基于圖的混合加工特征識(shí)別方法

李大磊，陳廣飛，尹躍峰

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

自動(dòng)特征識(shí)別是從零件的實(shí)體模型中抽取出具有一定工程意義的特征信息［1］，是構(gòu)成CAD/CAPP 之間的智能接口。自動(dòng)特征識(shí)別思想被Kyprianou［2］提出了以后，受到人們的高度重視，研究成果十分豐碩。

基于圖的特征識(shí)別方法［3］是應(yīng)用較多的特征識(shí)別方法之一，存在的突出問(wèn)題是難以有效地識(shí)別相交特征［4］，且對(duì)通型腔、盲型腔等拓?fù)洳还潭ㄌ卣鞯淖R(shí)別效果較差。為此，在此方法基礎(chǔ)上，Marefat［5］提出了添加虛連接的識(shí)別方法，Gao［6］提出了基于廣義痕跡的識(shí)別方法，陳永府［7］提出了基于特征面分割的識(shí)別方法，歐道江［8］提出了基于特征基面的識(shí)別方法。這些方法在一定程度上解決了一些問(wèn)題，但識(shí)別效果并不理想。筆者提出一種基于圖的混合加工特征識(shí)別方法:首先利用插入分割線分割貼合的面的方法以拆分相交特征，然后根據(jù)二次曲面特征、由平面組成的特征的邊界模式，分別建立相應(yīng)的特征識(shí)別知識(shí)庫(kù)，并應(yīng)用知識(shí)樹通過(guò)推理識(shí)別特征的具體類型。

1 屬性鄰接圖及相關(guān)定義

1.1 屬性鄰接圖的定義

基于圖的特征識(shí)別方法使用面邊圖表示零件和特征的邊界模型。面邊圖以節(jié)點(diǎn)表示模型的面，以節(jié)點(diǎn)之間的弧表示面之間的鄰接關(guān)系。屬性鄰接圖是在面邊圖的基礎(chǔ)上將邊的凹凸性表示為弧的屬性［3］。圖2 為圖1 所示零件模型的屬性鄰接圖，其中，0 表示凹邊，1 表示凸邊，2 表示切邊或尖邊。

圖1 模型

圖2 屬性鄰接圖

在屬性鄰接圖中為節(jié)點(diǎn)(面)添加面的標(biāo)識(shí)、面的類型和是否由外表面組成實(shí)體表面的標(biāo)識(shí)等屬性，為弧(邊)添加邊的類型、邊所對(duì)應(yīng)的環(huán)編號(hào)和邊所對(duì)應(yīng)的環(huán)是否為外環(huán)的標(biāo)識(shí)等屬性，就形成擴(kuò)展屬性鄰接圖。

1.2 其它定義

所有邊都為凸邊的環(huán)稱為凸環(huán)，所有邊都為凹邊的環(huán)稱為凹環(huán)。如果凹面外環(huán)上的鄰接面之間存在以凸邊相鄰接的情況，則該凹面是貼合的面，如圖3a 中的1 面。

2 特征識(shí)別的前處理

2.1 抑制過(guò)渡特征

在CAD 系統(tǒng)中，圓角等過(guò)渡特征的存在改變了原有特征的幾何和拓?fù)潢P(guān)系，增加了特征識(shí)別的難度，因此在特征識(shí)別之前需要抑制過(guò)渡特征。根據(jù)文獻(xiàn)［9-10］提出的過(guò)渡特征間接抑制方法，可在不改變零件模型的前提下，通過(guò)對(duì)零件鄰接圖的抑制來(lái)代替對(duì)零件模型本身的抑制。

2.2 生成獨(dú)立子集

遍歷鄰接圖，找出所有由面類型為平面的凹面構(gòu)成的連通子集，將這些連通子集從鄰接圖中分離出來(lái)，形成若干個(gè)獨(dú)立子集。若獨(dú)立子集中不存在圖3 所示的貼合的面，則獨(dú)立子集只包含一個(gè)特征，即為最小條件子圖(MCSG)，可直接進(jìn)行特征識(shí)別;否則，表明該獨(dú)立子集包含相交特征，應(yīng)在特征識(shí)別之前對(duì)貼合的面進(jìn)行合理分割。

