1 引言

　　工藝設計是現(xiàn)代制造業(yè)的重要基礎工作，是連接產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造的橋梁。隨著大量成熟的三維CAD軟件在企業(yè)的應用，迫切需要一種基于三維模型的CAPP系統(tǒng)來完成工藝過程設計、定量化的工藝設計、工序設計等;要實現(xiàn)基于三維CAD模型的CAPP系統(tǒng)，則需要從三維CAD模型中自動讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成制造特征，再根據(jù)制造特征進行工藝決策、規(guī)劃和排序等，本文就三維制造特征的提取進行研究。

　　2. 基于特征的零件信息建模

　　零件信息模型是計算機內(nèi)部對零件信息的描述與表達方式，是計算機進行零件設計、工藝決策、工序尺寸鏈計算、工序圖生成、道具路徑規(guī)劃、NC程序生成以及加工過程仿真等的依據(jù)和核心。在三維CAD建模中，零件信息模型的總體信息層逐步確定，用戶可以對零件的非幾何信息進行添加，以逐步完善零件信息模型的其他信息。CAPP從三維模型中讀取設計特征，進一步轉(zhuǎn)化為制造特征，對零件信息模型的特征層進行填充，同時，CAPP部分結合特征知識庫對各個制造特征的加工方法鏈進行填充。

　　零件特征模型的總體結構可以分為三層，即總體信息層、特征層和特征屬性 層。如圖1所示

　　圖1 零件特征模型總體結構

　　總體信息層用于描述與零件總體描述有關的信息，包括管理信息、零件屬性信息以及總體技術要求等。其中管理信息可以包括：零件代號、零件名稱、設計者等。零件屬性信息可以包括材料名稱、材料牌號等。總體技術要求描述總體熱處理信息以及其他技術要求信息等。

　　零件是由一個個的特征組合而成。特征是具有一定幾何形狀、工程意義和加工要求的一組信息的集合，是構造零件集合形狀和零件信息模型的基本信息單元。如圓柱面、球面、倒角、螺孔等。特征層就是用于描述組成零件的各個特征以及他們之間的關系。

　　特征屬性層主要描述組成零件的每一個特征的屬性。特征主屬性用于描述特征名，特征ID，表面粗糙度等信息;特征定位描述特征在零件坐標系中的位置;特征定形屬性描述特征的形狀信息;加工方法鏈描述該特征的加工工步信息。

　　3制造特征提取過程

　　因為設計特征與制造特征有許多不同之處，并不是一對一的映射關系，而是包括一對一、一對多、多對多及多對一的映射關系[1]。在CAD向CAPP進行數(shù)據(jù)傳遞的過程中，非幾何的信息都可以直接映射;和形狀有關的特征，必須將CAD中的設計特征轉(zhuǎn)換成CAPP中的制造特征，才能進行后續(xù)工作。設計特征和制造特征之間存在一定的關系，有可能是直接映射關系，如單一的孔特征;有可能是互補特征，如凸臺特征;也有可能是復合關系，如一個形狀復雜的旋轉(zhuǎn)特征。

　　制造特征模型，無論制造特征模型有多少個，它們都必須采用凹陷特征組合而成[2]。例如，對于階梯軸的制造特征應該是兩個圓環(huán)。假如是通過對Pro/E進行二次開發(fā)進行特征提取，那么提取出來僅僅是一個旋轉(zhuǎn)特征，要將旋轉(zhuǎn)特征(如階梯軸)直接映射成制造特征(兩個圓環(huán))難度比較大，因此先將組成階梯軸的兩個圓柱提取出來，作為兩個制造特征(圓環(huán))的偽制造特征。因此偽制造特征是制造特征本身(負特征)或制造特征(即正特征)的補充。

　　對設計領域而言，設計的目的是為了完成與零件功能相匹配的幾何模型，其關鍵是設計最終幾何形狀;對制造領域而言，制造特征則必須由制造所采用的加工方式來決定。因此，對設計特征和制造特征之間不能直接映射的情形，就需要做一定的轉(zhuǎn)換，可以在設計特征向制造特征的轉(zhuǎn)換中加入一個中間節(jié)點，即偽制造特征，見圖2。

　　圖2 設計特征轉(zhuǎn)換圖

　　4偽制造特征的提取

　　從設計特征提取偽制造特征，本質(zhì)上變成了特征分解，即把非制造特征、復合特征分解成為單一特征的過程。基于具體的CAD平臺的特征提取，則主要是利用CAD平臺的二次開發(fā)工具進行二次開發(fā)，提取其建模特征，和特征數(shù)據(jù)庫進行匹配比較，提取出特征。

　　為了提取偽制造特征，首先應建立偽制造特征數(shù)據(jù)庫，偽特征數(shù)據(jù)庫初始時至少應該包含常見的基本的單一偽特征，如圓柱、孔、矩形凸臺、用戶自定義特征等。基于數(shù)據(jù)模型構建偽特征數(shù)據(jù)庫，每個偽特征包括以下信息：特征編碼、特征參數(shù)、參數(shù)說明，見表1

