CN103164582A - 三维cad模型相交制造特征识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维CAD模型相交制造特征识别方法，用于解决现有零件可制造性自动分析方法在产生优选解过程中存在组合爆炸的技术问题。技术方案是以MBD表示的三维CAD模型为信息输入源，首先通过启发式规则对每个加工面进行可达性分析，确定加工面的可行刀具轴向空间；然后以加工面可行刀具轴向空间为约束，采用融合制造语义的加工面聚类算法构建加工区域子图；最后，以加工区域子图为制造特征痕迹，结合标注尺寸信息，对加工区域子图进行优化合并，从而实现制造特征的识别。本发明将可制造性分析融入相交制造特征识别过程中，使加工面具有相同的精度等级；在特征识别过程中充分考虑了设计语义对特征识别的影响，提高了实用性。

Description

三维CAD模型相交制造特征识别方法

技术领域

本发明涉及一种相交制造特征识别方法，特别涉及一种三维CAD模型相交制造特征识别方法。

背景技术

文献“Computer-Aided Design，Vol.27，No.5，pp.323-342，1995”公开了一种零件可制造性自动分析方法，该方法对已识别的制造特征从刀具接近方向、公差、加工效率等方面给出优化的特征解释，并对生成的加工工艺进行评估。但是，该方法在特征识别过程中并没有考虑设计语义信息对特征识别的影响，在产生优选解过程中会导致组合爆炸。

基于模型的定义(model based definition,MBD)的概念和方法正在制造业得到日益关注和青睐，MBD通过直接在产品三维模型上标注尺寸、公差、技术要求等信息，以三维模型作为产品设计、制造、检测等信息表示的唯一载体，MBD方法的应用已成为CAD技术发展的重要趋势之一。MBD方法的出现，使得特征识别不仅可以利用模型的几何拓扑信息，还可以利用其携带的材料、尺寸、精度等语义信息，为复杂相交特征或复杂零件的特征识别提供新的解决思路。

发明内容

为了克服现有的零件可制造性自动分析方法在产生优选解过程中存在组合爆炸的不足，本发明提供一种三维CAD模型相交制造特征识别方法。该方法以MBD表示的三维CAD模型为信息输入源，首先通过启发式规则对每个加工面进行可达性分析，确定加工面的可行刀具轴向空间；然后以加工面可行刀具轴向空间为约束，采用融合制造语义的加工面聚类算法构建加工区域子图；最后，以加工区域子图为制造特征痕迹，结合标注尺寸信息，对加工区域子图进行优化合并，从而实现制造特征的识别。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三维CAD模型相交制造特征识别方法，其特点是包括以下步骤：

（1）以MBD模型为输入，由三维CAD模型中的边界信息得到加工面可行的刀具轴向。

（2）根据不同相交特征的类型分别计算出可行的刀具轴向集，并且在此基础上提取该加工区域的基面集合：根据可行刀具轴向存在的类型将相交制造特征分为三种类型，分别计算出刀具轴向集；由刀具轴向集基于一定的规则推导出基面集合。

（3）对于每个加工区域，以基面为种子面，获得各个加工区域子图，并且对加工区域子图进行优化合并：以加工面可达方向锥为约束，从中选择可行的刀具轴向，将能够沿同一个刀具轴向，并且具有相同精度等级的表面聚类为一个加工区域子图；引入语义边概念，构建加工区域子图之间的约束关系，以一定的算法对加工区域子图进行优化合并。

（4）以已识别的制造特征为输入，结合加工工艺知识，仅给出一种可行的特征解释：基于一定的规则采用启发式方法对可行的特征进行解释。

为了展示本发明的有益效果，以Microsoft Visual Studio2008为集成开发环境，Open CASCADE为几何平台实现了算法，并在AMD Turion1.6GHz CPU，2GB内存的PC机上对其进行了测试。设计语义信息(尺寸、公差、表面粗糙度等)的提取，采用UG Open API函数实现。

与现有技术相比，有效地解决现有的特征识别方法存在的相交特征、复杂零件难以识别及没有充分考虑尺寸公差信息对制造特征识别的影响等技术问题。本发明的主要贡献包括：①将可制造性分析融入相交制造特征识别过程中，识别的制造特征均存在一个可行的刀具轴向，并且加工面具有相同的精度等级，满足可制造性要求；②以加工区域子图为制造特征痕迹，在特征识别过程中充分考虑了设计语义(标注尺寸、公差、基准等)对特征识别的影响，提高了方法的实用性，满足工艺设计要求，识别结果能够较好的支持下游制造阶段的应用。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明方法二次曲面轴向覆盖相交特征示意图；

