第39卷第2期 上海师范大学学报(自然科学版)Vol.39,No.2 2010年4月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)Ap r.,2010基于实体模型的自动特征识别技术蔡丽安,徐　颖,张友梅(上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234)摘　要:提出一种基于特征实体模型的自动特征识别方法,该方法依据特征实体造型的特点,从零件的设计特征入手,通过遍历零件的造型特征,获取零件模型上所有特征的几何关系及对应的特征参数、约束,实现形状特征的自动识别,为CAD/CAPP的集成提供支持.应用实例验证该方法具有较强的适用性.关键词:特征识别;实体模型;特征造型中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:100025137(2010)022*******0　引　言目前,先进制造技术正向制造柔性化、集成化和智能化方向发展,CAD/CAPP/CAM的全信息集成是产品开发与过程设计实现并行化、集成化的基本支持工具,也是实现C I M S的前提条件.但因为CAD 系统通常采用二维造型、实体模型或设计特征表示零件,而CAPP系统所需要的却是零件的加工特征,这就需要在CAD与CAPP之间建立智能接口,将CAD系统设计时产生的设计特征转换为能供CAPP系统使用的加工特征,因此特征识别技术一直是CAD/CAPP/CAM领域的研究热点.所谓特征识别就是从产品的实体模型出发自动识别出其中具有一定工程意义的几何形状,即特征,进而生成产品的特征模型方便后续的自动加工.特征识别的研究工作最早开始于1970年代的英国剑桥大学CAD中心,该中心的研究人员最早提出了基于边界表示的特征识别.此后,特征识别技术以及特征的概念受到了学术界以及工业界的普遍重视,研究工作广泛展开,取得了相当丰硕的研究成果.总结起来,可以将特征识别方法分为两大类,一类是边界匹配特征识别方法,包括规则法、图形法、痕迹法等;另一类是立体分解的特征识别方法,包括立体交替和分解法、单元体分解法等.这些特征识别方面大都从最底层的零件模型入手,从最基本的点、线、面开始识别,基于某种规则对拾取的点、线、面等几何特征要素进行组合匹配,构造特征几何实体、然后按预定义的特征对此特征实体进行比较、判定特征的类型,提取相应的特征参数.这对一些特征简单的模型是适用的,而对那些特征复杂,特别是有许多相交特征的零件,识别效率不是很理想[1,2].近年来,以特征设计(Design by feature)为基础的特征造型软件日益流行,它们所提供的特征造型方法为特征识别提供了新的思路[3].本文作者以特征造型为出发点,探讨基于特征实体模型的特征识别方法.该方法依据特征造型的特点,从单个造型特征入手进行特征识别,获取零件加工所需的几何形状信息和加工工艺信息.收稿日期:2009212228基金项目:上海师范大学一般科研基金项目(SK200868).作者简介:蔡丽安(1971-),女,上海师范大学信息与机电工程学院讲师,主要研究方向:机械设计及理论. 上海师范大学学报(自然科学版)2010年　1　特征识别及功能1.1　特征的概念特征是产品信息的集合,广义上特征是含有特定的设计和制造信息的集合,不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状.且反映特定的工程语义.具体地说,特征是一组相互关联的几何实体及其属性所构成的特定形状,并且具有一定的设计和制造含义.从功能上讲,特征应具备以下要素:具有在工程管理部门进行几何形状的构造、分类和传输的能力;具有建立和导出重要尺寸、公差和公共特征关系的能力;具有能表达面特征的能力;具有在特征间建立各种关系的能力;具有唯一的标识,并允许在特征层次上表示零件更改的能力;表达制造信息的能力等.特征兼有形状和功能两种属性,从它的名称和语义足以联想其特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求.特征分类的主要目的在于对零件信息作进一步的抽象化和形式化,以便灵活、有效地组织和处理零件的有关信息,特征的分类方法很多,其严格依赖于特征定义,兼顾抽象、语义和形状因素.从特征语义方面将特征分为形状特征、精度特征、材料特征、技术特征、管理特征装配特征等.其中形状特征的分类具有严密的数学形式,对特征库具有指导意义[4].图1　特征识别系统结构1.2　特征识别原理特征识别就是从零件的实体模型出发,自动识别其中具有一定工程意义的几何形状,进而生成零件的特征模型.