飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工域單元分層識(shí)別及構(gòu)造方法

李春暉， 鄭國(guó)磊， 陳樹(shù)林

（1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2. 沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工域單元分層識(shí)別及構(gòu)造方法

李春暉1， 鄭國(guó)磊1， 陳樹(shù)林2

（1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2. 沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

加工域的自動(dòng)識(shí)別是自動(dòng)數(shù)控加工編程的關(guān)鍵技術(shù)之一。為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件自動(dòng)數(shù)控加工程序編制過(guò)程中工序件加工域的自動(dòng)識(shí)別，建立了加工域模型，提出了一種實(shí)用、可行的域元分層識(shí)別方法。首先，根據(jù)工序件構(gòu)建分層面，截切零件和毛坯；其次，依據(jù)層交結(jié)果構(gòu)建層域元輪廓，生成層域元；然后，建立規(guī)則合并層域元生成域元；最后，通過(guò)匹配域元間縱向關(guān)系，構(gòu)建域元樹(shù)狀模型。通過(guò)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的測(cè)試，證明了該方法的有效性和實(shí)用性。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；飛機(jī)結(jié)構(gòu)件；特征識(shí)別；數(shù)控加工；自動(dòng)編程；加工域

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工是飛機(jī)制造的重要組成部分?，F(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中越來(lái)越多地采用整體結(jié)構(gòu)件來(lái)代替原先的裝配式組合件[1]，整體結(jié)構(gòu)件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、切削精度要求高，使其一般采取數(shù)控加工方式。目前，國(guó)內(nèi)航空企業(yè)普遍采用基于三維模型的交互式編程技術(shù)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)控編程。但該技術(shù)存在交互量大、數(shù)控程序編制質(zhì)量不穩(wěn)定以及專(zhuān)業(yè)化程度低等缺點(diǎn)。因此，相關(guān)學(xué)者將研究的重點(diǎn)放在自動(dòng)數(shù)控加工編程技術(shù)上。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)由零件和毛坯自動(dòng)生成數(shù)控加工程序，要求系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別加工域。因此，對(duì)表示加工域的特征進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工程序自動(dòng)編制的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

目前的特征識(shí)別方法主要有句法模式[2]、基于圖[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、體積分解[5]，基于CSG樹(shù)、分層求交等方法。上述方法雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了零件特征的自動(dòng)識(shí)別，但對(duì)相交特征以及復(fù)雜零件，特別是含有復(fù)雜曲面的零件還難以穩(wěn)定、完整地識(shí)別出結(jié)果。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些航空院校專(zhuān)門(mén)針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)數(shù)控加工編程技術(shù)展開(kāi)了相關(guān)研究。如譚豐和胡俊志[6-7]分別對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件槽腔特征與筋特征的自動(dòng)數(shù)控編程技術(shù)進(jìn)行了研究，提出基于圖和工藝知識(shí)相融合的特征識(shí)別方法。該方法對(duì)絕大多數(shù)特征適用，但對(duì)于一些特殊的相交特征，識(shí)別結(jié)果不盡如人意。于芳芳[8]提出了基于廣義槽分層的加工特征自動(dòng)識(shí)別方法。該方法目前可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)整體壁板類(lèi)零件大部分特征的識(shí)別，但其僅限于對(duì)板材為毛坯的零件進(jìn)行特征識(shí)別，無(wú)法對(duì)鍛鑄件毛坯進(jìn)行處理，且未考慮工序件的識(shí)別。

為特征識(shí)別結(jié)果能夠直接應(yīng)用于后續(xù)基于殘留域的加工單元構(gòu)造[9]，并且增加對(duì)工序件情況的識(shí)別處理，本文在基于廣義槽分層的加工特征識(shí)別方法基礎(chǔ)上，提出加工域單元的概念，并對(duì)其識(shí)別構(gòu)造算法進(jìn)行研究。

