l.基于輕量化模型的CAD/CAPP集成模型

　　基于輕量化模型的CAD/CAPP系統集成的功能模型如圖1所示，主要包括輕量化模型的生成、制造特征提取、CAPP工藝設計、CAM刀位軌跡計算和集成仿真五部分。U3D輕最化模型中僅包含了與顯示有關的幾何信息，這些幾何信息層次較低，不能滿足CAPP系統的需求。為使CAD/CAPP系統能夠在一個較高層次上實現集成，需要從輕量化模型巾提取零件的制造特征，該制造特征不但能夠表示零件的幾何信息，而日.對于工藝設計所需要的形位公差、表面粗糙度、材料等非兒何信息也能夠很好地進行表達。通過制造特征提取工具，應用特征識別算法提取零件的制造特征，并為每一個制造特征加入工藝信息，建屯零件的制造特征模型，可以滿足CAPP系統對信息的需求。

　　圖1.基于輕量化模型的CAD/CAPP系統集成功能模型

　　提取制造特征之后，結合工藝資源庫中的工藝知識及企業資源的使用狀況進行可視化工藝設計，確定零件的加工工序;然后由工序驅動生成數字控制(Numerical Control，NC)程序;最后基于輕營化模型財每道工序進行裝夾仿真和加工過程仿真，檢查加工過程中存在的問題，及時反饋給工藝設計和CAM，避免實際加工過程中造成的損失。

　　2.基于輕量化模型的工藝信息建模

　　傳統工藝設計中產品的信息關聯性差，工藝信息模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非幾何信息通常與三維模型分離，或者工藝信息模型中根本就不涉及三維模型。同時，由于工藝設計過程中的信息量大、牽涉面廣，而且信息的類型和關系都很復雜，難以保證工藝信息的完整性和一致性。因此，需要建立一個統一的工藝信息模型，并采用可擴展標記語言(eXtensible Markup Language，XML)文件來表示信息，不但可以實現CAPP與CAD系統間的信息交流，還可以實現CAPP與PDM等系統的信息集成和共享。通過對工藝設計過程涉及到的各種信息進行分析，建立了基于輕量化模型的工藝信息模型，包括制造特征模型、工藝設計模型和資源模型三個子模型，如圖2所示。

　　圖2.工藝信息模型

　　制造特征指零件上一個具有語義的幾何實體，它描述一個工件上需要加工的區域，表達一個加工過程的結果，包括材料特征、精度特征、形狀特征以及該特征的加工方法。通過對企業內所有零件的制造特征進行統計分析，獲取該企業的典型制造特征，根據組成特征的面集合及其之間的拓撲關系定義制造特征的形狀特征模板，并根據企業的制造資源為每一個制造特征定義相應的加工方法。

　　工藝設計過程是工藝信息不斷產生、流轉和完善的過程，工藝設計模型總體上可分為工藝規劃信息、工藝設計信息和工藝過程信息。工藝規劃信息主要指零部件的工藝分工路線，根據車間的資源使用情況合理分配每個車間的任務，實現車間資源的有效利用;工藝設計信息描述零件從毛坯到成品的加工方法和過程信息，主要是一些工藝文檔;工藝過程信息描述工藝狀態、工藝版本及工藝更改等信息。加工元是工藝設計模型的核心，是組成零件工藝規程的最基本單元，它是以特征為核心的、有關特征加工所需要的信息實體，包括制造特征、該特征的加工方法、加工該特征所需要的機床和刀具等制造資源以及加工該特征的加工參數等信息。通過加工元將制造特征模型和工藝設計模型相關聯，如一個外圓特征的加工方法可以包括粗車、半精車和精車三個加工元。零件的資源模型包括制造資源和工藝資源。制造資源包括機床設備、工藝裝備、材料等;工藝資源包括典型零件工藝信息、切削參數信息等。

