形状特征自定义与识别系统的制作方法
【专利摘要】为解决现有技术CAPP或CAIP系统形状特征识别方法存在的能识别的形状特征类型有局限，增加新的形状特征较为困难等问题，本发明提出一种形状特征自定义与识别系统。包括用于存储各种形状类型的特征模板的特征库、用于管理特征库中的特征模板的特征管理器和用于形状特征识别的特征识别器，且嵌入机械零件计算机辅助工艺规划CAPP或计算机辅助检测规划CAIP中，并向CAPP系统或CAIP系统提供特征识别结果。本发明的有益技术效果是可在不对CAPP或CAIP系统做出任何更改的条件下，方便地扩充系统的特征识别范围，增强了特征识别的灵活性和适用性，大幅度扩充CAPP或CAIP系统识别的形状特征类型的范围，使得增加新的形状特征较为容易。
【专利说明】形状特征自定义与识别系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及到机械零件计算机辅助工艺规划CAPP和计算机辅助检测规划CAIP中 的形状特征识别技术，特别涉及到一种形状特征自定义与识别系统。
【背景技术】
[0002] 机械零件加工和检测的高效、高质量的迫切需求，推动了机械零件计算机辅助工 艺规划CAPP或计算机辅助检测规划CAIP技术的发展。形状特征识别技术作为CAPP和 CAIP的关键技术之一也经历了长足的发展，目前已有众多不同的技术方法。如基于图的 方法(Gao S, Shah JJ. Automatic recognition of interacting machining features based on minimal condition subgraph. Comput Aided Design. 1998 ;30 (9):727-39)、基 于体分角军的方法（Woo Y. Fast cell-based decomposition and applications to solid modeling. Comput Aided Design. 2003 ;35(11):969_77)、基于痕迹的方法（Han J,Regli WC, Brooks S. Hint-based reasoning for feature recognition:status report. Comput Aided Design. 1998 ;30(13): 1003-7)以及混合法（Sunil VB,Agarwal R,Pande SS. An approach to recognize interacting features from B-Rep CAD models of prismatic machined parts using a hybrid (graph and rule based)technique. Comput Ind. 2010 ； 61 (7) : 686-701)等等。然而，这些现有技术形状特征识别方法都是固化在CAPP或CAIP系 统内的，系统能够识别的形状特征类型在系统开发完成以后就已经完全确定，若要识别其 它类型的形状特征，则需要开发新的程序对系统做出更改以扩展系统的特征识别范围。而 更改CAPP或CAIP系统则需付出较大的人力、财力和物力。显然，现有技术CAPP或CAIP系 统形状特征识别方法存在着能识别的形状特征类型有局限，增加新的形状特征较为困难等 问题。
【发明内容】
[0003] 为解决现有技术CAPP或CAIP系统形状特征识别方法存在的能识别的形状特征类 型有局限，增加新的形状特征较为困难等问题，本发明提出一种形状特征自定义与识别系 统。本发明形状特征自定义与识别系统包括特征库、特征管理器和特征识别器，且嵌入机械 零件计算机辅助工艺规划CAPP或计算机辅助检测规划CAIP中，其中，
[0004] 特征库用于存储各种形状类型的特征模板，所述特征模板用于对形状特征进行规 范化描述，所有类型的特征模板在特征库中具有统一的表示和存储形式；
[0005] 特征管理器用于管理特征库中的特征模板，包括新建特征模板，修改特征模板，查 询特征模板和删除特征模板；
[0006] 特征识别器用于形状特征识别，并向CAPP系统或CAIP系统提供特征识别结果。
[0007] 进一步的，本发明形状特征自定义与识别系统的特征模板包括特征构成面属性向 量、构成面拓扑与几何关系矩阵、特征截面属性约束和特征几何参数约束；其中，
[0008] 特征构成面属性向量，用于将特征构成面按照属性及在特征构成中的地位划分为 不同的集合，即特征组件；并规定各个特征组件中的特征构成面的数量和属性；特征构成 面属性向量的形式如下式（1):
[0009] [fa1； fa2, fa3, L, fan] (1)
