基于STEP-NC型腔特征識別方法的研究

李梅竹，田文欣，趙亞楠

（陜西廣播電視大學(xué) 工程管理系，陜西 西安710119）

0 引言

STEP-NC 是產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STEP）在制造領(lǐng)Ⅱ的延伸，基于STEP-NC 的數(shù)控程序不僅使得零件的三維幾何信息能夠直接傳遞到CNC 控制器，而且還包含了工藝信息和加工信息，從而克服了傳統(tǒng)的基于ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控程序的信息損失、程序修改困難等諸多缺點(diǎn)[1]。

從STEP AP-203 文件中提取出的幾何信息不等同于零件的加工特征，從而導(dǎo)致后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)無法進(jìn)行[2]。因此要建立零件的STEP-NC 信息模型就必須進(jìn)行特征識別，特征識別有利于在零件整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交換和共享，為實(shí)現(xiàn)STEP-NC（STEP AP238 和ISO 14649）奠定基礎(chǔ)。

1 型腔特征的定義

實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品中，STEP-NC 的制造特征主要是二軸半制造特征。二軸半制造特征分為加工特征、復(fù)制特征和組合特征[3]。后兩者分別表征某一特征的重復(fù)出現(xiàn)和多個(gè)特征的組合。加工特征具體包括平面、型腔、槽、臺階、孔、一般特征等。不同的加工特征對應(yīng)不同的工藝規(guī)劃[4]。

本文以型腔為研究對象，在STEP-NC 中，型腔是由bottom condition occurrence、pocket depth occurrence 和boundary occurrence 三個(gè)參數(shù)確定。本文的型腔是由平底銑刀一系列的加工而成，所以型腔的bottom condition occurrence 參數(shù)為planar 或through。型腔特征是通過一個(gè)任意形狀的平面剖面和一掃描向量描述出，掃描向量垂直于平面剖面，它的長度為型腔的高度。其參數(shù)如圖1 所示。

圖1 型腔特征的定義

2 特征的存在性和可接近性規(guī)則

特征痕跡是指一個(gè)特征實(shí)例被添加到零件模型后，所保留的信息，包括幾何的、非幾何的如尺寸、公差等。即使特征相交，特征完整的邊界模式已經(jīng)不復(fù)存在，但只要它確是零件的一個(gè)特征，在CAD 模型中肯定留有痕跡[5]。本文主要討論型腔特征在STEP文件中的痕跡及其有效性規(guī)則。

2.1 存在性規(guī)則

由于型腔分為有底型腔和無底型腔，所以型腔在零件邊界中留有底面或壁面。底面垂直于刀具軸的方向，壁面是由一系列面組成且所有的壁面㈦刀具軸的方向一致。一個(gè)被識別出的型腔在零件邊界中留有的面中不必底面和壁面都存在，存在其中之一就可以。例如圖2 中一個(gè)通口型腔沒有底面，一個(gè)無壁型腔卻沒有壁面。由于型腔分為有底的和無底的所以型腔的痕跡分為底面和壁面，對于有底型腔采19.底面作為痕跡，對于無底型腔采19.壁面作為痕跡進(jìn)行特征的識別。

圖2 通口型腔㈦無壁型腔

2.2 可接近性規(guī)則

對于一個(gè)要去除的特征，依據(jù)刀具軸向定位它必須是可接近的，可無干涉的加工到特征的每一點(diǎn)，這稱為可接近性規(guī)則。把刀具抽象成半直線的形式，如圖3a 所示。為了要去除一個(gè)特征，抽象的刀具保持恒定的軸定位方向，沿著一系列的路徑進(jìn)行移動加工出特征。如果特征的每一個(gè)點(diǎn)可被抽象的刀具加工出，加工過程中不㈦零件干涉相交，那么從這一刀具軸定位方向來看特征是符合可接近性的。在圖3b 中的零件，兩個(gè)型腔如3c、3d 中所示有相同的純幾何形狀，但是兩者的刀具軸定位方向不同。圖3c中的型腔是無效的，因?yàn)樗鼘τ诮o定的刀具軸定位方向其不符合可接近性規(guī)則。而圖3d 中的型腔是有效的，因?yàn)榈毒呖梢詿o干涉地加工出該特征。

