（机械制造及其自动化专业论文）基于切削体分解组合策略的工艺特征识别方法研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 良好的工艺特征识别方法是有效集成c a d c a p p c a m 系统的重要手段。论 文以金属加工零件的切削体为研究对象，对切削体工艺特征识别方法进行研究。 提出一种切削体分解组合策略，研究该策略下切削体分解、组合、匹配等工艺 特征识别操作，探讨特征识别过程中设计、工艺信息转换，以实现工艺特征智 能化识别。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 构建了基于切削体分解组合策略的工艺特征识别框架，对该策略下工艺 特征识别的原理、流程进行研究，并将本文特征识别方法与多种类似特征识别 方法进行比较区分。 ( 2 ) 提出了一种基于扩展属性邻接图( e a a g ) 的切削体过程模型统一描述方 法。定义工艺特征识别中的各类过程模型，描述过程模型的主要操作模式，提 出过程模型信息提取方法。 ( 3 ) 提出了切削体分解组合策略。研究切削体分解组合策略中分割面产生原 理和表示方法、切削体分解和组合规则的生成、排序以及规则冲突消解，并对 特征识别过程中的分割面新增和失效、切削体多重组合等现象进行了探索。 ( 4 ) 研究了工艺特征识别过程中信息的转化和处理方法。改进定位面的定位 能力计算方法，并设计出自动产生工序的定位方案的算法；引入小位移旋量( s d t ) 数学模型描述了工序切削体的工序公差，构建工序尺寸公差网络，建立公差回 路上的工序公差累积模型，利用基于小生境的协同进化算法实现三维工序尺寸 公差的优化分配。 ( 5 ) 在s o l i d w b r l ( s 设计平台上，开发了部分典型工艺特征识别功能模块。描 述了功能模块的开发目标、开发环境以及相关开发工具；实现了切削体生成、 分解、组合等十余个子功能。最后通过应用实例给出工艺特征识别功能模块的 主要应用过程。 论文提出的基于切削体分解组合策略的工艺特征识别方法不仅有助于提高 工艺设计的智能化，同时为c 觥a p p c 舢订的集成应用提供了一条有效的途 径，具有一定的理论意义和实际应用价值。 关键词：特征识别，分解组合策略，扩展属性邻接图，小位移旋量，协同进化 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t a p p r o p r i a t ef e a ：t i 鹏r e c o 印i t i o nt e c l l i l o l o g yi sa l w a y sc o i l s i d e r e d 嬲趾i l p o n 2 m t a n de 彘c t i v em e 也0 df o rm e 刚i o no fc a d c a p p c a ms y s t e i i l s t r e a t i n gd e l 协 v o l u m eo fm e t a lm a c 岫gp a r t 嬲r e s e 眦ho b j e 吒仳sd i s s e n a t i o nr e s e a r c h e s p r o c e s sf e a t u r er e c o g i l i t i o n 印p r o a c ho fd e l t a - v o l u m e d e l 协v o l 岫ed e c o m p o s i t i o n a i l dc o m b i n a t i o ns n a t e g ) ri sp r o p o s e d ，锄ds o m eo p e m t i o i l ss u c h 嬲d e c o m p o s i t i o n 、 c o m b i n a t i o na n dm a t c l l i i 冯a r er e s e a r c h e d ，m e 仃a i l s l a t i o nb e 帆e e nd e s i g n 锄dp r o c e s s m f o n i l a t i o ni sd i s c u s s e dt 0r e a l i z ei i l t e l l i g e n tp r o c e s sf e a ：t i 】r er e c o 鲥t i o n t h em a i l l c o n _ t r i b u t i o r l sa r l d 的i k sa 陀a sf o n o 、s ： ( 1 ) t h e 鼬e w o r ko fp r o c e s sf e a t l l r er e c o g i l i t i o ni sc o 咖酏e d ，n l e nm eb a s i s m e o r y r e c o g l l i t i o np r o c e s s 锄dt l l er e a l i z a t i o nm e t i l o do ft h ep r o p o s e dp r o c e s sf e a ：嘶 r c c o g l l i t i o n 印p r o a