1 引言
CAPP是连接CAD与CAM的桥梁，是CIMS中不可或缺的重要一环。CAPP的核心任务是生成零件的加工工艺，即制订面向车间和制造资源的零件合理加工工艺路线。在并行工程广泛应用之后，更需要CAPP与CAD实时集成，使得在产品设计过程中就能得到所需的工艺信息。随着特征和特征映射技术的成熟，CAPP将从CAD中提取特征作为工艺推理的输入条件，以最人限度地实现与CAD的无缝链接，因此对设计特征的描述成为工艺推理的一个关键点。本文重点讨论工艺推理中的特征描述及对工艺推理的影响。
2 CAD/CAPP集成系统的特征描述现状
零件模型的特征主要是零件的设计特征，包括形状特征、材料特征、功能特征、精度特征、管理特征等，这些特征决定了零件的加工工艺。目前，用于CAD/CAPP工艺推理的零件特征描述一般采用如图1所示的单特征描述结构。由于CAD模型侧重于描述零件的几何信息，而CAPP进行工艺推理时更关心的是加工特征的鉴别，因此从CAD模型中提取（见第3.2节）信息的时候比较注意单特征信息的提取，通常会遗漏一些隐含信息，特别是对特征之间的关系的描述，这也是造成目前CAD与CAPP集成困难的原因之一，较为详细地说明了这种差别。提出一种实现从CAD工程图里直接提取特征信息的成组技术(Group Technology，GT)方法，但是在实现集成的同时滤掉了CAD中特征之间的隐含关系。提供CAPP的多Agent解决方案，并为特征描述提供了一个基于单特征识别的特征识别Agent。
图1 CAPP单特征工艺推理的特征信息描述
从制造的角度来讲，用单特征描述零件是合理的，包括前面所述的绝人多数CAPP系统都是从单特征出发进行工艺推理，把零件分解成加工元，然后合并工序、排列工序工步顺序、选择工装，最终生成零件的加工工艺。这种工艺推理方法过分强调特征的独立性，忽视了特征之间的关联和组合关系，造成工艺推理结果的不准确和工序工步排序的不合理；同时，过分忽视零件的拓扑关系也有悖设计的初衷，提高CAPP特征描述的准确性与全面性势在必行。
在单特征描述的基础上加入特征组合描述是完善零件特征信息模型的一条可行途径，也是本文的主旨。
3 面向工艺推理的特征组合描述
3.1 零件的特征组合描述
CAPP中对零件进行工艺推理时对零件特征的描述有以下要求：
(1)精确、全面地描述整个零件的组成，即零件的几何描迷；
(2)充分表达零件设计的工艺要求，即零件的工艺信息；
(3)把零件组成特征之间的关联关系传递给工艺推理模块。
单特征描述较好地实现了(1)和(2)的一部分，对(3)并没有很好地解决，以下主要针对(3)展开讨论。
我们认为，工艺推理中的特征组合就是按照工艺推理对特征的要求，将描述零件的单特征中彼此相关的特征组合起来描述，并且阐明这种关联的性质．单特征之间可能出现的关联类别按照工艺要求可分为以下6种关系：
(1)基准关系．基准可定义为零件上确定其它点、线、面位置的点、线、面，这些点、线、面对工艺推理来说就是特征。基准关系就是一个或多个特征在进行机械加工时以另一个特征为基准而构成的特征之间的关系。组成零件的特征中必然有作为基准的特征，因此加工中必然会有其它特征与此基准发牛关联。如图2a中的三个特征（特征1.2为同轴孔，特征3为底面），特征1，2的加工以特征3为基准，所以特征1，2与特征3可组合为基准关系，并将此信息传递给工艺推理模块。
(2)互为基准关系．对零件进行切削加工时，为了保证两个或多个特征之间达到较高的位置精度，常常采用彼此互为基准进行反复加工的策略，此时这些特征之间就存在互为基准的关系。如图2b所示零件，特征1（光孔）和特征2（光孔）之间有较高的位置精度要求，所以加工时采取互为基准的策略，这样就建立了两特征之间的互为基准关系。
(3)定位关系。工艺推理对组成零件的特征之间的拓扑关系要求并不严格，但在加工时两个看似不相关的特征却可能存在着定位关系，即一个特征的定位尺寸决定于另一个特征．如图2e所示的6个孔特征，特征2，3的位置由特征1决定，特征5，6的位置由特征4决定，因此特征2，3与特征1，特征5，6与特征4之间的关系为定位关系。
(4)衍生关系。为了实现与CAD的集成，CAPP过分追求单个特征的清晰描述而忽略了特征之间所隐含的先后生成关系：当某一特征没有被加工之前，另一特征就不存在或不可能被加工，本文称之为衍生关系。如图2d所示零件，在特征1（槽）产生前，特征2（内表面）和特征3，4（孔）是不可能被加工的，即特征2，3，4与特征1是衍生的关系。
(5)精度要求关系．零件功能提出的特征之间的位置精度要求，这是最常见的一种特征之间的关系。如图2e所示零件，特征1，2，3（外圆柱）之间有位置精度要求，则这三个特征可作为组合特征来描述，特征的组合关系是精度要求关系。
