主面擴(kuò)展識(shí)別飛機(jī)結(jié)構(gòu)件開(kāi)閉角范文
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《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)》2015年第十二期
實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)某些飛機(jī)結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō),由于T型筋與加強(qiáng)肋縱橫交錯(cuò),使得零件內(nèi)部形成的槽腔、筋以及開(kāi)閉角等特征達(dá)近400個(gè)之多.工藝員手工編制這類零件的數(shù)控程序需耗時(shí)1~2個(gè)月,而加工僅需3~4天的時(shí)間,編程時(shí)間是加工時(shí)間的10~15倍,因此提高數(shù)控編程效率是提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工效率的關(guān)鍵.解決這個(gè)問(wèn)題首先需要完成CAD系統(tǒng)向CAM,CAPP系統(tǒng)的信息傳遞,建立零件的實(shí)體模型與加工特征、加工工藝之間的映射關(guān)系,從而為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的快速自動(dòng)編程提供數(shù)據(jù)信息.特征識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP三者有機(jī)集成的理想接口,即對(duì)不同特征的準(zhǔn)確、快速識(shí)別是實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程、特征加工的首要前提,其中開(kāi)閉角是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)特征.為保證飛機(jī)氣動(dòng)外形,飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的內(nèi)外緣分布了大量的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu),由于設(shè)計(jì)方法的不足,這些曲面大多由細(xì)碎曲面片構(gòu)成,使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)件開(kāi)閉角的識(shí)別更加困難.
特征識(shí)別技術(shù)至今已發(fā)展近40年,取得了豐碩的成果,如最小條件子圖法、基于知識(shí)推理的方法、基于體分解的方法、基于屬性鄰接圖等.然而由于該技術(shù)本身的復(fù)雜性,仍有許多未突破的難點(diǎn),如相交特征的識(shí)別、復(fù)雜曲面零件的識(shí)別等.除了這些傳統(tǒng)的基于零件CAD模型的識(shí)別方法外,近年來(lái),人們開(kāi)始探索新的特征識(shí)別方法.如湯岑書(shū)等提出基于切削成形能力模型的加工特征識(shí)別方法,黃瑞等提出由零件可制造性驅(qū)動(dòng)的三維CAD模型相交制造特征識(shí)別方法,Zhang等提出源于零件數(shù)控加工程序的特征識(shí)別方法,Xu等提出基于NC仿真過(guò)程模型的加工特征重建方法.但這些方法或是針對(duì)一般的機(jī)械加工零件,或是只能處理2.5軸加工的零件,或是不能識(shí)別自由曲面特征的零件,其適用性有待進(jìn)一步拓展.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上復(fù)雜特征的識(shí)別問(wèn)題近年來(lái)也得到了學(xué)者的關(guān)注.閆海兵提出通過(guò)識(shí)別并抑制過(guò)渡特征(過(guò)渡轉(zhuǎn)角和過(guò)渡底圓)的方式來(lái)構(gòu)造屬性鄰接圖,利用刪除了點(diǎn)過(guò)渡面和線過(guò)渡面的屬性鄰接圖來(lái)識(shí)別復(fù)雜特征和相交特征;該方法適用于抑制簡(jiǎn)單的過(guò)渡特征并識(shí)別相交特征,但對(duì)于具有由細(xì)碎曲面構(gòu)成的開(kāi)閉角結(jié)構(gòu)的零件模型無(wú)法有效抑制過(guò)渡特征,因此這種抑制過(guò)渡特征的識(shí)別方法具有一定局限性.此外,Gao等采用Delaunay的方法對(duì)零件的所有面進(jìn)行三角剖分,該方法對(duì)識(shí)別存在細(xì)碎曲面片的零件很有效,但飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜性使得該算法效率較低.綜上所述,針對(duì)由細(xì)碎曲面片構(gòu)成的開(kāi)閉角仍缺乏一種準(zhǔn)確且高效的識(shí)別方法.本文在廣義槽分層的基礎(chǔ)上提出基于主面擴(kuò)展的算法識(shí)別開(kāi)閉角,首先建立開(kāi)閉角模型并給出相關(guān)定義和術(shù)語(yǔ),然后給出開(kāi)閉角識(shí)別與構(gòu)建原理,最后提出開(kāi)閉角識(shí)別算法,并結(jié)合實(shí)例對(duì)算法進(jìn)行了分析和驗(yàn)證.
1開(kāi)閉角模型
為保證文章的完整性與較強(qiáng)的可讀性,首先給出與本文緊密相關(guān)的定義與術(shù)語(yǔ).
