飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征自動(dòng)識(shí)別與提取算法

湯志鴻， 鄭國磊， 鄭藝瑋

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100083)

飛機(jī)框肋類零件是構(gòu)成飛機(jī)蒙皮、長桁、翼肋、翼緣等部位的重要組件，在航空鈑金件中占有較大比例，其設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量以及交付效率對(duì)整個(gè)項(xiàng)目研制具有較為廣泛的影響。然而，在當(dāng)前飛機(jī)框肋類零件制造過程中，相關(guān)的工藝流程，如零件模線樣板設(shè)計(jì)、展開圖樣設(shè)計(jì)等，均缺少相應(yīng)的快速化或自動(dòng)化軟件，導(dǎo)致零件制造、檢驗(yàn)效率低下，零件質(zhì)量無法保證。以飛機(jī)框肋類零件樣板設(shè)計(jì)為例，當(dāng)前的設(shè)計(jì)方式仍大量依賴人工，設(shè)計(jì)中存在頻繁的特征測量和特征值手動(dòng)輸入以及表達(dá)方式轉(zhuǎn)換，不僅導(dǎo)致零件制造周期偏長，更重要的是任何一個(gè)步驟的疏忽和失誤都可能導(dǎo)致制造、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤，由此給后續(xù)工裝設(shè)計(jì)制造以及零件生產(chǎn)檢驗(yàn)埋下質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

由此可見，飛機(jī)框肋類零件制造的效率與質(zhì)量已成為制約飛機(jī)研制效率的因素之一，設(shè)計(jì)與開發(fā)相關(guān)的制造系統(tǒng)已迫在眉睫。其中，特征識(shí)別作為相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先決問題，其本質(zhì)為對(duì)零件幾何、拓?fù)湫畔⒌挠行蛘?，是?shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成的關(guān)鍵，其相關(guān)研究最早開始于20世紀(jì)70年代中期劍橋大學(xué)CAD中心[1]。經(jīng)過了30多年的研究，特征識(shí)別技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一些顯著的成果，涌現(xiàn)出基于規(guī)則方法[2]、基于圖方法[3-4]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[5]等多種特征識(shí)別方法。近些年，為實(shí)現(xiàn)特征的個(gè)性化定義，部分學(xué)者對(duì)通用的特征識(shí)別方法展開了一些探索。Niu等[6]提出了基于數(shù)據(jù)庫優(yōu)化的特征識(shí)別方法，將分析系統(tǒng)所需特征的定義轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫查詢語句，經(jīng)數(shù)據(jù)庫檢索與過濾后輸出識(shí)別結(jié)果。Wang和Yu[7]提出了一種基于實(shí)體模型的特征識(shí)別框架，其中框架由將零件STEP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為邊界表示的編譯器和特征庫構(gòu)成，特征表示由集體屬性、個(gè)體屬性和關(guān)系構(gòu)成。然而，該技術(shù)仍存在以下問題：①由于實(shí)際工程中特征形狀的多樣性，特征的準(zhǔn)確描述與定義對(duì)技術(shù)人員有著很高的要求；②在特征相交的情況下，特征幾何信息存在不同程度的丟失，剩下的幾何信息構(gòu)成可能難以滿足所定義的特征表達(dá)式。雖然相交特征的識(shí)別研究已取得了一些成果[8-9]，但通用的特征識(shí)別技術(shù)距離成熟化和工業(yè)應(yīng)用仍有一段距離，當(dāng)前制造領(lǐng)域仍采用針對(duì)某一零件設(shè)計(jì)專門識(shí)別算法的方式來解決實(shí)際生產(chǎn)問題。在鈑金件特征識(shí)別領(lǐng)域，特征的定義根據(jù)所面向的生產(chǎn)流程也有所區(qū)別。Gutpa和Gurumoorthy[10]將零件特征總結(jié)為切削特征與變形特征，并給出了一種零件變形特征的自動(dòng)識(shí)別算法。劉志堅(jiān)等[11]在零件結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上提出單元特征與組合特征概念，將組合特征視為多個(gè)單元特征的疊加。Shunmugam[12-13]介紹了一種特征識(shí)別系統(tǒng)，并制造角度出發(fā)，將零件特征分為裁剪、拉伸、拉深、彎曲，并給出對(duì)應(yīng)的特征推理算法。在航空產(chǎn)業(yè)中，由于頻繁的格式轉(zhuǎn)換、設(shè)計(jì)操作不規(guī)范等，飛機(jī)框肋類零件數(shù)模中或多或少存在碎面等模型缺陷，使特征面的識(shí)別過程出現(xiàn)遺漏。當(dāng)前對(duì)零件模型缺陷修正方面的研究仍較少。張?zhí)礻朳14]和張聰聰[15]等根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件三維模型中常見的質(zhì)量缺陷提出了模型質(zhì)量檢測技術(shù)及部分缺陷的識(shí)別與重構(gòu)算法。在有關(guān)框肋類零件特征識(shí)別的文獻(xiàn)中，所提出的識(shí)別方法未考慮對(duì)缺陷模型的處理方法，因而在此類零件的特征識(shí)別中，識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率或許難以保證。

