一种应用于异构协同环境的三维特征提取方法的研究.docx

一种应用于异构协同环境的三维特征提取方法的研究基于三维特征提取技术的自动化分析摘要：本文介绍了特征信息提取与分类技术在开展可制造性分析以及解决设计、工艺与制造信息的集成与共享中的重要意义，通过研究Pro/E模型的制造特征、完成了特征信息提取、基于特征表达的工艺知识库构建、特征自动匹配和工艺决策系统，解决了典型结构件模型特征在可制造分析中的信息传递、知识积累和共享问题，并通过工程实际结构件模型的应用，验证了该模块功能的稳定性。关键词：特征信息提取；特征匹配；可制造性分析；工艺知识库Extraction and classification of the feature information based on manufacturability analysis of aerospace complex structured productsAbstract: This paper describes the technologys importance of extraction and classification of the feature information in studying manufacturability analysis and solving the integration and share of the information related to design, process and manufacturing, with the starting to improve the product development efficiency, shorten the construction cycle, improve the quality of the product in manufacturability analysis of aerospace complex structured products. By means of studying the feature attributes and the feature element trees data structure organization in Pro/E, it completed the development of the function of extraction and classification of the feature information with Pro/ToolKit in the development environment of VC2008, achieving the extraction and classification of the common feature information related to the aerospace structural parts. It checks the stability of the module function by the practical engineering application of the space structure model.Keywords: feature information extraction; feature element trees; manufacturability analysis 60.前言特征技术的不断发展和成熟使基于特征技术的可制造性分析成为了人们研究和实践的热点。由于宇航结构件的复杂性，设计部门提供的模型特征信息没有得到充分利用，实践中主要依赖人工进行特征识别并根据以往经验进行工艺设计，设计效率低、设计质量差。因此，本文提出一个基于特征提取和工艺决策的方法，即通过构建典型工艺知识库、利用提取和特征自动匹配技术，进行可行性分析和决策。通过知识积累和应用，能够形成经验共享、快速应用的良好效用。图 1系统总体框图特征提取是利用Pro/Toolkit开发工具，在VS2008环境中开发实现，主要包括组成零件模型的特征提取和特征元素树属性的提取，开发的应用程序通过读取给定的零件输出特征信息表。工艺知识库中涉及到的内容相当广泛,包括数据、工艺、知识、现场经验等信息。根据系统中知识的形态，可以将知识划分为：关于对象的事实知识即狭义的知识，关于方法的知识即通常所指的规则，上述两种形态的知识分别对应存入知识库和规则知识库。知识库分类结构如图所示。