圖3 可接近性規(guī)則

3 型腔特征的具體識別方法

特征識別過程分為生成－測試－修復(fù)三個(gè)階段。

3.1 基于底面的型腔識別方法

遍歷從STEP 文件中提取出的實(shí)體幾何信息，搜索包含有三個(gè)及以上凹邊的平面作為型腔特征底面候選面，得出型腔特征底面候選面后，根據(jù)型腔特征底面候選面的法向量可計(jì)算出刀具軸的定位方向。刀具軸的定位方向㈦型腔特征底面候選面的法向量平行且相反，在每一個(gè)刀具軸的定位方向上尋找型腔特征底面候選面，如果沿著刀具軸的定位方向上的型腔底面候選面是可見的，或者部分可見，那么這個(gè)型腔底面候選面是符合條件的，對不符合條件的底面候選面就放棄掉。

給出一個(gè)底面痕跡，為了更好地表示出型腔特征的識別過程，對一零件截取其某一截面，其識別過程如圖4a～4d 所示。首先，型腔底平面㈦切削體求并集，得到最大的、非干涉的延拓面如圖4a 中陰影所示。然后這個(gè)延拓底面沿著它的法向量拉伸產(chǎn)生體V。生成階段生成一個(gè)型腔去除體V*，體V*是體V㈦切削體求交得到的，如圖4b 中陰影所示。測試階段檢測體V*的邊界中是否存在侵入面。如果體V*中不存在其他的零件面，那么就可以實(shí)例化一個(gè)有效的型腔特征了。設(shè)置一局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)系Z 軸方向㈦底面的法向量相同。在局部坐標(biāo)系中計(jì)算出體V*沿Z 軸方向上的痕跡邊界就可得出型腔的深度對應(yīng)于STEP-NC 文件中型腔特征的描述參數(shù)pocket depth occurrence。

如果測試階段顯示在體V*的邊界中存在侵入面時(shí)，進(jìn)入修復(fù)階段。首先，投影所有的侵入面到延拓的底面上，如圖4c 中所示侵入面為f1，然后從底面中減去這些投影。圖4c 中的面f2，沿刀具定位的方向上看過去是不可見的，因此在修復(fù)運(yùn)算時(shí)這種面可以被忽略。當(dāng)所有可見的侵入面都投影到了延拓面上，就把它們的投影從底面中減去，得到一個(gè)新的底面。該底面對應(yīng)于STEP-NC 文件對型腔特征的描述參數(shù)boundary occurrence。沿新底面的法向量掃描底面，掃描體㈦切削體相交即得到去除體。去除體的高度可在局部坐標(biāo)系中計(jì)算出，接著實(shí)例型腔的其他參數(shù)，最終得到的型腔特征如圖4d 中所示。

圖4 基于底面的型腔識別

基于底面的型腔識別方法是針對有底型腔的，因此其STEP-NC 文件描述參數(shù)bottom condition occurrence 為planar?；诘酌娴男颓蛔R別方法可把有底型腔特征的所有有關(guān)參數(shù)都識別出，該方法可完成有底型腔的識別。

3.2 基于軸的型腔識別方法

無底型腔沒有底面則必須從其壁面中識別，然而當(dāng)特征相交時(shí)，很難從零件邊界描述中找到無底型腔的完整壁面痕跡，因此必須從型腔完整壁面痕跡的子集中進(jìn)行推理來完成無底型腔的識別。

無底型腔存在性規(guī)則要求在零件的邊界中至少留有部分的圓柱面或一對非平行的平面。例如圖5a和5b 分別給出了毛坯和零件，根據(jù)基于底面的型腔識別方法從圖5b 陰影所示的痕跡中識別出開口型腔如圖5c 所示?？梢栽O(shè)想兩個(gè)開口型腔如圖5d 所示，它們的刀具軸定位方向㈦圖5c 中刀具軸定位方向垂直。實(shí)際上存在著無數(shù)個(gè)這樣的開口型腔，它們留有圖5b 中陰影所示的痕跡，但這些型腔特征是無效的，因?yàn)椴环咸卣饔行砸?guī)則中的存在性規(guī)則。

