（机械设计及理论专业论文）面向工程分析的三维cad模型简化关键技术研究.pdf

x 关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题目： 画自王狸佥逝的三维螋搓型笸丝差毽堇丕硒塞 本学位论文作者完全了解大连工业大学有关保留、使用学位论文 的规定，大连工业大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 是否保密( 励，保密期至历阵月乃f 日为止。 学生签名：导师签 砌学 、 摘要 摘要 近年来，由于c a d c a e 无缝集成的迫切要求，c a d 模型简化技术正越来越成为 研究的热点。我们时常可以看到，许多与工程分析不相关的微小特征存在于c a d 模型 中。所以，在模型网格化前，通过自动抑制c a d 模型中的小特征，使模型得以简化是十 分必要的。 本论文开发了自动识别三类微小特征的算法，其中包括圆角特征识别、倒角特征识 别以及孔特征的识别，另外还制定了两种方案对识别特征进行抑制。 全文组织结构如下： 第一章首先综述c a d 模型简化技术的主要研究内容、发展现状以及存在的问题， 指出本文的研究内容，并介绍了本课题的开发工具，分别讲述了b r e p 数据结构、a c i s 和v c 抖6 0 开发环境。 第二、三、四章分别介绍了圆角特征、倒角特征、孔特征的识别算法，并通过设定 它们自己的阈值，以控制可识别特征的大小，将大于阈值的特征排除在可识别范围以外。 第五章对特征抑制提出了两种方案，一种是将己识别特征看做一个整体直接删除； 另一种将已识别的特征分步删除。 最后一章对全文进行了总结和展望。 关键词：b - r e p ，a c l s ，特征识别，特征抑制，阈值 一 ， 一 a b s t r a c t a b s t r a c t l qr e c e n ty e a r s ，c a dm o d e ls i m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n sf o rt h er e q u i r e m e n to fs e a m l e s si n t e g r a t i o no fc a d c a e m a n ys i n a i lf e a t u r eo f t e n e x i s ti nt h ec a dm o d e l s w h i c ha r ei r r e l e v a n tt oe n g i n e e r i n ga n a l y s i s s oi t ss i g n i f i c a n tf o r u st o s i m p l i f yt h ec a dm o d e l sb ys u p p r e s s i n gt h es m a l lf e a t u r e sa u t o m a t i c a l l yb e f o r et h e m e s hg e n e r a t i o n t k st h e s i sm a i n l yr e s e a r e dt h ea l g o r i t h m sf o ra u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z i n gt h r e ek i n d so f s i n a i lf e a t u r e s ，s u c ha sf i l l e t ，c h a m f e ra n dh o l e a n d ，t w os o r t so fs c h e m e sf o rt h ef e a t u r e s u p p r e s s i o nw e r ed e v e l o p e d 1 1 1 et h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e r1i n t r o d u c e st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s c u r r e n ts t a t u sa n dp r o b l e m so nc a d s i m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dd e s c r i b e st h ed e v e l o p i n gt o o l s ，i n t r o d u c i n gt h eb r e pd a t a s t r u c t u r e ，a c i sa n dv c + + 6 0d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tr e s p e c t l y c h a p t e r2 、3 、4r e s p e c t l yp