對(duì)此，本文對(duì)飛機(jī)框肋類零件結(jié)構(gòu)展開研究，提出零件基礎(chǔ)特征的定義和表示模型，研究和建立一種基于同側(cè)面的基礎(chǔ)特征識(shí)別算法。其中，針對(duì)零件數(shù)模中可能存在的碎面缺陷，給出其定義和識(shí)別方法，以保證特征識(shí)別過程中特征面識(shí)別的完整性。結(jié)合實(shí)例測試，驗(yàn)證了本文算法的有效性與可行性。

1 基礎(chǔ)特征表示方法

1.1 描述與分類

飛機(jī)框肋類零件從結(jié)構(gòu)角度可視為腹板、彎邊及相關(guān)要素的組合，各彎邊以腹板為中心沿各側(cè)分布。其中，腹板面可能為普通或帶有下陷的平面、曲面；彎邊以外彎邊或彎邊孔的形式分布于腹板周圍，經(jīng)常帶有下陷。從加工成形角度將彎邊進(jìn)一步拆分，可視為受彎部分和旋轉(zhuǎn)部分的規(guī)律性組合。通過對(duì)國內(nèi)某航空制造企業(yè)的實(shí)地調(diào)研，收集航空制造工程中常見的飛機(jī)框肋類零件模型，歸納零件間共有的形狀和結(jié)構(gòu)，初步將飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為腹板、彎曲和墻體三類(見圖1)。各類結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

1) 兩側(cè)對(duì)應(yīng)。因飛機(jī)框肋類零件的薄壁性質(zhì)，各結(jié)構(gòu)均由零件兩側(cè)表面構(gòu)成。從面的角度看，兩側(cè)表面均由一個(gè)或多個(gè)相鄰的面構(gòu)成，但兩側(cè)表面互不相鄰，其距離處處相等且等于零件壁厚。

2) 相互獨(dú)立。各結(jié)構(gòu)間同側(cè)表面相互獨(dú)立，亦即各結(jié)構(gòu)間不存在公共面。

3) 相互鄰接。相鄰的結(jié)構(gòu)在同一側(cè)表面之間存在公共邊。

圖1 飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of aircraft sheet metal parts

1.2 特征模型

基于零件B-rep信息，給出飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征的通用表示方法，構(gòu)建零件幾何信息與后續(xù)零件制造的映射關(guān)系。

1.2.1 廣 義 面

基礎(chǔ)特征的一側(cè)表面一般由一個(gè)拓?fù)涿婊蛞唤M拓?fù)涿鏄?gòu)成，且當(dāng)由一組拓?fù)涿姹硎緯r(shí)，各拓?fù)涿骈g將滿足一定的鄰接關(guān)系。因此，為更好地描述特征的單側(cè)組成面，本文提出廣義面概念并對(duì)相關(guān)術(shù)語展開介紹。廣義面用于描述一組具有特定特征或功能的面，其定義如下：

定義1廣義面是拓?fù)涿婧徒M合面的統(tǒng)稱，可進(jìn)一步定義為

1) 拓?fù)涿妫冈谝粋€(gè)獨(dú)立定義的幾何面上具有確定邊界的一個(gè)連通區(qū)域，簡稱面，用f表示。

2) 組合面，由一組相鄰(即具有公共邊)的拓?fù)涿婊蚱渌M合面構(gòu)成，用Fc表示。

拓?fù)涿鎓是構(gòu)成任意體的表面和表面特征的原子單元，且在數(shù)學(xué)和CAD中已有有效的定義和表達(dá)方法；組合面Fc本質(zhì)上是由一組鄰接廣義面構(gòu)成的無向圖，即

