1、面向薄壁多腔类结构件加工特征识别方法 魏涛 张丹 左敦稳 徐锋 夏三星 南京航空航天大学机电学院 摘 要： 针对薄壁多腔类结构件加工特征识别效率低下、相交特征识别困难的问题, 提出基于规则、层与特征抑制的混合并行识别方法。该方法以腔分组和加工特征分类为基础、以腔为单元对各类加工特征进行并行识别, 以提高识别效率, 并及时在三维模型中抑制已识别的各特征来简化相交特征的识别。首先给出了加工特征的分类及腔分组的方法;然后详细给出了特征识别流程:利用边的属性和规则识别各个腔中的完整孔、独立筋、相交筋, 将各个腔采用层与特征抑制的方法识别层特征与相交孔特征, 当所有腔内的特征识别完成后回到主线程进行剩余
2、特征的识别;最后通过实例分析了算法效率, 验证了所提方法的有效性。关键词： 薄壁多腔; 结构件; 特征识别; 相交特征; 并行; 识别; 数控加工; 作者简介：魏涛 (1991-) , 男, 江苏无锡人, 硕士研究生, 研究方向:数字化制造、智能制造;E-mail:;作者简介：张丹 (1983-) , 男, 河南偃师人, 讲师, 硕士生导师, 研究方向:智能制造、数字化制造, 通信作者;E-mail:;作者简介：左敦稳 (1962-) , 男, 安徽省宿松县人, 教授, 博士, 博士生导师, 研究方向:精密加工、制造业信息化、智能制造;作者简介：徐锋 (1976-) , 男, 江苏苏州人, 教
3、授, 博士, 博士生导师, 研究方向:超硬材料工具技术、制造业信息化/智能制造;作者简介：夏三星 (1993-) , 男, 河南周口人, 硕士研究生, 研究方向:数字化制造。收稿日期：2016-08-09基金：航空科学基金资助项目 (20141652016) Machining feature recognition method for thin-walled and multi-cavity structural partsWEI Tao ZHANG Dan ZUO Dunwen XU Feng XIA Sanxing College of Mechanical and Electrica
4、l Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Abstract： Aiming at the inefficiency of machining feature recognition and the difficulty of recognizing intersecting features for thin-walled and multi-cavity structural parts, a hybrid and parallel recognition method based on rules,
5、 layer and feature suppression was put forward.Machining features could be recognized concurrently by every cavity to improve recognition efficiency based on idea of grouping cavities and classifying machining features.The features were suppressed in time after recognizing to simplify the recognitio
6、n of intersecting features.The method of grouping cavities and classification of machining features were discussed.The process of recognition was elaborated:rules and property of edges were used to recognize complete holes, independent ribs and intersecting ribs firstly;layer and intersecting holes
