（机械制造及其自动化专业论文）基于零件三维特征模型的自动工艺规划研究.pdf

基于零件三维特征模型的自动工艺规划研究捅要c a p p 作为c a d 与c a m 之间的桥梁，是实现c a d c 圳系统集成的关键。但是，目前大多数c a d c a m 系统在工艺规划部分都处理得不够完善。这类系统大都以包容设计模型的简单毛坯( 方块体或拉伸体) 为基础，利用制造特征识别技术，直接在产品模型上获取一定复杂程度的切削区域及其加工工艺，进而生成n c 加工刀位轨迹。显然，这种方式与自动化所要求的目标仍然有一定差距，主要表现在毛坯过于简单，工艺过程的智能决策还不够理想，还不能反映真实制造过程，如果按照此毛坯加工，必将造成刀具轨迹冗余、加工仿真失真、加工时间延长、材料严重浪费等现象。针对上述现状，本文以基于特征的设计技术和特征识别方法为主要的研究手段，对零件三维特征模型到毛坯模型的转换技术作了进一步研究，完善了简单特征的识别与补偿，并对组合复杂特征的识别进行了研究与分析。同时，以自动生成的毛坯模型为基础，通过逆向遍历毛坯模型的加工特征补偿设计树，获取零件总体信息，平面、柱面、孔、槽等加工特征的工艺信息参数。完善了以加工设备、刀具和工艺知识为主要内容的制造资源库。通过定位基准的判定，制造特征加工链的推理与决策，加工元的分解，工序工步排序，加工设备选择、刀具参数与切削用量的确定等步骤，基本实现了基于零件三维特征模型的自动工艺规划系统。本文以设计模型到毛坯模型，再到制造模型并自动生成相应的工艺规划为主要研究路线，利用v i s u a lb a s i c 6 0 以及二次开发技术完成了基于特征参数化造型软件s o l i d w o r k s 的原型系统。本文对c a d c a p p c a m 的集成具有重要意义。关键词：特征识别，毛坯模型，加工特征，自动工艺规划t i t i e ：a u t o m a t i cg a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp l a n n i n gb a s e do n3 df e a t u r em o d e io fp a r ta u t h o r ：c h e ns h u _ xia ot u t o r ：w a n gz o n g _ y a na b s t r a c tc a p p ，a st h eb r i d g eb e t w e e nc a da n dc a m ，i sa ni m p o r t a n tp a r ti nc a d c a ms y s t e m s h o w e v e r , i nn o w a d a y s ，m o s tc a d c a ms y s t e m sa r ev e r ys i m p l ew h e ns o l v i n gt h ep r o c e s sp l a n n i n g b a s e d ( 3 1 1t h eb l a n km o d e lw h i c hi ss e l e c t e df r o mv a r i o u ss i z e so fs t a n d a r dr e c t a n g u l a rb a r s ，t h e yu t i l i z et h et e c h n o l o g yo fm a c h i n i n gf e a t u r er e c o g n i t i o n ；t h e ya l s oe x t r a c tt h ec u t t i n ga r e a sa n dt h e i rm a c h i n i n gp r o c e s so nt h ep r o d u c tm o d e l sd i r e c t l y a n dt h e nt h en ct o o lc u t t i n gl o c u si sf o r m e d o b v i o u s l y ，t h e r ei sal o n gw a yf o rt h i sm e t h o dt or e a c hi t sa i m t h e i rd i s a d v a n t a g e sl o c a t e dt h a tt h eb l a n km o d e l sa r et o os i m p l ea n dt h ed e c i s i o no fp r o c e s sp r o c e d u r ei sn o tp e r f e c te n o u g h t h er e a lm a c h i n i n gp r o c e d u r e sc a n n o tb ee m b o d i e d w h e nm a c h i n i n ga f t e rs u c hk i n di o ws t o c k s ，b a dp h e n o m e n am u s tc o m ei n t ob e i n g u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e ，t h i sp a p e