r e s e n tt h er e c o g n i t i o na l g o r i t h m sf o rt h eb l e n d ，c h a m f e ra n d h o l ef e a t u r e s b ys e t t i n gt h r e s h o l dv a l u e ，t h eq u a l i f i e dr e c o g n i z e df e a t u r e sa r el e f ta st h e c a n d i d a t e sf o rs u p p r e s s i o n c h a p t e r5p u t sf o r w a r dt w os o r t so fs c h e m e sf o r t h ef e a t u r es u p p r e s s i o n o n ei s s u p p r e s s i n gt h er e c o g n i z e df e a t u r e sa saw h o l e ，w h i l et h eo t h e ri sd i v i d i n gt h er e c o g n i z e d f e a t u r ei n t os e v e r a lc o m p o n e n t sa n ds u p p r e s s i n gt h e ms t e pb y s t e p t h ef i n a lc h a p t e rs u m m a r i z e st h em a i nr e s u l t sa n dm a k e sc o n c l u s i o n so ft h et h e s i s s o m e f u t u r er e s e a r c hw o r ki sa l s od e s c r i b e d k e yw o r d s ：b - r e p ，a c i s ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ，f e a t u r es u p p r e s s i o n ，t h r e s h o i d v a i u e i i h录 目录 第一章绪论 1 1 研究背景 1 2 国内外研究现状 1 3 本文的研究内容和开发思路 1 3 1 研究内容 1 3 2 开发思路 第二章圆角特征识别 2 1 基本思路 2 2 圆角特征识别算法流程 2 3 具体实现方法 2 4 实例验证 第三章倒角特征识别 3 1 基本思路 3 2 倒角特征识别算法流程 3 3 具体实现方法 3 4 实例验证 第四章孔特征识别 4 1 基本思路 4 2 孔特征识别算法流程 4 3 具体实现方法 4 4 实例验证 第五章特征抑制 5 1 基本思路 5 2 特征分步抑制算法流程及其实现方法 5 3 实例验证 第六章总结与展望 j 6 1 总结 6 2 展望 参考文献 致谢 附录 i v d 软件相比，对于形状复杂、零部件数量多的产品，其建模工具远不能满足现实产品的 建模需求。所以，在现有条件下，获得c a e 的产品模型的主要手段是把在三维c a d 软 件( 如n x 、p r o e 、c a t i a 等) 中建立的c a d 模型直接导入到c a e 系统中i l 】。 但是，c a e 出于计算速度等多方面的考虑，其对产品数据描述的层次细节要求比c a d 模型要低。因此，当把c a d 模型应用到c a e 系统时，对c a d 模型作适当简化是 必须的【2 j 。通过自动识别并删除c a d 模型上的细节特征以及分析过程不感兴趣的特征 来简化c a d 模型【3 4 】，可以显著提高有限元网格的生成效率和质量。 如图1 1 所示，左半部分为一游戏手柄模型及其网格化后的模型，其中左上方图中 红色面为圆角特征，我们可以看到，网格化后的模型的网格数为1 0 8 0 0 个，长宽比最大 值为1 3 8 ；当我们将与分析不相关的这些圆角特征删除后，对模型进行网格化，如图中 右半部分，可以看到网格数减少到7 5 5 0 个，长宽比最大值为5 3 8 ，这说明了微小特征 的删除可以缩短网格生成的时问，提高网格的质量。 1 2 国内外研究现状 c a d 模型简化技术在上个世纪并没有受到学术界太多的关注，但是现在随着c a d c a e 集成的势在必行，作为实现c a d c a e 集成的关键步骤，c a d 模型简化技术正 越来越成为c a d 领域的一个研究热点。 一般情况下，c a d 模型的简化是通过删除零件中的细节特征实现的【5 吲。 细节特 对尺寸 除 倒角特 f i g l 。2 关 其中，国外最具代表的是s a s h i k u m a r 和s o h o n i 提出的圆角特征识别方法1 1 2 ”j ，仅 适用于基于滚动球技术产生的不变半径的圆角特征。该方法对零件模型中每个面进行识 别，如果该面上各点的最大曲率值相等，且都等于过渡半径的倒数，则此面为圆角特征。 