CN103995497B - 基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，该方法实现的总体流程为：1）生成槽侧壁的交线环并获取其对应的上侧依赖面集；2）判断上侧依赖面的加工面类型；3）识别上侧依赖面的斜向加工面中的内/外敛面；4）判断内/外敛面的类型；5）统计开/闭角面的数量并生成主面集和关联面集；6）扩展主面集和关联面集，生成开/全开/闭/全闭角节点；7）判断生成的开闭角与上层开闭角之间的关系。实践证明，该方法具有识别效率高、速度快、占用空间小等特点，可用于飞机结构件开闭角的识别与构建，以提高快速数控编程的效率并显著减少工艺员工作量。

Description

基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，用于飞机复杂结构件数控程序的快速编制，为专业化、智能化CAD/CAPP/CAM集成系统“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”提供自动特征识别的相关数据，属于飞机数字化数控编程技术领域。

背景技术

壁板、梁、框、肋等飞机结构件普遍具有尺寸大、结构复杂、壁薄等特点。这些零件通常具有非常多且复杂的槽腔特征，而在内外缘附近的槽腔中存在与飞机气动外形有关的曲面壁，这些曲面壁构成的加工特征称为开闭角。一般情况下，开闭角采用五轴加工，数控编程复杂、效率低，其数控程序的编制占用了工艺员大部分的时间并使得工作繁琐、重复、易出错。因此提高工艺员的编程效率成为现代飞机结构件加工制造过程中的主要目标之一。

由于零件建模的精度问题，通常导致模型上一张完整的面被分割为若干张细碎面。为保证加工的无残留，需识别出所有的能够成开闭角的细碎面。

解决这个问题的关键是完成CAD系统向CAM、CAPP系统的信息传递，建立零件的实体模型与加工特征、加工工艺之间的映射关系，从而为飞机结构件的快速自动编程提供理论依据。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于主面扩展的方法来识别飞机结构件中的复杂曲面，该方法能有效识别带有细碎面的开闭角曲面。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：该方法实现的总体流程为：1）生成槽侧壁的交线环并获取其对应的上侧依赖面集；2）判断上侧依赖面的加工面类型；3）识别上侧依赖面的斜向加工面中的内/外敛面；4）判断内/外敛面的类型；5）统计开/闭角面的数量并生成主面集和关联面集；6）扩展主面集和关联面集，生成开/全开/闭/全闭角节点；7）判断生成的开闭角与上层开闭角之间的关系。

所述步骤1）生成槽侧壁的交线环并获取其对应的上侧依赖面集，包含（1）交线环的生成；（2）交线环上侧依赖面的提取；

所述的（1）交线环的生成，即用一平行于广义槽底面的平面a在广义槽底圆面的顶部和广义槽的侧壁相交得到交线环L；

所述的（2）交线环上侧依赖面的提取。即分别获取每条交线的依赖面，其中在交线上部或与交线相交的面均为上侧依赖面。

所述步骤2）判断上侧依赖面的加工面类型，包含（1）几何面的加工类型划分；（2）加工面类型判断；

所述的（1）几何面的加工类型划分，即从加工角度分析，构成广义槽侧壁的面可分为竖直加工面、斜向加工面、横向加工面和其他加工面；

所述的（2）加工面类型判断，即通过识别每个体表面的底层几何类型并结合一定规则可识别出该面的加工面类型。

所述步骤3）识别上侧依赖面的斜向加工面中的内/外敛面，其识别按照定义1进行，同时为处理细碎面的情况，按照规则1构造内/外敛面集；

所述的定义1：设在当前工位下，加工方向（一般为加工坐标系Z轴正向）为r，面s内某点处的体外法向为n，r与n的夹角为θ。对面s作如下定义：

定义1对零件某表面s上任一点处的n与r的夹角θ有：若0°<θ<90°，则面s为外敛面，表示为c_w；若90°<θ<180°，则面s为内敛面，表示为c_n；

所述的规则1，内/外敛面集构造规则：对零件上某相邻的表面s₁，s₂，若其满足：

（1）s₁与s₂在公共边处具有一阶几何连续性（G¹）；

（2）s₁、s₂同时均为内敛面或同时均为外敛面。

则s₁与s₂可归为同一组外敛面集（C_w）或内敛面集（C_n）。

所述步骤4）判断内/外敛面的类型，即对识别的内敛面或外敛面按照规则2，将其分为闭角面、开角面或筋端面；

所述的规则2，内/外敛面加工类型判断规则：设面s为某零件的体表面，[d_min,d_max]为一般筋条宽度的范围；按定义1识别出该面为内敛面或外敛面：(1)若面s为内敛面，则面s的加工类型为闭角面类型；(2)若面s为外敛面，则获取s在左、右两边的邻接面s_s、s_e和面在垂直于加工方向的宽度d。若d∈[d_min,d_max]且与s_s、s_e间均为凸连接，则外敛面s的加工类型为筋端面类型，否则外敛面s的加工类型为开角面类型；

