基于掃體的從設(shè)計(jì)特征向加工特征轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一方法

基于掃體的從設(shè)計(jì)特征向加工特征轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一方法

0基于b-rep和csg模型的加工信息提取轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)capp的完美融合一直是capp領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的核心部分是從三維幾何模型中自動(dòng)提取加工信息。這一過程通常被視為連接零件設(shè)計(jì)和加工的橋梁。在3d系統(tǒng)中，零件的表達(dá)形式有兩種類型：輪廓模型（b-rep）和結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型（csg）。提取加工信息的方法是不同的?；赽-rep模型的加工信息提取通常被稱為特征識別。在國內(nèi)外已有很多研究活動(dòng)?；赾sg模型的加工信息提取通常被稱為特征轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)換方法主要有兩種：漸進(jìn)式基面外移法和漸入式層壓法。對于直拉伸的特性，請參考直接抗彎涂層和不同分解方法的影響。事實(shí)上，提取各種加工方法（包括坦克、車輛和聯(lián)合刀加工）的加工信息提取對于提高工藝篩選非常重要。在這些問題上，提出了基于掃描的資源交換方法。該算法的一致性反映在直接掃描和反向掃描的兩個(gè)資源的轉(zhuǎn)化上是一致的程序過程?？紤]到毛的形狀對加工特征的影響，考慮到資源選擇優(yōu)化的要求。1方法總結(jié)1.1設(shè)計(jì)特征與加工特征的掃描方式從工程意義上講,特征是零件表面上具有特定形狀的部分區(qū)域,它代表零件的某種功能或制造方法;前者為設(shè)計(jì)特征,后者為制造特征.從CAD造型角度看,特征都可以用一些特定參數(shù)控制的基本形體(或稱特征體)表示,它們的布爾組合用來表示零件模型,布爾運(yùn)算后零件模型中殘留的特征體表面即為對應(yīng)特征的功能區(qū)域或制造區(qū)域.目前,CAD系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)特征通常有基本體素(方塊、圓柱等)、掃掠、倒角、凸臺、孔、槽、陣列和用戶自定義特征等,其特征體一般可用封閉平面輪廓的掃掠體(簡稱掃體)或其組合表示.加工特征通常代表典型的粗加工方法,如鉆孔、銑槽、車圓面等,其特征體是具有一定輪廓的刀具沿著一定路徑運(yùn)動(dòng)而切除的材料;常見的刀具運(yùn)動(dòng)模式是直線運(yùn)動(dòng)(如鉆孔)、平面運(yùn)動(dòng)(如銑槽)和圓周運(yùn)動(dòng)(如車圓面)等;所以加工特征的特征體通常也可以用直掃體、回轉(zhuǎn)掃體或它們的組合表示.本文將設(shè)計(jì)特征與加工特征均用掃體表示,這樣使算法處理過程統(tǒng)一.為了考慮不同加工方式和加工方向,同一特征會(huì)對應(yīng)多個(gè)掃體表示.圖1a所示為一個(gè)正方體,如果用掃體表示,它就有一種掃掠表達(dá)方式(即直掃體)和3種可能的掃掠方向;圖1b所示為一個(gè)圓柱體,用掃體表示它就有2種掃掠表達(dá)方式(即回轉(zhuǎn)掃體和直掃體),每一種表達(dá)方式只有一個(gè)掃掠方向.1.2生成加工特征集合特征轉(zhuǎn)換算法的輸入是零件和毛坯的參數(shù)化設(shè)計(jì)特征模型,是它們的構(gòu)形歷史樹.歷史樹中一般不考慮布爾交操作,另外設(shè)布爾并操作特征為正特征,布爾差操作特征為負(fù)特征.該算法通過幾何分析處理,將包含正負(fù)特征的設(shè)計(jì)特征的零件模型轉(zhuǎn)化為只包含負(fù)特征的加工特征零件模型.本文方法主要步驟如下:Step1.將零件和毛坯模型分別用掃體重構(gòu).