CN102289537B - 一种复杂结构件多体特征识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂结构件多体特征识别方法。该方法首先进行加工坐标系建立、分型面设定以及总体信息读入等预处理，其次对所有零件体的拓扑元素重新命名，保证拓扑元素标识的唯一性，进而构建零件的全息属性面边图，定义孔、槽、轮廓和筋等特征的种子面，基于全息属性面边图搜索各种特征的种子面，进而依据痕迹扩展规则依次识别只含一个种子面的简单特征，依据特征加工工艺和复合特征合并规则，对简单特征进行合并，得到含多个种子面的复合特征，提取特征参数，得到自动特征识别结果。该特征识别方法的识别效率高、正确率高，解决了多体识别问题，同时能够有效解决加工特征识别领域中无法有效识别曲面、凸特征、边特征以及无法抑制碎面等难题。

Description

一种复杂结构件多体特征识别方法

技术领域

本发明涉及一种特征识别方法，尤其涉及一种复杂结构件多体特征识别方法，属于CAD/CAPP/CAM技术领域。

背景技术

经过多年的发展和在企业中的成功应用，CAD、CAPP、CAM系统分别在产品设计、工艺设计和数控编程方面发挥了很大的作用。但这些系统各自独立，不能实现信息在各系统间的自动转换和共享，在应用过程中自动化程度和效率低。以提高产品设计、工艺设计和数控编程自动化程度和效率为目的的CAD/CAPP/CAM集成成为了工业界的迫切需求，特征识别技术是实现CAD/CAPP/CAM集成的有效途径。

复杂结构件（例如飞机结构件）由于结构复杂、精度要求高，对编程工艺人员的经验依赖性很大。特征可以作为加工工艺知识和经验的载体，有效继承加工工艺知识和经验，所以特征识别技术是提高复杂结构件数控编程效率和质量的重要手段。

为了提高材料的利用率，套材加工方法被广泛应用于复杂结构件的数控加工中。套材加工方法为数字化制造带来了多个零件体的问题，在三维数模中，多个零件体在加工环境下同时打开，尤其是套材中为同一个零件时，会造成拓扑元素标识不唯一的问题，从而给特征识别带来麻烦，目前多体识别问题尚没有公开发表的方法。

由于飞机结构件的复杂性，加工特征的特殊性，飞机结构件加工特征识别比普通零件加工特征识别更加困难，表现在大量存在以下情况：                                                大曲率自由曲面；

碎面；

相交特征；

凸特征；

边特征。传统特征识别方法很少涉及曲面的识别以及碎面问题；相交特征是特征识别技术中的公认难点，目前尚无有效的解决办法；凸特征与凹特征并存的情况下，传统的特征识别方法尚没有统一的解决方案；无论是基于图还是基于体，都只强调了特征的面表示和体表示的提取，而没有边特征的概念。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有CAD/CAPP/CAM系统中结构件多体特征识别方法的不足，提供一种复杂结构件多体特征识别方法。

本发明的复杂结构件多体特征识别方法包括：

步骤1、结构件加工特征定义：所述结构件加工特征包括孔、槽、轮廓、筋特征；孔特征由孔壁面、上顶面、下顶面、上环线、下环线构成；槽特征由槽腹板、侧壁、转角、底角、顶面、凸下陷、凹下陷、驱动边构成；轮廓特征由轮廓相连的主拓扑面构成；筋特征由筋顶面、侧面、限制面、驱动边构成；

