角盒类零件加工特征识别方法_沙智华.pdf

1072023年第66卷第3期航空制造技术RESEARCH研究论文*基金项目：国家自然科学基金（52075066）；辽宁省重点研发计划资助项目（2019JH2/10100033）；大连市科技创新基金（2021JJ12GX009）。引文格式：沙智华,李伟奇,马付建,等.角盒类零件加工特征识别方法J.航空制造技术,2023,66(3):107113.SHA Zhihua,LI Weiqi,MA Fujian,et al.Machining feature recognition method of corner box partsJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(3):107113.零件质量不稳定，这些问题严重制约了航空航天领域的发展。加工特征作为加工几何信息和加工工艺的载体，能有效实现角盒类零件的结构化表达，将加工特征与加工工艺进行关联，能够缩短数控加工工艺准备周期，提升加工工艺准备的规范化，从而提高角盒类零件数控编随着我国航空工业的迅猛发展，新型飞机朝着长航时、高搭载能力、高机动性的需求发展1。为减轻重量、提高结构刚度，机身结构中开始大量应用具有复杂薄壁特征的角盒类零件。由于角盒类零件改型多，工艺决策时需手动提取几何形状信息，导致数控编程效率低下、角盒类零件加工特征识别方法*沙智华1，2，李伟奇1，马付建1，王国庆1，王紫光1，张生芳1，2（1.大连交通大学，大连 116028；2.辽宁省轨道交通装备智能化技术重点实验室，大连 116028）摘要 为提高角盒类零件数控加工工艺规划速度，研究加工特征自动识别过程，提出基于识别方向单特征顺序图匹配的特征识别方法。结合角盒类零件加工工艺流程，将加工特征分为正面加工特征、反面加工特征、正反双面加工特征、侧面加工特征 4 种类型。介绍了加工特征识别过程，包括孔特征和过渡特征识别与抑制、单特征属性邻接图生成与分解、加工特征类型判别等关键步骤。建立了角盒类零件加工特征识别原型系统，并通过角盒类典型零件验证所提方法的有效性与正确性。关键词：角盒类零件；加工特征；属性邻接图；特征识别；图匹配Machining Feature Recognition Method of Corner Box PartsSHA Zhihua1,2,LI Weiqi1,MA Fujian1,WANG Guoqing1,WANG Ziguang1,ZHANG Shengfang1,2(1.Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Key Laboratory for Intelligent Technology in Railway Equipment of Liaoning Province,Dalian 116028,China)ABSTRACT To improve the speed of NC machining process planning for corner box parts,the automatic recognition process of machining feature was researched,and a feature recognition method based on single feature sequence graph matching in recognition direction was proposed.According to the processing process of corner box parts,the machining feature was divided into four types of front machining feature,back machining feature,front and back machining feature,and side machining feature.The recognition process of machining feature was introduced,which included the key steps such as the recognition and suppression of hole and transition feature,the generation and decomposition of attributed adjacency graph,and the discrimination of machining feature types.The prototype system of the machining feature recognition of corner box parts was established.A corner box typical part was used to verify the validity and correctness of the proposed method.Keywords:Corner box parts;Machining feature;Attribute adjacency graph;Feature recognition;Graph matchingDOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.03.107108航空制造技术2023年第66卷第3期研究论文RESEARCH程效率和质量2。目前为止，典型的加工特征识别方法包括基于规则的方法3、基于图的方法4、基于痕迹的方法5、凸包分解法6、单元体分解法7以及基于数据驱动的加工特征识别方法8。基于图的方法是研究应用最多的方法之一，Joshi 等9在面边图的基础上，将边的凹凸性表示为弧的属性，首次提出了基于属性邻接图（Attributed adjacency graph，AAG）的特征识别方法。