基于正則算法的工藝文件數字化技術研究*

斯興瑤 廖映華 胥 云 蔣 杰 楊 明

(①四川輕化工大學機械工程學院，四川 宜賓 644000；②四川省移動終端全制程先進制造技術工程研究中心，四川 宜賓 644000)

國內航空航天制造企業工藝文件多為二維CAD格式文件或者紙質文件存儲，航發葉片工藝數據信息化困難，工藝數據信息孤島嚴重，工藝文件管理成本高且效率低、易出錯，導致工藝數據的查看諸多不便，無法與MES和ERP實現信息交互集成。因此，快速高效獲取航發葉片CAD工藝文件的工藝數據信息，實現工藝信息有效整合，不僅能夠優化工藝參數，也能更好地創造價值[1]。20世紀起，CAD圖紙里面可以識別實體模型的特征，能夠掃描輪廓，得到簡單的圖形，對于工藝信息，附加到實體上，利用正交視圖和輔助視圖更好地識別簡單的特征[2-5]，但還存在著很多的欠缺，如不能取代航發葉片文件，工藝數據化成為亟待解決的問題。

根據目前航空航天企業使用的軟件來看，企業存儲二維圖紙，而且每個企業都有上萬零部件圖紙和葉片工藝圖紙，工程文件里面的信息都極具價值，不能更好地利用葉片工藝數據便是浪費存儲空間，占用資源，放任存檔雖然能傳承、記錄、查詢、再使用，可是使用起來十分不快捷和方便[6-9]。各航空航天企業在工程圖紙數字化的過程中，不斷探索新方法獲取航發葉片圖紙工藝數據信息[10-15]，但是在信息化過程中因為要對圖紙表格進行分析，計算量比較大，算法比較復雜，數字化的準確度和效率有待提高。

為了解決現有研究無法實現功能數字化的難題，本文針對某航空企業DWG工藝文件的數字化需求，最終要把航發葉片工序卡和工藝卡里面的關鍵信息提取出來，方便后期存入數據庫進行管理。將葉片工藝文件進行內邊框定位，最小二乘法和排序算法結合優化定位，再進一步分塊定位，縮小精度誤差范圍。增加航發葉片圖基準點自動識別，正則算法和特殊字符處理算法，匹配信息，整理信息，輸出信息，通過以上步驟能夠得到所需要的航發葉片工藝信息并準確提取。實現航發葉片工藝數據與數據庫相連，輔助用戶管理，提高航發葉片管理數據的工作效率，實現航發葉片數字化。

1 工藝文件預處理

航發葉片CAD工藝圖紙數字化能夠實現工藝參數和機床數據的識別，解決了手工整理數據問題，便于葉片工藝數據庫建立。航發葉片DWG文件很難讀取，不易轉換，一頁工藝圖紙里面存在著多種工藝數據類型和特殊字符，葉片DWG工程圖里面的信息表眾多，表格的橫豎線段長短不一?，F在已有很多數字化技術都是對工程圖紙的頭部和尾部的信息進行處理，對于航發葉片工藝信息，工藝參數的單位以及特殊符號處理還存在欠缺，想要更好實現數字化，需要對葉片CAD圖紙非常熟悉并進行圖紙預分析處理。預處理步驟如圖1所示。

(1) 航發葉片圖紙的定位邊框特別是內邊框線是不容忽視的，為了提高誤差精度，需要根據算法精準定位，葉片工藝圖紙里面的實體數據類型需要精準獲取，如技術要求里面的切削參數、刀具、刀桿和特殊單位等工藝參數必須準確。

(2) 采集工藝數據，首先要熟悉航發葉片的構造，工藝圖紙的結構，能夠區分航發葉片數控操作卡片和加工工藝卡細微區別。

(3) 葉片工藝圖紙里面的圖不需要的則不用對圖形進行分區處理，只需要取圖紙重要部分。

(4) 對航發葉片DWG操作圖紙里面的信息進行分區，把工藝圖紙劃分成3個區域。第一塊區域專門存放航發葉片核心工藝信息，第二塊區域存放輔助信息，第三塊區域存放航發葉片圖。

