基于切片技术的交叉特征识别新方法研究*

舒海生 余豪华 张书宇

（①哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001;②哈一机第17分厂，黑龙江哈尔滨 150001）

自动特征识别技术［1］作为CAD/CAPP/CAM一体化研究的基础，是实现CAD与CAPP以及CAM之间的数据和信息自动传递与转换的理想接口。利用自动特征识别技术可以实现从CAD系统到CAPP系统之间数据和信息的自动、高效传递。

在特征识别领域，人们提出了许多方法，如句法模式识别方法、基于图的方法、基于痕迹的方法、基于神经网络的方法、凸壳体分解的方法、单元体分解的方法、混合的方法等［2］。通过这些方法，虽然能够较好地完成孤立特征和一些常见的、简单的交叉特征识别，但往往存在着识别算法复杂，识别效率不理想等不足。同时对于一些稍微复杂的交叉特征和交叉特征较多的零件，以上的方法就有很大的局限性，在运用实践上存在很大困难，还存在许多问题有待解决。

针对现有的各种特征识别方法的不足，本文在借鉴医学CT扫描成像技术原理的基础上，提出了一种基于切片技术的特征识别新方法。通过制定相关规则构造出一系列不同方位的切片，将零件实体模型的STEP文件中包含的特征几何信息转化为若干切片（切片序列）信息，这些切片（切片序列）信息中既包括了交叉特征中各部分的私有特征痕迹，同时又给出了交叉部分的局部“照片”。通过对这些切片（切片系列）的细致分析研究，如特征匹配、切片修正、特征重构等，将复杂的交叉特征识别问题转化和分解成多次的、简单的孤立特征识别问题，并输出各个孤立特征参数。

1 基本原理

1．1 特征分类

本文将零件加工特征分为孤立特征（零交叉特征）和交叉特征两大类。其中孤立特征分为4大类，即腔特征、槽特征、孔特征和台阶特征等。其中腔特征包括开放通腔特征、开放盲腔特征、封闭通腔特征、封闭盲腔特征等;槽特征分为一般通槽特征、一般盲槽特征、通燕尾槽特征、盲燕尾槽特征等;孔特征包括通孔特征、盲孔特征等;台阶特征包括通台阶特征、盲台阶特征等。孤立特征分类的定义及其特征参数，如表1所示。这里以一般通槽特征为例，其定义及参数表示如图1所示。

鉴于孤立特征与交叉特征之间是紧密相连的，不同孤立特征之间相互交叉，造成孤立特征之间拓扑结构和信息丢失，从而形成了交叉特征。因此通过各个孤立特征名称及其内部技术参数、外部联系参数的输出，可以完成对应的交叉特征识别。

1．2 基本原理和步骤

针对交叉特征零件模型的STEP文件，利用切片技术提取其中包含的各种孤立特征和交叉特征几何信息，并将这些特征几何信息转化成对应的切片（切片序列）信息，经过特征匹配、切片修正、特征重构等，从而将交叉特征识别转化为多次的孤立特征识别，并输出各孤立特征参数。其基本原理和步骤如下:

步骤1:特征零件模型的 STEP［3－4］文件生成。由支持STEP（Standard for the Exchange of Product model data）标准的三维造型软件（如Pro/E、UG、CATIA等）设计出三维零件模型，并自动生成对应的STEP文件（* ．stp）。

步骤2:特征几何信息的简化与提取。对生成STEP文件中的特征几何信息进行简化，保留其中必要的特征几何信息。并采用提取关键字的形式和自上而下的搜索策略模式［5］，对STEP文件中的点、线、面、向量等特征几何信息进行提取，如:建立面、边、点等对应关系和面和边方程等，完成特征几何信息的提取。

步骤3:切片（切片序列）信息的生成与处理。首先读取特征几何信息中的凹边［6］信息，并按照相关规则对凹边进行成组，建立切片平面方程。其次保证切片平面方程沿对应凹边组起始点到终点运动，并保持切片平面运动方向与凹边组方向垂直。然后在切片平面运动过程中，切片平面方程与对应的面边方程相交，生成一系列切片（切片序列）信息，这些切片（切片序列）信息是以点集、向量集等形式存在的。最后通过对这些点集、向量集信息进行整理，从而完成切片（切片序列）信息的处理。

步骤4:特征匹配和参数输出。将得到的切片（切片序列）信息，与预定义特征库中的孤立特征切片（切片序列）信息进行特征匹配。

对于孤立特征，将得到的切片（切片序列）信息直接与预定义孤立特征库进行特征匹配。对于交叉特征，将得到的切片（切片序列）信息，与对应孤立特征库中的切片（切片序列）进行局部特征匹配，以便先识别出对应的孤立特征。若匹配成功，则输出特征参数，进入步骤6;否则，进入步骤5。