1.1廣義槽模型廣義槽是本文開(kāi)閉角識(shí)別的基礎(chǔ),首先介紹廣義槽模型.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件由若干個(gè)具有上下層次關(guān)系和左右鄰接關(guān)系的槽腔,以及依附于其上的其他若干形狀特征構(gòu)成.槽腔的作用就是支撐和包容其他形狀特征,如圖1所示。廣義槽中的開(kāi)角和閉角合稱為開(kāi)閉角,表示為m={fn,fw}.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的開(kāi)閉角是一種和底面不垂直的槽側(cè)壁結(jié)構(gòu),由一些與底面成一定角度的側(cè)壁面構(gòu)成,如圖2所示.開(kāi)閉角主要集中在緣條、外輪廓以及深槽側(cè)壁這3類加工特征中,如圖3所示,其中的外輪廓存在大量的細(xì)碎面片.為識(shí)別出這種結(jié)構(gòu),需要先對(duì)這種側(cè)壁進(jìn)行分析.
1.2內(nèi)/外斂面設(shè)在當(dāng)前工位下,加工方向(一般為加工坐標(biāo)系Z軸正向)為r,面s內(nèi)某點(diǎn)處的體外法向?yàn)閚,r與n的夾角為θ.對(duì)面s作如下定義:定義1.對(duì)零件某表面s上任一點(diǎn)處的n與r的夾角θ,若0°<θ<90°,則面s為外斂面,表示為co；若90°<θ<180°,則面s為內(nèi)斂面,表示為ci.在當(dāng)前工位下,若面s某些點(diǎn)處的θ>90°,而在另外一些點(diǎn)處的θ<90°,則面s需進(jìn)行拆分,拆分后面s由若干張內(nèi)斂面和外斂面組成.此外,由于零件建模的精度問(wèn)題,導(dǎo)致模型上一張完整的面被分割為若干張細(xì)碎面,針對(duì)這2種情況有如下規(guī)則:規(guī)則1.內(nèi)/外斂面集.對(duì)零件上某相鄰的表面s1,s2,若其滿足:1)s1與s2在公共邊處為一階幾何連續(xù)(G1),2)s1,s2同時(shí)均為co或同時(shí)均為ci,則s1與s2可歸為同一組外斂面集Co或內(nèi)斂面集Ci.按照定義1,在當(dāng)前工位下,斜筋中的筋端面和開(kāi)角中的開(kāi)角面均為外斂面,其中,開(kāi)角特征一般采用五軸加工,而斜筋特征可用三軸爬坡加工.因此,根據(jù)不同特征不同的加工方式,需要進(jìn)一步區(qū)分外斂面的類型,其中,形成開(kāi)角特征的外斂面稱為開(kāi)角面,形成斜筋特征的外斂面稱為筋端面.為便于區(qū)分開(kāi)角面和筋端面,設(shè)斜筋特征的寬度范圍為[dmin,dmax],有規(guī)則2.規(guī)則2.內(nèi)/外斂面類型判斷.設(shè)面s為某零件的體表面,a為垂直于加工方向r的平面,按定義1識(shí)別出該面為內(nèi)斂面或外斂面:1)若面s為內(nèi)斂面,則s為閉角面類型;2)若面s為外斂面,則獲取s的左、右鄰接面sl,sr,以及s與a的交線長(zhǎng)度d,若d∈[dmin,dmax]且與sl,sr間均為凸連接(凸連接定義見(jiàn)第1.4節(jié)),則外斂面s為筋端面類型,否則外斂面s為開(kāi)角面類型.
1.3開(kāi)閉角模型定義2.在廣義槽側(cè)壁的面集中,刀具側(cè)刃加工的開(kāi)角面或閉角面稱為主面,表示為fm；刀具底刃加工的面稱為底圓面,表示為fbr；進(jìn)刀點(diǎn)的限制面稱為起始限制面,表示為fs；退刀點(diǎn)的限制面稱為終止限制面,表示為fe.定義2中,fm的集合為Fm,表示主面集;fbr的集合為Fbr,表示底圓面集;fs的集合為Fs,表示起始限制面集;fe的集合為Fe表示終止限制面集.Fbr,Fs,Fe合稱為主面的關(guān)聯(lián)面集,表示為Fr.
