面向對象的三維零件特征識別和提取方法研究

張榮

摘 要 特征識別和提取在CAD/CAPP/CAM集成中發揮著核心橋梁作用，本文以三維CAD技術為基礎，在研究參數化設計原理的情況下，從應用實踐的需求出發，建立參數化建模的方法。對零件組織和信息特征進行了分類研究，為特征提取提供依據，研究和分析了三維零件特征提取的原理和基本描述方法，提出了面向對象的零件制造特征建模方法。

關鍵詞 CAPP CAD 面向對象 特征識別

中圖分類號：TP391.72 文獻標識碼：A

CAPP（ Computer Aided Process Planning） 是計算機輔助工藝人員設計零件從毛坯到成品的制造方法，將企業產品設計數據轉換為產品制造數據的一種技術 ， 而隨著制造業信息化建設的快速發展，CAD/CAPP/CAM 三者之間的集成已成為數字制造技術發展的必然要求，特征識別和提取在CAD/CAPP/CAM集成中發揮著核心橋梁作用，當前制造業中產品設計更多地采用三維 CAD 技術，要使CAPP 擺脫傳統的二維環境的工藝設計模式，在三維環境下的零件特征信息識別和提取的發展變得尤為急迫。

一、零件特征信息概述

零件特征是對零件的幾何形狀、加工制造工藝以及功能特性等信息的綜合描述，是零件模型的核心部分，研究特征提取的目的就是為了向 CAPP 系統提供反映了設計和制造所需的各種工程信息。

在參數化建模中，特征是一個廣義的概念，既可大到一個完整的裝配體，也可以小到點、面、尺寸信息，甚至可以是某個特點結構的工藝技術信息。在機械加工領域，一般將零件特征信息歸為五大類：造型特征、精度特征、技術特征、管理特征、材料及熱處理特征。

（一）造型特征。

造型特征，是對零件包含的幾何形狀、尺寸信息及拓撲關系進行的描述，是其他特征是依附在造型特征上而存在的。造型特征是零件特征表達最為豐富，信息量最大的特征，也是零件描述必須存在的基礎特征。

不同的造型信息在零件中承擔著不同的功能目標，對于制造工藝也提出了不同的要求。從加工工藝角度，造型特征分為主特征和輔助特征。主特征用于描述零件的主要制造特征，輔助特征從屬于主特征，對零件的次要幾何特征進行描述。

（二）精度特征。

精度特征表達了零件在尺寸和形狀上的互換性要求，主要包括各種公差和表面粗糙度等。

（三）技術特征。

技術特征是一個描述零件功能和技術要求關聯性的集合特征，包括零件功能、設計要求、約束條件等信息。它的屬性是對其它零件特征中的中配合和裝配要求的引用。

（四）管理特征。

管理特征是指與零件管理有關的信息集合，包括標題欄（如零件名、圖號、設計者、設計日期等）、零件材料、未注粗糙度等信息。

（五）材料及熱處理特征。

材料及熱處理特征是指與零件材料和熱處理技術有關的信息集合，包括零件的材料屬性、性能、熱處理方式、表面處理方式等。

二、三維零件特征識別原理

計算機技術在工業發在中的普及應用，促成了當今機械制造業的柔性發展。而CAD/CAPP/CAM 集成系統是否能夠用自動輸入代替傳統零件描述方法中繁瑣的手工輸入，是評價一個 CAPP 系統是否良好的的重要指標。因此，從三維設計模型中識別和提取出可供加工的特征成為了一個 CAPP 集成的關鍵 。

CAD 軟件在設計模型時，是依照設計信息進行組織的，加工工藝與設計的信息的需求不可能完全一致，因此在造型信息轉換為制造信息的時候必然會導致特征識別的問題。所謂特征識別就是按照工程制造的要求，從設計的三維模型中，自動地識別出有加工意義的信息特征，并且根據已有的制造特征組合成特征實例的過程。特征識別的重點是從設計的下層信息中抽取數據形成上層的加工信息。如圖 1 給出了特征識別系統的結構示意圖。

特征識別的基本原理是由零件實體抽取幾何和制造信息，然后根據制造特征類組合比較，根據提取和識別的信息將特征類實例化。本文提取技術涉及的特征識別的方式主要基于邊界的特征識別方法，可分為以下三種：

（一）規則特征識別。

定義規則通過規則確定特征的邊界，然后基于這些規則進行特征識別。例如定義孔的特征規則：開口面開始，確定孔軸共面，孔的所有面順序相連，最后判斷是否終止于有效孔地面。此種方法是通過比較模型邊界事實和特征規則的關系，對零件特征進行識別 。

（二）圖的特征識別。

該類方法采用以面為結點，以面面之間的連接關系為弧線，來表示零件的邊界的圖模型，這種面鄰接圖與一般面邊圖的區別在于用弧線的屬性來表示面的凸凹性，從而使邊界模式的圖信息更為完整 ，圖 2 表示識別模式下的立方體。

