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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第17 頁 加工的幾何尺寸和公差的提取/轉(zhuǎn)換功能 摘要 在操作過程中，重要的是保持基于特征系統(tǒng)功能的完整性，尤其是當(dāng)功能發(fā)生相互作用的時候。本文提出了一種用于后續(xù)應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換成設(shè)計模型的功能轉(zhuǎn)換方式。這個過程包括成型特征（幾何信息）和非幾何特征轉(zhuǎn)換。大多數(shù)研究人員都集中在幾何信息的提取和轉(zhuǎn)換上而忽略非幾何特征的重要問題。本文著重探討對后續(xù)加工應(yīng)用中的幾何尺寸和公差（GD＆T）的提取和轉(zhuǎn)換功能。 在本文中將討論基于CAD/ CAPP/ CAM系統(tǒng)集成特征的主要障礙——功能的互動，從而改變它們的幾何和非幾何的設(shè)計特點信息。如何識別和驗證這些功能尺寸和公差是特征交互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵問題之一。本文報告工作的主要推力是在使用過程中為規(guī)劃申請保留功能的完整性而形成強(qiáng)有力的方法。 關(guān)鍵詞：CAD/ CAPP / CAM集成，功能轉(zhuǎn)換，功能互動，幾何尺寸和公差（GD＆T），加工特征 1簡介 現(xiàn)代設(shè)計和先進(jìn)的加工過程中的一個主要目標(biāo)是通過各種設(shè)計和工藝規(guī)劃活動之間的無縫集成來實現(xiàn)產(chǎn)品交貨時間的顯著縮短。使用組件特性的概念來集成設(shè)計系統(tǒng)和制造系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來的主要研究方向[1-5]。 在一般情況下，功能是用于賦予組件屬性的意義，幫助解剖可識別的、有意義的區(qū)域以及改善設(shè)計和制造之間聯(lián)系。特征識別和基于特征的設(shè)計是兩個主要使用的途徑。特征識別驅(qū)動器的功能信息來自被識別的幾何數(shù)據(jù)庫，通過計算機(jī)算法進(jìn)行提取和分類。特征識別問題與設(shè)計意圖的損失，不完備的設(shè)計和制造信息以及特征識別的復(fù)雜性和計算負(fù)荷方案[3，6，7]相關(guān)?；谔卣鞯脑O(shè)計涉及到通過使用“積木”定義一個組件，它代表著或設(shè)計功能或加工功能。由于功能是取決于過程的，不同的應(yīng)用需要不同的應(yīng)用功能。設(shè)計階段使用的功能（稱為設(shè)計特點）是功能特點，代表著設(shè)計意圖，如肋，開槽，并加強(qiáng)的功能。在規(guī)劃階段使用的功能（稱為加工功能）與加工業(yè)務(wù)有關(guān)，如孔、盲孔、槽和袖珍的功能。此外，功能因應(yīng)用程序的不同而有不同呈現(xiàn)。這些事實是根據(jù)需要以正確反映加工特點并實現(xiàn)CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)集成在一個基于特征的環(huán)境的主要障礙。 設(shè)計人員使用設(shè)計特征構(gòu)建組件特征模型是最合理的，然后通過加工特征在工藝規(guī)劃系統(tǒng)中將模型轉(zhuǎn)換。這個過程被稱為功能轉(zhuǎn)換或功能映射。許多研究人員對功能轉(zhuǎn)換的方法和算法進(jìn)行了研究和應(yīng)用[8-10]。然而，當(dāng)代大多數(shù)基于特征的設(shè)計仍然不能完全處理發(fā)展基于特征系統(tǒng)中的一個最重要的，或許是最困難的方面，就是功能的定義和代表性的相互作用。以前使用的功能的特征交互改變了幾何形狀和屬性，但它不會改變它們相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，這使得后續(xù)應(yīng)用不能從設(shè)計數(shù)據(jù)庫獲得真正的組件模型。因此，在設(shè)計和加工過程中的階段維護(hù)功能的完整性是實現(xiàn)基于特征的CAD / CAPP / CAM一體化問題的關(guān)鍵之一[11-13]。