基于腔分组与特征抑制的薄壁多腔件加工特征识别方法与流程

本发明属于计算机辅助设计领域，涉及的是薄壁多腔结构件加工特征识别方法，具体的说是一种以腔为单元进行多任务并行识别，根据相交特征类型以及三维建模的可行性安排识别顺序，以特征抑制简化相交特征识别的方法，该发明方法可以有效提高薄壁多腔结构件加工特征识别的效率。

背景技术：

薄壁多腔类结构件是现代飞机研制中常见的一类整体结构件，普遍具有加工特征数量多、薄壁、多腔等特点。在目前薄壁多腔类结构件数控加工工艺中，需要大量的进行人工特征选取，大大增加了工作量，降低了数控加工工艺效率。大量学者就如何快速智能的进行加工特征识别进行了研究。

目前，主要的特征识别方法分为两大类，一种是基于边界匹配的方法，一种是基于立体分解的方法(详细文献：高曙明.自动特征识别技术综述[J].计算机学报,1998,21(3):281-288.)。基于边界匹配的方法分为基于图、基于规则、基于痕迹的方法。基于图匹配的方法通过在零件面边图中寻找特征子图进行匹配，Marefat和Kashyap首次采用添加虚链的方法来提高基于图的特征识别方法在识别相交特征方面的能力(详细文献：MAREFAT M,KASHYAP R L.Geometric reasoning for recognition of three-dimensional object features[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1990,12(12):949-965.)，但是算法中不能确保所添加的虚链都是正确的，且此方法需要对图进行大量的操作，非常不直观。单纯基于规则的方法难以识别相交特征，刘晓军等在利用边的凹凸性的基础上，提出了一种面向板腔类零件的加工特征识别方法(详细文献：刘晓军,倪中华,程亚龙等.面向板腔类零件机加工艺的加工特征识别方法[J].计算机集成制造系统,2013,19(12):3130～3138.)，通过对主加工面内、外环边的凹凸性判断，识别出腔槽特征，但所提规则未考虑板腔中存在相交特征的情况。体分解的特征识别方法(详细文献：SAKURAI H.Volume decomposition and feature recognition,part I:polyhedral objects[J].Computer Aided Design,1995,27(11):833～843.)与基于边界匹配的特征识别相比，在识别相交特征和曲面特征上有一定优势，但是总体上效率较低。

由于目前特征识别的算法流程中的各关键操作间存在数据依赖关系，难以分成独立操 作并行识别，对此，针对薄壁多腔件的特点。

技术实现要素：

本发明的目的是针对薄壁多腔结构件特征识别过程中识别效率低的问题，发明一种基于腔分组与特征抑制的薄壁多腔结构件加工特征识别方法，它从根本上解决了相交特征识别过程繁琐、效率低的问题。

本发明的技术方案：

一种基于腔分组与特征抑制的薄壁多腔结构件加工特征识别方法，其特征在于：采用腔分组技术对模型进行分割，对加工特征进行并行识别，以提高识别效率；采用特征抑制技术对模型直接进行建模操作，简化相交特征的识别，根据相交特征类型和三维建模的可行性安排识别顺序，识别完成后即获得毛坯模型。

所述的腔分组并行识别技术是：将整个三维模型的属性邻接图以腔为单元进行分组，组的个数等于腔的个数，一个组中包括了一个腔内所有加工特征的组成面。由于各个组中的数据相互独立，可多线程同步识别各组中的加工特征。

所述的特征抑制技术是：当一个特征识别完成后，其拓扑结构对于后续的识别没有意义，因此将识别出的特征直接通过三维建模操作进行抑制，原本发生破坏的拓扑结构便自动进行了修复，不需要对相交的拓扑结构进行任何人工操作，当完成特征识别并抑制了所有特征后得到毛坯模型。

