一種將特征面表示轉為特征體表示的新方法

一種將特征面表示轉為特征體表示的新方法

基于零件的設計模型或實體模型，建立零件的加工特征模型是cappcapp集成的中心主題。零件的加工特征是指與加工操作相關聯(lián)的特定幾何形狀,其形狀通常采用體表示或面表示2種方式來描述。采用面表示的優(yōu)點在于能充分描述工藝信息,滿足零件加工面的工藝選擇或尺寸、公差分析等過程的需求。特征的體表示則對于可制造性的分析、數(shù)控機床代碼生成和工藝規(guī)劃等過程具有重要作用,它具有以下特點:①易于與特定的加工操作相關聯(lián);②描述加工中毛坯上被去除的部分,可用來評估加工成本和加工時間;③易于獲得加工的中間件;④完整地描述特征間的相交關系。自動特征識別為實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的有效集成提供了智能轉換接口。特征識別的方法從整體上可以分為基于邊界匹配的識別和基于體分解的識別兩大類?；谶吔缙ヅ涞奶卣髯R別方法是基于零件的邊界表示,通過邊界匹配識別出零件所包含的特征,是研究得比較多的一類特征識別方法,它提供特征的面表示。如何從特征的面表示生成特征的體表示,是這類方法的一個重要問題。典型的方法是擴展特征的鄰接面或特征的邊等基本的幾何元素來得到體,如DONG和Wozney提出了拓展面生成體特征的方法。該方法適用于由少量或沒有特征相交的凹陷特征組成的簡單多面體零件;Falcidieno和Giannini提出了延拓特征的凹邊界上的邊,以及與特征的凹邊界有交點的邊的方法,這種延拓邊的方法有時候不能產(chǎn)生所需要的所有的點,而且只限用于簡單的多面體零件。筆者提出一種新的把特征面表示轉換成特征體表示的方法。1擴展屬性面鄰接圖基于最小條件子圖的特征識別方法以特征的最小條件子圖作為特征痕跡,采用圖分解生成特征痕跡,通過添加虛鏈和對相關面進行特征痕跡延拓,因而在處理相交特征識別上具有很好的性能和效率。特征的最小條件子圖是指特征屬性面鄰接圖殘留在零件屬性面鄰接圖中的最大子圖。通常在基于圖的特征識別方法中,特征或零件的邊界由面屬性鄰接圖(attributedadjacencygraph,AAG)來表示,AAG由結點和邊組成,圖的結點表示零件的面,邊表示面的連接關系,AAG的邊與且只與2個結點相連,邊具有凸和凹2種屬性,如圖1b給出臺階(見圖1a)的AAG圖,圖中的2個面F1、F2通過有凹邊(用0表示)連接。AAG只描述了邊的凸凹性,而識別相交特征時僅有這些信息是不充分的。為了有效地支持特征識別,在基于最小條件子圖的特征識別算法中對AAG的結點和邊的屬性進行了擴展,即采用擴展屬性面鄰接圖(extendedattributedadjacencygraph,EAAG)來描述特征和零件的邊界信息。在特征的EAAG中,通過虛邊和合并面來描述由于特征相交而被破壞的特征邊界信息。虛邊是指在不相連接的面之間添加的一種由于特征相交而丟失的面連接關系,如圖1a中面F3、F4、F5、F6和F7構成一個凹腔(pocket)特征,但由于特征相交面F4與其它的3個面的連接關系丟失了,因此特征識別后在這幾個面間建立了虛鏈,如圖1c中用虛線表示的3個連接?？珊喜⒌拿媸侵?組特征中由于特征相交而被分割的面,如圖1a中的面F8和F9?？珊喜⒚鏉M足下面的條件:①這些面具有相同的面方程和一致的法向;②這些面中的每一個面都可以沿其某一條邊擴展到其它面而不被非共面其它面遮擋。在將特征的EAAG表示轉換成特征體表示的過程中,需要對特征面沿著特征邊進行擴展,因此首先要確定沿哪些邊進行擴展及沿什么方向擴展和擴展到何等程度,而這些都與特征邊的類型有關。為此,我們根據(jù)已識別特征的邊所連接的2個面是否同屬于當前特征,對特征邊作如下分類:(1)內(nèi)部邊指與邊相鄰的2個面均為特征組成面的邊,如圖1a中的邊E1;(2)邊界邊指與邊相鄰的2個面中有1個面為非特征組成面的邊,如圖1a中的邊E2和E3;(3)工件邊指與邊相鄰的2個面中有1個面為毛坯面或已加工面的邊,如圖1a中的邊E2;(4)受遮擋邊指所屬的特征面沿該邊擴展時會受到其它工件面阻擋的邊,如圖1a中的邊E3。