基于离散域力场的相邻工序模型几何演变的获取方法

基于离散域力场的相邻工序模型几何演变的获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种工序模型几何演变的获取方法，特别是设及一种基于离散域力场 的相邻工序模型几何演变的获取方法。
【背景技术】
[0002] 文献维工序模型几何演变序列的相似性度量，计算机辅助设计与图形学学报， 2014，Vol26(7)，pll76-1182"公开了一种工序模型几何演变获取的方法。该方法针对的是 用NURBS建模方法得到的模型，根据NURBS模型控制顶点计算得到一系列具有仿射不变性 的向量，通过对该一系列向量的比较，得到相邻两个工序模型的相似体素、相同体素、恒等 体素。在此基础上，构建发生几何变化的体素的属性邻接图，利用属性邻接图表达相邻两个 工序模型的几何演变。文献所述方法仅局限于用NURBS方法建立的工序模型的几何演变的 获取，不能用于其他类型的工序模型；另外该方法在计算一系列具有仿射不变性的向量时 计算量大，效率不高。

【发明内容】

[0003] 为了克服现有工序模型几何演变的获取方法实用性差的不足，本发明提供一种基 于离散域力场的相邻工序模型几何演变的获取方法。该方法首先对相邻的两个工序模型进 行=角面片划分，要求划分的=角面片分布基本均匀，网格尺寸基本相同，进一步，在离散 域力场中求解两个工序模型每个面上=角面片的受力情况，得到两个工序模型各表面的力 场视角、力场距离和表面特征图，通过比较两个模型各表面的力场视角、力场距离和表面特 征图来进行模型表面几何变化类型的判断，对新增面的邻接边的凹凸性进行判断并结合新 增面的类型得到相邻两道工序模型的几何演变。将获取的模型的几何演变表示为扩展的属 性邻接图，最后再把扩展属性邻接图表示成扩展的属性邻接矩阵，W便于在计算机的读取、 存储及后续的工艺知识检索。基于离散域力场求解相邻工序模型的几何演变，对=维模型 的类型没有要求，即适用于任何类型的=维模型；在进行模型表面几何变化类型的判断过 程中，通过对模型表面力场视角、模型表面力场距离的比较筛选出两个相邻工序模型中有 效配对的面，接着只对有效配对面的表面特征图进行相似性度量来判断两个工序模型间面 的演变类型，提高了方法的效率；采用EMD距离比较算法对模型表面特征图进行整体的相 似性度量，化6chet距离相似性比对算法对模型表面特征图进行区域对比，因此该方法具有 较高的分辨能力和精度。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是；一种基于离散域力场的相邻工序模 型几何演变的获取方法，其特点是采用W下步骤：
[0005] (a)对相邻的两个工序模型的表面进行=角面片划分，要求划分的=角面片分布 均匀，面片尺寸相同和不同工序模型表面上面片划分的一致性。工序模型表面由平面S角 形面片集合逼近表达，模型表面的变化用有限个小面片的变化来度量。该样，每个工序模型 的任一表面就表不成一个质点集合Q。
[0006] Q= {qi,屯，…，q。} (1)
[0007] 式中，屯，Q2,…，q。为模型任一表面所有S角面片的重心n为该表面包含的S角面 片的个数，重屯、Qi的坐标由S角面的S个顶点计算得到。
[000引 化）基于离散域力场模型求解相邻两个工序模型各表面的表面特征图、表面的力 场视角和表面的力场距离。用表面特征图、表面的力场视角和表面的力场距离共同描述模 型上不同表面所受引力的分布状态，模型表面引力的分布状态表征模型各表面的形状。
[0009]定义离散域力场模型：
[0010] 设在工序模型的重屯、处存在一个质点0,且质点0的坐标在同一S维工艺规程中 不随工序模型编号的变化而发生变化，根据牛顿第=定律，物体表面质点集Q中的元素Qi 均受到该质点0的万有引力作用，根据万有引力公式，得：
[0011]
^2)
