基于STEP的电子束数模特征识别与再建CAD二次开发系统

2021-03-29 02:47唐博文廖敦明唐绍宁

模具工业 2021年3期

唐博文，廖敦明，唐绍宁，杨光，杨帆

（1.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉 430074；2.中国航空制造技术研究院，北京 100024）

0 引言

我国航天航空事业的飞速发展，对其领域的高端装备有了新的技术需求，需要发展更高精度、更高参数的大型设备，同时可应用于更加恶劣的工作环境。电子束熔丝增材制造具有成形速度快、力学性能优良、缺陷可控等优势，可适用于高性能大型金属构件的加工制造，能有效缩短生产周期、降低生产成本，因而在航空领域得到了广泛应用[1,2]。

电子束熔丝增材制造工艺流程分为前处理、打印成形和后处理三部分[3]，不同的处理过程需要用到相应的专业CAD工具，而不同CAD工具所支持及保存的模型文件结构存在一定的差异，因此存在数模文件格式转换的环节。同时在前处理中，传统手动建模过程繁琐、规范性差、效率低，导致制造周期长。基于上述问题，有必要开发专用文件处理接口及数模特征识别与快捷再建系统，实现对文件格式转换的处理及关键特征的识别和重建。

基于NX 10.0开发平台，在Visual Studio 2012编译环境下，以C/C++为开发语言，应用NX二次开发框架下的NX Open API、Block UI Styler和Menuscript技术[3,4]，对中间格式STEP模型文件在NX中结构特征进行对比分析，开发能够处理STEP格式的数模特征识别与快捷再建CAD系统。

1 基于STEP特征识别与快捷再建CAD系统的框架

STEP中间文件包含较多的产品信息，主要包括B-Rep模型信息[5]，B-Rep（boundary representations）即边界表示法，通过顶点、边、面表示实体表面的边界，进而确定实体的内部点和外部点，建立实体三维模型。

系统旨在提高数模再建过程中的自动化和智能化程度，简化人工操作步骤，为STEP格式文件模型的再建提供解决方案。数模再建系统通过导入模型文件，进行模型修复，然后提取模型特征信息，结合特征库对模型结构进行智能补偿。

分析系统处理顺序可分为三部分：①针对STEP模型文件在NX中读取后可能存在的格式错误，进行特征修复，优化线面；②对需要优化的典型特征进行识别及提取；③基于提取的特征，进行相关的优化处理，如对模型添加余量补偿等。软件处理框架如图1所示。

图1 软件处理框架

2 关键技术

2.1 NX中STEP模型的异常信息分析及修复

NX软件提供了导入IGES、STEP等格式的中性文件接口，虽然在NX软件中打开STEP格式的文件后进行了较完善的处理，消除了曲线曲面的丢失和缺损的现象，然而其载入后的文件与在NX平台上独立建立的模型仍有所差别，不利于对模型进行进一步的处理操作。NX载入STEP源文件后其模型没有具体构建过程，可能存在一些曲线类特征异常，如不同CAD造型软件使用的造型方法有所差异，可能会出现圆柱面等未缝合现象，图2箭头指示处出现了圆柱面及圆孔面分割现象。

图2 分割的圆孔面

大量的边界曲线以容错曲线（tolerant curve）的形式出现，导致边界特征识别困难，如圆环的边界曲线不为圆弧，使其难以获得圆心位置等坐标信息。部分平面或曲面的特征类型也以非参B曲面（（non-parametric）trimmed B-surface）形式出现，给这些曲面特征的自动识别带来一定的困难。

为解决这些问题，使NX载入STEP格式模型后能对其进行特征识别及模型再建，运用NX二次开发技术，开发了目标体上异常曲线及曲面的查找和显示功能，并提供以下2种曲线曲面修复方式。

（1）应用NX Open的Features属性下的Optimize Face Builder方法，对曲面进行优化，该方法可以将不合理的分裂面连在一起，也可恢复多数不合理的B曲面异常情况。但该方法会去除部件导航器的历史操作记录。

（2）使用UFUN方法中UF_MODL_edit_face_join函数进行连结面处理。该方法可以将2个面合并成1个面，合成后的面为B曲面特征类型。

2.2 基于STEP文件的圆角类特征识别及处理

2.2.1 圆角类特征分类及特征识别

一般零件设计过程中，为减小应力集中和加工难度，常会设计圆角、拐角等过渡曲面。但在电子束熔丝增材制造过程中，半径较小的圆角类特征不利于加工路径的规划，也难以直接形成圆角类形状，为避免此类特征阻碍后续路径规划过程，需对其进行处理[6]。

根据圆角的形式，可分为环形圆角、普通圆角（内圆角及外圆角）、拐角及球形拐角，如图3所示。其中环形圆角及拐角在NX中对象模型特征类别都为旋转面，但环形圆角有2个封闭环，而拐角只有1个封闭环特征。普通圆角在NX中对象模型特征类别为圆柱面，球形拐角的对象模型特征类别则为球面。

