（航空宇航制造工程专业论文）飞机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现.pdf

鱼 n a n j i n gu 血v e r s 时o f a e r o n a l j t i c s a i l da s 仃0 n a u t i c s t h eg r a l d u a ，t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a le n 西n e 耐n g r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f c o m p l i c a t e dm a c h i n i n g f e a t u r e s r e c o g n i t i o n1 、e c h n o l o g y f o r t h ea i r c r a f t s t r u c t u r a lp a r t s a t h e s i si n m 籼f a c t u 血go f a e r o n a u t i c s & a s t r o n a u t i c se n g i n e 嘶n g b y mh a i b i n g a 捌s e d b y p r o l iy i n g g u a n g s u b r l l i t t e di np a n i a lf u l f i l l h l e n t o fm e r q u i r e m e n t s f o rm ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 结合国家自然科学基金、国家科技重大专项及航空企业的实际需求，针对飞机结构件复杂 特征拓扑不固定、富含自由曲面和相交特征等识别难点，对飞机结构件复杂加工特征识别技术 进行了深入的研究。论文的主要研究成果如下： 1 ) 研究了过渡特征的识别与抑制方法。针对自由曲面无法直接获得曲率半径等参数信息 的难点，以离散的方式获得自由曲面的参数估值，据此识别出过渡特征。通过对零件属性面边 图进行过渡抑制，在不改变零件实体模型的情况下实现了对过渡特征的抑制。 2 1提出了一种复杂拓扑不固定特征的自动识别方法。利用飞机结构件拓扑面具有方向性 和层次式分布的特点，以层作为特征识别的基础，通过层的识别和组合解决相交特征及其解释 问题，并获得拓扑不固定特征，实现了对飞机结构件复杂拓扑不固定特征的识别。 3 )研究了一种自动特征识别结果自动检查方法。针对自动特征识别易出现的问题及导致 各类问题的特征识别难点，给出了各类特征识别结果可靠性对应的影响因素，实现了对自动特 征识别结果的自动检查和可靠性标注，减少了特征交互识别的编辑检查工作量。 4 1根据本文研究，基于c a = r i av 5 开发的飞机结构件复杂加工特征识别系统已在某大型 航空企业中得到应用，并取得了良好的效果。 关键词：特征识别，拓扑不固定特征，层，加工特征，飞机结构件 飞机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现 a b s t r a c t 1 1 1 i sw o r ki ss u p p o n e db yn l en a t i o n a ln a t u m ls c i e n c ef 0 u n d a t i o no fc h i 越，n a t i o n a js t m 句0 rp r o j e c t ，锄da i 】m rm a l l u f a c 劬砸gc o r p o r a t i o n t h ep a p c rl n a l c e s 鼬胁e rs t u d yi n t om ek e y t e c h n o l o g yo fm ec o m p l i c a t e dm a c h i n i n gf e a t u r cr e c o g m t i o ft h ea i r c 傩s 仇l c t i l r a lp a r t sa c c o r d i n g t 0 廿1 er e c o 嘶t i o nd i 伍c u l t i e si l lv 耐a b l et o p o l o g y ，6 e e f o ms 眦矗c e s ，a n df e a t i l 糟i m e m c t i o n t h e m a i n j o bo f t h i sp a