1 加工域模型

1.1 域元

首先對(duì)加工域單元相關(guān)概念進(jìn)行說(shuō)明：

工序件：零件的多工位、多工序加工過(guò)程中生成的中間工件稱(chēng)為中間件。中間件與零件和毛坯一同稱(chēng)為工序件，用δ表示。

工位、前件和后件：工位為工序件在加工臺(tái)上相對(duì)于機(jī)床的裝夾方位，用ω(δi, δi+1)表示，其中，δi和δi+1分別為當(dāng)前工位ω的前工序件和后工序件，分別簡(jiǎn)稱(chēng)前件、后件，用 V、T表示，如圖1(a)、(b)所示。

加工域：加工域是指前件減去后件的多余材料域，如圖1(c)。

域元：為滿足后續(xù)自動(dòng)數(shù)控編程的需要，對(duì)加工域按照實(shí)際的數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行拆分，得到的相互獨(dú)立的基本單元就稱(chēng)為加工域單元，簡(jiǎn)稱(chēng)域元，表示為u，如圖1(d)所示。

圖1 加工域及域元示例圖

從拓?fù)錁?gòu)成角度分析，域元可用一組界定一個(gè)相對(duì)獨(dú)立加工域的面表示。此外還應(yīng)包括與其他域元間的關(guān)聯(lián)信息。本文將域元u表示為：

其中，F(xiàn)m為一組面集，表示該域元所表示材料域的邊界。Rm為一組依賴(lài)信息，表示該域元與其他域元的依賴(lài)關(guān)系，Rm包括橫向依賴(lài)信息Rh和縱向依賴(lài)信息Rv，表示為Rm(Rh, Rv)。

域元的巴科斯-諾爾范式(Backus-Naur form, BNF)如下：

＜域元＞::=（＜域元類(lèi)型＞，＜側(cè)壁節(jié)點(diǎn)＞，{側(cè)壁節(jié)點(diǎn)}，＜約束頂面＞，＜約束底面＞，{頂面}，{底面}，[縱向父域元]，{縱向子域元}，[橫向父域元]，{橫向子域元}）

＜類(lèi)型＞::=（＜無(wú)島嶼＞|＜有島嶼＞|＜內(nèi)陷＞…）

＜側(cè)壁節(jié)點(diǎn)＞::=（＜側(cè)壁節(jié)點(diǎn)類(lèi)型＞，{面}）

＜側(cè)壁節(jié)點(diǎn)類(lèi)型＞::=（＜輪廓＞|＜島嶼＞）

性質(zhì)1. 任一域元中必有一個(gè)輪廓側(cè)壁節(jié)點(diǎn)，有零個(gè)或多個(gè)島嶼側(cè)壁節(jié)點(diǎn)。

如圖 2所示為域元模型，圖中域元包含一個(gè)輪廓側(cè)壁節(jié)點(diǎn)與一個(gè)島嶼側(cè)壁節(jié)點(diǎn)。

圖2 域元模型

1.2 加工域模型

根據(jù)域元間縱向依賴(lài)關(guān)系，構(gòu)建域元樹(shù)狀模型對(duì)加工域進(jìn)行定義和表示，結(jié)果稱(chēng)為加工域模型。如圖3所示，對(duì)任一工位ω(δi, δi+1)，以一個(gè)空的域元節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造的域元為葉節(jié)點(diǎn)及中間節(jié)點(diǎn)。該域元樹(shù)構(gòu)建函數(shù)為：

其中，?表示當(dāng)前的工位方向信息，以一個(gè)坐標(biāo)軸形式存儲(chǔ)。ω(δi, δi+1)表示工位加工域，包括前件δi與后件 δi+1。Ur為加工域 ω分解構(gòu)建的域元集，即Ur={ui|i=1, 2,…, n}，ui為ω的一個(gè)域元，D為域元分解構(gòu)建算子。

