基于切片技術(shù)的曲面特征識(shí)別研究*

舒海生 余豪華 張書宇

(①哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001;②哈一機(jī)第17分廠，黑龍江哈爾濱 150001)

自動(dòng)特征識(shí)別技術(shù)作為CAD/CAPP/CAM一體化研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP以及CAM之間的數(shù)據(jù)和信息自動(dòng)傳遞與轉(zhuǎn)換的理想接口［1］。

作為整個(gè)特征識(shí)別領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的難點(diǎn)之一［2］，相對(duì)于棱柱類特征，曲面特征由復(fù)雜曲面組成，由于其幾何形狀多樣性與復(fù)雜性，導(dǎo)致對(duì)于曲面特征識(shí)別問題的研究遇到了很多困難，存在著許多難點(diǎn)問題需要解決?，F(xiàn)有的曲面特征識(shí)別方法主要有:二維半曲面加工特征識(shí)別、主曲率檢測(cè)法、模板匹配法及點(diǎn)集匹配法等［3］。這些方法對(duì)于解決曲面識(shí)別問題進(jìn)行了一些嘗試，取得了一定的研究成果。但是這些方法所能處理的曲面類型和特征種類十分有限，而且對(duì)于包含曲面特征的復(fù)雜零件的識(shí)別研究還很少，存在許多不足，其中的許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待深入研究。同時(shí)，由于現(xiàn)有的曲面特征研究主要是將特征識(shí)別與曲面加工軌跡作為兩個(gè)不同的階段，分開處理的，而且尚未考慮曲面特征識(shí)別與后續(xù)曲面加工軌跡之間的有機(jī)聯(lián)系，人為地將兩者割裂開來，這樣無論是對(duì)CAPP還是CAM都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

因此，本文在借鑒醫(yī)學(xué)CT掃描成像原理和參考曲面特征加工軌跡規(guī)劃中截平面法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于切片技術(shù)的曲面特征識(shí)別新方法。利用切片技術(shù)直接截取曲面的特征面，將得到的切片(切片序列)信息直接作為曲面特征加工軌跡規(guī)劃中截平面信息，從而直接從特征零件模型的STEP文件［4］幾何信息中獲取曲面特征的數(shù)控加工軌跡信息，實(shí)現(xiàn)曲面特征識(shí)別與后續(xù)數(shù)控加工軌跡的聯(lián)系。

1 基本原理

針對(duì)曲面特征零件模型的STEP文件，利用切片技術(shù)直接將STEP文件中包含的曲面特征幾何信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的切片(切片序列)信息，并將這些切片(切片序列)信息直接作為曲面特征加工軌跡規(guī)劃中獲得的截平面信息，從而直接從曲面特征的幾何信息中獲取零件特征的數(shù)控加工軌跡規(guī)劃信息，實(shí)現(xiàn)曲面特征識(shí)別和后續(xù)加工軌跡規(guī)劃的無縫集成。

首先，利用支持STEP標(biāo)準(zhǔn)的三維CAD軟件建立適當(dāng)?shù)牧慵Ｐ?，該零件模型中包含有曲面特征，并生成與該零件模型相對(duì)應(yīng)的STEP文件，該文件中包含有該零件的全部特征幾何信息(b－rep描述)。并從該STEP文件中提取所需的特征幾何信息，如曲面、曲線、點(diǎn)、向量等。其次，根據(jù)不同的曲面造型方法，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、剖面等，選擇與該曲面對(duì)應(yīng)的曲線信息，保證該曲線上每一曲面特征點(diǎn)的法矢量和切矢量均在切片平面內(nèi)，從而使得切片平面與拉伸平面、旋轉(zhuǎn)軸、剖面垂直，保持切片平面與該曲面垂直，并得到切片平面方程。然后，利用切片平面方程與該曲面特征相交，截得一系列的規(guī)則曲線族或擬合曲線族，并通過對(duì)這些曲線族的處理，利用得到的點(diǎn)集、矢量集等信息來實(shí)現(xiàn)曲面特征的表達(dá)。最后，通過對(duì)這些點(diǎn)集、矢量集等信息進(jìn)行數(shù)值分析與處理，完成切片序列的生成，得到的這些切片序列信息就代表著曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃中切觸點(diǎn)信息。其基本步驟如下:

