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从CAD系统提取制造特征的方法研究
近年来，研究学者提出了不同的方法来集成CAD和CAM，其中CAD实体系统的特征自动识别则在很大程度上影响了集成水平。CAD文件中包含零件详细的几何信息，然而这些信息不适合在下游应用程序（例如工艺计划）中使用。不同的CAD或几何建模包将与设计相关的信息存储在自己的数据库中，而这些数据库的结构互不相同，结果到目前为止，还尚未开发出适用于所有CAD软件包的通用或标准结构。因此本文提出了一种智能特征识别方法（IFRM），以开发一种能够与各种CAD / CAM系统通信的特征识别系统。该方法主要针对3D棱柱形零件开发，零件以CSG技术作为绘图工具，使用实体建模包创建。系统采用初始图形交换规范（IGES）格式作为输入，并将文件中的信息转换为制造信息。然后通过特征识别程序分析零件设计的边界（B-rep）几何信息，基于几何推理方法从几何信息中提取特征，其程序通过C 中包含的面向对象设计软件进行创建。特征识别算法则用于识别零件的不同特征，例如台阶，孔等。最后通过应用实例以验证该方法的可行。
1引言
任何制造企业的主要目标都是以尽可能低的成本生产高质量的产品。然而随着成本的急剧上升和竞争的加剧，实现这一目标的复杂性日益增强，迫使行业寻求替代传统设计，制造和管理方法的方案。目前许多行业正在采用并行工程（CE）方法以最有效的方式开发和生产新产品（Reiter，2003； Rouibah和Casekey，2003）；计算机辅助过程计划（CAPP）系统可以帮助减少计划时间并提高一致性和效率（Nagaraj和Gurumoorthy，2002）。但是为了开发计算机集成制造（CIM）环境，将CAD（计算机辅助设计）数据传输到CAM（计算机辅助制造）系统的主要问题是缺乏标准格式及内容传递CAD信息（Ahmad和Haque，2001； Natekar，Zhang和Subbarayan，2004）。
因为计算工具的快速发展，近年来计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的集成受到了广泛的关注。但是只有在能从3D实体模型直接获得制造信息，过程计划功能自动化的情况下，CAD和CAM之间的实际集成才能用于下游应用（例如工艺计划）(Chang, Lu, 和 Liu, 2002; Mansour, 2002; Miao, Sridharan和Shah, 2002)。从CAD系统自动提取制造信息在促进并发工程概念以实现设计和制造活动两者之间的联系方面起着重要作用。从设计阶段到制造和运输阶段，两者之间有效的联系可以视为实现产品自动化开发的基本步骤。由此产品的总生命周期也可以大大减少（Bhandarkar，Downie，Hardwick和Nagi，2000； Marri和Kobu，2003； Meeran，Taib和Afzal，2003； Stage，Robert和Henderson，1999）。
计算机集成制造（CIM）环境中的基本任务之一是提取和识别CAD模型文件中的信息（Groover，2001； Han和Han，1999； Roucoules，Salomons和Paris，2003）。传统特征提取的方法需要操作者检查零件并识别设计于零件中的特征。因此能够基于特征进行产品几何生成的CAD系统可以最好地促进特征自动识别，从而获得有关公差，表面粗糙度等信息（Fu，Lu，Ong，Lee和Nee，2003年）。但是这样的CAD系统尚未成熟，它们能否在不同应用领域中广泛使用还有待考察；因此目前急需考虑开发一种特征智能识别系统，以从零件几何图形中提取特征。在本文中，作者提出并介绍了一种适用于CAM应用的特征分析和棱柱形零件特征提取的方法，以实现CAD和CAM之间的集成。
CAD文件包含零件详细的几何信息，然而这些信息并不适用于下游应用程序（例如工艺计划）。不同的CAD系统或几何建模软件包将与设计相关的信息存储在各自的数据库中（Tseng和Joshi，1998）。然而这些数据库的结构互不相同。结果到目前为止，尚未开发出适用于所有CAD软件包的通用或标准结构。因此本文提出一种特征智能识别方法（IFRM），以开发一种能够与各种CAD / CAM系统通信的特征识别系统。因此本文提出了一种智能特征识别方法（IFRM），以开发一种能够与各种CAD / CAM系统通信的特征识别系统。该方法主要针对3D棱柱形零件开发，零件以CSG技术作为绘图工具，使用实体建模包创建。系统采用初始图形交换规范（IGES）格式作为输入，并将文件中的信息转换为制造信息。然后通过特征识别程序分析零件设计的边界（B-rep）几何信息，基于几何推理方法从几何信息中提取特征，其程序通过C 中包含的面向对象设计软件进行创建。包括该部分在内，本文分为五个部分。第2章介绍特征提取和识别领域中其他学者的研究成果。第3章介绍作者提出的特征提取方法。第4章则通过实例验证。最后第5章得出结论。
