基于STEP-NC型腔特征识别方法的研究

李梅竹，田文欣，赵亚楠

（陕西广播电视大学 工程管理系，陕西 西安710119）

0 引言

STEP-NC 是产品模型数据交换标准（STEP）在制造领Ⅱ的延伸，基于STEP-NC 的数控程序不仅使得零件的三维几何信息能够直接传递到CNC 控制器，而且还包含了工艺信息和加工信息，从而克服了传统的基于ISO6983 标准的数控程序的信息损失、程序修改困难等诸多缺点[1]。

从STEP AP-203 文件中提取出的几何信息不等同于零件的加工特征，从而导致后续的工艺设计无法进行[2]。因此要建立零件的STEP-NC 信息模型就必须进行特征识别，特征识别有利于在零件整个生命周期内实现产品数据的交换和共享，为实现STEP-NC（STEP AP238 和ISO 14649）奠定基础。

1 型腔特征的定义

实际工业产品中，STEP-NC 的制造特征主要是二轴半制造特征。二轴半制造特征分为加工特征、复制特征和组合特征[3]。后两者分别表征某一特征的重复出现和多个特征的组合。加工特征具体包括平面、型腔、槽、台阶、孔、一般特征等。不同的加工特征对应不同的工艺规划[4]。

本文以型腔为研究对象，在STEP-NC 中，型腔是由bottom condition occurrence、pocket depth occurrence 和boundary occurrence 三个参数确定。本文的型腔是由平底铣刀一系列的加工而成，所以型腔的bottom condition occurrence 参数为planar 或through。型腔特征是通过一个任意形状的平面剖面和一扫描向量描述出，扫描向量垂直于平面剖面，它的长度为型腔的高度。其参数如图1 所示。

图1 型腔特征的定义

2 特征的存在性和可接近性规则

特征痕迹是指一个特征实例被添加到零件模型后，所保留的信息，包括几何的、非几何的如尺寸、公差等。即使特征相交，特征完整的边界模式已经不复存在，但只要它确是零件的一个特征，在CAD 模型中肯定留有痕迹[5]。本文主要讨论型腔特征在STEP文件中的痕迹及其有效性规则。

2.1 存在性规则

由于型腔分为有底型腔和无底型腔，所以型腔在零件边界中留有底面或壁面。底面垂直于刀具轴的方向，壁面是由一系列面组成且所有的壁面㈦刀具轴的方向一致。一个被识别出的型腔在零件边界中留有的面中不必底面和壁面都存在，存在其中之一就可以。例如图2 中一个通口型腔没有底面，一个无壁型腔却没有壁面。由于型腔分为有底的和无底的所以型腔的痕迹分为底面和壁面，对于有底型腔采19.底面作为痕迹，对于无底型腔采19.壁面作为痕迹进行特征的识别。

图2 通口型腔㈦无壁型腔

2.2 可接近性规则

对于一个要去除的特征，依据刀具轴向定位它必须是可接近的，可无干涉的加工到特征的每一点，这称为可接近性规则。把刀具抽象成半直线的形式，如图3a 所示。为了要去除一个特征，抽象的刀具保持恒定的轴定位方向，沿着一系列的路径进行移动加工出特征。如果特征的每一个点可被抽象的刀具加工出，加工过程中不㈦零件干涉相交，那么从这一刀具轴定位方向来看特征是符合可接近性的。在图3b 中的零件，两个型腔如3c、3d 中所示有相同的纯几何形状，但是两者的刀具轴定位方向不同。图3c中的型腔是无效的，因为它对于给定的刀具轴定位方向其不符合可接近性规则。而图3d 中的型腔是有效的，因为刀具可以无干涉地加工出该特征。

图3 可接近性规则

3 型腔特征的具体识别方法

特征识别过程分为生成－测试－修复三个阶段。

3.1 基于底面的型腔识别方法

遍历从STEP 文件中提取出的实体几何信息，搜索包含有三个及以上凹边的平面作为型腔特征底面候选面，得出型腔特征底面候选面后，根据型腔特征底面候选面的法向量可计算出刀具轴的定位方向。刀具轴的定位方向㈦型腔特征底面候选面的法向量平行且相反，在每一个刀具轴的定位方向上寻找型腔特征底面候选面，如果沿着刀具轴的定位方向上的型腔底面候选面是可见的，或者部分可见，那么这个型腔底面候选面是符合条件的，对不符合条件的底面候选面就放弃掉。