[0010] 式（1)中，n表示特征组件的数量，元素faji = 1, 2, --?，]!)描述第i个特征组件 中特征构成面的数量和属性，其形式如下式（2):
[0011] fai =〈NUM，TYPE,CONC，CONS〉 (2)
[0012] 式（2)中，NUM为特征组件中特征构成面的数量，取非负整数时为特征组件中特征 构成面的确定数量，取负数时为不限制特征组件中特征构成面的数量；TYPE为特征组件中 特征构成面的类型，包括：平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、拉伸面、旋转面、倒角面、圆 角面、偏移面、自由曲面和类型不限；C0NC为特征组件中特征构成面的凹凸性，包括：平面、 凹面和凸面；CONS为特征组件中特征构成面须满足的其它约束，包括：水平面、倾斜面、坚 直面和不限定类型；
[0013] 构成面拓扑与几何关系矩阵，用于规定各特征组件之间，或者特征组件内各特征 构成面之间必须满足的拓扑与几何关系约束，其形式如下式（3):
[0014]
【权利要求】
1. 一种形状特征自定义与识别系统，其特征在于：该系统包括特征库、特征管理器和 特征识别器，且嵌入机械零件计算机辅助工艺规划CAPP或计算机辅助检测规划CAIP中，其 中， 特征库用于存储各种形状类型的特征模板，所述特征模板用于对形状特征进行规范化 描述，所有类型的特征模板在特征库中具有统一的表示和存储形式； 特征管理器用于管理特征库中的特征模板，包括新建特征模板，修改特征模板，查询特 征模板和删除特征模板； 特征识别器用于形状特征识别，并向CAPP系统或CAIP系统提供特征识别结果。
2. 根据权利要求1所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：特征模板包括特征 构成面属性向量、构成面拓扑与几何关系矩阵、特征截面属性约束和特征几何参数约束；其 中， 特征构成面属性向量，用于将特征构成面按照属性及在特征构成中的地位划分为不同 的集合，即特征组件；并规定各个特征组件中的特征构成面的数量和属性；特征构成面属 性向量的形式如下式（1): Lfa1,fa2,fa3,L,fan] (I) 式（1)中，η表示特征组件的数量，元素fayi=I, 2,…，η,描述第i个特征组件中特 征构成面的数量和属性，其形式如下式（2): fai =〈NUM，TYPE,CONC，CONS〉 (2) 式（2)中，NUM为特征组件中特征构成面的数量，取非负整数时为特征组件中特征构成 面的确定数量，取负数时为不限制特征组件中特征构成面的数量；TYPE为特征组件中特征 构成面的类型，包括：平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、拉伸面、旋转面、倒角面、圆角面、 偏移面、自由曲面和类型不限；CONC为特征组件中特征构成面的凹凸性，包括：平面、凹面 和凸面；CONS为特征组件中特征构成面须满足的其它约束，包括：水平面、倾斜面、坚直面 和不限定类型； 构成面拓扑与几何关系矩阵，用于规定各特征组件之间，或者特征组件内各特征构成 面之间必须满足的拓扑与几何关系约束，其形式如下式（3):
式（3)中，非对角线上的元素tgru,i>j,i,j= 1，2,…，η,用于规定不同组件之间须 满足的拓扑与几何约束关系，即第i个组件中的任意一个特征构成面必须与第j个组件中 的某一个面满足tgri;j规定的约束关系；对角线上的元素tgri;i,i= 1，2,…，η,用于规定 同一个特征组件内不同特征构成面之间须满足的拓扑与几何约束关系，即第i个组件中的 任意一个特征构成面必须与该组件中的某一个面满足tgru规定的约束关系；所述拓扑约 束关系包括：相邻约束、相邻边的凹凸性约束和相邻边所在环的属性约束，即内环或外环； 所述几何约束关系包括：相切、平行、垂直、倾斜、共面、共轴和交错； 特征截面属性约束，用于规定特征截面的属性须满足的约束，以区分类型不同而特征 构成面属性向量和构成面拓扑与几何关系矩阵均相同的特征，其形式为下式（4): <FEA_AXIS,AXIS_PLANE,COM,CVPT_C0NS,CXPT_C0NS>(4) 式（4)中，FEA_AXIS表示特征坐标系；AXIS_PLANE表示特征坐标系的坐标平面，取值为X_Y、X_Z或Y_Z平面；COM表示第COM个特征组件；CVPT_C0NS规定特征截面上凹点数量须 满足的约束；CXPT_C0NS表示规定特征截面上凸点数量须满足的约束； 所述特征坐标系为右手坐标系，由两个特征组件定义，其形式为下式（5): FEA_AXIS= <Z_DEFC0M,X_DEFC0M> (5) 