（机械制造及其自动化专业论文）离合器压盘特征识别关键技术研究.pdf

中文摘要 正文：离合器压盘零件作为离合器的关键零部件，它的机械加工工艺水平，关系 到离合器整个产品的质量的好坏。但是，传统的离合器压盘零件的机械加工工艺 受制于各种客观和主观因素的影响，存在着较多的缺陷，难以适应当前日益激烈 的市场竞争。为了弥补传统压盘零件工艺设计方法的种种弊端、提高其在同行业 中的市场竞争力，必须改进零件的工艺设计方法，提高零件的工艺设计水平。 基于特征识别技术的零件工艺设计是提高零件工艺设计水平的有效和可行 的方法之一。本论文以离合器压盘零件为研究对象，以数据库管理系统s q l s e r v e r 2 0 0 0 和w i n d o w s 应用程序开发工具v i s u a lc # 作为开发工具，在基于 w i n d o w s 的三维c a d 软件s o l i d w o r k s 平台上，建立基于特征的离合器压盘零件 数据库和离合器压盘零件的特征识别系统，在此基础上，制定基于规则的工艺决 策逻辑规程，生成零件机械加工需要的工艺数据。整个系统实现了零件信息从 c a d 向c a p p 和c a m 系统的自动化传递，提高了零件的工艺设计水平。具体研究 内容如下： 1 ) 收集离合器压盘零件工艺信息，并对这些工艺信息进行深入的分析和研究， 找出影响其机械加工工艺的零件特征信息，在此基础上，对离合器压盘零件 进行特征分类，并完成零件特征模型的构建。 2 ) 在离合器压盘零件特征模型的基础上，结合收集到的离合器压盘零件具体的 特征信息，以数据库管理系统s q ls e r v e r 2 0 0 0 为开发工具，建立离合器压盘 零件特征数据库，包括离合器压盘零件特征信息表、离合器压盘零件工艺信 息表和离合器压盘零件工艺匹配表。 3 ) 通过对三维c a d 软件s o l i d w o r k s 的模型构建特点和s o l i d w o r k sa p i 的研究， 应用v i s u a lc # 为开发工具，创建离合器压盘零件特征信息遍历提取模块， 提取出进行特征识别需要的零件c a d 结构模型信息。 4 ) 通过对产生式规则表示法的研究，结合具体的零件加工特征信息，分别针对 零件各个加工部分，确定基于规则的特征识别方法，完成各个加工部分的特 征识别，并通过零件各加工部分之间的几何拓扑关联，完成整体零件特征识 别。最后，结合基于规则的工艺决策支持，生成需要的零件加工工艺数据。 关键词：离合器压盘，特征模型，离合器压盘数据库，规则，特征识别 a b s t r a c t c o n t e n t - a st h ek e yp a r to ft h ec l u t c h , p r e s s u r ep l a t e sm e c h a n i c a lp r o c e s st e c h n i c l e v e li sr e l a t e dt ot h ew h o l l yc l u t c hp r o d u c t sq u a l i t y b u tt h et r a d i t i o n a lc l u t c h p r e s s u r ep l a t e sp r o c e s sd e s i g ni s e n s l a v e dt od i f f e r e n tk i n d so fo b j e c t i v ea n d s u b j e c t i v ef a c t o r s a f f e c t ，w h i c hh a dr e s u l t e di n t om a n yd r a w b a c k sa n da l s oc o u l dn o t a d a p t e dt ot h ec u r r e n t l yi n c r e a s i n g l yd r a s t i cm a r k e tc o m p e t i t i o n t or e m e d yt h e t r a d i t i o n a lc l u t c hp r e s s u r ep l a t ep r o c e s sd e s i g n 、sm e t h o d i c a la l ls o r t so fm a l p r a c t i c e s a n da d v a n c et h em a r k e t a b i l i t yo fc l u t c h sp r o d u c t , w es h o u l di m p r o v et h ec l u t c h p r e s s u r ep l a t e sp r o c e s sd e s i g nm e t h o dt oa d v a n c et h el e v e lo f t h ep r o c e s so f t h ep a r t t h ep r o c e s st e c h n o l o g yb a s e do nt h ef e a t u r er e c