基于特征量自動切片技術(shù)的工程圖紙識別

余永杰，黃清運，陳鴻基，秦理，王逸平

（廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510160）

近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機械零件的設(shè)計往往涉及到非標(biāo)件，也就是非標(biāo)準(zhǔn)件。這就意味著在各地市場難以統(tǒng)一采購，就要求機械設(shè)計部門需要從市場的實際需求出發(fā)，將客戶所需要的抽象概念變成具體的工業(yè)產(chǎn)品。基于CAD/CAPP/CAM一體化設(shè)計的相關(guān)研究變得愈加重要。

基于特征量的自動切片技術(shù)就是CAD/CAPP/CAM中間信息傳遞交流的理想接口。一方面，自動切片技術(shù)能夠識別CAD三維工程圖紙中的加工所需的幾何特征信息。針對實際產(chǎn)品的幾何模型，通過算法提取信息及數(shù)學(xué)公式反演的方法最終獲取到具有工程意義的幾何特征信息。另一方面，自動切片技術(shù)作為CAD/CAPP/CAM一體化研究的基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同軟件之間的信息互換，這就能夠避免人工轉(zhuǎn)換易出錯、效率低的特性。因此，基于特征量的自動切片技術(shù)對于現(xiàn)代工業(yè)中的CAD/CAPP/CAM一體化研究具有重要的意義。

1 基于切片技術(shù)的特征識別

1.1 基本原理

多年來，各個國家的產(chǎn)品模型一直沒有統(tǒng)一的交換標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同軟件建立的模型難以進行統(tǒng)一的模擬分析。在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的推動下，STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data-產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范)成功面世。Step標(biāo)準(zhǔn)一方面是一種產(chǎn)品建模信息技術(shù)，另一方面也是一種基于面向?qū)ο蟮能浖嵤┘夹g(shù)。

經(jīng)過對step標(biāo)準(zhǔn)的仔細研究，結(jié)合醫(yī)學(xué)上的掃描成像原理，計算step格式文件所攜帶的產(chǎn)品特征信息，利用自動切片思想將一個完整的幾何體切分為若干個包含幾何特征信息的切片。這一系列的自動切片包含有交叉特征所獨有的所有幾何特征信息，通過對這些幾何信息的數(shù)學(xué)計算反演就能推到幾何體完整的幾何特征信息。將這些特征信息整理成數(shù)據(jù)就能應(yīng)用在數(shù)控中心指導(dǎo)機床的加工軌跡生成。

針對幾何體交叉特征，首先需要提取相關(guān)step文件信息，自動生成一系列切片。通過對一系列切片的分析然后進行計算、反演最終得到幾何體全部的幾何信息。經(jīng)過特征匹配、修正、重構(gòu)等步驟，將復(fù)雜的交叉特征識別問題簡化成單個特征識別。

曲面特征更考驗識別技術(shù)，基于曲面軌跡加工方法中的截平面方法，對相關(guān)的step文件進行深入分析，通過自動切片技術(shù)得到幾何體曲面特征信息。這樣就可以直接把加工過程中刀具軌跡問題轉(zhuǎn)化為了自動切片信息產(chǎn)生問題，不僅簡化了所面臨的技術(shù)難度，還提高了曲面特征的識別分析效率。

1.2 識別流程

為了更好的識別幾何體特征，需要在識別之前先建立一個標(biāo)準(zhǔn)的三維特征數(shù)據(jù)庫，這樣就能夠支持算法在識別過程中隨時查詢標(biāo)準(zhǔn)庫。此庫不僅能夠滿足所有的幾何特征的定義，還可以在之后出現(xiàn)復(fù)雜組合特征時修改庫增加庫內(nèi)容。

本文就按照表1、表2所示的幾種的特征進行自動切片技術(shù)研究，通過提取相關(guān)特征的step文件中的相關(guān)信息并且按照順序進行一系列切片的分析處理，最終將切片信息保存在特征庫中。這些切片信息就可以作為整個自動切片技術(shù)的特征識別庫文件，提供之后的特征參數(shù)輸出與表達。

