發動機曲軸箱制造中復雜特征識別實現

黃 毅，張為民,2

（1.同濟大學 機械工程學院，上海 201804；2.同濟大學 中德學院，上海 200092）

0 引言

特征識別是數字化制造中的一項關鍵技術，是實現CAD/CAM溝通的有效途徑。特征識別，是從產品的實體模型出發，自動地識別出其中具有一定工程意義的幾何形狀，進而生成產品的特征模型[1]，過程如圖1所示。傳統的特征識別方法難以處理較復雜的模型，本文從并行工程的基本觀點出發，對復雜特征采用有效的識別方法，在產品的設計階段同時考慮和解決生產工程中工藝過程設計的問題。

特征識別面臨相交特征和復雜特征識別難、特征識別方法魯棒性不足等問題。為此，本文提出一種以特征知識數據庫為識別過程核心和基礎，基于立體分解和基于邊界匹配相結合的特征識別方法，以此來嘗試解決工程中的實際特征識別問題。

1 特征識別方法種類

1.1 基于邊界匹配的特征識別

每一類特征都有其一定的邊界模式,通過搜索零件的邊界模型，尋找符合特征邊界模式的區域，進而識別出零件中包含的所有特征。這類方法統歸為基于邊界匹配的特征識別方法,也是最早出現的特征識別方法[2]。

1.2 基于立體分解的特征識別

如圖 2所示，基于立體分解的特征識別方法可分為原子特征（Atomic Feature，AF）和復合特征（Compound Feature，CF）。其中原子特征AF是一些可以用一組事先定義的參數描述的基本形狀，如孔、槽等，復合特征CF則是原子特征的組合[3]。

1.3 復雜特征識別方法

基于邊界匹配的特征識別方法靈活簡單，而基于立體分解的特征識別方法有更高的識別速度和識別率優勢，以下采取了結合兩者的嘗試，以此發揮各自的優點。

立體分解的特征識別。其識別過程一般有以下步驟：

1）搜索產品幾何數據庫，匹配特征的幾何/拓撲類型；

2）從數據庫中提取已識別出的特征實體；

3）確定特征描述參數；

4）構造特征幾何模型；

5）對能夠合并成組合特征的基本特征進行組合[4]。

建立特征分類數據庫，根據立體分解識別方法，零件能分解出一定數量的基本特征，此類特征有規則性，也即可通過建立數據庫進行識別。這樣的特征在數據庫中可包括[5]：

1)孔 (HOLE Features)、盲孔 (POCKET Features)、階梯孔(STEP1,2,3,4,5Features)。例如STEP3POCKET表示一個有3個階梯的盲孔，它的第一個直徑比第二個的大，第二個的比第三個的大；STEP3HOLE1表示有3個直徑的孔特征，第三個直徑大于其他兩個。

2）槽特征（Slot）和部分插槽特征(Partial Slot)。

3）角缺口特征(Corner Notches)。

4）側缺口特征(Side Notches)。

5）軸向槽特征（Axial Grooves）。

6）凸起特征（Bosses）。

7）面特征（Surface）。

8）內輪廓特征（Inside Profiles）、外輪廓特征（Outside Profiles）、內槽特征（Inside Grooves）等。

圖 3中列出了一些通過此步驟可識別的常見基本特征種類，特征種類數據庫是基本特征識別的基礎，特征數據庫建立得越詳細，也將越容易進行特征識別。

建立零件的幾何模型，進行特征識別，幾何模型的精細程度同樣也將決定特征識別的效率，幫助提高前處理的速度。通過建立零件的幾何模型及基本特征數據庫，即可對零件進行特征識別。

應用基于特征的特征識別，在數據庫中進行搜索，提取已識別出的特征實體，確定特征描述參數，構造加工特征幾何模型。過程中還可包括一系列特殊方法，如：

1）應用符合條件的其它項目的模型和特征及公差進行識別，提高特征識別的效率；

2）根據已有的模型進行修改，直接添加已知類型的基本特征。或先建立加工特征，再通過添加基本模型完成零件模型。以這種方式覆蓋未受識別的特征。

應用基于邊界的識別，完成優化。

在根據特征數據庫對零件特征進行識別后，不可避免地遇到特征識別不完全的情況。在此將對未識別的特征進行基于邊界的特征識別方法，其基本步驟如下：

1）搜索零件的邊界表示，并將其特定部分與每一類特征的邊界模式進行匹配；

2）確定已識別特征的參數，構造完整的特征幾何模型；

3）對能合并成組合特征的基本特征進行組合。

2 應用實例

Tecnomatix 數字化軟件是一個基于特征的CAPP 系統，以Oracle數據庫為基礎，系統可以基于零件的實體表示通過交互選擇、自動特征識別直至自動生成刀具軌跡和NC 代碼，其特征識別模塊能夠識別復雜特征并把它們分層，提取的特征有簡單特征和復合特征。

特征模型存在時，根據將要識別的特征類別在數據庫中進行篩選，以提高自動特征識別的效率。

特征模型存在，有部分特征沒識別時，通過交互式的特征識別，進行特征的編輯。可用已經識別出來的特征，也可用數據庫中已經存在的特征為模型建立新的特征，進行參數確定；

不存在特征模型時，可通過以xml，step格式從外部導入特征。在這里以xml格式導入；

通過交互方式進行復雜平面的特征識別。利用基于邊界匹配的特征識別方法來進行識別。步驟如下：

1）選取將要進行特征識別的類型為數據庫中的平面類型Sufance_Planner，長寬方向尺寸公差為0.3mm，深度方向尺寸公差為0.1mm，粗糙度為 12.5μm；

2）選取與加工面相同的向量方向，并規定好加工余量；

3）建立選取的特征平面與加工平面的聯系，找出加工面的輪廓；

4）平面特征按照加工面的輪廓完成特征識別。

按此方法進行的復雜平面特征識別在后面的加工中能自動識別出來，并根據建立好的加工規則和資源庫進行優化配置并進行加工，生成刀具加工路徑并輸出APT代碼：

生成的APT代碼可通過相應的后處理模塊生成相應的NC程序，實踐證明此方法是可行的，并具有較好的魯棒性，解決了實際工程中的問題，達到了預期的效果。

3 結論

在實際工程中利用基于邊界匹配和基于立體分解相結合的特征識別方法，提高了特征識別的準確性和識別效率，基本上解決了基于特征的發動機工藝CAPP系統信息輸入問題。比UG/CAM、Edgecam等傳統的CAM軟件自動化程度更高，提高了生產效率，并為實現CAD/CAPP/CAM集成開辟了新的途徑。

[1]王晨晴.發動機制造的數字化工廠技術[D].上海: 同濟大學中德學院,2009.

[2]高曙明.自動特征識別技術綜述: 計算機學報[J],1998(3):281-288.

[3]張征宇.基于特征造型的CAD/智能CAPP集成系統的開發技術研究[D].成都: 西南交通大學,2000.

[4]熊學文.STEP-NC車削加工特征提取及數據庫技術的研究[D].武漢: 華中科技大學,2005.

[5]Machining Line PlannerTM User Training.November 2006.