1.3.1開(kāi)閉角的幾何屬性圖4所示為開(kāi)/閉角的幾何屬性示意圖.設(shè)FG表示一個(gè)開(kāi)/閉角特征的幾何屬性,則從加工角度分析。
1.3.2開(kāi)閉角的類型根據(jù)廣義槽中開(kāi)角面或閉角面是否構(gòu)成一個(gè)交線環(huán)的依賴面,提出全開(kāi)角和全閉角的概念,以便后續(xù)加工操作的生成.首先給出相關(guān)術(shù)語(yǔ)解釋.設(shè)a為平行于廣義槽g底面的平面,當(dāng)a與g的側(cè)壁相交時(shí)得到交線環(huán)L,與L相交的側(cè)壁面稱為環(huán)線依賴面.規(guī)定L的正向?yàn)?當(dāng)人沿著正向前進(jìn)時(shí),環(huán)線依賴面的內(nèi)法向指向人的左邊.沿著L的正向,環(huán)線依賴面可分為左側(cè)依賴面和右側(cè)依賴面,如圖5所示.定義3.設(shè)a為平行于廣義槽g底面的平面,當(dāng)a與g的側(cè)壁相交時(shí)得到交線環(huán)L,Fl為L(zhǎng)正向的右側(cè)依賴面集且Fl中存在開(kāi)/閉角面,fli為Fl中的元素,若fli均同時(shí)為開(kāi)角面或閉角面,則Fl形成的特征類型為全開(kāi)角或全閉角.全開(kāi)角和全閉角沒(méi)有Fs和Fe.
1.3.3開(kāi)閉角的數(shù)據(jù)模型根據(jù)以上分析,結(jié)合開(kāi)閉角的類型、幾何屬性FG、加工方向r以及交線環(huán)L等相關(guān)信息,設(shè)m表示一個(gè)開(kāi)閉角特征,Type表示m的特征類型。一個(gè)開(kāi)角面或閉角面可能隸屬于不同的廣義槽且其在不同槽中的加工區(qū)域也可能不同.為保證開(kāi)閉角加工的順序和連續(xù)性并提高加工效率,本文依照廣義槽特征關(guān)聯(lián)樹(shù)的形式,將隸屬于不同廣義槽的開(kāi)閉角關(guān)聯(lián)起來(lái)并形成開(kāi)閉角的特征關(guān)聯(lián)樹(shù).圖6所示為某零件及其中開(kāi)閉角特征的樹(shù)狀模型.首先識(shí)別廣義槽并生成廣義槽特征關(guān)聯(lián)樹(shù)；其次識(shí)別并構(gòu)建每個(gè)廣義槽節(jié)點(diǎn)中的開(kāi)閉角；再依據(jù)廣義槽節(jié)點(diǎn)間的層次關(guān)系形成開(kāi)閉角特征關(guān)聯(lián)樹(shù),使其能夠完整、清晰地表明開(kāi)閉角的空間位置關(guān)系,有利于開(kāi)閉角的加工工藝規(guī)劃.
1.4凸連接通過(guò)判斷交線環(huán)L在某點(diǎn)處的凹凸性可判斷外斂面是否與相鄰面間為凸連接,從而判斷外斂面為筋端面或開(kāi)角面。圖7所示為環(huán)線段Ls和Le在P點(diǎn)處的連接類型示意圖,其中圓心Oe和Os分別為L(zhǎng)e和Ls在P點(diǎn)處的密切圓中心.按照幾何連續(xù)性,Ls和Le的公共點(diǎn)P可分為凸點(diǎn)、凹點(diǎn)和切點(diǎn),其中切點(diǎn)包括平凸切點(diǎn)、平凹切點(diǎn)、凹凸切點(diǎn)和平切點(diǎn).在進(jìn)行外斂面集的凸連接性判斷時(shí),僅把交線間的凸點(diǎn)連接當(dāng)作是凸連接.
2閉角識(shí)別構(gòu)建與原理
通過(guò)遍歷廣義槽特征關(guān)聯(lián)樹(shù)的槽節(jié)點(diǎn),可識(shí)別并構(gòu)建出所有的開(kāi)閉角并形成開(kāi)閉角的樹(shù)狀結(jié)構(gòu).首先讀取父節(jié)點(diǎn)下的開(kāi)閉角鏈表(第一層廣義槽的開(kāi)閉角鏈表為空);然后在當(dāng)前層的子節(jié)點(diǎn)中識(shí)別出開(kāi)閉角面、構(gòu)建開(kāi)閉角、設(shè)置開(kāi)閉角的父節(jié)點(diǎn);最后通過(guò)遞歸調(diào)用,繼續(xù)識(shí)別、構(gòu)建當(dāng)前層其他子槽節(jié)點(diǎn)中的開(kāi)閉角直至遍歷完廣義槽特征關(guān)聯(lián)樹(shù).下面對(duì)開(kāi)閉角的識(shí)別與構(gòu)建原理進(jìn)行說(shuō)明.開(kāi)閉角的識(shí)別與構(gòu)建可分為2步:1)識(shí)別出零件體表面中的內(nèi)/外斂面、判斷內(nèi)/外斂面的開(kāi)/閉角類型以提取出主面集和限制面集;2)然后擴(kuò)展主面集及關(guān)聯(lián)面集.