設(shè)SPart={Fp(i)}和SBlank={Fb(j)}分別是零件與毛坯模型的設(shè)計(jì)特征集合.將具有多樣性的特征表達(dá)方式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的掃體表示,即SPart={SVp(i)}和SBlank={SVb(j)}.同一特征的不同掃體表示以相同運(yùn)算符號掃體加入集合中.另外,置初始加工掃體集合M={SVm(k)}包含所有毛坯掃體{SVb(j)},即假定零件體為空時(shí)所有的毛坯都應(yīng)切除.Step2.依次用SPart中掃體逐步拆分更新M中加工掃體,以生成代表不同加工方法的掃體.Step3.對M中加工掃體進(jìn)行選擇合并,生成加工特征集合MFeatures={Fm(k)}.2掃體sviut的加工本文方法轉(zhuǎn)換出來的加工特征實(shí)際上就是在加工一個(gè)或多個(gè)特征的某一個(gè)或幾個(gè)面時(shí)與加工方式相對應(yīng)的最大材料切除體.我們的目標(biāo)是根據(jù)加工方式和方向,將該差體拆分出加工掃體.拆分過程中的主要步驟如下:Step1.將SVp(i)與SVIntersect(i)進(jìn)行布爾交操作,得到相交部分的實(shí)體bIntersect=SVp(i)∩*SVIntersect(i).Step2.由SVIntersect(i)的方式、方向及掃掠面,生成bIntersect的最小包絡(luò)體,記為svInside,其構(gòu)建方法見第3節(jié).Step3.由svInside避過SVp(i)將svIntersect(i)用如圖2所示的3個(gè)掃體表示,分別為svUpper,svLower和svSide,并將它們放入中間集合svTmp={sv(i)}.這一步得到與SVIntersect(i)的加工方式和方向相同的最大材料切除體.Step4.檢查這3個(gè)掃體是否能完全表示材料差體,即SVIntersect(i)是否等于*svUpper∪*svLower∪*svSide∪*svInside.若能夠完全表示,就說明前面生成的加工掃體的加工方式和加工方向能夠滿足SVp(i)的加工需求,轉(zhuǎn)Step7.Step5.若不能將SVp(i)完全表示,則不能滿足,所以需要找到適合SVp(i)的加工方式和方向,而其加工方式可以看作是其掃體的形式,加工方向也可以看作是其掃掠方向.首先由SVp(i)的掃掠方向建立掃體svOut(i),這個(gè)掃體是如圖3所示的SVIntersect(i)的最小包絡(luò)體.需要加工的是特征3,特征1和特征2的加工掃體就是與負(fù)特征大小相同的回轉(zhuǎn)掃體SVIntersect(i),用回轉(zhuǎn)的方式來加工特征3不能達(dá)到完全加工的目的,所以需要進(jìn)一步根據(jù)特征3的方式和方向?qū)ふ仪谐Ｓ嗖牧系募庸唧w.Step6.與Step3相同,也將svOut用svUpper,svLower和svSide表示.由于其他特征的干涉,可能無法生成3個(gè)掃體中的一個(gè),如圖3的例子中生成的svUpper無法完整加工如圖3d所示的特征3中的上表面,所以要調(diào)整svOut使其能最大可能生成3個(gè)掃體.為此,首先將特征3按d1方向延伸至svOut整個(gè)長度,再將得到如圖3e所示的體與零件體相交得到相交體;然后通過縮短svOut的掃掠長度而避開相交體得到如圖3f所示新的svOut.此后,再根據(jù)Step3的方法將svOut拆分為如圖3g所示的svUpper,svLower和svSide3個(gè)掃體.最后,再用交體包絡(luò)法分別調(diào)整這3個(gè)掃體的掃掠截面和長度以避過零件體,生成如圖3h所示新的svUpper,svLower和svSide,放入svTmp.Step7.更新加工掃體集合M,即用svTmp中的掃體替換M中的SVIntersect(i).這里svTmp即為差體SVIntersect(i)-*SVp(i)的拆分掃體集合.對于回轉(zhuǎn)掃體的一些處理方法,由于拆分邏輯與直掃體是相同的,僅細(xì)節(jié)上稍有不同,本文不再贅述,圖4所示為圖3中作為回轉(zhuǎn)掃體處理的結(jié)果.