根据规则2，识别出的外敛面可能为筋端面或开角面，通过判断交线环在某点处的凹凸性来判断外敛面是否与相邻面间为凸连接，凸连接的判断按照规则3和规则4进行；在进行相邻面间连接的凸连接性判断时，把交线间的凸点连接当作是凸连接；

两个相邻面间连接的凹凸性判断方法：设a为平行于广义槽g底面的平面，a与广义槽的侧壁相交得到交线环L。交线环L上的两条线段L_s和L_e共点相连，P为L_s和L_e的公共点。L的正向定义为：当人沿着正向前进时，环线依赖面的内法向指向人的左边。沿着环的正向，相对于P点来说，L_s为入边，L_e为出边，且L_s、L_e在P点处的单位切矢分别为n_s、n_e。按照右手准则对n_s、n_e做叉积运算，令D_se=n_s×n_e，用d_se表示D_se的方向，当D_se的方向垂直纸面向外时，d_se>0；当D_se的方向垂直纸面向里时，d_se<0；当|D_se|=0时，d_se=0；

规则3，凹凸点判定规则如下：沿着环线的正向，若d_se>0，则P点称为L_s和L_e的凸点；若d_se<0，则P点称为L_s和L_e的凹点；若d_se=0，P点称为L_s和L_e的切点，P点的凹凸性需进一步判断；

规则4，切点判定规则如下：沿着环线的正向，当d_se=0时：(1)只有一个圆心O，令D_so=n_s×r_o，若d_so>0，则P点称为L_s和L_e的平凸切点，若d_so<0，则P点称为L_s和L_e的平凹切点；(2)有两个圆心O_s、O_e，令若且则P点称为 L_s和L_e的凹凸切点，若且则P点称为L_s和L_e的平切点；

所述步骤5）统计开/闭角面的数量并生成主面集和关联面集，包含（1）统计上侧依赖面集中开/闭角面的数量；（2）生成主面集和关联面集；

所述的（1）统计上侧依赖面集中开/闭角面的数量，即根据交线环上侧依赖面集中开角面和闭角面的数量按照规则5来设定待生成开闭角节点的类型；

所述的规则5，开闭角类型判断规则如下：设a为平行于广义槽g底面的平面，当a与g的侧壁相交时得到交线环L，F_l为L的上侧依赖面集，f_li为F_l中的元素。F_l中存在开/闭角面，若均同时为开角面或闭角面，则F_l形成的特征类型为全开角或全闭角；否则由具有G¹连续性的开角面集或闭角面集形成的特征类型为开角或闭角。其中，全开角和全闭角没有F_s和F_e。

所述的（2）生成主面集和关联面集，即根据统计结果判断节点类型，将连续相邻且为G¹连续的同类型的面构成主面集，主面集所在交线集的首末端交线的依赖面构成起始和终止限制面集。

所述步骤6）扩展主面集和关联面集，生成开/全开/闭/全闭角节点，包含（1）扩展主面集和关联面集；（2）构建开闭角节点。

所述的（1）扩展主面集和关联面集，即通过对主面集和关联面集按照扩展规则6、7进行扩展，最终可得到待生成节点的几何属性 F_G；

所述的规则6，Fz、Fd扩展规则：设为待生成开闭角节点的主面集，为Fz的邻接面集（有公共边的面），则为Fz的面外环。对F中所有fi执行：提取fi的面外环若且对Fz和fi在或中点处的体外法向向量nFz、nfi有nFz=λnfi+ε（即在误差范围内，nFz//nfi），则：（1）若F_z中的面和f_i同为开角面或闭角面类型，则F’_z=F_z∪f_i；（2）若F_z和f_i类型不同且f_i为底圆面则F’_d=F_d∪f_i；（3）否则保存f_i到F’中。

其中λ为不等于零的系数，ε为误差向量，一般取|ε|<10^-5。面集在中点处的体外法向向量n_Fz表示该面集中的某个面在该中点处的体外法向向量。F’_z、F’_d分别表示扩展后的主面集和底圆面集，F’为F中不属于F’_z和F’_d的面的集合；

起始、终止限制面集F_s、F_e可限制刀具的进退刀位置，为保证无残余切削，也需要对存在细碎面零件的F_s和F_e进行扩展；

规则7，F_s、F_e扩展规则：设为主面集F_z的起始限制面集。F为F_s的邻接面集，从规则4得到。对F中的每个f_i执行：若f_i=f’_j，且f’_j不为水平面或底圆面（横向加工面）， 则F’_s=F_s∪f_i。F’_s表示扩展后的起始限制面集。

