李旺， 劉厚才， 康輝民， 歐陽(yáng)智海， 曹正， 周岳， 蔣冠， 段良輝

（1. 湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201；2. 江南工業(yè)集團(tuán)有限公司 數(shù)控加工分廠， 湖南 湘潭 411207）

隨著新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的持續(xù)融合，智能制造成為我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展的突破口[1]。其中，異型零件加工工藝的自動(dòng)化編程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要環(huán)節(jié)。異型零件是一種結(jié)構(gòu)形狀多樣、特征復(fù)雜且不規(guī)則的機(jī)械零件。在對(duì)異型零件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要人工完成對(duì)其加工特征的選取，存在工作量大、加工工藝設(shè)計(jì)效率低和編程質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。而特征識(shí)別是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃和計(jì)算機(jī)輔助制造集成的關(guān)鍵，是對(duì)零件幾何與拓?fù)湫畔⒌恼稀Ｒ虼?，如何?shí)現(xiàn)對(duì)異型零件加工特征的快速、準(zhǔn)確識(shí)別是智能制造需要解決的關(guān)鍵問題。

目前，加工特征識(shí)別方法主要分為基于圖分解和基于體分解兩類。其中，基于圖分解的方法以屬性鄰接圖（attributed adjacency graph, AAG）和屬性鄰接矩陣（attributed adjacency matrix, AAM）作為特征識(shí)別的基礎(chǔ)，可表征零件模型中面與面之間的鄰接關(guān)系。如Joshi等[2]在識(shí)別零件的加工特征時(shí)，將邊界表示的描述轉(zhuǎn)換為AAG，其中AAG在計(jì)算機(jī)中以AAM的形式表示。在實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)者們通常會(huì)對(duì)AAG和AAM進(jìn)行二次分解，以實(shí)現(xiàn)零件加工特征的快速識(shí)別[3-4]。周亞平等[5]采用構(gòu)建三層次特殊關(guān)系鄰接矩陣的特征識(shí)別方法，解決了壁板零件多特征復(fù)合的復(fù)雜相交特征識(shí)別問題。華順剛等[6]提出通過檢索和改變零件屬性面鄰接矩陣中的元素來識(shí)別鑄件毛坯的平面和曲面特征。張生芳等[7]采用獲取模型柵格高度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角盒類零件模型底板和壁面特征的分離與識(shí)別。吳曉東等[8]采用AAM完成了特征子圖的匹配，實(shí)現(xiàn)了STEP-NC的制造特征識(shí)別。此外，還有一些學(xué)者通過簡(jiǎn)化AAG或加權(quán)AAG的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)零件毛坯加工特征的快速識(shí)別[9-10]。但需要指出的是，這些方法雖然可以很好地識(shí)別零件獨(dú)立的加工特征，但AAG的識(shí)別難度會(huì)隨著特征面數(shù)量的增加而增大，難以有效識(shí)別零件的相交特征。

為了解決基于圖分解的方法難以識(shí)別復(fù)雜加工特征的問題，基于體分解的方法通過有效減少特征體中識(shí)別面的數(shù)量，大大地降低了對(duì)加工特征表示的復(fù)雜性，同時(shí)體積分解法不存在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化所導(dǎo)致的相交特征識(shí)別困難的問題。如劉長(zhǎng)毅[11]以基于圖的布爾運(yùn)算為基礎(chǔ)，完成了體積特征的生成，從而實(shí)現(xiàn)了2.5維加工特征的識(shí)別。針對(duì)多重相交特征識(shí)別慢的問題，一些學(xué)者提出了識(shí)別最大加工特征的體分解方法，有效地減少了對(duì)零件的分割次數(shù)和單元體數(shù)量[12-13]。張賀等[14-15]針對(duì)軸類和盤套類零件的加工特征識(shí)別，通過選擇分割面和生成加工方法鏈的方法，優(yōu)化了傳統(tǒng)體分解方法中分割算法復(fù)雜、分割效率低等問題。Zubair等[16]針對(duì)圓柱體零件提出了一種體分解方法，完成了對(duì)稱和非對(duì)稱圓柱體零件的加工特征識(shí)別。Rameshbabu等[17-18]基于體分解方法，通過優(yōu)化特征的體積元素組合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)零件相交特征的快速識(shí)別。但是，這類體分解方法局限于一定形狀的零件，在描述復(fù)雜零件特征時(shí)會(huì)造成組合爆炸。