Marefat 等10首次采用添加虚链的方法来提高图匹配识别方法在识别相交特征方面的能力。谢飞等11以零件模型中的几何信息与拓扑信息为基础构建加权属性邻接图，结合子图同构算法与相关判定规则实现常见加工特征的识别。罗晨等12在几何特征匹配时考虑其几何形状和拓扑关系，通过寻找节点对应约束的最大相似连通子图综合确定几何特征相似度，建立了一种夹具设计案例特征表示的新型检索机制。黄丰云等13针对传统图匹配方法中子图同构算法时间复杂度高和特征表达二义性等问题，提出了基于扩展属性邻接图和图同构的特征识别方法。基于图的方法能够高效识别零件中的独立特征和部分相交特征，但在处理复杂零件相交特征时仍显不足。主要体现在痕迹的生成和补全算法依赖预先定义的特征相交模式，而复杂零件相交特征的模式又十分庞杂，无法事先完全定义。此外该方法直接获取零件 AAG，在AAG 中处理过渡特征的抑制问题，导致分解 AAG 获得最小属性邻接图（Minimum attributed adjacency graph，MAAG）过程复杂，特征识别的速度较慢。角盒类零件中存在多个特征相交形成的复合特征，直接采用基于图的特征识别方法识别过程复杂，为提高角盒类零件特征识别效率降低算法复杂度，本文在上述研究的基础上，提出了一种基于识别方向单特征顺序图匹配的特征识别方法：结合角盒类零件的加工工艺特点对加工特征进行分类；识别并抑制零件模型中的孔特征与过渡特征；沿着主辅识别方向生成单特征 AAG，分解 AAG 获得 MAAG，将 MAAG 与用户预先定义特征AAG 进行子图匹配；结合规则确定加工特征的类型，获得特征识别结果。1 加工特征的分类方法1.1 基本概念定义角盒类零件是具有 3 个相互垂直的薄壁结构（底板、侧壁和筋板），且通过底板、侧壁外表面与其他零件和结构进行连接的小型零件。加工工艺为正面加工与反面加工，部分孔特征需要侧面加工。角盒类零件如图1 所示。为更好地识别加工特征，对角盒类零件的相关基本概念做如下定义。（1）底板、侧壁、筋板：遍历零件模型拓扑面形成与x、y、z 轴垂直的 3 个面集 Fx、Fy、Fz，计算每个面集拓扑面面积和 Sx、Sy、Sz，面积和从大到小依次是底板、侧壁、筋板。筋板主要起加固零件的作用，除孔特征以外没有其他特征。（2）主识别方向：与角盒底板垂直且由零件内腔指向底板，用于识别零件中大部分特征。（3）辅助识别方向：与角盒侧壁垂直且由零件内腔指向侧壁，用于识别主识别方向下识别不到的特征。（4）待识别面：与识别方向垂直的平面，构成单特征 AAG 的中心。（5）邻接面：与待识别面相邻的面，构成单特征AAG 的边缘。（6）凹边、凸边：零件实体中任意边的两个邻接面，在零件体外夹角小于 180 时，任意边为凹边；当零件体外夹角大于 180 时，任意边为凸边。1.2 加工特征的分类通过分析角盒类零件特点可知，角盒类零件中的基本特征为孔、盲台阶、台阶特征。基本特征的定义如图2 所示。（1）孔特征：零件模型中的封闭贯通区域如图 2（a）所示，角盒类零件中孔特征均为通孔。（2）盲台阶特征：在待识别面与邻接面中存在 3 个相互垂直的平面，且任意两平面公共边为凹边，由这 3个平面构成盲台阶特征如图 2（b）所示。（3）台阶特征：仅有一条由待识别面与邻接面形成的凹边，组成凹边的待识别面与邻接面构成台阶特征。根据待识别面与邻接面的夹角分为锐角台阶、直角台阶、图 1 角盒类零件Fig.1 Corner box parts底板筋板辅助识别方向主识别方向侧壁图 2 基本特征示意图Fig.2 Schematic diagram of basic feature（a）孔（b）盲台阶（c）直角台阶1092023年第66卷第3期航空制造技术RESEARCH研究论文钝角台阶，如图 2（c）所示为直角台阶。由于角盒类零件中特征的位置不同，对应的加工工艺也不同。故结合特征位置将孔特征分为底板孔（Hb）、侧壁孔（Hr）、筋板孔（Hs）；将台阶特征分为底板底面台阶（a）、侧壁顶面台阶（b）、侧壁侧面台阶（c）、底板侧面台阶（d）。基本特征分类如图 3 所示。结合角盒类零件的加工工艺流程将角盒类零件的加工特征分为正面加工特征、反面加工特征、正反双面加工特征和侧面加工特征 4 种类型，如图 4 所示。2 加工特征识别过程2.1 孔特征的识别与抑制通常孔特征的识别需要扩展 AAG 中公共边的属性，增加内环边与外环边2，这无疑复杂化了孔特征的识别过程。在 CATIA 创建的角盒类零件模型中，孔特征均由孔工具条实现，同时 CATIA 还提供了可以直接检索到孔特征的函数。因此在本文提出的识别方法中，孔特征直接从零件模型特征树中识别，识别过程如下。步骤 1：遍历零件模型的特征树，获取孔特征存放到链表中。步骤 2：遍历孔特征，获取并存储孔特征的轴向、直径、深度、中心坐标等信息。基于以上信息判断孔特征的类型。步骤 3：获取孔特征在特征树中的父级，移除孔特征，更新零件模型。步骤 4：将孔特征移除后模型组成面标识符映射到原始模型中。图 5 是图 1 所示角盒零件孔特征抑制后模型。移除孔特征后减少了待识别面的邻接面个数，避免了孔特征与待识别面公共边凹凸性不明问题，提高了特征识别的准确性。2.2 过渡特征的识别与抑制零件中存在为减少集中应力、增加零件局部强度的过渡特征14，使原有的拓扑关系变得更加复杂，增加了特征识别过程的难度和计算量。角盒类零件中的过渡特征为圆角特征，圆角特征是通过 CATIA 建模软件中的圆角工具条创建的，与孔特征识别相同，圆角特征也可以从直接零件模型特征树中获取。圆角特征识别过程如下。步骤 1：遍历零件模型特征树，获取圆角特征存放在链表中。步骤 2：遍历圆角特征，获取并存储特征半径、法向量、组成面、邻接面等信息。步骤 3：获取圆角特征在特征树中的父级，移除圆角特征，更新零件模型。步骤 4：将圆角特征移除后模型组成面标识符映射到原始模型中。步骤 1 是圆角特征的