所述的（2）构建开闭角节点，即将上述步骤中获得的开闭角的类型、几何属性F_G、加工方向r以及交线环C等相关信息，构建开闭角节点。设m表示一个开闭角，其BNF定义如下：

<m>::=(<Type>,<F_G>,<r>,<C>,<F_C>,[<m_f>],{,<m_c>})

<F_G>::=(<F_z>,[F_g],<f_t>,<f_b>)

<F_g>::=([F_d],[F_s],[F_e])

其中，Type表示m的特征类型，F_G表示m的几何属性，加工方向r以及交线环C及其依赖面F_C，m_f表示为m的父节点，m_c表示为m的子节点。m_f最多一个，m_c为任意多个。

所述步骤7）判断生成的开闭角与上层开闭角之间的关系，即若生成的开闭角节点与输入的上层开闭角节点相同，则删除生成的节点并保存上层节点为当前层槽节点的开闭角节点；否则保存生成的节点为当前层槽节点的开闭角节点。

本发明的有益效果：本发明采用上述方案，可以根据上侧依赖面中内/外敛面的类型判定结果生成主面集和关联面集并进行扩展，最后构建开闭角节点。采用这种方法可以快速准确地识别与构建飞机结构件中的开闭角特征，为自动编程过程中复杂曲面识别提供技术支撑。

附图说明

图1为开闭角的识别与构建算法流程图。

图2为交线环依赖面提取示意图。

图3为内/外敛面示意图。

图4为筋端面判断示意图。。

图5（a）为凸点判定规则：D_se=n_s×n_e，d_se＞0。

图5（b）为凹点判定规则：D_se=n_s×n_e，d_se＜0。

图5（c）为平凸切点判定规则：D_se=n_s×n_e，d_se=0；D_so=n_s×r_o，d_so＞0。

图5（d）为平凹切点判定规则：D_se=n_s×n_e，d_se=0；D_so=n_s×r_o，d_so＜0。

图5（e）为凹凸切点判定规则：D_se=n_s×n_e，d_se=0；

图5(f)为平切点判定规则：D_se＝n_s×n_e，d_se＝0；

注：图5中的圆心O为P点的密切圆中心.

图6（a）为全开角示意图。

图6（b）为全闭角示意图。

图7（a）为内/外敛面判断示意图。

图7（b）为主面集获取示意图。

图7（c）为主面集一次扩展示意图。

图7（d）为主面集二次扩展示意图。

图8为开/闭角几何属性示意图。

图9为开闭角的树状模型图。

具体实施方式

本发明技术方案的理论基础如下：

1、开闭角模型的定义主要包括以下七个方面：

1）内/外敛面的定义

设在当前工位下，加工方向（一般为加工坐标系Z轴正向）为r，面s内某点处的体外法向为n，r与n的夹角为θ。对面s作如下定义：

定义1对零件某表面s上任一点处的n与r的夹角θ有：若0°<θ<90°，则面s为外敛面，表示为c_w；若90°<θ<180°，则面s为内敛面，表示为c_n。

2）内/外敛面集的构造

规则1（内/外敛面集构造）对零件上某相邻的表面s₁，s₂，若其满足：

（1）s₁与s₂在公共边处具有一阶几何连续性（G¹）；

（2）s₁、s₂同时均为内敛面或同时均为外敛面。

则s₁与s₂可归为同一组外敛面集（C_w）或内敛面集（C_n）。

3）内/外敛面加工类型的判断

规则2（内/外敛面加工类型判断）设面s为某零件的体表面，[d_min,d_max]为一般筋条宽度的范围。按定义1识别出该面为内敛面或外敛面：(1)若面s为内敛面，则面s的加工类型为闭角面类型；(2)若面s为外敛面，则获取s在左、右两边的邻接面s_s、s_e和面在垂直于 加工方向的宽度d。若d∈[d_min,d_max]且与s_s、s_e间均为凸连接，则外敛面s的加工类型为筋端面类型，否则外敛面s的加工类型为开角面类型。

两个相邻面间连接的凹凸性判断方法：

设a为平行于广义槽g底面的平面，a与广义槽的侧壁相交得到交线环L。交线环L上的两条线段L_s和L_e共点相连，P为L_s和L_e的公共点。L的正向定义为：当人沿着正向前进时，环线依赖面的内法向指向人的左边。沿着环的正向，相对于P点来说，L_s为入边，L_e为出边，且L_s、L_e在P点处的单位切矢分别为n_s、n_e。按照右手准则对n_s、n_e做叉积运算，令D_se=n_s×n_e，用d_se表示D_se的方向，当D_se的方向垂直纸面向外时，d_se>0；当D_se的方向垂直纸面向里时，d_se<0；当|D_se|=0时，d_se=0。有以下两个规则：