步骤2、加工特征种子面定义，包括：

定义孔特征的种子面为孔壁面，孔壁面为圆柱面，与柱面相连的两个面为平面且与柱面成凸连接；

定义槽特征的种子面为槽腹板面，腹板面为水平面且与分型面的距离小于预设值；

定义轮廓特征的种子面为轮廓主拓扑面，轮廓特征的主拓扑面为槽特征顶面的连接面且不属于槽特征内形面与转角面那部分面；

定义筋特征的种子面为筋顶面，筋特征的种子面为槽特征的顶面，且面的宽度小于预设值；

步骤3、对数据进行预处理，包括：建立加工坐标系工件、设定分型面以及总体信息读入；

步骤4、从CAD的底层取出模型的所有点、线、面拓扑元素，按照零件名+标识码的方式重新命名拓扑元素，使拓扑元素标识具有唯一性；

步骤5、构建结构件数字化模型的全息属性面边图；

步骤6、特征种子面搜索，具体为：遍历结构件模型的全息属性面边图，与定义的特征种子面进行匹配；

步骤7、基于种子面进行扩展，形成简单特征；

步骤8、依据特征组合规则，对简单特征进行组合形成复合特征；

步骤9、提取特征参数，得到特征识别结果。

优选地，所述设定分型面是指以槽腹板面为分型面。

优选地，所述总体信息包含零件类别、零件加工方式、典型转角、典型底角精度等级、上偏差、下偏差。

所述全息属性面边图包含以下内容：

边的信息：边的唯一标识、实边或虚边标识、曲线或直线标识、边属于内环或外环标识、相邻面夹角、边夹角、边长度；

面的信息：面的唯一标识、实面或虚面标识、曲面或平面标识、面的主法向、相交面的数量、面的面积、面的内外环个数、面与进刀方向所成的角度。

进一步地，所述特征种子面搜索具体按照以下方法：首先搜索孔和槽特征的种子面；然后基于槽特征的识别结果与全息属性面边图搜索轮廓特征的种子面；最后基于槽特征、轮廓特征的识别结果以及全息属性面边图搜索筋特征的种子面。

所述基于种子面进行扩展，形成简单特征，包括：碎面抑制、曲面识别、凸特征识别、边特征识别。

所述特征参数包括：

孔特征的参数，包括：孔直径、孔深度、孔位置、孔的轴向、精度等级、上偏差、下偏差；

槽特征的参数，包括：槽位置、允许的最大刀具直径、转角半径、底角半径、清根底角、最大倾角；

轮廓特征的参数，包括：轮廓位置、轮廓面的法向；

筋特征的参数，包括：筋的位置、筋顶面法向、起始端曲顶或平顶类型、终止端曲顶或平顶类型。

    本发明方法的识别效率、正确率高，能够有效解决加工特征识别中无法有效识别曲面、凸特征、边特征以及无法抑制碎面等难题。

附图说明

图1 本发明的复杂结构件多体特征识别方法流程图；

图2 为本发明的特征种子面示意图，其中a为孔特征种子面，b为槽特征种子面，c为轮廓特征种子面，d为筋特征种子面；

图3为种子面扩展流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1是本发明的复杂结构件多体特征识别方法流程图，如图所示，包括以下各步骤： 

在特征识别执行前，需要定义特征种子面、特征识别扩展规则以及复合特征组合规则，分别形成种子面定义库、扩展规则库以及组合规则库供特征识别过程中调用。

本发明涉及的加工特征包括孔、槽、轮廓、筋特征。孔特征由孔壁面、上顶面、下顶面、上环线、下环线构成；槽特征由槽腹板、侧壁、转角、底角、顶面、凸下陷、凹下陷、驱动边构成；轮廓特征由轮廓相连的主拓扑面构成；筋特征由筋顶面、侧面、限制面、驱动边构成。加工特征的种子面定义如图2所示，图中表示了种子面的构成、与相邻几何元素的关系以及全息属性面边图的表示方法。定义孔特征的种子面为孔壁面，孔壁面为圆柱面，与柱面相连的两个面为平面且与柱面成凸连接；定义槽特征的种子面为槽腹板面，腹板面为水平面且与分型面的距离小于预设值；定义轮廓特征的种子面为轮廓主拓扑面，轮廓特征的主拓扑面为槽特征顶面的连接面且不属于槽特征内形面与转角面那部分面；定义筋特征的种子面为筋顶面，筋特征的种子面为槽特征的顶面，且面的宽度小于预设值，预设值一般小于10mm。