rm a d ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ec o n v e r s et e c h n o l o g yf r o mc o m p o n e n t3 df e a t u r em o d e l st ob l a n km o d e l s , m a d eg r e a tp r o g r e s si nt h er e c o g n i t i o na n do f f s e to fs i m p l ef e a t u r e s ，a n da n a l y z e da l ls i t u a t i o n so ft h ec o m p l e xf e a t u r er e c o g n i t i o n s a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h eb l a n km o d e lw h i c hf u n n e da u t o m a t i c a l l yb yt h es y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o ng c n e r m e dt h ef o r 舀n gb l a n km o d e lf o rm a c h i n i n g , w h i c hr e p r e s e n tt h ec a s t i n go u t p u ti ns u f f i c i e n td e t a i lt os u p p o r tm a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n g t h e na u t o m a t i ca c h i e v e dt h et e c h n i c a lc o n s t r a i n tp a r a m e t e r so fs u r f a c em a c h i n i n gf c a t u r e sa n dv o l u m e t r i cm a c h i n i n gf e a t u r e sf o l l o w i n gt h eb l a n km o d e l i m p l e m e n t e dt h em a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n gb a s e do nm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sd a t u b a s ea n dt e c h n i c a lk n o w l e d g ed a t a b a s e t h er e s e a r c hr o u t eo ft h i sd i s s e r t a t i o ns t a r t e df r o mt h ed e s i g nm o d e l ，t r a n s i tt ot h eb l a n km o d e la n dr e a c h e dt h em a c h i n i n gm o d e lw i t hp r o g r e s sp l a n n i n g w i t ht h ec o m p i l es o f t w a r ev ba n dt h es e c o n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y ，ap r o t o t y p es y s t e mi sc o m p l e t e db a s e d0 1 1t h em o d e l i n gs o f t w a r es o l i d w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o np l a y sag r e a tr o l ei nt h ei n t e g r i t yo fc a d ，c a p pa n dc a m k e y w o r d s ：f e a t u r er e c o g n i t i o n ，b l a n km o d e l ，m a c h i n i n gf e a t u r e ，a u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n g原创性声明本人郑重声明。所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发裹或撰写过的科研成果对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人承担论文作者签名。