规则3（凹凸点判定）沿着环线的正向，若d_se>0，则P点称为L_s和L_e的凸点；若d_se<0，则P点称为L_s和L_e的凹点；若d_se=0，P点称为L_s和L_e的切点，P点的凹凸性需进一步判断。

当d_se=0时，L_s和L_e在P处具有G¹连续性。此时，(1)若L_s和L_e均为直线，取L_s、L_e在P点处环线依赖面内法向侧的单位密切圆中心O_s、O_e；(2)若L_s和L_e不全为直线，取非直线的L_s或L_e在P点处密切圆的中心为O_s或O_e；(3)若L_s和L_e均为非直线，取L_s、L_e在P点处密切圆中心O_s、O_e。向量PO用r_o表示(O为密切圆中心)，令D_so=n_s×r_o，用d_so表示D_so的方向。根据密切圆中心的存在个数，有以下规则：

规则4（切点判定）沿着环线的正向，当d_se=0时：(1)只有一个 圆心O，令D_so=n_s×r_o，若d_so>0，则P点称为L_s和L_e的平凸切点，若d_so<0，则P点称为L_s和L_e的平凹切点；(2)有两个圆心O_s、O_e，令若且则P点称为L_s和L_e的凹凸切点，若且则P点称为L_s和L_e的平切点。

按照几何连续性，L_s和L_e的公共点P可分为凸点、凹点和切点，其中切点包括平凸切点、平凹切点、凹凸切点和平切点。在进行相邻面间连接的凸连接性判断时，仅把交线间的凸点连接当作是凸连接。

4）开闭角的几何属性

定义2在广义槽侧壁的面集中，刀具侧刃加工的开角面或闭角面称为主面，表示为f_z；刀具底刃加工的面称为底圆面，表示为f_d；进刀点的限制面称为起始限制面，表示为f_s；退刀点的限制面称为终止限制面，表示为f_e。

其中，f_z的集合为F_z，表示主面集；f_d的集合为F_d，表示底圆面集；f_s的集合为F_s，表示起始限制面集；f_e的集合为F_e表示终止限制面集。以上面集中的元素必须满足条件：任何一个面至少与该面集中其他一个面间为共边相邻且G¹连续。F_d，F_s，F_e合称为主面集的关联面集，表示为F_g。

设F_G表示一个开/闭角的几何属性，则从加工角度分析，在给定加工方向r的前提下，F_G应包含有F_z，F_d，F_s，F_e，顶面f_t和底面f_b等。故有

<F_G>::=(<F_z>,[F_g],<f_t>,<f_b>)

<F_g>::=([F_d],[F_s],[F_e])

5）开闭角的类型判断

规则5（开闭角类型判断）设a为平行于广义槽g底面的平面，当a与g的侧壁相交时得到交线环L，F_l为L的上侧依赖面集，f_li为F_l中的元素。F_l中存在开/闭角面，若均同时为开角面或闭角面，则F_l形成的特征类型为全开角或全闭角；否则由具有G¹连续性的开角面集或闭角面集形成的特征类型为开角或闭角。其中，全开角和全闭角没有F_s和F_e。

6）开闭角的BNF定义

根据以上分析，结合开闭角的类型、几何属性F_G、加工方向r以及交线环C及其依赖面F_C等相关信息，设m表示一个开闭角，Type表示m的特征类型，则m的BNF表达式为：

<m>::=(<Type>,<F_G>,<r>,<C>,<F_C>,[<m_f>],{,<m_c>})

<F_G>::=(<F_z>,[F_g],<f_t>,<f_b>)

<F_g>::=([F_d],[F_s],[F_e])

其中，m_f表示为m的父节点，m_c表示为m的子节点，m_f最多一个，m_c为任意多个。

7）开闭角特征关联树构造

一个开角面或闭角面可能隶属于不同的广义槽且其在不同槽中的 加工区域也可能不同。为保证开闭角加工的顺序和连续性并提高加工效率，本发明依照广义槽特征关联树的形式，将隶属于不同广义槽的开闭角关联起来并形成开闭角的特征关联树。

2、开闭角的识别与构建算法主要包括：1）主面集和限制面集的提取；2）主面集和关联面集的扩展；3）开闭角节点的构建。

所述步骤1）主面集和限制面集的提取分为：（1）首先识别飞机结构件模型中体表面的类型；（2）其次获取侧壁交线环的上侧依赖面表，并按照定义1，将其中的斜向加工面分为内敛面和外敛面；（3）最后按照规则2，判断内/外敛面的加工类型，以此作为主面集，并获取与主面集左右相邻的竖直或斜向加工面即为起始和终止限制面集。