步驟1:STEP文件生成。利用支持STEP標(biāo)準(zhǔn)的三維CAD軟件建立適當(dāng)?shù)牧慵Ｐ停⒎蟂TEP標(biāo)準(zhǔn)的零件模型。這里采用Pro/ENGINEER Wildfire 4.0軟件建立模型，并自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)STEP文件。

步驟2:特征幾何信息的提取。采用關(guān)鍵字的形式提取STEP文件中的曲面特征幾何信息，如體、殼、曲面(面)、環(huán)、曲線(邊)、點(diǎn)(頂點(diǎn))以及向量等。同時(shí)按照自上而下的搜索策略模式，即先體再曲面最后點(diǎn)的順序，建立和明晰它們之間的組織和包含關(guān)系。

步驟3切片平面的生成。根據(jù)三維設(shè)計(jì)軟件的不同曲面造型方法，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、剖面等，得到對(duì)應(yīng)曲線上每一曲面特征點(diǎn)及其法矢量、切矢量。并由這些法矢量、切矢量得到切片平面方程，保證曲面特征在該曲線范圍內(nèi)與該切片平面垂直，且其運(yùn)動(dòng)范圍隨曲線變化而變化。

步驟4:曲面特征的表達(dá)。利用切片平面方程與該曲面特征面相交截得一系列的規(guī)則曲線族或擬合曲線族。通過對(duì)每一曲線做點(diǎn)化處理，即通過一系列有限的點(diǎn)集來代替每一條曲線。從而最終完成該曲面特征的離散化表達(dá)，即通過一系列的離散點(diǎn)來代替和表達(dá)該曲面特征。

步驟5:切片序列生成。對(duì)得到的離散點(diǎn)信息進(jìn)行曲線插值、曲線擬合等數(shù)值分析與處理，完成切片序列的生成。這些切片序列信息就代表著曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃信息，即曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃中切觸點(diǎn)信息。

綜上所述，可知基于切片技術(shù)的曲面特征識(shí)別基本原理流程圖，如圖1所示。

這里以圖2所示的零件模型為例，并結(jié)合曲面特征識(shí)別的基本原理，具體說明基于切片技術(shù)的曲面特征識(shí)別方法關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)施過程。該三維零件模型是利用Pro/ENGINER Wildfire 4.0軟件，以樣條曲線為母線，沿一定方向線性拉伸而成的曲面特征模型。

2 關(guān)鍵技術(shù)

利用切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)曲面特征識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)，主要有:特征幾何信息的提取、切片平面的生成、曲面特征表達(dá)、切片序列生成。

(1)特征幾何信息的提取 對(duì)于曲面特征幾何信息的提取，有以下兩個(gè)規(guī)則:

規(guī)則1:以關(guān)鍵字的形式提取信息［5］。STEP文件中的曲面特征幾何信息是以頂點(diǎn)(點(diǎn))、曲線(邊)、曲面(面)、向量(矢量)、殼、體等基本信息的形式存在的，這些基本信息在STEP文件中都對(duì)應(yīng)著各自的關(guān)鍵字。通過提取這些關(guān)鍵字ID后對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)(點(diǎn))、曲線(邊)、曲面(面)、向量(矢量)、殼、體等數(shù)據(jù)信息，再通過數(shù)學(xué)方法處理、存儲(chǔ)這些基本信息，從而完成STEP文件中特征幾何信息提取。以關(guān)鍵字的形式提取STEP文件中的特征幾何信息，簡單易行，便于處理。

規(guī)則2:提取策略采用自上而下模式［5］。對(duì)于STEP文件中的關(guān)鍵字，采用由高級(jí)別元素到低級(jí)別元素依次提取的模式，簡稱為自上而下模式。如SOLID?SHELL?SURFACE?CURVE?POINT等。這種由上一級(jí)元素向下一級(jí)元素逐級(jí)搜索的策略，便于建立上下聯(lián)系，使得各元素間的組織和包含關(guān)系更加簡單明晰。

