面向數(shù)控加工智能編程的特征自動識別技術(shù)

鄭祖杰 程海林 于謀雨 穆英娟

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

1 引言

MBD 技術(shù)始于波音公司，1986年基于MBD 技術(shù)生產(chǎn)制造的波音777 型飛機，就實現(xiàn)了整個過程“無紙化的生產(chǎn)制造”。從B777 型飛機的圖紙設(shè)計、工藝設(shè)計、制造、仿真、裝配至最終的試飛工作，均可通過數(shù)字樣機在工作站上完成，顯著提升研制過程的數(shù)字化與自動化水平，節(jié)省了時間和成本。近年來，國內(nèi)制造領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者也著眼于國際航空企業(yè)先進的技術(shù)和經(jīng)驗，致力于MBD 技術(shù)的研究，逐步將三維設(shè)計模型引入產(chǎn)品的設(shè)計、制造與裝配等環(huán)節(jié)中，但現(xiàn)有數(shù)字化制造模式仍然存在較多技術(shù)瓶頸，三維設(shè)計模型包含的設(shè)計與制造信息并未全面利用，工藝設(shè)計與規(guī)劃過程中仍然需要大量的人工交互，存在大量的重復(fù)性工作，自動化水平低，急需基于MBD 技術(shù)、計算機技術(shù)與信息技術(shù)研究并開發(fā)自動化工藝設(shè)計技術(shù)，從而充分利用三維設(shè)計模型的特征信息，以提高航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計的數(shù)字化與智能化水平。

圖1所示為數(shù)控加工工藝自動化設(shè)計模式，基于傳統(tǒng)人工智能算法與機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的工藝方案規(guī)劃及刀具自動選取技術(shù)，很大程度上提高了現(xiàn)代大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計自動化與智能化水平。特征自動識別技術(shù)是自動化工藝設(shè)計技術(shù)的前提關(guān)鍵，該技術(shù)完成MBD 模型中幾何拓?fù)洹⒊叽纭⒕扰c公差等信息的自動提取[1～4]。典型特征識別方法包括基于圖、基于痕跡與基于立體分解等方法，其核心思路是利用預(yù)定義的特征模式在零件模型上搜索滿足預(yù)定義要求的零件模型表面，實現(xiàn)預(yù)定義特征的自動識別[5～8]。由于特征復(fù)雜多變，難以在系統(tǒng)開發(fā)的時候利用有限個特征模式表達所有的復(fù)雜特征。此外，即使對于同一個零件模型，不同用戶可能根據(jù)機床、刀具與工裝夾具等加工制造資源而采用不同的加工工藝方法。因此，現(xiàn)有的特征識別方法適用范圍有限、可擴展性差，難以有效支撐復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)控加工智能編程模式。

圖1 基于特征的數(shù)控加工自動編程模式

為了使特征識別系統(tǒng)具有較廣的適用性，能夠滿足航天各廠所設(shè)計制造一體化的建設(shè)需求，本文提出了一種加工特征的統(tǒng)一定義框架與自動識別算法。該定義框架獨立于識別算法，允許用戶根據(jù)自身的工藝需求，按照定義框架的規(guī)范自定義特征。

2 加工特征統(tǒng)一定義框架

2.1 特征組件

加工特征是由滿足某種約束條件的一組零件模型表面構(gòu)成，這組面可在毛坯模型上界定一個三維材料區(qū)域。構(gòu)成加工特征的這組面可進一步細(xì)分為若干個具有相同作用、互不相交的子組面，同一個子組面中的模型表面具備相同的幾何拓?fù)鋵傩裕◣缀晤愋蛯傩浴⒈砻嬷g的拓?fù)潢P(guān)系屬性等。本文將具備相同幾何拓?fù)鋵傩郧也恍柙偌?xì)分的一組表面稱為特征組件。因此，加工特征可定義為滿足某種約束條件的一組特征組件。

根據(jù)槽腔的結(jié)構(gòu)特點與加工工藝，構(gòu)成槽腔的特征組件可歸納為兩部分：底面組件與側(cè)面組件。如圖2a 所示為一簡單通槽，該槽腔由1 個底面組件f1和2個側(cè)面組件f2和f3構(gòu)成。基于特征組件的定義，簡單孔特征與復(fù)雜階梯孔均可以采用此方式定義，其中存在區(qū)別的是孔特征的底面組件可能為虛擬組件，如圖2b 所示，側(cè)面組件f3構(gòu)成一個獨立的通孔特征，其底面組件為虛擬組件，而底面組件f2和側(cè)面組件f1構(gòu)成一個孔特征。基于特征組件的概念，加工特征MF可采用下列定義框架統(tǒng)一表示，其形式定義如下：

