趙鵬 盛步云

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

工藝特征識別是實(shí)現(xiàn)CAD、CAPP信息集成和數(shù)據(jù)重用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).最初特征識別的思想可以追溯到1977年Grayer［1］在他的博士論文中闡述從零件的實(shí)體模型中提取幾何形狀，而1980年Kyprianou［2］則明確提出特征識別概念.之后，特征識別受到廣泛的關(guān)注和深入的研究，各式各樣的特征識別方法不斷涌現(xiàn)出來，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地?cái)U(kuò)展到產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段，領(lǐng)域特征識別便是其中一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容.Babic等［3］較為全面地概括了主要的12種特征識別方法.

依據(jù)特征識別信息參考的類型，可將特征識別技術(shù)概括為3類:基于幾何信息的特征識別方法、基于設(shè)計(jì)信息的特征識別方法以及基于工程知識的特征識別方法.傳統(tǒng)的基于邊界模式、基于圖以及基于體分解的特征識別方法分別利用幾何實(shí)體的邊、面、體的信息來識別出幾何特征，文獻(xiàn)［4-6］中分別介紹了這幾種方法.基于設(shè)計(jì)信息的特征識別方法在幾何特征識別的基礎(chǔ)上，利用設(shè)計(jì)、制造信息有效地約束特征產(chǎn)生的多種解釋，并使得識別的特征更為合理.這類方法識別出的特征具有一定的工程意義［7-9］.基于工程知識的特征識別方法多見于特定領(lǐng)域的特征識別，文獻(xiàn)［10-12］中分別對工件定位特征、檢測工藝特征以及裝夾特征識別進(jìn)行了研究.

目前，基于幾何信息的特征識別方法能夠較好地識別出幾何特征，卻不能夠確保這些幾何特征具有合理的工程意義和價(jià)值.基于設(shè)計(jì)信息的特征識別方法能夠識別具有工程意義的設(shè)計(jì)特征，但設(shè)計(jì)特征要轉(zhuǎn)換成其他領(lǐng)域特征(如工藝特征、制造特征)仍然存在很大的問題.利用工程知識實(shí)現(xiàn)特征識別的方法可以直接識別出特定的領(lǐng)域特征，因而表現(xiàn)出巨大的研究意義和應(yīng)用前景.然而目前基于工程知識的特征識別方法主要表現(xiàn)為在幾何特征識別后，利用設(shè)計(jì)信息及工程知識進(jìn)行后期性的特征解釋和判斷.這樣分兩步走的特征識別方法前期不能夠有效減少在幾何特征中的幾何計(jì)算量，在后期會(huì)對大量無效的幾何特征進(jìn)行工程意義上的解釋和判斷，因而不能提高特征識別的效率.利用工程領(lǐng)域知識智能地處理幾何、拓?fù)湟约霸O(shè)計(jì)信息，并直接作用于特征識別的整個(gè)過程的研究更具有實(shí)際的工程意義.

在工藝領(lǐng)域，筆者于2010年提出面向工藝設(shè)計(jì)的切削體分解組合策略［13］，旨在融合幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求、工藝等多種信息，結(jié)合工藝制造知識，形成切削體分解組合策略，并直接應(yīng)用于工藝特征的識別過程.文中將系統(tǒng)全面地闡述在該切削體分解組合策略下的工藝特征識別方法的原理以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù).

1 工藝特征識別框架及流程

機(jī)械加工的過程是從毛坯模型中切除材料最終形成產(chǎn)品的過程.工藝規(guī)劃則為決策如何依次切除切削體.文中將對切削體操作的過程稱為工藝特征識別，并引入切削體分解組合策略作為工藝特征識別過程中的判斷推理規(guī)則.

基于切削體分解組合策略的工藝特征識別框架主要包括5個(gè)部分:模型前處理模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、分解組合策略知識庫、特征識別模塊以及模型后處理模塊，如圖1所示.

圖1 工藝特征識別框架圖Fig.1 Holistic framework of process feature recognition

模型前處理模塊作為工藝特征識別輸入接口，一方面需要對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，對模型信息進(jìn)行完善和一致性表示，另一方面需要利用毛坯模型和零件模型生成切削體模型，以作為工藝特征識別的處理對象.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫主要包含單元切削體庫和工序切削特征庫;分解組合策略知識庫用于存儲切削體分解組合策略中的分解組合規(guī)則以及分解組合規(guī)則的排序規(guī)則.特征識別模塊包括切削體的分解和單元切削體的組合匹配兩部分，是對模型進(jìn)行處理和識別的核心模塊.模型后處理模塊利用設(shè)計(jì)、工藝信息轉(zhuǎn)換技術(shù)對工藝切削特征的工藝參數(shù)賦值，生成工序模型.