許多研究已進(jìn)行到基于提取加工特征設(shè)計系統(tǒng)[5，7，9，10，14-16]的技術(shù)。然而，這些研究主要專注于幾何信息的識別或轉(zhuǎn)換。在機(jī)床特征的非幾何信息方面做的還很少，如幾何尺寸和公差（GD＆T）。Shah提出[17]的方法來創(chuàng)建一個在設(shè)計和工藝規(guī)劃應(yīng)用中使用的尺寸和公差模型。這種GD＆T模型被用來捕捉設(shè)計師基于特征設(shè)計上的GD＆T方案模型，驗證其完整性，然后用特征識別的方法轉(zhuǎn)移GD＆T到加工特征的自動提取。該方法側(cè)重于在設(shè)計和制造階段如何使用一部分的尺寸時為有效模式。因此，構(gòu)建出強(qiáng)勁的適合CAD和CAPP系統(tǒng)的GD＆T模型，是一項復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。對于一個以商業(yè)功能為基礎(chǔ)的系統(tǒng)（如Pro / Engineer），一旦一個組件的造型過程已經(jīng)完成，則一個GD＆T模型即被構(gòu)建。為了創(chuàng)建所使用的CAD模型，其目標(biāo)就是去捕獲和轉(zhuǎn)換一個過程規(guī)劃體系所需要的幾何和非幾何信息并實現(xiàn)CAD / CAPP無縫集成的過程。 為了實現(xiàn)一個過程規(guī)劃模型的完整代表， GD＆T所需要一個組件需保持完整，并根據(jù)加工特點的要求被完整和正確的表示。本文中提出的工作是處理從基于保持一個基于特征加工的完整性和一致性過程的GD＆T模型的提取/轉(zhuǎn)換。 在第2節(jié)中通過功能轉(zhuǎn)換模塊和STEP文件界面介紹了建議的基于特征CAD / CAPP集成系統(tǒng)的框架。在第3節(jié)中，我們討論了關(guān)于功能相互作用所導(dǎo)致的功能信息的改建以及不改變它們數(shù)據(jù)庫等難以解決的問題。加工功能可以通過從設(shè)計模型的功能信息中提取和轉(zhuǎn)換來生成。在第4節(jié)中，我們介紹為功能GD＆T的提取和轉(zhuǎn)換所開發(fā)的算法。在第5節(jié)中，使用一個詳細(xì)的組件的例子來展示幾何尺寸轉(zhuǎn)換的結(jié)果。在最后一節(jié)，給予本文的結(jié)論。 2基于CAD/ CAPP集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征 組件模型是在基于一系列如突起，槽，孔等的設(shè)計特點的環(huán)境下被構(gòu)建的。諸如對CAD模型的過程規(guī)劃有著不同看法的后續(xù)應(yīng)用，它采用了符合加工操作的一系列加工功能。為實現(xiàn)CAD / CAPP / CAM系統(tǒng)的完整性，代表加工特征的功能幾何的提取和轉(zhuǎn)換以及非幾何信息加工功能被提出。通過功能轉(zhuǎn)換方法得到的集成系統(tǒng)的框架如圖2.1所示。在這個方法中，用基于特征的CAD / CAM軟件即Pro / Engineer，來創(chuàng)建一個組件特征模型。通過該功能轉(zhuǎn)換模塊和STEP文件接口，可以創(chuàng)建相應(yīng)的過程規(guī)劃模型組件，以測試并驗證轉(zhuǎn)換的加工特征，這將在〔18〕中予以討論。 在功能轉(zhuǎn)換模塊中，為加工轉(zhuǎn)換特征屬性形成功能映射以開發(fā)轉(zhuǎn)換CAD數(shù)據(jù)庫中的幾何信息到用于創(chuàng)建一個完整的和正確的代表著有意義“形狀”的加工過程和GD＆T的映射。 圖2.1 綜合功能為基礎(chǔ)的CAD / CAM系統(tǒng)框架 3特征交互作用 在一般情況下，如果特征交互導(dǎo)致原來的功能參與要素類或要素屬性的任何改變，那么特征交互就被認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生了?；谔卣鞯脑O(shè)計系統(tǒng)，組件模型被一系列的由一個功能修改另一個的方式的設(shè)計特點建立起來。圖3.1顯示了一個涉及到盲槽1和盲槽2特征的功能交互組件的建模過程，。