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(chē)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(shí)時(shí)集成，使得在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)現(xiàn)與CAD的無(wú)縫鏈接，因此對(duì)設(shè)計(jì)特征的描述成為工藝推理的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。本文重點(diǎn)討論工藝推理中的特征描述及對(duì)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(jì)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(jìn)行工藝推理時(shí)更關(guān)心的是加工特征的鑒別，因此從CAD模型中提取（見(jiàn)第3.2節(jié)）信息的時(shí)候比較注意單特征信息的提取，通常會(huì)遺漏一些隱含信息，特別是對(duì)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(xì)地說(shuō)明了這種差別。提出一種實(shí)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(shí)現(xiàn)集成的同時(shí)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(gè)基于單特征識(shí)別的特征識(shí)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(lái)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(jìn)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(guò)分強(qiáng)調(diào)特征的獨(dú)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(shí)，過(guò)分忽視零件的拓?fù)潢P(guān)系也有悖設(shè)計(jì)的初衷，提高CAPP特征描述的準(zhǔn)確性與全面性勢(shì)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(duì)零件進(jìn)行工藝推理時(shí)對(duì)零件特征的描述有以下要求：

    (1)精確、全面地描述整個(gè)零件的組成，即零件的幾何描迷；

    (2)充分表達(dá)零件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了(1)和(2)的一部分，對(duì)(3)并沒(méi)有很好地解決，以下主要針對(duì)(3)展開(kāi)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(duì)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(lái)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(lèi)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(diǎn)、線、面位置的點(diǎn)、線、面，這些點(diǎn)、線、面對(duì)工藝推理來(lái)說(shuō)就是特征。基準(zhǔn)關(guān)系就是一個(gè)或多個(gè)特征在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)以另一個(gè)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(huì)有其它特征與此基準(zhǔn)發(fā)牛關(guān)聯(lián)。如圖2a中的三個(gè)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(duì)零件進(jìn)行切削加工時(shí)，為了保證兩個(gè)或多個(gè)特征之間達(dá)到較高的位置精度，常常采用彼此互為基準(zhǔn)進(jìn)行反復(fù)加工的策略，此時(shí)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(shí)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(duì)組成零件的特征之間的拓?fù)潢P(guān)系要求并不嚴(yán)格，但在加工時(shí)兩個(gè)看似不相關(guān)的特征卻可能存在著定位關(guān)系，即一個(gè)特征的定位尺寸決定于另一個(gè)特征．如圖2e所示的6個(gè)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(shí)現(xiàn)與CAD的集成，CAPP過(guò)分追求單個(gè)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(méi)有被加工之前，另一特征就不存在或不可能被加工，本文稱(chēng)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(jiàn)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(gè)特征可作為組合特征來(lái)描述，特征的組合關(guān)系是精度要求關(guān)系。

    (6)同類(lèi)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(jī)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(shí)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(gè)倒角，由于是相同特征，加工時(shí)常置于一個(gè)工步中，則此4個(gè)特征可作為組合特征描述，其關(guān)系為同類(lèi)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(shí)際特征描述時(shí)可能出現(xiàn)重疊(如圖2e的三個(gè)軸段同時(shí)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(gè)零件時(shí)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(shí)別策略

    要實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(guò)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(shí)體識(shí)別簡(jiǎn)化為二維圖形的識(shí)別，這也是Pro/E環(huán)境下特征提取與識(shí)別的出發(fā)點(diǎn)。

    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(wèn)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)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(guò)程，可由特征類(lèi)別提取、特征屬性提取和元素提取三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)．特征類(lèi)別提取主要用于分離不同類(lèi)型特征并進(jìn)行冗余特征過(guò)濾（濾掉輔助基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)線），這一步可以簡(jiǎn)化特征識(shí)別；特征屬性提取在特征類(lèi)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(shí)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(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值，供特征識(shí)別時(shí)計(jì)算和推理使用。特征提取是特征識(shí)別的基礎(chǔ)，為特征識(shí)別提供信息。