[001引式中，m。和m。;分别为质点0和Qi的质量，r。为质点0到Qi的距离，G为引力常 数。
[001引令nv= 1，即令元素Qi为单位质点，则基于离散域力场模型方程如下：
[0014]
贷）
[00巧]式中，（X。，y。，Z。）为工序模型的重屯、即质点0的坐标，（X。。y。。Zqi)为元素屯的坐 标。
[0016] 定义模型表面特征图：
[0017] 基于离散域力场模型求解模型某一表面上所有S角面片重屯、的受力大小，根据面 片受力的大小将受力大小划分成若干个区间，W力的区间作为横坐标，区间内受力S角面 片重屯、的个数作为纵坐标，生成频数分布直方图。对直方图的尺度归一化处理后进行保形 插值得到的曲线称为模型表面特征图，用符号T表示。
[0018] 定义模型表面的力场视角：
[0019]力场视角为向量品与模型表面法向量/5形成的夹角，用^标识模型上不同表面在 力场中的方位，用符号0表示。
[0020] 其中，向量；;5为坐标系原点0与引力源质点0的连线指向0。该里规定，模型表面 法向量垂直于模型表面且方向指向模型外侧。
[0021] 定义模型表面的力场距离：
[0022] 力场距离为引力源质点0到模型表面的距离，用W标识在力场中模型表面到引力 源的远近，用符号L表示。
[0023] (C)相邻工序模型表面引力分布状态的变化体现模型间的几何演变，通过对模型 表面力场视角和模型表面力场距离的比较筛选出两个相邻工序模型中有效配对的面，接着 对有效配对面的表面特征图进行相似性度量来判断两个工序模型间面的演变类型，两个面 的表面特征图的相似性度量采用EMD距离相似性比较算法进行整体的比较，采用化6chet 距离相似性比对算法进行区域对比。
[0024] 两个工序模型表面的演变类型分为四种；修改面、新增面、不变面和消亡面。修 改面和不变面不参与加工特征的构造，消亡面只存在两个相邻工序模型的前一个工序模型 中，识别两个相邻工序模型几何演变的关键是找到后一个工序模型中的新增面。
[0025] (d)找到两道工序模型几何演变过程中的新增面，判断新增面邻接边的凹凸性，得 到新增面间的拓扑关系，结合新增面的类型得到相邻两道工序模型的几何演变。
[0026] (e)将获取的相邻两道工序模型的几何演变表示为扩展的属性邻接图，进一步把 扩展属性邻接图表示成扩展的属性邻接矩阵，方便计算机读取、存储及后续的工艺知识检 索。
[0027] 为了能更加完整的表达模型几何演变的几何特征信息，对属性邻接图的节点和弧 或边的属性进行扩展，附加了面的类型、边的类型，得到扩展的属性邻接图。通过增加邻接 矩阵的列数和元素ay值的位数避免邻接矩阵表达的二义性，在邻接矩阵a[n，n]中添加一 列a[i，n+l]，第n+1列对应面的类型属性。
[002引在邻接矩阵a[n，n]中，将ay的位数由二位增加到=位，aU前两位仍然表示面fi和邻接边的凹凸性，新增的第S位代面fi和fj.邻接边的类型。
[0029] 本发明的有益效果是：本发明方法通过对=维模型表面进行=角网格划分，进一 步，在离散域力场中利用模型表面=角面片所受引力的分布状态来表征当前的模型表面形 状，相邻工序模型表面引力分布状态的变化表征模型间的几何演变，对=维模型的类型没 有要求，即适用于任何类型的=维模型。通过对模型表面力场视角、模型表面力场距离的比 较筛选出两个相邻工序模型中有效配对的面，接着对有效配对面的表面特征图进行相似性 度量来判断两个工序模型间面的演变类型，提高了方法的效率。采用EMD距离比较算法对 模型表面特征图进行整体的相似性度量，化6chet距离相似性比对算法对模型表面特征图 进行区域对比，因此该方法具有较高的分辨能力和精度。
[0030] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明方法的流程图。
[0032] 图2是相邻工序的两个工序模型a和b。
[0033] 图3是对模型a和b进行二角面片划分后的不意图。
[0034] 图4是模型a各表面的特征图。
