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基于加工特征的零件设计方法研究 摘要 特征技术在实现产品设计制造一体化的过程中起到关键的作用。一方面，特征模型 能够包含多种信息，可将与产品设计制造相关的各个环节有机的联系在一起；另一方面， 合理有效利用特征模型对产品进行描述，可缩短产品开发周期，提高企业的设计生产效 率。研究基于加工特征的零件设计方法，目的在于通过建立具有信息集成性与共享性的 加工特征模型，将设计与制造并行结合，为产品的结构设计与工艺生成两者并行协同工 作提供有效支持。在此背景下，本文主要从以下几个方面做了具体研究。 给出了加工特征的定义，并对其进行了分类，在此基础上对加工特征所包含信息进 行了分析与归纳，建立了加工特征模型，给出了加工特征模型重要信息的处理方法。采 用配置文件技术存储加工特征信息，为建立应用系统提供信息支持。建立了制造资源模 型，并给出了制造资源对加工特征的约束检查方法，由此保证零件设计的可制造性。 从零件的制造过程出发，研究了加工特征之间的组合关系，对特征组合关系进行了 分类，并给出了不同特征组合类型的判定方法，以及组合信息在特征文件中的描述方法， 建立了针对不同组合关系的特征加工顺序确定规则，为零件加工工艺生成提供了信息基 础和决策依据。 分析了零件加工特征域中切削成形信息和几何特征域中几何形状信息的不同表现 形式，以及信息之间的内在联系，以此为基础建立了加工特征向几何特征的信息映射机 制，并构建了特征映射规则和知识库，采用基于知识和规则的方法实现了加工特征向几 何特征的映射。 。 通过u gn x4 0 软件的行二次开发，建立系统各功能模块，在此基础上构建了基于 加工特征的零件设计软件系统。以某型号减速器为设计对象应用系统进行实例运行，运 行结果表明了此系统能够有效实现产品设计与制造的并行集成，提高了产品的设计研发 效率，同时表明了该方法的有效性和可行性。 关键词：加工特征；特征建模；特征组合；特征映射 基于加工特征的零件设计方法研究 a b s t r a c t f e a t u r et e c h n o l o g yo b v i o u s l yp l a y sac r u c i a lr o l ei nt h ep r o c e s so fa c c o m p l i s h i n g i n t e g r a t i o no 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 o nt h eo n eh a n d , k i n d so f i n f o r m a t i o na r e i n c l u d e di nt h ef e a t u r em o d e l , b yw h i c ha l la s p e c t sw i t hp 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 c a nb ea s s o c i a t e dt o g e t h e r , o nt h eo t h e rh a n d , p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e 伽b es h o r t e n e d a n dd e s i g na n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e dw i t hd e s c r i b i n gp r o d u c t su s i n gf e a t u r e m o d e lr e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l y 1 1 地p u r p o s eo fr e s e a r c ho np a r td e s i g nb a s e do nt h e m a n u f a c t u r i n gf e a t u r ei sm a k i n gt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ep a r a l l e lc o m b i n a t i o n , a sw e l l 硒 p r o v i d i n g e f f e c t i v e s u p p o r tf o rp a r a l l dw o r ko fp r o d u c ts t r u c t u r ed e s i g na n dp r o c e s s p r o d u c t i o n i nt h i sc o m e x t , m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r es t a r t e da sf o l l o w m a n u f a c t u r i n gf e a t u r ei sd e f i n e da n dc l a s s i f i e dt h r o u g ht h er e s e a r c h i n go ni n f o r m