CAD/CAPP/CAM信息集成是CIMS信息集成的关键。而在CAD/CAPP/CAM集成中，首先要解决CAD与CAPP的信息集成。目前，实现CAD/CAPP信息集成主要有以下几种途径：
·重构几何实体建模：通常采用用户自定义特征在基体上实施布尔运算来获取所需要的零件模型。但因用户自定义特征常常是制造特征，因此该方法不可避免地限制了设计人员的创造性思维。
·特征识别：是从CAD的实体模型中识别出下游生产活动(例如CAPP)所需要的特征信息。特征识别技术虽然已研究多年，但是通过特征识别能提取到的特征很有限，而且无法识别交互性特征。
·基于特征的设计：理论上允许采用任何种类的特征进行设计，但由于产品设计与工艺设计选用的特征可能不一致，在很多情况下，用户仍需建立特征造型的后置处理系统来实现CAD与CAPP或CAM的信息集成，难以充分发挥特征设计的优点。
·数据交换标准：这是一种与任何CAD/CAPP/CAM系统均独立的中性数据文件。通过该中性数据文件(例如STEP标准)实现各生产环节的信息集成。数据交换标准目前尚无法解决因特征交互而带来的问题。
·特征映射：利用各种映射原理及方法实现不同特征集之间的特征信息转换。例如可将设计特征集中的设计特征映射成为各种应用特征集中的应用特征。采取特征映射的办法实现CAD与CAPP信息集成的特点是：①以特征模型为转换、映射基础；②在特征层传递集成信息；③可有效解决特征交互问题。
本文以非回转体零件为研究对象，采用特征映射的方法实现CAD中设计特征到CAPP中制造特征的转换，进而实现CAD/CAPP信息集成。
1 系统结构
图1.1为系统总体结构。系统分为特征造型、特征映射与CAPP输入模型三部分，以Pro/Engineer软件为开发平台。零件建立特征模型后，其形状特征和精度特征通过不同的映射方法转换成制造特征送入CAPP输入模型。
2 关键技术
2.1 特征的自动分类描述
特征可根据形状、描述方法、应用场合等进行分类。但是这些分类法均不适用于基于特征映射的CAD/CAPP信息集成。为满足特征映射的要求，特征分类(在CAD模型中)应遵循下述原则：(1)特征分类要考虑特征映射的需要，应与映射方法相对应。因为特征的类型不同，往往映射方法不同；(2)特征分类要由计算机依据算法自动实现。
基于这种原则，结合所使用的Pro/Engineer软件特征造型功能特点，本文提出一种适用于特征映射的特征自动分类描述方法。该方法建立在CAD特征模型的层次结构基础之上，根据特征分解后的平面轮廓法向矢量判别准则对造型特征进行自动分类。特征模型的结构如图2.1所示，其中形状特征分为基本形状特征、造型特征、映射级特征和基元特征四层次。
图2.2列出每一层形状特征的分类情况。形状特征中的第一层一一基本形状特征的划分法有利于选用不同的造型特征和造型方法。基准单列有利于精度特征映射过程中各类尺寸基准面的确定。形状特征中的第二层一一造型特征选用Pro/Enginer造型模块中常用的设计特征，分别对应某一确定的造型方法。形状特征中的第三层一一映射函数的变元特征(级特征)位于形状特征结构的底层，是造型特征经过分类筛选后形成的特征。映射函数的变元特征分为0、1、2、3、4五个级别，分别与不同的映射方法相对应，又称为级特征。
五级特征的定义分别为：
0级特征：拓扑关系及几何关系固定的几何体，亦即特征的语义与特征的形状是一一对应的无二义性的特征。如图2.3(a)中的圆柱孔，圆锥孔等特征。nextpage
1级特征：组成特征所有的面特征轮廓是凸多边形，如图2.3(b)。
2级特征：组成特征所有的面特征轮廓中至少有一轮廓是凹多边形，如图2.3(c)。
3级特征：由0级、1级、2级特征中的部分面特征的组合所形成的特征，如图2.3(d)。
4级特征：通过特征造型模块中旋转(Revolve)、扫(Sweep)、折弯(B1end)等造型方法所生成的设计特征，即曲面特征，例如图2.3(e)。
2.3 为各级特征示例。
将造型特征自动分类为级特征的关键在于造型特征面轮廓的凹凸多边形的自动判别，其算法如下：
第一步：形状特征的几何遍历。
组成形状特征的几何构成要素及关系如下：
·形状特征：由若干面特征组成。
·平面：一个理想的几何表达，即无限的平面。
·面特征：有边界的平面。每一面特征可以由一至多个轮廓组成。
·轮廓：面特征上的一个封闭环，一个轮廓由若干条边组成，且一个轮廓只能属于一个面特征。
·边：面特征的边界，边是两平面的交线，边属于两相交平面。同时也属于两个轮廓。
遍历形状特征，须作如下工作：
·遍历零件的所有面特征；
·遍历每一面特征的轮廓线；
·先得到轮廓线的首边，然后遍历所有的边，使之成为一个封闭的环(圆是两个半圆弧组成)。
第二步:排序。
几何启遍历所得到的轮廓分为外轮廓和内轮廓。外轮廓必定存在并且至少有一个，而内轮廓可能存在，也可能不存在。