其中，幾何屬性向量GAV（Geometric Attribute Vector）表示構(gòu)成加工特征的組件類型、數(shù)量及組件具備的幾何屬性。拓?fù)溧徑泳仃嘥AM（Topological-Adjacency Matrix）代表組件拓?fù)鋵傩裕硎炯庸ぬ卣鞑煌M件之間的鄰接關(guān)系以及同一組件內(nèi)不同零件模型表面之間的鄰接關(guān)系與屬性等，CV（Constraint Ve ctor）代表組件自身需滿足的幾何拓?fù)浼s束。

圖2 特征組件示例

2.2 幾何屬性向量

幾何屬性向量用于定義構(gòu)成加工特征的組件，規(guī)定組件數(shù)量和幾何屬性。幾何屬性向量形式化定義如下：

式（2）表示特征是由m個底面組件和n個側(cè)組件構(gòu)成，bvi(i= 1,2,...,m)和sv j(j= 1,2,...,n)分別定義第i個底面組件和第j個側(cè)面組件的幾何屬性，統(tǒng)稱為MF的組件。式（3）中的name、num、geo、dir、pro和tag表示組件屬性變量參數(shù)，各參數(shù)的含義及取值范圍見表1。

表1中的pro用于表示側(cè)面組件的面域復(fù)雜性。根據(jù)側(cè)面組件與特征底面所在平面的求交結(jié)果判斷，判斷其面域類型屬性。若求交結(jié)果僅包含閉環(huán)，則面域?qū)傩詾楹唵伍]合域。若求交結(jié)果均為開環(huán)，則面域?qū)傩詾槌ㄩ_域。否則，面域?qū)傩詾閺?fù)雜閉合域。如圖3a 所示為一簡單零件，其求交結(jié)果（圖3b）包含兩個開環(huán)與一個閉環(huán)，因此其面域?qū)傩詾閺?fù)雜閉合域。

表1 組件屬性取值表（紅字為常量，不需要斜體）

圖3 復(fù)雜閉合域

圖2a 所示槽腔，其幾何屬性向量定義如下：

其中，

表明該槽腔為簡單槽腔特征，包含1 個底面組件和2 個側(cè)面組件，且其構(gòu)成面幾何類型均為平面。針對火箭貯箱網(wǎng)格壁板結(jié)構(gòu)件，其槽腔特征的底面通常為二次曲面，可通過幾何類型的配置，實現(xiàn)特征的個性化定義。

2.3 拓?fù)溧徑泳仃?/h3>

基于幾何屬性向量能夠定義連通面域的幾何屬性，但是無法表達組件之間的鄰接關(guān)系。為此提出拓?fù)溧徑泳仃嚕s定組件之間滿足的拓?fù)鋵傩躁P(guān)系，以實現(xiàn)預(yù)定義特征的準(zhǔn)確識別，具體定義如下：

式（8）中矩陣的行數(shù)m為底面組件的數(shù)量，列數(shù)n為側(cè)面組件的數(shù)量。拓?fù)溧徑泳仃囍械脑?,i jta表示第i個底面組件與第j個側(cè)面組件的鄰接關(guān)系，i= 1,2,…,m，j= 1,2,…,n。約束矩陣中元素tai,j的值定義如下：

其中，元素值各變量的含義及取值見表2。

表2 鄰接矩陣元素取值及含義

其中，平切邊是指具有G1幾何連續(xù)性且邊的鄰接面均為平面。可見、部分可見與不可見面域用于表達底面組件與側(cè)面組件的空間位置關(guān)系。基于拓?fù)溧徑泳仃嚩x方法，針對圖2a 中的槽特征，其拓?fù)溧徑泳仃嚳杀硎緸椋?/p>