綜上所述，盡管學(xué)者們?cè)诶没趫D分解和基于體分解的方法識(shí)別零件加工特征方面取得了一定的研究成果，但由于缺乏對(duì)特征創(chuàng)建的統(tǒng)一規(guī)范，使得幾何形狀不同的特征會(huì)出現(xiàn)相同的AAM，無法準(zhǔn)確地表達(dá)特征信息。其次，隨著零件形狀的復(fù)雜化，特征體的面數(shù)量增加，使得其幾何、拓?fù)潢P(guān)系變得更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致零件相交特征的識(shí)別效率大大降低。

基于此，針對(duì)異型零件的加工特征識(shí)別，筆者提出了一種基于圖和體分解的加工特征識(shí)別方法。首先，根據(jù)異型零件的加工特征和加工工藝，構(gòu)建其加工特征庫(kù)。然后，運(yùn)用基于圖和體分解的方法，從異型零件被加工部分的體積著手，結(jié)合布爾減運(yùn)算對(duì)其相交特征進(jìn)行單一化處理并建立相應(yīng)的AAG；同時(shí)，構(gòu)建單一特征的幾何特征矩陣（geometric feature matrix, GFM）和拓?fù)涮卣骶仃嚕╰opological feature matrix, TFM）。最后，通過與加工特征庫(kù)匹配來完成異型零件復(fù)雜加工特征的精確識(shí)別。

1 異型零件加工特征的分類

加工特征是指用刀具去除零件毛坯上多余材料后得到的工程所需的幾何形狀。為了實(shí)現(xiàn)加工特征的準(zhǔn)確識(shí)別，應(yīng)根據(jù)零件的實(shí)際結(jié)構(gòu)和加工工藝特點(diǎn)，對(duì)其加工信息進(jìn)行分類和規(guī)范化表達(dá)。在異型零件的制造過程中，其表面經(jīng)過多次加工處理，形成了復(fù)雜的加工特征，須將復(fù)雜特征拆分為具有可加工性的單一特征，以確保加工特征識(shí)別的準(zhǔn)確性。如圖1所示，將異型零件的加工特征分為面特征、槽特征和孔特征等后再進(jìn)一步細(xì)分：將面特征細(xì)分為平面、曲面、臺(tái)階面等；槽特征細(xì)分為封閉槽、半封閉槽、通槽等；孔特征細(xì)分為通孔、盲孔等。

圖1 異型零件加工特征分類Fig.1 Classification of machining features of specialshaped part

2 異型零件加工特征的識(shí)別流程

為了實(shí)現(xiàn)異型零件加工特征的準(zhǔn)確識(shí)別，設(shè)計(jì)了基于圖和體分解的加工特征識(shí)別方法，其流程如圖2所示。該識(shí)別方法主要包括三部分：特征的搜索與提取、特征矩陣的構(gòu)建和特征的匹配與識(shí)別。

圖2 基于圖和體分解的異型零件加工特征識(shí)別流程Fig.2 Machining feature recognition flow of special-shaped part based on graph and volume decomposition

1）特征的搜索與提取。以異型零件的STEP中性文件作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入，獲取零件的點(diǎn)、線、面等幾何和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

2）特征矩陣的構(gòu)建。采用基于圖和體分解的方法，先將異型零件中所有含凹邊關(guān)系的特征轉(zhuǎn)換成只有凸邊關(guān)系的單一特征，以完成特征提??；然后，定義特征面的屬性、位置關(guān)系和凹凸性對(duì)應(yīng)的元素值，構(gòu)建所有單一特征的AAG并建立相應(yīng)的GFM和TFM。

3）特征的匹配與識(shí)別。將異型零件的所有單一特征的GFM和TFM與加工特征庫(kù)進(jìn)行匹配。若匹配成功，則輸出零件加工特征的幾何、拓?fù)湫畔ⅲ瓿杉庸ぬ卣鞯淖R(shí)別。若匹配失敗，則通過人工設(shè)計(jì)補(bǔ)充所需的特征矩陣，進(jìn)而擴(kuò)充加工特征庫(kù)，直到實(shí)現(xiàn)所有加工特征的成功識(shí)別。

