（计算机应用技术专业论文）钣金件特征设计及其关键技术研究.pdf

摘要 钣金件特征造型技术一直是c a d c 崩领域中重要的研究内容。经 过二十多年的发展，虽然特征造型技术的研究取得很大成就并在实际 生产设计中得到了广泛应用，但仍存在不少困难的问题有待进步解 决。本文以拓扑元素的命名与辨识和相交特征识别问题为核心，对钣 金件特征造型技术中存在的关键问题开展研究。 论文提出了一种拓扑元素命名和辨识的方法，其特点是在特征模 型编辑后物体的拓扑结构发生变化时能有效地辨识出拓扑元素的前 后对应关系，并能有效地支持钣金件相交特征识别。 针对钣金件特点进行特征分类，采用特征二叉树存储结构建立钣 金件主形状特征之间的关系，这种树状结构直观地反映了钣金件的构 成和特征之间的连接关系，可运用成熟的二叉树算法，查询特征信息 并为钣金件的自动展开提供基础。 论文提出了基于抽象扩展属性邻接图( a e a a g ：a b s t r a c te x t e n d - e da t t r i b u t e da d j a c e n c yg r a p h ) 的局部特征识别方法，采用a e a a g 来表示钣金件特征模型，提出用拓扑元素信息生成辅助边，通过拓扑 元素编号机制分离a e a a g ，从而进行特征匹配，不但实现了钣金件相 交特征的自动识别，而且能够在两个特征发生合并时提示用户进行特 征合并。 论文还提出了一种钣金件自动展开新方法，采用对特征树进行中 序遍历得到钣金件的展开图。 在上述研究的基础上，基于a u t o c a d 平台自主开发了钣金件特征 造型原型系统s m c a d ( s h e e t - m e t a lc a d ) ，实现了钣金件特征设计和 钣金件的自动展开。 关键词钣金件；命名与辨识；特征设计；特征识别；自动展开 a bs t r a c t t h ef e a t u r e b a s e dm o d e l i n gm e t h o df o rs h e e t m e t a li sa l w a y sa n i m p o r t a n tr e s e a r c ha r e ao fc a d c a m i th a sa c h i e v e dg r e a tp r o g r e s sa n d h a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i e so v e rl a s td e c a d e h o w e v e r , t h e r ea r e s t i l ls o m ec h a l l e n g i n gp r o b l e m sr e m a i n e d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h e r e s e a r c ho ni d e n t i f i c a t i o na n dd e n o m i n a t i o no ff e a t u r ee l e m e n t sa n dt h e r e c o g n i t i o no fi n t e r s e c tf e a t u r e s ，a sw e l la st h er e l a t e dk e yr e s e a r c hi s s u e s o ff e a t u r et e c h n o l o g y an e wm e c h a n i s mo fn a m i n ga n di d e n t i f y i n gt o p o l o g i c a le n t i t i e so f af e a t u r em o d e li sp r o p o s e di nt h i st h e s i s ，t h ea d v a n t a g eo ft h ep r o p o s e d a p p r o a c hi st h a tt h ei d e n t i f i e dt o p o l o g i c a le n t i t i e sa r em o r er e a s o n a b l ei n r e s p e c tt ot h ed e s i g ni n t e n ta n d i tc a ne f f e c t i v e l ys u p p o r t e dt h ei n t e r a c t i n g f e a t u r eo fs h e e t - m e t a lp a r t s 1 1 1 et h e s i sa s s o r t st h ef e a t u r eo fs h e e t m e t a la n du s e st h ea p p r o a c h o ff e a t u r eb i n t r e et os t o r et h er e l a t i o no fm a i nf e a t u r e s t