p e ra r e 粥f o l l o w e d ： 1 ) ab l e n d 诧a t i l r cr e c o g i l i t i o na n ds u i ) p r e s s i o nm e t l l o di ss t u d i e d t h em e m o dg e t sm e p 孤训n e t e re s t i m a t i o no f 矗e e f 0 肌s u r f a c e sa n dr e c o 咎1 i z e st h eb l e n df e a t u r e nd e l e t e sc o r r e s p o n d i n g f a c e sa n de d g e si i lt h ea a gnr e a l i z e ss u l ，p r e s s i o no f 仕璩b i e n df e a t u r ew i t h o u tc h a n 酉n gt h es o l i d m o d e l 2 )p r e s e l l t s an e wm e t h o do fr e c o g i l i 咖gc o m p h c a t c df e 狐鹏s 谢m 、谢a b l et o p o l o 夥a l a y e r - b a s e dr e c o g n i t i o nm e t h o d 0 1 0 9 yi sp r e s e n t e d a n a l y z e0 nf e a t u r e so fa i r c 傩s 仃u c t i l m lp a r t s s h o w s吐l ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i a b l e t 叩o l o g yw i t l l d i r e c t i o n a lc h a f a c t e r i s t i c s觚d1 l i e r m b y d i s t m u t i o n t h em e m o dd e a l s 谢mf e a t u r c s 谢吐lv 疵如l et o p o l o 踢r e c o g n i z e si n t e m c t i n gf - e 蛐sb y c o 谢b i n i n gl a y e r sa n d 群m e m t e sr e 勰o n a b l e f e a t i l r ei i l t e r p r e t a t i o 璐a c c o r d i n gt o 也e 弱s o c i a t i o n b e t 、e e nl a y e r s 3 ) an e wm e m o do ff e a t u r ei n t e m c t i v er e c o g n i t i o ni ss t u d i e d t h em e t l l o dc o n c l u d e s 锄d s u i m m r i z e s l ep r c l b l e mi na u t o m a t i cf c a t i i r er e c o g n i t i o n t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fr e c 0 9 1 1 i t i o n r e l i a b i l i t ) ra n d 廿l e i rc o r r e s p o n 血gi i l n u e l l c ev a l u ea r es u m m 撕z e d i tr e a l i z e sa u t o m a 矗ce x a m i l l a t i o 地 f o rr e c o g n i t i o nr e s u l ta n ds h o 、st h er e l ia _ b i l i 锣o ft h er e s u l tt or e d u c em ee x 锄i l l a t i o nw o r k 4 )t h es y s t e ma b o u tf e a t u f er e c o g i l i t i o nf o rc o m p 胁t e dm a c h i n i n gf e 咖r e so fn l ea 砌n s 仃t l c t l l m lp a ni sd e v e l o p e d ，砌c