0 引言
在實際的生產應用中，獨立的數字化設計、數字化制造技術已廣泛應用，但企業對市場競爭力的追求給設計、制造的集成化程度提出了更高的要求，這也是現有CAD、CAM等計算機輔助軟件不斷完善發展的方向。不同應用系統間的集成能夠有效縮短設計信息到制造信息的轉換時間，提高工作人員的工作效率，覃興等人針對曲軸開發的CAD/CAPP系統，實現了鍛件的工藝與模具設計，提高了設計質量。
CAPP是連接設計與制造的有效橋梁，但現有CAPP系統難以有效利用產品模型的設計信息。CAD/CAPP信息集成能夠對企業現有生產經驗進行價值的最大挖掘，減少工藝制定過程中對經驗知識的依賴性，提高工作效率與質量，且識別到的特征可供下游參考使用，如CAE中細節特征的抑制。為實現設計信息到制造信息的快速轉換，減少人工參與的工作量，縮短產品開發周期，本文以箱體類零件為研究對象，對特征識別技術進行了研究，利用特征識別實現CAD/CAPP的信息集成。
1 特征識別方法
箱體是機械產品中一種基礎零件，主要用于安裝或包容其他零部件，一般結構復雜，加工特征主要由平面和圓柱面構成。本文針對該類零件的幾何特點，提出了以面為中心，基于痕跡和規則的混合特征識別算法，如圖1所示。其中對面按類型分組，可在不同的面組內實現對應特征的識別，減少特征匹配范圍，而補充的工藝信息則能有效地將特征與工藝信息結合起來，以供CAPP使用，實現信息流通。
圖1 特征識別算法流程
1.1 幾何數據的提取與重組
本文以面為中心，利用面的信息實現特征識別，獲取的面信息如圖2所示。
圖2 面的幾何信息
特征識別的一個難點是相交特征的識別，學者們在各方案的基礎上提出了混合特征識別方法，但目前還沒有一個統一的解決方案可適用于種類繁多、復雜度越來越高的零件的特征識別。本文通過對已獲取的幾何面信息（痕跡）進行分析，對面進行共面檢查，還原被分割前的完整平面的信息，以便于相交特征的識別，其準則如下，具體示意如圖3所示。
圖3 加工特征面邊界獲取示意圖
若面1與面2的法向同向且平行，具有相同的數學表達方程，且兩者的位置點連線間沒有其他幾何面，則面1與面2是同一平面被分割而產生，將面1與面2存儲到同一數據結構中，以表示加工中的同一平面。
實現共面信息的判斷后，將所有平面進行分組，再在組內排序。其分組依據面的法向，按z、y、z3個主方向進行，排序按每一平面位置點的坐標值進行，例如z軸方向的所有平面按各平面中心位置點坐標的x值進行排序。通過這樣的數據處理，可在特征識別過程中搜索同一方向的鄰近面進行特征識別，減少特征匹配范圍，提高識別效率。
1.2 以面為中心的混合特征識別方法
完成對幾何面信息的獲取與重組后，結合預定義的特征判斷規則，可有效識別箱體類零件的常用加工特征，并將特征信息存儲到統一的數據結構中，為工序決策提供所需要的信息。
在獲取的圓柱面的集合內可有效進行加工孔特征的識別，識別規則如下：
(1)面上一點指向軸線；
(2)圓柱面對應的圓周角大于3π/2。
其中圓周角的應用可將孔特征與內邊倒圓角特征區別開來，保證了識別的準確性。
槽、腔特征主要由平面構成，在已經進行分組和排序的平面集合里進行槽、腔特征識別時，利用平面的法向，依據就近原則進行特征識別，可快速識別槽、腔特征，識別過程如圖4所示。
圖4 槽、腔特征識別算法流程圖
槽、腔特征可分為閉環和開環兩類特征，其閉環特征識別規則如下：
(1)i面與j面的法線同向且平行；
(2)以i面位置點為起點，i面法向為方向的射線與模型不相交；
