基于扫体的从设计特征向加工特征转换的统一方法

基于扫体的从设计特征向加工特征转换的统一方法

0基于b-rep和csg模型的加工信息提取转换实现capp的完美融合一直是capp领域的研究重点。这项技术的核心部分是从三维几何模型中自动提取加工信息。这一过程通常被视为连接零件设计和加工的桥梁。在3d系统中，零件的表达形式有两种类型：轮廓模型（b-rep）和结构实体几何模型（csg）。提取加工信息的方法是不同的。基于b-rep模型的加工信息提取通常被称为特征识别。在国内外已有很多研究活动。基于csg模型的加工信息提取通常被称为特征转换。现有的转换方法主要有两种：渐进式基面外移法和渐入式层压法。对于直拉伸的特性，请参考直接抗弯涂层和不同分解方法的影响。事实上，提取各种加工方法（包括坦克、车辆和联合刀加工）的加工信息提取对于提高工艺筛选非常重要。在这些问题上，提出了基于扫描的资源交换方法。该算法的一致性反映在直接扫描和反向扫描的两个资源的转化上是一致的程序过程。考虑到毛的形状对加工特征的影响，考虑到资源选择优化的要求。1方法总结1.1设计特征与加工特征的扫描方式从工程意义上讲,特征是零件表面上具有特定形状的部分区域,它代表零件的某种功能或制造方法;前者为设计特征,后者为制造特征.从CAD造型角度看,特征都可以用一些特定参数控制的基本形体(或称特征体)表示,它们的布尔组合用来表示零件模型,布尔运算后零件模型中残留的特征体表面即为对应特征的功能区域或制造区域.目前,CAD系统中的设计特征通常有基本体素(方块、圆柱等)、扫掠、倒角、凸台、孔、槽、阵列和用户自定义特征等,其特征体一般可用封闭平面轮廓的扫掠体(简称扫体)或其组合表示.加工特征通常代表典型的粗加工方法,如钻孔、铣槽、车圆面等,其特征体是具有一定轮廓的刀具沿着一定路径运动而切除的材料;常见的刀具运动模式是直线运动(如钻孔)、平面运动(如铣槽)和圆周运动(如车圆面)等;所以加工特征的特征体通常也可以用直扫体、回转扫体或它们的组合表示.本文将设计特征与加工特征均用扫体表示,这样使算法处理过程统一.为了考虑不同加工方式和加工方向,同一特征会对应多个扫体表示.图1a所示为一个正方体,如果用扫体表示,它就有一种扫掠表达方式(即直扫体)和3种可能的扫掠方向;图1b所示为一个圆柱体,用扫体表示它就有2种扫掠表达方式(即回转扫体和直扫体),每一种表达方式只有一个扫掠方向.1.2生成加工特征集合特征转换算法的输入是零件和毛坯的参数化设计特征模型,是它们的构形历史树.历史树中一般不考虑布尔交操作,另外设布尔并操作特征为正特征,布尔差操作特征为负特征.该算法通过几何分析处理,将包含正负特征的设计特征的零件模型转化为只包含负特征的加工特征零件模型.本文方法主要步骤如下:Step1.将零件和毛坯模型分别用扫体重构.设SPart={Fp(i)}和SBlank={Fb(j)}分别是零件与毛坯模型的设计特征集合.将具有多样性的特征表达方式转化为统一的扫体表示,即SPart={SVp(i)}和SBlank={SVb(j)}.同一特征的不同扫体表示以相同运算符号扫体加入集合中.另外,置初始加工扫体集合M={SVm(k)}包含所有毛坯扫体{SVb(j)},即假定零件体为空时所有的毛坯都应切除.Step2.依次用SPart中扫体逐步拆分更新M中加工扫体,以生成代表不同加工方法的扫体.Step3.对M中加工扫体进行选择合并,生成加工特征集合MFeatures={Fm(k)}.2扫体sviut的加工本文方法转换出来的加工特征实际上就是在加工一个或多个特征的某一个或几个面时与加工方式相对应的最大材料切除体.我们的目标是根据加工方式和方向,将该差体拆分出加工扫体.拆分过程中的主要步骤如下:Step1.将SVp(i)与SVIntersect(i)进行布尔交操作,得到相交部分的实体bIntersect=SVp(i)∩*SVIntersect(i).Step2.由SVIntersect(i)的方式、方向及扫掠面,生成bIntersect的最小包络体,记为svInside,其构建方法见第3节.Step3.由svInside避过SVp(i)将svIntersect(i)用如图2所示的3个扫体表示,分别为svUpper,svLower和svSide,并将它们放入中间集合svTmp={sv(i)}.