7、were recognized by using layer and feature suppression technology;the left features were recognized back to the main thread at last.An instance part was used to analyze the efficiency of algorithm and verify the effectiveness of the proposed method.Keyword： thin-walled and multi-cavity; structural p
8、arts; feature recognition; intersecting features; parallel; identification; NC machining; Received： 2016-08-090 引言薄壁多腔类结构件普遍具有结构复杂、薄壁、多腔等特点, 是现代飞机研制中常见的一类整体结构件1。目前, 薄壁多腔类结构件的数控加工工艺中, 需要大量人机交互进行人工特征的选取, 大大增加了工作量, 降低了数控加工工艺设计的效率。因此, 很多学者就如何快速智能地进行加工特征识别开展了研究。目前, 特征识别方法主要分为基于边界匹配法和基于立体分解法两大类2, 其中基于边界匹配
9、法分为基于图、基于规则和基于痕迹 3 种类型的匹配, 在复杂特征识别中得到了广泛研究。基于图匹配的方法只能识别预定义的且容易用图表示的特征, 因此, 当遇到拓扑结构复杂的零件, 难以对所有特征进行子图的预定义表示时, 容易出现漏识别现象, 其次, 子图匹配是 NP 问题3-4, 非常耗时, 识别效率低。单纯基于规则的方法难以识别相交特征, 如刘晓军等5利用边的凹凸性, 提出一种面向板腔类零件的加工特征识别方法, 通过对主加工面内、外环边的凹凸性进行判断, 识别出腔槽特征, 但所提规则未考虑板腔中存在相交特征的情况。在相交特征识别方面, Marefat 等6首次采用添加虚链的方法来提高基于图的特
10、征识别方法在识别相交特征方面的能力, 但是算法中不能确保所添加的虚链都是正确的, 且该方法需要对图进行大量的操作, 非常不直观。传统基于痕迹的匹配算法只能识别最一般的相交特征7, 而且算法对特征类型的依赖很大, 难以添加新特征。体分解的特征识别方法与基于边界匹配的方法相比, 在识别相交特征上有一定优势, 但总体上效率较低8-10。如闫海滨11针对飞机结构件自身特点, 提出一种基于层的特征识别方法, 仍需要建立属性面边图, 并在符合条件的约束面上添加虚链, 非常不直观且只能处理面贴合的情况, 当相交情况更复杂时, 例如阶梯槽中存在相交孔且孔不完整时无法识别。此外由于目前特征识别的算法流程中的各关
11、键操作间存在数据依赖关系, 难以通过并行操作来提高识别效率。本文针对薄壁多腔件的特点, 提出一种可以开展多任务并行识别的高效算法, 并通过直接对三维模型的建模操作改善了基于属性邻接图的相交特征识别算法中不直观和模型数据利用率低的问题。1 加工特征的分类加工特征指工序模型上一个具有语义的几何实体, 其描述了模型上的材料切除区域, 且表达了一个工序的加工结果。结合国际标准化组织 (International Standardization Organization, ISO) 在产品模型数据交换标准应用协议AP224 标准中的定义12, 对薄壁多腔类结构件的加工特征进行如下分类, 使特征的识别与下
12、游工艺结合得更紧密。加工特征分类如图 1 所示, 孔特征的识别包括简单孔特征、台阶孔特征、相交孔特征的识别以及通透性判定。图 2 所示为几类孔特征示意图。相交孔特征与层特征的识别可以同步进行, 具体将在2.4.4 节详细介绍。通过分析薄壁多腔类结构件的特点及数控工艺, 发现可将筋特征分为轮廓筋、腔间筋、腔内相交筋、独立筋, 以利于安排后续不同筋特征的加工顺序, 从而减小加工变形, 其中腔间筋和轮廓筋统称框架筋, 各类筋特征如图 3 所示。本文对腔特征作出如下定义:若一个槽的所有侧壁均为轮廓筋或腔间筋的侧壁, 则该槽即为腔特征。根据腔的封闭性可将腔特征分为封闭腔与开口腔。传统薄壁多腔类结构件的加