a t i o n d e m a n do fp a r tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dp r o c e s sd e c i s i o n , o nt h i sb a s i s , t h ei n f o r m a t i o n i n c l u d e di nm a n u f a c t u r i n gf e a t u r ei sa n a l y z e da n di n d u c t i v e d , m a n u f a c t u r i n gf e a t u r em o d e li s s e tu p ，a n dt h et r e a t i n gm e t h o df o ri m p o r t a n ti n f o r m a t i o no fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r em o d e li s g i v e n m a n u f a c t u r i n gf e a t u r ei n f o r m a t i o ni sr e c o r d e da n ds t o r e dw i t hc o n f i g u r a t i o nf i l e t e c h n o l o g yt op r o v i d es u p p o r tf o rs e t t i n gu pa p p l i c a t i o ns y s t e mm a n u f a c t u r i n gi d o d t l r s e m o d e li s e s t a b l i s h e d , a n do 翻瞰抽咖c h e c k i n gm e t h o do fm a n u f a c t u r i n 8r e c o u r s e f o r m a n u f a c t u r i n gf e a t u r ei sg i v e n , t h u st h er e l i a b i l i t yo fp a r td e s i g ni se n s u r e d c o m p o s i t e r e l a t i o no fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e si sr e s e a r c h e db a s e do nt h e p a r t m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s , a n dt h ec o m b i n a t i o nr e l a t i o n i sc l a s s i f i e d , j u d g m e n tm e t h o do f c o m b i n a t i o nr e l a t i o nt y p ea n dd e s 面b em e t h o do fc o m b i n a t i o ni n f o r m a t i o ni nt h ef e a t u r ef i l e a r eg i v e n , d e f i n i n gm l e so fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa l es e tu pf o rd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n r e l a t i o n s , i n f o r m a t i o nf o u n d a t i o na n dd e c i s i o nb a s i sa r ep r o v i d e d d i f f e r e n tm a n i f e s t a t i o no fc u t t i n gf o r mi n f o r m a t i o ni nm a n u f a c t l w i n gf e a t u r ef i d da n d g e o m e t r i cs h a p ei n f o r m a t i o ni ng e o m e t r i cf e a t u r ef i e l da sw e l la si n t e r n a lr e l a t i o n sb e t w e e n f e a t u r e sa r ea n a l y z e d , o nt h i sb a s i s , m a p p i n gm e c h a n i s mf r o mm a n u f a c t u r i n gf e a t u r et o g e o m e t r i cf e a t u r ei ss o tu p , a n df e a t u r em a p p i n gr u l e sa n dk n o w l e d g eb a s ea r ec o n s t r u c