CN104808588B - 基于特征的碎面自动组合与拟合方法 - Google Patents

基于特征的碎面自动组合与拟合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特征的碎面自动组合与拟合方法，它考虑了零件中出现的碎面情况，首先对典型加工特征进行定义，基于全息属性面边图进行特征识别，再根据加工特征实现碎面的组合，基于组合碎面对其轮廓边进行分类与识别，最后拟合碎面创建扩展曲面，拟合轮廓碎边创建完整轮廓边界，利用完整轮廓边界分割扩展曲面，进而创建轮廓完整的拟合曲面，并且对拟合曲面的精度进行判断，如果不满足精度要求则加倍离散点数目，增大曲面与原曲面的贴合度。本发明实现了根据加工要求对碎面进行自动组合并拟合，拟合的曲面边界与原曲面边界重合度高，边界完整，可直接用于数控编程，能够有效地提高数控编程效率。

Description

基于特征的碎面自动组合与拟合方法
技术领域
本发明涉及一种数控加工技术，尤其是一种碎面自动组合与拟合技术，具体地说是一种基于特征的碎面自动组合与拟合方法。
背景技术
随着CAD/CAM技术的发展以及产品性能上的要求，复杂零件如飞机构件的结构越来越复杂，为了满足零件的设计和产品外形的需要，零件数模表面往往由多张不规则曲面构成，在产品设计过程中，有些曲面经过若干次裁剪、拼接等处理后，产生碎面，或产品数模在不同CAD/CAE/CAM系统之间转换时，曲面片之间会出现碎片、裂缝和搭接等现象。
数控加工技术因其具有高速、高效、高精度、高可靠性的优点被广泛用于飞机构件的加工，而碎面的出现为数控加工带来一定的难度，如果采用分片加工则曲面片之间会有明显的接刀痕迹，导致加工不稳定，影响加工质量，并且频繁抬刀大大降低了加工效率，更重要的是，这样的走刀方式并不符合原始型面的设计意图。因此目前急需一种碎面拟合方法保证碎面的连续加工，提高零件的加工质量和效率。
查阅现有技术与文献发现，沈阳飞机工业(集团)有限公司申请的专利(专利号201310428984.9)中提出一种将飞机结构件细碎曲面转化为直纹面的方法，这种方法在飞机结构件五轴的组合曲面侧铣加工中得到广泛引用，但是此种方法对于待拟合的碎面只能依靠手动选择，无法根据加工的需求实现碎面的自动匹配，降低了数控编程效率，增大加工成本，并且拟合后的面为直纹面，对于飞机构件中的双曲率零件，此种方法并不适用。
南京航空航天大学申请的专利(专利号201110419464.2)提出一种复杂组合曲面的拟合方法，该方法可以实现双曲率零件的曲面的高精度拟合，但是依然无法根据加工需求实现自动碎面拟合，增加编程时间，降低编程效率，增大加工成本，并且这种方法拟合的曲面尺寸比原组合曲面的尺寸小，拟合边界的不完整性，导致飞机构件中的蒙皮零件生成刀轨不能满足加工要求。
针对以上问题本发明提出一种基于特征的碎面自动组合与拟合方法，该方法以特征为载体实现几何信息与工艺信息相关联，基于零件的加工特征实现碎面的自动、有效匹配并拟合，经对比，本发明拟合的曲面与原曲面尺寸一致性好、重合度高，边界完整，可直接用于数控编程，有效地提高了零件的数控编程效率。
发明内容：
本发明的目的是针对现有的复杂零件碎面较多，导致加工不稳定，影响加工质量，加工和编程效率低，更重要的是，走刀方式并不符合原始型面的设计意图的问题，发明一种基于特征的碎面自动组合与拟合方法。
本发明的技术方案是：
一种基于特征的碎面自动组合与拟合方法，其特征是首先通过建立碎面的几何信息和工艺信息之间的关联关系，再基于特征定义碎面组合的边角度和面角度阀值，通过特征识别实现碎面自动组合，然后通过组合碎面轮廓边的曲率和轮廓边相互之间的连接关系将各碎面轮廓边分类并进行边界拟合，进而创建完整的边界线，实现碎面的自动拟合，最后，基于蒙皮法生成特征的完整曲面。
具体步骤如下：:
步骤1、输入零件模型；
步骤2、考虑碎面定义零件的加工特征；
步骤3、基于对零件中的碎面的考虑对加工特征进行识别；
