对智能化CAD/CAPP/CAFD集成系统建模的研究

　　在研究三维CAD实体模型特征提取和特征的平台无关表达方法的基础上，采用基于STEP 的方法，为统一的CAD/CAPP/CAFD 集成系统建立方案模型并研究其中的关键技术。确定包含零件设计特征的零件信息模型，采用STEP 中性文件包含该模型。研究几何特征的识别、几何特征到工艺特征的映射，基于规则推理与基于实例推理结合的方式解决基于特征的工艺规划过程中的工艺推理问题。以面向对象技术以及UML等方法对系统进行功能分析和结构设计，初步建立集成系统的功能模型和结构模型。

　　前言

　　CAD系统所产生的设计结果以实体模型输出，CAPP(Computer aided process planning，计算机辅助工艺设计)和CAFD(Computer aided fixture design，计算机辅助夹具设计)可以利用实体模型作为信息源，头直接生成生产、工艺规程和工装，夹具设计结果，充分利用CAD系统设计结果并缩短产品开发周期。特征是CAD三维建模技术发展的一个重要里程碑，在工艺设计和夹具设计中识别、利用特征信息是降低几何信息交换和共享的难度，提高设计智能化程度，实现与CAD集成的客观要求。

　　CAPP、CAFD与行业、企业和产品对象等方面的特点密切相关，具有较强的专用性，研究和开发一般都是独立进行的，缺乏统一的理论和实现方法。其中一个根源在于没有充分与设计系统实现有效的集成，不能充分利用、共享三维产品设计模型。因此，对三维设计结果的有效利用，特别是对特征层次的三维信息的利用，是研究具有智能化的CAD/CAPP/CAFD集成系统的关键和基础。

　　1 零件信息模型的建立

　　1.1 零件信息模型结构分析

　　零件信息模型内容必须涵盖零件设计、工艺和制造等方面的信息。设计信息描述了零件的目标状态，包括零件几何信息(几何形状、拓扑结构、形状尺寸、定位尺寸、尺寸精度、形位公差和粗糙度等)，及非几何信息(材料、物理、机械性状等);工艺信息一般包括加工工艺过程、工序内容等。

　　设计特征的概念被用于抽象一些相互关联的设计信息元素。在零件信息模型中采用特征作为集成的基本元素成为这方面研究的一个共识。设计特征与工艺特征存在必然的关联。在零件信息模型中，设计特征作为源头生成工艺特征，工艺特征可以添加到零件信息模型当中，成为CAPP与CAFD系统的基础信息。

　　零件信息模型还应包含零件毛坯的信息，毛坯与设计结果存在推理的因果关系，CAPP系统可正向或反向推导二者之间的关系，CAFD系统则与毛坯乃至零件加工过程中的过渡状态相关。

　　零件信息模型的建立遵从STEP标准，其EXPRESS-G 图如图1 所示。

图1 零件信息模型EXPRESS-G 图

　　1.2 零件信息模型的实现

　　不同CAD平台所输出的实体模型的数据结构和内容存在着差异。特定CAD模型与CAPP、CAFD等的集成导致这些下游单元失去开放性和通用性。以中性的标准数据模型(STEP 模型)实现零件信息模型，不同的CAD模型通过专用的前置处理过程，生成一致的中性模型。

　　以STEP实现零件信息模型需要分析该模型文件生成的具体环境;一类是在CAD平台内部完成，一类是在CAD平台外部完成。有些CAD系统本身可以遵循某些STEP协议输出模型，简化了对设计信息的处理。有些CAD平台的二次开发接口允许实现后处理模块对产生和处理中性模型。如果CAD平台没有引入特征的概念，则必须针对平台中实体模型文件的构造特点具体分析和研究，从实体模型文件中的设计基本元素及其构成关系出发，提出具体的特征识别算法。

　　由零件实体模型提取设计信息添加到零件信息模型，并以中性文件(如STEP 文件)表达，可以解决不同CAD平台零件实体模型的异构问题;同时也可以解决CAD与CAPP、CAFD等单元集成的通用性问题。

　　2 三维实体特征的识别和映射

　　2.1 三维实体特征的识别

　　特征识别与提取是设计模型数据向制造指令转换的第一步，也是最重要的一步。从是否直接集成CAD 平台来区分，特征识别方式可以分为基于CAD图形表达模型的集成和基于CAD语义表达模型的集成。基于语义表达模型的特征识别一般采用成组编码(GT coding)、描述性语言符号等方式来输入零件设计信息。这种设计模型一般通过手工建立，工作强度大，自动化程度低，不能充分利用设计系统的输出模型。基于CAD模型的特征识别是CAX系统集成的有效途径。

　　当前常用的CSG(Constructive solid geometry)和B-rep(Boundary representation)实体表达方法代表了大部分CAD平台的实体模型构成。针对这些表达方式的特征识别方法的的研究是当前特征识别研究的主要着眼点，也已经取得了相当的进展。

　　这些方法一般只能处理预先定义的特征，如果某个特征事先没有定义，那么特征识别的结果必然存在遗漏和缺陷。一方面，需要建立通用特征库，通过归纳、排列的方式预先定义通用特征;另一方面需要针对产品对象和制造资源，进行进一步的特征库的定制。并研究具有鲁棒性的特征识别算法。从共性和个性、算法基础等方面解决特征的提取。

