面向知识重用的角盒零件分类编码及识别方法.pdf

第2 9卷第8期计算机集成制造系统V o l.2 9N o.82023年8月C o m p u t e r I n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m sA u g.2 0 2 3D O I:1 0.1 3 1 9 6/j.c i m s.2 0 2 3.0 8.0 1 3收稿日期:2 0 2 1-0 4-1 2;修订日期:2 0 2 1-0 7-0 8。R e c e i v e d1 2A p r.2 0 2 1;a c c e p t e d0 8J u l y2 0 2 1.基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 0 7 5 0 6 6);辽宁省重点研发计划资助项目(2 0 1 9 J H 2/1 0 1 0 0 0 3 3)。F o u n d a t i o ni t e m s:P r o j e c ts u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o n,C h i n a(N o.5 2 0 7 5 0 6 6),a n dt h eK e yR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a mo fL i a o n i n gP r o v i n c e,C h i n a(N o.2 0 1 9 J H 2/1 0 1 0 0 0 3 3).面向知识重用的角盒零件分类编码及识别方法王国庆1,张生芳1,2,王紫光1,马付建1,沙智华1+(1.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 1 1 6 0 2 8;2.大连交通大学 复杂零件精密制造辽宁省重点实验室,辽宁 大连 1 1 6 0 2 8)摘 要:为满足角盒类零件工艺知识重用的分类编码识别需求,提出一种分面集特征匹配的零件分类编码识别方法。对整体零件形状和加工特征进行了分析定义,建立了基于加工特征的分类编码原则;利用型腔壁边面集深度差异,获取零件面深度0-1特征矩阵,分解提取壁边面集并判断零件基本类型;设计了面集几何拓扑矩阵和特征面边环关系矩阵,根据零件基本类型与面集属性选取典型特征矩阵进行匹配,缩小典型特征匹配范围以提高识别效率。结合实例说明了典型特征库的提取及其与编码类型的映射匹配,验证了分类编码识别算法的有效性与可行性。关键词:角盒类零件;典型特征匹配;分类编码;特征识别;知识重用中图分类号:T P 3 9 1.7;TH 1 6 6 文献标识码:AC o r n e rb o xp a r t s c l a s s i f i c a t i o nc o d i n ga n dr e c o g n i t i o nm e t h o df o rk n o w l e d g e r e u s eWANGG u o q i n g1,ZHANGS h e n g f a n g1,2,WANGZ i g u a n g1,MAF u j i a n1,SHAZ h i h u a1+(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n1 1 6 0 2 8,C h i n a;2.L i a o n i n gK e yL a b o r a t o r yo fP r e c i s i o nM a n u f a c t u r i n gf o rC o m p l e xP a r t s,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n1 1 6 0 2 8,C h i n a)A b s t r a c t:T om e e t t h e c l a s s i f i c a t i o n a n d c o d i n g r e c o g n i t i o n r e q u i r e m e n t s o f c o r n e r b o xp a r t s p r o c e s s k n o w l e d g e r e u s e,ap a r tc l a