图 2 工艺知识库在特征匹配中，工艺决策模块根据零件信息，运用一定的推理方法，结合数据库中的工艺规则和工艺数据进行工艺决策，用户可以对得到的工艺对象进行编辑修改，使之更加完善。工艺决策的推理过程需要用知识库中的知识和规则的条件进行匹配，系统不但能够从数据库中获取数据，而且能够向数据库中加人新的知识，新的规则，更新数据库中陈旧过时的数据。1.Pro/E特征提取技术基于特征是Pro/ENGINEER最根本核心设计思想。在PRO/E中，特征是组成图形的一组具有特定含义的图元，是设计者在一个设计阶段的全部图元的总和。针对Pro/E特征，Pro/Toolkit提供了一种称为特征元素树的树形结构来描述特征的完整属性。特征是构造Pro/E模型的基本单元，特征树是用树状结构的形式来描述和定义一个特定特征，它直观的表示了某特定特征的结构体类型数据。不同的特征具有不同的特征树，特征树的根节点和各分支统称元素。特征元素树包含了定义一个特征所需的全部信息，例如特征的类型/子类型、参照的几何元素、特征截面的二维参数以及所有的尺寸值等。特征信息的提取与分类正是识别和提取特征元素树的过程。如图某拉伸特征元素树结构。图 3某拉伸特征元素树结构根据创建的拉伸类型，特征树上的特征元素被赋予相应的值。表 1拉伸特征常见特征元素以及其允许的值（仅列举两个）Element IDValuePRO_E_EXT_SURF_CUT_SOLID_TYPEMandatory(强制的)Of type ProExtFeatType=PRO_EXT_FEAT_TYPE_SOLID for Solid feature type(实体特征类型)=PRO_EXT_FEAT_TYPE_SURFACEfor Surface feature type(曲面特征类型)PRO_E_REMOVE_MATERIALMaterial RemovalOf type ProExtRemMaterial=PRO_EXT_MATERIAL_ADDFor a Protruded feature (伸出项)=PRO_EXT_ MATERIAL_REMOVEFor a Cut feature （切剪）同样，孔特征、基准面特征元素树中的每一个节点都对应着一个ID以及可能的取值，在本文不一一详细做介绍。特征信息提取技术不仅是解决设计与制造集成的有效手段，也是三维模型从设计到工艺、制造以及生产现场全面应用的基础，利用特征及其参数能快速构造或改变零件模型，快速实现自动装配，可提供给用户已经在设计加工中得到验证的特征库等。特征信息提取技术的方法很多11，本文采用基于Pro/E软件的二次开发（利用Pro/Toolkit开发工具）获取模型特征的全部属性，如图特征信息提取与分类开发流程。图 4特征信息提取与分类开发流程2.三维工艺知识库与工艺决策技术武器装备产品结构复杂、精度要求高，大型复杂件多、制造和装配难度大。在长期的型号研制中积累了大量的工艺技术、经验和知识。从企业应用角度来说，典型工艺是指经过长时间的工艺知识（工艺经验）积累和应用验证，某些已经成熟的、规范的、具有一定特点和代表性的工艺规程或工艺操作。2.1基于规则表达的工艺特征知识库管理典型工艺可以认为是一种特殊的工艺，可以表示一类零件加工工艺的不变工艺信息工序内容及工序安排；规则可以表示工艺决策知识，它可以表示一类零件加工工艺的可变信息。把体系框架表示法与规则表示法两种结合起来就可以形成一种新的工艺知识表示方式，即：工艺框架+特征规则集的知识表示方式，称之为典型工艺模板。(改一下名称吧：典型工艺特征识别库，怎样？)其建模方式是：以典型工艺对象及其子对象表示族零件加工工艺的不变信息，以规则方式表示工艺决策知识，与典型工艺对象结合对具体零件中加工工艺可变信息进行约束。其中可变信息是由零件具体特征决定的，包括与零件特征相关的加工方法、设备规格、工步、刀具规格、加工模式和切削参数等工艺信息。规则是以嵌入的方式融合到以框架表示的典型工艺中的，具体来说是直接嵌入到典型工艺对象及其子对象典型工序、典型工步中，在具体工艺决策推理过程中，约束具体工艺、工序、工步及加工元等对象，因此把这种以框架来表示的、融合的规则的典型工艺称为典型工艺模板。 图 7基于规则表达的工艺特征知识库管理2.2基于特征匹配的工艺决策专家系统工艺决策是根据工艺技术条件确定零件机械加工工艺方案的过程，是基于提取的零件特征信息和补充的工艺信息，应用工艺知识进行工艺规划的过程。对于通用零部件（包括回转体、箱体等），由于无法进行统一分组，即使强行分组也可能出现组数过多、每组所包含的零件数目少的情况，另外，由于不同工厂、零件本身的结构特点不同，无法摆脱工艺人员的干预来进行计算机自动工艺决策。