頂桿自動識別系統(tǒng)的設(shè)計【鋼管生產(chǎn)】

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引言對于零件加工，加工特征起到連接CAD和CAPP的作用。因為CAD數(shù)據(jù)處于一個低水平的格式，比如邊界表示法。因此，CAD數(shù)據(jù)需要被轉(zhuǎn)化為一個高層次的格式以便滿足CAPP的應(yīng)用。在特征識別的過程中，在設(shè)計結(jié)束后，特征從零件描述中被識別出來。因為CAD數(shù)據(jù)沒有明確的提供特征信息，因此，特征信息必須要被識別和提取。所以，從CAD模型中識別特征的方法和算法是非常關(guān)鍵的。旋轉(zhuǎn)零件通常以2D模型的形式來表述，旋轉(zhuǎn)特征可以從零件的2D輪廓或邊界模式中來判別。人們發(fā)現(xiàn)識別旋轉(zhuǎn)特征的方法可以用作旋轉(zhuǎn)模式的識別，專家系統(tǒng)/邏輯方法和基于圖的方法的識別。最近，柱狀3D特征普遍用固體模型表示。3D柱狀特征的識別已經(jīng)與搜索和匹配3D表面鄰接關(guān)系或體積模式的幾何推理有關(guān)聯(lián)。Joshi、Chang和Tseng總結(jié)了3D柱狀特征的特征識別方法。Sakurai和Dave、Trabelsi和Meeran、Wu和Liu、Dong和Vinayan、Qamhiyah et al、Allada、Anand代表著最近的方法。特征識別方法有允許使用不同系統(tǒng)的CAD作為輸入數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。方法本身沒有限制設(shè)計者設(shè)計零件的幾何。但是，識別程序始于一開始而且沒有一個設(shè)計者的想法可以用來協(xié)助識別。設(shè)計的作用性信息不代表著特征數(shù)據(jù)，那樣就需要在識別程序啟動后解釋一下。另外，在某些情況下存在不識別的結(jié)果。一個零件幾何的一部分可能會由于一些參數(shù)和特殊方法的限制而不被識別。一些不被識別的結(jié)果可以發(fā)生在不同的情況下。（1）設(shè)計的零件可能還沒有完成或者由于設(shè)計者的錯誤而造成的零件的不正確。比如，一個設(shè)計者在設(shè)計一個槽指定了2個面，但是2個面不互相平行。那么如果特征識別方法搜索一個關(guān)于2個面平行的模式，那么槽就不會被識別。（2）也有可能存在不是預(yù)定義的特征，設(shè)計者可能給一個零件設(shè)計一個新的形狀，那么新的幾何將不會被特征識別方法所識別。（a）這種方法四個階段的所有流程 (b)整合模塊化和模塊化特征識別的模塊化建模方法的所有流程圖1 （3）該特征識別算法可能沒有完成，比如，特征識別方法的推理和搜索方法不包括所有可能的情況。在某些情況下，由于特征的相互作用引起的邊界變動而出現(xiàn)了不識別的結(jié)果。特殊的幾何結(jié)構(gòu)可能沒有被定義而識別不了。如果有一個不識別的結(jié)果出現(xiàn)，那么一個恢復(fù)過程是必須的。另一方面，在傳統(tǒng)的基于特征設(shè)計的方法中，在創(chuàng)造一個新零件的過程中，特征就被包含在里面了。事先定義的特征是來自于一個圖書館并且操縱設(shè)計著一個零件。基于特征的零件的描述可以直接用在CAPP中。關(guān)于基于特征設(shè)計方法的回顧和討論可以在Chang、Shah、Roger和Shah中找到。在一個典型的基于特征的設(shè)計中，可以用到設(shè)計中的形狀被限制在個別的基本加工特征中。設(shè)計者可能必須得考慮不使用功能因素的加工觀點的幾何。然而，所有的形狀是用基本的加工特征創(chuàng)造出來的，盡管那些形狀可能經(jīng)常使用組或者完成了的模型。最近，Laakko、Mantyla和De Martino et al已經(jīng)在討論基于特征的設(shè)計和特征識別的綜合化。在上述方法中主要討論的主題是在基于特征設(shè)計的程序之后去識別和更新特征。目的是分開互動特征和在基于特征設(shè)計的模型中保持一組有效設(shè)置的特征。