0 引言

    在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，獨(dú)立的數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用，但企業(yè)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的追求給設(shè)計(jì)、制造的集成化程度提出了更高的要求，這也是現(xiàn)有CAD、CAM等計(jì)算機(jī)輔助軟件不斷完善發(fā)展的方向。不同應(yīng)用系統(tǒng)間的集成能夠有效縮短設(shè)計(jì)信息到制造信息的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高工作人員的工作效率，覃興等人針對(duì)曲軸開(kāi)發(fā)的CAD/CAPP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鍛件的工藝與模具設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

    CAPP是連接設(shè)計(jì)與制造的有效橋梁，但現(xiàn)有CAPP系統(tǒng)難以有效利用產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)信息。CAD/CAPP信息集成能夠?qū)ζ髽I(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行價(jià)值的最大挖掘，減少工藝制定過(guò)程中對(duì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的依賴性，提高工作效率與質(zhì)量，且識(shí)別到的特征可供下游參考使用，如CAE中細(xì)節(jié)特征的抑制。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息到制造信息的快速轉(zhuǎn)換，減少人工參與的工作量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，本文以箱體類零件為研究對(duì)象，對(duì)特征識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了研究，利用特征識(shí)別實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP的信息集成。

1 特征識(shí)別方法

    箱體是機(jī)械產(chǎn)品中一種基礎(chǔ)零件，主要用于安裝或包容其他零部件，一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工特征主要由平面和圓柱面構(gòu)成。本文針對(duì)該類零件的幾何特點(diǎn)，提出了以面為中心，基于痕跡和規(guī)則的混合特征識(shí)別算法，如圖1所示。其中對(duì)面按類型分組，可在不同的面組內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)特征的識(shí)別，減少特征匹配范圍，而補(bǔ)充的工藝信息則能有效地將特征與工藝信息結(jié)合起來(lái)，以供CAPP使用，實(shí)現(xiàn)信息流通。

圖1 特征識(shí)別算法流程

    1.1 幾何數(shù)據(jù)的提取與重組

    本文以面為中心，利用面的信息實(shí)現(xiàn)特征識(shí)別，獲取的面信息如圖2所示。

圖2 面的幾何信息

    特征識(shí)別的一個(gè)難點(diǎn)是相交特征的識(shí)別，學(xué)者們?cè)诟鞣桨傅幕�礎(chǔ)上提出了混合特征識(shí)別方法，但目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的解決方案可適用于種類繁多、復(fù)雜度越來(lái)越高的零件的特征識(shí)別。本文通過(guò)對(duì)已獲取的幾何面信息（痕跡）進(jìn)行分析，對(duì)面進(jìn)行共面檢查，還原被分割前的完整平面的信息，以便于相交特征的識(shí)別，其準(zhǔn)則如下，具體示意如圖3所示。

圖3 加工特征面邊界獲取示意圖

    若面1與面2的法向同向且平行，具有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)方程，且兩者的位置點(diǎn)連線間沒(méi)有其他幾何面，則面1與面2是同一平面被分割而產(chǎn)生，將面1與面2存儲(chǔ)到同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以表示加工中的同一平面。

    實(shí)現(xiàn)共面信息的判斷后，將所有平面進(jìn)行分組，再在組內(nèi)排序。其分組依據(jù)面的法向，按z、y、z3個(gè)主方向進(jìn)行，排序按每一平面位置點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行，例如z軸方向的所有平面按各平面中心位置點(diǎn)坐標(biāo)的x值進(jìn)行排序。通過(guò)這樣的數(shù)據(jù)處理，可在特征識(shí)別過(guò)程中搜索同一方向的鄰近面進(jìn)行特征識(shí)別，減少特征匹配范圍，提高識(shí)別效率。

    1.2 以面為中心的混合特征識(shí)別方法

    完成對(duì)幾何面信息的獲取與重組后，結(jié)合預(yù)定義的特征判斷規(guī)則，可有效識(shí)別箱體類零件的常用加工特征，并將特征信息存儲(chǔ)到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，為工序決策提供所需要的信息。

    在獲取的圓柱面的集合內(nèi)可有效進(jìn)行加工孔特征的識(shí)別，識(shí)別規(guī)則如下：

    (1)面上一點(diǎn)指向軸線；

    (2)圓柱面對(duì)應(yīng)的圓周角大于3π/2。

    其中圓周角的應(yīng)用可將孔特征與內(nèi)邊倒圓角特征區(qū)別開(kāi)來(lái)，保證了識(shí)別的準(zhǔn)確性。

    槽、腔特征主要由平面構(gòu)成，在已經(jīng)進(jìn)行分組和排序的平面集合里進(jìn)行槽、腔特征識(shí)別時(shí)，利用平面的法向，依據(jù)就近原則進(jìn)行特征識(shí)別，可快速識(shí)別槽、腔特征，識(shí)別過(guò)程如圖4所示。

圖4 槽、腔特征識(shí)別算法流程圖

    槽、腔特征可分為閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩類特征，其閉環(huán)特征識(shí)別規(guī)則如下：