式（5)表示特征坐标系FEA_AXIS的Z轴和X轴正方向分别取第Z_DEFC0M个组件和第X_DEFC0M个组件中平面的外法矢，旋转面的轴向或拉伸面的拉伸方向，或任意一个面的外 法矢；其优先级由高到底依次为：平面的外法矢、旋转面的轴向或拉伸面的拉伸方向、任一 张面的外法矢； 所述CVPT_C0NS和CXPT_C0NS的形式如下式（6): <RELA,VAL> (6) 式（6)中，RELA为关系符,包括：>, > =,==,〈=和〈；VAL表示凸点数或凹点数的阈 值，为一个整数值； 特征截面属性约束的含义为，用第Z_DEFC0M个特征组件和第X_DEFC0M个特征组件定 义一个特征坐标系FEA_AXIS;用特征坐标系FEA_AXIS中的AXIS_PLANE坐标平面与第COM 个特征组件中的所有特征构成面求交；若AXIS_PLANE坐标平面与某个特征构成面有交线， 则AXIS_PLANE坐标平面与该特征构成面上的所有边求交,所得交点中的凹、凸点数量必须 分别满足CVPT_C0NS和CXPT_C0NS规定的约束；其中，交点的凹凸性与其所在边的凹凸性一 致； 特征几何参数约束，用于规定特征的几何参数须满足的约束，以区分类型不同而特征 构成面属性向量、构成面拓扑与几何关系矩阵和特征截面属性约束均相同的特征，其形式 如下式（7): <PARA1,PARA2,RELA,PARAVAL) (7) 式（7)中，PARAl和PARA2为特征几何参数；RELA为关系符，包括：>，>=，= =，〈=和 〈；PARAVAL表示特征几何参数的阈值，为一个实数值； 特征几何参数约束的含义为：若同时规定了PARAl与PARA2两个特征几何参数，则PARAl与PARA2之比与PARAVAL之间的大小关系必须满足RELA规定的大小关系；若只规定 了PARAl和PARA2中的任何一个参数，则该特征几何参数与PARAVAL之间的大小关系必须 满足RELA规定的大小关系； 特征几何参数PARAl与PARA2的形式如下式（8): <C0M1,COM2,PARA_NAME> (8) 式⑶中，COMl和COM2为特征组件的序号；PARA_NAME为与第COMl和COM2个特征组 件有关的特征几何参数名；若同时规定了COMl和COM2两个特征组件，则PARA_NAME为两个 面之间的几何参数名，包括距离、角度和交错长度，且对于组件COM2中的任意一张特征构 成面，在组件COMl中均存在一张特征构成面，使得两张面之间由PARA_NAME规定的几何参 数满足式（7)规定的约束；若只规定了COMl和COM2两个特征组件中的任何一个组件，则 PARA_NAME为单张面的几何参数名，且对于该组件中任意一个特征构成面由PARA_NAME规 定的几何参数均须满足式（7)规定的约束；所述构成面的几何参数名，包括：平面长度、平 面宽度、圆柱面半径、圆柱面长度、柱面长度、圆锥面锥角、球面半径、圆环面截面圆半径、圆 环面旋转半径、拉伸面拉伸长度、旋转面旋转角度、旋转面旋转半径、倒角面倒角宽度、倒角 面倒角角度和圆角面半径。
3. 根据权利要求2所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：特征截面属性约束 中，AXIS_PLANE坐标平面与该特征构成面上的所有边求交，其凹、凸点数量的计算步骤为： 5101 :特征构成面与AXIS_PLANE坐标平面求交得到一条交线L; 5102 :特征构成面上的所有边与AXIS_PLANE坐标平面求交得到一系列交点； 5103 :交点按照在交线L上的位置排序； 5104 :删除除首、尾点之外的所有凸点； 5105 :删除特征构成面之间的公共边与AXIS_PLANE坐标平面的交点； 5106 :剩余交点中的凹、凸点数量即为需要的凹、凸点数量； 其中，FEA_AXIS为用第Z_DEFCOM个特征组件和第X_DEFCOM个特征组件定义的特征坐 标系；AXIS_PLANE表示特征坐标系的坐标平面，取值为X_Y、X_Z或Y_Z平面。
4. 根据权利要求1所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：在特征管理器的交 互界面中，新建特征模板，包括以下步骤： S201 :输入特征模板名称，即为自行定义的特征类型命名； S202:创建一个特征组件，并规定该组件中特征构成面的数量、类型、凹凸性和其它属 性； 5203 :重复步骤202,直到创建完所有的特征组件为止； 5204 :规定构成面拓扑与几何关系矩阵中每个元素的取值，S卩：规定相应的不同特征 组件之间，或同一组件内不同特征构成面之间必须满足的拓扑和几何关系约束； 5205 :创建特征截面属性约束，并执行下列操作：（1)指定特征坐标系的特征组件；(2) 