（机械电子工程专业论文）ug环境下基于xml的制造特征建模系统.pdf

u g 环境下基于x m l 的制造特征建模系统 学科 机械电子工程 研究生签字 可碧籼 指导教师签字 愀 摘要 特征建模技术是先进制造技术的发展要求 建立一个共享的零件特征模型是 c a d c a p p c 舢 集成系统的关键技术之一 特征建模系统能提供后续c a m 系统所需的 零件几何信息和工艺信息 实现各个c a x 系统之间的信息共享与交换 一个完整的产品信息模型不仅应具备产品的几何拓扑信息而且还应具备面向制造的 加工和工艺信息 由于特征模型在表达零件的形状结构以及制造特性上具有优越性 使 c a d c a p p c a m 等系统共享统一的产品模型成为可能 本文介绍特征的概念和分类以及基于特征的零件信息模型的结构和构造方法 然后分 析了实现c a d c a m 集成的方法一一特征建模技术 在分析特征建模技术的基础上 提 出以一种交互式特征建模方法 以特征建模作为c a d c a p p 集成的基础 构建了基于特征的集成化零件品信息模型 根据系统集成对于信息的需求 从特征定义 特征分类 特征关系 特征表达等方面对于 轴类零件特征进行了深入的研究 在此基础上构建特征信息模型 在以上研究的基础上 在u g 平台上利用u g 的二次开发接口u g o p e nm e n u s c r i p t u g o p e nu i s t y l e r u g 0 1 e n a p i 和v c 抖6 0 开发了相应的轴类零件的特征建模模块 针对c a p p 的需求 所开发的轴类零件特征建模模块将工艺信息补充到设计特征信 息中 生成相应的工艺特征信息 并以x m l 文件的形式输出到c a p p 系统中 最后给出 了相关的实例 关键词 c a d c a p p u g 特征建模 特征识别 x m l m a n u f a c t u r i n gf e a t u r em o d e l i n g s y s t e mb a s e d o nx m li nu g d i s c i p l i n e m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c s t u d e n ts i g n a t u r e s u p e r v i s o rs i g n a t u r e 岣纺卜 jf 函凯 a b s t r a c t f e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g yi st h er e q u i r e m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a m t d e v e l o p m e n t i ti so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fc a d c a p p c a mi n t e g r a t e ds y s t e m t ob u i l das h a r e dp a r tf e a t u r em o d e l af e a t u r em o d e l i n gs y s t e mc a l lp r o v i d en o to n l yt h e g e o m e t r yi n f o r m a t i o no fap a r t b u ta l s ot h ep r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no ft h ep a r t w h i c hi sn e e d e d b yt h el a t t e rc a ms y s t e m t or e a l i z ei n f o r m a t i o ns h a r ea n de x c h a n g eb e t w e e nc a xs y s t e m s a ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o nm o d e lo fap r o d u c ts h o u l di n c l u d en o to n l yt h ei n f o r m a t i o no fa p r o d u c t sg e o m e t r ya n dt o p o l o g y b u ta l s oi t sm a c h i n i n gp r o c e d u r ea n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n af e a t u r em o d e lh a st h es u p e r i o r i t yi ni n f o r m a t i o nd e s c r i p t i o no fp a r ts h a p e s t r u c t u r ea n d m a n u f