CNC机械加工图纸特征识别基于B-rep的机加工特征识别方法

原创已于 2024-04-19 13:35:09 修改 · 1k 阅读

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于 2024-04-19 13:26:50 首次发布

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在计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM）领域，开发用于识别机加工特征（machined features）的方法一直被看作是一个重要研究课题。识别这些特征的主要目的是建立 CAD 系统到 CAM 系统之间的直接联系，换言之，可以将 CAD 系统的输出直接作为 CAM 系统输入，以此提升 CAD/CAM 系统的综合效率。

在一个典型的 CAD 系统中，至关重要的一部分是实体建模器（solid modeller），其目的是以数字形式建立工件的三维模型。依托于实体建模方案（solid modelling schemes），研发人员可以为图形显示工件、有限元分析、群组技术（GT）编码和流程规划等多种应用开发相关算法。工件的实体模型文件通常被视作 CAD 系统的输出产品，并因此作为典型机加工特征识别器的输入。

目前广泛运用的两大实体建模方案分别是构造实体几何（CSG，constructive solid geometry）和边界表示（B-rep，boundary representation）。在 CSG 方案中，实体通过对各种基础立体形状（如长方体和圆柱体）实施规范化布尔运算来构建。而在 B-rep 方案中，实体则是通过定义其边界面来构建，这些边界面是空间中平面或曲面上限定区域。由于缺乏精确的数学公式来直接表达，一个边界面通常是间接通过定义其环、边和顶点来描述的。这两种实体建模方案都能精确描述一个典型工件的几何形状。然而，在 CSG 方案中表示的实体是隐式定义的，即在完成相关布尔运算前，我们无法了解其确切外形。B-rep 方案中表示的实体虽然是显式定义的，但是其构成的基本元素（如面、环、边和顶点）通常被解读为底层信息，不适合直接用于某些下游应用，例如流程规划等。

在相关领域的文献中，机加工特征通常被视为适用于开发直接与 CAD 系统连接的自动化流程规划系统的高级信息。在实际应用中，如槽口、台阶或凹槽等机加工特征往往可以简单地与预先定义的操作计划相联系。因此，将一个工件解释为一系列机加工特征，将有助于自动化流程规划系统的开发。这种特征由于其“宏描述”，通常包含多个面而不是单一面，因此被称为高级信息。

跟踪从 CAD 模型中识别特征的问题可以追溯到 1980 年 Kyprianou 在剑桥大学的先驱研究。他的工作旨在开发方法，从 B-rep 模型中识别出一些凹陷和隆起特征，为零件提供 GT 编码描述。GT 编码的预期应用是开发自动化流程规划系统。自那时起，已有许多研究（至少30多篇期刊论文）解决了特征识别问题，并发表了研究成果。通常，这些研究可以根据使用的 CAD 模型分类为三类：识别来自 B-rep 的特征、CSG 或基于 B-rep 和 CSG 的增强模型的特征。绝大多数研究基本上是基于 B-rep。

虽然这些研究设立了重要的里程碑，但它们提出的技术通常在识别特征方面有一定的领域限制，并且在识别相互作用的特征方面尚不够健壮，特别是在处理多个特征交互的情况。相互作用的特征是多个特征交互结果的产物，例如两个简单槽特征相交的结果（如图 1a 所示）。

请注意，在某些情况下，可能存在一种现有的技术用于识别特定的相互作用特征，例如图 1a 中展示的特征。然而，在一般情况下，几乎所有特征识别技术都不够健壮以至于不能识别相互作用特征。这意味着，总是可以提出一个新型的互动特征来挑战现有特征识别技术的稳健性。

从 CAD 模型中识别交互特征似乎是一个艰巨的挑战。从 CAD 发展自动化流程规划系统的另一种方法是采用“基于特征的设计”概念，其意图是绕过识别特征的难题。基于特征的设计理念主张，机加工特征应当被采用为在设计零件时的描述基元，由此产生的工件表达将有利于流程规划工作的进行。基于特征的设计，也已知作 feature-based CAD 系统，如果基本特征是设计特征，将极大提升设计师的生产效率。然而，如果可用特征仅限于机加工特征，那么这就相当于要求设计师去实施部分流程规划任务，从而增加了设计师的压力。

此外，基于特征的设计方法并不能完全摆脱特征识别的压力，特别是在需要处理凸出特征（例如，凸台）与特征间的相互作用时。例如，在一个凹陷特征（比如一个槽）上增加一个凸出特征可能会大幅改变原有的凹陷特征。也就是说，由于凸台的出现，原本的槽现在无法通过标准槽制造流程来实现。再者，特征间的相互作用可能极其复杂，以至于用户定义的某个凹陷特征可能会被另一个用户定义的凸出特征完全覆盖。这样的互动最终可能会使得凹陷特征在零件上的功能和形状彻底消失。

因此，在最糟糕的情况下，基于特征的 CAD 系统在本质上与 CSG 模型无异。这意味着，在基于特征的 CAD 系统中，传统的特征识别问题并不能被完全避免。本文旨在分析现有的基于边界表示（B-rep）的机加工特征识别技术。尽管已经有两篇调查特征识别方法的论文 [4] 被发表，但我们这里专注于探究为何机加工特征难以稳定识别的原因。解决机加工特征识别问题被认为是开发自动化流程规划系统不可或缺的一环，我们也将讨论这个观点的正反两面。最后，我们介绍了一种新型的刀具选择方法，这个方法按概念定义和操作定义两大类进行区分。概念定义提供了所有相关特征的通用描述，但这种描述过于抽象，难以直接转化为实际操作。而操作定义则旨在提供特定特征类型的精确描述，使之能够在计算机中以编程形式实现和操作。这两种定义及其相应的意义和影响，将在接下来的内容中详细讨论。