c h a r ea n 硝y z e da r e rt 1 1 ec 瑚tm a i l lf e a ：t u r e r e c o g n i t i o n 印p r o a c h e sa r ec o m p a r e de a c ho m e r ( 2 ) n e 岫i f i e dd e s 嘶p t i o nm e t h o do fd e l t a - v o l u m ep r o c e d u r em o d e l si sp u t f o 刑a r d 雒e x t e n d e da t t r i b u t ea 由a c e n c yg r 印h a a g ) m ll 【i n d so fp r o c e d u r e m o d e l sr e l a t e dt op r o c e s sf e a t i l r er e c o g i l i t i o na r ed e f m e d ，w h o s ep r i m a r yo p e r a t i o n m o d e sa r ee x p o u n d e d 1 1 l ee ) 【臼僦i o nm 劬o do ft l l e 珊f o m a t i o no fp r o c e d u r em o d e l s i sd i s c u s s e d ，t o o ( 3 ) t h ed e l t a - v o l u m ed e c o m p o s i t i o na n dc o m b i n a t i o n 蛐啜t e g yi sr e s e a r c h e d ， 、) l ，_ h i c hi n c l u d e st l l eg e n e r a t i o n l e o 巧a i l dd e s c r i p t i o nm e t h o do fp a n i t i o n 鲫r f 砬e s ，m e c r e a t i r l ga n do r d e r i i 培趾dc o n f l i c t sr e s o l v i n go fm em l e sf o rd e c o i n p o s i i l g 锄d c o m b i n 访gt 1 1 ed e l t a - v o l u m e s i n 敏l d i t i o n ，s o m ep h e n o m e n o n sa r e 趾a l y z e ds u c h 嬲 n e 、- a d d i i l ga n dl o s i n ge 日 e c t i v e n e s so fp a r t i t i o ns u r f 砬e s 锄dm u l t i - c o m b i l l a t i o no f d e n a v 0 1 u m e s ( 4 ) t h ei i l f o 肌a t i o n 们n s f e 玎i n ga n dp r o c e s s i r 培d u r i i l gt 1 1 ep r o c e s so ff e a ：t u r e r e c o g i l i t i o na r er e s e a r c h e d l o c a t i i l gc 印a b i l i 锣o fs e l e c t e d 跚r f a c e si sc o m p u t e d ，a i l d t 1 1 e nl o c a t i o np r o 伊锄i sg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l y s m a l ld i s p l a c e m e n tt o r s o r ( s d d 廿l e o 巧i su s e dt 0d e s c r i b ep r o c e s st o l e r a n c e so fo p e 豫：t i o nc u tv o l u m e s ，锄do p e m t i o n t o l e 砌c en e ti so r g 锄i z e d ，t h e nm ep r o c e s st o l e r 锄c es t a c k - u pm o d e l sa r ec 0 咖t e d u s i l l gd y n a i n i c a li l i c h es e t s b a s e dc o o p e 枷v ee v 0 1 u t i o n a 巧a l g o r i 1 m ，o p c 粕t i o n 武汉理工大学博士学位论文 t 0 1 e 舢c e sa s s i 掣l e mi sa c l l i e v c d ( 5 ) t h e 劬c t i o n0 np r 0 c e s sf e 砷肛cr 。