a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s f e a t u r em o d e l i n gm a k e si tp o s s i b l et os h a r ea nu n i f i e dp r o d u c t m o d e l i nt h ep a p e r f e a t u r ec o n c e p t f e a t u r ec l a s s i f i c a t i o n m o d e ls t r u c t u r ea n dm o d e l i n gm e t h o d b a s e d0 1 1f e a t u r e sa r ei n 仃o d u c e d t h e n t h em o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nf e a t u r e si sa n a l y z e d a n dt h e n a ni n t e r a c t i v ef e a t u r em o d e l i n gm e t h o di sp r e s e n t e d u s i n gf e a t u r em o d e l i n g 弱t h eb a s i sf o rt h ei n t e g r a t i o no fc a d c a p p a ni n t e g r a t e dp a r t i n f o r m a t i o nm o d e lb a s e d0 1 1f e a t u r e si sb u i l t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n f e a t u r ed e f i n i t i o n c l a s s i f i c a t i o n r e l a t i o n s h i p r e p r e s e n t a t i o na n d s oo no fs h a rp a r t s a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h e n af e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e li sp r o p o s e d a n dt h e n af e a t u r e m o d e l i n gm o d u l ei sd e v e l o p e df o rs h a f tp a r t su s i n gu g o p e nm e n u s c r i p t u g o p e nu s t y l e r u g o p c na p ia n dv c 6 0 a c c o r d i n gt ot h er e q u k e m e n to fc a p p t h em o d u l ed e v e l o p e d 啪s u p p l yt h ep r o c e s s i n g i n f o r m a t i o nt og e n e r a t et h ec o r r e s p o n d i n gm a n u f a c t u r i n gf e a t u r em o d e lt h a tc a nb eo u t p u ti n x m lf i l ef o r m a ti n t oac a p p s y s t e m f i n a l l y t h em o d u l ed e v e l o p e di st e s t e db ye x a m p l e s k e yw o r d s c a d c a p p u g f e a t u r em o d e l i n g f e a t u r er e c o g n i t i o n 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学 本人保证毕业离校后 使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学 学校有权保留送 提 交的学位论文 并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅 学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名 碧本色 指导教师签名 日期 们邛年 月 p 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 学位论文中不包含其他入已经发表或撰写过的成果 不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢 学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 弓甥概 指导教师躲帜 