零件信息模型（精选八篇）
零件信息模型 篇1
现代制造业对计算机集成和数据共享程度的要求越来越高,人们需要用集成和开放共享的眼光来处理生产过程中的各个环节。在CAD/CAPP/CAM集成系统中,CAPP是连接CAD与CAM之间的桥梁和纽带,是制造信息较为集中的汇集处。CAPP对于保证信息化制造系统中的信息流畅通是非常重要的,它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期、改善劳动条件都有着直接的影响,是生产中的关键性工作。只有实现CAPP与其它子系统的集成,才能实现制造系统真正意义上的集成,CAPP是制造业信息化的关键技术。本文采用ActiveX Automation技术与零件信息模型实现CAD系统和CAPP系统之间的信息集成,CAD系统中零件的总体特征信息、工序图等相关信息能够自动导入CAPP系统中。
1 Automation技术通信原理
ActiveX Automation技术是自AutoCAD R14版以来Autodesk公司推出的自动化服务功能。它是一组基于COM的技术集合,通过OLE自动化技术扩充和发展起来,允许一个应用程序操纵另一个应用程序中的对象。ActiveX控件将应用程序模块化,把有关的数据和操作封装起来,以对象的形式提供给用户,这些对象封装了应用程序的所有功能,利用对象固有的属性和方法,几乎所有面向对象的编程语言都能访问到应用程序的数据库,用户不必了解应用程序内部的具体实现过程就可用支持ActiveX技术的可视化。图1显示了应用程序、Active X接口以及外部编程语言之间的关系。
从某种意义上讲,控制AutoCAD的实质就是控制AutoCAD对象的方法和属性。此外还应注意AutoCAD对象的层次结构,对于顶层和外部对象可以直接赋值引用,而对于从属对象则需要间接引用,即从高层逐级访问对象。每个AcitveX对象都有自己的对应的属性、方法和事件,通过对象的属性和方法,我们可以获得对象的有关信息,而通过事件发出的通知和信息,我们可以写子例程序或事件处理程序来完成我们的功能要求。图2显示了AutoCAD对象模型的顶端部分,第一层对象就是AutoCAD应用程序本身。在图2所示的层次中,每个对象都含有在它下层的对象。使用ActiveX Automation的一般原则是:以自顶向下的方式来检索对象。
2 零件信息模型的几个基本概念
2.1 特征相关概念
特征分为几何特征与工艺特征,它是一组信息的集合。以五阶轴为例,如图3所示的零件图中,直径、半径和宽度等长度为几何信息,而附在其上的加工精度等级、表面粗糙度与形位公差为加工工艺信息,所以由图可以看出圆柱面是一个特征。特征类型又可以分为主要特征及辅助特征。顾名思义,主要特征是用于描述零件的总体的、主要的几何形状的特征,辅助特征是对主特征的辅助说明或进一步修饰,它依附于主特征或其他辅助特征之上。特征属性包括两个方面,一个是描述零件集合特征的信息,比如直径、长度、宽度、深度和角度等;另外一个是描述零件加工的工艺特征,比如精度等级、形位公差、表面粗糙度和热处理要求等,不管是几何特征的描述还是加工工艺特征的描述都从属于特征,依附在特征之上。特征属性一般它由属性名、属性值等若干属性项组成。对于某一具体零件,所有特征都用唯一的特征符号,即ID号来标识。主特征的ID号用字符串“01-99”表示,辅助特征的ID号用“主特征ID+01-99”来表示。
2.2 零件信息模型的结构
一般零件信息可分为三个层次:总体信息层、特征层和特征属性层。零件信息模型的总体结构如4图所示。
2.2.1 总体信息层
管理信息、总体技术要求、零件属性信息以及轴向尺寸链表等构成了零件的总体信息层。用于描述零件的管理信息的为管理信息节点,它是一个“对象”,其属性包括零件图号、零件名称、产品编号、产品名称、设计者、审核者以及更改信息、备注等。用于描述零件的属性信息的为零件属性节点,它包括零件类型、材料牌号、毛坯尺寸、零件重量、材料硬度和毛坯种类等。用于描述零件的总体热处理信息,以及其他技术要求信息的为总体技术要求。组成零件的各个轴向尺寸用前、后指针通过轴向尺寸链将连接起来,组成零件的轴向尺寸链表。图5所示ahi是该链表的一个尺寸节点,dim_link_info寸链的第一个节点为尺寸节点。在尺寸节点图中,所谓尺寸起点和终点位置是指尺寸是从什么特征的什么位置开始或是结束的,可以用左(l)、中(m)、右(r)来表示尺寸起点或终点的位置。本文指的零件总体信息为零件图号、零件名称、产品编号、产品名称、材料牌号、材料硬度、毛坯种类、零件最大外形尺寸、重量和未注粗糙度等信息。
2.2.2 特征层
描述组成零件的各个特征之间,包括主特征之间的关系以及主特征与辅助特征之间的关系的是零件的特征层,它是零件信息模型的主干架。特征关系图或特征二叉树结构表示特征的关系。
2.2.3 特征层属性
特征属性层是指对特征二叉树中的每一个特征的属性的描述。二叉树中的每一个节点就是一个特征,对每个节点的属性的描述就是特征属性层,它包括特征名称、特征方向、特征号等主属性及几何尺寸属性、形位公差属性、位置尺寸属性、加工方法链属性、局部如处理属性以及特征辅助属性等多方面的信息。若干个属性项组成了特征的每一个属性,各个属性用双向链表连接起来,组成相应的属性链表。
3 系统实现
CAD与CAPP系统的集成主要由零件总体信息导入模块与零件特征信息导入模块组成。零件总体特征信息输入模块又可分为三个模块。如图6所示。左边为零件DXF格式显示部分,该图可由打开零件图按钮打开导入,可以从该图查看核对零件图;右边部分为零件属性信息,选择好要加工的零件图后,可以点击信息导入按钮,零件相关的属性信息,即零件总体特征信息便可从CAD图纸中自动带入右边的零件信息模块,它包括零件图号、零件名称、产品编号、产品名称、材料牌号、材料硬度、毛坯种类、毛坯尺寸、备注等。
本系统使用的集成开发环境为Visual Studio2008,采用Visual C#语言开发程序界面,运用ActiveX Automation技术,从CAD系统中零件的DXF文件自动导入零件的总体特征信息,这些总体特征信息在DXF文件中都是文本数据,零件的总体特征信息名称以及格式如表1所示,利用StreamReader s=new StreamReader(path,System Text.Encoding.Default);获取相应的文件名,再用s.ReadLine()读取DXF文件中的相关的零件信息,比如要读取产品编号,其代码如下:
零件特征信息导入模块分为两个子模块,如图7所示。一个为零件总体特征信息输入模块,一个为零件工艺信息特征输入模块。点击零件总体特征导入按钮,选择需要导入的零件文件,当用户完成从CAD系统自动导入零件的总体特征信息后,系统会在主窗口中显示所导入的零件的总体特征信息。形状特征信息输入有些需要手动输入,特征尺寸可以实现自动提取,用户输入一种特征后,会在特征参数输入窗口显示相应的特征参数。所输入的参数自动保存在数据库中。
特征尺寸的提取的实现过程[78～80]:
特征尺寸的提取的实现过程引入了特征类库(Feature class Library)的概念,其实现的部分代码如下:
4 结论
本文以零件特征为单元,建立了零件特征信息模型,并把ActiveX Automation技术运用于CAD系统与CAPP系统集成开发中,通过ActiveX接口,可以把零件总体特征信息从CAD系统中自动导入到CAPP系统中,零件总体特征信息无需人工输入,避免人为错误,提高了效率,实现CAD系统与CAPP系统之间的信息共享与集成。
参考文献
[1]程剑兵,卢继平.基于特征的工艺决策[J].北京:北京工业学报.1999,13(01).
[2]Martino S.and Kim Y.Cylindrical features in form featurerecognition using convex decomposition.IFIP Conf.onFeature Modeling and Recognition in Advanced CAD/CAM Systems,1994.
[3]Dong J.and Vijayan S.Manufacturing feature determinationand extraction-Part I:optimal volume segment.ComputerAided-Design,1997,29(6):427-440.
[4]Sakurai H.and Chin C.Definition and recognition of volumefeatures for process planning.AdvancesinFeatureBasedManufacturing.Elsevier:Amsterdam,1994:65.
[5]Tsheng Y.J.and Joshi S.B.Recognizing multiple interpreta-tions of interacting machining features.Computer Aided-Design,1994,26(9):667~688.
[6]Coles J.,Crawford R.and Wood K.Form feature recognitionusing base volumedecomposition.ASME DesignAutomation Conf.,1994:281-297.
[7]曾盛绰,黄月芹,马俊燕,韦仁.基于特征匹配检索与区间数优势度多属性排序方法的工艺规划研究[J].机械设计与制造,2011,(12).
[8]彭义兵,谭清明,陈万领.DXF实现CAD/CAPP集成的方法研究与实践[J].2003,(8),49-51.
[9]杨荣.基于设备能力导航的工艺规划通用系统设计与实践[D].广西大学,2008.
