CN104050386B - 基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法，基于定位元选择、刚性体识别和刚性体合并步骤将零件识别为一组刚性体，然后根据刚性体的分布状态，尺寸的使用状态、几何元素的约束状态得到尺寸的完备性状态。本发明检测方法通过对循环问题的分析，引入了刚形体的概念，将循环问题转化为刚形体的识别与合并问题。其次，引入定位元的概念，并将刚形体的约束状态判断转化为定位元的约束状态判断，建立了定位元的选择机制。再次，以定位元为基准，采用轨迹相交法提出了刚形体的识别流程。然后，为了合并刚形体，提出了虚尺寸的概念并给出了虚尺寸的生成规则，并提出了刚形体约束状态的判断算法。

Description

基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法

技术领域

本发明涉及的基于三维模型的机加工艺结构树表达及管理机制的解决方案，主要建立基于工艺结构树的三维机加工艺模型管理方法。

背景技术

在零件模型上进行三维尺寸标注是产品设计的一项重要内容，也是目前的发展趋势。对于复杂产品而言，尺寸标注往往会出现缺失和冗余现象，对它们的检查统称为尺寸完备性检查。目前所采用的基本方法是将各视图尺寸标注坐标转换到空间投影模型，建立统一的空间尺寸标注，同时将非线性尺寸分解为线性尺寸，然后按照坐标方向建立邻接矩阵来判断尺寸的封闭性。这类方法对于三维尺寸标注并不适用。从几何约束求解的解决思路来看，判断尺寸是否完备的问题可以转换为判断几何元素是否被完整约束的问题。

尺寸的完备性检查与几何约束求解既有区别又有联系。第一，几何约束求解发生在模型的构造过程中，需要对施加在草图上的结构约束和度量约束进行求解以确定各个几何基元的空间位姿；而尺寸完备性检查发生在模型设计完成后，尽管模型上几何基元的位姿已经确定，但对于工艺师而言，只有显式标注的度量约束(即尺寸标注)才有应用价值。第二，几何约束求解以未定型的几何模型为基础，需要求出几何基元的位姿精确解；尺寸的完备性检查是以具有完整结构约束的几何模型为基础，只需要判断尺寸标注添加后，几何基元是否能够达到已知的位姿精确解，进而可知尺寸标注是否完备。综上所述，尺寸标注的完备性检查就是在结构约束已经确定的情况下，检查显式标注的尺寸是否有冗余或缺失，而这个问题最终可以归结为几何基元的约束状态判断问题。

由于循环约束的存在，导致几何元素不能被顺序作出，只能以一个整体的方式一起作出。对于尺寸的完备性检测而言，则要先识别出这些整体，然后判断这些整体的约束状态，依次来判断尺寸的完备性状态。

综合所述，建立一个全新三维尺寸完备性检测方法是解决上述问题的途径，该方法以利用尺规作图法的原理，将一个零件分解为多个完整约束体。然后判断这些完整约束体之间的合并状态，进而可以得到尺寸的完备性状态。

发明内容

本发明的目的是为了实现三维尺寸标注的完备性检测的需求，提出一种基于刚性体识别的三维尺寸标注完备性状态判断方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法，其特征在于：基于定位元选择、刚性体识别和刚性体合并步骤将零件识别为一组刚性体，然后根据刚性体的分布状态，尺寸的使用状态、几何元素的约束状态得到尺寸的完备性状态。

定位元选择方法，通过对定位元之间平移恒定度和旋转恒定度进行求交，并分析定位元固定所需的几何约束关系，从而得到一组剩余自由度接近于零的定位元形成的定位元组，以该定位元组作为零件的定位基准，其他几何基元以定位元组为准进行约束状态判断。

刚性体识别方法，以定位元组为固定基准，根据轨迹相交法判断几何元素的约束状态，并将可以完全约束的几何元素加入到当前刚性体，不断扩大刚性体的规模，直到刚性体不能扩展为止并将最后不能扩大的刚性体作为母体。