在圆角特征抑制过程中，算法按照圆角特征链产生时的相反顺序利用欧拉操作依次对每 条圆角链进行抑制。欧拉操作保证了抑制后的零件在拓扑上的有效性，几何信息修改操 作保证了零件在几何上的有效性。 z h uh ，m e n qch 提出的圆角特征识别方法也仅仅能处理基于滚动球技术产生 的不变半径的圆角特征【1 6 】。该方法优点在于将圆角特征分为圆环面、圆柱面以及球面三 类，利用这三类圆角特征的几何特性和拓扑特性对零件模型的圆角特征进行识别；并将 圆角特征形成链，分为环状圆角链和盘状圆角链。如图1 3 中所示，左边模型中的f l 、 f 2 、f 3 、f 4 构成盘状圆角链，右边模型中的f 1 、f 2 、f 3 、f 4 构成环状圆角链。抑制算法 3 第一章绪论 按照先环状圆角链后盘状圆角链的顺序依次把圆角链从零件实体模型中删除掉，并在每 条圆角链被删除后立即生成新的实体，把零件实体模型中由于删除面而造成的空隙填补 上。他们把这一过程形象地称为递增式编织过程。 国内圆角特征的自动识别与抑制方面的研究才刚刚起步，处于初级阶段【l7 博j 。其中 最具代表的是崔秀芬、高曙明提出的一种能够处理任意类型圆角特征的识别方法i l 引。该 算法首先识别出零件中的全部过渡面，并将它们划分为边过渡特征、点过渡特征以及混 图1 - 3 两类圆角特征链 f i g t 一3t w ot y p e so fb i e n dc h a i n s 合过渡区域，混合过渡区域有被进一步分解为独立的边、点过渡特征。特征抑制是将每 一边、点过渡特征所包含的全部过渡面作为一个整体，采用欧拉操作进行抑制。该算法 简化了抑制过程，显著提高了抑制效率。此外，该算法不受过渡面生成方法的制约，能处 理任意类型的过渡面。 但上述的方法中，大多集中在处理基于滚动球技术产生的不变半径圆角特征方面， 且具有一个共同点：目的在于有效地降低模型的复杂度，提高后续特征识别的准确性和 效率。 关于倒角特征的识别与抑制，曾定文、谢友宝等在回转体类零件特征识别方法1 2 0 j 中提及到倒角特征的识别方法。但该方法仅适用于回转类零件，且只能识别出圆柱、圆 锥端部的倒角特征。徐世新等提出的一种自动识别倒角特征的新方法【2 ，将倒角特征分 为顶点倒角、边倒角、环状倒角三类，如图 - 4 所示，这三类倒角特征都拥有自己的几 何特性和拓扑特性，以此作为识别条件对零件模型的倒角特征进行识别。但该方法仅能 4 第一章绪论 识别出平面类型倒角特征，且只适用于一些简单的工程模型。 关于孔特征的识别与抑制，其中最具代表的是x i u z h iq u 提出的圆孔特征识别方法 f 明。该方法通过对模型零件中每条边进行尖边判别，寻找出封闭环，从而识别出孔特征。 但该方法仅适用于圆孔特征识别，且只适用于s t l 模型的钻孔识别。n i k h i lj o s h i 等在 自由曲面模型简化方法中提到的孔特征识别1 2 3 】方法，先寻找模型零件中的所有自由边， 通过这些自由边组成封闭的环链，从而找到对应的孔特征。抑制方面，采用了放样曲面 充填孔的方法。但该算法在识别的最初阶段，认为由自由边组成的封闭外环链也组成孔 特征，例如图1 5 中，一自由曲面模型孔特征识别过程中，自由边e 3 e 4 e 1 6 e 1 5 - e 1 2 - e 1 1 e 8 e 9 组成封闭的环链，将其先识别为孔特征，最后通过对其环链的周长长度进行计 算，判断其为模型外围边界，并非孔特征。 一一 图1 - 4 三类倒角特征a ) 顶点倒角b ) 边倒角c ) 环状倒角 fig l 一4t h r e et y p e so fc h a m f e rf e a t u r e sa ) v e r t e x - t y p ec h a m f e rb ) e d g e - t y p ec h a m f e r c ) rin g - t y p ec h a m f e r 可以想象，此种识别过程对于存在多个大小不同的孔特征的模型并不适用，因为无 法以环链的周长尺寸判断其是组成外围边界，还是孔特征。 5 一r 第一章绪论 l ， l一 日 ， ，。 ，一 晚，“d t i 、， 。 m 一 ，d ”“ 。 t o t e t 6 。i ，7 1 2，。o l t p 冉 图1 - 5 封闭环链对应孔特征判断 f i 9 1 5t h eh o i ef e a t u r er e c o g n i t i o nc o r r e s p o n d i n gt ot h ec i o s ei o o pc h a i n 1 3 本文的研究内容和开发思路 1 3 1 研究内容 本文研究工作包括如下两个方面： l 、研究开发三维c a i ) 模型中的微小特征的识别方法，识别特征具体包括：圆角特 征、孔特征和倒角特征； 2 、研究开发识别特征的抑制方法。 1 3 2 开发思路 本文基于w i n d o w s 平台下，以a c i s l 6 为开发包，在v c + + 6 0 开发环境中建立一 个控制台应用程序，将编译、运行后得到的模型文件通过h o o p s 图形系统显示，验证 三维模型微小特征自动识别与抑制方法的实现效果。 