：匦型堕日期；2 翌z ! ：z关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括t学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复嗣手段复翻并保存学位论文l 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复翩赠送和交换学位论文l 学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 签名。：煎筮堕日期；盟：! ：望日期。望z ! ：望中北大学学位论文1 引言1 1c a d c d d ) p c a m 的国内外发展现状c a d 、c a m 技术各自独立发展于2 0 世纪5 0 年代末，而c a p p 系统的发展开始于7 0年代。虽然在过去的二十年中，c a d 、c a p p 和c a m 单元技术作为c i m s 系统的关键组成部分得到了快速的发展，但由于这些系统是从生产过程的不同侧面分别发展起来的，实质上只是独立的自动化“孤岛”，各自的信息处理过程都存在着特殊性，彼此间的模型定义、实现手段和存取方法均不相同，信息难以交换，资源不能共享“1 c a d c a p p c a m 的集成是保证各分散系统之问数据和信息自动传递、转换和共享的关键，也是实现更大范围系统集成的重要基础。因此，一直以来，c a d c a p p c 删集成技术的研究成为一个十分突出的问题，引起各工业化国家企业界和学术界的高度重视。集成化的c a d c a p p c 枷系统在c i h i s 系统中起着重要的作用，是c i m s 研究的关键技术。1 1 1c a d c a p p c a m 集成方式的发展c a d c a p p c a m 集成方式的发展经历了3 个阶段：第一阶段：通过专用数据格式文件来交换产品信息，属于最低层次的集成。对同一应用环境，可通过子系统间的相互协调来实现文件层次上的系统互联；而对不同的应用环境，需要开发子系统与专用数据文件之问的转换接口，进行前置或后置处理。这种集成方式的特点是：数据交换原理简单，数据转换接口程序容易实现，但无法实现广泛的数据共享，数据的安全性和可维护性较差。因而只适用于小范围、简单类型零件的系统集成2 一。第二阶段：随着对产品数据交换的深入研究，先后出现了许多相关的数据交换标准。如7 0 年代末，美国c a m - i 开始研究初始化图形交换标准( i g e s ) ，解决二维图中的信息共享问题。近2 0 年，各国相继制订了许多相应的数据交换标准，如c a d * i 接口、产品定义数据接口( p d d i ) 、产品数据交换规范( p d e s ) 、数据交换规范( s e t ) 、产品模型数据交换标准( s t e p ) 等，其中s t e p 标准作为国际标准受到了广泛的重视“1 。因而中北大学学位论文c a d c a p p c a m 集成也大多采用通过中性文件( s t e p 文件) 来交换产品信息，这一标准格式与系统无关，并通过通用的数据库管理系统来对s t e p 中性文件进行统一管理。各应用子系统通过开发前置和后置数据交换接口来解决系统问数据的输入和输出问题。这种集成方式的特点是可以在较大范围内实现数据共享和数据维护，但由于子系统和数据库之间必须通过各种接口进行数据交换，不仅运行效率低，也影响了数据的可靠性和一致性，并很难避免数据冗余的产生。目前许多国内外学者都基于s t e p 标准研究c a d c a m的集成。第三阶段：以工程数据库为核心实现系统集成是目前最高水平的数据共享和集成方式，各子系统之间通过用户接口按工程数据库要求直接存取数据或操作数据库。这种方式不仅加快了集成系统的运行速度，而且也提高了系统的集成度。采用工程数据库及其管理系统，既可实现各子系统之间的直接信息交换，也可真正保证集成系统中数据的一致性、准确性、及时性和共享性。目前，这种方式的集成技术是c a d c a p p c a h l 集成系统的研究熟点之一眇2 。1 1 2 目前c a d c a p p 集成存在的问题目前c a d c a p p 系统的集成水平仍然比较低，很难支持零件设计、制造及检验等各项活动。多数特征造型系统并未与c a p p 和n c 进行有效的集成，而且只适用于简单的常规机械零件。从集成化的观点来看c d c a p p 的集成还存在以下问题“4 ：( 1 ) 在特征造型方面对用户不加工艺性约束和指导，易导致用户随意性设计，以至于可能构造出超越现有制造能力，或根本无法制造出的“零件”。( 2 ) 用c s g 树体素表示形状特征，与c a p p 和n c 加工中以表面及其关系表示制造特征的方法不匹配；同时c s g 树也不能反映特征的邻接关系和制造概念。( 3 ) c a p p 从c a d 模型中提取信息的时候比较注意单特征信息的提取，通常会遗漏一些隐含信息，特别是对特征之间关系的描述。( 4 ) 在现有的三维特征造型系统中，表面粗糙度、形位公差符号仅仅标注在零件特征的表面上，并没有真正建立这些表面质量特性与特征面的内在联系。特别是出现特征交互时，内在联系就更难以判定。( 5 ) 由于特征视角的多态性以及特征识别与映射技术的不成熟，从而导致c a p p 系统2中北大学学位论文不能直接从c a d 系统中获取所需的全部信息。1 2 零件自动工艺规划的研究现状传统的工艺设计，先绘出零件设计图，以手工方式由零件设计图导出毛坯图，再迸行工艺规划，最终加工形成符合设计的零件。