c o 嘶t i o ni sr e s e a r c h e d 锄dr e a l i z e d i t s d e v e l o p m e n tg o a l s ，e n v 砷n m e n t s a n dt o o l sa r em e n t i o n e d m o r et h 觚钯i l s l i b 一向n c t i o n sa r ed e v e l o p e d ，i l l c l u d i l l gg e n e m t i o n ，d e c o m p o s i t i o n 锄dc o m b 洒a - t i o no f d e l 协v o l 眦e s a tl a 瓯o n ea p p l i c a t i o nc 弱ei sa 肋r d e dt 0s h o w 也e 硼m a 巧n o wo f m e 百v e n 劬c t i o l l s t h ep r o p o s e d 印p r o a c ho np r o c e s sf e a ：t u r er e c o 鲥t i o nb a s e do nd e l t a - v o l 啪e d c c o m p o s i t i o n a n dc o m b i n a t i o ns 们t e g ) ri sn o t 0 1 1 1 yh e l p 伽 t oe i l l l a n c e 吐l e i i l t e l l 远e n c eo fp r o c e s sf e a ：t u r er e c o g l l i t i o i l ，b u ta l s op r o v i d e sa ne 行e c t i v ew a yt o 缸e 铲a t ec a d c a p p ，谢t hc e i r t 咖m e o 巧s i 嘶f i c 锄c ea n dp 瑚而c ea p p l i c a t i o n v a h l e s k e yw o r d s ：f e a n 鹏r e c o 印i t i o l l ，d e c o m p o s i t i o n 锄dc o m b i n a t i o ns t r a l e 鼢e x t e n d e da 埘b u t e a d j a c e n c yg m p ks m a l ld i s p l a c 锄e n tt o r s o r ，c 0 0 p e r a t i v ee v o l m i o n h i 武汉理工大学博士学位论文 武汉理工大学博士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 计算机技术和信息技术迅猛发展，使得制造环境和制造方式发生了根本性的 转变。以先进制造技术为核心的制造业正朝着全球化、集成化、智能化以及柔 性化等多个方向发展。2 0 世纪9 0 年代以来，由联邦科学、工程与技术协调委员 会主持实施的先进制造技术计划( a d v a i l c e dm 籼t 嘶n gt e c h i l o l o 鼢a m d 一度 改变了美国曾称为夕阳工业的制造业的发展势态【l 】。此后，欧洲各国、日本以及 亚洲新兴工业化国家也相继实施了该计划。我国中长期科学和技术发展规划纲 要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 明确指出先进制造技术在信息化方向的发展是未来制造业赖以生 存的基础和可持续发展的关键，要重点研究数字化设计制造集成技术，建立若 干行业的产品数字化和智能化设计制造平台【2 】。 在技术信息化的研究领域，c a d c a p p c a m 一直是研究的重点和热点。三 维c a d 及特征技术的发展从根本上改变了机械设计方法，三维c a d 中现代设计 理念更对传统机械设计模式进行了创新式变革。目前，c a t 认、u gn x 和 p r o e n g i n e e r 、s o l i d w b r l 娼， s o l i de d g e 以及i n v e n t o r 等三维c a d 软件在航空航天、 汽车、船舶、机械、电子等行业得到广泛应用，三维c a d 大有取代二维c a d 的 趋势。与此同时，特征技术也逐渐渗透到工艺、分析仿真、制造等领域，尤其 是三维工艺设计系统已经得到了更多的关注和重视。传统二维的工艺设计系统， 大多基于二维平面设计蓝图，即便是以三维模型作为输入，也是转换成二维的 工序简图。随着三维c a d 技术逐步发展，企业需要一种可视化更强，与c a d 、 c a m 系统集成度更高的三维工艺设计系统，既能够充分地转换三维的设计模型， 又能够向c a m 系统输入制造模型，甚至是n c 代码。以u g s 、d e l m a 为代表的 国外三维系统将工艺规划的模块与设计、分析集成在一起，以实现三维工艺设 计，这种方式得到了很广泛的应用。然而在国内，三维工艺设计直到近些年才 得重视。2 0 0 7 年，“十一五 8 6 3 计划提出“基于三维产品模型的集成化c a p p 系 统的研究，旨在通过研究基于三维产品模型的集成化c a p p 关键技术、开发针 对行业需求的专用工具集，形成具有自主知识产权的三维c a p p 软件产品并占领 更广阔的市场。 