當(dāng)相互作用發(fā)生時，之前使用的盲槽1和盲槽2功能隨著特征尺寸和幾何元素的可能改建轉(zhuǎn)變成插槽3和盲槽4功能。 圖3.1 兩個盲槽之間互動功能的例子，隨著不同的屬性或幾何形狀生產(chǎn)一個插槽和盲槽 特征交互組件模型有著廣泛的影響，因為它們不僅改變了預(yù)定義的功能幾何形狀也改變它們的屬性。問題是這些產(chǎn)品在組件數(shù)據(jù)庫中是不可替代的，從而導(dǎo)致后續(xù)工藝規(guī)劃的困難。在圖3.2中，由于臺階功能的相互作用，以前使用的袖珍功能的幾何形狀和尺寸發(fā)生了變化。圖3.2b中，袖珍功能的深度尺寸被改為h1，代替原來的維度h，并將在圖3.2c中的袖珍功能改變?yōu)槊げ酃δ?，新成立的邊緣層面功能也由以前維度a變?yōu)閍1。然而，組件數(shù)據(jù)庫只記錄原始功能，并不包含模擬結(jié)果。按照圖3.2中的例子，我們可以從數(shù)據(jù)庫中獲得圖3.2b和圖3.2c中兩個模型的原始袖珍功能尺寸h和a。 圖3.2 由袖珍功能和臺階功能的相互作用引起的特征類型和尺寸的不一致 為了維護(hù)功能模型的完整性，這里有必要由加工特征基礎(chǔ)處理規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)一個強(qiáng)大的特征提取/轉(zhuǎn)換算法來檢測不一致的功能描述，并將其轉(zhuǎn)換成所需要的正確描述。關(guān)于幾何方面的設(shè)計特點檢測和轉(zhuǎn)換算法的加工特征將在[17]中予以介紹，在這里為了正確地表示轉(zhuǎn)換后的加工特征，我們將重點放在GD＆T的提取/轉(zhuǎn)換上。 4提取幾何尺寸和公差的特征 4.1幾何尺寸特征的提取 在基于CAD特征的系統(tǒng)里，數(shù)據(jù)庫中組件和特性的幾何尺寸的描述包含了下列項目： 1. 尺寸值和公差。 2. 如線性尺寸，角度尺寸和直徑尺寸的維度類型。 3. 維度的邊界元素：一個面、軸和一個邊緣。例如，維度d4（如圖4.1所示）的邊界元素是面f1和邊緣e1，同時維度d5是面f2和邊緣e2的邊界元素。 圖4.1 特征交互和尺寸邊界元素 除了上面列出的項目1和2，工藝規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)CAD模型有不同的尺寸邊界表示，該模型需要用加工操作的一個有意義的幾何元素尺寸來描述，如一個面或一個軸元素，但不用邊界元素。由于是由兩個面元素形成的一個邊緣，它是加工流程建模使用的某種模糊的方式。例如，在圖4.1中的維度“d”是描述的長度|d|以及e1，e2的兩個邊元素。加工過程建模的要求，應(yīng)該是用面f5和面f8的邊界元素描述的。 由于設(shè)計特點和加工特點之間不同的維度描述，有必要區(qū)分和改造過程建模的CAD模型相對應(yīng)的面元素中的維度邊界元素的邊緣。該算法是以GD＆T映射模塊中的一個模塊作為以下步驟實現(xiàn)的。 第1步：搜索組件上的每個維度dim(i)，讓i=1，2，…，N_GD，N_GD組件幾何尺寸的總數(shù)。 第2步：讓i = 1，提取維度dim(i)的值，類型和邊界元素標(biāo)識id1，id2。 第3步：檢查維度dim(i)的邊界元素。如果一個邊界元素不是一個真正的元素，那么在功能操作后維度的邊界就不再存在。這意味著維度的邊界被改變。在這種情況下，一個處理互動功能的額外算法是需要的，這將在下一節(jié)予以討論。如果這兩個邊界元素都是真實的，那么維度的邊界類型就能直接確定。 第4步：如果一個維度的邊界元素是邊e0，另一個面是f0，那么面f1和f2的其中一個形成的邊e0必須得以確定（轉(zhuǎn)到第5步），并使之作為加工特征的三維邊界元素。如果維度的兩個邊界元素是邊e1和e2，就轉(zhuǎn)到第6步把兩個邊都轉(zhuǎn)換成兩個面，作為作為維度的兩個邊界元素。如果維度dim(i)的兩個邊界元素是兩個面或兩根軸，亦或一個面和一根軸，那么它們的標(biāo)識是在一個數(shù)組記錄，再轉(zhuǎn)到第7步; 第5步：比較長度d01和d02的真實值，它們分別代表了面f0和f1、面f0和f2之間的距離。如果距離d01等于（維度dim(i)）的真實值，那么代替邊界識別e0的id1也伴隨著f1的鑒定，這意味著邊元素的表示已改為面元素的表示。如果距離d02等于（維度dim(i)）的真實值，那么代替邊界識別面f2中的一邊e0的id1，并轉(zhuǎn)到第7步。 