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基于制造特征模型的工艺设计 摘要 数控加工工艺决策是数控加工过程中较为复杂又非常重要的环 节，与加工程序的编制、零件加工的质量、效益都有着密切的关系。 工艺决策的好坏，不仅会影响机床效率的发挥，而且还将直接影响零 件的加工质量。因此，数控加工工艺决策的研究是非常必要的。 本文从c a d c a p p c a m 一体化的思想出发，提出基于制造特征的建 模技术，制造特征来源于具体的制造过程，考虑了加工工艺及制造资 源的限制。在此基础上，提出以特征驱动来实现计算机辅助工艺设计 的框架结构，并研究了工艺决策的规则及利用操作矩阵进行工艺决策 的算法。主要阐述了以下四点： ( 1 ) 本文提出了基于制造特征的工艺设计系统，建立了制造特征模 型。制造特征来源于具体的制造过程，与工艺信息联系紧密，与一定 的加工方法及刀具相对应，能够直接用于工艺设计。 ( 2 ) 从研究数控加工工艺学入手，在数控加工的基本原理的基础 上，进一步提出了适合本系统的加工工艺规则，使加工过程更合理。 ( 3 ) 本文提出了一种加工工艺的决策算法一操作矩阵，使得在数控 加工步骤缩短至最少并且在工艺上更加合理。 ( 4 ) 以p r o e n g i n e e r 软件及s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理系统 为平台，开发了原型系统。建立了加工方法库、制造资源库、加工参 数库，能够直接读取制造特征模型，进行工艺设计，最终生成工艺文 件。通过实例证明制造特征模型能与c a p p 进行真正的无缝连接，为 实现机械设计与制造的集成化、自动化打下坚实的基础。 关键词：数控加工，工艺决策，操作矩阵，特征制造 北京化工大学硕士学位论文 r e s e a r c h0 nc a p pb a s e do nm a c h i n i n gf e a t u r em o d e l i n g a b s t r a c t t h en cm a c h i n i n go p e r a t i o np l a n n i n gi nt h en u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n i n gp r o c e s si s t h ec o m p l e xa n de x 仃e m e l y i m p o r t a n tl i n ka n d c o n t a c tw i mm ep r o c e s s i n gp r o c e d u r ee s t a b l i s e n t ，t h e c o m p o n e n t s p r o c e s s i n gq u a l i 够a n dt h eb e n e f i tc l o s e l y t h eq u a l 埘o fo p e r a t i o n p l 跚n i n gn o t0 n l yc a na 低c tt h ee n g i n eb e de f ! f i c i e n e yt h ei s p l a y ，b u ta l s o w i l ld i r e c t l ya a e c tt 1 1 ec o m p o n e n t sm e p r o c e s s i n gq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h e r e a s e r c ho fm e ，n c p r o c e s s i n g c r a f t d e c i s i o n m a k i n g i s n e c e s s a 巧 e x 仃e m e l y f r o mt h ev i e wo fi n t e 掣a t i o no fc a d c a p p c a m ，t 1 1 em o d e l i n g b a s e do nm a c h i n i n gf e a t u r ei s p r o p o s e d t h em a c h i n i n gf e a t u r ec o m e s 自o mt h em a n u 白c t u r i n gp r o c e s sc o n s i d e r i n gt h er e s t r i c t i o no f m a c h i n i n g t e c h n o l o g ya n dm a c h i n i n gr e s o u r c e t h e nt h em u n e w o r kf o rc o m p u t e r a i d e dp z o c e s sp l a n n i n gi sp z e s e n t e d ，w h e i t h ea l g o r i t h m so fo p e i t l t i o n p l a 玎咀i n gi ss t u d i e