基于切削體分解組合策略的工藝特征識(shí)別方法*

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(shí)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(shí)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(shí)別概念.之后，特征識(shí)別受到廣泛的關(guān)注和深入的研究，各式各樣的特征識(shí)別方法不斷涌現(xiàn)出來(lái)，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(shí)別便是其中一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容.Babic等［3］較為全面地概括了主要的12種特征識(shí)別方法.

依據(jù)特征識(shí)別信息參考的類型，可將特征識(shí)別技術(shù)概括為3類:基于幾何信息的特征識(shí)別方法、基于設(shè)計(jì)信息的特征識(shí)別方法以及基于工程知識(shí)的特征識(shí)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(shí)別方法分別利用幾何實(shí)體的邊、面、體的信息來(lái)識(shí)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(shí)別方法在幾何特征識(shí)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(shí)別的特征更為合理.這類方法識(shí)別出的特征具有一定的工程意義［7-9］.基于工程知識(shí)的特征識(shí)別方法多見(jiàn)于特定領(lǐng)域的特征識(shí)別，文獻(xiàn)［10-12］中分別對(duì)工件定位特征、檢測(cè)工藝特征以及裝夾特征識(shí)別進(jìn)行了研究.

目前，基于幾何信息的特征識(shí)別方法能夠較好地識(shí)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(shí)別方法能夠識(shí)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(wèn)題.利用工程知識(shí)實(shí)現(xiàn)特征識(shí)別的方法可以直接識(shí)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(shí)的特征識(shí)別方法主要表現(xiàn)為在幾何特征識(shí)別后，利用設(shè)計(jì)信息及工程知識(shí)進(jìn)行后期性的特征解釋和判斷.這樣分兩步走的特征識(shí)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(duì)大量無(wú)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(shí)別的效率.利用工程領(lǐng)域知識(shí)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(shí)別的整個(gè)過(guò)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(shí)，形成切削體分解組合策略，并直接應(yīng)用于工藝特征的識(shí)別過(guò)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(shí)別方法的原理以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù).

1 工藝特征識(shí)別框架及流程

機(jī)械加工的過(guò)程是從毛坯模型中切除材料最終形成產(chǎn)品的過(guò)程.工藝規(guī)劃則為決策如何依次切除切削體.文中將對(duì)切削體操作的過(guò)程稱為工藝特征識(shí)別，并引入切削體分解組合策略作為工藝特征識(shí)別過(guò)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(shí)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(kù)、分解組合策略知識(shí)庫(kù)、特征識(shí)別模塊以及模型后處理模塊，如圖1所示.

圖1 工藝特征識(shí)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(shí)別輸入接口，一方面需要對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)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(shí)別的處理對(duì)象.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含單元切削體庫(kù)和工序切削特征庫(kù);分解組合策略知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)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(shí)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(duì)模型進(jìn)行處理和識(shí)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(duì)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(shí)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(duì)位置關(guān)系;(2)通過(guò)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(guò)程模型統(tǒng)一信息描述方法描述和存儲(chǔ)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shí)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(duì)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(shí)別中僅有這些信息是不夠的.文中針對(duì)工藝設(shè)計(jì)的要求，對(duì)AAG進(jìn)行了擴(kuò)展，并附加了面、邊的工程語(yǔ)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(shí)別的算法不同，采取不同的擴(kuò)展屬性.文中對(duì)結(jié)合切削體分解組合策略對(duì)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(shí)號(hào).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(shí)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)工序類型，如車端面、車臺(tái)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(duì)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(shí)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(duì)該策略做了詳細(xì)的研究，文中僅作整體描述和說(shuō)明.

該策略針對(duì)切削體的分解和單元切削體組合兩個(gè)過(guò)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(wèn)題簡(jiǎn)單化的效果，有利于提高特征識(shí)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(guò)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(hào).為使切削體分解合理，以利于有效特征的識(shí)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(jí)定義為prid(sp)，優(yōu)先級(jí)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)洹⒎纸膺^(guò)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(kù)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(guò)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(hào):

上述規(guī)則表明在組合匹配過(guò)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(méi)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(jiàn)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(shí)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(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)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(shí)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(shuō)明工藝特征的識(shí)別過(guò)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(méi)有重合，即沒(méi)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(shí)別方法會(huì)將此識(shí)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(guò)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(hào)，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(shí)別為車外圓和車臺(tái)階.

5 結(jié)語(yǔ)

基于切削體分解組合策略的工藝特征識(shí)別方法，不是基于體分解和基于圖的特征識(shí)別方法的簡(jiǎn)單組合，而是融合幾何信息、設(shè)計(jì)信息以及工藝知識(shí)于特征識(shí)別的整個(gè)過(guò)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(guò)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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