基于特征分離的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征識(shí)別技術(shù)研究?

劉振宇 曹珍珍 楊青平 茅 健 張立強(qiáng)

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 上海 201600）（2.成都永峰科技有限公司技術(shù)中心 成都 610000）

1 引言

與一般的機(jī)械零件相比，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具有更為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及更高的加工精度要求，包含了大量的復(fù)雜型腔和薄壁結(jié)構(gòu)，而在傳統(tǒng)的數(shù)控加工工藝編程中，需依賴編程人員手動(dòng)提取加工區(qū)域的幾何信息，造成工作量大、效率低下等問題。特征識(shí)別技術(shù)是從飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的實(shí)體結(jié)構(gòu)出發(fā)，融合特征語義，識(shí)別出具有一定工程意義的幾何形狀［1］。特征識(shí)別技術(shù)是數(shù)字化制造過程中從三維CAD 模型檢測(cè)制造信息的關(guān)鍵步驟，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM 集成的重要途經(jīng)，對(duì)于提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工效率有重要意義［2］。

特征識(shí)別常見的方法可分為三類：基于邊界匹配的方法、基于體分解的方法以及基于學(xué)習(xí)的方法。第一類為基于邊界匹配的識(shí)別方法，其本質(zhì)是按照預(yù)先設(shè)置的特征定義對(duì)三維CAD 模型進(jìn)行邊界搜索及匹配，其內(nèi)容主要包括基于圖［3-4］、基于痕跡［5］、基于規(guī)則［6～7］以及多種方法融合的識(shí)別方法［8］；第二類為基于體分解［9～10］的識(shí)別方法，與邊界匹配方法相比考慮進(jìn)了三維模型的體積模式，能夠?qū)崿F(xiàn)任意相交特征的識(shí)別量［11］；第三類為基于學(xué)習(xí)的識(shí)別方法，將三維模型轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)據(jù)格式，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行特征識(shí)別，常見的有基于體素的方法［12］、基于多視圖［13］的方法以及基于點(diǎn)云分割［14］的方法。

第一、二類方法通常用于識(shí)別B-Rep模型中的加工特征，能夠識(shí)別對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)單快速的表達(dá)，其不足是難以處理丟失拓?fù)涮卣鞯膕tl 等格式，并且存在可擴(kuò)展性低、識(shí)別范圍窄、計(jì)算量大、缺乏對(duì)輸入三維CAD 模型中的噪聲的容忍度等缺點(diǎn)。與第一、二類方法相比，第三類方法提升了可識(shí)別特征的范圍以及識(shí)別速度，并增加了對(duì)噪聲模型的容忍度。然而，特征識(shí)別的關(guān)鍵是從單元級(jí)的幾何特征中分辨出與工藝設(shè)計(jì)和制造過程相關(guān)的特征［15］，三維CAD 模型為加工特征與輔助特征的集合，基于學(xué)習(xí)的識(shí)別方法難以對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分，降低了在實(shí)際生產(chǎn)過程中的實(shí)用性。

CATIA 是在汽車與航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的CAD/CAM 軟件［16］，CAA（Component Application Architecture）是基于CATIA 平臺(tái)的二次開發(fā)工具，本文基于CAA 二次開發(fā)技術(shù)，提取CAD 模型的所有面節(jié)點(diǎn)，并抑制其中的過渡面節(jié)點(diǎn)，對(duì)所余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加工特征與輔助特征的分離，降低特征識(shí)別的語義歧義，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率；將分離結(jié)果的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入至DGCNN 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行加工特征的分類與分割。

2 過渡特征識(shí)別與抑制

在進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)兼顧美觀與工藝要求，常在尖邊或尖點(diǎn)處用光滑的曲面代替，這類光滑曲面稱為過渡特征。過渡特征的存在增加了結(jié)構(gòu)件特征拓?fù)潢P(guān)系的復(fù)雜度，由于過渡特征是一種僅改變結(jié)構(gòu)件邊界細(xì)節(jié)的特征，為了降低特征識(shí)別的難度，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，采用識(shí)別并抑制過渡特征的方式，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)件原本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。過渡特征的抑制并非改變結(jié)構(gòu)件的真實(shí)模型，而是對(duì)結(jié)構(gòu)件的特征鄰接圖進(jìn)行間接抑制來代替對(duì)模型的直接抑制。特征鄰接圖是指以結(jié)構(gòu)件的面為節(jié)點(diǎn)，以邊為連接弧構(gòu)建出的表示邊界模式的圖，如圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)件特征鄰接圖

基于特征鄰接圖的過渡特征識(shí)別與抑制CAA實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）獲取當(dāng)前模型的機(jī)械特征，機(jī)械特征包含多種拓?fù)漕悇eCATCell，獲取其中所有的CATFace 拓?fù)鋯卧?，存入容器std：：vectorF_ALL中。