所述（1）识别飞机结构件模型中体表面的类型，即从加工的角度分析，零件的拓扑面可分为：竖直加工面、斜向加工面、横向加工面及其他类型面。

所述（2）将斜向加工面分为内敛面和外敛面，即对侧壁交线环的上侧依赖面表中取每个面的面边端点和中点以及面中心点处的体外法向，按照定义1判断该面是否为内敛面或外敛面。

所述（3）判断内/外敛面的加工类型，以此作为主面集并获得限制面集，即对识别的内敛面或外敛面按照规则2，将其分为闭角面、开角面或筋端面，连续相邻且为G¹连续的同类型的面构成主面集。主面集所在交线集的首末端交线的依赖面构成起始和终止限制面集。

所述步骤2）主面集和关联面集的扩展包含：（1）主面集的扩展；（2）底圆面集的扩展；（3）起始和终止限制面的扩展。

设F为一组在公共边处具有G¹连续性的面集，E为面外环提取算子，有表示为面集F的面外环，其中c_Fi表示环C_F的环线段。

规则6（F_z、F_d扩展）设为待生成开闭角节点的主面集，为F_z的邻接面集（有公共边的面），则 为F_z的面外环。对F中所有f_i执行：提取f_i的面外环若且对F_z和f_i在或中点处的体外法向向量n_Fz、n_fi有n_Fz=λn_fi+ε（即在误差范围内，n_Fz//n_fi），则：（1）若F_z中的面和f_i同为开角面或闭角面类型，则F’_z=F_z∪f_i；（2）若F_z和f_i类型不同且f_i为底圆面则F’_d=F_d∪f_i；（3）否则保存f_i到F’中。

其中λ为不等于零的系数，ε为误差向量，一般取|ε|<10^-5。面集在中点处的体外法向向量n_Fz表示该面集中的某个面在该中点处的体外法向向量。F’_z、F’_d分别表示扩展后的主面集和底圆面集，F’为F中不属于F’_z和F’_d的面的集合。

起始、终止限制面集F_s、F_e可限制刀具的进退刀位置，为保证 无残余切削，也需要对存在细碎面零件的F_s和F_e进行扩展。

规则7（F_s、F_e扩展）设为主面集F_z的起始限制面集。F为F_s的邻接面集，从规则4得到。对F中的每个f_i执行：若f_i=f’_j，且f’_j不为水平面或底圆面（横向加工面），则F’_s=F_s∪f_i。F’_s表示扩展后的起始限制面集。对F_e的扩展类似，此处不再赘述。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，本实施例是在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实现过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施实例。

图1所示为本发明提出的基于主面扩展法的开闭角识别算法实现的总体流程。该算法的输入参数为上层广义槽节点的开闭角节点（可能为空）和当前层的广义槽节点的侧壁，若当前层广义槽节点的侧壁中存在开/闭角面则输出为当前层槽的开闭角节点链表。算法主要步骤描述如下：

步骤1）：生成槽侧壁的交线环并获取其对应的上侧依赖面集；

步骤2）：判断上侧依赖面的加工面类型，若全为竖直加工面则转步骤8），否则转步骤3）；

步骤3）：识别上侧依赖面的斜向加工面中的内/外敛面；

步骤4）：判断内/外敛面的类型，若为筋端面，转步骤8），否则转步骤5）；

步骤5）：统计开/闭角面的数量，从交线环的上侧依赖面集中生成主面集和关联面集；

步骤6）：扩展主面集和关联面集，生成开/全开/闭/全闭角节点；

步骤7）：判断生成的开闭角节点与输入的上层开闭角节点间的关系；

步骤8）：结束本层槽中开闭角的识别与构建。

所述步骤1）：生成槽侧壁的交线环并获取其对应的上侧依赖面集，即如图2所示，用一平行于广义槽底面的平面a在广义槽底圆面的顶部和广义槽的侧壁相交得到交线环L。交线环L由至少两条交线组成，分别获取每条交线的依赖面，其中在交线上部或与交线相交的面均为上侧依赖面。

所述步骤2）：判断上侧依赖面的加工面类型。从加工角度分析，构成广义槽侧壁的面可分为竖直加工面、斜向加工面、横向加工面和其他加工面，如表1所示。通过识别每个体表面的底层几何类型并结合一定规则可识别出该面的加工面类型。广义槽侧壁面一般为竖直加工面和斜向加工面构成，若侧壁面均为竖直加工面，则退出该算法，否则说明存在内/外敛类型的斜向加工面，可能构成开闭角。

