cadcappcam特征識別方法

cadcappcam特征識別方法

0特征識別是提高capp、cda特征識別是數(shù)字制造的一項重要技術(shù)。基于特征造型或者參數(shù)化造型的CAD/CAM商品化軟件,如UGNX、Pro/E、SolidWorks等,雖然給數(shù)字化設(shè)計與制造帶來了許多便利,但是,特征設(shè)計技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到完善的程度。在此情況下,特征識別仍是CAD向CAPP、CAM信息傳遞重要的手段。特征識別指的是為了獲取相關(guān)的特征信息而對幾何模型的一種解釋。1980年,Kyprianou在其博士論文中首次介紹了特征識別的思想,其核心就是基于幾何的拓?fù)鋵嶓w分類。它奠定了基于邊界表示進(jìn)行特征識別的基礎(chǔ),幾乎后續(xù)的所有特征識別方法都以某種形式采用該思想。此后,特征識別以及特征的概念受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍重視,對其研究工作被廣泛展開。新的特征識別方法不斷出現(xiàn),特征識別的范圍也從開始的加工特征擴(kuò)展到檢測特征、分析特征等許多方面。本文系統(tǒng)地研究了當(dāng)前各種特征識別方法及其應(yīng)用特點,同時指出了特征識別技術(shù)研究存在的問題及其可能的解決方案。1當(dāng)前特征識別特征識別分為兩大類:交互特征定義和自動特征識別。1.1某些幾何特征交互特征定義是通過對顯示在屏幕上的零件模型進(jìn)行操作,由用戶以人機(jī)交互的形式選取模型上的某些幾何實體(如某些面),將它們組織在一起定義為某一特征(如選取3個相鄰的正交面定義為槽),再通過補充缺少的非幾何信息,如公差、表面粗糙度等技術(shù)要求,實現(xiàn)特征建模。交互特征定義直觀、靈活,但效率低。常作為自動特征識別方法不能識別特征的補充處理。1.2基于幾何模型的動識別自動特征識別是用計算機(jī)智能技術(shù)代替交互特征定義中人類的智慧,從零件的實體模型中抽取出具有特定工程意義的特征信息。它以特征識別器(程序)遍歷零件幾何模型數(shù)據(jù),將幾何模型與一組預(yù)定義特征“樣板”進(jìn)行比較,確定相匹配的特征實例,實現(xiàn)特征自動識別。其按照CAD系統(tǒng)內(nèi)部所用幾何模型的不同,一般分為基于面表示和基于體積表示兩類;每個類中根據(jù)識別中所采用的預(yù)定義規(guī)則和推理機(jī)制不同做進(jìn)一步細(xì)分。下面給出幾個有代表性的識別方法及其特點。1.2.1基于表面的自動功能識別(1)機(jī)械零件形狀的語法描述方法句法模式識別法用一序列化的幾何元素,如直線、圓弧等來描述二維幾何形狀,簡單的幾何形狀可以連在一起形成復(fù)合的幾何形狀。相應(yīng)的語言(如編碼)按一定的語法規(guī)則來描述零件中的所有幾何元素及其序列(對應(yīng)零件幾何模型),并以相同的語言來描述特定的幾何形狀樣板,即特征(語法)。這樣通過語法分析,如果零件中某段描述與特征語法相匹配,即識別出這一特征。文獻(xiàn)首先提出機(jī)械零件形狀的句法描述方法。文獻(xiàn)應(yīng)用該方法研究了從三維實體模型中自動識別加工表面。由于三維實體幾何元素間的序列不唯一,所以句法模式識別法只適用于二維和2.5維特征的識別。(2)基于匹配機(jī)制的特征搜索該方法采用產(chǎn)生式規(guī)則描述特征。每個規(guī)則通過指定幾何元素一系列的充分必要條件,如凹凸性、垂直或者相鄰等來定義每種特征類型。然后以零件模型為事實,通過一定的匹配機(jī)制進(jìn)行特征搜索。該方法中特征規(guī)則的制定是關(guān)鍵。文獻(xiàn)利用中間圖形系統(tǒng),采用基于規(guī)則的特征識別方法,實現(xiàn)基于特征的信息建模。文獻(xiàn)提出了一種基于特征實體模型的截面輪廓造型自動特征識別方法。這種方法能夠識別出在草圖上的橫截面外輪廓環(huán),再根據(jù)制定的特征規(guī)則及其成型特點識別出具體的加工特征。該方法能夠識別三維特征,但并不能對每個特征類型都可以寫出合適的規(guī)則,且識別過程需要不斷反復(fù)搜索。它常用于工藝計劃專家系統(tǒng)的開發(fā)。(3)基于圖識別的交叉特征識別由于目前的實體造型CAD系統(tǒng)大多采用Brep模型表示,而表示的一種共同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是圖,所以基于圖的方法或圖匹配方法也是最廣泛應(yīng)用的一種特征識別技術(shù)。