主面扩展识别飞机结构件开闭角范文

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《计算机辅助设计与图形学学报》2015年第十二期

实际生产中,对某些飞机结构件来说,由于T型筋与加强肋纵横交错,使得零件内部形成的槽腔、筋以及开闭角等特征达近400个之多.工艺员手工编制这类零件的数控程序需耗时1~2个月,而加工仅需3~4天的时间,编程时间是加工时间的10~15倍,因此提高数控编程效率是提高飞机结构件加工效率的关键.解决这个问题首先需要完成CAD系统向CAM,CAPP系统的信息传递,建立零件的实体模型与加工特征、加工工艺之间的映射关系,从而为飞机结构件的快速自动编程提供数据信息.特征识别技术是实现CAD/CAM/CAPP三者有机集成的理想接口,即对不同特征的准确、快速识别是实现数控编程、特征加工的首要前提,其中开闭角是飞机结构件中常见的结构特征.为保证飞机气动外形,飞机结构件的内外缘分布了大量的复杂曲面结构,由于设计方法的不足,这些曲面大多由细碎曲面片构成,使得飞机结构件开闭角的识别更加困难.

特征识别技术至今已发展近40年,取得了丰硕的成果,如最小条件子图法、基于知识推理的方法、基于体分解的方法、基于属性邻接图等.然而由于该技术本身的复杂性,仍有许多未突破的难点,如相交特征的识别、复杂曲面零件的识别等.除了这些传统的基于零件CAD模型的识别方法外,近年来,人们开始探索新的特征识别方法.如汤岑书等提出基于切削成形能力模型的加工特征识别方法,黄瑞等提出由零件可制造性驱动的三维CAD模型相交制造特征识别方法,Zhang等提出源于零件数控加工程序的特征识别方法,Xu等提出基于NC仿真过程模型的加工特征重建方法.但这些方法或是针对一般的机械加工零件,或是只能处理2.5轴加工的零件,或是不能识别自由曲面特征的零件,其适用性有待进一步拓展.飞机结构件上复杂特征的识别问题近年来也得到了学者的关注.闫海兵提出通过识别并抑制过渡特征(过渡转角和过渡底圆)的方式来构造属性邻接图,利用删除了点过渡面和线过渡面的属性邻接图来识别复杂特征和相交特征;该方法适用于抑制简单的过渡特征并识别相交特征,但对于具有由细碎曲面构成的开闭角结构的零件模型无法有效抑制过渡特征,因此这种抑制过渡特征的识别方法具有一定局限性.此外,Gao等采用Delaunay的方法对零件的所有面进行三角剖分,该方法对识别存在细碎曲面片的零件很有效,但飞机结构件的复杂性使得该算法效率较低.综上所述,针对由细碎曲面片构成的开闭角仍缺乏一种准确且高效的识别方法.本文在广义槽分层的基础上提出基于主面扩展的算法识别开闭角,首先建立开闭角模型并给出相关定义和术语,然后给出开闭角识别与构建原理,最后提出开闭角识别算法,并结合实例对算法进行了分析和验证.

1开闭角模型

为保证文章的完整性与较强的可读性,首先给出与本文紧密相关的定义与术语.

1.1广义槽模型广义槽是本文开闭角识别的基础,首先介绍广义槽模型.飞机结构件由若干个具有上下层次关系和左右邻接关系的槽腔,以及依附于其上的其他若干形状特征构成.槽腔的作用就是支撑和包容其他形状特征,如图1所示。广义槽中的开角和闭角合称为开闭角,表示为m={fn,fw}.飞机结构件中的开闭角是一种和底面不垂直的槽侧壁结构,由一些与底面成一定角度的侧壁面构成,如图2所示.开闭角主要集中在缘条、外轮廓以及深槽侧壁这3类加工特征中,如图3所示,其中的外轮廓存在大量的细碎面片.为识别出这种结构,需要先对这种侧壁进行分析.

1.2内/外敛面设在当前工位下,加工方向(一般为加工坐标系Z轴正向)为r,面s内某点处的体外法向为n,r与n的夹角为θ.对面s作如下定义:定义1.对零件某表面s上任一点处的n与r的夹角θ,若0°<θ<90°,则面s为外敛面,表示为co；若90°<θ<180°,则面s为内敛面,表示为ci.在当前工位下,若面s某些点处的θ>90°,而在另外一些点处的θ<90°,则面s需进行拆分,拆分后面s由若干张内敛面和外敛面组成.此外,由于零件建模的精度问题,导致模型上一张完整的面被分割为若干张细碎面,针对这2种情况有如下规则:规则1.内/外敛面集.对零件上某相邻的表面s1,s2,若其满足:1)s1与s2在公共边处为一阶几何连续(G1),2)s1,s2同时均为co或同时均为ci,则s1与s2可归为同一组外敛面集Co或内敛面集Ci.按照定义1,在当前工位下,斜筋中的筋端面和开角中的开角面均为外敛面,其中,开角特征一般采用五轴加工,而斜筋特征可用三轴爬坡加工.因此,根据不同特征不同的加工方式,需要进一步区分外敛面的类型,其中,形成开角特征的外敛面称为开角面,形成斜筋特征的外敛面称为筋端面.为便于区分开角面和筋端面,设斜筋特征的宽度范围为[dmin,dmax],有规则2.规则2.内/外敛面类型判断.设面s为某零件的体表面,a为垂直于加工方向r的平面,按定义1识别出该面为内敛面或外敛面:1)若面s为内敛面,则s为闭角面类型;2)若面s为外敛面,则获取s的左、右邻接面sl,sr,以及s与a的交线长度d,若d∈[dmin,dmax]且与sl,sr间均为凸连接(凸连接定义见第1.4节),则外敛面s为筋端面类型,否则外敛面s为开角面类型.

