1 引言
CAPP是連接CAD與CAM的橋梁，是CIMS中不可或缺的重要一環(huán)。CAPP的核心任務(wù)是生成零件的加工工藝，即制訂面向車間和制造資源的零件合理加工工藝路線。在并行工程廣泛應(yīng)用之后，更需要CAPP與CAD實時集成，使得在產(chǎn)品設(shè)計過程中就能得到所需的工藝信息。隨著特征和特征映射技術(shù)的成熟，CAPP將從CAD中提取特征作為工藝推理的輸入條件，以最人限度地實現(xiàn)與CAD的無縫鏈接，因此對設(shè)計特征的描述成為工藝推理的一個關(guān)鍵點。本文重點討論工藝推理中的特征描述及對工藝推理的影響。
2 CAD/CAPP集成系統(tǒng)的特征描述現(xiàn)狀
零件模型的特征主要是零件的設(shè)計特征，包括形狀特征、材料特征、功能特征、精度特征、管理特征等，這些特征決定了零件的加工工藝。目前，用于CAD/CAPP工藝推理的零件特征描述一般采用如圖1所示的單特征描述結(jié)構(gòu)。由于CAD模型側(cè)重于描述零件的幾何信息，而CAPP進行工藝推理時更關(guān)心的是加工特征的鑒別，因此從CAD模型中提�。ㄒ姷�3.2節(jié)）信息的時候比較注意單特征信息的提取，通常會遺漏一些隱含信息，特別是對特征之間的關(guān)系的描述，這也是造成目前CAD與CAPP集成困難的原因之一，較為詳細地說明了這種差別。提出一種實現(xiàn)從CAD工程圖里直接提取特征信息的成組技術(shù)(Group Technology，GT)方法，但是在實現(xiàn)集成的同時濾掉了CAD中特征之間的隱含關(guān)系。提供CAPP的多Agent解決方案，并為特征描述提供了一個基于單特征識別的特征識別Agent。
圖1 CAPP單特征工藝推理的特征信息描述
從制造的角度來講，用單特征描述零件是合理的，包括前面所述的絕人多數(shù)CAPP系統(tǒng)都是從單特征出發(fā)進行工藝推理，把零件分解成加工元，然后合并工序、排列工序工步順序、選擇工裝，最終生成零件的加工工藝。這種工藝推理方法過分強調(diào)特征的獨立性，忽視了特征之間的關(guān)聯(lián)和組合關(guān)系，造成工藝推理結(jié)果的不準(zhǔn)確和工序工步排序的不合理；同時，過分忽視零件的拓撲關(guān)系也有悖設(shè)計的初衷，提高CAPP特征描述的準(zhǔn)確性與全面性勢在必行。
在單特征描述的基礎(chǔ)上加入特征組合描述是完善零件特征信息模型的一條可行途徑，也是本文的主旨。
3 面向工藝推理的特征組合描述
3.1 零件的特征組合描述
CAPP中對零件進行工藝推理時對零件特征的描述有以下要求：
(1)精確、全面地描述整個零件的組成，即零件的幾何描迷；
(2)充分表達零件設(shè)計的工藝要求，即零件的工藝信息；
(3)把零件組成特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系傳遞給工藝推理模塊。
單特征描述較好地實現(xiàn)了(1)和(2)的一部分，對(3)并沒有很好地解決，以下主要針對(3)展開討論。
我們認(rèn)為，工藝推理中的特征組合就是按照工藝推理對特征的要求，將描述零件的單特征中彼此相關(guān)的特征組合起來描述，并且闡明這種關(guān)聯(lián)的性質(zhì)．單特征之間可能出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)類別按照工藝要求可分為以下6種關(guān)系：
(1)基準(zhǔn)關(guān)系．基準(zhǔn)可定義為零件上確定其它點、線、面位置的點、線、面，這些點、線、面對工藝推理來說就是特征。基準(zhǔn)關(guān)系就是一個或多個特征在進行機械加工時以另一個特征為基準(zhǔn)而構(gòu)成的特征之間的關(guān)系。組成零件的特征中必然有作為基準(zhǔn)的特征，因此加工中必然會有其它特征與此基準(zhǔn)發(fā)牛關(guān)聯(lián)。如圖2a中的三個特征（特征1.2為同軸孔，特征3為底面），特征1，2的加工以特征3為基準(zhǔn)，所以特征1，2與特征3可組合為基準(zhǔn)關(guān)系，并將此信息傳遞給工藝推理模塊。
(2)互為基準(zhǔn)關(guān)系．對零件進行切削加工時，為了保證兩個或多個特征之間達到較高的位置精度，常常采用彼此互為基準(zhǔn)進行反復(fù)加工的策略，此時這些特征之間就存在互為基準(zhǔn)的關(guān)系。如圖2b所示零件，特征1（光孔）和特征2（光孔）之間有較高的位置精度要求，所以加工時采取互為基準(zhǔn)的策略，這樣就建立了兩特征之間的互為基準(zhǔn)關(guān)系。