h es t r u c t u r eo f t h ef e a t u r et r e ec a nr e f l e c tt h er e a l a t i o nb e t w e e nt h es h e e t m e t a lf e a t u r e c l e a r l ya n de a s i l y , a n du s et h em a t u r ea l g o r i t h o mo fb i n t r e et og e tt h e i n f o r m a t i o no ft h ef e a t u r e a n di ta l s o p r o v i d e s f o u n d a t i o nf o r s h e e t - m e t a la u t o m a t i cu n f o l d i n g t h et h e s i si n t r o d u c e san o v e ll o c a lf e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e d o na e a a g ( a b s t r a c te x t e n d e da t t r i b u t e da d j a c e n c yg r a p h ) a e a a gi s u s e dt oe x p r e s st h ef e a t u r em o d e lo ft h es h e e t m e t a la n dt h ei n f o r m a t i o n o ft o p o l o g i c a le n t i t i e si su t i l i z e dt og e n e r a t et h ea s s i s t a n te d g e n e w l y g e n e r a t e da e a a gi sd e c o m p o s e da n dt h e nt h ei n t e r a c t i n gf e a t u r e so f s h e e t - m e t a l sa r er e c o g n i z e db ym a t c h i n gt h es u b g r a p h t h i sm e t h o dc a n a u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z ei n t e r s e c t i o nf e a t u r e so fs h e e t - m e t a lp a r t s an e wm e c h a n i s mw h i c hb a s e do nt h ei n o r d e rt r a v e r s i n gf e a t u r e b i n a r yt r e eo fs h e e t - m e t a la u t o m a t i cu n f o l d i n gi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s b a s e do na l la b o v e ，w ed e v e l o pas y s t e mo fs m - c a d ( c a ds y s t e m o fs h e e t - m e t a l ) w h i c hc a nd e s i g nt h es h e e t - m e t a le a s i l ya n du n f o l dt h e s h e e t m e t a la u t o m a t i c k e yw o r d ss h e e t - m e t a lp a r t ；n a m i n ga n di d e n t i f y i n g ；f e a t u r ed e s i g n ； f e a t u r er e c o g n i t i o n ；a u t o m a t i cu n f o l d i n g h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：堡叁盛一日期：遄年上月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：丝导师签雌眺丝年上月望日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1c a d 技术的简史及发展趋势 c a d 是计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 的简称，其特点是将计算 机的计算、存储以及图形处理功能和人的创新思维能力结合起来，从而提高设 计质量，缩短设计周期、降低产品成本。