（机械工程专业论文）三维capp系统中特征识别技术研究与应用.pdf

中文摘要 工艺设计是联系产品设计与制造的桥梁，基于三维的c a p p 是实现工艺设 计定量化与智能化的重要手段，对于提高产品研发水平具有重要意义。随着计 算机技术的发展，特征技术理论在c a p p 中展示出其独特的优势，推动了三维 c a p p 的发展。本论文结合三维c a p p 系统发展需求，采用基于体分解与组合 的特征识别方法，探讨特征识别过程中特征信息的描述、存储、匹配及提取方 法，以实现c a d c a p p 集成过程中数据的交换与共享。本文主要研究工作如下： ( 1 ) 分析了现有的特征识别方法及存在问题，针对集成过程中c a p p 系统 的发展需求，提出了采用基于体分解与组合方法对c a d 模型信息进行特征识 别，并应用于三维c a p p 系统的开发；构建了基于特征识别方法的三维c a p p 系统架构。 ( 2 ) 在研究零件特征信息的一般描述方法基础上，提出了基于属性邻接图 的特征信息描述法，并进行一定的扩展；研究了零件模型信息的存储方法，提 出了采用扩展属性邻接矩阵及扩展属性信息表的方式分别对零件模型的几何拓 扑信息及非几何拓扑信息进行存储；介绍了特征识别方法中出现的各种过程模 型，并采用上述方式进行存储，便于后续操作。 ( 3 ) 研究了体分解与组合的特征识别方法中几种典型的单元切削体邻接矩 阵，并制定了基于这些典型邻接矩阵的特征信息匹配方法，从而完成单元切削 体的识别：研究了三维c a p p 系统中特征信息的提取方法，分别介绍了 s o l i d w o r k s 文件及s t e p 文件的信息提取方法；研究了利用特征识别方法对三 维工艺设计模型进行工序模型重建的方法及步骤。 ( 4 ) 基于三维c a p p 系统架构，进行了相关的开发工作，举例说明了特征 识别技术在三维c a p p 系统中的应用情况。 本论文将基于体分解与组合的特征识别方法应用于三维c a p p 系统的开 发，不仅有助于提高工艺设计的智能化，同时也为c a d c a p p c a m 的集成应 用提供了一条有效的途径。 关键字：三维c a p p ，特征识别，邻接图 a b s t r a c t p r o c e s sd e s i g ni st h eb r i d g eb e t w e e np r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，t h e c a p ps y s t e mb a s e do n3 d m o d e l ，w h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h el e v e l o fp r o d u c tr e s e a r c h ，i st h ei m p o r t a n tm e a n st o r e a l i z et h eq u a n t i f i c a t i o na n d i n t e l l i g e n to ft h ep r o c e s sd e s i g n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , t h e t e c h n i c a lt h e o r yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c si 1 1c a p ph a ss h o w e di t su n i q u ea d v a n t a g e ， w h i c hh a sp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to f3d c a p et h i st h e s i sc o m b i n e st h e r e q u i r e m e n to ft h e3d c a p ps y s t e m ，u s e st h ef e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do n b o d yd e c o m p o s i t i o na n dc o m b i n a t i o n ，d i s c u s s e sh o wt od e s c r i b e ，s t o r e ，m a t c ha n d e x t r a c tt h ef e a t u r ei n f o r m a t i o n ，t h e na c h i e v e st h ee x c h a n g ea n ds h a r i n go ft h ed a t a d u r i n gt h ei n t e g r a t i o no fc a d c a p et h em a i n l yr e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i si sa s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x i s t e dm e