步骤4、基于加工特征和碎面间的邻接关系对碎面进行提取并组合；
步骤5、将组合碎面的轮廓边进行分类；
步骤6、对组合碎面的轮廓边进行识别；
步骤7、将轮廓边中的碎边进行拟合；
步骤8、利用蒙皮法拟合组合碎面创建多截面曲面；
步骤9、计算拟合误差，判断重构曲面是否满足精度要求，如果不满足将离散精度提高并重复步骤8、9；
步骤10、创建轮廓完整的拟合曲面；
所述的考虑碎面定义零件的加工特征是指通过分析零件的结构特性和典型工艺方法，突破了传统加工特征定义方法中对碎面的抑制，将碎面融入到加工特征的定义中，对零件的加工特征进行定义。
所述的基于对零件中的碎面的考虑对加工特征进行识别是指通过考虑零件中的碎面，以边节点表示零件的边，以面节点表示零件的面，再根据特征几何元素间的连接关系将节点相连进而创建全息属性面边图。根据加工特征的种子面定义原则对种子面进行定义，再通过属性面边图对特征进行表示，遍历属性面边图，基于种子面的匹配原则对种子面进行匹配，以种子面的痕迹扩展搜索，构建完整加工特征。
加工特征的种子面定义原则为该类特征中最能表现其特点的关键面及该面关键邻接边的组合。对于关键面中存在碎面的情况先将碎面进行组合，再以组合碎面及组合碎面的外轮廓边作为种子面。
种子面的匹配原则为对于部分加工特征的种子面中存在多张碎面时，不能只以单张曲面的信息对种子面进行匹配，还需考虑面与面之间的邻接关系。因此将加工特征种子面的匹配分为两个阶段，第一个阶段是根据种子面的初步匹配条件将种子面中包含的所有面进行提取，存放在列表中；第二个阶段是根据碎面的邻接关系对列表中的碎面进行组合，进一步对种子面进行匹配。
对于端铣加工特征，种子面的初步匹配条件根据几何特性不同分包含三种情况：(i)种子面为曲面，面的主法向与刀轴方向之间的夹角小于5度且含有内环；(ii)种子面为曲面，面的主法向与刀轴方向之间的夹角小于5度且只有外环，并与第一类种子面不相邻；(iii)种子面为平面，面主法向与刀轴方向之间的夹角小于5度，种子面中心点相对分型面的高度必须小于最高拓扑面高度的一半；
对于侧铣加工特征，种子面的初步匹配条件是：种子面的主法向与刀轴方向之间的夹角介于85度与95度之间。
所述的基于加工特征和碎面间的邻接关系对碎面进行提取并组合是指通过对加工特征的识别对碎面进行提取，基于碎面邻接关系的定义原则对碎面间的邻接关系进行定义，根据碎面间的邻接关系进行碎面的自动组合。
碎面邻接关系的定义原则就是：当相邻两碎面间的边角度α满足θ1＜α＜θ2或π-θ2＜α＜π-θ1时，面角度β满足σ1＜β＜σ2或π-σ2＜β＜π-σ1时碎面间的邻接称为光滑邻接，并将满足条件的碎面进行组合。边角度的范围一般为0°＜α＜6°或174°＜α＜180°，面角度的范围一般为0°＜β＜8°或172°＜β＜180°。其中边角度即为两个相交面内各引一条直线并且交于交线上同一点，所得的两直线的夹角，面角度即为两个相交面中心点法向量的夹角。
所述的将组合碎面的轮廓边进行分类是指将轮廓边投影到投影平面上降低碎边的维度，根据轮廓边的分类原则对投影线所对应的轮廓边进行分类。
轮廓边的分类原则是以是否存在与当前轮廓边的投影线满足曲率连续的其它轮廓边的投影线作为首要分类原则，对于满足条件的轮廓边再根据其投影线中点曲率是否为零作为依据继续分类，主要将下陷轮廓边分为3类，分别是曲线碎边、转角碎边和完整边。(i)每一个组合碎面的所有轮廓边中满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率不为零的所有投影线所对应的边的组合为曲线碎边；(ii)满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率为零的所有投影线所对应的边的组合称为转角碎边；(iii)在轮廓边的投影线中无法找到与其满足曲率连续的投影线，则此投影线所对应的边为完整边。