b 期 矽 年了硅 e 6 7 1 绪论 l 绪论 c a d 技术 计算机辅助设计 c o m p u t e r a i d e d d e s i g n 是指工程技术人员以计算机为工 具 用各自的专业知识 对产品进行总体设计 绘图 分析和编写技术文档等设计活动的 总称 近年来 随着c a d 技术在各个行业的广泛应用 已经呈现出了许多新的特点 c a d 技术由二维向三维发展是近几年来该技术的一个发展趋势 三维c a d 的主要技术特征是 实体造型理论和几何建模方法 我国目前所应用的c a d 软件系统有以下几种 a u t o c a d 及m d t p r o e n g i n e e r 和u n i g r a p h i c s 等等 目前 机械行业所应用于设计的c a d 软件 只是对零件的几何形体进行建模 而与 制造过程中所必须的一些制造信息 包括特征 制造信息和零件信息等 却没有描述 这 些信息的不完整性使人们无法将这些设计信息直接应用于制造 美国e d s 公司开发的 c a d c a m c a e 一体化的高端软件u n i g r a p h i c s 简称u g 它涵盖设计 分析 加工 产 品数据和过程管理等各种功能 也具有特征建模的功能乜1 该模块用工程定义设计信息 提供了多种标准的设计特征 包括孔 槽 型腔 圆台 柱体 块体 锥体 球体 软管 边倒圆和边圆角以及抽壳操作建立薄壁件等特征信息 1 1 课题的背景来源和意义 i i i 课题的背景 利用u g 等三维软件所建立起来的特征拓扑信息是面向设计的 c a m 系统无法对这些 信息进行识别 例如利用u g 软件建立的凸台 只是零件的一部分形体特征 它包含几个 加工面 每个加工面的尺寸精度和表面精度等并没有表达出来 这些信息是直接与制造相 关决定后序的工艺设计环节必不可少的 1 那么如何解决几何建模中存在的信息不完备性和低层次抽象性这个问题呢 笔者认 为建立基于特征建模 f e a t u r em o d e l l i n g 的c a d 系统能够从根本上解决 因为这种模型传递 的信息是特征 它符合人们思维的高层次工程描述信息 并反映设计和制造意图 为c a d c a m 信息的真正集成提供了重要保障畸1 特征建模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 该中一6 1 拘g r a y e r 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加工刀具轨迹有意义的几何形状 如型腔 并基于如此的特征进行零 件的刀具轨迹计算 该中心的另一位研究人员k y p r i a n o u 则在他的博士论文中首次正式 引入了现有的特征识别思想 从而奠定了基于边界表示进行特征识别的基础 从此以后 特征识别技术以及特征的概念受到了学术界以及工业界的普遍重视 研究工作广泛展开 新的特征识别方法不断出现 特征识别的范围也从开始的加工特征扩展到检测特征 分析 特征等许多方面 两安下业大学硕 学位论文 1 1 2 课题的目的 自从特征技术产生以来 就一直是国内外研究学者的研究热点和难点 这是因为 1 特征提取在特征技术中占据着非常重要的地位 尤其是在c a p p c a m 应用中 特征提 取是不可或缺的第一步 2 一些特征如相交特征和复杂特征的识别目前还没有得到很好 的解决 由于特征包含丰富的工程语义 所以特征建模技术是实现设计制造集成的一种行之有 效的方法 制造特征模型描述了全面的零件特征信息 c a p p 系统根据零件特征得出相应 的工艺方法 并且根据材料 精度和粗糙度等工艺信息 c a p p 系统按照相应的工艺要求 得出相应的加工工艺 特征模型在特征的定位和特征之间的联结关系方面做了准确的描 述 使c a p p 系统进行内部推理 将各特征的工艺排序 最终得到完整的工艺路线文件 1 1 3 课题的意义 c a d c a m 的集成是当前国内外学者研究一个热点 由于设计和制造过程的复杂性 目前还没有一种有效的方法能彻底解决产品设计 制造和生产管理等生命周期内各个阶段 的信息集成问题 基于特征的集成方法以其高效率 无二义性以及能够大大简化c a p p 的 逻辑决策等特点而被国内外学者所接受 研究特征建模技术 进行零件几何建模和特征建 模得并行设计 使传统的三维几何模型具有完整的工艺信息属性 包括尺寸精度 表面精 度和形位精度等 使零件的模型信息可直接应用于后续的c a p p 计算机辅助工艺规程中 直接生成具有可行性的工艺文件 解决c a d c a m 集成的瓶颈问题 是c 1 m s 系统实现 的基础 特征建模技术是c a d c a m 发展的新里程碑 它的出现和发展为解决 c a d c a p p c a m 集成提供了新的理论基础和方法晦1 1 2 本文的主要内容和重点 1 2 1 本文得主要内容 建立零件的特征模型要求采用合理可行的特征建模方法 描述出详细完整具有层次性 的工艺信息 并且特征模型与几何模型要紧密地结合 输出可用的工艺信息文件 这就需 要在以下几个方面研究h 1 l 特征建模的方法和过程 目前主要有特征自动识别 基于特征的设计和交互式特 征建模三种特征建模技术 