这一步得到与SVIntersect(i)的加工方式和方向相同的最大材料切除体.Step4.检查这3个扫体是否能完全表示材料差体,即SVIntersect(i)是否等于*svUpper∪*svLower∪*svSide∪*svInside.若能够完全表示,就说明前面生成的加工扫体的加工方式和加工方向能够满足SVp(i)的加工需求,转Step7.Step5.若不能将SVp(i)完全表示,则不能满足,所以需要找到适合SVp(i)的加工方式和方向,而其加工方式可以看作是其扫体的形式,加工方向也可以看作是其扫掠方向.首先由SVp(i)的扫掠方向建立扫体svOut(i),这个扫体是如图3所示的SVIntersect(i)的最小包络体.需要加工的是特征3,特征1和特征2的加工扫体就是与负特征大小相同的回转扫体SVIntersect(i),用回转的方式来加工特征3不能达到完全加工的目的,所以需要进一步根据特征3的方式和方向寻找切除剩余材料的加工扫体.Step6.与Step3相同,也将svOut用svUpper,svLower和svSide表示.由于其他特征的干涉,可能无法生成3个扫体中的一个,如图3的例子中生成的svUpper无法完整加工如图3d所示的特征3中的上表面,所以要调整svOut使其能最大可能生成3个扫体.为此,首先将特征3按d1方向延伸至svOut整个长度,再将得到如图3e所示的体与零件体相交得到相交体;然后通过缩短svOut的扫掠长度而避开相交体得到如图3f所示新的svOut.此后,再根据Step3的方法将svOut拆分为如图3g所示的svUpper,svLower和svSide3个扫体.最后,再用交体包络法分别调整这3个扫体的扫掠截面和长度以避过零件体,生成如图3h所示新的svUpper,svLower和svSide,放入svTmp.Step7.更新加工扫体集合M,即用svTmp中的扫体替换M中的SVIntersect(i).这里svTmp即为差体SVIntersect(i)-*SVp(i)的拆分扫体集合.对于回转扫体的一些处理方法,由于拆分逻辑与直扫体是相同的,仅细节上稍有不同,本文不再赘述,图4所示为图3中作为回转扫体处理的结果.同样用3个扫体svUpper,svLower和svSide表示SVIntersect(i),如果这3个扫体与零件再没有相交,则放入svTmp.这几个扫体是对与待加工特征干涉的已生成的加工扫体的处理,而对于待加工特征还要根据其扫体的方式和方向来生成加工扫体.3包络体建设3.1svpi的拉伸包络直扫体根据{sv(i)}中与待加工的特征相交的SVIntersect(i)建立.待加工特征的面根据SVIntersect(i)的方向D分为3种类型:面的法向n与D的夹角,<90°时为〈T1〉,>90°时为〈T2〉,=90°时为〈T3〉,如图5a所示,SVp(i)共有9个面,其中1,2,3为〈T1〉,4,5,6,7为〈T2〉,8和9为〈T3〉.要找到包络体首先要将各个面投影到一个面上,然后再将其拉伸包络SVp(i).首先建立这个面,由于三维体存在封闭性,我们仅取〈T1〉的各个面将其投影到SVp(i)在D方向上最低点建立的参考平面P上,平面法向与D相同,再取〈T1〉的各个面将其投影到P上.若是平面,则直接找出面片的各边界的端点投影到P上,然后再由投影点生成投影面;若是曲面,则考虑到轮廓线有可能出现在曲面中间,将曲面细化为一系列的三角小面,将每一个小面作为平面来处理,如图5b所示,将面2细化;然后将各个投影小面用一个大的矩形面来包围,即求得投影面的包围盒;最后将各个投影面分别拉长到实体在D方向的最大长度,再将各个小实体合并即得到原实体的包络体.3.2旋转轴线面的生成对于回转扫体,同样根据{sv(i)}中与待加工的特征相交的SVIntersect(i)建立.考虑到SVp(i)的不同情况,先做预处理,将SVp(i)根据其角度是否为360°分为2种:=360°为第1种,其余为第2种.这里的360°如图5c所示,包括2种形式.如果仅将第1种体的各个面投影,那么不能完全找到包络体.我们将第1种情况的SVp(i)分为如图5d所示的2个体,这样就能在原有面不变的情况下增加面的个数以得到包络体.然后根据SVIntersect(i)的旋转轴信息(包括旋转轴方向D和基点PB(x,y,z))将待加工特征的面Fa也分成几个类型.