李 樂(lè)

(西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

高頻元件是波導(dǎo)裂縫陣天線中由波導(dǎo)腔和裂縫組成的具有高頻特性的陣列結(jié)構(gòu)單元，這些陣列壁薄、精度要求高、加工易變形、加工合格率低，是工程研制生產(chǎn)中的瓶頸。如何實(shí)現(xiàn)高頻元件模型制造特征的自動(dòng)識(shí)別是加工工藝優(yōu)化、加工自動(dòng)精細(xì)控制的前提，是實(shí)現(xiàn)高頻元件智能精密加工的關(guān)鍵之一。

在特征識(shí)別技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛研究：萬(wàn)能等[1]采用圖匹配的方法實(shí)現(xiàn)了MBD(model based definition)毛坯模型特征的識(shí)別；陶品、石葉楠等[2-3]研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征識(shí)別算法；陳軍、花廣如等[4-5]研究了UG中特征識(shí)別關(guān)鍵推理方法；張春捷、李正旭等[6-7]研究了鈑金件的特征識(shí)別技術(shù)。現(xiàn)有研究中，還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)高頻元件的特征識(shí)別方法。高頻元件三維模型具有陣列多、特征耦合關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)，單個(gè)元件往往具有幾百個(gè)特征，常規(guī)的基于邊界搜索、圖匹配法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征識(shí)別方法應(yīng)用到高頻元件時(shí)，存在識(shí)別速度低、耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、耦合特征識(shí)別準(zhǔn)確度差的問(wèn)題，無(wú)法滿足工程應(yīng)用需求。因此本文提出了一種基于鄰接面域分析的特征識(shí)別方法，該方法通過(guò)降低單個(gè)特征分析涉及的面、邊數(shù)量，有效提高了高頻元件特征識(shí)別的速度和耦合特征識(shí)別的準(zhǔn)確度。

1 高頻元件模型特征的特點(diǎn)

高頻元件包含眾多波導(dǎo)腔和裂縫結(jié)構(gòu)，其UG三維實(shí)體模型主要由塊、拉伸、孔、矩形腔體等基本建模特征和圓角、倒角、刪除面、移動(dòng)面等修飾特征以及鏡像、陣列等組合特征構(gòu)成，如圖1所示。高頻元件因電性能要求，需在陣面上加工幾百個(gè)腔體和裂縫，這些腔體和裂縫又存在多種耦合形式，在特征層級(jí)和相交位置等方面表現(xiàn)出多樣性。耦合特征具有組成面、邊關(guān)系復(fù)雜，特征模式難建立的特點(diǎn)，一直是特征識(shí)別中的難點(diǎn)[8]。特殊的耦合方式，如某些面重合或相切，會(huì)改變?cè)卣鞯耐負(fù)潢P(guān)系，形成多個(gè)特征共有面或相切的邊被分割等情況。要建立滿足工程需求的高頻元件特征識(shí)別方法，必須立足其模型特征的特點(diǎn)，建立有效的處理機(jī)制來(lái)解決多特征識(shí)別速度低和耦合特征模式構(gòu)建難的問(wèn)題。

圖1 典型高頻元件結(jié)構(gòu)

2 鄰接面域分析的特征識(shí)別方法

2.1 基本特征識(shí)別方法構(gòu)建

當(dāng)前主流三維設(shè)計(jì)軟件多數(shù)采用基于特征的建模方法，三維實(shí)體模型由形體、特征、元素等結(jié)構(gòu)組成[9]。以UG為例，其建模特征，包括孔、塊、矩形腔體、拉伸等特征不是純粹的制造特征，特征形貌和參數(shù)會(huì)在建模過(guò)程中因特征相交等耦合關(guān)系產(chǎn)生退化和變異，無(wú)法真實(shí)反映實(shí)際的制造特征[10]。建模中移動(dòng)面、刪除面等修飾特征也會(huì)改變基本特征的形貌，導(dǎo)致實(shí)際制造特征與建模特征參數(shù)有差異。因此，無(wú)法通過(guò)從模型建模特征中解析設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合特征識(shí)別，需根據(jù)具體特征的面、邊關(guān)系，建立相應(yīng)特征的識(shí)別方法，才能準(zhǔn)確提取特征參數(shù)。