工藝特征識別的整體流程分為4個(gè)步驟，可以描述如下.

1)利用毛坯模型和零件模型生成切削體，該步驟由模型前處理模塊完成，步驟為(1)確定毛坯模型和零件模型在空間內(nèi)的相對位置關(guān)系;(2)通過布爾減運(yùn)算獲取兩模型的差集，即切削體的幾何形體;(3)獲取零件信息、毛坯信息以及切削體各面的類型;(4)驗(yàn)證信息的完整性和一致性，利用過程模型統(tǒng)一信息描述方法描述和存儲切削體信息.

2)將切削體分解為單元切削體，步驟為:(1)設(shè)置零件類型、切削體分割基準(zhǔn)，并獲取切削體的凹邊，通過分割面生成規(guī)則按照一定的生成方式生成切削體的分割面集合;(2)通過切削體分解原則，從切削體中分解出單元切削體.

3)將單元切削體組合，并匹配工序切削特征，步驟為:(1)將生成的單元切削體按分割順序排序;(2)依次選取單元切削體，根據(jù)優(yōu)選策略搜索最優(yōu)組合的單元切削體進(jìn)行組合，判斷是否繼續(xù)組合，否則匹配切削特征;(3)從單元切削體序列中移除組合完成的單元切削體，繼續(xù)下一個(gè)，直至完成.

4)通過信息轉(zhuǎn)化技術(shù)，獲取工序切削特征的相關(guān)參數(shù)，最終轉(zhuǎn)化生成工序切削特征，步驟為:(1)利用統(tǒng)一的過程模型描述各工序切削特征模型;(2)提取相關(guān)的尺寸、公差鏈及其約束;(3)優(yōu)化處理尺寸和公差信息;(4)為工序模型加工參數(shù)賦值，生成工序特征集合.

2 切削體及切削特征的信息描述

模型和特征的信息描述方法是特征識別的基礎(chǔ)，目前普遍采用的描述方法是基于圖的邊界表示方法，但大多圖結(jié)構(gòu)只是對零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和面、邊的幾何屬性進(jìn)行描述，在工藝特征識別中僅有這些信息是不夠的.文中針對工藝設(shè)計(jì)的要求，對AAG進(jìn)行了擴(kuò)展，并附加了面、邊的工程語義信息.

2.1 切削體擴(kuò)展屬性鄰接圖

屬性鄰接圖可以定義為:AAG=G(N，E，A)，其中，N表示圖的結(jié)點(diǎn)集合，E表示圖的邊(或弧)的集合，A表示E的屬性集.不同的研究中，根據(jù)應(yīng)用的領(lǐng)域及特征識別的算法不同，采取不同的擴(kuò)展屬性.文中對結(jié)合切削體分解組合策略對AAG的頂點(diǎn)和邊(或弧)的屬性進(jìn)行擴(kuò)展，生成切削體的擴(kuò)展屬性鄰接圖EAAG△.其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 切削體信息描述模型Fig.2 Delta-volume information description model

在圖2中，EisConcave判斷是否為凹邊，1為凹邊，0為凸邊.邊的類型 Etype∈{－1，0，1}，－1 表示直線，0為平面曲線，1為空間曲線.Ntype為面類型，－1為毛坯接觸面，0為零件接觸面，若Ntype＞0，則表示分割面，其值為分割面標(biāo)識號.在尺寸描述時(shí)，關(guān)聯(lián)尺寸的幾何要素為兩面時(shí)，按分割基準(zhǔn)面、毛坯(接觸)面、分割截面、零件(接觸)面的順序優(yōu)先選為起始面，另一面為終止面;若面類型相同，則以空間位置關(guān)系選擇距相關(guān)零件表面較遠(yuǎn)的面為起始面;當(dāng)尺寸為直徑(半徑)時(shí)，起始面變換為軸線，記為Ai.若關(guān)聯(lián)尺寸的要素坐標(biāo)軸時(shí)，相應(yīng)以X、Y、Z面為尺寸起始(終止)面.

2.2 工序切削特征建模

為方便與切削體的匹配和識別，工序切削特征也采用擴(kuò)展屬性鄰接圖表示，記為EAAGp，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

在圖3中，加工基準(zhǔn)類型包括基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)面，分別取值為0和1;面幾何形狀包括平面、球面、圓環(huán)面、簡單規(guī)則曲面和復(fù)雜規(guī)則曲面等.參數(shù)關(guān)聯(lián)要素和EAAG△中尺寸起始(終止面)相映射.特征幾何類型為基本體素類型或復(fù)雜幾何類型，可以根據(jù)不同的行業(yè)人為定義;特征加工類型對應(yīng)工序類型，如車端面、車臺階、銑鍵槽等.相同的幾何類型，具有相同的基本AAG圖結(jié)構(gòu)，但由于加工面類型、加工參數(shù)、基準(zhǔn)類型的不同，對應(yīng)的加工類型將不同.