o g n i t i o ni so n eo fv i r t u a la n d f e a s i b l em e t h o dt oa d v a n c et h el e v e lo fp a r t sp r o c e s s t h et h e s e su s e st h ec l u t c h p r e s s u r ep l a t ea sao b j e c to fs t u d yt oe s t a b l i s hc l u t c hp r e s s u r ep l a t ed a t a b a s eb a s e do n f e a t u r ea n df e a t u r er e c o g n i t i o ns y s t e mo nt h ep l a t f o r mo fs o l i d w o r k ss y s t e mb yt h e w a y o f t h ed e v e l o p m e n tt o o l so f s q ls e r v e r 2 0 0 0a n dv i s u a lc # ，o nt h eb a s eo f w h i c h t h ep r o c e s sd e c i s i o nl o g i cr e g u l a t i o n sb a s e do nr u l e sc a l lb ee s t a b l i s h e dt og e n e r a t e p a r t 、sm a c h i n i n gp r o c e s s sd a t an e e d e d t h eo v e r a l ls y s t e mi m p l e m e n t st h ea u t o m a t i c t r a n s f e ro ft h ep a r t si n f o r m a t i o nf r o mc a dt oc a p pa n dc a ms y s t e m ，a n da d v a n c e s t h el e v e lo f p a r t sp r o c e s sd e s i g n t h es p e c i f i cr e s e a r c h sc o n t e n t si sa sf o l l o w ： 1 ) c o l l e c tt h ep r o c e s s si n f o r m a t i o no ft h ec l u t c hp r e s s u r ep l a t ef o rai n - d e e p a n a l y s e sa n dr e s e r c ht of i n ds o m eo fw h i c ha f f e c t st h em a c h i n i n gp r o c e s so ft h e p a r t s ，a n do nt h eb a s i so ft h ei n f o r m a t i o n , e s t a b l i s ht h ep a r t sf e a t u r e sc l a s s i f i c a t i o n a n dc o n s t r u c tt h ep a r t sf e a t u r e 、sm o d e l 2 ) u s et h ei n f o r m a t i o no ft h ep a r t s sf e a t u r ec o l l e c t e da n dt h et o o lo ft h es q l s e r v e r2 0 0 0t oe s t a b l i s ht h ef e a t u r ed a t a b a s eo ft h ec l u t c hp r e s s u r ep l a t eo nt h eb a s i s o ft h ep a r t s sf e a t u r e sm o d e l ，w h i c hi n c l u d e st h ec l u t c hp r e s s u r ep l a t ep a r t s f e a t u r e i n f o r m a t i o nt a b l e ，t h ec l u t c hp r e s s u r ep a l t ep a r t s 、p r o c e s si n f o r m a t i o nt a b l ea n dt h e c l u t c hp r e s s u r ep l a t ep r o c e s sm a t c h i n gt a b l e 3 ) s t u d yt h ep a r t 、sm o d e l i n gc h a r a c t e r i s t i c sb yt h es o l i d w o r k ss y s t e ma n dt h e s o l i d w o r k