UG中同一個(gè)建模特征可能包含多個(gè)制造特征，如圖2所示，一個(gè)拉伸特征構(gòu)建了4個(gè)制造特征，因此進(jìn)行特征識(shí)別時(shí)需獲取每一個(gè)制造特征的參數(shù)。本文從模型建模特征入手，使用UG/Open的特征遍歷函數(shù)，獲取零件上所有建模特征集合。然后分析每個(gè)建模特征，將其組成面按照面的鄰接關(guān)系分割成若干個(gè)鄰接面域，圖2中的拉伸特征分成了4個(gè)鄰接面域。將鄰接面域作為制造特征識(shí)別的基本單元，對(duì)其組成面、邊關(guān)系進(jìn)行分析，能夠獲得相應(yīng)的特征模式，通過(guò)進(jìn)一步特征匹配和解算即可得到具體特征參數(shù)。這個(gè)處理方法大大縮小了單個(gè)特征匹配搜索的范圍和計(jì)算量，提高了特征識(shí)別的速度和準(zhǔn)確度。

圖2 單個(gè)建模特征分解成多個(gè)制造特征

特征識(shí)別的主要步驟為：

步驟1,調(diào)用UG/Open接口函數(shù)，獲取待識(shí)別零件模型對(duì)象(Part)及其基本屬性。

步驟2,通過(guò)特征遍歷函數(shù)，獲取模型對(duì)象中所有建模特征及其特征類(lèi)型，包括塊(BLOCK)、拉伸(EXTRUDE)、矩形腔體(RECT_POCKET)、孔(SIMPLE HOLE)等。

步驟3,通過(guò)面遍歷函數(shù)，獲取特征的組成面及面的類(lèi)型，根據(jù)面的鄰接關(guān)系，構(gòu)建特征的鄰接面域分析鏈表。該步驟需考慮修飾特征的影響，具體見(jiàn)2.2節(jié)。

步驟4,根據(jù)鄰接面域中面、邊的拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行初步特征匹配，再調(diào)用具體特征的解析算法，分析面、邊的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，得到特征參數(shù)。

2.2 修飾特征影響分析

高頻元件的三維模型一般都包含圓角、倒角等修飾特征，這些修飾特征無(wú)法獨(dú)立構(gòu)成實(shí)體，需建立在已有特征上，且兩者間形成父子從屬關(guān)系。修飾特征在父特征的組成面上形成新的面，并可能將父特征的相鄰面分割成若干孤立的面。如圖3所示，圓角面face5～face8將矩形腔體的4個(gè)連續(xù)面face1～face4分割成4個(gè)孤立的面。因此，在構(gòu)建鄰接面域及其后的特征匹配、參數(shù)計(jì)算過(guò)程中，必須考慮修飾特征的影響，將分析特征和與其關(guān)聯(lián)的修飾特征作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行面的鄰接屬性分析。具體方法如下：

圖3 修飾特征破壞面的連續(xù)性

步驟1,通過(guò)關(guān)聯(lián)特征查詢函數(shù)，獲取與待分析特征相關(guān)聯(lián)的子特征及其特征類(lèi)型；

步驟2,通過(guò)特征類(lèi)型分析(如圓角BLEND，倒角CHAMFER)，獲取子特征中的修飾特征；

步驟3,通過(guò)面遍歷函數(shù)，獲取分析特征和關(guān)聯(lián)修飾特征的全部面，將分析特征面與其鄰接的修飾特征面合并，構(gòu)建完整的特征分析面域；