指定特征坐标系坐标平面；（3)指定需与特征坐标系坐标平面求交的特征构成面所在的特 征组件；（4)规定凹点数量约束；（5)规定凸点数量约束； 5206 :重复步骤205,直到创建完所有需要的特征截面属性约束为止； 5207 :创建特征几何参数约束，并执行下列操作：（1)规定与特征几何参数PARAl有关 的特征组件COMl和COM2,以及参数名PARA_NAME; (2)规定与特征几何参数PARA2有关的特 征组件COMl和COM2,以及参数名PARA_NAME; (3)规定关系符RELA; (4)规定数值PARAVAL; 5208 :重复步骤207,直到创建完所有需要的特征几何参数约束为止； 5209 :特征模板建立完成，特征模板存入特征库。
5. 根据权利要求1所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：修改特征模板，包 括：（1)增、减特征组件；（2)更改特征组件中特征构成面的数量、类型、凹凸性和其它属性； (3)更改构成面拓扑与几何关系矩阵中各元素的取值；(4)增、减特征截面属性约束；（5)更 改某特征截面属性约束；(6)增、减特征几何参数约束；（7)更改某特征几何参数约束。
6. 根据权利要求1所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：查询特征模板，包 括：（1)查询特征包含的特征组件以及各组件中特征构成面的数量、类型、凹凸性和其它属 性；（2)查询特征的构成面拓扑与几何关系矩阵中各元素的取值；（3)查询特征的特征截面 属性约束；(4)查询特征的特征几何参数约束。
7. 根据权利要求1所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：特征识别器识别出 来的形状特征表达形式如下式（9): FEA= <FEA_TYPE;COM1 ;COM2 ; ...... ；C0Mn> (9) 式（9)中，FEA_TYPE为特征类型，COMi,i= 1，2, "·，η，为由若干特征构成面组成的第i个特征组件。
8. 根据权利要求1所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：特征识别器识别任 意类型形状特征，包括以下步骤： 5301 :从特征库中读入拟识别的特征类型的特征模板； 5302 :构造第1个特征组件COM1，具体步骤包括： 53021 :取出特征构成面属性向量中的第1个元素fai =〈NUM，TYPE，C0NC，C0NS>，$ 出类型、凹凸性和其它属性分别符合TYPE，CONC和CONS规定的所有零件表面，并组成集合 FACES1;其中，NUM为特征组件中特征构成面的数量，取非负整数时为特征组件中特征构成 面的确定数量，取负数时为不限制特征组件中特征构成面的数量；TYPE为特征组件中特征 构成面的类型，包括：平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、拉伸面、旋转面、倒角面、圆角面、 偏移面、自由曲面和类型不限；CONC为特征组件中特征构成面的凹凸性，包括：平面、凹面 和凸面；CONS为特征组件中特征构成面须满足的其它约束，包括：水平面、倾斜面、坚直面 和不限定类型； 53022 :取出只与第1个特征组件有关的特征几何参数约束，检查集合FACES1中的零件 表面是否满足特征几何参数约束，并从FACES1中删除不满足约束的零件表面； 53023 :取出构成面拓扑与几何关系矩阵中的元素tgr1;1，将集合FACES1分成若干子集： C0M1；1,COM1j2,……，C0M1;m，每个子集中零件表面的数量须满足特征构成面属性向量中第1 个元素fai中NUM的规定，且每个子集中的任意一个零件表面必须与该子集中的某一个面 满足tgr1;1规定的拓扑与几何关系约束； 53024 :第1个特征组件COM1的构造结果表示为集合RES1，即式（10): RES. ={FEA' FEATYPE.XOki.