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摘 要 特征识别和提取在CAD/CAPP/CAM集成中发挥着核心桥梁作用，本文以三维CAD技术为基础，在研究参数化设计原理的情况下，从应用实践的需求出发，建立参数化建模的方法。对零件组织和信息特征进行了分类研究，为特征提取提供依据，研究和分析了三维零件特征提取的原理和基本描述方法，提出了面向对象的零件制造特征建模方法。
关键词 CAPP CAD 面向对象 特征识别
中图分类号：TP391.72 文献标识码：A
CAPP（ Computer Aided Process Planning） 是计算机辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术 ， 而随着制造业信息化建设的快速发展，CAD/CAPP/CAM 三者之间的集成已成为数字制造技术发展的必然要求，特征识别和提取在CAD/CAPP/CAM集成中发挥着核心桥梁作用，当前制造业中产品设计更多地采用三维 CAD 技术，要使CAPP 摆脱传统的二维环境的工艺设计模式，在三维环境下的零件特征信息识别和提取的发展变得尤为急迫。
一、零件特征信息概述
零件特征是对零件的几何形状、加工制造工艺以及功能特性等信息的综合描述，是零件模型的核心部分，研究特征提取的目的就是为了向 CAPP 系统提供反映了设计和制造所需的各种工程信息。
在参数化建模中，特征是一个广义的概念，既可大到一个完整的装配体，也可以小到点、面、尺寸信息，甚至可以是某个特点结构的工艺技术信息。在机械加工领域，一般将零件特征信息归为五大类：造型特征、精度特征、技术特征、管理特征、材料及热处理特征。
（一）造型特征。
造型特征，是对零件包含的几何形状、尺寸信息及拓扑关系进行的描述，是其他特征是依附在造型特征上而存在的。造型特征是零件特征表达最为丰富，信息量最大的特征，也是零件描述必须存在的基础特征。
不同的造型信息在零件中承担着不同的功能目标，对于制造工艺也提出了不同的要求。从加工工艺角度，造型特征分为主特征和辅助特征。主特征用于描述零件的主要制造特征，辅助特征从属于主特征，对零件的次要几何特征进行描述。
（二）精度特征。
精度特征表达了零件在尺寸和形状上的互换性要求，主要包括各种公差和表面粗糙度等。
（三）技术特征。
技术特征是一个描述零件功能和技术要求关联性的集合特征，包括零件功能、设计要求、约束条件等信息。它的属性是对其它零件特征中的中配合和装配要求的引用。
（四）管理特征。
管理特征是指与零件管理有关的信息集合，包括标题栏（如零件名、图号、设计者、设计日期等）、零件材料、未注粗糙度等信息。
（五）材料及热处理特征。
材料及热处理特征是指与零件材料和热处理技术有关的信息集合，包括零件的材料属性、性能、热处理方式、表面处理方式等。
二、三维零件特征识别原理
计算机技术在工业发在中的普及应用，促成了当今机械制造业的柔性发展。而CAD/CAPP/CAM 集成系统是否能够用自动输入代替传统零件描述方法中繁琐的手工输入，是评价一个 CAPP 系统是否良好的的重要指标。因此，从三维设计模型中识别和提取出可供加工的特征成为了一个 CAPP 集成的关键 。
CAD 软件在设计模型时，是依照设计信息进行组织的，加工工艺与设计的信息的需求不可能完全一致，因此在造型信息转换为制造信息的时候必然会导致特征识别的问题。所谓特征识别就是按照工程制造的要求，从设计的三维模型中，自动地识别出有加工意义的信息特征，并且根据已有的制造特征组合成特征实例的过程。特征识别的重点是从设计的下层信息中抽取数据形成上层的加工信息。如图 1 给出了特征识别系统的结构示意图。
特征识别的基本原理是由零件实体抽取几何和制造信息，然后根据制造特征类组合比较，根据提取和识别的信息将特征类实例化。本文提取技术涉及的特征识别的方式主要基于边界的特征识别方法，可分为以下三种：
（一）规则特征识别。