3 異型零件加工特征的識(shí)別算法

3.1 AAG的構(gòu)造

本文采用存儲(chǔ)異型零件三維模型幾何、拓?fù)湫畔⒌腟TEP AP203文件作為數(shù)據(jù)輸入。通過對(duì)STEP AP203文件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，構(gòu)建相應(yīng)的AAG。AAG定義為：G=(N,E,T)。其中：N代表圖節(jié)點(diǎn)集，E代表圖連接邊集，T代表圖連接邊的屬性集。某異型零件的三維模型及其AAG（實(shí)線代表凸面，虛線代表凹面）分別如圖3(a)和圖3(b)所示。采用2個(gè)相鄰面和相交邊的矢量計(jì)算公共邊的凹凸性[9,19-20]：當(dāng)2個(gè)相交面的公共邊為凸邊時(shí)，屬性值為1；當(dāng)2個(gè)相交面的公共邊為凹邊時(shí)，屬性值為0。

圖3 某異型零件的三維模型和AAGFig.3 Three-dimensional model and AAG of a certain special-shaped part

3.2 基于圖與體分解的處理

異型零件具有多特征復(fù)雜相交的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為了準(zhǔn)確識(shí)別異型零件的復(fù)雜相交特征，采用基于圖和體分解的方法將復(fù)雜特征轉(zhuǎn)換成只含凸邊關(guān)系的單一特征。

以封閉槽特征為例，采用獲取坐標(biāo)點(diǎn)的方式對(duì)封閉槽進(jìn)行體分解。封閉槽的毛坯模型如圖4(a)所示，其中每2個(gè)平面都與XOY、XOZ和YOZ平面平行。對(duì)于平行于YOZ平面的2個(gè)面，X正方向的面為F4，X負(fù)方向的面為F1。同理，可得其他4個(gè)平面。毛坯加工后形成的封閉槽如圖4(b)所示，槽面依次為F7、F8、F9、F10。經(jīng)布爾減運(yùn)算獲得封閉槽的加工體積特征，如圖4(c)所示。在基于圖的布爾運(yùn)算中，不僅可以呈現(xiàn)零件模型中相鄰面之間的凹凸關(guān)系，而且可將零件模型中所有含凹邊關(guān)系的復(fù)雜特征分解為只含凸邊關(guān)系的單一特征。

圖4 封閉槽特征分解示意Fig.4 Schematic diagram of feature decomposition for enclosed slot

根據(jù)圖4，封閉槽加工體積特征的提取步驟具體如下。首先，從STEP AP203文件中獲取封閉槽三維模型上各頂點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)XOY、XOZ、YOZ平面上的最大和最小坐標(biāo)值，構(gòu)建封閉槽毛坯模型。然后，通過毛坯模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)，得到F1至F6這6個(gè)平面的方程：Ax+By+Cz=D。接著，將其余體積特征對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)坐標(biāo)代入上述平面方程，若頂點(diǎn)坐標(biāo)滿足平面方程，則這些頂點(diǎn)屬于同一平面，即具有共面性，可連接形成加工體積特征面；若不滿足平面方程，則這些頂點(diǎn)屬于移除平面。構(gòu)建經(jīng)過體積特征面F11上的頂點(diǎn)且平行于毛坯模型表面F3的平面方程A(x+x0)+B(y+y0)+C(z+z0)=D，其中(x0,y0,z0)為體積特征面F11上某頂點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，再次將頂點(diǎn)坐標(biāo)代入新構(gòu)建的平面方程，若滿足該平面方程，則這些頂點(diǎn)具有共面性，可連接形成加工體積特征面。

若所獲得的加工體積特征仍存在凹邊關(guān)系，則還須對(duì)其進(jìn)行二次分解。如圖5所示的由臺(tái)階面和盲孔組合而成的加工體積特征，先通過獲取臺(tái)階面和盲孔面的幾何、拓?fù)湫畔?，?jì)算加工體積特征面中存在的凹邊關(guān)系，再對(duì)其凹邊相交特征進(jìn)行分割，完成加工體積特征的二次分解，即將其轉(zhuǎn)換成只含凸邊關(guān)系的單一特征。

圖5 含相交特征的加工體積特征分解示意Fig.5 Schematic diagram of decomposition for machining volume feature containing intersecting features

綜上，基于圖和體分解的異型零件復(fù)雜特征處理流程如圖6所示。

圖6 基于圖和體分解的異型零件復(fù)雜特征處理流程Fig.6 Complex feature processing process for special-shaped part based on graph and volume decomposition