hi s 印p l i e dt 0a n 疵r a rm a n u f 衲f i n gc o i p o r a t i o na i l dh 豁b e e n p r o v e de f r e c t i v e k e y w o r d s ：f e a t u r er e c o g l l i t i o n ，f e a t u r e 谢t hv a r i a b l et o p o l o g y ，l a y e r ，m a c h i n i n gf e a _ t u r e ，a i r c r 硪 s t n l c t u r a lp a r t s 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 基于特征的c a d c a p p c a m 技术l 1 2 特征识别技术2 1 3 特征识别技术研究现状3 1 3 1 特征识别方法一3 1 3 2 特征识别技术的应用7 1 4 飞机结构件特征识别的难点7 1 5 课题来源及论文内容章节安排8 第二章过渡特征的识别与抑制1 0 2 1 概述1o 2 2 过渡特征的定义1 0 2 3 过渡特征的识别1 l 2 4 过渡特征的抑制1 3 2 4 1 过渡特征的抑制方式1 3 2 4 2 过渡特征的间接抑制1 4 2 4 3 过渡特征的抑制实例1 5 2 5 本章小结一1 8 第三章飞机结构件复杂加工特征自动识别1 9 3 1 概述1 9 3 2 飞机结构件特点1 9 3 3 飞机结构件拓扑不固定特征2 0 3 3 1 飞机结构件加工特征的归纳2 0 3 - 3 2 拓扑不固定特征产生的原因2 2 3 4 飞机结构件基于层的特征识别方法2 3 3 4 1 飞机结构件层的概念2 4 3 4 2 飞机结构件层的相交2 5 3 4 3 飞机结构件层的组合2 5 3 4 4 飞机结构件基于层的特征解释2 6 飞机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现 3 4 5 飞机结构件自动识别算法2 7 3 5 本章小结2 9 第四章飞机结构件复杂加丁特征交互识别3 0 4 1 概述3 0 4 2 复杂加工特征交互识别实现一3 0 4 2 1 复杂加工特征信息模型。3 0 4 2 2 特征列表与零件模型互动3 2 4 3 自动识别结果自动检查方法3 4 4 3 1 自动识别结果易出现的问题3 4 4 3 2 自动识别结果问题分析3 5 4 3 3 自动识别结果可靠性及其标注3 5 4 4 本章小结3 8 第五章飞机结构件复杂加工特征识别系统4 0 5 1 概述4 0 5 2 系统开发环境与开发工具一4 0 5 3 系统功能模块与框架结构4 l 5 4 系统应用效果4 2 5 4 1 过渡特征识别4 3 5 4 2 自动特征识别4 3 5 4 - 3 特征列表与零件模型互动4 6 5 4 4 特征自动识别结果自动检查4 7 5 4 5 系统整体测试结果分析4 7 5 5 本章小结一4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 总结4 9 6 2 展望5 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 属性面边图4 图2 1 过渡特征识别算法流程1 2 图2 2 自由曲面任意一点离散。1 3 图2 3 过渡面截面轮廓线一1 5 图2 4 过渡特征抑制实例图1 5 图2 5 抑制前的属性面边图一1 6 图2 6 属性面边图的抑制过程1 7 图2 7 过渡特征间接抑制的效果1 7 图3 1 几类常见的飞机结构件一1 9 图3 2 飞机结构件拓扑不固定特征2 3 图3 3 飞机结构件层的组成2 3 图3 4 相交特征的类型2 4 图3 5 虚面和虚边示意图。2 5 图3 6 飞机结构什自动识别算法流程2 8 图4 1 交互特征定义流程图3 2 图4 2 特征列表与零件模型互动流程图3 3 图5 1 飞机结构件复杂加工特征识别系统框架结构图一4 2 图5 2 民用飞机结构件4 3 图5 3 过渡特征识别功能模块4 3 图5 4 零件总体信息描述和信息输入对话框4 4 图5 5 槽、筋、轮廓和孔四类典型加工特征识别。4 5 图5 6 工艺规划和刀轨生成用特征信息讧l 文件4 5 图5 7 特征列表与零件模型特征级互动一4 6 图5 8 特征列表与零件模型元素级互动4 6 图5 9 特征自动识别结果自动检查4 7 飞机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现 表清单 表1 1 主要特征识别方法列表3 表2 1 属性面边图属性表。