将构造几何模型的点线面有机结合 形成特征信息 2 制造 特征分类 必须以加工为基础 特征直接反映加工种类 使加工工序数据库的建立较容易 实现 3 特征模型的描述 零件完整的制造信息包括特征信息 零件信息 精度信息 材料信息和管理信息等 将制造信息分层描述表达清楚 使之更好的应用与c a p p 系统中 4 基于x m l 的特征描述 x m l e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e 可扩展标记语言 用以创建 可相互转换的结构化文本文档和数据文档 它是一种元标记语言 它允许开发者根据自已 2 1 绪论 的需要定义自己的元素 以这种方式描述特征信息模型 便于c a d c a p p c a m 系统读取 数据哺1 5 基于v c 的u g 系统二次开发陋1 1 1 u g 软件提供良好的二次开发环境 用户可 以通过二次开发接口u g o p e n 对u g 软件进行开发 扩充使之更方便 更高效地满足于用 户的特定需求 主要应用u g o p e n 的以下几个功能模块 u g o p e nm e n u s c r i p t 开发工具 对u g 软件操作界面进行用户化开发 无须编程即可对u g 标准菜单进行添加 重组 剪裁 或在u g 软件中集成用户自己开发的软件功能 u g o p e nu i s t y l e 开发工具是一个可视化编 辑器 用于创建类似u g 的交互界面 利用该工具 用户可为u g o p e n 应用程序开发独立 于硬件平台的交互界面n 2 钔 1 2 2 本文的重点 1 特征建模技术 特征建模技术是构成计算机辅助设计 计算机辅助工艺计划 c a d c a p p 之间的理想 接口 直接影响工作的效率和c a d c a p p c a m 的集成 目前主要有以下几种特征建模方 法 a 特征自动识别技术 特征提取首先从几何模型的拓扑关系出发提取出每个特征的几何数据 它是对零件实 体模型进行解释 从低层信息中抽取数据形成零件高层信息的过程 从零件模型着手 在 零件空间模型上搜寻点 线 面 然后按一定的规则重新构造几何实体 对此几何实体进 行预定义匹配识别n 引 采用特征识别方法建立的特征模型存在以下几个方面的不足 1 对复杂的零件形状 基于特征识别的特征造型难于实现 2 不能有效地表达几何 模型中不存在的非几何信息 如公差 表面粗糙度等 3 不能有效地识别特征间关系 因此 更合理的特征造型方法是让设计者直接利用特征建立零件的特征模型 而不是事后 从几何模型中去识别 b 基于特征的设计 又称为特征造型 在本方法中 特征从一开始就加入在产品模型中 特征型的定义被 放入一个特征库中 通过定义尺寸 位置参数和各种属性值可以建立特征实例 以实例特 征作为建立特征模型的基本单元 从而完成产品模型的定义或设计h 但是由于基于特征的设计要求建立特征库 特征库所包含的特征类是有限的 所以这 种建模方法不适合所有产品行业 只能针对于特定的产品体系建立特征库 不能普遍应用 而且这种建模方法所建立的特征是由简单的体素通过布尔运算所构造的 或者是基于形状 特征通过参数化设计而获得的 所以建立的特征模型不具备加工特性 c 交互式特征识别技术n 羽 交互式特征识别技术是先建立产品的几何模型 然后通过用户直接拾取几何图形来定 义几何特征 并将特征参数 精度特征 技术特征信息 作为属性添加到特征模型中 它 将特征识别和映射由人来完成 自动化程度低 这是早期的造型系统所采用的方法 在形 体设计中 这种方法仍以低级的几何操作为主 设计效率低 操作烦琐 而且特征模型与 西安工业大学硕士学位论文 几何模型无直接联系 但是可行性较高 为了改进这方面的缺陷 我们可以将特征模型描述为三层结构 以特征分类编码的方 式区别的部件的全部特征信息为特征层 识别出来的特征由分类编码表示并包括组成特征 的每个基本对象的标识信息 特征面层的信息由基本对象的标识 尺寸精度 表面精度和 表面质量信息组成 通过属性添加的方式添加到部件模型中 通过对象标识的唯一性将部 件的几何信息和部件的特征信息联系在一起 解决了目前交互式特征识别所存在的问题 2 特征的分类 由于特征模型要应用于制造 c a p p c a m 系统要根据特征模型中的特征信息查询数 据库得出每个特征的加工工序 以及依据特征间的关系信息推理出特征间的先后加工顺 序 所以 特征的分类必须以加工为基础 特征直接反映加工种类 使加工工序数据库的 建立较简单容易实现 可将特征分为以下四类 外形特征 内形特征 表面特征和腔体特 征 见图1 1 所示 外形特征是指特征体在形体结构外部 主要特征表现为圆柱台 圆锥台 异形台 方 台 阶梯台和螺柱等等 外形特征包括轴类特征和非轴类特征 例如圆柱台可以表示为轴 类零件的圆柱轴 也可以表示为几何体外部的圆柱凸台 圆锥台可以表示为轴类零件的锥 轴 也可以表示为几何体外部的锥台 阶梯台可以表示为阶梯轴 也可以表示为阶梯凸台 异形台是指台体的形状为圆形和方形的组合形状 内形特征是指特征体在形体结构内部 主要表现为圆柱孔 圆锥孔 阶梯孔 方槽 异形槽和螺孔等等 内形特征也包括轴类和非轴类特征 例如圆柱孔 圆锥孔 阶梯孔和 螺孔都可以表示为与回转体部件对称轴同轴的内形特征及其它形状部件的内形特征 方槽 