a c i s 是一个基于面向对象技术的通用几何开发平台又可称为三维几何造型引擎( t h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e l i n ge n g i n e ) ，它是一个先进的混合造型系统即以c s g 模型作为与用户交互的输入输出显示定义基本几何元素和确定集合运算的模型，而以 b r e p 模型作为系统内部保存数据信息的模型以便存储形体更详细的信息1 2 4 2 5 1 。 6 7 第二章网角特征识别 2 1 基本思路 第二章圆角特征识别 圆角特征是零件中最常见的一种特征，也是零件中不可或缺的一部分。用光滑面来 代替零件几何体中尖点或尖边，以此来增加零件强度，减少应力集中，使得零件外形更 加美观。对于c a d c a e 集成而言，圆角特征的识别与抑制是对c a d 模型进行简化生 成c a e 所需模型过程中的重要一步。 由于a c i s 可以表达不完全边界和理想化模型，而本论文是基于条件匹配的原则 3 1 - 3 2 】对模型中圆角特征进行识别，所以本论文只对二边流形体进行识别，于是需要对面 的方向性进行判断，以保证后续识别条件的有效性。 这里所谓的二边流形体是指在数学范畴内物理世界中存在的形体【3 3 1 。它遵循几个原 则： 1 每个边必须位于两个面之间； 2 面和边不可以自相交； 3 模型中的每个实体必须是有边界的。 由于圆角特征是用光滑面代替尖边、尖点，所以无论基于何种方法生成的圆角特征 都不可能是平面，且面上有至少一条光滑边。所谓光滑边是指使相邻两面光滑过渡的边， 即相邻两面在光滑边上任意点的法矢量方向均相同。因为圆角特征总是对零件实体模型 中点或边的过渡，通过光滑边与圆角特征相邻接的面必须相交才能形成被过渡的点或 边，所以判断面中所有光滑边对应的邻接面不平行。 为了区分圆柱型的主特征与圆柱类型圆角特征，还需要对其边界角度进行判断，另 外本论文是基于工程分析要求的微小特征识别，这就需要为圆角特征设定一参数用来衡 量圆角特征大小，这里我们自定义了个求曲面曲率半径的方法，以此曲率半径作为衡 量圆角特征大小的参数。 2 2 圆角特征识别算法流程 基于以上分析，我们提出了圆角特征识别的算法流程，如图2 1 所示。 8 一 辱 第- 二章网角特征识别 图2 1 圆角特征识别算法流程图 f i 9 2 1t h ea i g o ri t h mf i o w c h a r tf o rb i e n df e a t u r er e c o g n i t i o n 9 第_ 二章圆角特征识别 2 3 具体实现方法 1 1 将模型转换成以面为单元的集合体，对每个面单元进行识别； 首先，我们利用a c i s 提供的a p i 函数a p ig e tf a c e s ，将模型体( e n t i t y ) 转换成以面 ( f a c e ) 为单元的集合体( 列表) ，每个面同它的边界条件一起组成一个基本的单元面 单元结构体，对每个面单元进行识别。为方便说明，这里的面单元简称为面。 2 1 判断面的方向数为单向； 由于非二边流形体和多维度模型的存在，其几何与拓扑结构与现实世界中完整的三 维模型有所不同，就面而言，根据面的方向数可将面划分为单向面和双向面。对于单向 面来说，位于该面的一边的点如果在壳的内部的话，那么位于另外一边的点就在壳的外 部。单向面完全或部分地界定实体的区域。而对于双向面来说在该面的任何一边的点要 么都在壳里面，要么都在壳外面。如果点都在壳外面那么面被认为表示一个理想的，无 限薄的薄片；如果点都在内部，那么该面是实体的一个内部分割。本算法对模型中每个 单向面进行识别，对双向面不做任何处理。 利用f a c e 类中的s i d e s 函数可以求得面的方向数，如果此方向数为s i n g l es i d e d ， 说明此面为单向面，然后进行后续处理，否则此面不在识别范围内。如图2 2 所示，为 一个多维度形体，其中n 边含有四个有向边，其中两个有向边位于一个双向外部面上， 也就是图中悬面f ，所以对于这样的面，本文中不作为识别的对象。 图2 2 一个多维度形体 f i 9 2 2f lm u i t i d i l l l 6 r s i o r l a l m o d e i 1 0 第- 二章网角特征识别 3 1 判断面的类型为非平面； 我们知道无论基于何种方法生成的圆角特征都不可能是平面，所以将对非平面类型 的面进行后续处理。这里由s u r f a c e 类v y p e 函数对每个判别面进行类型判断，如果为 p l a n et y p e 类型，那么判别面为平面类型，一定不是圆角特征。 4 1 判断面各条边中包含光滑边； 本算法对每个面上的每条边进行判断，找到边上的起点，并求出他们在该面及其邻 接面上的单位法矢量，判断是否相等，如果相等，则该边为光滑边。 