武汉理工大学博士学位论文 要实现三维工艺设计，首当其冲的问题就是如何充分理解三维设计模型， 并转化为工艺信息。当前设计数据转换问题突出表现为：设计特征无法直接成 为工艺特征。由于特征技术的不完善，三维c a d 模型大多基于设计特征和形状 特征，c a d 系统都是通过几何和拓扑的形式定义和存储设计信息，产生基于几 何学理论的线框模型、曲面模型和实体模型。低层次的点、线、面和基本体素 无法为下游的c a p p 、c a m 等系统理解和接受【3 l 。所以需要大量人工干预和二次 处理以重新构建零件模型，这不仅额外增加了劳动量，更带来人为产生的不确 定因素。如何在不同的c a x 系统间有效地传输产品信息成为面向产品生命周期 建模的核心问题之一，也成为设计、工艺、分析和制造等系统间集成的难点之 一【4 】。由此而产生了以下三个需要解决的问题： 统一完备的产品信息表示模型。产品的信息模型必须要满足两个特性：完 整性和一致性【5 1 。完整性要求产品模型应尽可能多地提供产品生命周期内的各种 信息，既要包含产品结构的几何拓扑信息，又要包含产品的非几何信息，还要 包括零件材料、工艺要求、表面精度以及一些产品管理、技术要求及制造信息； 一致性要求对产品信息的定义和描述应与其他系统的信息描述统一，从而支持 系统间数据交互和共享。早期的c a d 模型一般只记录产品的几何信息，而不保 存其他工程语义信息，之后基于特征技术的c a d 模型能保存零件的几何和非几 何信息。然而如果将工艺信息附加在特征表面上，则不能完整表现特征之间的 基准参考、位置公差等工艺信息；而利用特征直接描述表面精度、热处理要求、 形状公差等信息又不够细化【6 】。随着特征技术的不断发展和深层次应用，统一完 备的产品信息表示模型成为实现产品全生命周期管理和系统无缝集成的基础和 前提条件。 智能化特征识别技术。特征技术在产品信息交换共享和系统无缝集成等问 题上提供了两种解决方式：基于特征的设计和特征识别。基于特征的设计是指 完全用预先定义好的工艺特征来进行模型设计，并融合参数化设计理念，实现 制造模型的直接设计。基于特征设计的c a d 模型包含了丰富的工艺信息，减少 了从设计模型中提取信息的过程，但是利用工艺特征进行设计的方法一方面不 符合设计习惯，另一方面预定义的制造特征库限制了选择更合理加工方式的可 能。特征识别技术自提出后，一直受到人们的高度重视，并取得丰富的成果。 目前典型的特征识别方法可分为九种，其中大多特征识别技术仅针对几何特征 进行识别，因此有必要研究特定领域的特征识别技术。结合领域知识，设计智 能化特征识别策略，实现自动化的领域特征识别技术，如工艺特征、分析特征、 2 武汉理工大学博士学位论文 检测特征、制造特征等。 有效的设计数据提取和转化方法。即便是完整一致的产品信息模型，也不 能将产品的设计信息直接应用到工艺、制造等领域。尤其是设计、工艺信息的 转化，不是简单通过中性文件传递或者从产品属性集里提取就能实现，而是要 将设计的基本信息、设计要求以及设计意图转化为工艺规划中的决策依据、工 艺参数等工艺信息。设计、工艺间的信息转换包括了设计基准与工艺基准的转 换、设计尺寸和工艺尺寸的转换、设计公差和工序公差的转化，而这些信息的 转换又不单单是一对一的对应，要根据设计模型中的基准、尺寸、公差、材料 以及其他的设计信息，综合地规划安装定位基准、加工方向、工序尺寸和公差。 如何寻找各领域信息之间的关联，并找到合理的信息转换方法，是具有实际应 用价值的重要问题。 1 2 国内外研究现状 工艺特征识别技术是在统一的产品信息描述模型和工艺特征描述模型的基 础之上，应用工艺领域知识智能识别出工艺特征的同时，对特征识别过程中的 信息进行提取，并将设计信息转换成工艺参数或工艺决策信息。本文围绕工艺 特征识别，归纳和总结国内外在零件信息的描述和提取、自动化特征识别技术 以及设计工艺数据转换方法三个方向的研究历程和成果。 1 2 1 零件信息的描述和提取 零件的信息描述方法包括自然语言、自由手绘草图、工程图、物理模型、 成组技术、符号表示以及c a d 模型【_ 丌。c a d 模型是制造集成信息化的数据源头， 它又可以分为表面模型、b r e p 模型、c g s 模型和混合c s g b r e p 模型。表面模 型能够描绘复杂的自由曲面，但却不能直接用于工艺、制造规划。b r e p 模型是 基于图的，所有几何拓扑信息显式表示在顶点、边、面图中，非几何信息可以 直接关联到图上，但是低层的几何信息并不能直接反映特征体素，因而难于进 行特征操作；c g s 模型则是通过体积元素构造零件，便于操作体素，但是c g s 表示不具有唯一性，也不能显式表示低层的构型元素。混合c s g b r e p 模型则 可以集两种方式之长，多级表示零件信息。 不同的三维设计软件产生的零件文件格式不同，数据的存储结构也有很大 差异，因此可以将零件信息的提取方式分为平台关联提取和平台非关联提取【8 】。 武汉理工大学博士学位论文 平台关联提取就是直接通过对三维设计软件的a p i 函数进行调用，获得零件的 几何拓扑信息和工程语义信息；平台非关联提取则是不依赖设计零件的软件， 直接操作中性数据格式的文件( 如i g e s 、a c i s 、s t e p 文件) 来提取零件信息。