实体造型特征识别技术的研究

作者： 柯常忠 曾霞  

(武汉理工大学 机电工程学院 武汉 430070)



摘要：自动特征识别技术一直是CAD/CAM领域的研究热点，现有的商品化的CAD系统都是以几何和拓扑的形式定义和存储产品的信息，从实体模型中提取具有特定工程意义的特征信息，是特征识别的难点。本文从实体构造、特征识别系统原理出发阐述了具有代表性的特征识别方法，并对其进行分析。运用基于边界匹配的特征识别方法设计一实例实现了特征信息的提取。
关键词：特征识别，实体造型，信息提取
Researching Feature Recognition Technology of Entity Model
KE Chang-zhong ZENG Xia
(Wuhan University of Technology, Mechanical and Electrical Engineering Institute, HuBei Wuhan, 430070)
Abstract Effective integration of CAD and CAM is demanded by manufacturing industries. So an intelligent interface between CAD and CAM is imperative. Now CAD describes and memories parts by geometry or topology, but CAPP experts part representation in terms of manufacturing features. Therefore feature recognition has been an important research area .In this paper, it is expatiated on representative technique of feature recognition by the theory of entity model and feature recognition, and analyses it. The feature recognition based on border matching is used in an instance and to realize extraction of entity feature information.
Keyword feature recognition, entity modeling, extraction of feature information
1．引言
CAD/CAPP/CAM的集成是制造业中一直关注的问题。现有的商品化的CAD系统都是以几何和拓扑的形式定义和存储产品的信息，基于数学和几何学理论的线框模型，曲面模型和实体模型，只产生较低层次的几何信息，如点、线、面基本体素等[1]。

对于CAPP及后续系统来说，这一低层次的信息无法被其自动理解。从产品中识别出具有一定工程意义的几何形状，即特征信息的过程，就是特征识别。特征识别作为CAD与CAPP间的智能接口，特征识别技术对实现CAD/CAPP的集成具有非常重要的意义。
2．特征识别技术
在近20多年的发展中，特征的定义，首次由C.Hayers和P.Wright把“被连续加工过程切除材料的形状”定义为特征开始，到J.Shah提出的“特征是一个形状，对这类形状，工程设计人员可附加一些工程信息、特征、属性及可用于几何推理的知识”，特征的定义仍然是不统一，不完善的。但是总的来说特征应该是一部件的物理组元，具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体，它对应零件上的一个或多个功能，能够被固定的加工方式加工成形[2]。
2．1 实体模型的构造
在零件的造型过程中，具有严格的几何，拓扑等实体几何模型的构成信息，这也是描述零件信息的基础。由于零件模型使用了特征造型的方法，因此零件的实体模型是基于造型特征定义和实例化操作的[3]。
特征实体模型基本结构见图1所示。在商用CAD系统中，实体模型一般是采用边界表示法（B-rep）和构造立体几何表示法（CSG又称布尔模型）组合。零件毛坯是零件的造型基体，每个造型特征都具有自身局部的B-rep和CSG树表示。每个特征参数接口定义在它的数据结构中提供了造型的部分加工信息，在造型输入接口可抽取造型所需信息。
图1 实体特征模型构成示意图
2．2特征识别方法
对于下图2中零件，CAPP系统所能接受的信息应该是外圆柱体特征包含有一个孔特征。但是Solidworks2006系统中生成此零件的方法基本上有一下三种：
① 做一环状草图，选取拉伸可以获得此图。此做法实际上是两圆柱做布尔减运算。并没有表现出孔的特征。
② 在草图上绘制一矩形，绕某边旋转，所返回的特征为一旋转体。也没有反应出孔的特征。
③ 先生成一个圆柱，然后在圆柱顶端采用切除的方法开一通孔。这种方法在特征树中可以反应出孔特征来。

图2 简单零件实体图
对于CAPP系统来说，这几种方法无法使CAD/CAPP集成，需要采用特征识别技术识别出CAD模型中具有工程意义的制造特征。特征识别是对零件实体模型进行解释，从商品化CAD系统低层次的信息提取出供高层次使用信息的过程。这一过程是将几何模型中的几何信息与预定义的特征类信息进行比较，确定相匹配的特征实体，从而识别出相应的特征。图3是特征识别系统结构示意图。
CAD系统