同樣用3個(gè)掃體svUpper,svLower和svSide表示SVIntersect(i),如果這3個(gè)掃體與零件再?zèng)]有相交,則放入svTmp.這幾個(gè)掃體是對與待加工特征干涉的已生成的加工掃體的處理,而對于待加工特征還要根據(jù)其掃體的方式和方向來生成加工掃體.3包絡(luò)體建設(shè)3.1svpi的拉伸包絡(luò)直掃體根據(jù){sv(i)}中與待加工的特征相交的SVIntersect(i)建立.待加工特征的面根據(jù)SVIntersect(i)的方向D分為3種類型:面的法向n與D的夾角,<90°時(shí)為〈T1〉,>90°時(shí)為〈T2〉,=90°時(shí)為〈T3〉,如圖5a所示,SVp(i)共有9個(gè)面,其中1,2,3為〈T1〉,4,5,6,7為〈T2〉,8和9為〈T3〉.要找到包絡(luò)體首先要將各個(gè)面投影到一個(gè)面上,然后再將其拉伸包絡(luò)SVp(i).首先建立這個(gè)面,由于三維體存在封閉性,我們僅取〈T1〉的各個(gè)面將其投影到SVp(i)在D方向上最低點(diǎn)建立的參考平面P上,平面法向與D相同,再取〈T1〉的各個(gè)面將其投影到P上.若是平面,則直接找出面片的各邊界的端點(diǎn)投影到P上,然后再由投影點(diǎn)生成投影面;若是曲面,則考慮到輪廓線有可能出現(xiàn)在曲面中間,將曲面細(xì)化為一系列的三角小面,將每一個(gè)小面作為平面來處理,如圖5b所示,將面2細(xì)化;然后將各個(gè)投影小面用一個(gè)大的矩形面來包圍,即求得投影面的包圍盒;最后將各個(gè)投影面分別拉長到實(shí)體在D方向的最大長度,再將各個(gè)小實(shí)體合并即得到原實(shí)體的包絡(luò)體.3.2旋轉(zhuǎn)軸線面的生成對于回轉(zhuǎn)掃體,同樣根據(jù){sv(i)}中與待加工的特征相交的SVIntersect(i)建立.考慮到SVp(i)的不同情況,先做預(yù)處理,將SVp(i)根據(jù)其角度是否為360°分為2種:=360°為第1種,其余為第2種.這里的360°如圖5c所示,包括2種形式.如果僅將第1種體的各個(gè)面投影,那么不能完全找到包絡(luò)體.我們將第1種情況的SVp(i)分為如圖5d所示的2個(gè)體,這樣就能在原有面不變的情況下增加面的個(gè)數(shù)以得到包絡(luò)體.然后根據(jù)SVIntersect(i)的旋轉(zhuǎn)軸信息(包括旋轉(zhuǎn)軸方向D和基點(diǎn)PB(x,y,z))將待加工特征的面Fa也分成幾個(gè)類型.〈T1〉:Fa為平面且面的法向n與D平行;〈T2〉:Fa為平面且n與D不平行;〈T3〉:Fa為旋轉(zhuǎn)曲面且其旋轉(zhuǎn)軸與SVIntersect(i)相同;〈T4〉:Fa為旋轉(zhuǎn)曲面且旋轉(zhuǎn)軸與SVIntersect(i)不同;〈T5〉:Fa為其余的非旋轉(zhuǎn)曲面.屬于〈T1〉和〈T3〉的面在基面上的旋轉(zhuǎn)投影是一條直線,對生成包絡(luò)體沒有影響,故舍去這2種類型的面;對于〈T2〉在旋轉(zhuǎn)投影時(shí),由于平面離旋轉(zhuǎn)軸直線的最大值在邊界上,最小值可能在面內(nèi),故先將平面的各個(gè)邊界投影到基面上得到投影線{curve(i),i=0,1,2,…},然后判斷平面離旋轉(zhuǎn)軸直線距離最短的點(diǎn)Pmin是否在邊界上.如果Pmin在邊界上,那么投影線就是面在基面上的包圍盒;否則,在基面上建立以旋轉(zhuǎn)軸為Y軸的二維坐標(biāo)系,找出{curve(i),i=0,1,2,…}和Pmin中在新坐標(biāo)系下的2個(gè)點(diǎn)P1和P2,它們滿足要求P1(Xmin,Ymin),P2(Xmax,Ymax),由這2個(gè)點(diǎn)生成的矩形就是面的包圍盒;對于〈T4〉和〈T5〉將面細(xì)分為一個(gè)個(gè)的三角小面,再將這些小面的邊界投影到基面上,找到投影的P1(Xmin,Ymin),P2(Xmax,Ymax),根據(jù)這2個(gè)點(diǎn)和x,y軸方向建立一個(gè)矩形作為曲面的包圍盒.