所述的识别顺序包括以下规则：

(1)由于台阶孔特征的属性邻接图中包含了简单圆柱孔特征的属性邻接图，因此台阶孔孔特征的识别要在简单孔特征识别之前；

(2)由于腔中凸台会与孔特征发生相交，孔特征会破坏凸台顶面的拓扑，所以孔特征的识别要在凸台识别之前；

(3)由于筋特征、凸台特征附属于腔中阶梯槽的底面，若首先识别阶梯槽，不但在建模操作时会因为某个面未正确相交导致特征抑制失败，而且会覆盖还未识别的筋特征、凸台特征，所以阶梯槽的识别要放在最后。

所述的基于腔分组与特征抑制的薄壁多腔结构件加工特征识别方法的具体步骤包括：

(1)利用腔分组技术将整个三维模型的属性邻接图以腔为单元进行分组；

(2)在图匹配的基础上，采用特征抑制技术按照台阶孔、圆柱孔、凸台、腔内筋、阶梯槽的顺序，进行并行识别，由于阶梯槽特征与阶梯槽中的相交孔特征拓扑结构非常复杂且不固定，利用层与特征抑制的方法进行识别；

(3)根据工艺解释识别外轮廓与框架筋后，将阶梯槽最后一层抑制，获得毛坯模型。

上述的步骤(1)中腔分组方法步骤如下：

第一步：获取主加工面集合：指定模型中任意腔的腹板面作为腔种子面，获取腔种子面的法向量反向方向作为主加工方向；遍历模型中的面，获得法向量与腔种子面近似相同的主加工面集合A；由于有些腔之间存在公共的筋，此类筋顶面会妨碍腔的分组，需从主加工面集合A中去除。

第二步：将主加工面集合A根据腔进行分组：从主加工面集合A的第一个面开始，加入第一个腔的主加工面集合A₁，逐一判断与集合A后面的面是否有连接的端面，如果有端面，将该主加工面加入集合A₁，每加入一个新的面，都要将集合A中于这个新的面存在连接端面的主加工面加入集合A₁；当集合A中与集合A₁中任意一个面都不存在连接端面，在集合A中找到一个未加入A₁的面，加入第二个腔的主加工面集合A₂，按照同样的方法获取第二个腔的主加工面集合；当集合A中每一个面都加入了各个腔的几个A₁，A₂，…A_n后，结束分组。

第三步：获得每个腔的所有加工特征的组成面：遍历每一个腔的主加工面集合，将所有主加工面构成边的引出面加入该腔的组成面集合，每当加入一个新的面，都将该面构成边的引出面加入集合，当搜索到与主加工面法向量近似相反的面停止，继续其余的面，当搜索到其它腔的主加工面停止，继续其余的面，当搜索到其它腔的分隔面停止，继续其余的面。

第一步中判断是否为筋顶面方法如下：获取该面外环构成边的引出面集合，如果集合中存在两个距离在壁厚范围内，法向量近似相反的面，则该判断的面为筋顶面。

第二步中判断两个面是否存在连接端面方法如下：将第一个面a外环构成边的引出面加入集合α，将第二个面b外环构成边的引出面加入集合β，若集合α与集合β中存在相同的面c，判断面c与面a、面b公共边的凹凸性，如果是1凹1凸，说明面c就是连接主加工面a与主加工面b的连接端面。

第三步中分隔面的获取方法如下：遍历每个腔中的主加工面集合，将每个面外环边为凹边的引出面加入该腔的分隔面集合，引出面不包括主加工面。

上述的步骤(2)中特征抑制方法如下：完整孔特征的抑制采用同步建模中面删除的方法，筋特征、凸台特征的抑制采用同步建模中面偏移或面替换的方法，将筋顶面或凸台顶面替换为所依附的腹板面，阶梯槽特征将位于低层的阶梯面替换或偏移至位于高层的阶梯面，一层层完成特征的抑制。

