飞机结构件CAD模型误差自动检测方法的研究与验证

þþHOS T E D B Y可在www.sciencedirect.com网站上查阅计算设计与工程学报2（2015）253www.elsevier.com/locate/jcde面向数控加工黄波，徐长虹，黄锐，张树生西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，Xi 710072接收日期：2015年3月31日;接收日期：2015年6月12日;接受日期：2015年6月14日2015年6月23日在线发布摘要在飞机结构件的加工中，广泛采用基于几何模型的数控加工方法，对三维CAD模型的质量要求很高。然而，对于如何自动检测CAD模型中的错误，目前还没有相关的研究。因此，用户必须在NC编程之前手动检查错误。提出了一种飞机结构件CAD模型误差自动检测方法首先，基于与加工坐标系相对应的参考方向来识别基面然后，CAD模型被划分为多个局部区域的基础上的基础面。最后，基于启发式规则对CAD模型误差类型进行评价。开发了基于CATIA的原型系统，验证了所提出方法的有效性&2015 年 CAD/CAM 工 程 师 协 会 。 由 Elsevier 制 作 和 主 持 。 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：启发式规则; CAD模型误差;飞机结构件;基于启发式的数控加工1. 介绍随着飞机制造技术的飞速发展，新一代飞机上大量采用薄壁整体结构件[1]。然而，飞机整体结构件的数控编程时间远大于数控加工时间，严重影响了企业的生产效率。在应用需求驱动和高新技术的支持下，新兴的基于特征的数控编程系统[2，3]具有智能化、自动化和快速化的特点，大大提高了飞机结构件数控编程的效率。然而，基于特征的数控编程系统的输入通常要求没有CAD模型错误（例如，微小面、尖锐面角、非相切面等）。存在于飞机结构件中。然而，设计部门生成的飞机结构件三维CAD模型与设计部门的模型要求相差甚远，n通讯作者。联系电话：86 29 88460357;传真：86 29 88491576。电子邮件地址：huangrui053469@163.com（R. 黄）。同行评审由CAD/CAM工程师协会负责数控编程系统由于飞机结构件的形状复杂。此外，错误的三维CAD模型会导致特征识别[4]和刀具轨迹生成[5]的失败，从而使基于特征的数控编程系统失去其功能和优势。因此，如何发现三维CAD模型中的误差，成为基于特征的数控编程系统亟待解决的问题。以往的三维CAD模型误差发现方法主要分为两类：基于CSG模型的方法和基于B-Rep模型的方法。在基于CSG模型的方法[6]中，定义了各种特征命令之间的关系以及每个特征的参数数据之间的关系Yang等人[7]提出了一种基于设计历史的3D CAD模型错误检测方法，该方法可以保留参数信息并捕获设计意图。但是，它通常适用于结构简单而不复杂的零件，而不适用于飞机结构件。在基于B-Rep模型的方法[8]中，通过表示拓扑和几何结构的数据结构的数学计算来检查CAD模型错误。http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2015.06.0082288-4300/2015 CAD/CAM工程师协会。&由Elsevier制作和主持。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。254B. Huang等人/计算设计与工程学报2（2015）253FB-Rep模型的元素。Gu等人[9]提出了一种识别、纠正和避免CAD模型中影响互操作性的错误的方法。但它不适用于数控加工，不能直接用于特征数控编程的预处理阶段针对上述问题，提出了一种面向数控加工的飞机结构件CAD模型误差检测方法首先，根据用户手动选择的参考方向识别飞机结构部件的基面。然后，根据基面，将3DCAD模型划分为多个局部区域，这些局部区域可以由属性邻接图（AAG）表示[10]。最后，针对嵌入局部区域中的CAD模型错误，根据CAD模型错误的拓扑和形状特征构造启发式规则，2. 