表1 第一類孤立特征

表2 第二類孤立特征

第一步需要使用三維軟件建立合適的零件模型并且轉(zhuǎn)化為step文件，這樣step文件就會攜帶相關(guān)的幾何特征信息。第二步是提取step文件的中的幾何相關(guān)信息，比如笛卡爾坐標(biāo)系的參數(shù)等，并利用數(shù)學(xué)公式進行相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。第三步就是進行凹邊編組，之后建立平面方程從而生成一系列的切片序列。第四步就需要對切片序列進行處理，提取切片中的幾何信息與特征庫中的幾何特征庫進行比對。通過以上幾個步驟，將幾何體復(fù)雜的特征識別逐漸轉(zhuǎn)換成已知的單一的特征識別問題，逐漸求解組成復(fù)雜交叉特征的所有孤立特征。

在將切片信息與特征庫匹配的過程中，會出現(xiàn)切片的比對成功率問題，因為特征庫的特征單一或者需要識別的幾何體過于復(fù)雜，庫文件的識別匹配成功率往往不如人意。因此，需要引入特征重構(gòu)步驟以及切片修正技術(shù)，通過以上幾個步驟重新生成切片，然后再將切片信息跟標(biāo)準(zhǔn)庫文件進行特征比對。

基于自動切片技術(shù)的工程圖特征識別的詳細步驟如下：

第一步：將需要被識別的幾何體模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)step文件，一般的三維設(shè)計軟件均可以導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)文件。注意，文件信息不能丟失損壞。

第二步：step文件的讀取與簡化。通過對step文件標(biāo)準(zhǔn)的研究，可以知道幾何體的特征量信息都會以特定的規(guī)律保存在文件中。因為標(biāo)準(zhǔn)化的原因，文件還會保存很多與結(jié)合體特征量無關(guān)的信息，需要在讀取的時候進行剔除，減少對后續(xù)切片信息的干擾。采取關(guān)鍵字搜索的方式，對文件中特定的點、線、面、向量信息進行獲取，最終使用數(shù)學(xué)公式對相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算反演。

第三步：根據(jù)第一步提取到的幾何信息，對凹邊按照既定規(guī)則分類，根據(jù)數(shù)學(xué)公式建立切邊方程，從而就能夠形成一系列切平面。

第四步：幾何特征匹配判斷。將通過數(shù)學(xué)反演所得到的一系列切片信息帶入到標(biāo)準(zhǔn)特征庫進行匹配，匹配率高于閾值則判斷特征量讀取正確直接進入六步。在特征庫建立初期，匹配率低于閾值則需要對特征庫進行檢查，看是否是因為特征庫樣本量不足導(dǎo)致匹配失敗。在特征庫日益完善之后，匹配率低于閾值則需要進入第五步進行切片技術(shù)修正，提高匹配率。

第五步：切片修正技術(shù)。當(dāng)在第三步特征匹配失敗時就需要對自動生成的一系列切片進行檢查修正。根據(jù)第二種數(shù)學(xué)公式對凹邊成組進行檢查，重新得到平面方程組，進而得到另一組切片信息重新代入到第四步進行特征匹配。

第六步：幾何特征重新生成。首先對整個切片處理流程進行判斷處理。自動生成的一系列切片信息能夠有效形成特征輸出則整個流程結(jié)束。否則就需要第六步進行特征重新生成。重新生成意味著根據(jù)未識別到的幾何特征信息重新生成幾何體。然后再一步步進行處理，這樣就能夠?qū)⑦^度復(fù)雜不能被識別的幾何體降低難度生成為一個較復(fù)雜的幾何體，依次循環(huán)最終將復(fù)雜的集合體分解為可識別的簡單幾何體。

1.3 曲面特征識別的關(guān)鍵技術(shù)