2）獲取拓?fù)鋯卧狢ATFace 對(duì)應(yīng)的的幾何單元CATSurface，CATSurface 代表產(chǎn)品的幾何面，通過CATSurface 能夠得到準(zhǔn)確描述面單元的幾何信息。獲取所有CATSurface 的Tag 值，Tag 值為CAA賦予模型幾何單元不重復(fù)的整數(shù)值，CATSurface與Tag 值為一一映射關(guān)系，構(gòu)建特征鄰接矩陣M_ALL。

3）獲取CATSurface 的指針pSur，利用CATSurfaceTools 接 口 中的GetConstantRadiusInfo 函數(shù)，對(duì)pSur指向的幾何特征面進(jìn)行過渡面判定，得到過渡面節(jié)點(diǎn)Tag.x=｛Tag.x1，Tag.x2，…，Tag.xn｝。

4）定位所有的Tag.x 節(jié)點(diǎn)，刪除矩陣M 中Tag.x對(duì)應(yīng)的行與列，判斷刪除過渡節(jié)點(diǎn)后aij值的變動(dòng)形況，得到更新后的鄰接矩陣M_INIT，由M_INIT 映射出的幾何體即為恢復(fù)了原本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件模型。剔除容器F_ALL 中的Tag.x 節(jié)點(diǎn)，得到std：：vectorF_INIT容器。

3 輔助特征面的剝離

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜、拓?fù)洳还潭ǖ奶匦?，通過對(duì)過渡特征的抑制，在保持結(jié)構(gòu)件主要特征的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)件模型，為了進(jìn)一步減小無關(guān)特征面在識(shí)別過程造成的語義歧義影響，將剔除過渡面后的加工特征面分為兩類：加工特征面與輔助特征面。

其中加工特征面決定了結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輔助特征面決定了結(jié)構(gòu)件的外部輪廓特性。在制定工藝決策時(shí)，加工特征面主要影響結(jié)構(gòu)件加工的刀具類型、刀路規(guī)劃等因素，通常是精加工或半精加工時(shí)的加工對(duì)象；而輔助特征面則是毛坯開粗、裝夾等工序中的主要工作對(duì)象，在特征識(shí)別過程中需要將輔助特征面剝離出來，判斷邊的凹凸性是進(jìn)行輔助特征面剝離的關(guān)鍵步驟。

3.1 邊的凹凸性判別

設(shè)結(jié)構(gòu)件實(shí)體模型的兩個(gè)鄰接面F1、F2，F(xiàn)1與F2的相交邊e以及夾角Θ，當(dāng)0<Θ<180°時(shí)，稱e為凹邊；當(dāng)180°<Θ<360°時(shí)，e為凸邊。邊的凹凸性由兩相交面的外法線單位向量、交線切線的單位向量以及交線所在環(huán)的屬性確定。

鄰接邊凹凸性的判斷公式如下：

式中，n1、n2分別為面F1、F2外法線向量，t 為兩面交線的切線向量且切線方向與n1應(yīng)嚴(yán)格滿足右手定則。當(dāng)m>0時(shí)，鄰接邊為凸邊；當(dāng)m=0時(shí)，鄰接邊為相切邊；當(dāng)m<0時(shí)，鄰接邊為凹邊。

3.2 加工特征與輔助特征的定義

當(dāng)面的外環(huán)環(huán)邊均由凸邊構(gòu)成，且環(huán)邊不屬于其他面的內(nèi)環(huán)，稱該面為輔助特征面，其余為加工特征面。加工特征決定了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)鋸?fù)雜程度，輔助特征在組成加工特征的各個(gè)面的延展方向上加以限制，構(gòu)成了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的輪廓界限。加工特征識(shí)別的本質(zhì)是對(duì)構(gòu)成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)面單元的語義組合的識(shí)別，輔助特征并非影響拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要因素，因此將加工特征與輔助特征進(jìn)行分離并對(duì)加工特征進(jìn)行研究，減少了特征識(shí)別過程中的語義歧義，降低了識(shí)別難度。

在容器F_INIT 中除去非特征面，剩余面稱為特征面，存入容器F_P 中。重置M_INIT 中的元素屬性，存為矩陣M_P，在矩陣M_P 中，Tag.1～Tag.m為CATSurface特征面節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽值，m 為特征面的個(gè)數(shù)。aij表示Tag.i節(jié)點(diǎn)與Tag.j節(jié)點(diǎn)的鄰接關(guān)系，aij取值0，1或2，當(dāng)aij=0時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)不相鄰；當(dāng)aij=1時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)為凸邊連接；當(dāng)aij=2 時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)為凹邊連接。其中，i，j∈［1，2，…，m］。當(dāng)矩陣M_P 中某行或某列的值不包括1 時(shí)，則由該行或者該列特征面節(jié)點(diǎn)組成的加工特征稱為單一特征，否則稱為相交特征，相交特征由多個(gè)單一特征復(fù)合而成。