2生成算法以表示資源2.1特征面為復合特征的體加工特征的體表示與所選擇的毛坯有關,也與特征的加工順序有關,因此我們以毛坯、零件及已識別出的有順序的面特征表示(EAAG)作為輸入條件生成特征的體表示,根據(jù)特征邊的類型對特征面進行適當延拓,進而構造1個覆蓋特征面表示的擴展的非流形的開殼(稱為特征殼體),并用這個開殼對加工去除體(開始為毛坯總去除體)進行逐次剖分,生成加工特征的體表示。具體算法步驟如下:(1)對零件進行特征識別,建立加工特征的面表示模型,特征的面表示由EAAG描述;(2)將零件與給定的毛坯作布爾減運算,得到加工總去除體;(3)對特征邊進行分類,用于確定特征面的延拓方式;(4)恢復由于特征相交而丟失的特征邊界信息;(5)根據(jù)特征邊的特性對其進行擴展延拓面,生成擴展特征殼;(6)按特征的加工順序,用擴展特征殼逐次剖分加工去除體。這一過程可用圖2所示例子說明。對圖2a的零件進行特征識別,這個零件有凹腔和槽(slot)2個特征,這里給出凹腔的體特征生成過程。用零件的毛坯模型(見圖2b)與零件模型作布爾減操作,得到零件在加工中的總去除體積(見圖2c);對凹腔的邊界邊按圖2d給出的方向進行延拓,得到凹腔特征的擴展殼體(見圖2e);最后用特征的擴展殼體剖切零件的加工去除體(見圖2f)得到凹腔的體特征(見圖2g)。接下來繼續(xù)對槽特征重復前面的步驟,直至所有特征都被計算過,只是進行剖切時使用前一次剖切后剩余的去除體。算法實現(xiàn)的關鍵是對相交特征邊界的恢復和特征面及其鄰面的延拓。2.2基于最小條件子圖的特征識別為了能夠正確地生成特征的體表示,在生成特征殼之前首先要恢復由于特征相交而被破壞的特征邊界。在基于最小條件子圖的特征識別方法中,特征丟失的拓撲連接關系在識別過程得到恢復并且記錄在特征的EAAG中,因此這一步主要是對幾何信息的恢復和重建,這里主要包括圖3所示的3種情況。對這3種情況分別采取不同的策略:(1)被組合面的恢復圖3a中面F1和F2是合并面,邊E1和E2是2個面合并時的延拓邊(合并的面的被分割邊),在特征的EAAG中面F1和F2被組合為1個結點,邊E1和E2作為1組邊對被特別標記。分割面的恢復方法是在標記出的邊對間構造1個面,這個面包含在覆蓋分割面組的最小輪廓之內(nèi),并用構造好的面和原來的被分割面組合成1個面作為新的特征面,并重新生成邊界邊和內(nèi)部邊。在圖3a中,通過在面F1和F2的最小輪廓之內(nèi)沿邊E1和E2間構造面F3,把F1、F2和F3組合到一起生成面F′作為通槽的底面。(2)擴展面的拉格朗日正演圖3b所示零件上有2個槽特征,在對面F1所在的槽進行邊界擴展時受到面F2的阻擋,E1是受遮擋邊。對這種情況的處理過程如下:將該面沿被阻擋邊擴展至其遮擋面,并求交,再用交線裁剪阻擋面。如圖3b,對被阻擋邊E1擴展,與面F2的擴展面F2′交于邊E′,用E′裁剪面F2′,然后再對槽的其它面進行延拓,得到恢復的特征面表示,被還原的邊E′相當于特征的內(nèi)部邊。由于虛邊連接了1個特征的2個面,因此對識別出的特征中有虛邊的情況也采用類似方法處理,只是有時虛邊連接的2個面都需要延拓。(3)圓柱的被破壞其實體模型圓柱面被破壞是由于特征相交引起的。圖3c零件上的孔特征由于與臺階特征相交導致圓柱面F1被破壞。對圓柱面的恢復分為2步,首先是判斷1個圓柱是否被破壞,主要是通過拓撲信息的變化來判斷,如邊或環(huán)數(shù)目的變化和自封閉的邊消失等。在ACIS(Spatial公司的3維實體造型工具)的實體模型中1個完整的圓柱面具有2個外環(huán),每一個環(huán)由2條自封閉的邊構成,因此通過這2個條件就可以判斷圓柱是否被破壞。對被破壞的圓柱面的恢復過程如下:首先從被破壞的圓柱中提取一些基本信息——圓柱的軸線、圓柱的半徑;然后將面的每一條邊向軸線投影,通過對投影點排序找出最外2端的2個端點,并計算出圓柱面的高度,最后根據(jù)這些信息重新構造完整的圓柱。