特征识别是对零件实体模型进行解释,从低层信息中抽取数据形成零件高层信息的过程.图1给出特征识别系统的结构.特征识别的基本原理是将实体模型中的实体与预定义的特征类进行比较,确定相匹配的特征实体,从而识别出相应的特征.特征识别过程一般有以下几个步骤[5]:(1)搜索产品几何数据库,匹配特征的几何/拓扑类型;(2)从数据库中提取已识别出的特征实体;(3)确定特征描述参数;(4)构造特征几何模型;(5)对能够合并成组合特征的基本特征进行组合,获取高级特征.1.3　特征识别系统总体功能特征识别系统总体功能结构如图2.整个系统包括CAD 建模模块、CAD /CAPP 过渡功能模块和CAPP 系统特征数据库[6].1.3.1　CAD 建模模块CAD 建模模块的基本功能是利用特征设计软件建立用户需要的零件模型,建模的方法和步骤相对独立,可参考相关的资料.1.3.2　CAD /CAPP 过渡功能模块CAD /CAPP 过渡功能模块的基本功能是使用程序接口调用特征设计软件中对应的AP I 函数,提取CAPP 系统所必需的零件信息.对于零件CAD 模型中已经存在的总体信息和特征几何信息可以通过对应的信息提取模块得到,对于在CAD 建模时无法定义的加工工艺信息,可以通过开发的加工工艺信息输入模块进行添加,同时将其存储在加工工艺数据表中,通过特征信息分类组合模块同该加工工艺信息所依附的几何特征相关联.261　第2期蔡丽安,徐　颖,张友梅:基于实体模型的自动特征识别技术图2　特征识别系统总体功能结构1.3.3　CAPP特征数据库CAPP特征数据库的基本功能是将分类组合后的零件特征信息和零件总体特征信息按一定的规则和关联关系加以存储,供CAPP专家系统利用.2　特征实体模型的特征识别2.1　特征造型的特点特征造型方法是将特征技术应用到几何造型中的一种方法.与前几代的几何造型方法相比有以下特点[6]:(1)在特征模型中,除去反映零件几何的形状特征之外,还定义了面向设计和制造的非几何信息,如材料信息、热处理和表面处理信息、零件尺寸公差、形状公差、表面粗糙度信息及加工时使用的机床、刀具、工艺等信息.特征本身作为相对独立的单元,具有较高的灵活性和可传输性,引人变量设计和参数设计之后,特征更显示出极好的柔性,特征可以满足CAD/CAPP/CAM一体化对零件模型功能极高的期望.(2)使产品设计工作在更高的层次上进行,设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素,而是产品的功能要素,如定位孔、键槽等.特征的引用直接体现设计意图,使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产,设计的图样更容易修改设计人员可以将更多精力用在创造性构思上.(3)过去的CAD技术从二维绘图起步,经历了线框、曲面和实体造型发展阶段,都是着眼于完善产品的几何描述能力;而特征造型则是为更好表达产品的完整技术和生产管理信息,建立产品的集成信息模型服务,目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型,替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档,使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备等环节可以并行展开,信息流畅通.2.2　特征实体模型构造特征实体模型的生成分为2个过程:造型特征定义和实例化操作.造型特征定义就是增加造型特征,通过特征单元的组合操作和约束关系构造整个实体模型,这种层次模型构造特征通常采用CSG模式记录拓扑元素标志号的命名和继承.特征实例化一般以特征形体中的几何元素为基准元素,按特定的定位和定向方式构建形状特征模型,这需要以B2Rep模式实现.因此,特征实体模型一般采用混合CSG/ B2Rep模式来组织.该模型可分为3个层次:实体层、特征层和元素层,见图3.2.3　特征实体模型特征识别通常的特征识别方法采用“自下而上”的路线进行识别,即从模型的元素层着手,在零件模型空间上搜寻CSG树的叶节点———点、线、面等几何特征体素,然后按照一定的规则重新构造几何实体,对此361 上海师范大学学报(自然科学版)2010年　几何实体进行预定义匹配识别.这种方法存在相交特征识别以及对复杂零件特征识别等困难问题.为了解决这些问题,本文作者提出“自上而下”的思路,即从实体模型中的特征层入手,利用CSG 树的数据结构特点,首先对实体模型的CSG 树和B 2Rep 表示进行造型特征遍历,通过其独立的参数接口,得到实体模型造型特征树上所有特征的标志,以此标志为线索,读取对应于每个标志的特征信息,从而实现对实体模型的特征提取.