t h o d sa n dp r o b l e m so 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 yw e r e a n a l y z e d ；d i r e c t e dt ot h ed e m a n do fc a p ps y s t e md u r i n gt h ei n t e g r a t i o n ，t h ef e a t u r e r e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do nb o d yd e c o m p o s i t i o na n d c o m b i n a t i o nw e r ep u t f o r w a r d ，a tt h es a m et i m e ，w e r ea p p l i e di n t ot h ed e v e l o p m e n to f3 d - c a p ps y s t e m , a n dt h e na s y s t e ma r c h i t e c t u r ew e r ec o n s t r u c t e db a s e d o nt h i sm e t h o d ( 2 ) b a s e do nt h eg e n e r a ld e s c r i p t i o nm e t h o do fp a r tf e a t u r ei n f o r m a t i o n ，a m e t h o db a s e do na d j a c e n c yg r a p hh a db e e np r o p o s e da n dt h e np e r f o r m e ds o m e e x t e n s i o n t h et h e s i sr e s e a r c h e dt h em e t h o da b o u th o wt os t o r et h ei n f o r m a t i o no f t h ep a r t ，a n du s e dt h ee x p a n d e da t t r i b u t ea d ja c e n c ym a t r i xt os t o r et h ep a r t sf i g u r e s t r u c t u r e u s e dt h ee x t e n d e da t t r i b u t ei n f o r m a t i o nt a b l et os t o r et h eo t h e ri n f o r m a t i o n a l s oi n t r o d u c e dv a r i o u sp r o c e s sm o d e l sa p p e a r i n gi nt h ef e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o d ， a n du s e dt h ea b o v em e t h o dt os t o r et h e i ri n f o r m a t i o n , w h i c hf a c i l i t a t e dt ot h e s u b s e q u e n to p e r a t i o n s ( 3 ) s o m et y p i c a l u n i td e l a - v o l u m e sa n dt h e i ra d j a c e n c ym a t r i xi nf e a t u r e r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yw e r er e s e a r c h e d ，a l s o ，t h e f e a t u r ei n f o r m a t i o nm a t c h i n g m e t h o dw a sf o r m u l a t e db a s e do nt h e s et y p i c a la d j a c e n c ym a t r i x e s ，a n dt h e nt h e r e c o g n i t i o n o fd e l a - v o l u m ec o u l db e e nf i n i s h e d t h ee x t r a c t i o nm e t h o do f c h a r a c t e r i s t i c si n f o r m a t i o ni n3 d c a p ps y s t e mw a si n t r o d u c e d ，r e s p e c t i v e l ya b o u t t h es o l i d w o r k sf i l e sa n ds t e pf i l e s t h er e b u i l d i n gm e t h o da b o u tp r o c e s sm o d e l d u r i n g