基于主面擴展的飛機結(jié)構(gòu)件復雜曲面識別方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于主面擴展的飛機結(jié)構(gòu)件復雜曲面識別方法，該方法實現(xiàn)的總體流程為：1）生成槽側(cè)壁的交線環(huán)并獲取其對應的上側(cè)依賴面集；2）判斷上側(cè)依賴面的加工面類型；3）識別上側(cè)依賴面的斜向加工面中的內(nèi)/外斂面；4）判斷內(nèi)/外斂面的類型；5）統(tǒng)計開/閉角面的數(shù)量并生成主面集和關(guān)聯(lián)面集；6）擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集，生成開/全開/閉/全閉角節(jié)點；7）判斷生成的開閉角與上層開閉角之間的關(guān)系。實踐證明，該方法具有識別效率高、速度快、占用空間小等特點，可用于飛機結(jié)構(gòu)件開閉角的識別與構(gòu)建，以提高快速數(shù)控編程的效率并顯著減少工藝員工作量。
【專利說明】基于主面擴展的飛機結(jié)構(gòu)件復雜曲面識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于主面擴展的飛機結(jié)構(gòu)件復雜曲面識別方法，用于飛機復雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控程序的快速編制，為專業(yè)化、智能化CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)“飛機復雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準備系統(tǒng)”提供自動特征識別的相關(guān)數(shù)據(jù)，屬于飛機數(shù)字化數(shù)控編程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]壁板、梁、框、肋等飛機結(jié)構(gòu)件普遍具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、壁薄等特點。這些零件通常具有非常多且復雜的槽腔特征，而在內(nèi)外緣附近的槽腔中存在與飛機氣動外形有關(guān)的曲面壁，這些曲面壁構(gòu)成的加工特征稱為開閉角。一般情況下，開閉角采用五軸加工，數(shù)控編程復雜、效率低，其數(shù)控程序的編制占用了工藝員大部分的時間并使得工作繁瑣、重復、易出錯。因此提高工藝員的編程效率成為現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)件加工制造過程中的主要目標之
O
[0003]由于零件建模的精度問題，通常導致模型上一張完整的面被分割為若干張細碎面。為保證加工的無殘留，需識別出所有的能夠成開閉角的細碎面。
[0004]解決這個問題的關(guān)鍵是完成CAD系統(tǒng)向CAM、CAPP系統(tǒng)的信息傳遞，建立零件的實體模型與加工特征、加工工藝之間的映射關(guān)系，從而為飛機結(jié)構(gòu)件的快速自動編程提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種基于主面擴展的方法來識別飛機結(jié)構(gòu)件中的復雜曲面，該方法能有效識別帶有細碎面的開閉角曲面。
[0006]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:基于主面擴展的飛機結(jié)構(gòu)件復雜曲面識別方法，其特征在于:該方法實現(xiàn)的總體流程為:1)生成槽側(cè)壁的交線環(huán)并獲取其對應的上側(cè)依賴面集；2)判斷上側(cè)依賴面的加工面類型；3)識別上側(cè)依賴面的斜向加工面中的內(nèi)/外斂面；4)判斷內(nèi)/外斂面的類型；5)統(tǒng)計開/閉角面的數(shù)量并生成主面集和關(guān)聯(lián)面集；6)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集，生成開/全開/閉/全閉角節(jié)點；7)判斷生成的開閉角與上層開閉角之間的關(guān)系。
