广义特征及其在零件制造工艺规划中的应用

唐耀红，何翠群



广义特征及其在零件制造工艺规划中的应用

唐耀红1，何翠群2

(1. 漳州职业技术学院，福建 漳州 363000；2. 南昌工程学院 机械与电气工程学院，江西 南昌 330029)

针对CAD系统与CAPP系统之间无障碍数据相互传递的集成需要，分析了零件设计特征自身存在的不足及其映射到制造特征存在的信息失真的缺陷，研究了CAD系统零件设计特征映射为CAPP系统零件制造特征的关键技术，提出了面向零件制造工艺规划的广义特征概念，建立了广义特征信息模型和结构模型；给出了基于广义特征的零件制造工艺结构模型和制造工艺设计过程；最后以一个实例说明了基于广义特征的零件制造工艺规划的应用思路。

特征映射；广义特征；信息模型；工艺规划

现代制造技术的发展对制造信息化提出了更高的需求。以CAD/CAM/CAPP/CAFD集成技术为核心的现代集成制造系统能够实现产品信息共享和各单个CAX系统之间的信息双向传递，其中CAPP和CAFD是实现CAD/CAM/CAPP/CAFD集成的桥梁[1,2]。CAPP系统在进行工艺规划和CAFD系统在进行夹具设计时都需要准确无误地从CAD系统中获取产品（零件）的制造信息。目前，这种获取信息的方式有两种：一是特征识别技术，二是特征设计技术。特征识别技术只能对较为简单的单个特征进行有效识别，而在进行复杂、交叉特征识别时存在数据计算量大、难以准确识别等缺陷，即并不能准确、及时、完整地将产品设计特征映射成工艺规划所需的制造特征[3,4]；而特征设计技术虽然从理论上可以解决特征识别所存在的缺陷，但是真正的基于特征的CAD/CAM/CAPP/CAFD集成系统还没有开发出来，主要原因是各单个CAX系统对数据结构有其特殊而又严格的要求，统一起来并非易事。因此，本文提出通过构造广义特征使CAPP系统从CAD系统中获取完整制造信息，实现准确、及时、完整的特征映射。

1 特征映射

特征映射是以特征具有的多视域特性为前提的，不同视域间的特征既有区别也有联系，特征在不同视域间的转换过程被称为特征映射[5]。三维CAD系统在零件建模时虽然采用了特征设计技术，但有一部分构成零件模型的设计特征（如拉伸特征、旋转特征、扫描特征等等）并不能完全与包含了典型工艺方法（如钻孔、车圆柱面、铣型腔）的制造特征一一对应，也不能完全作为工艺规划的已知条件直接输入到CAPP系统中，需要通过一定的规则（映射关系）和数据库（如特征库）将设计特征转化成工艺规划所需要的制造特征，也就是说通过特征映射技术才能得到工艺规划中所需的制造特征。

1.1 零件设计特征

零件设计特征是包含了丰富工程语义的几何体，涵盖了零件的管理信息（如零件名、零件编号、设计者、设计日期等）、技术信息（如零件的技术要求等）、材料热处理信息（如材料性能、热处理方式、硬度值等）、精度信息（如形位公差、表面粗糙度等）和形状信息。基于特征的零件设计过程可描述为：零件模型设计需求分析----分解构成零件模型的特征----从特征库中选择所需特征----将所选特征实例化----将所有特征实例加以组合----完成零件设计。构成零件的特征从数量上来看，是一个或多个；从种类上来看是多种类型特征（管理特征、技术特征、精度特征、形状特征等）的集合，且特征之间存在着特征联系。

1.2 零件制造特征

将某一工艺过程或其组成部分直接操作的对象称为制造特征，包括加工特征和装配特征[6]。从机械加工的角度看，加工特征通常又被描述为一个封闭的三维空间体，当加工操作被执行完毕后，该加工特征多余的材料应该被切除干净[7-9]。从零件视角看，制造特征的主体是加工特征，本文所阐述的制造特征亦即加工特征。零件加工特征从零件设计特征而来，理所当然继承了零件设计特征的所有属性。为了更好地完成加工特征的加工操作，方便设计特征映射到制造特征，可将加工特征分成使用一般通用加工设备可完成的通用加工特征和使用特殊加工设备才能完成的特殊加工特征。加工特征类别可描述为如图1所示。