d t h e r ea r ef o u ri n n o v a t i o n si nt h i ss y s t e m ： ( 1 ) t h ec a p pb a s e do nm a c h i n i n gf e a _ t u r ei sp r o p o s e da n de s t a b l i s h t h em a c h i n i n gf e a t u r em o d e l i n g t h em a c h i n i n gf e a t u r ec o m e s 行o mt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，c o n t a c tw i t hc r a ri n f o m l a t i o n ，c o r r e s p o n dt o m a c h i n i n gm e t h o da n dt o o l sa n dc a nb ed i r e c t l yu s e dt oc a p p ( 2 ) m a k et h en cm a c h i n i n gt e c h i l o l o g ) ，a st h ef o u n d a t i o n b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fm en cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y w ep r 叩o s et h er u l eo f m a c h m i n gt e c h n o l o 科t oa d a p tt 0t h i ss y s t e ma n dm a k et h em a c h i n i n g p r o c e s sm o r el o g i c a l ( 3 ) t h ep r o p o s i n ga l g o r i t 王l m s o fo p e r a t i o np l 锄i n g o p e r a t i o n m a t r i xc a no b t a i nt h el e a s tn u m b e ro fm a c h i n i n gs t e p sa n dm a k et h e m a c h i n i n gp r o c e s sm o r el o g i c a l ( 4 ) s u s t a i n e db yp r o e n 咖e rs o 金w a r ea n ds q ls e r v e r2 0 0 0 d a t a b a s e ，w ec r e a t et 王1 ep r o t o 咖es y s t e m t h ee 北如l i s h e dm a n u f a c t u r e r e s o u r c e 姒a b a s e、p r o c e s s i n gm e t h o dd a t a b a s e、t e c 量1 0 l o g yp a r a m e t e r d a t a b a s e 鲫l df e a t u r em o d e l i n gd a t a b a s ec a nd i r e c t l yg e tt h em a n u f a c t u r e f e a m r em o d e l i n g ，p l a nm ep r o c e s sa n dc r e a t et h et e c h n o l o g i c a ld o c u m e n t i i 北京化工大学硕士学位论文 f i n a l l y t h ep r a c t i c a le x a r 玎【p l eh a sb e e np r o v i d e da n dr e s u l t si n d i c a t et h a t m a c h i n i n gf e a _ t u r e b a s e dm o d e lc a nm t e g r a t ew i t hc a p ps e a m l e s s l y k e y w o r d s ：n cm a c k n i n g ， t e c h n o l o g i c a ld e c i s i o n ，o p e r a t i o n m a 仃i x ，f e a t u r em a c h i n i n g i i i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：型 日期：竺竺兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 王屋复尊 日期： 秒昭j z 5 导师签名： 拯筠每 日期：丑丝。