基于圖的特征識別方法的特征搜索策略是子圖匹配，即通過將零件邊界圖庫里面的圖例與實際模型中的的圖的特征進行比較匹配，因此如何提高圖的搜索算法效率，分類匹配取代對所有子圖進行匹配是基于圖的特征識別方法的關鍵問題之一 。

（三）痕跡的特征識別。

任何一個特征實例在零件 CAD 模型中都必然留下了特征痕跡。在特征發生相交后，原有的特征邊界消失，取而代之的是新的特征約束，因此基于這些改變痕跡可以逐步識別出零件特征。在當前實體邊界表示技術是成熟的條件下，具體的特征痕跡可以是幾何拓撲信息， 也可以是設計特征其它 CAD 信息，目前特征痕跡主要是依據拓撲信息和設計特征來確定的。

三、面向對象的制造特征建模和實例化方法

零件制造信息具有復雜性，涵蓋了工藝過程中的諸多信息，它包括幾何形狀信息（形狀、尺寸、坐標等）、精度信息（待加工表面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度）、材料信息（材料類型、性質和熱處理狀態）以及管理信息（零件批量，毛坯類型、名稱等） 。如何組織這些制造信息，并將其轉化為能夠被工藝設計等制造活動所使用的制造特征，服務于工藝設計和制造過程，是處理特征信息的關鍵問題所在。我們可以利用面向對象的思想，將服務于同一制造對象的信息組合建立為一個制造特征類，特征類描述為與制造活動相關的產品對象信息的集合。制造特征類中不但具有構成同類特征的形狀和幾何信息，又包含能夠用于指導制造過程的公差、粗糙度等制造信息。根據后續的制造要求，可以對制造特征類進行分層次描述。

制造特征建模可以從制造特征類層、特征層、特征參數分層次地描述，如圖3 所示。

（一）特征類層。

分類描述制造特征，即根據制造需求和加工工藝特點對制造特征進行歸類定義。制造特征類作為一個制造特征的抽象分類，將一類制造特征相似的制造對象歸為一個類，并對類定義和描述，確定其中包含的各種特征屬性。

（二）特征層。

將幾何特征根據集合的包含關系可分為幾何特征、幾何形面和區域三類特征。幾何特征是是特定的建模特征，如螺紋等；制造過程中的基本形面特征如平面、回轉面、自由曲面等為幾何形面；區域是幾何形面上具有特定加工意義的一些面的集合，是幾何形面的一部分。幾何特征、幾何形面、區域相互組合可構成幾何形狀特征。

（三）特征參數層。

產品的制造特征最終通過相關參數表達，如尺寸、公差、形位公差、粗糙度和熱處理等信息。這些信息依附于制造特征或者相關的幾何形狀而存在，進一步描述制造特征的制造要求 。

建立了制造特征類以后，下一步是將從設計模型中獲取的具體各種信息組合成為制造特征，成為有用的適應于工藝加工的信息，我們采用面向對象的方法，引入類與實例的概念。依據面向對象的思想，我們定義好的制造特征類是創建對象實例的模板，而組織這些特征信息的過程，就是將這些作為模板的類實例化的過程。類中屬性的定義，保證了該類定義的實例信息的完整。而這種實例化的過程可以用三個概念來描述：制造特征類、制造特征實例和制造特征信息完整性和合理性。

1、制造特征類。即上面提出的將的具有相似幾何形狀、相同的制造信息和工藝與制造方法的一類制造對象進行抽象定義，封裝得到創建產品制造特征實例的模板。

2、制造特征實例化。制造特征實例是依據抽象的制造特征類型，從設計模型中獲取得到的具體的對象，將識別和提取的特征與制造特征類就行匹配的過程。

如圖4 所示，每個制造特征實例化就是將制造特征類的屬性參數具體化，因此，每個實例具有所屬制造特征類定義的幾何形狀屬性值和制造信息屬性值及其相應的屬性值間的關系。完成制造特征信息實例化分為以下幾步：

第一，根據識別的模型所包含的幾何和制造信息，確定實際提取零件信息包含的制造特征類型，將特征信息匹配為制造特征類對應的制造特征實例，同時初始化制造特征實例。

第二，以制造特征實例對應的制造特征類型為模板，從識別和提取信息中獲取制造特征實例應包含的幾何和制造屬性參數值，完成的幾何和制造屬性值具體化。

第三，根據制造特征類的幾何要素關聯的屬性關系，依據產品模型上獲取的幾何要素關聯的特征信息值，完成實例中的幾何關聯屬性。

四、結語

本文以三維CAD技術為基礎，在研究參數化設計原理的情況下，從應用實踐的需求出發，建立參數化建模的方法。對零件組織和信息特征進行了分類研究，為特征提取提供依據，研究和分析了三維零件特征提取的原理和基本描述方法，提出了面向對象的零件制造特征建模方法，為后續CAD/CAPP/CAM 三者之間的集成搭建了橋梁。

（作者單位：重慶工程職業技術學院）

注釋：

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