Fc=(V,E)

進(jìn)一步給出對(duì)廣義面上邊、環(huán)等相關(guān)幾何屬性定義如下：

定義2設(shè)Fg為一廣義面，e為其上一條邊，若e為Fg內(nèi)2個(gè)面的公共邊，則稱e為Fg的一條內(nèi)邊；否則，稱e為Fg的一條外邊。

定義3設(shè)Fg為一廣義面，若l為由Fg上的一組外邊封閉輪廓，則稱l為Fg的一個(gè)環(huán)。l上各邊沿面環(huán)方向依次連接，即沿體外法矢站立于環(huán)上一點(diǎn)，F(xiàn)g永遠(yuǎn)位于左側(cè)，并將此連接順序稱為環(huán)的方向。

根據(jù)環(huán)方向向與法矢間關(guān)系，可將廣義面中的環(huán)(見圖3)分為

1) 外環(huán)：二者形成“右旋”關(guān)系，用lou表示。

2) 內(nèi)環(huán)：二者形成“左旋”關(guān)系，用lin表示。

3) 端環(huán)：二者形成“交叉”關(guān)系，用len表示。

圖2 常見組合面Fig.2 Common composite faces

圖3 廣義面環(huán)Fig.3 Loops in generic faces

1.2.2 特征表示方法

基礎(chǔ)特征應(yīng)由零件兩側(cè)相關(guān)幾何信息構(gòu)成。為方便敘述，將零件任一側(cè)表面稱為正側(cè)，另一側(cè)稱為反側(cè)，設(shè)Fea為飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征，將以巴科斯-諾爾范式(Backus-Naur Form，BNF)表示如下：

::=(,,)

::=(||)

其中：type為特征類型，分為腹板Web、彎曲Bend和墻體Wall；F+和F-分別為構(gòu)成特征的正、反兩側(cè)特征面。特征面的本質(zhì)為由一個(gè)或多個(gè)拓?fù)涿鏄?gòu)成的廣義面，見圖4。

根據(jù)以上定義，可將整個(gè)零件數(shù)模分割為一系列基礎(chǔ)特征的組合。為描述特征間滿足的鄰接關(guān)系，構(gòu)建以基礎(chǔ)特征為頂點(diǎn)，以特征鄰接屬性為邊的無向圖，見圖5。

圖4 基礎(chǔ)特征Fig.4 Basic feature

圖5 飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征鄰接圖Fig.5 Adjacency graph of aircraft sheet metal part’s basic features

2 基于同側(cè)面的特征識(shí)別算法

從基礎(chǔ)特征模型定義出發(fā)，在分析特征零件結(jié)構(gòu)及特征屬性的基礎(chǔ)上，基于同側(cè)面識(shí)別方法對(duì)飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征的自動(dòng)識(shí)別方法展開研究，下面對(duì)其識(shí)別算法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 識(shí)別原理

本文零件基礎(chǔ)特征的特征面均位于零件兩側(cè)。為避免在特征識(shí)別過程中不相關(guān)幾何信息的計(jì)算，減少零件數(shù)模中拓?fù)涿娴乃阉鞣秶蕴嵘卣髯R(shí)別效率，在識(shí)別過程中將零件模型分割為正、反兩側(cè)，分別計(jì)算兩側(cè)幾何信息后進(jìn)行特征構(gòu)造。由此，本文在廣義面概念的基礎(chǔ)上提出零件同側(cè)面模型以表示零件一側(cè)的幾何信息，并基于同側(cè)面構(gòu)建方法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)框肋類零件的基礎(chǔ)特征識(shí)別。首先給出同側(cè)面的定義如下：

定義4在零件三維模型中，將零件同一側(cè)所有鄰接廣義面構(gòu)成的組合面稱為零件同側(cè)面。其中，各廣義面稱為同側(cè)面單元。根據(jù)各同側(cè)面單元的作用，將它們分為以下兩類：

1) 關(guān)鍵面，指零件腹板特征的特征面，對(duì)應(yīng)腹板特征面。

2) 關(guān)聯(lián)面，為零件同側(cè)面中除關(guān)鍵面外的其他所有廣義面的統(tǒng)稱，各廣義面分別對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)特征的特征面。