已2 l 北京化工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 数控加工技术( n cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y ) 是以计算机集成制造技术、数控机 床技术、机械加工技术为基础，实现产品自动化加工的现代制造技术，是现代制 造业的代表性技术【l 】。广义的讲，数控加工技术包含了计算机辅助产品造型设计 ( c - d ) 、计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 、计算机辅助制造过程( c a m ) 、虚拟加 工( v m ) 、数控机床实际加工等。 数控加工技术是2 0 世纪4 0 年代后为适应加工复杂外形零件而发展起来的一 种自动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。1 9 5 2 年世界上第一台数控机床 一三坐标立式铣床问世，它可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加 工技术的序幕l 引。 国外十分重视数控加工技术的研究。日本自7 0 年代起便把许多精力投入到 数控加工技术的开发和应用上，并取得了巨大的经济效益。近年来由于国际市场 的竞争日益激烈，工业发达国家纷纷投入巨资发展数控加工技术，并取得了丰硕 的研究成果【j j 。 我国数控加工技术方面的研究工作自“七五 以来取得了一大批研究成果。 在数控加工自动化工艺设计方面，我国研究人员从零件特征信息的获取、表达、 输入到多工艺方案的设计与决策等各方面开展了大量的研究工作【4 圳。目前，主 要在曲面造型、刀位规划、刀位仿真、干涉检查等方面取得了较多的成果。自主 开发了一批软件系统，其中有些系统已接近国际先进水平，投入市场并在生产中 发挥了重大作用u 。 虽然我国的数控加工技术有了较大的发展，但与世界先进水平相比仍有很大 差距【1 1 1 2 1 。一方面国内还没有比较成熟、功能全、适应性强的数控加工系统。 另一方面表现在应用水平落后，不仅绝大多数生产厂家主要依靠国外引进软件进 行复杂曲面的多坐标数控加工，而且还表现在数控加工的效率低，加工表面质量 差等方面。数控机床的利用率不高，远未发挥出现有数控机床应有的技术经济效 益。许多技术方面的问题如数控工艺数据准备、形状设计、刀具使用、机床操作 及设备维护等，需要进一步解决。数控加工设备的生产能力没能得到充分发挥， 而且机床的很多功能也没充分利用。特别是加工中心机床，由于工装夹具、编程 技术的不配套，其生产能力远没有被发挥，和国际先进水平相比差距较大。数控 切削加工工艺参数的选择仍主要以经验判断为主，工艺设计的水平在一定程度上 北京化工大学硕士学位论文 制约了数控加工技术的发展【1 3 】。 1 2 有关c a p p 的研究 1 2 1c a p p 的类型 ( 1 ) 交互型c a p p 系统 交互型c a p p 系统是按照不同类型零件的加工工艺需求，编制一个人机交互 软件系统。工艺设计人员在系统的提示引导下，进行人机交互操作，形成所需的 工艺规程。 ( 2 ) 变异型c a p p 系统 变异型c a p p 系统是利用成组技术原理将零件按几何形状及工艺相似性分 类、归族，每一族有一个主样件，根据此样件建立加工工艺文件，即典型工艺规 程，存人典型工艺规程库中。当需要设计一个新零件的工艺规程时，根据其成组 编码，由计算机检索出相应零件族的典型工艺规程，再对典型工艺进行修改，最 后得到所需的工艺规程。 ( 3 ) 创成型c a p p 系统 创成型c a p p 系统可以定义为一个能综合加工信息，自动地为一个新零件制 订出工艺规程的系统。 ( 4 ) 综合型c a p p 系统 综合型c a p p 系统也称为半创成型c a p p 系统，它将变异型与创成型结合起 来，即采取变异与自动决策相结合的工作方式。 ( 5 ) 智能型c a p p 系统 智能型c a p p 系统是在c a p p 系统中应用人工智能技术，形成c a p p 专家系统。 1 2 2c a p p 的特点 ( 1 ) 工艺设计工作范围广、内容多 工艺设计涉及的范围较广，内容很多，主要工作包括工艺评价、工艺规程设 计、工序图设计以及工艺管理等。从工艺类型来看，工艺设计又可以分成冷加工、 热处理及装配工艺等。不同类型的工艺，其工艺设计内容有较大的差异。由于涉 及范围广、内容多，往往需要完成较多的文件。在我国颁布的“中华人民共和国 机械制造行业标准中，j b 厂r5 0 5 4 1 乒2 0 0 0 产品图形及设计文件标准就规定了 产品设计有3 2 种图样及文件，而在j b 厂r9 1 6 5 1 - 4 1 9 9 8 工艺文件完整性中规定有 5 7 种图样及文件。实际工作中产生的文件数量差别更大。例如产品设计出一种零 2 北京化工大学硕士学位论文 件图纸，在工艺上就需要完成工艺路线、毛坯制造工艺( 可能包括铸、锻、焊、 冲压、热处理中的l 至2 项) 、加工工艺( 可能包括工艺过程卡及多道工序卡) 、材 料定额、工时定额等，每道工序又可能需要完成工装图纸及工艺等。据国外统计， 设计图纸及文件与工艺图纸及文件之比为1 ：5 1 ：1 0 。 工艺设计涉及多个学科领域，因此研究与开发c a p p 需要具备机械、材料、 管理、信息及图形学等多方面的学科知识。 ( 2 ) 工艺设计是个性化很强的工作 工艺设计的个性化体现在多方面。首先，工艺设计的对象不同，工艺方法差 异很大。仅以机械产品为例，可以将零件按照其结构分成回转体与非回转体两大 类。在不同类型的零件中，尽管回转体稍有共性( 因此对这类零件的研究方法的 探讨较多) ，但是用于不同行业、不同产品中的回转体工艺方法差别却很大。非 回转体零件的工艺方法差别则更大。 其次，制造装备的不同也是导致工艺设计个性化的主要原因之一。例如，同 样是完成一个零件的加工工艺，采用普通机床与数控机床，其工艺方法几乎完全 不同。另外，不同企业的组织结构甚至工作习惯也是引起工艺设计个性化的重要 原因。不同企业的制造装备水平、组织结构及工作流程差异很大，在当前中国制 造业快速发展的时期表现尤为明显。 工艺设计的个性化也是导致工艺设计标准化比较落后的主要原因之一，表 现在难以建立统一的工艺信息模型、工艺管理模式及工艺设计流程等各个方面。 这与产品设计标准化有较大的差距。而工艺设计标准化落后也是工艺设计信息化 的困难所在。因为工艺设计的个性化往往需要针对行业或者产品特点设计专业化 的c a p p 。另外，工艺设计的个性化需要较长的c a p p 开发周期，实施工作量大。 而工艺信息的非标准化也使得不同c a p p 系统之间，c a p p 系统与其他系统之间的 系统集成，以及系统的升级等都更加困难。 ( 3 ) 工艺设计是诸多制造活动的交汇点 工艺设计被称为连接产品设计与制造的桥梁。工艺设计与许多制造活动密不 可分，是诸多制造信息的交汇点。与工艺设计相关的主要制造活动，以及工艺设 计与其相互交换的信息如图l 所示。工艺设计成为诸多制造活动的交汇点意味着 工艺设计面临两方面的困难：一方面是工艺设计所依据的条件更加具有复杂性、 不确定性和动态性等特点；另一方面是工艺设计的输出内容更多、形式更加复杂。 这些困难在c a p p 系统中表现为信息源更多、输出表格更多、系统集成更加困难 等。 北京化工大学硕士学位论文 1 3 工艺设计的前沿发展 ( 1 ) 定量化c a p p _ 一注重解决微观工艺问题：c a p p 研究可以分为三个层 次：a 宏观层包括工艺设计信息管理、工艺设计流程以及系统集成等：b 中观层包括工艺方案评价、工艺路线决策、工艺规程设计等；c 微观层 包括公差确定、工序图生成以及切削用量确定等。宏观层关注的对象往往是整个 企业或者系统，注重系统模型的建立；中观层关注的是产品或者零部件，注重工 艺路线与工艺方法的确定；微观层关注的则是以工序为单位的具体的工艺问题， 注重工艺参数的确定。前两者研究的问题往往是定性的，而后者需要定量化。早 期的c a p p 研究的多是微观问题，当前研究的重点则是宏观和微观问题。对于微 观的工艺设计问题却始终没有解决，而越是这些微观的问题，越是工艺设计的本 质问题，就越需要综合利用制造技术、信息技术和智能技术进行定量化解决。 ( 2 ) 基于3 d 模型的c a p 卜与c 觥a m 一体化：在当前的制造信息系统 中，c a d c a m 通常是建立在统一的信息平台的基础上( 例如三维设计软件) 。 由于c a p p 缺乏通用性，因而是专门的、单独运行的系统；信息集成往往是通过 中间文件( 例如s t e p 、d x f 等) 进行的。随着产品更新换代的加快，产品设计 与工艺设计的并行化要求越来越高，这种方式已经越来越不适应现代产品开发的 要求。尤其是当前的c a p p 注重文本数据的处理而不是图形数据的处理，对于解 决微观的工艺设计问题( 例如公差及工序图生成等) 构成了巨大的障碍。因此， 研究与开发基于三维c a d 的c a p p 系统，使c a d ，c a p p 及c a m 共享统一的 三维产品模型，并充分利用c a d c a m 的设计与分析功能，将是c a p p 发展的 一个重要方向。 ( 3 ) 车间级c a p p 注重与车间信息化紧密结合：在当前车间信息化不够 充分的情况下，由工艺设计确定制造设备的类型、工艺路线和工艺方法；车间调 度则确定具体的制造设备，并根据车间实际情况对工艺路线和工艺方法进行微调 ( 实际上完成了部分工艺设计工作) 。随着车间信息化工作的深入，c a p p 有可 能依据实时的车间制造资源信息( 资源类型及使用状况等) 、制造过程信息( 生 产计划及在制状态) 等，生成更加符合实际制造状态的工艺文件；车间调度也可 以利用c a p p 提供的辅助工具进行工艺调整。这些功能就是车间级c a p p 要实现 的目标。为此，必须加强车间信息化的研究与开发。车间信息化一个主要的研究 方向是制造执行系统( m a n u f 如t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) ，它是面向车间的 生产过程管理与实时信息系统，填补了计划管理与底层控制的“鸿沟 ，是车间 信息化的核心。课题组在这方面已经开展了部分研究工作，在m e s 信息系统建 模、车间调度与决策算法、车间制造资源集成以及敏捷化系统开发等方面，取得 4 北京化工大学硕士学位论文 了初步成果。随着m e s 的深入研究和推广应用，c a p p 对连接工程设计、生产 管理与制造执行将发挥更大的作用。 