2.3 分割貼合的面

特征相交時(shí)改變了特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高曙明把拓?fù)渥兓偨Y(jié)為面貼合、面分割和凹邊丟失，并把特征相交分為6 類［6］。其中，有如圖3 所示的兩類相交特征需先分割貼合的面，然后才能進(jìn)行特征識(shí)別。

圖3 兩類相交特征

本文采用插入分割線分割貼合的面的方法來(lái)拆分上述相交特征，具體方法為:首先從以凸邊相鄰的面中按一定規(guī)則選取面(即參考基準(zhǔn))，然后在實(shí)體模型中插入與這些參考基準(zhǔn)重合的基準(zhǔn)面，每個(gè)參考基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)一個(gè)基準(zhǔn)面，最后以插入的基準(zhǔn)面為分割實(shí)體，以貼合的面為被分割實(shí)體，插入分割線后，即完成貼合面的分割工作。這種方法的關(guān)鍵在于如何選擇作為插入基準(zhǔn)面的參考基準(zhǔn)。

(1)面貼合

在圖3a 所示的相交特征中，只存在著面貼合一種拓?fù)渥兓Ｆ渲?，?－4 構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立子集，面2和面4 以凸邊相鄰，面1 和面3 為貼合的面，即被分割實(shí)體。對(duì)于這類相交特征，可從面2 或面4 中任選一面作為參考基準(zhǔn)，插入分割線后，面1 和面3 各被分割為2 個(gè)面，如圖4a 所示。

(2)面貼合、面分割

圖4 插入分割線

對(duì)于如圖3b 所示的存在著面分割和面貼合兩種拓?fù)渥兓南嘟惶卣?，選擇作為插入基準(zhǔn)面的參考基準(zhǔn)的算法如下:

Step1:將所有被特征分割的面添加到候選參考基準(zhǔn)面組A 中。

Step2:從面組A 選擇被分割次數(shù)最多的面，若存在多個(gè)這樣的面，只選擇其中一個(gè)，然后從面組A 中刪除該面，并將其添加到參考基準(zhǔn)面組B 中。

Step3:遍歷面組A 中的面，只要存在與面組B 中某一面以凸邊相鄰的面，就將該面從面組A 中刪除。

Step4:重復(fù)Step2 和Step3，直到面組A 中不再包含任何面，面組B 中包含的面即為插入基準(zhǔn)面的參考基準(zhǔn)。

在如圖3b 所示的相交特征中，面7 為貼合的面，即被分割實(shí)體，面1 到面6 是被相交特征分割的面。按照上述算法，選擇面5 和面6 作為參考基準(zhǔn)，插入分割線后，面7 被分割為多個(gè)面，如圖4b 所示。

2.4 重構(gòu)鄰接圖和重新前處理

因?yàn)榉指钯N合的面后模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和面之間的鄰接關(guān)系發(fā)生改變，所以在分割完所有的如圖3所示的貼合的面之后，須重構(gòu)鄰接圖，并重新抑制過(guò)渡特征和生成獨(dú)立子集。對(duì)于圖3a 所示的模型，分割貼合的面并重新生成獨(dú)立子集后，獨(dú)立子集的數(shù)量由1 個(gè)變?yōu)? 個(gè)，每個(gè)獨(dú)立子集都對(duì)應(yīng)一個(gè)通槽特征，實(shí)現(xiàn)了相交特征的合理拆分。

3 特征識(shí)別

鑒于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)加工零件的加工特征大多是由平面或柱面、錐面等二次曲面組成的，故本文只探討由平面和二次曲面組成的特征的識(shí)別方法。

常用的知識(shí)表述方式有框架、產(chǎn)生式、規(guī)則等，由于特征識(shí)別知識(shí)的復(fù)雜性，使用單一表述方法往往難以滿足智能化系統(tǒng)的需要。由于樹形表具有開放性、易擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，且便于對(duì)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)充，故采用樹的形式來(lái)表述特征識(shí)別知識(shí)。在鄰接圖的基礎(chǔ)上，提取特征邊界模式的相關(guān)知識(shí)，并以樹形表的形式表述。

3.1 二次曲面特征識(shí)別

二次曲面特征包含的幾何元素和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為固定，可從外環(huán)數(shù)量、外環(huán)的凹凸性和是否由外表面組成實(shí)體表面等方面提取特征識(shí)別知識(shí)。下面以圓柱面特征的識(shí)別為例介紹二次曲面特征的識(shí)別過(guò)程。