(3)定位關(guān)系。工藝推理對組成零件的特征之間的拓撲關(guān)系要求并不嚴(yán)格，但在加工時兩個看似不相關(guān)的特征卻可能存在著定位關(guān)系，即一個特征的定位尺寸決定于另一個特征．如圖2e所示的6個孔特征，特征2，3的位置由特征1決定，特征5，6的位置由特征4決定，因此特征2，3與特征1，特征5，6與特征4之間的關(guān)系為定位關(guān)系。
(4)衍生關(guān)系。為了實現(xiàn)與CAD的集成，CAPP過分追求單個特征的清晰描述而忽略了特征之間所隱含的先后生成關(guān)系：當(dāng)某一特征沒有被加工之前，另一特征就不存在或不可能被加工，本文稱之為衍生關(guān)系。如圖2d所示零件，在特征1（槽）產(chǎn)生前，特征2（內(nèi)表面）和特征3，4（孔）是不可能被加工的，即特征2，3，4與特征1是衍生的關(guān)系。
(5)精度要求關(guān)系．零件功能提出的特征之間的位置精度要求，這是最常見的一種特征之間的關(guān)系。如圖2e所示零件，特征1，2，3（外圓柱）之間有位置精度要求，則這三個特征可作為組合特征來描述，特征的組合關(guān)系是精度要求關(guān)系。
(6)同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系．為了保證零件加工精度且使加工成本最低，機械加工通常以成組技術(shù)為基礎(chǔ)組織，所以零件中的相同或相似特征在加工時有可能組合在一起構(gòu)成關(guān)聯(lián)關(guān)系．如圖2e所示中軸的4個倒角，由于是相同特征，加工時常置于一個工步中，則此4個特征可作為組合特征描述，其關(guān)系為同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系。
值得指出的是，以上的特征組合關(guān)系在實際特征描述時可能出現(xiàn)重疊(如圖2e的三個軸段同時具備(2)，(5)，(6)三種關(guān)系)，這些關(guān)系相互之間并不矛盾，因此描述一個零件時應(yīng)盡可能多的找出單特征之間的聯(lián)系，力求完整、準(zhǔn)確地描述零件。
圖2 特征組合關(guān)系圖例
3.2 CAD模型的特征提取與識別策略
要實現(xiàn)CAD/CAPP的集成，必須將CAD模型中的幾何特征轉(zhuǎn)化為工藝推理需要的加工特征。特征提取與識別是一種可行辦法。本文以Pro/E作為構(gòu)建CAD模型的工具，Pro/E將設(shè)計人員的造型特征按照父子關(guān)系構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于直接從三維圖形提取和識別特征困難很大，因此Pro/E環(huán)境下的零件幾何建模分為零件截面構(gòu)造和三維造型操作（拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混成）。通過從模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中提取幾何特征的截面參數(shù)和其建模步驟，可以將三維幾何實體識別簡化為二維圖形的識別，這也是Pro/E環(huán)境下特征提取與識別的出發(fā)點。
圖3 CAD的父子層次模型（虛線表示同一特征）
本文所指的特征提取是指直接訪問模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹獲取零件的截面信息（包括其屬性）和建模的操作步驟信息的過程，可由特征類別提取、特征屬性提取和元素提取三個步驟來實現(xiàn)．特征類別提取主要用于分離不同類型特征并進行冗余特征過濾（濾掉輔助基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)線），這一步可以簡化特征識別；特征屬性提取在特征類別提取的基礎(chǔ)上提取隸屬于此特征的形狀、尺寸、基準(zhǔn)等屬性，獲取比較詳盡的幾何信息，為特征的正確識別提供保證；元素提取主要是獲取構(gòu)成特征的邊界曲線或者頂點的坐標(biāo)數(shù)值，供特征識別時計算和推理使用。特征提取是特征識別的基礎(chǔ)，為特征識別提供信息。
特征識別是將特征提取的信息與已經(jīng)建立的比較母本庫進行信息匹配（包括圖形和非圖形信息），從而獲取相應(yīng)的特征列表及其屬性信息，識別過程可由幾何特征識別和特征屬性識別兩個步驟實現(xiàn)。幾何特征識別根據(jù)特征提取中的特征類別提取得到的信息，將幾何實體對象分為簡單特征和復(fù)雜特征。簡單特征指圓柱體、圓錐體、長方體等具有單一幾何形狀的特征，這類特征的識別只需搜索到特征類別提取的信息即可；復(fù)雜特征由多個簡單特征復(fù)合而成，必須搜索到元素提取的信息并進行分離和匹配才能識別，特征屬性識別主要完成尺寸、形位公差等標(biāo)注信息與其載體特征的對應(yīng)工作。識別原理是建模時的標(biāo)注與宿主特征的附著關(guān)系，有了這種關(guān)系就可以用搜索函數(shù)獲取其載體特征。