為便于標(biāo)識(shí)，將與關(guān)鍵面鄰接的關(guān)聯(lián)面稱為1級(jí)關(guān)聯(lián)面，與一級(jí)關(guān)聯(lián)面鄰接的關(guān)聯(lián)面稱為2級(jí)關(guān)聯(lián)面……以此類推，將以n-1級(jí)關(guān)聯(lián)面 鄰接的關(guān)聯(lián)面稱為n級(jí)關(guān)聯(lián)面。分析各子面可知，零件任一側(cè)同側(cè)面中關(guān)鍵面對(duì)應(yīng)腹板特征面，奇數(shù)級(jí)關(guān)聯(lián)面對(duì)應(yīng)彎曲特征面，偶數(shù)級(jí)關(guān)聯(lián)面對(duì)應(yīng)墻體特征面(如表1所示)。

根據(jù)飛機(jī)框肋類零件特點(diǎn)，易知零件的兩側(cè)同側(cè)面存在以下性質(zhì)：

由此，為兩同側(cè)面各單元添加對(duì)應(yīng)關(guān)系并進(jìn)行特征構(gòu)造。將以輸入的腹板面構(gòu)造的特征稱為關(guān)鍵特征，將以一特征級(jí)數(shù)n為同側(cè)面單元對(duì)構(gòu)造的基礎(chǔ)特征稱為n級(jí)關(guān)聯(lián)特征。

表1 零件同側(cè)面
Table 1 Same-side faces of parts

2.2 算法流程

基于以上原理建立基礎(chǔ)特征識(shí)別算法，其識(shí)別思路為：首先，以零件的STEP數(shù)據(jù)作為作為原始數(shù)據(jù)構(gòu)建零件屬性鄰接圖，通過面、邊屬性的計(jì)算，對(duì)屬性鄰接圖中各元素進(jìn)行屬性賦值；其次，以腹板兩側(cè)特征面為輸入，由正、反兩側(cè)逐級(jí)識(shí)別并構(gòu)建同側(cè)面；最后，將兩側(cè)同側(cè)面單元進(jìn)行逐級(jí)匹配，以此構(gòu)造基礎(chǔ)特征并構(gòu)建特征圖(見圖6)。

其中，屬性鄰接圖構(gòu)建、有效鄰面識(shí)別、關(guān)聯(lián)面完整識(shí)別、同側(cè)面單元匹配構(gòu)成該算法的關(guān)鍵技術(shù)，下面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 零件屬性鄰接圖構(gòu)建

屬性鄰接圖(Attributed Adjacency Graph, AAG)由Joshi和Chang[3]首次提出，形成了基于圖的特征識(shí)別方法。該方法從零件中提取邊界表示信息，表示為以拓?fù)涿鏋閳D頂點(diǎn)，以公共邊為圖邊的圖結(jié)構(gòu)，形式為

圖6 基礎(chǔ)特征識(shí)別算法流程圖Fig.6 Flowchart of basic feature recognition algorithm

G=(Vf,Ee)

其中：Vf和Ee分別為鄰接圖頂點(diǎn)的集合和邊的集合，鄰接圖任一頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件模型上的一個(gè)拓?fù)涿?，拓?fù)涿骈g的鄰接關(guān)系由公共邊表示。

為滿足特征識(shí)別過程中幾何信息提取的實(shí)際需求，完整的屬性鄰接圖構(gòu)建還需包含拓?fù)涿驵徑訄D中各頂點(diǎn)和邊的屬性信息，即面屬性和邊屬性，下面對(duì)其計(jì)算方法展開敘述。

1) 面屬性計(jì)算

面屬性計(jì)算即計(jì)算鄰接圖中各頂點(diǎn)的屬性。拓?fù)涿婀灿械膶傩砸话阌袔缀晤愋汀⒚娣e、輪廓周長等，其中幾何類型是基本屬性，也是特征識(shí)別過程中拓?fù)涿骈g相互區(qū)分或合并的主要標(biāo)志之一。