c a d 技术现已广泛的应用于机械、电子、 航天、汽车、轻工、纺织、建筑等领域n 1 ，其发展和应用水平己成为衡量一个 国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。 c a d 技术产生于上个世纪五十年代，早期c a d 系统仅能提供二维画图功能臻1 。 六十年代末七十年代初人们就试图把二维c a d 系统扩展到三维。在七十年代，三 维实体造型技术取得了突破性进展。同时，由于计算机软、硬件及计算机图形学 方面的快速发展，三维c a d 系统在工业界大量投入实际应用。到七十年代末八十 年代初商品化的三维造型系统已推向市场。在八十年代，c a d 技术成功把曲面造 型系统和实体造型系统结合在一起。在这一时期，各种各样c a d 软件大量涌现， 随着c a d 系统的功能和实用化程度的提高，c a d c a m 集成技术被工业界普遍接受并 取得了显著的经济效益。 传统的c a d 系统主要是基于几何造型的，这种系统表达零件的信息十分有限， 其中一些造型问题至今还未能完全解决，由于传统几何模型的缺陷，并且为了更 好地满足c a d 技术发展需要，人们一直在研究可以更加完善地描述物体信息的实 体造型技术。特征造型正是为满足这一要求而提出来的，特征技术被认为是实现 c a d 系统集成的关键技术之一随4 1 。同时，基于特征的设计也是提高系统智能化的 一个重要思路。 1 2 钣金件造型技术的研究概况及发展趋势 钣金件是由薄钣材料经冲压、剪切、折弯和焊接等工序而加工完成，其特点 是零件为薄钣材料，并且可以被展开为平面，具有重量轻、易成型、成本低等优 点，现以广泛应用于各个行业强1 ，它一般可分为平钣类( 指一般的平面冲裁件) 、 弯曲类( 由弯曲或弯曲加简单成形件构成的零件) 和成形类( 由拉伸等方法加工 而成的规则零件) 。 在生产中，钣金件的设计与加工占有相当大的比例，据统计，市场上近百分 之九十的金属制品是钣金件。市场需求的日益加大，需要钣金件的设计速度和质 量进一步提高，而传统的钣金设计加工，从零件的设计开始，一直到钣金件的放 硕士学位论文 第一章绪论 样展开、加工工艺的制定都由手工完成。近年来，一些c a d 设计系统中，或多或 少肯有钣金件设计功能模块，但是，因为存在产品主要功能定位的不同和开发商 本身的钣金件工程背景不足，这些钣金件的设计和制造方式存在以下问题： 1 ) 对设计和制造者的要求过高。 2 ) 容易出错，废品率高。 3 ) 设计和编程的工作量过大。 正是由于传统的手工方法不能满足市场和社会的需要，于是将c a d c a m 技术 运用于钣金件的设计和加工制造过程就显得十分必要了。钣金件的c a d c a m 是随 着计算机图形学引、几何造型等技术的发展而发展起来的，它一直是c a d c a m 技 术的一个重要的研究领域，而且该领域本身也十分广阔，它包括钣金件的设计、 制造、仿真、性能分析等诸多领域，本文所涉及的主要是钣金件的设计与制造。 1 2 1 钣金件几何造型方法 目前，已有的饭金件造型方法分为2 d 钣金件的几何造型和3 d 钣金件的几何造 型，下面做简单介绍。 1 2 d 钣金件的几何造型 1 ) 交互尺寸输入法 目前，一些冲裁模c a d c a m 系统中大都采用这种方法。这种方法采用交互图 形技术，将尺寸模型及有关操作以菜单形式提供给用户，用户只需根据有关提示 进行操作。这种方法具有输入直观，显示及时等优点。 2 ) 编码法 只要图形的尺寸标注正确，2 d 钣金件形状之间的几何关系就可以唯一确定。 编码法就是根据这一特点，将组成零件轮廓的几何元素的类型、尺寸和相互位置 关系都以代码表示。这种方法虽然可以较全面地表达零件的形状及尺寸信息，但 是编码规则繁琐，易于出错，而且不够直观。因此，给使用造成困难。 3 ) 面素拼合法 这种方法把2 d 钣金件表示成面素的并、交、差。但是为了提高拼合效率、和 定义非圆曲线段，有必要增加一些辅助功能，如圆弧过渡、倒角、插入非圆曲线 及拷贝等，以简化用户操作。这种方法提高了产品图输入效率，但是不能建立零 件的尺寸信息，给后续的应用带来一些困难。 2 3 d 钣金件的几何造型 。1 ) 弯曲变换拼合法 该方法的基本思想是将弯曲件看作由组平钣和弯曲面组合而成。这种方法 在构造复杂弯曲关系的钣金件时，有些平面形状需要经过大量的计算才能确定。 另外，它不能保证尺寸信息的完整性。而且只能描述以一般弯曲为主的钣金件。 2 硕士学位论文 第一章绪论 2 ) 体素拼合法 这种造型方法类似面素拼合法，是将钣金件看作由一组基本体素经特殊拼合 而成的几何形体。根据钣金件的形状及其成形工艺的特点，基本体素可以分为以 下四类： 平面( p l a n e )描述冲压件中与弯曲区相连的平直、法兰或其它平面形状 弯曲面( b e n d i n g ) 对应于冲压件中通过弯曲成形的方法产生的弯曲区 成形面( s h a p i n g ) 描述冲压件中由翻边或局部成形等方法而形成的形状 冲切面( c u t t i n g ) 对应于冲压件上的孔、缺口和支条等形状 钣金件的形状，通过上述基本体素及拼合操作，即可得到定义。这种造型方 法是完全针对钣金件的特点提出来的，它所建立的零件模型所反映了钣金件的特 点，并带有尺寸信息，因而基本上能够满足模具设计的要求，且造型能力较之弯 曲变换拼合法强。 