通過(guò)對(duì)常見的圓柱面特征的邊界模式的分析，制定如圖5 所示的圓柱面特征識(shí)別規(guī)則表，每條規(guī)則的條件部分如下所示:

R1:是否由外表面組成實(shí)體表面;

R2:圓柱面包含的外環(huán)數(shù)量;

R3:外環(huán)和鄰接邊的凹凸性;

R4:圓柱面的切平面是否與其它圓柱面相切。

圖5 圓柱面特征識(shí)別規(guī)則表

圖5 中E 表示只有一個(gè)外環(huán)時(shí)環(huán)上切邊的數(shù)量，L1、L2 分別表示凸環(huán)和凹環(huán)的數(shù)量，Y 表示“真”，N 表示“假”。根據(jù)上述規(guī)則可逐步縮小特征識(shí)別的范圍，例如，可由規(guī)則1 直接判斷圓柱面是實(shí)體特征還是孔特征。若規(guī)則1 的判斷結(jié)果為真，則可判定該圓柱面屬于實(shí)體特征;否則，則可判定該圓柱面屬于孔特征。按照上述圓柱面特征識(shí)別規(guī)則的順序，以知識(shí)樹形式表述上述規(guī)則，如圖6 所示。遍歷鄰接圖的圓柱面，按照知識(shí)樹進(jìn)行逐級(jí)推理，即可識(shí)別出具體的特征類型。

3.2 由平面組成的特征的識(shí)別

在分離出最小條件子圖后，即可利用規(guī)則進(jìn)行特征識(shí)別。遍歷最小條件子圖，若存在被特征分割的面，則首先將原先是同一個(gè)面的被分割的面添加到同一個(gè)面組中，然后從每個(gè)面組中選取鄰接面數(shù)量最多的一個(gè)面，再將面組中的其余面從最小條件子圖中刪除。MCSG 包含的面數(shù)為N，鄰接面數(shù)量最多的面為M，面M 的鄰接面數(shù)量為G，鄰接面數(shù)量等于G 的面數(shù)量為k。將特征識(shí)別規(guī)則寫成知識(shí)樹形式，如圖7 所示。

圖6 知識(shí)樹1

圖7 知識(shí)樹2

4 應(yīng)用實(shí)例

借助于SolidWorks 2010 的API 開發(fā)包，文中提出的基于圖的混合加工特征識(shí)別算法已用Microsoft Visual C ++6.0 實(shí)現(xiàn)。圖8 所示給出了一個(gè)測(cè)試模型，模型包含9 個(gè)特征，在特征識(shí)別插件界面中選中一個(gè)特征，右邊圖形區(qū)顯示該特征對(duì)應(yīng)的加工面，通過(guò)它可以直觀地檢查算法的準(zhǔn)確性。所開發(fā)的特征識(shí)別插件能準(zhǔn)確地抑制內(nèi)圓角過(guò)渡特征，自動(dòng)地分割模型中的貼合的面，合理地拆分相交特征，且能有效地識(shí)別模型所包含的通槽、盲槽、通臺(tái)階和盲型腔等特征。與現(xiàn)有的特征識(shí)別方法相比，該方法避開了虛連接的添加過(guò)程和十分耗時(shí)的子圖匹配過(guò)程，不僅提高了加工特征的識(shí)別效率，而且提高了拓?fù)洳还潭ㄌ卣鞯淖R(shí)別效果。

圖8 特征識(shí)別插件

5 結(jié)論

對(duì)于由通槽、盲槽等特征相交導(dǎo)致的面貼合或面貼合、面分割等拓?fù)渥兓?，該方法能合理地拆分相交特征，從而有效地分解出最小條件子圖。通過(guò)對(duì)常見特征邊界模式的分析，分別建立相應(yīng)的特征識(shí)別知識(shí)庫(kù)，并應(yīng)用知識(shí)樹通過(guò)推理識(shí)別特征，該方法不僅能識(shí)別常見的特征，而且對(duì)拓?fù)洳还潭ǖ奶卣饕灿休^好的識(shí)別效果。由于此算法是根據(jù)不同類型特征的邊界模式而分別建立相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)，便于擴(kuò)展特征識(shí)別知識(shí)庫(kù)，具有較好的應(yīng)用前景。下一階段研究的方向是提高算法的健壯性，拓寬適用范圍，使其能夠適用高次曲面的識(shí)別。

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