图3 圆角类型

基于各类圆角的差异，可根据其边界特征识别各类圆角。遍历目标体（body）对象的所有面，查询曲面的特征种类，获取符合曲面类型的所有曲面即可查找所有圆角类特征，进一步根据曲面边界类型可以识别圆角种类，其识别流程如图4所示。

图4 圆角类特征识别

2.2.2 圆角类特征再建

经过初步处理后的STEP格式模型仍可能存在不合理的B曲面、相交曲线等情况，因此不但需要提供对典型圆角的处理功能，还需处理异常曲面，根据不同的情况可采用以下3种方法。

（1）移除面。对于特征类型正常且不存在复杂的相交特征的圆角面，应用NX Open命名空间Features属性下的Delete Face Builder方法，设置相关属性，然后移除目标圆角面。

（2）通过添加特征进行布尔运算处理异常曲面。使用特征创建方法，以目标圆角的对角线为参考创建方块，然后根据圆角类型进行求和或求差去圆角，即对内圆角（凹面）进行求差，对外圆角（凸面）进行求和运算。

（3）通过拉伸圆角面处理异常曲面。如图5所示，先查询或选择包含各种圆角类型的复合圆角，并获取其终止平面，应用NX Open命名空间Features属性中的Extrude Builder方法，设置拉伸方向与终止面外法向相反的方向，应用拉伸操作可以将圆角特征去除。

图5 复合圆角

2.3 孔类及凸台类特征识别及处理

凸台和孔特征在数模中十分常见，对凸台与孔的自动识别和自动再建有重要意义。孔及凸台特征如图6所示，根据壁面是否为圆柱面，孔可分为圆孔和异形孔，凸台可分为圆台和异形凸台。根据孔是否贯通，又可分为通孔和盲孔。

图6 孔及凸台特征

在进行孔类及凸台类特征识别前，需先了解边的凹凸性判断方法及内环的概念。边的凹凸性判断方法如下[7]。

（1）当边为直线时，如图7所示，在需要判断边的相邻两面上分别找点p1及p2，要求p1、p2在垂直于边的同一平面内，p1沿其所属平面的外法向方向上平移1个单位得到p3，p2沿其所属平面的外法向方向上平移1个单位得到 p4，p1和p2间的距离记为d1，p3和p4间的距离记为 d2，比较 d1与d2的大小，若d1＞d2则该边是凹边，反之为凸边。

图7 直线凹凸性判断

（2）当边为曲线时，如图8所示，曲线所属的面存在圆柱曲面。针对该情况，引用微分方法，在圆柱曲面上取一微小曲面，当曲面足够小时可近似于平面，而曲线上的这一小段边可近似于直线，可引用第（1）种判断方法。

图8 曲线凹凸性判断

环（loop）是有序且有向边组成的封闭边界，环中相邻边共享1个顶点，且环中的边不相交。环不但有方向之分，还有内外之分，外环边以逆时针方向排列，内环边以顺时针方向排列。

在识别孔特征时，先遍历种子面（face）上的所有内环，如果内环为凸边，可初步判定该种子面为孔特征的入口平面，内环为有效孔边界。然后用插值取点射线法[8]判定是否为贯通孔，具体为:找出内环在x、y、z方向的上、下区间，然后插值法取点，取到的点为试探点，获取种子面在各试探点的法向，接着分别以试探点为起点，向正反法向发射射线，若均不与实体相交，则可认定为通孔，否则是盲孔。最后根据内环形状可判定是圆孔还是异形孔。

在识别凸台特征时，类似地遍历种子面上的内环，若内环为凹边，找到内环所属的另一面为特征面，特征面的另一相邻面是平面，且该平面只与特征面相邻，即可判断为凸台类特征。

识别完成后，需要结合实际加工工艺进行后续的处理及数模再建，对于孔类特征，需要考虑其孔径大小及其轴向与加工方向的差异。若其轴向与加工方向不同，且孔径不大，需考虑填充整个孔；若其孔径较大，为避免过多的材料浪费，在加工过程中可调整加工方向使其与孔的轴向相同。对于轴向与加工方向相同的孔，若其孔径较小，为保证加工精度和减少路径规划的难度需要将该类孔完全填充；若孔径较大，则向内添加一定的单边余量，即在自动建模中可设置一临界值，当孔径小于该值时填充孔，大于该值时则添加一定的余量。

对于凸台类特征，一般沿外表面方向添加一定的余量即可；对于有环形圆角的凸台，则可根据圆角补偿方式添加足够的外表面余量以包含圆角特征。在实际再建处理过程中，可先移除圆角再给凸台添加余量或使用UF方法的偏移面函数UF_MODL_create_face_offset进行偏置操作，再进一步处理圆角。