1 2 2 钣金件几何造型方法存在问题及发展趋势 上述所有造型方法存在的共同缺点是当定义出错时，修改非常麻烦，甚至可 能需要重新输入。所建立的钣金件模型，包含的信息也不完备，特别是缺少有关 工程语义信息，造型过程也非常繁琐。通过以上对钣金件模型要求的分析以及对 现有的几种钣金件的几何造型方法的介绍可以看到，要建立一个既反映钣金件特 点又能满足c a d c a m 要求的钣金件模型，采用特征造型技术是一个有效的办法1 。 它除了能提供钣金件的完整的信息模型外，而且还可以较好地解决现有一些几何 造型方法所存在的问题。 1 3 特征概述 特征至今还没有一个十分严格的定义。笼统地说，特征是工程人员感兴趣的 具有一定工程意义的几何形状。特征与应用领域相关，人们根据不同的应用对特 征进行了广泛的定义，因此其定义也往往截然不同。常见的领域特征有：设计特 征、加工特征、装配特征等。一般来说，特征具有以下几个特点订1 ： 一个特征具有工程语义 一个特征是一个物体的组成部分 一个特征与物体的特定几何信息相对应 一个特征具有特定的属性 产品是由零件组成的，零件是由特征组成的，特征则由属性组成。每个特征 都有其特定的属性，这些属性使一个特征区别于其它特征，用以描述特征的形状、 工程语义、行为方式、产生方法及与其它特征的联系等。下面罗列了一个特征可 硕士学位论文 第一章绪论 能包含的部分属性信息： 一般形状，包括拓扑、几何信息 尺寸参数 约束参数和约束关系 定位参数和定位方法 参数、定位约束和定向约束间的关系，可能涉及多个相关特征 特征识别算法 有效性规则或维护方法 非几何信息 1 4 特征建模方法 一个基于特征的模型包括相互联系的两部分：特征模型和几何模型。几何模 型包括物体的边界表示、c s g ，而特征模型包括一系列特征、特征之间的关系或 其它高层信息( 见图卜1 ) 。 特征模型到 特征模型 特征模型 形状定义 尺寸属性 特征位置 几何约束 非几何信 息 特征模型到几何模型 二二= = = = = = 儿何模型剑特征模型 图卜1 特征模型与几何模型 建立特征模型的方法很多。根据先有特征模型还是先有几何模型我们把特征 模型构造方法分为两类。首先用传统方法建立几何模型，再从几何模型中提取特 征的方法称为特征识别( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) ；反之，先建立特征模型，再从 特征模型导出几何模型的方法称为基于特征设计( d e s i g nb yf e a t u r e ) 。另外， 若己有某一领域的特征模型( 如设计特征模型) ，另一领域的特征模型( 如加工特 征模型) 从己有的特征模型中转换产生，这种产生特征模型的方法称为特征映射 ( f e a t u r em a p p i n g ) 或特征转换( f e a t u r ec o n v e r s i o n ) 。综上所述。我们把特征 建模方法分为四种：1 ) 交互特征识别( i n 图卜2 所示) ：2 ) 自动特征识别( 如图 1 - 3 所示) ；3 ) 特征设计( 如图1 - 4 所示) ；4 ) 特征转换( 如图1 - 5 所示) 。 4 硕士学位论文 第一章绪论 用户1用户2 图卜2 交互特征识别 用户 图卜3 自动特征识别 图卜4 特征设计 1 5 特征技术研究现状 图1 - 5 特征转换 自特征概念提出以后，特征技术的研究便蓬勃展开。国i 杉 1 - 大量学术团体和 学者的研究工作都对特征技术的发展和应用作出了贡献。从特征识别到特征设 计，再到特征设计与特征识别的集成研究，研究工作不断深入并取得了丰硕的成 果。下面分几个主题综述特征技术的研究现状。 硕士学位论文 第一章绪论 1 5 1 自动特征识别技术 到目前为止，特征识别方法的种类己经很多，不同的学者提供的方法也不尽 相同，表卜l 列举了较有影响的几种。它们总体上可以分为五类：基于图的特征 识别方法、基于边界匹配、基于体分解的特征识别方法、基于痕迹特征识别和混 合式特征识别嘲。 表1 - 1 典型的特征识别方法比较 1 基于图的特征识别方法 因为零件的实体模型通常是采用图结构来描述的，因此在特征识别方法中最 常用的是基于图的匹配法r 猢。该类方法采用面边图( 包括图语法) 表示特征的边 界模式和零件的边界模型。面边图是指以面为结点、以面面之问的邻接关系为弧 的图。采用面边图表示特征的边界模式的主要优点在于：第一，特征的图表示具 有唯一性、完备性；第二，库特征的图表示易于生成。 j o s h i 和c h a n g 提出使用属性面邻接图( a a g - a t t r i b u t e da d j a c e n c yg r a p h 的 方法来识别特征h 引，a a g 与般面边图的区别在于其还将边的凹凸性表示为弧 的属性，即图中的弧被赋予0 或1 属性来表示相邻面间的夹角是锐角还是钝角， 如图1 - 6 所示。 基于图的特征识别方法的本质是子图同构，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。由于图的子图搜索算法十分耗时，因 此提高子图搜索算法效率是基于图的特征识别方法的一个关键问题。