sa p it ou s et h et o o lo fv i s u a lc 撑t od e v e l o pap r o c e d u r ew h i c hc a n t r a v e r s ea n de x t r a c tt h ei n f o r m a t i o no ft h ef e a t u r eo nt h ep l a t f o r mo ft h es o l i d w o r k s s y s t e m ，w h i c ha r eu s e df o rt h es y s t e mo ff e a t u r er e c o g n i t i o n 4 ) b yt h er e s e a r c ho ft h ep r o d u c t i o nr u l er e p r e s e n t a t i o na n d 谢t l lt h em a c h i n g p r o c e s s e s s i n f o r m a t i o n so ft h ec l u t c hp r e s s u r ep l a t ep a r t so i lt h ep l a t f o r mo f s o l i d w o r k ss y s t e m ，e s t a b l i s ht h es p e c i f i cf e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o d sb a s e do nr u l e s t oi d e n t i f ya l lr o a c h i n gp r o c e s s i n g sp a r t so ft h ep r e s s u r ep l a t e ，a n db yt h et o p o l o g i c a l r e l a t i o no fa l lo fp a r t so ft h ep r e s s u r ep l a t et of i n i s ht h ef e a t u r er e c o n g i f i o no ft h e g l o b a lp a r to f t h ep r e s s u r ep l a t e o nt h eb a s i so f t h ei n f o r m a t i o nf r o mt h es y s t e mo ft h e f e a t u r er e c o g n i t i o na n ds o m ep r o c e s sd e c i s i o n 、ss u p p o r t ，t h ep r o c e s sd a t an e e d e dc a l l b eg e n e r a t e d k e yw o r d s ：c l u t c hp r e s s u r ep l a t e ，f e a t u r em o d e l ，c l u t c hp r e s s u r ed a t a b a s e ，r u l e ， f e a t u r er e c o g n i t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：塑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：茼晖 导师( 签 研究生( 签名) ：约罕 导师( 签期 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 离合器压盘零件作为离合器的关键零部件，它的制造水平尤其是机械加工 工艺水平，关系到离合器整个产品的质量的好坏。但是，传统的离合器压盘零件 的机械加工工艺受制于各种因素的影响，存在着较多的缺陷，难以适应当前日益 激烈的市场竞争，为了弥补传统压盘零件工艺设计方法的种种弊端、提高其在同 行业中的市场竞争力，必须改进压盘零件的工艺设计方法，提高零件的工艺设计 水平。 因此，对离合器压盘零件进行工艺设计的研究就有很强的现实性和必要性。 计算机辅助工艺设计( c a p p ) 是工艺设计的发展方向和研究热点，也是实现c a d 和c a m 集成的关键，但是目前国内外已开发的c a p p 系统绝大多数是针对箱体、 回转体和钣金冲压类零件，从已发表的国内外的文献和杂志等资料来看，离合器 压盘零件虽然属于回转体类零件的子零件，但是，以离合器压盘零件作为对象的 c a p p 系统的研究还非常少，因此，基于特征识别的离合器压盘零件工艺设计的 研究就具有很强的实用价值。 离合器压盘零件信息从c a d 系统向c a p p 和c a m 系统自动化传递是本文零件 工艺设计的关键。传统的计算机辅助设计( c a d ) 主要反映的是零件模型的几何 信息和结构信息，这些信息不能直接被应用于c a p p 系统和c a m 系统，这就制约 了零件c a d c a p p c a m 的有效集成，降低了零件工艺设计的水平，因此，如何把 c a d 系统中零件的几何结构信息转化为c a p p 系统和c a m 系统所能应用的信息是 实现零件c a d c a p p c a m 集成一体化的关键之所在。 