刚性体合并方法，以母体为基准，通过在刚性体中寻找一组等价定位元，判断定位元的固定状态，若定位元组可以固定，则表明该刚性体可以合并到母体上，将刚性体和母体合并为一个更大的刚性体。

根据尺寸的使用状态，约束对象的约束状态和尺寸在刚性体中分布状态就判断得到尺寸的完备性状态，包括必需尺寸、冗余尺寸、缺失尺寸和待定尺寸。

本发明基于刚性体识别的三维尺寸标注完备性检测方法，以点、直线、平面为对象，对含有循环约束的尺寸完备性检查问题进行分析。提出刚性体的概念，将含有循环约束的零件模型分解为一组刚性体；其次，引入定位元的概念，建立了定位元的选择机制，通过选择一组定位元，为刚性体的识别提供了固定基准；再次，基于轨迹相交法提出了刚性体的识别流程；然后，提出了基于虚尺寸和等价定位元组的刚性体约束状态判断方法，以实现刚性体的合并。进而，根据刚性体的合并状态和尺寸的使用状态分析了尺寸的完备性状态。

附图说明

图1是本发明基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测流程图，

图2是复杂循环尺寸标注示意图，其中a为含有循环标注的零件模型，b为零件模型的几何约束图，

图3是示例零件的刚性体识别过程示意图，其中a为刚性体s1识别过程示意图，b为刚性体s2和s3识别过程系意图，

图4是示例零件的刚性体合并示意图，其中a为添加虚拟尺寸，b为刚性体固定，c为刚性体合并。

文中涉及的符号含义如下：

DIS：距离关系 ANG：角度关系 PER：垂直关系

C_on(x,y)表示几何元素x与y之间的约束关系。

具体实施方式

依据刚性体的识别与合并原理，首先根据几何元素自由度和恒定度理论建立了定位元的恒定度求交规则，并明确定位元固定所要满足的几何约束条件。得到的一组定位元即可以代表一个刚性体，它是刚性体识别的基础。

以定位元为基准，按照轨迹相交法可以依次循环判断相邻几何元素的约束状态，并将可以完全约束的几何元素加入到本刚性体中，不断扩展刚性体的规模，直到不能得到新的固定的几何元素为止。然后继续寻找新的定位元，识别得到新的刚性体。

在新得到的刚性体中添加虚尺寸，以备固定刚性体时使用。将与当前刚性体有共享元素的刚性体定义为母体。以母体为固定基准，再次利用定位元的固定原理，在刚性体中寻找一组与刚性体自由度等价的定位元组，如果该定位元组可以固定，表明该刚性体可以合并到母体上。循环更新所有刚性体的合并状态，图1所示即为刚性体的识别流程图。最终得到刚性体集合为S_s，则S_s可以表示为下式。

其中，s_i为任意一个刚性体，n为刚性体的数目。按照使用状态，可以将尺寸标注分为已使用和未使用两种。按照完备性状态可以将尺寸分为缺失尺寸、冗余尺寸、必需尺寸和待定尺寸。最终，根据刚性体的识别情况和尺寸标注的使用状态可以分析如下：

(1)完整标注：若n＝1，则S_s＝s₁，表明零件的所有几何基元形成了一个刚性体，该零件不缺少尺寸标注，但是否有冗余尺寸，参见(4)。

(2)缺失尺寸：若n≥2，表明零件缺少尺寸标注。若刚性体s_i与其他刚性体之间有共享几何基元(如母体)，那么它与该刚性体之间缺少的尺寸数目最少，应在此处添加尺寸。若s_i没有与其他刚性体共享几何基元，那么它可能与其他任意一个刚性体之间缺少尺寸。缺少尺寸的数量和位置需要动态判断，即每添加一个新尺寸时就需要同步更新所有刚性体的合并状态，然后继续判断是否缺少尺寸。