2文献综述
在现代工业中，设计和制造活动被广泛认为是造成产品开发成本的关键因素。实践证明，基于特征的建模是一种有效且省时的产品设计方法。与以数学表面或体积为特征的传统工程图纸或传统CAD描述相比，特征为设计说明提供了更好的描述（Grayer，1979; Lee，1999; Linardakis和Mileham，1993; Liu， Perng和Chen，1994； Woo，1994）一般而言，零件是通过较低级的线框，边界（B-rep）和构造实体几何（CSG）表示，因此无法从这些模型中提取更高级别应用程序所需的信息，例如工艺计划。
在特定领域，“特征”一词在不同的上下文中表示不同的含义。例如在设计中，它是指腹板或缺口等部分；在制造中，它是指槽，孔和凹穴；而在检查中，它则是指零件上的基准或参考（Devireddy和Ghosh，1999）。特征的分类完全取决于其应用的领域。对应用进行独立于特征的分类非常困难，现有研究对“特征”一词有很多定义（Ciurana，Romeu和Castro，2003； Cunningham和Dixon，1988； Harun和Case，2000； Kumar，Shanker和Lal，2003； Sheu和Lin，2003）。 （1993; Subrahmanyam和Wozny，1995），其中一些如下：
bull;“特征是用于产品设计，工程或制造的任何实体”（Sreevalsan和Shah，1992）。
bull;“一种其存在或尺寸需要执行至少一项CIM功能的几何形式或实体，并且其可用性可作为基元进行设计”（Devireddy和Ghosh，1999； Luby，Dixon和Simmons，1986） 。
bull;“零件表面上的有效区域”（Pratt和Wilson，1985）。
对于“特征”一词，尽管给出了许多不同的定义，但是这些定义的基础是特征代表着零件，组件或其他制造过程中几何形状的工程意义。在本文中，则是从制造的角度来看待特征，例如孔，槽和凹穴之类，是设计零件时应具有的形状，是通过将其应用某制造过程中产生。因此可以将特征定义为``设计零件的物理组成部分；其可以映射到零件，并具有工程意义。
目前有两种方法可以构建CAD / CAM接口，按特征或特征识别进行设计（Harun和Case，2000； Lin，Lin，Lin和Cheng，1997）。两种方法都着眼于“特征”的概念。按特征进行设计或所谓基于特征的设计是一种使用设计特征完成零件CAD模型构建的方法。乍看起来，这似乎消除了后续特征识别的需要，但是这些特征（主要是面向设计的特征）必须转换为制造特征，才能在基于特征的设计和CAM应用程序（例如自动工艺计划）之间建立接口（Ma，Zhang，Liu，和Wang，2003; Mohandas和Hendrson，2002 ; Rozenfeld和Kerry，1999; Zhang，Liu，Ma，和Wang，2002; Zhao，Ridgway和Al-Ahmari，2002）同时，特征识别也是CAD / CAM领域研究的主要问题之一（Kayacan和Celik，2003）。
目前许多研究学者提出了各种方法和算法来解决这一问题。有句法模式识别（Sreevalsan和Shah，1992； Staley，Henderson和Anderson，1983）；体积分解（Lin和Lin，1998； Nagaraj和Gurumoorthy，2002）；专家系统和逻辑（Madurai和Lin，1992； Munns） ，Li和Wang，1995）；基于CSG的方法（Natekar，2004）；基于图像的方法（Joshi和Chang，1988）和基于神经网络的方法（Chang和Chang，2000；Devireddy和Ghosh，1999）大多数的特征识别方法都是通过使用CAD系统创建的具有内部特征结构的特征进行表示。另一方面，很少有研究采用产品数据的标准格式。其中一些将在下面简要讨论：