目前，实现c a d c a p p c a m 集成一体化的有效方法之一是采用基于特征技术 的方法。特征技术方法一般分为两大类：基于特征设计技术方法和基于特征识别 技术方法。基于特征设计的技术方法是通过预先定义大量的特征信息并存入特征 库，在设计中直接实例化特征库中的特征来建立特征模型，完成产品的定义和设 计。基于特征设计方法发展潜力较大，但是目前的研究还处于起步和探索阶段， 远未达到完善的地步和可推广阶段。 在这种情况下，特征识别技术方法仍然是零件c a d 向c a p p 和c a m 传递信息 的重要的技术手段。基于特征识别技术方法是通过一系列复杂的逻辑推理和数据 处理技术从零件c a d 结构模型信息中识别提取出能应用于c a p p 系统和c a m 系统 武汉理工大学硕士学位论文 的特征信息的过程。基于特征识别技术方法相对基于特征设计的技术方法，研究 起步早、技术比较成熟，尤其在目前绝大多数c a d 系统是以几何拓扑实体造型为 基础的情况下，特征识别技术依然是零件c a d c a p p c a m 集成一体化的关键技术 之一。 本论文拟针对常用的三维c a d 软件：s o li d w o r k s 系统所提供的离合器压盘 零件的三维结构模型，根据零件机械加工所需的特征信息要求，应用数据库管理 系统s q ls e r v e r 2 0 0 0 建立基于特征的离合器压盘零件数据库，并应用w i n d o w s 应用程序开发工具v i s u a lc # 对s o l i d w o w k s 进行二次开发，开发出离合器压盘 零件的特征识别系统，从零件的s o l i d w o r k s 几何图形信息中自动进行零件的特 征识别，识别和提取所需要的零件特征信息，在此基础上，结合基于规则的工艺 决策支持，生成所需要的零件工艺数据。 1 2c a p p 技术 计算机辅助工艺设计c a p p 是c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g 的简称， 是依据产品设计所提供的信息进行产品加工方法和制造过程的设计。一般情况 下，c a p p 系统的功能包括毛坯的设计、加工方法的选择、工序的设计、工艺路 线的制定和工时定额的计算等。c a p p 克服了传统的依靠工艺人员经验的手工所 固有的缺陷( 效率低、开展和推广性差等) ，并能迅速按照要求，编制出详尽、完 整和优化的工艺方案和各种工艺数据以及工艺文件，使得工艺设计的水平得到了 极大的促进和发展。c a p p 技术的研究和应用，对改进我国工艺设计落后水平、 促进国家制造业的发展进步和企业的市场竞争力，都具有重要和深远的意义。 1 2 1c a p p 国内外研究状况 作为世界上最早对c a p p 系统进行研究的国家，挪威于1 9 6 3 年研制出世界 上第一台c a p p 系统：a u t o p r o s ，在1 9 7 3 年挪威又研制出了商品化的a u t o p r o s 系统。经接着，美国c a m i 公司在1 9 7 6 年研发出了c a m i 、sa u t o m a t e dp r o c e s s p l a n n i n g ( c a p p ) 系统，该系统的研究是c a p p 系统发展史上的里程碑。在国外， c a p p 系统研究起步比较早的还有荷兰在1 9 8 0 年研制出的m i p l a n 系统、英国曼 彻斯特大学在1 9 8 0 年研制出的a u t o c a p 系统以及德国柏林工业大学在1 9 8 2 年研 制出的c a p s y 系统等引。 中国对c a p p 系统的研究起始于2 0 世纪8 0 年代初期，目前国内研究出的 c a p p 系统比较著名的有同济大学在19 8 3 年研制的修订式t o j i c a p 系统、北京航 空航天大学在1 9 8 7 年研制的b h c a p p 系统、上海交通大学在1 9 9 3 年研制的s i p 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统以及华中理工大学在1 9 9 5 年研制的r c a p 系统和g c a p 系统等【4 3 】。 从工作原理上分类，目前研究开发的c a p p 系统主要有三种类型：派生式系 统( v a r i a n ts y s t e m ) 、创成式系统( g e n e r a t i v es y s t e m ) 和专家系统( e x p e r t s y s t e m ) 【4 5 】【5 1 】【5 2 l 。 1 2 1 1 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 系统的基本原理是利用同种类零件的相似性，即相似的零件具 有相似的工艺规程。一个新零件的工艺规程，是通过检索已经存在的相似零件的 工艺规程并加以自动筛选或编辑修改而成的。