由于c a d ，c a p p ，c a m 是独立发展起来的，具有不同的数据表示方法和数据结构，特别是对零件制造信息的表示上存在差异，因此要实现系统间的集成，需要人工进行数据的读取、组织和重新输入。这会造成信息的中斯甚至引起信息的丢失和出错。自动特征识别作为c a d c a p p 之间的智能接口，能够从零件的三维特征模型中抽取出具有实际工程意义的特征信息，对实现c a d c a p p c a m 集成具有重要意义。c i m s 的发展趋势是集成化、智能化。随着制造业信息化建设的不断深入，与设计、制造相关的c a d 、c a m 系统已经向集成化、智能化方向发展。但作为产品设计与生产联系纽带的工艺规划，由于其设计过程具有多层次、多任务、多约束的特点，发展却大为滞后，成为阻碍企业信息化建设的瓶颈。国外商品化软件系统注重制造过程规划的实用性，但对于具体实现细节都作为商业秘密封锁起来，文献中鲜有实质性的报道。国内对工艺过程规划的研究已经从替代工艺人员完成事务性工作发展为交互式或自动化的专家决策系统，在具体实现中大都基于几何数据、针对某类零件。其中最主要的原因是不能自动地从设计信息中获取加工信息并完成工艺过程规划。要改变这种现状，必须统一特征设计过程和工程语义并与产品模型集成于一体。目前基于特征模型的工艺规划研究普遍认为零件是由按最小凸闭包或最小矩形包原则确定的毛坯经机加工而成的“”1 。实际上大多零件是通过主要的铸造、锻造工艺获得主要外形，通过机加工来形成满足特定精度的细节特征外形。毛坯的几何形状与生成方式对制造过程规划和n c 计算有显著影响。铸造毛坯模型与零件模型密切相关，零件设计完成后，哪些部分通过铸造，哪些部分采用机加工等其它工艺完成就被确定下来，加工特征和工艺规程都取决于最初的毛坯模型! ”。工艺过程设计通常从形状较规则的轴类或箱体类零件入手，回转体、箱体的特征类型比较定型，所以国内外很多学者对回转体类零件的制造特征进行识别与提取，实现了基于制造特征的c a p p 决策，并达到了较高的实用程度。3中北大学学位论文密歇根大学机械工程与应用力学系的d y i ph o i ，d e b a s i s hd u r r a 研究了基于轴对称回转体零件的用户定制制造特征的提取算法，适用于铣、车削加工，并且可作为生成工艺规划的c a p p 工具 i s o 新加坡大学的s k o n g ，a y c n e e ，w d l i 等对c a d c a p p c a i中特征间数据交换进行了全面讨论，并研究了从基于特征的设计模型中提取制造特征的算法，对凸台特征采用了在设计基体上补特征的办法，然后将补特征作为制造特征再进行减操作运算“”。近年来，国内西北工业大学、南京航空航天大学、哈尔滨理工大学、南京理工大学以及其他一些科研院所也开展了一些特征技术识另o 与自动工艺规划的研究，并开发了一些c a p p 系统。西北工业大学机电学院杜娟博士采用产品模型数据交换标准和数据接口标准中性文件形式描述产品信息，c a d c a p p c a m 各系统之间通过中性文件实现信息的交换和共享，深入研究了工艺信息建模、s t e p a p 2 0 3 文件到a p 2 2 4 文件的转换及自动特征识别等关键集成技术咖1 。哈尔滨理工大学计算机与控制学院孙立镌教授在特征的扩展型面邻接图表达方法基础上，运用神经网络识别技术，提出并实现了相交特征的自识别技术，从而为相交特征识别提供了一种新的有效方法胁。南京航空航天大学机电学院刘长毅教授应用基于属性邻接图的方法在a c i s 平台上对轴类零件的制造特征进行识别，有效地识别出该类零件的主特征和常见的辅助特征，并利用a c i s 提供的类库提取模型底层的几何参数，从而得到定义各项特征所需的几何尺寸信息。最后以x m l 中性文件的形式输出识别结果，为后续进行的工艺自动生成提供初始数据蚴。常德师范学院肖伟跃教授按照方位特征的概念研究了箱体零件在数控加工中的工艺规程主干生成、方法州。国内外大多学者对自动工艺规划的对象为大多为箱体类如图1 1 ，零件的毛坯多为包容零件的长方体( 设计基体) ，通过布尔减操作( 如：腔槽、点位加工) 来获得零件模型。4中北大学学位论文图1 1 箱体类零件中北大学c a d c a m 研究室打破传统方法，采用基于设计语义和加工工程语义的特征识别方法研究了铸造类典型零件如图1 2 的从零件设计模型到毛坯模型，再到制造模型的自动转换技术及工艺规划酬。在王宗彦教授的指导下，课题组吴淑芳和秦慧斌两位老师做了大量的研究和准备工作，发表了相关论文十余篇，取得了显著的成绩。图1 2 典型铸造类零件：支座、阀盖、齿轮泵泵体1 3 论文研究的意义本文的研究重点是在实验室现有的基础上进一步研究如何根据铸造工艺知识通过增加切除体积的毛坯模型求解算法，以及还原为设计模型的各个切除体积的合并、排序，并生成铣削加工工艺规划的合理算法。本论文研究的重要意义主要在于以下四个方面：( 1 ) 目前大部分加工仿真软件以最大包络体为毛坯模型进行加工的方式存在弊端，自动生成零件的毛坯模型的转换技术补充了仿真软件的不足；( 2 ) 以特征识别技术为基础，以加工过程的逆序方式生成的零件毛坯模型，降低了特征识别的难度，显著提高了自动化程度；( 3 ) 在零件模型的交互特征识别方面进行了分类探讨，为后续的实际应用提供了理论基础；( 4 ) 基于零件三维特5中北大学学位论文征模型生成的毛坯模型为后续直接使用m a s t e r c a m 等加工仿真软件提供了更为直观，经济的加工方式，模拟过程更贴近真实的零件加工过程。