    特征識(shí)別是將特征提取的信息與已經(jīng)建立的比較母本庫(kù)進(jìn)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(shí)別過(guò)程可由幾何特征識(shí)別和特征屬性識(shí)別兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。幾何特征識(shí)別根據(jù)特征提取中的特征類(lèi)別提取得到的信息，將幾何實(shí)體對(duì)象分為簡(jiǎn)單特征和復(fù)雜特征。簡(jiǎn)單特征指圓柱體、圓錐體、長(zhǎng)方體等具有單一幾何形狀的特征，這類(lèi)特征的識(shí)別只需搜索到特征類(lèi)別提取的信息即可；復(fù)雜特征由多個(gè)簡(jiǎn)單特征復(fù)合而成，必須搜索到元素提取的信息并進(jìn)行分離和匹配才能識(shí)別，特征屬性識(shí)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(duì)應(yīng)工作。識(shí)別原理是建模時(shí)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(shí)別可以由以上方法實(shí)現(xiàn)，但是CAPP所關(guān)心的幾何對(duì)象的工藝加工語(yǔ)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(guò)直接特征提取和識(shí)別變成CAPP的輸入模型，這6種情況的識(shí)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(shí)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(guò)上面的方法提取和識(shí)別這種基準(zhǔn)關(guān)系，所需的額外工作是特征識(shí)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(shí)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?fù)浣Y(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(wú)法完全滿足CAPP的要求，因此實(shí)現(xiàn)定位關(guān)系識(shí)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(shí)別的幾個(gè)步驟進(jìn)行識(shí)別。

    (4)衍生關(guān)系。一方面，CAD構(gòu)建特征時(shí)有一定隨意性，不一定嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)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(wú)法體現(xiàn)這種要求，具有衍生關(guān)系的特征問(wèn)不一定具有CAD意義上的父子層次關(guān)系。出于這兩點(diǎn)，衍生關(guān)系不能直接由Pro/E的父子層次關(guān)系識(shí)別，其識(shí)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(shí)別獲得，因?yàn)殡`屬于特征的形位公差可通過(guò)特征屬性識(shí)別提取出來(lái)，所以可將具有精度要求的特征一一識(shí)別。

    (6)同類(lèi)特征關(guān)聯(lián)關(guān)系�？芍苯佑商卣魈崛∨c識(shí)別獲得。前面提到的特征類(lèi)別提取可識(shí)別出同類(lèi)特征．有時(shí)出于制造上的考慮，需要特別指定同類(lèi)特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，這時(shí)應(yīng)該在類(lèi)特征中添加屬性信息加以約束。

4 特征組合對(duì)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(shí)這些組合關(guān)系也將對(duì)CAPP的工藝推理產(chǎn)生影響。一方面，設(shè)計(jì)工藝路線、選擇機(jī)床工裝和定位裝夾方式時(shí)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(huì)對(duì)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(gè)問(wèn)題。

    4.1 特征組合對(duì)工藝路線設(shè)計(jì)的影響

    工藝路線設(shè)計(jì)包括工序設(shè)計(jì)、工步設(shè)計(jì)、裝夾方式選擇、機(jī)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(duì)各個(gè)子任務(wù)的影響如表1所示。

    表1 特征組合關(guān)系對(duì)工藝路線設(shè)計(jì)的影響

    從表1可以看出，特征的組合描述對(duì)以單特征為基礎(chǔ)的工序設(shè)計(jì)基本沒(méi)有影響，因?yàn)楣ば蚴且蕴卣黝?lèi)別為基礎(chǔ)的，但將工序細(xì)化為工步并選擇定位裝夾方式和工裝時(shí)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(huì)影響所選的加工方法；精度要求關(guān)系和同類(lèi)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(gè)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(jī)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(jī)床和工裝變得不可選，有時(shí)還會(huì)提出設(shè)計(jì)專(zhuān)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(shí)基準(zhǔn)的選擇。同時(shí)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(chē)床主軸時(shí)，為了滿足三個(gè)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(duì)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(gè)CAPP系統(tǒng)成功與否，排序策略一般用規(guī)則來(lái)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?yàn)榕判驎r(shí)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(duì)工序工步的影響用規(guī)則表達(dá)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(lèi)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(duì)于同時(shí)具有多種關(guān)系的特征，可同時(shí)運(yùn)用以上工序工步排序規(guī)則，實(shí)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(chē)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(shí)這4個(gè)特征又是同類(lèi)特征，加工時(shí)具備同類(lèi)特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，按照特征關(guān)系對(duì)加工的影響，應(yīng)在一次裝夾中完成4個(gè)特征的加工．特征F2002（外螺紋）、F9002（外螺紋）、F0302（外螺紋）之間是同類(lèi)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(hào)主軸零件

    我們?cè)诳紤]零件特征組合關(guān)系的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)CAD/CAPP集成原型系統(tǒng)，實(shí)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(jìn)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(kāi)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(shù)，左半部分是示例零件考慮關(guān)聯(lián)特征的零件工藝樹(shù)，為清晰起見(jiàn)，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(guò)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(shù)與工藝樹(shù)

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(duì)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(guò)程，提高了轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確性和完整性，充實(shí)了工藝推理的條件，使CAPP的工藝推理過(guò)程更準(zhǔn)確、可信，并以一個(gè)實(shí)例說(shuō)明特征組合關(guān)系對(duì)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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