1 4 表4 1 飞机结构件复杂加工特征信息模型。3 1 表4 2 影响槽特征自动识别结果可靠性的因素3 6 表4 3 影响筋特征自动识别结果可靠性的因素3 7 表4 4 影响孔特征自动识别结果可靠性的因素3 7 表4 5 影响特征轮廓自动识别结果可靠性的因素3 7 表4 6 可靠性影响因素与对应影响值。3 8 表5 1 系统测试效果表4 7 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 c a d ： c o m p u t e r 峻i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计。 c a p p ：c 伽叩u c e 弘a i d e dp r o c e s s i f l gp 1 姗i n 函计算机辅助j 丁艺规划。 c a m ：c o n 】p u 缸峨i d e dm 姐u f 幻c u r i l l g ，计算机辅助制造。 c a r i a ：c 伽叩u t e r d e d l r b 嘴e 础m e n s i 伽l a lh n e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ，法国d 嬲s u a l ts y s t e m s 系统公 司开发的高档c a d ，c 僦a e 一体化软件。 c a a ： c o m p o n e n ta p p l i c 撕0 n 删t e c t u r e ，组件应用构架，d a s s u a l ts y s t e l 璐产品扩展和客户 进行二次开发的工具。 r a d e ：r a p i da p p l i c 撕0 nd e v e l o p n l e i l te n v 衲姗e n t ，在w i n d o w sn t 环境下创建c + + 控件架构程 序( c a a ) 的可视化集成开发环境和完整的编程工具组。 x m l ：e x t e n s i b l em a r k u pl a l l g 吼g e ，可扩展标记语言。 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 基于特征的c a d c a p p c a m 技术 c 舭a p p c a m 是当代最重要的工程技术之一，它的应用从根本上改变了过去的手 设 计绘图、凭图组织生产的技术管理方式，使得包括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、 数控加工、仿真模拟等在内的产品的设计工作可以在计算机上交互进行，有力地促进了高新技 术的发展和新产品的更新换代。作为关键的共性技术，c a d c a p p ，c 朋的广泛应用必将促进 人们思想观念、工作模式、生产方式的转变，由此对世界经济可能产生的影响，可以与十八世 纪的工业革命相比拟，因此c a d c a p p c a m 技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技 现代化和工业现代化水平的重要标志之一【i 】。 为实现c a d c a p p c 蝴的有效集成，人们提出了基丁特征的产品建模技术。传统的基于 实体模型的产品建模技术注重产品的几何信息细节的描述，而不能处理其他一些非几何信息， 如功能信息或有关其制造与装配的信息，而特征建模技术使用“特征”这一符合人的思维方式 的高层次产品建模语言【l ，2 1 作为基本的信息单元，能够从几何和功能属性上进行产品建模，使设 计或制造工程师能更好地表达他们的意图。因此，特征技术也就为新一代智能化、集成化产品 建模系统的核心技术，并为许多主流的c a d 系统所采用。 特征技术自上个世纪七十年代后期提出以来【3 1 ，一直是设计自动化研究领域的研究热点之 一，1 9 8 8 年末公布的s t e p 标准草案将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使它从此 获得了国际标准的法定地位。九十年代初j js h a h 对特征技术的发展作了一个全面的综述【4 j ，弗 出现了基于特征的参数化c a d 系统。近十年来，特征技术研究不断深入并在实际生产设计中得 到了广泛的应用。特征技术所涉及的研究范围概括起来主要包括： 1 ) 特征的定义”。