1 4 工艺设计现存的问题 ( 1 ) 缺乏对工艺资源的管理：c a p p 工艺资源包括毛坯种类、材料牌号、材料规 格、工艺装备、工艺基本术语、工艺参数等任何可供共享和重复使用的工艺数据， 它广泛应用于工艺设计、工艺管理的各个方面，因此对工艺资源库的管理和维护 是必须的。目前，大部分企业对工艺资源缺乏管理，常常会发生工艺资源混乱、 不符合实际的问题。因此企业必须利用c a p p 软件提供的工具将企业的工艺资源 有效地管理起来。 ( 2 ) c a p p 的应用缺乏应有的广度：c a p p 系统必须贯穿企业生产全过程，它所产 生的工艺参数及制造资源数据是产品全生命周期中最重要的数据之一，同时是企 业编排生产计划、制定采购计划、进行生产调度的重要基础数据，在企业的整个 产品开发及生产中起着重要的作用。c a p p 应从以零部件为主体对象的局部应用， 走向以整个产品为对象的全生命周期的应用，有效的发挥和利用工艺数据的价 值，实现产品工艺设计与管理的一体化。 ( 3 ) 缺乏权限管理：一套工艺文件的产生要经过编制、审核、会签等步骤，每一 个步骤都要由专门的人员来完成，完成以上每一步骤，责任人都必须在工艺文件 中签字。为保证工艺文件的安全可靠性，这就要求c a p p 软件提供一种角色和权 限机制，不同的角色打开同一份工艺文件时，彼此可以看对方的工作内容，但不 能修改。 ( 4 ) c a p p 系统与其它应用系统的集成问题：由于对同一对象的视角不同，使得设 计部门和制造部门对同一产品的认识不一致，导致设计部门的输出结果必须经 过符合应用的解释才能为制造部门所使用【1 4 l 5 1 。 本文提出了基于制造特征的工艺设计系统。这是与基于特征识别来进行技术 建模的技术是有区别的，特征识别主要是对零件原有的几何模型进行解释，以鉴 别针对特定的应用的特征。目前在特征自动识别系统方面的研究已经取得了一定 的成就，但是对于复杂模型的特征识别只能通过用户交互地进行，用户在构造几 何模型后，通过拾取屏幕上模型影像中的几何实体来定义特征，再将特征参数或 精度特征、技术特征等信息作为属性添加到特征模型中去。 制造特征则是通过定义新的数据结构，在原有几何建模工具的基础上，增加 公差、表面粗糙度等其他非几何特征信息的建模手段来完成特征造型系统，以面 向制造为目的的特征模型。对模型的显示、观察、设计数据库的控制和数据结构 的访问这些基本操作工具可直接利用几何建模系统已有的功能；而对用来构造部 5 北京化工大学硕士学位论文 件特征的特征库，特征的编辑工具，特征间关系定义的方法和特征验证这些特征 专用工具则需要增强或替代几何系统已有的几何工具来得到。 1 5 课题的研究方案 基于特征的工艺设计系统与传统的工艺设计系统在功能的实现上有很大的 区别，其最突出的特点是采用了制造特征。此系统在采用了面向制造特征的建模 方式的基础上，实现了真正意义上的与c a p p 的无缝链接，为实现机械设计与制 造的集成化、自动化打下坚实的基础。 本系统的起始点源于特征模型，每个特征模型上包含了若干个特征，而每个 特征上又附着各自形状特征、精度特征、管理特征以及其他工艺信息等，这些信 息与相关的工艺信息都存放在系统的底层数据库系统中。 基于特征的工艺设计系统是面向制造的工艺设计系统，当制造特征模型建立 好以后，其相关的各种信息就被保存到制造特征模型库中。已建立好的工艺数据 库包括制造资源库、加工方法库、工艺参数库。以制造特征模型库中的每个制造 特征去检索工艺数据库，通过工艺决策形成每个制造特征的加工方法链及最后的 加工顺序，操作人员可以通过人机交互界面看到最终的加工顺序和加工方法链， 如果有些操作不符合实际操作，则可以用人工干预的方式，来自定义加工方法。 本系统是以v i s u a lc + + 6 ，o 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 为开发工具的。通过使用 o d b c ，把v c + + 开发的人机交互界面和数据库系统联系起来。建立了基于特征 的工艺设计系统。具体用以下方法实现： ( 1 ) 工艺决策层是本系统的大脑，对加工方法链和加工顺序的最终形成起到 决定性的作用。因此，根据实际的制造加工过程来制订一套工艺决策算法。 ( 2 ) 建立制造资源库、加工方法库、工艺参数库等工艺数据库系统。企业可 以根据自身的生产条件，充实数据库系统。 ( 3 ) 数据库系统建立完成后，根据工艺决策系统的工作原理，进行表的搭建 工作，把各个表有机的结合起来，以便在以后形成加工方法链和加工顺序的时候 可以进行连表查询工作。 ( 4 ) 利用s 砌c + + 6 o 创建用户界面。此界面既用于显示已经在底层形成的 加工方法链，又可以在加工方法链不合适的适合进行人工干预，并把正确信息存 储到数据库之中。 ( 5 ) 通过o d b c 技术，把用户界面和用于存储加工方法链的特征模型库链接 起来，以实现对数据库的读取、显示和保存功能，从而最终可以使本系统成功的 运行起来。 6 北京化工大学硕士学位论文 1 6 论文的章节安排 本课题将研究在数控加工工艺设计中汇集数控加工工艺专家智慧，并且充分 利用这些数控加工工艺知识，进行逻辑判断推理，以期探索出一条有效提高数控 加工工艺设计质量，缩短时间的途径，从而辅助数控加工工艺设计人员的数控加 工工艺决策过程。 