图3是本发明方法平面法矢覆盖相交特征示意图；

图4是本发明方法刀具轴向隐式存在于相交制造特征示意图。

图5是图4中刀具轴向隐式存在于相交制造特征边约束示意图；

图6是图4中刀具轴向隐式存在于相交制造特征点约束示意图。

图7是图4中刀具轴向隐式存在于相交制造特征所述可行刀具轴向提取与加工区域子图构建的CAD模型；

图8是图4中刀具轴向隐式存在于相交制造特征所述可行刀具轴向提取与加工区域子图构建的凹子图CAG；

图9是图4中刀具轴向隐式存在于相交制造特征所述可行刀具轴向提取与加工区域子图构建的加工区域子图。

具体实施方式

参照图1～9。本发明三维CAD模型相交制造特征识别方法具体步骤如下：

加工面可达性分析。加工面可达性分析主要通过分析三维CAD模型中的边界信息推理出加工面可行的刀具轴向。以MBD模型为输入，采用启发式方法进行加工面可达性分析，该方法基于如下规则：

规则1.对于平面加工，假设平面f_i法矢为n_i，则可达方向锥

规则2.对于二次曲面(柱面、锥面、环面、球面等)加工，假设二次曲面f_i轴向为n_i，则二次曲面可达方向锥其中n(P)为面f_i在点P处的法矢；

规则3.对于自由曲面r(u,w)加工，自由曲面的可达方向锥为

其中n(P)为面r(u,w)在点P处的法矢。

规则4.对于加工面f，与其关联的尺寸方向集合为O_D，则基于设计语义的可达方向锥

其中关联的尺寸方向为该尺寸的尺寸线方向。

融合制造语义的加工面聚类算法。根据制造特征的定义，以加工面可达方向锥为约束，从中选择可行的刀具轴向，将能够沿同一个刀具轴向，并且具有相同精度等级的表面聚类为一个加工区域子图。根据相交制造特征可行刀具轴向存在的类型将相交制造特征分为如下三种情况：①二次曲面轴向覆盖相交制造特征；②平面法矢覆盖相交制造特征；③刀具轴向隐式存在于相交制造特征。

MBD模型预处理。采用加工面属性邻接图(machining face adjacency graph,MFAG)对相交制造特征进行描述，首先将MFAG分割为凹子图(concave adjacency graph,CAG)，CAG定义为MFAG的顶点导出子图，子图CAG中任意两个顶点之间均存在一条凹路径；然后分别构建基于CAG的加工区域子图。

二次曲面轴向覆盖相交制造特征。

基面识别。根据启发式规则，CAG中二次曲面轴向集O可覆盖CAG，并且子图CAG中存在平面f_k与刀具轴向n_i(n_i∈O)垂直。假设与面f_k非凸边相邻的面集合为N_S，当F_C(f_k∪N_S)

时，且

为沿着方向n_i拉伸面f_i至无穷大，∩^*为正则化布尔交，Part为MBD模型)，则面f_k为基面，且面f_k只属于一个制造特征，即刀具沿方向n_i就完成面f_k的加工；或者当

但是存在二次曲面f_i满足:

且(

表示加工面f的边界)，则面f_k同样为基面，此时面f_k共同属于不同的制造特征，即刀具需要沿不同的进刀方向才能完成面f_k的加工；否则面f_k不为基面。当CAG中不存在与n_i对应的加工面时，则表示与方向n_i对应的是虚基面。

加工面聚类。假设上述获得子图CAG的基面集合为F_Base={f_i},1≤i≤n，以基面f_i为种子面按公式(2)构建加工区域子图。

其中N_S(f_i)为与面f_i非凸边相邻的面集合，n_i为加工区域R(f_i)的刀具轴向，T(*)返回加工面的精度等级。对于虚基面加工区域子图按照公式(3)构建。

