一种实用的细节特征识别与抑制方法

一种实用的细节特征识别与抑制方法

限制cae模型的细节特征是cae-com和cm整合研究中简化模型的重要方法。在构建模型的三维分析模式转换中，模型的细节特征对有限分析的结果影响不大，因此限制模型的细节特征可以有效减少分析数据的范围，提高分析效率。在构建模型的加工模型转换中，由于限制模型的详细特性，更容易识别其他加工特征。限制模型的细节特征也有助于识别从反向工程生成的模型的设计意图。Zhu等提出的过渡特征识别及抑制算法根据B-rep模型中过渡特征的几何与拓扑特点,将过渡特征分为环形、柱形和球面形的等半径圆角特征,简化后的模型与原模型的拓扑结构和几何结构保持一致,同时具有模型可逆性.Venkataraman等提出的过渡特征抑制算法适合于简化利用滚动球技术生成的过渡特征.Li等将一组相邻的具有相同凹凸性且相邻面能延伸相交的细节面确定为圆角特征,该算法只适用于简单的多面体模型.金水霞等利用圆角面截面线曲率识别圆角特征的方法实现了对等半径圆角特征、变半径圆角特征及几何表面为复杂曲面的圆角特征的识别,并能一次性抑制圆角特征中所包含的面.Li等提出自动识别纯几何CAD模型中各种过渡特征的算法,将输入的B-rep模型变换为面的集合,然后将面积大于给定阈值的面提取出来,实现过渡特征的识别.Sashikumar等通过识别并删除代表过渡特征的拓扑体实现对过渡特征的简化.Sashikumar等通过删除与某一特征对应的面集,再扩展或收缩被删除特征的相邻面实现对某一特征的删除;此方法能够有效地抑制各种类型的特征,但不能保存模型简化过程,也就无法恢复被抑制的特征.Joshi等提出了对钣金件的B-rep模型中的圆角、孔等特征的抑制方法,首先通过分析边的拓扑关系识别特征面,然后用新面取代特征面,实现模型简化.Date等提出的多边形网格模型简化方法将模型简化分为从网格模型中识别特征、简化网格和恢复特征3步,使用网格分割技术识别特征,使用边塌陷方法实现网格简化,使用特征构建三角形代替特征移除三角形完成抑制特征的恢复;该方法只能抑制孔等简单特征.Gao等通过CAD网格模型的简化实现特征抑制,首先将CAD网格模型分割为区域,然后根据区域的拓扑结构识别出待抑制的特征,最后通过特征抑制实现CAD网格模型的简化.但是,现有细节特征抑制方法仅利用了B-rep模型或网格模型中的几何和拓扑信息,能够识别的特性类型有限,且算法相对复杂,效率有待提高.目前,基于特征的建模方法已经被主流CAD系统广泛接受并采用.基于特征的CAD模型除包含B-rep模型的几何和拓扑信息之外,还包含丰富的(例如草图、特征参数、特征约束等)特征信息,因此充分利用模型的特征信息可以有效地提高细节特征识别与抑制的效率.然而,利用特征信息识别与抑制细节特征会出现以下问题:1)细节特征无法从理论上定义,即无法给定细节特征大小尺寸的定义.2)仅利用特征信息无法完全识别细节特征.例如一个负特征的草图尺寸很大,而该特征和当前中间模型只有极少量的相交,此时该负特征可以作为细节特征.仅利用此负特征的特征信息无法识别其是否为细节特征.基于以上原因,本文提出一种利用草图、参数等特征信息快速识别和抑制CAD模型中细节特征的方法.1几何元素拓扑特征CAD模型是在初始特征模型上逐个添加特征得到的最终模型.模型特征可以分为参考特征和形状特征,其中,参考特征是创建特征的基准对象,可以是平面、直线等几何元素和形状特征的面片、边等拓扑元素;形状特征是改变模型外形轮廓的体对象,按照生成方式可以分为基于草图拉伸或旋转操作生成的扫成特征和实现已有特征边、点光滑过渡的过渡特征.细节特征是CAD模型中与下游应用领域无关(应该被剔除)、整体尺寸相对较小或包含相对较小拓扑面片的形状特征.根据本文对模型中形状特征的分类,细节特征可以分为整体尺寸较小的或包含有细小拓扑面片的扫掠特征和尺寸较小的过渡特征.2cd模型的定制简化细节特征的识别是确定特征参数或特征参数与模型参数之比小于给定阈值的形状特征,并将其在CAD模型中的特征标志添加到特征删除列表或重构列表中.为了实现对CAD模型的定制简化,阈值是操作者根据简化后模型的应用领域和形状特征的具体类型所确定的经验值.例如,如果简化后的模型是用于零件粗加工阶段的工艺规划,则应根据工艺规划的要求设定阈值,对此阶段不加工的细节特征进行抑制,从而降低模型复杂度;如果简化后的模型用于交叉特征识别,应设定阈值删除全部过渡细节特征,以减少此类特征对特征识别的影响.2.1关键特征信息过渡特征包括CAD模型中的倒角和倒圆角,其参数分为截面参数Pc和脊线参数Pr,如图1所示.