具体实现算法如图4.图3　特征实体模型图4　实体模型特征提取算法3　应用实例本研究中采用的特征识别系统的特征造型CAD 支撑软件是Solid Works 2004.Solid Works 2004提供了多个AP I (Ap 2p licati on Pr ogra mm ing I nterface )函数来获取零件的造型特征信息[8],例如:s w Mode1::GetTitle 用于提取零件名称;s w Mode1::Get M assPr operties 用于提取零件重量;s w Mode1::Cust o m lnfo2用于提取零件毛坯类别;s w Mode1::Get B ox 可以获取零件在系统坐标系下x 、y 、z方向上的最大尺寸值.采用特征造型方法构建一个法兰盘造型(图5).造型时尽量采用多种方法以检验识别方法对各种造型特征识别的适应性.由图6可以看出,在原CAD 模型中,使用到的造型方法包括拉伸、切除、镜像以及圆角等,这些信息都是面向几何建模操作的操作,不是零件的加工特征.经过特征识别,系统将这些设计特征映射成相应的槽、孔、台阶、倒角等加工特征,并生成了描述依附关系的特征树才能供后续CAPP 系统使用.图7为识别后的特征树,图8为特征参数及约束.图5　法兰盘设计模型图6　法兰盘造型方法461　第2期蔡丽安,徐　颖,张友梅:基于实体模型的自动特征识别技术图7　法兰盘造型特征树图8　法兰盘特征参数及约束4　结　论基于特征实体模型提了一种特征识别方法,实现了零件加工特征的自动识别与信息提取,解决了CAD到CAPP系统的信息传递和转化,为企业零件库的建立提供了途径,也为CAD/CAPP系统集成提供了数据基础.实践证明,该种方法具有较强的通用性,能从根本上缩短产品的研制、开发周期,有较广阔的应用前景.参考文献:[1]　高曙明.自动特征识别技术综述[J].计算机学报,1998,21(3):281-288.[2]　柯常忠,曾霞.实体造型特征识别技术的研究[J].装备制造技术,2009,(1):7-11.[3]　王波,宋长新.自动特征识别的新方法[J].西安交通大学学报,2002,36(8):806-809.[4]　赵松,黄昕昕.特征造型理论和方法的分析与研究[J].哈尔滨师范大学自然科学学报,2003,19(5):37-40.[5]　邱彦东,王晶晶.基于SolidEdge的集成化C AD/C APP系统开发[J].模具技术,2005,(6):47-51.[6]　易荣庆,李文辉.基于自组织神经元网络的特征识别[J].吉林大学学报(工学版),2009,39(1):148-153.[7]　高曙明,何发智.异构C AD系统集成技术综述[J].计算机辅助设计与图形学学报,2009,21(5):562-568.[8]　Solid works公司.Solid works AP I二次开发[M].北京:机械工业出版社,2005.Auto ma ti c fea ture recogn iti on ba sed on en tity m odelCA IL i2an,XU Ying,ZHANG You2mei(College of I nfor mati on,Mechanical and Electr onic Engineering,Shanghai Nor mal University,Shanghai200234,China)Abstract:I n this paper,a method of aut omatic characteristics recogniti on based on the feature of the entity model is p r oposed t o obtain all the features of the part model,such as:the geometric t opol ogy,the corres ponding characteristic para meters and con2 straints.It achieves the aut omatic recogniti on of the shape features and p r ovides support t o the CAD/C APP integrati on.The app li2 cati on exa mp le verifies that this method is app licability.Key words:aut omatic characteristics recogniti on;part model;shape feature(责任编辑:顾浩然)561。