(3)必需尺寸：已使用的尺寸标注参与了几何基元的约束固定，因此它是必需尺寸。

(4)冗余尺寸：在任意一个刚性体s_i内部，如果存在未使用的尺寸标注，表明它没有对与它有关的两个几何基元产生约束影响，因此它是冗余尺寸。

(5)待定尺寸：在刚性体(s_i,s_j)之间若存在未使用的尺寸标注，表明该尺寸还不足以将(s_i,s_j)合并到一起，因此无法判定该尺寸是冗余尺寸，还是必需尺寸，需要在用户添加新的尺寸后重新判断，因此将该尺寸定义为待定尺寸。

建立如图2a所示零件模型，它被完整约束且含有循环约束及冗余尺寸，图2b所示为相应的几何约束图。图中细圆圈表示几何元素，连接线表示两个几何元素之间的约束关系。粗圆圈表示几何元素被纳入到刚性体中，连接线有箭头表示该约束被使用，箭头方向指向使用该约束的几何元素，连接线没有箭头表示几何约束未被使用。用虚线圈起来的一组几何元素为一个刚性体。

如图3a所示，首先选择一组定位元为{f₈,f₇,f₁}，按照轨迹相交法可依次判定l₈，l₇，f₉，l₆，l₁固定，形成刚性体s₁。如图3b所示，以s₁为母体，选择一组定位元{l₁,f₂}，按照轨迹相交法可依次判定l₂，f₃，l₃固定，得到刚性体s₂，但s₂暂时无法固定。继续以s₁为母体，选择{l₆,f₆}为一组定位元，按照轨迹相交法可依次判定l₅，f₅，l₄，f₄，l₃固定，得到刚性体s₃。提取刚性体与母体的共享几何基元，如图4a所示，在s₂中添加虚尺寸C_on(l₁,l₃)＝DIS，在s₃中添加虚尺寸C_on(l₆,l₃)＝DIS。如图4b所示，由两个虚尺寸可知，l₃固定，刚性体s₂的定位元{l₁,l₃}与初始选择的{l₁,f₂}等价，因此s₂固定。刚性体s₃的定位元{l₆,l₃}与初始选择的{l₆,f₆}等价，因此s₃也固定。将s₂，s₃合并到母体s₁，如图4c所示。在s₁内部，存在未使用的尺寸C_on(l₁,l₆)＝DIS，因此这个尺寸为冗余尺寸，其他尺寸均已使用，为必需尺寸，与初始条件相符。

Claims (4)

1.一种基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法，其特征在于：基于定位元选择、刚性体识别和刚性体合并步骤将零件识别为一组刚性体，然后根据刚性体的分布状态，尺寸的使用状态、几何元素的约束状态得到尺寸的完备性状态；定位元选择方法，通过对定位元之间平移恒定度和旋转恒定度进行求交，并分析定位元固定所需的几何约束关系，从而得到一组剩余自由度接近于零的定位元形成的定位元组，以该定位元组作为零件的定位基准，其他几何基元以定位元组为准进行约束状态判断。

2.根据权利要求1所述的基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法，其特征在于：刚性体识别方法，以定位元组为固定基准，根据轨迹相交法判断几何元素的约束状态，并将可以完全约束的几何元素加入到当前刚性体，不断扩大刚性体的规模，直到刚性体不能扩展为止并将最后不能扩大的刚性体作为母体。

3.根据权利要求2所述的基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法，其特征在于：刚性体合并方法，以母体为基准，通过在刚性体中寻找一组等价定位元，判断定位元的固定状态，若定位元组可以固定，则表明该刚性体可以合并到母体上，将刚性体和母体合并为一个更大的刚性体。

4.根据权利要求1所述的基于刚性体识别的三维尺寸完备性检测方法，其特征在于：按照完备性状态将尺寸分为必需尺寸、冗余尺寸、缺失尺寸和待定尺寸。