單特征的提取與識別可以由以上方法實現(xiàn)，但是CAPP所關(guān)心的幾何對象的工藝加工語義是CAD本身不能處理的，兇此第3.1節(jié)提出的6種特征組合關(guān)系并不能全部通過直接特征提取和識別變成CAPP的輸入模型，這6種情況的識別策略如下：
(1)基準(zhǔn)關(guān)系。不能直接從特征之間的父子關(guān)系識別，只能在作為基準(zhǔn)的特征上添加基準(zhǔn)關(guān)系屬性，并指明所有以此特征為基準(zhǔn)的特征。這樣就可以通過上面的方法提取和識別這種基準(zhǔn)關(guān)系，所需的額外工作是特征識別的后處理，即從提取的屬性信息里匹配所有特征。
(2)互為基準(zhǔn)關(guān)系，識別方法同基準(zhǔn)關(guān)系，但需要在具備互為基準(zhǔn)關(guān)系的所有特征上添加互為基準(zhǔn)關(guān)系屬性。
(3)定位關(guān)系。CAD模型中特征之間的定位關(guān)系體現(xiàn)在幾何拓撲結(jié)構(gòu)上，如定位尺寸；CAPP出于加工的需要更關(guān)心產(chǎn)生定位關(guān)系的特征是哪些，而CAD模型無法完全滿足CAPP的要求，因此實現(xiàn)定位關(guān)系識別的快捷方法是顯式地指明這種關(guān)系，作為特征的屬性由特征提取和識別的幾個步驟進行識別。
(4)衍生關(guān)系。一方面，CAD構(gòu)建特征時有一定隨意性，不一定嚴(yán)格按照設(shè)計師的意圖刻意規(guī)定特征之間的父子關(guān)系；另一方面，本文所指的衍生關(guān)系更多是出于加工上的考慮而提出的，CAD模型無法體現(xiàn)這種要求，具有衍生關(guān)系的特征問不一定具有CAD意義上的父子層次關(guān)系。出于這兩點，衍生關(guān)系不能直接由Pro/E的父子層次關(guān)系識別，其識別策略與定位關(guān)系相同，也是直接在特征上添加屬性提取。
(5)精度要求關(guān)系．可直接由特征提取與識別獲得，因為隸屬于特征的形位公差可通過特征屬性識別提取出來，所以可將具有精度要求的特征一一識別。
(6)同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系�？芍苯佑商卣魈崛∨c識別獲得。前面提到的特征類別提取可識別出同類特征．有時出于制造上的考慮，需要特別指定同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，這時應(yīng)該在類特征中添加屬性信息加以約束。
4 特征組合對工藝推理的影響
引入特征組合描述以后，CAPP可以獲取更為準(zhǔn)確和豐富的零件特征信息，同時這些組合關(guān)系也將對CAPP的工藝推理產(chǎn)生影響。一方面，設(shè)計工藝路線、選擇機床工裝和定位裝夾方式時必須考慮以上列舉的特征之間的組合關(guān)系；另一方面，這些特征組合關(guān)系的存在也會對工序工步排序規(guī)則和排序結(jié)果產(chǎn)生影響，下面討論這兩個問題。
4.1 特征組合對工藝路線設(shè)計的影響
工藝路線設(shè)計包括工序設(shè)計、工步設(shè)計、裝夾方式選擇、機床工裝（夾具、量具、輔具）選擇等任務(wù)，這6種特征組合關(guān)系對各個子任務(wù)的影響如表1所示。
表1 特征組合關(guān)系對工藝路線設(shè)計的影響
從表1可以看出，特征的組合描述對以單特征為基礎(chǔ)的工序設(shè)計基本沒有影響，因為工序是以特征類別為基礎(chǔ)的，但將工序細化為工步并選擇定位裝夾方式和工裝時必須考慮特征間的組合關(guān)系的影響：
(1)盡管工步是面向單特征的，但如果特征之間有基準(zhǔn)或互為基準(zhǔn)關(guān)系，都會影響所選的加工方法；精度要求關(guān)系和同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系都要求工步盡可能地集中，以優(yōu)化整個工藝路線。
(2)特征之間的基準(zhǔn)關(guān)系、互為基準(zhǔn)關(guān)系、定位關(guān)系和精度要求關(guān)系都是選擇機床、夾具、量具的約束條件。這些約束使得在單特征工藝推理下可以選擇的一部分機床和工裝變得不可選，有時還會提出設(shè)計專用夾具的要求。
(3)零件特征中的基準(zhǔn)和互為基準(zhǔn)關(guān)系決定了加工時基準(zhǔn)的選擇。同時特征間的精度要求關(guān)系和定位關(guān)系決定了裝夾方式。例如，加工車床主軸時，為了滿足三個外圓柱特征的位置精度要求，必須選擇搭中心架的定位裝夾方式。