j o s h i 和 c h a n g 提出了一种特征搜索策略，即通过分离a a g 得到子图，并将它们与特征库中 的每个特征的属性面邻接图进行匹配，识别出特征。这种方法较大地压缩了图搜 索的计算量。但如果对a a g 分离不当，就会使特征的识别产生不合理的结果，因 此并不能识别出所有特征。 6 硕士学位论文第一章绪论 f lf 2 图卜6 台阶、凹角、凹陷的属性面邻接图 ( a ) 台阶( b ) 凹角( c ) 凹陷 鉴于子图匹配的特征识别方法对相交特征识别存在的困难，1 9 9 8 年，高曙明 和s h a h n 3 1 在基于属性邻接图的特征识别方法的基础上提出了把基于扩展邻接属 性图e a a g ( e x t e n d e d a t t r i b u t e d a d j a c e n c yg r a p h ) 和基于痕迹的特征识别方法结 合起来进行特征识别的方法，即基于最小条件子图的识别方法，该方法扩展了属 性图中结点和弧的属性，并把最小条件子图作为广义痕迹，通过对全凹面邻接图 适当扩展，识别出完整的相交特征。他们采用用虚拟连接使零件被破坏性交互分 割的面重新相交，从而使两种类型的特征交互得到较有效的消除办法，但该方法 识别效率有待提高。陈正鸣n 钔等人提出一种基于局部特征识别的特征有效性维护 方法，该方法改进了基于最小条件子图的特征识别方法，认为在进行特征识别时， 没有必要对整个零件进行重新识别，即只从产品的实体模型的局部区域出发自动 识别出其中包含的所有特征，但是没有进一步研究拓扑元素命名不当引起的特征 相交问题。 2 基于边界匹配的特征识别方法 不管是一般的实体模型还是特征模型，均离不开边界的表示，所以特征识别 的一个自然方法就是通过搜索零件的边界模型，寻找其中符合特征边界模式的区 域，进而识别出零件中包含的所有特征。我们将这类基于零件的边界表示，通过 边界匹配进行特征识别的方法称为基于边界匹配的特征识别方法。 1 ) 基于规则的特征识别方法 基于规则的特征识别方法通过规则定义特征的边界模式，基于专家系统进行 特征识别。h e n d e r s o n 提出了一种特征的规则描述“，如孔特征描述为：孔开始 于一入口面；孔的所有面顺序相连；孔终止与一个有效的孔底面。该类方法将零 件边界模型谓词表示中的事实与特征规则进行匹配，识别出零件中的特征。 基于规则的特征识别方法是最早提出的特征识别方法之一，但现在己不太受重 视。主要原因在于：第一，特征规则的定义方法不唯一，不完备且用户不易掌握； 第二，需要进行大量匹配，识别效率不高；第三，无法有效识别相交特征。 2 ) 其它基于边界匹配的特征识别方法 7 硕士学位论文第一章绪论 g a d h 于1 9 9 4 年提出了不等深度过滤器方法。该方法特点在于不是基于整个 零件的边界表示，而是基于零件的轮廓边表示寻找特征模式。由于物体的轮廓边 数远远少于实际边数，因此该方法大大压缩了特征的搜索空间，从而提高了识别 效率。该方法的问题在于究竟需要从多少视点建立零件的轮廓边表示才能满足特 征识别的需要，这依赖于零件本身的复杂度。 p r a b h a k a 和h e n d e r s o n 首次将神经网络技术引入到三维特征识别呛重。n o z t u r k 和f o z t u r k 对基于神经网络的特征识别进行了深入人研究泣3 矧。基于神经网络 的特征识别方法在理论上讲具有支持用户自定义特征、能够识别不完整特征和相 交特征以及高效等优点，困难在于如何将物体的复杂边界表示输入神经网使其便 于理解和推理。 s t e f a n o 心钔，张红武啪3 等人对基于语义的特征识别的做了相应的研究。 3 基于体分解的特征识别方法 在8 0 年代初，人们就开始研究直接从c a d 模型识别体特征的方法，即基于体 分解的特征识别方法。体分解的方法直接对三维实体进行操作，这种方法的关键 是零件的体分解策略，根据体分解策略的不同，体分解法分为两类，一类是基于 立体交替和分解方法，一类是基于单元体分解的方法。 1 ) 基于立体交替和分解的特征识别方法 1 9 8 2 年，w o o 首先提出a s v ( a l t e m a t i o gs u mo f v o l u m e s ) 体积分解的特征识 别方法瞄1 。该方法通过将非凸体表示为一棵以凸体单元为叶的结点，以集合运算 符为中间结点的分解树实现特征识别。w o o 方法存在着有时不能保证非凸物体的 立体交替和分解的收敛性且可能识别出不可能由一次加工操作完成的特征。k i m 等人改善t w o o 的方法口8 l ，提出了立体交替和剖分分解方法，解决了w o o 方法中体 分解可能不收敛的问题。可是基于立体交替和分解的特征识别方法对带有曲面物 体的凸包难以计算且效率不高。 2 ) 基于单元体分解的特征识别方法 基于单元体分解的特征识别方法与立体交替和分解的方法有一定的相同之 外。这种方法的基本思想是：首先，按照一定的规则把物体分解成一系列单元体 ( 单元体是指物体内部的凸体，单元体之间只能相交在边界上) ，每一个单元体就 对应一种加工方式；最后再组合单元体产生特征体。 