基于正則算法的工藝文件數(shù)字化技術(shù)研究*

斯興瑤 廖映華 胥 云 蔣 杰 楊 明

(①四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000；②四川省移動終端全制程先進制造技術(shù)工程研究中心，四川 宜賓 644000)

國內(nèi)航空航天制造企業(yè)工藝文件多為二維CAD格式文件或者紙質(zhì)文件存儲，航發(fā)葉片工藝數(shù)據(jù)信息化困難，工藝數(shù)據(jù)信息孤島嚴(yán)重，工藝文件管理成本高且效率低、易出錯，導(dǎo)致工藝數(shù)據(jù)的查看諸多不便，無法與MES和ERP實現(xiàn)信息交互集成。因此，快速高效獲取航發(fā)葉片CAD工藝文件的工藝數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)工藝信息有效整合，不僅能夠優(yōu)化工藝參數(shù)，也能更好地創(chuàng)造價值[1]。20世紀(jì)起，CAD圖紙里面可以識別實體模型的特征，能夠掃描輪廓，得到簡單的圖形，對于工藝信息，附加到實體上，利用正交視圖和輔助視圖更好地識別簡單的特征[2-5]，但還存在著很多的欠缺，如不能取代航發(fā)葉片文件，工藝數(shù)據(jù)化成為亟待解決的問題。

根據(jù)目前航空航天企業(yè)使用的軟件來看，企業(yè)存儲二維圖紙，而且每個企業(yè)都有上萬零部件圖紙和葉片工藝圖紙，工程文件里面的信息都極具價值，不能更好地利用葉片工藝數(shù)據(jù)便是浪費存儲空間，占用資源，放任存檔雖然能傳承、記錄、查詢、再使用，可是使用起來十分不快捷和方便[6-9]。各航空航天企業(yè)在工程圖紙數(shù)字化的過程中，不斷探索新方法獲取航發(fā)葉片圖紙工藝數(shù)據(jù)信息[10-15]，但是在信息化過程中因為要對圖紙表格進行分析，計算量比較大，算法比較復(fù)雜，數(shù)字化的準(zhǔn)確度和效率有待提高。

為了解決現(xiàn)有研究無法實現(xiàn)功能數(shù)字化的難題，本文針對某航空企業(yè)DWG工藝文件的數(shù)字化需求，最終要把航發(fā)葉片工序卡和工藝卡里面的關(guān)鍵信息提取出來，方便后期存入數(shù)據(jù)庫進行管理。將葉片工藝文件進行內(nèi)邊框定位，最小二乘法和排序算法結(jié)合優(yōu)化定位，再進一步分塊定位，縮小精度誤差范圍。增加航發(fā)葉片圖基準(zhǔn)點自動識別，正則算法和特殊字符處理算法，匹配信息，整理信息，輸出信息，通過以上步驟能夠得到所需要的航發(fā)葉片工藝信息并準(zhǔn)確提取。實現(xiàn)航發(fā)葉片工藝數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫相連，輔助用戶管理，提高航發(fā)葉片管理數(shù)據(jù)的工作效率，實現(xiàn)航發(fā)葉片數(shù)字化。

1 工藝文件預(yù)處理

航發(fā)葉片CAD工藝圖紙數(shù)字化能夠?qū)崿F(xiàn)工藝參數(shù)和機床數(shù)據(jù)的識別，解決了手工整理數(shù)據(jù)問題，便于葉片工藝數(shù)據(jù)庫建立。航發(fā)葉片DWG文件很難讀取，不易轉(zhuǎn)換，一頁工藝圖紙里面存在著多種工藝數(shù)據(jù)類型和特殊字符，葉片DWG工程圖里面的信息表眾多，表格的橫豎線段長短不一。現(xiàn)在已有很多數(shù)字化技術(shù)都是對工程圖紙的頭部和尾部的信息進行處理，對于航發(fā)葉片工藝信息，工藝參數(shù)的單位以及特殊符號處理還存在欠缺，想要更好實現(xiàn)數(shù)字化，需要對葉片CAD圖紙非常熟悉并進行圖紙預(yù)分析處理。預(yù)處理步驟如圖1所示。

