基于切片技術(shù)的曲面特征識別研究*

舒海生 余豪華 張書宇

(①哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001;②哈一機第17分廠，黑龍江哈爾濱 150001)

自動特征識別技術(shù)作為CAD/CAPP/CAM一體化研究領域的基礎，是實現(xiàn)CAD與CAPP以及CAM之間的數(shù)據(jù)和信息自動傳遞與轉(zhuǎn)換的理想接口［1］。

作為整個特征識別領域內(nèi)公認的難點之一［2］，相對于棱柱類特征，曲面特征由復雜曲面組成，由于其幾何形狀多樣性與復雜性，導致對于曲面特征識別問題的研究遇到了很多困難，存在著許多難點問題需要解決。現(xiàn)有的曲面特征識別方法主要有:二維半曲面加工特征識別、主曲率檢測法、模板匹配法及點集匹配法等［3］。這些方法對于解決曲面識別問題進行了一些嘗試，取得了一定的研究成果。但是這些方法所能處理的曲面類型和特征種類十分有限，而且對于包含曲面特征的復雜零件的識別研究還很少，存在許多不足，其中的許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待深入研究。同時，由于現(xiàn)有的曲面特征研究主要是將特征識別與曲面加工軌跡作為兩個不同的階段，分開處理的，而且尚未考慮曲面特征識別與后續(xù)曲面加工軌跡之間的有機聯(lián)系，人為地將兩者割裂開來，這樣無論是對CAPP還是CAM都會產(chǎn)生不利影響。

因此，本文在借鑒醫(yī)學CT掃描成像原理和參考曲面特征加工軌跡規(guī)劃中截平面法的基礎上，提出了一種基于切片技術(shù)的曲面特征識別新方法。利用切片技術(shù)直接截取曲面的特征面，將得到的切片(切片序列)信息直接作為曲面特征加工軌跡規(guī)劃中截平面信息，從而直接從特征零件模型的STEP文件［4］幾何信息中獲取曲面特征的數(shù)控加工軌跡信息，實現(xiàn)曲面特征識別與后續(xù)數(shù)控加工軌跡的聯(lián)系。

1 基本原理

針對曲面特征零件模型的STEP文件，利用切片技術(shù)直接將STEP文件中包含的曲面特征幾何信息轉(zhuǎn)化為對應的切片(切片序列)信息，并將這些切片(切片序列)信息直接作為曲面特征加工軌跡規(guī)劃中獲得的截平面信息，從而直接從曲面特征的幾何信息中獲取零件特征的數(shù)控加工軌跡規(guī)劃信息，實現(xiàn)曲面特征識別和后續(xù)加工軌跡規(guī)劃的無縫集成。

首先，利用支持STEP標準的三維CAD軟件建立適當?shù)牧慵Ｐ停摿慵Ｐ椭邪星嫣卣鳎⑸膳c該零件模型相對應的STEP文件，該文件中包含有該零件的全部特征幾何信息(b－rep描述)。并從該STEP文件中提取所需的特征幾何信息，如曲面、曲線、點、向量等。其次，根據(jù)不同的曲面造型方法，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、剖面等，選擇與該曲面對應的曲線信息，保證該曲線上每一曲面特征點的法矢量和切矢量均在切片平面內(nèi)，從而使得切片平面與拉伸平面、旋轉(zhuǎn)軸、剖面垂直，保持切片平面與該曲面垂直，并得到切片平面方程。然后，利用切片平面方程與該曲面特征相交，截得一系列的規(guī)則曲線族或擬合曲線族，并通過對這些曲線族的處理，利用得到的點集、矢量集等信息來實現(xiàn)曲面特征的表達。最后，通過對這些點集、矢量集等信息進行數(shù)值分析與處理，完成切片序列的生成，得到的這些切片序列信息就代表著曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃中切觸點信息。其基本步驟如下:

步驟1:STEP文件生成。利用支持STEP標準的三維CAD軟件建立適當?shù)牧慵Ｐ停⒎蟂TEP標準的零件模型。這里采用Pro/ENGINEER Wildfire 4.0軟件建立模型，并自動生成對應STEP文件。

步驟2:特征幾何信息的提取。采用關(guān)鍵字的形式提取STEP文件中的曲面特征幾何信息，如體、殼、曲面(面)、環(huán)、曲線(邊)、點(頂點)以及向量等。同時按照自上而下的搜索策略模式，即先體再曲面最后點的順序，建立和明晰它們之間的組織和包含關(guān)系。