表1加工面的底层几何类型

所述步骤3)：识别上侧依赖面的斜向加工面中的内/外敛面。如图3所示，设在当前工位下，加工方向(一般为加工坐标系Z轴正向)为r，侧壁面s内某点处的体外法向为n，r与n的夹角为θ。按照定义1，对面s作如下判断：若0°<θ<90°，则面s为外敛面；若90°<θ<180°，则面s为内敛面。为简化模型，只取面s的每条面边的端点和中点以及面s的中心点处的体外法向，并计算体外法向与加工法向的夹角。如图2所示，将识别出的内敛面或外敛面按照其在交线环中的顺序存储为面的链表。

所述步骤4）：判断内/外敛面的类型。即对识别的内敛面或外敛面按照规则2，将其分为闭角面、开角面或筋端面。

根据规则2，识别出的外敛面可能为筋端面或开角面。为避免构建错误的开角，需对开角面和筋端面进行区分。如图4所示，通过分析筋和开角的形状特征可知，筋端面一般与起始和终止限制面间均为凸连接，且筋端面的宽度有一定取值范围。下面通过判断交线环在某点处的凹凸性来判断外敛面是否与相邻面间为凸连接。

设交线环L上的两条线段L_s和L_e共点相连，P为L_s和L_e的公共 点。L的正向为：当人沿着正向前进时，环线依赖面的内法向指向人的左边。沿着环的正向，相对于P点来说，L_s为入边，L_e为出边，且L_s、L_e在P点处的单位切矢分别为n_s、n_e。在当前工位的加工坐标系下，按照右手准则对n_s、n_e做叉积运算，令D_se=n_s×n_e，用d_se表示D_se的方向，当D_se的方向垂直纸面向外时，d_se>0；当D_se的方向垂直纸面向里时，d_se<0；当|D_se|=0时，d_se=0，则P点的凹凸性判断如图5所示。

图5（a）至图5（b）为环线段L_s和L_e在P点处的连接类型示意图。按照几何连续性，L_s和L_e的公共点P可分为凸点、凹点和切点，其中切点包括平凸切点、平凹切点、凹凸切点和平切点。在进行外敛集的凸连接性判断时，仅把交线间的凸点连接当作是凸连接。

设筋特征的宽度范围为[d_min,d_max]，则开角面和筋端面的判断过程如下：

Step1:获取识别出的外敛面集C_w在广义槽g中的交线集L’并判断L’中的交线是否均在一条直线上，且累计长度d∈[d_min,d_max]，若满足进入step2，否则进入step3；

Step2:获取与L’左右相邻的交线，利用规则3和规则4，将左右相邻的交线分别和L’的首末端进行凹凸点判定。若L’与首末端均为凸连接时，C_w识别为筋端面集，结束算法，否则转step3；

Step3:C_w为开角面集，结束算法。

所述步骤5）：统计开/闭角面的数量，从交线环的上侧依赖面集中生成主面集和关联面集。即根据交线环上侧依赖面集中开角面和闭角 面的数量来设定待生成开闭角节点的类型。若所有依赖面均为开角面或闭角面，则设定开闭角节点的类型为全开角或全闭角（全开/全闭角没有限制面），否则设定为开角或闭角，如图6（a）和图6（b）所示。然后将连续相邻且为G¹连续的同类型的面构成主面集（可能有多个），主面集所在交线集的首末端交线的依赖面构成起始和终止限制面集，如图7（d）所示。

所述步骤6）：扩展主面集和关联面集，生成开/全开/闭/全闭角节点。即（1）扩展主面集和关联面集；（2）构建开闭角节点。

上述步骤（1）扩展主面集和关联面集的过程如图7（a）到图7（d）所示，通过对主面集和关联面集的扩展最终可得到待生成节点的几何属性F_G，如图8所示。根据规则6和规则7所述，先提取主面集F_z的外环，利用该外环获得共边相邻的邻接面集F。对面集F中的每个元素提取其外环，确定邻接面外环和主面集外环的公共边，分别计算邻接面和相邻的主面集中的主面在公共边中点处面的体外法向，判断两个体外法向是否平行且同向，（a）若满足该条件则进一步判断两个面是否均为开角面或闭角面，若类型相同则将该面添加到主面集中，否则添加到底圆面集中；（b）否则保存该面作为待生成的限制面集。当邻接面集中的所有元素都进行上述识别后，再次对主面集进行扩展，直到邻接面集中不存在相同类型的主面为止。对限制面集F_s、F_e按照规则7进行扩展，最终可得到完整的限制面集。

上述步骤（2）构建开闭角节点，即将上述步骤中获得的开闭角的类型、几何属性F_G、加工方向r以及交线环C等相关信息，构建开 闭角节点。

所述步骤7）：判断生成的开闭角节点是否与输入的上层开闭角节点相同，若相同则删除生成的节点，保存上层节点为当前层槽节点的开闭角节点；否则保存生成的节点为当前层槽节点的开闭角节点。通过判断上下层开闭角节点间的关系可生成开闭角的特征关联树，如图9所示。

