唐耀紅，何翠群

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廣義特征及其在零件制造工藝規(guī)劃中的應(yīng)用

唐耀紅1，何翠群2

(1. 漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000；2. 南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330029)

針對(duì)CAD系統(tǒng)與CAPP系統(tǒng)之間無(wú)障礙數(shù)據(jù)相互傳遞的集成需要，分析了零件設(shè)計(jì)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系統(tǒng)零件設(shè)計(jì)特征映射為CAPP系統(tǒng)零件制造特征的關(guān)鍵技術(shù)，提出了面向零件制造工藝規(guī)劃的廣義特征概念，建立了廣義特征信息模型和結(jié)構(gòu)模型；給出了基于廣義特征的零件制造工藝結(jié)構(gòu)模型和制造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程；最后以一個(gè)實(shí)例說(shuō)明了基于廣義特征的零件制造工藝規(guī)劃的應(yīng)用思路。

特征映射；廣義特征；信息模型；工藝規(guī)劃

現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)制造信息化提出了更高的需求。以CAD/CAM/CAPP/CAFD集成技術(shù)為核心的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品信息共享和各單個(gè)CAX系統(tǒng)之間的信息雙向傳遞，其中CAPP和CAFD是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP/CAFD集成的橋梁[1,2]。CAPP系統(tǒng)在進(jìn)行工藝規(guī)劃和CAFD系統(tǒng)在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)都需要準(zhǔn)確無(wú)誤地從CAD系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品（零件）的制造信息。目前，這種獲取信息的方式有兩種：一是特征識(shí)別技術(shù)，二是特征設(shè)計(jì)技術(shù)。特征識(shí)別技術(shù)只能對(duì)較為簡(jiǎn)單的單個(gè)特征進(jìn)行有效識(shí)別，而在進(jìn)行復(fù)雜、交叉特征識(shí)別時(shí)存在數(shù)據(jù)計(jì)算量大、難以準(zhǔn)確識(shí)別等缺陷，即并不能準(zhǔn)確、及時(shí)、完整地將產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征映射成工藝規(guī)劃所需的制造特征[3,4]；而特征設(shè)計(jì)技術(shù)雖然從理論上可以解決特征識(shí)別所存在的缺陷，但是真正的基于特征的CAD/CAM/CAPP/CAFD集成系統(tǒng)還沒(méi)有開發(fā)出來(lái)，主要原因是各單個(gè)CAX系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有其特殊而又嚴(yán)格的要求，統(tǒng)一起來(lái)并非易事。因此，本文提出通過(guò)構(gòu)造廣義特征使CAPP系統(tǒng)從CAD系統(tǒng)中獲取完整制造信息，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、及時(shí)、完整的特征映射。

1 特征映射

特征映射是以特征具有的多視域特性為前提的，不同視域間的特征既有區(qū)別也有聯(lián)系，特征在不同視域間的轉(zhuǎn)換過(guò)程被稱為特征映射[5]。三維CAD系統(tǒng)在零件建模時(shí)雖然采用了特征設(shè)計(jì)技術(shù)，但有一部分構(gòu)成零件模型的設(shè)計(jì)特征（如拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征等等）并不能完全與包含了典型工藝方法（如鉆孔、車圓柱面、銑型腔）的制造特征一一對(duì)應(yīng)，也不能完全作為工藝規(guī)劃的已知條件直接輸入到CAPP系統(tǒng)中，需要通過(guò)一定的規(guī)則（映射關(guān)系）和數(shù)據(jù)庫(kù)（如特征庫(kù)）將設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)化成工藝規(guī)劃所需要的制造特征，也就是說(shuō)通過(guò)特征映射技術(shù)才能得到工藝規(guī)劃中所需的制造特征。