基本概念和方法概述在本节中，我们首先定义一些基本概念，然后简要概述我们的方法。2.1. 基本概念定义1. CAD模型错误。CAD模型误差是一个局部面区域，它对基于特征的数控编程有不利影响。定义2. 参考方向（RD）。参考方向nz定义为加工坐标系（MCS）的z定义3. 基础面。如果一个平面fi满足以下条件：n（fi）//nz，定义fi为nz的底面，其中n（fi）是fi的法线。定义4. 边缘凸性。两个相邻面之间的边缘凸度可以分为三种：凸，凹和光滑。第五章. 相关填料（AF）。与基面相邻的具有凹边或光滑边的填料称为关联填料。第六章. 扩展关联填充（EAF）。相邻的联合填充物及其具有凹边或光滑边的侧角称为扩展的 联合填充物 （图1）。①的人。2.2. 方法概述经统计分析，飞机结构件CAD模型错误中70%以上是由于错误的填充操作造成的，其余主要是由于设计人员缺乏加工经验或设计过程中的失误造成的。根据基面，以基准方向为基准自下而上，用一组关联填充或扩展关联填充表示飞机结构件三维CAD模型，然后在基面及其关联填充或扩展填充中设置CAD模型填充误差检测。我们的方法的系统概述如图2所示。可以看出，我们的方法包含三个主要部分：(1) 启发式规则库构建。根据现有CAD系统图二. 拟议办法概览。nzF5基面f7的ZAFF3f4f67f2f8f1YXMCS基面f1的AF凹n（f1）f9凸光滑基准方向和基准面基面f2电弧炉边缘凸性Fig. 1. 基本概念。B. Huang等人/计算设计与工程学报2（2015）253255Psski< fiA AFfA AF模型错误，由经验丰富的工程师构建启发式规则库。对于新出现的CAD模型错误，启发式规则库中没有涵盖，需要不断更新和扩展启发式规则库(2) 基于参考方向的人脸聚类根据给定的参考方向，首先识别飞机结构件的基面{fi然后，分别将基础面fi作为种子面，从所述基础面生成可以用表示为{G（fi）}的AAG3.2. 启发式规则库构建分析了某大型飞机制造商提供的所有飞机结构件中存在的CAD模型误差。基于这些CAD模型错误的共同拓扑和几何特征，我们建立了以下启发式规则：第1条. 如果非填充面fi的相对面积spi小于某个阈值δ，则fi是一个微小的非填充面，即将3D CAD模型的AAGG和不包含在{G（fi）}中的其它面表示为G/{G（fi）}。(3) CAD模型错误类型评估。基于启发式sπ¼sio δ1fkASA规则，分别遍历{G（fi）}和G/{G（fi）}来识别CAD模型误差。3. 三维CAD模型误差检测方法其中sk是fk的面积，SA是fi的相邻面。第2条. 如果非填充面fi和它的相邻面fp之间的公共边是凹边e凹，则fi是凹边面，即（fi\f p¼e凹3.1. 3D CAD模型误差分类fpA.F1;f 2;n.ð2Þ根据对CAD模型错误的建模历史的分析，它们可以分为以下三类（图1）。（3）：(1) 缺失填充错误来自缺失填充操作，主要出现在囊袋，肋骨，等等，这些误差的拓扑表示是CAD模型上的凹边其中{f1，f2，f3，第3条. 如果填充子fi（fiAAF）与其相邻面fj（fjAAF）之间的公共边是凹边e凹，则AF是不连续的，即8>fi\fj½e凹Jð3Þ(2) filllet错误是指在filllet操作中出现这些误差主要出现在复杂型腔中，其拓扑和形状特征是CAD模型上填充物的不连续性、局部变化、半径不一致和微小面(3) 由于设计者的不良加工经验或错误以及这些错误的拓扑和形状表示而发生的其他错误是CAD模型上的狭窄空间或剩余面：>iaj第4条. 给定两个半径分别为ri和rj的填充函数fi（fiAAF）和fj（fjAAF），若ri不等于rj，则称AF的填充半径不一致，即ria rjfiAAF图三. CAD模型错误分类。（256B. Huang等人/计算设计与工程学报2（2015）253<>8>>fiJ\fj<$e如果有一定的阈值σ，则fi是一个小填充，即SI：>iajsfi¼ssoσ5fPAF第6条. 