本论文共分四章，各章内容安排如下： 第一章绪论主要介绍了本课题的研究背景和提出的方案 第二章c a d 特征建模简介主要介绍了特征模型的概念和建模的基本思 想。 第三章 基于制造特征的c a p p 系统的总体设计主要介绍了系统的工作原 理及其算法的建立。 第四章系统的建立以及运行实例主要介绍了系统的建立过程并用实例 加以证明。 第五章总结对整篇文章进行总结。 7 北京化工大学硕士学位论文 第二章制造特征模型 随着特征造型技术的快速发展，特征技术为实现c a d c a m c a p p 系统的集成 化、自动化提供了一条新的有效途径。特征建模技术可以建立完整统一的特征定 义体系、分类方法及特征的科学表示，但到目前为止，并没有形成完整统一的特 征定义和特征表达。本章重点研究了特征定义、特征分类、特征的表达及零件特 征模型的建立等。 2 1 特征的概述 2 1 1 特征的定义及性质 特征的概念是7 0 年代末提出来的，目前对于特征并没有一种统一、确定、 完整准确的定义，只是在某些方面达成了一定的共识：1 ) 特征是一组信息的集 合，具有一定的属性，且与特定的活动如设计、制造活动相关【1 6 j ；2 ) 特征具有 一定的工程语义；3 ) 在不同的应用领域，特征的形式和内涵可以变化，并且特 征可以在不同的应用领域间自由传递和转化，可以与一定的形状存在映射关系； 4 ) 特征可以包含应用领域中的所有要求，具有可预言的性质。特征是一个较为 抽象的概念，可以表示一些高层次的信息，也可以扩展到各种不同的应用领域。 在c a d c 舢w c a p p 集成系统中，特征是底层信息( 如点、线、面等几何元素) 与零部件问信息联系的桥梁，将几何信息进行有效的结合来表达特定的功能或具 有一定含义的形状结构，来表达面向应用的形状结构；同时，特征还是非几何信 息的载体，可以表达尺寸、公差、表面粗糙度等非几何信息，使与应用相关的产 品定义信息能借助于特征而得到表达；另外，特征本身包含着生产过程特征应用 的相关过程及处理方法；本文根据c a d c 删a p p 集成的需要，对特征做如 下的定义：特征是产品信息完整表达的信息集合单元；具有一定功能并可以被基 本的加工方式加工成型的几何实体；是集成环境下的基本传输单元和语义载体； 可以在不同的应用领域间自由传递和转化。 其中：1 ) 这里的信息集合单元，既包含几何信息也包含非几何信息，同时它 不仅是基本体素的集合，同时赋予体素以一定的设计功能和工艺属性，是一切生 产活动的基本对象。因此，这里的几何实体也成为具有一定意义的特征的有机组 合。 2 ) 这里的语义是由特征语义几何元素来具体体现的，语义几何元素是指与特 8 北京化工大学硕士学位论文 征整体、特征边界以及其它与语义相关的几何元素。用语义几何元素来描述产品 模型可以相对独立于模型的几何细节。所谓的特征语义是指在设计、制造等完整 的生产活动中，必然伴随着特征的创建、删除、组合和分离等特征的变异发生， 但这种变异也蕴涵了本身的本质不变性，这就是特征的语义，就是我们所说的高 级工程描述。同时，特征语义是特征的表现所蕴涵的与产品生命周期相关各阶段 相关的语义信息，如功能语义、几何语义、拓扑语义、工艺语义等。 在c a d c 舢a p p 集成环境下，必须要建立可以支持产品全生命周期的特 征模型，而由于特征的领域依赖性和特征本身的特性使特征具有以下几种性质： 1 ) 分类层次性：零件在从设计到制造完成的过程中包括三类特征功能特征、 结构特征和制造特征。功能特征反映用户对产品功能性质的要求以及零件所发挥 的作用；结构特征是对产品总体或局部的几何构成以及相应的内在属性的描述； 制造特征是表达产品构成所对应的加工、制造方法。每类特征又可根据生产过程 不同环节的需求进一步细化，形成分类层次结构，最底层即为实际工程应用中面 向不同环节的基本元素。 2 ) 相互依赖性：在产品的概念设计和总体设计阶段基本确定产品的功能特征 在产品结构设计阶段，主要根据产品的功能要求确定产品的结构特征在产品的工 艺设计阶段根据产品的结构及功能，并依据产品的批量、技术经济要求和现有的 生产条件确定产品的制造特征。这一过程体现出三者之间的因果关系，任何特征 都不是孤立存在的，而是相互依赖的。 3 ) 关联多重性：同一功能可以有不同的结构来实现，同一结构也可表现为不 同的功能。同一结构特征可以用不同的工艺加工方法来形成，反之，不同的工艺 方法也可实现相同的产品功能和结构。这一特点要求设计、制造过程中不断对功 能、结构和制造之间进行协调和优化。 4 ) 表达统一性：尽管特征有功能、结构和制造等多方面含义，其属性类型及 其值域也多种多样，但其基本的作用对象都是构成特征形状结构的几何形体，任 何的特性归根到底都可具体化为形状的特性以及相应的几何生成方法。 2 1 2 特征的分类 由于特征的领域依赖性，对于特征的分类也多种多样。在特征定义的基础上， 有必要进行合理的特征分类【l 研。特征的分类可以根据产品类型、产品的生命周 期、特征的应用领域、特征的几何形状等不同的分类标准给出各种不同的分类。 随着特征的研究深入，特征的分类方法也各有不同。