利用以上兩個(gè)規(guī)則，可提取STEP文件中的頂點(diǎn)(點(diǎn))、曲線(邊)、曲面(面)、向量(矢量)、殼、體等基本信息，是后續(xù)進(jìn)行特征識(shí)別的基礎(chǔ)。

(2)切片平面生成 由于該曲面特征是由樣條曲線［7］經(jīng)線性拉伸形成的，因此切片平面的生成與該樣條曲線密切相關(guān)。如圖2所示的該樣條曲線，由4小段曲線拼接擬合而成，拼接點(diǎn)連續(xù)，4小段曲線分為P1P4、Q1Q4、R1R4、S1S4，其中每一小段曲線由首尾兩點(diǎn)控制，即分別由P1、P4/Q1、Q4/R1、R4/S1、S4等點(diǎn)控制，通過這5個(gè)控制點(diǎn)可以調(diào)節(jié)該樣條曲線的大小、位置、形狀等。同時(shí)每小段曲線首尾兩點(diǎn)之間還存在另外2個(gè)點(diǎn)，如圖 3 小段曲線P1P4之間存在P2′、P3′，Q1Q4之間存在Q2′、Q3′，R1R4之間存在R2′、R3′，S1S4之間存在S2′、S3′。在STEP文件中，每一小段曲線均給出了這樣的4個(gè)點(diǎn)，通過這4個(gè)點(diǎn)可表達(dá)出每一小段曲線，具體如圖3所示。

由以上可知，該樣條曲線可在二維空間范圍內(nèi)表示，同時(shí)可得到該樣條曲線的5個(gè)控制點(diǎn)P1、P4/Q1、Q4/R1、R4/S1、S4及切矢量p、q、r、s、s4，使得切片平面方程F滿足:

滿足上式的切片平面方程F垂直于該曲面，同時(shí)切片平面方程的運(yùn)動(dòng)方向沿該樣條曲線線性拉伸方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍與線性拉伸的長度或高度一致，從初始樣條曲線到終止樣條曲線，運(yùn)動(dòng)步長可根據(jù)不同加工精度要求確定，精度要求越高，則運(yùn)動(dòng)步長取值越小，精度要求低，則取值越大。這里以運(yùn)動(dòng)步長取1 mm為例，若最后一步長不足1 mm的按照1 mm處理。

(3)曲面特征表達(dá) 利用切片平面方程與曲面特征面相交截得一系列的規(guī)則曲線族或擬合曲線族，這些曲線族代表著該曲面加工軌跡信息，這里得到的曲線族就是一系列的樣條曲線族。為便于處理這些樣條曲線族，需對(duì)這些樣條曲線族進(jìn)行點(diǎn)化處理，即得到一系列點(diǎn)化點(diǎn)集合，通過有限個(gè)點(diǎn)集合，來代替和表達(dá)每一條樣條曲線。

針對(duì)樣條曲線，可得其點(diǎn)化處理規(guī)則:針對(duì)在三維CAD設(shè)計(jì)階段樣條曲線控制點(diǎn)的多少，在每相鄰的兩個(gè)控制點(diǎn)內(nèi)的小段曲線上選擇另外兩個(gè)點(diǎn)，即將每一小段曲線點(diǎn)化為4個(gè)點(diǎn)。如圖3所示，小段曲線P1P4之間存在P2′、P3′，則該小段曲線可點(diǎn)化為相鄰控制點(diǎn)P1、P4和P2′、P3′四個(gè)點(diǎn)。

設(shè)任一樣條曲線，在三維CAD設(shè)計(jì)階段取控制點(diǎn)數(shù)為n。則可知，小段曲線個(gè)數(shù)為n－1;每一小段曲線包括首尾控制點(diǎn)在內(nèi)，有四個(gè)點(diǎn)，于是由該樣條曲線可得點(diǎn)化點(diǎn)個(gè)數(shù)為(3n－2)個(gè)。

