（机械制造及其自动化专业论文）基于step—nc铣削模型的数控程序生成方法研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 摘要 s t e p n c ( i s 0 1 4 6 4 9 ) 是产品模型数据交换标准( s t e p ) 在制造领域的延 伸，作为新的数控系统数据接口的规范，是面向对象和特征的。基于s t e p n c 的数控程序不仅使得零件的三维几何信息能够直接传递到c n c 控制器，而且 还包含了工艺信息和加工信息，从而克服了传统的基于i s 0 6 9 8 3 标准的数控 程序的信息损失、程序修改困难等诸多缺点。 本文以新型数控程序接口s t e p - n c 为基础，对基于s t e p - n c 铣削模型 的数控程序生成方法进行研究，主要研究内容如下： 研究了s t e p s t e p - n c 标准，深入研究s t e p - n c 铣削模型的数控程序 生成过程，包括几何信息提取、特征识别、毛坯自动生成及宏观工艺规划和 文件的生成四个模块。首先，在s t - d e v e l o p e r l 0 0 的环境下，使用r o s e 库 函数从s t e p 文件中提取出文件中包含的几何和拓扑信息；其次，从提取出 的零件几何和拓扑信息中采用基于痕迹的几何推理方法结合s t e p 的特点识 别出工件上的加工特征；然后，将特征识别的结果即s t e p - n c 加工特征作为 基于特征的毛坯自动生成和宏观工艺规划的基础进行基于特征的毛坯自动生 成及宏观工艺规划；最后，将几何信息、特征信息、毛坯信息及工艺规划信 息的结果生成a p 2 3 8 文件。 随着s t e p n c 的具体应用，各机床控制系统能识别了这种文件格式，可 以实现了不同c a m 系统之间的数据共享，其中几何数据可以被c a d 系统读 取，实现了c a d 和c a m 系统之间的双向数据流，促进了c a d c a m 的集成。 关键词：a p 一2 3 8 ；s t e p - n c ；特征识别；痕迹；r o s e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t s t e p - n c ( i s o 14 6 4 9 ) i st h ee x t e n d i n go ft h es t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c td a t ar e p r e s e n t a t i o n ( s t e p ) i nt h em a n u f a c t u r i n gf i e l d a st h ec r i t e r i o n o fn e wc h i cs y s t e md a t ai n t e r f a c e ，i t so b j e c t - o r i e n t e da n df e a t u r e o r i e n t e d c n c p r o g r a mb a s e do ns t e p n cn o to n l yt r a n s f e r s3 一dg e o m e t r yi n f o r m a t i o nt ot h e c n cc o n t r o l l e r , b u ta l s ot h et e c t l i l i c a la n dm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n , w h i c h o v e r c o m e sl o t so fd i s a d v a n t a g e so fc n cp r o g r a mb a s e do nt r a d i t i o n a li s 0 6 9 8 3 s t a n d a r ds u c ha si n f o r m a t i o nl o s i n g ，p r o g r a md i f f i c u l tt or e v i s ea n ds oo n t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so nc n cp r o g r a mg e n e r a t i o nm e t h o dw h i c hi s b a s e do ns t e p - n cm i l l i n gm o d e l ，t h em a j o rw o r ki sa sf o l l o w i n g ： t h i sp a p e rg i v e sad e e pr e s e a r c ho i lt h es t e p s t e p - n cs t a n d a r d t h e c n cp r o g r a mg e n e r a t i o np r o c e d u r