（1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074； 2.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

增材制造經(jīng)過快速發(fā)展，在航空航天、微納制造、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1]，電子束熔絲增材制造（Electron Beam Fuse Additive Manufacturing，EBF）以其高質(zhì)量、低成本、快速制造的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于鈦合金、鋁合金、鎳合金等飛行器零件的制造中[2]，在制造領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。電子束熔絲增材制造整個(gè)生產(chǎn)周期分為前處理、打印成形、后處理3 部分[3]，電子束熔絲增材制造中，由于工件堆積成形過程中數(shù)模結(jié)構(gòu)特征、凝固收縮、成形精度等多方面因素影響，成形后零件表面精度不夠，需要對其機(jī)械加工，因此需要對原模型做一定修改，增加一定余量。另一方面由于其逐層堆積凝固特性，需要對一些懸空面進(jìn)行處理，減少懸空面等結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)模型重建方法只能通過手工進(jìn)行修改，需要對特征進(jìn)行大量的分析及重復(fù)工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且規(guī)范性差，再建過程的低效率導(dǎo)致了整個(gè)制造周期的增長?；谌SCAD 軟件缺少專用數(shù)模再建功能的現(xiàn)狀，有必要開發(fā)專用的數(shù)模特征識別與快捷再建系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵特征的識別以及包括識別特征在內(nèi)的快捷再建功能。

本文以NX 10.0為開發(fā)平臺，C/C++為開發(fā)語言，在Visual Studio 2012 編譯環(huán)境下，基于NX 二次開發(fā)框架下的NX Open API、Block UI Styler和Menuscript 技術(shù)[4–5]開發(fā)出數(shù)模特征識別與快捷再建系統(tǒng)，以應(yīng)用到數(shù)模再建過程中，達(dá)到提高再建效率與規(guī)范性，縮短生產(chǎn)周期的目的。

1 數(shù)模特征識別與快捷再建系統(tǒng)

從目前電子束熔絲增材制造的經(jīng)驗(yàn)上看，成形的大型零件中主要存在圖1所示的幾種典型結(jié)構(gòu)。

針對不同結(jié)構(gòu)，對模型的處理策略也略有不同，本文開發(fā)了適用于不同結(jié)構(gòu)再建處理的軟件系統(tǒng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征分析及需求分析所要開發(fā)的數(shù)模再建系統(tǒng)主要分為兩大部分：特征識別庫和特征再建。其中根據(jù)特征的種類，可將特征識別庫分為4個(gè)模塊：孔、凸臺、圓角及拐角、支撐面，模塊之間相互獨(dú)立；特征再建分為識別特征的再建和其他特征再建，對于識別特征的再建也是依據(jù)特征分類，依附于每個(gè)特征的識別模塊，即特征的識別與再建連續(xù)進(jìn)行。其他特征，包括腹板上高筋條結(jié)構(gòu)和臺階以及外表面余量補(bǔ)償都有各自的功能模塊。數(shù)模再建系統(tǒng)的框架如圖2所示。

（1）典型結(jié)構(gòu)特征庫。

對于基于設(shè)計(jì)模型的數(shù)模再建，首先要對典型的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行識別處理。特征庫中建立了包括孔、凸臺、圓角、拐角、支撐面的識別模塊，其中圓角與拐角組合在一起。選定特征所屬零件，通過特征特定識別算法的實(shí)現(xiàn)，識別零件中符合定義的特征，并儲存在特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通過列表框進(jìn)行可視化顯示，同時(shí)提供添加、刪除功能。

（2）識別特征的再建。

對于特征庫中識別的特征，首先要提取特征的特定結(jié)構(gòu)參數(shù)作為其再建的依據(jù)，然后輸入再建的臨界值參數(shù)，據(jù)此以應(yīng)用不同的再建規(guī)則對特征進(jìn)行自動再建。特征可能會存在相依關(guān)系，故對于特征的處理也應(yīng)遵循一定的順序。