　　3.基于輕量化模型的制造特征提取及其算法

　　基于輕量化模型制造特征的提取過程如圖3所示。輕量化模型僅包含了與顯示有關的三角網格信息，這些三角網格層次較低，不便于制造特征的提取。因此，首先需要重新表示輕量化模型，結合U3D的數據結構及工藝需求，采用邊界表示法(Brep)對三維輕量化模型進行表示;其次利用制造特征提取工具，通過遍歷零件的幾何/拓撲信息并與制造特征庫中的特征進行比較，獲得零件的制造特征;最后對制造特征進行必要地編輯，加人工藝設計所需要的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等工藝信息。

　　圖3.制造業特征的提取過程

　　3.1輕量化模型的邊界表示

　　3.1.1 基于輕量化模型的幾何信息提取

　　要建立輕量化模型的邊界表示模型，首先從三角網格集合中提取具有實際意義的點、線、面，建立三角網格和幾何信息之間的映射關系。提取規則描述如下：

　　(1)一個三角網格僅屬于一個面。若兩個相互鄰接的三角網格的法矢相同，則兩個三角網格屬于同一個平面;對于圓柱面、錐面和自由曲面，給定一個ξ>O，若兩個相互鄰接的三角網格的法矢夾角小于ξ，則認為這兩個三角網格屬于同一個圓柱面、錐面或自由曲面。

　　(2)對于一個面內的所有三角網格集合，三角網格中的一條邊至多屬于兩個三角網格。若一個三角網格的某條邊僅屬于一個三角網格，則這個邊是邊界邊，否則為內邊;然后對邊界邊進行合并，若兩個相互鄰接的邊界邊法矢相同，則兩個邊界邊屬于同一條直線;對于弧線和自由曲線，給定一個ξ>0，若兩個相互鄰接的邊界邊的法矢夾角小于ξ，則認為這兩個邊界邊屬于同一弧線或自由曲線。

　　(3)構成邊界邊的兩個頂點為邊界點。其中，ξ與輕量化模型的轉化精度有關，精度越高，表面三角剖分越細，ξ越小;反之，精度越低，ξ越大。對于中等精度的輕量化模型，取ξ=0.1 rad。

　　3.1.2基于輕量化模型的拓撲信息構建

　　為有效提取制造特征，定義面之間的約束關系Ci，其中：

　　式中：

　　分別表示面之間的垂直、平行、凸鄰接、凹鄰接、相切鄰接、同軸、共面和陣列關系。

　　面之間的約束關系可以分為鄰接關系和非鄰接關系，一條邊唯一確定兩個面之間的鄰接關系，將鄰接關系記為 ，它表示面fm與面fn通過邊lj以方式Ci進行約束，其中， 。

　　對于面之間的平行、垂直和同軸關系比較容易判別，文獻給出一個判別面之間的凸鄰接、凹鄰接和相切鄰接的方法。

　　如圖4所示，設ni，nj分別為面fi，fj的法向量fi和fj通過邊lk鄰接，判斷面fi和面fj之間鄰接關系的方法如下：

　　(1)首先確定邊lk相對于面fi的方向。沿著邊lk的某一方向，若面fi在邊lk的左側，則該方向為邊lk。相對于面fi的方向，并記該方向向量為 。

　　(2)計算兩個面法向量ni和nj的叉積，并記v=ni×nj。需要注意的是，若方向向量 是相對于面fi的，則計算叉積的第一個操作數必須是ni，否則為nj。

　　(3)如果方向向量 與向量v的方向相同，則面fi和面fj為凸鄰接;若方向相反，則為凹鄰接;若兩個向量的叉積v為0，則兩個面為相切鄰接。

　　圖4.面之間的鄰接關系

　　根據上述判別方法，可以確定圖4中各個面之間的鄰接關系。例如，面f1和面f2之間的鄰接關系可以表示為， ，面f2和面f3之間的鄰接關系可以表示為 ，面f2和面f4之間的鄰接關系可以表示為 。