步驟4,根據(jù)特征分析面域各個(gè)面的鄰接關(guān)系，將其分解成若干個(gè)分割的鄰接面域。

需注意，UG中修飾特征(如圓角)可同時(shí)在多個(gè)已有特征上構(gòu)建，形成多個(gè)修飾特征面，導(dǎo)致一個(gè)修飾特征可關(guān)聯(lián)多個(gè)父特征。形成的修飾特征面中，部分面可能與某個(gè)父特征不相鄰，在步驟3構(gòu)建特征分析面域時(shí)，需分析修飾特征面與父特征的鄰接關(guān)系，只合并相鄰的面。

3 耦合特征識(shí)別的共性問(wèn)題處理方法

高頻元件關(guān)鍵特征為孔類(lèi)、槽類(lèi)(包括腔體特征)和縫類(lèi)特征，其面邊關(guān)系因特殊耦合形式變得十分復(fù)雜，存在特征模式構(gòu)建難的問(wèn)題。本文針對(duì)高頻元件幾種主要特征耦合方式進(jìn)行分析，得到一些耦合特征識(shí)別過(guò)程中共性問(wèn)題的處理方法，對(duì)耦合特征模式正確構(gòu)建起到了關(guān)鍵作用。

3.1 連續(xù)同向邊拼接法處理分割邊問(wèn)題

兩個(gè)具有父子關(guān)系的特征，即一個(gè)特征構(gòu)建在另一個(gè)特征上，若其中某兩個(gè)面相切，則可能導(dǎo)致相切的邊被分割成若干連續(xù)邊，使得面、邊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如圖4所示，在矩形腔體特征上構(gòu)建4個(gè)孔特征，孔的側(cè)面與腔體側(cè)面相切，則相切的邊被分割成連續(xù)的3段。因此在分析矩形腔體的面邊關(guān)系時(shí)，其4個(gè)側(cè)面不再由4個(gè)兩兩平行的邊構(gòu)成，而是由7條邊構(gòu)成。如繼續(xù)采用4條兩兩平行邊作為矩形面的關(guān)鍵匹配點(diǎn)，則無(wú)法識(shí)別該矩形面，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)特征識(shí)別異常。

圖4 相切特征破壞邊的連續(xù)性

為了解決此類(lèi)因分割邊導(dǎo)致的面片識(shí)別異常，本文采用了一種拼接連續(xù)同向邊的方法，具體過(guò)程如下：

步驟1,通過(guò)關(guān)聯(lián)邊查詢函數(shù)，獲取待分析面的邊數(shù)據(jù)，包括邊類(lèi)型、頂點(diǎn)、方向向量等。

步驟2,對(duì)類(lèi)型為直線的邊，分析任意兩邊(Li,Lj)的關(guān)系，若滿足式(1)所示關(guān)系，則構(gòu)建一條新的邊代替原來(lái)兩個(gè)邊。

(1)

式中：Vi和Vj為兩個(gè)邊的方向向量；Pi1,Pj1和Pi2,Pj2為兩個(gè)邊的頂點(diǎn)坐標(biāo)。

步驟3,遍歷全部邊，將連續(xù)同向邊拼接成一條等效邊，再進(jìn)行特征匹配。

3.2 方向面分析法處理共有面問(wèn)題

兩個(gè)具有父子關(guān)系的特征，若子特征的面與父特征的某個(gè)面平行且鄰接，則兩個(gè)面構(gòu)成一個(gè)新的連續(xù)面，該面被兩個(gè)特征共有。共有面使原特征的組成形態(tài)產(chǎn)生較大變化，導(dǎo)致部分特征參數(shù)識(shí)別錯(cuò)誤。如圖5所示，在矩形腔體(父腔體)的底面構(gòu)建一個(gè)寬度稍小，長(zhǎng)度與父腔體相等的子腔體。父腔體由face1、face2、face5、face6、face7、face8組成，子腔體由face3、face4、face7、face8組成，其中face7、face8為兩個(gè)特征共有面。共有面的出現(xiàn)，導(dǎo)致組成父腔體的面中，face7、face8有部分面在腔體范圍外，若直接計(jì)算父腔體組成面的包圍盒來(lái)獲取腔體大小，則得到的槽深度大于實(shí)際深度。