根据零件信息的描述及其输入方式 的不同，派生式c a p p 系统可分为基于成组技术( g t ) 的派生式系统( 通过g t 码来描述零件的信息) 和基于特征的派生式系统( 通过特征来描述零件的信息) 。 国内外己研制出的派生式c a p p 系统有美国c a m - i 在1 9 7 6 年研制出的c a p p 系统 以及中国同济大学在1 9 8 3 年研制出的t o j i c a p 系统等。 基于成组技术g t 的派生式c a p p 系统是在已有零件及其工艺规程的基础上 建立起来的，适用范围有限，可移植性相对较差；基于特征的派生式c a p p 系统 在基于g t 的派生式c a p p 系统的基础上发展起来的，可以克服基于g t 的派生式 c a p p 系统的某些不足之处。 总体来说，派生式c a p p 系统原理较为简单，较传统的手工工艺设计方法来 说显著地提高了工艺设计的质量和效率。然而，开发派生式c a p p 系统需要不断 总结和丰富生成实践中的经验工艺，这是个由感性到理性、由粗到精、由简到繁、 由表及里、由少到多的过程，工作量和工作难度相对较大，开发周期也比较长。 1 2 1 2 创成式c a p p 系统 创成式c a p p 系统是在加工知识库和工艺数据库的基础上，让计算机模仿工 艺人员的逻辑思维能力，自动进行各种决策，自动设计出零件的工艺规程【5 2 1 。 国外已研制出的创成式c a p p 系统的有荷兰在1 9 9 0 年研制出的p a r t 系统等， 国内有南京航空大学在1 9 8 8 年研制出的n h c a p p 系统等。 确定零件的工艺路线和工序设计是构建创成式c a p p 系统的两个主要方面。 确定工艺路线需要做的工作主要包括确定零件的加工顺序和各个工序的定位和 装夹表面，进而完成零件的工艺规程主干的设计；零件工序设计所要做的工作主 要包括选择合适的加工设备和工装、计算工序尺寸、确定切削用量、计算工时定 额以及生成工序图等内容，其实质是在工艺路线的基础上，对工艺设计所需要的 信息进行完善和补充，从而最终完成整个创成式c a p p 系统的设计。 创成式系统与派生式系统比较起来，整个系统的柔性化和自动化水平都有所 提高，然而，开发创成式c a p p 系统需要收集大量的工艺知识以建立庞大的工艺 3 武汉理工大学硕士学位论文 知识库，准备工作量相对较大；另外，由于产品的多样性、各类零件具有不同的 描述方法、加工过程中的差异性以及不同生产环境的具体要求各异等因素，也使 得制定创成式c a p p 系统工艺决策逻辑规程相对较难。 目前国内外已经研制出的创成式c a p p 系统都是针对某个具体生产环境或者 某个具体产品专门研制的，并且绝大多数创成式c a p p 系统是创成法原理和派生 法原理结合使用的综合式c a p p 系统( 如计算机内存储几个工艺规程片段，同时 又具有一定的工艺决策逻辑) 。 1 2 1 3c a p p 专家系统 一般的c a p p 系统机构主要由零件信息输入模块和工艺规程生成模块构成， 后者是c a p p 系统的核心，它包括了工艺决策知识和工艺决策方法，并且这些知 识和方法都是以程序代码形式存在的，但使用环境发生变化时，就必须对系统程 序做出相应的修改，这就限制了整个系统的适应性和可移植性。 c a p p 专家系统克服传统c a p p 系统的局限性，该系统应用人工智能技术( a i ， a r t i f i c i a li n t e l l i g e n t ) 为基础，把整个系统分为零件信息输入模块、控制模 块和知识库模块相对独立的三个部分。 c a p p 专家系统不同于传统的c a p p 系统，它不是在程序的运行中直接生成 零件工艺规程，而是依据零件的输入信息，并结合控制模块中的控制算法，从知 识库模块中搜索并执行能够处理当前状态的规则，并按照先后顺序把每次执行规 则所得到的结论部分记录下来，直至零件加工终止，这个记录就是零件加工所需 要的工艺规程。 c a p p 专家系统的三个模块的相对独立性极大地增强了解决问题的能力，提 高了整个系统的灵活性，并且由于专家系统可以在一定的程度上模拟人脑思维方 式进行工艺设计，使得它能够解决一些模糊性工艺设计的问题。但是，c a p p 专 家系统的研究目前还处于起步阶段，技术还不是很成熟，还有很多问题有待进一 步得探索和研究。 1 2 2c a p p 的存在问题和发展趋势 1 2 2 1 存在的问题 目前c a p p 系统存在的问题主要体现在零件信息的描述与输入、系统通用 性、系统柔性以及工艺决策和知识的有效管理四个方面【5 l 】： 1 ) c a p p 系统零件信息的描述与输入问题 这个问题其实就是关于c a d 与c a p p 如何有效地集成的问题，关系到c a p p 系统能否正真实现商品化和实用化。传统的零件信息的描述与输入方法繁琐、费 时、低效且易出错，在实际应用中不受用户的欢迎。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) c a p p 系统通用性问题 由于工艺设计受制于不同的加工制造环境、不同的对象和某些特殊的要求 等一些客观和主观因素的影响，在加上工艺设计本身就具有的复杂性和多变性， 使得c a p p 系统目前还很难像c a d 系统那样实现通用性。 