(3)i面邊界點投影到j面上，若投影落在j面邊界內部，則i、j構成腔特征，投影有部分落在j面邊界上，則i、j構成閉環槽特征。
開環類型的特征，主要是一些開環的槽特征（臺階），其識別規則如下：
(1)i面與j面的法線同向且平行；
(2)分別以i面、j面各自位置點為起點，各自法向為方向的射線均與模型不相交；
(3)i、j共有平面總數小于2。
符合上述規則的i、j面構成開環的槽特征。
2 CAD/CAPP集成應用系統
特征識別將幾何信息轉換為制造信息，再結合輸入的輔助工藝信息，可有效地指導產品工藝路線的制定。利用Pro/E軟件進行本地化應用程序的開發，可以縮短設計和加工周期，降低成本，本文以Pro/E為平臺，針對箱體類零件開發了CAD/CAPP集成應用系統。
如圖5所示，該系統主要由3個模塊構成：工藝信息補充模塊、特征識別與顯示模塊、工藝決策模塊。通過AddToler按鈕可向模型添加工藝信息，如面的粗糙度、孔與孔的同軸度等；通過Fea_Recognition按鈕進行特征識別計算，生成特征數據，其中特征加工方案主要利用已輸入的工藝信息，結合后臺特征工藝數據庫進行搜索而得到。對于部分不合理特征，如圖6所示，可通過刪除按鈕進行處理。在顯示特征識別結果的List控件中，列Serial_In_Group為特征編號，列Reference為根據補充的工藝信息得到的參照基準（特征），如平行度、垂直度要求，列Depend為特征的依附特征。GA按鈕則是利用已經獲取的特征信息進行遺傳算法的迭代計算，最終得到理想的產品加工工序。
圖5 系統界面
圖6 不合理特征
CAPP系統的主要功能是進行決策，本文開發的系統采用遺傳算法實現CAPP系統的決策功能，并使最終工藝路線的成本較低。利用遺傳算法解決工藝排序是個全排列問題，借鑒適應度函數，以各工序間變更設備、刀具、夾具所產生的額外加工費用為目標函數（適應度函數）：
TWC=Nm×MCC+Ns×SC+Nt×TCC (1)
式(1)中MCC為更換加工設備產生的成本，SC為裝夾成本，TCC為更換刀具產生的成本，Nm、Ns、Nt分別為整個加工過程中更換設備次數、裝夾次數、更換刀具次數。
遺傳算法在本系統中的集成，降低了對工藝人員經驗的依賴性，提高了工藝制定的效率，增加了本系統的應用價值。
3 應用實例
圖7所示零件為包裝機的主要構成部件，利用本系統的特征識別算法，可對該零件的大部分特征進行有效地識別，識別后的特征結果如圖7、表1所示。表1中的特征加工方案為依據獲取的特征工藝信息，在工藝數據庫中進行搜索得到的特征加工方法。將表1中每個特征的加工方案進行工序分解，可得到實現整個零件的加工所需要的38個工序，以加工成本為目標，利用遺傳算法對這38道工序排序，結果如表1所示。在應用遺傳算法進行工序排序的過程中，取種群數為50，進化代數為300，交叉率為0.7，變異率為0.1。從計算結果可以看出，最終的工藝路線，滿足幾個基本約束條件，如基準先行，父項優先、先粗后精，工藝路線較為理想。
圖7 特征識別結果
表1 特征加工方案
4 結論
為實現設計信息到制造信息的快速轉換，充分利用已有的設計信息，本文針對箱體類零件的幾何特點，提出以面為中心，基于規則和痕跡的混合特征識別方法，避免了傳統識別算法對大量面邊信息進行分析計算的過程，有效識別了箱體上的常見制造特征，如孔、腔、槽。在Pro/E平臺下開發的CAD/CAPP集成系統，實
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