s a k u r a i 提出基于切削去除体最大凸分解进行特征识别的方法哺，制，通过为 相应的特征面添加空间来创建特征体。y o o n h w a n 、w o o 和s a k u r a i 又提出通过对零 件去除体的分解识别出最大加工特征口，这里最大加工特征不是一个最终的加工 特征，而是一个中间特征，通过工艺规划得到最优的或满意的特征解释，并在分 解加工去除体过程中采用分割一占领的策略，在合理的时间解决真实复杂零件中 8 硕士学位论文 第一章绪论 最大特征的识别，使识别方法具有可伸缩性。 4 基于痕迹的特征识别方法 v a n d e n b r a n d e 和r e q u i c h a 发现由于特征交互现象的存在造成特征的实际几 何模型发生了改变，为此，提出了基于痕迹的特征识别方法魄1 。在特征相交时， 一个特征的完整边界模式已不复存在，但是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( 特征的痕迹是指一个特征实例被添加到零件模型 后，所保留的信息，包括几何的、非几何的如尺寸、公差等) ，因此可以用基于 痕迹的方法识别特征。基于痕迹的识别方法的具体过程是：首先从零件的几何模 型中提取出所有的特征痕迹；然后通过几何推理的方法来验证相对应的特征的可 能性；最后构造出完整的特征。但是该方法中的特征痕迹生成和延拓算法依赖于 具体的特征类型，难以添加新的特征类型。 由于基于痕迹的方法能够识别最一般的相交特征，引起了广泛的关注，j h h a n 贝, t j 继续了v a n d e n b r a n d 的工作，他采用不确定推理进行特征的测试，并用增量 识别的方法实现特征的转换。 1 5 2 基于特征的设计技术 基于特征设计是指采用预先定义好的特征来设计零件的方法。w i l s o n 曾经指 出：特征建模更合理的方法是使设计人员能按预先定义好的形状特征来建立模 型，而不是事后识别形状特征1 。由于特征可以包含零件的高层次信息以供其它 模块使用，并有利于提高c a d 系统的智能化程度，因此，基于特征的设计已成为 产品建模的主要方法之一，下面分别介绍它们的发展情况和研究的主要问题： 1 ) 特征的表示 特征的表示分别过程式表示和描述式表示。特征设计系统通过实例化特征库 中的一般特征产生特征实例，一般特征的表示方法是整个特征设计系统的基础， 它直接影响一个特征造型系统的性能。 2 ) 用户自定义特征 在特征设计系统中，特征以库的形式存放，当设计个产品时，设计人员人特 征库中选择合适类型的特征进行设计。由于不同类型的产品往往由不同类型的特 征构成，特征库中的特征类型很难完全固定。因此，特征表示应支持用户自定义 特征使得系统具有可扩充性。 3 ) 特征设计的参数化功能口5 镛1 面向c a d 特征技术是为了更全面的表达零件的设计或制造信息，是为直接体 现设计的意思，而参数化技术是为了体现零件的快带变形和修改，所以特征设计 应具备参数化功能，以有效支持变动设计。通过在特征表示中包含特征内部以及 特征之间的几何约束关系并通过约束求解来实现特征设计系统的参数化变动设 9 硕士学位论文 第一章绪论 计功能。 4 ) 特征有效性维护鲥 在特征设计过程中，一个重要的问题是当执行一个特征操作时其操作和设计 结果是否有效。这里有两个方面的问题：一是特征操作能否正常进行：二是生成 的物体是否满足用户的设计意图。特征的有效性问题是指特征体现在结果物体中 的特性是否与表示在特征定义中的约束条件一致，它包括特征有效性条件的表示 和设计过程中特征有效性的维护。 1 6 现有特征技术存在的主要问题 二十多年来，特征技术的研究取得了很大成就并在实际生产设计中得到了广 泛使用，但它仍存在一些困难的问题有待解决。这些问题主要有以下几个方面： 1 - 特征识别技术中的相交特征处理和多种解释问题 相交特征处理是特征识别中的难点，现有的特征识别方法一般只能识别 常见的相交特征，识别效率也不理想。另外，相交特征多种解释的组合爆炸则构 成了相交特征识别中的又一难题。 2 特征的有效性问题 长期以来，尽管特征有效性的表示与维护问题一直被人们视为特征领域一个 十分重要的问题，但至今这方面的进展甚微。 3 基于历史的参数化特征造型中拓扑元素的命名问题 在基于历史的特征造型系统对每一步特征操作都有记录，特征操作就是在旧 模型的基础上加入新的特征或修改已有的特征。在模型编辑后，为了使特征操作 中所引用的拓扑元素能被正确地在当前中间结果物体的边界表示中找到，有效的 拓扑元素永久命名和匹配机制必不可少。 4 复杂零件的特征识别。 主要表现在对曲面的处理、可识别的特征种类上( 现有方法只能识别常规的 切削加工特征) 和识别效率的问题。 5 有效的特征转换方法 特征转换的主要困难是组合转换，本质上还是相交特征识别问题。如何充分 利用领域知识和己有模型的特征信息提高对相交特征的处理能力的研究工作尚 不够深入。 6 基于特征的产品多领域模型和建模方法 特征技术被认为是c a d c a m 集成的关键技术。但到目前为止，虽然有些研究 者提出了基于特征的产品多领域模型的框架邛n 3 1 ，但具体的产品多领域建模方法 至今未见。产品多领域特征模型和建模方法有赖于如特征转换等技术的成熟。