其中：

2.4 約束向量

基于幾何屬性向量與拓?fù)溧徑泳仃嚹軌蚨x簡單特征，但是無法唯一定義復(fù)雜相交特征。如圖4所示，該特征由一個底面組件與兩個側(cè)面組件構(gòu)成，底面組件由面f1構(gòu)成，側(cè)面組件分別由面f2和f3構(gòu)成。可知，面f1、f2和f3均滿足式（4）和式（10）定義的幾何屬性向量和拓?fù)溧徑泳仃嚄l件。因此，僅僅根據(jù)幾何屬性向量和拓?fù)溧徑泳仃囯y以實現(xiàn)特定類型相交特征的準(zhǔn)確識別與提取。

圖4 含內(nèi)陷的槽腔特征

為此，本文引入約束向量，約束向量形式化定義如下：

其中，cci表示第i個側(cè)面組件的約束條件，i= 1,2,…,n，n表示側(cè)面組件的數(shù)量。cci的含義及取值范圍見表3。

表3 約束向量元素含義及取值范圍

以圖4所示零件為例，面f4為負(fù)向加工面，邊e3為擴展邊，其約束向量可定義如下：

其中：

3 自動識別算法

基于特征幾何屬性向量、拓?fù)溧徑泳仃嚺c約束向量的定義，加工特征自動識別過程主要包含三個步驟：幾何特性分析、組件提取與有效性檢查等。其中，幾何特性分析階段主要是分析零件模型表面和邊的幾何拓?fù)鋵傩浴＝M件提取與有效性檢查階段首先進行面聚類運算，構(gòu)建初始的底面組件集和側(cè)面組件集，然后遍歷初始組件集并刪除無效組件，避免組件提取錯誤。加工特征的識別算法如圖5所示，詳細(xì)步驟如下：

a.輸入零件模型，完成幾何特性分析，并根據(jù)特征模板的自定義信息構(gòu)建初始的特征組件；

b.首先，檢查底面組件有效性，剔除無效底面組件特征。然后，從有效的底面組件集合中提取一個有效底面組件；

c.遍歷側(cè)面組件，判斷側(cè)面組件是否滿足特征模板中定義的拓?fù)溧徑泳仃囮P(guān)系；

d.對滿足拓?fù)溧徑泳仃囮P(guān)系的側(cè)面組件，判斷其與當(dāng)前底面組件是否滿足特征模板中定義的約束向量關(guān)系，若滿足則保存當(dāng)前側(cè)面組件，直至側(cè)面組件遍歷完畢；

e.將當(dāng)前底面組件與關(guān)聯(lián)的所有側(cè)面組件構(gòu)成同一個槽腔特征，并判斷是否存在其余底面組件。若存在，更新當(dāng)前底面組件后轉(zhuǎn)入c。否則，算法結(jié)束。

圖5 特征識別算法流程

4 應(yīng)用實例

圖6 識別結(jié)果示意圖

本文以典型火箭貯箱網(wǎng)格壁板結(jié)構(gòu)件為識別對象，開展加工特征自動識別算法的設(shè)計與測試驗證，最終成功識別提取87 個網(wǎng)格槽腔特征與2 個通孔特征，識別結(jié)果如圖6所示。整個識別過程耗時15s，相對人工手動編程模式效率提升了數(shù)十倍。特征自動識別結(jié)果不僅包含特征的模型表面信息，同時包含特征側(cè)壁壁厚、底面壁厚與槽深度等參數(shù)。

此外，根據(jù)網(wǎng)格槽腔的壁厚分布情況可實現(xiàn)網(wǎng)格加工區(qū)域的自動分區(qū)，針對不同加工區(qū)域，可采用不同加工參數(shù)與策略進行數(shù)控加工編程，有效消除工裝與壁板貼合間隙導(dǎo)致的壁厚誤差，從而提高壁板的整體加工質(zhì)量。

5 結(jié)束語

a.提高了特征自動識別覆蓋范圍。提出了典型加工特征的統(tǒng)一定義與自動識別方法，充分提高了特征識別方法的實用性與適用范圍，能夠有效覆蓋航天各廠所的典型型號產(chǎn)品；

b.提高加工特征識別效率。將特征定義與具體的特征識別具體算法相互獨立，相比手動拾取特征方式提高效率數(shù)十倍；

c.奠定精益工藝設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)。自動識別的特征可用于工藝方案自動規(guī)劃、數(shù)控加工智能編程、工序模型自動構(gòu)建等過程，奠定了基于MBD 模型的精益工藝設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)。