其中n_k为面f_k的法矢，θ(n_i,n_k)为法矢n_i与n_k之间的夹角，δ为给定阈值，本实施例取π/8，F_rev为二次曲面集合。

平面法矢覆盖相交制造特征。

当CAG中不存在二次曲面时，假设CAG中存在平面f_i的法矢n_i与其他所有面f_k在点P的法矢n_k(P)满足:

n_i·n_k(P)≥0，且

则方向n_i覆盖CAG，此时从满足上述条件的面集合F_CAG中选择使S_k获得最小值的方向n_k为子图CAG的可行刀具轴向。

$S_k=\underset{f_i\∈\mathrm{CAG}}{\mathrm{\Σ}}w(f_i,f_k),f_k\∈F_{\mathrm{CAG}}$

其中w(f_i,f_k)定义为

$w(f_i,f_k)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{f}_i=f_k\\ n_i\·n_k& \mathrm{else}\end{array}\right.$

同理，按照基面识别方法提取CAG中的所有基面，并且按照公式(2)构建加工区域子图。

刀具轴向隐式存在于相交制造特征。

对于刀具轴向隐式存在于相交特征内的情况，首先需要确定相交特征可行的刀具轴向集，提出基于累进约束的隐式刀具轴向提取算法。

约束。约束表示成一个三元组，记为C_ij={g_i,g_j,r}，其中g_i,g_j表示图CAG的子图，r表示子图g_i与g_j的连接关系。根据r的连接类型，约束可细分为以下两类：(1)边约束：当r表示G中连接子图g_i与g_j之间的连接边集合时，即r={(v_it,v_jk)|v_it∈g_i,v_jk∈g_j}，称C_ij为边约束。(2)点约束：当r表示子图g_i与g_j中的共有节点集合时，即r={v|v∈g_iΔv∈g_j}，称C_ij为点约束。

根据约束的定义，任意一个图或子图用两个子图的一个约束来表示，记作g=(g_i,g_j,r)，其中子图g由子图g_i与g_j合并得到。因此，加工区域子图g由子图g_i与g_j的约束来表示。

假设给定输入CAG，初始化一阶加工区域子图集C1={g₁ ¹,g₂ ¹,…}，其中

v_i∈CAG，根据约束定义构建约束g=(g_i ¹,g_j ¹,r)，生成二阶加工区域子图集C²={g₁ ²,g₂ ²,…}，其中

如此循环，使用第k步中的加工区域子图集去构造第k+1步的加工区域子图集，并且作候选剪枝操作删除冗余的加工区域子图，这个过程称为约束累进过程。根据这个约束累进过程，提取覆盖CAG最小的可行刀具轴向集O。此时，将刀具轴向隐式存在的加工区域子图构建问题转化为前两种刀具轴向显式存在的加工区域子图构建问题。因此，上述约束累进过程也就是提取可行刀具轴向的过程。

由图7和图8可知，不存在二次曲面轴向或平面法可以矢覆盖CAG，由加工面可达性分析可知，每个加工面可行的刀具轴向均与该加工面平行。采用基于累进约束的隐式刀具轴向提取算法，初始化一阶候选加工区域子图C¹={g_i ¹},1≤i≤6，迭代三次即可获得两个合理的刀具轴向n₁与n₂。此时，将刀具轴向隐式存在的加工区域子图构建问题转化为前两种刀具轴向显式存在的加工区域子图构建问题，采用上述方法可分别得到图9中的两个加工区域子图g₁与g₂。

加工区域子图优化及制造特征类型判定。为了构建加工区域子图之间的约束关系，引入语义边概念。

语义边。语义边用于表征加工区域子图之间的约束关系，主要通过检测与相交制造特征中加工面关联的设计语义(尺寸、公差、表面粗糙度等)来构建。

下面给出加工区域子图优化的主要步骤：

Step1.给定相交制造特征加工面属性邻接图G，获得的加工区域子图集合为C={g₁,g₂,…,g_n}.

Step2.令k=1,2,…,，进行下列循环:

Step2.1对于C中的任意一个加工区域子图g_i，如果g_i满足某类制造特征的所有约束(包括几何拓扑和语义)，将其加入C^k，并从C中删除g_i;

Step2.2如果C中加工区域子图g_i与g_j之间存在语义约束，并且两个加工区域子图具有相同的刀具轴向、相同的精度等级，即

根据加工区域子图可能的制造特征类型，在g_i与g_j之间添加语义边，构建新的加工区域子图g_k，将g_k加入C，并从C中删除g_i与g_j;

Step2.3如果|C|=0，转Step3;

Step2.4k=k+1.

Step3.输出C^k中所有制造特征(k=1,2,…).