13、工特征分类面对复杂槽腔时存在以下问题11:传统加工工艺中的子槽、曲壁等特征分类在先进数控工艺中并无实质不同, 例如在现代数控工艺中, 槽腔中所有加工都可以归并为侧壁加工加上腹板加工, 不用再区分凸台、子槽、曲壁等。本文的层特征包括层基础面、层约束面、层深度和层数。基础面和约束面这两个元素保证了层的工程涵义, 通过基于层的特征组合可以很好地解决飞机结构件复杂型腔中拓扑结构不确定特征的漏识别问题, 同时层特征的特征解释符合数控加工工艺11。因此, 本文识别方法将不再单独识别腔中凸台, 将槽底面和凸台顶面视为层基础面, 将槽侧面和凸台侧面视为层约束面。本文在识别层特征的同时识别出与其相交的相交孔特征
14、, 得到相交孔在哪个层被加工, 从而有利于后续加工特征的排序。层特征示意如图 4 所示。2 加工特征的识别过程2.1 相关概念首先引入以下几个特征识别流程中的概念和规则:(1) 主加工方向 MMD 指加工某一特征时的轴向进给方向。(2) 主加工面 MMF 指面的法向量与主加工方向相反的面。(3) 腔基面集合 BFS 指所有腔的主加工面集合, 表示如下:式中:i 为腔的序号, n 为模型中腔的总个数, bfs i表示序号为 i 的腔的腔基面集合。(4) 边的引出面 DF 若任意两个面相交于一条公共边, 则这两个面称为该公共边的引出面。(5) 凹边、凸边如果两个邻接面的夹角为 0180, 则这两个
15、面的相交边就是凹边;如果夹角为 180360, 则这两个面的相交边就是凸边。(6) 内环边、外环边如果一条边属于一个面的内环, 则这条边称为内环边;如果一条边属于一个面的外环, 则这条边称为外环边。规则 1 筋顶面判断。 , 则 F 为筋顶面。其中 MF为面F 外环边的引出面集合, length 得到面间距, dir 得到面的法向量, q 为壁厚范围, 可根据实际加工情况修改。该规则表示如果面的外环边 DF 集合中存在两个元素法向量近似相反, 且面间距在壁厚范围内, 则该面为筋顶面。规则 2 连接端面判断。若 , 则 f1为连接端面, pub得到两面公共边凹凸性, 函数值 0 表示凹边, 1
16、表示凸边。该规则表示若两个面外环边 DF 集合中存在相同的元素, 且该元素与两个面公共边的凹凸性为一凹一凸, 则认为该元素就是这两个面的连接端面。2.2 加工特征识别策略首先对结构件模型进行预处理, 抑制过渡特征并获得所有边的凹凸性, 相关方法请参照文献13-15。接着搜索模型中所有主加工面, 并以腔为单元分组获得各腔的腔基面集合 bfsi (i 为腔序号) 。然后采用规则、层与特征抑制的方法对各个腔中的加工特征进行并行识别, 先识别完整不相交孔、独立筋、腔内相交筋特征, 再识别层特征与相交孔特征, 如果先识别层特征与相交孔特征, 则会覆盖腔中还未识别的特征, 从而造成遗漏。在所有腔均完成上述
17、识别后, 进行框架筋、轮廓的识别以及腔封闭性的判定, 因为各个腔之间相互分离, 所以各个腔之间的识别与对模型的操作不存在相互影响, 可以进行并行识别。本文的识别规则通过分析大量结构件特征获得。算法流程如图 5 所示。2.3 腔分组本文以腔为单元进行并行识别, 首先介绍腔分组的方法。搜索模型中的所有MMF, 然后以腔为单元分组获得各腔的 BFS, 具体识别步骤如下, 以图 6 的结构为例给出以下具体识别步骤, 其中 f1, f2, f3, f4表示拓扑面, C 1, C2表示腔。步骤 1 指定腔种子面 SF, 将腔种子面的法向量反向作为 MMD。步骤 2 获得主加工面集合 MMFS。如图 6 所
18、示 MMFS=f1, f2, f3, f4, SF。步骤 3 获得各腔的腔基面集合。(1) 将 MMFS 中的第一个元素加入 bfsi1 (i1为第一个元素所属腔) , 利用规则2 在 MMFS 中搜索与其存在连接端面的其他元素加入 bfsi1, 每加入一个新的面, 都要遍历一次 MMFS。当 bfsi1与 MMFS 中任何元素都不存在连接端面时, 完成bfsi1的搜索。如图 6 所示, bfs 1=SF, f1。(3) 当 MMFS 中每一个元素均加入了各个腔的腔基面集合 (n 为腔总数) 后结束分组。2.4 加工特征识别方法2.4.1 腔中完整不相交孔识别结合边的凹凸性、环类型和规则识别完