1.3开闭角模型定义2.在广义槽侧壁的面集中,刀具侧刃加工的开角面或闭角面称为主面,表示为fm；刀具底刃加工的面称为底圆面,表示为fbr；进刀点的限制面称为起始限制面,表示为fs；退刀点的限制面称为终止限制面,表示为fe.定义2中,fm的集合为Fm,表示主面集;fbr的集合为Fbr,表示底圆面集;fs的集合为Fs,表示起始限制面集;fe的集合为Fe表示终止限制面集.Fbr,Fs,Fe合称为主面的关联面集,表示为Fr.

1.3.1开闭角的几何属性图4所示为开/闭角的几何属性示意图.设FG表示一个开/闭角特征的几何属性,则从加工角度分析。

1.3.2开闭角的类型根据广义槽中开角面或闭角面是否构成一个交线环的依赖面,提出全开角和全闭角的概念,以便后续加工操作的生成.首先给出相关术语解释.设a为平行于广义槽g底面的平面,当a与g的侧壁相交时得到交线环L,与L相交的侧壁面称为环线依赖面.规定L的正向为:当人沿着正向前进时,环线依赖面的内法向指向人的左边.沿着L的正向,环线依赖面可分为左侧依赖面和右侧依赖面,如图5所示.定义3.设a为平行于广义槽g底面的平面,当a与g的侧壁相交时得到交线环L,Fl为L正向的右侧依赖面集且Fl中存在开/闭角面,fli为Fl中的元素,若fli均同时为开角面或闭角面,则Fl形成的特征类型为全开角或全闭角.全开角和全闭角没有Fs和Fe.

1.3.3开闭角的数据模型根据以上分析,结合开闭角的类型、几何属性FG、加工方向r以及交线环L等相关信息,设m表示一个开闭角特征,Type表示m的特征类型。一个开角面或闭角面可能隶属于不同的广义槽且其在不同槽中的加工区域也可能不同.为保证开闭角加工的顺序和连续性并提高加工效率,本文依照广义槽特征关联树的形式,将隶属于不同广义槽的开闭角关联起来并形成开闭角的特征关联树.图6所示为某零件及其中开闭角特征的树状模型.首先识别广义槽并生成广义槽特征关联树；其次识别并构建每个广义槽节点中的开闭角；再依据广义槽节点间的层次关系形成开闭角特征关联树,使其能够完整、清晰地表明开闭角的空间位置关系,有利于开闭角的加工工艺规划.

1.4凸连接通过判断交线环L在某点处的凹凸性可判断外敛面是否与相邻面间为凸连接,从而判断外敛面为筋端面或开角面。图7所示为环线段Ls和Le在P点处的连接类型示意图,其中圆心Oe和Os分别为Le和Ls在P点处的密切圆中心.按照几何连续性,Ls和Le的公共点P可分为凸点、凹点和切点,其中切点包括平凸切点、平凹切点、凹凸切点和平切点.在进行外敛面集的凸连接性判断时,仅把交线间的凸点连接当作是凸连接.

2闭角识别构建与原理

通过遍历广义槽特征关联树的槽节点,可识别并构建出所有的开闭角并形成开闭角的树状结构.首先读取父节点下的开闭角链表(第一层广义槽的开闭角链表为空);然后在当前层的子节点中识别出开闭角面、构建开闭角、设置开闭角的父节点;最后通过递归调用,继续识别、构建当前层其他子槽节点中的开闭角直至遍历完广义槽特征关联树.下面对开闭角的识别与构建原理进行说明.开闭角的识别与构建可分为2步:1)识别出零件体表面中的内/外敛面、判断内/外敛面的开/闭角类型以提取出主面集和限制面集;2)然后扩展主面集及关联面集.