最后將包圍盒旋轉(zhuǎn)、合并成為SVp(i)的包絡(luò)體.圖5e所示為圖3中在處理特征3時(shí)須建立的回轉(zhuǎn)包絡(luò)體的實(shí)例.4加工前冗余問題的分析前面生成的加工掃體集合M存在2個(gè)問題:1)冗余問題.加工掃體代表許多重復(fù)的加工操作;2)多個(gè)加工掃體可以合并為一個(gè)加工特征.下面簡述有關(guān)處理方法.4.1相同加工掃體重復(fù)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換過程中,由于不同掃體的多種掃掠方式、方向和長度等多種因素的相互作用,演化出不同形式的掃體拆分形式,雖然這些形式有利于產(chǎn)生各種可能的加工方式,卻產(chǎn)生了加工掃體冗余的問題:一是相同加工掃體重復(fù)出現(xiàn);二是加工掃體之間可能存在相互包含關(guān)系.所以去除冗余主要是判斷掃體之間的包含關(guān)系.首先是取出M中第i個(gè)掃體,記為MSi,在循環(huán)M中的每一個(gè)掃體MSj(i≠j),如果MSi?MSj,那么刪除MSj.這里的包含不僅僅是空間點(diǎn)集合的包含,為了保留加工方式,我們還限定它們的掃體類型與方向要一致.由于判斷時(shí)計(jì)算量較大,為減少計(jì)算量,判斷前先尋找這2個(gè)掃體的包圍盒,檢查這2個(gè)包圍盒是否相交.如果相交,再繼續(xù)判斷2個(gè)掃體是否包含,通過實(shí)際驗(yàn)證這個(gè)功能可以減少計(jì)算量,提高算法的效率.4.2生成掃體的掃體路徑合并經(jīng)過去除冗余后,加工掃體集合M中的掃體數(shù)量已經(jīng)大大減少,但是還存在一些掃體,它們或相鄰,或有相交部分,如果能將這些掃體合并為一個(gè)或者幾個(gè)掃體,那么既可以減少加工掃體的相交的數(shù)量,同時(shí)還可以盡量地增加走刀的有效長度.這里的合并包含3個(gè)方面:1)截面合并.當(dāng)多個(gè)掃體的類型相同、方向平行,可以重新生成掃體的掃掠截面時(shí),產(chǎn)生新的更適合加工的掃體.其掃體類型和方向必須相同;找出一個(gè)這些掃體最大輪廓線并用其生成掃體;將這個(gè)掃體不能包含的部分區(qū)域生成一個(gè)小的掃體;在M中這些掃體就代替原掃體,如圖6a所示.2)路徑合并.這種方法針對2種情況:a.2種掃體類型不同,且回轉(zhuǎn)掃體過軸線的端面與直掃體的兩端面之一相接,回轉(zhuǎn)方向與直掃體方向垂直;b.類型相同的掃體相交且掃掠方向一致.這種合并的結(jié)果是一個(gè)具有直線和圓弧組合軌跡的掃體,其掃掠截面形狀都是相同的,如圖6b所示.3)區(qū)域合并.經(jīng)過截面和路徑合并后,為了能生成與非圓柱輪廓刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對應(yīng)的加工特征,還需要對M中掃體進(jìn)一步合并,稱為區(qū)域合并.區(qū)域合并是對相鄰的線性組合軌跡的掃體和一般的直掃體進(jìn)行的合并,要求進(jìn)行合并的直掃體的方向要與線性軌跡的掃體的軌跡線垂直,如圖6c所示.5維造型擬合與交互操作本文所用特征轉(zhuǎn)換原型系統(tǒng)所使用的編程環(huán)境是MicrosoftVisualC++6.0,所用的CAD支撐軟件是UnigraphicsNX2.0,通過UG?openAPI所提供的函數(shù)還可以在得到這些參數(shù)后使用其進(jìn)行一些建模操作,從而實(shí)現(xiàn)體運(yùn)算以及布爾操作等.本系統(tǒng)同時(shí)也可以處理使用天喻軟件公司開發(fā)的InteSolid建立的特征參數(shù)化模型.由于UG外模式不支持三維顯示,因此本系統(tǒng)在三維造型軟件ACIS環(huán)境下開發(fā)出如圖7所示三維顯示與交互操作界面.6零件主要處理圖8所示為一個(gè)同時(shí)有回轉(zhuǎn)掃體和直掃體特征的例子,我們用這個(gè)例子說明本文算法處理由2種類型特征組成的零件的一些主要處理過程;圖9所示為以回轉(zhuǎn)掃體為主要特征