t h e3 dp r o c e s sd e s i g nw a sr e s e a r c h e d ，w h i c hh a du s e dt h e f e a t u r e r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y i i ( 4 ) b a s e do nt h e3 d - c a p ps y s t e ms t r u c t u r ew h i c hb e e nb u i l da b o v e ，m a n y r e l m e dd e v e l o p m e n tw o r kw a ss t a r t e d ，ae x a m p l ew a su s e dt oi l l u s t r a t et h e a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f t h ef e a t u r er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi n3 d - c a p ps y s t e m t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h ef e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do nb o d y d e c o m p o s i t i o na n dc o m b i n a t i o n ，a p p l i e si ti n t ot h e3 d c a p ps y s t e m i ti s n o to n l y h e l p f u lt oe n h a n c et h ei n t e l l i g e n c eo fp r o c e s sf e a t u r er e c o g n i t i o n ，b u ta l s op r o v i d e s a l le f f e c t i v ew a yt oi n t e g r a t ec a d c a p p , w i t hc e r t a i nt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c ea p p l i c a t i o nv a l u e s k e yw o r d s ：3 d - c a p p f e a t u r er e c o g n i t i o na d j a c e n c yg r a p h i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着现代科学技术的飞速发展和市场竞争日趋激烈，企业信息化在制造业 中发挥了越来越重要的作用。计算机技术已经融入到产品的整个生命周期中， 包括产品的设计、分析到制造等。c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助 设计) 技术从1 9 5 0 s 出现后，已应用于产品设计开发，并改变了传统的产品设 计方式。目前，c a d 系统已逐步从简单的二维设计工具发展为基于三维实体建 模技术的、功能强大的设计系统。与此同时，c a m ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造) 系统也开始广泛应用于数控加工领域。c a m 系统与c a d 系统是基于不同使用者在其各自领域独立发展起来的，这种独立 的发展，无法实现系统之间信息的自动传递和交换，在很大程度上限制了产品 从设计到制造过程效率的提升。所以，c a d 与c a m 系统集成好坏成为产品设 计制造效率能否提高的重要因素。 c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，计算机辅助工艺规划) 系统是进 行产品工艺规划的平台，工艺规划是根据产品设计所给出的信息制定详细工艺 文档的过程，该文档指导产品从最初的设计概念转换成最终的实体产品。所以 工艺规划的合理性直接影响着产品质量的好坏和制造过程的优劣。如何通过 c a p p 系统智能地提取和应用产品信息是一项艰巨而非常有意义的研究工作。 现在，设计者更多的使用三维c a d 系统来进行产品设计，促使基于三维 的c a p p 系统应用成为了工艺设计发展的重要方向。随着特征概念的提出，特 征技术逐渐应用于c a p p 系统。上世纪9 0 年代初期，特征技术的应用取得了丰 硕的成果，实现了设计信息向分析、仿真、数控、反求工程等领域的转换。就 我国制造业状况而言，将设计信息转换成工艺信息的研究却甚少，尤其是将自 动特征识别技术应用于三维c a p p 系统的研究也仅处于初步阶段。 c a d 是整个设计环节的源头，c a p p 读取c a d 的模型信息后经过相应的 处理将该模型附加上符合该企业要求的工艺知识信息，生成工艺模型，最后该 工艺模型再交由c a m 系统处理。可以看出，c a p p 是制造企业信息化的枢纽， 是产品设计和制造生产的桥梁，是沟通c a d 与c a m 的工具1 1 1 。