　　文中重点研究了基于体积的空间分解算法。算法的原理是通过对零件实体模型与特征所占空间体积分别进行分解，并进行对比，如果零件实体某一部分覆盖了特征体积空间，则将这一部分体积提取出来。进行空间分解和体积对比时，为了简化识别算法，加快算法效率，提出了基于图的布尔运算的特征体积的分解与识别算法。

　　2.2 特征的映射与转换

　　由于加工过程与设计过程是两个相互关联的阶段，设计特征与工艺特征间存在映射关系。特征的映射建立在预定义的工艺特征库基础之上，这个阶段的推理是在语义符号基础上的推理。

　　工艺特征与加工、制造方法有着直接的联系，在一般的塑性成形(如锻造钣金等)和切削成形(如车铣线切割等)加工方法中，每种加工方法都对应了可加工的设计特征。文中把这种可加工的特征定义为工艺特征;用于定位、夹紧的特征定义为装夹特征。设计特征与工艺特征在有些情况下是重合的;有些情况下这种映射比较复杂。考虑设计特征中除几何特征之外的其它特征类型，如精度、材料、机械性能等，则可能产生设计特征与工艺特征之间其他的映射关系。

　　针对这些映射关系，这里所采用的解决方法是：首先定义较为完整的工艺特征库，以规则形式抽象设计特征与工艺特征、装夹特征间的关系，以基于规则推理方法实现特征映射过程。当然高度的智能化目标可能以整个系统实现难度的增大为代价，出于这种考虑，在系统实现中以智能推理辅助设计人员的手工转换来最终实现特征的映射。

　　3 基于特征的工艺推理

　　3.1 基于特征的工艺推理技术

　　零件工艺特征以及特征之间的关系体现了零件加工的工艺特性。工艺设计与工装设计均需要由工艺特征推理出加工所需的加工方法、工序内容。这个过程在体现经验性的同时与制造资源密切相关。派生式或创成式工艺设计是最基本的过程。基于规则推理主要用于加工方式、工序内容的选择。基于实例推理、框架推理、面向对象方法用于与规则推理方式结合，这种混合推理方法被用以解决知识获取不全面可能带来的规则推理能力的不足的问题。模糊推理、人工神经网络等技术可用于工艺流程的排序;遗传算法则被用于优化一组可行的工艺方案。

　　3.2 智能推理模型

　　本文采用基于实例推理与基于规则推理混合的推理方式来实现工艺派生过程。实例检索过程采用零件级和特征级两级的产品设计、工艺规程、夹具设计三方面的综合匹配。当得到最相近实例后，首先对比该实例与目标实例的区别，这个对比过程是对两个树状数据结构的不完全遍历的对比。对比的结果将作为规则推理的前提进一步得到实例更完整的解。模糊评价与遗传算法相结合的方法来实现对推理结果的评估和优化。

　　3.3 知识的组织与表达

　　实例表达模型与零件信息模型之间存在重合的属性，零件信息模型提供了基于实例推理中实例的基本属性。文中以零件信息模型为基础;附加其它信息组成工艺推理实例。附加的内容包括引导实例调整和修改的知识，主要以规则形式归纳和保存。实例库中并不保存规则的内容，而只包含对规则库中规则的引用。

　　4 系统总体框架设计

　　对CAPP与CAFD系统在功能上具有共性或重叠部分进行统一的分析和设计。同时，针对这两个系统的个性化功能部分独立设计。采用灵活的组件结构，既可以构建独立的CAPP和CAFD系统，又可以构建集成的、统一的CAPP/CAFD集成系统。这种设计和实现可以保证系统的可集成性、开放性、可重构性和组件的可重用性。

　　4.1 总体框架

　　系统的总体功能模型可以分为产品信息模型、工艺推理模型、夹具设计模型、制造资源模型、综合约束模型五个子模型，这五个子模型的相互作用构成系统总体功能，如图2 所示。其中产品推理子模型是系统功能建模的关键，采用面向对象技术及UML方法所建立的该子模型静态功能结构如图3。

图2 集成系统功能结构图

图3 集成系统产品推理模型静态逻辑类图

　　4.2 基于组件的系统结构

　　这里的工作是建立在所在项目组已有的CAPP、CAFD 研究与开发基础之上的，这些独立系统都采用或部分采用了COM组件封装相对独立的功能和程序结构，但并未实现两个系统统一的设计和实现。文中以COM技术、.NET 技术结合进行对象封装和系统的构建，从而实现两个系统相对的统一性和独立性，并使系统具有较高的可重构性和可重用性。同时在设计阶段考虑不同实体模型、不同企业资源特点和产品特点，设计相应的定制模块，以提高系统的灵活性和通用性。

　　5 结论

　　通过对CAPP和CAFD系统统一的分析与设计，使两者的公共部分得到了规范和合并。同时，以特征技术为基础，遵照STEP标准，对零件信息模型的结构、特征识别与映射、工艺推理模型等系统建模的总体和关键技术进行了研究。为进一步研究和开发基于特征的智能化CAD/CAPP/CAFD系统奠定了基础。