当 前主流c a d 软件包括u g 、p r o e 、s o l i d w o d 岱、s o l i d e 趣e ，围绕这些软件的零 件信息提取的研究也非常多。朱强分析介绍了s o l i d w b r l ( s 的数据存储方式和支 持的o l e 技术和对象，并调用s o l i d w 6 r k sa p i 函数开发了一个零件特征信息提 取实用程序【9 1 。胡亚辉和陈树晓分解面向c a d c a p p c a m 集成制造环境，利用 s o l i d 、r l 岱a p i 提取制造加工信息，只是他们采用的开发语言分别为v b 和 v c + + 【1o 1 1 1 。马飞在s o l i d w | 0 r k s 环境下主要研究了零件非几何信息的提取【1 2 1 。赵 金才在p r o e 环境中对零件模型的几何尺寸信息、检测信息的自动提取方法进行 了大量的研究，为实现c m m ( 三坐标测量机) 的自动检测提供零件信息【l 弘1 5 】。蔡 汉明对p r o e 零件文件的自定义属性的提取进行了研究【1 刚。王文静对p r o e 零件 文件的装配信息进行提科1 。丌。黎荣在u g 环境下，集成特征识别技术和基于特 征设计的技术，实现对零件的制造加工信息进行提取，并提出一种从零件模型 工程数据库中提取零件表面粗糙度、几何公差和基准等信息的方法【1 引。何丽以 s o l i d e d g e 软件为开发平台，分析研究装配体和包含于装配体内零件的内部信息 表达，实现s o l i d e d g e 装配b o m 信息的自动提取【1 9 l 。平台关联提取方法可以 针对特定的c a d 软件，充分利用软件的a p i 函数，获得完整的零件信息。除此 之外，如果零件设计是面向制造的，平台关联提取方法还可以直接利用设计特 征，以此获取更高级的特征语义信息。但是平台的各异性使得该方法存在通用 性问题，并可能由于升级引起零件信息提取程序的相应更新和升级。为此，平 台非关联的方法试图摆脱对软件的依赖，用一种中性格式的文件来实现零件信 息的提取。 为实现产品数据统一描述和传输，许多国家陆续制定了各自的产品数据交 换标准或图形传输数据标准，如美国的i g e s ( i i l i t i a l 渤p m c se x c l l a n g e s p e c i f i c a t i o n ) ，德国的v d a i s 、s e t 以及国际标准化组织的s t e p 【2 0 l 等标准。i g e s 标准是c a d 领域应用最为广泛的标准之一，几乎所有商业化的c a d 软件都提 供i g e s 接口。然而，i g e s 标准仅仅定义了产品的造型、几何拓扑数据，很难 表达其他工程语义信息，这就使得i g e s 在c a d 系统之间进行数据交换顺畅， 而c a x 系统间信息交换时显得不足和困难1 2 。直到i s o t c1 8 4s c 4 在s a nd i e 9 0 召开的分委会全体会议上，发布了s t e p 标准应用协议框架，s t e p 建模方法也 日趋完整。 4 武汉理工大学博士学位论文 s t e p 致力于用中性格式文件详尽描述产品全生命周期的产品信息，包括设 计、工艺、仿真、分析、制造和检测等阶段，s t e p 能够描述产品的几何、拓扑、 公差、装配关系以及其他各类属性。在c a x 系统集成框架下，可以利用s t e p 文件作为数据交换的载体，实现系统间产品信息的交互和共享瞄珊1 。随着s t e p 的发展，i s 0 1 4 6 4 9 扩展了i s o1 0 3 0 3 ( s t e p ) ，实现了c 觥a m 与n c 加工工 具之间的数据集成，由于i s 0 1 4 6 4 9 与i s 0 1 0 3 0 3 完全兼容，因而被命名为 s t e p - n c 例。x u 系统描述了如何利用s t e p - n c 实现c a d c a p p c a m c n c 之 间的整体集成【3 呻1 1 。l i u 、c h u n g 、y 协o f 和z h a i l g 也陆续对s t e p n c 进行了研 究【2 9 ，3 2 搿】，将之前传统的c a x 系统集成扩展到了c n c 系统，实现与数控加工一 体化集成。 在s t e p 标准中，a p 2 0 3 应用协议主要针对配置管理的产品三维数据交换 而设定，主要描述产品的配置信息和三维几何信息，a p 2 2 4 应用协议定义单个 机械零件的制造过程所需的信息模型，描述产品的外形和相应的加工信息【3 5 】。 由于大多c a d 系统采用特征造型构建三维模型，且输出s t e p 文件为a p 2 0 3 格 式，不包含特征实体和特征定义，由此造成了大量特征信息的丢失，所以利用 s t e p 文件实现设计数据向工艺数据转换，仍需要使用特征识别提取技术来完成 不同协议间的数据转换【3 9 】。吼e s h b a b u 提出一种混合式的特征识别方法，利 用体分解和面邻接图方法从s t e p 三维数据模型中识别出制造特钳删。