零件信息模型 篇2
缸体零件图如图56所示，
图56 缸体零件图图形分析该缸体零件图形由缸体、座、腔体以及缸体顶上两个半圆凸台和孔所组成。从左主视图中可看出缸体和其内的腔体均为回转面生成，底座为长方体并有一个矩形通槽，四角圆角半径为R=10mm，并且有4个沉孔和2个定位孔组成。其创建的操作方法如下：（1）利用“旋转”命令，将主视图右边的凸台、以及下面座图形去掉，旋转生成圆形缸体和内部直径为40和35mm的腔体造型。（2）将左视图中的上面圆的图形去掉，然后，连接上边线，拉伸生成座的造型。（3）将沉孔以中心线为准绘制成沉孔图形的一半封闭图形，旋转求差生成沉孔造型。再利用引性阵列生成其余3个沉孔。具体的创建操作如下：（1）除轮廓线（粗实线）图层打开，关闭其他所有的图层，或者保留可见轮廓线，而将其余全部删除。图57 修改后的图形（2）绘制封闭的图形。 将修改后的图形经过添加线段而构成封闭和图形后，然后，生成5个面域，如图57所示。（3）旋转生成缸体和腔体造型。 单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，选择“图形1”，以图形最下边的线段为旋转轴，按回车键后，创建出如图58所示的缸体和腔体造型。图58 创建缸体造型 图59 创建底座造型（4）创建底座造型。单击“建模”工具条上的“拉伸”按钮，选择“图形4”，输入拉伸值为60mm，创建底座造型如图59所示。（5）旋转生成实体。单击“建模”工具条上的“旋转”按钮，分别选择“图形2”、“图形3”、“图形5”，以各自的旋转轴线旋转生成回转实体。如图60所示。图60 旋转生成实体（6）圆形阵列。 单击“修改”工具条上的“阵列”按钮，在“阵列”对话框中选择“环形阵列”类型，以缸体的原心为环形阵列的中心点，设置数量为“6”，选择图形3生成的旋转实体，单击“确定”按钮，生成环形阵列。（7）运用“差集”命令，先选择缸体实体，回车后，再选择环形阵列创建的6个圆柱体，回车将6个圆柱体减去后，生成缸体前端面上的6个M6深14mm的螺纹底孔造型如图61所示。图61 创建前端螺纹底孔 图62 调整缸体至合适的位置（8）创建缸体上的两个半圆形凸台。其操作如下：① 调整视图方向。单击“视图”工具条上的“西南等轴测”按钮，然后，单击“动态观察”工具条上的“自由动态观察”按钮，旋转视图至一个合适的位置如图62所示的位置，② 建立UCS（用户）坐标系。 在命令行中输入：UCS 按回车键，再输入：N 新建用户坐标系，再按回车键，输入：3 即用3点确定坐标原点。用鼠标捕孔的中心点，将坐标原点设置在圆心处，如图63所示。图63 建立UCS坐标系 图64 绘制图形③ 绘制图形。以坐标原点为圆心，画一个半径为15mm的圆，绘制的图形如图64所示。④ 创建一个面域。 用“面域”命令，选择图形，回车后，生成一个面域。⑤ 将生成的面域和旋转生成镜像至右边。如图65所示。提示：镜像可在前视平面内进行。图65 镜像实体 图66 创建半圆形凸台造型⑥ 拉伸面域创建半圆形凸台。选择左边的面域向下拉伸4mm。 再选择右边的面域向下拉伸15mm,再利用“并集”命令，创建缸体上左、右两边的半圆形凸台造型，如图65所示。⑦ 利用“差集”命令，将旋转生成的实体从缸体中减去，创建孔造型，如图67所示。移动前 移动后 图67 完成缸体部分的创建 图68 实体的平移（9）创建底座上的沉孔造型的操作：① 移动图形5旋转生成的实体。利用“M”（移动）命令，将实体向前移动10mm,结果如图68所示。② 实体的矩形阵列。单击“修改”工具条上的“阵列”按钮，选择“线性”阵列类型，设置参数如图69所示。选择移动后的实体，单击“确定”按钮，创建的实体线性阵列如图70所示。③ 利用“差集”命令，将线性阵列后的4个实体从底座上减去，创建4个沉孔造型。④ 底座4条垂直边圆角，圆角半径R=10mm，完成的底座造型如图71所示。图69 设置矩形阵列的参数图70 生成矩形阵列 图70 完成底座的创建（10）缸体与底座的合成操作：① 在“前视平面”内，利用“RO”命令，将底认旋转90度。② 标注尺寸后，以标注的尺寸为移动的依据，如图71所示。③ 以缸体右边的边线为基准，移动后完成整个缸体的创建，如图72所示。图71 标注的尺寸 图72 缸体零件实体模型基于MBD的零件制造模型管理 篇3
随着数字化设计与制造技术的迅猛发展,特别是CAD技术的日益普及,零件三维实体模型已经成为产品研制的基本选择。从原材料到最终的零件状态的工艺过程中,包含了加工、检验等组成工艺链的多种工序。零件在各道工序下的几何、工艺信息、工装信息和资源设备等信息的集合即为零件的制造模型。在现代数字化和集成化制造环境下,零件的制造模型决定了零件制造的质量和效率以及企业制造经验知识的积累,因此如何有效管理零件的制造模型是发挥制造模型作用和提高企业数字化制造能力的关键。
目前,学者们对零件制造模型的研究涉及模型的内容,表示方法,定义方法、管理等多个方面。文献[1]根据汽车组件的工艺过程中的特定工序,利用特征技术对汽车组件的中间件的几何信息进行建模。文献[2]研究了面向制造的钣金零件的多态模型。文献[3]分析了钣金零件制造模型的典型状态,在此基础上,从人员、数据、流程数据三个方面建立了制造模型的管理方法。文献[4]针对产品设计和制造过程,建立了产品全生命周期的制造信息模型。文献[5]提出了产品全生命周期的包含工序图的零件制造信息模型,但对工序图的类型和内容未加说明。文献[6]提出一种面向工艺链的零件制造模型框架,从面向集成制造的角度研究了制造模型的组成。从已有的零件的制造模型来看,零件制造模型中产品的信息关联性差,制造模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非几何信息通常与三维模型分离,或者根本不涉及三维模型。即当前的三维数字化模型并没有贯穿于整个数字化制造过程中,二维数字化模型依然是制造过程的主要依据。因此,在制造过程中需要把三维数字化模型转化为二维数字化模型,并把二维数字化模型输出形成纸质工程图纸作为指导生产的依据。
为了进一步缩短产品的研制周期并提高质量,MBD作为CAD的一种新趋向在工业领域越来越流行。波音公司使用MBD技术定义了波音787飞机所有的产品信息,完全替代了二维图纸的作用,使得产品定义内容到数据组织管理与流程控制等方面都产生了质的飞跃。尽管我国的航空工业已经开始大力推行MBD技术,并取得了一些阶段性的成果。但与国外发达航空企业相比,仍然存在很大差距[7]。主要表现为基于MBD技术的产品定义尚处于探索阶段,以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟,MBD的设计、制造和管理规范还有待完善。本文通过对波音MBD制造体系的跟踪和研究,结合我国制造业现阶段的特点,研究了MBD体系下的零件制造模型的管理方法。
1 基于MBD的零件制造模型
1.1 MBD的提出
在传统的数字化制造环境中,仅仅依靠三维模型往往难以直接进行产品的生产和检验,即三维模型没有提供生产者所需的生产技术、模具设计与生产、零件加工、装配和检验等工艺信息。虽然三维数据包含了二维图纸所不具备的详细的形状信息,但三维模型数据中却不包含尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等。仅靠形状无法表达的非几何信息,因此对同一零件,需要同时发布三维模型和二维图纸。
然而这种制造活动创建了冗余的设计定义,即对同一零件同时发布三维模型和图纸。这种方式离散了产品的设计与制造过程,可能产生潜在的CAD模型与图纸之间的冲突。CAD模型与图纸之间的冲突往往导致没有价值的图纸修订。与之对应的是在产品的数据管理中需要对三维模型和图纸同时管理,增加了管理的难度的同时还需要较大的数据库存储空间。特别地,当模型的几何发生变化时,产品数据的版本控制困难。此外,三维模型的价值与产品的复杂度是成比例关系的。对复杂零件,往往需要培训和大量的时间来理解复杂的图纸表达的零件。为了进一步缩短产品的生产周期并提高质量,MBD技术应运而生。
1.2 MBD的内涵
MBD,即基于模型的定义,是用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息的方法体。MBD核心的概念体现在3D产品模型是传递所有细节产品信息的最适合的媒介。它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息,而用二维图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时,MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图纸为主而以三维实体模型为辅的制造方法。MBD在2003年被美国批准为机械产品工程模型的定义标准,是以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体。MBD技术的目标是规范产品数字化定义的信息,实现产品数字化定义信息的完整性和准确性,其核心和基础是产品的数字化定义技术,即用三维数字化定义工具(CAD系统平台)定义出能够为下游各应用环节所使用的准确、完整、规范和有效的产品信息。因此,MBD技术是实现数字化产品定义的手段,也是实现产品研制体系转变的技术基础。
1.3 基于MBD的零件制造模型
MBD零件模型包含精确的实体模型,与之关联的产品相关的几何和三维注释。注释的内容包括产品的尺寸、公差和其他信息用以形成完整的产品定义。特别地,该模型不包含二维图纸。这些信息都附着于零件的三维实体模型上,以3D注释的方式分布在实体模型的三维空间中。3D注释位于的平面视图称为注释面。它与实体模型关联并且能在3D环境下显示。MBD零件模型是零件数字化定义的一种格式,通过图形和文字的表达方式,直接或通过索引间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求。如图1所示。零件模型由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的设计模型和以文字表达的三维注释、属性数据组成。零件设计模型以三维方式描述了产品几何形状信息,属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置信息;而注释数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必须的工艺约束信息。
基于MBD技术的产品制造以MBD零件模型作为唯一依据,使产品的工艺设计活动发生了根本的变化:工艺设计与仿真将在三维数字化环境中进行。一般地,从原材料到成品零件的工艺过程包括加工、成形、改性、检验等多种类型工序,共同组成工艺链[6],每道工序对应着工艺设计、工装设计和设备控制等环节。零件从毛坯到成品的制造工艺链的全过程中,零件特征不断改变,在其中某一特定时刻,零件特征值的总和就是零件的状态称为零件状态。在零件制造的全过程中,由相互联系的多个零件状态组合而成的模型即为零件的信息模型。虽然不同的零件制造工艺方法不同、工装不同、设备不同,但它们都遵守相似的制造流程。从面向对象的思想来看,制造流程是抽象的类,具体零件的制造流程则是其中的一个对象。而零件在制造过程中的状态则是对象的一个组成属性。需要注意的是零件状态中的三维实体模型是以零件的设计模型为基础根据零件制造的工艺要求,对设计模型添加工艺孔、耳片、余量等结构要素,或考虑回弹等因素修改得到的。经过上述分析,结合文献[2,6]零件制造模型的信息组成和MBD的规范,本文的零件制造模型为制造过程中每个状态对应的模型信息的集合。具体而言,本文的零件制造模型按照MBD的规范,将面向工艺链的信息模型映射到MBD零件模型上。建立零件各个中间状态的模型才能满足工装设计、工艺参数设计、数控编程等系统的需要。因此零件的MBD体系下的制造模型应该是按照加工顺序的MBD零件模型的集合。图2是根据MBD规范,零件的各个状态下的模型需要标注的信息。
MBD零件制造模型的核心元素直接在3D环境中显示。可以通过选择、缩放、选择等操作查询其所有的信息。对外围元素和管理元素则通过索引的方式由用户选择后在3D环境中显示。
2 MBD下零件制造模型的管理
零件制造模型的产生、传递、使用和重用对其管理方法提出了迫切需求。当前的产品数据管理(Product Data Management,PDM)主要通过构建人员管理模型、数据管理模型和流程管理模型来管理产品数据。本文也根据人员、数据和流程来建立基于MBD的零件制造模型的管理方法。
2.1 人员管理