（3）其他特征的再建。

對于其他識別困難或因數(shù)量較少沒有識別必要的結(jié)構(gòu)，如高筋條結(jié)構(gòu)和臺階，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征，通過交互選取方式獲取再建所需信息，這些信息包括特征面和特征的參數(shù)，再對參數(shù)的再建臨界值進(jìn)行規(guī)定，然后根據(jù)再建要求實(shí)現(xiàn)再建，以達(dá)到快速再建的目的，節(jié)省再建的時(shí)間，提高效率。

圖1 典型結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Typical structural features

圖2 數(shù)模再建系統(tǒng)框架圖Fig.2 Digital model reconstruction system framework

2 關(guān)鍵技術(shù)

工程中經(jīng)常有非參數(shù)化的三維模型，且模型設(shè)計(jì)特征可能存在一對多，多對多的映射關(guān)系，如何從這類實(shí)體模型中提取具有特定工程意義的特征信息是主要難點(diǎn)之一。對于用于電子束加工的模型并不是簡單的添加厚度來增加加工余量，不同的結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用符合其加工特性的結(jié)構(gòu)特征重建方法，應(yīng)以減少加工難度，添加合適余量為準(zhǔn)則。

2.1 特征識別

實(shí)體模型中最常用的幾何表示法是邊界表示法(Boundary Representations，B-Rep)和結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何法(Constructive Solid Geometry，CSG)[6–7]?；诓煌膶?shí)體模型幾何表示法，特征識別方法可分為兩類：基于邊界匹配的特征識別方法和基于體分解的特征識別方法[8–9]。

NX 平臺采用Parasolid 內(nèi)核通過幾何邊界表示法表示模型，故只能基于邊界匹配進(jìn)行特征識別。由于保密性的要求，設(shè)計(jì)數(shù)模的特征樹歷史信息通過移除參數(shù)功能移除，無法在特征層對象中直接搜索特征。通過對基于邊界匹配的特征識別方法的具體研究，采用基于規(guī)則的特征識別方法[10]，首先定義特征的邊界模式，然后從模型的元素層對象開始，在零件模型中搜索面、線、點(diǎn)等特征組成對象，從而實(shí)現(xiàn)從零件中的特征識別。基于API 代碼的特征識別步驟如下：

（1）獲取模型中的面對象，通過函數(shù)UF_OBJ_cycle_objs_in_part，找出類型為面的對象，開始遍歷。

（2）獲取面的相關(guān)信息，通過函數(shù)UF_MODL_ask_face_data 獲取面的類型和信息，與預(yù)定義特征邊界面對比，符合則可能是待識別特征，否則獲取下一個(gè)面重復(fù)該步驟。

（3）獲取邊的信息，通過函數(shù)UF_MODL_ask_face_data 等獲取邊的信息，比對是否符合特征邊界邊模式，若符合則提取特征存入數(shù)據(jù)庫，否則獲取下一個(gè)面進(jìn)行步驟（2）。

（4）當(dāng)對模型完成遍歷后，特征識別即完成。該算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

識別特征中圓孔、圓臺、圓角的特征面都是圓柱面，拐角的特征面為球面或環(huán)面，對應(yīng)于NX Open API 中為“cylinder”、“sphere”、“revolved（toroidal）”類型。邊的類型有圓弧和直線。通過對面和邊的類型組合判斷即可完成識別。

對于異形孔和異形凸臺，由多個(gè)面組成，需要先搜索入口平面，判斷平面是否有孔或凸臺的邊的入口，即判斷平面是否有內(nèi)環(huán)邊且內(nèi)環(huán)邊為多邊形，再通過該邊找到鄰面，判斷鄰面類型并構(gòu)建特征來進(jìn)行匹配。