本文研究以CATIA V5為軟件平臺(tái)，該軟件將三維模型拓?fù)浔砻娴膸缀晤愋兔枋鰹槠矫?CATPlane)、二次曲面和Nurbs曲面(CATNurbsSurface)，二次曲面包括圓柱面(CATCylinder)、圓環(huán)面(CATTorus)、圓錐面(CATCone)和球面(CATSphere)。零件表面由大量拓?fù)涿鏄?gòu)成，通過幾何方法計(jì)算各面的幾何類型將耗費(fèi)大量時(shí)間，因此獲取軟件所描述的面幾何類型直接作為零件屬性鄰接圖的頂點(diǎn)屬性。

2) 邊屬性計(jì)算

邊屬性主要可分為邊的曲線類型、邊凹凸性、幾何連續(xù)性等。其中，邊凹凸性可作為劃分同側(cè)面單元間邊界的依據(jù)；幾何連續(xù)性可作為碎面識(shí)別和界定兩側(cè)幾何信息范圍的依據(jù)。下面對(duì)兩類屬性計(jì)算方法進(jìn)行介紹。

如圖7所示，設(shè)面f1和f2為兩鄰接拓?fù)涿妫卐為f1和f2的公共邊，點(diǎn)p為e上任一點(diǎn)。在點(diǎn)p處創(chuàng)建e的法平面，分別與f1、f2相交生成交線l1與l2，向量vt1、vt2為l1與l2在點(diǎn)p處切矢(方向默認(rèn)為由l1指向l2)，l1和l2在p點(diǎn)處的曲率為κ1、κ2，l1和l2在p點(diǎn)處的曲法向(指向曲率圓圓心)為vβ1、vβ2，向量vn1、vn2為f1和f2在點(diǎn)p處的體外法矢。vl1為f1上e在點(diǎn)p處的切矢，方向與f1環(huán)邊一致(即沿f1體外法矢方向站立并朝向vl1方向時(shí)，f1位于左側(cè))。e在點(diǎn)p處的幾何連續(xù)性判定規(guī)則如下：

②若vt1∥vt2∧κ1≠κ2，則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為G1連續(xù)點(diǎn)。

③若vt1∥vt2∧κ1=κ2，則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為G2連續(xù)點(diǎn)。

基于鄰接邊上點(diǎn)的幾何連續(xù)性關(guān)系，進(jìn)一步給出鄰接邊的幾何連續(xù)性規(guī)則：

①若?p，p∈e，p為G0連續(xù)點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的G0連續(xù)邊。

②若?p，p∈e，p為G1連續(xù)點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的G1連續(xù)邊。

③若?p，p∈e，p為G2連續(xù)點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的G2連續(xù)邊。

④否則，若邊e上至少存在兩點(diǎn)p、q屬于不同的幾何連續(xù)點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的復(fù)雜連續(xù)邊。

邊e上點(diǎn)p的凹凸性判定方法如下：

圖7 邊凹凸性計(jì)算Fig.7 Calculation of edge’s concavity-convexity

③若滿足:vt1∥vt2∧|κ1-0|<δ∧(κ2>0∧vn2·vβ2>0)，則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為平凹切點(diǎn),δ為計(jì)算精度。

④若滿足:vt1∥vt2∧|κ1-0|<δ∧(κ2>0∧vn2·vβ2<0)，則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為平凸切點(diǎn)。

⑤若vt1∥vt2∧|κ1-0|<δ∧|κ2-0|<δ，則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為平平切點(diǎn)。

⑥若滿足:vt1∥vt2∧(κ1>0∧vn1·vβ1>0)∧(κ2>0∧vn2·vβ2>0),則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為雙凹切點(diǎn)。

⑦若滿足:vt1∥vt2∧(κ1>0∧vn1·vβ1<0)∧(κ2>0∧vn2·vβ2<0),則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為雙凸切點(diǎn)。

⑧若滿足:vt1∥vt2∧(κ1>0∧vn1·vβ1>0)∧(κ2>0∧vn2·vβ2<0),則稱面f1與f2在點(diǎn)p處為凹凸切點(diǎn)。

基于鄰接邊上點(diǎn)的凹凸關(guān)系，進(jìn)一步給出鄰接邊的凹凸關(guān)系判定規(guī)則，對(duì)于邊e，其上點(diǎn)p處的凹凸性判斷如下：