文獻(xiàn)首先將屬性面鄰接圖作為基本結(jié)構(gòu)用于對拓?fù)溥M(jìn)行描述。即將零件實體模型的表示轉(zhuǎn)換為便于特征識別的屬性相鄰圖AAG(AttributedAdjacentGraph)。面用結(jié)點表示,面面之間用線連接,表示相鄰。如果考慮到凹凸關(guān)系,在邊上增加凹凸屬性的0或者1。必要時可以對面和邊的屬性進(jìn)行擴(kuò)充。文獻(xiàn)[9-11]進(jìn)一步開發(fā)了基于圖識別技術(shù)來識別交叉特征。文獻(xiàn)提出一種把特征面表示轉(zhuǎn)換成特征體表示的新方法。文獻(xiàn)使用輔助面、延伸面相結(jié)合的方法,對零件的屬性鄰接圖表示進(jìn)行擴(kuò)展,同時引入了聯(lián)合加工特征的概念及識別方法,使擴(kuò)展后得到的圖被分解后能夠真實地表示零件的制造特征,從而使加工方法的推理更確切、更快捷。文獻(xiàn)提出了用圖匹配理論實現(xiàn)特征識別的基本原理,研究了判定邊的凸凹性、屬性鄰接圖、設(shè)計特征等理論與方法,并用此特征識別方法實現(xiàn)了中等復(fù)雜程度機(jī)械零件的特征識別。文獻(xiàn)[15-16]提出的基于最小條件子圖的特征識別方法。該方法是將通常的基于圖的識別和基于痕跡的識別方法相接合,所有特征的最小條件子圖都以唯一的方式和獨立的特征類型被定義、產(chǎn)生和完成。該方法能夠?qū)徊嫣卣鳟a(chǎn)生替代解釋。(4)基于痕跡的自動特征識別算法痕跡是一個特定加工特征可能存在于一個零件中的一種暗示。痕跡有多種,除了幾何信息外,還有公差、功能(如設(shè)計)特征、已經(jīng)識別的特征等。文獻(xiàn)采用基于痕跡的方法,組合人工智能技術(shù)和OOFF系統(tǒng)中的幾何完備程序,用啟發(fā)式方法搜尋滿意解,在下游需要的時候再尋找替代解釋。文獻(xiàn)以基于廣義痕跡的自動特征識別方法來識別塑件模型中的所有特征。痕跡方法引入了人工智能的技術(shù),考慮的可用信息更加周全,是一個有潛力的研究方向。該方法的關(guān)鍵在于如何將眾多的不同類型的數(shù)據(jù)有效地組織并進(jìn)行綜合分析。(5)基于模型表示的網(wǎng)絡(luò)模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法將特征定義為拓?fù)浜?或幾何變量的函數(shù),這些變量值很容易從零件實體模型的Brep表示中獲得。該方法用數(shù)碼表示實體模型中的拓?fù)浜蛶缀侮P(guān)系,將零件模型表示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠“理解”的面相鄰矩陣,通過構(gòu)造特征庫中每一特征類型的網(wǎng)絡(luò),并訓(xùn)練它們使用特征定義語言,再將面相鄰矩陣一行一行導(dǎo)入每一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征識別。文獻(xiàn)[19-20]分別應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對特征識別進(jìn)行了研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法避免了繁瑣的邏輯搜索,而只是進(jìn)行簡單的算術(shù)操作,且所有特征可以同時搜索,具有速度快的特點。另外,它具有學(xué)習(xí)能力,即通過例子來訓(xùn)練。如果訓(xùn)練得合適,該方法還可以識別出相交特征和不完整特征,是一種值得進(jìn)一步研究的特征識別方法。1.2.2基于體積表示的特征識別(1)基于凸單元體分解的特征識別GeneralDynamics公司首先提出了通過對零件的切削體作單元體分解來識別加工特征的方法。零件的切削體是指毛坯減去零件的最終實體。由于零件的切削體是加工特征的體積總和,因此基于零件的切削體分解進(jìn)行加工特征識別更加合理,現(xiàn)已經(jīng)廣泛采用。文獻(xiàn)提出了采用最小凸單元體分解及其組合的方法。該方法可有效識別相交特征并提供相交特征的多重解釋,但存在兩個突出的問題:①需要進(jìn)行大量的求交計算,以及枚舉產(chǎn)生的組合體元數(shù)目過大,其效率很低;②生成的特征解釋太多。稍微復(fù)雜一點的零件就會有成百上千種特征解釋,處理如此多的特征解釋很困難。