基于STEP的特征识别技术及其实现

图 1 为 4 种常见特征的属性邻接图。笔者采 用属性邻接图的特征表示方法 ,但引入面向对象方 法采用了新的实现方式 ,可预定义二维面 、边环 、边 等实体类 ,以类成员变量代替属性邻接图中的属性 表。引入面向对象的方法 ,可以显著提高特征识别 系统的代码重用性 ,便于实现特征识别系统的组件 化 ,有利于实现面向不同应用的快速开发。
(1) 建立 STEP 实体类型与C + + 结构的映射 关系 。分析 S T EP 实体类型的数据定义 ,建立与 之对应的 C + + 结构 。每个 C + + 结构将定义的 ID 成员变量作为唯一标志 ,其他成员变量与 S T EP 实体类型的参数一一对应 。
(2) 将 STEP 实体解析为对应的C + + 结构变 量 。笔者使用 VC 的 CSt dio File ∷ReadSt ring 函 数读入 S T EP 文件 ,解析获得实体类型 ,然后用 switch case 语句判断实体类型并将该实体的低 阶实体行号和数据转换存入对应的 C + + 结构链 表 。由于笔者开发的原型系统中解析的 S T EP 实 体类型数量较多 ,故在此仅给出解析流程 ,如图 3 所示 。
按照 S T EP 模型的拓扑几何结构 ,自顶向下 查找并识别出低阶类型 ,获取其几何参数后 ,根据 低阶类型的不同组合可实现高阶类型的识别和几 何参数的获取 。笔者开发的原型系统可实现圆形 平面 、矩形平面 、圆柱面等面类型的识别 ,由于具 体的识别算法较为繁杂 ,笔者在此仅给出识别算 法整体流程 :
(4) 读取边环对象的边类型数量的变量 ,使用 switch case 语句转入对应分支 。获取边的类型 和参数 ,并结合边与边的几何关系识别边环类型 , 解析边对象的参数获得边环参数 。
可用于属性邻接图的面类 ,如矩形平面、圆形 平面在 STEP 中未定义 ,面的类型是由边环类型和 面几何参数共同确定的。例如 ,圆形边环与平面位 置定位共同确定一个圆形平面 ,矩形边环与平面位 置定位共同确定一个矩形平面等 。边环类型 ,例如 矩形边环、平行四边形边环、圆形边环等在 STEP 中也未定义 ,需要通过组成边环的边数量 、边与边 之间的几何关系等组合规则来识别 。例如 ,由两条 等半径半圆构成的边环即为圆形 ,由 4 条直线两两 垂直构成的边环即为矩形 ,由 4 条直线两两平行且 互不垂直构成的边环即为平行四边形等。因此 ,必 须预定义边环类型的识别规则 ,识别出边环类型并 获取参数后 ,结合面几何参数识别出可用于后续特 征识别的面类型并获取其参数 。
1 S T EP 模型的表示与基于 S T EP 的特征 识别过程
S TEP 模型采用 B - Rep 法和参数表示法的 混合表示方法来表示 。B - Rep 法的拓扑表示规 则如下 :体是 B - Rep 表示的顶层对象 ,由壳包含 而成 ;壳由一系列面连接而成 ;面由边界包含而 成 ,边界具有方向性 ,其参数由边环给出 ;边环由 有向边按照连接顺序构成 ,有向边的参数由边给 出 ;边由点定义 ,通过起点和终点确定边的参数 。 高阶的较复杂物体必须建立在基本体基础上 。对 于自由曲线曲面 ,S T EP 采用参数表示法来描述 。 S T EP 应用 NU RBS 方法来表达复杂的自由曲线
(a) 圆柱体特征
(b) 圆锥体特征
(c) 立方体特征
(d) 开口直槽特征 图 1 常见特征的属性邻接图表示
图 1a 和图 1b 所示为圆柱体与圆锥体特征 , 其组成中都包含两个圆形表面 ;图 1c 和图 1d 为 长方体和开口直槽特征 (都是由矩形平面组成) 。 预先定义圆形平面 、矩形平面类及其低阶图素构 成的方法 ,可以提高特征识别系统代码的重用性 。 图 1a 和图 1b 的圆柱和圆锥体特征的属性邻接图 的图表示完全相同 。对于预定义的圆柱体和圆锥 体类来说 ,采用相同形式的属性邻接图可准确描 述这两种特征 ,并可减少用于表示预定义特征的 属性邻接图数量 。
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中国机械工程第 21 卷第 11 期 2010 年 6 月上半月
(1) 遍历 S T EP 模型面链表 ,读取 S T EP 面结 构对象 。
(2) 读取面对象的面几何参数变量 , 使用 switch case 语句判断面的几何参数类型 ,转入对 应分支 。
(3) 读取面对象的面边界参数变量 ,获取构成 边界参数变量的边环对象及边环的边数量的变量 后 ,使用 switch case 语句判断边环的边数量 ,转 入对应分支 。
3 S T EP 模型拓扑几何结构树生成
STEP 模型的拓扑几何结构为树状解构 ,如 图 2 所示 。
图 2 STEP 模型拓扑几何结构树示例
特征识别前需从 S T EP 模型文件中解析数 据 ,并按照 S T EP 模型拓扑几何结构重新组织数 据 ,生成 S T EP 模型拓扑几何结构树 。具体生成 过程如下 :
2 预定义特征的属性邻接图表示
