基于STEP的電子束數模特征識別與再建CAD二次開發系統

2021-03-29 02:47:02唐博文廖敦明唐紹寧

模具工業 2021年3期

唐博文，廖敦明，唐紹寧，楊光，楊帆

（1.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074；2.中國航空制造技術研究院，北京 100024）

0 引言

我國航天航空事業的飛速發展，對其領域的高端裝備有了新的技術需求，需要發展更高精度、更高參數的大型設備，同時可應用于更加惡劣的工作環境。電子束熔絲增材制造具有成形速度快、力學性能優良、缺陷可控等優勢，可適用于高性能大型金屬構件的加工制造，能有效縮短生產周期、降低生產成本，因而在航空領域得到了廣泛應用[1,2]。

電子束熔絲增材制造工藝流程分為前處理、打印成形和后處理三部分[3]，不同的處理過程需要用到相應的專業CAD工具，而不同CAD工具所支持及保存的模型文件結構存在一定的差異，因此存在數模文件格式轉換的環節。同時在前處理中，傳統手動建模過程繁瑣、規范性差、效率低，導致制造周期長。基于上述問題，有必要開發專用文件處理接口及數模特征識別與快捷再建系統，實現對文件格式轉換的處理及關鍵特征的識別和重建。

基于NX 10.0開發平臺，在Visual Studio 2012編譯環境下，以C/C++為開發語言，應用NX二次開發框架下的NX Open API、Block UI Styler和Menuscript技術[3,4]，對中間格式STEP模型文件在NX中結構特征進行對比分析，開發能夠處理STEP格式的數模特征識別與快捷再建CAD系統。

1 基于STEP特征識別與快捷再建CAD系統的框架

STEP中間文件包含較多的產品信息，主要包括B-Rep模型信息[5]，B-Rep（boundary representations）即邊界表示法，通過頂點、邊、面表示實體表面的邊界，進而確定實體的內部點和外部點，建立實體三維模型。

系統旨在提高數模再建過程中的自動化和智能化程度，簡化人工操作步驟，為STEP格式文件模型的再建提供解決方案。數模再建系統通過導入模型文件，進行模型修復，然后提取模型特征信息，結合特征庫對模型結構進行智能補償。

分析系統處理順序可分為三部分：①針對STEP模型文件在NX中讀取后可能存在的格式錯誤，進行特征修復，優化線面；②對需要優化的典型特征進行識別及提取；③基于提取的特征，進行相關的優化處理，如對模型添加余量補償等。軟件處理框架如圖1所示。

圖1 軟件處理框架

2 關鍵技術

2.1 NX中STEP模型的異常信息分析及修復

NX軟件提供了導入IGES、STEP等格式的中性文件接口，雖然在NX軟件中打開STEP格式的文件后進行了較完善的處理，消除了曲線曲面的丟失和缺損的現象，然而其載入后的文件與在NX平臺上獨立建立的模型仍有所差別，不利于對模型進行進一步的處理操作。NX載入STEP源文件后其模型沒有具體構建過程，可能存在一些曲線類特征異常，如不同CAD造型軟件使用的造型方法有所差異，可能會出現圓柱面等未縫合現象，圖2箭頭指示處出現了圓柱面及圓孔面分割現象。

圖2 分割的圓孔面

大量的邊界曲線以容錯曲線（tolerant curve）的形式出現，導致邊界特征識別困難，如圓環的邊界曲線不為圓弧，使其難以獲得圓心位置等坐標信息。部分平面或曲面的特征類型也以非參B曲面（（non-parametric）trimmed B-surface）形式出現，給這些曲面特征的自動識別帶來一定的困難。

為解決這些問題，使NX載入STEP格式模型后能對其進行特征識別及模型再建，運用NX二次開發技術，開發了目標體上異常曲線及曲面的查找和顯示功能，并提供以下2種曲線曲面修復方式。

（1）應用NX Open的Features屬性下的Optimize Face Builder方法，對曲面進行優化，該方法可以將不合理的分裂面連在一起，也可恢復多數不合理的B曲面異常情況。但該方法會去除部件導航器的歷史操作記錄。

（2）使用UFUN方法中UF_MODL_edit_face_join函數進行連結面處理。該方法可以將2個面合并成1個面，合成后的面為B曲面特征類型。

2.2 基于STEP文件的圓角類特征識別及處理

2.2.1 圓角類特征分類及特征識別

一般零件設計過程中，為減小應力集中和加工難度，常會設計圓角、拐角等過渡曲面。但在電子束熔絲增材制造過程中，半徑較小的圓角類特征不利于加工路徑的規劃，也難以直接形成圓角類形狀，為避免此類特征阻礙后續路徑規劃過程，需對其進行處理[6]。

根據圓角的形式，可分為環形圓角、普通圓角（內圓角及外圓角）、拐角及球形拐角，如圖3所示。其中環形圓角及拐角在NX中對象模型特征類別都為旋轉面，但環形圓角有2個封閉環，而拐角只有1個封閉環特征。普通圓角在NX中對象模型特征類別為圓柱面，球形拐角的對象模型特征類別則為球面。