所述的对组合碎面的轮廓边进行识别是指以轮廓边所对应的投影线是否满足相切连续和曲率连续为判断依据，分别对组合碎面的曲线碎边、转角碎边和完整边进行识别。
本发明的有益效果是：
1、本发明突破了传统方法对碎面的抑制，将碎面融入到特征定义中，并在特征识别时对碎面进行考虑，进而实现碎面的自动组合与拟合。
2、本发明基于边角度与面角度的阀值对碎面之间的没有明确凹凸性的邻接进行定义，明确对碎面间的邻接关系进行表述为碎面的自动组合与拟合奠定基础。
3、本发明所拟合的曲面尺寸与原曲面尺寸一致并且拟合边界完整，满足加工要求，曲面的拟合精度高，可以代替原组合碎面直接用于数控编程，计算速度快，节省编程时间，提高编程效率。
附图说明
图1为本发明的基于特征的碎面自动组合与拟合方法流程图。
图2为本发明的槽特征定义图，图中C表示腹板面，D表示底角面，E表示转角面，F表示顶面，G表示壁面。
图3为本发明的下陷特征定义图，图中C表示底面，D表示底角面，E表示顶面。
图4为本发明的槽特征的局部属性面边图，图中Sj(j＝1，2，3,…,8)表示特征的面，Ei(i＝1,2,…,11)表示特征的边。
图5为本发明的下陷特征的局部属性面边图，图中Sj(j＝1，2，3,…,11)表示特征的面，Ei(i＝1,2,…,21)表示特征的边。
图6为本发明的下陷特征种子面定义图，图中Sj(j＝1，2，3)表示碎面，Ei(i＝1,2,…,m)表示边。
图7为本发明的槽特征壁面碎面拟合结果图。
图8为本发明的下陷特征底面碎面拟合结果图。
具体实施方式
下面分别以飞机结构件和飞机蒙皮零件作为具体实施例，结合附图作进一步的详细说明。
实施例一。
如图1、2、4-7所示。
一种飞机结构件的碎面自动组合与拟合方法，如图1所示，它包括以下具体步骤：
1、输入飞机结构件的零件模型。
2、考虑碎面的特征定义是通过分析飞机结构件的结构特性和加工特点，并对零件中的碎面进行考虑，将飞机结构件的加工特征总结为：孔、槽、轮廓、筋；孔特征由孔壁面、上顶面、下顶面构成；槽特征由槽腹板、侧壁、转角、底角、顶面；轮廓特征由轮廓相连的主拓扑面构成；筋特征由筋顶面、侧面、限制面构成；下面以典型槽特征为例详细说明。
槽特征(Cavity)：飞机结构件上的槽腔，如图2所示，往往占整个飞机结构件的80％以上，槽特征由槽腹板、侧壁、转角、底角、顶面构成，其中槽的腹板面，如图2中C所示，底角面，如图2中D所示，转角面，如图2中E所示，顶面，如图2中F所示，壁面，如图2中G所示。
结合飞机结构件槽腔几何结构特征及典型加工工艺，将槽特征(C)定义为：
C＝CGeo∪CAttr
CGeo＝Ctop∪Cfillet∪Cbottom∪Ccorner∪Cside
Ccorner＝Cc1∪Cc2∪Cci∪...∪Ccn
Cside＝Cs1∪Cs2∪Csj∪...∪Csm
CGeo表示下陷特征的几何信息，其中Ctop、Cfillet、Cbottom、Ccorner、Cside分别表示下陷特征的顶面、腹板面、底面、转角面、侧壁，Cci(i＝1,2,3…n)表示转角面的碎面，Csj(j＝1,2,3…m)表示壁面的碎面；CAttr表示下陷特征的非几何参数信息，包括槽腔编号、槽腔的类型和槽腔腹板的设计厚度。
3、考虑碎面的特征识别是通过考虑零件中的碎面，以边节点表示零件的边，以面节点表示零件的面，再根据特征几何元素间的连接关系将节点相连进而创建全息属性面边图。根据加工特征的种子面定义原则对种子面进行定义，再通过属性面边图对特征进行表示，遍历属性面边图，基于种子面的匹配原则对种子面进行匹配，以种子面的痕迹扩展搜索，构建完整加工特征。其中图2中槽特征的局部属性面边图如图4所示，槽特征基于种子面的所搜索到的面存放在列表Lc中。
加工特征的种子面定义原则为该类特征中最能表现其特点的关键面及该面关键邻接边的组合。对于关键面中存在碎面的情况先将碎面进行组合，再以组合碎面及组合碎面的外轮廓边作为种子面，槽特征的种子面为其底面及与底面邻接的边的组合。
