交 后，会导致程度不等的几何、拓扑元素丢失，从而使特征无固定模式可寻。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 基于图的特征识别方法 基于图的特征识别方法是研究最多的特征识别方法之一。这方面的研究成 果十分丰硕。该类方法主要采用面边图来表示特征的边界模式和零件的边界模 型。所谓面边图是指以面为结点，以面之间的邻接关系为弧的图。图2 2 是j o s h i s 和c h a n gtc 提出的属性面邻接图实例【3 】。属性面邻接图与一般面边图的区别 在于其还将边的凹凸性表示为弧的属性，在本文中数字0 表示凹边，数字l 表 示凸边，加上这个属性使得特征边界模式的图表示更加完整。如图2 - 2 所示：( a 1 为零件的几何模型，( b ) 则是它对应的属性邻接图。采用图来表示特征边界模式 的主要优点在于：特征的图表示具有唯一性，完备性；特征库内的特征的 图表示易于生成。用户只需用实体造型系统构造出一个特征实例，该特征的图 表示便可由统一的算法自动生成。 基于图的特征识别方法的特征搜索策略是子图匹配，即通过将零件面边图 中的适当子图与特征的面边图进行匹配来识别特征。由于图的子图搜索算法是 n p 问题，十分耗时，因此如何有效地选取出适当子图而不是对所有子图进行匹 配是基于图的特征识别方法的关键问题之一。j o s h i 和c h a n g 提出一种特征搜索 策略i j j ，他们首先给出一个假设即如果一个面与它的所有相邻面之间的夹角( 面 向体内) 均小于l - i ( 这样的面称为凸面) ，该面将不属于任何特征。基于上述假设， 他们通过删除零件属性邻接图中的所有凸面节点以及所有与凸面节点关联的弧 得出一组分离子图，并将它们与每一个库特征的属性面邻接图进行匹配，识别 出特征。这种方法较大地压缩了图搜索空间。但是，由于所作的假设并非总能 成立，因此某些特征如倒角、t 型槽等会被遗漏。高曙明等提出一种新的面向 b r e p 实体模型的自动加工特征识别方法，该模型中只包含平面和二次曲面。在 他们的方法中，特征被分为预定义的特征和一般特征，其中预定义的特征包括： 台阶、盲台阶、槽、盲槽、孔、盲孔、倒角等，它们被存储在预定义的特征库 里：而一般特征则是那些组成特征的实体数目不确定的特征，如一股型腔、通 型腔以及开型腔，它们被存储在一个启发式规则库里面。特征的表示则包括特 征的扩展属性邻接图、特征参数、通入方向、阻碍面、分割状态、交互特征等。 导入零件模型和相应的毛坏模型通过预处理得出面、边的属性以及构造扩展属 性邻接图，并把它进行分割，然后识别出孤立的特征和交互的特征，对于交互 的特征需要进一步修补，继而对每一个识别出来的特征与预定义的特征进行匹 配，最后创建零件的特征模型( 数据结构) ，此方法大大地压缩了图的搜索空间， 武汉理工大学硕士学位论文 处理的速度很快，而且识别的效果也很理想。 图2 - 2 零件几何模型( a ) 及其属性邻接图( b ) 2 2 2 基于体分解的特征识别方法 特