    (1)i面與j面的法線同向且平行；

    (2)以i面位置點(diǎn)為起點(diǎn)，i面法向?yàn)榉较虻纳渚�與模型不相交；

    (3)i面邊界點(diǎn)投影到j(luò)面上，若投影落在j面邊界內(nèi)部，則i、j構(gòu)成腔特征，投影有部分落在j面邊界上，則i、j構(gòu)成閉環(huán)槽特征。

    開(kāi)環(huán)類型的特征，主要是一些開(kāi)環(huán)的槽特征（臺(tái)階），其識(shí)別規(guī)則如下：

    (1)i面與j面的法線同向且平行；

    (2)分別以i面、j面各自位置點(diǎn)為起點(diǎn)，各自法向?yàn)榉较虻纳渚�均與模型不相交；

    (3)i、j共有平面總數(shù)小于2。

    符合上述規(guī)則的i、j面構(gòu)成開(kāi)環(huán)的槽特征。

2 CAD/CAPP集成應(yīng)用系統(tǒng)

    特征識(shí)別將幾何信息轉(zhuǎn)換為制造信息，再結(jié)合輸入的輔助工藝信息，可有效地指導(dǎo)產(chǎn)品工藝路線的制定。利用Pro/E軟件進(jìn)行本地化應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，可以縮短設(shè)計(jì)和加工周期，降低成本，本文以Pro/E為平臺(tái)，針對(duì)箱體類零件開(kāi)發(fā)了CAD/CAPP集成應(yīng)用系統(tǒng)。

    如圖5所示，該系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊構(gòu)成：工藝信息補(bǔ)充模塊、特征識(shí)別與顯示模塊、工藝決策模塊。通過(guò)AddToler按鈕可向模型添加工藝信息，如面的粗糙度、孔與孔的同軸度等；通過(guò)Fea_Recognition按鈕進(jìn)行特征識(shí)別計(jì)算，生成特征數(shù)據(jù)，其中特征加工方案主要利用已輸入的工藝信息，結(jié)合后臺(tái)特征工藝數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行搜索而得到。對(duì)于部分不合理特征，如圖6所示，可通過(guò)刪除按鈕進(jìn)行處理。在顯示特征識(shí)別結(jié)果的List控件中，列Serial_In_Group為特征編號(hào)，列Reference為根據(jù)補(bǔ)充的工藝信息得到的參照基準(zhǔn)（特征），如平行度、垂直度要求，列Depend為特征的依附特征。GA按鈕則是利用已經(jīng)獲取的特征信息進(jìn)行遺傳算法的迭代計(jì)算，最終得到理想的產(chǎn)品加工工序。

圖5 系統(tǒng)界面

圖6 不合理特征

    CAPP系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行決策，本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)CAPP系統(tǒng)的決策功能，并使最終工藝路線的成本較低。利用遺傳算法解決工藝排序是個(gè)全排列問(wèn)題，借鑒適應(yīng)度函數(shù)，以各工序間變更設(shè)備、刀具、夾具所產(chǎn)生的額外加工費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)（適應(yīng)度函數(shù)）：

TWC=Nm×MCC+Ns×SC+Nt×TCC  (1)

    式(1)中MCC為更換加工設(shè)備產(chǎn)生的成本，SC為裝夾成本，TCC為更換刀具產(chǎn)生的成本，Nm、Ns、Nt分別為整個(gè)加工過(guò)程中更換設(shè)備次數(shù)、裝夾次數(shù)、更換刀具次數(shù)。

    遺傳算法在本系統(tǒng)中的集成，降低了對(duì)工藝人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性，提高了工藝制定的效率，增加了本系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

3 應(yīng)用實(shí)例

    圖7所示零件為包裝機(jī)的主要構(gòu)成部件，利用本系統(tǒng)的特征識(shí)別算法，可對(duì)該零件的大部分特征進(jìn)行有效地識(shí)別，識(shí)別后的特征結(jié)果如圖7、表1所示。表1中的特征加工方案為依據(jù)獲取的特征工藝信息，在工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行搜索得到的特征加工方法。將表1中每個(gè)特征的加工方案進(jìn)行工序分解，可得到實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件的加工所需要的38個(gè)工序，以加工成本為目標(biāo)，利用遺傳算法對(duì)這38道工序排序，結(jié)果如表1所示。在應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行工序排序的過(guò)程中，取種群數(shù)為50，進(jìn)化代數(shù)為300，交叉率為0.7，變異率為0.1。從計(jì)算結(jié)果可以看出，最終的工藝路線，滿足幾個(gè)基本約束條件，如基準(zhǔn)先行，父項(xiàng)優(yōu)先、先粗后精，工藝路線較為理想。

圖7 特征識(shí)別結(jié)果

表1 特征加工方案

4 結(jié)論

    為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息到制造信息的快速轉(zhuǎn)換，充分利用已有的設(shè)計(jì)信息，本文針對(duì)箱體類零件的幾何特點(diǎn)，提出以面為中心，基于規(guī)則和痕跡的混合特征識(shí)別方法，避免了傳統(tǒng)識(shí)別算法對(duì)大量面邊信息進(jìn)行分析計(jì)算的過(guò)程，有效識(shí)別了箱體上的常見(jiàn)制造特征，如孔、腔、槽。在Pro/E平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的CAD/CAPP集成系統(tǒng)，實(shí)

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