基于STEP的電子束數(shù)模特征識(shí)別與再建CAD二次開發(fā)系統(tǒng)

唐博文，廖敦明，唐紹寧，楊 光，楊 帆

（1.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

0 引 言

我國(guó)航天航空事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)其領(lǐng)域的高端裝備有了新的技術(shù)需求，需要發(fā)展更高精度、更高參數(shù)的大型設(shè)備，同時(shí)可應(yīng)用于更加惡劣的工作環(huán)境。電子束熔絲增材制造具有成形速度快、力學(xué)性能優(yōu)良、缺陷可控等優(yōu)勢(shì)，可適用于高性能大型金屬構(gòu)件的加工制造，能有效縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，因而在航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(guò)程需要用到相應(yīng)的專業(yè)CAD工具，而不同CAD工具所支持及保存的模型文件結(jié)構(gòu)存在一定的差異，因此存在數(shù)模文件格式轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。同時(shí)在前處理中，傳統(tǒng)手動(dòng)建模過(guò)程繁瑣、規(guī)范性差、效率低，導(dǎo)致制造周期長(zhǎng)。基于上述問(wèn)題，有必要開發(fā)專用文件處理接口及數(shù)模特征識(shí)別與快捷再建系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件格式轉(zhuǎn)換的處理及關(guān)鍵特征的識(shí)別和重建。

基于NX 10.0開發(fā)平臺(tái)，在Visual Studio 2012編譯環(huán)境下，以C/C++為開發(fā)語(yǔ)言，應(yīng)用NX二次開發(fā)框架下的NX Open API、Block UI Styler和Menuscript技術(shù)[3,4]，對(duì)中間格式STEP模型文件在NX中結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對(duì)比分析，開發(fā)能夠處理STEP格式的數(shù)模特征識(shí)別與快捷再建CAD系統(tǒng)。

1 基于STEP特征識(shí)別與快捷再建CAD系統(tǒng)的框架

STEP中間文件包含較多的產(chǎn)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(guò)頂點(diǎn)、邊、面表示實(shí)體表面的邊界，進(jìn)而確定實(shí)體的內(nèi)部點(diǎn)和外部點(diǎn)，建立實(shí)體三維模型。

系統(tǒng)旨在提高數(shù)模再建過(guò)程中的自動(dòng)化和智能化程度，簡(jiǎn)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(shù)模再建系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)入模型文件，進(jìn)行模型修復(fù)，然后提取模型特征信息，結(jié)合特征庫(kù)對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能補(bǔ)償。

分析系統(tǒng)處理順序可分為三部分：①針對(duì)STEP模型文件在NX中讀取后可能存在的格式錯(cuò)誤，進(jìn)行特征修復(fù)，優(yōu)化線面；②對(duì)需要優(yōu)化的典型特征進(jìn)行識(shí)別及提取；③基于提取的特征，進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化處理，如對(duì)模型添加余量補(bǔ)償?shù)取＼浖幚砜蚣苋鐖D1所示。

圖1 軟件處理框架

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 NX中STEP模型的異常信息分析及修復(fù)

NX軟件提供了導(dǎo)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(jìn)行了較完善的處理，消除了曲線曲面的丟失和缺損的現(xiàn)象，然而其載入后的文件與在NX平臺(tái)上獨(dú)立建立的模型仍有所差別，不利于對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的處理操作。NX載入STEP源文件后其模型沒(méi)有具體構(gòu)建過(guò)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(huì)出現(xiàn)圓柱面等未縫合現(xiàn)象，圖2箭頭指示處出現(xiàn)了圓柱面及圓孔面分割現(xiàn)象。

圖2 分割的圓孔面

大量的邊界曲線以容錯(cuò)曲線（tolerant curve）的形式出現(xiàn)，導(dǎo)致邊界特征識(shí)別困難，如圓環(huán)的邊界曲線不為圓弧，使其難以獲得圓心位置等坐標(biāo)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(xiàn)，給這些曲面特征的自動(dòng)識(shí)別帶來(lái)一定的困難。

為解決這些問(wèn)題，使NX載入STEP格式模型后能對(duì)其進(jìn)行特征識(shí)別及模型再建，運(yùn)用NX二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)了目標(biāo)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(fù)方式。