[0007]所述步驟1)生成槽側(cè)壁的交線環(huán)并獲取其對應的上側(cè)依賴面集，包含(I)交線環(huán)的生成；(2)交線環(huán)上側(cè)依賴面的提取；
[0008]所述的(1)交線環(huán)的生成，即用一平行于廣義槽底面的平面a在廣義槽底圓面的頂部和廣義槽的側(cè)壁相交得到交線環(huán)L ；
[0009]所述的(2)交線環(huán)上側(cè)依賴面的提取。即分別獲取每條交線的依賴面，其中在交線上部或與交線相交的面均為上側(cè)依賴面。
[0010]所述步驟2)判斷 上側(cè)依賴面的加工面類型，包含(I)幾何面的加工類型劃分；(2)加工面類型判斷；
[0011]所述的(1)幾何面的加工類型劃分，即從加工角度分析，構(gòu)成廣義槽側(cè)壁的面可分為豎直加工面、斜向加工面、橫向加工面和其他加工面；
[0012]所述的(2)加工面類型判斷，即通過識別每個體表面的底層幾何類型并結(jié)合一定規(guī)則可識別出該面的加工面類型。
[0013]所述步驟3)識別上側(cè)依賴面的斜向加工面中的內(nèi)/外斂面，其識別按照定義I進行，同時為處理細碎面的情況，按照規(guī)則I構(gòu)造內(nèi)/外斂面集；
[0014]所述的定義1:設(shè)在當前工位下，加工方向(一般為加工坐標系Z軸正向)為r，面s內(nèi)某點處的體外法向為n, r與η的夾角為Θ。對面s作如下定義: [0015]定義I對零件某表面s上任一點處的η與r的夾角Θ有:若0°〈 Θ〈90°，則面s為外斂面，表示為Cw ;若90° <θ〈180° ,則面s為內(nèi)斂面，表示為cn ;
[0016]所述的規(guī)則1，內(nèi)/外斂面集構(gòu)造規(guī)則:對零件上某相鄰的表面S1, S2，若其滿足:
[0017](I) S1與S2在公共邊處具有一階幾何連續(xù)性(G1)；
[0018](2) S1^S2同時均為內(nèi)斂面或同時均為外斂面。
[0019]則S1與S2可歸為同一組外斂面集(Cw)或內(nèi)斂面集(Cn)。
[0020]所述步驟4)判斷內(nèi)/外斂面的類型，即對識別的內(nèi)斂面或外斂面按照規(guī)則2，將其分為閉角面、開角面或筋端面；
[0021]所述的規(guī)則2，內(nèi)/外斂面加工類型判斷規(guī)則:設(shè)面s為某零件的體表面，[dmin，dmax]為一般筋條寬度的范圍；按定義I識別出該面為內(nèi)斂面或外斂面:(I)若面S為內(nèi)斂面，則面s的加工類型為閉角面類型；(2)若面s為外斂面，則獲取s在左、右兩邊的鄰接面ss、se和面在垂直于加工方向的寬度d。若d e [dmin, dmax]且與ss、se間均為凸連接，則外斂面s的加工類型為筋端面類型，否則外斂面s的加工類型為開角面類型；
[0022]根據(jù)規(guī)則2，識別出的外斂面可能為筋端面或開角面，通過判斷交線環(huán)在某點處的凹凸性來判斷外斂面是否與相鄰面間為凸連接，凸連接的判斷按照規(guī)則3和規(guī)則4進行；在進行相鄰面間連接的凸連接性判斷時，把交線間的凸點連接當作是凸連接；
[0023]兩個相鄰面間連接的凹凸性判斷方法:設(shè)a為平行于廣義槽g底面的平面，a與廣義槽的側(cè)壁相交得到交線環(huán)L。交線環(huán)L上的兩條線段Ls和Le共點相連，P為Ls和Le的公共點。L的正向定義為:當人沿著正向前進時,環(huán)線依賴面的內(nèi)法向指向人的左邊。沿著環(huán)的正向，相對于P點來說，Ls為入邊，Le為出邊,且Ls、Le在P點處的單位切矢分別為ns、neo按照右手準則對做叉積運算,令Dse^nsXnei,用dse表示Dse的方向，當Dse的方向垂直紙面向外時，dse>0 ;當Dse的方向垂直紙面向里時，dse〈0 ;當|Dse|=0時,dse=0 ；
[0024]規(guī)則3，凹凸點判定規(guī)則如下:沿著環(huán)線的正向，若dse>0，則P點稱為Ls和Le的凸點；若dse〈0，則P點稱為Ls和Le的凹點；若dse=0，P點稱為Ls和Le的切點，P點的凹凸性需進一步判斷；
[0025]規(guī)則4，切點判定規(guī)則如下:沿著環(huán)線的正向，當dse=0時:(I)只有一個圓心0，令DS0=nsXr0,若4。>0，則P點稱為Ls和L6的平凸切點，若dS()〈0，則P點稱為Ls和L6的平凹切