2.2 邊的凸凹性判定

在基于邊界匹配的特征識別方法中，特征的邊界模式中只有面的信息還無法準(zhǔn)確地識別特征，還需要特征中邊的凸凹性使特征模式更加完整。對于NX 中的三維CAD 零件模型，邊的類型分為直線和曲線，其中曲線又包括圓弧、二次曲線、藝術(shù)曲線等。針對電子束熔絲增材制造技術(shù)數(shù)模中的具體邊的類型，本文只對直線和二維曲線的凸凹性進(jìn)行判定[11]。

如圖4（a）所示，鄰接面f1、f2有公共直線邊e，需判斷e的凸凹性。

凸凹性判定的基本原理是利用邊所依附的兩個(gè)面的法線向量，具體判定算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）平面f3與e 相互垂直且通過e 上的一點(diǎn)，在f1、f2與f3相交邊上分別隨機(jī)選取兩點(diǎn)p1、p2，通過函數(shù)UF_VEC3_distance 獲取兩點(diǎn)的距離為d1。

（2）通過函數(shù)UF_VEC3_distance 獲取面的外法向，將p1沿f1外法線向量平移一個(gè)單位得到點(diǎn)p3，同樣p2沿f2外法線向量平移一個(gè)單位得到點(diǎn)p4，p3和p4兩點(diǎn)的距離為d2。

（3）比較d1、d2的大小。若d1>d2，如圖4所示[11]，則邊e為凹邊；若d1

圖3 特征識別流程圖Fig.3 Feature recognition flow chart

對于邊e 進(jìn)行倒圓角操作后，該圓角的凸凹性和邊e的凸凹性相同，故可以通過該方法判斷圓角的凸凹性。

對于曲線e的凸凹性判定，如圖4（b）所示，由于f2為圓柱面類型的曲面，故在圓柱面上取陰影部分的一小段曲面，根據(jù)微積分的思想，當(dāng)所取曲面足夠小的時(shí)候，可以認(rèn)為是趨近于面積很小的平面，邊e的這部分就可以認(rèn)為是趨近于直線的圓弧，從而與直線邊的凸凹性的判定方法相同。

通過對邊的凸凹性判斷，可以對孔和凸臺、內(nèi)圓角和外圓角、內(nèi)拐角和外拐角加以區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的特征識別。

2.3 關(guān)鍵特征再建

特征再建是在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上對特征進(jìn)行操作，使其符合生產(chǎn)要求。對于不同類型與尺寸的特征再建要求不同。再建過程要遵循零件的輪廓表面沿其法線方向均留有充足的工藝余量，同時(shí)滿足毛坯結(jié)構(gòu)簡單及毛坯質(zhì)量最小的原則。

圖4 邊的凸凹性判定Fig.4 Judgement of convexity and concavity of edges

根據(jù)電子束熔絲成形逐層堆積成形特點(diǎn)，對于平面上的圓孔或異型孔結(jié)構(gòu)，若其開孔方向與加工方向不平行，為避免形成懸空結(jié)構(gòu)可將其填實(shí)。若孔隙減小可考慮成形后再打孔以增加孔壁精確度。通過UF_MODL_create_extruded 函數(shù)和布爾操作實(shí)現(xiàn)；若孔隙較大，則根據(jù)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壁位置向內(nèi)偏移相應(yīng)的單邊余量，通過UF_MODL_create_face_offset 實(shí)現(xiàn)；在圓孔中，孔隙可以認(rèn)為是圓孔的直徑，對于異形孔，孔隙則可以近似認(rèn)為是孔的邊界環(huán)的外接圓的半徑。同時(shí)由于有時(shí)候孔的軸向和孔區(qū)域堆積方向不同向，此時(shí)也需要將孔填實(shí)以方便堆積成形。

對平面上凸臺結(jié)構(gòu)，一般在選擇加工方向的時(shí)候使凸臺與其平行，避免其懸空，因此這里只考慮增加其切削余量。只需根據(jù)凸臺外側(cè)位置向外偏移相應(yīng)的單邊余量即可。一般在處理外輪廓表面后再對凸臺進(jìn)行再建。