t e d , t h em e t h o db a s e do nk n o w l e d g ea n dp r o d u c t i o nr u l ea r eu s e dt or e a l i z et h em a p p i n gf r o m m a n u f a c t u r i n gf e a t u r et o8 e o m e t r i cf e a t u r e f u n c t i o nm o d u l e sa r es e tu pt h r o u g hs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tf o ru g n x4 0s o r w a r e , a n ds o f t w a r es y s t e mo fp a r td e s i g nb a s e do nm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e si ss e tu po nt h i sb a s i s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一ii l l l | 皇鼍曹葺一 t h es y s t e mi sr u nw i t hat y p eo fr e d u c e ra st h ed e s i g no b j e c t a n dd e s i g nr e s u l ts h o w e dt h a t p r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gc o u l db ei n t e g r a t e db yt h es y s t e me f f e c t i v e l y , a n dt h e e f f i c i e n c yo fp r o d u c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti si n o r e a s e d , 船w e l 】a st h ee f f e c t i v e n e s sa n d f e a s i b i l i t yo f t h es y s t e m k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s ；f e a t u r em o d e l i n g ；f e a t u r ec o m b i n a t i o n ；f e a t u r em a p p i n g 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 近年来，计算机集成制造系统c i m s ( c o m p m e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 已被世界公认为是机械制造工业发展的方向u 1 。它是企业设计生产活动中各个功能环节 的有机集成，在系统集成环境下，各环节以信息集成与共享的方式协同工作，实现企业 设计生产的自动化和柔性化，从而达到高效率、低成本和增强企业市场竞争力的目的嘲。 计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 和计算机辅助工艺过程设计c a p p ( 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 ) 作为计算机集成制造系统中的重要组成部分，可实 现产品设计和工艺编制，是企业进行生产活动的重要基础p 1 。虽然c a d 和c a p p 技术在 各自的应用领域取得了成功，但它们仍然是相互独立运行的系统，且彼此之间是以串行 的工作方式进行。这样的工作方式，后续系统需要在前系统工作结束后才能进行工作， 并且各种信息数据的传输和处理需要人的参与，不但造成大量的重复性工作，致使工作 效率降低，而且增加了人为出错的几率，严重影响整个企业的生产效率川。在市场竞争 空前激烈的今天，客户对产品的要求已由原来的单一品种、大批量生产转变为多品种、 个性化需求，这就要求企业对客户需求做到快速响应、高效设计和生产。制造企业如果 仍以传统的各系统独立的方式运行，以串行化模式进行设计生产，将不能适应市场的发 展要求，因此必须实现将分散的、独立运行的各子系统之间的数据信息共享，实现系统 之间的并行集成工作。 信息化技术为制造业的发展提供了极大的支持。特征技术为制造业信息化的发展起 到了促进作用。特征可作为产品信息的载体，在多系统间进行信息传递，特征技术为设 计人员提供了一种从高层次语义对产品进行描述、并可应用于不同领域的信息表示方 法，实现信息的多领域共掣卯。并行工程作为先进制造技术中的一种，是相对于制造企 业存在的串行化产品开发制造方式的进步。并行的工作方式能够使各个领域专业人员之 间进行协同工作，最大限度缩短产品设计制造周期，降低企业成本嘲。将特征技术与并 行设计方法结合起来，可实现具有高度信息集成化和工作并行化的产品设计，相对传统 设计方式是一次巨大的进步。 