零件制造是一个多部门协作的过程。设置各个人员在模型管理中扮演的角色和权限有利于科学、合理、安全地管理。零件的制造过程本质上是人对数据的处理。在这个过程中,人员与数据以角色为纽带关联。以国内某制造企业为例,与零件制造相关的部门主要包括制造工程部、加工厂和工装设计部。制造工程部的总工艺师主要负责制造模型的查询和统计,因此其可以查询零件制造模型中的所有MBD零件模型,以及模型上的所有三维注释。该部的工艺管理员主要负责制造模型的复审,因而具有与总工艺师相同的权限。加工厂的主管主要对所有MBD零件模型上注释的审定;设计员负责MBD零件模型中3D几何模型及其注释信息的标注;具体的加工人员则只能看见零件该工序下的几何实体模型和相应的标注。工装设计部的主管审定每个MBD零件模型的成形模具;工装设计人员根据MBD零件模型完成相应的工装设计。
综上所述,针对零件制造中部门组织与人员角色的特点,制造模型的管理采取了基于角色的权限控制管理方法。其基本原则是:最高权限赋予产生该模型的角色;高级别角色可以修改低级别角色的操作权限;在对模型进行管理时,不同角色只能选择各自所属的部门,这样消除了非法用户对模型安全的隐患。在MBD体系下的零件制造模型集中管理中,将所有产品的相关信息集成到3D几何模型上,以多视图的方式表达制造数据,不同角色拥有不同的查看视图、修改视图的权限,因此不仅有利于制造模型的存取、共享和重用,而且满足了数据安全性的要求。
2.2 节点数据管理
节点数据即为对应零件制造过程中某个状态的MBD零件模型。根据基于MBD的零件制造模型构建可知,节点数据具有很强的时序性,前一节点通常是后一节点的输入。将制造模型按照时序关系组织成制造模型树,每个树节点对应一个MBD零件模型。该方法便于对制造状态所包含的各种数据进行管理,有效解决了零件制造过程中不同阶段对数据的使用和管理问题。图3为零件制造模型树的示意图。
2.3 流程管理
零件的制造模型为工艺设计和工装设计提供了依据。MBD体现下的零件制造模型的应用改变了传统制造的串行工作流程,促进了各个制造部门的协同工作。在流程管理的设计中,结合人员管理的角色和权限,建立了“设计—校对—审定”三级流程管理方法。设计人员在设计阶段完成制造模型的设计,工艺、工装管理员完成模型的校对,主管则完成模型的审定。
3 基于产品数据管理系统的集成应用
PDM系统是集成并管理与产品有关的人员、数据和流程的软件系统。该系统自身具有强大的功能,并且能与其他应用软件的集成。不同的应用系统可以从PDM系统提取各自所需的数据,再将结果返回PDM系统中,从而实现基于PDM系统的集成应用。在本文研究的方案中,通过对神舟软件的AVPDM系统进行人员、数据构型和流程的定制开发,使之满足零件制造模型管理的需求,保证零件制造全过程中制造模型的一致性管理。基于PDM系统的应用方案如图4所示。其中,由于零件设计系统的数据管理也是PDM系统,因而可以实现与制造模型管理的紧密集成,确保设计与制造模型数据的一致性。
4 结束语
MBD技术是CAD技术发展的新趋势,本文通过借鉴波音公司的MBD技术,结合我国现阶段制造业的状况,通过分析零件制造模型的特点,提出了一种在MBD体系下的零件的制造模型管理方法。该方法是实现MBD模型贯穿整个数字化制造过程的基础,必将推动我国制造业的发展。
摘要：基于模型的定义(Model Based Definition,MBD)技术是数字化设计与制造领域的新趋向,提出一种基于MBD的零件制造模型的管理方法。首先深入分析了MBD体系下面向工艺链的零件制造模型的构成及特点;在此基础上,针对人员、节点和流程管理三要素,建立了零件制造模型的管理方法。最后以产品数据管理系统为平台建立了集成的管理应用。该方案能进一步提高企业的数字化制造能力。
关键词：工艺链,零件制造模型,基于模型的定义,产品数据管理
参考文献
[1]RAMESH M,DUTTA D,BELLUDI N,et al.Application of feature technology to modeling and dimensioning the intermediate geometry of automotive powertrain components[C]//Proceedings of the 7th ACM Symposium on Solid Modeling and Application,New York:ACM,2002:313-320.
[2]王俊彪,韩晓宁,刘闯.面向制造的飞机钣金零件多态模型[J].航空学报,2007,28(2):504-507.
[3]王俊彪,冯冰,刘闯.飞机钣金零件制造模型管理方法[J].计算机集成制造系统,2007,13(10):2009-2012.
[4]SUDARSAN R,FENVES S J,SRIRAM R D,et al.A product information modeling framework for product lifecycle management[J].Computer Aided Design,2005,37(13):1399-1411.
[5]舒启林,王成恩.产品全生命周期中的制造信息模型[J].东北大学学报,2005,26(8):774-777.
[6]刘闯,王俊彪,卢元杰,等.面向工艺链的零件制造模型框架研究[J].计算机集成制造系统,2009,15(6):1070-1075.
零件信息模型 篇4
国内外对网格简化的算法已经进行了大量的研究,取得了很多研究成果。Schroeder[1]等人提出了基于顶点删除的网格删减方法,Turk[2]给出了基于重新划分的模型简化方法,Eck[3]给出了基于小波技术模型简化方法,Hamann[4]给出一种基于三角形的曲率计算来移除三角形的简化算法,Hoppe[5]在网格优化算法的基础上提出了基于边折叠的递进网格生成方法,Isler[6]等人使用边折叠和三角形折叠操作来实时生成简化模型,Garland[7]等人利用二次误差方法来控制网格简化误差,周昆[8]等人则结合Garland和Isler的方法提出了新的三角形折叠算法。以上所有算法有一个共同特点就是被简化的网格模型大多由一个自由曲面构成。在简化过程中只要考虑如何减少简化模型与原始模型之间的误差,使得简化模型与原始模型保持较高相似度同时保留模型的细节特征。如果以上述方法简化产品零件模型就不会取得很好的效果,使得简化后的零件模型严重失真。
本文针对产品零件模型的特点,给出了一种基于边折叠简化算法的保留产品零件模型的面、边界、材料及纹理特征的网格简化方法。该算法不仅有效地控制了简化网格与原始网格之间的几何误差,而且较好地保留了模型的边界信息及纹理属性,另外还可以在该算法的基础上生成渐进网格模型。
1 算法描述
1.1 基本概念
边折叠简化算法是指在每一次简化操作中以边作为被删除的基本几何元素(如图1所示),在进行多次的选择性边
折叠后,面片就可以被简化到我们想要的任何程度了。
这里引入边界点、边界边、边界的概念。边界点:如果一点分属于两个或两个以上面则该点位边界点。边界边:如果由包含该边的两个三角形分别属于两个不同面则该边为边界边。边界:一个面的所有边界边所构成封闭曲线称为边界。
1.2 基本算法
本文采用Stan Melax提出的算法,该算法取两个面的法线的点积作为该边的曲率值,以边长与曲率值的乘积作为边折叠操作的测度值。这个算法在决定哪一条边坍塌的时候对于面的大小和曲率做了平衡。对于那些在同一平面上的表面,只需要很少的多边形就可以表示,同时高度弯曲的曲面则需要更多的多边形来表示。该方法与二次误差测度简化算法相比实现更加简单计算量更小,同时具有较高的保真度。
‖u-v‖为边长,Tu是包含顶点u的三角形的集合,Tuv是同时包含顶点u和顶点v的三角形的集合。fnormal、nnormal为三角形法线。
1.3 折叠点坐标的确定
在采用边折叠操作的简化算法中,选取折叠点坐标的原则是使简化后的网格形状尽可能接近原始网格。如边v0v1折叠为点v,为简单起见一般可选取折叠点v的坐标为v0、v1或(v0+v1)/2,但更好的选择应该是不局限于边v0v1甚至于该局部网格表面。这里为简单起见选择其中的一点为新顶点,同样也达到了很好的效果。
2 对基本算法的改进
2.1 基本算法的缺点
编程验证这种算法后发现该方法对产品零件模型的简化效果不是很理想。产品零件模型的特点就是由规则几何体(如方体,柱体,锥体)及一些自由曲面构成,产品零件模型的面及边界是重要的维形信息。这就要求在简化过程中要合理地选择折叠的边,对模型边界的删除加以限制,使得在边折叠的时候最小程度地影响产品零件模型的视觉变化。
图2举例说明了这种情况。顶点B折叠到顶点A或者顶点C对模型的影响不大。如果顶点A折叠到顶点B,就会破坏模型的外观。顶点A折叠到顶点C,也不会影响模型的外观。角上的顶点C应该被保留下来。
2.2 基本算法的改进
零件模型定义:模型是由几个面构成的封闭体,面与面之间形成边界,每个面又由三角形构成,三角形由3个点组成。这里需要指出的是这个零件模型只是实体模型,无法区分输入模型的特征,或者说零件的特征已经消失。这也符合简化的要求,即:近似显示零件的模型,不涉及零件的设计特征。如果在简化过程中我们无视零件的一些重要特征,对每条边都一视同仁,那简化的效果将很不理想,简化的模型将严重失真。这就要求在简化的过程中保留一些重要的特征,如构成零件模型的每个面及模型的边界,在零件简化过程中采取一定的限定措施。在模型简化过程中加入如下原则:
(1)构成该边的两个端点均为非边界点,则该边可以简化到其中任意一点。
(2)构成该边的两个端点中一点为边界点,则该边只能简化到该边界点。
(3)构成该边的两个端点均为边界点,但这两个端点分别属于不同的边界,则该边不能进行简化。
(4)构成该边的两个端点均属于同一边界,则该边可以简化到其中任意一点。
(5)当一个面的边界边的个数小等于某一特定值时则此边界的所有边不能再进行简化。
3 算法流程
(1)导入零件的模型数据,建立面表、边表、三角形表、顶点表。
(2)根据顶点表、三角形表建立具有邻接关系的顶点表与三角形表。其中每个顶点节点记录该点与哪些点相连,属于哪些三角形。
(3)计算每个顶点进行边折叠的测度值。在计算测度值的时候依据改进后的原则。
(4)找到测度值最小的顶点。进行边折叠操作,同时记录边折叠的次序。转到步骤(3),直到满足要求或简化到最简为止。
(5)对模型的顶点表和三角形表进行重排以实现渐进网格。
(6)导出简化后的模型数据。
4 实验结果与分析
以式(1)为出发点,根据以上改进原则用Visual C++6.0实现了该算法,并对几组不同特征的零件模型进行了网格简化和测试。本算法的时间复杂度为o(n2),实验表明该算法最大的特点是实现简单、快速,对由自由曲面构成的零件模型和由规则几何图形构成的零件模型简化效果都非常好。本文所有采用的产品零件模型均有CATIA V5生成,模型的导出格式为wrl。该格式遵循虚拟现实建模语言(RML,Virtual Reality Modeling Language),在导出文件中包含了简化算法所需的所有信息。
图3是使用的CATIA创建的一个水龙头模型,模型中包含自由曲面,如图3(b)简化率达到50%后,简化模型与原模型仍然相当接近。如图3(d)简化率达到12.7%后,与原模型仍然很接近。
图4是使用的CATIA创建的一个曲轴模型,该模型均有规则几何体构成,在简化到图4(b)简化率达到50%后,简化模型与原模型仍然相当接近,在简化到图4(d)简化率达到27.6%简化后与原模型仍然很接近。从结果照片可以看出改进后该算法可使大部分的关键信息得到保留,因而基本上保持了原模型的特征。
图5是使用的CATIA创建的一个壳体模型,模型中即包含自由曲面又包含规则几何体,在简化到图5(b)简化率达到50%后,虽然简化效果很好,但按照简化原则模型不能再进一步简化,原因有两点:一是该产品零件模型中平面较多能被简化掉的边较少,二是该产品零件模型中的倒角部分还有很多三角片可以被简化掉,这也是该算法需要进一步改进的地方。
5 结论
文中提出了一种新的基于边折叠的三角形网格简化方法。基本方法以三角形边长与曲率值的乘积作为边折叠操作的测度值,既考虑了边长的因素,又考虑到三角形之间的夹角,可有效删除那些细小的三角片。同时,对于那些在同一平面上的表面,只需要很少的多边形就可以表示,对高度弯曲的曲面则用更多的多边形来表示,充分保留了细节特征。在改进的方法中加入零件模型面及边界特征信息,在简化过程中保留零件模型的这些重要特征,达到了很好的简化效果。该方法实现简单、速度快,而且简化模型具有较高的近似精度;不需要产生新的顶点,即简化模型中顶点仅仅是原模型顶点的一个子集,可以很容易地生成递进网格,而且该方法还保留了零件模型的材料信息和纹理属性。
参考文献
[1]Schroeder W J,Zarge J A,Lorensen W E.Decimation of triangle meshe[sJ].Proc.of the Computer Graphics,1992,26(2):65-70.