Han 和 Requicha提出的方法是在固體模型和設(shè)計特征中識別特征運用信息是否有用。主要思想是利用設(shè)計特征或人的干預(yù)來提示特征識別程序。本文提出了一種新的方法。第一個想法是加強(qiáng)提供給設(shè)計者的技術(shù)支持。這種方法是基于設(shè)計者對功能設(shè)計觀點中的功能模塊比較熟悉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。那樣對于一個設(shè)計者來說在設(shè)計中使用功能模塊比使用個人加工特征要方便的多。從功能觀點來看，一個功能模塊在一個零件中起著一個獨特的作用。從加工觀點來看，一個功能模塊可以看做是一個包含一組基本的加工特征的復(fù)合特征。在這種情況下，復(fù)合特征經(jīng)常出現(xiàn)在設(shè)計中，這個特征可以被定義為一個協(xié)助設(shè)計程序的模塊。第二種想法是簡化特征識別程序上的負(fù)荷。數(shù)據(jù)顯示對于一個固定的產(chǎn)品類型，例如電機(jī)軸，只限制了功能模塊的存在。每個功能模塊只限制了加工特征的存在。因此，特征識別方法可以簡化為申請僅有的必須的特征識別和只在每個單一的模塊上搜索。在典型的特征搜索方法中，經(jīng)常嘗試去開發(fā)一個方法，這個可以方法盡可能復(fù)雜和完全的去識別盡可能多的特殊例子。在這種新方法中的想法是去取消執(zhí)行十分復(fù)雜的特征識別和搜索整個零件的必要性。基于每個模塊的特征，只有必須的特征識別程序才會在每個模塊上執(zhí)行。因此，該設(shè)計采用增強(qiáng)模塊的設(shè)計理念，只識別每個模塊上的加工特征簡化了特征識別。在這種方法中，四個階段中執(zhí)行了兩個階段。在第一個階段中分析了存在的零件。模塊創(chuàng)造階段和模塊特征識階段仍在運行著。在應(yīng)用階段，新零件可以被創(chuàng)造出來。模塊階段的設(shè)計和CAPP的準(zhǔn)備階段也在運行著。四個階段的流程圖顯示在圖a中，方法的整體流程顯示在圖b中。在下面的介紹中，四個階段都被討論了。在電機(jī)軸的設(shè)計和流程規(guī)劃環(huán)境上實施這個方法同樣也被討論了。最后，結(jié)論將在第7節(jié)中得出。圖2 使用范例A說明一個電機(jī)軸被分成五個功能環(huán)節(jié)2 模塊創(chuàng)建階段首先，零件的類型被分析了并且分解成幾個孤立的功能環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)執(zhí)行著不同的功能和在整個零件中扮演著一個獨特的角色。在每個功能環(huán)節(jié)，幾何形狀可能會變化。不同的幾何形狀可以執(zhí)行著相同的功能但是可能會隨著它們自身的詳細(xì)幾何形狀而變化。這些不同的幾何形狀被叫做功能環(huán)節(jié)的功能模塊。在這個階段，各種功能模塊都為了每個功能環(huán)節(jié)而創(chuàng)造出來。從另一個觀點來看，一個功能模塊可以看做是一個包含著一系列的基本加工特征的復(fù)合特征。每個功能環(huán)節(jié)為了確定它的幾何和加工特征而分析。圖3 設(shè)置五個環(huán)節(jié)的每個模塊裝置的部分舉個例子，一個電機(jī)的軸可以被劃分為5個功能環(huán)節(jié)。5個功能環(huán)節(jié)可以命名為LE環(huán)節(jié)、LB環(huán)節(jié)、C環(huán)節(jié)、FB環(huán)節(jié)和FE環(huán)節(jié)。電機(jī)軸的每個環(huán)節(jié)的詳細(xì)功能是很長的而且不會在這里討論。為了確保一個有用的表決，這次任務(wù)需要和設(shè)計者和制造商詳細(xì)的討論。在表決之后，每個環(huán)節(jié)在軸中執(zhí)行著一個獨特的角色但是可以結(jié)合在特殊考慮下的詳細(xì)幾何而設(shè)計不同角色。一個不同的幾何圖形為功能環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個可能性的功能模塊。用一個電機(jī)軸作為插圖，五個功能環(huán)節(jié)如圖2所示。