域元橫向依賴(lài)信息Rh表示同一高度層內(nèi)域元間父子依賴(lài)關(guān)系，尺寸較大的外側(cè)域元為尺寸較小的內(nèi)側(cè)域元的父節(jié)點(diǎn)。橫向依賴(lài)信息可為后續(xù)刀具選擇及工藝規(guī)劃提供限制條件，防止加工過(guò)程發(fā)生干涉與過(guò)切。

圖3 加工域模型

圖 4所示為域元分解示意圖。圖中域元間依賴(lài)關(guān)系可用嵌套括號(hào)法表示?？v向依賴(lài)關(guān)系可表示為：

式中，u0為預(yù)先構(gòu)建的空的域元根節(jié)點(diǎn)，橫向依賴(lài)關(guān)系可表示為：

圖4 域元分解示意圖

2 域元分層識(shí)別算法

2.1 關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

本文采用基于分層求交的識(shí)別方法對(duì)域元進(jìn)行識(shí)別構(gòu)造，下面對(duì)構(gòu)造過(guò)程中的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)進(jìn)行說(shuō)明：

分層面是指根據(jù)工位方向?，構(gòu)建的在分層識(shí)別過(guò)程中與前件和后件相交的一組平行平面αj。如圖5(a)中的α1、α2、α3。

層交面是指分層面與前件和后件相交所生成的結(jié)果面，其內(nèi)存儲(chǔ)交面與交環(huán)形式的相交結(jié)果。用αi表示當(dāng)前分層面，V和T表示前件和后件，則前后件層交面可表示為sαiv(Fs, cs)、sαit(Fs, cs)，其中，F(xiàn)s為層交面中的交面集，cs為層交面中的交環(huán)集。如圖 5(b)所示為分層面α2與前件后件相交得到的層交面sα2v及sα2t。

層域元是指域元在分層面間的部分。用αi表示層域元底部分層面，則層域元可表示為uαij，表示第i層第j個(gè)層域元。其主要作用是作為域元構(gòu)建的中間結(jié)果。層域元間根據(jù)特定規(guī)則（見(jiàn)2.4節(jié)）合并可構(gòu)成域元，如圖5(c)所示。

層域元輪廓是指層域元與分層面的相交輪廓，可表示為 K(cc, Cd)。其中cc表示構(gòu)成該輪廓的最外側(cè)環(huán)，表示構(gòu)成該輪廓的內(nèi)側(cè)島嶼環(huán)集。最外側(cè)環(huán)cc與島嶼環(huán)集Cd間圍成的有限區(qū)域即為層域元輪廓所表示區(qū)域。該輪廓是構(gòu)建層域元的主要依據(jù)，如圖 5(d)所示為圖5(c)中層域元的輪廓。

圖5 關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

2.2 總體思路

首先根據(jù)前后件的模型信息與當(dāng)前的工位方向構(gòu)建分層面，分層面分別與前、后件相交，得到層交面；其次，根據(jù)層交面的交面、交環(huán)信息進(jìn)行內(nèi)外環(huán)關(guān)系判斷，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建層域元輪廓；然后，由層域元輪廓與相關(guān)分層面構(gòu)建生成層域元；最終，層域元合并生成域元，即完成了域元的構(gòu)造。圖 6為域元分層識(shí)別方法主要流程圖。如圖 7所示為上述構(gòu)建過(guò)程的示例。圖 7中共有 4個(gè)分層面與前、后件相交，得到層交面如圖前兩列所示。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建層域元輪廓如圖 K1、K2、K3，與相關(guān)分層面結(jié)合，生成層域元uα11、uα21、uα31，最終合并生成域元u1與u2。

因此域元的構(gòu)造步驟為：劃分分層面、生成前件和后件交面交環(huán)并進(jìn)行交環(huán)識(shí)別、構(gòu)建層域元輪廓、構(gòu)建層域元、層域元合并及域元樹(shù)的生成。其中層域元輪廓構(gòu)建和層域元合并為關(guān)鍵步驟，下面對(duì)其詳細(xì)闡述。