[2]Turk G.Re-Tiling polygonal surface[J].Proc.of the Computer Graphics,1992,26(2):55-64.
[3]Eck M,De Rose T.Multiresolution analysis of arbitrary meshes[J].Computer Graphics,1995,29(2):173-182.
[4]Hamann B.A data reduction scheme for triangulated surfaces[J].Computer Aided Geometric Design,1994,11(3):197-214.
[5]Hoppe H,DeRose T,Duchamp T,McDonald J,Stuetzle W.Mesh optimization[J].Proc.of the Computer Graphics,1993,27:19-26.
[6]Isler V,Lau R W H.Green Mark Real-time multi-resolution modeling for complex virtual environments[C]//ProcoVRST’96.HongKong,1996:11-19.
[7]Garland M,Heckbert PS.Surface simplification using quadric error metrics[J].Proc.of the Computer Graphics,1997,31:209-216.
零件信息模型 篇5
材料的强度及疲劳寿命准则是机械加工航空零件的设计依据,疲劳性能是航空零件可靠性及使用寿命的决定性因素。如果在设计阶段已确定了零件的结构形式、尺寸大小以及材料属性,零件的加工表面质量就成为影响其疲劳寿命的最关键因素。零件加工表面质量包括表面形貌特征和表面变质层材料与物理力学性能变化状况两方面的内容。其中表面形貌特征是指零件最外层表面的几何形状,通常用表面粗糙度等表征参数来衡量;表面变质层材料与物理力学性能变化状况则是指表面下变质层伴随着机械加工过程所发生的物理化学特性的转变,包括变形强化、金相组织结构性能变化、残余应力等。研究发现,许多零件结构的损坏都是从表面之下几十微米的范围内开始,这表明表面之下的材质和物理力学性能变化对零件使用性能和疲劳寿命的影响与表面形貌特征对它们的影响同样重要。因此,为了保证零件的长寿命使用,仅控制被加工零件的表面粗糙度等常规表面几何特性是不够的,还必须综合考虑表面下一定区域内几何、物理、力学性能的变化(包括金相组织变化、显微硬度、残余应力分布等),即控制被加工零件的表面完整性。
1 表面完整性的提出及其特征的发展
早在20世纪50年代初,Henriksen[1]就开始了关于机械加工零件表面完整性中残余应力特征的研究,认为零件表面残余应力的大小是影响其疲劳强度的最主要因素;不久之后,Colewell等[2]进行了确定残余应力特征大小的实验研究。1964年,在由美国Defense Metals Information Center召开的一次技术座谈会上,Field等[3]首次确切提出表面完整性这个名词,它是表征、评价和控制加工制造过程中被加工零件表面层内可能产生的各种变化及其对最终成品使用性能影响的一个综合性指标[3]。1971年,Field等[4]概述了当时被加工零件所面临的诸多表面完整性问题,并强调传统或非传统加工工艺都将使金属零件表面及表面层产生冶金学的转变,诸如塑性变形、微观裂纹、材料相变、显微硬度、撕裂和褶皱、残余应力分布等表面完整性特征都是典型的表面冶金学转变的结果。随后,Field等[5]又详细总结了当时与被加工零件表面完整性检测相关的测量方法,同时提出一种用于评定表面完整性特征及其实验测量的方法。该方法指出可采用表面完整性最小数据组(minimum si data set)、标准数据组(standard si data set)以及扩展数据组(extended si data set)三种不同层次的测量数据集,定性并定量地表征和评价被加工零件表面的性能特征(表1)。最小数据组中包含了表面粗糙度、低倍组织、微观组织和显微硬度等表面完整性特征数据;标准数据组则在最小数据组的基础上增加了疲劳试验、应力腐蚀试验、残余应力及畸变分析方面的数据;扩展数据组又在标准数据组的基础上考虑了诸如拉伸、应力断裂、蠕变、表面承载能力、滑动摩擦、表面密封能力等额外机械性能试验数据。他们这一开创性的工作为机械加工零件表面完整性的系统性研究开创了世界范围的认可度,并最终为表面完整性美国国家标准ANSI B211.1 1986的建立实施奠定了理论基础[6]。然而,在表面完整性美国国家标准ANSI B211.1 1986中并未全盘采纳Field等关于表面完整性数据组的建议,它只强调使用最小数据组和标准数据组,扩展数据组仅作为脚注项以供设计人员参考;同时,该标准所采用的最小数据组和标准数据组在表征参数方面也有一定程度的简化。表面完整性美国国家标准订立了两级加工强度,分别代表粗加工和精加工,克服了Filed和Khales最初提出的表面完整性数据组以测试结果而非特征结果为基准的缺点[7]。然而需要注意的是,ANSI B211.1标准已于1996年被撤销,至今仍未有替代它的美国国家标准出现。
随着表面完整性要求在航空航天关键零件加工以及微型器件生产行业中不断得到重视,关于其特征的表征、检测与评价也得到了普遍的关注,很多研究分别从微观金相组织、显微硬度或残余应力等角度,对常用合金材料的机械加工表面完整性特征进行了数值模拟或实验检测,分析了各种因素下特征对零件性能的影响[8,9,10,11,12,13,14,15]。特别是Griffith[7]在其专著中系统分析了表面完整性表征参量的描述与测量方法,为表面完整性特征的定量研究及其在生产实际中的控制提供了有益参考。
2 表面完整性特征及其定量表征模型
如前所述,机械加工零件的表面完整性要求包括零件表面几何形貌特征以及表面下变质层的冶金物理化学变化两方面的内容。因此,表面完整性表征模型需要包含表面几何特征以及变质层内的金相组织、显微硬度、残余应力等特征。对零件表面完整性的确切描述,需要定量表征的表面完整性特征及其参量。随着现代测量技术的发展,表面完整性特征的表征参数正不断地得到丰富,然而,考虑到生产中所具备的实际加工和测量条件,同时借鉴美国表面完整性切削加工标准数据组,本文选择并建立以表面粗糙度、低倍组织、微观组织、显微硬度、残余应力为首要特征的表面完整性定量表征模型,模型结构如图1所示。
表面粗糙度特征的定量表征,一直以来都是表面完整性研究的重要一环。不论是ISO标准还是某些国家或机构的内部标准,均提出了各种众多的表面粗糙度特征表征参数[16]。为了防止“参数爆炸”,同时也为了提供有效且详细的信息,我们根据常用的测量方法以及特定生产中所关心的具体性能,选择有限的粗糙度参数进行表征。目前的表面粗糙度参数包含2D和3D的表征。一般,可将这些表征参数按其定义大致分为高度参数、功能参数、斜率参数、间距参数等类型,各表征参数的数字描述方法以及测量手段如表2所示。
一般说来,加工工艺、刀具类型及其几何尺寸、刀具材料和工件材料等机械加工条件不仅会对表面形貌特征产生作用,同时也会对被加工零件表面变质层的组织结构及性能产生关键影响。经过正常合理精加工工序且满足表面完整性的零件,其表面的低倍组织特征一般不明显或者在大多数情况下并不会出现。但是为了表面完整性表征模型的完备性,我们为低倍组织特征确定的具体定量表征参数及测量方式,如表3所示。
微观组织的各项特征在某一特定的加工条件下并不一定会同时出现,例如放电加工时不会出现与切削瘤相关的特征,因此关于切削瘤的定量表征参数在放电加工时就并不需要考虑;而切削加工中几乎不会出现放电加工时常见的晶间腐蚀的情况,因此关于晶间腐蚀特征的定量表征参数在切削加工时也无需考虑。考虑到实际测量条件以及在航空零件加工中所关注的一些影响零件性能的金相特征,表4给出了满足表面完整性要求时微观组织特征可能会涉及的定量表征参数。
零件加工中,表面的湿度变化、机械变形或化学变化均会造成表面层硬度随表面深度变化。典型的硬度随深度变化曲线如图2所示。通过测量该曲线上的各个特征点,我们基本可以掌握显微硬度随表面深度的变化情况,其中,曲线上各特征点对应的含义如表5所述。
残余应力是在消除了一切外力影响后(诸如力、温度变化或外部能量等)在零件材料中残存的那些应力。表面残余应力随表面下深度变化的分布曲线通常如图3所示,通过对该曲线上的各重要特征点的测量,大致可以描述残余应力随表面深度的变化情况,其中各特征点所代表的含义如表6所示。
表面完整性表征模型,不仅包含各首要特征的具体表征参数,还包括其典型的实验测试手段及测试数据的表示方法和格式等信息,并具有较好的数据扩展性。
3 表面完整性模型研究
表面完整性要求包涵了众多的特征及其表征参数,因此,表面完整性模型是一个涉及诸多方面因素的复杂体系,其中各方面因素还存在着相互作用与影响。为了能全面、准确地建立表面完整性模型的表征与评价体系,我们尝试对构成表面完整性模型体系的诸多抽象因素进行具体并可定量表征地定义与分类,这些分类的集合从局部到整体、自下而上构建了表面完整性模型的数据体系。
3.1 定义表面完整性特征类
设表面完整性特征类的集合为SI,则有
SI=SI(SI1,SI2,…,SIj)
其中,SIj表示第j个表面完整性特征,j=1,2,…,5;SI1,SI2,…,SI5分别对应表面形貌特征(表面粗糙度特征)、低倍组织特征、微观组织特征、显微硬度以及表面残余应力。以表面形貌特征SI1为例,其包含粗糙度Ra、最大峰谷值Rt等众多的2D和3D表征参数。根据实际生产测量条件,选取其中对零件疲劳寿命性能影响较大的i个表征参数,则有
SI1=SI1(RS1,RS2,…,RSi)
其中,i=1,2,…,17,而RS1,RS2,…,RS17分别对应2D和3D表面粗糙度表征量:Ra、Rq、Rz、Rp、Rv、Rt、Rsk、Rku、RΔq、RSm以及Sq、Sz、Sp、Sv、Ssk、Sku、SSm。对于表面完整性特征类中,满足以疲劳寿命和性能要求为判据的表面完整性特征参数的集合,以及其中各个特征参数之间的相互作用关系,定义为表面完整性特征域。
3.2 定义表面完整性加工的工艺条件类
设表面完整性加工所采用的工艺条件类的集合为P,则