本课题的研究目的在于通过对加工特征进行建模，建立一个支持机械零件结构设计 的基础设计平台，将零件加工过程所涉及的切削成形信息和工艺信息融入到加工特征模 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 型之中，以此为基本元素对零件进行结构信息描述。经过特征组合与特征映射将加工特 征转换为几何特征，进而得到零件结构，同时以信息共享和传递的方式使工艺系统获得 加工特征所包含的与制造密切相关的信息，以此为基础进行工艺推理，从而实现产品设 计与制造的并行集成。采用这种设计方式避免设计系统与工艺系统集成所需要进行的特 征识别过程，实现缩短产品的设计研发周期，提高企业的生产效率和市场竞争力的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 特征建模技术研究现状 特征( f e a t u r e ) 的概念最早出现于1 9 7 8 年美国m i t 的一篇名为“c a d 中基于特征 的零件表示”的论文中，经过之后十余年的发展，到2 0 世纪8 0 年代末，特征建模技术 得到了行业的广泛关注p 1 。特征的应用是以建立c a x 集成化产品信息模型为目的，试图 将产品设计系统、工艺系统等所需的信息添加到模型之中，以此实现产品信息的共享与 系统集成【8 9 1 。 目前，国内外大多数对特征建模的研究都是以原有的三维实体模型为基础，这是因 为c a d 实体建模技术已经发展较为成熟，具有几何图形显示、拓扑处理等功能，以三 维实体模型为基础进行特征建模，可较为方便的添加对特征的描述信息，建立特征库， 并将几何信息和非几何信息在统一模型中描述。产品设计的过程将特征实例化，作为建 模的基本单元，实现产品的建模2 1 。现阶段，建立特征模型的方法主要包括特征识别 和基于特征的设计两种技术。 ( 1 ) 特征识别技术 特征识别是以产品的实体模型为基础，系统自动识别出具有一定工程意义的几何形 状，进而生成工艺系统能够理解的特征模型1 3 1 。通过特征识别的方式，以一定的识别算 法提取c a d 系统中几何模型中信息，并将其传递给c a p p 系统，以这种方式实现系统 问的信息传递。 w o o n 棚在上世纪8 0 年代初提出了一种基于立体交替和分解的特征识别方法，该方法 将非凸物体表示为分解树结构，在该树形结构中，以凸体元作为树的叶节点，以布尔运 算为中间节点，由此来支持特征的识别。此方法对常用图形几何结构的特征识别具有较 好的效果，但也存在一些不足，如不能保证立体交替和分解的收敛性和特征识别的准确 性等。 k i m 5 1 等在基于立体交替和分解的特征识别方法基础上做了进一步改进，并提出了 立体交替和剖分分解的特征识别方法，该方法使分解容易出现不收敛的问题得以较好的 2 第1 章绪论 解决，增强了该方法的有效性和实用性。然而，由于带有曲面的凸体特征难以计算，因 此该方法并不适应此类特征的识别。 s a k u r a i q 以单元体分解为基础，对实体特征的识别进行研究，这一方法通过分析零 件的特征面并对其进行展开和求交运算，将零件几何实体分解为一系列最小单元体，并 将邻接单元体合并为组合单元，将其与标准特征模型进行匹配，以此判断特征的类型。 该方法能够有效的识别凸体特征，但由于特征识别过程需要大量的求交计算，并产生数 目庞大的组合体元，因此特征识别效率较低。 张凤军u 7 1 等提出了一种基于交互定义的混合特征识别方法，采用广义痕迹的特征识 别方法对零件几何实体模型进行识别，并通过交互的方式对识别结果进行部分修改。这 种混合特征识别方法对特征参数采用统一计算，系统的实用性和准确性较强，但交互定 义的工作方式带来了更多设计人员的参与，系统的自动化程度不高，且会增加人为出错 几率。 方挺立u 耵等提出了一种混合特征的识别方法。该方法基于实体正交投影和广度优先 的策略进行几何图形搜索，并以创成式计算机辅助工艺过程设计系统对被识别的特征进 行工艺规划，实现产品设计与制造的集成。此方法系统的自动化程度较高，但对于复杂 特征，其识别效果不够理想，且存在计算过程复杂的问题。 陆海山n 川等提出了一种在特征识别过程中将特征面表示转化为特征体表示的方法。 此方法适当的延拓相关特征面，用以构造特征的壳体，用延拓得到的特征壳体分割毛坯 体，获得加工去除体，从而得到加工特征体的表示。此方法对凸特征、凹特征具有一定 的识别效果，但在特征面与特征整体之间进行转换的过程存在信息丢失的问题，影响特 征识别的准确性。 根据以上所述，特征识别方法基于特征技术，在一定程度上实现了对产品特征信息 的提取，使设计系统与其它应用系统间实现部分的信息传递与共享，系统自动化程度得 到一定程度的提高，但仍然存在如下一些问题： 1 ) 可加工的特征不能识别问题。因为系统预定义特征单元体的类型和数目是有限 的，对于复杂的几何零件模型来说，存在一些可加工特征但并不在预定义特征单元范围 内而造成特征不能被识别。 2 ) 可识别的特征不能加工问题。由于企业的加工制造资源各不相同，且制造资源 处于动态变化状态，任何对当前制造资源的调整和变化都会影响特征的可加工性，因此 系统识别出的特征很可能存在不能以当前资源状态进行加工的问题。 3 ) 识别算法复杂问题。不管是基于边界匹配法还是基于体积分解法，都涉及几何 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实体布尔计算，由此产生大量的运算，这样不但影响特征的识别效率，而且运算过程可 能出现布尔计算错误，不能得到理想特征识别结果。 