种子面的匹配原则为对于部分加工特征的种子面中存在多张碎面时，不能只以单张曲面的信息对种子面进行匹配，还需考虑面与面之间的邻接关系。因此将加工特征种子面的匹配分为两个阶段，第一个阶段是根据种子面的初步匹配条件将种子面中包含的所有面进行提取，存放在列表中；第二个阶段是根据碎面的邻接关系对列表中的碎面进行组合，进一步对种子面进行匹配。
对于端铣特征面，种子面的初步匹配条件是：面主法向与刀轴方向之间的夹角小于5度，种子面中心点相对分型面的高度必须小于最高拓扑面高度的一半。
对于侧铣特征面，种子面的初步匹配条件是：种子面的主法向与刀轴方向之间的夹角介于85度与95度之间。
4、通过对加工特征的识别对其中的碎面进行提取，基于碎面邻接关系的定义原则对碎面间的邻接关系进行定义，根据碎面间的邻接关系进行碎面的自动组合。
碎面邻接关系的定义原则就是：当相邻两碎面间的边角度α满足θ1＜α＜θ2或π-θ2＜α＜π-θ1时，面角度β满足σ1＜β＜σ2或π-σ2＜β＜π-σ1时碎面间的邻接称为光滑邻接，并将满足条件的碎面进行组合。边角度的范围一般为0°＜α＜6°或174°＜α＜180°，面角度的范围一般为0°＜β＜8°或172°＜β＜180°。其中边角度即为两个相交面内各引一条直线并且交于交线上同一点，所得的两直线的夹角，面角度即为两个相交面中心点法向量的夹角。
根据碎面间的邻接关系对图2中槽特征的底面碎面既是其种子面进行自动组合，选取列表Lc中任意一个面作为初始面S1，曲面S2表示与曲面S1相邻的面，曲面S3表示与曲面S2相邻的面，通过判断曲面S1与曲面S2是否满足所定义的边角度和面角度阀值，若满足条件则曲面S1为碎面，若不满足则为完整面，若S1为碎面则将面S1和S2进行组合并存入列表co_surface中，继续搜索与面S2相邻的面S3，判断面S2和面S3是否满足上述条件，再重复以上操作，直到无法找到符合要求的面为止，根据以上方法分别选取列表中的曲面作为初始面进行搜索并组合。
5、槽特征的轮廓边是槽腔刀轨生成的重要驱动几何，驱动边的完整性是生成刀轨的必要条件，为了保证驱动边的完整性，需要对轮廓边进行分类，碎面组合后轮廓边不完整、形状不规则并且曲率变化大，直接对轮廓边分类有一定的难度，因此采用投影法降低碎边的维度，将碎面分别投影到投影面上，根据轮廓边的分类原则对投影线所对应的轮廓边进行分类。
轮廓边的分类原则是以是否存在与当前轮廓边的投影线满足曲率连续的其它轮廓边的投影线作为首要分类原则，对于满足条件的轮廓边再根据其投影线中点曲率是否为零作为依据继续分类，主要将下陷轮廓边分为3类，分别是曲线碎边、转角碎边和完整边。(i)每一个组合碎面的所有轮廓边中满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率不为零的所有投影线所对应的边的组合为曲线碎边；(ii)满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率为零的所有投影线所对应的边的组合称为转角碎边；(iii)在轮廓边的投影线中无法找到与其满足曲率连续的投影线，则此投影线所对应的边为完整边。
根据以上方法将上述中的槽特征组合碎面的轮廓边进行分类。
6、以轮廓边所对应的投影线是否满足相切连续和曲率连续为判断依据，分别对组合碎面的曲线碎边、转角碎边和完整边进行识别。
槽特征组合碎面轮廓边的识别是先将组合碎面轮廓边投影到投影平面上，以轮廓初始边与相邻边的投影线是否满足相切连续作为轮廓边识别的首要依据遍历所有投影线，不满足条件的投影线所对应的边为特征的完整边，存放在列表WholeList中，满足相切连续的投影线存放在列表List1中并继续搜索。分别计算列表List1中投影线的曲率半径，选取其中一条线进行搜索，根据当前投影线与其相邻投影线的曲率半径大小判断二者是否满足曲率连续，遍历列表中所有边，满足曲率连续的投影线所对应的边为特征的碎边，将碎边的投影线存放在列表List2中，不满足曲率连续的边为特征的完整边，存放在列表WholeList中。继续对碎边进行识别，通过计算列表List2中所有投影线中点处的曲率，如果曲率为无穷大则其所对应的轮廓边为特征的曲线碎边存放在列表List5中，如果曲率不为无穷大则其所对应的轮廓边为特征的转角碎边存放在列表List6中。最终将组合碎面的轮廓边分为3类并分别存放在各自的列表中，为轮廓边的拟合并创建完整轮廓线做准备。
