0 引言
在实际的生产应用中，独立的数字化设计、数字化制造技术已广泛应用，但企业对市场竞争力的追求给设计、制造的集成化程度提出了更高的要求，这也是现有CAD、CAM等计算机辅助软件不断完善发展的方向。不同应用系统间的集成能够有效缩短设计信息到制造信息的转换时间，提高工作人员的工作效率，覃兴等人针对曲轴开发的CAD/CAPP系统，实现了锻件的工艺与模具设计，提高了设计质量。
CAPP是连接设计与制造的有效桥梁，但现有CAPP系统难以有效利用产品模型的设计信息。CAD/CAPP信息集成能够对企业现有生产经验进行价值的最大挖掘，减少工艺制定过程中对经验知识的依赖性，提高工作效率与质量，且识别到的特征可供下游参考使用，如CAE中细节特征的抑制。为实现设计信息到制造信息的快速转换，减少人工参与的工作量，缩短产品开发周期，本文以箱体类零件为研究对象，对特征识别技术进行了研究，利用特征识别实现CAD/CAPP的信息集成。
1 特征识别方法
箱体是机械产品中一种基础零件，主要用于安装或包容其他零部件，一般结构复杂，加工特征主要由平面和圆柱面构成。本文针对该类零件的几何特点，提出了以面为中心，基于痕迹和规则的混合特征识别算法，如图1所示。其中对面按类型分组，可在不同的面组内实现对应特征的识别，减少特征匹配范围，而补充的工艺信息则能有效地将特征与工艺信息结合起来，以供CAPP使用，实现信息流通。
图1 特征识别算法流程
1.1 几何数据的提取与重组
本文以面为中心，利用面的信息实现特征识别，获取的面信息如图2所示。
图2 面的几何信息
特征识别的一个难点是相交特征的识别，学者们在各方案的基础上提出了混合特征识别方法，但目前还没有一个统一的解决方案可适用于种类繁多、复杂度越来越高的零件的特征识别。本文通过对已获取的几何面信息（痕迹）进行分析，对面进行共面检查，还原被分割前的完整平面的信息，以便于相交特征的识别，其准则如下，具体示意如图3所示。
图3 加工特征面边界获取示意图
若面1与面2的法向同向且平行，具有相同的数学表达方程，且两者的位置点连线间没有其他几何面，则面1与面2是同一平面被分割而产生，将面1与面2存储到同一数据结构中，以表示加工中的同一平面。
实现共面信息的判断后，将所有平面进行分组，再在组内排序。其分组依据面的法向，按z、y、z3个主方向进行，排序按每一平面位置点的坐标值进行，例如z轴方向的所有平面按各平面中心位置点坐标的x值进行排序。通过这样的数据处理，可在特征识别过程中搜索同一方向的邻近面进行特征识别，减少特征匹配范围，提高识别效率。
1.2 以面为中心的混合特征识别方法
完成对几何面信息的获取与重组后，结合预定义的特征判断规则，可有效识别箱体类零件的常用加工特征，并将特征信息存储到统一的数据结构中，为工序决策提供所需要的信息。
在获取的圆柱面的集合内可有效进行加工孔特征的识别，识别规则如下：
(1)面上一点指向轴线；
(2)圆柱面对应的圆周角大于3π/2。
其中圆周角的应用可将孔特征与内边倒圆角特征区别开来，保证了识别的准确性。
槽、腔特征主要由平面构成，在已经进行分组和排序的平面集合里进行槽、腔特征识别时，利用平面的法向，依据就近原则进行特征识别，可快速识别槽、腔特征，识别过程如图4所示。
图4 槽、腔特征识别算法流程图
槽、腔特征可分为闭环和开环两类特征，其闭环特征识别规则如下：
(1)i面与j面的法线同向且平行；
(2)以i面位置点为起点，i面法向为方向的射线与模型不相交；
(3)i面边界点投影到j面上，若投影落在j面边界内部，则i、j构成腔特征，投影有部分落在j面边界上，则i、j构成闭环槽特征。
开环类型的特征，主要是一些开环的槽特征（台阶），其识别规则如下：
(1)i面与j面的法线同向且平行；
(2)分别以i面、j面各自位置点为起点，各自法向为方向的射线均与模型不相交；
(3)i、j共有平面总数小于2。
符合上述规则的i、j面构成开环的槽特征。
2 CAD/CAPP集成应用系统
特征识别将几何信息转换为制造信息，再结合输入的辅助工艺信息，可有效地指导产品工艺路线的制定。利用Pro/E软件进行本地化应用程序的开发，可以缩短设计和加工周期，降低成本，本文以Pro/E为平台，针对箱体类零件开发了CAD/CAPP集成应用系统。
如图5所示，该系统主要由3个模块构成：工艺信息补充模块、特征识别与显示模块、工艺决策模块。通过AddToler按钮可向模型添加工艺信息，如面的粗糙度、孔与孔的同轴度等；通过Fea_Recognition按钮进行特征识别计算，生成特征数据，其中特征加工方案主要利用已输入的工艺信息，结合后台特征工艺数据库进行搜索而得到。对于部分不合理特征，如图6所示，可通过删除按钮进行处理。在显示特征识别结果的List控件中，列Serial_In_Group为特征编号，列Reference为根据补充的工艺信息得到的参照基准（特征），如平行度、垂直度要求，列Depend为特征的依附特征。GA按钮则是利用已经获取的特征信息进行遗传算法的迭代计算，最终得到理想的产品加工工序。
图5 系统界面
图6 不合理特征
CAPP系统的主要功能是进行决策，本文开发的系统采用遗传算法实现CAPP系统的决策功能，并使最终工艺路线的成本较低。利用遗传算法解决工艺排序是个全排列问题，借鉴适应度函数，以各工序间变更设备、刀具、夹具所产生的额外加工费用为目标函数（适应度函数）：
TWC=Nm×MCC+Ns×SC+Nt×TCC (1)
式(1)中MCC为更换加工设备产生的成本，SC为装夹成本，TCC为更换刀具产生的成本，Nm、Ns、Nt分别为整个加工过程中更换设备次数、装夹次数、更换刀具次数。
遗传算法在本系统中的集成，降低了对工艺人员经验的依赖性，提高了工艺制定的效率，增加了本系统的应用价值。
3 应用实例
图7所示零件为包装机的主要构成部件，利用本系统的特征识别算法，可对该零件的大部分特征进行有效地识别，识别后的特征结果如图7、表1所示。表1中的特征加工方案为依据获取的特征工艺信息，在工艺数据库中进行搜索得到的特征加工方法。将表1中每个特征的加工方案进行工序分解，可得到实现整个零件的加工所需要的38个工序，以加工成本为目标，利用遗传算法对这38道工序排序，结果如表1所示。在应用遗传算法进行工序排序的过程中，取种群数为50，进化代数为300，交叉率为0.7，变异率为0.1。从计算结果可以看出，最终的工艺路线，满足几个基本约束条件，如基准先行，父项优先、先粗后精，工艺路线较为理想。
图7 特征识别结果
表1 特征加工方案
4 结论
为实现设计信息到制造信息的快速转换，充分利用已有的设计信息，本文针对箱体类零件的几何特点，提出以面为中心，基于规则和痕迹的混合特征识别方法，避免了传统识别算法对大量面边信息进行分析计算的过程，有效识别了箱体上的常见制造特征，如孔、腔、槽。在Pro/E平台下开发的CAD/CAPP集成系统，实
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