[0035] 图5是模型b各表面的特征图。
[0036] 图6是模型a、b工序模型几何演变获取结果的扩展属性邻接图表示。
【具体实施方式】
[0037] 参照图1-6。本发明基于离散域力场的相邻工序模型几何演变的获取方法体步骤 如下：
[003引将两个相邻的工序模型a和模型b的表面用集合分别表示为：
[0039] Fa= {f。1，fa], fa], fa*，fa。，fa6, f/，faS}
[0040] Fb= {fV，fb2,fb3,fb4,fb5,Cfb7,CCC}
[004U在ANSYS软件中对模型a、b进行DelaunayS角面片划分。
[0042] Delaunay=角面片划分保证了划分的=角面片分布基本均匀，面片尺寸基本相同 和不同工序模型表面上面片划分的一致性。
[0043] 计算模型a、b各表面S角面片的受力情况，每个面的力场视角和力场距离。由工 序模型a、b各表面上的S角面片的顶点求出模型a、b各面上S角面片重屯、坐标，再将S角 面片的重屯、Qk坐标，模型a、b重屯、坐标导入Matl油软件里，根据离散域力场模型计算两个 模型各面上S角面片受力情况，同时求出模型a、b每个面的力场视角和力场距离。
[0044] 表1模型a各面的力场视角和力场距离
[0045]
[0046] 表2模型b各面的力场视角和力场距离
[00471
[0048] 构造模型a、b各表面特征图。由模型各面上S角面片受力情况构造模型a、b各表 面S角面片受力分布直方图，进行归一化处理，并使用Matl油软件的保形插值功能对直方 图进行保形插值得到两个模型各表面的表面特征图。
[0049] 判断两工序模型表面的变化情况。通过比较模型a、b各表面的力场视角、力场距 离和表面特征图，得到两工序模型表面的变化情况。由结果知公，是新增的面，判断出 面公，心°的邻接边为圆且是凹边，结合两个面的类型得到相邻两道工序模型的几何演变为 盲孔制造特征。
[0050] 表3模型b各面的演变类型获取结果
[0化1][0052] 将获取的相邻两道工序模型的几何演变表示为扩展的属性邻接图，图6中1、2表 示面fb9、心°分别为扩展属性邻接图的节点1和2 ;30中的3表示面fV为圆柱面，30中的 0表示面fb9的内表面组成实体表面；20中的2表示面fV°为平面，0的含义与30中的0相 同；102中的10表示面fb9、心喘邻，且邻接边为凹边，2表示邻接边的类型为圆，再把扩展 属性邻接图表示成扩展的邻接矩阵
[0化3] (a)对相邻的两个工序模型的表面进行=角面片划分，要求划分的=角面片分布 基本均匀，面片尺寸基本相同和不同工序模型表面上面片划分的一致性。根据微分思想，工 序模型表面由平面=角形面片集合逼近表达，模型表面的变化用有限个小面片的变化来度 量。该样，每个工序模型的任一表面就表示成一个质点集合Q。
[0054]Q=站，屯，…，q。} (1)
[0化5] 式中屯，屯，…，q。为模型任一表面所有S角面片的重屯、，n为该表面包含的S角面 片的个数，重屯、Qi的坐标由S角面的S个顶点计算得到。
[0056] 化）基于离散域力场模型求解相邻两个工序模型各表面的表面特征图、表面的力 场视角、表面的力场距离。用表面特征图、表面的力场视角和表面的力场距离共同描述模型 上不同表面所受引力的分布状态，模型表面引力的分布状态表征模型各表面的形状。
[0化7]定义离散域力场模型：
[0化引设在工序模型的重屯、处存在一个质点0,且质点0的坐标在同一S维工艺规程中 不随工序模型编号的变化而发生变化，根据牛顿第=定律，物体表面质点集Q中的元素Qi 均受到该质点0的万有引力作用，根据万有引力公式，得：
[0059]
斌
[0060] 式中m。，nv分别为质点0和qi的质量，r。为质点0到qi的距离，G为引力常数。
[0061] 令nv= 1，即令元素di为单位质点，则基于离散域力场模型方程如下：
(3)
[0062] W