3 ) c a p p 系统柔性问题 c a p p 系统应用的环境各异，需要系统具有多种设计手段以满足不同用户的 各种需求，例如系统应该同时基于实例的派生式设计功能与基于知识的创成式设 计等功能；系统不仅能面向普通加工机床的工艺文件，也能生成面向数控机床的 工艺文件等。目前，c a p p 系统的柔性化还处于发展阶段，很多问题需要进一步 地探索和研究。 4 ) c a p p 系统工艺决策数据和知识的有效管理 工艺决策数据和知识种类繁多、数量巨大，如何有效地组织和管理这些数 据和知识，以便于维护和扩充，使之适用于不同的企业和产品，也是当前c a p p 系统需要迫切解决的问题之一。 另外如何建立有效的工艺决策方法、如何构建合理的系统结构、如何自动 确定工艺尺寸以及如何自动生成工序图也是当前c a p p 系统需要解决的问题。 1 2 2 2 发展的趋势 1 ) 集成化趋势 计算机集成制造是现代制造业发展的趋势。未来c a p p 系统不仅是在普通 意义上的与c a d 和c a m 有效地集成，还应该能在统一的工程数据规范的基础 上，实现与管理自动化系统( m i s ) 、制造自动化系统( m a s ) 和质量检测与控 制系统( c a q ) 等有效地集成。另外，未来c a p p 系统不仅仅是针对单个零件 而言，而是针对整个工程体系中的大量相关的零部件的c a p p 系统。 要实现上述c a p p 系统的集成，还需要对产品定义和产品数据交换规范( 如 p d e s s t e p ) 进行深入的研究，开发出相应的具有实用以及商用价值的软件系统。 2 ) 工具化趋势 c a p p 系统工具化( c a p pe x p e r ts y s t e mb u i d i n gt 0 0 1 ) 是为了克服系统通 用性难题而提出来的思路，用以满足实际应用中变化多端的问题，使得c a p p 系 统能够像c a d 系统那样具有通用性。工具化思想主要体现在工艺设计的共性与 个性分开处理、工艺决策方式多样化、具有功能强大和使用方便以及统一标准的 数据与知识库管理平台、智能化输出四个方面。 3 ) 智能化趋势 c a p p 系统涉及多种学科知识，内容繁杂，并且依赖专家的个人经验和技 术，以及需要适应不同的制造生产环境等客观和主观因素的限制，这些都使得传 5 武汉理工大学硕士学位论文 统的c a p p 系统已经不能满足日益发展的工程实际的需要，而智能技术以它在知 识的表达、获取和处理方面的灵活性和有效性促进了c a p p 系统的发展。目前， 包括人工智能技术在内的许多新技术，如模糊理论技术、实例推理技术、人工神 经元网络技术等已越来越多地应用到了c a p p 系统中去。 1 3 特征识别技术 传统的c a d 系统如a u t o c a d 等，系统啦存在的主要是零件的几何信息以及 拓扑信息，系统没有显式地记录零件的特征信息，而是隐含在点、线、面以及体 素等底层次的几何信息中【4 研；目前发展起来的基于特征建模的一些c a d 系统如 p r o e 、s o l i d w o r k s 等，在实际应用中也往往不能满足具体工艺设计对零件模型 特征信息的需求，因此，对c a d 系统进行特征识别依然是c a d c a p p c a m 集成一 体化最常用的方法。 所谓的特征识别( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 是指为了获取相关的零件特征信 息而对零件几何模型的一种解释。目前，特征识别方法主要分为人工特征识别方 法和自动特征识别方法两大类【5 4 1 。 1 3 1 人工特征识别方法 人工特征识别方法又称为交互特征定义，它是指通过对显示在c a d 系统屏 幕上的零件几何模型进行操作，以人机交互的方式由用户选取零件几何模型上的 某些几何实体，并将这些几何实体组织在一起定义为某个特征，再通过人工输入 方式补充缺少的非几何信息，如表面粗糙度、公差等信息，实现零件的特征建模。 人工特征识别采用人机交互的方式，灵活、直观，但是效率较低。在实际 应用中常用于自动特征识别方法的补充。 1 3 2 自动特征识别方法 在人工特征识别中，如果用计算机智能技术代替人类智慧来定义特征就是 自动特征识别。自动特征识别是以特征识别器( 程序) 遍历零件几何模型( c a d 模型) 数据，并将这些数据与一组预定义的特征“模板”进行匹配，确定相匹配 的特征实例，实现零件特征的自动识别。 一般来说，自动特征识别方法主要可以分为基于规则的特征识别方法、基 于图的特征识别方法、基于体积分解的特征识别方法、基于神经网络的特征识别 方法和基于c s g 的特征识别方法五大类【5 4 1 。图i - i 为自动特征识别结构示意图： 6 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 ：自动特征识别结构示意图 1 3 2 1 基于规则的特征识别方法( r u l e b a s e dm e t h o d s ) 基于规则的特征识别方法采用产生式规则来描述特征。