1 4 论文的主要研究内容( 1 ) 设计模型到毛坯模型的求解理论研究该理论以铸造零件为研究对象，以数控钻铣加工为背景，依据铸造工艺、设计模型的工艺信息，生产批量等要素，通过搜寻特征模型的加工表面特征( 如粗糙度等) ，确定补偿表面，然后增加切除体积生成毛坯模型，实现设计模型到毛坯模型的求解。按照特征树描述，该过程是在原设计模型树上增加特征的过程。( 2 ) 毛坯模型还原到设计模型的理论研究根据设计模型到毛坯模型的求解过程和提取的信息，按照布尔减操作，将毛坯模型还原到设计模型，该过程是生成毛坯模型的逆过程，将毛坯模型还原到设计模型的过程记录就是零件制造过程的自动生成。按照特征树描述，该过程是将生成毛坯模型增加的特征树转换为切除特征的制造特征树。( 3 ) 工艺规划自动生成方法研究通过对切除特征块的分解、合并、排序，并经过制造加工过程的模糊推理等决策手段，确定各个切除特征的最佳区域，包括确定切除特征合理有效的边界和方向，并对毛坯上去除材料的区域进行加工规划。本文研究对象主要以数控钻铣削加工为主的零件。1 5 论文的体系结构本论文按章节组织如下：第一章；引言第二章：特征技术本章着重探讨了特征技术的起源和发展，基于特征的设计技术以及目前最常用的几种特征识别方法。第三章：理论基础本章着重阐述了基于零件三维特征模型的自动工艺规划的基本原理，即从设计模型6中北大学学位论文一毛坯模型制造模型的理论依据，并介绍了该转换技术的特点。第四章：零件设计模型向毛坯模型的转换技术本章着重论述了零件设计模型向毛坯模型转换的原理，基于特征识别的毛坯模型的自动生成技术以及讨论了相交复杂特征的识别与信息提取。第五章；基于毛坯模型的自动工艺规划本章着重论述了工艺信息模型的组成，工艺信息参数的获取，制造资源库的创建，基于特征设计语义和加工语义的加工特征识别以及制造特征加工链的模糊推理与决策技术。第六章：原型系统开发与验证本章着重阐述了创建原型系统过程中用到的典型s o l i d w o r k sa p i 应用函数、插件创建技术、菜单加载与卸载技术以及原型系统的验证。第七章：结论与展望本章总结了基于零件三维特征模型的自动工艺规划研究的进展，取得的成绩，不足之处以及以后的改进方向。中北大学学位论文2 特征技术特征技术是c a d c a m 技术发展中的一个新里程碑，它是在c a d c a 4 技术的发展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。本章主要从特征技术的起源，基于特征的设计技术以及特征识别方法等方面讨论了特征技术的发展与应用。2 1 特征技术的起源传统的三维c a d 系统以实体模型表示产品，仅包含产品的几何和拓扑信息。上世纪七十年代中期，人们就开始研究从实体模型中提取数控加工程序所需的加工信息。在c a d与c a p p 集成的研究过程中，人们提出了特征的概念。特征一词用于计算机图形学，最早是1 9 7 8 年麻省理工学院g o s s a r d 教授指导的一篇学士论文“c a d 中基于特征的零件表示”和1 9 7 9 年的另一篇论文“轴类零件的c a d 特征描述系统”。k y p r i a n o u 第一个在他的博士论文“计算机辅助设计中的形状分类”提出了特征识别的思想。随后在八十年代，有关特征识别的研究成为特征技术的研究热点，大量有关特征识别的研究成果发表出来。1 9 8 8 年末国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n )颁布的产品数据交换规范产品模型数据交换标准( p d e s s t e p ) 草案，将形状、公差和材料特征列为产品信息模型的构成要素。近十年来，特征技术研究不断深入并在实际生产设计中得到了广泛的应用。特征造型的兴起并非偶然，有两个因素直接导致了它的出现和应用。第一，传统的实体造型技术建立在几何表示和操作上，低层次、无工程含义的集合操作同设计人员高层的设计概念与方法产生矛盾；第二，近十年来，计算机集成制造系统得到了长足的发展，这就要求传统的c a d 系统除了满足自身信息完备性之外，还必须为其它系统，如c a p p ，c a m 系统等提供构成完整零部件模型所必须的其它信息，尤其非几何信息，如材料、公差等o ”。8中北大学学位论文2 2 基于特征的设计技术在基于特征设计系统f b d s ( f e a t u r eb a s e dd e s i g ns y s t e m ) 中，特征的基本描述存储在特征库中，设计者通过指定尺寸位置参数和各种属性来初始化特征实例。特征一般通过布尔操作来插入到零件模型中。f b d s 可以粗略地分为3 类：用制造特征来设计、用形状特征来设计、特征建模与实体建模相结合铷。( 1 ) 用制造特征来设计设计者用与特定制造过程相关的特征集合来定义零件。就加工而言，设计者可用的特征局限在对应于某一切削过程的负特征。这个方法的优势是零件模型中所包含的加工特征是直接可用的，工艺规划时无需进行特征识别。但这在工程实践中存在严重的缺陷：一是这个方法在工艺决策、刀具路径产生时，工序、工步的选择和刀具路径的产生主要是基于对局部特征的观察，而不是基于零部件整体考虑；二是该方法与特征模型的多重解释相矛盾，通常一个零件的加工特征解释是不唯一的。