ei ss t u d i e d ，i n c l u d i n gg e o m e t r yi n f o r m a t i o n e x t r a c t i o n ，f e a t u r ei d e n t i f i c a t i o n ，t e c h n i c a lp l a n n i n ga n df i l eg e n e r a t i o n f i r s t l y , u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fs t - d e v e l o p e r l0 ，g 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 ni s e x t r a c t e df r o mt h es t e pf i l eu t i l i z i n gr o s ef u n c t i o n s e c o n d l y , m a n u f a c t u r i n g i n f o r m a t i o ni sr e c o g n i z e df r o mt h ee x t r a c t e dg 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 u s i n gh i n t - b a s e dg e o m e t r yi n d u c e dm e t h o dc o m b i n gt h es t e pf e a t u r e t h e n ， r o u g h c a s ta u t o m a t i cg e n e r a t i o na n dm a c r o s c o p i c a l l yt e c h n i c a lp l a n n i n ga r ed o n e b a s e do nt h ei d e n t i f i e dr e s u l t s l a s t ，g e o m e t r yi n f o r m a t i o n ，f e a t u r ei n f o r m a t i o n ， r o u g h c a s ti n f o r m a t i o na n dt e c h n i c a lp l a n n i n gi n f o r m a t i o na l lm a k et h ea p 一2 3 8 f i l e w i t ht h es t e p n cs t a n d a r di su s e dc o m p r e h e n s i v e l y , t h em a c h i n ec o n t r o l s y s t e mc a ni d e n t i f y t h i sf i l ef o r m a t s oi ta c h i e v e st h ed a t as h a r i n ga m o n g d i f f e r e n tc a m s y s t e m s t h eg e o m e t r i cd a t ac a nb er e a db yc a ds y s t e ma n di t a c h i e v e st w o w a yd a t af l o wb e t w e e nc a da n dc a m s y s t e m s ，a n di tp r o m o t e st h e c a d c a m i n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：a p - 2 3 8 ；s t e p - - n c ；f e a t u r er e c o g n i t i o n ；h i n t ；r o s e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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( 签字) ： 日期：刀d 8 年月o 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 0 世纪末由于计算机和信息技术的急剧发展，促进了制造业发生重大的 变化。而数控机床作为现代加工车间最重要的装备，它的发展是信息技术( i t ) 与制造技术( m t ) 结合发展的结果。为了满足现代加工的发展，数控技术要朝 着智能化、集成化、网络化发展。 1 1 课题研究的目的意义 长期以来，数控系统采用的数据接口标准是i s 0 6 9 8 3 协议，这种协议规 定下的数控加工程序采用g & m 代码来指定机床轴的运动，在本质上是面向 过程的，描述数控系统“怎么做 ，其内容与形式已经远远落后于先进制造技 术的发展，成为数控系统智能化、集成化、网络化发展的瓶颈川。 