基于正则算法的工艺文件数字化技术研究*

2022-01-19斯兴瑶廖映华

制造技术与机床 2022年1期

斯兴瑶廖映华胥云蒋杰杨明

(①四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000；②四川省移动终端全制程先进制造技术工程研究中心，四川宜宾 644000)

国内航空航天制造企业工艺文件多为二维CAD格式文件或者纸质文件存储，航发叶片工艺数据信息化困难，工艺数据信息孤岛严重，工艺文件管理成本高且效率低、易出错，导致工艺数据的查看诸多不便，无法与MES和ERP实现信息交互集成。因此，快速高效获取航发叶片CAD工艺文件的工艺数据信息，实现工艺信息有效整合，不仅能够优化工艺参数，也能更好地创造价值[1]。20世纪起，CAD图纸里面可以识别实体模型的特征，能够扫描轮廓，得到简单的图形，对于工艺信息，附加到实体上，利用正交视图和辅助视图更好地识别简单的特征[2-5]，但还存在着很多的欠缺，如不能取代航发叶片文件，工艺数据化成为亟待解决的问题。

根据目前航空航天企业使用的软件来看，企业存储二维图纸，而且每个企业都有上万零部件图纸和叶片工艺图纸，工程文件里面的信息都极具价值，不能更好地利用叶片工艺数据便是浪费存储空间，占用资源，放任存档虽然能传承、记录、查询、再使用，可是使用起来十分不快捷和方便[6-9]。各航空航天企业在工程图纸数字化的过程中，不断探索新方法获取航发叶片图纸工艺数据信息[10-15]，但是在信息化过程中因为要对图纸表格进行分析，计算量比较大，算法比较复杂，数字化的准确度和效率有待提高。

为了解决现有研究无法实现功能数字化的难题，本文针对某航空企业DWG工艺文件的数字化需求，最终要把航发叶片工序卡和工艺卡里面的关键信息提取出来，方便后期存入数据库进行管理。将叶片工艺文件进行内边框定位，最小二乘法和排序算法结合优化定位，再进一步分块定位，缩小精度误差范围。增加航发叶片图基准点自动识别，正则算法和特殊字符处理算法，匹配信息，整理信息，输出信息，通过以上步骤能够得到所需要的航发叶片工艺信息并准确提取。实现航发叶片工艺数据与数据库相连，辅助用户管理，提高航发叶片管理数据的工作效率，实现航发叶片数字化。

1 工艺文件预处理

航发叶片CAD工艺图纸数字化能够实现工艺参数和机床数据的识别，解决了手工整理数据问题，便于叶片工艺数据库建立。航发叶片DWG文件很难读取，不易转换，一页工艺图纸里面存在着多种工艺数据类型和特殊字符，叶片DWG工程图里面的信息表众多，表格的横竖线段长短不一。现在已有很多数字化技术都是对工程图纸的头部和尾部的信息进行处理，对于航发叶片工艺信息，工艺参数的单位以及特殊符号处理还存在欠缺，想要更好实现数字化，需要对叶片CAD图纸非常熟悉并进行图纸预分析处理。预处理步骤如图1所示。

(1) 航发叶片图纸的定位边框特别是内边框线是不容忽视的，为了提高误差精度，需要根据算法精准定位，叶片工艺图纸里面的实体数据类型需要精准获取，如技术要求里面的切削参数、刀具、刀杆和特殊单位等工艺参数必须准确。

(2) 采集工艺数据，首先要熟悉航发叶片的构造，工艺图纸的结构，能够区分航发叶片数控操作卡片和加工工艺卡细微区别。

(3) 叶片工艺图纸里面的图不需要的则不用对图形进行分区处理，只需要取图纸重要部分。

(4) 对航发叶片DWG操作图纸里面的信息进行分区，把工艺图纸划分成3个区域。第一块区域专门存放航发叶片核心工艺信息，第二块区域存放辅助信息，第三块区域存放航发叶片图。