1.1 零件設(shè)計(jì)特征

零件設(shè)計(jì)特征是包含了豐富工程語(yǔ)義的幾何體，涵蓋了零件的管理信息（如零件名、零件編號(hào)、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期等）、技術(shù)信息（如零件的技術(shù)要求等）、材料熱處理信息（如材料性能、熱處理方式、硬度值等）、精度信息（如形位公差、表面粗糙度等）和形狀信息?；谔卣鞯牧慵O(shè)計(jì)過(guò)程可描述為：零件模型設(shè)計(jì)需求分析----分解構(gòu)成零件模型的特征----從特征庫(kù)中選擇所需特征----將所選特征實(shí)例化----將所有特征實(shí)例加以組合----完成零件設(shè)計(jì)。構(gòu)成零件的特征從數(shù)量上來(lái)看，是一個(gè)或多個(gè)；從種類上來(lái)看是多種類型特征（管理特征、技術(shù)特征、精度特征、形狀特征等）的集合，且特征之間存在著特征聯(lián)系。

1.2 零件制造特征

將某一工藝過(guò)程或其組成部分直接操作的對(duì)象稱為制造特征，包括加工特征和裝配特征[6]。從機(jī)械加工的角度看，加工特征通常又被描述為一個(gè)封閉的三維空間體，當(dāng)加工操作被執(zhí)行完畢后，該加工特征多余的材料應(yīng)該被切除干凈[7-9]。從零件視角看，制造特征的主體是加工特征，本文所闡述的制造特征亦即加工特征。零件加工特征從零件設(shè)計(jì)特征而來(lái)，理所當(dāng)然繼承了零件設(shè)計(jì)特征的所有屬性。為了更好地完成加工特征的加工操作，方便設(shè)計(jì)特征映射到制造特征，可將加工特征分成使用一般通用加工設(shè)備可完成的通用加工特征和使用特殊加工設(shè)備才能完成的特殊加工特征。加工特征類別可描述為如圖1所示。

圖1 加工特征類別

1.3 設(shè)計(jì)特征映射制造特征

由于零件設(shè)計(jì)特征與制造特征不具備完全的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就需要建立起二者之間的映射關(guān)系，即特征映射。建立特征映射的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）建立零件設(shè)計(jì)特征庫(kù)：建立存放標(biāo)準(zhǔn)特征、用戶自定義特征或?qū)嵗卣鞯牧慵O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)計(jì)特征庫(kù)里每一個(gè)元素都是零件的一個(gè)設(shè)計(jì)單元。

（2）構(gòu)建映射關(guān)系：構(gòu)造將零件設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)化成零件制造特征的知識(shí)、規(guī)則、邏輯、約束機(jī)制、沖突裁決機(jī)制的集合，形成特征映射規(guī)則庫(kù)，構(gòu)成零件設(shè)計(jì)特征到零件制造特征的因果關(guān)系與邏輯。

（3）建立零件制造特征庫(kù)：建立存放標(biāo)準(zhǔn)特征、用戶自定義特征或?qū)嵗卣鞯牧慵圃鞌?shù)據(jù)庫(kù)。制造特征庫(kù)里每一個(gè)元素都是零件的一個(gè)制造單元。

特征映射模型如圖2所示。

圖2 特征映射模型

2 廣義特征

在基于特征的設(shè)計(jì)域中，特征存在著兩個(gè)方面的不足：一是缺乏制造資源信息；二是對(duì)具備相同或相近屬性的單一特征缺乏歸一化處理。廣義特征概念的提出，可以解決上述不足，從而建立起設(shè)計(jì)特征與制造特征之間的確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 廣義特征概念

定義1：在設(shè)計(jì)域內(nèi)，包含了制造資源的單一特征或組合特征，并能夠通過(guò)一定映射關(guān)系形成確定的制造特征的設(shè)計(jì)特征，稱為廣義特征，用數(shù)學(xué)方法表示如下：

式（1）中：D表示廣義特征；M表示制造特征；F表示映射關(guān)系。即可以將制造特征看作是設(shè)計(jì)特征的函數(shù)。

定義2：從制造域視角出發(fā)，將多個(gè)屬性相同或相近的單一設(shè)計(jì)特征處理成一個(gè)組合廣義特征，稱為特征歸一化處理。

由此可見，廣義特征不但包含了完整的制造信息，還對(duì)設(shè)計(jì)特征進(jìn)行了必要處理，彌補(bǔ)了零件設(shè)計(jì)特征映射到制造特征存在的信息失真缺陷。