基于加工特征设计方法的一个重要前提是设计者需明确指定出最适合加工出该零件的特征集合，这其实是不现实的，即使是最简单零件也可能存在着多种加工方式。从产品设计过程分析，这个方法很难应用于设计实践。设计者最关心的是零件的结构形状和所能满足的功能，而不是如何制造。零件的制造方法一般取决于下游活动，如工艺规划、n c 指令编程，而不是设计。“用制造特征来设计”方法假定设计者有丰富的制造知识，迫使他们将设计特征转化为制造特征；其次，制造方法在不断更新、进步，强制零件的制造方式必须是设计者所熟悉的加工手段也是不可取的。( 2 ) 用形状特征来设计从理想上说，一个设计应该用真正功能意义的特征来说明，通常包括用正、负两种特征。目前大多数商品化c a d c a m 软件都支持使用形状特征来构建模型。然而r 使用这类系统设计出的模型仍需要进行大量的特征识别，经过识别后的特征模型才能直接被下游的产品开发过程所理解。( 3 ) 特征建模与实体建模相结合最柔性的设计方法是允许设计者在需要时以方便的形式来描述产品。目前大型9中北大学学位论文c a d c a l 系统几乎都采用特征建模与实体建模相结合的方式，如u g ，p r o e ，s o l i d w o r k s等。这种方式在模型构建上的优势是显而易见的。但下游产品开发过程则需根据不同的应用需求，通过特征识别来理解和解释设计模型。当前对于基于特征的设计技术，学术界和业界普遍共识是：设计特征和制造特征是不同的：设计应该根据设计特征或实体建模操作来进行；零件模型( 可以是设计模型、实体模型，或二者的结合体) 应该被转换为对应应用域的特征模型。2 3 几种特征识别方法特征识别主要是指切削加工域自动特征识别技术自动特征识别技术的研究开始于上世纪7 0 年代中期的英国剑桥大学c a d 中心。实体模型一般分为基于边界表示的( b - r e p )和基于构造实体几何( c s g ) 两种。由于8 - r e p 可唯一、无二义地对实体模型进行定义和描述，因此目前对实体模型的特征识别研究基本上都是基于b - r e p 模型的。目前国内外主流的特征识别方法有：基于图的匹配，凸包分解，基于单元分解和基于痕迹推理等几种。( 1 ) 基于图的匹配基于图的特征识别方法是研究最多的特征识别法之一阳。这个方法最早由j o s h i 和c h a n g 提出，目前一些商品化工艺设计软件集成了这种方法，如t e c n o m a t i x 的p a r t 软件。在这个方法中，零件的b - r e p 模型被表示为图的数据结构，并通过它来搜索特定的特征模式，图的节点表示面，弧表示边。还可以对图附加信息，例如，边的凹凸性、面的方向等。被搜索基本特征( 特征模板) 也用图表示出来。然后使用子图的同构技术来搜索与特征模板匹配的子图。如图2 1 中( f 7 ，f 8 ，f 9 ) 与键槽模板相匹配。1 0中北大学学位论文岔一ff 1( a ) 零件及其图表示( b ) 缺失模式( c ) 无效键槽图2 1 圈的模式匹配从实现技术上分析，由于子图的同构算法是n p 完备( n p - c o m p l e t e ) 问题，在最坏情况下，其计算复杂度可能里指数级，而且图形匹配法很难用于识别相交特征，如图2 1 ( b )中，所需要的键槽包括侧面f 1 ，f 3 和底面f 2 。然而，当面f l 和f 2 之间的弧不存在时，模式匹配算法失效。复杂零件中特征相交是无法避免的，而且也很难枚举出所有可能的相交关系，当特征相交时，特征的面可能完全丢失，或部分丢失，甚至被分割为几个区域，使得特征的几何和拓扑信息发生改变为了解决这个问题，研究者进行了大量的研究。如m a r e f a t 和k a s h y a p 注意到当特征发生相交时，零件图中特征面节点之间的弧可能会消失，因而提出将丢失的弧在零件图中进行恢复，收集丢失弧的所有可能备选，运用d e m p s t e r - s h a f e r 理论，基于零件几何信息对备选者进行摊序洲。图2 1 ( b ) 中，恢复f l 和f 2 之问的连接弧，因此可识别出侧面f 1 和f 3 和底面f 2 。然而，这个方法并不能保证丢失弧的确定集都被识别出。当增加的弧少于所需时，仍存在无法识别的特征；当增加的弧过多时，可能出现伪特征。从特征的可制造性分析来看，图匹配算法的另一个缺点是很难保证所识别出特征的可加工性。当特征仅彼表示为面特征，即面集时，这一问题就很可能出现。如图2 1 ( c )所示，即使图中的3 个面与键槽的模板相匹配，但识别出的特征仍不能作为键槽来加工，因为该特征刀具不可访问。特征的非体积定义在加工应用中可能出现致命的问题。图模式匹配方法在处理一个类的变异特征实例时也存在很大的困难。( 2 ) 凸包分解1 1中北大学学位论文这个方法最早由w o o 在k y p r i a n o u 的研究基础上提出”1 ，称之为体积的交变和a s v( a l t e r n a t i n gs u mo fv o l u m e ) 。由于a s v 的分解过程可能出现不收敛的情况，k i m 在w o o 的研究基础上提出用立体替换和分割分解方法a s v p ( a l t e r n a t i n gs u mo fv o l u m ew i t hp a r t i t i o n i n gd e c o m p o s i t i o n ) 来产生形状特征模型，并证明它是收敛的慷”1 。