针对现有 数据模型在材料、公差以及工艺信息等方面的缺失，张伟研究了在基于s n p 的 面向特征的产品数据模型中集成这些信息的方法【4 1 1 ，建立了一些常见特征，如 孔类、平面、外圆、平面槽及旋转槽、圆周阵列、矩形阵列等特征的信息模型， 并用e ，r e s s 语言来表达，该模型不仅包含几何拓扑信息，而且增加了公差、 工艺路线、装夹、定位、加工方法及材料等信息。 s t e p 标准几乎覆盖了产品生命周期的所有信息需求，并将模型的表达和实 现技术分离开来，因此成为研究和应用的热点。在制造领域，s t e p 广泛的应用 到航天、船舶、汽车等行业。b o e i n g 公司是航空工业的领头企业，它与r o l l s r o y c e 公司合作，采用s t e p a p 2 0 3 进行数字化预装配，并应用在b o e i l l g7 7 7 的项目 中；同年美国1 5 家主导汽车公司和零部件供应商开始a u t o s t e p 数据交换项目， 历时3 年；浙江大学、北京航空航天大学最先引进s t - d e v e l o p e r 、a c i s 等s t e p 支持工具和平台，构建面向c a x 的产品模型，并成功研制了“金银花 集成系 统；哈工大集中对a p 2 0 l 应用协议开展了研究。 目前，大多主流商业三维c a d 都提供s t e p 接口，零件信息既可通过s t e p 武汉理工大学博士学位论文 文件格式存储起来，也可以通过调用s t e p 接口函数访问零件信息。然而这些商 业软件提供的s t e p ( a p 2 0 3 ) 文件本身只包含零件的几何拓扑信息，而提供的 a p 2 2 4 文件中的特征信息也并不完整。因此，基于s t e p 的零件信息的提取和转 化中所处理的数据大多都是几何拓扑数据和简单的模型属性信息，而所谓的特 征也仅仅限于形状特征，工艺、制造特征所含有的工程语义信息量很少，不足 以进行完整的工艺设计或制造加工。s t e p 应用仍然处于数据交换的层次，如何 描述和提取完整的零件信息，适应现代设计制造的要求，仍需要进一步的研究。 1 2 2 自动化特征识别 特征识别就是从零件模型中获取相关的特征信息，并应用于特定的工程领 域。如工艺特征识别即是从零件模型中获取工艺特征信息，以指导零件的工艺 规划过程。起初的特征识别技术主要针对零件几何特征的识别，胁y e r l 4 2 j 首次在 他的博士论文中阐述从零件的实体模型中提取几何形状，并应用于数控加工中 的刀具轨迹规划，k y p r i a n o u 【4 3 】则明确提出特征识别的思想。之后，特征识别受 到广泛关注和深入研究，各式各样的特征识别方法不断涌现出来，其应用领域 也不断地扩展到产品全生命周期的各个阶段，包括分析、仿真、工艺、加工和 检测等领域。文献【4 4 】对自动化特征识别技术进行了归纳，将特征识别技术分为 了两类：基于边界匹配的特征识别方法和基于立体分解的特征识别方法，并指 出相交特征、复杂特征以及基于多种信息的特征识别是目前面临的三类重要问 题。文献【4 】在博士后研究报告中将自动化特征识别技术分为4 类，他将基于痕迹 的特征识别方法从基于边界匹配方法中独立出来作为一类特殊的特征识别方 法，并把混合特征识别也单独列为一类。文献 4 5 】列举了9 种常见的特征识别方 法，并给予各自特征识别能力的评价，并认为切削体分解方法在相交特征的识 别问题上效果显著。而在b o i a i lb a b i c 【8 】的特征识别综述中概括的特征识别方法更 高达1 2 种。本文中根据特征识别参考的信息类型将自动化特征识别技术概括为 三类：基于几何实体的特征识别、基于多信息的特征识别和基于工程知识的特 征识别。 ( 1 ) 基于几何实体的特征识别 当前大多的特征识别方法都是基于几何的特征识别，他们分别利用实体模 型的边界信息、图结构或者体结构来实现特征识别，识别的特征为几何形状特 征。h e n d e r s o n 先将特征描述为一种边界规则模式，然后通过零件的边界模型谓 6 武汉理工大学博士学位论文 词表示与特征边界规则进行描述，以此识别特征削。b b a b i c 利用该方法开发了 c 胱a p p 集成接口，来识别孔、台阶、槽等几何特征【4 7 4 8 】。h k d b o u z a l 【i s 也开发了类似的系统，旨在利用边界规则从i g e s 文件中识别棱形零件的几何特 征，并用于c a p p 系统中工艺规划【4 9 】。边界规则模式描述并不统一，也很难掌握， 无法识别相交特征，复杂特征的匹配效率很低，当前很少使用。 仅利用零件边界信息的特征识别方法在效率和识别特征的复杂程度上都不 高，j o s l l i 和c l m g 提出利用属性面邻接图描述零件的边界信息，通过属性形式 描述边面关系，使特征边界描述更加完整【5 0 1 。基于图的特征识别方法就是在零 件的属性面邻接图中搜索并匹配子图。之后展开了基于图的研究，包括围绕子 图的搜索策略、图中相交特征识别等。由于图的子图搜索算法是n p 问题，其搜 索效率很低，为此基于图的另一种变异方法就是基于图分解的特征识别方法。 o o w o d l l n i l i 将图从弧连接属性均为1 的节点处分解开，形成子图，在子图中进行 搜索匹配特征，该方法能有效提高图搜索效率【5 。刘晓平等也对图分解的特征 识别方法进行了研究【5 2 1 。