是指槽的截面为相等的方形 包括直方槽和环形方槽 异形槽是指槽体形状为圆形和方形 的组合形状或槽的截面形状为圆形和方形的组合形状 表面特征是指表示部件外部表面形状的特征 主要表现为平面 柱面和不规则曲面特 征等等 型腔特征是指表示部件内部表面形状的特征 由若干面组成的闭合或不闭合形体内 部 因为几乎所有加工特征都可以包括在这四种分类中 所以对于本文未提到的一些特征 我们也可以将其归纳到以上几类中 4 1 绪论 图1 1 制造特征分类 3 特征模型的描述 a 特征模型的分层次描述 描述零件完整的制造信息不仅包括特征信息也包括零件信息 精度信息 材料信息和 管理信息 怎样将这些信息按层次添加到几何模型中 形成制造信息的层次性特征模型 采用制造信息的四层次结构如图2 特征模型分层描述所示 包括零件层信息 特征层信息 特征面层和特征参数分层次地描述制造信息 见图1 2 所示 将零件信息和精度信息等描 述为零件层信息和特征参数加入到特征模型中 零件层信息主要表示零件的毛坯种类 编 号 材料和热处理等信息 特征层信息是由组成特定部件待加工表面的若干个特征的总和 特征面层信息是组成部件所有特征的基本组成要素点 线 面的集合 特征参数是将部件 特征的精度信息表述到所归属的零件面层信息中 作为构成特征基本组成要素的参数 因 此 特征模型的分层描述可以形成完整的制造信息 应用于后续的c a p p c a m 研究工作 中 零傍器缝皇 黪径纛僚怠 势经嚣蘑偿墓 铸径参救 图1 2 特征模型分层描述 西安工业大学硕士学位论文 b 特征的关系 特征分类和特征模型描述只是解决了总体特征的描述问题 要描述一个完整的部件信 息 就必须将各个特征以一定的方式组合起来 这种组合方式 我们定义为特征间的关系 表达 特征模型就是用特征间的关系表达图来描述的部件的概念模型 产品的特征包括几 何形状特征和非几何形状特征 其中几何形状特征是制造信息描述的核心 是其它特征的 载体 其它特征依附于形状特征而存在 我们将其它特征定义为附属特征 所以建立特征 模型就是必须构造产品的几何特征之间的关系 我们把特征间的关系分为两类 一类为特 征联结关系 另一类为特征定位关系 1 特征联结关系 特征间的联结关系反映了板金零件的总体结构 计算机通过此关系来理解特征间的逻 辑关系和提取所需要的信息 联结关系可分为三种 从属关系 相邻关系和阵列关系 依 附关系是表示一个特征依附于另一个特征而存在 相邻关系是表示两特征相邻接 阵列关 系是表示同一种特征以某种阵列方式排列所构成的关系 特征间的联结关系一般采用图结 构表达见图1 3 所示 a 与b 是依附 c 与b 和d 之间是邻接关系 窟曩 刍 西c d 纯1 p 1 v 1 f l 纯 晓 p 2 1 2 图1 3 零件的联结关系图1 4 9 件的两组成特征的特征基准以及它的定位关系图 2 特征定位关系 在基于特征设计的造型方式下 一个特征依赖于另一个己存在的特征定位 特征的定 位采用定位线 定位点 定位法矢 并用定位关系图来表达各特征间的定位关系 见图1 4 所示 l 表示定位线 p 表示定位点 v 表示定位法矢 f 1 一f 2 表示特征f 2 参照特征f l 定位 6 q 一移 2 制造特征建模系统框架 2 制造特征建模系统框架 2 1 制造特征建模的需求分析 随着现代制造技术的的发展 计算机在制造过程中发挥着越来越重要的作用 信息已 经成为最重要的资源之一 计算机集成制造 c i m 技术是现代制造业信息化的产物 在计 算机集成制造系统 c i m s 中 人们不仅对系统的集成和信息的集成提出了要求 还对人 力资源本身的集成也提出了要求 在c i m s 中 设计和制造即c a d c a m 无疑是系统的核心 c a d c a m 的集成是最关键 也是最复杂的集成环节 随着c a d c a m 技术的发展 人们己经认识到c a d c a m 集成的 关键又在于构造统一的产品模型 现代c a d 系统的核心是实体造型模块 最流行的实体 有两种 一种称为边界表示法 b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n 简称b r e p s 另一种称为构造 实体几何方法 c o n s t r u c t i v es o l i d og o m e t r y 简称c s g 法 这两种方法的主要缺陷是 不完整的产品定义 在实体造型模型中只存贮有几何拓扑信息 而尺寸公查和表面粗糙 度则无法表达 同样 产品的材料信息 表面处理和设计意图等也同样无法表达 低层次的产品定义 在b r e p 模型中 存贮的是点 线 面等几何信息和拓扑信息 在 c s g 模型中 存贮的是体素和操作元组成的二叉树 也就是说 模型中存贮的是构造体的 细节 只有当这个模型显示在监视器上时 才能由观察者识别出产品的总体形状和特征 这两种方法都不能将零件的形状特征表达出来 为了表达这些非几何信息 必须超越 固有的实体造型概念 这些非几何信息通常被称为特征 具体地说 特征是与零部件或产 品有关的信息的集合 包括设计信息 制造信息 检验信息和管理信息等 这些信息在层 次上差异很大 所反映的内容及表示方式也很不同 特征的分类方法有多种 一般来说可 以分为形状特征 材料特征 精度特征 技术特征及管理特征等 