图1 加工特征类别

1.3 设计特征映射制造特征

由于零件设计特征与制造特征不具备完全的一一对应关系，这就需要建立起二者之间的映射关系，即特征映射。建立特征映射的关键技术包括：

（1）建立零件设计特征库：建立存放标准特征、用户自定义特征或实例特征的零件设计数据库。设计特征库里每一个元素都是零件的一个设计单元。

（2）构建映射关系：构造将零件设计特征转化成零件制造特征的知识、规则、逻辑、约束机制、冲突裁决机制的集合，形成特征映射规则库，构成零件设计特征到零件制造特征的因果关系与逻辑。

（3）建立零件制造特征库：建立存放标准特征、用户自定义特征或实例特征的零件制造数据库。制造特征库里每一个元素都是零件的一个制造单元。

特征映射模型如图2所示。

图2 特征映射模型

2 广义特征

在基于特征的设计域中，特征存在着两个方面的不足：一是缺乏制造资源信息；二是对具备相同或相近属性的单一特征缺乏归一化处理。广义特征概念的提出，可以解决上述不足，从而建立起设计特征与制造特征之间的确定的对应关系。

2.1 广义特征概念

定义1：在设计域内，包含了制造资源的单一特征或组合特征，并能够通过一定映射关系形成确定的制造特征的设计特征，称为广义特征，用数学方法表示如下：

式（1）中：D表示广义特征；M表示制造特征；F表示映射关系。即可以将制造特征看作是设计特征的函数。

定义2：从制造域视角出发，将多个属性相同或相近的单一设计特征处理成一个组合广义特征，称为特征归一化处理。

由此可见，广义特征不但包含了完整的制造信息，还对设计特征进行了必要处理，弥补了零件设计特征映射到制造特征存在的信息失真缺陷。

2.2 广义特征信息模型

零件广义特征包含了完整的制造信息，但其核心是在零件设计过程中添加的几何实体，这部分几何实体可以通过参数或者以边界表示形式来描述[10,11]。根据数学集合理论，广义特征信息模型在数学上可描述如下：

式（2）中：D表示广义特征信息；G表示管理信息；J表示技术要求信息；C表示材料信息；R表示热处理信息；E表示精度信息；X表示几何信息；M表示制造资源信息。

式（4）—（7）中：NM表示特征名称；ID表示特征编号；CE表示特征层；GN表示特征功能要求；JS表示对特征的技术要求；GC表示特征公差；BC表示特征表面粗糙度；Xi表示几何实体。

2.3 零件广义特征结构模型

零件广义特征所要描述的信息众多，包括几何、精度、材料、技术、管理和制造资源等信息。如何将这些信息统一描述和管理起来，对CAD系统和CAPP系统都至关重要。本文采用特征树的方法对广义特征进行全方位描述。由于零件广义特征的核心是形状特征，其它特征如管理特征、技术特征、精度特征等和形状特征建立了引用联系，所以零件广义特征结构模型可由零件层、特征层和几何层三层分层结构来描述[1]，如图3所示。这样，对于零件基于特征的描述就比较简单和一致了，即一个零件就是一个或者多个广义特征的有机组合，这样处理有利于零件信息管理及其计算机的实现。

图3 零件广义特征结构模型

3 基于广义特征的工艺规划

从CAD/CAM/CAPP/CAFD集成出发，通过特征映射，得到待加工零件的制造特征，从而建立由零件广义特征驱动的零件制造工艺模型。在制造特征库、工艺知识、工艺规则库的作用下，完成零件工艺文件设计。

3.1 基于广义特征的零件工艺结构模型

零件工艺规划以制造特征为基础，涉及到众多信息，如几何、材料、精度、热处理、制造资源等等。这些信息具有不同的层次，分布在工艺过程的相应环节。为了清晰地描述零件制造工艺的层次结构，本文采用工艺模型树的方法对零件工艺进行多层次、全方位的描述。在工艺模型树中，零件的制造特征是其广义特征通过特征映射后得到的单元特征，这些单元特征是已经定义好的制造特征库的元素，如圆柱、螺纹、凸台、槽、筋、倒角、组合体等制造特征，它们封装了完整的制造信息。零件工艺模型树结构如图4所示。

图4 零件工艺结构模型

3.2 基于广义特征的零件工艺设计

在CAD系统里，已经定义了组成零件的各个广义特征。通过特征映射，将零件广义特征映射成为零件相应的制造特征。由于零件的制造特征已经封装了该制造特征完整的制造信息（包括工艺流程信息、精度、表面粗糙度、形状、材料、热处理等等），因此，从零件所有制造特征得到的制造信息的集合就构成了该零件整体工艺规程。但是，这些加工信息集合还处于无序状态，还需要对他们进行筛选、组合与排序才能形成最终的零件工艺文件。由于工艺问题的复杂性，筛选、组合与排序工作还不能完全实现自动化，需要人工进行干预。