2.3 層域元輪廓構(gòu)建

(1) 內(nèi)外環(huán)樹(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]對(duì)內(nèi)外環(huán)和環(huán)間及面間關(guān)系做如下定義：

拓?fù)涿嫱膺吔绲沫h(huán)稱(chēng)為該拓?fù)涿娴耐猸h(huán)，其他均稱(chēng)為內(nèi)環(huán)，如圖8(a)所示。面間以及環(huán)間關(guān)系是類(lèi)似的，可分為3種：分離（用符號(hào)→表示）、直接包含（用符號(hào)?表示）和間接包含（圖8(d)中的環(huán)1與環(huán)3表示環(huán)的間接包含，圖 8(g)中的面1與面3表示面的間接包含，用符號(hào)?表示），如圖8所示。

圖6 域元分層識(shí)別方法主要流程圖

圖7 域元分層識(shí)別構(gòu)造方法

圖8 環(huán)類(lèi)型、面間關(guān)系及環(huán)間關(guān)系

內(nèi)外環(huán)判斷只需讀取模型的拓?fù)湫畔⒓纯?。面間及環(huán)間的關(guān)系判斷方法相同，用 ti表示環(huán)或面，Ti表示ti的直接包含元素集。＞表示前者包圍盒包含后者，≦表示前者包圍盒不包含后者，則判斷規(guī)則可表示如下：

規(guī)則 1.面或環(huán)間關(guān)系判斷。設(shè) t1、t2為兩環(huán)或面，且t1包圍盒尺寸較大，若t1≦t2，則t1→t2；若t1＞t2，且?t3∈T1，t3≦t2，則t2?t1；若t1＞t2，且?t4∈T1，使得t4＞t2，則t2?t1。

環(huán)間關(guān)系還可用父子關(guān)系表示，本文規(guī)定內(nèi)環(huán)與其同一拓?fù)涿嫱猸h(huán)的子環(huán)，外環(huán)為直接包含該拓?fù)涿娴耐鈱油負(fù)涿嬷?，直接包含該外環(huán)的某內(nèi)環(huán)的子環(huán)，如圖9(a)～(b)所示。根據(jù)環(huán)的父子關(guān)系即可對(duì)層交面中環(huán)以?xún)?nèi)外環(huán)樹(shù)形式進(jìn)行存儲(chǔ)，其根節(jié)點(diǎn)為層交面中最外側(cè)外環(huán)，由外到內(nèi)各環(huán)為該樹(shù)的中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)。按照規(guī)則 1對(duì)層交面中交面間關(guān)系進(jìn)行判斷，并獲取交環(huán)的內(nèi)外環(huán)信息，即可構(gòu)建當(dāng)前層前件和后件的內(nèi)外環(huán)樹(shù)Lαv、Lαt。

圖9 環(huán)父子關(guān)系

(2) 層域元輪廓構(gòu)建。由內(nèi)外環(huán)樹(shù) Lαv、Lαt，即可構(gòu)建生成層域元輪廓K(cc, Cd)。由于輪廓最外側(cè)環(huán)cc與島嶼環(huán)集Cd的來(lái)源僅為前件與后件的內(nèi)外環(huán)，故輪廓構(gòu)成元素只有四類(lèi)。用cqw、cqn、chw、chn分別表示當(dāng)前層交面的前件外環(huán)、前件內(nèi)環(huán)、后件外環(huán)與后件內(nèi)環(huán)的集合。ci表示某環(huán)，設(shè) ci為外環(huán)，則 Cin表示環(huán) ci的子內(nèi)環(huán)集；同理設(shè) ci為內(nèi)環(huán)，則Ciw表示環(huán)ci的子外環(huán)集。顯然，環(huán)的包含關(guān)系有以下兩性質(zhì)：