显然 从造型角度看 形状特征具有最重要的意义 它是几何体从离散的点 线 面 向具有一定含义的特征体跨越的纽带 通常从面向对象的角度观察形状特征 将一个零部 件看成是多个子特征进行布尔运算而得的结果 其思路与c s g 法异曲同工 其结果是特征 树或特征的继承联系网络图 但是从特征的表达角度尤其是精度特征的表达看 应当是使 用b r e p 法模型作为特征附着的依据来表达特征与实体的联系更为方便 所以很多研究者 使用c s g b r e p 混合模型作为特征造型的几何造型基础 从以上分析来看 特征建模是c a d c a p p c a m 集成首要解决的问题 是实现信息集 成的关键 2 2 制造特征建模系统的功能框架 特征信息模型的描述方法要根据零件加工信息的层次来描述 完全的表达零件加工所 7 西安工业大学硕士学位论文 需的全部信息 并且通过合理的表达方法将零件的形状特征描述出来 这样信息模型才能 紧密的衔接后序的c a p p 系统 2 2 1 系统功能框架 本课题采用交互式特征建模的方法进行特征建模 避免了特征识别方法中的很多复杂 的算法 并且交互式特征建模方法不同与基于特征的设计 这种建模方法有利于加工信息 的添加使得特征模型更趋于实际应用的类型 本课题研究的特征建模的系统功能框架见图 2 1 所示 图2 佛0 造特征建模的系统功能框架 2 2 2 系统功能模块 在交互式特征建模系统中建立信息模型主要是以特征模型的层次性描述为顺序 以各 层次的信息内容为知识载体 进行各模块的功能设计 主要包括以下几个模块 见图2 1 所 示 1 特征定义模块 在进行特征建模前必须对零件的特征定义 不同的特征定义方法会影响特征建模过 程 并且会影响特征模型的可用性 目前大部分建模软件对特征的定义主要是表达特征的 形状上 特征的形状可以用两种方法表示 包括边界表示法和构造实体几何方法 这两 种方法都无法完全的表达零件的其他信息 要添加加工信息还要人工输入信息 而且它所 表达出来的零件形状是从几何角度出发 计算机无法识别几何信息必须进行特征识别 除此之外 特征的定义一般是总结实际应用中的特征种类 把特征分为若干个类别比 如孔 圆柱 槽 台阶等等 但是对于加工意义上来说 不同的孔具有不同的加工方法 不同的槽也有不同的加工方法 比如轴类零件上的槽在车床上加工 而平面上的槽可在铣 床上加工 所以说本文的重点之一是对零件的特征进行分类 能使特征建模达到一种较理 想的程度 更能体现加工工艺的意义 8 2 制造特征建模系统框架 2 特征建模模块 特征建模模块也是本课题的重点内容之一 在合理的特征定义的基础下 建立的特征 模型是表达零件制造信息的整体效果 不仅能完整的表达零件j j n r 信息 而且要合理的表 达特征问的关系 完整的零件加工信息包括零件的尺寸精度 定位信息 形位精度和表面粗糙度等 这 些信息直接影响到零件的加工 可以通过特征添加的方法将这些信息添加到对应得特征内 部 形成特征的详细信息 特征关系是描述特征之间相互关系的信息 每两个具有相互关系的特征都具有特征关 系 用特征关系描述的方法可以将零件组成一个网状的结构 以利于系统识别推理零件形 状 合理特征关系的是c a p p c a m 系统能识别零件形状的基础 用数据信息描述出零件 的几何形状就是特征关系得主要目的 3 特征模型转换模块 特征模型转换模块是将建立的特征模型用x m l 标记语言描述出来 x m l 是一种简单 的可扩展标记语言 可进行不同数据格式之间的互操作 x m l 文档可使不同系统 不同 平台的数据实现统一接口 完全独立于平台 操作系统 编程语言等等 任何平台上的任 何应用程序都能发送和接收x m l 文档 并且都提供了用于处理x m l 的解析器 所以采用 x m l 格式来描述信息模型可以使c a p p 系统高效的识别零件信息 并且可以与管理系统实 现信息交换功能 要实现该功能模块必须在u g 次开发模块的基础上 利用u g o p e na p i u g o p e n m e n u s c r i p t 和u g o p e nu i s t y l e r 开发工具 编程实现这个模块的功能 4 x m l 信息模型文件输出模块 信息模型的输出也是在u g 次开发模块的基础上实现的 主要是将建立的特征模型 信息输出为宰 t x t 文件 文件的内容是x m l 格式的特征信息模型 2 2 3 系统的功能和应用 在整个系统中 除了这四个功能模块还包括u g 次开发接口 系统用户界面 这几 个部分之间存在紧密的关系 系统开发过程中 首先要根据u g 次开发接口技术编程实 现特征的定义 形成特征库 特征库与特征定义理论为根据 然后进行特征建模的程序编 制 能实现建立完整的特征模型 再将特征模型转换成合理的特征数据信息 最后将特征 模型编辑成x m l 信息模型文件 在系统应用过程中 用户通过u g 系统下开发的系统用户界面进行零件的特征建模 系统能不完成特征转换 将特征模型信息转换成x m l 信息模型文件 最终输出与零件对 应的信息模型数据存储起来 2 3 制造特征建模系统功能流程 通过以上的制造特征建模系统实现特征建模功能 最终输出特征信息模型 用户要在 9 两安工业大学硕士学位论文 u g 系统下 通过一定的步骤进行特征建模 