5 】：特征的概念自7 0 年代末提出以来，至今仍未有一个严格完整的定义， 但在下述方面有比较一致的看法：特征是一组信息的集合，它具有属性，与特定的活动如设计、 制造活动相关，包含具有一定工程意义的几何实体或其他信息。近年来，特征技术逐渐扩展到 不同的应用领域。 2 ) 特征的分类5 。7 】：产品类型、特征的应用领域和特征的几何形状为原则给出的特征分类。 3 ) 特征建模方法【4 5 1 ：特征建模的主要方法有交互特征定义、自动特征识别和特征设计三 种。交互特征定义是在已有的产品几何模型基础上，通过用户交互选取构成特征的拓扑几何元 素提取特征；自动特征识别是基于已有的实体模型，通过特定的识别程序自动识别满足要求的 特征：特征设计是以预定义的形状特征作为建模的基本元素直接建立产品模型。 l 匕机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现 4 ) 特征转换m 。1 3 】：是指把产品模型的部分结构在不同的应用领域进行变换的过程。 在主流c a d 系统中基于特征的设计技术得到广泛的认同和采用，典型的如p t c 公司的 p r o e n 西n e e r 、u g s 公司的u g i i 、a u t o d e s k 公司的m d t 和s o l i d w b r k s 公司的s 0 1 i d w b r k s 等。总体 上，这些商品化c a d 系统中以参数化和变量化为中心，使用草图轮廓扫描产生，之后求交、剪 裁生成产品设计模型，这里草图扫描体就被视为设计特征。作为零件信息的描述手段，特征技 术也被计算机辅助工艺规划( c a p p ) 和加工( c a m ) 系统所采用，如p m 玎被认为是第一个基于特征 的c a p p 系统，已在商业上得到应用。 1 2 特征识别技术 随着制造技术的发展，一些先进制造模式的提出，工业界对c a d c a p p c a m 提出了更高 的要求，使得c a d c a p p c j m 技术向支持产品全生命周期的产品建模的方向发展。经过多年 的发展和在企业中的成功应用，c a d 、c a p p 、c m 系统分别在产品设计自动化、工艺过程自 动化和数控编程自动化方面发挥了很大的作用，成为企业信息化的重要组成部分。但这些系统 各自独立，不能实现信息在各系统间的自动转换和共享。例如：用c a d 系统进行产品设计的结 果只能输出图样、模型和技术文档，不能直接为c a p p 系统所利用，需要转化成c a p p 系统所需 要的信息，再通过人机交互输入c a p p 系统。同样，在c a m 系统进行工作时，c a p p 系统输出 的工艺规划需要由人工转化成c m 系统需要的文件和数据，并输入到c a m 系统中。这些系统 间数据的人工转换效率低，随机错误率高。 因此，随着各系统应用的深入，系统间的集成变得非常重要。c a d c a p p c a m 集成的目的 在于：实现完整的产品定义数据的数字交换：生成标准化的数据结构，并通过接口进行数 据转换；c a p p 系统直接读入c a d 系统生成并经过转换的数据，生成零件加工工艺规程； c a m 系统读入c a p p 系统生成并经过转换的数据，生成加工零件的数控程序。总的说来，也就 是为了实现c a d c a p p c a m 系统之间的信息集成和数据的共享。 由于工业界的迫切需要，c a d c a m 已经成为近年来研究人员追求的目标之一。然而 c a d c a p p c a m 的有机集成仍然面临着诸多困难，困难之一就是缺少c a d 与c a p p 之间的智能 接口。之所以需要建立c a d 与c a p p 之间的智能接口，是因为c a d 系统采用实体模型或设计特 征表示产品，而c a p p 系统需要的却是基于加丁特征的产品表示。由于特征识别自然构成c a d 与c a p p 之间的理想接口，冈此长期以来特征识别技术一直是c a d c a m 领域的研究热点，并且 研究成果丰硕。 所谓特征识别就是从产品的实体模型出发自动识别出其中具有一定j 程意义的几何形状， 进而生成产品的特征模型。特征识别的研究工作始于英国剑桥大学c a d 中心，该中心的研a y d l 4 1 在1 9 7 5 年首次尝试从零件的实体模型中自动提取出对计算零件的数控加工刀具轨迹有意义的 2 南京航空航天大学硕士学位论文 几何形状，并基于特征进行零件的刀具轨迹计算；该中心的另一位研究人员k y p r i 趾o u 于1 9 8 0 年 在他的博士论文【”l 中首次提出了特征识别思想，奠定了基于边界表示进行特征识别的基础。