以图2 3 中f 面为例，首先利用a c i s 提供的a p i 函数印ig e te d g e s 得到每个面的边 e d g e 的列表，然后对此面f 中的每条边进行检验。 由于只对单向面进行处理，所以每条边对应两条共边c o e d g e 。对于边f 有两条共边， 一条在此面f 上定义为f 1 ，一条在该面的邻面f 1 上定义为f 2 ，且方向相反，利用共边类的 s t a r tp o s 函数取f l 的起点，利用e n dp o s 函数取f 2 的终点，可知为同一点v 1 ，同时利用 s u r f a c e 类中e v a ln o r m a l 函数求得此两点分别在所在面f l 、f 2 上的单位法矢，判断是否相 等，相等则为光滑边，不等则不是。 这里应注意的是，由于不同系统造型精度上的不同，在判断上面提到的两个单位法 矢是否相等时，允许存在一定误差，设定为1 e 3 。 图2 - 3 光滑边判断的示意图 f i 9 2 。3t h es c h e m a t i cd i a g r a mf o ri d e n t i f y i n gt h es m o o t h 。e d g e 第二章网角特征识别 5 ) 判断面中所有光滑边对应的邻接面不平行； 这里可先将所有光滑边对应的相邻平面放入一面的列表中，依次作为比较面，与其 他面进行判断。 由于对于两个曲面的平行判断尚属难解问题，在这里我们只对平面进行平行判断。 通过p l a n e 类的数据成员n o r m a l 求得平面单位法矢，判断两个平面的单位法矢是否相等， 相等则平行( 如图2 - 4 ，f 1 、f 2 两面平行，判别面f 不是圆角面) ，否则不平行( 如图2 5 ， f 1 、f 2 两面不平行，判别面f 是圆角面) 。这里，前述的光滑边判定中的允许误差同样适 用。 图2 - 4 光滑边对应邻接面平行情况 fi9 2 4t h ep a r aiielc o n ditio nf o rt h ea d j a c e n tf a c e sc o rr e s p o n din gt ot h es m o o t h e d g e s 图2 - 5 光滑边对应邻接面不平行情况 f i 9 2 5t h eu n p a r a ll e ic o n d i t i o nf o rt h ea d j a c e n tf a c e sc o r r e s p o n d ；n gt ot h es m o o t h e d g e s 1 2 第二章网角特征识兄l j 这里，对于圆角面与其它特征相交，使同一条光滑边被分割成两段而导致对应邻面 平行的特殊情况，进行了处理。方法为根据共享几何体原理只获取其中一条光滑边，然 后再对其对应的邻面进行平行判断。可利用e d g e 类的g e o m e t r y 函数求得每条光滑边 对应c u r v e 类的曲线变量，将它们放入一个列表中，在每加入一个的同时，查看列表 中实体( e n t i t y ) 个数，如没有变化，则说明这次加入的此条光滑边存在共享曲线，将 其排除掉。例如图2 - 6 为一模型的部分截取图，其中的这两条光滑边n 、f 2 ，可被识别 为共享曲线，只获取其中一条进行邻面平行判断，最终可将f 面识别为圆角特征。 图2 - 6 光滑边对应邻接面平行的圆角特征 f i 9 2 - 6t h eb i e n df e a t u r ew i t ht h ea d j a c e n tf a c e sc o r r e s p o n d i n gt ot h es o t h e d g e sp a r a l i e l 6 1 判断圆柱类型面的边界弧度不超过3 1 4 。 如图2 7 ，对于图中圆柱判别面f ，判断过程应首先求出此圆柱面的主轴方向向量， 利用c o n e 类的d i r e c t i o n 函数求得圆柱面基面椭圆的单位法矢量，即圆柱主轴方向单位 法矢( s p a u n i tv e c t o r ) 。再由类s p a p a rb o x 中的m i d 函数求出对应参数中点( s p a p a r _ p o s ) ， 再由s u r f a c e 类中的e v a lp o s i t i o n 函数将此参数中点转化为三维空间上的点( s p a p o s i t i o n ) 。 以此中点为圆心，主轴单位法矢为法矢量，做一个半径足够大( 与圆柱面边界相交) 的圆盘面c ，禾i j m a p if a f ai n t 函数求得相交线l l ，如图2 8 所示，可知此相交线为一圆弧， 以e d g e 类的l e n g t h 函数求得此相交线l 1 的长度。 1 3 第二二章网角特缸识别 再利用c o n e 类的m a j o r _ _ a x i s 函数求得圆柱面基面椭圆的长轴法矢量 ( s p a u n i t _ v e c t o r ) ，i 刍s p a v e c t o r 类的l e n g t h 函数求得此法矢量的长度，即长轴长度，由于 是圆柱面，所以此长轴长度即为基面半径。