图5 工艺设计过程

如图5所示，基于广义特征的零件工艺设计过程包括映射零件制造特征、生成零件工艺规程、工序设计、工艺路线生成、工艺文件输出等五个环节。利用企业制造资源数据（含工装、刀具、机床、工具、量具）、工艺规则、工艺知识、典型工艺模板库，在配合必要的人机交互，形成零件的工艺文件（工艺卡片），完成零件基于广义特征的工艺规划设计。根据基于广义特征的零件制造工艺规划思想，零件的整个制造工艺设计过程就是定义零件广义特征并将其映射到零件制造特征、从零件制造特征中读取制造信息集合成零件工艺规程、再通过一定的人工干预形成最终工艺文件的过程。

4 应用思路

图6 零件模型

图6为一镗铣类零件（上平面尚未加工，其余均已加工完成）。首先利用特征三维CAD软件（如Pro-E、CAXA、SolidWorks等）对零件进行建模。由建模过程知，f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7都是零件的单个设计特征，其中f1与f2、f6与f7是交叉特征。根据每个特征的属性，这里将f1和f2、f6和f7进行归一化处理，分别成为两个组合特征F1和F2（其中F1=f1+f2，F2= f6+f7），再对F1、F2和其余的f3、f4、f5添加制造资源信息，从而定义了构成该零件的5个广义特征（F1、F2、f3、f4、f5）。经过特征映射得到铣轮廓（由F1映射而成）、钻孔（由F2及f3映射而成）、镗铣孔（由F2映射而成）、铣凸台（由f4映射而成）、铣键槽（由f5映射而成）等制造特征（这些制造特征已经在制造特征库中定义完毕，包含了完整的制造信息），通过读取所有制造特征的制造信息得到该零件工艺规程。最后对形成的工艺规程进行筛选、组合、添加和排序，即可得到该零件的工艺过程。

依照上述思想，其中的工艺路线可做如下安排：

（l）铣整个上平面，保证零件总高度；

（2）铣月形外形及平台面（F1）；

（3）铣整个外形（F1）；

（4）铣两个凸台（f4）；

（5）铣边角料；

（6）铣键槽（f5）；

（7）钻左侧小孔（f3）；

（8）钻中间大孔（F2）；

（9）铣中间大孔（F2）；

（10）镗中间大孔（F2）；

（11）铣中间锥孔（F2）。

5 结束语

本文针对传统设计特征自身不足及其映射后带来的缺陷，提出了广义特征的概念及其定义思想与方法。在广义特征的支持下，零件的描述变成了多个广义特征的组合，为基于特征的设计技术提供了又一有益、有效的途径。同时，广义特征的定义和建立，进一步明晰了CAPP系统工艺决策逻辑，简化了零件工艺规划过程，为CAD/CAPP的无缝集成打下了基础。但是，由于受工艺系统的复杂性、映射规则及工艺决策的局限性等诸多因数影响，在基于广义特征的零件制造工艺规划过程中，还不能实现工艺流程、工序等的自动生成，有待于做进一步的深入研究。

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Generalized features and its application in part manufacturing process planning

TANG Yao-hong1, HE Cui-qun2

（1. Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou,Fujian,363000; 2.School of Mechanical and electrical engineering, Nanchang Institute of Technology, Nachang,Jiangxi,330029,China）

In the light of integration demand of unobstructed data transmission between CAD and CAPP, deficiency of part design feature and its mapping to part manufacturing feature is analyzed, and the key technology for feature mapping from part design feature in CAD to part manufacturing feature in CAPP is researched. The conception of generalized features faced on part manufacturing process planning is put up, the feature information model and feature structure model is set up, and structure model of part manufacturing process and process of manufacturing process planning based on generalized features is taken to work. At the end of the paper, a example illustrates application thought of part manufacturing process planning based on generalized features.

feature mapping; generalized feature; information model; process planning

TG659

A

1673-1417（2014）04-0013-07

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2014.04.0003

2014－09－20

江西省科技厅自然科学基金资助项目（20122BAB206036）

唐耀红（1967－），男，湖北咸丰人，副教授，硕士，主要从事CAD/CAM/CAPP/CAFD、数控技术研究等。

(责任编辑：季平)