基于三維圖紙的自動識別技術(shù)，主要表現(xiàn)為一系列切片平面的幾何特征量信息采集、曲面特征表達等。

（1）提取出特征的幾何信息主要有2個方面：第一，提取信息，用關(guān)鍵字的方法來實現(xiàn)。仔細研讀STEP文件標(biāo)準(zhǔn)，可以知道STEP文件中包含了(點、線、面、向量等信息)的曲面特征的表現(xiàn)。這些資料在檔案中都有具體的文字說明。提取文件所包含的幾何特征量信息，可以通過提取關(guān)鍵詞然后通過數(shù)學(xué)公式重建幾何，最終得到。第二，搜索的辦法。對STEP文件中的關(guān)鍵詞，采取高級元素向低級元素依次取代模式，即Up-down模式。例如SOLID，SHELL，SURFACE，CURVE，POINT等。從一級要素逐個層面上尋求要素的策略，方便地建立起上下銜接的體系，使得各要素更簡單、更清晰的構(gòu)建組織和包容之間的關(guān)系。利用上述兩條規(guī)律，我們可以得到Step文中含有的(點、線、面、向量等信息)的表面性，這是以后的識別特性的參考。

（2）曲面特性表現(xiàn)在此所獲得的曲線族，采用切片平面方程與曲面特性面交織，采集了一系列表面圖表的規(guī)則和擬合式曲線族。為方便處理這些樣條曲線族，必須對這些樣條曲線族進行點化處理，即利用有限的點集合，對每個樣條曲線進行替換和表現(xiàn)，得出一系列的點化集合。

（3）在進行采樣曲線點化處理和曲面的離散化處理之后，通過切片序列的產(chǎn)生，對所獲得的一系列離散點進行數(shù)值分析和處理，如插值、擬合等，由此得出一組擬合曲線族(structioncurvalcl）所以切片序列的生成與其所體現(xiàn)的曲面特性控制加工軌跡規(guī)劃信息相對應(yīng)。

1.4 切片特征重構(gòu)

特征重建是能夠?qū)?fù)雜的、難以識別的特征轉(zhuǎn)化為單一的、簡單的特征是使用自動切片技術(shù)識別交叉特征的關(guān)鍵。在與采樣庫匹配的切片特征時，殘留的切片信息可以在成功匹配的情況下，輸出孤立的特征的名字和特征參數(shù)之后進行重建，若被成功地輸出。也就是說，在切片序列上消除了孤立特性所對應(yīng)的痕跡信息，然后再產(chǎn)生新的切片序列信息。特征重建的基本步驟是：

Step1：對自動切片進行了判定。在對自動切片信息進行處理之后，必須在每個孤立的特征的名字和特征參數(shù)的匹配后，對其進行判斷。若無凹邊，則表示已完成了交叉特性的識別，并直接輸出各交叉特征的的名字和參數(shù)構(gòu)成了該交叉特征；反之，進入第二臺階。

Step2：特征參數(shù)點加工。每一個孤立的特性參數(shù)輸出完成后，將這些切片序列上的特征參數(shù)點轉(zhuǎn)換為，將該孤立的特征所對應(yīng)的特征痕跡信息轉(zhuǎn)換為該切片序列。

Step3：校正片重建。當(dāng)將切片序列的特點參數(shù)點進行求解時，相應(yīng)的點集被重新連接，并產(chǎn)生新的切片序列封閉環(huán)和相應(yīng)的向量信息，從而產(chǎn)生新的切片序列重建。

2 結(jié)語

本文對基于特征量自動切片技術(shù)的工程圖紙識別進行了詳細的說明，其中就包括step文件的生成，step文件中的特征幾何信息的提取與簡化，針對step文件的自動切片處理、修正及特征重構(gòu)。復(fù)雜幾何體的交叉特征一直是三維圖紙識別的難點問題，本文結(jié)合醫(yī)學(xué)上CT掃描原理，提出了一種基于特征量自動切片技術(shù)的工程圖紙識別技術(shù)。首先對此技術(shù)的原理進行說明，然后結(jié)合棱柱類零件的識別過程，對基于特征量的自動切片技術(shù)識別圖紙的一系列過程做了詳細介紹。