(6)同类特征关联关系．为了保证零件加工精度且使加工成本最低，机械加工通常以成组技术为基础组织，所以零件中的相同或相似特征在加工时有可能组合在一起构成关联关系．如图2e所示中轴的4个倒角，由于是相同特征，加工时常置于一个工步中，则此4个特征可作为组合特征描述，其关系为同类特征关联关系。
值得指出的是，以上的特征组合关系在实际特征描述时可能出现重叠(如图2e的三个轴段同时具备(2)，(5)，(6)三种关系)，这些关系相互之间并不矛盾，因此描述一个零件时应尽可能多的找出单特征之间的联系，力求完整、准确地描述零件。
图2 特征组合关系图例
3.2 CAD模型的特征提取与识别策略
要实现CAD/CAPP的集成，必须将CAD模型中的几何特征转化为工艺推理需要的加工特征。特征提取与识别是一种可行办法。本文以Pro/E作为构建CAD模型的工具，Pro/E将设计人员的造型特征按照父子关系构成多层结构，如图3所示。由于直接从三维图形提取和识别特征困难很大，因此Pro/E环境下的零件几何建模分为零件截面构造和三维造型操作（拉伸、旋转、扫描、混成）。通过从模型的数据结构中提取几何特征的截面参数和其建模步骤，可以将三维几何实体识别简化为二维图形的识别，这也是Pro/E环境下特征提取与识别的出发点。
图3 CAD的父子层次模型（虚线表示同一特征）
本文所指的特征提取是指直接访问模型的数据结构树获取零件的截面信息（包括其属性）和建模的操作步骤信息的过程，可由特征类别提取、特征属性提取和元素提取三个步骤来实现．特征类别提取主要用于分离不同类型特征并进行冗余特征过滤（滤掉辅助基准面、基准点和基准线），这一步可以简化特征识别；特征属性提取在特征类别提取的基础上提取隶属于此特征的形状、尺寸、基准等属性，获取比较详尽的几何信息，为特征的正确识别提供保证；元素提取主要是获取构成特征的边界曲线或者顶点的坐标数值，供特征识别时计算和推理使用。特征提取是特征识别的基础，为特征识别提供信息。
特征识别是将特征提取的信息与已经建立的比较母本库进行信息匹配（包括图形和非图形信息），从而获取相应的特征列表及其属性信息，识别过程可由几何特征识别和特征属性识别两个步骤实现。几何特征识别根据特征提取中的特征类别提取得到的信息，将几何实体对象分为简单特征和复杂特征。简单特征指圆柱体、圆锥体、长方体等具有单一几何形状的特征，这类特征的识别只需搜索到特征类别提取的信息即可；复杂特征由多个简单特征复合而成，必须搜索到元素提取的信息并进行分离和匹配才能识别，特征属性识别主要完成尺寸、形位公差等标注信息与其载体特征的对应工作。识别原理是建模时的标注与宿主特征的附着关系，有了这种关系就可以用搜索函数获取其载体特征。
单特征的提取与识别可以由以上方法实现，但是CAPP所关心的几何对象的工艺加工语义是CAD本身不能处理的，凶此第3.1节提出的6种特征组合关系并不能全部通过直接特征提取和识别变成CAPP的输入模型，这6种情况的识别策略如下：
(1)基准关系。不能直接从特征之间的父子关系识别，只能在作为基准的特征上添加基准关系属性，并指明所有以此特征为基准的特征。这样就可以通过上面的方法提取和识别这种基准关系，所需的额外工作是特征识别的后处理，即从提取的属性信息里匹配所有特征。
(2)互为基准关系，识别方法同基准关系，但需要在具备互为基准关系的所有特征上添加互为基准关系属性。
(3)定位关系。CAD模型中特征之间的定位关系体现在几何拓扑结构上，如定位尺寸；CAPP出于加工的需要更关心产生定位关系的特征是哪些，而CAD模型无法完全满足CAPP的要求，因此实现定位关系识别的快捷方法是显式地指明这种关系，作为特征的属性由特征提取和识别的几个步骤进行识别。
(4)衍生关系。一方面，CAD构建特征时有一定随意性，不一定严格按照设计师的意图刻意规定特征之间的父子关系；另一方面，本文所指的衍生关系更多是出于加工上的考虑而提出的，CAD模型无法体现这种要求，具有衍生关系的特征问不一定具有CAD意义上的父子层次关系。出于这两点，衍生关系不能直接由Pro/E的父子层次关系识别，其识别策略与定位关系相同，也是直接在特征上添加属性提取。
(5)精度要求关系．可直接由特征提取与识别获得，因为隶属于特征的形位公差可通过特征属性识别提取出来，所以可将具有精度要求的特征一一识别。
(6)同类特征关联关系。可直接由特征提取与识别获得。前面提到的特征类别提取可识别出同类特征．有时出于制造上的考虑，需要特别指定同类特征关联关系，这时应该在类特征中添加属性信息加以约束。
4 特征组合对工艺推理的影响