7、通过对组合碎面轮廓碎边的识别，获取各类轮廓碎边，采用B样条曲线对其分别进行拟合，并将拟合后的曲线存入相应列表中，最终创建完整的轮廓边。
槽特征组合碎面轮廓边拟合为分别取出列表List5和列表List6中的碎边，分别将其用B样条曲线进行拟合，将拟合后的边存放在列表WholeList中，从轮廓边列表WholeList中任意选取一条边，通过这条边继续寻找与其相邻的边，遍历所有轮廓边，将两条相邻的边依次进行接合，创建完整的曲面边界。
8、本文通过自动创建引导线，利用蒙皮法分别将槽特征组合碎面进行拟合，创建多截面曲面。
蒙皮法的基本思路是将引导线离散成一组点列，通过点列创建一组平行平面，用平行平面与组合碎面相交得到一组反映组合碎面轮廓的截面线，将得到的截面线离散成三维空间点，再由B样条曲线插值拟合所有的数据点，得到一组连续的截面线，最后由这组连续截面线拟合出多截面曲面。其中创建的引导线决定了拟合曲面与原曲面的贴合度，本发明通过计算完整轮廓边中任意两条边的垂直距离，距离最大的一组边的公垂线在组合碎面上的投影作为组合碎面拟合的引导线。
9、计算拟合误差，判断多截面曲面是否满足精度要求，如果不满足将离散精度加倍并重复步骤8、9；
10、由于生成的曲面大小有限没有覆盖组合曲面的整体区域，因此将多截面曲面进行扩展即为扩展面，再用完整轮廓线进行切割将完整的轮廓线投影到扩展面上并进行切割，保留与组合曲面重叠的部分即为拟合曲面，图2中槽特征的底面碎面经拟合后如图7所示。
实施例二。
如图1、3、4-6、8所示。
一种飞机蒙皮零件的碎面自动组合与拟合方法，流程图如图1所示，它包括以下具体步骤：
1、输入飞机蒙皮零件模型。
2、考虑碎面的特征定义是通过分析飞机蒙皮零件的结构特性和加工特点，并对零件中的碎面进行考虑，将飞机蒙皮零件的加工特征总结为：孔、轮廓、下陷、通窗特征；孔特征由孔壁面、上顶面、下顶面构成；轮廓特征由轮廓相连的主拓扑面构成；下陷特征由底面、底角面和顶面构成；通窗特征由壁面、顶面、底面构成；下面以飞机蒙皮零件中的典型下陷特征为例详细说明。
下陷特征(Subsidence)：下陷指的是飞机蒙皮零件上的浅槽，如图3所示，每个下陷由底面、底角面和顶面构成，其中下陷的底面，如图3中C所示，底角面如图3中D所示，顶面如图3中E所示。
S＝SGeo∪SAttr
SGeo＝Stop∪Sbase∪Sbottom
Sbottom＝Sb1∪Sb2∪Sbi∪...∪Sbn
Sfillet＝Sf1∪Sf2∪Sfj∪...∪Sfm
SGeo表示下陷特征的几何信息，其中Stop、Sbottom、Sfillet分别表示下陷特征的顶面、底面、底角面，Sbi(i＝1,2,3…n)表示组成下陷底面的碎面；Sfj(j＝1,2,3…m)表示组成下陷底角面的碎面；SAttr表示下陷特征的非几何参数信息，包括下陷编号、下陷的类型和下陷的厚度。
3、考虑碎面的特征识别是通过考虑零件中的碎面，以边节点表示零件的边，以面节点表示零件的面，再根据特征几何元素间的连接关系将节点相连进而创建全息属性面边图。根据加工特征的种子面定义原则对种子面进行定义，再通过属性面边图对特征进行表示，遍历属性面边图，基于种子面的匹配原则对种子面进行匹配，以种子面的痕迹扩展搜索，构建完整加工特征，图3中下陷特征的局部属性面边图如图5所示。