P=P(P1,P2,…,Pj)
Pj表示采用的第j种工艺方案,j=1,2,…,n。如果选用车削、铣削、磨削和钻削等4种最常见的机械加工工艺,则P1,P2,P3,P4分别对应车削、铣削、磨削和钻削。针对每一种工艺方案Pj,包含着与其对应的直接影响被加工零件表面完整性特征的因素,如:①刀具几何尺寸;②切削用量参数;③润滑冷却方式选择等。如果以车削加工P1为例,则可分别定义上述的影响因素集合如下:
(1)定义车削采用的刀具类型和其几何尺寸构成的集合D为
D=D(D1,D2,…,Di)
其中,Di表示采用的第i种刀具参数。针对车削,i=1,2,…,7。D1,D2,…,D7分别对应刀具类型种类、刀具圆弧半径、主偏角、副偏角、刀具前角、入倾角、后角。
(2)定义车削时采用的切削用量参数构成的集合为C为
C=C(C1,C2,…,Ci)
其中,Ci表示第i种切削用量参数的变化。针对车削,i=1,2,3。C1,C2,C3分别对应切削速度vc、进给量fz和切削深度ap。
(3)定义车削采用的冷却润滑方式构成的集合L为
L=L(L1,L2,…,Li)
其中,Li表示第i种冷却润滑方案。例如,L1,L2,…,Li可以分别对应干切削、油雾润冷、液氮油雾润冷、水溶液冷却等。在耐热合金和不锈钢等材料的切削加工中,还可在一定压力下将液态气体从刀具前后面上送入切削区内,以提高它们的冷却、润滑和楔入效应,达到显著提高刀具耐用度和切削效率的目的。因此,对应于车削加工的工艺条件类,可以以一个确定形式的数据集合将其定量表述为
PTurning=P{P1[D(D1,D2,…,D7),
C(C1,C2,C3),L(L1,L2,…,Li)]}
对于表面完整性工艺条件类中,满足以疲劳寿命和性能要求为判据的表面完整性机械加工工艺条件的集合,以及其中各工艺条件之间的相互作用关系,定义为表面完整性工艺条件域。
3.3 表面完整性加工的零件疲劳性能类假设零件疲劳性能类的集合为F,则F=F(F1,F2,…,Fi)
其中,Fi表示第i种疲劳性能评价参数。一般来说,i=1,2。F1、F2分别表示疲劳极限和对应的应力循环次数。对影响机械加工零件表面完整性的诸多因素进行归类和定义后,可以看出,对于任一满足表面完整性加工零件疲劳性能的加工工艺,必然属于表面完整性工艺条件域所对应的集合,而该加工工艺所形成的表面及表面层特征也必然属于表面完整性特征域所对应的集合。
图4所示为表面完整性模型的体系结构概念示意图。在表面完整性模型中,表面完整性特征域由特征参数及各特征量之间相互作用关系构成;
表面完整性工艺条件域由各种工艺方案的选择及其相互关系构成。表面完整性模型可看作是由表面完整性工艺条件域以及表面完整性特征域共同构架的。不同的加工工艺方案、切削参数的选择等会直接形成不同的表面完整性特征参数;而对表面完整性特征参数值的较高要求则体现在对所选用工艺条件的良好控制上;与此同时,表面完整性特征参数值也会直接影响零件的疲劳寿命和使用性能。表面完整性概念模型的体系结构指出,通过控制零件的加工工艺条件以及零件的表面完整性特征,可最终实现提高零件表面疲劳性能的要求。
4 结束语
对精加工零件的表面完整性进行控制,不仅可以全面提高零件的安全性能及疲劳寿命,减少维修费用,而且可以帮助设计者更深刻地认识制造过程中切削加工参数对零件疲劳性能的影响,改进对加工过程和零件质量的控制。随着加工技术、测量手段、分析设备及软件的升级换代,对机械加工零件表面完整性模型定量化研究的需求日趋强烈。本文研究综述了机械加工零件表面完整性的发展及其表征与测量的现状,提出了具体的表面完整性定量表征模型,并详细给出了表征模型中各特征的表征参数;同时,结合具体被加工零件及其工艺,构建了机械加工零件的表面完整性概念模型,为机械加工零件表面完整性的控制以及零件性能和寿命的提高,提供了一定的理论基础和实施框架。当然,要最终建立一个完善且操作性强的表面完整性定量研究模型,还需要针对不同的加工材料和加工工艺做大量的实验研究,需要建立包括实验室系统采集或者生产现场采集的金属材料切削加工数据库,相信这将是一个长期的过程。
摘要：总结了机械加工零件表面完整性的发展及其表征与测量的已有方法和标准。针对零件精加工的表面完整性要求,借鉴美国表面完整性切削加工数据组,提出了表面完整性表征模型,并明确给出了表征模型中各特征的主要表征参数。考虑具体被加工零件及其工艺,同时结合表面完整性内涵,初步构建了机械加工零件的表面完整性概念模型,为机械加工零件表面完整性的控制及其疲劳寿命的提高,提供了理论基础和实施途径。
零件信息模型 篇6
关键词：电子标签,决策支持,关联算法,Apriori算法,物联网
现代社会私家车变得越来越普通,然而汽车的服务技术还处于起步阶段,特别是对汽车的维修还处于“望闻问切”的阶段,汽车潜在问题的研究还没有明显的进步。
数据挖掘技术成为辅助人们决策的重要技术。通过对汽车零件产品的购买数据进行分析,从而获得产品的一些潜在价值,对产品质量和品质具有很强的针对性。这也是提高产品质量中发现问题产品最有利的证明[1]。在整个的过程中RFID技术是不可缺的一部分,在产品追踪、防伪标识中起到了很大的作用,这是RFID技术的性质所决定的[2]。
在整个社会中汽车及其附属品的消费产生的数据是巨大的,所以对这些海量数据进行数据挖掘的尤为重要。关联算法是在交易数据、关系数据或其他信息载体中,查找存在于集合或对象集合之间的频繁模式、关联、相关性或因果结构。本文在RFID基础上用关联算法对产品销售数据进行分析,从而对汽车零件产品进行销售调整和提供汽车保养建议。
1 汽车零件销售策略
汽车零件销售策略模型的主要特点在于用已知的产品损坏情况对未知的(待发生)的问题进行预测,帮助客户真正消除汽车潜在的问题。同时,在销售信息的基础上对易损坏及其易受影响商品进行产品销售调整。比如,产品绑定销售优惠活动。很多人在购买汽车零件时总会认为其他未损坏的零件仍可使用,这就给安全带来了隐患。但如果在优惠的条件下把那些损耗大的零件也进行更换,客户满意的同时,也解决了存在的隐患。这样更加科学化、人性化地解决客户隐患和满足客户所需。
2 模型的支持技术
2.1 RFID技术
电子标签技术(Radio Frequency Identification,RFID)是利用无线射频方式进行非接触双向通信,以达到识别的目的并交换数据,可识别高速运动物体并可同时识别多个目标。其优点有:体积小型化和形状多样化、抗污染能力和耐久性、可重复使用、穿透性和无屏障阅读、数据的记忆容量大、安全性。[3,4]
体积小型化和形状多样化使得RFID标签能够适应于多样性的表面,数据的记忆容量大、抗污染能力和耐久性保证了RFID在不同环境下长时间有效,对产品的跟踪和追溯提供了技术,安全性,RFID承载的电子式信息,其数据内容可有密码加密保护,使其内容不易被伪造和更改,保证产品的质量、和产品来源。[5]
下图是实验所用RFID阅读器及RFID标签:
2.2 Apriori算法
2.2.1算法背景
Apriori算法是R.Agrawal和R.Srikant于1994年提出的为布尔关联规则挖掘频繁项集的原创性质算法[6]。
Apriori使用一种称作逐层搜索的迭代方法,k项集用于探索(k+1)项集。首先,通过扫描数据库,累积每个项的计数,并收集满足最小支持度的项,找出频繁1项集的集合。该集合记作L1。然后L1用于找频繁2项集的集合L2,L2用于找L3,如此下去,直到不能在找到频繁项集k项集。找每个Lk需要一次数据库全扫描。[7,8]
Apriori算法的具体步骤:
1从源文件读取数据:read File(infile,"in.txt",vs_word);
2计算所有词语的出现频率:MAP_STR_INTword_count;
count Word(&vs_word, word_count);
3 生成单个词语的频繁项集合: VEC_ITEM level1Set;
generate Level1Set(&word_count, level1Set);
4 生成具有两个词语的频繁项集合:VEC_MULTIITEM level2, level2Set;
generate Level2(&level1Set,level2);
count Support(&vs_word,level2);
generate Frequent Set(&level2, level2Set);
5 生成具有三个词语的频繁项集合:VEC_MULTIITEM level3Set;
generate High Level Set(&level2Set,level3Set,vs_word);
6输出单个词的频繁项到文件:ofstream outfile;
循环产生高层的频繁项集合并输出到文件:cyc Generator(&level2Set, vs_word, outfile)。
3 设计的框架及流程
3.1汽车零件销售策略模型
图3为模型流程,对每部分的解释如下:
⑴对每一个产品分配独立且唯一的RFID标签,在客户选择购买同时,利用RFID读卡器读取标签内容,根据以往客户购买历史,在数据仓库进行匹配,利用数据挖掘等核心算法返回一系列信息。 同时客户通过RFID的唯一标识,对产品的详细信息进行查询。如:产品的生产日期、产品的强度、正常使用情况下的使用时间、保养建议、产品运输路径等。通过这些详细信息以展示产品的高质量、高品质等。提高客户对产品的信任感,让用户可以安心购买。
⑵在客户购买产品之后,始终对客户提供产品保养建议
(1)有利于提高公司附属产品的销量。
(2)厂商始终保持对产品的关注,有利于改进产品并提高客户对公司的信任感。
(3)零售部门可以对产品营销策略及时做出调整,对经常被联合购买的保养产品或其他的产品进行捆绑打折,或其他的优惠策略。
⑶产品厂商对购买数据进行分析,对汽车的零件以及车身的整体布局进行改造。
⑷零售店及其相应的服务商,把购买数据及产品损坏数据上传到厂商总部,以便厂商对用于决策的数据仓库进行更新。提供更合理的数据。
3.2模型案例分析
3.3对某购买数据进行分析
以下是购买的18条数据记录:
(1)转向机节气门体变速换档操纵杆制动分泵压缩机火花塞制动液
(2)转向机节气门体变速换档操纵杆化工护理冷却液安全带
(3)前照灯防雾灯安全带制动液化工护理冷却液仪表台板
(4)制动液化工护理冷却液仪表台板热风枪制动液润滑油
(5)探照灯变速换档操纵杆化工护理冷却液安全带
(6)变速换档操纵杆化工护理冷却液安全带