[0063] 式中（X。，y。，Z。）为工序模型的重屯、即质点0的坐标，（X。。y。。Zqi)为元素di的坐 标。
[0064] 定义模型表面特征图：
[00化]基于离散域力场模型求解模型某一表面上所有S角面片重屯、的受力大小，根据面 片受力的大小将受力大小划分成若干个区间，W力的区间作为横坐标，区间内受力S角面 片重屯、的个数作为纵坐标，生成频数分布直方图。对直方图的尺度归一化处理后进行保形 插值得到的曲线称为模型表面特征图，用符号T表示。
[0066] 定义模型表面的力场视角：
[0067] 力场视角为向量品与模型表面法向量/5形成的夹角，用^标识模型上不同表面在 力场中的方位，用符号0表示。
[0068] 其中向量品为坐标系原点0与引力源质点0的连线指向0。该里规定，模型表面 法向量垂直于模型表面且方向指向模型外侧。
[0069] 定义模型表面的力场距离：
[0070] 力场距离为引力源质点0到模型表面的距离，用W标识在力场中模型表面到引力 源的远近，用符号L表示。
[0071] (C)相邻工序模型表面引力分布状态的变化体现模型间的几何演变，通过对模型 表面力场视角和模型表面力场距离的比较筛选出两个相邻工序模型中有效配对的面，接着 对有效配对面的表面特征图进行相似性度量来判断两个工序模型间面的演变类型，两个面 的表面特征图的相似性度量采用EMD距离相似性比较算法进行整体的比较，采用化6chet 距离相似性比对算法进行区域对比。
[0072] 两个工序模型表面的演变类型分为四种；修改面、新增面、不变面和消亡面。修 改面和不变面不参与加工特征的构造，消亡面只存在两个相邻工序模型的前一个工序模型 中，因此识别两个相邻工序模型几何演变的关键是找到后一个工序模型中的新增面。模型 表面演变类型的判定依据及结果参照表4。
[0073] 表4模型表面演变类型的判定依据及结果
[0074]
[0075] (d)找到两道工序模型几何演变过程中的新增面，判断新增面邻接边的凹凸性，得 到新增面间的拓扑关系，结合新增面的类型得到相邻两道工序模型的几何演变。
[0076] (e)将获取的相邻两道工序模型的几何演变表示为扩展的属性邻接图，进一步把 扩展属性邻接图表示成扩展的属性邻接矩阵，方便计算机读取、存储及后续的工艺知识检 索。
[0077] 为了能更加完整的表达模型几何演变的几何特征信息，对属性邻接图的节点和弧 (或边）的属性进行一定的扩展，附加了面的类型、边的类型，得到扩展的属性邻接图。通过 增加邻接矩阵的列数和元素ay值的位数避免邻接矩阵表达的二义性，在邻接矩阵a[n，n] 中添加一列a[i，n+l]，第n+1列对应面的类型属性，取值定义参照表5。
[007引表5面的属性在扩展邻接矩阵中的定义
[0079]
[0080] 表6面的邻接边的属性在扩展邻接矩阵中的定义
[0081]
[0082] 在邻接矩阵a[n，n]中，将ay的位数由2位增加到3位，a。前两位仍然表示面fi 和fj邻接边的凹凸性，新增的第3位代面fi和fj邻接边的类型，取值定义参照表6。
【主权项】
1. 一种基于离散域力场的相邻工序模型几何演变的获取方法，其特征在于包括以下步 骤： (a) 对相邻的两个工序模型的表面进行三角面片划分，要求划分的三角面片分布均匀， 面片尺寸相同和不同工序模型表面上面片划分的一致性；工序模型表面由平面三角形面片 集合逼近表达，模型表面的变化用有限个小面片的变化来度量；这样，每个工序模型的任一 表面就表不成一个质点集合Q ; Q = {q" q2,…，qn} ⑴ 式中，qi，q2，…，qn为模型任一表面所有三角面片的重心，η为该表面包含的三角面片的 个数，重心1的坐标由三角面的三个顶点计算得到； (b) 基于离散域力场模型求解相邻两个工序模型各表面的表面特征图、表面的力场视 角和表面的力场距离；用表面特征图、表面的力场视角和表面的力场距离共同描述模型上 不同表面所受引力的分布状态，模型表面引力的分布状态表征模型各表面的形状； 定义离散域力场模型： 设在工序模型的重心处存在一个质点〇,且质点〇的坐标在同一三维工艺规程中不随 工序模型编号的变化而发生变化，根据牛顿第三定律，物体表面质点集Q中的元素Qi均受 到该质点〇的万有引力作用，根据万有引力公式，得：式中，m。