2.1主面集和關(guān)聯(lián)面集的提取主面集的提取過(guò)程如下:Step1.歸納飛機(jī)結(jié)構(gòu)件模型中加工面的類型.從加工的角度出發(fā),零件的拓?fù)涿婵煞譃樨Q直加工面、斜向加工面、橫向加工面及其他類型面；Step2.根據(jù)定義1,將斜向加工面分為內(nèi)斂面和外斂面；Step3.根據(jù)規(guī)則2,判斷內(nèi)/外斂面的類型,得到開(kāi)/閉角面類型的主面集,與主面集相鄰的豎直或斜向加工面即為起始和終止限制面集.1)加工面類型判斷.實(shí)際零件中,由于模型設(shè)計(jì)的不合理或精度問(wèn)題,常導(dǎo)致實(shí)際為二次規(guī)則面(平面/圓柱面/圓環(huán)面/圓錐面/球面)的底層幾何類型為NURBS曲面.為獲得這種曲面的幾何類型及參數(shù),采用面向精度要求的近二次規(guī)則面識(shí)別方法[15]來(lái)對(duì)NURBS曲面進(jìn)行近二次規(guī)則面類型的識(shí)別,并以該方法來(lái)判斷加工面類型.2)內(nèi)/外斂面的識(shí)別.完成加工面類型的判斷后,識(shí)別斜向加工面中的內(nèi)/外斂面:首先提取零件模型所有體面單元鏈表中的斜向加工面,然后取每個(gè)面的中心點(diǎn)pc,并提取pc的體外法向n,計(jì)算n與加工方向r的夾角=arccos(nr/|n|/|r|),按照定義1即可將該面進(jìn)一步分為內(nèi)/外斂面.3)內(nèi)/外斂面類型判斷.根據(jù)規(guī)則2識(shí)別出的外斂面可能為筋端面或開(kāi)角面.為避免構(gòu)建錯(cuò)誤的開(kāi)角,需對(duì)開(kāi)角面和筋端面進(jìn)行區(qū)分.如圖8所示,通過(guò)分析筋和開(kāi)角的形狀特征可知,筋端面一般與起始和終止限制面間均為凸連接,且筋端面的寬度有一定取值范圍。
2.2主面集和關(guān)聯(lián)面集的擴(kuò)展實(shí)際零件的內(nèi)外緣處存在許多細(xì)碎面,根據(jù)規(guī)則1,在開(kāi)/閉角面集的邊界處為G1連續(xù)的開(kāi)/閉角面也應(yīng)屬于同一組開(kāi)/閉角面集.為保證開(kāi)閉角的完整性,需對(duì)已識(shí)別出的開(kāi)閉角面集進(jìn)行擴(kuò)展.下面給出面擴(kuò)展的規(guī)則.圖9a所示為某個(gè)廣義槽的局部,該廣義槽側(cè)壁存在大量細(xì)碎曲面.通過(guò)識(shí)別交線環(huán)依賴面的內(nèi)/外斂面類型并判斷外斂面類型后,得到圖9b所示的主面集Fm,利用規(guī)則3進(jìn)行一次主面集的擴(kuò)展得到F'm,如圖9c所示,繼續(xù)擴(kuò)展可得到圖9d最終所示的主面集擴(kuò)展結(jié)果F"m.
3算法與實(shí)例
根據(jù)開(kāi)閉角識(shí)別與構(gòu)建原理,本文設(shè)計(jì)了基于主面擴(kuò)展的開(kāi)閉角識(shí)別算法,以實(shí)際的零件模型作為實(shí)例,并根據(jù)實(shí)例結(jié)果對(duì)算法的有效性和時(shí)效性進(jìn)行了分析.