圖3c給出了恢復圓柱面示例,按上述過程對面F1恢復為F1′。2.3特征邊界面的擴展量通過前面的步驟建立了完整的特征面表示,接下來就要延拓特征的組成面生成擴展特征殼體。完整的特征面表示可以看作是由其組成面相交構成的半空間殼,這些面的半空間的邊界就是特征的內(nèi)部邊,如1個臺階由2個平面半空間構成,這2個平面的交線是臺階特征的內(nèi)部邊。特征組成面延拓構成的半空間殼與毛坯的正則交集就是特征的體表示,由于毛坯體是有界的,因此生成特征擴展殼體只需超出毛坯包圍盒范圍即可,不需要構造完整的半空間殼體。特征面的延拓范圍由2條原則確定:①延拓的面應限制在由該特征面所有內(nèi)部邊延長所確定的半平面的交集內(nèi);②延拓的面完全覆蓋原特征面并超出毛坯包圍盒少許?；谏鲜鲈瓌t,我們采用掃掠特征邊界邊的方法實現(xiàn)面的延拓(特征的內(nèi)部邊和已恢復的受遮擋邊不需延拓)。對特征邊界邊的擴展量按如下原則確定:①如果邊界邊也是工件邊,將特征面沿該邊作微量擴展,使延拓面的新邊界邊超出毛坯的邊界;②如果邊界邊既不是工件邊也不是受遮擋邊,將特征面沿該邊作充分大的擴展,擴展量取毛坯包圍盒的長度。特征面的擴展受到其內(nèi)部邊的限制,這就要求邊界邊在掃掠時考慮其鄰邊的方向和類型,以采取合理的方式掃掠。邊界邊的相鄰邊主要有以下3種情況:(1)分別與1條內(nèi)部邊和邊界邊相鄰對這種情況邊界邊應沿內(nèi)部邊的方向。圖4a中給出了臺階特征的1個面F1延拓的情形,在面F1上邊E1是1條內(nèi)部邊,邊E2、E3和E4是邊界邊,E2的鄰邊是內(nèi)部邊E1和外部邊E3,E4與E2的情況類似,延拓面F1時邊E2和E4的掃掠方向取與邊E1平行的方向。(2)2條與掃掠邊相鄰的邊是2條邊界邊對這種情況邊界邊沿在擴展面內(nèi)與該邊垂直的方向掃掠,同時為了避免在與其它邊界邊的交點處出現(xiàn)擴展不足的現(xiàn)象,還要對擴展不足的部分作適當?shù)奶钛a。如圖4a中的邊界邊E3的鄰邊是2條邊界邊E2和E3,掃掠邊E3得到延拓面F3′,在與E2和E4的交點處出現(xiàn)未被擴展的區(qū)域R1和R2,因而要根據(jù)交點和該點延伸出的掃掠邊構造1個小面把這些區(qū)域補足(圖中F4′和F5′)。(3)2條與掃掠邊相鄰的邊是2條內(nèi)部邊對這種情況邊界邊掃掠的策略是先適當延長該邊界邊,然后沿與延長所得到的邊的垂直方向掃掠,最后延長相鄰的2條內(nèi)部邊,并對掃掠面裁剪得到擴展面。圖4b中與2條邊界邊E2和E4相鄰的都是內(nèi)部邊(邊E1和E3),按上述策略,對邊E2掃掠時首先適當延長邊E2,然后掃掠延長后的邊得到面R1,最后通過延長內(nèi)部邊E1和E3對R1裁剪得到最終的延拓面F2′,對邊E4采用相同的處理方法。對于掃掠邊是圓弧的情形,一種簡化的處理方法是用弦替代圓弧,如圖4c中用圓弧邊E1′代替E1。圖4d給出了一種邊界邊不需要掃掠的特殊情況,即掃掠邊與內(nèi)部邊共線(E1與E2共線)。每一個特征面延拓后,會產(chǎn)生幾個小面,因此需要通過2維布爾求和運算,把所有延拓出的面和原特征面組合到一起得到單獨的擴展面,并把1個特征的所有擴展面合并到一起生成1個擴展特征殼體。最后一步就是用殼體去切割當前去除體得到特征體,即用擴展特征面后所得的殼體去切割當前去除體(初始為總去除體)生成特征體,同時將特征體的邊界表示存入特征的數(shù)據(jù)結構中。3zd-afrs的復雜零件的測試結果我們基于最小條件子圖的特征識別策略,以ACIS5.0為幾何建模核心,開發(fā)了加工特征識別系統(tǒng)ZD-AFRS(ZD-automaticfeaturerecognitionsystem),系統(tǒng)的圖形界面見圖5a。本文介紹的從特征面表示到特征體表示的轉換方法是ZD-AFRS的核心組成之一。我們已經(jīng)用許多復雜零件進行了測試,測試結果表明