(7)变速换档操纵杆制动分泵压缩机火花塞制动液
(8)窗帘防雾灯安全带制动液化工护理冷却液
(9)安全带安全气囊仪表台板维修设备钣金设备净化系统
(10)拆胎机校正仪电动工具电冲剪热风枪电动千斤顶电动扳手
⑪安全带摄像头汽车内饰汽车地毯方向盘套方向盘助力球窗帘
⑫汽车外饰轮轱盖车身彩条贴纸牌照架晴雨挡车载MP3 GPS导航
⑬变速换档操纵杆制动分泵压缩机火花塞制动液
⑭窗帘防雾灯安全带制动液化工护理冷却液
⑮安全带安全气囊仪表台板维修设备钣金设备净化系统
⑯拆胎机校正仪电动工具电冲剪热风枪电动千斤顶电动扳手
⑰安全带摄像头汽车内饰汽车地毯方向盘套方向盘助力球窗帘
⑱汽车外饰轮轱盖车身彩条贴纸牌照架晴雨挡车载MP3 GPS导航
对18条数据进行分析后的结果如下:
安全带:10
变速换档操纵杆:6
化工护理冷却液:6
制动液:8
安全带&化工护理冷却液: 6
可知,安全带被购买10次;变速换挡操纵杆被购买6次;化工护理冷却液被购买6次;制动液被购买8次;安全带和化工护理冷却液同时被购买6次。
商家对销售策略进行调整之后,在购买商品时客户得到以下购买建议和汽车保养建议。
4 总结
本文设计了基于RFID的汽车零件销售策略支持模型,通过RFID技术保障了产品在销售过程中的可追溯,让客户在购买产品时更加放心,也提高了产品的品质。通过关联分析的结果,支持营销策略,大大提高了企业效益,也为顾客排除潜在故障,消除潜在的危险。同时给生产商提供生产数据和产品质量问题,不断提高产品质量。通过这样的方式不但解决了产品生产过剩的问题,也提高了资源的利用率,更加合理的规划和利用自然资源,发现潜在故障和排除潜在危险。
参考文献
[1]金伟健,金文进.一个基于关联规则的商品推荐系统模型[J].信息与电脑(理论版),2010(2):174-176
[2]顿海强,赵文,邓鹏鹏,等.一种基于RFID数据集的物品工作流挖掘方法[J].电子学报,2008(S1):86-93.
[3]许毅,陈建军.RFID原理与应用.北京:清华大学出版社,2013.
[4]李明,姜燕.基于RFID远距离智能停车场系统的设计[J].电脑知识与技术,2009,5(24):6849-6850.
[5]刘耀宗,张宏,孟锦,等.面向RFID数据流冰川查询的世系追踪模型[J].计算机科学,2011(S1):161-164.
[6]王运峰,张蕾,韩纪富,等.数据库中关联规则的并行挖掘算法[J].计算机工程与应用,2001(16):99-100.
[7]陶维成.关联规则在营销决策支持系统中的应用[J].芜湖职业技术学院学报,2011(3):24-27.
零件信息模型 篇7
关键词：制造特征,拓扑结构,提取技术
1 引言
随着计算机集成制造技术的不断发展与广泛应用, 各种CAD/CAM软件的应用日益广泛, 同时对CAD/CAPP/CAM系统集成的要求越来越高, 因此要求零件有一个恰当的表达模型, 能够提取零件CAD文件中的设计信息, 将其转化为工艺制造信息, 为下游CAPP、CAM系统所用。本文将提出一种基于制造特征的零件拓扑结构模型, 研究构建该模型的关键技术:该模型将零件划分为一个个制造特征, 同时各制造特征以邻接、包含等拓扑关系相互联系, 从工艺加工的角度阐述零件信息, 完成集成系统中信息的传递和共享。基于该拓扑结构模型的制造特征及特征间的拓扑关系, 可进行工艺推理与工序编排, 以及相似零件的对比[1]与工艺复用等。
2 基于特征的零件拓扑结构模型
2.1 制造特征的定义与分类
在CAD/CAPP/CAM集成系统中, 特征技术应用十分广泛, 根据应用领域不同, 可将特征分为设计特征和制造特征, 本文所讲均是指制造特征。制造特征是一组反映工艺约束条件且具有确切加工形状的信息集合[2]。
制造特征=确切的加工形状+工艺约束
制造特征也有不同的分类, 按照几何形状复杂程度的不同, 可分为简单特征与组合特征。简单特征由单一的几何面进行表达, 如平面、圆柱面、通孔等;组合特征通常几何形状较复杂, 包含多个几何面, 如阶梯孔、中心孔、凹槽、孔系等, 将它们的全部几何面作为一个整体来考虑更能表达其工艺意义;组合特征可认为由简单特征组合而成, 并具有相对稳定的机加工方法。
根据特征在零件中功能的不同和相互间的拓扑关系, 制造特征还可分为主特征和辅特征。主特征形成零件的主体骨架, 是辅特征依附的载体, 辅特征依附于主特征上, 是对主特征的局部修饰和补充, 反映了零件的细微结构。如对轴类零件来说, 外圆柱面、轴端平面等是主特征, 而键槽、倒角、中心孔等是辅特征。在编排零件工序时, 主特征和辅特征加工顺序也有所不同, 一般来说, 辅特征的加工依赖于主特征, 因此会采用分阶段加工, 如先粗加工出主特征, 再加工辅特征。
2.2 零件的拓扑结构模型
基于特征的零件拓扑结构模型总体结构可分为三层, 即总体信息层、特征层、特征属性层, 如图1所示。
总体信息层用于描述与零件总体有关的信息, 包括零件名称、代号, 零件类型, 材料及总体技术要求等。
特征层是该模型表达的核心和关键, 该层将零件分解为一个个特征, 并区分主特征和辅特征。各特征之间不是独立无关的, 而是以一定的拓扑关系联系起来。特征间的拓扑关系有若干种, 常见的有邻接关系、包含关系, 这两种拓扑关系也是本文重点研究的, 如两个有公共边的主特征之间有邻接关系, 有公共边的主、辅特征之间有包含关系等。特征层就是描述按照一定拓扑结构组织起来的各个特征, 从第一个主特征开始, 用邻接关系将所有主特征连接起来, 再将每个主特征上所附着的辅特征用包含关系与主特征联系起来, 全部这些特征描述了一个零件。
特征属性层主要描述组成零件的每个特征的属性, 包括特征类型、特征标识ID、特征层次、精度等级、粗糙度、尺寸参数等。
3 构建拓扑结构模型的关键技术
在基于特征的零件拓扑结构模型中, 零件的总体信息可直接从其CAD模型中获得, 计算机直接读取CAD模型中的相应信息, 保存在总体信息层。
特征层和特征属性层信息需要通过特征识别提取特征及其属性信息, 并根据特征间拓扑关系的定义按照一定规则提取出特征拓扑结构, 保存在拓扑结构模型中相应层中。因此, 构建拓扑结构模型的关键技术就落在了如何进行特征识别提取特征信息, 进一步提取出特征间的拓扑关系和结构, 这也是构建该模型的技术难点。
3.1 制造特征的识别及提取
零件的CAD模型表达零件的设计信息, 其中包括一个个设计特征, 如旋转、拉伸等。设计特征一般不能直接映射为制造特征, 故需用相应的特征提取技术对制造特征进行识别和提取。
本文中, 制造特征的识别是通过读取零件CAD模型中的几何信息, 即面、边信息, 与预先定义的制造特征库中特征进行匹配, 匹配成功则认定面或面的组合为相应特征。特征识别的流程和规则如图2所示。
在对一个零件进行特征识别时, 若零件中存在较复杂的组合特征, 如凹槽、孔系等, 则先采用半自动识别模式识别出这些特征, 再采用自动识别模式识别其余特征。采用自动识别模式时, 同样也是将遍历到的几何元素优先与特征库中的组合特征相匹配, 匹配不成功时再与简单特征相匹配, 即优先识别组合特征。这样可避免将一个组合特征识别为几个简单特征, 保证了特征识别的准确性。
特征识别后, 还要进一步提取其属性信息, 其中特征类型、特征标识ID、特征层次在特征识别后即可确定;精度等级、粗糙度、尺寸参数等可通过CAD软件提供的二次开发工具提取CAD模型上的标注信息获得。
3.2 特征拓扑结构的提取
特征层数据不仅包括一个个单独的特征, 特征之间的拓扑关系也是特征层的关键数据。在获取了各个特征的数据信息后, 还要按照一定的次序和结构将这些特征组织起来, 以表示零件中特征之间的相互位置关系及零件的拓扑结构信息。因此, 还需提取特征间的拓扑关系和结构。
如前所述, 特征之间的拓扑关系有多种, 本文中主要涉及到的为邻接关系、包含关系。邻接关系指两特征有公共边线, 总占据空间为两特征各占据空间之和;包含关系指某一特征位于另一特征内部, 依附于该特征而存在, 总占据空间为两特征各占据空间之差。两个主特征若存在公共边线, 则该两个特征为邻接关系, 一个主特征可能与另外一个或两个主特征之间有邻接关系;一个主特征与某一辅特征若存在公共边线, 则该两个特征为包含关系, 辅特征与其所依附的主特征之间为包含关系。如对于轴类零件, 轴端平面与其相邻的圆柱面或圆锥面之间为邻接关系, 轴端平面与其面上的中心孔之间为包含关系。
按照上述定义, 在提取零件的特征拓扑结构时, 可通过主特征的邻面来识别邻接主特征或所包含的辅特征。先通过自动选择或手工指定的方式指定一个主特征为特征拓扑结构的起始特征, 然后由该特征的邻面找出其邻接的主特征、以及其所包含的辅特征;再对所找到的邻接主特征做相同处理, 找到其邻接的主特征及包含的辅特征;如此循环反复, 直到找到最后一个特征为止。
同时定义一个特征拓扑结构容器, 将全部特征及其相互的拓扑关系按先后顺序写入该容器中, 零件的特征拓扑结构提取的规则和流程如图3所示。按照定义的规则和流程, 对某轴类零件提取的特征拓扑结构如图4所示。
4 零件拓扑结构模型运行实例及应用
按照上述方法完成开发, 在机加系统中打开图4中轴类零件的CAD模型, 进行特征识别和信息提取, 生成基于特征的零件拓扑结构模型, 运行结果如图5所示。
图5中, 左侧为零件的CAD模型, 右侧上半部为零件特征区, 显示零件名称、特征及特征间拓扑关系, 特征树主线上为主特征, 如轴端平面、外圆柱面等, 按照邻接关系依次组织, 每个主特征下为其所包含的辅特征, 如中心孔、外螺纹等。下半部为属性信息区, 显示零件或特征的属性信息。
生成零件的拓扑结构模型后, 可以该模型为载体进行相似零件的对比与工艺复用, 具体应用如图6所示。零件1与零件2主特征拓扑结构相似, 零件2中多一个辅特征A型键槽, 除该辅特征外, 零件2中其余特征均与零件1中相应特征等价, 可复用其特征工艺。
5 结语
零件拓扑结构模型是CAD/CAPP/CAM集成系统中零件信息传递和共享的关键, 是CAD文件中零件信息向下游传递的载体。本文中, 将零件分解成一个个制造特征, 并研究提取各个特征间的拓扑关系, 生成了零件的拓扑结构模型, 给出了该模型运行的实例及其在工艺复用中的具体应用。还可根据该模型中的信息进行工艺推理、工序编排等。
参考文献
[1]韦俊民, 金隼, 林忠钦, 等.产品族设计中的零件相似性评价方法[J].上海交通大学学报, 2007, 41 (8) :1218-1222.