19、整不相交孔。首先遍历各腔的腔基面集合, 若存在内环, 则利用规则 3 判断是否存在完整不相交孔, 如图 7a 中 l1即为内环且符合规则 3;从内环边的 DF 开始, 根据规则 4 判断是否已经是通孔或者到达了盲孔的底面, 若不满足条件, 则继续搜集新的 DF 直到满足规则 4, 如图 7a 中孔组成面 f1, f2, f3;利用规则 5 判断是简单孔还是台阶孔后进行特征抑制 (图 7b) 。识别算法流程如图 8 所示。规则 3 若 li=li (x, 1) , eij=eij (1, 1) , 则存在完整不相交孔特征, 其中:li表示面 F 的第 i 个组成环, 环的属性由两个参数 (x,
20、a) 表示, 其中 x 表示面 F 的组成环个数, 另一个参数 a 为常数, a=1 表示内环, a=2 表示外环。e j表示环 l 的第 j 条组成边, 同样的, 边的属性也由两个参数 (b, c) 表示, 且均为常数, 第一个参数 b 表示环 l 的组成边个数, 第二个表示边属性, c=0 表示凹边, c=1 表示凸边。该规则表示如果面中内环边仅有 1 条且为凸边, 则存在完整不相交孔特征。规则 5 如果 , 则该孔特征为台阶孔, 其中 H 为孔特征组成面集合。该规则表示, 若孔特征组成面中存在法向量与主加工方向近似相反的面, 则为台阶孔特征, 否则为简单孔特征。2.4.2 腔中独立筋识别
21、结合边的凹凸性、环类型以及规则来识别腔中的独立筋。首先遍历各腔的腔基面集合, 若存在内环, 则用规则 6 判断是否存在独立筋, 图 9a 中 l1为内环, e 1, e2, e3, e4为凹边, 且符合规则 6;收集对应的所有内环凹边的引出面 (不包括内环所属的面) 得到独立筋特征的所有侧面, 图 9a 中得到拓扑面 f1, f2, f6, f7;遍历筋侧面组成边为凸边的 DF, 获得筋顶面, 如图 9a 中的 f3, f4, f5;特征抑制后模型如图 9b 所示, 算法流程图如图 10 所示。规则 6 若 , 则存在独立筋。N F为面 F内环边的引出面集合。该规则表示, 若内环组成边都是凹边
22、, 则这些凹边的 DF集合中存在两个法向量近似相反的面, 且面间距在筋厚度范围内存在独立筋。2.4.3 腔内相交筋识别当腔内存在相交筋时, 三维模型中相交筋所在的腔侧壁和腔腹板之间的连接线断开, 即相贯线个数必定大于 1。根据这一原理, 首先给出第二相交面的定义:定义 1 第二相交面 (Second Intersecting Face, SIF) 。与腔基面相交的相贯线均为凹边且相贯线个数大于 1 的面。识别步骤如下: (1) 遍历各腔腔基面集合, 找到各腔基面的所有 SIF, 图 11a中 BFS 存在 f1、f 2两个第二相交面; (2) 搜索相交筋组成面, 从 BFS 外环边的非相贯线开
23、始, 寻找相邻的凹边直到另一条相贯线结束, 得到若干个凹边的集合 G, 图 11a 中得到 G1=e1, e2, e3和 G2=e4, e5, e6两个凹边的集合; (3) 搜索集合 G 中凹边的 DF (不包括内环所属的面) 得到若干个面的集合 H1=fA, fB, fC, H2=fD, fE, fF, 即相交筋的组成面; (4) 根据规则 1 判断筋顶面与筋侧面; (5) 将识别出的特征进行抑制, 如图 11b 所示。2.4.4 层特征与相交孔特征识别薄壁多腔结构件中存在大量层特征, 层数不固定, 且层与层之间可能存在相交孔特征, 本文采用层与特征抑制的方法识别层特征与相交孔特征:步骤 1
24、 搜索模型中各个腔中剩余的腔基面集合 bfsi, 如图 13a 中 bfs1=f2, f1。步骤 2 将 bfsi中各元素沿主加工方向进行反向排序, 。步骤 3 从 bfsi中第一个元素开始, 作为层特征第一层, 向后逐一比较, 利用规则 2 找到与其有连接端面的主加工面, 作为层特征的第二层。抑制第一层, 用2.4.1 节的方法识别孔特征, 如果有, 则说明原本第二层中存在相交孔特征, 对其进行抑制。图 12a 示例中的第一个元素为 f1, 作为层特征第一层, 利用规则 2 找到连接端面 f2作为第二层, 将第一层进行抑制 (图 12b) , 识别出通简单孔特征, 说明原本第二层中存在通相交