从 此以后，特征识别技术以及特征的概念受到了学术界以及工业界的普遍重视，研究- t 作广泛开 展。新的特征识别方法不断出现，特征识别的范围也从开始的加工特征扩展到检测特征、分析 特征等许多方面。 当另一种特征建模方法，特征设计( d e s i 舶b yf c a t l l r e ) ，在8 0 年代中期被提出后，一些学 者曾认为它将取代特征识别而成为特征建模技术的主流方向。然而，后来的发展证明特征设计 方法无法取代特征识别。原因是特征设计只能提供产品的设计特征表示( 因为设计人员只应采 用设计特征进行产品设计) ，而为了支持产品的整个生命周期，产品模型必须具有产品多种不同 的特征表示，如设计特征表示、分析特征表示、加工特征表示等。为了解决这个问题，人们又 提出了特征映射方法，即试图直接将产品的设计特征模型转换成产品的加工、分析等其它种类 的特征模型。令人遗憾的是这方面的研究工作少有进展，现有的工作只能对一些简单的设计特 征进行直接映射，对于复杂特征如相交特征则还是需要首先将其转化成实体表示，然后再从实 体表示中识别山特征，这实质上等价于特征识别。 1 3 特征识别技术研究现状 1 3 1 特征识别方法 特征识别是c a d 系统与其它c a x 系统的智能接口，三十年来一直是相关领域的研究热点， 新的特征识别方法不断出现纠9 1 。表1 1 列举了有代表性的几种特征识别方法。它们总体上可 以分为四类：基于边界匹配、基于体分解、基于痕迹和混合式特征识别。 表1 1 主要特征识别方法列表 特征识别方法特征几何特征拓扑特征解释特征库 通用性 效率 基于图【2 0 l甲面+ 直圆柱面固定单一 预定义 通用较高 立体交替和体分平面+ 直圆柱面+ 二 不固定多重可扩充 通用较低 解【2 之3 l次曲面 基于切削体最大 平面+ 直圆柱面不固定多重可扩充通用较低 凸分解【弘2 6 1 平面+ 直圆柱面+ 二特定特 基于痕迹【2 ”3 】固定多重预定义较高 次曲面 征 平面+ 直圆柱面+ 二 最小条件子图【3 4 1固定多重预定义通用一般 次曲面 3 飞机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现 一、基于边界匹配的特征识别方法 这种方法是通过识别零件的边界，来匹配预定义的特征。基本步骤如下：搜索零件的边 界表示，并将其与预定义的每一类特征的边界模式进行匹配：确定识别的特征参数，构造完 整的特征几何模型；对能合并成复合特征的基本特征进行组合。这种方法的关键是对特征边 界模式的定义和特征的搜索策略，下面将介绍具有代表性的基于边界匹配的特征识别算法。 在基于边界匹配的特征识别方法中，常见的有规则法、图匹配法和痕迹法，这些方法都在 一定程度上解决了特征识别中的一些问题，其中基于图和基于痕迹的方法一直被广泛使用。基 于图匹配的特征识别方法采用面边图( 包括图语法) 表示特征的边界模式和零件的边界模型。面 边图是指以面为节点、以面面之间的邻接关系为弧的图。基于图的特征识别方法的特征搜索策 略是子图匹配，即通过将零件面边图中的适当子图与特征的面边图进行匹配来识别特征。如图 1 1 所示。 兮。电 a ) 台酚 弩 图1 1 属性面边图 该方法的主要优点在于：第一，特征的图表示具有唯一性、完备性；第二，库特征的图表 示易丁生成。但是图的子图搜索算法是一个n p 问题，效率低下。为了提高效率，j o s h i 和c h a n g 【2 0 】 提出了一个经典的假设，即凸面不属于任何特征。基于上述假设，他们通过删除零件属性面边 图中的所有凸节点以及所有与凸节点关联的弧得出一组分离子图，并将它们与库特征匹配，来 识别特征。这样可以大大的压缩图搜索空间，同时也使得它不能处理凸特征。 在基于图的特征识别方法基础上，针对一些应用领域中的特征，h u 觚gz 【3 5 】等提出了一种 基于普通特征关系图来识别一些复合特征的方法，他们所指的普通特征即孔、槽之类的一般意 义上的特征，通常来自于传统的特征识别方法或者是基于特征的c a d 造型系统。复合特征往 往是由一组普通特征通过用户定义的一些规则组合在一起之后的形成的，如阶梯孔、装配孔等。 该方法将特征之间的关系分为五种：相交、平行、重叠、可合并的和被阻挡的，通过相关的计 算，首先确定普通特征之间的关系，建立起特征关系图，然后通过子图匹配的方法，识别出预 先定义的复合特征。他们的研究提供了种新颖的方法来识别复杂特征，然而，当零件中的相交 特征较多时，他们的方法不论是正确性还是效率上都会受到较大的影响。 4 南京航空航天大学硕+ 学位论文 f umw 【3 6 1 提出了一种从数据交换模型( s t e p 肥e s ) 中识别出设计特征和加工特征的方法。 