s s i f i c a t i o na n dc o d i n gr e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do n f a c e t f e a t u r em a t c h i n gw a sp r o p o s e d.T h e s h a p e a n dm a c h i n i n gc h a r-a c t e r i s t i c so f t h ew h o l ep a r tw e r e a n a l y z e d a n dd e f i n e d,a n d t h ep r i n c i p l e o f c l a s s i f i c a t i o na n d c o d i n gb a s e do n t h em a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c sw a se s t a b l i s h e d.T h e0-1f e a t u r em a t r i xo f t h ep a r t s u r f a c ed e p t hw a so b t a i n e db yu s i n g t h ed e p t hd i f f e r e n c eo f t h e c a v i t yw a l l e d g e s u r f a c e s e t,w h i c hw a sd e c o m p o s e da n de x t r a c t e d t od e t e r m i n e t h eb a s i c t y p eo f t h ep a r t.T h eg e o-m e t r i c a l t o p o l o g i c a lm a t r i xo f t h e s u r f a c e s e ta n dt h ee d g e-r i n gr e l a t i o nm a t r i xo f t h ec h a r a c t e r i s t i cs u r f a c ew e r ed e s i g n e d.T or e d u c e t h em a t c h i n gr a n g eo f t y p i c a l f e a t u r e sa n d i m p r o v e t h er e c o g n i t i o ne f f i c i e n c y,t h e t y p i c a l f e a t u r e sw e r es e l e c t e da c c o r d i n gt o t h eb a s i c t y p e s o f p a r t s a n d t h e a t t r i b u t e s o f f a c e s e t s.S o m e e x a m p l e sw e r eg i v e n t o i l l u s t r a t e t h e e x t r a c t i o no ft y p i c a l f e a t u r eb a s e a n d i t sm a p p i n gm a t c h i n gw i t hc o d i n g t y p e,w h i c hv e r i f i e d t h e e f f e c t i v e n e s s a n d f e a s i b i l i t yo f t h e c l a s s i-f i c a t i o nc o d i n gr e c o g n i t i o na l g o r i t h m.K e y w o r d s:c o r n e rb o xp a r t s;t y p i c a lm a t c h i n g;c l a s s i f i c a t i o na n dc o d i n g;f e a t u r er e c o g n i t i o n;k n o w l e d g er e u s e0 引言角盒类零件是现代直升机中一类常见的多品种、小批量结构件,在进行相似零件的工艺设计及数控编程时,常常需要重复设计工艺模型及人工识别选取特征,大大降低了零件设计制造效率。