一种基于邻接面域分析的高频元件特征识别方法

李 乐

(西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

高频元件是波导裂缝阵天线中由波导腔和裂缝组成的具有高频特性的阵列结构单元，这些阵列壁薄、精度要求高、加工易变形、加工合格率低，是工程研制生产中的瓶颈。如何实现高频元件模型制造特征的自动识别是加工工艺优化、加工自动精细控制的前提，是实现高频元件智能精密加工的关键之一。

在特征识别技术方面，国内外学者已经进行了广泛研究：万能等[1]采用图匹配的方法实现了MBD(model based definition)毛坯模型特征的识别；陶品、石叶楠等[2-3]研究了神经网络特征识别算法；陈军、花广如等[4-5]研究了UG中特征识别关键推理方法；张春捷、李正旭等[6-7]研究了钣金件的特征识别技术。现有研究中，还没有专门针对高频元件的特征识别方法。高频元件三维模型具有阵列多、特征耦合关系复杂的特点，单个元件往往具有几百个特征，常规的基于边界搜索、图匹配法、神经网络的特征识别方法应用到高频元件时，存在识别速度低、耗时过长、耦合特征识别准确度差的问题，无法满足工程应用需求。因此本文提出了一种基于邻接面域分析的特征识别方法，该方法通过降低单个特征分析涉及的面、边数量，有效提高了高频元件特征识别的速度和耦合特征识别的准确度。

1 高频元件模型特征的特点

高频元件包含众多波导腔和裂缝结构，其UG三维实体模型主要由块、拉伸、孔、矩形腔体等基本建模特征和圆角、倒角、删除面、移动面等修饰特征以及镜像、阵列等组合特征构成，如图1所示。高频元件因电性能要求，需在阵面上加工几百个腔体和裂缝，这些腔体和裂缝又存在多种耦合形式，在特征层级和相交位置等方面表现出多样性。耦合特征具有组成面、边关系复杂，特征模式难建立的特点，一直是特征识别中的难点[8]。特殊的耦合方式，如某些面重合或相切，会改变原特征的拓扑关系，形成多个特征共有面或相切的边被分割等情况。要建立满足工程需求的高频元件特征识别方法，必须立足其模型特征的特点，建立有效的处理机制来解决多特征识别速度低和耦合特征模式构建难的问题。

图1 典型高频元件结构

2 邻接面域分析的特征识别方法

2.1 基本特征识别方法构建

当前主流三维设计软件多数采用基于特征的建模方法，三维实体模型由形体、特征、元素等结构组成[9]。以UG为例，其建模特征，包括孔、块、矩形腔体、拉伸等特征不是纯粹的制造特征，特征形貌和参数会在建模过程中因特征相交等耦合关系产生退化和变异，无法真实反映实际的制造特征[10]。建模中移动面、删除面等修饰特征也会改变基本特征的形貌，导致实际制造特征与建模特征参数有差异。因此，无法通过从模型建模特征中解析设计参数来实现耦合特征识别，需根据具体特征的面、边关系，建立相应特征的识别方法，才能准确提取特征参数。

UG中同一个建模特征可能包含多个制造特征，如图2所示，一个拉伸特征构建了4个制造特征，因此进行特征识别时需获取每一个制造特征的参数。本文从模型建模特征入手，使用UG/Open的特征遍历函数，获取零件上所有建模特征集合。然后分析每个建模特征，将其组成面按照面的邻接关系分割成若干个邻接面域，图2中的拉伸特征分成了4个邻接面域。将邻接面域作为制造特征识别的基本单元，对其组成面、边关系进行分析，能够获得相应的特征模式，通过进一步特征匹配和解算即可得到具体特征参数。这个处理方法大大缩小了单个特征匹配搜索的范围和计算量，提高了特征识别的速度和准确度。

图2 单个建模特征分解成多个制造特征

特征识别的主要步骤为：

步骤1,调用UG/Open接口函数，获取待识别零件模型对象(Part)及其基本属性。

步骤2,通过特征遍历函数，获取模型对象中所有建模特征及其特征类型，包括块(BLOCK)、拉伸(EXTRUDE)、矩形腔体(RECT_POCKET)、孔(SIMPLE HOLE)等。

步骤3,通过面遍历函数，获取特征的组成面及面的类型，根据面的邻接关系，构建特征的邻接面域分析链表。该步骤需考虑修饰特征的影响，具体见2.2节。

步骤4,根据邻接面域中面、边的拓扑关系，进行初步特征匹配，再调用具体特征的解析算法，分析面、边的结构数据，得到特征参数。

2.2 修饰特征影响分析

高频元件的三维模型一般都包含圆角、倒角等修饰特征，这些修饰特征无法独立构成实体，需建立在已有特征上，且两者间形成父子从属关系。修饰特征在父特征的组成面上形成新的面，并可能将父特征的相邻面分割成若干孤立的面。如图3所示，圆角面face5～face8将矩形腔体的4个连续面face1～face4分割成4个孤立的面。因此，在构建邻接面域及其后的特征匹配、参数计算过程中，必须考虑修饰特征的影响，将分析特征和与其关联的修饰特征作为一个整体来进行面的邻接属性分析。具体方法如下：

图3 修饰特征破坏面的连续性

步骤1,通过关联特征查询函数，获取与待分析特征相关联的子特征及其特征类型；

步骤2,通过特征类型分析(如圆角BLEND，倒角CHAMFER)，获取子特征中的修饰特征；

步骤3,通过面遍历函数，获取分析特征和关联修饰特征的全部面，将分析特征面与其邻接的修饰特征面合并，构建完整的特征分析面域；

步骤4,根据特征分析面域各个面的邻接关系，将其分解成若干个分割的邻接面域。

需注意，UG中修饰特征(如圆角)可同时在多个已有特征上构建，形成多个修饰特征面，导致一个修饰特征可关联多个父特征。形成的修饰特征面中，部分面可能与某个父特征不相邻，在步骤3构建特征分析面域时，需分析修饰特征面与父特征的邻接关系，只合并相邻的面。