設(shè)置五個環(huán)節(jié)的每個模塊裝置的部分如圖3所示?？偨Y(jié)這個階段的程序如下所示。（1）根據(jù)功能設(shè)計的概念把一個零件劃分為幾個功能環(huán)節(jié)。一個零件劃分成n個環(huán)節(jié)并且標(biāo)記為S1,S2,S3Sn。比如說，一個電機(jī)軸可以被劃分為5個環(huán)節(jié)標(biāo)記為LE,LB,C,FB和FE。（2）為每個功能環(huán)節(jié)設(shè)計功能模塊。在每個環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)可能結(jié)合基于不同詳細(xì)考慮的不同的幾何形狀來設(shè)計。每個不同的設(shè)計就是每個環(huán)節(jié)的模塊。因此，對于每個Si環(huán)節(jié)，各種Mij模塊被創(chuàng)造出來。環(huán)節(jié)S1：模塊M11，M12環(huán)節(jié)S2：模塊M21，M22環(huán)節(jié)S3：模塊M31，M32環(huán)節(jié)Sn：模塊Mn1，Mn2作為圖3的插圖，在一個電機(jī)軸中，不同的模塊為每個環(huán)節(jié)創(chuàng)造出來。對于LE環(huán)節(jié)，模塊LE1,LE2,LE3LEn被創(chuàng)造出來了。對于LB環(huán)節(jié)，模塊LB1,LB2,LB3LEn被創(chuàng)造出來了。對于C環(huán)節(jié)，模塊C1,C2,C3Cn被創(chuàng)造出來了。數(shù)據(jù)顯示這種方法比較適合固定的產(chǎn)品類型。在實際情況中，每個環(huán)節(jié)的不同的模塊數(shù)可以被一組受限制的數(shù)字所控制。根據(jù)當(dāng)?shù)匾患译姍C(jī)制造公司的數(shù)據(jù)顯示。盡管電機(jī)的尺寸在5到150馬力之間變化，軸中一個環(huán)節(jié)中的不同模塊數(shù)目在20之內(nèi)。主要的原因是一個環(huán)節(jié)的主要功能被確定了，然后主要的形狀通常也就固定了。那樣，模塊形狀的變異可能只是在細(xì)節(jié)上了。自從負(fù)載側(cè)通常是以顧客為中心的，最大的數(shù)目經(jīng)常出現(xiàn)在LE環(huán)節(jié)上了。經(jīng)過對所有章節(jié)的所有模塊創(chuàng)建之后，所有的模塊都投入了下一階段的特征識別。3 模塊化特征識別階段在這個階段，一個特征識別的方法應(yīng)用在前一階段創(chuàng)建的每個模塊的邊界表示數(shù)據(jù)中。從加工的觀點來看，每個模塊是一個復(fù)合特征而且是對應(yīng)著一組加工特征。每個環(huán)節(jié)有它自身鮮明的特點。只有限制了存在于每個環(huán)節(jié)中的模塊的基本加工特征的類型。因此，特征識別方法可以簡化為只采用必須的特征識別和在一個明確的環(huán)節(jié)中搜索。有一種方法使用邊緣鄰接圖去識別，區(qū)分2D加工特征呈現(xiàn)在下面。（1）一個模塊的2D邊界表示數(shù)據(jù)是從CAD系統(tǒng)中檢索出來的。2D的幾何數(shù)據(jù)用坐標(biāo)(x，z)表示用來輸入到識別方法中。由于零件是旋轉(zhuǎn)的而且零件的邊緣是對稱的，只有上半部分能輸入到程序中。（2）模塊的邊緣是從右到左變化的。模塊的邊緣被劃分為線性邊緣和圓弧邊緣。鄰接邊緣的鄰接關(guān)系就被確定了。邊緣可以被劃分為凸鄰接或凹鄰接。如果從外部測量的零件的邊緣之間的角度是小于180度，那么兩邊緣是凹鄰接，否則是凸鄰接。（3）模塊的邊緣可以用節(jié)點來表示，連接兩邊緣的直線可以用圖中的圓弧表示。（4）特征模式可以用邊緣鄰接圖稱作特征圖來表示。每個特征模式有一個獨特的特征圖。這個應(yīng)用的特征模式包括外徑（H）、面（E）、錐度（T）、倒角（M）、圓角的加強(qiáng)（R）、棱角角度的加強(qiáng)（P）、槽（U）、V型槽（V）。特征模式和特征圖如圖4所示。圖4 特征模式和特征圖附件2：外文原文（復(fù)印件）