设微小填充fj与基面f之间的边为ej，非微小填充fk的半径为rk，若rk与ej的曲率半径不同，则称AF存在局部变化，即f\ fk<$ ekf\fj<$ej根据CAD模型误差的特点，将CAD模型误差分为两类：窄空间和残面误差以及填充误差。基于上述规则的组合，可以建立两种类型的相应检测规则。相应的规则如下：(1) 窄空间和剩余人脸检测规则。狭窄的空间和残留的面是产生的微小部分rja rkfA AFð6Þ在造型过程中过度切割或底切，j微小面和凹棱面，>fkA AF>：jjak第7条. 给定两个边角fi和fj（fi，fjAEAF/AF），如果fi和fj之间存在一条公共边，我们称之为剩余面，因此相应的规则是规则1规则二：狭窄空间/残留面(2) 圆角错误检测规则。CAD模型中的圆角错误主要出现在基面环FL（f）（FL（fi）fiAF）中，实际上在一个FL（fi）中很少有多于三种类型的误差。由于FL（fi）中的每个填充误差仅为见图4。 圆角错误检测规则。KAB. Huang等人/计算设计与工程学报2（2015）253257¼-¼¼¼82¼ ¼ ¼¼¼单个CAD模型错误或多个CAD模型错误的组合，对应的检测规则为一个规则或多个规则的组合。图4说明了填充错误的检测规则3.3. 基于参考方向的基于参考方向的面聚类是探索基础面的相关填充和角点。在本文中，它可以描述为fillet关联水平图（图）。通过对CAD模型中节点和边属性的分析，可以找到相应的CAD模型错误提示。因此，构造BLOG对于有效检测所有填充错误至关重要BLOG构造算法如下：输入：CAD模型（G）的AAG和参考方向集OR¼{ni}，1rirm输出：n = G集合GS^{G（fj）}，1rjrn步骤1.特拉弗斯河根据参考方向ni，找出所有基面，然后将其添加到基面列表BL中。步骤2.基于参考方向从下到上对BL步骤3. 选择fi（fiABL）作为种子面，然后搜索所有图G中的连通节点，记为V（fi）{vi}，1rirp。步骤4. 导线V（fi）：1) 如果v iAV（f i）|v i=EAF（f i），v i和f i之间存在缺失填充，且v i不是第一关联层的节点。2) 如果（v iAV（f i）|v iAEAF（f i），以及公共边e在vi和fi之间不是凸的，记为θ（vi）a1，则vi被存储为第一关联水平的节点，其中如果e是光滑的，记为θ（vi）0，vi是底角，否则如果e是凹的，表示为θ（vi）1，vi是侧角。3) 将遍历节点vi设置为true，表示为s（vi）true。在第一个关联层中选择一个节点vj作为种子面，然后搜索所有连接的节点 VK步骤5. （vkAEAF（fk）4s（vk）atrue） 到 构建体 第二协会级别。重复步骤5，直到遍历所有节点，然后构造一个BLOG步骤6.选择下一个基准面，重复步骤3-5以构造基准面，直到遍历所有基准面。图5示出了一个示例性的BLOG结构。首先，根据参考方向（图5a）从下到上对CAD模型的所有基面进行排序：f1和f9（z 2 mm），f2和f8（z 4 mm），f3和f6（z5 mm），f4（z7毫米），f7（z35 mm）和f5（z45 mm）。然后，选择一个基础面作为种子面以搜索所有连接的填充。 由于基面f9（图 5 b）低于基面f8，f9优先于f8。中的关联节点图五. 基于参考方向的人脸聚类。¼258B. Huang等人/计算设计与工程学报2（2015）253¼f8的第一层是所有连接节点中的v7、v8、v9、v10、v11，然后选择v8和v10作为种子面，搜索出v12和v13作为第二关联层的节点。由于在第三关联级别中不存在满足要扩展的条件的节点，因此搜索过程终止。图5c示出了基面f8和f9的关联水平。3.4. CAD模型误差类型评价CAD模型误差类型评价在识别CAD模型误差中起着重要作用。为了便于分类和将来修复CAD模型错误的工作，首先检测填充错误，然后检测其他错误。 具体步骤如下（图）。 6）：输入：GS<$4 {Gj（fi）}（j<$1，2，3输出：CAD模型错误步骤1.在GS中选择一个子文件G Gk，然后从GS中删除它。步骤2.调用cEval（Gk）。程序cEval（Gk）案例1.