基于NX/Open的三維模型特征識別方法研究

唐碩

摘要：為了解決在工程實踐中非參數(shù)化三維零件模型的信息提取效率不高的問題，研究了一種基于邊界表示法的孔類零件的特征識別方法。首先根據(jù)孔類特征的屬性參數(shù)建立特征知識庫，然后論述了NX/Open在特征識別和信息提取的推理過程中的應用，最后通過實例詳細介紹了特征識別的實現(xiàn)過程，完成了典型孔類特征的識別以及特征信息的提取。

關鍵詞：特征識別;邊界表示法;NX/Open;二次開發(fā)

中圖分類號：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0194-02

0? 引言

隨著CAD技術的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了很多種三維實體模型表示方法，如邊界表示法、體素構造表示法、參數(shù)表示法等，目前最普遍、無歧義的特征識別方法是邊界表示法[1-3]。邊界表示法是通過幾何信息和幾何信息間的拓撲關系來定義和描寫一個三維實體模型的方法，它能夠為設計人員提供一個完整邊界表示模式[4]。

在工程實踐中非參數(shù)化三維實體模型是很常見的，雖然這種三維模型的特征信息數(shù)據(jù)丟失了，但是在建模時所產(chǎn)生的特征的幾何信息和拓撲信息仍然保存在模型中，包括以及它們之間的特定位置關系[5]。技術人員可以基于邊界表示法的原理，建立三維實體模型，按照由高層次到低層次的順序，與特征識別知識庫中的信息進行對比，即通過實體找到符合要求的面，通過面找到符合要求的環(huán)，通過環(huán)找到環(huán)上的邊，繼而找到邊的兩個端點的信息，就可完成特征的識別。

1? 建立特征識別知識庫

根據(jù)邊界表示法進行特征識別的算法要求，首先應該收集典型特征幾何信息和其拓撲關系，建立特征的知識庫，為特征識別提供信息匹配數(shù)據(jù)。

本文以對典型孔特征的識別為例，來闡述構建特征知識庫的方法。在UG NX中，典型的孔特征有四種形式：簡單孔、沉頭孔、埋頭孔、錐孔。孔特征的安置面和穿透面可能是平面、圓柱面、球面等表面類型，按照表面類型不同，可以進一步對孔特征分類。本文選擇安置面和穿透面均為平面的情況進行討論。每種孔還可以進一步分為通孔與盲孔。由于錐孔是否為通孔不會對特征的屬性參數(shù)有影響，故不作進一步分類。因此，共有7種相關的孔特征模式，分別是：通的簡單孔和非通的簡單孔;通的沉頭孔和非通的沉頭孔;通的埋頭孔和非通的埋頭孔以及錐孔。圖1為7種孔特征的結構示例圖。

每個特征都是由幾何信息和幾何信息的拓撲關系構成，幾何信息是指特征中所有幾何元素的尺寸和位置關系;拓撲信息是指特征中各個表面、環(huán)、邊、點之間的層次結構。這些信息讓每個特征都具有與其他特征相區(qū)別的特定屬性，特征識別就是要充分利用這種屬性的特殊性。對于不同的孔特征都對應著不同的特征屬性參數(shù)，見表1。

2? 用NX/Open來實現(xiàn)推理過程

為了滿足用戶的個性化需要，UG NX平臺上為使用者提供了二次開發(fā)編程語言NX/Open[6]。NX/Open中常用的高級編程語言有VB、C、C++、C#、KF、.NET、Java等。NX/Open為UG NX的二次開發(fā)提供了多種二次開發(fā)工具包，如MenuScript、Block UI Styler、NX/Open API等，通過使用這些二次開發(fā)工具，使用者能夠根據(jù)自身需求開發(fā)出具有UG NX風格的特定功能模塊。

一個完整的特征識別UG NX二次開發(fā)的總體流程包括：設置系統(tǒng)環(huán)境變量、搭建開發(fā)環(huán)境;編寫菜單腳本文件和工具條文件;創(chuàng)建特征識別對話框;在Visual Studio中建立工程，編譯、調(diào)試、運行程序代碼，生成可用于執(zhí)行的動態(tài)鏈接庫文件;將動態(tài)鏈接庫文件和對話框文件與UG NX系統(tǒng)集成，供用戶調(diào)用;應用程序開發(fā)完成。

特征識別分為兩個部分：一是找到與特征知識庫中相匹配的特征;二是得到所匹配特征相應的參數(shù)，都可以利用NX/Open提供的二次開發(fā)函數(shù)來實現(xiàn)[7]。調(diào)用二次開發(fā)函數(shù)，可以實現(xiàn)三維模型的遍歷，得到模型上所有的face、loop、edge、vertex的信息及它們之間的結構關系，將這些結構關系與預定義特征知識庫中的信息進行比對，找出符合要求的幾何特征，從而完成第一個部分。通過二次開發(fā)函數(shù)可以測量已匹配特征上幾何元素的數(shù)據(jù)，如距離、直徑、角度等，然后將這些數(shù)據(jù)匹配到相應的特征參數(shù)上，從而完成第二個部分。