所有基于图的特征识别方法需要预定义特征图结构， 虽然图在几何信息描述上相对完善，但是图在体结构及体素之间关联的表述上 并不是显式的，当特征相交时，图的结构将变得更加复杂，当然可以构造相交 特征的图结构，但是这将增加匹配的难度和效率。除此之外，由于识别的要素 仍然限于边线面，因而所识别的特征也不能保证制造可行，比如不能应用于 c a p p 系统中。 特征是具有高层语义的几何实体，前面两类方法过多地从细节出发，忽略 了基本体素及体素之间的关联，因而在处理复杂特征上显得力不从心。为此也 促使了直接从“体的层次去考虑特征识别的方法。基于立体交替和分解的特 征识别防5 引、基于单元体分解的特征识别【5 9 删、基于切削体分解的特征识别方 法【6 1 蚓和基于半空间剖分的特征识别方法【6 3 1 等被提出，这些方法使处理相交特 征的问题有了相当大的改观，由于体的分解和组合，产生大量的特征解释，一 方面对获得更合理的特征提供了可能，另一方面也给计算处理带了挑战。 基于几何实体的特征识别方法从边线、面和体的层次去识别特征，这在几 何特征识别上具有很大的成效。然而零件设计模型中设计信息没有被充分地利 用，致使特征识别的效果和效率并不理想。如何结合多类信息，综合智能识别 特征成为研究的方向。 ( 2 ) 基于多信息的特征识别 零件模型中除了包含几何拓扑信息以外，还包括设计中产生的尺寸、公差 7 武汉理工大学博士学位论文 和设计要求等信息。利用设计信息，可以实现几何特征识别扩展性研究。j h v a n d e n b r a n d e 最初提出的基于痕迹的特征识别方法，其基本原理仍然是通过空间 几何推理，但也为利用非几何信息提供可能【6 4 1 。在j h h a l l 的研究中【6 5 】，用户的 直接输入、公差和属性以及设计特征成为了痕迹产生和搜索的依据，他开发的i f 2 系统反映了特征识别和特征设计的结合能力，i f 2 使用启发式方法产生特征解释， 并根据用户的设计要求产生可变的特征识别结果。在这之后，i f 2 系统开始参考 刀具库识别制造特征【矧，以方便c a p p 系统中产生工艺序列。韩水华介绍了一 种智能特征识别器【6 7 1 ，它能利用零部件已有的几何、公差、属性以及设计特征 等信息，自动生成相应的特征模型解析，特征识别机利用了一种基于线索的方 法，并采纳了人工智能的技术，如黑板结构及不确定性推理方法，以达到几何 完整性的推导。为了更好利用零件模型中的非几何信息，顾琳提出了中介信息 元对象模型，并作为非几何信息的载体【6 】，先根据特征几何约束规则进行制造特 征的几何规则匹配，获得可能的制造特征类型，再根据制造特征各组成面的之 间对表面粗糙度及形位公差的特殊约束来判断几何匹配中推理的特征类型是否 正确，最终实现制造特征的识别。汤岑书提出利用几何和公差信息进行加工特 征识别的方法【6 引，他提出了切削模式的概念及以之为基础的表面加工方法生成 原理和过程，建立了表面加工方法优化选择模型。采用多目标模糊优化结合蚁 群算法求解该模型，为每个加工表面选择最优加工方法，并将在同次装夹中采 用同一刀具类型和加工条件进行加工的表面聚为加工特征。 在几何特征识别的基础上，利用设计、制造信息可以有效地约束特征产生 的多种解释，并使得识别的特征更为合理。但是，目前零件模型或中性文件中 包含的非几何信息并不完整，而对如何利用多信息指导和规范特征识别的问题， 也需要迸一步的研究。 ( 3 ) 基于工程知识的特征识别 虽然零件的各类信息可以用于约束特征的解释，验证特征识别的结果，但是 如何利用工程领域知识智能地处理这些信息并直接作用于特征识别过程的研究 更具有实际的工程意义。陈广锋将定位基准选择方法设计为i f t h e n 规则形式 【6 9 】，用于工件定位特征识别和定位基准的确定和优化。在w o n g 提出的通用c a p p 支持框架中f 7 0 1 ，基于检测知识的检测特征识别方法和基于加工知识的制造特征 识别方法被详细描述，并应用于基于实例推理的检测工艺规划中。刘金山利用 夹具定位知识，将夹具特征分为支撑特征、定位特征、夹紧特征和参考特征， 通过最大凹边凝聚的方法，实现了极限表面的识别，在此基础上通过一系列几 8 武汉理工大学博士学位论文 何推理算法来识别夹具特征【| 7 1 】。鲁泳将属性面边图进行扩展，用种子面表示特 征痕迹，基于种子面进行痕迹的检索和扩展，以处理飞机结构件中的曲面特征 和相交特征i | 7 2 】。他提到在特征组合时，加工特征的划分必须依据这些固定的工 艺策略进行，但是对此没有更多的描述和深入的研究。作者于2 0 1 0 年提出面向 工艺规划的切削体分解组合策叫乃j ，旨在将融合几何拓扑结构、设计要求、工 艺等多种信息，结合工艺制造知识，形成切削体分解组合策略，并直接应用于 工艺特征的识别过程中。作者详细地描述了通用的十类分解组合规则，并对其 优先级进行排序，以此保证合理工艺特征解释的同时，去除大量无用的特征组 合可能。当然，该策略的合理性和高效性仍然有待于进一步研究。 1 2 3 设计工艺信息转换方法 良好的工艺特征识别必然充分的利用了零件的设计信息，按照是否能直接 应用于工艺特征识别，可以将零件设计信息划分为直接利用的设计信息和需转 换的设计信息。如零件的材料、特征表面精度要求、热处理要求以及一些管理 信息( 批次、批量、图号等) 可以直接作为工艺规划决策的依据，而零件的设计特 征、尺寸、基准以及公差等信息依据设计者的立场而确定，不能直接作为工艺 特征、工序尺寸、加工基准和工序公差。