多 l o 硕士学位论文第一章绪论 领域建模中的一致性问题至今难以解决。 上面我们归纳了目前特征技术研究中存在的几个主要问题，这些问题的存在 不是孤立的，通常是相互交叉的。本文针对钣金件特点对上述部分问题进行深入 研究。 1 7 本文研究目标及内容 从前面的分析中可以看到，基于特征的c a d c a m 技术中还有许多问题需要进 一步研究解决。在国家自然科学基金项目( 项目编号：6 0 5 7 3 0 7 9 ) 的支持下，以钣 金件特征设计、钣金件拓扑元素的命名和辨识、钣金件相交特征识别问题为核心， 对钣金件特征技术中目前存在的部分关键问题展开研究。本文的研究目标和主要 研究内容为： 1 研究基于历史的特征造型中拓扑元素的命名和辨识问题。提出一种拓扑 元素命名和辨识的新方法。该方法是钣金件特征识别的基础，其特点是在特征模 型编辑后物体的拓扑结构发生变化时能有效地辨识出拓扑元素的前后对应关系， 并且能有效地支持钣金件相交特征的识别。 2 研究钣金件的特征分类。我们针对钣金件特点进行特征分类，并采用特 征二叉树的存储结构建立钣金件主形状特征之间的关系，这种树状的结构非常直 观地反映了钣金件的构成和特征之问的连接关系，并且可以运用成熟的二叉树算 法，方便的查询特征信息以及为钣金件的自动展开提供基础。 3 研究特征设计过程中相交特征的识别问题。提出基于抽象扩展属性邻接 图( a e a a g ) 的局部特征识别方法的。该方法采用a e a a g 来表示钣金件特征模型， 并提出用拓扑元素信息生成辅助边，最终通过拓扑元素编号机制分离a e a a g ，从 而进行特征匹配，不但实现了钣金件相交特征的自动识别，而且能够在两个特征 发生合并时提示用户进行特征合并。 4 研究钣金件自动展开问题。提出采用中序遍历特征二叉树的方法进行钣 金件自动展开，该方法待主特征全部展开完成，再通过指针引用依附于它的辅特 征，完成钣金件自动展开，从而避免了钣金件特征的重复搜索。 5 完成一个具有钣金件特征设计及展开功能的特征造型原型系统s m c a d 。 1 8 本文内容的组织与安排 本文共分为7 章。第1 章介绍了本文的课题背景和研究现状，进行钣金件特 征设计的意义和主要研究内容，并给出了本文的主要研究工作。第2 章介绍了钣 金件特征分类及“零厚度 假设的钣金件设计原理。第3 章介绍了钣金件拓扑元 硕士学位论文 第一章绪论 命名和辨识的新方法。第4 章介绍了钣金件特征建模以及基于抽象扩展属性邻接 图的局部特征识别算法。第5 章介绍了钣金件自动展开的新方法。第6 章介绍了 s m c a d 系统的结构和系统界面。第7 章总结了全文，指出了下一步的工作。 1 2 硕士学位论文第二章钣金件特征模型 第二章钣金件特征模型 2 1 钣金件特点及特征造型要求 钣金件是一种被广泛应用于机电、轻工、汽车等行业的零件，这些零件都是 由平钣毛坯经冲切或变形等冲压加工方式而加工出来的，它们与一般机加工方式 加工出来的零件存在着很大的差别。在冲压加工方式中，弯曲变形是使钣金件产 生复杂空间位置关系的主要加工方式。而其它加工方法一般只是在平钣上产生凸 起或凹陷以及缺口、孔和边缘等形状。这一特点是在建立钣金件造型系统时所必 须注意的。 在模具设计过程中，钣金件的形状是模具设计的主要依据，它决定了模具的 总体结构和形状。同时，钣金件模型是后续模具设计应用程序所需各种信息的载 体，这就要求零件模型能够反映出钣金件的特点，具体地说就是要反映出钣金件 的工程语义，使模具设计应用程序可以理解并方便地提取出所需要的信息。因此， 要建立一个既反映钣金件特点又满足c a d c a m 系统要求的钣金件模型，采用特征 造型技术是一个有效的办法，它能提供钣金件完整的信息模型。 2 2 钣金件特征分类及特征间的关系 2 2 1 钣金件特征分类 在基于特征的c a d 系统中，按照一定的规则对特征库中的特征进行分类会给 特征的定义、操作等带来很多好处。如把具有相同生成方式的特征归为一类，就 可以对一类特征构造一个特征创建方法而不必对每个特征都构造一个创建方法。 特征分类的有许多种方式，可以根据产品的类别、特征应用、特征形状等信息来 进行分类，可以分为单一特征和组合特征，或针对某一特定的应用领域，分成许 多子类，由于钣金件同其它机械零件一样，所以一个完整的描述一般包括形状、 精度、材料及技术要求等信息，即归纳为如下几个特征： 形状特征( f o r mf e a t u r e ) ：用于确定零件的全部几何信息和反映形体 构造关系和高层信息。 精度特征( p r e c i s i o nf e a t u r e ) ：反映了几何尺寸所允许的偏差，包括 各种公差和表面粗糙度信息。 材料特征( m a t e r i a lf e a t u r e ) ：反映材料的成分和状态的非几何形状 信息，包括材料特性、规格、材料处理和表面处理等信息。 管理特征( g e n e r a lf e a t u r e ) ：指与零件管理相关的信息集合，如零件 1 3 硕士学位论文第二章钣金件特征模型 名、零件类型、g t 码、设计者、设计日期等。 针对具体应用领域，还可以进一步划分为装配特征、加工特征等等。 