[2]李田田.从设计模型中提取制造特征的方法[D].兰州:兰州理工大学, 2007:11-22.
[3]陈永府, 黄正东, 赵建军, 等.混合式特征识别技术[J].机械设计, 2007, 24 (6) :42-45.
[4]殷雪艳, 文怀兴.基于特征的零件信息模型[J].机械研究与应用, 2005, 18 (1) :6-9.
零件信息模型 篇8
企业不断发展,积累了大量的机械零件三维模型,怎样从大量的模型中检索出所需要的相似零件,重用已有的企业资源,避免重复劳动,是目前比较热门的一个研究课题。针对机械零件三维模型的相似性,文献[1]研究了基于几何和拓扑相似性的三维机械零件模型的匹配以及检索方法,该方法将零件模型转换为STEP格式提取零件的结构数据,构造零件模型图,基于模型图进行零件相似性比较,但计算量大,实际应用有一定困难。文献[2-3]结合D2形状分布图和NFD树结构方法,先把模型分解成几何基本体的树结构,然后分层次地评定两模型的相似性,对于较复杂的零件模型,不同的分解生成不同的树结构,得出的相似性存在较大的误差。Chuang等[4]用广义势场法提取简单的规则多面体的骨架,以物体凸起的角点作为种子点,在力的引导下生成不同的骨架段,处理对象不涉及曲面,不能完全适用于机械零件的检索。王飞等[5]提出了拓扑和形状特征相结合的三维模型检索方法,从整体和局部相结合两方面比较模型的相似性,但并未给出提取骨架实际可行的方案,且其相似性算法较复杂,难于实现。王家乐等[6]提出利用模型表面面片的法向量方向分布特征构建具有旋转不变性的N2形状描述符来比较模型的相似性,两种模型的相似性距离计算使用的权值估计算法较繁杂,实现起来有一定的困难。
本文用电场法提取机械零件三维模型的骨架,并将骨架转换成特征曲线,运用灰色关联分析方法计算特征曲线的相似关联度,从而得到机械零件三维模型的相似度。本文方法能快速地获得零件的骨架,应用灰色关联分析进行相似度计算, 算法准确且简单,易于实际应用。骨架和灰色关联分析的结合能准确快速地检索出相似的机械零件三维模型。
1机械零件三维模型的简化
零件的特征建模过程,由特征按照一定的顺序叠加而成,这种叠加以交、并、差布尔运算的形式进行。其中机械零件上的一些附加特征,也称为辅特征,如键槽、内外螺纹、倒角、倒圆、孔等,这些特征都是在零件已有的特征或实体上添加的具有特定工艺属性的结构,主要是对零件局部进行修饰,它们的存在与否并不影响模型的整体拓扑结构。模型的相似性主要取决于它们的主干结构,故在提取模型骨架前计算机先自动识别提取这些附加特征并把它们过滤。过滤简化后尽可能得到一个无中空结构的连贯实体模型,这样有利于后续骨架的提取过程。
图1a所示零件,模型中的倒圆、倒角、孔等附加特征的存在与否没有影响模型的整体结构分布,简化时被过滤,得到的无中空结构的连贯模型如图1b所示。
2骨架的提取
线性骨架是物体的一种降维表示,它通常由一组曲线段相互连接构成,每一条曲线段一般只有一个像素点的宽度,因而它是物体的一种直观的、简洁的表示,提取出的模型骨架在很大程度上保留了三维模型的形状特征和拓扑结构特征,有良好的稳定性,被广泛应用于三维实体建模、计算机动画、医学可视化、形状分类和识别等领域[7]。 本节针对机械零件的三维模型研究骨架的提取。
2.1骨架起始点的确定
模型简化后,对其主干结构进行骨架提取,将机械零件转换成既包含形状特征又包含拓扑特征的骨架。
机械零件模型的顶点对于模型的空间形状分布具有非常重要的作用,它决定了模型的结构分布,进而决定了骨架的空间分布。简化后的机械零件模型表面主要由平面和曲面构成,且曲面通常由圆柱面、圆锥面和球面等规则曲面拟合而成。 当表面为平面时,模型上的顶点很容易选择,如图2中的A、B、C、D点,都是由平面相交构成的顶点; 当模型上某一边界表面为曲面时,本文将曲面的转向轮廓线的端点定义为顶点,如图2中的E、 F、G点是模型的顶点。本文选择无限接近模型顶点的内部点作为骨架起始点,选择的原因见下文。
2.2运用电场法提取骨架
假设简化后零件模型边界表面上均匀分布着正电荷,这些电荷在模型内部产生了一个稳定的电场,电场方向垂直于边界表面且指向模型内部。 若某表面为平面,则电场方向垂直该平面且指向模型内部; 若为曲面,则电场方向垂直于曲面上某点的切面且指向模型内部。根据物理静电力学知识,沿着电场线方向电势( 位势) 降低,即位势随着模型内部点到边界点距离的增大而减小,取边界表面处的位势为无穷大,可知在模型内部某点存在最小位势点。最小位势点是获得模型骨架的关键点。
2. 1节中选择无限接近模型顶点的内部点作为骨架起始点,而不直接选择模型顶点作为起始点,是因为在边界处电势存在突变,起始点在边界处的受力难以控制,计算进程难以进行。起始点在电场中受到电场斥力的作用,其合力的方向取决于所有通过该点且与边界面垂直的各个电场斥力的矢量和。
定义模型内P点的斥力计算公式为
其中,P为起始点沿着合力方向前进的某一点; Bi为通过P点的电场力的方向线与边界表面的交点,即电场线与边界面( 切面) 的垂直点; R为点Bi与点P之间的距离; n为P点的受力个数; m为力的阶数; 分力的大小为1 /Rm,与Rm成反比。根据式( 1) ,力的阶数m不同,斥力FP的衰减程度就不同,起始点受到的合力方向就会有所不同,获得的最小位势点就会与理想情况下的点有所偏差。m在一定范围内取得越大,外界对力的影响就越小[8],获得的骨架就越理想。经过多次实验计算,当m = 6时计算速度较m < 6时降低10% ,而查准率 - 查全率提高30% ; m = 6时较m > 6时, 速度提高20% ,查准率 - 查全率降低3% ; 因此综合考虑,当m = 6时获得的实验效果最好,所以本文取m = 6。
各个分力的大小和方向都已确定,内部某点所受合力为各个分力的矢量和,模型内部的合力方向即可确定。例如,取无限接近图2中顶点A的内部点P作为起始点,对该点进行受力分析,如图3所示。
图3中B1为通过P点的电场力方向线与模型的上表面的交点; 力Fi( i = 1,2,…,6) 分别为模型边界面上对应点对P点的电场斥力。图3中P点受六个分力的作用,其大小和方向根据式( 1) 来计算,Fi对应式( 1) 中的各分力FBiP,FP为各分力合成的合力,合力的方向代表起始点下一步前进的方向。得到合力的方向后,起始点按照步长前进,在下一点同样进行电场受力分析,如此重复计算,直到到达最小位势点。
起始点的受力作用使用式( 1) 表示的各个分力来合成计算,根据力的跟踪法,沿着合力的方向按一定步长逐步移动,直到移动到最小位势点,起始点移动的轨迹构成模型骨架的一个分支。步长的选择要保证骨架的连续性和光滑性,若步长选择过小,则计算量过大; 若步长选择过大,则无法保证得到连续的骨架,本文选择模型最大长度的1 /100作为一步长。起始点在到达最小位势点之前, 沿着合力的方向一步一步地往前移动; 如果移动后导致力的方向相反( 当前后两个力的方向超过90° 时,则认为这两个力的方向是相反的) ,则认为最小位势点找到了,即可停止该方向上的计算。
如果起始点在到达最小位势点之前到达已生成的骨架分支则停止该起始点沿力的方向的计算进程,该起始点接下来的沿力方向前进的计算合并到已生成骨架分支上,直到到达最小位势点,这样可以减少重复计算,减少总体计算时间。图4a是图4b的局部放大图,图4a中A、B、C、D几个起始点在到达最小位势点之前发生骨架分支合并, 相交于M点。然后A、B、C、D几个起始点的计算进程合并到M点,只需计算从M点沿力方向的进程,直到到达最小位势点。
如果两个最小位势点的连线没有和物体边界或已经生成的骨架分支有交叉点,则认为这两个点均是最小位势邻接点。获得模型骨架的最小位势点后,将最小位势邻接点连接起来,和起始点路径形成的骨架分支结合起来即获得完整模型骨架。模型获得的完整骨架如图4b所示。
2.3骨架生成特征曲线图
提取出的骨架是由一组空间直线、曲线组成的,其中组成骨架的每一条线段或曲线段都是骨架的一个分支。要比较模型骨架的相似性,就要先将模型骨架信息转换成便于比较计算的计算机能识别的符号数据。本文将每一骨架分支看作空间中的一个向量,向量的大小用向量的模来表示,向量的方向用向量与坐标平面xoy的夹角表示( 方向角) 。向量的模描述了骨架分支的形状特征,向量与坐标平面的夹角描述了骨架分支的拓扑结构特征,用这两个量能准确地表达骨架。当骨架分支为曲线时,曲线的长度即向量的模,曲线两端点切线的角度变化值作为向量的方向角。将向量的模和向量方向角的余弦值这两个数据组合写成点的形式,这样每一骨架分支就对应一个点数据,这个点数据就是骨架的特征点。
以向量的模和方向角余弦值分别作为直角坐标系的横坐标和纵坐标,在坐标系中将各骨架分支对应的特征点标出,然后平滑连接成曲线。连接形成的曲线包含了骨架的长度和方向性两方面的特征,是骨架的特征曲线。
由图4b零件骨架的特征数据绘制出的骨架特征曲线如图5所示。
3基于灰色理论的骨架相似度计算