在工艺特征识别过程中，不仅需要将 零件模型识别成工艺特征，更需要将零件中需转换的设计信息转化成工艺信息， 才能进一步服务于工艺设计和加工制造。由于工序尺寸和工序公差相互关联， 而基准相对于尺寸和公差才有意义，为此大多研究都是围绕公差来展开设计工 艺信息的转换。 一 工序尺寸计算是公差转换的基础和前提，常用的方法有工艺尺寸链法、尺 寸跟踪法、图论法和工艺尺寸法。工艺尺寸链分析和计算只针对部分重要尺寸 进行单尺寸链，首先要找出封闭环和组成环关系，然后列出尺寸链简图，最后 计算结果。一般情况下，工艺尺寸链法能简单方便计算工序尺寸，但是在零件 形状复杂、工序较长、工艺基准变化频繁，或者是尺寸链环数较多的情况下， 该方法就显得复杂且不直观。为此，美国提出了尺寸链跟踪法来更直观地查找 尺寸链之间的关联和工序公差传递过程。由于图论本身就是研究多个要素和要 素关联的几何构图，所以也被用于工序尺寸链的计算中。这些工序尺寸计算大 都是基于图解方法，王晓慧提出了工艺尺寸式的概念和用英文字母表示尺寸关 系的文字表达式【| 7 4 】。由于在工序尺寸设计过程中，通常设计基准与工序基准不 9 武汉理工大学博士学位论文 一致，为此符爱红、安宏宇和李红英都对基准不重合时工序尺寸计算进行了研 究和讨论【7 5 。9 】。这些方法大都只能解决一维或二维的工序尺寸问题，如何寻求 基于特征的三维工序尺寸问题的研究仍然很少。 公差转换在工艺规划中又叫做公差分析和综合，是一种将设计公差转变成 工序公差的方法。在目前的研究中，公差制图法( t 0 1 e r a n c ec h 矾n g ) 是一种最为常 用和成熟的公差转换方法。在既定的工序流程下，公差制图法可以依据设计尺 寸和公差安排配置每道工序的尺寸和公差。公差制图法最早产生于上世纪5 0 年 代初，6 0 年代盛行于工业界，w h y b r e w 和l e h 曲e t 分别对该方法的基本原理和计 算方法做了详细的阐述【8 0 ，8 1 】。在早期，相关的公差概念和计算流程都是通过手册 形式表述，繁冗的手工绘图方式致使公差制图法不能够成为一种常用的公差转 换方法。之后，由于计算机的应用，大量的计算机辅助工序公差设计系统开始 出现，逐渐代替人工来计算和分配工序尺寸和公差。而与公差转换相关理论的 研究也广泛展开，包括公差分类、公差基准变化分析、公差链识别、公差的树 形表示、公差分配的线性规划、基于图论的公差制图、角度公差制图以及基于 特征的公差制图法等等。然而，公差制图法的特性决定了它只能处理一维的尺 寸公差，并且局限于几何公差，而三维公差的转化技术成为目前公差转化的一 大挑战和难点。 在y s h o n g 的文献中提到：设计中的三维公差传播技术有可能被修正或定 制，以适应三维公差转换的需求【8 2 1 。其中，三维公差传播与公差带表示和三维 公差传播机制密切相关。目前公差带表示模型种类较多，r e q l l i c h a 提出一种用点 集形式表示公差的数学模型【8 3 - 8 4 1 。在该模型中，公差被表示为一个变动类计算 实体，公差漂移形成一个公差带，当零件特征在实际中落在这个区域内，则认 为合格。同年，h i l l y 莉和b m i d 提出基于几何约束变动的参数矢量化数学模型l 8 5 j ， h o 胁a i l 提出基于公差函数与矢量方程的数学模型【8 6 】，吐a n g 提出基于漂移和自 由度的数学模型8 7 1 ，刘玉生等提出基于数学定义和自由度变动的数学模型【船现】。 这些模型均能解决某一方面的问题，但是却并不全面。d a v i d s o n 和j a r n is h a l l 年提 出了t - m a p 的概念【9 3 掰】，用点集表示公差域边界及变动要素，该模型几乎涵盖所 有类型的公差，并且能实现不同公差类型的组合。该模型能够消除文字描述的 二义性，对公差语义做出正确解释的同时，还能丰富地表示公差的内涵信息。 然而t m a p 是否能够适合零件制造过程中的三维公差传播，仍然需要进一步的研 究和探索。 工序公差优化是公差转换中另一类重要问题，它主要是通过建立工序公差 1 0 武汉理工大学博士学位论文 优化模型，应用各种优化原理和方法，对工序公差进行求解和转换。其优化模 型的目标函数类型有：以加工余量公差尺寸链的剩余公差总和最小、以每一种 工序公差所对应的加工成本总和最小、以等加工精度等尺寸链装配成本最小、 以工序能力指标最大【9 5 删、以加工成本和质量损失成本总和最小9 7 - 1 0 0 】等指标。 其中工序公差的优化求解包括遗传算法【1 0 1 - 1 0 3 1 、粒子群算法【1 0 4 ，9 引、模拟退火法、 统计公差和非线性优化方法等理论和方法。 1 3 当前工艺特征识别研究存在的问题 目前工艺特征识别研究的重点主要集中在特征识别过程模型信息描述和提 取、几何特征的自动化识别以及设计信息转化和重用等问题上。特征识别过程 模型信息描述描述和提取的研究是工艺特征识别的基础，设计信息转化是工艺 特征识别的补充和完善。良好的工艺特征识别既需要对几何特征自动准确的识 别，还需要面向工艺设计领域，利用工艺设计知识识别出工艺可行且优化的工 艺特征模型，更需要对设计信息有效