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面向并行CAD/CAM集成的特征建模技术的研究
2006年9月15日 9:47  来源:机械设计  作者:张凤军 刘华明 孙春华 任秉银  
    1 引言

  并行工程作为一种有效的过程集成模型,已经成为先进制造技术研究领域的热点之一。并行工程是在信息集成的基础上,实现过程的重构、集成和优化。并行工程的实施意味着变传统的串行产品设计、开发过程为并行模式。
   
  并行工程思想的提出,为CAD/CAM一体化研究提供了新的思路,使CAD/CAM向智能化、集成化和网络化的方向发展。传统的CAD/CAM系统是一种串行的工作方式,它主要是使用CAD进行产品设计,并把CAD的数据转换为CAM可以接受的格式,使用CAM进行后续的工作,从而实现CAD、CAM间产品信息的共享。在并行工程环境下,CAD/CAM集成系统将利用并行工程的原理,在设计阶段就考虑产品生命周期其它阶段的问题,以优化产品的开发过程。因此,并行CAD/CAM集成系统中,一方面将更强调产品信息的集成、共享、互换;另一方面,还要求过程的集成,并强调人的作用。在并行CAD/CAM系统中,工程技术人员将是在计算机网络支持下,在统一的产品模型上,异地、协同地进行设计、工程分析和对设计进行可制造性,可装配性等的评价,并进行工艺规划、数控编程等工作。

  在并行工程环境下,实现CAD/CAM集成的一个关键和核心就是产品建模,即并行CAD/CAM集成需要一个包含产品全生命周期各阶段信息的产品模型。基于特征的产品模型是基于几何的产品模型的一个里程碑式的发展,因为这种模型着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息;它使产品设计工作在更高的层次上进行。通过特征定义,可以避免计算机内部实体模型数据与外部特征数据的不一致和冗余,所以被认为是解决CAD/CAM集成的最为有效的途径,并为许多商品化的CAD/CAM系统所采用,如Pro/E,I-Deas,UG等。在一些商品化基于特征的系统中,大多是以特征的参数化、变量化设计为中心,所提供的产品模型只反映了产品生命周期某一阶段活动的信息,致使产品信息不完全,不能满足并行CAD/CAM集成系统对产品信息的需求。

  本文主要讨论使用特征技术实现产品建模的有关问题,包括特征的描述、用特征进行产品建模的系统框架等,以探讨实现并行工程下CAD/CAM的有效集成的方法。

    2 特征的概念及表达层次

  自特征的概念产生以来,特征技术使CAD技术达到了一个新的里程碑。许多研究机构和专家、学者对特征技术进行了研究,分别从不同的角度对特征进行了定义和分类。如Pratt&Wilson注重特征的形状描述,认为:特征是一个零件的表面上有意义的区域,共分为通道特征、凹陷特征、凸特征、过渡特征、区域特征和变形特征等六类。Shah从特征所描述的信息进行定义:特征是与产品描述相关的信息集,这种描述主要用于产品的设计、制造或测量,甚至包括管理等方面,据此他把特征分为形状特征、材料特征、精度特征和技术特征。还有一些学者结合特定的应用领域和几何描述进行定义,如Erve认为特征是一个工件上与众不同的或特有的部分,定义一个几何外形, 用于特定的加工工艺或可被用于装夹或测量等目的。

  这些定义从不同角度和层次对特征进行了描述。总的说来,在产品并行开发过程中,对于特定的产品类型,特征是在产品生命周期各阶段活动中,从一定抽象层次上描述产品的信息集或知识。在产品设计阶段,设计人员进行产品建模时使用设计特征表达设计意图,从功能角度描述零件的构造。这里的设计特征一方面要反映产品的功能需求;另一方面这种功能的实现则反映在产品几何模型中的一个相关的形状特征上。在机械加工领域,使用制造特征来描述从零件毛坯去除的部分,其特征集主要包括孔、槽、凹陷等。如图1所示,图1a中显示的一个零件可以被解释为图1b所示的三个被去除的体特征,在工艺规划时,将使用这些特征生成零件制造描述,例如对图1b中所表示的孔,一般将产生一个钻削或其它孔加工操作。

