0 引言
在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，獨立的數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用，但企業(yè)對市場競爭力的追求給設(shè)計、制造的集成化程度提出了更高的要求，這也是現(xiàn)有CAD、CAM等計算機輔助軟件不斷完善發(fā)展的方向。不同應(yīng)用系統(tǒng)間的集成能夠有效縮短設(shè)計信息到制造信息的轉(zhuǎn)換時間，提高工作人員的工作效率，覃興等人針對曲軸開發(fā)的CAD/CAPP系統(tǒng)，實現(xiàn)了鍛件的工藝與模具設(shè)計，提高了設(shè)計質(zhì)量。
CAPP是連接設(shè)計與制造的有效橋梁，但現(xiàn)有CAPP系統(tǒng)難以有效利用產(chǎn)品模型的設(shè)計信息。CAD/CAPP信息集成能夠?qū)ζ髽I(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)驗進行價值的最大挖掘，減少工藝制定過程中對經(jīng)驗知識的依賴性，提高工作效率與質(zhì)量，且識別到的特征可供下游參考使用，如CAE中細節(jié)特征的抑制。為實現(xiàn)設(shè)計信息到制造信息的快速轉(zhuǎn)換，減少人工參與的工作量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，本文以箱體類零件為研究對象，對特征識別技術(shù)進行了研究，利用特征識別實現(xiàn)CAD/CAPP的信息集成。
1 特征識別方法
箱體是機械產(chǎn)品中一種基礎(chǔ)零件，主要用于安裝或包容其他零部件，一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工特征主要由平面和圓柱面構(gòu)成。本文針對該類零件的幾何特點，提出了以面為中心，基于痕跡和規(guī)則的混合特征識別算法，如圖1所示。其中對面按類型分組，可在不同的面組內(nèi)實現(xiàn)對應(yīng)特征的識別，減少特征匹配范圍，而補充的工藝信息則能有效地將特征與工藝信息結(jié)合起來，以供CAPP使用，實現(xiàn)信息流通。
圖1 特征識別算法流程
1.1 幾何數(shù)據(jù)的提取與重組
本文以面為中心，利用面的信息實現(xiàn)特征識別，獲取的面信息如圖2所示。
圖2 面的幾何信息
特征識別的一個難點是相交特征的識別，學(xué)者們在各方案的基礎(chǔ)上提出了混合特征識別方法，但目前還沒有一個統(tǒng)一的解決方案可適用于種類繁多、復(fù)雜度越來越高的零件的特征識別。本文通過對已獲取的幾何面信息（痕跡）進行分析，對面進行共面檢查，還原被分割前的完整平面的信息，以便于相交特征的識別，其準則如下，具體示意如圖3所示。
圖3 加工特征面邊界獲取示意圖
若面1與面2的法向同向且平行，具有相同的數(shù)學(xué)表達方程，且兩者的位置點連線間沒有其他幾何面，則面1與面2是同一平面被分割而產(chǎn)生，將面1與面2存儲到同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以表示加工中的同一平面。
實現(xiàn)共面信息的判斷后，將所有平面進行分組，再在組內(nèi)排序。其分組依據(jù)面的法向，按z、y、z3個主方向進行，排序按每一平面位置點的坐標值進行，例如z軸方向的所有平面按各平面中心位置點坐標的x值進行排序。通過這樣的數(shù)據(jù)處理，可在特征識別過程中搜索同一方向的鄰近面進行特征識別，減少特征匹配范圍，提高識別效率。
1.2 以面為中心的混合特征識別方法
完成對幾何面信息的獲取與重組后，結(jié)合預(yù)定義的特征判斷規(guī)則，可有效識別箱體類零件的常用加工特征，并將特征信息存儲到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，為工序決策提供所需要的信息。
在獲取的圓柱面的集合內(nèi)可有效進行加工孔特征的識別，識別規(guī)則如下：
(1)面上一點指向軸線；
(2)圓柱面對應(yīng)的圓周角大于3π/2。
其中圓周角的應(yīng)用可將孔特征與內(nèi)邊倒圓角特征區(qū)別開來，保證了識別的準確性。
槽、腔特征主要由平面構(gòu)成，在已經(jīng)進行分組和排序的平面集合里進行槽、腔特征識別時，利用平面的法向，依據(jù)就近原則進行特征識別，可快速識別槽、腔特征，識別過程如圖4所示。
圖4 槽、腔特征識別算法流程圖