〈T1〉:Fa为平面且面的法向n与D平行;〈T2〉:Fa为平面且n与D不平行;〈T3〉:Fa为旋转曲面且其旋转轴与SVIntersect(i)相同;〈T4〉:Fa为旋转曲面且旋转轴与SVIntersect(i)不同;〈T5〉:Fa为其余的非旋转曲面.属于〈T1〉和〈T3〉的面在基面上的旋转投影是一条直线,对生成包络体没有影响,故舍去这2种类型的面;对于〈T2〉在旋转投影时,由于平面离旋转轴直线的最大值在边界上,最小值可能在面内,故先将平面的各个边界投影到基面上得到投影线{curve(i),i=0,1,2,…},然后判断平面离旋转轴直线距离最短的点Pmin是否在边界上.如果Pmin在边界上,那么投影线就是面在基面上的包围盒;否则,在基面上建立以旋转轴为Y轴的二维坐标系,找出{curve(i),i=0,1,2,…}和Pmin中在新坐标系下的2个点P1和P2,它们满足要求P1(Xmin,Ymin),P2(Xmax,Ymax),由这2个点生成的矩形就是面的包围盒;对于〈T4〉和〈T5〉将面细分为一个个的三角小面,再将这些小面的边界投影到基面上,找到投影的P1(Xmin,Ymin),P2(Xmax,Ymax),根据这2个点和x,y轴方向建立一个矩形作为曲面的包围盒.最后将包围盒旋转、合并成为SVp(i)的包络体.图5e所示为图3中在处理特征3时须建立的回转包络体的实例.4加工前冗余问题的分析前面生成的加工扫体集合M存在2个问题:1)冗余问题.加工扫体代表许多重复的加工操作;2)多个加工扫体可以合并为一个加工特征.下面简述有关处理方法.4.1相同加工扫体重复出现在转换过程中,由于不同扫体的多种扫掠方式、方向和长度等多种因素的相互作用,演化出不同形式的扫体拆分形式,虽然这些形式有利于产生各种可能的加工方式,却产生了加工扫体冗余的问题:一是相同加工扫体重复出现;二是加工扫体之间可能存在相互包含关系.所以去除冗余主要是判断扫体之间的包含关系.首先是取出M中第i个扫体,记为MSi,在循环M中的每一个扫体MSj(i≠j),如果MSi⊆MSj,那么删除MSj.这里的包含不仅仅是空间点集合的包含,为了保留加工方式,我们还限定它们的扫体类型与方向要一致.由于判断时计算量较大,为减少计算量,判断前先寻找这2个扫体的包围盒,检查这2个包围盒是否相交.如果相交,再继续判断2个扫体是否包含,通过实际验证这个功能可以减少计算量,提高算法的效率.4.2生成扫体的扫体路径合并经过去除冗余后,加工扫体集合M中的扫体数量已经大大减少,但是还存在一些扫体,它们或相邻,或有相交部分,如果能将这些扫体合并为一个或者几个扫体,那么既可以减少加工扫体的相交的数量,同时还可以尽量地增加走刀的有效长度.这里的合并包含3个方面:1)截面合并.当多个扫体的类型相同、方向平行,可以重新生成扫体的扫掠截面时,产生新的更适合加工的扫体.其扫体类型和方向必须相同;找出一个这些扫体最大轮廓线并用其生成扫体;将这个扫体不能包含的部分区域生成一个小的扫体;在M中这些扫体就代替原扫体,如图6a所示.2)路径合并.这种方法针对2种情况:a.2种扫体类型不同,且回转扫体过轴线的端面与直扫体的两端面之一相接,回转方向与直扫体方向垂直;b.类型相同的扫体相交且扫掠方向一致.这种合并的结果是一个具有直线和圆弧组合轨迹的扫体,其扫掠截面形状都是相同的,如图6b所示.3)区域合并.经过截面和路径合并后,为了能生成与非圆柱轮廓刀具的往复运动对应的加工特征,还需要对M中扫体进一步合并,称为区域合并.区域合并是对相邻的线性组合轨迹的扫体和一般的直扫体进行的合并,要求进行合并的直扫体的方向要与线性轨迹的扫体的轨迹线垂直,如图6c所示.5维造型拟合与交互操作本文所用特征转换原型系统所使用的编程环境是MicrosoftVisualC++6.0,所用的CAD支撑软件是UnigraphicsNX2.0,通过UG?openAPI所提供的函数还可以在得到这些参数后使用其进行一些建模操作,从而实现体运算以及布尔操作等.本系统同时也可以处理使用天喻软件公司开发的InteSolid建立的特征参数化模型.由于UG外模式不支持三维显示,因此本系统在三维造型软件ACIS环境下开发出如图7所示三维显示与交互操作界面.6零件主要处理图8所示为一个同时有回转扫体和直扫体特征的例子,我们用这个例子说明本文算法处理由2种类型特征组成的零件的一些主要处理过程;图9所示为以回转扫体为主要特征