圖3 工序切削特征描述模型Fig.3 Operation cut feature description model

3 切削體分解和組合

3.1 切削體分解組合策略

切削體分解組合策略是應(yīng)用于工藝特征識別中切削體分解以及組合的推理判斷準(zhǔn)則，文獻(xiàn)［13］中對該策略做了詳細(xì)的研究，文中僅作整體描述和說明.

該策略針對切削體的分解和單元切削體組合兩個(gè)過程，包括分割面的生成、分解順序規(guī)則、分解算法、單元切削體組合條件、組合優(yōu)選規(guī)則以及組合流程算法6部分內(nèi)容.分割面的生成主要利用切削體的凹邊和參考基準(zhǔn)面(軸)，按照延展或旋轉(zhuǎn)等4種方式確定生成.分解順序規(guī)則確定如何依次選擇分割面，將切削體分解為單元切削體.單元切削體組合條件依據(jù)分解信息、空間幾何以及單元切削體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)判定單元切削體是否滿足組合的必要條件，組合優(yōu)選規(guī)則提供在可組合的切削體中優(yōu)先選擇的判定依據(jù)，以確保識別出的特征具有實(shí)際的工程意義.

分解順序規(guī)則和組合優(yōu)選規(guī)則都同時(shí)考慮了幾何空間、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求以及工藝設(shè)計(jì)基本規(guī)范(如基準(zhǔn)先行、先面后孔、先粗后精等).針對不同結(jié)構(gòu)類型的零件，其參考的分解組合規(guī)則也不盡相同，文獻(xiàn)［13］也只列舉了幾種通用的規(guī)范.

3.2 切削體分解

基于圖的特征識別的難點(diǎn)在于復(fù)雜圖結(jié)構(gòu)中有效子圖的搜索和與特征面邊圖的匹配.將零件對應(yīng)的切削體分解為若干單元切削體，利用單元切削體的擴(kuò)展屬性圖進(jìn)行組合或直接匹配工序切削特征的擴(kuò)展屬性圖，可以達(dá)到將復(fù)雜問題簡單化的效果，有利于提高特征識別的效率.

文中利用切削體凹邊和分割基準(zhǔn)產(chǎn)生分割面，將切削體分解為單元切削體集合.分割面采用三元組sp(b，ec，g)分別表示分割基準(zhǔn)、凹邊和生成方式.單元切削體之間通過分割截面ss(sp，i)建立幾何和工程關(guān)聯(lián)，其中i表示分割的序列號.為使切削體分解合理，以利于有效特征的識別，需要合理安排切削體分解順序.根據(jù)設(shè)計(jì)意圖、幾何約束、工藝準(zhǔn)則將分割面進(jìn)行排序，將分割面選擇的優(yōu)先級定義為prid(sp)，優(yōu)先級越高，越早被選擇組合和特征匹配.

切削體能分解為單元切削體的條件是?:ec∈vd，vd表示切削體模型.當(dāng)切削體分解成的子切削體不存在凹邊時(shí)，可視為單元切削體，終止再分解.單元切削體也采用EAAG△描述其幾何拓?fù)?、分解過程以及工程信息.

3.3 單元切削體的組合

按照切削體分解順序選取待組合單元切削體，按單元切削體組合規(guī)則選取優(yōu)先組合的單元切削體，與待組合的單元切削體進(jìn)行組合;組合后的切削體與工序切削特征庫中標(biāo)準(zhǔn)切削特征能相互匹配時(shí)，則結(jié)束組合，否則繼續(xù).

單元切削體與工序切削特征的匹配包括基本AAG圖形相似判斷和擴(kuò)展屬性匹配.由于在制造過程僅關(guān)注加工面，而并不要求工序切削體與工序切削特征完全相同，即只需滿足:EAAGΔ?EAAGp.為此，分別提取 EAAG△和EAAGp的加工面鄰接圖(MFAG)，并判斷兩圖是否同構(gòu)，表示為:MFAGΔ=MFAGp.提取單元切削體EAAG△的MFAG△時(shí)，遵循以下規(guī)則，其中I、J為序號:

上述規(guī)則表明在組合匹配過程中，若單元切削體既有零件接觸表面、又有分割截面時(shí)，將分割截面視為零件接觸面;若沒有零件接觸表面、但有分割截面時(shí)，將分割截面視為毛坯零件接觸面.