針對這些問題,文獻(xiàn)提出了基于切削體的最大凸分解進(jìn)行特征識別的改進(jìn)方法。該方法不但可有效地減少單元體的個數(shù),提高組合體元的搜索效率,而且,先基于加工知識生成一個比較合理的特征解釋,只有當(dāng)下游應(yīng)用確實需要其它特征解釋時,算法才通過以不同順序在最大凸體元之間作布爾差運算來生成它們。該方法適合于多面體零件,但對于含有3D自由曲面片的零件不適合。文獻(xiàn)提出一種基于半空間剖分的特征識別算法。通過采用半空間技術(shù),有效地避免了最小凸分解過程中不必要的面面求交,從而提高了識別效率。該方法還采用特征相對于零件的自由度來判別特征的類型。(2)csg樹的等效性問題以CSG實體模型為對象的特征識別方法不多見,其難點主要在于零件表達(dá)的不唯一性。因此,必須處理好CSG樹與特征生成體的一一對應(yīng)關(guān)系或同一特征體的多個表達(dá)形式之間的等效性問題,這涉及到CSG樹的重構(gòu)。文獻(xiàn)將描述零件的CSG樹轉(zhuǎn)換成等效的DSG樹,即只包含“差”運算的CSG樹,而從DSG樹標(biāo)識零件毛坯和加工特征,并列出了可以識別的十八種加工特征。2存在的問題和可能的解決方案2.1加工特征定義相交特征是特征識別中公認(rèn)的難點?，F(xiàn)有方法一般只能識別常見的相交特征,識別效率也不理想。另外,相交特征多重解釋的組合爆炸問題又構(gòu)成了相交特征識別中的新問題。在擴(kuò)大相交特征識別范圍方面,應(yīng)盡可能減少識別算法對具體特征類型的依賴上。文獻(xiàn)提出了一種柔性的加工特征定義。加工特征被定義為可以由工廠中相同機(jī)床、相同刀具、采用相同的工序準(zhǔn)備進(jìn)行加工的一組面?；谶@樣的定義,他們首先根據(jù)零件每個面允許的進(jìn)給方向、公差、粗糙度等構(gòu)造出該面的基本元組,然后在零件的所有基本元集合中搜索出符合加工特征定義的所有面組,進(jìn)而識別出所有特征。筆者認(rèn)為,為了提高相交特征的識別效率,一方面需要解決好不封閉型腔的識別問題;另一方面則必須減少相交特征識別過程中大量的求交計算,并盡可能提高特征匹配算法效率。對于相交特征多重解釋的組合爆炸問題,可以將下游應(yīng)用領(lǐng)域的知識引入到特征識別過程中,使得在進(jìn)行特征識別的同時能夠基于工藝知識直接生成下游應(yīng)用所需要的特征表示,而不是盲目地生成所有的特征解釋,然后要求下游應(yīng)用從中挑選。2.2種新的匹配3d自由曲面對象方法復(fù)雜特征中往往除了相交特征外,還會包含有復(fù)雜的自由曲面。目前研究中所能處理的曲面類型有限,通常多為平面。雖然有些包括圓柱面、圓錐面,但極少涉及自由曲面。文獻(xiàn)提出一種新的匹配3D自由曲面對象(點對面和面對面)方法。該方法闡明了解非線性多項式系統(tǒng)的問題,其可以通過間隔投影多面體(IPP)算法實現(xiàn)穩(wěn)健的求解。該方法可以覆蓋全局的和局部的匹配,并被用于自動檢測和對象識別。文獻(xiàn)描述了從包含2.5D特征和自由曲面的零件中提取特征的過程。給出一個可在三軸銑床上被加工的2.5D零件中識別加工特征的算法。文獻(xiàn)對五軸數(shù)控機(jī)床上加工的自由曲面特征識別進(jìn)行了研究。2.3建立對參數(shù)模型的描述現(xiàn)有的特征識別方法大多僅僅利用零件的實體表示進(jìn)行特征識別,而忽略了利用可能對特征識別同樣有用的設(shè)計特征、公差等信息。為了利用多種信息來提高特征識別的功能和效率,需進(jìn)行以下兩方面工作:(1)完善現(xiàn)有的CAD模型,使其除了實體表示外,也包含公差、設(shè)計特征等信息;(2)研究特征識別與特征設(shè)計有機(jī)結(jié)合的方法以及基于多種信息的幾何推理方法。筆者認(rèn)為,改進(jìn)現(xiàn)有的特征造型軟件,記錄特征造型和特征操作的過程,并與常規(guī)的特征識別技術(shù)如痕跡法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等有機(jī)結(jié)合,根據(jù)識別知識推理出當(dāng)前特征及其屬性,可以彌補因為特征操作而造成的特征信息丟失,最大限度地提高特征識別的準(zhǔn)確率和自動化程度。文獻(xiàn)提出了特征識別和映射相結(jié)合的方法,將特征的幾何模型轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的形狀特征。該方法使用了從CAD