企业信息化是 制造业必走之路，要走好这一步，首先要实现c a d c a p p c a m 的集成，而要 完成这个集成过程，则先要完成c a d 与c a p p 的集成，即实现两者之间数据 武汉理工大学硕士学位论文 共享与数据交换。特征识别技术为这一过程的实现提供了很好的方法，推动了 系统集成的发展。 1 2 国内外研究现状 随着c a d 及计算机应用水平的提升，三维c a d 设计系统的应用越来越广 泛，c a p p 系统也逐渐从二维向三维转换，并得到了不断的完善。c a p p 需要直 接从三维c a d 模型中获取零件的几何、材料、工艺等方面信息，但是如果在 二维环境下进行工艺设计工作，就无法与三维模型进行沟通，对实现制造企业 信息化是很大的障碍。本文首先介绍了三维c a p p 系统的研究现状，其次分析 了c a p p 中的关键技术特征识别的发展现状。 1 2 1 三维c a p p 研究现状 对c a p p 的研究可以追溯到二十世纪6 0 年代，第一个c a p p 系统 a u t o p r o s 于1 9 6 9 年在挪威诞生。美国紧随其后，并开发出很多系统如c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 、a u t o p l a n 、h m s c a p p 、m e t c a p p 等。从此， c a p p 进入了一个蓬勃发展的时期。在数十年间，先后经历了检索式、派生式、 创成式及专家系统等几个发展阶段1 2 】。较c a d 和c a m 来讲，c a p p 的发展较 慢，很多问题在现今也得不到很好的解决，它既是c a d 与c a m 信息集成的重 点，也是难点。国外更关注于c a d 与c a p p 的集成，将产品生产制造转型为 产品的开发设计与服务，同时也促进了国内c a p p 系统的发展。 我国对c a p p 的研究相对较晚，始于2 0 世纪8 0 年代初，上海同济大学在 1 9 8 2 年正式推出了我国第一个c a p p 系统- t o j i c a p 。1 9 9 7 年6 月，“以工 艺知识库产品工艺数据库为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管理和 工艺卡片编辑器为应用支持工具，面向产品全面实现工艺设计与管理计算机化、 信息化 的全新c a p p 应用框架与应用开发模式的提出，标志我国产品化c a p p 工作的开始【3 l 。随后国内也出现了一系列c a p p 产品，如华工的“开日c a p p 、 天喻的“i n t e c a p p ”及上海s i p m 公司的“s i p m c a p p ”等，在研究深度和广 度上都不断取得了进展。 这几十年，国内对c a p p 系统的研究从未间断，而且各时期各阶段的研究 重点和任务也不尽相同，从而形成了如图1 1 所示基于某一开发平台的c a p p 系统框架1 4 j 。 2 武汉理工大学硕- 上学位论文 厂1 飘r 王互两厂蠡磊研一用户界面层 i 丝型壁厶i 三兰竺竺l i 窒塑竺墨 r 玎”“5 系统平台 圜 蜀 蜀 盈 核心模块层 l 息填写模块i 编辑模块资源管理输出模块 l ”8 “5 国国圄国 图1 1c a p p 系统框架 c a p p 经过上述发展，虽然在一定程度上得到了很大的完善，但随着三维 c a d 设计系统的广泛应用，传统的c a p p 已不能满足企业的需求，其不足之处 逐渐显露，主要表现在下面几个方面： ( 1 ) 无法满足三维c a d 产品的应用 传统的c a p p 系统一般以零件的二维c a d 模型为对象，其技术架构不支 持三维模型，而仅仅是甩图版工程的延伸，忽略了工艺信息的组织和管理，无 法有效的将工艺数据格式化、参数化。对于三维模型，传统c a p p 根本无法对 其模型进行识别，更不用说对其信息进行继承和利用，从而使得产品信息与工 艺设计无法关联，也不能保证数据的一致性与完整性。 ( 2 ) 无法实现产品信息关联 传统c a p p 工序简图只是一个单纯的二维c a d 图纸，与产品实体模型脱 离。而在工艺设计过程中，一般都要对工序简图进行修改，此时就要对二维图 纸进行重新绘制，给设计者增加了很多繁重的工作。工序简图与产品三维模型 的这种脱离，无法实现模型信息的关联，即在工艺设计过程，当产品模型发生 改变时，工序简图及模型的公差、尺寸、材料等信息并不能随之改变。 ( 3 ) 集成化程度不高 传统c a p p 大多采用自己专用的数据格式，一般不与其他数据集成，也不 能集成，从而形成“信息化孤岛”【卯。随着制造业信息化程度的提升，计算机 应用己贯穿于产品设计、工艺规划、加工制造和管理的整个过程，各过程之间 的关联性要求越来越高，因此对系统集成化程度的要求也越高。传统c a p p 已 3 武汉理工大学硕士学位论文 不能满足信息化的这种要求。 为解决传统c a p p 系统存在问题，国内外开始了对三维c a p p 系统的研究。 虽然国内对三维c a p p 系统的研究进行了初步尝试和实验性应用，但是也仅是 起步阶段，很大程度上并不能满足企业当前和未来的发展需要。