　　表1 偽制造特征的定義

　　偽制造特征的提取流程如下(圖3所示)，本文以Pro/E為例進行說明：

　　1)利用Pro/TOOLKIT工具進行二次開發(fā)，使用ProSolidFeatVisit()遍歷設計特征并提取出來;

　　2)提取出的設計特征和偽特征數(shù)據(jù)庫中信息進行匹配，若能匹配，則轉(zhuǎn)換成功，轉(zhuǎn)向第五步;

　　3)采用基于中間平臺格式的方法中的一種(擬定采用基于圖的識別方法)對特征涉及的幾何形狀及其約束進行分解并和偽特征數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匹配，完成特征提取。

　　4)第三步中可能未匹配成功或者遺漏了部分偽制造特征，也有可能特征分解過細而需要合并，因此采用人工方式進行再進行分解或合并，分解結果除了保存為偽特征供下一步映射之外，還要保存到偽特征數(shù)據(jù)庫中豐富數(shù)據(jù)庫。

　　5)進行非幾何約束合理性檢查，若通過則開始提取下一個設計特征，否則轉(zhuǎn)第三步。

　　該技術路線充分利用Pro/E提供的特征造型技術和二次開發(fā)技術來簡化偽特征的提取過程，對不存在于偽特征庫中的特征，才采用基于中間格式的方式進行匹配，由于不能識別的特征一般是由少數(shù)幾個面構成的復雜特征，因此可以避免由于匹配帶來的組合爆炸問題，可以解決效率低的問題。再加上偽特征數(shù)據(jù)庫的不斷豐富，設計效率會越來越高。

　　圖3偽特征提取算法

　　5 偽制造特征向制造特征的映射

　　偽制造特征向制造特征的映射本質(zhì)上就是將偽制造特征直接等價于制造特征或求偽制造特征的補的問題。

　　5.1 偽制造特征和制造特征分析

　　設計人員在設計產(chǎn)品時，可以使用凹特征模型，也可以使用凸特征模型，因此設計特征實質(zhì)上是凹(負)特征和凸(正)特征的集合。用公式表示為：

　　DF：設計特征

　　CF：凹(負)特征

　　PF：凸(正)特征

　　而對于制造特征而言，其制造過程一般是在毛坯上去除一定的材料，因此制造特征是凹(負)特征的集合，用公式表示為：

　　MF：制造特征

　　考慮特征轉(zhuǎn)化問題，將特征分類為：

　　基本特征：不能再進一步分解為其他組合特征的特征稱為基本特征，如槽、孔、鍵槽、臺階等，基本特征對應可以直接加工的單一制造特征;

　　復合特征：如一個特征可以分解為兩個或兩個以上的基本特征的組合形式，則為復合特征，如階梯孔等;

　　陣列特征：若一系列的特征是單個特征在多個位置的拷貝，則稱這類特征為陣列特征。

　　正基本特征：若一基本特征的加入能使零件體積增加，則稱這一類特征為正基本特征。

　　負基本特征：若一基本特征的加入能使零件的體積減少，則稱這一特征為負基本特征。

　　此外，還有正復合特征、負復合特征、正陣列特征和負陣列特征。

　　由偽制造特征的定義可知，偽制造特征實質(zhì)上對應了以上特征分類中的正基本特征和負基本特征。本課題中，由于事先已經(jīng)將設計特征全部轉(zhuǎn)換成了偽制造特征，因此在處理特征映射時要考慮的情況大大減少，有利于計算機處理的實現(xiàn)。本文中對特征的分類僅定為正基本特征和負基本特征，簡稱正特征和負特征。

　　5.2 特征映射的方法

　　下面通過說明兩種轉(zhuǎn)換類別來說明特征映射方法。

　　符號定義：　

　　基本算法是，依次取出識別出的偽制造特征進行判別，根據(jù)其正負性進行相應操作。

　　1)如果第i+1次取出的是負特征，則毛坯不變，該偽制造特征為制造特征，即 ， ，同時遍歷已經(jīng)識別出來的制造特征，檢查本特征是否和其他制造特征有相交關系，如果有，則需要進行相關處理，獲得。

　　2)如果第i+1次取出的是正特征，則在原毛坯的 基礎上增加毛坯材料以包容正特征，具體增加形式，根據(jù) 決定。 ，同時遍歷已經(jīng)識別出來的制造特征，檢查該偽制造特征是否和其他制造特征有相交關系，如果有，則需要進行相關處理，獲得。

　　6 結束語

　　如何從設計資源中識別和提取應用特征是CAD/CAM集成的關鍵問題，對于繼承已有的設計資源以及在現(xiàn)有CAD技術的基礎上實現(xiàn)設計和制造的集成具有較重要的意義。作者從應用的角度著重討論了特征識別和提取技術的兩大關鍵技術：從設計模型中提取偽制造特征和將偽制造特征映射成制造特征。后續(xù)將根據(jù)這些提取的制造特征進行工藝決策、規(guī)劃和排序，即生成零件的加工順序或工序與工步的次序。