如p r a t t 和w i l s o n 为c a m i 提出的按形状和构造特点的分类模式，它已被s t e p 标准作为形状信息模型f f i m 的组成部分；c u l 】血n g 和d i x o n 根据形状在设计中所起的作用不同，将特征分为 9 北京化工大学硕士学位论文 静态和动态两类。动态特征是传递运动和能量的产品实体，静态特征进一步分为 基本类、附加类、交类、整体形状类、宏观等5 大类特征；s h a l l 等人按产品定 义数据的性质将产品信息分为5 大类广义特征：形状特征、精度特征、技术特征、 材料特征及装配特征；p d d i 根据制造方法将形状特征分为复合特征、机械加工 特征、饭金类特征及车削类特征；g a l l d l l i 和m y k l e b l l s t 根据特征体素的拓扑相似 性质，将那些具有相同性质的特征归为一类以便相同数目的参数描述特征【1 9 】。 本文主要根据特征的应用领域不同，将特征分为设计特征和制造特征。 1 ) 设计特征：是体现设计意图，并构成零件形状的抽象几何形体。由于设计 意图可以由零件形状和对形状的约束条件来体现，因此，设计特征可以看作是抽 象形状特征与设计约束特征的组合，如图2 1 。 + 图2 一l 设计特征定义 f i g 2 一lt h e d e f i n i t i o no fd e s i g nf e a t u r e 其中抽象特征主要有以下特点： a ) 与应用领域无关：用抽象形状特征构建的零件模型可以为不同的应用领域 所共享。 b ) 同一名称的抽象形状特征通常不唯一例如槽特征类，是有截面为一封闭轮 廓拉伸并去除轮廓内体积而形成的。显然其确切形状取决于截面轮廓形状。 c ) 抽象形状特征中有些具有明确语义，例如用肋特征创建出的各类型肋，其 语义是明确的但有些则不然，如用抽象形状特征创建键槽，其结果虽然具有键槽 形状，然而却体现不出键槽这一语义。因此，部分特征类语义不明确是抽象形状 特征的缺陷。 2 ) 制造特征：是一组反映工艺约束条件，具有确切加工形状的特征信息集合， 如图2 2 ： 图2 - 2 制造特征定义 f i g 2 - 2t l l ed e f m i t i o no fm 锄u 缸t u r i n gf e a t u 他 l o 北京化工大学硕士学位论文 其中形状特征包含两层含义： a ) 具有表面粗糙度要求，需要进行切削加工。 b ) 具有确切几何形状( 与设计特征的抽象形状特征不同) ，其组成面间有明 确的约束关系。工艺约束特征包括质量特征、材料特征与工艺方法。其中质量特 征又由尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等组成。 2 1 3 特征建模的思想 本系统是基于制造的工艺设计系统。提出的制造特征不同一般c a d 中使用 的设计特征，是指某一工步去除的材料即负特征。这样的制造特征与工艺信息， 例如与加工方法，联系更加紧密，能够直接用于后续的c a p p 、c a m 系统中。 同时开发了特征库的管理系统，并设有用户自定义特征的接口，可以根据自身产 品的特点添加新的特征或编辑已有特征，通过验证后可将其保存入系统特征库之 中，实现特征库的自学习功能。本系统中前期的建模工作要求尽量同实际的制造 加工过程保持一致，完成特征建模的过程即为一次次加工的过程。在建模过程中， 首先选择需要的毛坯形状，通过插入不同的制造特征( 负特征) ，进行布尔减运 算，得到最终的工件模型。 在建模过程中，每个特征上不仅附着各自的形状特征信息还有相关的制造信 息以及其他的辅助信息，这些信息具有一定的语义，是高层次可直接利用的。由 此建立的c a d 特征模型，能够实现与c a p p 、c a m 的无缝连接，为真正实现制 造业的信息化、集成化、自动化探索了一条有效途径。 图2 3 所示为本系统前期的建模过程。 耐爹；霪霪季 露蔫戮誊懑ij ：黪譬戮l 髯瑟雾未 鬻麟_ - 嘲穆i i、满“嘲二 鬻黼鬻 糯入特征i 嘲编_ 嘲缪? jt 攀确_ _ 醪一| 图2 - 3 本系统的建模思想 f i g 2 3t h ei d e ao f f e a h l r em o d e l i n g 誓譬褰 张鬈 北京化工大学硕士学位论文 本系统的形状特征建模部分是根据制造成型原理，将平面特征、槽特征、孔 特征等负特征与毛坯进行布尔减运算，进而得到最后的零件制造特征模型。在图 2 - 3 所示的建模过程中，首先选择毛坯类型，确定毛坯形状，并重新生成模型之 后，插入若干特征，每一步的操作均是与上一步生成的新的模型进行布尔减运算， 通过这样一系列的仿加工制造过程的布尔减运算，达到材料成型的目的。同时每 一个特征的构建过程，不仅包括其几何形状信息，还包括属性信息、精度信息、 工艺信息等。 下面以上述建模过程中最后插入的圆孔特征为例，说明本系统中详细的建模 过程，如图2 4 所示。 