每一条描述性规则 通过指定一系列充分必要条件来定义每一种特征类型。如一个简单的孔的描述性 规则可以为： r 1 ：孔开始于一个入口面； r 2 孔面共轴； r 3 ：孔的所有面顺序相连； r 4 ：孔终止于一个有效的孔底面。 然后依据以上建立的识别规则，并按照一定的匹配机制，对具体的零件模 型进行孔的特征识别。 基于规则的特征识别方法是最早用于对零件三维结构模型进行特征识别的 方法之一，也是目前应用最多的特征识别方法之一。但是该方法需要对每一个需 要识别的特征建立描述性规则，其中如何建立合适的规则是个难点；并且，在实 际识别过程中需要不断重复地进行搜索匹配，比较费时。 基于规则的特征识别方法常用于专家系统的开发中，另外，对一些特殊的 零件，基于规则法还是一种比较合适的特征识别方法。 1 3 2 2 基于图的特征识别方法( g r a p h b a s e dm e t h o d s ) 基于图的特征识别方法主要用于采用b r e p 模型表示实体造型c a d 系统。所 谓的b r e p 模型是指边界表示( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 模型，该模型记录了 构成形体的所有几何元素信息及其相互之间的拓扑关系信息。b r e p 表示法通过 描述物体的边界来表示一个物体，所谓的边界就是物体内部点与外部点的分解 面，因此定义了物体的边界，也就唯一地确定了这个物体。目前绝大多数的实体 造型c a d 系统都采用b r e p 模型表示【4 9 】。 基于图的特征识别方法利用图操作算法将零件实体模型的b r e p 表示转换 为便于特征识别的属性相邻图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 ) 进行特征识 7 武汉理工大学硕士学位论文 别。基于图的特征识别方法主要包括面边图法( f a c e e d g eg r a p h ) 和点边图法 ( v e r t e x - e d g eg r a p h ) 两类方法。 基于图的特征识别方法是目前特征识别研究中的热点，但是对于相交特性 的识别却是个难点。 1 3 2 3 基于体积分解的特征识别方法( v o l u m e - d e c o m p o s i t i o nm e t h o d s ) 所谓的体积分解法是指在切削加工中，把产品从毛坯到成品过程中需要切 除的材料体积分解为在加工操作所对应的制造特征单元的过程。需要切除的总体 积可以通过产品毛坯与最终的成品之间的布尔差运算得到。依据不同体积分解策 略，体积分解法可以分为凸客分解法( c o n v e xh u l ld e c o m p o s i t i o n ) 和单元分解 法( c e l lb a s e dd e c o m p o s i t i o n ) 两大类。 用体积分解法进行特征识别，可以较好地识别出各种相交特征，并能比较 容易地描述各种面向具体应用的特征。但是体积分解法可能在实际操作中出现不 对应如何具体特征的体积。 1 3 2 。4 基于神经网络的特征识别方法( n e u r a l n e t w o r k - b a s e dm e t h o d s ) 基于神经网络的特征识别方法是通过从零件的实体模型中确定零件的几何 和拓扑信息变量，并将零件的特征定义为这些几何和拓扑变量的函数。 神经网络法将零件实体模型中的拓扑和几何信息用数码表示，将其表示为 神经网络能够解读 的面相邻矩阵，通过构造零件特征库中的每一个特征类型 的网络，并一训练 这些网络使用特征定义语言，再将面相邻矩阵逐行导入到每 一个网络中进行特征识别。 较其它的特征识别方法的繁琐的逻辑搜索，神经网络法只需要进行简单的 算术操作，并且可以多个特征同时搜索，提高了特征识别的速度。另外，神经网 络法还具有自学的功能( l e a r n i n gb ye x a m p l e ) ，也就是通过例子来训练这些网 络进行特征识别。如果“训练”的合适，该方法还可以对一些相交特征和一些不 完整的特征( 如点孔或通过边) 进行特征识别。 在实际应用中，如何有效地将零件复杂边界表示输入到神经网络，并且使 其便于神经网络进行理解和推理是基于神经网络法进行特征识别的难点。 1 3 2 5 基于c s 6 的特征识别方法( c s g b a s e dm e t h o d s ) c s g 是构造实体几何( c o n s t r u c t i v es o li dg e o m e t r y ) 的英文缩写。c s g 的含义是任何复杂的几何形体都可以通过正则几何运算( 构造正则形体的集合运 算) 组合简单形体( 体素) 来表示。形体的c s g 表示可以看成一颗有序的二叉树 ( 又称为c s g 树) 4 9 】。 以c s g 实体模型为对象的特征识别方法并不多见，主要的原因于基于c s g 武汉理工大学硕士学位论文 的零件表达具有的不唯一性的特点，具体体现在表示零件的体素以及体素组织方 式均具有不唯一性的特点。由于c s g 这个难以克服的缺点，目前基于c s g 的特征 识别方法在实际应用中已经很少被采用。 