特征建模包括两部分内容 一个是特征模型 的输入 另一个是特征模型的修改 本系统中特征模型创建的流程见图2 2 所示 2 3 1 特征模型的输入流程 特征模型的输入是一个顺序流程 首先在打开一个部件的条件下 选择要描述零件的 一个特征体 其次选择该零件的类型以及该特征的类型 输入该特征的详细参数信息 然 后判断是否选择新的特征体 如果选择是返回选择特征 否则添加信息模型完成 最后输 出x m l 文档信息 图2 2 制造特征建模系统功能流程图 2 3 2 特征模型的修改流程 特征模型的修改是建立在特征模型输入完成的基础之上 对于错误的特征信息的删 除 修改或添加 通过信息查看模块检查特征模型 判断是否需要删除特征 如果选择是 就删除特征 然后添加新的特征 返回到特征模型输入流程中选择特征之前 进入特征模 l o 2 制造特征建模系统框架 型输入主流程 否则返回到选择新的特征体之前 最后模型输入无误之后输出x m l 文档 特征模型信息 2 4 系统信息流 特征建模的目的是完成几何模型信息到数据模型信息的转换 从而达到c a d c a p p c a m 信息集成的目的 所以在进行特征建模过程中就存在了信息的转换流动 在特征建模过程中 形成了四种信息的类型转换 包括零件信息 特征 定位信息和 特征参数见图2 3 所示 从几何层面的拓扑数据到特征信息模型 再到x m l 格式的文档中 使信息从一元化的三维模型拓扑信息流附加了零件的加工工艺信息转化到直接与制造相 关的多元化的信息流 零件信息是指零件的设计者 零件名称 毛坯种类 编号 材料和热处理等信息 是 描述零件的基本信息和管理信息 特征是指组成零件的所有特征的总和 是描述零件外部和内部形状特征的基础 定位信息是指零件中特征间的相互位置关系 通过特征和特征间的定位信息 可以完 整地表达零件的几何模型 特征参数是描述零件的详细的加工信息 通过附加在相应的特征上 达到补充零件外 形特征的目的 使零件信息模型具有加工信息的特点 图2 3 特征建模的信息流 2 5 本章小结 本章从制造特征建模的需求分析 功能框架 功能流程和系统信息流四个方面论述了 制造特征建模系统的功能框架 从整体上说明了本课题研究的方法和内容 包括特征定义 特征建模 特征模型转换和x m l 信息模型文件输出模块 西安工业大学硕士学位论文 3 特征建模技术及轴类零件特征建模 3 1 特征建模方法 3 1 1 特征建模方法综述 特征建模可大至归为交互式特征定义 特征识别和基于特征设计三个方面n 眦0 j l 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 难易实现 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 从数据库中提取已识别的特征信息 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 曾经有不少 学者对特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 但结果并未令人满意 特征识别往往只对简单形状有效 而且c a p p 所需要 的公差 料等属性仍然缺乏 针对特征识别中存在的困难和问题 w i l s o ne 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 3 1 2 参数化设计技术 参数化设计也叫尺寸驱动 是零部件模型修改和变型设计的需要 它是c a d 技术应 用领域内的关键技术之一 参数化设计的驱动机制为参数 提供修改参数 可以对图形和 几何数据进行修改 利用参数化设计技术开发专用产品设计系统 可使设计人员从大量繁 重而琐碎的绘图工作中解脱出来 大大提高设计速度 并可减少信息的存储量 实现参数化设计系统的核心技术是 1 构造设计对象的参数化模型 2 建立参数驱 动机制 在参数化设计过程中 修改参数必须满足产品的约束条件 机械零件的结构复杂 所涉及的参数很多 其间的约束关系也十分复杂 这就使得用户通过参数约束描述和控制 产品结构特征增加了难度 基于特征的建模技术正是解决这一问题的关键技术 基于特征 的建模技术是近年来为实现c i m s 集成化而发展起来的一种新型建模技术 它既使设计及 1 2 3 特征建模技术及轴类零件特征建模 其相关的应用活动能利用特征元素含有的语义进行宏操作和推理决策 又允许不同的应用 能按自身的含义来理解产品 人机交互参数化设计可分为以下几类瞳1 2 3 1 1 基于几何约束的变量几何法 它把图形中的几何约束转化为以特征点坐标为变量的 非线性方程组 通过n e w t o n r a p h s o n 迭代等数值计算方法求解非线性方程组 计算出每 个特征点的坐标值 从而确定出几何细节 此法通用性强 但求解速度慢 而且迭代初值 的选取会影响到算法的成败 2 基于几何推理的作图规则匹配法 此法基本思路是将约束关系用一逻辑谓词来描述 并存于事实库中 通过推理机的推理作用 从规则库中选用规则并应用于现有事实 推理 的结论作为新的事实 推理史记录所有成功的规则应用 并提供给重构过程 从而构造出 整个几何体 其主要特点是将人们手工作图过程分解为一系列的最基本的作图规则 从中 求解未知参数 