图2 - 4 圆孔特征的创建过程 f i g 2 4f e 砷j 糟m o d e l i n gp r o c e s s0 fr o u n d h o l e 本系统的实现是以v i s u a lc + + 6 o 为开发工具，p r o e n g i n e e r 为开发环境， 1 2 北京化工大学硕士学位论文 采用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库读取和保存实体模型的各种数据信息，实现特征模 型的智能化创建、显示与管理；通过已创建的加工方法库和刀具库等，根据组成 工件的各个特征的形状特征、属性特征、精度特征等，进行工艺设计，最终实现 基于c a d 与c a p p 的集成。 2 2 形状特征的描述 2 2 1 毛坯特征 在制造特征的建模过程中，主特征是建立的第一个特征，其他特征都是在主 特征的基础上执行布尔减运算。在本系统中，以毛坯为建模的起点，即毛坯特征 为主特征。由于特征之间存在一定的依赖关系，正确的确定毛坯特征是保证工件 模型正确建立的关键。 为设计方便简化参数，本特征建模系统定义( 0 ，0 ，o ) 点为模型的起始点， 加工方向为( 0 ，0 ，1 ) 即z 轴的负方向，f i e a n 鹏b o u l l d a r y 沿( 1 ，0 ，0 ) ，( o ， 1 ，0 ) 即x ，y 轴的正方向，可以倾斜于特征的z 轴，也可以包括若干不需要加 工的岛屿。本系统将毛坯及各个特征模型的草绘平面定义在第一卦限，拉伸方向 为z 轴负向，建立特征定义的参数设计界面，通过参数化更新生成设计所需要 的形状特征，将待插入的特征与已设计完成的特征模型作布尔差运算，达到去除 材料的目的。 本系统的特征库中提供了一系列常用的毛坯形状特征，用户可以根据自己的 需要更新模型，也可以通过自定义的方式建立自己的毛坯模型，并将其保存至已 有的特征模型库中，以便后期的调用。本系统中对于毛坯特征的描述如表2 1 所 示。 表2 1 本系统毛坯特征的描述 r a b 2 - 1d e s c r i p t i o no fr o u g h c 嬲t 毛坯特征特征名称 再生特征模型自定义 长方体圆柱圆台 设计特征 边界长度直径d 直径d l 入库参数 l f 高度h 直径d 2 毛坯的种类很多，同一种毛坯又有多种的制造方法，机械制造中常用的毛坯 北京化工大学硕士学位论文 主要有铸件、锻件、型材、焊接件等。在进行数控加工时，由于加工过程的自动 化，余量的大小、装夹等问题应在设计毛坯特征时就仔细考虑好【5 2 】。考虑毛坯 在加工时的定位和夹紧的可靠性与方便性，以便在一次安装中加工出较多的表 面。在确定毛坯的形状特征时，要考虑留有充分的、稳定的加工余量，也要分析 加工中与加工之后的变形程度等所造成的影响。 2 2 2 平面特征 平面特征是对加工工件的一个待加工的外表平面的描述。描述平面特征的属 性有加工深度、特征定位以及平面边界等，如图3 8 所示。 图2 - 5 平面特征的定义 f 蟾2 - 5d e f i n i t i o no fp l a n a o 如e 图2 5 中，需要去除的体积块部分( v o l 啪et ob er e m o v e d ) 即为一平面特征 ( p l a i l 盯f a c e ) 。加工深度( d e p t h ) 描述的是在进行铣平面加工时，需要从毛坯 表面去除的材料厚度，它的描述方法比较特别。因此在描述任何实体信息的时候 都需要以特征为基础，对加工深度的描述就是通过对两个平面特征的描述来实现 的。加工路径( c o u r s eo ft r a v e l ) 是指刀具在加工过程中横向切削一刀走过的距 离，此处主要是指平面的长度。可去边界( r e m o v a lb o u l l d a r y ) 则指的是刀具在 加工过程中纵向进给的长度，此处主要指平面的宽度。平面的长和宽的参数是包 含在长方体的模型之中，属于拉伸特征的参数。平面边界( f a c eb o i l i l d a r y ) 是一 个可选的属性，它表示了平面特征加工完成以后的工件的边界情况。特征定位说 明了平面特征在工件中的位置及范围的描述。精度特征是对特征的精度要求的规 定。为说明以上这些属性的含义，举例如图2 6 所示： 1 4 北京化工大学硕士学位论文 图2 - 6 平面特征示例 f i g 2 - 6e x 锄p l eo fp l a n a r j a c e 如图2 6 所示的工件，其主要尺寸如图。需加工的平面特征位于工件表面， 起始点的坐标位置为( 0 ，o ，0 ) 。由起始点出发，长7 0 n u n 方向为( 1 ，o ，0 ) 的线条以及长1 0 0 h u n 方向为( 0 ，l ，0 ) 的线条，所组成的长方形区域构成了平 面特征的加工范围。平面特征的加工深度为5 i m n ，其切削方向为( 0 ，0 ，1 ) 。 图中的黑色虚线所构成部分，就是平面边界，即平面特征加工完成后，工件的边 界情况。 在本建模过程中将工件的形状特征、属性特征与精度特征相结合，成为面向 制造的特征模型。本系统中对于平面特征的描述如表2 2 所示。 表2 2 本系统平面特征的描述 t a b 2 - 2d e s c r i p t i o no fp l a n a r _ f 如e 平面特征特征名称 再生特征模型 附加信 定位 边界长度l 。 加工深度d 息 ( 数组) 表面 基本尺寸基本尺寸 岛屿 起始 上偏差上偏差 特殊工 粗糙 点坐 艺差尺 下偏差 差尺 下偏差 数组 标 寸寸 度 要求 公 公差等级 公