性質(zhì)2. 設(shè) c1為某后件外環(huán) c1∈chw，必存在某前件外環(huán)?c2∈cqw，使得c1?c2。

性質(zhì)3. 設(shè)c1為某前件內(nèi)環(huán)c1∈cqn，若c1在某后件外環(huán)內(nèi)，即?c2∈chw，且 c1?c2，則后件外環(huán)必有一內(nèi)環(huán)包含此前件內(nèi)環(huán)，即?c3∈C2n，使得c1?c3。

分析可知域元輪廓的構(gòu)成共有6種基本情況，如圖10所示。其中類(lèi)型名表示層域元輪廓構(gòu)成環(huán)的類(lèi)型組合，如前外-后外表示該層域元輪廓構(gòu)成環(huán)有兩種，最外側(cè)環(huán) cc是前件外環(huán)，內(nèi)側(cè)島嶼環(huán)集Cd全為后件外環(huán)。若類(lèi)型名只有一種則表示該層域元輪廓只有最外側(cè)環(huán)cc而無(wú)內(nèi)側(cè)島嶼環(huán)集。

1、在高位推動(dòng)上聯(lián)合。切實(shí)把宣傳定位于衛(wèi)生計(jì)生工作的重要位置，納入衛(wèi)生計(jì)生目標(biāo)管理責(zé)任，在日常工作中更加突出宣傳先行先導(dǎo)的作用。

圖10 層域元輪廓構(gòu)成類(lèi)型

給出層域元輪廓的構(gòu)建函數(shù)如下：

其中，K為構(gòu)建生成的層域元輪廓，k為構(gòu)建算子，csqw為輸入的某前件外環(huán)，cshn表示與輸入的前件外環(huán)csqw相關(guān)的上層后件內(nèi)環(huán)，其含義為該前件外環(huán)所在位置向外擴(kuò)展遇到的最內(nèi)側(cè)后件內(nèi)環(huán)，如圖11所示，c2為c1的上層后件內(nèi)環(huán)。其取值可為某后件內(nèi)環(huán)或φ。規(guī)定當(dāng)其取值為φ時(shí)，其子外環(huán)集中元素為當(dāng)前層后件最外側(cè)的外環(huán)，取值方法見(jiàn)規(guī)則2。

圖11 上層后件內(nèi)環(huán)

規(guī)則 2.上層后件內(nèi)環(huán)取值。設(shè)c1=csqw，若c1為前件最外側(cè)環(huán)，則cshn=φ；若c1不是最外側(cè)環(huán)，則其必有父環(huán)用 c2表示，若?c3∈chw，均滿足c2→c3，則cshn=φ；若?c3∈chw，使得c2?c3，則根據(jù)性質(zhì)3可知?c4∈C3n，使得c2?c4，則cshn=c4。

構(gòu)建過(guò)程中遇到前件外環(huán)，即將其作為參數(shù)輸入式(5)構(gòu)建層域元輪廓，直到所有前件外環(huán)構(gòu)建完畢，即完成輪廓構(gòu)建過(guò)程。規(guī)則3至規(guī)則5為其構(gòu)建規(guī)則。其中，規(guī)則 3為只有前件環(huán)構(gòu)成的層域元輪廓構(gòu)建規(guī)則，規(guī)則4是對(duì)基本情況前外-后外的構(gòu)建規(guī)則，規(guī)則5為在規(guī)則4輪廓構(gòu)建成功基礎(chǔ)上，對(duì)其內(nèi)部輪廓構(gòu)建的準(zhǔn)則。

規(guī)則3.前件環(huán)構(gòu)成輪廓構(gòu)建。設(shè) c1=csqw，c2=cshn，若?c3∈C2w，均滿足 c3→c1，且 C1n=φ，則cc=c1，Cd=Cd∪φ；若?c3∈C2w，均滿足c3→c1，且C1n≠φ，則cc=c1，Cd=Cd∪C1n；若?c3∈C2w，c3?c1，且?c4∈C1n，c3→c4，則cc=c1，Cd=Cd∪{c4}?？商幚韴D10(a)、(c)構(gòu)成類(lèi)型。