點；⑵有兩個圓心0S、Oe^Dm=Hx χ、、￡>m.=,jsxr,t，若(>0且、<0，則P點稱為Ls
和Le的凹凸切點，若<>0且<>0，則P點稱為Ls和Le的平切點；
[0026]所述步驟5)統(tǒng)計開/閉角面的數(shù)量并生成主面集和關(guān)聯(lián)面集，包含(I)統(tǒng)計上側(cè)依賴面集中開/閉角面的數(shù)量；(2)生成主面集和關(guān)聯(lián)面集；[0027]所述的(I)統(tǒng)計上側(cè)依賴面集中開/閉角面的數(shù)量，即根據(jù)交線環(huán)上側(cè)依賴面集中開角面和閉角面的數(shù)量按照規(guī)則5來設(shè)定待生成開閉角節(jié)點的類型；
[0028]所述的規(guī)則5，開閉角類型判斷規(guī)則如下:設(shè)a為平行于廣義槽g底面的平面，當a與g的側(cè)壁相交時得到交線環(huán)L，F(xiàn)1為L的上側(cè)依賴面集，fXi為F1中的元素。F1中存在開/閉角面，若均同時為開角面或閉角面，則F1形成的特征類型為全開角或全閉角；否則由具有G1連續(xù)性的開角面集或閉角面集形成的特征類型為開角或閉角。其中，全開角和全閉角沒有Fs和F6。
[0029]所述的(2)生成主面集和關(guān)聯(lián)面集，即根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果判斷節(jié)點類型，將連續(xù)相鄰且為G1連續(xù)的同類型的面構(gòu)成主面集，主面集所在交線集的首末端交線的依賴面構(gòu)成起始和終止限制面集。
[0030]所述步驟6)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集，生成開/全開/閉/全閉角節(jié)點，包含(I)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集；(2)構(gòu)建開閉角節(jié)點。
[0031]所述的(I)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集，即通過對主面集和關(guān)聯(lián)面集按照擴展規(guī)則6、7進行擴展，最終可得到待生成節(jié)點的幾何屬性Fe ；
[0032]所述的規(guī)則6，F(xiàn)z, Fd擴展規(guī)則:設(shè)
【權(quán)利要求】
1.基于主面擴展的飛機結(jié)構(gòu)件復雜曲面識別方法，其特征在于:該方法實現(xiàn)的總體流程為:1)生成槽側(cè)壁的交線環(huán)并獲取其對應的上側(cè)依賴面集；2)判斷上側(cè)依賴面的加工面類型；3)識別上側(cè)依賴面的斜向加工面中的內(nèi)/外斂面；4)判斷內(nèi)/外斂面的類型；5)統(tǒng)計開/閉角面的數(shù)量并生成主面集和關(guān)聯(lián)面集；6)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集，生成開/全開/閉/全閉角節(jié)點；7)判斷生成的開閉角與上層開閉角之間的關(guān)系。
2.基于主面擴展的飛機結(jié)構(gòu)件復雜曲面識別方法，其特征在于:所述步驟I)生成槽側(cè)壁的交線環(huán)并獲取其對應的上側(cè)依賴面集，包含(I)交線環(huán)的生成；(2)交線環(huán)上側(cè)依賴面的提??； 所述的(I)交線環(huán)的生成，即用一平行于廣義槽底面的平面a在廣義槽底圓面的頂部和廣義槽的側(cè)壁相交得到交線環(huán)L ； 所述的(2)交線環(huán)上側(cè)依賴面的提取；即分別獲取每條交線的依賴面，其中在交線上部或與交線相交的面均為上側(cè)依賴面。
3.如權(quán)利要求1所述的開閉角識別與構(gòu)建方法，其特征在于:所述步驟2)判斷上側(cè)依賴面的加工面類型，包含(I)幾何面的加工類型劃分；(2)加工面類型判斷； 所述的(I)幾何面的加工類型劃分，即從加工角度分析，構(gòu)成廣義槽側(cè)壁的面可分為豎直加工面、斜向加工面、橫向加工面和其他加工面； 所述的(2)加工面類型判斷，即通過識別每個體表面的底層幾何類型并結(jié)合一定規(guī)則可識別出該面的加工面類型。