该方法包括以下4 个步骤：分割分解的体积总量替换；识别产生形状特征；产生基本加工特征；加工特征聚合。从计算几何的观点来看，凸包分解法很有意义，a s v p 分解完全与特征的分类相独立，并不受特定识别类型特征的限制。然而，它最主要的闯题是，每一步操作都不能保证成功，且可能导致最终产生的是个无法加工的特征模型；另一个问题是它基于零件的多面体表示，对曲面零件，必须去除曲线，倒圆等，把零件简化为近似的多面体，当完成后，再将结果转换回来，准确性和效率都受到影响，而且这个方法仍不能处理特征相交问题。( 3 ) 单元分解单元分解法最早是在1 9 8 3 年由k a n s a s 联合信号公司( a l l i e ds i g n a la e r o s p a c e )的一个研究组提出的。这个方法被称为p h o e n i x 法，其目标是使用体积分解来实现b - r e p到c s g 的转换，并产生加工特征信息。然而，他们因为计算和表示上的限制放弃了这个方法。单元分解的核心思想是：特征识别可视为从一个b - r e p 模型到一个特定c s g 模型的转换过程，称之为分解实体几何d s g ( d e s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) ，这里所有的内部节点的布尔操作仅限于布尔减。一般b - r e p 到c s g 转换被视为一个开放性研究问题，学术界对其没有统一的意见和规范。单元分解法本质上包括将增量体积分解为单元、单元合成和特征归类三个步骤：通过对增量体积所有表面或半空间进行扩展和相交来将增量体积被分解为小单元，所有单元的并等于增量体积，且任何一对单元的正则交为空；将一个单元的子集组合，产生出一个通过加工操作可去除的体积；体积被归类于一个加工特征。在基于单元的分解方法中，不同算法问最大差异在于将单元组合成不同的特征。这个方法最主要的问题是计算复杂度，给定n 个单元，单元的所有可能组合是单元中北大学学位论文集的幂集，即使可通过一些启发式规则来排除不可能的组合，但组合算法的计算复杂度仍呈指数级，难以避免算法产生组合爆炸。且与凸包分解类似，单元分解同样不能保证识别出所有有意义的特征。( 4 ) 基于痕迹推理1 9 9 3 年，v a n d e n b r a n d e 和r e q u i c h a 首次提出了基于痕迹的特征识别方法呻1 。特征痕迹是指一个特征实例存留在零件c a d 模型中的信息。在特征相交时，一个特征的完整边界模式己不复存在，但只要它确是零件的一个特征，就一定在零件的c a d 模型中留有痕迹，因此基于痕迹可以识别特征。特征的痕迹可以是多方面的信息。目前所指的主要是拓扑几何信息定义的特征痕迹。具体识别过程是：首先在零件的边界表示中提取出所有的特征痕迹；然后通过几何推理判别每一特征痕迹对应于真实特征的可能性；最后构造出特征痕迹所对应的完整特征。浙江大学高曙明教授等在其基础上进一步研究侧，刘云华等提出了一个基于痕迹的特征模型解释新方法。基于痕迹特征识别器的基本组件包括：一个特征类型集合地每一个特征类型m 都有一个与其相关的痕迹类型k - ，h u 2 , k ，”j | j l 一对于每一个特征类型m ，有一个几何求全过程屹( ) ，它从痕迹实例开始，进行大量的几何推理，最后构建m 类的特征实例。基于痕迹方法存在的一个主要问题是，痕迹只是对特征可能存在性的一个暗示，因此，大量的痕迹可能并不能推导出有效的特征。即使痕迹的数量是多项式约束( 例如，d ( n 2 ) ，n 是增量体积的平面数量) ，需对每一个痕迹进行几何推理，识别效率仍是很低的。除此之外，痕迹的选择、优先级的制定都是人工确定的，难以保证其普遍适用性，也不能保证能成功识别所有的特征。目前有许多研究机构仍在对此方法进行完善和改进，如南加州大学的o o f f ( o b j e c to r i e n t e df e a t u r ef i n d e r ) 原型系统、m a r y l a n d 大学f - r e x 系统m 和i m a c s ( i n t e r a c t i v em a n u f a c t u r a b i l i t ya n a l y s i sa n dc r i t i q u i n gs y s t e m ) 系统、南加州大学的i f 2 ( i n t e g r a t e di n c r e m e n t a lf e a t u r ef i n d e r ) 系统、联合信号公司的f b m a c h ( f e a t u r e - b a s e dm a c h i n i n gh u s k ) 系统等，其目标是为研发基于痕迹的加工工艺特征识别系统产生一个正规的方法学。中北大学学位论文2 4 本章小结由于特征兼有形状和功能语义两种信息，因而基于特征的设计和特征识别技术就成为实现并行c a d c a m 系统信息集成的有效途径，为c a d c a p p c a m 实现高效的数据交换和数据共享提供了可能，特征直接反映加工方法，通过特征识别技术获取来自c a d 的数据可直接用于c a p p , n c 等后续阶段。