　　3.2制造特征提取

　　一個零件可以認為由若干個制造特征和非制造特征(鑄造圓角、工藝凸臺)組成。因此，可以將一個零件表示為

　　式中：Q表示零件的總體信息; 表示第i個制造特征; 表示第j個非制造特征;Rk表示特征之間的約束關系，

　　式中：Rparent和Rchild分別表示特征之間的父約束和子約束。例如，一個平面特征上面有一個通孔特征，則平面特征是通孔特征的父特征，通孔特征是平面特征的子特征。

　　制造特征包括形狀特征、特征的工藝信息和加工方法，因此單個制造特征可以表示為

　　式中： 表示該制造特征的形狀特征;Ij表示屬性信息，如精度信息、熱處理信息等;Mk表示加工該特征所采用的加工方法。形狀特征 可以用構成該形狀特征的面集合以及這些面之間的約束關系來表示：

　　式中：fj表示組成該形狀特征的一個面;Ck表示這些面之間的約束關系， 。

　　制造特征提取實際上是對制造特征形狀特征的識別，通過與預先定義的形狀特征進行比較，提取出零件的制造特征。制造特征提取算法描述如下：

　　(1)確定相鄰表面間的約束關系。通過上述表面間鄰接關系判別方法，遍歷零件的所有邊，確定表面間的鄰接關系，并將表面問的鄰接關系存儲在二元組中。

　　(2)確定不相鄰表面間的約束關系。不相鄰表面間的約束關系主要有平行、同軸和共面約束。若兩個不相鄰表面的法矢相同或相反，且兩表面問兩個頂點連線所形成的向量與面的法向量的點積不為零，則兩表面為平行約束，否則為共面約束;若兩個不相鄰表面具有公共的軸線，則為同軸約束。

　　(3)將表面間的約束關系與預先定義的制造特征模板進行比較，識別出所有的制造特征。識別過程中，對于有歧義的特征需要用戶交互操作。

　　(4)提取特征的尺寸信息，如槽的寬度、深度，孔的半徑、深度等信息。

　　(5)確定制造特征之間的約束關系，檢測模型中的所有封閉環，若一個封閉環在另一個封閉環的內部，則與這兩個封閉環相關的制造特征具有父子關系。

　　制造特征自動提取工具僅對制造特征的幾何信息進行提取，并不包含工藝規劃所需要的信息。因此，需要對制造特征進行編輯，加入表面粗糙度、形狀公差、位置公差、特征的定位基準等工藝信息。另外，對于特征模板庫中不存在的特征，可以進行用戶自定義特征的定義和提取。

　　基于上述方法，結合對U3D標準的研究，筆者利用Visual Studio開發了一個3D-CAPP原型系統，對上述制造特征提取方法進行了驗證。通過開發針對CATIA的專用接口，將CATIA生成的三維模型轉換成U3D格式的文件，并在3D-CAPP系統中打開，如圖5所示。按照上述幾何信息提取算法將輕量化模型中的幾何信息提取到圖5左側控制樹窗體的幾何信息節點中，通過制造特征識別算法將輕量化模型中的所有制造特征提取出來，并顯示在圖5左側控制樹窗體的制造特征節點下面。然后對特征進行編輯，加入特征的幾何參數信息、定位信息以及表面粗糙度和硬度等工藝信息。圖5右側為外圓特征編輯窗口，其中特征方位表示刀具的可進刀方向。

　　圖5.應用實例

　　4.結束語

　　三維模型信息集成是CAD/CAPP系統集成的難點，也是目前研究的熱點之一。本文構建了基于輕量化模型的CAD/CAPP系統集成模型，通過輕量化模型實現了系統間三維模型信息的交換和共享。建立了基于輕量化模型的工藝信息模型，包括制造特征模型、工藝設計模型和資源模型三個子模型，實現了CAPP與CAD系統間的信息交流，有效解決了信息的集成和共享問題。深入研究了基于輕量化模型的制造特征提取方法，打通了幾何模型和制造特征模型之間的聯系，為三維模型在CAPP系統中的充分應用創造了條件，并通過一個實例驗證了制造特征提取方法的可行性和有效性。