在完成樣條曲線的點(diǎn)化處理后，即可完成曲面特征的離散化處理。這里取拉伸長度或高度為l，則可知:若l∈N，N為自然數(shù)，曲面特征的離散點(diǎn)個(gè)數(shù)為3nl－2l;若l?N，N為自然數(shù)，則離散點(diǎn)個(gè)數(shù)為3n(［l］+1)－2(［l］+1)，［l］為取整。

(4)切片序列的生成 在完成樣條曲線的點(diǎn)化處理和曲面特征離散化處理后，對(duì)得到一系列的點(diǎn)化點(diǎn)和離散點(diǎn)進(jìn)行插值、擬合等數(shù)值分析與處理，從而得到一系列的擬合曲線族。因此切片序列的生成對(duì)應(yīng)于這些曲線族，這些切片序列信息就代表著曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃信息。

對(duì)于如圖3所示的由樣條曲線經(jīng)線性拉伸形成的曲面特征，每條樣條曲線的點(diǎn)化點(diǎn)為13個(gè)，包含4小段曲線，每一小段曲線的點(diǎn)化點(diǎn)為4個(gè)。首先對(duì)每一小段內(nèi)的4個(gè)點(diǎn)化點(diǎn)進(jìn)行插值擬合，由于線性插值較為簡單，插值點(diǎn)太少，得到曲線比較粗糙，不平滑。這里可根據(jù)不同加工精度要求，選擇的插值方法有拋物線插值、Lagrange插值、逐次線性插值等進(jìn)行插值擬合。在完成全部樣條曲線族的插值擬合后，得到一系列經(jīng)插值擬合后的曲線族，即為切片序列。因此切片序列的生成也就是在完成所有點(diǎn)化點(diǎn)和離散點(diǎn)擬合后，得到的一系列曲線族。對(duì)于如圖2所示的曲面特征零件模型，其基于切片技術(shù)的曲面特征識(shí)別過程圖解，如圖4所示。

3 結(jié)語

在曲面特征識(shí)別領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法多停留在理論層面。本文提出的基于切片技術(shù)的曲面特征識(shí)別方法，目前國內(nèi)外還未見相關(guān)報(bào)道，現(xiàn)在還處于初步研究階段，還存在一些問題需要進(jìn)一步研究。但是該方法相比傳統(tǒng)曲面特征識(shí)別方法，在理論上具有很大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在:

(1)現(xiàn)有的傳統(tǒng)曲面特征識(shí)別方法，是將特征識(shí)別過程與后續(xù)曲面數(shù)控加工過程分開處理的，這兩個(gè)過程相互分開、彼此孤立的。而本文提出的新方法可以直接實(shí)現(xiàn)曲面特征識(shí)別過程與后續(xù)數(shù)控加工軌跡的直接聯(lián)系，將這兩個(gè)過程合二為一。

(2)與傳統(tǒng)方法比較，新方法體現(xiàn)了自動(dòng)特征識(shí)別為CAM服務(wù)的本質(zhì)要求，這樣不僅極大地提高了曲面特征的分析處理效率，而且避免了以往曲面特征參數(shù)的提取與分析過程中在技術(shù)上、方法上所遇到的各種困難;從而最終有利于提高CAD/CAPP/CAM的集成化，實(shí)現(xiàn)CAPP與CAM之間的無縫集成，這是傳統(tǒng)方法所不具備的。

(3)由于是初步研究，整個(gè)曲面特征識(shí)別過程是針對(duì)零件模型的STEP標(biāo)準(zhǔn)文件的，是以該文件為特征幾何信息的載體，該STEP標(biāo)準(zhǔn)文件可由PRO/E三維設(shè)計(jì)軟件直接生成的，而現(xiàn)在STEP標(biāo)準(zhǔn)仍還在不斷完善之中。因此，在具體的曲面特征模型實(shí)例的選擇上，受到具體的STEP標(biāo)準(zhǔn)和Pro/E等三維設(shè)計(jì)軟件特征建模的限制。

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