由以上分析可知，虽然采用特征识别方法能够使系统的信息化和自动化程度得以提 高，但其自身存在的一些问题仍然难以避免，采用此方法实现系统的集成与信息共享仍 存在一定的困难，需要进一步的方法改进。 ( 2 ) 基于特征的设计 基于特征的设计从设计的角度扩大了建模元素的集合，方便了用户的使用，同时也 为实现产品设计的高效性、标准性和灵活性创造了有利条件脚1 1 。基于特征的设计系统 为用户提供了具有高层次工程意义的特征模型，采用这种设计方式，能够提高设计效率， 同时能够避免特征识别。另外，采用基于特征的设计方式能够在设计过程中进行对特征 的操作，包括相关特征的组合处理、特征评价等，因此目前这种方法在特征造型系统中 被广泛采用阱卯。 s m o t a v a l l i t u l 认为基于特征的设计技术是c a d c a p p c a m 集成的有效途径，它利 用面向对象的技术，将特征和与其相对应的操作进行封装。此方法便于用户应用特征进 行产品的结构设计，但特征模型中未包含与工艺决策、加工过程等环节相关的信息，特 征信息表达需要进一步完善。 t b a c h m 锄n 【2 刀应用基于特征的方法对机械产品进行结构设计。此方法不仅可以用于 零件的几何形状设计，而且还可用于产品的整个设计过程之中，支持特征的添加、修改 和删除操作，但此方法特征的信息数据在各个工作系统间并不统一，未能实现系统间的 信息有效集成。 c 工b r u n e t t i 例运用基于特征的设计，将与产品整个设计过程相关的概念设计、结构设 计和详细设计阶段的数据进行集成，解决了设计各个阶段产品数据表达和计算机对数据 信息的处理方法问题，但此方法并未考虑特征信息与加工方法、加工工艺之间的联系， 仍然需要设计特征向加工特征的转换。 k u s i a k 1 提出了一种体积分解法，其实质是基于制造特征的设计方法，此方法应用 加工特征对零件进行设计，制造特征包含工艺信息，由此满足工艺系统的信息需求。j i a n d o n g d 川在k u s i a k 研究的基础上提出了一种基于制造特征的分解优化方法，将零件制造 特征分解为最小制造单元，并以优化组合的方式组成零件制造特征。这种方法能够将加 工信息添加到制造特征之中，使设计与制造之间建立联系，但工艺信息与几何信息之间 缺乏联系，致使对零件的描述不够准确全面。 谢海波p u 等人以轴类零件为例进行了基于特征设计的零件设计制造集成系统的研 4 第1 章绪论 究。对特征进行了定义，分析了零件的设计特征和制造特征之间的关系，对特征进行了 描述，并给出了特征建模的过程。陈阳【驼1 针对特定的设计对象，从对零件的加工特征进 行了分类和归纳，并采用特征的几何拓扑和属性参数相结合的方式，对零件的特征模型 进行描述。此两种特征模型的描述方法能够提供特征信息，从而实现以特征为基础的零 件工艺推理和数控编程，使工艺人员从对操作底层的几何模型进行工艺编制转变为对加 工特征直接进行工艺规划和数控编程，提高了设计生产效率，但设计特征与制造特征之 间存在信息描述的差异性，由此造成了工艺系统不能获取完整设计信息，影响工艺推理 的准确性。 根据以上所述，采用基于特征的产品设计方法实现设计制造系统集成避免了特征识 别方法所带来的识别算法复杂、识别率不高、工作效率低等问题，能够将与零件设计和 制造相关的信息集成于特征模型之中。但从以往的研究来看，基于特征的设计其设计特 征缺少与加工方法和加工工艺以及制造资源的联系。特征模型中虽然可包含与制造相关 的工艺信息，但特征信息不能反映零件加工过程以及制造资源约束情况，这样不利于进 行产品的工艺推理和可制造性分析，特征信息与工艺方法没有得到有效的结合，使得工 艺系统根据零件特征信息生成加工工艺的过程需要进行特征信息的提取、转换和复杂的 信息处理，仍是局部串行化工作方式。 1 2 2 特征映射技术研究现状 。 在c a d 系统中，以低层次的几何特征为主。通过几何特征间的布尔运算建立零件 几何实体特征模型，可进行虚拟装配、运动仿真以及通过力学软件进行静力学和动力学 分析。在制造领域，以低层次几何特征与高层次的工程语义特征相结合。通过对几何特 征添加相应的表面精度信息、尺寸公差和形位公差等工艺信息而赋予其加工特性。但是， 建立基于c a x 多系统的特征模型仍然存在特征信息描述的侧重点以及表达方式上的区 别p ”q 。由于c a d 系统模型仅表达低层次几何特征信息，而制造系统需要获取零件与制 造相关的工艺信息，因此直接将c a d 模型传递给制造系统，或者通过特征识别的方式 使工艺系统得到的特征模型是不够的，需要进行特征映射。 特征信息在不同应用环境下的转化是特征技术发展的关键问题，同时也是实现产品 信息共享与集成的基础。特征映射技术以特征信息模型为基础，在特征层面上进行信息 的转化p 丌。 郑德涛p 引等建立了设计特征信息和制造特征信息的数学表达式，以及形状特征的映 射函数和加工工艺对零件结构设计的约束函数，在此基础上给出了特征信息由设计域到 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制造域的特征转换过程。同时，对形状特征映射过程中的特征约束关系检查问题也做了 进一步研究。