圖5 開口型腔的實(shí)例

首先，在從STEP 文件中提取出的幾何信息中尋找部分的圓柱面（完整的圓柱面產(chǎn)生孔特征的痕跡，而不是無底型腔壁面的痕跡）以及成對的非平行平面并且它們的法向量夾角小于180°，尋找的這些面應(yīng)屬于零件面尤其是部分的圓柱面不能是連接兩毛坯面的過渡面。尋找出的這些痕跡可能是無底型腔壁面的一部分。然后根據(jù)型腔壁面的痕跡計(jì)算出銑刀軸的可能定位。銑刀軸的定位方向與型腔壁面痕跡－部分的圓柱面的軸線方向一致，與型腔壁面痕跡－成對的非平行平面的法向量垂直。相關(guān)的軸定位被計(jì)算出，將產(chǎn)生兩個(gè)方向上的無底型腔痕跡：一個(gè)稱為正向的軸定位，另一個(gè)稱為負(fù)向的軸定位。從圖6a所示的零件中可得到四個(gè)方向上無底型腔的痕跡，四個(gè)方向分別為圖6b所示：ad1、ad2、ad3、ad4。

得出軸定位方向后，無底型腔的識別過程首先尋找與痕跡相關(guān)的各軸定位方向上的開放區(qū)域。開放區(qū)域是沿著軸定位方向看過來可見的毛坯面。圖6b表示了三個(gè)不同的軸定位方向ad1、ad3、ad4上的開放區(qū)域，因ad2方向上不存在開放區(qū)域，所以放棄該方向上的軸定位。

如果在某一個(gè)軸定位方向上找到開放區(qū)域，就進(jìn)行特征的識別過程。生成階段沿軸向定位方向拉伸開放區(qū)域，拉伸體與切削體相交得到體V*。測試階段檢測到如果所有包含在體V*邊界上的零件面都可以看作壁面，并且它們的空間延伸方向與軸定位方向平行，那么體V*就是一個(gè)有效的通口型腔特征，之后它就被實(shí)例化。圖6c中所示的通口型腔為ad3、ad4方向上的開放區(qū)域形成的一個(gè)通口型腔。如果體V*的邊界面中存在侵入面，在修復(fù)階段將對它們進(jìn)行操作。

圖6b中的ad1方向上的開放區(qū)域產(chǎn)生的體V*，體V*中存在除壁面外其他的零件面，因此需對體V*進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)階段首先尋找出體V*中沿該軸定位方向看過去所有的可見侵入面。例如在圖6d中，侵入面f1、f2是兩圓柱面的子集，它們包含在體V*的邊界中，并沿著方向ad1看過去是可見的。在侵入面處設(shè)置一局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系的Z軸方向與ad1方向一致，計(jì)算出侵入面在Z軸方向上的邊界。之后引進(jìn)一個(gè)平面，本文稱之為虛底。虛底與侵入面的最低邊界垂直并且在體V*中最大可能的延拓，如圖6d所示。之后對生成的虛底采用基于底面的型腔識別規(guī)則來繼續(xù)進(jìn)行型腔識別，一個(gè)虛底的型腔最終被實(shí)例化如圖6c所示。該虛底對應(yīng)于STEP-NC文件對型腔特征的描述參數(shù)boundary occurrence。在局部坐標(biāo)系中計(jì)算出體V*的虛底和開放區(qū)域在Z軸方向上的邊界就可得出型腔的深度對應(yīng)于STEP-NC文件中型腔特征的描述參數(shù)pocketdepthoccurrence。值得注意的是，任何采用虛底生成的無底型腔不可能有比虛底大的底面外廓，因此，產(chǎn)生虛底后調(diào)用基于底面的型腔識別規(guī)則時(shí)，其底面延拓（圖4a所示）這一步在這里可被跳過去。

圖6 無底型腔的識別

如圖6d所示，體V*中的多個(gè)侵入面可能有相同的最低邊界，那么就對這共同的虛底采用基于底面的型腔特征識別規(guī)則。有的情況與圖7d不同，可能有多個(gè)侵入面，每個(gè)面有不同的最低Z向邊界，那么就對每一個(gè)不同的最低邊界，分別建立一個(gè)虛底并采用基于底面的型腔識別規(guī)則來進(jìn)行型腔特征的識別，最終得到多個(gè)型腔特征。