由弧度公式肛l r ，其中0 代表相交线的 弧度，l 代表相交线的长度，r 代表圆柱面基面半径，求得圆弧弧度0 ，弧度0 应小于3 1 4 。 图2 - 7 判断圆柱面边界弧度示意图 f i 9 2 7t h es c h e m a t i cd j a g r a mf o rc a i c u l a t i n gt h eb o u n d a r yd e g r e eo ft h ec y l n d e r 图2 - 8 图2 - 7 的俯视图 f i 9 2 。8t h ep i a n f o r mo ft h ef i 9 3 。7 6 ) 求圆角特征大小 我们将曲面的曲率半径作为衡量圆角特征大小的参数，对于圆角特征的曲率半径的 求解分为以下两步： 第一步，求曲面上的边界点以及曲面的中心点的曲率半径【3 4 、3 5 】，采用取两主方 向上曲率半径的较小值的方法。 1 4 第二二章圆角特征识别 第二步，在边界点、中心点曲率半径中，取数值较大的一个作为该曲面的曲率半径。 具体的实现方法以一实例进行说明： 图2 - 9 、2 1 0 为求曲面曲率半径的原理示意图，其中图2 1 0 为图2 - 9 的i 部区域放 大图。由于曲面上的点沿不同的曲线对应不同切矢量，即对应不同的法曲率，而对于取 得极值点的法曲率称之为主曲率，其所在方向为主方向。可以利用s u r f a c e 类中的 e v a lp r i nc a w 函数获得曲面上一点的两个主曲率。曲面上非脐点处存在两个主曲率( 极 大、极小) ，我们取两个主曲率中的极大值作为此点的曲率；脐点处的两个主曲率相等 为一个常数，取这个常数作为此点的曲率。最后，取倒数便为该点在曲面上的曲率半径。 图2 - 9 求曲面曲率半径的原理示意图 f i 9 2 9t h et h e o r ys c h e m a t i cd i a g r a mf o rc a i c u i a t i n gt h ec u r v a t u r er a d i u so ft h es u r f a c e 图2 1 0 图2 - 9 的i 区域局部放大图 f i 9 2 1 0p a r t i a ie n i a r g e dd r a w i n go fir e g i o ni 1 3t h ef i 9 2 9 1 5 第二二章圆角特征识别 如图2 1 0 所示，由上述方法我们可以得到判别面f 所有边界点f 2 、f 3 、f 4 、f 5 ( 这 里我们取每条边的起点) 以及中心点n 的曲率半径，规定取其中较大的一个值作为判 别面的曲率半径。 这里同样存在自由曲面边界点或中心点曲率半径趋近于正无穷的特殊情况，我们采 用较大值回避的方法加以处理。具体实现方法以一实例进行说明： 图2 1 1 、2 1 2 说明确定判别面的曲率半径时的一种特殊情况处理方法，其中图2 一l 2 为图2 1 1 的i i 部区域放大图。 图2 - 11 确定曲面曲率半径时一种特殊情况处理方法的示意图 f i 9 2 - 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es p e c i a id e a i n gm e t h o df o rc a i c u l a t i n gt h ec u r v a t u r e r a d i u so ft h es u r f a c e 图2 - 1 2 图1 1 的i i 区域局部放大图 f i 9 2 - 1 2p a r t i a ie n l a r g e dd r a w i n go fi ir e g i o ni nt h ef i 9 2 1 1 1 6 第_ 二帝圆角特征识别 如图2 1 2 所示，根据上述求曲面上点的曲率半径的方法，我们可求得曲面f 中心 点n 的曲率半径趋近于正无穷，得出曲面f 的曲率半径为正无穷的错误结论。对于这 种情况，我们采用较大值回避的方法加以处理。首先，将曲面f 上所有边界点f 2 、f 3 、 f 4 、f 5 、f 6 、f 7 以及中心点f 1 的曲率半径放入一d o u b l e 型数组中，求得其中最小值； 然后，将其它数值依次与其比较，如果比值超过l e 3 ，将此数值设置为0 ；最后，求数 组中最大的值，并将该值设为该曲面f 的曲率半径。 6 ) 设定阈值 将所有识别出的圆角特征的曲率半径存入- - d o u b l e 型数组中，对其从小到大进行排 序，输出前6 个数值，供进行参考设定阈值，其默认值为倒数第5 小的值。对于比设定阈 值大的圆角特征将被排除在外。 2 4 实例验证 根据上述识别方法，圆角特征的自动识别应用举例如图2 1 3 所示：上图为一个导 入的游戏杆底座c a d 模型，中图黄色部分为识别后的圆角特征。当设置默认阈值时， 将尺寸大于阈值的圆角特征排除在识别之外，如下图所示。 又如图2 1 4 所示：上图为导入的游戏杆装配体模型，中图为对各部分零件在设置 闽值情况下的圆角特征识别示意图，其中所有黄色部分为识别后的圆角特征。