2.2 廣義特征信息模型

零件廣義特征包含了完整的制造信息，但其核心是在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中添加的幾何實(shí)體，這部分幾何實(shí)體可以通過(guò)參數(shù)或者以邊界表示形式來(lái)描述[10,11]。根據(jù)數(shù)學(xué)集合理論，廣義特征信息模型在數(shù)學(xué)上可描述如下：

式（2）中：D表示廣義特征信息；G表示管理信息；J表示技術(shù)要求信息；C表示材料信息；R表示熱處理信息；E表示精度信息；X表示幾何信息；M表示制造資源信息。

式（4）—（7）中：NM表示特征名稱；ID表示特征編號(hào)；CE表示特征層；GN表示特征功能要求；JS表示對(duì)特征的技術(shù)要求；GC表示特征公差；BC表示特征表面粗糙度；Xi表示幾何實(shí)體。

2.3 零件廣義特征結(jié)構(gòu)模型

零件廣義特征所要描述的信息眾多，包括幾何、精度、材料、技術(shù)、管理和制造資源等信息。如何將這些信息統(tǒng)一描述和管理起來(lái)，對(duì)CAD系統(tǒng)和CAPP系統(tǒng)都至關(guān)重要。本文采用特征樹的方法對(duì)廣義特征進(jìn)行全方位描述。由于零件廣義特征的核心是形狀特征，其它特征如管理特征、技術(shù)特征、精度特征等和形狀特征建立了引用聯(lián)系，所以零件廣義特征結(jié)構(gòu)模型可由零件層、特征層和幾何層三層分層結(jié)構(gòu)來(lái)描述[1]，如圖3所示。這樣，對(duì)于零件基于特征的描述就比較簡(jiǎn)單和一致了，即一個(gè)零件就是一個(gè)或者多個(gè)廣義特征的有機(jī)組合，這樣處理有利于零件信息管理及其計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

圖3 零件廣義特征結(jié)構(gòu)模型

3 基于廣義特征的工藝規(guī)劃

從CAD/CAM/CAPP/CAFD集成出發(fā)，通過(guò)特征映射，得到待加工零件的制造特征，從而建立由零件廣義特征驅(qū)動(dòng)的零件制造工藝模型。在制造特征庫(kù)、工藝知識(shí)、工藝規(guī)則庫(kù)的作用下，完成零件工藝文件設(shè)計(jì)。

3.1 基于廣義特征的零件工藝結(jié)構(gòu)模型

零件工藝規(guī)劃以制造特征為基礎(chǔ)，涉及到眾多信息，如幾何、材料、精度、熱處理、制造資源等等。這些信息具有不同的層次，分布在工藝過(guò)程的相應(yīng)環(huán)節(jié)。為了清晰地描述零件制造工藝的層次結(jié)構(gòu)，本文采用工藝模型樹的方法對(duì)零件工藝進(jìn)行多層次、全方位的描述。在工藝模型樹中，零件的制造特征是其廣義特征通過(guò)特征映射后得到的單元特征，這些單元特征是已經(jīng)定義好的制造特征庫(kù)的元素，如圓柱、螺紋、凸臺(tái)、槽、筋、倒角、組合體等制造特征，它們封裝了完整的制造信息。零件工藝模型樹結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 零件工藝結(jié)構(gòu)模型

3.2 基于廣義特征的零件工藝設(shè)計(jì)

在CAD系統(tǒng)里，已經(jīng)定義了組成零件的各個(gè)廣義特征。通過(guò)特征映射，將零件廣義特征映射成為零件相應(yīng)的制造特征。由于零件的制造特征已經(jīng)封裝了該制造特征完整的制造信息（包括工藝流程信息、精度、表面粗糙度、形狀、材料、熱處理等等），因此，從零件所有制造特征得到的制造信息的集合就構(gòu)成了該零件整體工藝規(guī)程。但是，這些加工信息集合還處于無(wú)序狀態(tài)，還需要對(duì)他們進(jìn)行篩選、組合與排序才能形成最終的零件工藝文件。由于工藝問(wèn)題的復(fù)雜性，篩選、組合與排序工作還不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要人工進(jìn)行干預(yù)。