4.如權(quán)利要求1所述的開閉角識別與構(gòu)建方法，其特征在于:所述步驟3)識別上側(cè)依賴面的斜向加工面中的內(nèi)/外斂面，其識別按照定義I進行，同時為處理細碎面的情況，按照規(guī)則I構(gòu)造內(nèi)/外斂面集； 所述的定義1:設(shè)在當前工位下，加工方向(一般為加工坐標系Z軸正向)為r，面s內(nèi)某點處的體外法向為n, r與η的夾角為Θ ;對面s作如下定義: 定義I對零件某表面s上任一點處的η與r的夾角Θ有:若0°〈 Θ〈90°，則面s為外斂面，表示為cw ;若90° <θ〈180° ,則面s為內(nèi)斂面，表示為cn ; 所述的規(guī)則1，內(nèi)/外斂面集構(gòu)造規(guī)則:對零件上某相鄰的表面Sl，S2，若其滿足: (1)S1與S2在公共邊處具有一階幾何連續(xù)性(G1)； (2)S1, S2同時均為內(nèi)斂面或同時均為外斂面； 則S1與S2可歸為同一組外斂面集(Cw)或內(nèi)斂面集(Cn)。
5.如權(quán)利要求1所述的開閉角識別與構(gòu)建方法，其特征在于:所述步驟4)判斷內(nèi)/外斂面的類型，即對識別的內(nèi)斂面或外斂面按照規(guī)則2，將其分為閉角面、開角面或筋端面； 所述的規(guī)則2，內(nèi)/外斂面加工類型判斷規(guī)則:設(shè)面s為某零件的體表面，[dmin，dmax]為一般筋條寬度的范圍；按定義I識別出該面為內(nèi)斂面或外斂面:(I)若面s為內(nèi)斂面，則面s的加工類型為閉角面類型；(2)若面s為外斂面，則獲取s在左、右兩邊的鄰接面ss、se和面在垂直于加工方向的寬度d ;若d e [dmin, dmax]且與ss、se間均為凸連接，則外斂面s的加工類型為筋端面類型，否則外斂面S的加工類型為開角面類型； 根據(jù)規(guī)則2，識別出的外斂面可能為筋端面或開角面，通過判斷交線環(huán)在某點處的凹凸性來判斷外斂面是否與相鄰面間為凸連接，凸連接的判斷按照規(guī)則3和規(guī)則4進行；在進行相鄰面間連接的凸連接性判斷時，把交線間的凸點連接當作是凸連接；兩個相鄰面間連接的凹凸性判斷方法:設(shè)a為平行于廣義槽g底面的平面，a與廣義槽的側(cè)壁相交得到交線環(huán)L ;交線環(huán)L上的兩條線段Ls和Le共點相連，P為Ls和Le的公共點；L的正向定義為:當人沿著正向前進時，環(huán)線依賴面的內(nèi)法向指向人的左邊；沿著環(huán)的正向，相對于P點來說，Ls為入邊，Le為出邊，且Ls山在P點處的單位切矢分別為ns、ne ;按照右手準則對ns、ne做叉積運算,令Dse=nsXne,用dse表示Dse的方向，當Dse的方向垂直紙面向外時，dse>0 ;當Dse的方向垂直紙面向里時，dse〈0 ;當|Dse|=0時,dse=0 ； 規(guī)則3，凹凸點判定規(guī)則如下:沿著環(huán)線的正向，若cU>0，則P點稱為Ls和Le的凸點；若dse〈0，則P點稱為Ls和Le的凹點；若dse=0, P點稱為Ls和Le的切點，P點的凹凸性需進一步判斷； 規(guī)則4，切點判定規(guī)則如下:沿著環(huán)線的正向，當dse=0時:(1)只有一個圓心O，令DS0=nsXr0,若4。>0，則P點稱為Ls和L6的平凸切點，若dS()〈0，則P點稱為Ls和L6的平凹切點；⑵有兩個圓心Os、Oe,令1^=義、Dm=ns Xrift，若<>0且<0，則P點稱為Ls和Le的凹凸切點,若&>0且<X)，則P點稱為Ls和Le的平切點。
6.如權(quán)利要求1所述的開閉角識別與構(gòu)建方法，其特征在于:所述步驟5)統(tǒng)計開/閉角面的數(shù)量并生成主面集和關(guān)聯(lián)面集，包含(I)統(tǒng)計上側(cè)依賴面集中開/閉角面的數(shù)量；(2)生成主面集和關(guān)聯(lián)面集； 所述的(I)統(tǒng)計上側(cè)依賴面集中開/閉角面的數(shù)量，即根據(jù)交線環(huán)上側(cè)依賴面集中開角面和閉角面的數(shù)量按照規(guī)則5來設(shè)定待生成開閉角節(jié)點的類型； 所述的規(guī)則5，開閉角類型判斷規(guī)則如下:設(shè)a為平行于廣義槽g底面的平面，當a與g的側(cè)壁相交時得到交線環(huán)UF1為L的上側(cè)依賴面集，Ai為F1中的元素P1中存在開/閉角面，若V/Λ均同時為開角面或閉角面，則F1形成的特征類型為全開角或全閉角；否則由具有G1連續(xù)性的開角面集或閉角面集形成的特征類型為開角或閉角；其中，全開角和全閉角沒有Fs和Fe ； 所述的(2)生成主面集和關(guān)聯(lián)面集，即根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果判斷節(jié)點類型，將連續(xù)相鄰且為G1連續(xù)的同類型的面構(gòu)成主面集，主面集所在交線集的首末端交線的依賴面構(gòu)成起始和終止限制面集。