目前国内对 c a p p 系统的研究主要集中在如下几个方面【7 j ： ( 1 ) 加工工艺设计系统 在“十一五”国家8 6 3 课题支持下，开展了基于三维设计平台的加工工艺 设计系统研究，该系统可以在三维( 以下简称3 d ) 模型上自动获取加工特征信 息，并基于此信息进行工艺决策，建立了三维工艺零件库，可生成并查看3 d 工序简图等。 ( 2 ) 可视化装配工艺设计系统 提供可视化的装配工艺设计工具，解决设计与装配对象在研发过程中难以 实现的动态性能。实现了自动获取装配体结构、可视化某一指定零件的装配路 径及顺序、生成爆炸图、进行可视化装配实体仿真等功能。该项目也是在“十 一五”国家8 6 3 课题下进行的研究，目前该技术在航空航天、船舶、兵器、汽 车等行业得到广泛应用。 ( 3 ) 基于p d m 平台的工艺设计系统 p d m ，即产品数据管理系统，全称为p r o d u c td a t am a n a g e m e n t 。基于p d m 的三维c a p p 系统是一个将产品、车间、工艺和资源在p d m 平台上通过相互 指定关系构成一个关系模型，从而进行协调设计与管理的工具，保证了数据的 统一性。国外已有厂商将p d m 平台与三维c a d 和c a m 制造系统相连，并成 功应用于“船用喷水推进叶轮 的工艺设计系统中。本文开发的三维c a p p 软 件也完成了与p d m 的集成，并能与s o l i d w o r k s ( 以下简称s w ) 三维软件无缝 集成。 1 2 2 特征识别技术发展概况 特征是一种为产品模型从设计到制造过程提供几何及高层语义信息的方 式。一般可以分为如下几个方面：形状特征、精度特征、材料特征、装配特征 和拓扑特征等。而特征识别的作用正是从设计模型中提取这些工程信息。首先 介绍下面三种模式下特征的创建方式【8 l ： ( 1 ) 基于特征的设计 4 武汉理工火学硕士学位论文 基于特征的设计系统通常包含特征库、特征建模两个模块。零件模型是通 过使用特征库中预定义的特征来生成的，该方法的缺点是在不同的应用系统中， 特征模型不具备可换性，即不会被别的系统识别。 ( 2 ) 交互特征识别 该方法中，几何模型是预先创建好的。而特征则是由用户在c a d 模型中 通过选择模型实体元素来定义，使特征与实体关联。该方法的缺点是很费时而 且特征的识别依赖于用户的正确选择。 ( 3 ) 自动特征识别 该方法中，应用程序自动从零件几何模型中提取感兴趣的形状特征。自动 特征识别技术在集成环境下的产品开发中具有重要意义，是c a d 向c a p p 、 c a m 传递信息的重要手段。 英国剑桥大学c a d 中心的g r a y e r 于2 0 世纪7 0 年代中期最早展开了对特 征识别技术的研究工作，并首次应用于数控领域【l 们。他从零件实体模型中提取 出部分几何特征用于计算零件的数控加工刀具轨迹，并取得了成功。1 9 8 0 年该 中心的另一位学者k y p r i a n o u 在其博士论文中首次引入特征识别思想，该思想 奠定了基于边界法进行特征识别的基础，其核心是采用基于几何的拓扑方法对 实体进行分类【1 1 1 。在这以后，特征及特征识别技术逐渐得到了学术界和工业界 的重视，并在各方面对其展开了研究。新的特征识别方法不断出现，识别的范 围也从形状特征逐渐扩展到分析特征、检测特征等其他方面。 目前，特征识别的种类及应用范围有很多。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l i 刭，采用子图匹配的方法，通过提取零件面边图中的 子图，与特征库的面边图进行匹配，从而实现特征识别。高曙明提出一种统一 定义、生成和延拓特征痕迹的方法，采用图分解生成特征痕迹，通过添加相关 面及虚拟链接进行特征延拓【l3 1 。周广平在对加工特征识别过程中加入了体分解 思想，通过对分解体进行特征识别生成零件的加工特征模型。z h u a n g 和 d y i p h o i 采用基于普通特征关系图的方法对复合特征进行识别。安鲁陵通过搜 索组成实体的边和面，生成有向面边图，生成封闭环，并定义为特征，该方法 属于基于边界表示的特征识别方法。从整体上，特征识别方法可以分为基于体 分解与基于边界匹配两种【i4 1 。具体方法将在第二章中详细介绍。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究目的及意义 随着工业化程度的不断加深，企业信息化逐渐成为制造业发展趋势，因此 对c a d c a m 集成要求也越来越迫切。而传统的c a d 与c a p p 技术通过其各 自的发展，分别在产品设计自动化和工艺过程规划等方面取得了显著的成果， 发挥了重要作用，其独立的发展使得彼此之间无法进行信息交换，从而形成了 一个个自动化信息孤岛，不能满足集成环境的需要。c a p p 系统是 c a d c a p p c a m 集成制造系统的中间枢纽，是实现产品设计和制造自动化的 关键。 因此c a d 、c a p p 和c a m 等系统的集成成为信息化工作者关注的焦点。 虽然集成的概念由来已久，但要实现系统间真正意义上的集成却仍有很长的路 要走。系统与系统之间的集成，无非是要在系统之间进行单向或双向的数据或 命令的传递。集成系统间数据的源头即来自零件的三维模型，所以，如何从零 件的3 d 模型中获取c a p p 所需的信息，是三维c a p p 系统所要研究的关键， 也是实现系统集成的首要工作。 