和m qi分别为质点0和q啲质量，r qi为质点0到q啲距离，G为引力常数； 令Hlqi= 1，即令元素(^为单位质点，则基于离散域力场模型方程如下：式中，（X。，y。，z。）为工序模型的重心即质点0的坐标，（Xqi，yqi，Zqi)为元素屮的坐标； 定义模型表面特征图： 基于离散域力场模型求解模型某一表面上所有三角面片重心的受力大小，根据面片受 力的大小将受力大小划分成若干个区间，以力的区间作为横坐标，区间内受力三角面片重 心的个数作为纵坐标，生成频数分布直方图；对直方图的尺度归一化处理后进行保形插值 得到的曲线称为模型表面特征图，用符号T表示； 定义模型表面的力场视角： 力场视角为向量与模型表面法向量?形成的夹角，用以标识模型上不同表面在力 场中的方位，用符号Θ表不； 其中，向量M为坐标系原点〇与引力源质点〇的连线指向〇 ;这里规定，模型表面法向 量垂直于模型表面且方向指向模型外侧； 定义模型表面的力场距离： 力场距离为引力源质点〇到模型表面的距离，用以标识在力场中模型表面到引力源的 远近，用符号L表示； (C)相邻工序模型表面引力分布状态的变化体现模型间的几何演变，通过对模型表面 力场视角和模型表面力场距离的比较筛选出两个相邻工序模型中有效配对的面，接着对有 效配对面的表面特征图进行相似性度量来判断两个工序模型间面的演变类型，两个面的表 面特征图的相似性度量采用EMD距离相似性比较算法进行整体的比较，采用FMchet距离 相似性比对算法进行区域对比； 两个工序模型表面的演变类型分为四种：修改面、新增面、不变面和消亡面；修改面和 不变面不参与加工特征的构造，消亡面只存在两个相邻工序模型的前一个工序模型中，识 别两个相邻工序模型几何演变的关键是找到后一个工序模型中的新增面； (d) 找到两道工序模型几何演变过程中的新增面，判断新增面邻接边的凹凸性，得到新 增面间的拓扑关系，结合新增面的类型得到相邻两道工序模型的几何演变； (e) 将获取的相邻两道工序模型的几何演变表示为扩展的属性邻接图，进一步把扩展 属性邻接图表示成扩展的属性邻接矩阵，方便计算机读取、存储及后续的工艺知识检索； 为了能更加完整的表达模型几何演变的几何特征信息，对属性邻接图的节点和弧或边 的属性进行扩展，附加了面的类型、边的类型，得到扩展的属性邻接图；通过增加邻接矩阵 的列数和元素％值的位数避免邻接矩阵表达的二义性，在邻接矩阵a[n，η]中添加一列 a[i, η+1]，第η+1列对应面A的类型属性； 在邻接矩阵a[n，η]中，将aij的位数由二位增加到三位，a u前两位仍然表示面f ,和f」 邻接边的凹凸性，新增的第三位代面4和f」邻接边的类型。
【专利摘要】本发明公开了一种基于离散域力场的相邻工序模型几何演变的获取方法，用于解决现有工序模型几何演变的获取方法实用性差的技术问题。技术方案是通过对三维模型表面进行三角网格划分，在离散域力场中利用模型表面三角面片所受引力的分布状态来表征当前的模型表面形状，适用于任何类型的三维模型。通过对模型表面力场视角、模型表面力场距离的比较筛选出两个相邻工序模型中有效配对的面，接着对有效配对面的表面特征图进行相似性度量来判断两个工序模型间面的演变类型，提高了效率。采用EMD距离比较算法对模型表面特征图进行整体的相似性度量，Fréchet距离相似性比对算法对模型表面特征图进行区域对比，提高了分辨能力和精度。
【IPC分类】G06F17/50, G06T19/00
【公开号】CN104881548
【申请号】CN201510308603
【发明人】常智勇, 李佳佳, 蒋超锋, 胡栋, 万能
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月4日