在他们的研究中，特征分为两种，一种是单个特征( s i n g l ef e a t l l r e ) ，另一种是复合特征( c o m p o u n d f e a t u r e ) ，这里的复合特征与传统意义上的相交特征不尽相同，是指由若干个单个特征互相叠加 之后产生的结果，相当于若干个小的单个特征附着在一个大的单个特征上，这个大的单个特征 在文中被称为主要特征( m a s t e rf e a t i l r e ) 。并且针对特征的几何和拓扑特性，提出了一种多层次 ( n m l t i l e v e l ) 的特征分类法，最底层的特征就相当于s t e p a p 2 2 4 中定义的特征，其它层的特征 是为了容易描述和实现整个识别方法而定义的。 f umw 等人采用了几何推理的方法，对单个特征的识别过程如下：将模型中的所有面 缝合；提取模型中的所有几何和拓扑实体；提取每个目标面上的拓扑实体并进行分类； 根据目标面中环的情况确定特征；将特征进行分类，确定特征属于面特征、过渡特征、外部 或内部形状特征中的哪类；确定特征细节并提取与特征相关的几何实体。复合特征的识别 是在单个特征识别的基础上进行的，首先对识别出的单个特征进行目标面和环的检查确定是否 复合特征的主要特征；然后对主要特征的几何实体进行分析，确定哪些面有特征附着，这些特 征称为第一层特征；接着识别出第一层特征，并提取相关的几何实体；按识别第一层特征的方 法继续进行第二层以及更低层特征的识别：最后将主要特征和所有的层特征壳体进行合并得到 复合特征的几何实体。 总体来说，图匹配的方法对于边界不同定的相交特征处理比较困难。 二、基于体分解的特征识别方法 体分解的特征识别方法与基于边界匹配的特征识别相比，对识别相交特征和曲面特征有相 对优势，但是总体上效率较低。其基本步骤如下：对零件体进行凸分解，使其成为凸体的集 合：对分解的凸体进行重新组合，产生与特征相对的体元；对体元进行分类，建立特征的 体表示。根据体分解策略的不同，体分解法分为两类，一类是基于立体交替和分解方法，一类 是基于单元体分解的方法。 1 1基于立体交替和分解的特征识别方法 1 9 8 2 年，w 的首先提出基于立体交替和分解的特征识别方法【2 i j 。该方法将物体表示为一 棵以凸体元为叶节点，以布尔运算符( 并或著) 为中间节点的分解树。分解树的根节点表示零件 本身，叶节点表示其父节点所表示的物体的凸包，中间节点所表示的物体为其父节点所表示的 物体的凸包减去其本身的结果。w b o 方法首先判别分解树的每个叶节点本身是否对应于一个特 征，若不是，再采用相关的组合操作将其与其它叶节点进行组合，使其对应于一个特征。w b o 方 法存在两方面的问题，一是不能保证非凸物体的立体交替和分解的收敛性，二是会识别出不可 能由一次加工操作完成的特征。针对w b o 方法存在的问题，m 等人从9 0 年代初开始对立 体交替和分解的特征识别方法进行了更加深入的研究阮2 3 1 ，提出了立体交替和剖分分解方法， 5 飞机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现 解决了w b o 方法中体分解可能不收敛的问题。另外他们还在扩大该方法的识别范围，提供相 交特征的多种解释，增强该方法的实用性等方面开展了大量富有成效的工作。可是基于立体交 替和分解的特征识别方法对带有曲面物体的凸包难以计算且效率不高。 2 )基于单元体分解的特征识别方法 基于单元体分解的特征识别方法的基本思想是按照一定的规则把物体分解成一系列单元 体，再组合单元体产生特征体。单元体( c e l l ) 是指物体内部的凸体，单元体之间只能相交在边界 上。 s a b i r a j 陟2 6 1 等人对基于单元体分解的特征识别方法进行了深入的研究。这一方法采取的策 略是通过拓展零件上的所有面并进行求交，将零件的切削去除体分解为一些最小凸单元，然后 用枚举的方式组合相邻的单元，最后通过与预定义特征匹配的方法，验证各组合体元是否是唯 一合理的特征以及特征的类型。该方法的主要特点是能有效地识别相交特征并提供相交特征的 多种解释，但存在两方面的问题：第一、需要大量的求交运算以及枚举产生的组合体元数目太 多，因而效率低；第二、生成的特征解释太多。虽然对相交特征需要提供多种解释，但对较复 杂的零件生成成百上千的多种解释是难以处理的。为避免体元分解中的大量求交计算和提供的 多重解释过多的问题，s a k t l r a i 又修正了这一方法，提出基于切肖去除体最大凸分解进行特征识 别的方法。一个最大凸体元是指体元的每个面的? 