目前，对3 d 模型信息的提取主要采用特征识别技术。根据国内外文献的 查阅发现，现有的特征识别技术难点主要表现在相交特征的识别和特征语义的 提取，即设计模型的设计意图、尺寸公差、设计要求等信息的提取和转换。随 着三维c a p p 理念的发展及应用，更多的设计信息需要被提取和利用，但是目 前所能获得的仅限c a d 文档的属性信息、几何形状信息、尺寸信息等，如何 突破这些常规，进行高层次的信息提取仍然有待进一步研究与应用。 在机械零件加工中，将毛坯模型上多余的材料切除的过程实际上就是产品 从毛坯到成品的过程，如何能更好的将零件从毛坯模型加工成最后合格的产品 模型是c a p p 工艺规划的核心。从几何意义上讲，毛坯模型与产品模型的布尔 差集即为零件的切削体部分。简单的讲，工艺规划实际上就是决策如何切除切 削体的过程。根据对以往工艺规划方法的研究和比较可以发现：通过对模型切 削体部分的分解和组合来得到工序模型，进行工艺规划，比要求设计人员按照 以往基于经验的工艺和制造的思维来进行工艺规划更有效，并且在体分解组合 过程中产生的各种几何及非几何特征信息也含有丰富的工艺及加工制造价值， 使计算机能能更全面的获得零件设计模型中的蕴含的各类设计、工艺信息，从 而能更好的为c a p p 系统所用。本课题就是在三维c a p p 系统中应用特征识别 技术，实现尽可能多地从3 d 模型中提取零件的几何信息、设计意图及加工要 6 武汉理工大学硕士学位论文 求等跟工艺设计紧密关联的信息，进而作为三维c a p p 系统的数据基础。该方 法为实现企业信息化过程中c a d c a p p c a m 的集成提供了一种极有效的途 径，同时也更好的提高了产品工艺设计的自动化程度和智能化水平。 1 4 课题来源及研究内容 与本课题研究相关的支撑项目与课题包括： 襄樊五二五泵业有限公司信息化工程项目，企业项目。 湖北国际交流合作项目：基于切削体分解组合策略的工艺特征识别研 究( 2 0 1 0 b f a 0 0 6 ) ，2 0 1 0 年1 2 月2 0 1 2 年1 2 月； 在参加襄樊五二五泵业有限公司信息化工程项目中，结合现有国内外 c a p p 系统技术，构建了与三维c a d 软件s w 系统集成的c a p p 系统，构建了 基于特征识别技术的三维c a p p 系统总体架构。 三维c a p p 系统的研究是一个很庞大的工作，本文选择对其中部分内容展 开研究和讨论。对于三维c a p p 来说，3 d 模型的特征信息是其原始数据来源， 因为这些特征包含了c a p p 系统所需的零件几何及加工工艺信息。c a p p 工作 的第一步就是提取三维零件信息，后续的工作也都是基于这些信息展开的； c a p p 系统的一个重要功能是实现智能化，如何根据特征识别结果进行特征匹 配，然后形成合理的工艺路线安排是工艺设计的关键，是实现智能化的研究重 点。本文主要针对三维c a p p 系统开发中上面所述两点展开了研究。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 在研究现有特征识别方法基础上提出了本文所采用的特征识别方法，并 基于该方法构建了w i n k a n c a p p 系统总体框架。 ( 2 ) 研究了三维c a p p 系统中特征信息的描述方法，提出了基于邻接图的特 征信息表达方法；然后基于该方法研究了特征信息的存储方式； ( 3 ) 研究了三维c a p p 系统中特征信息的匹配方法；研究了零件特征信息的 提取方法及工序模型生成方法； ( 4 ) 应用所研究的理论、方法，建立基于特征识别方法的三维c a p p 系统模 块。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章首先介绍了本文的课题研究背景：然后分析了三维c a p p 系统的研究 现状及国内外传统特征识别技术方法及其发展概况；指出了c a p p 研究中存在 的不足，基于此提出了本文的研究内容。 8 武汉理工大学硕二i = 学位论文 第2 章特征识别与三维c a p p 系统设计 合理的框架结构是构造c a p p 系统的首要条件。本章首先介绍了两种现有 特征识别方法及存在问题，提出本文所用特征识别方法；并针对该方法提出基 于特征识别技术的w i n k a n c a p p 系统架构。 2 1 特征识别方法 2 1 1 传统特征识别方法 特征识别是基于特征的系统获取零件特征的最基本方法，其输入是实体模 型组件的边界表示，通过特征识别器输出具有某一工程意义的特征，然后应用 于下游系统。虽然特征技术的研究一直存在一些障碍，如特征计算的复杂性等， 但其研究价值却从未被学者质疑过。对特征识别的研究工作已经进行了很多年， 但是仍然有很大的研究空间，很多问题亟待解决。下面先介绍两种传统的特征 识别方法。 ( 1 ) 基于边界匹配的特征识别方法 基于边界匹配的方法是采用几何和拓扑的方法搜索零件的边界模型，对该 模型进行操作，并寻找符合特征边界模式的区域，从而识别出零件中包含的所 有特征。基于边界匹配的特征识别方法主要有基于痕迹法、基于规则法、基于 图法三种。 1 ) 基于痕迹的特征识别方法 特征痕迹是指在c a d 模型中表示特征存在的部分信息。