以上这几种特征，前三种特征基本上包含了产品的设计和制造应用领域所需 要的全部信息，其中形状特征作为零件描述信息的核心，是其它特征赖以生存的 主体，是实现特征造型的关键。本文所做的研究也是针对钣金件的形状特征进行 研究。 从钣金件的几何构成分析，形状特征又可分为如下两种特征( 如图2 - i ) ： 1 ) 主特征 主特征是指能反映出钣金件主要构成部分的特征，它可以单独存在，包括平 钣特征( p l a n ef e a t u r e ) 和弯曲特征( b e n df e a t u r e ) 。 2 ) 辅特征 辅特征是指依附于钣金件主特征的特征，包括圆孔特征( r o u n dh o l e ) 、方 孔特征( r e c t a n g u l a rh o l e ) 、切口特征( i r r e g u l a rh o l e ) 、槽孔( s l o th o l e ) 胀形特征等。 图2 - 1 钣金件特征分类 下面以图2 - 2 所示的实例钣金件进一步详细介绍有关典型形状特征。 1 ) 平钣特征：构成钣金件的平面形状，平面形状是钣金件的基本部分，是 局部成形和冲孔的母钣。 图2 - 2 一个典型的钣金件 2 ) 弯曲特征：零件上平面与平面之间过渡的圆弧部分，是由弯曲加工工序 产生的形状，通常情况下是圆柱面，也可以是圆锥面、圆环或更一般的过渡连接 硕士学位论文 第二章钣金件特征模型 面，如直纹面、c o o n s 曲面等，这里主要考虑圆柱面的弯曲特征。 3 ) 孔特征；为冲裁加工而形成的孔，其形状多种多样，如圆孔、方孔、槽 孔及各种切口等。 4 ) 局部成形特征：是由局部成形工序在钣金件上产生的形状，包括压筋、 胀形、撕口等。 2 2 2 钣金件特征间的关系 每一个钣金件都可以分解为一个或多个特征，它们之间的相互关系构成一个 完整的钣金件。针对钣金件的特点，我们把钣金件特征之间的关系分为如下三类： 1 ) 基准特征：在钣金件设计和展开过程中，存在一个位置不动的特征，其 它特征的位置相对于此特征发生变化。图2 - 3 中平面特征p 1 表示基准特征。 2 ) 附属特征：附属于其它特征而不能独立存在的特征，即钣金件中的辅助 特征不能独立存在，要依附于主特征。图2 - 3 中h 1 为p 1 的附属特征。 3 ) 相邻特征：指具有邻接关系，相互独立的特征。一个特征可以有一个或 多个相邻特征，所有相邻特征具有同等地位。对钣金件而言，相邻特征主要是指 主要特征之间的关系。图2 - 3 中与平钣特征p 2 相连的弯曲特征b 1 和b 2 都是p 2 的相邻特征。 图2 - 3 钣金件实例 2 3 “零厚度钣金件设计原理 2 3 1 “零厚度概念 随着c a d c a m 技术的成熟，国内外软件开发者都先后推出了自己的钣金c a d c a m 特征造型系统。国外比较著名的有：工作站中的p r o e n g i n e e r 钣金系统、u g 钣金系统和微机平台上的s o l i d e d g e 钣金系统及s o l i d w o r k s 钣金系统。这些钣金 c a d c a m ( 有的只有c a d ) 系统都是以三维特征造型核心系统作为软件平台开发的。 国内c a d c a m 才刚起步，而且大部分是针对某一企业的专用系统，不具有通用性。 硕士学位论文 第二章钣金件特征模型 由于受国外c a d c a m 设计思路的影响，许多软件开发者认为钣金c a d c a m 系统 一定要有三维实体造型系统的支持，但是三维造型系统的造型过程十分复杂，操 作麻烦，系统维护困难，而且一套设备价格昂贵，而且由于钣金件有其特殊性， 三维平台不是必需的，以色列学者m s h p i t a l n i 等在钣金件的构造方法上进行了 探索性的研究，并在“a n n u a l so fc i r p ”上讨论了在“零厚度”假设( 因为钣 金件的母钣是等厚度的，所以可以将钣金件的结构抽象成由一组零厚度的面构 成，这就是“零厚度 假设) 下利用各种约束进行钣金件结构设计的可能性m 1 。 m s h p i t a l n i 提出的具体实现方法是首先绘制出二维的展开图，然后再通过定义 约束的方法构造出钣金件的结构，图2 4 是m s h p i t a l n i 给出的一个实例，图2 - 4 ( a ) 所示为钣金件的二维展开图，通过对a h 、e d 、g h 、e f 等边的三维空间约束关系的 定义，并利用三维造型程序的约束求解功能，构成图2 - 4 ( b ) 所示钣金件的三维结 构。 一) h口巳 oo 口00口 bc 图2 - 4 通过定义约束的方法构造出钣金件 这种方法存在着缺点，因为在没有设计出钣金件三维结构之前，要直接画出 二维展开图是很困难的，尤其对于复杂的钣金件结构更是如此；另外，传统的钣 金件设计方法中常采用三视图来表达钣金三维结构，但是由于三视图中存在大量 的剖视图、局部放大、简化画法等特殊表达方法，所以用计算机识别三视图非常 困难。为更容易实现c a d 至i j c a m 的集成，应首先构造出钣金件的三维结构。 2 3 2 基于边界表示法的钣金件特征数据结构 1 钣金件的边界表示法 在特征造型系统中，有两种表示方法被