3.3 GFM和TFM的構(gòu)建

傳統(tǒng)的AAM是以AAG中面與面之間的鄰接關(guān)系和角度關(guān)系作為基礎(chǔ)來構(gòu)建的，但其僅對(duì)相鄰2個(gè)面的凹凸性進(jìn)行了描述，無法準(zhǔn)確描述異型零件模型的細(xì)節(jié)特征。

對(duì)于圖7所示的2個(gè)相似的封閉槽模型，若采用傳統(tǒng)的AAM進(jìn)行描述，這2個(gè)相似的封閉槽模型的AAG和AAM完全相同（圖中“/”表示2個(gè)面為同一個(gè)面）。但是，封閉槽模型1和封閉槽模型2中的特征面F1（f1）和F2（f2）存在細(xì)微差別，而這些差別在傳統(tǒng)AAM中無法呈現(xiàn)，故無法得知特征面的具體屬性。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)AAM無法精準(zhǔn)表達(dá)零件細(xì)微加工特征的不足，本文提出了一種基于特征面關(guān)系的GFM和TFM構(gòu)建方法，其中GFM側(cè)重描述零件模型中面與面之間的位置關(guān)系，TFM側(cè)重描述零件模型中面與面之間相鄰的凹凸性。若面與面不相交，賦元素值為0。針對(duì)由n個(gè)特征面組成的只含凸邊關(guān)系的單一特征，基于其特征面關(guān)系構(gòu)建相應(yīng)的GFM和TFM，如圖8所示。其中：MG表示GFM，MT表示TFM。

圖7 封閉槽的傳統(tǒng)AAG和AAM構(gòu)建Fig.7 Construction of traditional AAG and AAM for enclosed slots

圖8 異型零件特征矩陣構(gòu)建Fig.8 Construction of feature matrix for special-shaped part

由圖8可知，GFM和TFM中的每個(gè)元素均由3個(gè)數(shù)值組成，用于定義面與面之間的關(guān)系和面的類型，其具體含義和對(duì)應(yīng)數(shù)值如表1所示。表中：N1、N2表示相鄰2個(gè)面的類型，包含平面和曲面兩種類型，共有平面與平面、平面與曲面以及曲面與曲面三種組合；N3表示相鄰面之間的關(guān)系，包含平行、相交和異向三種關(guān)系；N4表示相鄰面之間的凹凸性，包含凸邊和凹邊兩種關(guān)系。

表1 GFM和TFM中元素值的定義Table 1 Definition of element value in GFM and TFM

以圖7所示的2個(gè)相似的封閉槽特征（2個(gè)封閉槽的特征面數(shù)相同）為例，基于上述GFM和TFM的構(gòu)建方法，通過獲取模型中面的類型和面與面之間的拓?fù)潢P(guān)系，并分析面與面之間的凹凸關(guān)系，得到封閉槽的GFM和TFM，結(jié)果如圖9所示。在圖9所示的特征矩陣中，虛線框內(nèi)的特征矩陣表示封閉槽特征面，如特征面f6；虛線外的特征矩陣表示非封閉槽特征面，僅表達(dá)非封閉槽特征面與其他特征面的幾何或拓?fù)潢P(guān)系。與傳統(tǒng)AAM相比，GFM和TFM可以更準(zhǔn)確地描述面與面之間的幾何和拓?fù)潢P(guān)系，解決了AAM易出現(xiàn)無法準(zhǔn)確表達(dá)加工特征的問題，可為異型零件加工特征的準(zhǔn)確匹配與識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

圖9 不同封閉槽的GFM和TFM對(duì)比Fig.9 Comparison of GFM and TFM for different enclosed slots

3.4 加工特征的匹配與識(shí)別

為了實(shí)現(xiàn)異型零件加工特征的自動(dòng)匹配與識(shí)別，需人工設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的加工特征庫(kù)。表2所示為人工設(shè)計(jì)的異型零件加工特征庫(kù)中部分加工特征的GFM和TFM。加工特征庫(kù)具有擴(kuò)容性，可根據(jù)實(shí)際的加工需求人工設(shè)計(jì)補(bǔ)充。

表2 異型零件的加工特征庫(kù)（部分）Table 2 Machining feature database of special-shaped parts (part)