7.如權(quán)利要求1所述的開閉角識別與構(gòu)建方法，其特征在于:所述步驟6)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集，生成開/全開/閉/全閉角節(jié)點，包含(I)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集；(2)構(gòu)建開閉角節(jié)點。 所述的(I)擴展主面集和關(guān)聯(lián)面集，即通過對主面集和關(guān)聯(lián)面集按照擴展規(guī)則6、7進行擴展，最終可得到待生成節(jié)點的幾何屬性Fe ； 所述的規(guī)則6，^、匕擴展規(guī)則-設(shè)/^二彳尤匕^^為待生成開閉角節(jié)點的主面集，F(xiàn):2 3為Fz的鄰接面集(有公共邊的面)，則Cf z = !；:-- 2 2為Fz的面外環(huán)；對F中所有fi執(zhí)行:提取fi的面外環(huán).^ =乏2，若N~I =c? ,且對Fz和fi在\;或cJ)中點處的體外法向向量nFz、nfi有nFz=Xnfi+ ε (即在誤差范圍內(nèi)，nFz//nfi),則:(1)若Fz中的面和A同為開角面或閉角面類型，則F’ Z=FZ U & ;(2)若匕和A類型不同且&為底圓面則F’ d=Fd U & ; (3)否則保存&到F’中；其中λ為不等于零的系數(shù)，ε為誤差向量，一般取I ε I〈10_5;面集在中點處的體外法向向量nFz表示該面集中的某個面在該中點處的體外法向向量；F’ Z、F’d分別表示擴展后的主面集和底圓面集，F(xiàn)’為F中不屬于F’ z和F’ d的面的集合； 起始、終止限制面集Fs、Fe可限制刀具的進退刀位置，為保證無殘余切削，也需要對存在細碎面零件的Fs和Fe進行擴展； 規(guī)則7，F(xiàn)s、Fe擴展規(guī)則:設(shè)6為主面集Fz的起始限制面集；F為Fs的鄰接面集，穸3從規(guī)則4得到；對F中的每個&執(zhí)行:若fi=f’」，且f’ j不為水平面或底圓面(橫向加工面)，則F’ S=FS U & ;F’ s表示擴展后的起始限制面集； 所述的(2)構(gòu)建開閉角節(jié)點，即將上述步驟中獲得的開閉角的類型、幾何屬性Fe、加工方向r以及交線環(huán)C等相關(guān)信息，構(gòu)建開閉角節(jié)點；設(shè)111表示一個開閉角，其BNF定義如下:<m>:: = ?Type>, <FG>, <r>, <C>, <FC>, [<mf>], {, <mc>})
<Fg>:: = ?Fz>, [Fg],<ft>, <fb>)
<Fg>:: = ([Fd], [FJ, [Fe]) 其中,Type表示m的特征類型,Fe表示m的幾何屬性,加工方向r以及交線環(huán)C及其依賴面F。, mf表示為m的父節(jié) 點，mc表示為m的子節(jié)點；mf最多一個，mc為任意多個。
8.如權(quán)利要求1所述的開閉角識別與構(gòu)建方法，其特征在于:所述步驟7)判斷生成的開閉角與上層開閉角之間的關(guān)系，即若生成的開閉角節(jié)點與輸入的上層開閉角節(jié)點相同，則刪除生成的節(jié)點并保存上層節(jié)點為當前層槽節(jié)點的開閉角節(jié)點；否則保存生成的節(jié)點為當前層槽節(jié)點的開閉角節(jié)點。
【文檔編號】G05B19/4099GK103995497SQ201410103453
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】杜寶瑞, 鄭國磊, 陳樹林, 初宏震, 羅智波, 陳俊 申請人:沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司