定义规则通过规则确定特征的边界，然后基于这些规则进行特征识别。例如定义孔的特征规则：开口面开始，确定孔轴共面，孔的所有面顺序相连，最后判断是否终止于有效孔地面。此种方法是通过比较模型边界事实和特征规则的关系，对零件特征进行识别 。
（二）图的特征识别。
该类方法采用以面为结点，以面面之间的连接关系为弧线，来表示零件的边界的图模型，这种面邻接图与一般面边图的区别在于用弧线的属性来表示面的凸凹性，从而使边界模式的图信息更为完整 ，图 2 表示识别模式下的立方体。
基于图的特征识别方法的特征搜索策略是子图匹配，即通过将零件边界图库里面的图例与实际模型中的的图的特征进行比较匹配，因此如何提高图的搜索算法效率，分类匹配取代对所有子图进行匹配是基于图的特征识别方法的关键问题之一 。
（三）痕迹的特征识别。
任何一个特征实例在零件 CAD 模型中都必然留下了特征痕迹。在特征发生相交后，原有的特征边界消失，取而代之的是新的特征约束，因此基于这些改变痕迹可以逐步识别出零件特征。在当前实体边界表示技术是成熟的条件下，具体的特征痕迹可以是几何拓扑信息， 也可以是设计特征其它 CAD 信息，目前特征痕迹主要是依据拓扑信息和设计特征来确定的。
三、面向对象的制造特征建模和实例化方法
零件制造信息具有复杂性，涵盖了工艺过程中的诸多信息，它包括几何形状信息（形状、尺寸、坐标等）、精度信息（待加工表面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度）、材料信息（材料类型、性质和热处理状态）以及管理信息（零件批量，毛坯类型、名称等） 。如何组织这些制造信息，并将其转化为能够被工艺设计等制造活动所使用的制造特征，服务于工艺设计和制造过程，是处理特征信息的关键问题所在。我们可以利用面向对象的思想，将服务于同一制造对象的信息组合建立为一个制造特征类，特征类描述为与制造活动相关的产品对象信息的集合。制造特征类中不但具有构成同类特征的形状和几何信息，又包含能够用于指导制造过程的公差、粗糙度等制造信息。根据后续的制造要求，可以对制造特征类进行分层次描述。 制造特征建模可以从制造特征类层、特征层、特征参数分层次地描述，如图3 所示。
（一）特征类层。
分类描述制造特征，即根据制造需求和加工工艺特点对制造特征进行归类定义。制造特征类作为一个制造特征的抽象分类，将一类制造特征相似的制造对象归为一个类，并对类定义和描述，确定其中包含的各种特征属性。
（二）特征层。
将几何特征根据集合的包含关系可分为几何特征、几何形面和区域三类特征。几何特征是是特定的建模特征，如螺纹等；制造过程中的基本形面特征如平面、回转面、自由曲面等为几何形面；区域是几何形面上具有特定加工意义的一些面的集合，是几何形面的一部分。几何特征、几何形面、区域相互组合可构成几何形状特征。
（三）特征参数层。
产品的制造特征最终通过相关参数表达，如尺寸、公差、形位公差、粗糙度和热处理等信息。这些信息依附于制造特征或者相关的几何形状而存在，进一步描述制造特征的制造要求 。
建立了制造特征类以后，下一步是将从设计模型中获取的具体各种信息组合成为制造特征，成为有用的适应于工艺加工的信息，我们采用面向对象的方法，引入类与实例的概念。依据面向对象的思想，我们定义好的制造特征类是创建对象实例的模板，而组织这些特征信息的过程，就是将这些作为模板的类实例化的过程。类中属性的定义，保证了该类定义的实例信息的完整。而这种实例化的过程可以用三个概念来描述：制造特征类、制造特征实例和制造特征信息完整性和合理性。
1、制造特征类。即上面提出的将的具有相似几何形状、相同的制造信息和工艺与制造方法的一类制造对象进行抽象定义，封装得到创建产品制造特征实例的模板。
2、制造特征实例化。制造特征实例是依据抽象的制造特征类型，从设计模型中获取得到的具体的对象，将识别和提取的特征与制造特征类就行匹配的过程。
如图4 所示，每个制造特征实例化就是将制造特征类的属性参数具体化，因此，每个实例具有所属制造特征类定义的几何形状属性值和制造信息属性值及其相应的属性值间的关系。完成制造特征信息实例化分为以下几步：