丨(AQ) JL V IyfJf-I V -i'J ' J_ 1 5303 :令i= 2 ; 5304 :若i>n，则转至步骤S306,其中，η为该类型特征的特征组件数量；否则，令第i个 特征组件COMi的构造结果= 0，然后，构造第i个特征组件COMi,具体步骤为： 53041 :取出特征构成面属性向量中的第i个元素Kai =〈NUM，TYPE,CONC，C0NS〉，找 出类型、凹凸性和其它属性分别符合TYPE，CONC和CONS规定的所有零件表面，并组成集合 FACESi ； 53042 :令j= 1 ; 53043 :若j>m，则转步骤S305,其中，m为第i- 1个特征组件COMp1的构造结果RESh 中的元素个数；否则，取出RESp1中的元素FEAi_1;j ; 53044 :取出构成面拓扑与几何关系矩阵中的元素tgri;1?tgAn，检查集合FACESi中 的各零件表面与FEAi^的特征组件COMlu,k= 1，2,…，i- 1，中的面之间的拓扑和几何关 系是否满足tgriik，k= 1，2,…，i- 1，规定的约束，并将所有满足约束的零件表面组成新的 集合FACES/ ; 53045 :取出只与第1?i个特征组件有关的特征几何参数约束，检查集合FACES/中 的零件表面是否满足特征几何参数约束，并从FACES/中删除不满足约束的零件表面； 53046 :取出构成面拓扑与几何关系矩阵中的元素tgri;i，将集合FACES/分成若干子 集：COMiil,COMii2,……，COMiiP，每个子集中零件表面的数量满足特征构成面属性向量中第 i个元素fai中NUM的规定，且每个子集中的任意一个零件表面必须与该子集中的某一个面 满足tgri;i规定的拓扑与几何关系约束； 53047 :第i个特征组件COMi的构造结果表示为集合RESi,即式（11): RES-=RES-\J\FEA.Y-、 IIVi.jyJ=I -RES,.\J\<FEA_TYPE-,COM{ ---,COM, .>}；HClI) -：<fea^ype-com, --COM1f>r;_, 53048 :令j=j+l，转步骤S3043 ; 5305 :令i=i+1，转步骤S304 ; 5306 :审查特征截面属性约束：审查特征组件构造结果RESn中的每一个元素是否满足 所有特征截面属性约束，符合约束的元素<FEA_TYPEKOM1 ;C0M2 ;……；C0Mn>即为一个特 征识别结果，即：特征组件COM1,COM2,……，COMn中的所有特征构成面构成了一个类型为 FEA_TYPE的形状特征； 307:输出特征识别结果。
9.根据权利要求8所述形状特征自定义与识别系统，其特征在于：特征识别器审查 <FEA_TYPE^OM1 ；C0M2 ；……；C0Mn>是否符合某个特征截面属性约束的步骤包括： 53061 :计算COM1,COM2,……，COMn中所有特征构成面面心的平均位置，将其作为特征 坐标系的原点； 53062 :确定特征坐标系的Z轴正方向：取出特征截面属性约束规定的定义Z轴的特征 组件，若该组件中有平面，则计算该平面的外法矢，并将其作为Z轴正方向；若该组件中无 平面，则计算拉伸面的拉伸方向或旋转面的旋转轴方向，并将其作为Z轴正方向；若该组件 中既无平面，也无拉伸面和旋转面，则计算该组件中任意一张面的外法矢，并将其作为Z轴 正方向； 53063 :确定特征坐标系的X轴正方向：取出特征截面属性约束规定的定义X轴的特征 组件，若该组件中有平面，则计算该平面的外法矢，并将其作为X轴正方向；若该组件中无 平面，则计算拉伸面的拉伸方向或旋转面的旋转轴方向，并将其作为X轴正方向；若该组件 中既无平面，也无拉伸面和旋转面，则计算该组件中任意一张面的外法矢，并将其作为X轴 正方向； 53064 :确定特征坐标系的Y轴正方向：根据Z轴正方向和X轴正方向，按照右手坐标系 确定Y轴正方向； 53065 :取出特征截面属性约束规定的特征坐标系的坐标平面AXIS_PLANE; 53066 :令i= 1 ; 53067 :若特征截面属性约束规定的特征组件COM中的特征构成面数量大于或等于i， 则取出该组件中的第i个特征构成面FACE，转S3068;否则，特征符合约束，该特征截面属性 约束的审查结束； 53068 :特征构成面FACE与AXIS_PLANE坐标平面求交，若有交线L，则转步骤S3069,否 则转步骤S30614 ; 53069 :特征构成面FACE上的所有边与AXIS_PLANE坐标平面求交得到一系列交点，并 判断每个交点的凹凸性； 530610 :交点按照在交线L上的位置排序； 530611 :删除除首、尾点之外的所有凸点； 530612 :删除特征构成面之间的公共边与AXIS_PLANE坐标平面的交点； S30613:若剩余交点中的凹、凸点数量不满足特征截面属性约束规定的凹、凸点数量约 束，则该特征不符合约束，审查结束，否则转步骤S30614 ; S30614 :令i=i+Ι，转步骤S3067。
【文档编号】G06F17/50GK104239649SQ201410512280
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】曾春玲, 曾德标, 郑国磊, 杜春林, 赵皇进, 钟伟瑛 申请人:成都飞机工业（集团）有限责任公司