圖同構(gòu)的判斷重點(diǎn)在于尋找一個(gè)置換矩陣P使得切削體MFAG△的鄰接矩陣M(Vd)和工序切削特征MFAGp的鄰接矩陣M(Fp)滿足:

其中，P為N×N的方陣，N為圖結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，P'為P的轉(zhuǎn)置矩陣.當(dāng)判斷MFAGΔ=MFAGp后，需要進(jìn)一步匹配圖的屬性，設(shè)MFAGΔ面匹配屬性集合為AΔ=S∪T，其中S、T為面屬性集合和加工參數(shù)集合，S={Nismf，Ngsharp}，T={Dsfid，Defid，Dvalue};設(shè)MFAGp面匹配屬性集合為 Ap=S'∪T'，S'={Nismf，Ngsharp}，T'={Pscope，Pre1，Pre2}.相關(guān)屬性含義見圖2、圖3.圖匹配時(shí)，逐步選取面，獲取面屬性及相關(guān)幾何公差信息，并按基本圖匹配選取相應(yīng)面，判斷面屬性是否一致;將特征加工參數(shù)、關(guān)聯(lián)要素、參數(shù)值范圍匹配切削體尺寸相關(guān)項(xiàng)，當(dāng)特征加工參數(shù)完全匹配時(shí)，可確定切削體相匹配的工序切削特征.

4 實(shí)例分析

基于切削體分解組合策略的CAD模型工藝特征識別功能模塊Feature Recognizer for WinKanCAPP?是在 SolidWorks 2010環(huán)境下，利用 Visual Studio 2008和SolidWorks API函數(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和知識庫存儲在SQL Server 2008數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，其操作界面如圖4所示.

圖4 工藝特征識別界面Fig.4 Interface of process feature recognition

以圖5所示的軸承套切削體模型為例，說明工藝特征的識別過程.利用擴(kuò)展屬性鄰接圖表示該模型，如圖6所示.

圖中切削體基本鄰接圖為兩個(gè)子圖，表明零件表面和毛坯表面沒有重合，即沒有非加工面.按照分解規(guī)則，切削體分解結(jié)果如圖7所示.

在判斷單元切削體是否能夠組合，主要依據(jù)第3.3節(jié)所述的3個(gè)條件.以圖6中面16和14為例，它們同時(shí)連接面 15、17、18、19 和 20，且弧屬性相同，普通的基于圖的識別方法會(huì)將此識別為5個(gè)圓柱體特征，并判斷為結(jié)構(gòu)相似.按文中方法劃分出4個(gè)單元切削體8－11，且可以通過信息屬性分析得出:幾何尺寸一致且空間位置(此時(shí)為軸A2－5的空間位置)均布在同一圓上，以此判定為空間陣列結(jié)構(gòu).再以圖7中單元切削體4為例，其EAAG△圖如圖8所示.

圖5 軸承套切削體半剖分圖Fig.5 Half-section drawing of delta-volume of bearing sleeve

圖6 切削體的信息描述EAAG△圖Fig.6 EAAG△graph of delta-volume information

圖7 切削體模型Fig.7 Delta-volume model

圖8 單元切削體4的EAAG△圖Fig.8 EAAG△ graph of the 4th cellular delta-volume

圖8中6s和7s為分割面代號，表示這兩個(gè)面為分割面，這兩個(gè)面均是由凹邊j產(chǎn)生，s表示面.根據(jù)組合條件1獲取可組合的單元切削體為7和5.根據(jù)組合規(guī)則6［13］，具有毛坯表面的單元切削體較不具毛坯表面的單元切削體優(yōu)先組合，以此將單元切削體4和5組合，依次判斷最終單元切削體4、5、6組合.組合后圖結(jié)構(gòu)為圓柱體，具有相同的基準(zhǔn)軸a1和基準(zhǔn)面f1，根據(jù)位置關(guān)系和具有的端面毛坯表面，最終匹配為車端面工序切削特征.

以圖7中單元切削體2和12為例，可以判斷它們的圖同構(gòu)，但是由于所包含的面屬性類型不同，則最終匹配的工序切削特征也不同，本實(shí)例中它們分別被識別為車外圓和車臺階.

5 結(jié)語

基于切削體分解組合策略的工藝特征識別方法，不是基于體分解和基于圖的特征識別方法的簡單組合，而是融合幾何信息、設(shè)計(jì)信息以及工藝知識于特征識別的整個(gè)過程，切削體分解組合策略不僅指導(dǎo)切削體的分解，切削體分解產(chǎn)生的信息也將進(jìn)一步用于單元切削體的組合以及工序切削體的匹配過程.該方法一方面抑制體分解產(chǎn)生的子切削體的數(shù)目，另一方面能更快速地獲取單元切削體的結(jié)構(gòu)，并組合匹配具有實(shí)際加工意義的工藝特征.

文中所涉及的組合切削體在匹配為工序切削體后的加工信息處理，如工藝尺寸、加工公差等信息的提取和轉(zhuǎn)化，將在后續(xù)的研究中完成.

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