为适应现代制造企业制造环境的变化,引入信息及先进制造技术以满足其生产的敏捷性需求已成为现代化生计算机集成制造系统第2 9卷产的趋势1。采用知识重用的方式,利用典型零件的设计信息,能方便工艺人员高效地完成零件的制造工作2-3。其中,如何实现实际零件加工特征与典型零件的快速识别匹配是实现知识重用需要解决的关键问题。面向零件分类识别与应用,郑华林等4基于现有零件的工艺信息,建立聚类零件族相似累加矩阵识别模式,实现了面向工艺规划的零件准确分类;G I V EHCH I等5提出了包含特征变换域动态加工工艺相关信息的EMF(e n r i c hm a c h i n i n g f e a t u r e)概念,描述了特征及边界表示的相互作用;HUANG等6挖掘了加工过程的相似性建立了加工特征与加工操作所对应的邻接图的对应关系;刘雪梅等7对工艺环境中机床、刀具、夹具进行参数化定义,获得制造资源模型与加工表面组合的特征因子,将采用同一装夹下采用统一刀具和机床运功模式的加工表面作为一个加工特征进行识别;李春磊等8分析了工艺知识的零件工序模型的几何变化,融入更高维度的加工特征形成过程,提出了序列的生成和相似度度量与特征匹配算法;WAN等9根据基于模型的定义(M o d e lB a s e dD e f i n i t i o n,MB D)建立了工艺与模型的映射,将工艺知识融入三维建模,实现了工序模型的正向和逆向生成;孙小龙等1 0基于三维模型的法向算子和D 2算子特征描述符的相似性进行识别,解决了铸造生产中相同类型的工艺复用问题;张禹等1 1基于S T E P-N C 2.5 D制造特征,采用混沌算法、遗传算法优化B P神经网络,实现了加工操作决策问题的智能生成。以上研究多关注于零件已有工艺信息相似度匹配方式的归纳与应用,忽略了零件模型本体的几何拓扑信息。众多加工特征识别方法中,由J O S H I等1 2提出 的 基 于 属 性 邻 接 图(A t t r i b u t e d A d j a c e n c yG r a p h,AAG)算法能够高效识别不包含过渡特征的孔、槽、腔体等单一特征。由于过渡特征的存在,会导致零件特征拓扑不固定,无法通过建立预定义特征库,然后以属性模板匹配的方式加以识别,通常需要对零件过渡特征进行分析与抑制处理。刘晓军等1 3基于主加工面自底向上的特征识别策略,考虑板腔类零件加工特征的通透性和开放性,将其分成完全开放、半开放、封闭盲、半开放通和封闭通5类加工特征加以识别;魏涛等1 4面向薄壁多腔类结构件,无需建立预定义库,以腔分组和加工特征分类为基础,基于层利用边属性和规则并行识别了完整孔、独立筋和相交筋特征;张禹等1 5将S T E PA P 2 0 3中性文件构建零件最小子图信息作为输入,利用混沌算法、遗传算法改进的B P神经网络算法实现了对S T E P-N C制造特征的高效识别;Z U B A I R等1 6针对对称特征提出分割交互体积的方法以识别相交特征;段现银等1 7对大型舱体类构件毛坯模型相交特征分层处理采用特征匹配的方式实现了具有多种特征的舱体零件毛坯模型的识别。以上研究实现了单个零件相应加工特征的识别,缺乏不同零件结构的同一加工特征的定义及不同特征组合与工艺之间的复杂关联关系。以形状和工艺相似的加工特征为基础的工艺知识积累,在一定程度上能够实现同一加工特征的工艺知识 重 用。但 是 相 同 加 工 特 征 的 组 合 多样,形成的零件几何形状及加工工艺也大不相同,仅依据简单加工特征的分类作为知识重用的标准已不适用于相同特征不同组合的零件的分类判断与知识重用。本文针对角盒类零件台阶、斜角以及复合相交特征的识别及特征位置不同组合的零件分类识别问题,提出一种分面集特征匹配的零件分类编码识别方法。研究了零件加工特征分类与加工特征编码,定义了零件型腔面集、面集深度0-1特征矩阵、面集几何拓扑矩阵及面边环关系矩阵,从分类识别策略、面集分解与基类编码识别及分面集特征类型判断3个方面详细阐述了分类编码识别方法。1 角盒类零件加工特征分类与编码1.1 加工特征分类国际化标准组织在I S O1 0 3 0 3A P 2 2 4协议中将从原始毛坯中去除的部分(除最终的零件几何形状)定义为加工特征,将固定的几何形状分为1 7种类别及子类别的简单语义加工特征1 8。