i s 0 6 9 8 3 协议主要的不足体现在以下几个方面口1 ： g & m 代码只是定义了机床轴的运动和开关控制，因此丢失了产品设 计中的尺寸、公差、精度、表面光洁度等大量有用信息。 该标准定义的编程语义多数情况下存在歧义，并且由于覆盖面太窄， 厂商不得不开发自己的扩展功能和专有指令，这样造成零件程序在不同的数 控系统之间不具有互换性而需要特定的后置处理器。 只能完成一些简单的直线、圆弧插补功能，不易实现五轴铣和需要处 理样条曲线数据的高速切削等现代数控器的高级功能。 编程集中于刀具中心的路径而不是工件的a n - r _ 过程，加工曲线时要分 解成一系列的直线或圆弧，并且带来庞大的程序量，这样造成现场编程和修 改困难，一般需要专门的后置处理器来进行处理。 设计信息生成g & m 代码的过程不可逆，在加工阶段做出的修改无法 反馈到设计阶段，即计算机辅助集成技术( c a x ) 到计算机数控c n c 之间的 数据传递是单向的而不是双向的。 为了消除i s 0 6 9 8 3 的局限性，国际标准化组织i s o 在s t e p 的基础上制 定了c a m 与c n c 之间新的数据接口标准s t e p n c ( i s 0 1 4 6 4 9 ) 来取代传统 l 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 的数据接口标准i s 0 6 9 8 3 ，促进数控系统的智能化、集成化和网络化发展p 1 。 s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 是由国际标准化组 织i s o 第1 8 4 技术委员会第四分技术委员会制定的与产品信息基本表达有关 的国际系列标准，此标准的正式名称后来定为i s 0 1 0 3 0 3p r o d u c td a t a r e p r e s e n t a t i o na n de x c h a n g e 。s t e p 的目的是提供一种不依赖于具体系统的中 性机制，能够描述整个生命周期中的产品数据，同时保持数据的一致性和完 整性。产品数据的这种描述，不仅适合于物理文件交换，而且也是实现和共 享产品数据库以及产品数据的长期存档的基础。 s t e p - n c ( i s 0 1 4 6 4 9 ) 是将s t e p 扩展至c n c 领域，重新规定了c a x 与 c n c 之间的接口，其目的是：c n c 系统能够直接使用符合s t e p 标准 ( i s 0 1 0 3 0 3 ) 的c a d 三维产品数据模型( 包括工件几何数据、设置和制造特 征) ，加上工艺信息和刀具信息，作为数控系统的输入，直接产生加工程序来 控制机床；在s t e p 的基础上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信 息联系起来，消除c a x ( 如c a d ，c a p p ，c a m 等) 与数控系统之间信息流 瓶颈：将传统的面向运动和开关控制的数控程序改变为直接面向加工对象的 数控程序。s t e p n c 的实质就是使产品模型数据库用作c n c 机床的直接输 入文档，不存在单独的刀具路径文档，没有g & m 代码，没有后置处理器一1 。 新标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) 使用面向对象的“工作步骤v 这一概念来定 义加工过程，弥补了i s 0 6 9 8 3 的不足，工作步骤是高层次的加工概念，c n c 负责把工作步骤转换成轴的运动和刀具的操作，i s 0 1 4 6 4 9 是面向对象和特征 的，描述工件的加工操作，不依赖于机床轴的运动，因而它可用于不同的机 床或控制器。应用协议a p 2 3 8 是s t e p - n c 的技术定义，它综合了i s 0 1 0 3 0 3 以及i s 0 1 4 6 4 9 两个标准的内容，它的几何定义与s t e p a p 2 0 3 、s t e p a p 2 1 4 相同，加工特征与s t e p a p 2 2 4 的一致，公差定义与s t e p a p 2 1 9 相同，因 此可以直接使用相关的模型p 1 。 s t e p - n c 使c n c 系统的使用更安全简单，为企业、加工车间、加工设 备供应商都带来了巨大的利益，据估计，因此企业画图量减少7 5 ，加工车 间的数据转换时间减少3 5 ，平均加工过程加快了5 0 睛1 。s t e p - n c 文件可 在各加工设备互换，加工设备供应商只需做通用接口即可，不用针对具体应 用开发专用接口，简化了加工设备开发难度，可以实现c a d c a m c n c 信息 2 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 双向流动。 1 2 国内外相关领域的研究现状 1 2 1s t e p - n c 的研究现状 目前关于s t e p - n c 方面的研究主要分为两大类，一类注重建立和完善 s t e p - n c 标准；另一类面向实际应用，以推动s t e p n c 尽快投入实际生产。 