槽、腔特征可分為閉環(huán)和開環(huán)兩類特征，其閉環(huán)特征識別規(guī)則如下：
(1)i面與j面的法線同向且平行；
(2)以i面位置點為起點，i面法向為方向的射線與模型不相交；
(3)i面邊界點投影到j(luò)面上，若投影落在j面邊界內(nèi)部，則i、j構(gòu)成腔特征，投影有部分落在j面邊界上，則i、j構(gòu)成閉環(huán)槽特征。
開環(huán)類型的特征，主要是一些開環(huán)的槽特征（臺階），其識別規(guī)則如下：
(1)i面與j面的法線同向且平行；
(2)分別以i面、j面各自位置點為起點，各自法向為方向的射線均與模型不相交；
(3)i、j共有平面總數(shù)小于2。
符合上述規(guī)則的i、j面構(gòu)成開環(huán)的槽特征。
2 CAD/CAPP集成應(yīng)用系統(tǒng)
特征識別將幾何信息轉(zhuǎn)換為制造信息，再結(jié)合輸入的輔助工藝信息，可有效地指導(dǎo)產(chǎn)品工藝路線的制定。利用Pro/E軟件進行本地化應(yīng)用程序的開發(fā)，可以縮短設(shè)計和加工周期，降低成本，本文以Pro/E為平臺，針對箱體類零件開發(fā)了CAD/CAPP集成應(yīng)用系統(tǒng)。
如圖5所示，該系統(tǒng)主要由3個模塊構(gòu)成：工藝信息補充模塊、特征識別與顯示模塊、工藝決策模塊。通過AddToler按鈕可向模型添加工藝信息，如面的粗糙度、孔與孔的同軸度等；通過Fea_Recognition按鈕進行特征識別計算，生成特征數(shù)據(jù)，其中特征加工方案主要利用已輸入的工藝信息，結(jié)合后臺特征工藝數(shù)據(jù)庫進行搜索而得到。對于部分不合理特征，如圖6所示，可通過刪除按鈕進行處理。在顯示特征識別結(jié)果的List控件中，列Serial_In_Group為特征編號，列Reference為根據(jù)補充的工藝信息得到的參照基準（特征），如平行度、垂直度要求，列Depend為特征的依附特征。GA按鈕則是利用已經(jīng)獲取的特征信息進行遺傳算法的迭代計算，最終得到理想的產(chǎn)品加工工序。
圖5 系統(tǒng)界面
圖6 不合理特征
CAPP系統(tǒng)的主要功能是進行決策，本文開發(fā)的系統(tǒng)采用遺傳算法實現(xiàn)CAPP系統(tǒng)的決策功能，并使最終工藝路線的成本較低。利用遺傳算法解決工藝排序是個全排列問題，借鑒適應(yīng)度函數(shù)，以各工序間變更設(shè)備、刀具、夾具所產(chǎn)生的額外加工費用為目標函數(shù)（適應(yīng)度函數(shù)）：
TWC=Nm×MCC+Ns×SC+Nt×TCC (1)
式(1)中MCC為更換加工設(shè)備產(chǎn)生的成本，SC為裝夾成本，TCC為更換刀具產(chǎn)生的成本，Nm、Ns、Nt分別為整個加工過程中更換設(shè)備次數(shù)、裝夾次數(shù)、更換刀具次數(shù)。
遺傳算法在本系統(tǒng)中的集成，降低了對工藝人員經(jīng)驗的依賴性，提高了工藝制定的效率，增加了本系統(tǒng)的應(yīng)用價值。
3 應(yīng)用實例
圖7所示零件為包裝機的主要構(gòu)成部件，利用本系統(tǒng)的特征識別算法，可對該零件的大部分特征進行有效地識別，識別后的特征結(jié)果如圖7、表1所示。表1中的特征加工方案為依據(jù)獲取的特征工藝信息，在工藝數(shù)據(jù)庫中進行搜索得到的特征加工方法。將表1中每個特征的加工方案進行工序分解，可得到實現(xiàn)整個零件的加工所需要的38個工序，以加工成本為目標，利用遺傳算法對這38道工序排序，結(jié)果如表1所示。在應(yīng)用遺傳算法進行工序排序的過程中，取種群數(shù)為50，進化代數(shù)為300，交叉率為0.7，變異率為0.1。從計算結(jié)果可以看出，最終的工藝路線，滿足幾個基本約束條件，如基準先行，父項優(yōu)先、先粗后精，工藝路線較為理想。
圖7 特征識別結(jié)果
表1 特征加工方案
4 結(jié)論
為實現(xiàn)設(shè)計信息到制造信息的快速轉(zhuǎn)換，充分利用已有的設(shè)計信息，本文針對箱體類零件的幾何特點，提出以面為中心，基于規(guī)則和痕跡的混合特征識別方法，避免了傳統(tǒng)識別算法對大量面邊信息進行分析計算的過程，有效識別了箱體上的常見制造特征，如孔、腔、槽。在Pro/E平臺下開發(fā)的CAD/CAPP集成系統(tǒng)，實
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