(5) 對葉片圖紙數據進行預處理之后，先定義好需要識別的屬性，再確定好需要提取的信息，最后確定好存儲格和存儲路徑，就可以開始進行數據提取工作。

2 工藝文件數字化

2.1 航發葉片圖框定位

首先分析航發葉片圖紙圖框，進行工藝數據預處理。觀察航發葉片工藝文件都是由內邊框和外邊框組成的。如圖2所示，以兩側邊框為坐標軸，兩軸焦點為基準點，則可以通過葉片圖紙邊框的尺寸確定每張工藝卡片的位置，這里是選取的內邊框豎線。算法選擇內邊框，也可以選擇外邊框，選擇內邊框是為了縮小范圍，后期提高誤差精度。

2.2 航發葉片圖線段定位

根據航發葉片圖框定位的內邊框進行定義的坐標系如下：葉片圖像原點在左下角O點(該點自動定位)，x軸正方向水平向右，y軸正方向豎直向上，圖像空間中的每一條水平線稱為一條掃描線。

采用最小二乘法確定航發葉片圖中各線段之間的關系，進一步確定工藝數據間的位置關系，首先檢測x、y方向線段的位置，判斷航發葉片圖紙線段集{(xiyi)|a=0,1,2,…,t}是否為直線，設直線方程：

Ax+By+C=0

(1)

用(xiyi)的ni與在Ax+By+C=0上對應的縱坐標yi=f(xi)作差，求平方和是能否構成航發葉片圖中直線的依據。

當B=1或C=1，則有y=-Ax-C

令，得ω(m)=1

(2)

(3)

求解出：

(4)

由式(2)得：

(5)

把A、C代入(5)求出δt給定誤差Δ，則：

δt≥Δ，{(xiyi)a=0,1,2,…,t}不是直線；

δt<Δ，{(xiyi)a=0,1,2,…,t}是直線。

當滿足條件是直線時，航發葉片圖中的橫線構成，從而根據行距準確的定位坐標，并找到葉片圖中的內部節點位置；如果遇到斷線，則先找到葉片圖中第一列的橫直線，再找后面的直線；兩種情況都不符合則不能判別，需重新識別。

選用最小二乘法對航發葉片圖線段進行定位，此算法是識別直線段的有效方法，判斷葉片圖里的掃描線是否屬于直線段的組成部分，找到直線段的位置分布，確定直線段的位置分布，極大地提高了數據轉換效率。

2.3 航發葉片工藝卡片類型判斷

航發葉片圖紙邊框大小差距比較大，區分是操作卡片還是工序卡，判斷代碼：

(and (equal dx 0. 1e-3)

(or (< 198. (abs dy)202.)

(< 280. (abs dy) 289.)))

其中dx是直線兩端點x坐標的差值，dy是豎向y坐標，dx=0表示是豎線，表示長度在198～202范圍內是航發葉片操作卡，長度在280～289范圍內是航發葉片工藝卡，識別航發葉片圖紙的所有線段。算法框圖如圖3所示，根據差值來判斷卡片位置，檢查范圍的正確性，不能出現遺漏，確保參數提取范圍的有效性。

再根據豎線間距得到航發葉片圖紙中列的準確位置(cadar line)是直線左邊端點的y坐標遍歷所有豎線，與第一根線比較，距離與需要的卡片寬度相差在2 mm以內就確定這是一個列，并記錄航發葉片圖中列的基準點。判斷代碼：

(and (equal (cadar line) (cadar x) 2.)

(equal (abs (- (caar line) (caar x)))width 2.))