可行特征解释生成方法.通过提取可行刀具轴向构建加工区域子图来识别相交制造特征，由于可行刀具轴向的多解性导致特征解释的多样性，而产生所有可能的特征解释并不现实。因此，以上述已识别的制造特征为输入，结合加工工艺知识，仅给出一种可行的特征解释。在生成可行特征解释过程中，依次采用如下启发式规则：

规则5.若两个制造特征具有相同基面，并且加工面具有相同的精度等级，则合并为一个制造特征，以达到在一次行程中加工尽可能多的表面。

规则6.若一个制造特征存在多个可行刀具轴向(对应多个基面)，根据已解释的具有确定可行刀具轴向的制造特征选择待解释特征的可行刀具轴向，以减少零件安装次数和刀具轴向数量。

规则7.对于具有相同刀具轴向的相交制造特征，根据基面的位置关系(相对于刀具轴向)，由上往下分层进行识别。

规则8.若两个制造特征具有设计基准约束关系，优先加工基准特征。

首先，根据上述特征识别方法识别相交制造特征，并且查找所有具有确定刀具轴向的特征(如盲孔、闭型腔、盲狭槽等)；然后，根据启发式规则遍历所有待解释特征，确定其可行刀具轴向；最后，由待解释特征新生成的可行刀具轴向更新加工区域子图，并把新生成的加工区域子图作为制造特征痕迹进行特征再识别。如果经特征解释生成的制造特征不满足工艺设计要求，工艺人员可根据具体应用要求对特征进行再解释。

Claims (1)

1.一种三维CAD模型相交制造特征识别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、以MBD模型为输入，由三维CAD模型中的边界信息得到加工面可行的刀具轴向；

规则1.对于平面加工，假设平面f_i法矢为n_i，则可达方向锥

规则2.对于二次曲面加工，假设二次曲面f_i轴向为n_i，则二次曲面可达方向锥

其中n(P)为面f_i在点P处的法矢；

规则3.对于自由曲面r(u,w)加工，自由曲面的可达方向锥为

其中n(P)为面r(u,w)在点P处的法矢；

规则4.对于加工面f，与其关联的尺寸方向集合为O_D，则基于设计语义的可达方向锥

其中关联的尺寸方向为该尺寸的尺寸线方向；

步骤二、根据可行刀具轴向存在的类型将相交制造特征分为三种类型，①二次曲面轴向覆盖相交制造特征；②平面法矢覆盖相交制造特征；③刀具轴向隐式存在于相交制造特征；

采用加工面属性邻接图对相交制造特征进行描述，首先将MFAG分割为凹子图CAG，CAG定义为MFAG的顶点导出子图，子图CAG中任意两个顶点之间均存在一条凹路径；然后分别构建基于CAG的加工区域子图；

根据启发式规则，CAG中二次曲面轴向集O可覆盖CAG，并且子图CAG中存在平面f_k与刀具轴向n_i(n_i∈O)垂直；假设与面f_k非凸边相邻的面集合为N_S，当

时，且为沿着方向n_i拉伸面f_i至无穷大，∩^*为正则化布尔交，Part为MBD模型)，则面f_k为基面，且面f_k只属于一个制造特征，即刀具沿方向n_i就完成面f_k的加工；或者当

但是存在二次曲面f_i满足:

且

(

表示加工面f的边界)，则面f_k同样为基面，此时面f_k共同属于不同的制造特征，即刀具需要沿不同的进刀方向才能完成面f_k的加工；否则面f_k不为基面；当CAG中不存在与n_i对应的加工面时，则表示与方向n_i对应的是虚基面；

假设上述获得子图CAG的基面集合为F_Base={f_i},1≤i≤n，以基面f_i为种子面按公式(2)构建加工区域子图；

其中N_S(f_i)为与面f_i非凸边相邻的面集合，n_i为加工区域R(f_i)的刀具轴向，T(*)返回加工面的精度等级；对于虚基面加工区域子图按照公式(3)构建；

其中n_k为面f_k的法矢，θ(n_i,n_k)为法矢n_i与n_k之间的夹角，δ为给定阈值，本实施例取π/8，F_rev为二次曲面集合；

当CAG中不存在二次曲面时，假设CAG中存在平面f_i的法矢n_i与其他所有面f_k在点P的法矢n_k(P)满足: $\∀f_k\∈\mathrm{CAG}|n_i\·n_k\left(P\right)\≥0,$ 且