现有商业化C AM软件在此基础上也定义了槽、凸台、孔、倒角等加工特征,同时部分软件支持用户自定义1 9已有加工特征的几何尺寸、参数及加工方法。如图1所示为3种常见的铝合金直升机小型角盒类结构件,其整体具有两个相互垂直的薄壁结构(底板和侧壁),且通过这两个壁的外表面与其他零件和结构进行连接。为了达到预定的刚度和强度要求,一般通过筋板结构对底板和侧壁在边缘处进行支撑,筋板的数量一般为02个。由于同一类角盒类零件的4662第8期王国庆 等:面向知识重用的角盒零件分类编码及识别方法几何拓扑和形状并不相同,不同结构的几何信息关联着复杂的工艺信息,根据企业制造资源、零件结构及工艺人员习惯等因素形成了平行裁切特征、弧形裁切特征、减重凹陷特征和斜角裁切特征4类自定义加工特征。考虑到角盒类零件结构的特点,对其进行如下分类:(1)基本特征 指角盒类零件薄壁整体特征,根据角盒类零件结构特征筋板数目的差异将其分为单面开口、双面开口和三面开口3类。(2)单壁特征 指仅存在于单侧薄壁上的特征,包括圆角、弧形裁切、平行裁切、斜角裁切。根据单壁特征存在的零件薄壁,各特征又可细分为筋板圆角、底板圆角、底板弧形裁切、侧壁平行裁切与筋板斜角裁切等。(3)多壁特征 指可能存在于多个薄壁上的特征,如减重凹陷。根据减重凹陷依附的薄壁可以分为筋板双侧减重凹陷、侧壁减重凹陷、侧壁筋板减重凹陷等。(4)外侧特征 指相对于零件型腔内部,零件薄壁外侧面的连接特征,包括三边直角连接、三边圆弧连接等。1.2 零件加工特征编码零件加工特征与工艺息息相关,采用单一特征名称难以将零件特征完整定义,本文通过将零件相关特征分组以特征编码的手段表达离散杂乱的信息。将多品种零件按照结构形状、尺寸、材料毛坯及工艺等相似准则进行归类分组,能够减少零件品种形成零件组,实现产品设计、生产准备、工艺制造和生产管理的科学合理化2 0。编码规则应涵盖角盒类零件从设计、工艺到生产的各种信息,同时特征码位不宜过多,以便于信息搜集与检索。结合1.1节加工特征分类规则,本文主要以结构相似性对角盒类零件进行成组编码为原则确立零件分类编码方案。数字代码具有紧凑性好、易于阅读及便于交流和计算机处理的优点,因此选用数字代码作为编码所用的代码类型。分类系统的分类环节分为横向环节(又称粗分环节)和纵向环节(又称细分环节),横向分类环节决定了分类代码长度。角盒类零件分类的基本编码系统结构如图2所示,前5个横向分类环节主要描述零件的基本形状要素。第1个横向分类环节主要用来区分角盒类零件的基本特征,根据零件结构特征筋板数目区分单面开口、双面开口和三面开口零件。系统的第2第5个横向分类环节,则是针对第1个横向环节中所确定零件类别的形状细节作进一步细分,将外侧特征和单壁特征按外侧连接侧壁形状底板形状筋板形状这样的顺序细分。系统的第6个分类环节用来区分多壁特征,按照减重凹陷所依附的薄壁的不同加以区分。系统详细分类如表1所示,目前列出现有特征类型,可根据需要对详细特征类型进行扩充。系统结构简单,便于使用和分类,零件编码横向分类环节遵循从整体到细节,从大类至小类的原则,分类从右至左同属同一组类的相似性区间越大,零件数越多。5662计算机集成制造系统第2 9卷表1 零件分类系统分类表第位零件类别第位外侧连接第位侧壁形状第位底板形状第位筋板形状第位减重凹陷0无0三边直角0侧壁直角0底板直角0筋板直角0无减重凹陷1单面开口1三边圆角1侧壁倒圆角1底板倒圆角1筋板倒圆角1筋板双减重凹陷2双面开口2侧壁底板圆角2侧壁平行裁切2底板弧形裁切2筋板斜角裁切2筋板减重凹陷3三面开口3侧壁筋板圆角3侧壁斜角裁切3底板斜角裁切3其他3侧壁减重凹陷4其他4底板筋板圆角4其他4其他4底板减重凹陷5其他5其他2 型腔特征分类编码识别概念2.1 型腔面集角盒类零件主体是由底板、筋板和侧壁3类型板壁构成,其主要几何形状都是在相应位置上添加几何特征形成的。角盒类零件分类编码的主要依据是组成3种壁板的几何面形状类型,因此在分类识别过程将型腔面分为如图3所示的3种面集,其定义如下:(1)底板面集Fd 组成底板的型腔内面(包括与壁板连接的过渡圆弧),包含角盒类零件型腔底板面特征。(2)壁边面集Fb 壁板及侧壁上表面,其限制了整个角盒零件的外围尺寸。(3)连接面集Fc 型腔面内底板面集与壁边面集的连接面。2.2 面集深度0-1特征矩阵自定义加工特征自身位置和参数的不同使得角盒类零件拓扑关系呈现复杂不固定的特性。在特征识别时通常需要按照既定规则对零件主体进行过渡特征的识别与抑制,最后在已识别特征的基础上逆向还原过渡特征,以保证特征面的完整性。