加工特征的种子面定义原则为该类特征中最能表现其特点的关键面及该面关键邻接边的组合。对于关键面中存在碎面的情况先将碎面进行组合，再以组合碎面及组合碎面的外轮廓边作为种子面。图3中的下陷底面为碎面，因此需要先将碎面进行组合，再以组合碎面及组合碎面的外轮廓边作为种子面，如图6所示，图中Sj(j＝1，2，3)表示碎面，Ei(i＝1,2,…,m)表示边，面信息的第一项为组合碎面的主法向，第二项为组合碎面中所含有的环的类型，第三项为当前组合碎面与含有内环的组合碎面的相邻情况。边的信息第一项为边角度，第二项为面角度。
种子面的匹配原则为对于部分加工特征的种子面中存在多张碎面时，不能只以单张曲面的信息对种子面进行匹配，还需考虑面与面之间的邻接关系。因此将加工特征种子面的匹配分为两个阶段，第一个阶段是根据种子面的初步匹配条件将种子面中包含的所有面进行提取，存放在列表中；第二个阶段是根据碎面的邻接关系对列表中的碎面进行组合，进一步对种子面进行匹配。图3中下陷特征的种子面为碎面，因此需要先进行种子面的初步匹配将提取的种子面中所包含的面存放在列表L1中。
种子面的初步匹配条件根据几何特性不同分包含两种情况，蒙皮的加工为端铣加工，且种子面均为曲面，种子面的初步匹配条件是：(i)面的主法向与刀轴方向一致且含有内环；(ii)面的主法向与刀轴方向一致且只有外环，并与第一类种子面不相邻。
4、通过对加工特征的识别对其中的碎面进行提取，基于碎面邻接关系的定义原则对碎面间的邻接关系进行定义，根据碎面间的邻接关系进行碎面的自动组合。
碎面邻接关系的定义原则就是：当相邻两碎面间的边角度α满足θ1＜α＜θ2或π-θ2＜α＜π-θ1时，面角度β满足σ1＜β＜σ2或π-σ2＜β＜π-σ1时碎面间的邻接称为光滑邻接，并将满足条件的碎面进行组合。边角度的范围一般为0°＜α＜6°或174°＜α＜180°，面角度的范围一般为0°＜β＜8°或172°＜β＜180°。其中边角度即为两个相交面内各引一条直线并且交于交线上同一点，所得的两直线的夹角，面角度即为两个相交面中心点法向量的夹角。
根据碎面间的邻接关系对图3中下陷特征的底面碎面既是其种子面进行自动组合，选取列表L1中任意一个面作为初始面S1，曲面S2表示与曲面S1相邻的面，曲面S3表示与曲面S2相邻的面，通过判断曲面S1与曲面S2是否满足所定义的边角度和面角度阀值，若满足条件则曲面S1为碎面，若不满足则为完整面，若S1为碎面则将面S1和S2进行组合并存入列表co_surface中，继续搜索与面S2相邻的面S3，判断面S2和面S3是否满足上述条件，再重复以上操作，直到无法找到符合要求的面为止，根据以上方法分别选取列表中的曲面作为初始面进行搜索并组合。
5、下陷特征的轮廓边是下陷刀轨生成的重要驱动几何，驱动边的完整性是生成刀轨的必要条件，为了保证驱动边的完整性，需要对轮廓边进行分类，碎面组合后轮廓边不完整、形状不规则并且曲率变化大，直接对轮廓边分类有一定的难度，因此采用投影法降低碎边的维度，将碎面分别投影到投影面上，根据轮廓边的分类原则对投影线所对应的轮廓边进行分类。
轮廓边的分类原则是以是否存在与当前轮廓边的投影线满足曲率连续的其它轮廓边的投影线作为首要分类原则，对于满足条件的轮廓边再根据其投影线中点曲率是否为零作为依据继续分类，主要将下陷轮廓边分为3类，分别是曲线碎边、转角碎边和完整边：(i)每一个组合碎面的所有轮廓边中满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率不为零的所有投影线所对应的边的组合为曲线碎边；(ii)满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率为零的所有投影线所对应的边的组合称为转角碎边；(iii)在轮廓边的投影线中无法找到与其满足曲率连续的投影线，则此投影线所对应的边为完整边。
根据以上方法将下陷特征的组合碎面的轮廓边进行分类。
6、以轮廓边所对应的投影线是否满足相切连续和曲率连续为判断依据，分别对组合碎面的曲线碎边、转角碎边和完整边进行识别。