窦万峰嗍等分析了零件特征模型由设计域到应用分析域的特征映射功能需 求，并提出了一种由设计域到分析域的特征映射实现方法。该方法由几何特征模型中的 数据信息生成分析域所需要的有限元网格模型，提供应用软件系统对零件几何模型进行 有限元分析，实现了设计域到应用分析域的特征信息映射转换。高健嗍等研究了c a d 系统中设计特征和c a p p 系统中制造特征之间的映射技术，两系统间的映射包括由设计 特征中抽象形状特征信息到制造特征中形状特征信息的映射以及设计特征与制造特征 间非几何特征的映射，映射的目的是为了使c a d 系统能够为c a p p 系统提供完整的零 件信息。 目前，特征映射技术的研究重点是将产品结构设计中的几何形状特征向其它特征应 用领域的映射，通过某种映射形式或多种映射形式相结合的方式实现特征信息的转换。 这种映射研究侧重于将己存在的几何形状信息转换为具有一定工程语义的其它应用领 域的特征信息，赋予形状特征何种工程语义是关键。本文以加工特征作为零件设计的基 本元素，从制造的角度出发建立加工特征模型。加工特征包含与切削加工相关的信息， 特征中与零件成形相关的特征信息已具有工程语义，与一定的加工行为和加工方法相联 系，采用特征映射的方法将加工特征中与零件成形相关的信息转换为几何特征中的形状 信息。特征映射的研究重点是从加工特征中提取与几何造型相关的形状信息，并通过映 射规则将其转换为能够被几何造型软件应用的几何信息，由此实现加工特征向几何特征 的映射。 1 2 3 产品设计技术研究现状 产品设计在其生命周期中占有重要地位，结构设计是产品加工制造和功能实现的基 础。根据设计方式的不同，产品设计可分为串行设计方式和并行设计方式。 串行设计将整个产品的开发过程分为若干个环节，每个环节具有明确的职能和分 工，如结构设计、工艺设计、装配设计和检验调试等，并将这些环节以顺序连接的方式 建立串行模式。串行模式运用初期确实体现出其自身的优势，提高了生产效率、降低了 生产成本并改进了产品质量，但与此同时，此方式也存在一些问题：一是不同应用领域 之间的信息传递和共享问题，即如何实现将某一生产环节的信息记录并能够自动地、准 确地传递给后续工作环节；二是协调问题，如何对各个工作环节进行控制，使其协同工 作，提高效率；三是控制约束问题，如在产品设计时希望考虑与制造相关的约束以及工 作过程信息反馈，以指导产品设计1 。随着对产品设计制造要求的不断提高，研究人员 矗 第1 章绪论 希望采用更为有效、系统集成化程度更高的设计方法，以实现产品研发的高效性。 并行设计是对产品设计以及相关工作环节进行并行集成的一种系统工作方式，可有 效地解决串行工作方式下带来的产品高成本、生产周期长等问题。企业采用并行的工作 模式主要指产品的设计、制造以及相关任务的同时进行，这种机制允许将产品的设计与 制造过程并行工作，使各环节工作协调一致，提高工作效率。并行设计是从整个产品生 命周期的角度出发，对产品开发过程中各个阶段之间的关系进行组织和协调，使产品的 整体性能达到最优。在并行设计方式下，各领域中能够协同处理用户需求、基本设计知 识和工艺经验等删。 产品的并行设计方式是对串行化工作方式的一种有效的改进，在设计的全局性和协 同性上都有很大的提高。但在产品数据信息的集成和转换方面，依然需要其它技术的支 持。特征技术能够有效的实现产品数据信息的集成，通过特征映射的技术可将不同应用 领域之间的特征信息进行转换，因此，将并行设计与特征技术以及特征映射相结合，能 够更有效的实现产品设计与制造的有机集成，缩短产品开发周期，提高企业工作效率和 市场竞争力。 1 3 本文的主要研究内容 本文通过对当前国内外特征建模技术和产品设计技术的研究现状进行分析，总结以 往的经验和成果，并针对论文的具体研究目的，从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 加工特征建模研究 给出加工特征定义，对加工特征进行分类，建立加工特征模型，给出加工特征模型 重要信息的处理方法；建立特征模型信息的描述方法以及信息存储方法；建立制造资源 模型，给出制造资源对加工特征的约束检查方法；通过加工特征将零件结构设计与加工 方法、加工工艺相结合，给出零件设计流程，实现设计与制造的并行集成。 ( 2 ) 加工特征组合关系研究 、 给出加工特征之间的组合关系，定义特征组合关系类型，建立加工特征组合关系的 确定方法，给出特征组合信息在特征文件中的表示方法，建立针对不同组合关系的特征 加工顺序确定规则，为零件整体工艺推理提供支持。 ( 3 ) 加工特征向几何特征的映射研究 给出零件加工特征域中切削成形信息以及几何特征域中几何形状信息的不同表现 形式和内在联系，建立加工特征向几何特征的映射机制，并构建特征映射规则和映射知 识库，采用基于知识和产生式规则的方法实现加工特征向几何特征的映射。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 基于加工特征的零件设计系统开发 建立零件设计系统的结构框架，并以u gn x4 0 软件为平台开发特征文件生成、设 计参数优化、零件特征模型操作、加工特征组合以及特征映射功能模块，在此基础上开 发基于加工特征的零件设计系统，应用此系统对某型号减速器进行设计。 8 第2 章基于加丁特征的零件设计原理 第2 章基于加工特征的零件设计原理 以传统c a d 系统设计的零件几何模型只表达点、线、面等底层几何信息，并不提 供与制造相关的工艺信息和其它功能信息，无法满足制造系统需求。