在角盒类零件自定义加工特征中存在与过渡特征属性一致的圆角面,采用过渡特征属性判断抑制的方式必然导致加工特征属性的缺失,使得特征难以被识别。为此,本文保留过渡特征属性,提取零件面集特征矩阵判断分离型腔面集。3 D点云是一种由一组无序的点集构成的特殊数据结构,具有无序、数据简单、处理方法多样、鲁棒性强等优点2 1。针对角盒类零件多以面积最大的面为底板,侧壁与筋板为其连接面的特点,以底板垂直的向量作为投影向量,然后以栅格数据形式对零件模型进行处理获取点云数据,依据深度中值将点云数据转换为0-1特征信息矩阵。如图4 a所示,获取mxmy规模的栅格点云,栅格大小由零件整体尺寸和最小特征尺寸确定,在投影面x y上零件投影最小特征尺寸为T x和T y,对应整体特征尺寸为L x和L y,则栅格大小为mxmy,其中栅格大小m分别为对应方向上整体特征尺寸/最小特征尺寸。统计模型横纵坐标最小值与最大值Xm i n、Xm a x、Ym i n、Ym a x,取栅格中点作为投影点,计算 投 影 点 集 合P=P i j|P i j=(xi j,yi j),i1,mx,j1,my 。根据投影向量及投影点集合获取点云数据P=Pi j|Pi j=(zi j),i1,mx,j1,my ,其中:Pi表示获取的投影空间点(xi,yi)坐标处所对应的投影高度值zi。6662第8期王国庆 等:面向知识重用的角盒零件分类编码及识别方法对角盒类点云数据沿高度方向进行二值化,使数据中零件底板与其他壁边分离。中值二值化的原理是将高度中值设定为阈值h,根据h的值将图像的数据分为两部分,将高度值大于h的设置为1表示壁边,小于h的设置为0表示底板,最终获得0-1的数据矩阵,根据矩阵特征值可分离识别出相应底板面集Fd和壁边面集Fb。如图4 b所示,0-1矩阵元素Ti j,i1,mx,j1,my 表示对应i行和j列栅格投影点的深度特征值。2.3 面集几何拓扑矩阵基于图属性的特征识别通常是以零件所有面为节点、面面邻接关系为弧,将面之间的凹凸性表示为弧属性,用属性邻接图表示特征边界模型。然后,基于边界匹配搜索判定搜索固定加工特征,在表示含过渡圆角特征的角盒类零件壁边特征识别时显然不能适用。本文对传统属性邻接图属性作如下改进:将邻接属性元素扩展为两位字符,第1位表示当前面的类型属性,第2位表示面公共边的凹凸性。将凹凸性细分为4类:光顺相交记为0、凸边相交记为1,凹边相交记为2,不相交记为3;将面属性分为平面0、凹圆角面1、凸圆角面2共3类。采用几何拓扑矩阵表示零件邻接属性便于算法解释。如图5 b和图5 c分别为图5 a所示壁边面集的属性邻接图与几何拓扑矩阵。一个由n个面构成的壁边面集Fb,其几何拓扑邻接矩阵Mi j 的i行和j列与特征的第i个面相对应,处于i行和j列的元素mi j表示第i个面fi的几何拓扑属性,元素值第1位表示面fi的面属性,元素值第2位表示面fi与面fj的邻接边凹凸性。如图6所示为一圆角面凹凸性判断示意图,f1为圆角面,f2为圆角过渡相邻的一个平面,e为两面相交光滑边,圆角面的凹凸性判断方法如下1 2:步骤1 在光滑边e上任取一点p(t),过p(t)做光滑边e的垂直面f3,f1、f2和f3相交成边e c。在相交边e c上点p(t)任取一点q(t),p(t)与q(t)的距离小于给定阈值,即p(t)-q(t)。在ec上取p(t)的法向量n1与q(t)的法向量n2;步骤2 计算点p(t)在公共边上的切向量;步骤3 计算n1与n2的向量积c(n1,n2);步骤4 判断与c(n1,n2)是否同向,首先分别计算与c(n1,n2)的模,其次计算与c(n1,n2),最 后 计 算 其 夹 角=a r c c o scc=a r c c o s1c1+2c2+3c321+22+23c21+c22+c23。若=0,与c同向,则f1为凸圆角面;若=,与c反向,则f1为凹圆角面。2.4 面边环关系矩阵特征识别算法通过从零件拓扑层矩阵中匹配相似的拓扑矩阵以实现加工特征的识别。在复杂拓扑零件中,若仅将面类型作为判断标准并不能表达所有潜在特征,如图5 a的面f5,若仅将其作为平面类型处理,显然忽略了其本身边环属性所表达的特征信息。利用面边环属性对特征面类型进行扩展,提出一种面边环矩阵Ri j(如图7 b为图7 a面边环属性所对应的边环关系矩阵)。面边环矩阵Rij 的元素值的ri j与当前面的第i个边相对应,第i个边ei的相关属性。