下面列出幾個在特征識別種會用到的二次開發(fā)函數(shù)及其釋義：

int UF_MODL_ask_face_body;//查詢面上的體

int UF_ MODL_ask_edge_body;//查詢邊上的體

int UF_MODL_ask_body_faces;//查詢體上的面

int UF_MODL_ask_face_type;//查詢面的類型

int UF_MODL_ask_face_data;//查詢面的信息

int UF_MODL_ask_edge_type;//查詢邊的類型

int UF_MODL_ask_face_edge;//查詢面上的邊

int UF_MODL_ask_face_loops;//查詢面上的環(huán)

int UF_MODL_ask_loop_list_item;//查詢環(huán)列表迭代對象

int UF_MODL_ask_loop_list_count;//查詢環(huán)列表中成員的數(shù)量

……

3? 特征識別的實現(xiàn)流程

特征是由幾何元素特定的位置關系與一定數(shù)量的面與邊組成。如非通的沉頭孔，其特征是構成如圖2所示。

沉頭孔的安置平面與沉頭的圓柱面之間通過一條封閉的環(huán)邊相連，沉頭平面與沉頭的圓柱面之間通過另一條封閉的環(huán)邊相連，孔的圓柱面與沉頭平面之間通過一條封閉的環(huán)邊相連，孔的圓柱面與孔的頂錐面之間通過一條封閉的環(huán)邊相連，同時，沉頭圓柱面、孔的圓柱面與孔的頂錐面三者為同軸關系，與沉頭平面為垂直關系。

在確定了特征所具有的幾何位置信息后，就可以來確定遍歷的順序。對于非通的沉頭孔特征來說，遍歷的順序是：①指定一個面作為孔安置面P1，搜索面上所有的封閉環(huán)，將只擁有一條邊的環(huán)加入到環(huán)面集中，從中取出一條環(huán)L_1。②沿著P1搜索，是否有一個圓柱面C1，且兩個面的交線是L_1，記錄下C1的直徑D1。③C1的另一端是否有另一個環(huán)L_2，且L_1、L_2兩環(huán)同軸、同直徑，記錄下兩環(huán)之間的距離H1。④L_2所在的平面P2內(nèi)是否存在一個環(huán)L_3，且L_3的直徑小于L_2的直徑。⑤沿著P2搜索，是否有一個圓柱面C2，且兩個面的交線是L_4，記錄下C2的直徑D2。⑥C2的另一端是否有另一個環(huán)L_4，且L_3、L_4兩環(huán)同軸、同直徑，記錄下兩環(huán)之間的距離H2。⑦如果與L_4相連的另一個面是圓錐面，則可以確定這些面、邊構成了一個非通的沉頭孔。記錄下該沉頭孔數(shù)據(jù)參數(shù)：H1是沉頭深度，H2是孔深度，D1是沉頭直徑，D2是孔直徑。

根據(jù)上面描述特征識別的遍歷順序，作出非通沉頭孔的特征識別流程圖，如圖3。

以上的算法是針對非通沉頭孔的識別過程，遵循同樣的原則也可以確定其它幾種孔的特征識別算法。

4? 結語

本文以UG NX作為平臺，介紹了一種對孔類典型特征識別方法。通過分析UG NX中的孔類特征的屬性預先制定孔特征知識庫，運用NX/Open API封裝的二次開發(fā)函數(shù)對特征的信息進行提取，分析三維模型的幾何元素信息和其拓撲關系，并用一個實例驗證了算法的可行性。

這種特征識別方法不僅僅局限于孔類特征的非參數(shù)化信息提取問題，也可以擴展到凹槽類、凸臺類等零件的特征識別，使三維模型的非參數(shù)化問題得到很有效的解決，既減少了人工操作效率低、準確率低等問題，也為產(chǎn)品后續(xù)的工藝規(guī)劃、自動編程等工作提供數(shù)據(jù)基礎。也正因為如此，采用這種特征識別方法在汽車以及汽車發(fā)動機故障診斷以及模塊化設計提供提供有力的支持，也能為汽車零部件加工提供支持，用途相當廣泛。

參考文獻：

[1]易晗.基于圖和規(guī)則的鈑金件特征識別方法研究[D].華中科技大學，2019.

[2]陳文旭.基于NX的汽車覆蓋件模具數(shù)控自動編程系統(tǒng)研究[D].華中科技大學，2019.

[3]于嘉鵬，路永輝，姜博宏，等.基于UG NX的航空發(fā)動機離心葉輪數(shù)控加工自動編程系統(tǒng)的研究[J].航空制造技術，2020，63（4）：88-95.

[4]白茜.基于MBD的特征識別方法研究[D].西安建筑科技大學，2016.

[5]劉紅軍，傘雷，紀俐，等.基于UG特征識別的典型孔槽類零件數(shù)控加工技術[J].航空制造技術，2014（Z2）：100-102.

[6]周臨震，李青祝，秦珂.基于UG NX系統(tǒng)的二次開發(fā)[M].江蘇大學出版社，2012.

[7]花鋒.基于NX二次開發(fā)的特征識別技術研究[J].機械制造與自動化，2010，39（6）：99-100，135.