步驟3切片平面的生成。根據(jù)三維設計軟件的不同曲面造型方法，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、剖面等，得到對應曲線上每一曲面特征點及其法矢量、切矢量。并由這些法矢量、切矢量得到切片平面方程，保證曲面特征在該曲線范圍內(nèi)與該切片平面垂直，且其運動范圍隨曲線變化而變化。

步驟4:曲面特征的表達。利用切片平面方程與該曲面特征面相交截得一系列的規(guī)則曲線族或擬合曲線族。通過對每一曲線做點化處理，即通過一系列有限的點集來代替每一條曲線。從而最終完成該曲面特征的離散化表達，即通過一系列的離散點來代替和表達該曲面特征。

步驟5:切片序列生成。對得到的離散點信息進行曲線插值、曲線擬合等數(shù)值分析與處理，完成切片序列的生成。這些切片序列信息就代表著曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃信息，即曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃中切觸點信息。

綜上所述，可知基于切片技術(shù)的曲面特征識別基本原理流程圖，如圖1所示。

這里以圖2所示的零件模型為例，并結(jié)合曲面特征識別的基本原理，具體說明基于切片技術(shù)的曲面特征識別方法關(guān)鍵技術(shù)及其實施過程。該三維零件模型是利用Pro/ENGINER Wildfire 4.0軟件，以樣條曲線為母線，沿一定方向線性拉伸而成的曲面特征模型。

2 關(guān)鍵技術(shù)

利用切片技術(shù)實現(xiàn)曲面特征識別的關(guān)鍵技術(shù)，主要有:特征幾何信息的提取、切片平面的生成、曲面特征表達、切片序列生成。

(1)特征幾何信息的提取 對于曲面特征幾何信息的提取，有以下兩個規(guī)則:

規(guī)則1:以關(guān)鍵字的形式提取信息［5］。STEP文件中的曲面特征幾何信息是以頂點(點)、曲線(邊)、曲面(面)、向量(矢量)、殼、體等基本信息的形式存在的，這些基本信息在STEP文件中都對應著各自的關(guān)鍵字。通過提取這些關(guān)鍵字ID后對應的頂點(點)、曲線(邊)、曲面(面)、向量(矢量)、殼、體等數(shù)據(jù)信息，再通過數(shù)學方法處理、存儲這些基本信息，從而完成STEP文件中特征幾何信息提取。以關(guān)鍵字的形式提取STEP文件中的特征幾何信息，簡單易行，便于處理。

規(guī)則2:提取策略采用自上而下模式［5］。對于STEP文件中的關(guān)鍵字，采用由高級別元素到低級別元素依次提取的模式，簡稱為自上而下模式。如SOLID?SHELL?SURFACE?CURVE?POINT等。這種由上一級元素向下一級元素逐級搜索的策略，便于建立上下聯(lián)系，使得各元素間的組織和包含關(guān)系更加簡單明晰。

利用以上兩個規(guī)則，可提取STEP文件中的頂點(點)、曲線(邊)、曲面(面)、向量(矢量)、殼、體等基本信息，是后續(xù)進行特征識別的基礎。

(2)切片平面生成 由于該曲面特征是由樣條曲線［7］經(jīng)線性拉伸形成的，因此切片平面的生成與該樣條曲線密切相關(guān)。如圖2所示的該樣條曲線，由4小段曲線拼接擬合而成，拼接點連續(xù)，4小段曲線分為P1P4、Q1Q4、R1R4、S1S4，其中每一小段曲線由首尾兩點控制，即分別由P1、P4/Q1、Q4/R1、R4/S1、S4等點控制，通過這5個控制點可以調(diào)節(jié)該樣條曲線的大小、位置、形狀等。同時每小段曲線首尾兩點之間還存在另外2個點，如圖 3 小段曲線P1P4之間存在P2′、P3′，Q1Q4之間存在Q2′、Q3′，R1R4之間存在R2′、R3′，S1S4之間存在S2′、S3′。在STEP文件中，每一小段曲線均給出了這樣的4個點，通過這4個點可表達出每一小段曲線，具體如圖3所示。

由以上可知，該樣條曲線可在二維空間范圍內(nèi)表示，同時可得到該樣條曲線的5個控制點P1、P4/Q1、Q4/R1、R4/S1、S4及切矢量p、q、r、s、s4，使得切片平面方程F滿足:

滿足上式的切片平面方程F垂直于該曲面，同時切片平面方程的運動方向沿該樣條曲線線性拉伸方向運動，運動范圍與線性拉伸的長度或高度一致，從初始樣條曲線到終止樣條曲線，運動步長可根據(jù)不同加工精度要求確定，精度要求越高，則運動步長取值越小，精度要求低，則取值越大。這里以運動步長取1 mm為例，若最后一步長不足1 mm的按照1 mm處理。