元素值由2位组成,第1位表示边ei的类型:直线(1),曲线(2),第2位表示边ei与边ej相交点处的内侧夹角属性,2记为0,7662计算机集成制造系统第2 9卷=2记为1,2记为4,若边ei与边ej不相邻记为5。针对边环关系矩阵的面类型判断作如下定义:定义1 边 环同构。给 定 的 两 个 边 环L=e1,e2,e n 和L=e1,e2,em,若n=m且存在顺序映射e iej,则称边环L与L同构。定义2 面同构。给定两个面F和F,若两个面的类型相同且边环同构,则称面F与面F同构。3 角盒类零件分类识别算法3.1 分类识别策略从角盒类零件C AT I A模型库选取复杂程度包括几何参数的不同和加工特征组合的不同模型,分面集建立编码特征库C=。其中:M为特征面集几何拓扑矩阵;R表示面边环关系矩阵;G表示特征面与特征面集元素面的映射关系表;L表示编码类型与特征矩阵之间的映射关系表。如图8所示,本文提出的角盒类零件分类识别算法的总体框架为:首先访问零件三维模型指定型腔基面(底板面),提取深度点云,利用深度中值进行二值化处理获得0-1特征矩阵。将0-1特征矩阵标准化,确定基本类代码。结合零件模型、深度点云及0-1特征矩阵,分离识别型腔面集和外侧面集。分面集建立零件面集几何拓扑矩阵和零件面边环矩阵,首先对面集几何拓扑矩阵进行匹配,然后对所匹配的面集几何拓扑矩阵中的典型特征面进行边环关系匹配,识别构成相关特征的面集类型、减重凹陷类型及外侧连接类型,最后对匹配结果进行编码。8662第8期王国庆 等:面向知识重用的角盒零件分类编码及识别方法3.2 面集分解与基类编码识别3.2.1 面集分解提取依据深度0-1矩阵特征数值逆向查询可获得模型底板面集Fd和连接面集Fc。同时,根据连接面集是型腔 面内底板 面集与 壁 边 面 集 的 连 接面,其所有特征点应均包含在以上两面中,可依据此特性获取连接面集Fc,面集分集提取具体步骤如下:步骤1 提取需要识别的角盒类C AT I A零件模型的面、边几何信息,对面边属性进行编号,构造AAG数据集,获取所有模型面集F=f1,f2,f3,;步骤2 依据栅格0-1矩阵查询,获取底板特征面集Fd=f1d,f2d,f3d,和壁边特征面集Fb=f1b,f2b,f3b,;步骤3 遍历剩余面集Fr=F-Fd-FB,遍历剩余面集中面的属性邻接面,若该面与Fd和Fb均有邻接属性,则将当前面存入备选面集Ft;步骤4 获取Fd和Fb面集的点集组合Vdb,逐个遍历Ft的面点集Vit,若Vit均存在于Vdb,则将面fit存入面集Fc,直至所有面遍历完毕;步骤5 最终分离获得型腔加工特征面集FdFbFc。3.2.2 基类编码识别3类角盒类零件的主要区别在于特征筋板数目的不同,因此,提出一种标准0-1特征矩阵表示基本类型的不同。图9 a为3类角盒的标准0-1特征矩阵,主要由两行两列组成,表示零件的筋板侧壁特性。在基类编码时需将零件深度0-1特征矩阵标准化获得标准0-1特征矩阵即可区分。深度0-1特征矩阵标准化及基类编码识别过程如下:步骤1 将标准特征矩阵A2,2 元素全部置0;步骤2 获取x方向与y方向的最小特征栅格数m和n;步骤3 根据y方向最小特征栅格数n,分别取深度0-1特征矩阵前n行和最后n行特征值数据,若n=1,转步骤4;否则,对其按列做或运算后转步骤4;步骤4 分别统计特征值1的数目,若特征值1的数目超过总特征值数目的一半,则将该行特征值数据置1;步骤5 根据x方向最小特征栅格数m,分别取深度0-1特征矩阵前m列和最后m列特征值数据,若m=1,转步骤6;否则,对其按行做或运算后转步骤6;步骤6 分别统计特征值1的数目,若特征值1的数目超过总特征值数目的一半,则将该列特征值数据置1;步骤7 将最终所得标准化后的特征矩阵A与图9 a所示的标准0-1特征矩阵匹配判断基类编码。以9 b所示1 01 0的深度0-1特征矩阵为例,其x方向与y方向的最小特征栅格数分别为1和2,取 深 度0-1特 征 矩 阵 前 两 行 特 征 值 数 据0 0 0 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 0 0 0 0 0,其按列做或运算后为:0 1 1 1 1 1 1 1 1 1,同理可得 最 后 两 行 数 据 按 列 做 或 运 算 后 为:1 0 0 0 0 0 0 0 0 0。