引入特征组合描述以后，CAPP可以获取更为准确和丰富的零件特征信息，同时这些组合关系也将对CAPP的工艺推理产生影响。一方面，设计工艺路线、选择机床工装和定位装夹方式时必须考虑以上列举的特征之间的组合关系；另一方面，这些特征组合关系的存在也会对工序工步排序规则和排序结果产生影响，下面讨论这两个问题。
4.1 特征组合对工艺路线设计的影响
工艺路线设计包括工序设计、工步设计、装夹方式选择、机床工装（夹具、量具、辅具）选择等任务，这6种特征组合关系对各个子任务的影响如表1所示。
表1 特征组合关系对工艺路线设计的影响
从表1可以看出，特征的组合描述对以单特征为基础的工序设计基本没有影响，因为工序是以特征类别为基础的，但将工序细化为工步并选择定位装夹方式和工装时必须考虑特征间的组合关系的影响：
(1)尽管工步是面向单特征的，但如果特征之间有基准或互为基准关系，都会影响所选的加工方法；精度要求关系和同类特征关联关系都要求工步尽可能地集中，以优化整个工艺路线。
(2)特征之间的基准关系、互为基准关系、定位关系和精度要求关系都是选择机床、夹具、量具的约束条件。这些约束使得在单特征工艺推理下可以选择的一部分机床和工装变得不可选，有时还会提出设计专用夹具的要求。
(3)零件特征中的基准和互为基准关系决定了加工时基准的选择。同时特征间的精度要求关系和定位关系决定了装夹方式。例如，加工车床主轴时，为了满足三个外圆柱特征的位置精度要求，必须选择搭中心架的定位装夹方式。
4.2 特征组合对工序工步排序的影响
工序工步排序是工艺推理的重要内容，很人程度上决定了整个CAPP系统成功与否，排序策略一般用规则来表示。在引入特征组合描述之前，工序工步的排序策略是不完整的，因为排序时漏考虑了特征之间的内在联系。
上面列举的6种关系对工序工步的影响用规则表达如下：
规则1.若特征之间有基准关系，则将作为基准的特征的加工放在前，与此特征有基准关系的特征的加工放在后。
规则2.若特征之间有互为基准关系，则按照特征先后作为基准的顺序安排特征的加工顺序。
规则3.若特征之间有定位关系，则将决定其它特征位置的特征的加工放在前，被决定位置的特征的加工放在后。
规则4.若特征之间有衍生关系，则由特征产生的先后顺序确定特征的加工顺序——先产生的特征的加工放在前，后产生的特征放在后。
规则5.若特征之间有位置精度要求关系，则将这些特征在一次定位装夹中加工。
规则6.若特征之间有同类特征关联关系，则将加工这些特征的工步集中至尽可能少的工步中。
对于同时具有多种关系的特征，可同时运用以上工序工步排序规则，实现智能推理，如果产生冲突，可由用户决定规则的优先度。
5 应用
如图4所示的车床主轴零件中，特征F3001（外圆柱）、F6001（外圆柱）、F8001（外圆柱）、F0101（外圆柱）有同轴度要求；同时这4个特征又是同类特征，加工时具备同类特征关联关系，按照特征关系对加工的影响，应在一次装夹中完成4个特征的加工．特征F2002（外螺纹）、F9002（外螺纹）、F0302（外螺纹）之间是同类特征关联关系，应在一道工序中加工；特征F6002(键槽)、F7002（外花键）与它们所在圆柱段有衍生关系，根据第4.2节中的规则4，其加工工序应置于圆柱特征加工之后。
图4 某型号主轴零件
我们在考虑零件特征组合关系的基础上开发了一个CAD/CAPP集成原型系统，实现了从CAD中直接提取零件特征，并结合特征组合描述进行工艺推理，系统框架如图5所示。该系统采用VC++6和PowerBuilder6.5，在Windows 2000下开发，图6为图7中特征组合关系1000和2003的描述内容示例。图7右半部分为零件特征及特征组合关系描述特征树，左半部分是示例零件考虑关联特征的零件工艺树，为清晰起见，此处只讨论轴段。从推理结果可以看出：综合考虑单特征和特征组合之后，不但在很人程度上改善了CAD与CAPP集成过程中可能出现的信息“丢失”，而且得到的工艺结果也更准确、可信。
图5 CAD/CAPP集成系统的框架
图6 特征组合关系描述示例
图7 有组合关系的零件特征树与工艺树
6 结论
提出了面向工艺推理的零件特征组合的描述，列举了组成零件的特征之间可能存在的组合关系，并且讨论了各种组合关系对工艺推理的影响，特征组合关系的描述完善了从CAD信息向CAPP信息转化这一困难过程，提高了转化的准确性和完整性，充实了工艺推理的条件，使CAPP的工艺推理过程更准确、可信，并以一个实例说明特征组合关系对工艺结果的影响，更为高效的算法正在研究中。
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