3 耦合特征识别的共性问题处理方法

高频元件关键特征为孔类、槽类(包括腔体特征)和缝类特征，其面边关系因特殊耦合形式变得十分复杂，存在特征模式构建难的问题。本文针对高频元件几种主要特征耦合方式进行分析，得到一些耦合特征识别过程中共性问题的处理方法，对耦合特征模式正确构建起到了关键作用。

3.1 连续同向边拼接法处理分割边问题

两个具有父子关系的特征，即一个特征构建在另一个特征上，若其中某两个面相切，则可能导致相切的边被分割成若干连续边，使得面、边的拓扑结构发生变化。如图4所示，在矩形腔体特征上构建4个孔特征，孔的侧面与腔体侧面相切，则相切的边被分割成连续的3段。因此在分析矩形腔体的面边关系时，其4个侧面不再由4个两两平行的边构成，而是由7条边构成。如继续采用4条两两平行边作为矩形面的关键匹配点，则无法识别该矩形面，进而导致整个特征识别异常。

图4 相切特征破坏边的连续性

为了解决此类因分割边导致的面片识别异常，本文采用了一种拼接连续同向边的方法，具体过程如下：

步骤1,通过关联边查询函数，获取待分析面的边数据，包括边类型、顶点、方向向量等。

步骤2,对类型为直线的边，分析任意两边(Li,Lj)的关系，若满足式(1)所示关系，则构建一条新的边代替原来两个边。

(1)

式中：Vi和Vj为两个边的方向向量；Pi1,Pj1和Pi2,Pj2为两个边的顶点坐标。

步骤3,遍历全部边，将连续同向边拼接成一条等效边，再进行特征匹配。

3.2 方向面分析法处理共有面问题

两个具有父子关系的特征，若子特征的面与父特征的某个面平行且邻接，则两个面构成一个新的连续面，该面被两个特征共有。共有面使原特征的组成形态产生较大变化，导致部分特征参数识别错误。如图5所示，在矩形腔体(父腔体)的底面构建一个宽度稍小，长度与父腔体相等的子腔体。父腔体由face1、face2、face5、face6、face7、face8组成，子腔体由face3、face4、face7、face8组成，其中face7、face8为两个特征共有面。共有面的出现，导致组成父腔体的面中，face7、face8有部分面在腔体范围外，若直接计算父腔体组成面的包围盒来获取腔体大小，则得到的槽深度大于实际深度。

图5 特征共有面

为了解决共有面导致的特征参数提取异常，本文采用一种方向面分析法来计算实际矩形腔体的大小。具体过程如下：

步骤1,通过面遍历函数，获取矩形腔体的全部面，分析面的类型，得到其中全部平面。

步骤2,计算平面的法向量Fi(Fix,Fiy,Fiz)，若X轴方向的分量Fix>0，则该平面为X轴的方向面，同理可得Y轴和Z轴的方向面。

步骤3,以X轴、Y轴、Z轴的方向面为基础，分别计算特征在X轴、Y轴、Z轴方向的投影大小，具体分3类。

1)某轴向没有方向面。

如图5中，子特征在Z轴方向没有方向面，则分别计算另外两轴(X轴、Y轴)方向面的包围盒大小N(Nx,Ny,Nz)、M(Mx,My,Mz)，比较包围盒在Z轴向投影大小，若Nz>Mz，则特征在Z轴向的投影大小为Mz。

2)某轴向只有1个方向面。

如单面不通的腔体在深度方向只有一个方向面，则分别计算另外两方向与该面相邻的方向面的包围盒大小，比较包围盒在深度方向投影大小，取其中较小的值作为特征在该方向的投影大小。

3)某轴向有2个及以上方向面。

该轴方向面最大间距Hmax为特征在该方向上的投影大小。

上述方法只适用于坐标轴正交方向上建立的矩形腔体，对于其他方向，可以通过坐标系变换后采用上述方法计算，此处不再赘述。

4 系统开发与应用验证

4.1 系统开发

基于上述特征识别方法，通过UG8.0和Visual Studio 2013平台，采用UG/Open二次开发组件与MFC框架结合的方式，开发了一套高频元件特征识别软件。该软件采用C++对特征识别算法进行封装，用UG/Open开发接口操作UG底层函数，用MFC构建用户交互界面，包含特征参数显示、特征图片展示、特征数据保存等功能。软件架构如图6所示。

图6 特征识别软件架构

开发的软件界面如图7所示。

图7 特征识别软件界面

4.2 应用验证

采用开发的特征识别软件，对某型波导裂缝阵天线使用的高频元件进行特征识别应用验证，图8所示为部分验证实例，其特征识别结果见表1。

图8 应用验证实例

表1 特征识别结果

结果显示，本文开发的特征识别软件能够准确识别高频元件中多种耦合特征，特征识别速度大于60个/s，满足高频元件智能精密加工工程需求。

5 结束语

针对高频元件模型阵列多、特征耦合复杂的特点，本文提出了一种基于邻接面域分析的特征识别方法，有效提高了高频元件特征识别的速度和耦合特征识别的准确度，解决了高频元件智能精密加工过程中模型特征识别难的工程应用难题。本文研究的复杂耦合特征共性问题处理方法能够有效解决高频元件耦合特征模式构建难的问题，并能为其他领域模型耦合特征的识别提供参考。该特征识别方法已在国防基础科研计划重点项目中进行了应用验证，取得了良好的工程应用效果。