这两者并非对立，而是互相促进共同提高。表1 1 列出国内外大学、研究所 及工业界对s t e p - n c 的主要研究内容睁田。 表1 1s t e p n c 的研究方向和内容 方向 具体实现 p a n11 铣削模型 p a n1 2 车削模犁 建 i s 0 1 4 6 4 9 业 p a r t1 3e d m ( 放电加t ) 模型 与 t 苎， 7 1 5 善 标 a p 一2 3 8 准 l s 0 1 0 3 0 3 执行方法( p a r t 2 8 ) a p 2 1 4 ，a p 一2 2 4 原有c a m 系统基础上，增加插件，生成s t e p - n c 生成s t e p - n c 新型c a m 系统，直接生成s t e p n c 数控程序 数控程序 面 由g 代码转成s t e p - n c 向 以s t e p - n c 数 在传统的c n c 控制器上添加s t e p n c 数控程序 应 用 转换成g 代码的转换器 的 控程序为输入的 研 新型c n c 控制器 究控制器的研究 智能型c n c 控制器 s t e p - n c 转换成g 代码( c a m 插件) 基于s t e p - n c 的企业之间的协作 1 欧洲的研究项目及内容 s t e p - n c 最初是由欧洲的高校和研究所开始研究的。在m a t r a s 和 3 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 o p t i m a l 项目的研究成果的基础上，欧洲的一些研究机构于1 9 9 9 2 0 0 2 年开 展了e s p r i t 项目e p2 9 7 0 8 “s t e p - n c ”的研究。项目的主要目标是建立铣削、 车削、电火花加工等与数控系统的数据接口模型，并通过原型系统对 s t e p - n c 数据模型进行验证。 s i e m e n s 和德国a a c h e n 大学w z l 实验室是该项目的主要负责单位，研 究重点为二轴半铣削、电火花和车削加工，w z l 主要研究铣削和轮廓加工。 2 0 0 0 年，在美国南卡罗来纳州举行的s c 4 会议上，欧洲的研究人员演示了他 们的原型数控系统，该系统数控内核是s i e m e n s8 4 0 d ，前端软件为o p e nm i n d 和c a t i a ，i s 0 1 4 6 4 9 与c n c 的接口是通过数控系统内嵌的解释器实现。该 项目的研究为s t e p 在数控加工领域数据标准接口i s 0 1 4 6 4 9 的建立提供了重 要的指导性意见。 2 美国“s u p e rm o d e i ”项目 1 9 9 9 2 0 0 2 年期间，在美国政府的资助下，开展了名为“s u p e rm o d e l ”的 关于s t e p - n c 的项目的研究。美国s t e p t o o l s 公司是该项目的协调者，该 项目重点研究通过映射机制的数据交换，目的是实现基于x m l 和a i m 的物 理文件交换。研究i s 0 1 4 6 4 9 数据库与c n c 之间的“智能接口”，其原型系 统是在商业软件f bm a c h 和v i r t u a lg i b b s 上实现的。2 0 0 1 年在旧金山的s c 4 会议上演示了原型系统，实际上是通过将s t e p - n c 文件转换成g 代码在 b r i d g e p o r t 数控系统上实现加工的。 3 i m s 国际联盟s t e p - n c 项目 i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 联盟s t e p - n c 项目的意图是扩展 当前的s t e p 的数据模型到制造领域，并形成国际标准。s t e p 在某些领域如 实体模型的交换相对成熟，而在其它领域则正在发展中。s t e p n c 的研究工 作最初是在欧洲委员会的资助下进行的，他们所发展的数据模式逐渐得到了 世界范围内的认可，2 0 0 2 年初由欧洲、美国、韩国、瑞士组成的国际联盟开 始了i m ss t e p - n c 项目的研究。该项目的目的是发展标准的、高层次的用 于c a m 系统和机床之间的通讯方法和格式。 韩国由韩国政府资助专门成立了s t e p - n c 研究中心： n r l s n t ( n a t i o n a lr e s e a r c hl a bf o rs t e p - n ct e c h n o l o g y ) 。主要研究铣削和 车削s t e p - n c 数据模型的建立，并成功开发了用于铣削的数控系统原型，对 4 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 建立的数据模型进行验证。他们提出了基于s t e p n c 的智能型机床控制器的 框架结构，主要包括四个模块：基本模块、功能模块、接口模块和控制模块。 