規(guī)則4.前外-后外輪廓構(gòu)建。設(shè) c1=csqw，c2=cshn，若存在c2的某子外環(huán)c3，直接包含于c1，即?c3∈C2w，c3?c1，則cc=c1，Cd=Cd∪{c3}?？商幚韴D10(b)構(gòu)成類(lèi)型。

規(guī)則 5.前外-后外內(nèi)部輪廓構(gòu)建。設(shè)c1=csqw，c2=cshn，且按照規(guī)則4，環(huán)c1與某后件外環(huán)c3已匹配，若?c5∈C3n，使得?c6∈C1n，c6→c5，且C5w=φ，則cc=c5，Cd=Cd∪φ；若?c5∈C3n，?c6∈C1n，使得c6?c5，則cc=c5，Cd=Cd∪{c6}；若?c5∈C3n，使得?c6∈C1n，c6→c5，且 C5w≠φ，則 cc=c5，Cd=Cd∪C5w?？商幚韴D10(d)～(f)構(gòu)成類(lèi)型。

圖10中除前6種基本情況外，還有一種混合型輪廓，如圖10(g)所示?；旌闲洼喞硎据喞兄挥凶钔鈧?cè)環(huán)，且該環(huán)不是由以上 4種類(lèi)型環(huán)單一構(gòu)成，而是由不同類(lèi)型環(huán)部分組合而成的情況。圖10(g)中所示域元輪廓的最外側(cè)環(huán)cc是由部分前件外環(huán)和后件外環(huán)組合而成的混合型環(huán)。對(duì)于混合型層域元輪廓，其對(duì)于層域元輪廓的構(gòu)建規(guī)則不造成影響，只是環(huán)最終匹配生成輪廓時(shí)，若環(huán)間出現(xiàn)重疊情況，則將重合部分刪去，兩環(huán)剩余部分組成新環(huán)作為層域元輪廓。圖10(g)中加粗部分即重合部分。用∩表示兩環(huán)的構(gòu)成線集進(jìn)行交運(yùn)算，用∪表示兩環(huán)的構(gòu)成線集進(jìn)行并運(yùn)算，-表示符號(hào)前的線集合刪除與符號(hào)后線集合中相同的線，則上述過(guò)程可用規(guī)則6表示。

層域元輪廓實(shí)際為圖10中情況間的組合或嵌套。圖 12(a)即為前外-前內(nèi)和前外-后外兩種情況的組合，圖12(b)為前外-后外和后內(nèi)-后外的嵌套。對(duì)于組合情況根據(jù)不同規(guī)則對(duì)同一層域元輪廓進(jìn)行構(gòu)建即可，對(duì)于嵌套情況只需先后根據(jù)規(guī)則分別對(duì)層域元輪廓父節(jié)點(diǎn)與其子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建即可。

2.4 層域元合并

圖12 組合與嵌套

首先由層域元輪廓 K構(gòu)建層域元的側(cè)壁面集Fα，生成層域元 uα，進(jìn)而生成當(dāng)前層的層域元集Uαr。層域元合并即為將層域元集按照特定規(guī)則合并生成域元u的過(guò)程，如圖13所示。分層面從上到下的順序決定了層域元合并也是從上到下的順序。對(duì)每層而言，合并過(guò)程即為當(dāng)前層層域元與其上層已生成域元間的合并過(guò)程。

層域元合并過(guò)程分為以下3個(gè)步驟：

(1) 層域元合并類(lèi)型判斷。根據(jù)層域元底部輪廓的依賴(lài)元素類(lèi)型，將層域元分為可向下合并與不可向下合并兩種類(lèi)型，分別用hi=1和hi=0表示。用rci表示環(huán)ci的依賴(lài)元素類(lèi)型，全為面時(shí)rci=0，全為線時(shí)rci=1，部分為面時(shí)rci=2。則層域元類(lèi)型判斷規(guī)則如下：