3.1算法圖10所示為開(kāi)閉角識(shí)別與構(gòu)建的算法流程圖.該算法已在CATIAV5平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),并集成在“飛機(jī)結(jié)構(gòu)件快速數(shù)控編程系統(tǒng)”中,應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn).
3.2實(shí)例與分析圖11所示零件的內(nèi)、外形中均包含大量開(kāi)閉角面以及筋端面,且存在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件模型中常見(jiàn)的細(xì)碎面,具有典型性和代表性.本文以該零件為例對(duì)算法的有效性和時(shí)效性進(jìn)行驗(yàn)證.
3.2.1有效性分析圖12所示為實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果.其中,圖12a所示為廣義槽識(shí)別結(jié)果,例如編號(hào)為8_2的槽中共識(shí)別出12個(gè)開(kāi)閉角特征；圖12b~12d所示為識(shí)別出的廣義槽中的開(kāi)閉角以及筋端面,包括開(kāi)角或閉角的斜向關(guān)聯(lián)面?zhèn)€數(shù)和底部圓角面?zhèn)€數(shù)統(tǒng)計(jì)；圖12e所示為錯(cuò)誤的識(shí)別結(jié)果.表1~2分別為開(kāi)閉角和筋端面的識(shí)別結(jié)果統(tǒng)計(jì).本文經(jīng)分析得出,圖12e中多余的面屬于半開(kāi)半閉類型.半開(kāi)半閉的自由曲面至少存在一條分界線,只要將其在分界線處將該面進(jìn)行分解,再利用本文算法即可有效識(shí)別出開(kāi)閉角結(jié)構(gòu).而圖12e中未識(shí)別的筋端面在此處接近垂直,識(shí)別結(jié)果與算法在判斷加工面類型時(shí)所設(shè)置的精度有關(guān).經(jīng)大量零件模型測(cè)試表明,該算法的開(kāi)閉角識(shí)別正確率超過(guò)90%.因此,“基于主面擴(kuò)展的開(kāi)閉角識(shí)別算法”能夠排除零件模型中細(xì)碎面對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響并能區(qū)分不同類型的開(kāi)角面,識(shí)別飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的開(kāi)閉角,算法是正確且有效的.
3.2.2時(shí)效性分析為驗(yàn)證本文算法的時(shí)間復(fù)雜度,我們構(gòu)建了n×n(n≥2)個(gè)槽結(jié)構(gòu)的零件模型,如圖13所示.零件中開(kāi)閉角的個(gè)數(shù)與程序計(jì)算所花時(shí)間的關(guān)系如表3所示,其時(shí)間復(fù)雜度函數(shù)。其中,y表示計(jì)算時(shí)間,單位為s,x表示開(kāi)閉角特征的個(gè)數(shù).二次多項(xiàng)式擬合曲線如圖14所示.由此可知,該算法效率較高.
4結(jié)語(yǔ)
為解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中開(kāi)閉角加工的自動(dòng)編程問(wèn)題,本文提出了基于主面擴(kuò)展的開(kāi)閉角自動(dòng)識(shí)別與構(gòu)建算法.通過(guò)總結(jié)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中各種常見(jiàn)的開(kāi)閉角形式,分析零件模型的特點(diǎn),建立了開(kāi)閉角的數(shù)學(xué)模型;并以該模型為理論基礎(chǔ),從廣義槽節(jié)點(diǎn)的側(cè)壁節(jié)點(diǎn)中識(shí)別、構(gòu)建開(kāi)閉角節(jié)點(diǎn)并生成開(kāi)閉角特征關(guān)聯(lián)樹(shù).該模型能夠完整地表達(dá)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的開(kāi)閉角面等幾何信息,且能有效地映射到開(kāi)閉角的加工操作中.經(jīng)大量實(shí)例測(cè)試表明,該算法能正確且快速地識(shí)別出復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中絕大部分的開(kāi)閉角特征,特別是存在細(xì)碎面片的壁板類、框類零件的開(kāi)閉角,這類零件尺寸大、內(nèi)外保形要求高、槽腔特征多,編程最為煩瑣;對(duì)于不能識(shí)別和識(shí)別錯(cuò)誤的開(kāi)閉角特征,可由人工進(jìn)行檢查和修正.相比完全靠人工進(jìn)行識(shí)別,該算法能有效地減少90%以上的工作量.此外,對(duì)于接頭類零件,由于零件本身的復(fù)雜性使得其需要多側(cè)加工,本文算法不適用.
作者：周敏 鄭國(guó)磊 羅智波 陳樹(shù)林 單位：北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司