4 加工特征分離

4.1 特征面點(diǎn)云離散

借助離散器CATCellTessellator，將F_M 容器中的特征面離散為點(diǎn)云，其操作步驟如下。

設(shè)置步長(zhǎng)step、弦高seg 及向量夾角Angle，獲取離散器CATCellTessellator的指針對(duì)象*p；獲取特征面容器F_M=｛f1，f2，…，fn｝，遍歷容器內(nèi)元素并依次載入離散器，即p->AddFace（fi），i∈［1，n］。每載入一個(gè)特征面，運(yùn)行一次離散器，即p->Run（）；運(yùn)行之后即得到特征面的離散結(jié)果，共包括八類離散類型，即p->GetFace（Para1，Para2，…，Para8）。獲取關(guān)于離散點(diǎn)CATTessPointIter 的結(jié)果，并根據(jù)該類的成員函數(shù)GetNbPoint（）及GetPointXyz（）分別得到點(diǎn)云的數(shù)量及三維坐標(biāo)值；將得到的數(shù)據(jù)保存為XML文件，XML又稱可擴(kuò)展標(biāo)記語言，可對(duì)結(jié)構(gòu)化的文檔信息進(jìn)行高效處理，是互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行信息表示和交換的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)［16］。

4.2 基于DBSCAN算法的特征分離

DBSCAN 算法是一種基于點(diǎn)云密度的無監(jiān)督聚類算法，鄰域半徑Eps 及密度閾值MmPts 為DBSCAN 算法中的兩個(gè)重要參數(shù)。假設(shè)以某點(diǎn)為圓心，以Eps 值為半徑作鄰域，當(dāng)鄰域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)大于等于MmPts 值時(shí)，稱該點(diǎn)為核心點(diǎn)；當(dāng)鄰域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)小于MmPts 值，且該點(diǎn)位于核心點(diǎn)的鄰域內(nèi)時(shí)，稱為該點(diǎn)為邊界點(diǎn)；當(dāng)鄰域內(nèi)不存在點(diǎn)時(shí)，稱該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)。如圖2，設(shè)Eps＝r，MmPts＝4，則a、c 點(diǎn)為核心點(diǎn)，b點(diǎn)為邊界點(diǎn)，d點(diǎn)為噪聲點(diǎn)。

圖2 DBSCAN聚類示意圖

DBSCAN 算法優(yōu)點(diǎn)在于可在具有噪聲的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)中得到任意形狀的點(diǎn)云簇，本文采用DBSCAN算法對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不固定的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，分離出單一特征與相交特征，其中，相交特征由多個(gè)單一特征組合而成。

5 算例驗(yàn)證

本文開發(fā)平臺(tái)為VS2008 與CATIA V5 R21，采用C++編程語言，借助CAA 二次開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)過渡特征的識(shí)別和抑制、加工特征與輔助特征的分離以及離散點(diǎn)云計(jì)算工作，并基于DBSCAN算法對(duì)加工特征中的單一特征與相交特征進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)算法驗(yàn)證及界面開發(fā)。如圖3 所示，其中點(diǎn)過渡面6個(gè)、邊過渡面23個(gè)。

圖3 點(diǎn)過渡面（左）與邊過渡面（右）

對(duì)獲得的過渡特征進(jìn)行抑制，并獲取抑制后模型特征面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，step值設(shè)置為1，共得到8703組點(diǎn)云坐標(biāo)，輸出至XML文檔。在CAA中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化需要通過構(gòu)建B-Rep模型的3D臨時(shí)顯示曲面來實(shí)現(xiàn)，或配置對(duì)應(yīng)版本的PCL進(jìn)行可視化操作，過程較為復(fù)雜。本文通過提取XML 文件中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇Matlab實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化操作及DBSCAN 算法的實(shí)現(xiàn)，分離結(jié)果如圖4 所示。

圖4 單一特征與相交特征

DGCNN 是一種具有旋轉(zhuǎn)魯棒性的點(diǎn)云深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)離散后的點(diǎn)云模型進(jìn)行分類與分割。首先，通過spatial transform 塊將輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)魯棒性，再通過DGCNN 模型架構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，模型架構(gòu)包括分類模型及分割模型。利用DGCNN網(wǎng)絡(luò)對(duì)相交特征點(diǎn)云進(jìn)行分類與分割，其中單一特征包括四個(gè)：方形通孔、圓形通孔、封閉槽和開口槽，而相交特征則由多個(gè)孔、槽特征相交而成，分割結(jié)果如圖5所示。

圖5 相交特征分割結(jié)果

6 結(jié)語

在CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)中，CAD 系統(tǒng)輸出產(chǎn)品的實(shí)體模型或設(shè)計(jì)特征，CAPP 系統(tǒng)則需要以產(chǎn)品的加工特征為輸入單元，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且不固定的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)之間的工藝信息交流與轉(zhuǎn)換變得困難。本文結(jié)合CAA 二次開發(fā)技術(shù)，定義了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工特征與輔助特征，并對(duì)兩者進(jìn)行剝離；針對(duì)加工特征，采用DBSCAN 算法將其分離為單一特征與相交特征，并將分離的點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶入DGCNN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類分割；最后，通過開發(fā)CATIA 插件進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明了該方法的有效性。