步骤5:切片修正。若该是进行第一次切片修正，则根据不同的凹边成组规则对剩余凹边再次进行凹边成组，检查并重新确定切片方程，从而生成新的切片（切片序列），并进行处理，进入步骤3，再次进行凹边成组等。否则，进行特征另处理，利用人机交互进行用户自定义，进入步骤6。

为简化处理和提高识别效率，这里取同一切片序列的特征匹配次数为二次。即如果该特征的第二次的特征匹配仍不成功或者无法进行特征匹配，则将该切片序列保留，不再进行特征匹配，直接进行下一步的特征重构。

步骤6:特征重构。首先判定整个切片（切片序列）信息是否处理完毕，处理完毕，则直接输出全部孤立特征及其参数;否则，进行特征重构。通过对经过特征匹配后剩余的切片序列（切片）信息进行切片（切片序列）重构，即去除已识别出的孤立特征对应的凹边组和切片（切片序列）上的点和向量信息，重新生成新的切片（切片序列）信息，并进入步骤4。

通过特征重构，可以逐步将交叉特征对应的切片（切片序列）信息简化为孤立特征对应的切片（切片序列）信息，并输出构成该交叉特征的各孤立特征名称和参数。这一步体现了利用切片技术实现交叉特征识别的本质与核心。

由上可知整个基于切片技术的交叉特征识别基本原理流程图，如图2所示。

2 特征举例

文献［7］通过对常见交叉特征的研究，提出了由交叉特征引起的拓扑结构变化的3种类型:面融合、凹边损耗、面分裂等，并给出6类交叉特征实例。这里结合这六类交叉特征实例的具体尺寸，进行特征实例验证，如图3 Type 1到Type 6所示。

利用Visual C++6．0开发的基于切片技术的自动特征识别系统如图4所示。利用该系统经过特征几何信息简化与提取、切片（切片序列）信息生成与处理、特征匹配与参数输出、切片修正、特征重构等关键技术步骤，最终可得到以上六类交叉特征零件模型实例的特征识别结果。这里仅给出图3中Type 1的特征识别结果，如图5所示。

通过以上交叉特征实例，不仅可以验证基于切片技术特征识别方法的合理性和有效性，随着后续研究的深入，还可以通过人工交互逐步扩大和丰富特征库信息，便于引入更多的交叉特征实例进行验证。这样不仅可以改善新方法的柔性，有利于新方法的发展，这也是新方法必然要求，可充实新方法的深度和广度。

3 结语

（1）提出了一种基于切片技术的交叉特征识别新方法，这是一大创新点。该方法可较好地完成包括孤立特征在内的交叉特征识别问题，是对现有交叉特征识别领域的一种新的尝试。

（2）新方法可以将各类特征识别问题简化成的一次、二次或多次的孤立交叉特征识别问题，可弥补现有常见的交叉特征识别的一些不足。

（3）该方法不仅使得整个交叉特征识别的原理易于理解，而且提高了交叉特征识别效率，简化了交叉特征识别难度，便于拓展。

同时，作为对新方法的初步研究，可能还存在一些不成熟的地方，本文只对其中的零件模型的STEP文件进行了研究。而直接针对CAD零件模型、其他标准格式文件（如IGES标准）以及曲面特征识别问题，有待进一步的研究和开发。

［1］高曙明．自动特征识别技术综述［J］．计算机学报，1998，2（3）:281－287．

［2］Bojan Babic，Nenad Nesic，Zoran Miljkovic．A review of automated feature recognition with rule－ based pattern recognition［J］．Computers in Industry，2008，59:321－337．

［3］Jung Hyun Han，Mujin Kang，Hoogon Choi．STEP－ based feature recognition for manufacturing cost optimization［J］．Computer－ Aided Design，2001，33:671－686．

［4］ISO 10303 STEP Part203，Application protocol:Configuration controlled design［S］．1994．

［5］王锐，张承瑞，刘日良．STEP中性文件的信息提取与图形显示［J］．机械科学与技术，2004，23（9）:117－1119．

［6］Emad S．Abouel Nasr，Ali K．Kamrani．A new methodology for extracting manufacturing features from CAD system［J］．Computers＆ Industrial Engineering，2006，51:389－415．

［7］Shuming Gao，Shah J J．Automatic recognition of interacting machining features based on minimal condition subgraph［J］．Computer－ Aided Design，1998，30（9）:727－739．