下图为对 整个装配体在设置阈值情况下的圆角特征识别示意图，所有黄色部分为识别后的圆角特 征。 1 7 图2 1 3 圆角特征识别实例 f i 9 2 1 3t h et e s t i n ge x a m p i ef o rb i e n df e a t u r er e c o g n i t i o n 1 8 第二章圆角特征识别 图2 - 1 4 装配体圆角识别 f i9 2 - 1 4t h ea s s e m b i e sb i e n df e a t u r er e c o g n i t i o n 1 9 第三章倒角特征识别 3 1 基本思路 第三章倒角特征识别 倒角特征的识别是微小特征识别中一个不可缺少的部分。倒角特征属于过渡形状特 征，其两种常见的情形是以平面或圆锥面替换几何体的边，本文研究这两种类型的倒角 特征的识别，一种称为平面类型倒角特征，一种称为圆锥类型倒角特征。如图3 - 1 中所 示，左边模型中黄色面为平面类型倒角特征，右边模型中黄色面为圆锥类型倒角特征。 图3 - 1 两类倒角特征 f i9 3 。1t w ot y p e so fc h a m f e rf e a t u r e s 对于倒角特征的识别，我们仍然只对二边流形体进行识别，同样也需要对面的方向 性进行判断。 由于倒角特征是以平面或圆锥面替换几何体的边，无需光滑过渡，所以面的类型为 平面类型或圆锥类型( 非圆柱) ，且不含有光滑边。就倒角特征形状而言，像一条狭窄的 带，所以这早我们把倒角特征带长与带宽比值参数作为判别条件。这里的带长、带宽由 笔者自定义给出，将在下文中做具体描述。此外，可根据倒角特征面与邻面间的央角关 系对模型中每个面进行判别。 2 0 第三章倒角特征识别 由于本论文是基于工程分析要求的微小特征识别，我们同样需要为倒角特 参数用来衡量倒角特征大小，这里我们以带宽作为衡量倒角特征大小的参数。 3 2 倒角特征识别算法流程 基于以上分析，我们提出了倒角特征识别的算法流程，如图3 2 所示。 图3 - 2 倒角特征识别算法流程图 f i 9 3 - 2t h ea i g o ri t h mf i o w c h a r tf o rc h a m f e rf e a t u r er e c o g n i t i o n 2 1 第三章倒角特征识别 3 3 具体实现方法 1 ) 将模型转换成以面为单元的集合体，对每个面单元进行识别； 实现方法与第三章中方法相同。 2 ) 判断面的类型为平面类型或圆锥类型，但非圆柱类型； 这里由s u r f a c e 类咖e 函数对每个判别面进行类型判断，如果为p l a n e _ t y p e 或 c o n e 类型，那么判别面为平面或圆锥类型，进行后续判断。这里值得注意的是，type 圆柱为圆锥类型的一种特殊情况，但不存在圆柱类型的倒角特征，所以，在判别面的类 型判断过程中，类型将不为c y l i n d e r。type 3 ) 判断面的方向数为单向； 实现方法与第三章中方法相同。 4 ) 判断面各条边中不包含光滑边； 光滑边判断方法与第三章所述的相同。 5 ) 判断面中带长与带宽的比值大于5 ； 以图3 3 中f l 面为例，首先利用a c i s 提供的a p i 函数a p i _ g e t _ e d g e s 得到每个面的 边e d g e 的列表，通过e d g e 类中的l e n g t h 函数求得每条边的长度，取长度最大的一条 边作为一条带长边( 如图中l 1 边) ，其长度作为带长长度。 图3 - 3 平面类型倒角特征带长、带宽示意图 f i 9 3 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mf o rp r e s e n t i n gt h eb e i ti e n e - t ha n dw i d t ho ft h ep i a n et y p e c h a m f e r f e a t u r e 第三章倒角特征识别 由e d g e 类的m i dp o s 函数求得l 1 边的中点p 1 ，再c u r v e 类的p o i n t 函数求direction 得中点p 处的单位切矢量v l ，以中点p l 为圆心，以v l 为单位法矢量，利用 a p i _ m a k e _ p l a n a r _ d i s k 函数做一足够大的圆盘截面f 2 ( 与判别面f 1 边界相交) 通过 a p i _ f a f a i n t i 函数求得的截线i l ，即为带宽边，其长度为带宽长度，截点p 2 所在的边l 2 为 另一条带长边。 又以图3 4 中f 1 面为例，与图3 - 3 中平面类型倒角特征带长、带宽求法相同，其中l l 边长度为带长长度，图3 5 中1 1 边长度2 为带宽边长度对于两类倒角特征，统一要求带长 与带宽比值大于5 。 