（1）應(yīng)用NX Open的Features屬性下的Optimize Face Builder方法，對(duì)曲面進(jìn)行優(yōu)化，該方法可以將不合理的分裂面連在一起，也可恢復(fù)多數(shù)不合理的B曲面異常情況。但該方法會(huì)去除部件導(dǎo)航器的歷史操作記錄。

（2）使用UFUN方法中UF_MODL_edit_face_join函數(shù)進(jìn)行連結(jié)面處理。該方法可以將2個(gè)面合并成1個(gè)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(shí)別及處理

2.2.1 圓角類特征分類及特征識(shí)別

一般零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，為減小應(yīng)力集中和加工難度，常會(huì)設(shè)計(jì)圓角、拐角等過(guò)渡曲面。但在電子束熔絲增材制造過(guò)程中，半徑較小的圓角類特征不利于加工路徑的規(guī)劃，也難以直接形成圓角類形狀，為避免此類特征阻礙后續(xù)路徑規(guī)劃過(guò)程，需對(duì)其進(jìn)行處理[6]。

根據(jù)圓角的形式，可分為環(huán)形圓角、普通圓角（內(nèi)圓角及外圓角）、拐角及球形拐角，如圖3所示。其中環(huán)形圓角及拐角在NX中對(duì)象模型特征類別都為旋轉(zhuǎn)面，但環(huán)形圓角有2個(gè)封閉環(huán)，而拐角只有1個(gè)封閉環(huán)特征。普通圓角在NX中對(duì)象模型特征類別為圓柱面，球形拐角的對(duì)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(jù)其邊界特征識(shí)別各類圓角。遍歷目標(biāo)體（body）對(duì)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(jìn)一步根據(jù)曲面邊界類型可以識(shí)別圓角種類，其識(shí)別流程如圖4所示。

圖4 圓角類特征識(shí)別

2.2.2 圓角類特征再建

經(jīng)過(guò)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(duì)典型圓角的處理功能，還需處理異常曲面，根據(jù)不同的情況可采用以下3種方法。

（1）移除面。對(duì)于特征類型正常且不存在復(fù)雜的相交特征的圓角面，應(yīng)用NX Open命名空間Features屬性下的Delete Face Builder方法，設(shè)置相關(guān)屬性，然后移除目標(biāo)圓角面。

（2）通過(guò)添加特征進(jìn)行布爾運(yùn)算處理異常曲面。使用特征創(chuàng)建方法，以目標(biāo)圓角的對(duì)角線為參考創(chuàng)建方塊，然后根據(jù)圓角類型進(jìn)行求和或求差去圓角，即對(duì)內(nèi)圓角（凹面）進(jìn)行求差，對(duì)外圓角（凸面）進(jìn)行求和運(yùn)算。

（3）通過(guò)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(fù)合圓角，并獲取其終止平面，應(yīng)用NX Open命名空間Features屬性中的Extrude Builder方法，設(shè)置拉伸方向與終止面外法向相反的方向，應(yīng)用拉伸操作可以將圓角特征去除。

圖5 復(fù)合圓角

2.3 孔類及凸臺(tái)類特征識(shí)別及處理

凸臺(tái)和孔特征在數(shù)模中十分常見(jiàn)，對(duì)凸臺(tái)與孔的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)再建有重要意義。孔及凸臺(tái)特征如圖6所示，根據(jù)壁面是否為圓柱面，孔可分為圓孔和異形孔，凸臺(tái)可分為圓臺(tái)和異形凸臺(tái)。根據(jù)孔是否貫通，又可分為通孔和盲孔。

圖6 孔及凸臺(tái)特征

在進(jìn)行孔類及凸臺(tái)類特征識(shí)別前，需先了解邊的凹凸性判斷方法及內(nèi)環(huán)的概念。邊的凹凸性判斷方法如下[7]。

（1）當(dāng)邊為直線時(shí)，如圖7所示，在需要判斷邊的相鄰兩面上分別找點(diǎn)p1及p2，要求p1、p2在垂直于邊的同一平面內(nèi)，p1沿其所屬平面的外法向方向上平移1個(gè)單位得到p3，p2沿其所屬平面的外法向方向上平移1個(gè)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(dāng)邊為曲線時(shí)，如圖8所示，曲線所屬的面存在圓柱曲面。針對(duì)該情況，引用微分方法，在圓柱曲面上取一微小曲面，當(dāng)曲面足夠小時(shí)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(huán)（loop）是有序且有向邊組成的封閉邊界，環(huán)中相鄰邊共享1個(gè)頂點(diǎn)，且環(huán)中的邊不相交。環(huán)不但有方向之分，還有內(nèi)外之分，外環(huán)邊以逆時(shí)針?lè)较蚺帕校瑑?nèi)環(huán)邊以順時(shí)針?lè)较蚺帕小?/p>

