快速数控编程系统的制造特征构建研究*

李铁钢，付春林，于天彪，王宛山

(1.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 110004;2.沈阳工程学院机械工程系，沈阳 110136)

快速数控编程系统的制造特征构建研究*

李铁钢1，2，付春林1，于天彪1，王宛山1

(1.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 110004;2.沈阳工程学院机械工程系，沈阳 110136)

针对快速数控编程系统中不同CAD模型的特征识别和构建，论述了基于STEP文件的特征识别技术及其实现过程:首先利用词法分析器解析STEP中性文件，按照STEP的文件拓扑结构生成属性邻接图(AAG);在总结典型结构件拓扑特征基础上，结合数控编程切削逻辑，以切削级为基础进行特征识别和特征构建;最后以XML形式构造制造特征森林以供CAM系统使用。实例证明了文中方法的有效性，提高了结构件数控编程的效率和质量。

特征识别;制造特征构建;AAG;STEP;切削逻辑

0 引言

制造特征构造是实现计算机辅助设计(CAD，Computer Aided Design)、计算机辅助工艺设计(CAPP，Computer Aided Process Planning)和计算机辅助制造(CAM，Computer Aided Manufacturing)集成的关键技术，是构造以特征加工为基础的快速数控编程系统的核心［1］。制造特征构建以产品的三维实体模型出发自动提取几何信息和拓扑信息，通过结合工艺制造信息，实现在设计域中对加工方法所能加工的形状的描述。特征提取和识别的方法总体上分为体积分解法和模式匹配法两大类［2-6］。体积分解方法是将零件实体分解成基本单元并进行重构组合;模式匹配法是将零件实体与预先定义的模式特征匹配，典型的方法有基于规则的方法、基于图的方法和基于痕迹的方法。这些方法的缺点在于它们都是注重零件的几何实体表达，忽略了零件的制造过程和表面粗糙度、尺寸公差、形位公差等工艺信息，对零件的特征构建产生的多义解释过多，不能进行正确的取舍，导致算法的复杂性增加。

本文提出的制造特征构建的核心思想是以设计模型的属性邻接图(AAG，Attributed Adjacency Graph)出发，以切削逻辑为基础，构建制造特征模型并生成特征数据库，此数据库可供下游 CAPP和CAM模块使用以提高快速编程能力。

1 关键技术及实现方法

1.1 基于STEP的设计特征提取

产品模型数据交换标准(STEP，STandard for the Exchange of Product model data)可用来表达产品的复杂信息，同时采用应用协议(AP，Application Protocol)保证语义的一致性［7］。AP203中性文件的应用较为成熟，现今主流CAD系统可输出AP203协议中性文件用来进行信息交换。AP203文件包括几何设计数据信息和拓扑信息，其采用B-Rep法和参数表示法的混合表示法表示模型。以广泛采用的UG NX6.0软件输出的AP203文件为例，分析其结构得到实体的数据结构表达如图1所示［8］。

图1 AP203的实体数据结构

零件的拓扑表征定义为，G={N，C，A}，其中N是所有节点的集合，对于零件的每个面元素nj都有一个节点与其对应;C是弧的集合，对于零件的两个相邻表面都有唯一的弧ck与其对应;A是弧的属性，表示弧的凸凹关系性，按照弧的两面的外法矢量的夹角将弧分为凹弧、凸弧、相切凹弧、相切凸弧、中性弧5大类，对应的属性值分别为 -1、1、-2、2、0。凹弧表示两面夹角小于180°，凸弧表示两面夹角大于180°，相切弧和中性弧夹角等于180°。典型槽腔结构件及其AAG图如图2所示。

图2 槽腔特征的AAG

1.2 加工逻辑特征识别

飞机结构件是飞机主要承力构件，结构复杂、精度高、加工周期长、成本高、数控程序编制复杂，严重制约生产效率。从几何模型上看主要包括框、壁板、梁、接头、肋等典型件，如图3所示，将典型结构件加工部位归纳为外型轮廓、型腔、筋、孔、槽口、细节特征(倒角、倒圆)等六类典型特征。