①若?p，p∈e，p為凹點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的凹邊。

②若?p，p∈e，p為凸點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的凸邊。

③若?p，p∈e，p為平凹切點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的平凹切邊。

④若?p，p∈e，p為平凸切點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的平凸切邊。

⑤若?p，p∈e，p為平平切點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的平平切邊。

⑥若?p，p∈e，p為雙凹切點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的雙凹切邊。

⑦若?p，p∈e，p為雙凸切點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的雙凸切邊。

⑧若?p，p∈e，p為凹凸切點(diǎn)，則稱邊e為面f1與面f2的凹凸切邊。

⑨若邊e上至少存在兩點(diǎn)p、q屬于不同的凹凸類型，則稱邊e為面f1與面f2的復(fù)雜凹凸邊。

由以上判定方法可知，邊凹凸性和幾何連續(xù)性的判定需計(jì)算公共邊處無數(shù)個(gè)點(diǎn)處的屬性。為減少計(jì)算量，本文采用預(yù)設(shè)的參數(shù)對(duì)公共邊曲線進(jìn)行等參數(shù)采樣，計(jì)算各個(gè)采樣點(diǎn)處的邊屬性后公共邊的屬性進(jìn)行綜合判斷。

2.3.2 有效鄰面識(shí)別

為方便描述，在通過某已知同側(cè)面單元擴(kuò)展識(shí)別鄰接新同側(cè)面單元的過程中，將已知同側(cè)面單元稱為主面，新同側(cè)面單元稱為側(cè)位面。

有效鄰面是同側(cè)面識(shí)別過程中，屬于側(cè)位面且與主面存在公共邊的拓?fù)涿妗Ｒ虼?，基于已確定的主面，通過邊屬性分析對(duì)構(gòu)成側(cè)位面的拓?fù)涿孢M(jìn)行關(guān)聯(lián)查找，即為有效鄰面。其關(guān)鍵步驟為

步驟1提取主面內(nèi)、外環(huán)邊，以邊凹凸性為依據(jù)，對(duì)環(huán)邊進(jìn)行分組。該步驟的目的為將屬于同一關(guān)聯(lián)面的環(huán)邊置為一組。分組規(guī)則如下：

規(guī)則1非切線邊分組。設(shè)零件模型屬性鄰接圖為G=(Vf,Ee)，e1、e2分別為主面Fg上兩條鄰接邊，若e1和e2同為G0連續(xù)邊且凹凸性相同，將其置為一組。

規(guī)則2切線邊分組。設(shè)零件模型屬性鄰接圖為G=(Vf,Ee)，e1、e2分別為主面Fg上2條鄰接邊，若e1和e2同為G1連續(xù)邊且凹凸性相同，將其置為一組。

步驟2以各組邊為單位從主面的所有鄰接拓?fù)涿嬷凶R(shí)別有效鄰面，識(shí)別規(guī)則如下：

規(guī)則3有效鄰面識(shí)別。設(shè)零件模型屬性鄰接圖為G=(Vf,Ee)，{ei|i=1,2,…,m}為主面Fg上的一組邊，{fi|i=1,2,…,m}為Fg的一組鄰接面且分別以{ei|i=1,2,…,m}為公共邊，若{ei|i=1,2,…,m}為切邊組，則{fi|i=1,2,…,m}為Fg的一組有效鄰面。

2.3.3 關(guān)聯(lián)面完整識(shí)別

同側(cè)面識(shí)別中，將組成關(guān)聯(lián)面的拓?fù)涿娣Q為該關(guān)聯(lián)面的子面。有效鄰面識(shí)別的結(jié)果僅構(gòu)成目標(biāo)關(guān)聯(lián)面的子集。欲保證同側(cè)面單元識(shí)別的完整性，需通過一定規(guī)則對(duì)關(guān)聯(lián)面進(jìn)行完整識(shí)別。缺失的子面主要分為過渡面和碎面兩類，下面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1) 過渡面

零件數(shù)模中，描述彎邊中彎曲部分的關(guān)聯(lián)面一般由一組圓柱面構(gòu)成。由于主面相鄰邊不一定相切，相鄰圓柱面間一般存在一張曲面作為過渡，本文將其稱為過渡面。過渡面與兩圓柱面間分別存在公共邊，且與主面存在公共點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。由此，在有效鄰面識(shí)別結(jié)果基礎(chǔ)上，利用過渡面判斷方法計(jì)算缺失的過渡面。其中，過渡面的判斷方法如下：