2.4 航發葉片工藝數字化

通過找關鍵字再次區分航發葉片卡的類型，在距離基點范圍含有“工藝裝備”就可以確定航發葉片操作卡，卡片里面含有表格數量，沒有定義好的關鍵字就可判定為葉片工序卡，后續可根據表的各種類型提取里面的文字。由于航發葉片圖紙表格里面可能有斷線，只靠線段長度定位難以準確地找到表格單元格，先根據流程圖范圍橫線左邊端點確定表格，再根據坐標點，找到單元格，查找單元格的文字自然非常容易。航發葉片圖紙單元格會有多個文字，有橫排文字也有豎排文字，甚至橫排豎排都有，也存在換行、空格、換頁和特殊符號。算法流程如圖4。

航發葉片工藝文字有多種不同的格式，包括工藝數據普通字符、特殊字符和定位符。需要使用正則算法將格式去掉或者轉換成為需要的工藝格式，將各種葉片工藝數據進行匹配后連接起來，從而實現航發葉片工藝數字化。

(1)首先y坐標排序，按y坐標分成數行，再分別按x坐標排序這些行，最后通過空格間隔合并。按位置先從上到下排序，以第一個坐標為基準如果后面坐標與他相差2 mm以內就算作一行。文字高度是3 mm，超過就表示是另外一行了，就另起一行繼續進行第一次遍歷，直到把數據讀完。

讀完工藝參數后，先去掉航發葉片工藝文件里面的定位字符包括換行、換頁和回車。再處理葉片工藝數據里面的葉片工藝文字，如工藝信息和工藝步驟信息中的文字可以用正則表達式進行排序。建立二維list，一個類，兩個字段，一個為point，一個string。先排序再合并文字。第二次遍歷工藝參數，找出特殊字符，如葉片工藝里面的轉速、工藝尺寸和工藝單位，在輸出之前進行格式轉換，在序列化的時候利用正則表達式先去掉文字格式，轉義成普通的字符后，進行匹配輸出網頁能識別的符號。工藝文件數字化流程圖如圖5。

2.5 航發葉片工藝數字化技術要點

航發葉片工程圖數字化技術步驟如下：

(1) 航發葉片圖紙工藝數據預處理，觀察并分析葉片圖紙邊框，對圖紙信息進行分區，提前定義屬性。定位算法選取圖紙內邊框，縮小范圍，提高誤差精度，根據圖紙邊框的尺寸確定工藝卡片的具體位置，區分航發葉片數控操作卡和工藝卡。

(2) 識別航發葉片圖紙內邊框，建立坐標基準點，并以基準點展開搜索，根據邊框豎線的左右距離得到圖框的準確位置，檢查范圍的正確性，確保參數范圍的有效性。

(3) 根據航發葉片圖框類型分別尋找里面附屬的表，根據表的類型，找到表的橫線和豎線定位各單元格位置。

(4) 識別航發葉片工藝文字，序列化時利用正則表達式先去掉文字格式，根據單元格位置，獲取文字，用排序算法，按y坐標分成數行，按x坐標排序行，最后通過空格間隔合并得到葉片工藝內容。

(5) 航發葉片工藝特殊符號的處理，替換內部符號為網頁能識別的字符。

(6) 整理航發葉片工藝數據信息，按定義路徑導出數據文件。

(7) 視圖模型的MFC應用程序構建框架并繪制界面圖標，一鍵選取文件，一鍵批量轉換導出工葉片藝數據。

工藝圖紙數字化流程如圖6所示。

3 航發葉片工藝文件數字化案例

本文以某航空制造業航發葉片圖紙為數字化對象，利用AutoCAD軟件(AutoCAD2015及以上版本)，打開圖7所示的航發葉片工序卡進行數字化，運行POPDE程序，自動定位邊框后，彈出操作頁面，點擊“提取”按鈕數字化所需葉片工藝數據，總體運行效果如圖8所示。

航發葉片是自由曲面零件，制造工藝極其復雜，工藝要求高。該航發葉片DWG文件數字化技術研究方案能快速獲取零件名稱、工步信息、工序信息和轉速精度等，故該航發葉片文件數字化技術能夠有效、快速和穩定地對航發葉片圖進行數字化。

4 結語

本文對航發葉片工程圖紙數字化方法進行了實驗，結果表明葉片數字化技術能夠準確快速獲取工藝數據庫所需的工藝數據，并達到提取精度和指標，滿足企業數據采集使用需求，為后續航發工藝數據庫的搭建提供理論支撐。

由于航發葉片工藝文件工藝數字化具有非單一性過程，后期可對不同尺寸航發葉片工程圖紙數字化的通用性數據采集技術進一步研究