第一，根据识别的模型所包含的几何和制造信息，确定实际提取零件信息包含的制造特征类型，将特征信息匹配为制造特征类对应的制造特征实例，同时初始化制造特征实例。
第二，以制造特征实例对应的制造特征类型为模板，从识别和提取信息中获取制造特征实例应包含的几何和制造属性参数值，完成的几何和制造属性值具体化。
第三，根据制造特征类的几何要素关联的属性关系，依据产品模型上获取的几何要素关联的特征信息值，完成实例中的几何关联属性。
四、结语
本文以三维CAD技术为基础，在研究参数化设计原理的情况下，从应用实践的需求出发，建立参数化建模的方法。对零件组织和信息特征进行了分类研究，为特征提取提供依据，研究和分析了三维零件特征提取的原理和基本描述方法，提出了面向对象的零件制造特征建模方法，为后续CAD/CAPP/CAM 三者之间的集成搭建了桥梁。
（作者单位：重庆工程职业技术学院）
注释：
陈桦，何明格. 计算机支持协同工作的 CAPP 系统的研究[J]. 制造业信息化，2007（ 8） ：123 ～126
D.B.Perngt. Resolving Feature Interaction in 3D Part Editing[J]. Computer Aided Design， 1997，（10）：687-699.
Martino TD， Falcidieno B. Feature-based modeling by integrating design and recognition approaches[J]. Computer Aided Design， 1994（8）：646-653.
俞研，陶俐言. CAD/CAM 集成系统中的特征分类与描述方法研究[J]. 制造业自动化，2009，（1）：30-33.
高曙明. 自动特征识别技术综述[J]. 计算机学报， 2008，21（3）：281-287.
张胜文，柴油机复杂零件 CAD 没图形信息提取系统的研究[J]，机械科学与技术，2001，20（4）：623-625.
王波，宋长新，程敬之.自动特征识别技术的新方法[J]. 西安交通大学学报， 2012，36（8）：1006-1009.
关键词 CAPP CAD 面向对象 特征识别
中图分类号：TP391.72 文献标识码：A
CAPP（ Computer Aided Process Planning） 是计算机辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术 ， 而随着制造业信息化建设的快速发展，CAD/CAPP/CAM 三者之间的集成已成为数字制造技术发展的必然要求，特征识别和提取在CAD/CAPP/CAM集成中发挥着核心桥梁作用，当前制造业中产品设计更多地采用三维 CAD 技术，要使CAPP 摆脱传统的二维环境的工艺设计模式，在三维环境下的零件特征信息识别和提取的发展变得尤为急迫。
一、零件特征信息概述
零件特征是对零件的几何形状、加工制造工艺以及功能特性等信息的综合描述，是零件模型的核心部分，研究特征提取的目的就是为了向 CAPP 系统提供反映了设计和制造所需的各种工程信息。
在参数化建模中，特征是一个广义的概念，既可大到一个完整的装配体，也可以小到点、面、尺寸信息，甚至可以是某个特点结构的工艺技术信息。在机械加工领域，一般将零件特征信息归为五大类：造型特征、精度特征、技术特征、管理特征、材料及热处理特征。
（一）造型特征。
造型特征，是对零件包含的几何形状、尺寸信息及拓扑关系进行的描述，是其他特征是依附在造型特征上而存在的。造型特征是零件特征表达最为丰富，信息量最大的特征，也是零件描述必须存在的基础特征。
不同的造型信息在零件中承担着不同的功能目标，对于制造工艺也提出了不同的要求。从加工工艺角度，造型特征分为主特征和辅助特征。主特征用于描述零件的主要制造特征，辅助特征从属于主特征，对零件的次要几何特征进行描述。