特征技术使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，像螺纹孔、定位孔、键槽等。在本文的设计过程中，主要采用基于特征的设计以及特征识别方法完成了信息的提取与传递。1 4中北大学学位论文3 理论基础从设计模型到毛坯模型，再到制造模型的转换方法是本文研究的基本路线。基于零件三维特征模型的自动工艺规划的基本思想如下：首先保证现行的基于特征的设计造型方法不变，并称其结果为设计模型，然后由设计模型求解毛坯模型，再由毛坯模型向制造模型转换，两者属于互逆的过程。同时，在向制造模型转换过程中实现自动工艺规划方案的决策与推理。该方法更加符合和贴近传统零件设计与编制工艺的过程，因而对实现c a d c a p p c a m 的真正集成具有重要研究意义。本章主要以此理论为基础，阐述了基于零件三维特征模型的自动工艺规划的基本原理及特点。3 i 基于零件三维特征模型的自动工艺规划原理对于给定零件模型m ，按照基于c s g 的特征设计模型对零件的描述。m p 可以写为。膨，讲荟( 囝( 式3 1 )式中：最表示基体；e 表示设计特征；符号表示特征的凸凹属性，+ 号表示凸台特征，一号表示切除特征。如果以制造的观点来描述肘，：即坂一薹巧( 式3 2 )式中：m s 为零件加工毛坯，为加工零件时从毛坯上去除的材料切削块或区域，m 为切削块总数。由( 3 1 ) 和( 3 2 ) 式，可以得出设计模型转化为制造模型理论的数学模型以及造型特征e中北大学学位论文与加工特征。之问有两种基本的对应关系：( 1 ) 如果特征造型过程都是布尔减操作，则b 表示的基体特征与朋s 代表的毛坯模型相同，设计模型与制造模型间无须转化。( 2 ) 如果特征造型过程存在布尔加操作，要首先根据设计模型求解毛坯模型，再将毛坯模型还原为设计模型。以上两种情况，第一种情况在实际中较少出现，原始的基体就是毛坯，显然毛坯必须已知，必须首先建立毛坯模型，这与实际设计顺序不相符合。从零件的设计制造过程模拟的自然性与直观性来看，第二种情况更符合实际设计过程，它首先根据设计模型求解毛坯模型，然后再将毛坯模型通过去除材料还原为设计模型，这与分解性实体几何造型d s g 采用的方法基本一致，形成了与制造过程一致的布尔减操作过程。重要的是：根据设计模型求解毛坯模型，与将毛坯模型还原为设计模型这本身就是逆过程。不难理解第一个过程即“根据设计模型求解毛坯模型”是关键，参看公式( 3 3 ) ，完成这一过程后，第二个过程就容易解决了。当然第一个过程的解决需要利用毛坯工艺和加工工艺知识进行推理。也- m p + 荟巧( 式3 3 )将毛坯模型通过去除材料还原为设计模型的过程，就是工艺规划的过程。近年来，传统上作为c a d c a i i 桥梁的c a p p 技术，忽视了与c a d f c a i d 的集成，忽视了对新概念，新理论，新方法，新技术的应用，并且一直以一个独立的身份出现，最终没有起到桥梁作用。本文就是寻求以一套新的基于零件三维特征模型的自动工艺规划理论解决以上问题。本文的基本思想是：采用特征设计为产品设计的起端，当完成一个产品特征设计模型( 含工艺特征) 后，再转变设计模型为毛坯模型，然后再将毛坯模型还原为设计模型，即反向处理增补的加工体积，通过进一步对切除块的处理，生成工艺规划。该过程也可以认为是对设计模型的各种并行变换的过程，与d s g 方法的区别是首先根据设计模型求解毛坯模型，然后再由毛坯模型减去切除体积得出零件的设计模型。与目前的c a m w o r k s 2 0 0 3 系统的主要区别是，对于铸造类零件按照本项目提出的毛坯模型生成方法中北大学学位论文更加贴近工程实际，如下图3 1 ( a ) 所示，而c 姗o r k s 2 0 0 3 的毛坯是包容设计模型的简单方块或最大轮廓草图的拉伸体，如下图3 1 ( b ) 所示图3 1 设计模型到制造模型转换的比较本文中零件模型、毛坯模型、制造模型的层次结构关系如图3 2 所示：图3 2 零件模型、毛坯模型、钼造模型的层次结构示意图1 7中北大学学位论文3 2 基于零件三维特征模型的自动工艺规划的特点c a p p 是实现c a d c a m 系统集成的关键。但是，目前大多数c a d c a m 系统在工艺规划部分都处理得比较简单。一般都是按照零件设计模型的外包围简单方块或最大轮廓草图的拉伸体来定义毛坯，以此类毛坯为基础，系统利用制造特征识别技术，直接在产品模型上获取一定复杂程度的切削区域及其加工工艺，进而生成加工刀位轨迹。这类系统主要的缺陷是：这种方式与自动化所要求的目标仍然有一定差距，主要表现在定义的毛坯过于简单，工艺过程的智能决策还不够理想，不能很好地反映真实制造过程。如果按照此毛坯进行加工，必将造成刀具轨迹冗余、加工仿真失真、加工时间延长、材料严重浪费等现象。本文以设计模型毛坯模型制造模型的转换理论为基础，以基于特征的设计技术和特征识别方法为主要的研究手段，对零件三维特征模型到毛坯模型的转换技术作了进一步研究，完善了简单特征的识别与补偿，并对组合复杂特征的识别进行了研究与分析。同时，以自动生成的毛坯模型为基础，通过逆向遍历毛坯模型的加工特征补偿设计树，获取零件总体信息，平面、柱面、孔、槽等加工特征的工艺信息参数。完善了以加工设备、刀具和工艺知识为主要内容的制造资源库。通过