異型零件加工特征的匹配與識(shí)別流程如圖10所示。首先，根據(jù)得到的異型零件單一特征，構(gòu)建相應(yīng)的GFM和TFM，并獲取其主對(duì)角元素的個(gè)數(shù)a；同時(shí)，讀取加工特征庫(kù)中對(duì)應(yīng)加工特征的GFM和TFM中主對(duì)角元素個(gè)數(shù)b并進(jìn)行對(duì)比，若a=b，則完成特征矩陣的初步篩選。然后，以與加工特征庫(kù)中GFM和TFM中每行元素的數(shù)值為準(zhǔn)，與初步篩選得到的GFM和TFM逐行進(jìn)行匹配，若匹配成功，則完成對(duì)單一特征的識(shí)別。上述任一環(huán)節(jié)未成功，則須先通過人工設(shè)計(jì)補(bǔ)充所需的特征矩陣，進(jìn)而擴(kuò)充加工特征庫(kù)，再進(jìn)行特征矩陣的匹配，直到完成所有特征的識(shí)別。

圖10 異型零件加工特征的匹配與識(shí)別流程Fig.10 Matching and recognition flow of machining features for special-shaped part

4 算法驗(yàn)證

根據(jù)上文所提出的方法，以Microsoft Visual Studio 2019平臺(tái)為開發(fā)環(huán)境，利用SolidWorks 2019軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立基于圖和體分解的異型零件加工特征識(shí)別系統(tǒng)，其用戶界面如圖11所示。以圖3所示的異型零件對(duì)所設(shè)計(jì)的識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行可行性驗(yàn)證。首先，將表2所示的加工特征的GFM和TFM添加至識(shí)別系統(tǒng)的加工特征庫(kù)中。然后，輸入圖3所示異型零件的STEP中性文件，通過文件解析獲取該零件的幾何、拓?fù)湫畔?，并基于圖和體分解的方法對(duì)零件進(jìn)行特征分解并建立相應(yīng)的AAG，同時(shí)基于AAG構(gòu)建GFM和TFM。最后，將構(gòu)建的GFM和TFM與加工特征庫(kù)中的GFM和TFM進(jìn)行對(duì)比匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件加工特征的識(shí)別。

圖11 異型零件加工特征識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.11 Operation interface of machining feature recognition system for special-shaped part

系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果顯示，該異型零件的加工特征可分解為3個(gè)單一特征，如圖12(a)所示，由上至下依次為臺(tái)階面、半封閉槽和盲孔，其對(duì)應(yīng)的GFM和TFM如圖12(b)所示。通過匹配發(fā)現(xiàn)，特征矩陣MG1和MT1與加工特征庫(kù)中臺(tái)階面的GFM和TFM一一對(duì)應(yīng)，即識(shí)別到臺(tái)階面特征；特征矩陣MG2和MT2與加工特征庫(kù)中半封閉槽的GFM和TFM一一對(duì)應(yīng)，即識(shí)別到半封閉槽特征；特征矩陣MG3和MT3與加工特征庫(kù)中盲孔的GFM和TFM一一對(duì)應(yīng)，即識(shí)別到盲孔特征。

圖12 某異型零件的加工特征分解及其GFM和TFM構(gòu)建Fig.12 Machining feature decomposition and its GFM and TFM construction of a certain special-shaped part

結(jié)果表明，基于圖和體分解的異型零件加工特征識(shí)別方法能夠?qū)?fù)雜的加工特征分解成單一特征，可有效減少特征面的數(shù)量，進(jìn)而減少工作量。對(duì)于圖3所示的某異型零件，利用本文識(shí)別方法可在2 s內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別出其所有的加工特征，驗(yàn)證了該方法能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別異型零件的加工特征。

5 結(jié) 論

1）提出了基于圖和體分解的異型零件加工特征識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異型零件復(fù)雜加工特征的準(zhǔn)確、快速識(shí)別，可為智能化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。

2）基于體分解的方法，運(yùn)用布爾減運(yùn)算將異型零件的特征分解為只含凸邊關(guān)系的單一特征，有效地減少了特征面的數(shù)量，大大降低了對(duì)加工特征表示的復(fù)雜性。

3）提出了用GFM和TFM來描述異型零件加工特征的方法，并定義了GFM和TFM中元素值的編碼規(guī)則，解決了傳統(tǒng)AAM易出現(xiàn)無法準(zhǔn)確表示加工特征的問題。同時(shí)，采用與加工特征庫(kù)匹配的方式進(jìn)行加工特征的快速識(shí)別，可為后續(xù)異型零件加工工藝的自動(dòng)編制提供理論基礎(chǔ)。