4.2 特征組合對工序工步排序的影響
工序工步排序是工藝推理的重要內(nèi)容，很人程度上決定了整個CAPP系統(tǒng)成功與否，排序策略一般用規(guī)則來表示。在引入特征組合描述之前，工序工步的排序策略是不完整的，因為排序時漏考慮了特征之間的內(nèi)在聯(lián)系。
上面列舉的6種關(guān)系對工序工步的影響用規(guī)則表達如下：
規(guī)則1.若特征之間有基準(zhǔn)關(guān)系，則將作為基準(zhǔn)的特征的加工放在前，與此特征有基準(zhǔn)關(guān)系的特征的加工放在后。
規(guī)則2.若特征之間有互為基準(zhǔn)關(guān)系，則按照特征先后作為基準(zhǔn)的順序安排特征的加工順序。
規(guī)則3.若特征之間有定位關(guān)系，則將決定其它特征位置的特征的加工放在前，被決定位置的特征的加工放在后。
規(guī)則4.若特征之間有衍生關(guān)系，則由特征產(chǎn)生的先后順序確定特征的加工順序——先產(chǎn)生的特征的加工放在前，后產(chǎn)生的特征放在后。
規(guī)則5.若特征之間有位置精度要求關(guān)系，則將這些特征在一次定位裝夾中加工。
規(guī)則6.若特征之間有同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，則將加工這些特征的工步集中至盡可能少的工步中。
對于同時具有多種關(guān)系的特征，可同時運用以上工序工步排序規(guī)則，實現(xiàn)智能推理，如果產(chǎn)生沖突，可由用戶決定規(guī)則的優(yōu)先度。
5 應(yīng)用
如圖4所示的車床主軸零件中，特征F3001（外圓柱）、F6001（外圓柱）、F8001（外圓柱）、F0101（外圓柱）有同軸度要求；同時這4個特征又是同類特征，加工時具備同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，按照特征關(guān)系對加工的影響，應(yīng)在一次裝夾中完成4個特征的加工．特征F2002（外螺紋）、F9002（外螺紋）、F0302（外螺紋）之間是同類特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，應(yīng)在一道工序中加工；特征F6002(鍵槽)、F7002（外花鍵）與它們所在圓柱段有衍生關(guān)系，根據(jù)第4.2節(jié)中的規(guī)則4，其加工工序應(yīng)置于圓柱特征加工之后。
圖4 某型號主軸零件
我們在考慮零件特征組合關(guān)系的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個CAD/CAPP集成原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了從CAD中直接提取零件特征，并結(jié)合特征組合描述進行工藝推理，系統(tǒng)框架如圖5所示。該系統(tǒng)采用VC++6和PowerBuilder6.5，在Windows 2000下開發(fā)，圖6為圖7中特征組合關(guān)系1000和2003的描述內(nèi)容示例。圖7右半部分為零件特征及特征組合關(guān)系描述特征樹，左半部分是示例零件考慮關(guān)聯(lián)特征的零件工藝樹，為清晰起見，此處只討論軸段。從推理結(jié)果可以看出：綜合考慮單特征和特征組合之后，不但在很人程度上改善了CAD與CAPP集成過程中可能出現(xiàn)的信息“丟失”，而且得到的工藝結(jié)果也更準(zhǔn)確、可信。
圖5 CAD/CAPP集成系統(tǒng)的框架
圖6 特征組合關(guān)系描述示例
圖7 有組合關(guān)系的零件特征樹與工藝樹
6 結(jié)論
提出了面向工藝推理的零件特征組合的描述，列舉了組成零件的特征之間可能存在的組合關(guān)系，并且討論了各種組合關(guān)系對工藝推理的影響，特征組合關(guān)系的描述完善了從CAD信息向CAPP信息轉(zhuǎn)化這一困難過程，提高了轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確性和完整性，充實了工藝推理的條件，使CAPP的工藝推理過程更準(zhǔn)確、可信，并以一個實例說明特征組合關(guān)系對工藝結(jié)果的影響，更為高效的算法正在研究中。
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本文標(biāo)題：面向CAD/CAPP集成的零件特征組合描述及其應(yīng)用
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