在车削加工方面，他们和德国斯图加特大学紧密合作，为车削数据模型的国 际标准i s 0 1 4 6 4 9 1 2 的建立作了大量的研究工作。 美国发展s t e p - n c 的应用解释模型即a p 2 3 8 。开发了开放的源代码 库，称为s t i x ( s t e pi i l d e xl i b r a r y ) 。开发该代码库的目的是综合s t e p 应用 解释模型的优点( 集成性、向上一致性) 和s t e p - n c 应用参考模型的优点( 可 理解性) ，将应用解释模型作为c a m 和c n c 系统间数据交换的标准，应用 参考模型作为数控系统处理数据的逻辑模型。s t e p t o o l s 公司还和b o e i n g 以 及n i s t 合作研究铣削模型在曲面加工和探测方面的功能性。 欧洲德国斯图加特大学的i s w 研究所主要从事车削加工方面的研 究。目前已在开放式体系结构o s a c a 平台上用s i e m e n s 和f i d i a 数控系统实 现了一个能进行两轴半和三轴加工的系统原型s h o p t u r n ，该原型系统能够读 取、修改和仿真s t e p - n c 数控程序，提供给车床操作者完善的s t e p - n c 接 口，是真正意义上开放式制造环境的里程碑。 瑞士的许多系统开发商和研究机构参加了该目：s t a r r a g 、a g i e 、a m t 、 c a d c a m a t i o n 等。主要研究s t e p - n c 的金属电火花加工工艺数据模型以及 基于s t e p 金属电火花加工的数控系统。基于c h a r m i l l e s 控制器平台开发了 适应s t e p 的金属电火花系统，在该原型系统中，使用s o l i d w o r k s 建立实体 的模型。他们还基于a l p h a c a m 平台开发了支持s t e p - n c 的另一原型系统， 产品的设计数据经a l p h a c a m 和s t e p - n c 数据生成器转换成i s 0 1 4 6 4 9 数 控程序。 在上述国家研究成果的基础上，目前已形成了部分国际标准草案 ( i s o d i s 1 4 6 4 9 ) ，包括基本概念和规则( p a r t l ) 、通用数据( p a r t l 0 ) 、数控铣 削加工( p a r t l l ) 、铣削刀具( p a r t l l l ) 等。著名数控系统生产厂家如s i e m e n s 公司、f u n a c 公司等表示他们的新控制器将支持这一标准。 国际上比较有影响的有关s t e p 。n c 的研究项目还有同本“d i g i t a lm a s t e r ， 项目。随着s t e p - n c 被越来越多的人所了解和接受，s t e p - n c 的研究项目 和经费也越来越多，有利于早同实现取代i s 0 6 9 8 3 的目标。 4 国内有关8 i e p - n c 的主要研究 5 哈尔滨j r 程大学硕+ 学位论文 国内在2 0 世纪9 0 年代初就有许多高校和研究所在国家有关资金的资助 下开展关于s t e p 的研究，如浙江大学、北京航天航空大学、哈尔滨工程大 学等，开发了具有自主知识产权的s t e p 前后处理器，如浙江大学的g s c a d 具有s t e p a p 2 0 3 适配器功能，但他们研究的是产品的几何数据交换领域如 a p 2 0 3 ，a p 2 2 4 等应用协议，与s t e p o n c 数据模型有很大的差别。 自2 1 世纪以来我国就逐渐有高校和研究所开始从事s t e p - n c 的研究和 相关软件系统的开发，主要研究单位有山东大学，哈尔滨工程大学，清华大 学，哈尔滨工业大学和合肥工业大学等。山东大学张承瑞教授、刘日良教授 等人基于美国s t e p t o o l s 公司的s t - d e v e l o p e r 软件平台，研究了s t e p - n c 数控程序的信息提取方法，以及基于s t e p - n c 控制器的在线规划问题，提出 按工步级规划一特征级规划一零件级规划的在线规划模式，并分别给出了工 步级铣削用量的优化模型、特征级工艺路线的筛选方法以及基于启发式的工 步排序方、法【n 1 3 1 。哈尔滨工程大学张家泰教授、薛开教授等人在u g 平台上， 通过二次开发研究了s t e p - n c 数控程序的生成方法4 ”1 。清华大学陈凯云、 叶佩清等人研究了s t e p - n c 数控系统的组成，提出s o f t 型开发式s t e p - n c 控制器的概念及实现原删1 6 ”刀。哈尔滨工业大学荆立萍以s t e p n c 解释器的 研究为目标，系统地分析相关技术的实现，包括s t e p - n c 文件的读取、信息 的提取、特征识别、加工规划、s t e p - n c 程序编译等引。