圖3 圓角類型

基于各類圓角的差異，可根據其邊界特征識別各類圓角。遍歷目標體（body）對象的所有面，查詢曲面的特征種類，獲取符合曲面類型的所有曲面即可查找所有圓角類特征，進一步根據曲面邊界類型可以識別圓角種類，其識別流程如圖4所示。

圖4 圓角類特征識別

2.2.2 圓角類特征再建

經過初步處理后的STEP格式模型仍可能存在不合理的B曲面、相交曲線等情況，因此不但需要提供對典型圓角的處理功能，還需處理異常曲面，根據不同的情況可采用以下3種方法。

（1）移除面。對于特征類型正常且不存在復雜的相交特征的圓角面，應用NX Open命名空間Features屬性下的Delete Face Builder方法，設置相關屬性，然后移除目標圓角面。

（2）通過添加特征進行布爾運算處理異常曲面。使用特征創建方法，以目標圓角的對角線為參考創建方塊，然后根據圓角類型進行求和或求差去圓角，即對內圓角（凹面）進行求差，對外圓角（凸面）進行求和運算。

（3）通過拉伸圓角面處理異常曲面。如圖5所示，先查詢或選擇包含各種圓角類型的復合圓角，并獲取其終止平面，應用NX Open命名空間Features屬性中的Extrude Builder方法，設置拉伸方向與終止面外法向相反的方向，應用拉伸操作可以將圓角特征去除。

圖5 復合圓角

2.3 孔類及凸臺類特征識別及處理

凸臺和孔特征在數模中十分常見，對凸臺與孔的自動識別和自動再建有重要意義。孔及凸臺特征如圖6所示，根據壁面是否為圓柱面，孔可分為圓孔和異形孔，凸臺可分為圓臺和異形凸臺。根據孔是否貫通，又可分為通孔和盲孔。

圖6 孔及凸臺特征

在進行孔類及凸臺類特征識別前，需先了解邊的凹凸性判斷方法及內環的概念。邊的凹凸性判斷方法如下[7]。

（1）當邊為直線時，如圖7所示，在需要判斷邊的相鄰兩面上分別找點p1及p2，要求p1、p2在垂直于邊的同一平面內，p1沿其所屬平面的外法向方向上平移1個單位得到p3，p2沿其所屬平面的外法向方向上平移1個單位得到 p4，p1和p2間的距離記為d1，p3和p4間的距離記為 d2，比較 d1與d2的大小，若d1＞d2則該邊是凹邊，反之為凸邊。

圖7 直線凹凸性判斷

（2）當邊為曲線時，如圖8所示，曲線所屬的面存在圓柱曲面。針對該情況，引用微分方法，在圓柱曲面上取一微小曲面，當曲面足夠小時可近似于平面，而曲線上的這一小段邊可近似于直線，可引用第（1）種判斷方法。

圖8 曲線凹凸性判斷

環（loop）是有序且有向邊組成的封閉邊界，環中相鄰邊共享1個頂點，且環中的邊不相交。環不但有方向之分，還有內外之分，外環邊以逆時針方向排列，內環邊以順時針方向排列。

在識別孔特征時，先遍歷種子面（face）上的所有內環，如果內環為凸邊，可初步判定該種子面為孔特征的入口平面，內環為有效孔邊界。然后用插值取點射線法[8]判定是否為貫通孔，具體為:找出內環在x、y、z方向的上、下區間，然后插值法取點，取到的點為試探點，獲取種子面在各試探點的法向，接著分別以試探點為起點，向正反法向發射射線，若均不與實體相交，則可認定為通孔，否則是盲孔。最后根據內環形狀可判定是圓孔還是異形孔。

在識別凸臺特征時，類似地遍歷種子面上的內環，若內環為凹邊，找到內環所屬的另一面為特征面，特征面的另一相鄰面是平面，且該平面只與特征面相鄰，即可判斷為凸臺類特征。

識別完成后，需要結合實際加工工藝進行后續的處理及數模再建，對于孔類特征，需要考慮其孔徑大小及其軸向與加工方向的差異。若其軸向與加工方向不同，且孔徑不大，需考慮填充整個孔；若其孔徑較大，為避免過多的材料浪費，在加工過程中可調整加工方向使其與孔的軸向相同。對于軸向與加工方向相同的孔，若其孔徑較小，為保證加工精度和減少路徑規劃的難度需要將該類孔完全填充；若孔徑較大，則向內添加一定的單邊余量，即在自動建模中可設置一臨界值，當孔徑小于該值時填充孔，大于該值時則添加一定的余量。

對于凸臺類特征，一般沿外表面方向添加一定的余量即可；對于有環形圓角的凸臺，則可根據圓角補償方式添加足夠的外表面余量以包含圓角特征。在實際再建處理過程中，可先移除圓角再給凸臺添加余量或使用UF方法的偏移面函數UF_MODL_create_face_offset進行偏置操作，再進一步處理圓角。