基于加工特征的设 计，在零件的设计阶段就包含与制造相关的信息，并对特征_ 施加与制造相关的约束，由 此实现设计制造并行工作。 本章从零件的制造角度出发，提出一种包含零件切削成形信息和工艺信息的加工特 征概念，建立加工特征模型，并应用加工特征对零件模型进行描述，旨在以此为基础建 立设计制造并行集成的零件设计方法。 2 1 加工特征模型 、 2 1 1 加工特征的定义 零件的加工过程是应用制造资源、采用一定的加工方法，按照设计工艺要求对零件 毛坯体进行切削，以得到理想几何结构和属性的过程。零件的制造与加工工艺决策都需 要加工信息的支持，如切削去除体成形信息、零件工艺要求信息等，在这些信息的约束 下，工艺系统制定满足设计要求的零件加工工艺，并通过应用制造资源完成对零件的加 工。对于集成化产品设计制造系统来说，这些信息需要由设计系统提供。 特征是一种信息的集合体，特征与其应用领域如设计、制造、装配等相关联，包含 一定的工程语义。其中，工程语义是指特征包含特定的设计属性和加工方法，是在更高 层次上对几何形体和功能属性进行描述。特征作为零件设计的基本元素，将与零件设计 和制造相关的信息集成于特征之中，一方面可用于零件设计，描述零件的结构组成和功 能属性；另一方面可作为信息的载体，将满足零件工艺决策需求的加工信息传递给工艺 系统，以此实现设计与制造的集成。 定义1 ：加工行为加工行为是指应用某种制造资源，对零件毛坯进行切削，以达到 某种几何和工艺要求的过程。 根据, n - r 过程所涉及的机床、刀具以及几何形态的不同，加工行为可分为铣削加工、 钻削加工、车削加工、磨削加工以及铰削、扩削加工等。加工行为的集合可表示为： p b = 鹪，鹏，飓，魍， ( 2 - 1 ) 式中：魈单一加工行为 定义2 ：加工特征加工特征是采用某种加工行为或多种加工行为的组合，在切削成 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 形参数、工艺参数和制造资源的约束下，对零件毛坯进行材料切削去除，以形成零件某 种几何形状和工艺属性的工艺过程。 加工特征是零件设计与制造过程关注的对象，是一系列加工行为的组合。基于加工 特征的设计，特征作为产品设计的基本单元，将零件描述成为加工特征的集合体。加工 特征以信息集合的形式可表示为： = 磁，) ( 2 - 2 ) 式中：砭加工特征 磁切削成形信息 磁工艺信息 2 1 2 加工特征的分类 加工特征按照加工的要求进行分类，一般可分为主特征和辅助特征。主辅特征细化 分为各类特征，加工特征的分类如图2 1 所示。 图2 1 加工特征分类结构 主特征通常用以构造零件的基本形体结构，辅助特征则附着于主特征或其它辅助特 征之上，构成零件模型的完整结构。由加工特征的定义可知，任何一个加工特征都对应 l o 第2 章基于加下特征的零件设计原理 着某种加工方法，所以对于每一类加工特征同样对应着实现这一类特征的加工方法。由 加工特征分类可知，对于每一类加工特征，都有完成此特征的加工方法与其相对应，如 圆柱孔特征对应着钻孔加工、扩孔加工和铰孔加工等。加工特征与实现特征的方法相对 应，也是加工特征分类与普通几何特征分类方法的不同之处。 2 1 3 加工特征建模 加工特征模型是特征信息的抽象与集合，由加工特征的定义，特征包括与零件制造 相关的切削成形信息和工艺信息，为了便于对特征模型进行管理和操作，且使特征模型 能够反映加工特征之间的关联关系，对加工特征模型添加了属性信息和关联信息。其组 成可用以下方式描述： 昂= 乃，层，尼，耳， ( 2 - 3 ) 式中：元属性信息 最切削成形信息 耳关联信息 尼工艺信息 特征模型的结构组成如图2 2 所示： 丽 特 征 名 称 属性信息li 切削成形信息ll 关联信息ll 工艺信息 渊掣掣幽掣幽鬯 尺寸值 上偏差 下偏差 组合类型 蕴孺 名称 图2 2 特征模型结构组成 ( 1 ) 属性信息 属性信息包括特征名称、特征类型以及特征i d 。加工特征名称与特征文件名称一 一一一一一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一对应，这样便于系统对加工特征和与其对应的特征文件进行统一管理；特征类型决定 了一个加工特征的参数类型和参数数量，不同的加工特征类型对应了不同的参数需求， 系统通过获取特征类型信息来确定特征参数；特征i d 可唯一确定每个加工特征，此d 码和与加工特征相对应的几何特征的i d 码一致，在进行零件几何实体特征模型的建立 时，三维建模系统通过特征i d 确定加工特征所对应的几何特征，确保每一个特征的唯 一性，当需要对某加工特征进行修改或删除时，特征i d 是遍历特征的唯一标识，这样 能够保证对n - r 特征和相应的几何特征操作的一致性。 ( 2 ) 切削成形信息 切削成形信息包括刀具切削去除体基本几何形状的确定尺寸参数、定位尺寸参数以 及形位公差等。形状信息的集合表示形式如下所示： 足= ，吃，) ( 2 - 4 ) 式中：珐定形尺寸 最，定位尺寸 最，形位公差 定形尺寸信息主要指确定零件毛坯上刀具切削去除体几何形状的尺寸参数，切削去 除体决定了特征加工完成后的在零件上所形成的特征几何形状。 ， 定位尺寸信息除包含定位尺寸值和尺寸上下偏差外，还包含特征定位信息。