图3 - 4 圆锥类型倒角特征带长、带宽示意图 f i 9 3 4t h es c h e m t i cd i a g r a mf o rp r e s e n t i n gt h eb e i tl e n g t ha n dw i d t ho ft h ec o n e _ t y p e c h a m f e rf e a t u r e 图3 - 5 图3 - 4i 区域局部放大图 f i 9 3 5p a r t i a ie n i a r g e dd r a w i n go fir e g i o ni nt h ef i 9 3 4 2 3 第三章倒角特征识别 图3 - 6 、3 7 为确定圆锥类型倒角特征带宽时一种特殊情况处理方法的示意图。带宽 求解过程中，对封闭圆锥类型倒角特征截线被分段的情况，采用分段求和的方法处理。 如图3 6 中圆锥类型倒角特征f l ，根据上述图3 3 中求倒角特征带宽方法，将以最长边l 1 中点p 1 为圆心，v l 为单位法矢量，做一足够大的圆盘截面f 2 ，如图3 7 中所示，通过 a p i _ f a f a j n t i 函数将求得两段截线1 1 、1 2 ，它们都为带宽边，且带宽长度为它们的长度之 和。 图3 _ 6 确定倒角特征带宽时一种特殊情况处理方法的示意图 f i 9 3 6t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es p e c i a id e a ii n gm e t h o df o rc a i c g i a t i n gt h eb e i tw i d t h o ft h ec h a m f e rf e a t u r e 图3 - 7 带宽边分段示意图 f i 9 3 7t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed i v is i o no ft h eb e i t w i d t he d g e 2 4 第三章倒角特征识别 6 ) 判断面中两带长边对应的两邻接面与此面单元自j 的夹角度数在1 1 0 0 与1 7 0 0 之间， 且这两邻接面间的夹角度数在6 0 0 与1 2 0 0 之间。 图3 8 、3 - 9 说明求两带长边对应的两邻接面以及判别面，三面间夹角的原理示意图。 其中图3 9 为图3 8 中l l 、l 2 、l 3 - _ 三条相交线的平面示意图。 如图3 8 所示，以平面类型的判别面f l 为例( 圆锥类型判别面同理) ，首先根据图3 - 6 中所述方法，做一足够大的圆盘截面f 4 ( 大于判别面f 1 边界相交) ，通过a p if a f ai n t 函 数求得截面f 4 与两带长边l l 、l 2 对应的邻面f 2 、f 3 及f 1 面的相交线分别为1 2 、1 3 、1 1 。 因此，求f l 、f 2 、f 3 间的夹角问题即转化为求交线l 1 、l 2 、l 3 间夹角问题。 如图3 9 所示，首先通过c u r v c 类的p o i n t 的单位切矢量( s p a u n i tv e c t o r ) ，再利用a n g l eb e t w e e n 函数求得各单位切矢量间的夹角， 即交线l 1 、l 2 、l 3 间的夹角0 1 、0 2 、0 3 ，这里要求0 1 、0 2 在l l o o 与1 7 0 0 之间，0 3 在6 0 0 与1 2 0 0 之间。 图3 - 8 求两带长边对应的两邻接面以及判别面，三面间夹角的原理示意图 fi9 3 8 t h et h e o r ys c h e m a ticdia g r a mo ft h ea n gie sa m o n gt h ej u d gin gf a c ea n dt w oa d j a c e n t f a c e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ep a iro fb e l t i e n i g t he d g e s 2 6 2 7 第p q 章孔角特征识别 4 1 基本思路 第四章孔特征识别 孔特征作为主特征是由零件几何层信息中的边组成的。本文研究两种类型 的识别，一种称为圆孔特征，一种称为异型孔特征。如图4 1 中所示，左边模 面为圆孔特征，右边模型中红色面组为异型孔特征。 图4 - 1 两类孔特征 f i 9 4 - 1t w ot y p e so fh o i ef e a t u r e s 对于孔特征的识别，我们仍然只对二边流形体进行识别，同样也需要对面的方向性 进行判断。孔特征一般位于一个平面或曲面之内，孔特征对应的是面的内环，由内环上 的边组成。当然由内环上的边组成的也不一定是孔特征，这要看内环边对应的支持面的 延伸方向，通过对内环边凸凹性的判断可确定对应支持面的延伸方向。 由于本论文是基于工程分析要求的微小特征识别，我们同样需要为孔特征设定一参 数用来衡量孔特征大小，这里我们以入口处内环周长作为衡量孔特征大小的参数。 2 8 ， 第p q