(1) 航發(fā)葉片圖紙的定位邊框特別是內(nèi)邊框線是不容忽視的，為了提高誤差精度，需要根據(jù)算法精準(zhǔn)定位，葉片工藝圖紙里面的實體數(shù)據(jù)類型需要精準(zhǔn)獲取，如技術(shù)要求里面的切削參數(shù)、刀具、刀桿和特殊單位等工藝參數(shù)必須準(zhǔn)確。

(2) 采集工藝數(shù)據(jù)，首先要熟悉航發(fā)葉片的構(gòu)造，工藝圖紙的結(jié)構(gòu)，能夠區(qū)分航發(fā)葉片數(shù)控操作卡片和加工工藝卡細微區(qū)別。

(3) 葉片工藝圖紙里面的圖不需要的則不用對圖形進行分區(qū)處理，只需要取圖紙重要部分。

(4) 對航發(fā)葉片DWG操作圖紙里面的信息進行分區(qū)，把工藝圖紙劃分成3個區(qū)域。第一塊區(qū)域?qū)ｉT存放航發(fā)葉片核心工藝信息，第二塊區(qū)域存放輔助信息，第三塊區(qū)域存放航發(fā)葉片圖。

(5) 對葉片圖紙數(shù)據(jù)進行預(yù)處理之后，先定義好需要識別的屬性，再確定好需要提取的信息，最后確定好存儲格和存儲路徑，就可以開始進行數(shù)據(jù)提取工作。

2 工藝文件數(shù)字化

2.1 航發(fā)葉片圖框定位

首先分析航發(fā)葉片圖紙圖框，進行工藝數(shù)據(jù)預(yù)處理。觀察航發(fā)葉片工藝文件都是由內(nèi)邊框和外邊框組成的。如圖2所示，以兩側(cè)邊框為坐標(biāo)軸，兩軸焦點為基準(zhǔn)點，則可以通過葉片圖紙邊框的尺寸確定每張工藝卡片的位置，這里是選取的內(nèi)邊框豎線。算法選擇內(nèi)邊框，也可以選擇外邊框，選擇內(nèi)邊框是為了縮小范圍，后期提高誤差精度。

2.2 航發(fā)葉片圖線段定位

根據(jù)航發(fā)葉片圖框定位的內(nèi)邊框進行定義的坐標(biāo)系如下：葉片圖像原點在左下角O點(該點自動定位)，x軸正方向水平向右，y軸正方向豎直向上，圖像空間中的每一條水平線稱為一條掃描線。

采用最小二乘法確定航發(fā)葉片圖中各線段之間的關(guān)系，進一步確定工藝數(shù)據(jù)間的位置關(guān)系，首先檢測x、y方向線段的位置，判斷航發(fā)葉片圖紙線段集{(xiyi)|a=0,1,2,…,t}是否為直線，設(shè)直線方程：

Ax+By+C=0

(1)

用(xiyi)的ni與在Ax+By+C=0上對應(yīng)的縱坐標(biāo)yi=f(xi)作差，求平方和是能否構(gòu)成航發(fā)葉片圖中直線的依據(jù)。

當(dāng)B=1或C=1，則有y=-Ax-C

令，得ω(m)=1

(2)

(3)

求解出：

(4)

由式(2)得：

(5)

把A、C代入(5)求出δt給定誤差Δ，則：

δt≥Δ，{(xiyi)a=0,1,2,…,t}不是直線；

δt<Δ，{(xiyi)a=0,1,2,…,t}是直線。

當(dāng)滿足條件是直線時，航發(fā)葉片圖中的橫線構(gòu)成，從而根據(jù)行距準(zhǔn)確的定位坐標(biāo)，并找到葉片圖中的內(nèi)部節(jié)點位置；如果遇到斷線，則先找到葉片圖中第一列的橫直線，再找后面的直線；兩種情況都不符合則不能判別，需重新識別。