规定轮廓的遍历方向是按照右手边(RHS)规则进行，即有界的面特征永远位于右手边(RHS)。对于外轮廓而言，遍历的方向是顺时针方向；对于内轮廓而言，遍历的方向是逆时针方向。
轮廓经RHS排序后，边是有序的，如图2.4(b)的顺序，即E1、E2、E3、E4是有序的(RHS)，且每一条边的方向与轮廓的RHS方向一致。
第三步：搜索凹点。
以图2.4(a)的零件为例，该零件由基体和一个槽组成，基体以矩形截面拉伸而成，槽是在基体的A面上作如图2.4(b)的截面后拉伸而成的。
槽特征由10个面特征组成，每一个面特征都只有外轮廓而无内轮廓。针对槽的B面，其外轮廓依次由E1、E2、…E8共8条边组成，N为B面特征的外法矢。
对于每个顶点Pi，作与该点相连的有向边的叉乘运算：
如ni的方向与Ni同向，则该点即凹点；否则是凸点。与凹点相连的两边即为凹边。
级特征自动分类的实现，为确定特征映射方法奠定了基础。如图2.1所示，0级特征由于特征的语义与特征的几何形状一一对应，无需进行形状特征映射；1级特征映射采用空间关系约束法；2级和3级特征映射采用半空间分割法；4级特征由于较为复杂，直接进行数控加工。显然，由于这种特征分类法与各种特征映射方法相对应，因此可以简化特征映射过程，从而有效实现零件特征层上的信息转换。另外，由于采用数学工具——以面特征轮廓的外法矢方向作为级特征分类依据，使计算机进行特征自动分类成为可能。
2.2 特征映射过程的分阶段实施
考虑到特征映射的复杂性，不论是空间关系约束法还是半空间分割法都采取分阶段实施，以简化映射过程。
2.2.1 特征预处理
特征预处理包括特征提取和特征筛选两部分。特征提取是将特征造型过程中所使用的造型特征提取出来。值得指出的是，提取出的造型特征其语义此时并未明确。例如提取出的“槽特征”，此时尚不知道是直角形槽还是燕尾形槽。
特征筛选的作用是将提取出的造型特征(体特征)转变为面特征，以满足特征映射后续匹配过程的需要。造型特征之所以不能直接映射成为与其对应的制造特征，主要有以下原因：
·造型特征的抽象性。造型特征的抽象性虽然增加了设计灵活性，但同时也带来了特征语义与特征形状的对应关系的不唯—性。由于特征语义不明确，导致特征映射的困难，有时会出现上述“一对多”(造型时采用“槽”特征，由于截面形状的任意性，拉伸出来的“槽”特征可对应多种甚至未知的特征。)或“多对一”(直接用孔特征造型及用平面的圆拉伸的槽特征都可对应孔特征)的情况。nextpage
·视域依赖性：对于同一零件，视域不同决定了所采用的造型方法不同，具体用的造型特征亦不相同。如图2.5所示的零件：从力学分析角度，设计人员认为是筋，造型特征是基体特征上附加二块筋特征；从加工的角度，设计人员认为是槽，造型特征是基特征上去除槽特征。
将力学分析角度设计的零件模型用于加工，若不进行特征的映射，就不会得到加工所需要的槽特征，因此视域的不同，是造成不能直接映射的又一原因。
·造型特征出现干涉。原有特征不复存在，生成新的特征，例如图2.6中原来的型腔特征改变成盲槽特征。
鉴于上述情况，体特征一般要分解到面特征层上进行几何推理。
2.2.2 形状特征类型匹配
形状特征类型的判别方法是，确定出由分解得到的面特征在重新组合时的确切的形状特征和特征语义。形状特征类型匹配基于几何形状的空间约束关系，其中二元约束关系限制了两平面的空间关系。以图2.6零件中盲槽为例，其两侧面应满足的约束条件是：
·两面的几何形状是平面；
·两平面的法向矢量相向；
·两平面在法向矢量方向相互见。
依此类推，可确定构成盲槽的四个平面应满足的空间约束关系。以这种空间约束关系为匹配依据，面特征重组构成的体特征几何形状及其确切特征语义就可确定。图2.7为盲槽约束关系。表1为盲槽特征经过匹配后的输出结果。
2.3.3 特征属性识别
特征属性识别有助于进一步判断特征的有关特性，包括特征自由度、特征轮廓开放性及特征设计基准。
(1)特征自由度：分为回转自由度(2π，2π，2π）和平移自由度(1，1，1)，其中数值2π表示特征可绕某一轴做回转运动；数值1表示特征可以双向平移运动；若数值均为零，则特征在该轴向的回转运动和双向移动均受到限制；若数值为1/2，则特征仅能在单向无限运动，图2.8举例说明特征自由度的若干情况。
(2)特征轮廓开放性：表明特征在某一方向上刀具的可切入性。这对于确定刀具进刀方向，选择加工定位基准都具有重要意义。特征轮廓开放性用图2.7中单向或双向箭头表示。
(3)特征设计基准：为精度特征中尺寸精度、形位精度的确定提供基础。
3 结论
在CAD/CAPP集成环境中，特征映射是零件信息在特征层上实现集成的有效途径。采用特征的自动分类法和特征映射的分阶段实施等关键技术，有助于简化特征映射过程，实现CAD设计特征到CAPP中制造的转换。