灰色关联分析是灰色系统理论中十分活跃的一个分支,其基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。曲线越接近, 相应序列之间的关联度就越大,即相似性越大,反之就越小[9]。本文运用基于相似性和接近性视角的灰色关联度模型[9]来进行骨架特征曲线的相似性比较,从而得到机械零件三维模型的相似度。
设系统行为序列
的始点零化像分别为
设序列Xi与Xj长度相同,则两序列的基于相似性视角的灰色关联度( 简称相似关联度) 为
需检索零件的特征曲线为参考曲线,对应序列为参考序列Xi,待检索零件的特征曲线为比较曲线,对应序列为比较序列Xj,特征曲线的相似关联度为 εi j。
灰色相似关联度 εi j具有的性质如下: 10 < εi j≤ 1; 2εi j仅与Xi和Xj的几何形状有关,而与其空间相对位置无关,或者说,平移变换不改变相似关联度的值; 3Xi与Xj在几何形状上越相似, εi j越大,反之就越小; 4εi i= 1[9]。
获得骨架的特征曲线后,在曲线对应点上取出序列,特别要取曲线转折点对应的数据,因为曲线的转折点是表征特征曲线形状的关键点,它包含曲线几何形状的更多信息,如图5中特征曲线上的A、B、C、D、E等点都是特征曲线的关键点。取图5中特征曲线的序列为X0= ( x0( 1) ,x0( 2) , …,x0( n) )=( 0. 62,0. 55,0. 48,0. 54,0. 54, 0. 75,0. 84,0. 67,0. 65,0. 45,0. 00,0. 45,0. 37, 0. 44,0. 50,0. 57,0. 70,0. 85,0. 87,1. 00) 。图5所示特征曲线对应的序列为参考序列,而其他机械零件特征曲线对应点上取出的序列作为比较序列Xj,参考序列和比较序列根据式( 2) ~ 式( 7) 计算曲线的相似关联度,进而获得骨架的相似度。系统根据计算出来的相似度值的大小按照从大到小次序排列,用户设置相似度阈值或输入需要返回的相似模型数目,系统返回与待检索模型最相似的若干模型。
4实例应用
以图6a所示的零件为例说明上述相似性比较过程。首先简化机械零件三维模型,将不影响零件整体拓扑结构分布的一些附加特征简化,如简化模型中的倒圆、倒角、孔等,简化得到的连贯实体如图6b所示。假设简化模型表面均匀分布着正电荷,在模型内部产生了稳定的电场,选取模型的顶点作为起始点,由于电场的作用,起始点受到电场斥力的作用按照给定的步长沿着合力的方向前进,直到到达最小位势点,起始点的移动轨迹构成骨架的一个分支,最后将最小位势邻接点连接起来,形成完整的骨架,零件生成的骨架如图6c所示。
生成骨架后,计算骨架各分支对应的向量的模和向量的方向角余弦值,数值统计成特征点的形式,然后根据特征点数据绘制骨架特征曲线; 最后运用灰色关联分析计算比较骨架特征曲线的相似关联度。
根据图6c所示骨架计算得到的点数据绘制的骨架特征曲线如图7所示。
采用同样方法绘制的图8a所示零件的骨架特征曲线如图8b所示。
运用灰色关联分析计算比较图7和图8b两骨架特征曲线的相似关联度。在两个特征曲线上取相同长度的序列X1,X2。
图7骨架特征曲线对应的参考序列X1= ( 0. 41,0. 63, 0. 71, 0. 32, 0. 54,0. 66, 0. 96, 1. 00, 0. 98, 0. 93,1. 00, 0. 84, 0. 81, 0. 79, 0. 61,0. 60,0. 55,0. 45,0. 59,0. 09) ,X1始点零化像X01= ( 0,0. 22,0. 30,- 0. 09,0. 13,0. 25, 0. 55,0. 59, 0. 54, 0. 52, 0. 59, 0. 43, 0. 40, 0. 38,0. 20,0. 19,0. 14,0. 04,0. 18,- 0. 32) 。
图8b所示骨架特征曲线对应的比较序列X2= ( 0. 35, 0. 40, 0. 58, 0. 71, 0. 65, 0. 42, 0. 50,0. 54, 0. 44, 1. 00, 0. 96, 0. 90, 0. 87, 0. 90,0. 76,0. 74,0. 64,0. 50,0. 47,0. 2) ,X2始点零化像X02= ( 0,0. 05,0. 23,0. 36,0. 30, 0. 07,0. 15, 0. 19, 0. 09, 0. 65, 0. 61, 0. 55, 0. 52,0. 55, 0. 41, 0. 39, 0. 29, 0. 15, 0. 12, - 0. 15) 。
将以上数据代入式( 7) 得| s1- s2| = 0. 205,代入式( 6) 得两骨架特征曲线的相似关联度 ε12= 0. 830,即两个零件的相似度为0. 830。
采用本文方法计算得到零件库中部分零件与图6a所示零件的相似度见表1。
从表1可以看出,运用本文方法计算得到的结果与人类认知相符合,零件的主体拓扑结构越相似,得到的相似度值越大。
若用户设置相似度阈值为0. 8,则系统返回与示例零件相似度大于或等于0. 8的模型,表1中前3个零件为与示例零件相似的机械零件; 若用户设置需要返回的模型数目为5,则系统返回表1中前5个零件作为与示例零件相似的机械零件。
5实验分析
实验主要从计算量和查准率-查全率曲线( Pr曲线) 两方面验证本文方法的可行性与准确性。 将本文方法与D2形状分布算法、N2形状描述符算法、球面调和描述符[10]三种算法进行对比。
从计算量上看,单一考虑形状特征的D2形状分布算法只需要计算模型表面随机采样点间的距离,计算复杂度不高,计算量最小; 本文的骨架提取算法,斥力计算公式和灰色关联度计算复杂度都不高,计算量稍大于D2算法; N2算法是在D2算法的基础上,增加计算每对采样点所在的两个多边形面片的法向量夹角余弦值,计算复杂度稍高于前两种算法; 球面调和算法需要先对网格模型进行体素化预处理,然后计算体素模型和球面的相交图像,复杂度高,计算量大。本文使用ESB( engineering shape benchmark)[11]作为测试数据库,在同一台计算机上采用4种算法检索同一个相似零件模型,所用的计算时间见表2。
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从表2可以看出,本文算法计算复杂度不高, 计算耗时仅次于D2算法,远短于球面调和算法。
查准率 - 查全率曲线是分析检索系统准确性高低的重要评价手段,本文仍然使用ESB作为测试数据库。图9所示为4种算法的P-r曲线,可以看出,查准率和查全率之间存在制约关系: 随着查全率的提高,查准率会下降。查全率为0. 4时, D2算法的查准率只有0. 15,N2算法查准率为0. 18,本文算法为0. 27,球面调和描述符算法为0. 38; 而当查全率为0. 6时,D2算法查准率下降到0. 11,N2算法为0. 12,本文算法为0. 18,球面调和描述符算法为0. 25。由图9可以看出,本文方法的检索准确性要优于D2形状分布算法和N2形状描述符算法,仅次于球面调和算法。
综合考虑计算量和查准率-查全率两方面可以看出,球面调和描述符算法准确性虽然高于本文算法,但其计算过程复杂,系统实现困难,本文检索方法的综合性能优于球面调和描述符算法、 D2算法及N2算法。
6结语
本文提出的机械零件三维模型检索方法首先简化模型,忽略倒圆、倒角、孔等附加特征,得到无中空结构的连贯模型,实验证明,模型虽然被简化,但是保留了三维模型的形状特征和拓扑结构特征,不影响检索的查准率和查全率,而且提高了生成骨架的速度,即提高了检索的速度。在简化模型的基础上应用电场法提取三维模型的骨架, 起始点的选取以及斥力计算简单清晰,便于最小位势点的获取,生成骨架快速准确。将生成的骨架转化成便于比较的数据,生成特征曲线,采用灰色关联度分析比较特征曲线的相似关联度,从而得到机械零件三维模型的相似度,将灰色理论应用于机械零件检索,尤其在实例库为小样本时,具有极高的准确性和有效性。
本文所阐述的模型骨架提取方法特别适用于有明显空间结构分布的机械零件,目前已在自行开发的检索原型系统中得到应用,实例库有近500个零件。然而,对于另外一些零件,如中空薄壁类零件,若简化为无中空结构,零件的结构会发生较大变化,影响检索的查准率,因此,本文的骨架提取对该类零件不适用,对于该类零件的相似性比较正在进一步研究改进中。
摘要：提出了一种将模型骨架和灰色关联分析相结合的机械零件三维模型检索方法。首先简化机械零件三维模型,忽略倒圆、倒角、孔等附加特征,得到无中空结构的连贯模型;然后基于电场法提取简化后的机械零件三维模型的骨架,所提取的骨架表达了零件模型的形状和拓扑结构特征,并将骨架转换成特征曲线;最后运用灰色关联分析方法计算特征曲线的相似关联度,从而得到机械零件三维模型的相似度。实例验证和实验分析表明,该方法能准确地检索出相似的机械零件三维模型。