合肥工业大学桂贵 生等人论述了适合新型数控编程数据接口s t e p - n c 的数控系统应具有的功 能，采用m i c r o s t a t i o nm o d e l e r 作为软件平台，m d l ( m i c r o s t a t i o nd e v e l o p m e n t l a n g u a g e ) 作为开发工具，建立了高速加工数控编程系统软件原型系统，实现 了高速加工数控程序的生成9 2 0 1 。总的来说，国内关于s t e p - n c 的研究还刚 刚起步，同时由于资金、资源的限制，跟国外还有很大的差距。 1 2 2 特征识别技术的研究现状 特征识别的研究工作最早开始于2 0 世纪7 0 年代中期的英国剑桥大学 c a d 中心，该和心的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，并基于此类特征进 行零件的刀具轨迹计算。该中心的另一位研究人员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，从而奠定了基于边界表示进行特征 6 哈尔滨 ：程大学硕士学何论文 识别的基础。从此以后新的特征识别的算法不断出现。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，另一类是基于体分解的特征识 别方法。特征识别可以分为自动识别和人工识别两种方式1 2 1 1 。 1 特征识别的方法 到目前为止，特征识别方法的种类已经很多，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吲，该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。 高曙明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，通过添加虚链和相关面进行特征延拓【2 3 1 。 周广平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1 。 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。 他们所指的普通特征耳i j - t l 、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口引。 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。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 环即特征口q 。此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 ，l b h l e e 和a y c n e e 提出了一种从数据交换模型 ( s t e p i g e s ) 中识别出设计特征和加工特征的方法口7 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 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 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 一2 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口引， 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， 国内外已经开发出了一些自动特征识别系统瞄。 f e a t u r e w o r k s 是s 0 1 i d w r 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。 对基于s t e p 的加工特征识别及利用特征识别的结果生成s t e p - n c 文件 以进行工艺规划的过程中，自动特征识别系统起了不可替代的作用。 s t e p t o o l s 公司的s t - p l a n 是一个能从设计数据中获得数控代码以进行工艺 规划的工具，它以s t e p 格式的模型文件为输入，经过处理，输出s t e p n c 代码，可以定义公差、加工特征和进行工艺规划，能交互进行加工特征的定 义，对特征的有效性进行检查。但是它仅适用于一些简单的零件，对复杂的 零件处理起来则比较耗时。 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 er e c o g n i t i o n 模块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、型腔等特征。但是对于拥 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 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 助于人工干预，通过交互才可以识别。 