圖5 工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

如圖5所示，基于廣義特征的零件工藝設(shè)計(jì)過(guò)程包括映射零件制造特征、生成零件工藝規(guī)程、工序設(shè)計(jì)、工藝路線生成、工藝文件輸出等五個(gè)環(huán)節(jié)。利用企業(yè)制造資源數(shù)據(jù)（含工裝、刀具、機(jī)床、工具、量具）、工藝規(guī)則、工藝知識(shí)、典型工藝模板庫(kù)，在配合必要的人機(jī)交互，形成零件的工藝文件（工藝卡片），完成零件基于廣義特征的工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)。根據(jù)基于廣義特征的零件制造工藝規(guī)劃思想，零件的整個(gè)制造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程就是定義零件廣義特征并將其映射到零件制造特征、從零件制造特征中讀取制造信息集合成零件工藝規(guī)程、再通過(guò)一定的人工干預(yù)形成最終工藝文件的過(guò)程。

4 應(yīng)用思路

圖6 零件模型

圖6為一鏜銑類零件（上平面尚未加工，其余均已加工完成）。首先利用特征三維CAD軟件（如Pro-E、CAXA、SolidWorks等）對(duì)零件進(jìn)行建模。由建模過(guò)程知，f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7都是零件的單個(gè)設(shè)計(jì)特征，其中f1與f2、f6與f7是交叉特征。根據(jù)每個(gè)特征的屬性，這里將f1和f2、f6和f7進(jìn)行歸一化處理，分別成為兩個(gè)組合特征F1和F2（其中F1=f1+f2，F(xiàn)2= f6+f7），再對(duì)F1、F2和其余的f3、f4、f5添加制造資源信息，從而定義了構(gòu)成該零件的5個(gè)廣義特征（F1、F2、f3、f4、f5）。經(jīng)過(guò)特征映射得到銑輪廓（由F1映射而成）、鉆孔（由F2及f3映射而成）、鏜銑孔（由F2映射而成）、銑凸臺(tái)（由f4映射而成）、銑鍵槽（由f5映射而成）等制造特征（這些制造特征已經(jīng)在制造特征庫(kù)中定義完畢，包含了完整的制造信息），通過(guò)讀取所有制造特征的制造信息得到該零件工藝規(guī)程。最后對(duì)形成的工藝規(guī)程進(jìn)行篩選、組合、添加和排序，即可得到該零件的工藝過(guò)程。

依照上述思想，其中的工藝路線可做如下安排：

（l）銑整個(gè)上平面，保證零件總高度；

（2）銑月形外形及平臺(tái)面（F1）；

（3）銑整個(gè)外形（F1）；

（4）銑兩個(gè)凸臺(tái)（f4）；

（5）銑邊角料；

（6）銑鍵槽（f5）；

（7）鉆左側(cè)小孔（f3）；

（8）鉆中間大孔（F2）；

（9）銑中間大孔（F2）；

（10）鏜中間大孔（F2）；

（11）銑中間錐孔（F2）。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)特征自身不足及其映射后帶來(lái)的缺陷，提出了廣義特征的概念及其定義思想與方法。在廣義特征的支持下，零件的描述變成了多個(gè)廣義特征的組合，為基于特征的設(shè)計(jì)技術(shù)提供了又一有益、有效的途徑。同時(shí)，廣義特征的定義和建立，進(jìn)一步明晰了CAPP系統(tǒng)工藝決策邏輯，簡(jiǎn)化了零件工藝規(guī)劃過(guò)程，為CAD/CAPP的無(wú)縫集成打下了基礎(chǔ)。但是，由于受工藝系統(tǒng)的復(fù)雜性、映射規(guī)則及工藝決策的局限性等諸多因數(shù)影響，在基于廣義特征的零件制造工藝規(guī)劃過(guò)程中，還不能實(shí)現(xiàn)工藝流程、工序等的自動(dòng)生成，有待于做進(jìn)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

江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20122BAB206036）

唐耀紅（1967－），男，湖北咸豐人，副教授，碩士，主要從事CAD/CAM/CAPP/CAFD、數(shù)控技術(shù)研究等。

(責(zé)任編輯：季平)