仁空间都与零件的某一面的半空间一致，同时 又不为其它的凸体元所包含的凸体元，显然用这样的体元可以大大地减少单元体的数目。同时， 特征识别首先基于加工知识生成一个比较合理的特征解释，而只有当下游应用确实需要其它特 征解释时才提供另外的特征解释。 三、基于痕迹的特征识别方法 v a n d e n b 删m e 和r e q u i c h a 提出了基于痕迹的特征识别方法【2 7 1 。特征的痕迹是指一个特征实 例被添加到零件模型后，所保留的信息，包括几何信息和非几何信息。在特征相交时，一个特 征的完整边界模式已不复存在，但是只要它确是零件的一个特征，就一定在零件的c a d 模型 中留有痕迹，因此基于痕迹可以识别特征。h 狮继续了v a n d e n b 例m e 的工作，他采用不确定推 理进行特征的测试，并用增量识别的方法实现特征的转换( 2 粥。这些传统的痕迹识别算法只能 识别最一般的相交特征，而且识别算法对特征类型的依赖很大，难以添加新特征。 四、混合式特征识别方法 高曙明融合了基于图的特征识别和基于痕迹的特征识别，提出了一种统一定义、生成和延 拓特征痕迹的方法【3 4 】。该方法用扩展属性面边图表示特征的边界模式，扩展属性面边图比一般 的面边图具有更多的属性。以特征的最小条件子图，即，特征属性面边图残留在零件属性面边 图中的最大子图作为特征痕迹，采用图分解生成特征痕迹，通过添加虚拟链接和相关面进行特 征延拓。该方法的不足之处是：第一、采用的特征表示方法扩展属性面边图信息不足，不能有 6 南京航空航天大学硕士学位论文 效支持自由曲面和边特征；第二，采用统一图分解的方法生成痕迹，不能有效处理凸特征。 1 3 2 特征识别技术的应用 特征识别技术是实现c a d 和其他c a x 集成的一项关键技术。面向不同的应用领域，工程 人员有着不同的特征定义，采用特征识别技术从产品的三维几何表示中提取出感兴趣的应用特 征模型是特征识别技术的主要应用之一，这些应用包括： 1 ) 在c a p p 系统中，特征识别用于从设计的几何模型中提取加工特征模型，作为1 f ：艺规划 和可制造性评价的输入； 2 ) 在c a m 系统中，特征识别用于标识加工区域，辅助n c 编程： 3 l 在f e a 系统中，特征识别用于自动地识别和抑制小的特征如，孔、圆角和倒角； 4 ) 在c a d 数据转换中，特征识别用于恢复在转换中丢失的信息； 5 ) 多领域特征建模中，特征识别用来建立为不同领域基于几何模型重建特征模型和特征模 型的有效性评价3 7 t 3 钔。 1 4 飞机结构件特征识别的难点 虽然特征识别的研究工作已经持续了三十多年，但是由于这个问题本身的难度，以及它在 c a d ，c a m 集成中十分重要的位置，特征识别依然是目前c a d c a m 领域一个十分活跃、但仍 存在许多问题有待解决的研究课题。 飞机结构件由于其自身的特点，它的特征识别存在如下难点： 1 ) 自由曲面问题。以往的研究j r ：作所处理的曲面类型有限，通常仅为平面，虽然有些包含 圆柱面、圆锥面等规则二次曲面，但是极少涉及自由曲面，而飞机结构件中存在大量自由曲面， 其中过渡元素受自由曲面的影响非常大。 2 ) 特征拓扑不固定问题。由于飞机结构件的结构特点，它的特征归纳从加工制造的观点、 以加工工艺为基础进行，不考虑组成特征的拓扑数目，特征拓扑具有不固定性。飞机结构件特 征拓扑不固定，无法有效建立预定义特征库，基于边界匹配的特征识别方法无法识别。 3 1 相交特征问题。相交特征是特征识别中公认的难点，现有的特征识别方法只能识别一般 的相交特征，识别效率也不理想。相交特征多重解释的组合爆炸又构成了相交特征识别中的新 问题【1 6 】。 4 ) 交互识别效率低问题。自动特征识别的结果需要交互特征识别的辅助，用户在交互的过 程中需要对特征识别结果逐一检查，对于包含成百特征的飞机结构件来说，特征识别结果检查 的效率较低。 7 匕机结构件复杂加工特征识别技术的研究与实现 1 5 课题来源及论文内容章节安排 本课题来源于国家自然科学基金资助项目、国家科技重大专项和航空企业的实际需求，针 对飞机结构件复杂拓扑不固定、富含自由曲面和相交特征等难点问题，对飞机结构件复杂加工 特征识别技术进行了深入的研究。根据本文研究，基于c a t 认v 5 开发的飞机结构件复杂加工 特征识别系统已在某大型航空企业中得到应用。本文内容章节安排如下： 第一章：绪论。首先介绍了基于特征的c 觥a p p c a m 集成技术及其在工程中尤其是飞 机制造领域中的应用，然后重点综述了自动特征识别的研究现状，介绍和分析了几种典型的自 动特征识别方法，在此基础上给出了飞机结构件特征识别的难点，