（二）精度特征。
精度特征表达了零件在尺寸和形状上的互换性要求，主要包括各种公差和表面粗糙度等。
（三）技术特征。
技术特征是一个描述零件功能和技术要求关联性的集合特征，包括零件功能、设计要求、约束条件等信息。它的属性是对其它零件特征中的中配合和装配要求的引用。
（四）管理特征。
管理特征是指与零件管理有关的信息集合，包括标题栏（如零件名、图号、设计者、设计日期等）、零件材料、未注粗糙度等信息。
（五）材料及热处理特征。
材料及热处理特征是指与零件材料和热处理技术有关的信息集合，包括零件的材料属性、性能、热处理方式、表面处理方式等。
二、三维零件特征识别原理
计算机技术在工业发在中的普及应用，促成了当今机械制造业的柔性发展。而CAD/CAPP/CAM 集成系统是否能够用自动输入代替传统零件描述方法中繁琐的手工输入，是评价一个 CAPP 系统是否良好的的重要指标。因此，从三维设计模型中识别和提取出可供加工的特征成为了一个 CAPP 集成的关键 。
CAD 软件在设计模型时，是依照设计信息进行组织的，加工工艺与设计的信息的需求不可能完全一致，因此在造型信息转换为制造信息的时候必然会导致特征识别的问题。所谓特征识别就是按照工程制造的要求，从设计的三维模型中，自动地识别出有加工意义的信息特征，并且根据已有的制造特征组合成特征实例的过程。特征识别的重点是从设计的下层信息中抽取数据形成上层的加工信息。如图 1 给出了特征识别系统的结构示意图。
特征识别的基本原理是由零件实体抽取几何和制造信息，然后根据制造特征类组合比较，根据提取和识别的信息将特征类实例化。本文提取技术涉及的特征识别的方式主要基于边界的特征识别方法，可分为以下三种：
（一）规则特征识别。
定义规则通过规则确定特征的边界，然后基于这些规则进行特征识别。例如定义孔的特征规则：开口面开始，确定孔轴共面，孔的所有面顺序相连，最后判断是否终止于有效孔地面。此种方法是通过比较模型边界事实和特征规则的关系，对零件特征进行识别 。
（二）图的特征识别。
该类方法采用以面为结点，以面面之间的连接关系为弧线，来表示零件的边界的图模型，这种面邻接图与一般面边图的区别在于用弧线的属性来表示面的凸凹性，从而使边界模式的图信息更为完整 ，图 2 表示识别模式下的立方体。
基于图的特征识别方法的特征搜索策略是子图匹配，即通过将零件边界图库里面的图例与实际模型中的的图的特征进行比较匹配，因此如何提高图的搜索算法效率，分类匹配取代对所有子图进行匹配是基于图的特征识别方法的关键问题之一 。
（三）痕迹的特征识别。
任何一个特征实例在零件 CAD 模型中都必然留下了特征痕迹。在特征发生相交后，原有的特征边界消失，取而代之的是新的特征约束，因此基于这些改变痕迹可以逐步识别出零件特征。在当前实体边界表示技术是成熟的条件下，具体的特征痕迹可以是几何拓扑信息， 也可以是设计特征其它 CAD 信息，目前特征痕迹主要是依据拓扑信息和设计特征来确定的。
三、面向对象的制造特征建模和实例化方法
零件制造信息具有复杂性，涵盖了工艺过程中的诸多信息，它包括几何形状信息（形状、尺寸、坐标等）、精度信息（待加工表面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度）、材料信息（材料类型、性质和热处理状态）以及管理信息（零件批量，毛坯类型、名称等） 。如何组织这些制造信息，并将其转化为能够被工艺设计等制造活动所使用的制造特征，服务于工艺设计和制造过程，是处理特征信息的关键问题所在。我们可以利用面向对象的思想，将服务于同一制造对象的信息组合建立为一个制造特征类，特征类描述为与制造活动相关的产品对象信息的集合。制造特征类中不但具有构成同类特征的形状和几何信息，又包含能够用于指导制造过程的公差、粗糙度等制造信息。根据后续的制造要求，可以对制造特征类进行分层次描述。 制造特征建模可以从制造特征类层、特征层、特征参数分层次地描述，如图3 所示。
（一）特征类层。
