基于STEP的制造特征识别与三维重建技术研究

【摘要】： CAD/CAPP/CAM系统的集成是实现机械制造业集成化、智能化以及自动化发展的关键技术,然而如何在CAD/CAPP系统之间进行数据的共享与交换成为制约集成技术应用的瓶颈。STEP(Standard for the Exchange of Product Modal Data)标准正是通过提供一种不依赖于任何系统的中性机制,建立包括产品整个生命周期的数据模型,从而为解决不同CAX系统之间产品数据交换与共享困难提供了可行的方法。本论文通过对CAD系统生成的STEP标准中性文件进行详细分析与研究,提取并识别其数据模型中的制造特征,建立了CAD与CAPP系统间的智能接口,并对STEP数据模型进行三维实体重建,实现了一个不依赖于任何CAD软件的自动特征识别系统,验证了STEP中性交换机制的可行性,同时也对CAD/CAPP之间的信息集成研究进行了有效地探索和实践。 本文的研究工作主要体现在以下四个方面: (1)研究了STEP国际标准的主要内容,掌握其数据交换技术细节,并对STEP形式化描述语言EXPRESS和STEP物理中性文件结构与格式进行充分研究。详尽地分析了STEP数据模型中的几何与拓扑信息,并在此基础上利用EXPRESS语言的面向对象特性,设计了C++类与STEP数据模型中的重要实体进行映射。最终开发了句法剖析器,对STEP中性文件中的几何、拓扑信息进行提取。 (2)采用了基于STEP的属性邻接图(Attributed Adjacency Graph ,AAG)的特征识别方法进行机械零件制造特征的识别。首先设计了基于STEP数据模型的边的凸凹性判定算法,用来生成零件的属性邻接图;然后通过对常规的属性邻接矩阵进行扩展定义,将属性邻接图用扩展的邻接矩阵方式进行存储。在预定义了一些典型的制造特征的扩展属性邻接矩阵之后,设计相应的算法对零件属性邻接矩阵中的特征子矩阵进行提取。最终利用本文提出特征匹配算法,将提取出的特征子矩阵与预定义特征库中的扩展属性邻接矩阵进行匹配,继而识别出零件的制造特征。 (3)通过研究免费开源的Open CASCADE三维建模平台,了解其整体结构和功能,详细分析了其数据交换、可视化组件。对其读取STEP中性文件、重建三维模型的过程进行研究,并利用其提供的动态链接库,实现了基于Open CASCADE的机械零件STEP数据模型的三维重建。 (4)在本文理论研究的基础上,通过设计STEP信息提取、属性邻接图生成、特征子邻接矩阵提取、特征子邻接矩阵匹配以及STEP三维实体重建功能模块,利用Visual C++工具开发了DNAFRS(Dongnong Automated Feature Recognition System)自动特征识别原型系统。