1 9 9 3 年 v a n d e n b a n d e 首次提出基于痕迹的特征识别方法，并应用于相交特征的识别， 减少了特征搜索范围。当特征发生相交后，它们的拓扑关系会发生改变，而且 特征的完整边界模型也不存在了，但只要它是零件的一个特征，就一定在c a d 模型中留有痕迹。h a r t 等人也提出了一种基于痕迹的特征识别方法【引，称为综 合增量式特征识别，主要用于加工特征的提取。 2 ) 基于规则的特征识别方法 基于规则的特征识别方法通过定义一系列的规则来进行特征识别，这些规 则是基于几何、拓扑及其它特征知识的积累【”】。例如，对于孔特征的一条规则 定义如下：“如果一个面有两个以上的环，并且内环上的边只属于该面，则定义 9 武汉理工大学硕士学位论文 内环为孔特征。 对于每一个特征，需要在库里定义一系列的规则。进行特征识 别时，必须满足所有的条件才能进行特征搜索。因此该方法需要做大量的准备 工作为特征匹配服务，对于大型零件规则繁多且复杂，搜索时间长，故该方法 现在应用较少。 3 ) 基于图的特征识别方法 实体模型的边界解释可以认为是模型的一个图结构。因此，特征识别的过 程也可以是模型的图结构与预定义特征图进行匹配，从而识别出特征的过程 【1 6 】。该方法中，应用比较广泛的一种图结构是邻面图( f a g ，f a c ea d j a c e n c y g r a p h ) 。该图结构中每一个节点表示一个面，两节点之间的弧表示两相邻面之 间的关系，面的几何属性存储在节点中。如果将f a g 图中的弧表示两相邻面公 共边的属性，则将这种图结构称为属性邻接图( a a g ，a t t r i b u t e da d j a c e n c y g r a p h ) 。j o s h i 和c h a n g 在1 9 8 8 年最早提出该方法，并将边的凹凸性作为边的 属性判断依据。 基于图的特征识别方法最大的缺点就是在进行图匹配时要进行大量的子图 搜索【1 7 l ，而子图搜索是n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a lp r o b l e m ) 问题，非常 耗时。该方法的优点是：特征库的图结构易于生成，易于与特征设计相结合； 可以在不更改程序的条件下添加新的特征类型；支持设计、加工、分析等多种 应用领域的特征识别。 ( 2 ) 基于体分解的特征识别方法 基于体分解的方法多用于对机械零部件的特征识别，其目的是确定零件加 工需要切除的体积。该方法利用几何模型的体积属性来提取特征，首先对模型 进行体分解，得到一系列凸体单元集合；然后对这些凸体集合根据某种算法进 行组合操作，进而产生具有对应特征的体元；最后根据识别的体元确定特征类 型，从而建立特征的体表示。 w o o 在19 8 2 年提出了基于立体交替( a s v ，a l t e r n a t i n gs u mo fv o l u m e s d e c o m p o s i t i o n ) 进行体分解的特征识别方法【1 8 1 。该方法将模型的体单元从它的 凸包中通过布尔差去除，以物体本身作为分解树的根节点，分解结果为其叶节 点，然后以叶节点为父节点，继续分解，直到所有分解体均对应于一个形状特 征。w o o 的这一方法在某些情况下无法保证非凸体物体的立体交替和分解总是 收敛，同时，也可能识别出不能由一次加工操作完成的特征。为解决这一问题， k i n 在1 9 9 2 年提出基于立体交替和剖分( a s v p ，a l t e r n a t i n gs u mo f v o l u m e sw i t h p a r t i t i o n i n g ) 分解方法喁1 ，该方法将a s v 分解法与剖分结合，使之包含收敛的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 凸体单元，从而有效解决了a s v 方法中分解可能不收敛问题。另外，a s v p 分 解方法可以提供相交特征的多重解释，扩大了识别范围，增强了识别实用性。 但是，a s v p 只能用于线性的实体单元，因为非线性实体的凸包很难计算，该 方法难以适用于它们，而且识别效率不高。 a r m s t r o n g 在8 0 年代初提出基于单元体分解的特征识别思想，单元体即物 体内部的、凸的体积单元，该方法的提出主要用于生成零件的数控编码。 g e n e r a l d y n a m i c s 公司为实现对加工特征的识别，提出对零件的切削体进行分解 操作【l9 1 。切削体指毛坯模型减去设计模型的那一部分体积，即需要加工切除的 体积，是加工特征的总和。该方法现广泛应用于对加工特征的识别。另外， s a k u r a i 在9 0 年代初通过对零件的所有面进行延展，然后在面与面之间进行求 交运算，在此基础上对基于单元体分解的识别方法进行了更深入的研究，将切 削体模型通过分解运算使之成为为一系列的最小凸体单元，然后再按算法将单 元体进行组合匹配，识别特征并得到特征类别。该方法可有效识别相交特征， 但计算量大，生成的组合体元数目过多，且生成多种组合解释。后来，s a k u r a i 为解决单元体数目过多问题，提出基于切削体的最大凸分解的特征识别方法 1 2 例，提高了组合效率。