所述步骤8）：结束本层槽中开闭角的查找，即返回并继续下层槽节点中开闭角的识别与构建。

Claims (7)

1.基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：该方法实现的总体流程为：1)生成槽侧壁的交线环并获取其对应的上侧依赖面集；2)判断上侧依赖面的加工面类型；3)识别上侧依赖面的斜向加工面中的内/外敛面；4)判断内/外敛面的类型；5)统计开/闭角面的数量并生成主面集和关联面集；6)扩展主面集和关联面集，生成开/全开/闭/全闭角节点；7)判断生成的开闭角与上层开闭角之间的关系；

所述步骤1)生成槽侧壁的交线环并获取其对应的上侧依赖面集，包含(1)交线环的生成；(2)交线环上侧依赖面的提取；

所述的(1)交线环的生成，即用一平行于广义槽底面的平面a在广义槽底圆面的顶部和广义槽的侧壁相交得到交线环L；

所述的(2)交线环上侧依赖面的提取，即分别获取每条交线的依赖面，其中在交线上部或与交线相交的面均为上侧依赖面。

2.如权利要求1所述的基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：所述步骤2)判断上侧依赖面的加工面类型，包含(1)几何面的加工类型划分；(2)加工面类型判断；

所述的(1)几何面的加工类型划分，即从加工角度分析，构成广义槽侧壁的面可分为竖直加工面、斜向加工面、横向加工面；

所述的(2)加工面类型判断，即通过识别每个体表面的底层几何类型并结合一定规则可识别出该面的加工面类型。

3.如权利要求1所述的基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：所述步骤3)识别上侧依赖面的斜向加工面中的内/外敛面，其识别按照定义1进行，同时为处理细碎面的情况，按照规则1构造内/外敛面集；

所述的规则1：设在当前工位下，加工方向为r，面s内某点处的体外法向为n，r与n的夹角为θ；对面s作如下定义：

定义1对零件某表面s上任一点处的n与r的夹角θ有：若0°<θ<90°，则面s为外敛面，表示为c_w；若90°<θ<180°，则面s为内敛面，表示为c_n；

所述的规则1，内/外敛面集构造规则：对零件上某相邻的表面s₁，s₂，若其满足：

(1)s₁与s₂在公共边处具有一阶几何连续性G¹；

(2)s₁、s₂同时均为内敛面或同时均为外敛面；

则s₁与s₂可归为同一组外敛面集C_w或内敛面集C_n。

4.如权利要求3所述基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：所述步骤4)判断内/外敛面的类型，即对识别的内敛面或外敛面按照规则2，将其分为闭角面、开角面或筋端面；

所述的规则2，内/外敛面加工类型判断规则：设面s为某零件的体表面，[d_min,d_max]为筋条宽度的范围；按定义1识别出该面为内敛面或外敛面：(1)若面s为内敛面，则面s的加工类型为闭角面类型；(2)若面s为外敛面，则获取s在左、右两边的邻接面s_s、s_e和面在垂直于加工方向的宽度d；若d∈[d_min,d_max]且与s_s、s_e间均为凸连接，则外敛面s的加工类型为筋端面类型，否则外敛面s的加工类型为开角面类型；

根据规则2，识别出的外敛面可能为筋端面或开角面，通过判断交线环在某点处的凹凸性来判断外敛面是否与相邻面间为凸连接，凸连接的判断按照规则3和规则4进行；在进行相邻面间连接的凸连接性判断时，把交线间的凸点连接当作是凸连接；

两个相邻面间连接的凹凸性判断方法：设a为平行于广义槽g底面的平面，a与广义槽的侧壁相交得到交线环L；交线环L上的两条线段L_s和L_e共点相连，P为L_s和L_e的公共点；L的正向定义为：当人沿着正向前进时，环线依赖面的内法向指向人的左边；沿着环的正向，相对于P点来说，L_s为入边，L_e为出边，且L_s、L_e在P点处的单位切矢分别为n_s、n_e；按照右手准则对n_s、n_e做叉积运算，令D_se＝n_s×n_e，用d_se表示D_se的方向，当D_se的方向垂直纸面向外时，d_se>0；当D_se的方向垂直纸面向里时，d_se<0；当|D_se|＝0时，d_se＝0；

规则3，凹凸点判定规则如下：沿着环线的正向，若d_se>0，则P点称为L_s和L_e的凸点；若d_se<0，则P点称为L_s和L_e的凹点；若d_se＝0，P点称为L_s和L_e的切点，P点的凹凸性需进一步判断；