如果體V*某一軸定位方向上的開放區(qū)域的對面上存在毛坯面，仍有可能實(shí)例一個(gè)通口型腔。這時(shí)投影可見的侵入面到開放區(qū)域上并把它們從開放區(qū)域上減去。對剩余的面沿軸定位方向進(jìn)行拉伸，拉伸體與切削體相交得到體V*，之后就可實(shí)例化一個(gè)通口型腔。例如在圖7中，對于確定的軸向定位方向，面f1被認(rèn)為是一個(gè)侵入面，把它投影到開放區(qū)域上并把投影部分從開放區(qū)域上減去，然后生成一個(gè)通口型腔P2。

圖7 基于底面與基于軸的識別

基于軸的型腔特征識別方法是針對無底型腔的，因此其STEP-NC文件描述參數(shù)bottom condition occurrence為through。

綜上所述，基于軸的型腔識別方法可把無底型腔特征的所有有關(guān)參數(shù)都識別出，因此該方法可完成無底型腔的識別。但基于軸的型腔識別方法還存在一些不足，例如它經(jīng)常做一些冗余的推理、識別結(jié)果可能產(chǎn)生違背直覺的特征等，這些不足還必須不斷進(jìn)行完善。

4 特征識別實(shí)例

本文利用面向?qū)ο蟮腣isualC++編程語言和STEP的開發(fā)工具ST-Developer開發(fā)了型腔特征識別系統(tǒng)。如圖8所示給出了一個(gè)零件為測試件。本文系統(tǒng)界面及其輸入的STEPAP-203文件如圖9所示。

圖8 零件的三維模型圖

圖9 系統(tǒng)界面及輸入的STEPAP-203文件

遍歷STEP文件中提取出的幾何信息，尋找型腔特征的痕跡。在這里找到一組非平行的平面和部分的圓柱面作為型腔的痕跡。當(dāng)痕跡滿足要求時(shí)，就進(jìn)行特征識別過程。

生成階段根據(jù)痕跡生成最大的去除體V*；測試階段檢測去除體V*是否存在開放區(qū)域，之后還要檢測去除體中是否存在侵入面，如果滿足上述兩條件，這個(gè)特征就可實(shí)例化，否則識別規(guī)則進(jìn)入修復(fù)階段；修復(fù)階段根據(jù)痕跡的邊界條件來修復(fù)體V*，得到一個(gè)不與零件干涉的最大去除體，該去除體是體V*的子集并與零件不干涉相交，得到去除體后同樣進(jìn)行實(shí)例化最終得到特征體。修復(fù)也不是總能成功的，因此一些痕跡在修復(fù)失敗后就被放棄了。經(jīng)過幾何推理過程最終識別出型腔特征如圖10所示。

圖10 特征識別的結(jié)果

5 結(jié)束語

本文采用特征痕跡的幾何推理方法結(jié)合STEP文件信息模型的特點(diǎn)來對STEP 文件進(jìn)行型腔特征識別，特征識別過程分為生成－測試－修復(fù)三個(gè)階段，最終得到一個(gè)實(shí)例化的特征。該種方法能夠很好地解決型腔特征的識別問題，并且可擴(kuò)展到其他二軸半制造特征的識別，為后續(xù)工藝規(guī)劃及生成STEP-NC AP-238 文件提供基礎(chǔ)。

[1]張承瑞，劉日良.STEP-NC 2.5D 銑削工步的運(yùn)動特征及其數(shù)據(jù)模型[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，24（1）：90-93.

[2]王義林，劉志堅(jiān)，李建軍.面向模型重構(gòu)的沖壓零件特征識別技術(shù)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（6）：91-94.

[3]International Standards Orgazation.ISO14649：Industrial automation systems and intergration－Physical device control－Data model for Computerized Numerical Controllers：Part10 General Process Data.2002：9-49.

[4]孔 嘯，蔣亞軍，張新明，等.模具數(shù)控加工智能工藝規(guī)劃與優(yōu)化的技術(shù)框架[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（3）：103-105.

[5]J.H.Han.3D Geometric Reasoning Algorithm for Feature Recognition.PhD thesis of University of Southern California.1996：12-22，26-44.

[6]劉長毅.基于圖的體積分解的加工特征識別方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，（7）：1013-1017.

[7]王 軍，張榮闖江，舒啟林，等.基于STEP 的相交特征識別[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，25（6）：1173-1177.