第6步：比較長度d11，d12，d21，d22（dij代表面f1i和面f2j之間的距離，其中i，j=1,2）尺寸的真實值，必須存在一個有維度dim(i)真實值的距離。如果d21等于(維度dim(i))的真實值，那么面f12和f21就替代尺寸d21的兩個邊界標(biāo)識，并轉(zhuǎn)到第7步。 步驟7：如果i基準(zhǔn)數(shù)N，就結(jié)束；否則，設(shè)置i= i+1，返回到第2步。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 通過上述算法，共平面陣列存儲相應(yīng)的基準(zhǔn)元素以對應(yīng)真正的功能元素。算法流程圖如圖4.5所示。結(jié)合兩個階段的轉(zhuǎn)換算法，位置幾何公差可以完全轉(zhuǎn)換。 圖4.5 組件位置幾何公差基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的流程圖 5一個組件的例子 在本節(jié)中介紹一個棱柱組件幾何尺寸轉(zhuǎn)換的例子。組件模型的使用如圖5.1所示。通過功能轉(zhuǎn)換模塊形式開發(fā)的介紹[19]，從組件工藝規(guī)劃應(yīng)用的角度來看，是槽，盲孔，孔和盲槽功能等基本特征的復(fù)合功用。功能屬性（非幾何特征），尤其是模型的幾何尺寸，需要轉(zhuǎn)換，以正確描述這些加工特點。在轉(zhuǎn)換算法應(yīng)用到組件模型之前，幾何尺寸被提取并在表5.1中列出。研究發(fā)現(xiàn)，一些邊界元素的尺寸是邊緣元素并且這些都需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，所有與邊緣邊界元素相關(guān)的維度被轉(zhuǎn)換為面邊界元素的尺寸（如表5.2所示）。 圖5.1 組件幾何尺寸轉(zhuǎn)換的例子 表5.1 功能轉(zhuǎn)換前的尺寸邊界 表5.2 功能轉(zhuǎn)換后的尺寸邊界 6結(jié)論 特征技術(shù)已成為應(yīng)用于CAD/ ACPP/ CAM一體化方面重要的研究課題。由于特征的呈現(xiàn)因應(yīng)用程序的不同而不同，現(xiàn)在主要未解決的問題是基于特征組件模型功能設(shè)計的完全解釋，特別是關(guān)于功能相互作用方面的問題。根據(jù)建模過程中設(shè)計功能的調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)最終的組件模型和數(shù)據(jù)庫提供的信息之間的不一致是后續(xù)應(yīng)用要解決的關(guān)鍵問題。為了用大量的加工特征正確地表示組件模型，本文著重對非幾何特征的提取和轉(zhuǎn)換，也就是，幾何尺寸和公差（GD＆T）給予了論述，從而在過程規(guī)劃建模過程中起到了關(guān)鍵的作用。 在本文中，詳細(xì)介紹了GD＆T的功能轉(zhuǎn)換算法的開發(fā)過程。由于設(shè)計特點和加工特點之間的不同表述，一種算法的開發(fā)是為了維度轉(zhuǎn)換的邊界元素去識別過程建模元素。在特征交互的情況下，由于在數(shù)據(jù)庫中的功能信息不發(fā)生相應(yīng)的變化，該算法實施檢測特征尺寸是否符合特征模型并將那些虛擬尺寸轉(zhuǎn)換為能正確地描述加工功能的實際尺寸。對于形位公差轉(zhuǎn)換，主要的任務(wù)是要找到每個組件功能相應(yīng)的公差，并將設(shè)計模型中的虛擬數(shù)據(jù)元素轉(zhuǎn)換成加工應(yīng)用中能識別的元素。 結(jié)合[17]中幾何信息轉(zhuǎn)換的描述，加工特征可以生成符合工藝規(guī)劃系統(tǒng)要求的服務(wù)條款。通過STEP文件的接口，基于CAD / CAPP集成特征的功能可以實現(xiàn)[18]。基于Pro / Engineer系統(tǒng)特征可以用于建立設(shè)計模型，以及通過Pro/Develop工具在Sun SPARC20工作站寫入C + +實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換算法。 參考文獻(xiàn) [1] Shah JJ,Mantyla 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