規(guī)則4過渡面判斷。設(shè)拓?fù)涿婕疐={fi|i=1,2,…,n}為廣義面Fg的一組有效鄰面，若存在拓?fù)涿鎓使得：①f與Fg存在公共點(diǎn)；②存在fm、fn屬于F，且f與fm、fn間均存在公共邊，則f為過渡面。

2) 碎面

飛機(jī)框肋類零件數(shù)模表面經(jīng)常出現(xiàn)若干組呈“細(xì)碎狀”的曲面片，各面片間存在直接或間接的拓?fù)溧徑雨P(guān)系，單個(gè)面片的面積一般比較小，且形狀大多不規(guī)則，技術(shù)人員一般形象地將其稱為“碎面”。各曲面片原本可由一張完整曲面表示，因CAD系統(tǒng)間模型格式轉(zhuǎn)換、不規(guī)范的建模順序、過多的曲面裁剪等操作導(dǎo)致碎面缺陷的產(chǎn)生。在光順曲面中，曲面內(nèi)部通常滿足G2以上連續(xù)性。由此易知，碎面缺陷中各面片具有一致的幾何類型，且于面內(nèi)部和公共邊界處均滿足G2以上連續(xù)性。結(jié)合1.2.1節(jié)廣義面相關(guān)定義，對(duì)飛機(jī)框肋類零件數(shù)模碎面缺陷做出如下定義：

定義5對(duì)飛機(jī)框肋類零件數(shù)模表面由一組面組成的組合面Fc，若其子面fi(i=1,2,…,n)理論上屬于同一張完整曲面，且同時(shí)滿足：①各子面具有相同幾何類型；②各子面在公共邊界處具有G2及以上連續(xù)性，則稱fi(i=1,2,…,n)構(gòu)成一個(gè)碎面缺陷，且單個(gè)面fi稱為碎面，見圖9。

基于以上分析，提出碎面的識(shí)別方法，其思路與同側(cè)面構(gòu)建算法大致相同，計(jì)算原理如下：

利用碎面判斷方法，以一級(jí)子面為基準(zhǔn)，計(jì)算出二級(jí)子面……以k級(jí)子面為基準(zhǔn)，計(jì)算k+1級(jí)子面，依次逐步計(jì)算出所有子面，最后實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)面完整識(shí)別。其中，碎面的判斷規(guī)則如下：

規(guī)則5碎面判斷。設(shè)F={fi|i=1,2,…,n}為一組子面，若存在一拓?fù)涿鎓使得f與F中某子面相鄰且滿足G2以上連續(xù)性，則f為碎面。

拓?fù)涿骈g連續(xù)性的判斷依據(jù)可直接由零件的屬性鄰接圖獲取。將有效鄰面與過渡面組成的集 合稱為所求關(guān)聯(lián)面的一級(jí)子面，以一級(jí)子面為基礎(chǔ)計(jì)算出的所有子面，稱為二級(jí)子面……以n-1級(jí)子面為基礎(chǔ)計(jì)算所得的所有子面，稱為n級(jí)子面。

圖8 過渡面及與相鄰面拓?fù)潢P(guān)系Fig.8 Transitional surface and its topological relation with adjacent surfaces

圖9 零件碎面Fig.9 Fragmentary faces of part

2.4 同側(cè)面單元匹配

經(jīng)提取構(gòu)建后的兩側(cè)同側(cè)面應(yīng)為兩張獨(dú)立的、結(jié)點(diǎn)和邊個(gè)數(shù)均相等的圖，采用圖的遍歷方式關(guān)聯(lián)正、反同側(cè)面中各結(jié)點(diǎn)，形成一張完整的零件基構(gòu)特征圖。匹配規(guī)則如下：

3 算法實(shí)現(xiàn)及測試

利用專業(yè)開發(fā)工具對(duì)本文研究內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)，形成“飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征快速識(shí)別程序”。程序的運(yùn)行方式為：輸入框肋類零件STEP文件，由用戶分別交互選擇零件兩側(cè)一個(gè)或多個(gè)拓?fù)涿孀鳛閮蓚?cè)同側(cè)面的關(guān)鍵面，再由程序?qū)α慵詣?dòng)進(jìn)行屬性鄰接圖構(gòu)建、同側(cè)面構(gòu)建、同側(cè)面單元匹配和特征構(gòu)造后，最終輸出零件基礎(chǔ)特征圖。