步骤(2)中层与特征抑制方法如下：将各个腔中剩余主加工面沿主加工方向反向进行排序，例如腔1剩余的主加工面集合为A₁’，将集合A₁’排序后，从第一个面a开始，向后逐一比较，找到与它有连接端面的主加工面b，此时找到阶梯槽的第一层，将第一层抑制，面a偏移至面b形成面b’，用与步骤(1)第三步相同的方法搜索图匹配的顶点，判断面b’中是否存在孔特征，如果有，说明原本面b中存在相交孔特征，接着以面b’为基准向后比较，找到与它有连接端面的主加工面c，此时找到阶梯槽的第二层，将第二层抑制，面b’偏移至面c形成面c’，用图匹配的方法判断面c’中是否存在孔特征，如果有，说明原本面c中存在相交孔特征，同样的方法继续在集合A₁’中向后搜索，直到集合A₁’中不存在连接端面，完成腔1的阶梯槽与槽中相交孔特征识别。

本发明的有益效果是：

本发明能提高加工特征的识别效率。

本发明根据相交特征的类型以及三维建模的可行性安排识别顺序，通过直接对三维模型的建模操作，将已识别的特征从三维模型中抑制以简化相交特征的识别。

附图说明

图1为实例薄壁多腔结构件去除过渡特征后的三维模型。

图2为整个薄壁多腔结构件加工特征识别流程图。

图3为腔分组的流程图。

图4为主加工面分组的流程图。

图5为实例薄壁多腔结构件主加工集合示意图。

图6为腔1主加工面集合以及腔1所有加工特征组成面示意图。其中：图6a为腔1主加工面集合示意图，图6b为腔1所有加工特征组成面示意图。

图7为腔7主加工面集合以及腔7所有加工特征组成面示意图。其中：图7a为腔7主加工面集合示意图，图7b为腔7所有加工特征组成面示意图。

图8为腔1识别过程模型中间状态图。

图9为腔7识别过程模型中间状态图。

图10为各个腔阶梯槽与相交孔特征的层与特征抑制识别方法流程图。

图11为实例薄壁多腔结构件所有特征识别完成后所获得的毛坯模型。

图12为实例薄壁多腔结构件所有加工特征识别列表。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明：

如图1-12所示。

一种基于腔分组与特征抑制的薄壁多腔结构件加工特征识别方法，它包括以下步骤：

步骤(1)：对给定的薄壁多腔结构件的过渡特征进行抑制，得到简化的薄壁多腔结构件三维模型(图1)，整个识别流程如图2所示，腔分组的流程图如图3所示，主加工面分组的流程图如图4所示。

步骤(2)：获取主加工面集合：由于双面框正反面的识别流程一致，实例中给出单面的识别流程。指定模型中任意腔的腹板面作为腔种子面(图5面1)，获取腔种子面的法向量反向方向作为主加工方向；遍历模型中的面，获得法向量与腔种子面近似相同的主加工面集合A＝{图5面1，面2，…面26}；由于有些腔之间存在公共的筋，所以此类筋顶面会妨碍腔的分组，需从主加工面集合A中去除，此时集合A＝{图5面1，面2,面3，面6，面7，面9,面10，面11,面12，面13,面14，面15,面16，面17,面18，面19,面20，面21,面22，面23}，共20个面。

步骤(3)：将主加工面集合A根据腔进行分组：从主加工面集合A的第一个面开始，加入第一个腔的主加工面集合A₁，逐一判断与集合A后面的面是否有连接的端面，如果有端面，将该主加工面加入集合A₁，每加入一个新的面，都要将集合A中于这个新的面存在连接端面的主加工面加入集合A₁；当集合A中与集合A₁中任意一个面都不存在连接端面，在集合A中找到一个未加入A₁的面，加入第二个腔的主加工面集合A₂，按照同样的方法获取第二个腔的主加工面集合；当集合A中每一个面都加入了各个腔的几个A₁，A₂，…A_n后，结束分组。以图1腔1和腔7为例，经过分组，腔1得到主加工面集合A₁＝{图6a面1，面2，面3，面4}，腔7得到主加工面集合A₇＝{图7a面1，面2，面3}。