3 基于构造过程的参数化方法 此法采用一种参数化履历的机制 通过记录构图过程 中几何体素的生成先后顺序及连接关系 捕捉设计者的意图 4 基于辅助线的参数化方法 此法主要特点是所有轮廓线都建立在辅助线的基础上 而辅助线的求解条件在作图过程中明确规定 此法在实现技巧上与作图规则匹配法完全一 致 只是求解步骤更简单 求解速度更快 但当图形复杂时辅助线将影响作图 5 基于草图的参数化方法 此方法的基本思想是先以草图的形式 只表示图元问的相 互关系而不考虑图元的准确位置 快速绘出图形 然后进行必要的尺寸标注 最后通过一 个程序产生由尺寸标注所控制的准确图形 此法也叫尺寸驱动参数化 3 1 3 基于特征的零件信息模型 一个完整的产品模型不仅是产品数据的集合 还应反映出各类数据的表达方式以及相 互问的关系 只有建立在一定表达方式基础上的产品模型 才能有效地为各应用系统所接 受和处理 作为完整表达产品信息的零件模型应包括表达各类特征的 即管理特征模型 形状特征模型 精度特征模型 材料热处理特征模型和技术特征模型 基于特征的零件信 息模型的总体结构见图3 1 所示 它表示零件信息模型的分层结构 即零件层 特征层和 几何层等三个层次 零件层主要反映零件的总体信息 是关于零件子模型的索引指针或地址 特征层是一 系列的特征子模型及其相互关系 几何层反映零件的点 线 面的几何 拓扑信息 分析 这个模型结构可以知道 零件的几何廓扑信息是整个模型的基础 同时也是零件图绘制 有限元分析等应用系统关心的对象 而特征层则是零件模型的核心 特征层中各种特征子 模型之间的相互联系反映了特征间的语义关系 使特征成为构造零件的基本单元具有高层 次的工程含义 该模型可以方便地提供高层次的产品信息 从而支持面向制造的应用系统 如c a p p n c 编程 加工过程仿真等 对产品数据的需求 删 1 3 西安工业大学硕士学位论文 l 特酝毽 q j t l l 图3 1 零件信息模型 零件信息模型的数据结构 现以回转体零件为例 说明零件信息模型的数据结构 1 管理特征模型的数据结构 管理特征主要是描述零件的总体信息和标题栏信息 如 零件名 零件类型 g t 码 零件的轮廓尺寸 最大直径 最大长度 重量 件数 材料 名 设计者 设计日期等等 2 形状特征模型的数据结构 形状特征模型包括 几何属性 精度属性 材料热处理 属性和关系属性等 几何属性用来描述形状特征的公称几何体 包括形状特征本身的几何 尺寸即定形尺寸以及形状特征的定位坐标和定位基准 精度属性是指几何形体的尺寸公 差 形状公差 位置公差和表面精糙度 材料热处理属性是指形状特征上具有某些特殊的 热处理要求 如某一表面的局部热处理要求 关系属性是指形状特征之间的联系 是邻接 联系还是从属联系 形状特征与精度特征 材料热处理特征之间相互引用联系 3 精度特征模型的数据结构 精度特征模型的信息内容大致分为下列三部分 a 精度 规模规范信息 包括公差类别 精度等级 公差值和表面精糙度 尺寸公差包括公差值 上偏差 下偏差 公差等级 基本偏差代号等 几何公差包括形状公差和位置公差 b 实体状态信息 实体状态信息是指最大实体状态和最小实体状态 c 基准信息 对于关联 几何实体 则必须具有基准信息 4 材料热处理特征模型的数据结构 包括材料信息和热处理信息 材料信息包括材料 名称 牌号和机械性能参数 热处理信息包括热处理方式 硬度单位和硬度值的上 下限 等 5 技术特征模型的数据结构 技术特征模型的信息包括零件的技术要求和特性表等 这些信息没有固定的格式和内容 因而很难用统一的模型来描述 3 2 特征定义和分类 3 2 1 特征的定义 由于特征技术是一门新兴的研究和应用领域 因而对于特征本身还缺少一个明确的形 式化定义 不同的应用形成了特征的不同定义 从加工角度看特征被定义为加工操作和工 具有关的零部件形式以及技术特性 从形体建模角度看 特征是一组具有特定关系的几何 1 4 3 特征建模技术及轴类零件特征建模 或拓扑元素 从设计人员角度看 特征又是用于设计分析和设计评估的基本元素 因此 许多专家学者们针对不同的应用领域给出了不同的定义 其中最有影响的首推 p r a t t w i l s i o n 的定义 特征是一个零件的表面上有意义 i n t e r e s t 的区域 共分6 类包括特 征通道特征 p a s s a g e 凹陷特征 d e p r e s s i o n 凸起特征 p r o t r u s i o n 过度特征 t r a n s i t i o n 域特征 a r e a 和变形特征 d e f o r m a t i o n 这种分类方法后来被s t e p 采用 该特征分类主 要是基于形状特征的分类 jjs h a h 的定义特征是产品信息传递的载体 c a r r i e r 它能 帮助设计制造或其他工程任务之间的通信与交流 把产品信息分为5 类 特征形状 特征 精度 特征技术 特征材料及装配特征 t o r b e nl e n a u 的定义特征是零件的形状或其它属 性的信息集 上述这些定义虽然存在差异但对特征基本上形成了一些共识即 特征表达一定的功能语义隐含一定的工程知识 特征是产品非几何信息的载体 特征广泛地表达设计意图供设计者使用以表达设计思想 3 2 2 特征分类 目前按