前两行数据特征值1的数目为8超过总特征值数目的一半,则将9662计算机集成制造系统第2 9卷第一行标准0-1特征值的置1,后两行数据特征值1的数目为1不超过总特征值数目的一半,则将第二行标准0-1特征值的置0,标准0-1矩阵为1 10 0。取前一列和后一列数据,分别统计特征值1的数目,如前一列数据特征值1的数目为8超过总特征值数目的一半,则将第1列标准0-1特征值的置1,后一列数据特征值1的数目为1不超过总特征值数目的一半,则将第2列标准0-1特征值的置0,标准化后0-1矩阵为1 11 0。根据图9 a所示的标准0-1特征矩阵可判断其为双面开口类角盒。3.3 分面集特征类型判断3.3.1 面集几何拓扑矩阵匹配面集几何拓扑矩阵表示一类面集特征的组成面类型及其拓扑关系。表2给出了3类角盒壁边面集Fb的常见特征类型、筋板形状类型及其AAG属性,特点如下:(1)无附加加工特征的壁边面集最小面数为1;(2)有附加加工特征的壁边面集,通过面集及其连接边凹凸属性加以区分;(3)筋板倒圆通常与其连接面通过光滑边连接;(4)筋板斜角裁切通常通过凸边连接。其特征的不同必然表现为面集特征矩阵的不同,因此通过面集特征矩阵的匹配即可实现相应类型的识别。特征矩阵匹配即将待识别的特征矩阵与预定义的特征矩阵按照一定原则进行相似判断,若相似则将待识别的特征识别为预定义的特征类。本文定义的用于匹配的特征矩阵主要有面集几何拓扑矩阵和面边环关系矩阵。由其定义可知,对于同一个特征在构建特征矩阵的过程中,对各个元素的提取顺序 不同,则 会 得 到 不 同 的 特 征 矩 阵。由于对每个特征各个元素的处理顺序是随机的,其产生的结果是不同的。但在预定义特征几何库中,每个特征仅定义了一种特征矩阵,若仅按照元素一一映射匹配,会造成特征类型的误判。若对待匹配特征矩阵进行行列变换将其转换为预定义特征矩阵完全 相同的矩 阵又会 大 大 降 低 算 法 效率。通过观察可以发现,同一特征即使元素提取顺序不同,其元素数目及同一属性元素数目必先相同。同时,提取顺序的不同造成的仅仅是特征矩阵行列的变换,而矩阵具有行列变换其秩不变的性质。因此本文依据这些性质对特征矩阵进行初步判断,然后在进行元素映射判断。特征矩阵匹配过程如下:步骤1 获得待匹配特征矩阵A的元素数目n、各相同属性元素数目及特征矩阵的秩,在预定义特征库中搜索元素个数、各相同属性元素数目及特征矩阵的秩与待匹配特征矩阵均相同的预定义特征矩阵。若找到预定义特征矩阵,转步骤2。若找不到,则匹配失败,转步骤7。步骤2 以预定义特征矩阵B的每行元素为基准,逐行匹配待匹配特征矩阵A,查找在待匹配特征矩阵Aj(j=1,2,n)与预定义矩阵Bi(i=1,2,n)都存在各元素值相等(数值相等元素值的位置可以不相同)的一一相似映射,若存在,转步骤3;若不存在,则转步骤7。步骤3 以预定义特征矩阵B的每行元素为基准,逐行处理相似映射。若Bi与Aj,当i=j且Bi与Aj完全相同(数值相等元素值的位置也相同)时,进行与该预定义矩阵下一行的映射;当i=j且Bi与Aj不同时,转步骤4;当ij时,转步骤5;当所有行元素均以映射完毕,转步骤6。步骤4 逐个找到当前行预定义特征矩阵B中存在相交特征的元素,其位置的列号记为a,并在Aj后找到与bi,a数值相同的元素所在的位置,其列号为b,交换待匹配特征矩阵中第a行与第b行以及第a列与第b列的位置重复上述操作,当前行所 有 相 交 特 征 行 元 素 位 均 已 相 同,转 步骤3。步骤5 当ij时,交换交换待匹配特征矩阵A的第i行和第j行以及第i列和第j列,转步骤4。步骤6 若待匹配特征矩阵与该预定义矩阵形式相同,则匹配成功,该特征类型为预定义特征矩阵的类型;若匹配不成功,转步骤8。步骤7 将该待匹配矩阵与集合中的下一个预定义特征矩阵进行匹配,转步骤2;若所有预定义特征矩阵均已匹配完成,匹配失败,则转步骤8。步骤8 保存当前待匹配特征矩阵,提醒人工交互补充特征库数据。0762第8期王国庆 等:面向知识重用的角盒零件分类编码及识别方法表2 3类角盒壁边面集Fb及A A G属性类代码壁边面集Fb及AA G属性典例S单面开口壁边面集模型AA G属性图D-双面开口壁边面集模型AA G属性图T三面开口壁边面集模型AA G属性图3.3.2 面边环关系矩阵匹配由3.3.1节面集特征矩阵匹配,可实现侧壁、筋板类型识别及相关特征面的一一映射。但在识别过程中存在面集特征矩阵相同,特征类型不同的情况,如图1 0 a和图1 0 b所示为两种单面开口角盒减重凹陷类型和图1 0 c和图1 0 d所示为两类单面开口角盒底板特征类型。