则方向n_i覆盖CAG，此时从满足上述条件的面集合F_CAG中选择使S_k获得最小值的方向n_k为子图CAG的可行刀具轴向；

其中w(f_i,f_k)定义为

$w(f_i,f_k)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{f}_i=f_k\\ n_i\·n_k& \mathrm{else}\end{array}\right.$

同理，按照基面识别方法提取CAG中的所有基面，并且按照公式(2)构建加工区域子图；

对于刀具轴向隐式存在于相交特征内的情况，首先需要确定相交特征可行的刀具轴向集，提出基于累进约束的隐式刀具轴向提取算法；

约束表示成一个三元组，记为C_ij={g_i,g_j,r}，其中g_i,g_j表示图CAG的子图，r表示子图g_i与g_j的连接关系；根据r的连接类型，约束可细分为以下两类：(1)边约束：当r表示G中连接子图g_i与g_j之间的连接边集合时，即r={(v_it,v_jk)|v_it∈g_i,v_jk∈g_j}，称C_ij为边约束；(2)点约束：当r表示子图g_i与g_j中的共有节点集合时，即r={v|v∈g_iΔv∈g_j}，称C_ij为点约束；

根据约束的定义，任意一个图或子图用两个子图的一个约束来表示，记作g=(g_i,g_j,r)，其中子图g由子图g_i与g_j合并得到；因此，加工区域子图g由子图g_i与g_j的约束来表示；

假设给定输入CAG，初始化一阶加工区域子图集C¹={g₁ ¹,g₂ ¹,…}，其中

v_i∈CAG，根据约束定义构建约束g=(g_i ¹,g_j ¹,r)，生成二阶加工区域子图集C²={g₁ ²,g₂ ²,…}，其中

如此循环，使用第k步中的加工区域子图集去构造第k+1步的加工区域子图集，并且作候选剪枝操作删除冗余的加工区域子图，这个过程称为约束累进过程；根据这个约束累进过程，提取覆盖CAG最小的可行刀具轴向集O；此时，将刀具轴向隐式存在的加工区域子图构建问题转化为前两种刀具轴向显式存在的加工区域子图构建问题；

步骤三、以加工面可达方向锥为约束，从中选择可行的刀具轴向，将能够沿同一个刀具轴向，并且具有相同精度等级的表面聚类为一个加工区域子图；通过检测与相交制造特征中加工面关联的设计语义构建语义边；

下面给出加工区域子图优化的步骤：

Step1.给定相交制造特征加工面属性邻接图G，获得的加工区域子图集合为C={g₁,g₂,…,g_n}.

Step2.令k=1,2,…,，进行下列循环:

Step2.1对于C中的任意一个加工区域子图g_i，如果g_i满足某类制造特征的所有约束，将其加入C^k，并从C中删除g_i;

Step2.2如果C中加工区域子图g_i与g_j之间存在语义约束，并且两个加工区域子图具有相同的刀具轴向、相同的精度等级，即

根据加工区域子图可能的制造特征类型，在g_i与g_j之间添加语义边，构建新的加工区域子图g_k，将g_k加入C，并从C中删除g_i与g_j;

Step2.3如果|C|=0，转Step3;

Step2.4k=k+1.

Step3.输出C^k中所有制造特征(k=1,2,…).

步骤四、以已识别的制造特征为输入，结合加工工艺知识，依次采用如下启发式规则：

规则5.若两个制造特征具有相同基面，并且加工面具有相同的精度等级，则合并为一个制造特征，以达到在一次行程中加工尽可能多的表面；

规则6.若一个制造特征存在多个可行刀具轴向，根据已解释的具有确定可行刀具轴向的制造特征选择待解释特征的可行刀具轴向，以减少零件安装次数和刀具轴向数量；

规则7.对于具有相同刀具轴向的相交制造特征，根据基面的位置关系，由上往下分层进行识别；

规则8.若两个制造特征具有设计基准约束关系，优先加工基准特征；

首先，根据上述特征识别方法识别相交制造特征，并且查找所有具有确定刀具轴向的特征；然后，根据启发式规则遍历所有待解释特征，确定其可行刀具轴向；最后，由待解释特征新生成的可行刀具轴向更新加工区域子图，并把新生成的加工区域子图作为制造特征痕迹进行特征再识别。

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