對于單獨(dú)的圓角，根據(jù)圓角半徑與相鄰面的補(bǔ)償余量有不同的再建規(guī)則。

當(dāng)圓角R 小于或等于單邊余量時(shí)，如圖5（a）所示，只需抑制圓角特征，后續(xù)對圓角相鄰面添加余量時(shí)結(jié)果相同，也不會影響后續(xù)生產(chǎn)加工；當(dāng)圓角R 大于單邊余量時(shí)，如圖5（b）所示，圓角處的表面沿其法線方向的工藝余量無法保證，為保證加工質(zhì)量，需要在圓角處額外增加工藝余量，如圖5（c）所示，假定圓角兩邊夾角為α，邊長垂線與圓角角平分線的夾角為θ，半徑為r的圓弧為圓角按余量補(bǔ)償值偏移后得到的，是圓角半徑與余量補(bǔ)償值的差值，s 及t的計(jì)算過程如下：

圖5 不同半徑圓角的再建Fig.5 Reconstruction of fillets with different radii

由于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)精度的要求，無法做到圖5（c）所示的理想情況，一般通過方塊進(jìn)行額外補(bǔ)償，具體實(shí)現(xiàn)通過NX Open API 中包容盒功能，通過提取圓角的參數(shù)，建立相對坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)包容盒的創(chuàng)建。

在數(shù)模中，一般槽結(jié)構(gòu)中會出現(xiàn)較多的圓角和拐角相鄰的情況，圓角一般按一定規(guī)則聚集在一起。圓角通過拐角相連可以形成環(huán)。一個(gè)拐角最多與3個(gè)圓角相鄰，1個(gè)圓角最多與2個(gè)拐角相鄰。

對圓角和拐角類特征再建的第1 步是按照一定規(guī)則將其進(jìn)行組合。對圖6所示的圓角，內(nèi)圓角可以與圓環(huán)及底面組合成圖7所示結(jié)構(gòu)。

圖6 圓角實(shí)例模型Fig.6 Fillet instance model

圖7 圓角與拐角組合方式Fig.7 Combination of fillets and corners

圖8 內(nèi)圓角及拐角兩種再建情況Fig.8 Two reconstructions of fillets and corners

圖9 臺階的再建Fig.9 Reconstruction of steps

對于圖6所示內(nèi)圓角的再建有圖8所示兩種情況，一種是當(dāng)?shù)菇前霃胶艽笄移矫婷娣e很大時(shí)，只對倒角和拐角進(jìn)行再建，由于圖8（a）所示方法無法滿足精度要求，通過長方體包容盒的方式對倒角和拐角進(jìn)行抑制，這種方式易于EBF 堆積成形，且節(jié)省材料。對于包容和高度不一致的情況，可以手動調(diào)整到同一高度；另一種情況下，當(dāng)?shù)菇前霃胶苄』蛘咂矫婷娣e很小時(shí)，可以通過對平面拉伸從而隱藏倒角和拐角特征，此時(shí)不會浪費(fèi)材料也使成形更加簡單，如圖8（b）所示。

對于外圓角及拐角，組合方式相同，但再建操作只需對相連的圓角和拐角進(jìn)行整體抑制。

臺階在EBF 數(shù)模中一般存在于外表面，可以看作由上臺階面、過渡面和下臺階面3個(gè)面組成，一般臺階面相互平行且都為平面，定義臺階面的高差為臺階差。對存在臺階差的平面結(jié)構(gòu)，由于EBF工藝制造精度限制，若臺階差小于某個(gè)雙方商定的值，可忽略臺階結(jié)構(gòu)，當(dāng)成一個(gè)平面處理，但需滿足各個(gè)位置均達(dá)到最小工藝余量；若臺階差偏大，則保留臺階結(jié)構(gòu)，各自向外進(jìn)行余量補(bǔ)償。