1 4 本文研究的主要内容 本论文以离合器压盘零件为研究对象，在深入研究各类型离合器压盘零件 的工艺信息基础上，对离合器压盘零件进行特征分类和特征模型构建，并以数据 库管理系统s o ls e r v e r 2 0 0 0 和w i n d o w s 应用程序开发工具v is u a lc # 为开发工 具，在基于w i n d o w s 的三维c a d 软件s o l i d w o r k s 平台上，建立基于特征的压盘 零件特征数据库和压盘零件的特征识别系统，在此基础上，制定基于规则的工艺 决策逻辑规程，生成零件机械加工需要的工艺数据。具体研究内容如下： 1 ) 收集离合器压盘零件工艺信息，并对这些工艺信息进行深入的分析和研究， 找出影响其机械加工工艺的零件特征信息，在此基础上，对离合器压盘零件 进行特征分类，并完成零件特征模型的构建。 2 ) 在离合器压盘零件特征模型的基础上，结合收集到的离合器压盘零件具体的 特征信息，以数据库管理系统s q ls e r v e r 2 0 0 0 为开发工具，建立离合器压盘 零件特征数据库，包括离合器压盘零件特征信息表、离合器压盘零件工艺信 息表和离合器压盘零件工艺匹配表。 3 ) 通过对三维c a d 软件s o li d w o r k s 的模型构建特点和s o l i d w o r k sa p i 的研究， 应用v i s u a lc # 为开发工具，创建离合器压盘零件特征信息遍历提取模块， 提取出进行特征识别需要的零件c a d 结构模型信息。 4 ) 通过对产生式规则表示法的研究，结合具体的零件加工特征信息，分别针对 零件各个加工部分，确定基于规则的特征识别方法，完成各个加工部分的特 征识别，并通过零件各加工部分之间的几何拓扑关联，完成整体零件特征识 别。最后，结合基于规则的工艺决策支持，生成需要的零件加工工艺数据。 1 5 本章总结 本章首先介绍了本课题研究的目的和意义；对c a p p 技术的国内外研究状况 和存在的问题以及发展趋势进行了详细的阐述；对特征识别技术进行了论述，重 点对自动特征识别技术进行了详细的论述：最后对本论文所要研究的主要内容进 行了简单的概括。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章压盘零件特征模型的构建 2 1 产品建模技术 2 1 1 产品建模技术概括 目前产品建模技术主要包括线框建模、表面建模、实体建模和特征建模四 种主要的建模技术1 5 3 】。其中线框建模技术是通过定义基本线素来设计产品的棱 线部分而构成产品的立体框架图，这种建模技术原理和操作都较为简单，但仅适 合用于表示二维图形信息：表面建模技术是通过描述实体各个表面或曲面而构造 出实体模型的一种建模技术，这种建模技术克服了线框建模技术的许多缺点，可 以比较完整地表示三维立体的表面，但是无法表示实体内部属性；实体建模技术 是在计算机内以实体的形式描述客观事物，它克服了线框建模技术和表面建模技 术的缺点，能够很好表示出完整的实体信息，是目前应用最多的几何建模技术。 以上建模技术都侧重对零件的几何信息及其相互之间的拓扑关系的描述， 但是从c a d c a p p c a m 集成的角度出发，需要从产品整个生命周期的各个阶段的 不同需求来描述产品，它不仅需要包含产品的几何信息，也应包含与加工制造有 关的信息，这种建模技术被称之为特征建模技术。 2 1 2 特征建模技术 目前特征建模技术主要可以分为交互式特征定义、基于特征设计和特征识别 三种方法【5 2 1 ： 1 ) 交互式特征定义：通过人机交互的方式定义并输入零件的工艺信息，建立 零件的特征模型。交互式特征定义方法易于实现，但是自动化程度很低，并且难 以实现产品信息的共享，信息输入中易于发生人为的错误。 2 ) 基于特征设计：预先定义大量的特征信息并存入特征库，在设计中直接实 例化特征库中的特征来建立特征模型，完成产品的定义和设计。基于特征设计方 法发展潜力较大，但是目前的研究还处于起步和探索阶段。 3 ) 特征识别：将零件的几何模型与预先定义好的特征进行比较，确定特征的 具体类型及其相关其它信息的过程。特征识别是目前应用较多的方法，特征识别 技术的研究起步较早、技术比较成熟，尤其在目前绝大多数c a d 系统是以几何拓 扑实体造型为基础的情况下，特征识别技术依然是零件c a d c a p p c a m 集成一体 化的关键技术之一。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 零件的特征模型 2 2 1 零件特征的定义 从上个世纪7 0 年代末特征概念提出以来，至今仍未有一个严格统一的定 义，比较一致的是认为特征是具有属性，与设计和制造相关，并含有一定工程意 义的基本几何实体和信息的集合1 5 2 】。 这个定义强调了特征具有包括几何形状、精度、材料、技术特征和管理等 属性，同时强调了特征是与设计活动与制造方法有关的几何实体，因而是面向设 计和制造的，而且该定义还强调了特征含有工程意义的信息，既特征反应了设计 者和制造者的意图。 本文从c a d c a p p c a m 集成角度出发，将特征定义为：能为c a p p 系统和c a m 系统所使用的构成零件实体