Zhao，Ghosh和Link（1990）使用线框模型开发了一种利用图论来识别机械加工特征的方法和算法。二维用于表示从线框模型生成加工零件的封闭边界，该方法特别适用于对称工件，例如所有顶点度数均为3的规范零件。但由于确定平面的每个边缘很困难，所以要消除度数大于3的顶点需要更多的计算。该方法也没有使用3D实体建模和任何标准格式来表示零件的设计。
Kang和Nnaji（1993）开发了用于自动工艺计划系统的特征表示和分类模型。其方案基于B-rep概念，零件特征属性由工件的几何形状及其提供的功能定义。基于此，作者提出了广义的特征定义，并提出了在机械装配和钣金制造领域中对特征进行分类和表示的方案。
Kao和Kumara（1993）提出了超关系图（SRG）方法来识别加工特征，例如槽，孔和凹穴。SRG的节点代表凹陷中的孔；连接表示从两个面之间的一组新关系方向生成的超凹面或面对面关系。该方法使用模式识别，人工神经网络和计算几何技术来提取形状特征，但没有用于开发特征识别方法的标准格式。
Sheu（1998）开发了一种适用于旋转类零件的计算机集成制造系统。参数设计和基于特征的实体模型被用于指定系统所需的制造信息。在该系统中，实体模型的边界可以直接传递到直线和圆弧轮廓中。边界轮廓输出为DXF格式的图形， 零件模型则是通过以圆柱，圆锥，凸弧和凹弧作为图元创建。该系统具有通过特征识别方法将线框零件模型转换为CSG表示的能力，但是该系统只能识别有限数量的特征，并没有考虑棱镜组件及其相互作用。
Rozenfeld和Kerry（1999）尝试提出为参数零件提供自动工艺计划的解决方案，该方案满足在实际工业环境中的任何零件和产品的计划要求。零件通过参数CAD模块显示在其CAPP系统中。而在这种表示形式中，零件由参数表示，例如通过特征及其属性（孔的直径，长度，公差和粗糙度）描述。但尚不清楚CAPP系统可以开发哪些类型的特征。
Aslan，Seker和Alpdemir（1999）开发了一种特征提取模块，但该特征提取模块仅适用于在车削中心加工的旋转类零件。在这项研究中，DXF文件格式可用于提取旋转零件的2D信息（以B-rep表示）该提取模块为ASALUS系统的一部分。ASALUS旨在通过使用生成方法执行工艺计划并对两个不同的CNC车床进行后处理，以管理旋转类零件从设计到生产的生命周期，但相交特征并未包含在此模块中。
Venkataraman，Sohoni和Kulkarni（2001）开发了一种用于识别用户定义特征（UDF）的特征识别系统。该特征识别器基于图形来表示和识别特征；由拓扑和几何属性组成的面向属性的邻接图用于表示UDF。特征识别阶段涉及到在零件图中找到相似的子图的过程。这项技术使用了丰富的属性集来识别各种特征，例如识别具有大量侧面的孔。然而图像匹配方法的主要问题是缺乏识别相交特征的能力；当相交特征出现时，特征的完整模式可能不会在图形中表示，因此模式匹配可能会失败。此外，该方法没有用于开发特征识别方法的标准格式。
综上所述，在过去的二十年中，人们一直致力于开发全自动制造特征识别系统。但是几乎能有效解决从异构产品设计环境和标准数据交换格式中创建的CAD零件模型中提取特征问题的系统。因此有必要进行进一步的研究开发面向应用的方法，以提取用于集成产品设计和制造的制造特征。
3方法描述
本文通过CAD软件进行零件设计，并运用CSG技术作为设计工具将其表示为实体模型。零件设计的实体模型由小的、不同的实体图元组成，这些基本图元组合在一起形成所需的零件设计。CAD软件以ASCII文件（IGES）格式生成并提供零件设计的几何信息，该文件被用作标准格式，从而为作者所提出的方法提供了与各种CAD / CAM系统进行通信的能力。然后通过特征识别程序分析零件设计的边界（B-rep）几何信息，基于几何推理方法从几何信息中提取特征，其程序通过C 中包含的面向对象设计软件进行创建。特征识别程序能够识别以下特征：插槽（直角，盲角和圆角），凹槽（直角，盲角和圆角），倾斜表面，孔（盲孔和通孔）和台阶（直角，直角，和圆角）。这些特征称为制造信息，可作为CAM的应用映射到工艺计划。图1显示了所提出方法的结构。
本文提出的方法主要包括三个阶段：（1）数据文件转换器（2）对象形式特征分类器以及（3）制造特征分类器，如图2所示。第一阶段将IGES / B-rep格式的CAD数据转换为面向对象的数据结构。第二阶段将从数据文件转换器获得的设计零件的几何特征分类为不同的特征组。第三阶段将提取的特征映射到过程计划。
3.1边界表示（B-rep）
边界表示（B-rep）是一种实体建模方法，已广泛应用于创建物理对象的实体模型，也用于几何数据模型（
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