因此，根据目前的实际情况，本文采用基于特征匹配的工艺决策专家系统完成工艺文件的输出基于其三维模型特征信息，通过检索或交互式选择工艺知识库中满足条件的典型工艺模板，粒度从粗（工艺级）到细（工序工步级），根据工艺模板的相应的规则集，生成工艺的基本属性和工序工步链，同时实现设备、工装和刀量具的匹配和选用。对自动决策推理生成的工艺信息应用多视图的工艺设计模式进行交互式的编辑以完善和丰富工艺内容。在典型工艺模板中，把工艺的不变信息部分以结构化典型工艺（结构化工艺对象）表示，而可变信息部分以约束规则表示。在工艺决策过程中，典型工艺中不变的部分直接被继承（复制）到具体工艺中，而具体零件工艺的可变部分则根据零件特征信息基于典型工艺模板综合推理决策生成。主要决策过程分为选择、复制和推理三步，如图所示。 图 5基于工艺知识规则库的决策原理图工艺决策的过程中，工艺人员可根据生产的实际情况进行修改和编辑。3.案例分析3.1 特征提取开发案例以拉伸特征信息提取为例说明软件开发的实现过程。图 6拉伸特征的类型和子类型拉伸特征的判断条件是子类型sub_type=“拉伸“（类型type=PRO_FEAT_PROTRUSION或PRO_FEAT_CUT）。以下是按照图 6特征信息提取与分类开发流程实现的拉伸特征信息提取开发过程。首先利用ProFeatureElemtreeExtract()函数不要具体说明PROE函数了。和ProElementChildrenGet()函数获取特征树的根元素以及该特征元素树上的所有特征元素。第二步通过特征元素树上名为PRO_E_STD_FEATURE_NAME的节点调用ProElementWstringGet()函数，获得特征的名称。第三步通过元素树上名为PRO_E_SKETCHER的节点调用ProElementSpecialvalueGet()及ProSectionNameGet()函数获得截面及其对应名称。第四步访问特征元素树上PRO_E_STD_EXT_DEPTH节点获取拉伸深度值。最后通过调用调用ProSurfaceDataGet()、ProSectionShapeGet()等函数得到拉伸的方向及拉伸特征的草绘截面信息。3.2 运行结果以下图模型为例，打开Pro/E，在应用程序中自动加载【读取模型特征参数】功能模块，如图 7特征提取界面所示，打开下拉列表【输出特征参数】，根据提示界面，输入文件名或默认文件名称，选择保存文件的路径，单击保存按钮，完成操作。打开指定路径下的文件查看输出的特征信息。图 7特征提取界面图 8 指定保存文件路径图 9输出模型特征信息将提取的特征信息表文件输入到可制造性分析系统后，输出可制造性评估结果如下图示。图 10 可制造性分析结果4.结论：本文在可制造性分析系统/体系之上，研究了Pro/E软件中的特征分类、特征类型、以及特征信息提取技术，开发了相应的软件模块，通过工程实际结构件模型验证了该软件模块功能的完整性和稳定性。通过本文的研究和工程验证，构建了模型特征信息提取、知识库构建、特征匹配的集成化软件系统，为快速响应制造提供了一种技术支撑手段，提升其数字化的制造能力。大侯，请您帮我修改下摘要以及结论这两个地方吧。_交稿日期：2013-12-5基金项目：离散制造业产品生命周期管理系统研发及产业化作者简介：顾翠（1984），女，河北辛集人，北京神舟航天软件技术有限公司研发工程师，工学硕士，研究方向为CAD/PLM。侯旭东（1974），男，_参考文献:1顾翠,张利强,项钦之. 基于Pro/E二次开发的卫星装配设计研究J 计算机工程与设计,2011,32(4):1169-1172.2蔡贤涛,何发智等.异构协同设计环境中特征模型的提取与重建J.中国图像图形学报,2009,14(12):2616-2617.3张军.基于加工特征的可制造性分析技术研究D.北京理工大学,2010.4田建平,刘晓叙.基于Pro/E平台的零件可制造特征分析J.2010(2):67-68.用于可制造性分析系统的设计知识的类别可以分为以下四类：1)显性知识：显性知识为明确化的知识，在设计手册里有明确规定或是工程人员都认可的知识，比如常用于设计的几何特征及制造特征描述为这一类知识。2)隐性知识：隐性知识是需要工程人员利用其它知识对其进行分析后才能得到的知识，大多数为经验类的知识。3)定量知识：一般指可量化的设计规定、规则及标准。4)定性知识：定性知识比较笼统，依靠工程人员根据情况来分析使用。以上知识均为语言性描述，另有一些图像类知识，需要进行转换和处理为计算机系统使用。 工艺知识是工艺设计的基础，对工艺知识的管理有利于企业工艺知识和经验的积累和工艺优化。在系