除此之外，s b k a i l a s h 研究了铸锻件的体分解方法；y y a n g 研究了正交分层制造的特征识别方法；s h a h 和s h e n 提出基于半空间剖分的识 别算法。 2 1 2 存在问题 传统的特征识别方法可以在一定程度上对产品特征信息进行提取，但是还 存在如几个问题： ( 1 ) 相交特征的识别 在特征识别领域，对相交特征的识别，一直是难点。针对该问题人们展开 了大量的研究工作，一定程度上解决了部分问题，但其结果还不尽人意。现有 的特征识别方法一般只能识别常见较简单的相交特征，识别效率也并不高。而 且，相交特征产生的多重解释组合问题也构成了该技术新的难点。 ( 2 ) 复杂零件的特征识别 现有的特征识别方法对现实加工中复杂零件的识别也是一大难点。具体问 题表现在如下几个方面： 1 ) 传统方法能识别的多半为线性面，对于非线性面，如自由曲面，很少涉 武汉理工大学硕士学位论文 及，所以可处理的曲面类型是有限的。 2 ) 传统方法一般针对常规的切削加工特征，所以可识别的特征种类也有 限。 3 ) 零件包含的拓扑元素、特征过多时，识别速度往往不理想。 ( 3 ) 基于多种信息的特征识别 传统方法基本只利用零件的实体表示或边界模式，而忽略了对其设计特征、 公差等信息的识别。现在，人们已普遍认识到这种不合理现状，并着手进行改 变。 2 1 3 基于体分解与组合的特征识别 本文采用基于体分解与组合的特征识别方法，主要针对工艺领域，既采用 了体分解原理，也利用了基于图的方法，并融合了工程知识经验，可以说是一 种混合的特征识别方法。 这里的体是指零件的切削体，即毛坯模型与零件模型的布尔差集，图2 - 1 所示为三种模型示例。该方法中切削体不单单视为简单的几何实体，它还附带 毛坯和零件的所有设计及工艺信息，具有更多的工程意义。 ( a ) 模型实体图( b ) 毛坯半剖图( c ) 模型半剖图( d ) 切削体半剖图 图2 1 毛坯模型、实体模型与切削体模型 体分解过程是利用分割面按照一定的顺序将切削体模型进行分解，从而生 成一系列单元切削体的过程【2 l j 。分割面s o 可以是平面，也可以是曲面，是切削 体上的凹面交线k 和加工基准方向b 按照一定生成方式g 生成的面，记为： s 。( 6 ，形，g ) ，图2 2 为分割面示意图。分割面的选择及分割顺序的确定决定了后 续工序规划的方案。 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 图2 2 分割面示意图 组合过程就是将分解产生的单元切削体按照一定的工艺相关规则及流程进 行组合形成组合切削体的过程。该方法可以有效组合相交特征，保证工艺的可 制造性和完整性。如图2 3 所示，如果按单元切削体分解，则直接获取两个圆 柱或一个圆柱和圆环，但是这几个实体并没有实际的工艺意义，如果通过组合 过程，可以直接匹配台阶孔特征，使得组合体具有实际的加工意义。 识别结果1 识别结果2 识别结果3 图2 3 台阶孔特征识别 该方法与基于图方法的比较： 本文提出的方法，继承了图结构易于生成的优点，采用图结构存储预定义 的特征，并在此基础上进行工程属性的扩展，而不单单包含几何属性。另外， 为解决基于图方法子图搜索出现的n p 问题，将图方法所处理的对象定为单元 切削体或组合切削体，而不是零件模型本身，使研究对象的图结构相对简单化 了。 与基于体分解方法的比较： 1 3 一， 武汉理工大学硕：卜学位论文 体分解一般包括对模型的分解和组合两部分，不同之处表现在识别对象和 分解组合策略上。本文所用方法，从几何角度讲也属于基于体分解的特征识别 方法。但是，之前的体分解方法仅仅是针对模型几何拓扑结构的分解策略，所 产生的特征解释，一般不包含制造工艺信息。本文融入几何、设计以及工艺知 识，保证识别的特征具有可制造性。分解过程要先产生分割面，其产生方法除 了考虑零件结构、几何拓扑信息外，还要考虑加工基准等因素：在实际分解过 程中，也加入了一系列的工艺准则，减少了不必要的分解，改善了识别效率。 2 2 基于特征识别的三维c a p p 系统设计 2 2 1 基于特征识别的三维c a p p 系统架构 对于传统的c a p p 系统，无论是派生式还是创成式，都有其相应的优点与 不足，操作简单则开发难度大，甚至难以实现；降低开发难度，则所构建的系 统操作使用不方便，应用局限大。c a p p 系统总体是朝着智能化方向发展的， 但是要实现真正的智能化是相当困难的，所以智能化的研究在很长一段时间仍 保持在特定零件、特定专业、特定环境下的工艺智能生成l 2 2 j 。本文所研究的三 维c a p p 系统也只是将系统定位在“辅助工具”上，强调工序模型、工序图形 的快速生成和编辑，主要解决工艺的快速输入和快速形成，工艺师仍起主导作 用。本文基于三维模型及特征识别技术研究开发c a p p 系统，吸取传统系统的 优势，对相似零件，借用已有工艺进行修改来设计工艺方案；对于新零件在系 统指导下重新进行工艺规划。w i n k a n c a p p 系统框架图如图2 _ 4 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 _ 4w i n k a n c a p p 系统框架 该系统是在s w 平台下开发的，因此可以充分利用该平台的各个特性，例 如“模型树 特性、自定义属性、配置管理、工程图快速生成等。本系统数据