本文首先以帶彎邊的零件作為測試對(duì)象進(jìn)行基礎(chǔ)特征識(shí)別。如圖10(a)所示，框肋類零件尺寸為711 mm×240 mm×55 mm，主要包含彎邊、普通孔、切口、唇孔等特征。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)量多，零件表面幾何數(shù)據(jù)較為豐富，因此具有典型性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該零件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)成為：腹板1個(gè)、彎曲28個(gè)、墻體34個(gè)；兩側(cè)同側(cè)面構(gòu)成為：關(guān)鍵面1個(gè)、1級(jí)關(guān)聯(lián)面14個(gè)、2級(jí)關(guān)聯(lián)面14個(gè)、3級(jí)關(guān)聯(lián)面11個(gè)、4級(jí)關(guān)聯(lián)面20個(gè)，且兩側(cè)同側(cè)面單元一一對(duì)應(yīng)。運(yùn)行本程序?qū)α慵磧蓚?cè)同側(cè)面進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如圖10(b)所示，其中：橙色廣義面為關(guān)鍵面，綠色廣義面為奇數(shù)級(jí)關(guān)聯(lián)面，黃色廣義面為偶數(shù)級(jí)關(guān)聯(lián)面，識(shí)別結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由圖10(b)和表2數(shù)據(jù)可知，該測試實(shí)例識(shí)別結(jié)果有效且正確。但由于零件中不存在過渡面和碎面缺陷，為驗(yàn)證算法中關(guān)聯(lián)面完整識(shí)別部分的正確性和有效性，采用圖11(a)所示零件進(jìn)行補(bǔ)充測試。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該鈑金零件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)成為：腹板1個(gè)、彎曲3個(gè)、墻體3個(gè)；兩側(cè)同側(cè)面構(gòu)成為：關(guān)鍵面1個(gè)、1級(jí)關(guān)聯(lián)面3個(gè)、2級(jí)關(guān)聯(lián)面3個(gè)。運(yùn)行本程序?qū)α慵A(chǔ)特征進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如圖11(b)所示，圖中各同側(cè)面單元著色方式與圖10相同，識(shí)別結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。由數(shù)據(jù)可知，該測試實(shí)例對(duì)過渡面和碎面缺陷的識(shí)別結(jié)果有效且正確。值得指出的是，根據(jù)加工工藝過程，零件中原則上應(yīng)有3個(gè)彎邊，即應(yīng)對(duì)應(yīng)3個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)，但其中2個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)在零件中具有連接部分，因此被視為同屬于一個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)，連接部分被視為過渡面。

圖10 測試對(duì)象1及運(yùn)行結(jié)果Fig.10 Test part 1 and test result

識(shí)別結(jié)果關(guān)鍵特征1級(jí)關(guān)聯(lián)特征2級(jí)關(guān)聯(lián)特征3級(jí)關(guān)聯(lián)特征4級(jí)關(guān)聯(lián)特征正反正反正反正反正反總數(shù)111414141411112020正確1414141411112020錯(cuò)誤00000000正確率/%100100100100100100100100

圖11 測試對(duì)象2及運(yùn)行結(jié)果Fig.11 Test part 2 and test result

識(shí)別結(jié)果關(guān)鍵特征1級(jí)關(guān)聯(lián)特征2級(jí)關(guān)聯(lián)特征碎面缺陷過渡面正反正反正反正反正反總數(shù)1122333233正確22333233錯(cuò)誤00000000正確率/%100100100100100100100100

4 結(jié) 論

本文為解決飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征識(shí)別與提取問題，在總結(jié)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了基于同側(cè)面的基礎(chǔ)特征識(shí)別算法。研究取得的具體結(jié)果如下：

1) 研究和定義了飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征，并將零件表示為一組基礎(chǔ)特征的組合。

2) 提出和建立了基于同側(cè)面的飛機(jī)框肋類零件基礎(chǔ)特征識(shí)別技術(shù)，為零件后續(xù)的制造及工裝設(shè)計(jì)等生產(chǎn)流程提供數(shù)據(jù)支撐。

3) 針對(duì)飛機(jī)框肋類零件中存在的碎面缺陷給出了其定義與識(shí)別方法，提升了特征識(shí)別準(zhǔn)確性。

4) 經(jīng)實(shí)例測試表明，該算法能較好地對(duì)零件基礎(chǔ)特征進(jìn)行識(shí)別與提取，結(jié)果完整、合理。