步骤(4)：获得每个腔的所有加工特征的组成面：遍历每一个腔的主加工面集合，将所有主加工面构成边的引出面加入该腔的组成面集合，每当加入一个新的面，都将该面构成边的引出面加入集合，当搜索到与主加工面法向量近似相反的面停止，继续其余的面，当搜索到其它腔的主加工面停止，继续其余的面，当搜索到其它腔的分隔面停止，继续其余的面。经过第三步，腔1得到组成面集合＝{图7a面1-面10，图7b面11-面15}，腔7得到组成面集合＝{图8a面1-面21，图8b面22-面25}。

其中，步骤(2)中判断是否为筋顶面方法如下：获取该面外环构成边的引出面集合，如果集合中存在两个距离在壁厚范围内，法向量近似相反的面，则该判断的面为筋顶面。

其中，步骤(3)中判断两个面是否存在连接端面方法如下：将第一个面a外环构成边的引出面加入集合α，将第二个面b外环构成边的引出面加入集合β，若集合α与集合β 中存在相同的面c，判断面c与面a、面b公共边的凹凸性，如果是1凹1凸，说明面c就是连接主加工面a与主加工面b的连接端面。

其中，步骤(4)中分隔面的获取方法如下：遍历每个腔中的主加工面集合，将每个面外环边为凹边的引出面加入该腔的分隔面集合，引出面不包括主加工面。

步骤(5)：在图匹配的基础上，采用特征抑制技术按照台阶孔、圆柱孔、凸台、腔内筋、阶梯槽的顺序，进行并行识别，由于阶梯槽特征与阶梯槽中的相交孔特征拓扑结构非常复杂且不固定，利用层与特征抑制的方法进行识别。

第五步中特征抑制方法如下：完整孔特征的抑制采用同步建模中面删除的方法，筋特征、凸台特征的抑制采用同步建模中面偏移或面替换的方法，将筋顶面或凸台顶面替换为所依附的腹板面，完成特征的抑制。腔1首先识别出台阶孔，识别后抑制如图8a所示；腔7首先识别出通圆柱孔，抑制后模型如图9a所示，接着识别出两个独立凸台，抑制后模型如图9b所示，然后识别出两个腔内的相交筋特征，抑制后模型如图9c所示。

第五步中层与特征抑制方法如下：将各个腔中剩余主加工面沿主加工方向反向进行排序，例如腔1剩余的主加工面集合为A₁’，将集合A₁’排序后，从第一个面a开始，向后逐一比较，找到与它有连接端面的主加工面b，此时找到阶梯槽的第一层，将第一层抑制，面a偏移至面b形成面b’，以b’为基础面，用与步骤四相同的方法搜索图匹配的顶点，判断面b’中是否存在孔特征，如果有，说明原本面b中存在相交孔特征，接着以面b’为基准向后比较，找到与它有连接端面的主加工面c，此时找到阶梯槽的第二层，将第二层抑制，面b’偏移至面c形成面c’，用同样的方法判断面c’中是否存在孔特征，如果有，说明原本面c中存在相交孔特征，同样的方法继续在集合A₁’中向后搜索，直到集合A₁’中不存在连接端面，完成腔1的阶梯槽与槽中相交孔特征识别。腔1识别出阶梯槽第一层后模型如图8b所示，搜索图的顶点并用图匹配的方法识别出通圆柱孔，说明原本第二层存在相交孔特征，将孔特征抑制并识别出阶梯槽第二层抑制后模型如图8c所示，此时到达腔1主加工面最高位置，结束识别；腔7经过圆柱孔、凸台等的识别，腔中还剩一个主加工面，说明已经到达最顶部的主加工面，结束识别。层与特征抑制识别流程如图10所示。

步骤(6)：根据工艺解释识别外轮廓与轮廓筋、框架筋后，将阶梯槽最后一层抑制，获得毛坯模型，如图11所示，所有特征的识别结果如图12所示。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。