如果f（Gk）满足规则2，则将错误存储为缺少fillet Case 2。否则，如果f（Gk）满足规则34规则7，则将错误存储为不连续情况3。否则，如果f（Gk）满足规则4，则将错误存储为半径不一致情况4。否则，如果f（Gk）满足规则6，则将误差存储为局部变化步骤3.如果GS是a，则转到步骤1。否则，如果GS<0，则转到步骤4。步骤4.导线Gm案例1.如果f（Gm）满足规则14规则2，则将误差存储为窄空间或残差面临案例2.否则，如果f（Gm）满足规则2，则将误差存储为尖角步骤5.输出CAD模型错误。其中，f（Gi）是计算Gi的节点和边的属性的函数，并且f（G i）是表示属性匹配规则的函数。4. 为例为了验证本文提出的方法的可行性和有效性，我们在Microsoft Visual Studio 2005和CATIA V5R19组件应用体系结构（CAA）平台上开发了一个飞机结构件CAD模型误差自动检测原型系统。图7a所示为CAD模型误差检测原型系统，其使用步骤如下：（1）交互选择参考面计算参考方向，（2）基于参考方向检测CAD模型误差，（3）记录检测结果并生成HTML文件形式图7c示出了来自航空制造企业的复杂飞机结构部件Model_1，其由3590个面组成。检测结果表明，CAD模型中存在各种误差：1个窄空间误差、2个残面误差、126个缺角误差、2个半径不一致误差、5个不连续误差、37个局部变化误差和6个尖角误差。一些CAD模型误差如图7 d-m所示。检测结果中突出显示CAD模型错误的面。特别地，对于缺失填充误差、不连续和不一致半径误差的情况，它们对应的面被着色。红色的面是基础面，黄色的面是AF。检测完成后，生成一个HTML文件作为报告，记录检测结果的详细信息，如图所示。 7 b.见图6。 CAD模型错误类型评估。B. Huang等人/计算设计与工程学报2（2015）253259型号_2狭窄空间残面缺少圆角缺少圆角缺少圆角原型系统检测报告飞机结构件狭窄空间残面残面缺少圆角缺少圆角半径不一致不连续不连续局部变化尖角见图7。 CAD模型错误检测原型系统。半径不一致不连续不连续局部变化尖角. . . . . .见图8。 CAD模型错误检测示例II。260B. Huang等人/计算设计与工程学报2（2015）253具有复杂拓扑和形状特征的另一个样本用于说明图8a中的CAD模型错误检测。在本例中，零件由3510个面组成，检测结果表明存在1个窄空间错误、1个残留面错误、91个缺失填充错误、21个半径不一致错误、6个不连续错误、3个局部变化错误和8个尖角错误。其中一些错误如图所示。 8b-k，与模型1相同。Model_1和Model_2的计算时间约为 通过统计分析，用户人工检查这些错误需要近5小时。因此，很明显，用户可以找到CAD模型的错误，更快，更准确地使用我们提出的方法，因此，所提出的方法是有助于有效地加快数控编程过程。5. 结论和今后的工作提出了一种面向数控编程的飞机结构件CAD模型误差检测方法。首先，根据参考方向识别基面。该方法以基本面为基础，将三维CAD模型的几何几何图划分为两类子图：一类是基本面及其AF或EAF，另一类是其余面的图。然后，基于启发式规则检测CAD模型的错误。最后，通过原型系统的实验表明，该方法可以有效地检测飞机结构件CAD模型的错误。为了提高该方法的实用性，在今后的工作中，有几个问题值得进一步探讨：（1）通过积累更多的实例中的CAD模型错误来扩大应用范围;（2）对CAD模型进行修复模型误差的自动化，以减少基于特征的数控编程系统的用户交互。利益冲突作者声明没有与本手稿相关的利益冲突。引用[1] 王伟，李英，马英.基于特征的代理驱动的NC刀具路径生成，以支持设计和工艺更改。计算-辅助设计Appl. 2013; 10（4）603-18.[2] 李勇，刘翔，高继新，等。面向集成制造规划与优化的动态特征信息模型。 CIRP Ann. -制造 Technol. 2012; 61（1）167-70。[3] S. Chen，G. 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