臺階的過渡面可能是與階梯平面都垂直的平面，也有可能是斜面或圓角面，這種情況多出現(xiàn)在壁板或肋板上。以斜面過渡面為例，如圖9（a）所示，當(dāng)臺階差小于臨界值時(shí)，處理方法都是以上臺階面為標(biāo)準(zhǔn)，對下臺階面和過渡面進(jìn)行再建，如圖9（b）所示；當(dāng)臺階差大于臨界值時(shí)，為了便于路徑規(guī)劃，需要對過渡面進(jìn)行再建，使其與臺階面垂直，如圖9（c）所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

基于上述方法，本文開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)模特征識別與快捷再建系統(tǒng)。在NX 10.0 菜單欄中添加系統(tǒng)菜單欄及工具欄界面，如圖10所示，通過觸發(fā)菜單或工具欄按鈕調(diào)用界面，并通過界面與程序的交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

通過數(shù)模特征識別與快捷再建系統(tǒng)，對圖11（a）所示框梁整體結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行再建，得到加工數(shù)模如圖11(b)所示，該模型打印過程為先通過加工底面對下半部分進(jìn)行堆積，然后將工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，對上半部分進(jìn)行堆積。最終得到的工件進(jìn)行機(jī)械加工后即可得到與設(shè)計(jì)數(shù)模形狀一樣的工件。

具體再建過程可按以下步驟進(jìn)行：

（1）首先檢查模型整體完整性，對模型進(jìn)行優(yōu)化。

（2）對環(huán)形倒角及圓孔進(jìn)行特征識別再建，如圖12所示。

（3）對圓角及拐角進(jìn)行的識別與再建，如圖13所示。

（4）對階梯面進(jìn)行再建，如圖14所示，此步驟需要技術(shù)人員對模型進(jìn)行分析，找出符合條件的臺階。

（5）對模型進(jìn)行檢查，對復(fù)雜特征和相交特征等系統(tǒng)無法處理的特征依托NX 建模功能進(jìn)行手動再建；對輪廓面進(jìn)行余量補(bǔ)償。

（6）對支撐面進(jìn)行識別和再建，如圖15所示，得到最終再建數(shù)模。

（7）導(dǎo)出為STL 格式文件。

圖10 系統(tǒng)界面Fig.10 Interface of system

圖11 框梁整體結(jié)構(gòu)實(shí)例Fig.11 Example of frame beam overall structure

圖12 圓孔識別及再建Fig.12 Identification and reconstruction of round holes

圖13 圓角和拐角識別及再建Fig.13 Identification and reconstruction of fillets and rounds

圖14 階梯再建Fig.14 Reconstruction of steps

圖15 支撐面識別及再建Fig.15 Identification and reconstruction of support faces

通過數(shù)模特征識別與快捷再建系統(tǒng)，對模型中的圓孔、圓角、拐角和支撐面等特征實(shí)現(xiàn)自動識別，并依據(jù)用戶輸入的控制變量進(jìn)行自動再建，快捷完成了對設(shè)計(jì)數(shù)模的再建，提高了自動化程度，提高了效率，為整個(gè)EBF生產(chǎn)周期的縮短提供了技術(shù)保證。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于NX 10.0 平臺的實(shí)體模型特征識別方法，并應(yīng)用于電子束熔絲增材制造模型的再建。針對電子束熔絲增材制造的工藝特性，開發(fā)了數(shù)模特征識別與快捷再建系統(tǒng)。通過特征識別技術(shù)，能夠快速識別出需要再建的特征，減少了再建過程中的大量重復(fù)操作；并且開發(fā)出對特征的快捷再建功能，對特征的再建一步到位，減少了操作步驟，縮短了數(shù)模再建過程的周期，提高了數(shù)模再建設(shè)計(jì)的規(guī)范性。