可以看出,这类特征的区别主要表现为对应特征面(如图1 0 a和图1 0 b的面f2、图1 0 c和图1 0 d的面f6)的边环构成的不同。因此要实现此类特征的识别,必须对相应特征面进行分类匹配。面边环关系矩阵所研究的对象是特定两个面的匹配问题。面同构的本质就是两个面的边节点的一一映射,为一类N P完全问题。面同构的识别思路如下:F及模板 匹配面F的 边 数 为m,构 建 一 个nn维面边映射矩阵M,若面F的边环L第i个边e i与面F的边环L第j个边ei相对应,则元素mi j(0 i,jn-1)为1,否则为0。判断面F和F是否同构,就是看能够找到映射矩阵M 其仅有对角线元素mi j(i=j)为1,其余全为0。面同构算法步骤如下:步骤1 输入待检面F的边环集合L和预定义特征面F的边环集合L;步骤2 获取边环L和L的边元素数目,若数目相同,则转步骤3,否则转步骤6;步骤3 分别获取边环L和L的直线边元素和曲线边元素数目,若两元素数目相等,转步骤4,否则转步骤6;步骤4 初始化映射矩阵M,取i=1n,j=1n,分别判断e i和ei类型是否相同,若是,则mi j=1,否则mi j=0;步骤5 分别选取i=1n作为矩阵第一行(即选取边环中的不同边作为起始边匹配),检查是否存在映射矩阵M对角线元素m1 1,m2 2,mn n是否均为1,若存在输出F与面F同构,结束,否则转步骤6;步骤6 输出面F与面F不为同构,结束。1762计算机集成制造系统第2 9卷3.3.3 外侧连接类型判断外侧连接类型指的是相对于零件内部型腔其外侧板壁间的连接方式。如图1 1 a所示为图4 a所示双面开口类角盒零件除去型腔面集后的面集,外侧连接类型表示的是底板、筋板及侧壁之间的外侧连接类型,其特征面组成如图1 1 b所示。从图1 1中可以看出,仅相关面f5、f6及f7与已筛选的型腔底板面集Fd和连接面集Fc有邻接关系,因此可通过此特性筛选外侧连接面集,然后与预定义接面集特征矩阵进行匹配识别。4 实例验证与分析为验证本文算法在特征分类编码识别中的有效性,基于某飞机企业实际生产中的角盒类零件,提取编码特征库,以图1所示3种类型的角盒类零件说明零件特征库的提取与编码识别过程。4.1 三面开口类角盒图1 2 a为图1 a所示单面开口类角盒零件所提取的面集深度0-1特征矩阵,其在投影面上的整体尺寸L x和L y分别为2 5 2mm和2 4mm,x方向最小特征尺寸为底板倒圆角1 2mm,y方向最小特征尺寸为侧壁厚度3mm,由此可确定投影栅格尺寸应为mxmy=1 28,图中:表示横向省略,表示纵向省略(例00表示横向省略了多个数值0)。其x方向的最小特征栅格数均为0,y方向的最小特征栅格数均为1,标准 化后的0-1特征矩阵 为1 10 0,因此其基本类编码为3。图1 2 b为根据深度0-1特征矩阵提取所获得的3类面集,其中根据壁边面集几何拓扑矩阵可以识别此零件的侧壁形状为:1侧壁倒圆角,减重凹陷类型为:0无减重凹陷;根据底板面集典型面集典型面f1面边环关系矩阵可以判断底板形状为1底板倒圆角,根据外侧连接面集几何拓扑矩阵可以识别此零件的外侧连接类型为:2-侧壁底板圆弧连接。因此,提取壁边面集和外侧连接面集2个面集几何拓扑矩阵;底板面集典型面f1的面边环关系矩阵;同时建立编码类型与3个特征矩阵的映射关系。4.2 双面开口类角盒图1 3 a为图1 b所示双面开口类角盒零件所提取的面集深度0-1特征矩阵,其在投影面上的整体尺寸L x和L y分别为9 0mm和2 9mm,x方向最小特征尺寸为圆角特征3mm,y方向最小特征尺寸为侧壁厚度2 mm,由此可确定投影栅格尺寸应为mxmy=3 01 5。其x方向的最小特征栅格数均为1,y方向的最小特征栅格数均为4,标准化后的0-1特征矩阵为1 10 1,因此其基本类编码为2。图1 3 b为根据深度0-1特征矩阵提取所获得的3类面集,其中根据壁边面集几何拓扑矩阵可以识别该零件的侧壁形状为:2侧壁平行裁切,筋板形状为:1筋板倒圆角;根据壁边面集典型面f2、f4及f6的面边环关系矩阵可以判断减重凹陷为:1筋板双减重凹陷;根据底板面集典型面集典型面f1面边环关系矩阵可以判断底板形状包括:3底板斜角裁切,根据外侧连接面集几何拓扑矩阵可以识别该零件的外侧连接类型为:1三边圆弧连接。因此,提取壁边面集和外侧连接面集2个面集几何拓扑矩阵;壁边面集典型面f2、f4及f6和底板面集典型面f1共4个面