如上所述的特征识别方法具有一定的实用性，但存在最主要问题是相交 特征的识别。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。 1 3 本文的主要研究内容 本文的最终结果是生成a p 2 3 8 文件。针对a p 2 3 8 协议的生成，研究内 容主要分为如下几个模块： ( 1 ) 对s t e p 标准及s t e p - n c 数控标准进行了详细的分析与研究，研究 了e x p r e s s 描述语言，分析了s t e p - n c 的文件结构，研究了应用参考模型 i s 0 1 4 6 4 9 与应用解释模型a p 2 3 8 的本质区别，以及实现的难易程度。 ( 2 ) 在s t - d e v e l o p e r l 0 0 的环境下，以v c + + 6 0 为开发工具，使用r o s e 库函数，将e x p r e s s 语言描述的a p 一2 0 3 文件信息转换为s t e p 设计对象和 c + + 类，按a p 2 0 3 数据模型的几何信息属性的层次结构，逐次提取几何信息， 其提取结果可作为特征识别的直接输入信息。 ( 3 ) 采用基于痕迹的几何推理方法对s t e p 文件进行特征识别，该部分是 本文的重点。特征痕迹是一个特征实例在零件c a d 模型中的存留信息。特 征识别之前寻找每一特征在零件c a d 模型中的存留痕迹，进行特征识别过 程分为生成一测试一修复三个阶段。本文主要识别出三种类型的加工特征： 槽、孔、型腔。 ( 4 ) 基于特征识别的毛坯的自动生成。首先要“添补 局部修饰特征，对 不能预制出的特征也进行“添补得到中间件，最后对可预制出的特征添加 适当的加工余量，得到零件的毛坯。毛坯自动生成后采用宏观的工艺规划方 式进行s t e p - n c 中的工艺信息进行规划。 ( 5 ) 采用基于r o s e 类库的两种数据段的生成方法，即早联编方式和晚联 编方式进行a p 2 3 8 文件的生成。先把e x p r e s s 模式编译成c + + 类，用这些 类创建应用程序，操作e x p r e s s 定义的数据，把几何、特征、毛坯、工艺 信息映射到a p 2 3 8 文件中。 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章s t e p 数据模型及几何信息提取 s t e p - n c 与s t e p 使用相同的方法论，所以要成功地实现s t e p - n c ，就 必须深刻理解s t e p 的方法论。应用协议a p 2 3 8 是s t e p - n c 的技术定义， 它的几何定义与s t e p a p 2 0 3 相同，因此对s t e p a p 2 0 3 进行几何信息的提 取即为a p 2 3 8 文件的生成提供基础。 2 1 s t e p 的方法论 2 1 1e x p r e s s 描述语言 s t e p 的目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述整个 生命周期中的产品数据，同时保持数据的一致性和完整性。s t e p 引入形式 化数据规范语言- - e x p r e s s 语言，为产品信息的描述提供了标准化描述机 制，保证了数据描述的精度和一致性。e x p r e s s 描述的是产品数据的概念模 式，用于s t e p 中逻辑层的描述。 e x p r e s s 语言的制定吸收了许多语言的功能，特别是a d a 、a l g o l 、c c 抖 和e u l e r 等。为了更恰当准确地表达信息模型，e x p r e s s 还增加了一些新的 功能。作为一种形式化的信息描述语言，e x p r e s s 不同于传统的程序设计语 言，它没有控制流，不包括输入输出、信息处理、异常处理等语言元素。 e x p r e s s 是一种面向对象的建模语言，应用数据以模式( s c h e m a ) 的形式 被描述。每种信息模型由若干模式组成，模式内又分类型说明、实体、规则 和函数与过程等，其中实体由属性( a t t r i b u t e ) 和约束( c o n s t r a i n t ) 描述组成。 e x p r e s s 语言的重点是实体，实体由数据元素、约束与其它性质组成，并由 它们定义产品数据表示的正确格式。这些实体由属性定义而成，属性可以是 简单数据类型( 如整型) ，也可以是其它实体类型。实体中有约束，还有父类 与子类的说明。 e x p r e s s 语言的数据类型有五种： 简单数据类型包括数( n u m b e r ) 、实数( r e a l ) 、整数( i n t e g e r ) 、逻辑值 哈尔滨下稃人学硕十学位论文 ( 1 0 9 i c a l ) 、布尔( b o o l e a n ) 、字符串( s t r i n g s ) 和二进制( b i n a r y ) 共七种类型； 聚合数据类型包括数组( a r r a y ) 、链表( l i s t ) 、包( b a g ) 、集合( s e t ) 四种数据类型： 命名数据类型包括实体类型( e n t i t y ) 和定义类型( t y p e ) ； 构造数据类型包括枚举类型( e n u m e r a t i o n ) 和选择类型( s e l e c t ) ； 广义数据类型由关键字g e n e r a l a g 、g r e g a t e 说明，只用于函 数或过程的参数类型说明，在实体类型中不应用。 