圖5 特征共有面

為了解決共有面導(dǎo)致的特征參數(shù)提取異常，本文采用一種方向面分析法來(lái)計(jì)算實(shí)際矩形腔體的大小。具體過(guò)程如下：

步驟1,通過(guò)面遍歷函數(shù)，獲取矩形腔體的全部面，分析面的類(lèi)型，得到其中全部平面。

步驟2,計(jì)算平面的法向量Fi(Fix,Fiy,Fiz)，若X軸方向的分量Fix>0，則該平面為X軸的方向面，同理可得Y軸和Z軸的方向面。

步驟3,以X軸、Y軸、Z軸的方向面為基礎(chǔ)，分別計(jì)算特征在X軸、Y軸、Z軸方向的投影大小，具體分3類(lèi)。

1)某軸向沒(méi)有方向面。

如圖5中，子特征在Z軸方向沒(méi)有方向面，則分別計(jì)算另外兩軸(X軸、Y軸)方向面的包圍盒大小N(Nx,Ny,Nz)、M(Mx,My,Mz)，比較包圍盒在Z軸向投影大小，若Nz>Mz，則特征在Z軸向的投影大小為Mz。

2)某軸向只有1個(gè)方向面。

如單面不通的腔體在深度方向只有一個(gè)方向面，則分別計(jì)算另外兩方向與該面相鄰的方向面的包圍盒大小，比較包圍盒在深度方向投影大小，取其中較小的值作為特征在該方向的投影大小。

3)某軸向有2個(gè)及以上方向面。

該軸方向面最大間距Hmax為特征在該方向上的投影大小。

上述方法只適用于坐標(biāo)軸正交方向上建立的矩形腔體，對(duì)于其他方向，可以通過(guò)坐標(biāo)系變換后采用上述方法計(jì)算，此處不再贅述。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

基于上述特征識(shí)別方法，通過(guò)UG8.0和Visual Studio 2013平臺(tái)，采用UG/Open二次開(kāi)發(fā)組件與MFC框架結(jié)合的方式，開(kāi)發(fā)了一套高頻元件特征識(shí)別軟件。該軟件采用C++對(duì)特征識(shí)別算法進(jìn)行封裝，用UG/Open開(kāi)發(fā)接口操作UG底層函數(shù)，用MFC構(gòu)建用戶交互界面，包含特征參數(shù)顯示、特征圖片展示、特征數(shù)據(jù)保存等功能。軟件架構(gòu)如圖6所示。

圖6 特征識(shí)別軟件架構(gòu)

開(kāi)發(fā)的軟件界面如圖7所示。

圖7 特征識(shí)別軟件界面

4.2 應(yīng)用驗(yàn)證

采用開(kāi)發(fā)的特征識(shí)別軟件，對(duì)某型波導(dǎo)裂縫陣天線使用的高頻元件進(jìn)行特征識(shí)別應(yīng)用驗(yàn)證，圖8所示為部分驗(yàn)證實(shí)例，其特征識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表1。

圖8 應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)例

表1 特征識(shí)別結(jié)果

結(jié)果顯示，本文開(kāi)發(fā)的特征識(shí)別軟件能夠準(zhǔn)確識(shí)別高頻元件中多種耦合特征，特征識(shí)別速度大于60個(gè)/s，滿足高頻元件智能精密加工工程需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高頻元件模型陣列多、特征耦合復(fù)雜的特點(diǎn)，本文提出了一種基于鄰接面域分析的特征識(shí)別方法，有效提高了高頻元件特征識(shí)別的速度和耦合特征識(shí)別的準(zhǔn)確度，解決了高頻元件智能精密加工過(guò)程中模型特征識(shí)別難的工程應(yīng)用難題。本文研究的復(fù)雜耦合特征共性問(wèn)題處理方法能夠有效解決高頻元件耦合特征模式構(gòu)建難的問(wèn)題，并能為其他領(lǐng)域模型耦合特征的識(shí)別提供參考。該特征識(shí)別方法已在國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，取得了良好的工程應(yīng)用效果。