属性邻接图[2] ( at t ributed adjacency grap h , AA G) 是目前广泛应用的特征识别方法 ,可表示 用 B - Rep 法描述的零件的拓扑几何关系 。在属 性邻接图中 ,顶点表示模型中的面 ,顶点之间的弧 表示两相交面的共有边 ,用顶点和弧的附加属性 表来表示拓扑几何属性 。采用属性邻接图时 ,特 征定义规则的表示简单直观 ,便于进行特征拓扑 几何构成的描述 。
20 世纪 80 年代以来 ,国内外许多学者对特 征识别技术进行了研究 ,但主要集中在算法研究 上 ,实现过程的论述较少 。从已公开的资料来看 , 主要存在以下问题 :
(1) 算法方面 ,基于图的特征识别方法的研究 较多 ,多采用属性邻接图方法[2] 和凸壳 ( co nvex hull) 方法[3] 来处理相交特征 ,并将这些方法与其 他方法结合 ,产生了多种混合特征识别算法[4Ο6] 。 上述算法的时间复杂度与零件复杂度相关 ,且难 以有效地识别相交特征并提供相交特征的多重 解释 。
中国机械工程第 21 卷第 11 期 2010 年 6 月上半月
基于 S T EP 的特征识别技术及其实现
付 鹏 苑伟政
西北工业大学陕西省微/ 纳米系统重点实验室 ,西安 ,710072
摘要 :针对不同 CAD 模型的特征识别 ,论述了基于 S TEP 的特征识别技术及其实现过程 :在传统 属性邻接图方法的基础上 ,引入面向对象方法以提高特征识别系统的代码重用性 ;解析生成的 S T EP 模 型拓扑几何结构树后 ,按照 S T EP 拓扑结构 ,分层识别了 S T EP 面和边环的类型及几何参数 ;通过基于 子图匹配和基面分解的属性邻接图分解方法来识别特征 。
基于 STEP 的特征识别技术及其实现 ———付 鹏 苑伟政
曲面 ,该方法允许局部修改曲率 ,并能准确地描述 几何基元 。
本文所述的基于 STEP 的特征识别基于 A P203 协议 ,采用边界匹配方法来识别特征 。识 别过程由以下 4 个步骤组成 :
(1) 预定义特征类型 ,建立特征库 。 (2) 生成 S T EP 模型拓扑几何结构树 。 (3) 识别 S T EP 面和边环的类型并获取其几 何参数 。 (4) 采用基于子图匹配和基面分解的属性邻 接图分解方法识别预定义特征 。
Micro and Nano Elect ro mechanical Systems Laboratory , No rt hwestern Polytechnical U niver sit y , Xi’an , 710072 Abstract : Aiming at recognizing feat ures f ro m different 3D CAD mo dels , t his paper described t he implementatio n p rocess of feat ure recognitio n based o n S T EP. Fir st , an o bject oriented met hod was int roduced. The p redefined feat ure was p resented using o bject of class instead of at t ribute table so t he code reusabilit y of t he feat ure recognitio n system can be imp roved. Seco nd , t he mapping relatio nship of S T EP data t ype and C + + st ruct ure was established. So t he topological - geo met rical t ree can be ex2 t racted f ro m S TEP - based neut ral file. According to t he topological and geo met rical rep resentatio n of S TEP , it recognized t he t ype and geo met ric parameter of topolo gical layer including face and loop . At last , it recognized t he p redefined feat ure by att ribute adjacent grap h deco mpo sitio n using sub - grap h matching and base - face deco mpo sitio n met hod. Key words : at t ribute adjacent grap h ; topological - geo met rical st ruct ure t ree ; sub - grap h matc2 hing ; base - face deco mpo sitio n