图3 结构件特征

针对结构件特点和数控编程的方式，从加工逻辑上看，飞机结构件属于平面类零件，加工时具有明显的方向性，以零件的腹板面和筋条等主要表面定位，利用数控五坐标联动加工中心铣削加工，加工时沿Z向切削加工，将相同的Z向加工走刀路线称为一个切削级。在数控编程过程中遵循基准先行、先上后下、由外向内、先粗后精、先面后孔、先整体后局部的切削模式。由此可将数字模型中与XOY平面平行或近似平行(与XOY平面的二面角小于设定阈值)的表面称为切削级面。

表1 典型特征几何拓扑描述

基于逆加工逻辑识别特征，首先识别外型轮廓，而后识别孔、细节特征中的倒角和倒圆、槽口、筋、槽腔。从特征集合拓扑结构上看，孔特征按照是否封闭分为通孔和盲孔两种;按照孔的特征面形式分为圆柱孔、螺纹孔、锥度孔、台阶孔等;孔的边缘通常具有倒角或倒圆。

特征识别的关键问题是特征的相交和多重解释，当两个或多个特征发生交叉时，一些面被分割，形成多个不完整特征。利用哈希表将分裂特征和可重新组合特征合并，例如对孔特征，孔哈希表的主键为孔底圆的中心坐标和孔轴线矢量;层面按法向为主键列于平面哈希表中。

对法向量向内的圆柱面和圆锥面，如孔内表面无凸边，则初步判断为孔。对非完整柱面，则判断AAG的邻接边值是否为-2，如为-2，则非孔特征。

将识别出的孔特征按主键值放入哈希表中形成孔位置结构表以利于后处理。在哈希表中对有一个表项的孔，判断是通孔还是盲孔，孔边是否有倒角或倒圆等细节特征。对哈希表中有多个表项的孔，沿加工方向将孔柱面依次排序，如果孔面具有邻接的上下表面，则这些孔为阶梯孔;如果孔面的上下表面不相同，则孔原始特征被分裂，需要补充孔的特征。当两个孔表面均为柱面时计两段孔面为通孔，且记录孔轴向空余距离;当一个为柱面，另一个为锥面时，同时延长两个表面相交形成完整的孔特征。

1.3 制造特征构建

以数控加工工艺和程序编制为基础，以典型结构件和典型结构加工为素材，构建零件的加工特征，避免了特征的多义解释，使特征识别与生产实际紧密结合。

数控工艺决策是依据特征的几何信息和决策推理规则进行，依据识别出来的制造特征从工艺规则库中查找适合的加工方法，从刀具库中查找合适的刀具，通过算法选择合适的刀具、切削用量、特征加工顺序等［9］，元槽腔的特征信息模型如图4所示。

图4 制造特征信息模型

特征识别算法如下:

(1)前处理。结构件为大型复杂零件，由于建模的标准不统一，导致零件模型存在大量冗余的模型元素，首先进行实体信息整理，删除多余元素以保证后续工作进行。将实体集合模型转化为STEP AP203标准中性交换文件。

(2)建立AAG。通过词法分析器构建零件的属性面边图，进而构建零件的内存工作模式［10-11］。

(3)零件的特征识别。首先遍历零件数据，建立零件轮廓的最小包围盒，将零件的主要面积表面作为零件的主要定位表面，其法向为程序编制坐标系的Z轴正方向。将与Z轴矢量所成角度小于一定阈值的表面(平面，有界平曲面)作为切削级层面，通过遍历得到切削级表，进而获得元槽腔特征。将元槽腔进行组合，以切削级之间的关联关系作为组合条件，如果元槽腔的侧面与待组合的基槽腔切削级面成凸连接，则实现组合，待组合槽填加到特征的初始部分。从AAG中按切削级概念，获得基元特征集合，进行特征组合形成最后制造特征森林。

(4)特征的交互识别。自动特征识别可以识别大多数特征，但由于算法的不完善和制造工艺的复杂性及特殊需求，需要进行交互特征识别，包括修改不合理特征、创建遗漏特征、填加元素公差特征、填加材料特征等。