利用特征信息识别过渡细节特征十分简单,即利用设计信息计算截面参数Pc和脊线参数Pr,若两者中任何一个小于给定阈值,则该过渡特征是细节特征.2.2模型特征识别扫成特征是草图沿一定路径进行扫成操作所生成的形状特征,其参数包括草图参数Pd和扫掠参数Ps.特征之间的交叉使得当前特征在CAD模型上所形成的有效轮廓不仅与特征草图和扫成路径有关,而且还和与之相交的其他特征有关,为此,本文将草图中通过扫成操作能改变模型轮廓的部分称为有效草图;同理,将扫掠路径中能对模型产生影响的部分称为有效路径.根据特征布尔运算的规则可知,在CAD模型中只可能有孤立正特征、正特征与正特征交叉、负特征与正特征交叉3种情况,表1中以简单模型为例,描述了这3种情况下的有效草图.为了快速地识别扫掠细节特征,本文以有效草图的最小包围四边形的最大边长为草图参数Pd.扫成操作分为拉伸操作和旋转操作,相应的扫成路径分别是已有的直线段和以旋转轴为中心的圆弧段,根据有效路径的定义,本文以路径上对模型轮廓产生影响的直线段或圆弧段的长度为扫掠参数Ps.为了提高细节特征识别效率,本文首先分析特征的有效草图及有效路径,如图2a,3a所示,并判断草图参数Pd和扫掠参数Ps是否小于尺寸阈值,若小于,则当前特征是细节特征.但是为了避免误判,用户根据模型简化要求所设定的经验值应该相对较小,只做此步判断会造成漏判.为此,对于第一步不能确定是细节特征的扫成特征,再以特征参数与模型轮廓尺寸比是否小于给定比例阈值做进一步判断,具体步骤如下:Step1.作平行于当前特征草图的投影平面R,将模型最小包围盒投影至此平面,并将此投影多边形的最小包围四边形的最大边长标记为L1,如图2b,2c,3b,3c所示.Step2.若Pd/L1小于比例阈值,则当前特征是细节特征;否则,执行下一步.Step3.若当前特征是拉伸特征,则执行下一步;否则,转Step6.Step4.作平行于拉伸方向且垂直于R的投影平面Q,并将包围盒投影至此平面,此投影多边形最小包围四边形的最大边长标记为L2,如图2b,2d所示.Step5.若Ps/L2小于比例阈值,则当前特征是细节特征;否则,当前特征不是细节特征,判断结束.Step6.作垂直于旋转轴线的投影平面Q,将包围盒投影至此平面,并将此投影多边形周长标记为C,如图3b,3d所示.Step7.若Ps/C小于比例阈值,则当前特征是细节特征;否则,当前特征不是细节特征,判断结束.如果当前扫成特征是细节特征,则将其特征标志添加至删除列表中;否则,分析其草图,确定当前扫成特征中是否有细节面片.2.3基于时发现性的模型构建识别扫成细节面片是判断扫成特征中是否包含由相对较短的草图元素经扫成操作形成的细节拓扑面片,为此,首先利用草图参数计算所有草图元素长度及其平均值.若某草图元素长度与长度平均值之比小于给定阈值,则该元素为草图细节元素,因此将该扫掠特征标志和草图细节元素标志添加到重构列表和细节元素列表中.3删除详细的函数3.1创建基准元素法CAD模型的形状特征是以模型中参考特征为基准元素创建的,参考特征可以是平面、直线等几何元素和形状特征的面、边等拓扑元素.在CAD模型的创建过程中,后添加形状特征Fj会与模型中已有形状特征Fi产生父子依赖关系,可以分为3种情况:1)以特征Fi的拓扑面或边为基准元素创建特征Fj;2)以Fi的拓扑元素为基准元素创建参考特征后,又以此参考特征为基准元素创建特征Fj;3)以特征Fi为引用特征创建了特征Fj.在细节特征删除时,为了判断待删除的特征是否有子特征,保持简化模型的拓扑完整性,本文首先创建形状特征依赖关系图来描述形状特征之间的父子关系,图中节点包含当前特征标志域Ic、其父特征标志列表域La和其子特征标志列表域Ld.在特征依赖关系图的创建过程中,Nc,Na,Nd分别表示当前形状特征Fj及其父特征Fi和子特征Fk在依赖关系图中的节点,并对CAD模型中每个形状特征进行以下操作:Step1.创建依赖关系图节点Nc,将其3个域置空.Step2.对CAD模型中的每个形状特征执行以下操作:利用上述步骤创建的CAD模型的特征依赖关系图如图4所示.3.2关联特征的元素删除为了判断待删除的细节特征是否有子特征,首先以细节特征标志为关键字在特征依赖关系图中检索到相应节点Nc,并根据节点中Ld域是否为空,按照以下规则对依赖关系图及CAD模型进行重构.规则1.