規(guī)則 7.層域元合并類(lèi)型判斷。設(shè)K(cc, Cd)表示某層域元uα底部輪廓，c1=cc，若?c2∈Cd，rc1=0且rc2=0，則uα的類(lèi)型為可向下合并，即 huα=1；否則，huα=0。

不可向下合并即表示層域元到此結(jié)束，不與下層層域元進(jìn)行合并。如圖13中所示層域元uα2底部輪廓依賴(lài)元素全部為面，為可向下合并類(lèi)型，即huα2=1；而層域元uα3底部輪廓依賴(lài)元素部分為面，部分為線，為不可向下合并類(lèi)型，即huα3=0。

(2) 直接合并子節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。對(duì)上層中每個(gè)域元，在本層中尋找分層面投影包圍盒被其包圍盒包含或重合的層域元，作為其直接合并子節(jié)點(diǎn)。如圖13中uα3分層面投影包圍盒重合于uα2的包圍盒，則做為uα2直接合并子節(jié)點(diǎn)。上層已生成域元集用Uy表示，域元與層域元的分層面投影包圍盒用 bui表示，表示包含或重合關(guān)系。上述判斷規(guī)則可表示如下：

規(guī)則8.直接合并子節(jié)點(diǎn)。設(shè) u1∈Uy，若?uα2∈Uαr，使得buα2bu1，則將uα2作為u1的直接合并子節(jié)點(diǎn)。

圖13 層域元合并

(3) 依賴(lài)面集判斷。取上層域元和其某直接合并子節(jié)點(diǎn)層域元的側(cè)壁面集，判斷是否完全相同。若完全相同，且上層域元為可向下合并類(lèi)型，則進(jìn)行合并；若不完全相同，則當(dāng)前層域元作為其上層域元的子節(jié)點(diǎn)；若所有子節(jié)點(diǎn)與其依賴(lài)的上層域元依賴(lài)面集都不完全相同，則此上層域元結(jié)束。用Uhui表示域元 ui的直接合并子節(jié)點(diǎn)集，F(xiàn)ui表示域元ui的側(cè)壁面。則上述規(guī)則表示如下：

規(guī)則 9.依賴(lài)面集判斷。設(shè) u1∈Uy，若?uα2∈Uhui，使得Fuα2=Fu1，且hu1=1，則u1=u1∪uα2；若 Fuα2≠Fu1，則 uα2?u2；若?uα2∈Uhui，均滿足Fuα2≠Fu1，則表示此域元結(jié)束。

規(guī)則9中，∪符號(hào)兩側(cè)是域元，表示層域元合并，?表示將根據(jù)此層域元生成新的域元，并作為當(dāng)前域元的子節(jié)點(diǎn)。

由以上合并過(guò)程可知，層域元與某上層域元合并需滿足 3個(gè)條件：①上層域元類(lèi)型為可向下合并類(lèi)型；②層域元為該上層域元的直接合并子節(jié)點(diǎn)；③層域元與該上層域元的底部輪廓依賴(lài)面集完全相同。

按照上述合并規(guī)則，當(dāng)最后一個(gè)分層面的層域元合并完成時(shí)，即完成了整個(gè)域元分層構(gòu)造過(guò)程。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1算法流程

該算法的輸入?yún)?shù)為加工前件V、加工后件T以及工位信息?，其輸出參數(shù)為該加工域ω所對(duì)應(yīng)的域元樹(shù)Ur。算法主要步驟如下：

Step 1.劃分分層面分別與前件和后件相交，得到層交面集{sαiv}、{sαit}；

Step 2.按照分層面順序，由層交面中交面與交環(huán)信息生成前后件的內(nèi)外環(huán)樹(shù)Lαv、Lαt；

Step 3.對(duì)內(nèi)外環(huán)樹(shù)，進(jìn)行環(huán)匹配構(gòu)建層域元輪廓K，并構(gòu)建橫向依賴(lài)關(guān)系；