种子面扩展规则为：1）依据特征种子面的定义，遍历全息属性面边图，搜索出满足要求的特征的种子面，基于种子面进行扩展；2）根据全息属性面边图提取种子面的外环边和内环边；3）依据特征的定义，与种子面有公共内环边或者外环边的面，并把搜索到的满足条件的面加入相应的特征构成面列表；4）分别以扩展到的面为次种子面，按照特征的定义，继续扩展，直到特征的几何元素扩展完全。扩展规则的详细算法如附图3所示。

特征组合的规则为：1）特征的组合以加工工艺为准则；2）简单特征的组合是同一种简单特征组合为相同类型的复合特征；3）复合特征是含有多个种子面的特征；4）槽特征的组合规则是一个槽的腹板面是另一个槽的顶面；5）筋特征的组合规则是两条筋特征的走向夹角小于10o且两个种子面在相交处为凹连接，组合后的筋可特征以用一个加工操作完成；6）特征组合可以是多个简单特征的组合，只要满足组合规则；7）通过复合特征的组合，从而达到了相交特征识别的效果。

将结构件模型输入系统，这里可以同时输入多个零件体；

对零件进行预处理，包括多体排样、加工坐标系工件、设定分型面以及总体信息读入等；本发明以槽腹板面为分型面；总体信息包含零件类别、零件加工方式、典型转角、典型底角精度等级、上偏差、下偏差。

预处理后，构建零件模型的全息属性面边图，全息属性图在属性面边图的基础上加入了更多供特征识别使用的信息，其内容包括：

边的信息：边的唯一标识、实边或虚边标识、曲线或直线标识、边属于内环或外环标识、相邻面夹角、边夹角、边长度；

面的信息：面的唯一标识、实面或虚面标识、曲面或平面标识、面的主法向、相交面的数量、面的面积、面的内外环个数、面与进刀方向所成的角度。

在全系属性面边图构造过程中，对拓扑元素进行重新命名，命名机制为：零件名+原拓扑元素标识码，实现拓扑元素的标识与零件相对应，解决不同零件的拓扑标识重合带来的特征识别过程中标识与拓扑元素不能唯一对应的问题。

在种子面扩展过程中，实现碎面抑制、曲面识别、凸特征识别以及边特征识别，进而完成简单特征的识别。碎面抑制通过全息属性面边图定义的面的面积比较完成，凸特征在特征的定义阶段包含了含有面与面凸连接的情况，进而可以识别凸特征。曲面识别主要针对槽特征中的内形和转角面，方法为：通过曲面的中心做一水平面，取曲面在竖直方向两条边界的中点，分别做曲面在中点处的法向，沿法向向水平面投影，求得两个方向的交点，计算交点到曲面的投影距离，若此距离与零件的默认转角半径的差值满足一定的阈值，则此曲面判断为转角面，否则为内形面。基于全息属性面边图对于边特征的定义识别边特征，这里的边特征识别附属在筋特征识别的过程中。简单特征识别完成后，根据加工工艺以及组合规则进行特征组合，完成复合特征组合以及相交特征识别，然后进行特征参数的提取，孔特征的参数包含：孔直径、孔深度、孔位置、孔的轴向、精度等级、上偏差、下偏差等信息；槽特征的参数包括：槽位置、允许的最大刀具直径、转角半径、底角半径、清根底角、最大倾角等信息；轮廓特征的参数包括：轮廓位置、轮廓面的法向等信息；筋特征的参数包括：筋的位置、筋顶面法向、起始端曲顶或平顶类型、终止端曲顶或平顶类型等信息。最后输出特征识别结果。

Claims (9)

1.一种复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，包括：

步骤1、结构件加工特征定义：所述结构件加工特征包括孔、槽、轮廓、筋特征；孔特征由孔壁面、上顶面、下顶面、上环线、下环线构成；槽特征由槽腹板、侧壁、转角、底角、顶面、凸下陷、凹下陷、驱动边构成；轮廓特征由轮廓相连的主拓扑面构成；筋特征由筋顶面、侧面、限制面、驱动边构成；