规则4，切点判定规则如下：沿着环线的正向，当d_se＝0时：(1)只有一个圆心O，令D_so＝n_s×r_o，若d_so>0，则P点称为L_s和L_e的平凸切点，若d_so<0，则P点称为L_s和L_e的平凹切点；(2)有两个圆心O_s、O_e，令若且则P点称为L_s和L_e的凹凸切点，若且则P点称为L_s和L_e的平切点。

5.如权利要求1所述的基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：所述步骤5)统计开/闭角面的数量并生成主面集和关联面集，包含(1)统计上侧依赖面集中开/闭角面的数量；(2)生成主面集和关联面集；

所述的(1)统计上侧依赖面集中开/闭角面的数量，即根据交线环上侧依赖面集中开角面和闭角面的数量按照规则5来设定待生成开闭角节点的类型；

所述的规则5，开闭角类型判断规则如下：设a为平行于广义槽g底面的平面，当a与g的侧壁相交时得到交线环L，F_l为L的上侧依赖面集，f_li为F_l中的元素；F_l中存在开/闭角面，若均同时为开角面或闭角面，则F_l形成的特征类型为全开角或全闭角；否则由具有G¹连续性的开角面集或闭角面集形成的特征类型为开角或闭角；其中，全开角和全闭角没有F_s和F_e；

其中，F_s为起始限制面集，F_e为终止限制面集；

所述的(2)生成主面集和关联面集，即根据统计结果判断节点类型，将连续相邻且为G¹连续的同类型的面构成主面集，主面集所在交线集的首末端交线的依赖面构成起始和终止限制面集。

6.如权利要求4所述的基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：所述步骤6)扩展主面集F_z和关联面集F_g，生成开/全开/闭/全闭角节点，包含(1)扩展主面集F_z和关联面集F_g；(2)构建开闭角节点；

所述的(1)扩展主面集和关联面集，即通过对主面集F_z和关联面集F_g按照扩展规则6、7进行扩展，最终可得到待生成节点的几何属性F_G；其中，关联面集F_g包含起始、终止限制面集F_s和F_e和底圆面集F_d；

所述的规则6，F_z、F_d扩展规则：设为待生成开闭角节点的主面集，为F_z的邻接面集，则为Fz的面外环；对F中所有fi执行：提取fi的面外环若且对Fz和fi在或中点处的体外法向向量nFz、nfi有nFz＝λnfi+ε，则：(1)若F_z中的面和f_i同为开角面或闭角面类型，则F’_z＝F_z∪f_i；(2)若F_z和f_i类型不同且f_i为底圆面则F’_d＝F_d∪f_i；(3)否则保存f_i到F’中；

其中λ为不等于零的系数，ε为误差向量，取|ε|<10^-5；面集在中点处的体外法向向量n_Fz表示该面集中的某个面在该中点处的体外法向向量；F’_z、F’_d分别表示扩展后的主面集和底圆面集，F’为F中不属于F’_z和F’_d的面的集合；

起始、终止限制面集F_s、F_e限制刀具的进退刀位置，为保证无残余切削，也需要对存在细碎面零件的F_s和F_e进行扩展；

F_d表示底圆面集，即刀具底刃加工的面——底圆面f_d的集合；

规则7，F_s扩展规则：设为主面集F_z的起始限制面集；F为F_s的邻接面集，从规则6得到；对F中的每个f_i执行：若f_i＝f’_j，且f’_j不为水平面或底圆面，则F’_s＝F_s∪f_i；F’_s表示扩展后的起始限制面集；

所述的(2)构建开闭角节点，即将上述步骤中获得的开闭角的类型、几何属性F_G、加工方向r以及交线环L相关信息，构建开闭角节点；设m表示一个开闭角，其BNF定义如下：

<m>::＝(<Type>,<F_G>,<r>,<L>,<F_C>,[<m_f>],{,<m_c>})

<F_G>::＝(<F_z>,[F_g],<f_t>,<f_b>)

<F_g>::＝([F_d],[F_s],[F_e])

其中，Type表示m的特征类型，F_G表示m的几何属性，加工方向r以及交线环L及其依赖面F_C，m_f表示为m的父节点，m_c表示为m的子节点；m_f最多一个，m_c为任意多个；F_g为F_d，F_s，F_e合称为主面集的关联面集；f_t为顶面，f_b为底面。

7.如权利要求1所述的基于主面扩展的飞机结构件复杂曲面识别方法，其特征在于：所述步骤7)判断生成的开闭角与上层开闭角之间的关系，即若生成的开闭角节点与输入的上层开闭角节点相同，则删除生成的节点并保存上层节点为当前层槽节点的开闭角节点；否则保存生成的节点为当前层槽节点的开闭角节点。