Step 4.層域元輪廓與其相關(guān)分層面構(gòu)建生成層域元，按照合并規(guī)則構(gòu)建域元，并構(gòu)建其縱向依賴(lài)關(guān)系；

Step 5.對(duì)域元校核與完善生成最終域元樹(shù)，算法結(jié)束。

3.2 驗(yàn)證實(shí)例

在CATIAV5平臺(tái)下進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)以驗(yàn)證本算法。首先交互輸入計(jì)算參數(shù)，即前件、后件幾何體及加工坐標(biāo)軸。本程序自動(dòng)對(duì)域元分層識(shí)別，輸出并以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的域元數(shù)據(jù)。

測(cè)試工序件如圖14(a)、(b)所示。該工序件包括外輪廓、13個(gè)槽、6條筋和4個(gè)開(kāi)口。其加工域主要分布在槽側(cè)壁與腹板面附近，如圖 14(c)所示。采用本算法對(duì)該加工域分層識(shí)別，得到的域元結(jié)果如圖14(d)所示。結(jié)果中包括域元的輪廓側(cè)壁面、島嶼側(cè)壁面以及底面。該結(jié)果與基于廣義槽分層的加工特征自動(dòng)識(shí)別方法[8]結(jié)果相比，考慮了工序前件對(duì)加工域的影響，更符合實(shí)際情況。該結(jié)果正確表示了工序件的加工域，滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工序件的自動(dòng)數(shù)控編程要求。

圖14 實(shí)例驗(yàn)證

4 結(jié) 論

為解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工中對(duì)工序件的自動(dòng)數(shù)控加工編程問(wèn)題，本文提出了加工域元（域元）的概念，并設(shè)計(jì)了域元的分層識(shí)別構(gòu)造算法。該算法根據(jù)工序件的實(shí)際數(shù)控加工過(guò)程，將加工域分解為若干相互獨(dú)立的單元，并構(gòu)建其依賴(lài)關(guān)系，進(jìn)而生成可完整表達(dá)加工域數(shù)據(jù)信息的域元樹(shù)。該識(shí)別結(jié)果可直接為加工單元構(gòu)造提供準(zhǔn)確的加工域數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明，該算法能較好地對(duì)工序件加工域進(jìn)行識(shí)別構(gòu)建，構(gòu)建結(jié)果完整、合理，可應(yīng)用于工序件的自動(dòng)數(shù)控加工編程。

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Slicing Recognition of Machining Volume Unit for Aircraft Structural Parts

Li Chunhui1, Zheng Guolei1, Chen Shulin2
(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijng 100191, China; 2. Shenyang Aircraft Industry (Group) Corporation Ltd, Shenyang Liaoning 110034, China)

Automatically recognizing the machining zone is one of the key technologies of automatic NC programming. To automatically recognize the machining zone of working procedure parts during the NC programming of aircraft structural parts, the model of machining zone is established and an available and feasible feature recognition approach is proposed as follows: firstly, slicing the part and blank with slicing planes which are constructed according to the working procedure parts; secondly, the feature profile is created according to the result of slicing, and then the machining volume units between the slicing planes are constructed; thirdly, the features are constructed by combining the units between planes based on the rules which are created previously; finally, through matching the vertical relationships among the features, a feature relationship tree is constructed. Through testing large number of aircraft structural parts in NC programming system, the validity and practicability of the method have been verified.

computer application; aircraft structural parts; feature recognition; numerical control machining; automatic programming; machining region

TP 391

A

2095-302X(2014)06-0847-07

2014-04-08；定稿日期：2014-05-16

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(2012ZX04010051)

李春暉(1988-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)镃AD/CAM、數(shù)控自動(dòng)編程。E-mail：lichunhuiok@163.com

鄭國(guó)磊(1964-)，男，福建莆田人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)镃AD/CAM、夾具智能化設(shè)計(jì)和數(shù)字化裝配。E-mail：zhengguolei@buaa.edu.cn