(3)曲面特征表達 利用切片平面方程與曲面特征面相交截得一系列的規(guī)則曲線族或擬合曲線族，這些曲線族代表著該曲面加工軌跡信息，這里得到的曲線族就是一系列的樣條曲線族。為便于處理這些樣條曲線族，需對這些樣條曲線族進行點化處理，即得到一系列點化點集合，通過有限個點集合，來代替和表達每一條樣條曲線。

針對樣條曲線，可得其點化處理規(guī)則:針對在三維CAD設計階段樣條曲線控制點的多少，在每相鄰的兩個控制點內(nèi)的小段曲線上選擇另外兩個點，即將每一小段曲線點化為4個點。如圖3所示，小段曲線P1P4之間存在P2′、P3′，則該小段曲線可點化為相鄰控制點P1、P4和P2′、P3′四個點。

設任一樣條曲線，在三維CAD設計階段取控制點數(shù)為n。則可知，小段曲線個數(shù)為n－1;每一小段曲線包括首尾控制點在內(nèi)，有四個點，于是由該樣條曲線可得點化點個數(shù)為(3n－2)個。

在完成樣條曲線的點化處理后，即可完成曲面特征的離散化處理。這里取拉伸長度或高度為l，則可知:若l∈N，N為自然數(shù)，曲面特征的離散點個數(shù)為3nl－2l;若l?N，N為自然數(shù)，則離散點個數(shù)為3n(［l］+1)－2(［l］+1)，［l］為取整。

(4)切片序列的生成 在完成樣條曲線的點化處理和曲面特征離散化處理后，對得到一系列的點化點和離散點進行插值、擬合等數(shù)值分析與處理，從而得到一系列的擬合曲線族。因此切片序列的生成對應于這些曲線族，這些切片序列信息就代表著曲面特征數(shù)控加工軌跡規(guī)劃信息。

對于如圖3所示的由樣條曲線經(jīng)線性拉伸形成的曲面特征，每條樣條曲線的點化點為13個，包含4小段曲線，每一小段曲線的點化點為4個。首先對每一小段內(nèi)的4個點化點進行插值擬合，由于線性插值較為簡單，插值點太少，得到曲線比較粗糙，不平滑。這里可根據(jù)不同加工精度要求，選擇的插值方法有拋物線插值、Lagrange插值、逐次線性插值等進行插值擬合。在完成全部樣條曲線族的插值擬合后，得到一系列經(jīng)插值擬合后的曲線族，即為切片序列。因此切片序列的生成也就是在完成所有點化點和離散點擬合后，得到的一系列曲線族。對于如圖2所示的曲面特征零件模型，其基于切片技術(shù)的曲面特征識別過程圖解，如圖4所示。

3 結(jié)語

在曲面特征識別領域，傳統(tǒng)方法多停留在理論層面。本文提出的基于切片技術(shù)的曲面特征識別方法，目前國內(nèi)外還未見相關(guān)報道，現(xiàn)在還處于初步研究階段，還存在一些問題需要進一步研究。但是該方法相比傳統(tǒng)曲面特征識別方法，在理論上具有很大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在:

(1)現(xiàn)有的傳統(tǒng)曲面特征識別方法，是將特征識別過程與后續(xù)曲面數(shù)控加工過程分開處理的，這兩個過程相互分開、彼此孤立的。而本文提出的新方法可以直接實現(xiàn)曲面特征識別過程與后續(xù)數(shù)控加工軌跡的直接聯(lián)系，將這兩個過程合二為一。

(2)與傳統(tǒng)方法比較，新方法體現(xiàn)了自動特征識別為CAM服務的本質(zhì)要求，這樣不僅極大地提高了曲面特征的分析處理效率，而且避免了以往曲面特征參數(shù)的提取與分析過程中在技術(shù)上、方法上所遇到的各種困難;從而最終有利于提高CAD/CAPP/CAM的集成化，實現(xiàn)CAPP與CAM之間的無縫集成，這是傳統(tǒng)方法所不具備的。

(3)由于是初步研究，整個曲面特征識別過程是針對零件模型的STEP標準文件的，是以該文件為特征幾何信息的載體，該STEP標準文件可由PRO/E三維設計軟件直接生成的，而現(xiàn)在STEP標準仍還在不斷完善之中。因此，在具體的曲面特征模型實例的選擇上，受到具體的STEP標準和Pro/E等三維設計軟件特征建模的限制。

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