下陷特征组合碎面轮廓边的识别是先将组合碎面轮廓边投影到投影平面上，以轮廓初始边与相邻边的投影线是否满足相切连续作为轮廓边识别的首要依据遍历所有投影线，不满足条件的投影线所对应的边为特征的完整边，存放在列表EdgeList中，满足相切连续的投影线存放在列表List1中并继续搜索。分别计算列表List1中投影线的曲率半径，选取其中一条线进行搜索，根据当前投影线与其相邻投影线的曲率半径大小判断二者是否满足曲率连续，遍历列表中所有边，满足曲率连续的投影线所对应的边为特征的碎边，将碎边的投影线存放在列表List2中，不满足曲率连续的边为特征的完整边，存放在列表EdgeList中。继续对碎边进行识别，通过计算列表List2中所有投影线中点处的曲率，如果曲率为无穷大则其所对应的轮廓边为特征的曲线碎边存放在列表List3中，如果曲率不为无穷大则其所对应的轮廓边为特征的转角碎边存放在列表List4中。最终将组合碎面的轮廓边分为3类并分别存放在各自的列表中，为轮廓边的拟合并创建完整轮廓线做准备。
7、通过对组合碎面轮廓碎边的识别，获取各类轮廓碎边，采用B样条曲线对其分别进行拟合，并将拟合后的曲线存入相应列表中，最终创建完整的轮廓边。
下陷特征组合碎面的轮廓边拟合为分别取出列表List3和列表List4中的碎边，分别将其用B样条曲线进行拟合，将拟合后的边存放在列表EdgeList中，从轮廓边列表EdgeList中任意选取一条边，通过这条边继续寻找与其相邻的边，遍历所有轮廓边，将两条相邻的边依次进行接合，创建完整的曲面边界。
8、本发明通过自动创建引导线，利用蒙皮法分别将下陷特征组合碎面和槽特征组合碎面进行拟合，创建多截面曲面。
所述的蒙皮法是指将引导线离散成一组点列，通过点列创建一组平行平面，用平行平面与组合碎面相交得到一组反映组合碎面轮廓的截面线，将得到的截面线离散成三维空间点，再由B样条曲线插值拟合所有的数据点，得到一组连续的截面线，最后由这组连续截面线拟合出多截面曲面。其中创建的引导线决定了拟合曲面与原曲面的贴合度，本发明通过计算完整轮廓边中任意两条边的垂直距离，距离最大的一组边的公垂线在组合碎面上的投影作为组合碎面拟合的引导线。
9、计算拟合误差，判断多截面曲面是否满足精度要求，如果不满足将离散精度加倍并重复步骤8、9；
10、由于生成的曲面大小有限没有覆盖组合曲面的整体区域，因此将多截面曲面进行扩展即为扩展面，再用完整轮廓线进行切割将完整的轮廓线投影到扩展面上并进行切割，保留与组合曲面重叠的部分即为拟合曲面，图3中的下陷特征的壁面碎面经拟合后如图8所示。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于特征的碎面自动组合与拟合方法，其特征是首先通过建立碎面的几何信息和工艺信息之间的关联关系，再基于特征定义碎面组合的边角度和面角度阀值，通过特征识别实现碎面自动组合，然后通过组合碎面轮廓边的曲率和轮廓边相互之间的连接关系将各碎面轮廓边分类并进行边界拟合，进而创建完整的边界线，实现碎面的自动拟合，最后，基于蒙皮法生成特征的完整曲面；它包括以下步骤：
步骤1、输入零件模型；
步骤2、考虑碎面定义零件的加工特征；
步骤3、基于考虑零件中的碎面对加工特征进行识别；
步骤4、基于加工特征和碎面间的邻接关系对碎面进行提取并组合；
步骤5、将组合碎面的轮廓边进行分类；
步骤6、对组合碎面的轮廓边进行识别；
步骤7、将轮廓边中的碎边进行拟合；
步骤8、利用蒙皮法拟合组合碎面创建多截面曲面；
步骤9、计算拟合误差，判断重构曲面是否满足精度要求，如果不满足将离散精度提高并重复步骤8、9；
步骤10、创建轮廓完整的拟合曲面。