2.1主面集和关联面集的提取主面集的提取过程如下:Step1.归纳飞机结构件模型中加工面的类型.从加工的角度出发,零件的拓扑面可分为竖直加工面、斜向加工面、横向加工面及其他类型面；Step2.根据定义1,将斜向加工面分为内敛面和外敛面；Step3.根据规则2,判断内/外敛面的类型,得到开/闭角面类型的主面集,与主面集相邻的竖直或斜向加工面即为起始和终止限制面集.1)加工面类型判断.实际零件中,由于模型设计的不合理或精度问题,常导致实际为二次规则面(平面/圆柱面/圆环面/圆锥面/球面)的底层几何类型为NURBS曲面.为获得这种曲面的几何类型及参数,采用面向精度要求的近二次规则面识别方法[15]来对NURBS曲面进行近二次规则面类型的识别,并以该方法来判断加工面类型.2)内/外敛面的识别.完成加工面类型的判断后,识别斜向加工面中的内/外敛面:首先提取零件模型所有体面单元链表中的斜向加工面,然后取每个面的中心点pc,并提取pc的体外法向n,计算n与加工方向r的夹角=arccos(nr/|n|/|r|),按照定义1即可将该面进一步分为内/外敛面.3)内/外敛面类型判断.根据规则2识别出的外敛面可能为筋端面或开角面.为避免构建错误的开角,需对开角面和筋端面进行区分.如图8所示,通过分析筋和开角的形状特征可知,筋端面一般与起始和终止限制面间均为凸连接,且筋端面的宽度有一定取值范围。

2.2主面集和关联面集的扩展实际零件的内外缘处存在许多细碎面,根据规则1,在开/闭角面集的边界处为G1连续的开/闭角面也应属于同一组开/闭角面集.为保证开闭角的完整性,需对已识别出的开闭角面集进行扩展.下面给出面扩展的规则.图9a所示为某个广义槽的局部,该广义槽侧壁存在大量细碎曲面.通过识别交线环依赖面的内/外敛面类型并判断外敛面类型后,得到图9b所示的主面集Fm,利用规则3进行一次主面集的扩展得到F'm,如图9c所示,继续扩展可得到图9d最终所示的主面集扩展结果F"m.

3算法与实例

根据开闭角识别与构建原理,本文设计了基于主面扩展的开闭角识别算法,以实际的零件模型作为实例,并根据实例结果对算法的有效性和时效性进行了分析.

3.1算法图10所示为开闭角识别与构建的算法流程图.该算法已在CATIAV5平台上实现,并集成在“飞机结构件快速数控编程系统”中,应用于实际生产.

3.2实例与分析图11所示零件的内、外形中均包含大量开闭角面以及筋端面,且存在飞机结构件模型中常见的细碎面,具有典型性和代表性.本文以该零件为例对算法的有效性和时效性进行验证.

3.2.1有效性分析图12所示为实例验证结果.其中,图12a所示为广义槽识别结果,例如编号为8_2的槽中共识别出12个开闭角特征；图12b~12d所示为识别出的广义槽中的开闭角以及筋端面,包括开角或闭角的斜向关联面个数和底部圆角面个数统计；图12e所示为错误的识别结果.表1~2分别为开闭角和筋端面的识别结果统计.本文经分析得出,图12e中多余的面属于半开半闭类型.半开半闭的自由曲面至少存在一条分界线,只要将其在分界线处将该面进行分解,再利用本文算法即可有效识别出开闭角结构.而图12e中未识别的筋端面在此处接近垂直,识别结果与算法在判断加工面类型时所设置的精度有关.经大量零件模型测试表明,该算法的开闭角识别正确率超过90%.因此,“基于主面扩展的开闭角识别算法”能够排除零件模型中细碎面对识别结果的影响并能区分不同类型的开角面,识别飞机结构件中的开闭角,算法是正确且有效的.

3.2.2时效性分析为验证本文算法的时间复杂度,我们构建了n×n(n≥2)个槽结构的零件模型,如图13所示.零件中开闭角的个数与程序计算所花时间的关系如表3所示,其时间复杂度函数。其中,y表示计算时间,单位为s,x表示开闭角特征的个数.二次多项式拟合曲线如图14所示.由此可知,该算法效率较高.

4结语

为解决飞机结构件中开闭角加工的自动编程问题,本文提出了基于主面扩展的开闭角自动识别与构建算法.通过总结飞机结构件中各种常见的开闭角形式,分析零件模型的特点,建立了开闭角的数学模型;并以该模型为理论基础,从广义槽节点的侧壁节点中识别、构建开闭角节点并生成开闭角特征关联树.该模型能够完整地表达飞机结构件中的开闭角面等几何信息,且能有效地映射到开闭角的加工操作中.经大量实例测试表明,该算法能正确且快速地识别出复杂飞机结构件中绝大部分的开闭角特征,特别是存在细碎面片的壁板类、框类零件的开闭角,这类零件尺寸大、内外保形要求高、槽腔特征多,编程最为烦琐;对于不能识别和识别错误的开闭角特征,可由人工进行检查和修正.相比完全靠人工进行识别,该算法能有效地减少90%以上的工作量.此外,对于接头类零件,由于零件本身的复杂性使得其需要多侧加工,本文算法不适用.

作者：周敏 郑国磊 罗智波 陈树林 单位：北京航空航天大学机械工程及自动化学院 沈阳飞机工业(集团)有限公司