選用最小二乘法對航發(fā)葉片圖線段進行定位，此算法是識別直線段的有效方法，判斷葉片圖里的掃描線是否屬于直線段的組成部分，找到直線段的位置分布，確定直線段的位置分布，極大地提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率。

2.3 航發(fā)葉片工藝卡片類型判斷

航發(fā)葉片圖紙邊框大小差距比較大，區(qū)分是操作卡片還是工序卡，判斷代碼：

(and (equal dx 0. 1e-3)

(or (< 198. (abs dy)202.)

(< 280. (abs dy) 289.)))

其中dx是直線兩端點x坐標(biāo)的差值，dy是豎向y坐標(biāo)，dx=0表示是豎線，表示長度在198～202范圍內(nèi)是航發(fā)葉片操作卡，長度在280～289范圍內(nèi)是航發(fā)葉片工藝卡，識別航發(fā)葉片圖紙的所有線段。算法框圖如圖3所示，根據(jù)差值來判斷卡片位置，檢查范圍的正確性，不能出現(xiàn)遺漏，確保參數(shù)提取范圍的有效性。

再根據(jù)豎線間距得到航發(fā)葉片圖紙中列的準(zhǔn)確位置(cadar line)是直線左邊端點的y坐標(biāo)遍歷所有豎線，與第一根線比較，距離與需要的卡片寬度相差在2 mm以內(nèi)就確定這是一個列，并記錄航發(fā)葉片圖中列的基準(zhǔn)點。判斷代碼：

(and (equal (cadar line) (cadar x) 2.)

(equal (abs (- (caar line) (caar x)))width 2.))

2.4 航發(fā)葉片工藝數(shù)字化

通過找關(guān)鍵字再次區(qū)分航發(fā)葉片卡的類型，在距離基點范圍含有“工藝裝備”就可以確定航發(fā)葉片操作卡，卡片里面含有表格數(shù)量，沒有定義好的關(guān)鍵字就可判定為葉片工序卡，后續(xù)可根據(jù)表的各種類型提取里面的文字。由于航發(fā)葉片圖紙表格里面可能有斷線，只靠線段長度定位難以準(zhǔn)確地找到表格單元格，先根據(jù)流程圖范圍橫線左邊端點確定表格，再根據(jù)坐標(biāo)點，找到單元格，查找單元格的文字自然非常容易。航發(fā)葉片圖紙單元格會有多個文字，有橫排文字也有豎排文字，甚至橫排豎排都有，也存在換行、空格、換頁和特殊符號。算法流程如圖4。

航發(fā)葉片工藝文字有多種不同的格式，包括工藝數(shù)據(jù)普通字符、特殊字符和定位符。需要使用正則算法將格式去掉或者轉(zhuǎn)換成為需要的工藝格式，將各種葉片工藝數(shù)據(jù)進行匹配后連接起來，從而實現(xiàn)航發(fā)葉片工藝數(shù)字化。

(1)首先y坐標(biāo)排序，按y坐標(biāo)分成數(shù)行，再分別按x坐標(biāo)排序這些行，最后通過空格間隔合并。按位置先從上到下排序，以第一個坐標(biāo)為基準(zhǔn)如果后面坐標(biāo)與他相差2 mm以內(nèi)就算作一行。文字高度是3 mm，超過就表示是另外一行了，就另起一行繼續(xù)進行第一次遍歷，直到把數(shù)據(jù)讀完。

讀完工藝參數(shù)后，先去掉航發(fā)葉片工藝文件里面的定位字符包括換行、換頁和回車。再處理葉片工藝數(shù)據(jù)里面的葉片工藝文字，如工藝信息和工藝步驟信息中的文字可以用正則表達式進行排序。建立二維list，一個類，兩個字段，一個為point，一個string。先排序再合并文字。第二次遍歷工藝參數(shù)，找出特殊字符，如葉片工藝?yán)锩娴霓D(zhuǎn)速、工藝尺寸和工藝單位，在輸出之前進行格式轉(zhuǎn)換，在序列化的時候利用正則表達式先去掉文字格式，轉(zhuǎn)義成普通的字符后，進行匹配輸出網(wǎng)頁能識別的符號。工藝文件數(shù)字化流程圖如圖5。