若当前特征节点Nc的Ld域为空,则执行以下操作:1)以当前特征节点Nc的La域中特征标志检索到当前特征的父特征节点Na;2)将当前特征的标志从父特征节点Na的Ld域中删除;3)删除当前特征节点Nc和模型对应的当前形状特征Fj.规则2.若当前特征节点Nc的Ld域不为空,则执行以下操作:1)以当前特征节点Nc的La域中特征标志为关键字检索到当前特征的父特征节点Na,并对每个节点的Ld域完成以下操作:a.将当前特征的标志从此域中删除;b.将当前特征的节点Nc的Ld域中的子特征标志添加到此域中.2)以当前特征节点Nc的Ld域中特征标志为关键字检索到当前特征的子特征节点Nd,并对每个节点的La域完成以下操作:a.将当前特征的标志从该域中删除;b.将当前特征的节点Nc的La域中父特征标志添加到此域中;c.删除当前特征节点Nc和模型对应的当前形状特征Fj后,再重构当前特征的子特征Fk.按照规则1,2,抑制图4零件细节特征后的简化CAD模型和特征依赖关系图如图5所示.4抑制清洁并扩展详细表面4.1改进的es和ee为了抑制扫成细节面片,需要首先删除二维草图细节元素(简称细节元素),然后重构扫掠草图.为此,需要根据细节元素列表中的标志确定细节元素,并确定与其拓扑相连的非细节元素.本文通过分析可知,细节元素的拓扑结构有单一细节元素和多个细节元素相连2种情况,如图6所示.由于模型反复修改和设计人员设计习惯的不同,在第2种情况中的细节元素可能不是首尾依次相连,如图6b所示.本节将与当前细节元素起点和终点拓扑相邻的非细节元素分别标记为Es和Ee,确定Es和Ee的步骤如下:Step1.读取细节列表中元素拓扑标志,并将其对应细节元素标记为Ec,与其起点相邻的细节草图标记为En.Step2.若En不是细节元素,则此元素为Es,算法结束;否则,将Ec标记为Eo,将En标记为Ec,将Ec的起点相邻的元素标记En.Step3.若En和Eo是同一元素,将与Ec的终点相邻的元素标记为En,否则En保持不变;转Step2.采用类似的步骤,可以确定与当前元素终点相邻非细节元素Ee.限于篇幅,在此不再赘述.4.2相邻元素拓扑结构分析细节面片抑制的基本思想是:在保证特征局部轮廓工程语义不变的前提下尽可能减少草图元素个数,降低模型复杂度.根据CAD模型的外形特征,本节将相邻元素拓扑结构分为直线-直线、直线-曲线、曲线-曲线3种类型,并分别对单一细节元素和多个连续细节元素的3种相邻元素拓扑结构进行分析.4.2.1直线-直线类型的选择对于单一细节元素,CAD模型的局部轮廓形状主要由相邻非细节元素Es和Ee的类型及其拓扑结构决定.下面对相邻元素的3种拓扑结构进行分析.1)直线-直线类型.若两直线平行,则原草图不变;否则,求相邻元素的交点,并以交点更新相邻元素端点,如图7a所示.2)直线-曲线类型.若直线或其延长线与曲线没有交点,则原草图保持不变;否则,求相邻元素的交点,并以交点更新相邻元素端点,如图7b所示.3)曲线-曲线类型.用任曲线一个端点更新另一曲线的端点,将2条曲线光滑连接,如图7c所示.4.2.2局部区域轮廓保持度多个连续细节元素经扫成操作后可能形成复杂的局部细节形状,细节元素的拓扑形状决定了此区域的轮廓特点,而相邻元素的拓扑差异已经不再是影响局部区域的主要因素.本节以线段作为相邻拓扑元素,讨论连续细节元素的不同拓扑形状的草图更新方法.本文通过分析可知,连续细节元素的拓扑形状可以分为图8所示的2种类型.为了保持局部轮廓特征,本文对于第1种类型以非细节元素端点间线段更新细节元素,第2种类型以过非细节元素端点和细节元素顶点凸包形心的三点曲线更新细节元素;同时,以相似度R量化局部区域轮廓形状保持度.具体步骤如下:Step1.获取一组连续细节元素的端点.Step2.以非细节元素端点Po和Pn间线段更新原有细节元素,如图9a所示,计算R=abs(1-原草图面积/更新后草图面积).Step3.若R<给定比例阈值,则算法结束;否则,执行下一步.Step4.求顶点集合凸包的形心点Pc,以过Po,Pc,Pn三点曲线更新原有细节元素,如图9b所示.按照上述方法更新草图,以一条直线或曲线对全部细节元素进行更新,最大限度地降低了模型复杂度,同时保持细节区域的整体轮廓形状.在完成草图更新操作后,再重做原扫成操作,抑制扫掠细节面片.5连续模型的生成和扫路特征我们使用CATIAR19软件的CAARADE二次开发函数库和C++语言验证了本文方法.图10所示为4个工程零件的细节特征识别与抑制效果,图10a~10d中,左侧为细节特征识别效果,右侧为简化后模型.图10a中,区域Ⅰ是一组连续细节元素经旋转操作所生成的细节面片