特征识别器
特征识别
特征提取
CAPP系统
加工特征定义，分类
实体模型
特征转换
零件信息模型
图3 特征识别系统结构示意图
特征识别的方法整体上可以分为两大类：基于边界匹配的特征识别方法和基于体信息的特征识别方法。
2．2．1 基于边界匹配的特征识别方法
由于每一类特征都有一定的边界模式，因而特征识别的自然方法就是通过搜索零件的边界模型，寻找其中符合特征边界模式的区域，进而识别出零件中包含的所有特征[4]。具有代表性的基于边界匹配的特征识别方法有：
a.基于规则的特征识别方法
基于规则的特征识别方法是零件某一特征是规则定义，基于专家系统进行特征识别。比如孔特征的规则描述为：孔开始于一个入口面；孔面共轴；孔的所有面顺序相连；孔终止于一个有效的孔底面。这种方法是将零件边界模型表示中的事实与特征规则进行匹配，从而识别出零件中的特征。
基于规则的特征识别方法是特征识别方法提出最早的一个，所以该方法必定存在难以解决的问题，有如下三点:1)特征的规则定义方法不唯一，不完备，用户不易掌握；2)需要进行大量匹配，使得识别效率不高；3)无法识别相交特征(相交特征指与其它特征发生边界相交的特征)。
特征发生相交后，会导致不等程度的几何、拓扑元素的丢失，使特征无固定模式可寻。因此相交特征就成了特征识别的难点。基于这些原因，目前不太使用该类方法。
b．基于图的特征识别方法
基于图的特征识别方法采用面边图示（也就是以面为结点，以面之间的邻接关系为弧的图）特征的边界模式，来表示零件的边界模型。特征边界模式的图表示要比规则定义更加完整。采用图来表示特征边界模式的主要优点有：1)特征的图表示具有唯一性，完备性；2) 易于生成库特征的图表示。用户只需在实体造型系统中构造出一个特征实例，那么就可以由统一的算法自动生成该特征的图表示。
基于图的特征识别方法的特征搜索策略是子图匹配，也就是将零件面边图中的适当子图与特征的面边图进行匹配来识别特征。因此这种方法具有以下几个优点：1)允许用户添加新的特征类型而不必改动程序；2)易于与特征设计相结合；3)能够支持设计、加工、分析等多种应用领域的特征识别。
但是图表示方法对相交特征难以有效的识别，并且不易对相交特征做出多重解释。
c．基于痕迹的特征识别方法
特征痕迹是一个特征实例在零件CAD模型中的存留信息。在特征发生相交后，特征的完整边界模式已经不复存在，但是只要它确是零件的一个特征，就一定会在零件的CAD模型中留有痕迹，因此基于痕迹可以识别出所有特征。在现有的CAD模型中只有实体边界表示技术是成熟的，而具体的特征痕迹可以是几何拓扑信息，也可以是设计特征、公差等其它CAD信息，所以人们主要采用几何、拓扑信息来定义特征痕迹。
基于痕迹的特征识别方法的识别过程是：首先抽取出零件边界表示中的所有特征痕迹；然后从几何推理上来判别每一特征痕迹对应于真实特征的可能性；最后利用实体造型操作构造出特征痕迹所对应的完整特征。
基于痕迹的特征识别方法能够很好的处理一般性的相交特征问题，能够提高特征识别的效率。
2．2．2 基于体分解的特征识别方法
基于体分解进行特征识别的方法是将产品模型分解为凸体的集合，通过对分解出的凸体进行重新组合，产生对应的特征的体元，对特征体元进行分类，确定出特征类型后，建立特征的体表示。
这类特征识别方法能够比较好的解决基于边界特征识别方法中难于解决的相交特征识别问题。
3．应用实例
根据特征实体造型特点和其所提供的抽取信息的参数接口，在此运用基于边界匹配的特征识别技术开发了一个特征信息提取的插件。对零件模型上的造型进行逐个识别，抽取出CAPP所需的加工信息。
本实例采用特征识别系统的CAD支撑软件Solidworks2006环境，利用它的对外参数接口函数API(Application Programming Interface )函数，用Visual C++6.0 作为开发软件开发动态连接文件。在实体模型中，获得某个面上的孔的个数。结果输出如下图4所示。这一步可以为孔特征的进一步信息提取提供基础。
图4 实例结果
4．结束语
随着科学技术的不断发展，特征识别技术在CAD/CAPP/CAM集成中占据越来越重要的地位。采用不同设计方法设计出来的造型，CAPP难以识别其特征信息。运用基于边界匹配的特征识别方法可以在一定程度上解决孔特征的识别，并且对探索新的特征识别方法具有一定的参考价值。
参考文献
[1]吴江，基于特征识别的CADCAPP集成技术研究[D]，南京航空航天大学 2005年1月
[2]曾芬芳，景旭文，智能制造概念 [M].北京：清华出版社，2001：87－88
[3]王波，宋长新，程敬之 自动特征识别的新方法[J] 西安交通大学学报，2002年8月第36卷第8期
[4]高曙明，自动特征识别技术综述[J]，计算机学报，1998年3月第21卷第8期
[5]江洪，魏峥，王涛威等 Solidworks二次开发实例解析[M] 机械工业出版社 2004
作者简介：
柯常忠(1955.12-- )，男，副教授，硕士生导师，主……要研究方向制造自动化，机械产品造型设计