2.5 航發(fā)葉片工藝數(shù)字化技術(shù)要點

航發(fā)葉片工程圖數(shù)字化技術(shù)步驟如下：

(1) 航發(fā)葉片圖紙工藝數(shù)據(jù)預(yù)處理，觀察并分析葉片圖紙邊框，對圖紙信息進行分區(qū)，提前定義屬性。定位算法選取圖紙內(nèi)邊框，縮小范圍，提高誤差精度，根據(jù)圖紙邊框的尺寸確定工藝卡片的具體位置，區(qū)分航發(fā)葉片數(shù)控操作卡和工藝卡。

(2) 識別航發(fā)葉片圖紙內(nèi)邊框，建立坐標(biāo)基準(zhǔn)點，并以基準(zhǔn)點展開搜索，根據(jù)邊框豎線的左右距離得到圖框的準(zhǔn)確位置，檢查范圍的正確性，確保參數(shù)范圍的有效性。

(3) 根據(jù)航發(fā)葉片圖框類型分別尋找里面附屬的表，根據(jù)表的類型，找到表的橫線和豎線定位各單元格位置。

(4) 識別航發(fā)葉片工藝文字，序列化時利用正則表達式先去掉文字格式，根據(jù)單元格位置，獲取文字，用排序算法，按y坐標(biāo)分成數(shù)行，按x坐標(biāo)排序行，最后通過空格間隔合并得到葉片工藝內(nèi)容。

(5) 航發(fā)葉片工藝特殊符號的處理，替換內(nèi)部符號為網(wǎng)頁能識別的字符。

(6) 整理航發(fā)葉片工藝數(shù)據(jù)信息，按定義路徑導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件。

(7) 視圖模型的MFC應(yīng)用程序構(gòu)建框架并繪制界面圖標(biāo)，一鍵選取文件，一鍵批量轉(zhuǎn)換導(dǎo)出工葉片藝數(shù)據(jù)。

工藝圖紙數(shù)字化流程如圖6所示。

3 航發(fā)葉片工藝文件數(shù)字化案例

本文以某航空制造業(yè)航發(fā)葉片圖紙為數(shù)字化對象，利用AutoCAD軟件(AutoCAD2015及以上版本)，打開圖7所示的航發(fā)葉片工序卡進行數(shù)字化，運行POPDE程序，自動定位邊框后，彈出操作頁面，點擊“提取”按鈕數(shù)字化所需葉片工藝數(shù)據(jù)，總體運行效果如圖8所示。

航發(fā)葉片是自由曲面零件，制造工藝極其復(fù)雜，工藝要求高。該航發(fā)葉片DWG文件數(shù)字化技術(shù)研究方案能快速獲取零件名稱、工步信息、工序信息和轉(zhuǎn)速精度等，故該航發(fā)葉片文件數(shù)字化技術(shù)能夠有效、快速和穩(wěn)定地對航發(fā)葉片圖進行數(shù)字化。

4 結(jié)語

本文對航發(fā)葉片工程圖紙數(shù)字化方法進行了實驗，結(jié)果表明葉片數(shù)字化技術(shù)能夠準(zhǔn)確快速獲取工藝數(shù)據(jù)庫所需的工藝數(shù)據(jù)，并達到提取精度和指標(biāo)，滿足企業(yè)數(shù)據(jù)采集使用需求，為后續(xù)航發(fā)工藝數(shù)據(jù)庫的搭建提供理論支撐。

由于航發(fā)葉片工藝文件工藝數(shù)字化具有非單一性過程，后期可對不同尺寸航發(fā)葉片工程圖紙數(shù)字化的通用性數(shù)據(jù)采集技術(shù)進一步研究