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图1 特征的例子

  从上面的例子可以看出,特征是使用形状特征和与这一形状相关的依赖于应用领域的工程语义来描述产品模型的,如图2所示,它用一定的层次来表征维数、几何/拓扑表达和语义的关系。在特征描述的应用层,包含了应用特征的详细描述和形状特征,应用特征是指面向应用领域的工程语义,如图1中的孔在设计时,可能用于紧固的孔。在形状特征定义层,包含了形状特征的一般属性,如形状的类型、主要参数等。在形状特征描述层,使用隐性描述和显性描述两种方法对特征进行描述,隐性描述是指描述形状特征细节,如:形状参数、定位参数、方位和生成方式等,它可以转换为显性描述。显性描述是指构成形状特征的几何元素和拓扑关系,一般用特征面属性邻接图来表达。第四层是几何描述层,它对特征的描述提供几何定义。

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图2 特征的描述层次

  特征将从上面的四个层次描述产品信息,最终基于特征描述的零件,可用一棵特征构造树来表达:其根结点代表零件;第二层表示构成零件的主特征;以下各层表示依赖于上一层的辅助特征,图1c是零件(a)的特征树表示。

    3 特征的多视域变换和处理

  面向特定的应用领域,特征就是描述该领域知识的载体。在并行产品开发环境下,进行产品开发的过程就是来自不同领域的专家协同工作的过程。这些来自不同领域的专家将使用自己领域的知识参与产品的开发,也就是说在基于特征建模的系统中,他们将使用面向自己的应用领域的特征集进行特征建模。这反映了特征的多视域性。

  在设计时,设计人员使用基于特征设计的方法建立产品的设计特征表示,这一过程一般是通过扫描一个二维草图轮廓或实例化一个预定义的形状特征来建立特征模型,并用一棵记录造型历史的特征树来记录和维护特征间的父子关系。而制造人员更关心的是从毛坯上切除的区域,即加工特征。在一个集成环境下,加工特征不应该是通过人工交互输入的,而应该是从产品模型中提取出来,包括从特征模型映射过来或从实体模型中识别出来。图3c和图3d显示了一个特征多视域性和变换的例子,图中3c是在设计时在一个基本块体上加了两个肋特征,而图3d则是从制造角度看,从一块毛坯上去除一定体积,而得到一个通槽的加工特征。面向并行CAD/CAM集成的特征造型系统,要求能够支持多视域特征建模和不同视域间特征的相互变换。

  Shah把特征变换分为4类:直接变换、投影变换、邻接变换和共轭变换。对于设计特征和加工特征间的变换,直接变换和共轭变换是有意义的。这两种变换的例子如图3所示。图3a和图3b是直接变换的例子,在这种情况下,设计特征与制造特征的几何构造是一致的;图3c和图3d是共轭变换的例子,这时,构成设计特征与制造特征的几何元素和拓扑关系有所不同。

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图3 多视域特征的转换

  在我们开发的面向并行CAD/CAM集成的特征造型的原型系统中,采用如图4所示的数据结构描述多视域特征,其基本思想如下:

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图4 多视域特征的数据结构

 

    (1)实体模型使用基于改进的翼边描述,分为Solid、Shell、Face、Loop、Edge、Vertex六个层次;

    (2)面向应用领域的形状特征用面属性邻接图(FAAG)描述[2],它等同于实体模型中的开壳,面属性邻接图是基于边的凸、凹特性描述特征面之间关系;

    (3)面邻接图共享实体模型中的面;

    (4)系统同时维护两棵特征树:面向设计的特征树和面向制造的特征树,两棵特征树之间的关系描述了两视域间特征的关系。

  设计特征树记录了造型的历史过程和特征间的依赖关系,其根结点是一个基本造型块体,叶结点则是被附加于其上的形状特征;制造特征树的根结点表示零件的毛坯,叶结点则是被加工区域,即加工特征。两棵树通过共享面建立了特征关系图。例如对图3c和图3d所示的零件在设计与制造两个视域的特征树和关系图如图5所示。

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图5 图3c和图3d所示零件的特征树和关系图

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