分类描述制造特征，即根据制造需求和加工工艺特点对制造特征进行归类定义。制造特征类作为一个制造特征的抽象分类，将一类制造特征相似的制造对象归为一个类，并对类定义和描述，确定其中包含的各种特征属性。
（二）特征层。
将几何特征根据集合的包含关系可分为几何特征、几何形面和区域三类特征。几何特征是是特定的建模特征，如螺纹等；制造过程中的基本形面特征如平面、回转面、自由曲面等为几何形面；区域是几何形面上具有特定加工意义的一些面的集合，是几何形面的一部分。几何特征、几何形面、区域相互组合可构成几何形状特征。
（三）特征参数层。
产品的制造特征最终通过相关参数表达，如尺寸、公差、形位公差、粗糙度和热处理等信息。这些信息依附于制造特征或者相关的几何形状而存在，进一步描述制造特征的制造要求 。
建立了制造特征类以后，下一步是将从设计模型中获取的具体各种信息组合成为制造特征，成为有用的适应于工艺加工的信息，我们采用面向对象的方法，引入类与实例的概念。依据面向对象的思想，我们定义好的制造特征类是创建对象实例的模板，而组织这些特征信息的过程，就是将这些作为模板的类实例化的过程。类中属性的定义，保证了该类定义的实例信息的完整。而这种实例化的过程可以用三个概念来描述：制造特征类、制造特征实例和制造特征信息完整性和合理性。
1、制造特征类。即上面提出的将的具有相似几何形状、相同的制造信息和工艺与制造方法的一类制造对象进行抽象定义，封装得到创建产品制造特征实例的模板。
2、制造特征实例化。制造特征实例是依据抽象的制造特征类型，从设计模型中获取得到的具体的对象，将识别和提取的特征与制造特征类就行匹配的过程。
如图4 所示，每个制造特征实例化就是将制造特征类的属性参数具体化，因此，每个实例具有所属制造特征类定义的几何形状属性值和制造信息属性值及其相应的属性值间的关系。完成制造特征信息实例化分为以下几步：
第一，根据识别的模型所包含的几何和制造信息，确定实际提取零件信息包含的制造特征类型，将特征信息匹配为制造特征类对应的制造特征实例，同时初始化制造特征实例。
第二，以制造特征实例对应的制造特征类型为模板，从识别和提取信息中获取制造特征实例应包含的几何和制造属性参数值，完成的几何和制造属性值具体化。
第三，根据制造特征类的几何要素关联的属性关系，依据产品模型上获取的几何要素关联的特征信息值，完成实例中的几何关联属性。
四、结语
本文以三维CAD技术为基础，在研究参数化设计原理的情况下，从应用实践的需求出发，建立参数化建模的方法。对零件组织和信息特征进行了分类研究，为特征提取提供依据，研究和分析了三维零件特征提取的原理和基本描述方法，提出了面向对象的零件制造特征建模方法，为后续CAD/CAPP/CAM 三者之间的集成搭建了桥梁。
（作者单位：重庆工程职业技术学院）
注释：
陈桦，何明格. 计算机支持协同工作的 CAPP 系统的研究[J]. 制造业信息化，2007（ 8） ：123 ～126
D.B.Perngt. Resolving Feature Interaction in 3D Part Editing[J]. Computer Aided Design， 1997，（10）：687-699.
Martino TD， Falcidieno B. Feature-based modeling by integrating design and recognition approaches[J]. Computer Aided Design， 1994（8）：646-653.
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高曙明. 自动特征识别技术综述[J]. 计算机学报， 2008，21（3）：281-287.
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王波，宋长新，程敬之.自动特征识别技术的新方法[J]. 西安交通大学学报， 2012，36（8）：1006-1009.