给出一个底面痕迹，为了更好地表示出型腔特征的识别过程，对一零件截取其某一截面，其识别过程如图4a～4d 所示。首先，型腔底平面㈦切削体求并集，得到最大的、非干涉的延拓面如图4a 中阴影所示。然后这个延拓底面沿着它的法向量拉伸产生体V。生成阶段生成一个型腔去除体V*，体V*是体V㈦切削体求交得到的，如图4b 中阴影所示。测试阶段检测体V*的边界中是否存在侵入面。如果体V*中不存在其他的零件面，那么就可以实例化一个有效的型腔特征了。设置一局部坐标系，坐标系Z 轴方向㈦底面的法向量相同。在局部坐标系中计算出体V*沿Z 轴方向上的痕迹边界就可得出型腔的深度对应于STEP-NC 文件中型腔特征的描述参数pocket depth occurrence。

如果测试阶段显示在体V*的边界中存在侵入面时，进入修复阶段。首先，投影所有的侵入面到延拓的底面上，如图4c 中所示侵入面为f1，然后从底面中减去这些投影。图4c 中的面f2，沿刀具定位的方向上看过去是不可见的，因此在修复运算时这种面可以被忽略。当所有可见的侵入面都投影到了延拓面上，就把它们的投影从底面中减去，得到一个新的底面。该底面对应于STEP-NC 文件对型腔特征的描述参数boundary occurrence。沿新底面的法向量扫描底面，扫描体㈦切削体相交即得到去除体。去除体的高度可在局部坐标系中计算出，接着实例型腔的其他参数，最终得到的型腔特征如图4d 中所示。

图4 基于底面的型腔识别

基于底面的型腔识别方法是针对有底型腔的，因此其STEP-NC 文件描述参数bottom condition occurrence 为planar。基于底面的型腔识别方法可把有底型腔特征的所有有关参数都识别出，该方法可完成有底型腔的识别。

3.2 基于轴的型腔识别方法

无底型腔没有底面则必须从其壁面中识别，然而当特征相交时，很难从零件边界描述中找到无底型腔的完整壁面痕迹，因此必须从型腔完整壁面痕迹的子集中进行推理来完成无底型腔的识别。

无底型腔存在性规则要求在零件的边界中至少留有部分的圆柱面或一对非平行的平面。例如图5a和5b 分别给出了毛坯和零件，根据基于底面的型腔识别方法从图5b 阴影所示的痕迹中识别出开口型腔如图5c 所示。可以设想两个开口型腔如图5d 所示，它们的刀具轴定位方向㈦图5c 中刀具轴定位方向垂直。实际上存在着无数个这样的开口型腔，它们留有图5b 中阴影所示的痕迹，但这些型腔特征是无效的，因为不符合特征有效性规则中的存在性规则。

图5 开口型腔的实例

首先，在从STEP 文件中提取出的几何信息中寻找部分的圆柱面（完整的圆柱面产生孔特征的痕迹，而不是无底型腔壁面的痕迹）以及成对的非平行平面并且它们的法向量夹角小于180°，寻找的这些面应属于零件面尤其是部分的圆柱面不能是连接两毛坯面的过渡面。寻找出的这些痕迹可能是无底型腔壁面的一部分。然后根据型腔壁面的痕迹计算出铣刀轴的可能定位。铣刀轴的定位方向与型腔壁面痕迹－部分的圆柱面的轴线方向一致，与型腔壁面痕迹－成对的非平行平面的法向量垂直。相关的轴定位被计算出，将产生两个方向上的无底型腔痕迹：一个称为正向的轴定位，另一个称为负向的轴定位。从图6a所示的零件中可得到四个方向上无底型腔的痕迹，四个方向分别为图6b所示：ad1、ad2、ad3、ad4。

得出轴定位方向后，无底型腔的识别过程首先寻找与痕迹相关的各轴定位方向上的开放区域。开放区域是沿着轴定位方向看过来可见的毛坯面。图6b表示了三个不同的轴定位方向ad1、ad3、ad4上的开放区域，因ad2方向上不存在开放区域，所以放弃该方向上的轴定位。

如果在某一个轴定位方向上找到开放区域，就进行特征的识别过程。生成阶段沿轴向定位方向拉伸开放区域，拉伸体与切削体相交得到体V*。测试阶段检测到如果所有包含在体V*边界上的零件面都可以看作壁面，并且它们的空间延伸方向与轴定位方向平行，那么体V*就是一个有效的通口型腔特征，之后它就被实例化。图6c中所示的通口型腔为ad3、ad4方向上的开放区域形成的一个通口型腔。如果体V*的边界面中存在侵入面，在修复阶段将对它们进行操作。