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

在識(shí)別凸臺(tái)特征時(shí)，類似地遍歷種子面上的內(nèi)環(huán)，若內(nèi)環(huán)為凹邊，找到內(nèi)環(huán)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(tái)類特征。

識(shí)別完成后，需要結(jié)合實(shí)際加工工藝進(jìn)行后續(xù)的處理及數(shù)模再建，對(duì)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(gè)孔；若其孔徑較大，為避免過(guò)多的材料浪費(fèi)，在加工過(guò)程中可調(diào)整加工方向使其與孔的軸向相同。對(duì)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(guī)劃的難度需要將該類孔完全填充；若孔徑較大，則向內(nèi)添加一定的單邊余量，即在自動(dòng)建模中可設(shè)置一臨界值，當(dāng)孔徑小于該值時(shí)填充孔，大于該值時(shí)則添加一定的余量。

對(duì)于凸臺(tái)類特征，一般沿外表面方向添加一定的余量即可；對(duì)于有環(huán)形圓角的凸臺(tái)，則可根據(jù)圓角補(bǔ)償方式添加足夠的外表面余量以包含圓角特征。在實(shí)際再建處理過(guò)程中，可先移除圓角再給凸臺(tái)添加余量或使用UF方法的偏移面函數(shù)UF_MODL_create_face_offset進(jìn)行偏置操作，再進(jìn)一步處理圓角。

3 系統(tǒng)功能及應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)處理STEP格式模型，開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)模特征識(shí)別與快捷再建CAD系統(tǒng)，共有8個(gè)功能模塊，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)功能模塊

應(yīng)用開發(fā)的系統(tǒng)對(duì)圖10所示模型進(jìn)行處理，由于模型具有保密要求，僅截取其中一段模型，該部分模型細(xì)節(jié)較多，且在NX中的特征對(duì)象類型混亂，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接再建。

圖10 電子束模型實(shí)例部分

應(yīng)用線面信息查詢功能，如圖11所示，該模型存在大量的容錯(cuò)曲線及B樣條曲線，而這些曲線本應(yīng)該是正常的直線或圓弧等曲線。

圖11 容錯(cuò)曲線等異常曲線

先應(yīng)用異常曲線曲面處理功能對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行優(yōu)化，然后應(yīng)用圓角處理功能對(duì)各類圓角處理。對(duì)初步優(yōu)化后的目標(biāo)體進(jìn)行圓角識(shí)別，結(jié)果如圖12所示，其圓角種類組成復(fù)雜，不但包含普通的圓角和拐角，還包含B曲面。對(duì)這些結(jié)構(gòu)除了使用開發(fā)的自動(dòng)再建功能外，還需用到交互式圓角再建功能。

圖12 圓角識(shí)別

該處復(fù)雜曲面類型經(jīng)過(guò)初步圓角補(bǔ)償處理后，可達(dá)到圖13所示形狀。

圖13 初步圓角補(bǔ)償

根據(jù)電子束加工特點(diǎn)，對(duì)于參差不齊的邊與塊，當(dāng)兩者高度差較小時(shí)，應(yīng)使2個(gè)面平齊，減少階梯的出現(xiàn)，以利于路徑規(guī)劃及后續(xù)的加工過(guò)程。經(jīng)過(guò)階梯面的再建結(jié)果如圖14所示，最后再對(duì)孔進(jìn)行識(shí)別和處理，根據(jù)臨界值對(duì)大孔添加余量，對(duì)小孔填充處理。

圖14 階梯面處理

4 結(jié)束語(yǔ)

基于STEP格式文件的數(shù)模特征識(shí)別與再建CAD系統(tǒng)，解決了電子束熔絲成形設(shè)計(jì)過(guò)程中不同專業(yè)CAD軟件的中間格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的異常問(wèn)題，完成了從目標(biāo)數(shù)模到加工數(shù)模的轉(zhuǎn)換，提高了模型再建的效率與設(shè)計(jì)規(guī)范性。