(5)零件的制造特征构建。利用工艺规则库、刀具库、机床库构建面向制造工艺的制造特征，特征以XML文件形式提供给CAM模块使用［12］。特征识别算法流程图如图5所示。

图5 制造特征构建流程图

2 应用实例

基于所提算法在UG NX6.0软件平台上用UG OPEN API、UG grip和VC++实现系统开发，选择典型的几类结构件测试，如表2所示，取得了较好的效果。经过自动特征测试和较少的交互特征识别，能够很好的识别出制造特征，进而输出到 CAPP和CAM模块进行快速数控编程。

表2 典型结构件特征识别实例

3 结束语

通过特征识别技术，直接从CAD数据提取信息，结合结构件制造工艺要求构造制造特征模型，进而进行CAM加工，实现了结构件快速编程目的。

本文通过研究结构件STEP数据信息读写和基于AAG的制造特征识别和制造特征模型构建方法，给出了具体的实现过程，为快速数控编程系统的设计提供了技术基础。

［1］鲁勇，李迎光.基于再扩展属性面边图的复杂结构件特征识别技术［J］.机械设计与制造，2009(5):236-238.

［2］Shah J J，Anderson D.A discourse on geometric feature recognition from CAD models［J］.Journal of Computing and Information Science in Engineering，2001，1(3):41-51.

［3］Li Y G，Fang T L，Cheng S J，et al.Research on featurebased rapid programming for aircraft NC parts［J］.Applied Mechanics and Materials，2008，10(12):682-687.

［4］Bojan Babic，Nenad Nesic，Zoran Miljkovic.A review of automated feature recognition with rule-based pattern recognition ［J］.Computers in Industry，2008，59:321-337.

［5］R Tuttle，G Little，J Corney，et al.Feature recognition for NC part programming［J］.Computers in Industry，1998，35:275-289.

［6］Kishore L，Subrata C，T C Chang.Fabrication and sagging behavior of three-layer Al-Si/Al-Mn-Zn/Al-Si clad sheets for automotive heat exchanger［J］.Journal of Intelligent Manufacturing，1997，8:203-214.

［7］Saleh M，Amaitik S，Engin Kilic.An intelligent process planning system for prismatic parts using STEP features［J］.Int J Adv Manuf Technol，2007，31:978-993.

［8］Arjun lyer，Shlv G，Richard E Devor.CAD data visualization for machining simulation using the STEP standard［J］.Journal of Manufacturing Systems，2001，20(3):198-209.

［9］张英杰.基于刀具的特征动态分解的数控编程方法［J］.计算机集成制造系统，2008，14(12):2452-2456，2462.

［10］V R，M S S.Hybrid feature recognition method for setup planning from ATEP AP-203 ［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2009，25:393-408.

［11］JungHyun Han，Mike Pratt，William C，et al..Manufacturing feature recognition from solid models.IEEE Trans.，2000，16(6):782-796.

［12］Subrahhmanyam，S R.A method for generation of machining and fixturing features from design features［J］.Computer in Industry，2002，47(3):269-287.

Research on Reconstruction of Machining Feature for Rapid NC Programming System

LI Tie-gang，FU Chun-lin，YU Tian-biao，WANG Wan-shan
(1.School of Mechanical Engineering＆ Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.Dept.of Mechanical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)

Aiming at recognition and reconstruction of features from different 3D CAD models，this paper presented the implementation process of feature recognition.Firstly，an attributed adjacency graph(AAG)created of geometry and topology in STEP file by lexical analysis.According to the analyses on machining features of structural parts in terms of the NC programming cutting logical，the machining feature will be recognized and reconstructed.The machining feature are provided by XML，which can be used by CAM system.Case study validates the proposed method，which improves efficiency and quality of NC programming of structural part.

feature recognition;machining feature reconstruction;AAG;STEP;cutting logical

TP391.73

A

1001-2265(2012)02-0005-04

2011-07-18;

2011-08-22

国家自然科学基金资助项目(50975043)

李铁钢(1973—)，男，沈阳人，高级工程师，东北大学机械工程与自动化学院，(E-mail)ltgchina@126.com;王宛山(1946—)，男，沈阳人，东北大学教授博士生导师。

(编辑 李秀敏)