图6b中的ad1方向上的开放区域产生的体V*，体V*中存在除壁面外其他的零件面，因此需对体V*进行修复。修复阶段首先寻找出体V*中沿该轴定位方向看过去所有的可见侵入面。例如在图6d中，侵入面f1、f2是两圆柱面的子集，它们包含在体V*的边界中，并沿着方向ad1看过去是可见的。在侵入面处设置一局部坐标系，局部坐标系的Z轴方向与ad1方向一致，计算出侵入面在Z轴方向上的边界。之后引进一个平面，本文称之为虚底。虚底与侵入面的最低边界垂直并且在体V*中最大可能的延拓，如图6d所示。之后对生成的虚底采用基于底面的型腔识别规则来继续进行型腔识别，一个虚底的型腔最终被实例化如图6c所示。该虚底对应于STEP-NC文件对型腔特征的描述参数boundary occurrence。在局部坐标系中计算出体V*的虚底和开放区域在Z轴方向上的边界就可得出型腔的深度对应于STEP-NC文件中型腔特征的描述参数pocketdepthoccurrence。值得注意的是，任何采用虚底生成的无底型腔不可能有比虚底大的底面外廓，因此，产生虚底后调用基于底面的型腔识别规则时，其底面延拓（图4a所示）这一步在这里可被跳过去。

图6 无底型腔的识别

如图6d所示，体V*中的多个侵入面可能有相同的最低边界，那么就对这共同的虚底采用基于底面的型腔特征识别规则。有的情况与图7d不同，可能有多个侵入面，每个面有不同的最低Z向边界，那么就对每一个不同的最低边界，分别建立一个虚底并采用基于底面的型腔识别规则来进行型腔特征的识别，最终得到多个型腔特征。

如果体V*某一轴定位方向上的开放区域的对面上存在毛坯面，仍有可能实例一个通口型腔。这时投影可见的侵入面到开放区域上并把它们从开放区域上减去。对剩余的面沿轴定位方向进行拉伸，拉伸体与切削体相交得到体V*，之后就可实例化一个通口型腔。例如在图7中，对于确定的轴向定位方向，面f1被认为是一个侵入面，把它投影到开放区域上并把投影部分从开放区域上减去，然后生成一个通口型腔P2。

图7 基于底面与基于轴的识别

基于轴的型腔特征识别方法是针对无底型腔的，因此其STEP-NC文件描述参数bottom condition occurrence为through。

综上所述，基于轴的型腔识别方法可把无底型腔特征的所有有关参数都识别出，因此该方法可完成无底型腔的识别。但基于轴的型腔识别方法还存在一些不足，例如它经常做一些冗余的推理、识别结果可能产生违背直觉的特征等，这些不足还必须不断进行完善。

4 特征识别实例

本文利用面向对象的VisualC++编程语言和STEP的开发工具ST-Developer开发了型腔特征识别系统。如图8所示给出了一个零件为测试件。本文系统界面及其输入的STEPAP-203文件如图9所示。

图8 零件的三维模型图

图9 系统界面及输入的STEPAP-203文件

遍历STEP文件中提取出的几何信息，寻找型腔特征的痕迹。在这里找到一组非平行的平面和部分的圆柱面作为型腔的痕迹。当痕迹满足要求时，就进行特征识别过程。

生成阶段根据痕迹生成最大的去除体V*；测试阶段检测去除体V*是否存在开放区域，之后还要检测去除体中是否存在侵入面，如果满足上述两条件，这个特征就可实例化，否则识别规则进入修复阶段；修复阶段根据痕迹的边界条件来修复体V*，得到一个不与零件干涉的最大去除体，该去除体是体V*的子集并与零件不干涉相交，得到去除体后同样进行实例化最终得到特征体。修复也不是总能成功的，因此一些痕迹在修复失败后就被放弃了。经过几何推理过程最终识别出型腔特征如图10所示。

图10 特征识别的结果

5 结束语

本文采用特征痕迹的几何推理方法结合STEP文件信息模型的特点来对STEP 文件进行型腔特征识别，特征识别过程分为生成－测试－修复三个阶段，最终得到一个实例化的特征。该种方法能够很好地解决型腔特征的识别问题，并且可扩展到其他二轴半制造特征的识别，为后续工艺规划及生成STEP-NC AP-238 文件提供基础。

[1]张承瑞，刘日良.STEP-NC 2.5D 铣削工步的运动特征及其数据模型[J].机械科学与技术，2005，24（1）：90-93.

[2]王义林，刘志坚，李建军.面向模型重构的冲压零件特征识别技术[J].锻压装备与制造技术，2006，41（6）：91-94.

[3]International Standards Orgazation.ISO14649：Industrial automation systems and intergration－Physical device control－Data model for Computerized Numerical Controllers：Part10 General Process Data.2002：9-49.

[4]孔 啸，蒋亚军，张新明，等.模具数控加工智能工艺规划与优化的技术框架[J].锻压装备与制造技术，2005，40（3）：103-105.

[5]J.H.Han.3D Geometric Reasoning Algorithm for Feature Recognition.PhD thesis of University of Southern California.1996：12-22，26-44.

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