e x p r e s s 语言的强大之处主要体现在它的面向对象的继承机制， e x p r e s s 语言在继承关系上引入了三个关系算子：0 n e o f 、a n d 、a n d o r 。 o n e o f 算子表示被运算的实体之间是互斥的关系，这些实体不能同 时实例化。如s t e p n c 中的二轴半制造特征1 ，它只能是加工特征、复制特 征、组合特征中的一个，而不能既是其中的一种特征，又是另一种特征。 a n d 算子表示被运算的实体在应用的过程中有可能结合在一起( 它 们共同的父类的属性只保持一份) ，只需生成一个新的公共实体。 a n d o r 算子表示被运算的实体之间有自由结合的机会( 它们的共同 的父类的属性只保持一份) ，从而可能生成一系列新的实体。 子类是超类实体的具体化，它以属性和域规则的形式包含了其超类的所 有信息，子类关系的这种特点称为继承。子类实体能够增加新的信息并且能 够精炼所继承的信息( 如通过增加额外的约束) 。 e x p r e s s 语言中的这三个继承算子可以任意组合、嵌套使用，以非常简 洁的方式描述对象之间非常复杂的关系。e x p r e s s 中默认的算子是a n d o r 算子。 2 1 2 集成资源 集成资源是s t e p 推荐使用的概念模型，是s t e p 的核心部分。它属于 s t e p 体系结构中的逻辑层，相当于概念模式，它提供了产品信息的表达。 集成资源支持不同产品应用领域的共同的需求，定义了可重用的组件，在应 用协议中被组合和精炼以满足不同领域的特定的需求。 在s t e p 标准中，提供了描述几何实体集成资源分为：几何、拓扑和几 何形状模型三部分。几何部分主要是曲线、曲面描述，可分为点( p o i n t ) 、线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( c u r v e ) 、面( s u r f a c e ) 三大类，另外还有定义曲线、曲面的几何坐标系统。拓 扑部分表示几何元素间的连接关系，主要用于基于b r e p 表达的实体造型。 它的主要内容包括顶点( v e r t e x ) 、棱边( e d g e ) 、路径( p a t h ) 、环( l o o p ) 、面( f a c e ) 和壳( s h e l l ) 等。许多拓扑实体有一个几何属性，这一属性使它们与相应的几 何数据联系在一起，从而保证了实体能以b r e p 来表达。几何形状模型是建 立在几何与拓扑实体之上的信息模型，用来表示一个产品数据的任意几何元 素的形状描述，包括实体模型、面模型及线框模型等，其中包含信息最复杂 的是实体模型。 边界表示法是最常用的一种实体模型表示方法，基于边界表示法的s t e p 中性文件描述的实体造型信息的记录信息包括：几何信息、拓扑信息和实体 几何模型信息三部分，且建立了有效的数据结构，把体、面、边( 环) 、顶点 的信息记录分层，并建立了层与层的关系。显然，对于采用基于b r e p 表示 方式描述几何实体的s t e p 中性文件，可以方便地读取并提取来自中性文件 中的基于b r e p 的几何拓扑和几何信息模型，并最终将其转换成目标系统数 据格式。 以图2 1 所示的e x p r e s sg 图为例分析s t e p 的零件的描叙方法。 c l o s es h e l l 是一个弧连通面集，这些面由a d v a n c e df a c e 表达。a d v a n c e df a c e 及其子类f a c es u r f a c e 是由f a c eb o u n d 确定其边界的二维拓扑实体，相应的 几何实体是由一个或多个l o o p 确定边界的s u r f a c e 。如果f a c e 有超过一个 f a c eb o u n d ，则必有一个f a c eb o u n d 是f a c eo u t e rb o u n d ，用于定义f a c e 的 外边界。同时a d v a n c e df a c e 之间仅共享一条边。构成实体的每个拓扑面与 其几何属性的关系通过f a c es u r f a c e 或a d v a n c e df a c e 的属性s u r f a c e 建立。 l o o p 包括v e r t e x _ l o o p 、e d g e _ l o o p 和p o l y _ l o o p 三个子类。v e r t e x _ l o o p 对应 于面退化为点的情况，如圆锥面的顶点；e d g e 由首尾相连的 构成的封闭环；由定义在一