2.如权利要求1所述的一种基于特征的碎面自动组合与拟合方法，其特征在于所述的考虑碎面定义零件的加工特征是指通过分析零件的结构特性和典型工艺方法，将碎面融入到加工特征的定义中，对零件的加工特征进行定义。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的基于考虑零件中的碎面对加工特征进行识别是指通过考虑零件中的碎面，以边节点表示零件的边，以面节点表示零件的面，再根据特征几何元素间的连接关系将节点相连进而创建全息属性面边图；根据加工特征的种子面定义原则对种子面进行定义，再通过属性面边图对特征进行表示，遍历属性面边图，基于种子面的匹配原则对种子面进行匹配，以种子面的痕迹扩展搜索，构建完整加工特征；
加工特征的种子面定义原则为该类特征中最能表现其特点的关键面及其关键邻接边的组合，对于关键面中存在碎面的情况先将碎面进行组合，再以组合碎面及组合碎面的外轮廓边作为种子面；
种子面的匹配原则为对于部分加工特征的种子面中存在多张碎面时，不能只以单张曲面的信息对种子面进行匹配，还需考虑面与面之间的邻接关系；因此将加工特征种子面的匹配分为两个阶段，第一个阶段是根据种子面的初步匹配条件将种子面中包含的所有面进行提取，存放在列表中；第二个阶段是根据碎面的邻接关系对列表中的碎面进行组合，进一步对种子面进行匹配。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：
对于端铣加工特征，种子面的初步匹配条件根据几何特性不同分包含三种情况：(i)种子面为曲面，面的主法向与刀轴方向之间的夹角小于5度且含有内环；(ii)种子面为曲面，面的主法向与刀轴方向之间的夹角小于5度且只有外环，并与第一类种子面不相邻；(iii)种子面为平面，面主法向与刀轴方向之间的夹角小于5度，种子面中心点相对分型面的高度必须小于最高拓扑面高度的一半；
对于侧铣加工特征，种子面的初步匹配条件是：种子面的主法向与刀轴方向之间的夹角介于85度与95度之间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的基于加工特征和碎面间的邻接关系对碎面进行提取并组合是指通过对加工特征的识别对碎面进行提取，基于碎面邻接关系的定义原则对碎面间的邻接关系进行定义，根据碎面间的邻接关系进行碎面的自动组合；
碎面邻接关系的定义原则为：当相邻两碎面间的边角度α满足θ1＜α＜θ2或π-θ2＜α＜π-θ1时，面角度β满足σ1＜β＜σ2或π-σ2＜β＜π-σ1时碎面间的邻接称为光滑邻接，并将满足条件的碎面进行组合；边角度的范围为0°＜α＜6°或174°＜α＜180°，面角度的范围一般为0°＜β＜8°或172°＜β＜180°；其中边角度即为两个相交面内各引一条直线并且交于交线上同一点，所得的两直线的夹角，面角度即为两个相交面中心点法向量的夹角。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的将组合碎面的轮廓边进行分类是指将轮廓边投影到投影平面上降低碎边的维度，根据轮廓边的分类原则对投影线所对应的轮廓边进行分类；
轮廓边的分类原则是以是否存在与当前轮廓边的投影线满足曲率连续的其它轮廓边的投影线作为首要分类原则，对于满足条件的轮廓边再根据其投影线中点曲率是否为零作为依据继续分类，主要将下陷轮廓边分为3类，分别是曲线碎边、转角碎边和完整边：(i)每一个组合碎面的所有轮廓边中满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率不为零的所有投影线所对应的边的组合为曲线碎边；(ii)满足投影线曲率连续并且投影线中点曲率为零的所有投影线所对应的边的组合称为转角碎边；(iii)在轮廓边的投影线中无法找到与其满足曲率连续的投影线，则此投影线所对应的边为完整边。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的对组合碎面的轮廓边进行识别是指以轮廓边所对应的投影线是否满足相切连续和曲率连续为判断依据，分别对组合碎面的曲线碎边、转角碎边和完整边进行识别。
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