25、孔特征, 抑制孔特征后的模型如图 12c 所示;重复步骤3 的方法, 直到 bfsi中不存在连接端面, 即完成层特征与相交孔特征识别。算法流程如图 13 所示。2.4.5 腔间筋、轮廓、轮廓筋识别以及腔封闭性的判定当完成所有腔中的孔特征、独立筋、腔内相交筋、腔内层的特征识别后, 进行腔间筋、轮廓筋、轮廓的识别以及腔封闭性的判定。具体步骤如下:步骤 1 识别框架筋。搜集每一个腔剩余腔基面集合中面的外环边为凹边的引出面, 构成集合 U=U1, U2, , Un, n 为腔的个数。根据规则 1 找到筋的侧面与顶面。如果比较的两个面分别属于两个腔, 则为腔间筋, 否则为轮廓筋。步骤 2 识别外轮廓。步
26、骤 1 中识别出的轮廓筋的侧面不在集合 U 中的面即为外轮廓面。步骤 3 根据规则 7 判断腔封闭性。规则 7 在外轮廓识别后的模型中, 若 , 则这个腔是开放的。该规则表示如果腔的主加工面外环边存在凸边, 则这个腔是开放的, 否则是封闭的。3 应用实例及算法分析基于本文提出的加工特征识别方法, 采用 VS2010, 通过 UG/Open API 对 UG 8.5进行二次开发, 建立了面向航空结构件的三维 CAD/CAPP 集成系统的原型系统, 其中加工特征识别模块是该原型系统的一个关键模块, 通过两个实验对本文算法进行验证。计算机硬件条件如下:型号为 ThinkpadE 40, 内存为 2
27、G, 系统类型为 32 位, 处理器规格:Intel (R) Core (TM) i3 CPU M3802.53GHz。(1) 实验 1通过如图 14 所示的预处理后的结构件模型对本文的特征识别算法进行验证, 其中用所开发的原型系统给出了具体的单面特征识别过程, 如图 15 所示。识别前的界面如 15a 所示, 指定模型中任意腔的腹板面作为腔种子面 (图 15a 中的face1) , 需获取所有 MMF 后根据腔进行分组, 获得每个腔的 BFS, 依据识别流程, 采用第 2 章介绍的各类特征的识别方法对各个腔进行并行识别孔特征、独立筋特征、相交筋特征, 识别后的界面如图 15b 所示。然后采用
28、层与特征抑制的方法识别层特征与相交孔特征, 识别后的界面如图 15c 所示。最后, 识别出外轮廓和框架筋, 识别后的界面及特征树列表如图 15d 所示, 识别结果如表 1所示。表 1 A 面加工特征识别结果 下载原表 (2) 实验 2根据 30 个复杂程度不同的薄壁多腔结构件模型对算法效率进行测试, 其中各个模型面的数量从几十到几百不等, 将本文算法与采用传统图匹配的方法进行对比。传统的图的识别方法在识别拓扑不固定的特征时不具有通用性, 但是为了验证算法效率, 将所有的特征无论难易均用模型拓扑图表示, 实验结果如图 16所示。横坐标表示零件的顶点数, 纵坐标表示传统图匹配与本文算法所用的时间比
29、值, 发现当顶点个数较少时, 算法效率基本相同, 当顶点数目较大时, 纵轴比值增加明显, 表明本文识别算法明显好于传统的图匹配算法, 这是因为本文采取特征抑制的方法简化了相交特征的识别, 同时基于腔分组实现了特征的并行识别。4 结束语本文主要研究了面向薄壁多腔类结构件加工特征识别方法, 提出基于规则、层与特征抑制的混合并行识别方法。相比于基于图的方法, 本文方法可以识别拓扑不固定的加工特征, 无需建立预定义库, 同时基于并行识别的思想大大提高了识别效率, 且通过特征抑制简化了相交特征的识别。本文方法适合处理壁板类、框类薄壁结构件, 不适用于接头类等其他结构件, 且主加工面 (平面或曲面) 与主
30、加工方向近似垂直。如何将本文的思想用于其他类型的结构件以及腔基面为曲率变化大的复杂曲面, 将是今后的研究方向。参考文献1GUO Hun.Study on mechanism and prediction analysis of machining distortion for aero-multi-frame monolithic structure partsD.Jiangsu:Nanjing University of Aeronautics&Astronautics, 2005 (in Chinese) .郭魂.航空多框整体结构件铣削变形机理与预测分析研究D.江苏:南京航空航天大学, 2
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