包括规 则去除体的定位原点坐标和方向矢量。定位原点坐标可由以下的方式表示： f g = x ，y ，z l 石，y ，z r ) ( 2 - 5 ) 双y 、z 分别代表特征定位点的坐标值，如孔特征的顶端面中心孔坐标为r o ( o ，0 ，0 ) ， 则表明该孔特征的定位点坐标为原点。 定位方向矢量信息可由以下的方式表示： j 了= x ，y ，z i x ，y ，z r ) ( 2 - 6 ) x 、y 、z 分别代表特征定方向矢量各坐标轴的值，如孔特征定位方向矢量兄( 0 ，0 ，1 ) ， 则表明该孔特征的定位方向矢量为z 轴正方向。 ( 3 ) 关联信息 关联信息反映特征之间的内在联系，如组合特征关系，具有精度要求的特征之间的 关系等。特征间的关联关系直接影响零件的工艺推理和工艺排序。 ( 4 ) 工艺信息 工艺信息包含了与零件加工相关的工艺信息，如材料类型、精度要求、热处理方法 等，其基本组织结构如图2 3 所示。工艺信息为工艺系统提供制造过程所需的信息，是 1 2 第2 章基于加工特征的零件设计原理 进行零件工艺推理的重要依据。 图2 3 工艺信息组织结构 本文研究的加工特征与实现特征成形的加工方法相对应。加工方法是指企业制造资 源的应用方式。在一定制造资源的约束条件下，加工方法决定了通过一定加工操作所生 成的零件几何表面的类型、几何尺寸、表面精度、形位公差等m 习。同时，加工方法又 可通过工艺推理与实现此方法的加工工艺相对应。由此可将加工特征理解为应用某种制 造资源，采用一定的加工方法，对零件毛坯进行切削操作，最终在零件实体上形成某种 几何形态的过程。由加工特征的定义可知，特征包含切削成形信息和工艺信息，切削成 形信息与切削去除体形状相关，能够确定零件实体上可切削的几何区域，工艺信息是对 是对切削几何区域提出的工艺特征要求，以这两类信息为基础，规划加工过程和组织制 造资源，可获得零件的加工工艺。图2 4 反映了加工特征、制造资源、加工方法和加工 工艺之间的关系。 图2 4 加工特征、制造资源、加工方法和加工工艺间关系 加工特征根据设计要求进行选择，由加工特征类型以及特征中所包含的切削成形信 息以及工艺信息将加工特征和制造资源相对应，根据加工特征的信息约束条件和相应的 制造资源确定与特征相对应的加工方法，进而通过工艺推理得到加工工艺。由此可知， 以加工特征包含的信息为基础、以制造资源为条件、以加工方法为手段、以加工工艺为 目标，可实现由零件设计到工艺生成的过程。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 4 加工特征模型重要信息处理 ( 1 ) 加工特征封闭面的确定 由加工特征的定义可知，加工特征的几何形状特征表现为零件毛坯上的实体结构。 对于任何一个实体特征加工过程来说，刀具切削区域必须是封闭的，本文将刀具在切削 过程所走过的区域定义为加工特征封闭面。 封闭面有着重要的意义，它是特征加工过程中一项重要的约束条件。封闭面限制加 工过程刀具的移动范围，决定了特征加工完成后在零件毛坯上形成的实体几何形状和对 其它特征的影响情况。 如图2 5 所示的圆柱凸台特征t r a d 2 ，对其进行加工的过程，除要确定实体保留部 分的定位参数以及几何形状参数之外，重要的一项工作是确定凸台周围毛坯实体的去除 范围，即加工特征封闭面的范围。图中所示实例e d g e l 、e d g e 2 、e d g e 3 和e d g e 4 所组成 的封闭区域为凸台特征的封闭面，在特征添加时通过交互方式选择确定。由图2 5 可知， 如果错误的定义封闭面甚至不定义封闭面，无法准确完成对圆柱凸台特征的切削加工过 程，并会对其它特征( 如特征t r a d l ) 的几何形状造成破坏影响。 e d g e 2 图2 5 凸台特征及其封闭面 ( 2 ) 加工特征定位原点位置的确定 加工特征的添加过程需要进行特征定位，不同的加工特征具有不同的特征定位原 点，如孔特征的定位原点为其端面圆心，矩形槽特征定位原点为其与放置面重合的截面 中心。确定特征定位原点位置，通常采用选择定位参考特征并给出定位原点与参考特征 间的相对距离或直接给定定原点坐标值的方法。 如图2 6 所示为孔特征采用以两个特征边为参考的定位方式，孔h o l e 以两条边特 征e d g e l 和e d g e 2 为定位基准，通过给定孔特征与基准特征之间的相对距离d 1 和d 2 确定h o l e 的位置。 1 4 第2 章基于加下特征的零件设计原理 f 址i b e l 图2 6 孔特征定位 ( 3 ) 加工特征方向的确定 对零件添加加工特征时，需要给出特征的定位方向和定位参考方向，它们对确定刀 具主运动和进给运动方向有着决定性作用。 如图2 7 所示的槽特征，定位方向为特征放置面的法向矢量，定位参考方向为与特 征放置方向垂直的方向，它决定了槽特征长边方向。通过给定定位方向信息，采用立铣 刀加工槽特征，刀具主运动方向与特征放置方向相同，如图中t a d l 方向，进给运动方 向与特征定位参考方向相同，如图中t a d 2 方向。 图2 7 特征加工方向示意图 2 2 加工特征信息描述与存储 2 2 1 基于面向对象的特征信息描述方法 一个完备的信息描述方法应满足以下几方面的要求： ( 1 ) 信息描述要求准确、完整、简要； ( 2 ) 信息的描述方法要求易于实现： ( 3 ) 信息的描述要求与计算机信息处理的工作方