步骤2、加工特征种子面定义，包括：

定义孔特征的种子面为孔壁面，孔壁面为圆柱面，与柱面相连的两个面为平面且与柱面成凸连接；

定义槽特征的种子面为槽腹板面，腹板面为水平面且与分型面的距离小于预设值；

定义轮廓特征的种子面为轮廓主拓扑面，轮廓特征的主拓扑面为槽特征顶面的连接面且不属于槽特征内形面与转角面那部分面；

定义筋特征的种子面为筋顶面，筋特征的种子面为槽特征的顶面，且面的宽度小于预设值；

步骤3、对数据进行预处理，包括：建立加工坐标系工件、设定分型面以及总体信息读入；

步骤4、从CAD的底层取出多体模型的所有点、线、面拓扑元素，按照零件名+标识码的方式重新命名拓扑元素，使拓扑元素标识具有唯一性；

步骤5、构建结构件数字化模型的全息属性面边图；

步骤6、特征种子面搜索，具体为：遍历结构件模型的全息属性面边图，与定义的特征种子面进行匹配；

步骤7、基于种子面进行扩展，形成简单特征；

步骤8、依据特征组合规则，对简单特征进行组合形成复合特征；

步骤9、提取特征参数，得到特征识别结果。

2.如权利要求1所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述设定的分型面是指以槽腹板面为分型面。

3.如权利要求1所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述总体信息包含零件类别、零件加工方式、典型转角、典型底角精度等级、上偏差、下偏差。

4.如权利要求1所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述全息属性面边图包含以下内容：

边的信息：边的唯一标识、实边或虚边标识、曲线或直线标识、边属于内环或外环标识、相邻面夹角、边夹角、边长度；

面的信息：面的唯一标识、实面或虚面标识、曲面或平面标识、面的主法向、相交面的数量、面的面积、面的内外环个数、面与进刀方向所成的角度。

5.如权利要求1所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述特征种子面搜索具体按照以下方法：首先搜索孔和槽特征的种子面；然后基于槽特征的识别结果与全息属性面边图搜索轮廓特征的种子面；最后基于槽特征、轮廓特征的识别结果以及全息属性面边图搜索筋特征的种子面。

6.如权利要求1所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述基于种子面进行扩展，形成简单特征，包括：碎面抑制、曲面识别、凸特征识别、边特征识别。

7.如权利要求6所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述碎面抑制是基于属性面边图对于面特征的描述，通过比较面的面积以及面的宽度与预设阈值实现的，其中，线状碎面的判断流程如下：

a、将所有边按极小宽度的十分之一长等长度离散，取分隔点，建立点列；

b、在点列中找到距离最大的两点：p0，p1；

c、从p0点开始沿邻接关系扩展到p1，记录沿途边，建立边列栈；将边列上的点从点列中去除，统计点列中剩余点的总数                                                ；

d、将计数器

置零；遍历点列，计算其到边列的距离，并记录最近点，若最近点为p0或p1的，则该点为无效点，=-1；若最近点不是p0和p1且距离小于预设定极小宽度，则

；

e、计算

与

的比值，若其大于预设阈值，则判断该面为线状碎面。

8.如权利要求6所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述曲面识别具体按照以下方法：

通过曲面的中心做一水平面，取曲面在竖直方向两条边界的中点，分别做曲面在中点处的法向，法向向水平面投影，求得两个方向的交点，计算交点到曲面的投影距离，若此距离与零件的默认转角半径的差值满足一定的阀值，则此曲面判断为转角面，否则为内形面。

9.如权利要求1所述复杂结构件多体特征识别方法，其特征在于，所述特征参数包括：孔特征的参数，包括：孔直径、孔深度、孔位置、孔的轴向、精度等级、上偏差、下偏差；

槽特征的参数，包括：槽位置、允许的最大刀具直径、转角半径、底角半径、清根底角、最大倾角；

轮廓特征的参数，包括：轮廓位置、轮廓面的法向；

筋特征的参数，包括：筋的位置、筋顶面法向、起始端曲顶或平顶类型、终止端曲顶或平顶类型。 

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