(5) 对叶片图纸数据进行预处理之后，先定义好需要识别的属性，再确定好需要提取的信息，最后确定好存储格和存储路径，就可以开始进行数据提取工作。

2 工艺文件数字化

2.1 航发叶片图框定位

首先分析航发叶片图纸图框，进行工艺数据预处理。观察航发叶片工艺文件都是由内边框和外边框组成的。如图2所示，以两侧边框为坐标轴，两轴焦点为基准点，则可以通过叶片图纸边框的尺寸确定每张工艺卡片的位置，这里是选取的内边框竖线。算法选择内边框，也可以选择外边框，选择内边框是为了缩小范围，后期提高误差精度。

2.2 航发叶片图线段定位

根据航发叶片图框定位的内边框进行定义的坐标系如下：叶片图像原点在左下角O点(该点自动定位)，x轴正方向水平向右，y轴正方向竖直向上，图像空间中的每一条水平线称为一条扫描线。

采用最小二乘法确定航发叶片图中各线段之间的关系，进一步确定工艺数据间的位置关系，首先检测x、y方向线段的位置，判断航发叶片图纸线段集{(xiyi)|a=0,1,2,…,t}是否为直线，设直线方程：

Ax+By+C=0

(1)

用(xiyi)的ni与在Ax+By+C=0上对应的纵坐标yi=f(xi)作差，求平方和是能否构成航发叶片图中直线的依据。

当B=1或C=1，则有y=-Ax-C

令，得ω(m)=1

(2)

(3)

求解出：

(4)

由式(2)得：

(5)

把A、C代入(5)求出δt给定误差Δ，则：

δt≥Δ，{(xiyi)a=0,1,2,…,t}不是直线；

δt<Δ，{(xiyi)a=0,1,2,…,t}是直线。

当满足条件是直线时，航发叶片图中的横线构成，从而根据行距准确的定位坐标，并找到叶片图中的内部节点位置；如果遇到断线，则先找到叶片图中第一列的横直线，再找后面的直线；两种情况都不符合则不能判别，需重新识别。

选用最小二乘法对航发叶片图线段进行定位，此算法是识别直线段的有效方法，判断叶片图里的扫描线是否属于直线段的组成部分，找到直线段的位置分布，确定直线段的位置分布，极大地提高了数据转换效率。

2.3 航发叶片工艺卡片类型判断

航发叶片图纸边框大小差距比较大，区分是操作卡片还是工序卡，判断代码：

(and (equal dx 0. 1e-3)

(or (< 198. (abs dy)202.)

(< 280. (abs dy) 289.)))

其中dx是直线两端点x坐标的差值，dy是竖向y坐标，dx=0表示是竖线，表示长度在198～202范围内是航发叶片操作卡，长度在280～289范围内是航发叶片工艺卡，识别航发叶片图纸的所有线段。算法框图如图3所示，根据差值来判断卡片位置，检查范围的正确性，不能出现遗漏，确保参数提取范围的有效性。

再根据竖线间距得到航发叶片图纸中列的准确位置(cadar line)是直线左边端点的y坐标遍历所有竖线，与第一根线比较，距离与需要的卡片宽度相差在2 mm以内就确定这是一个列，并记录航发叶片图中列的基准点。判断代码：

(and (equal (cadar line) (cadar x) 2.)

(equal (abs (- (caar line) (caar x)))width 2.))

2.4 航发叶片工艺数字化

通过找关键字再次区分航发叶片卡的类型，在距离基点范围含有“工艺装备”就可以确定航发叶片操作卡，卡片里面含有表格数量，没有定义好的关键字就可判定为叶片工序卡，后续可根据表的各种类型提取里面的文字。由于航发叶片图纸表格里面可能有断线，只靠线段长度定位难以准确地找到表格单元格，先根据流程图范围横线左边端点确定表格，再根据坐标点，找到单元格，查找单元格的文字自然非常容易。航发叶片图纸单元格会有多个文字，有横排文字也有竖排文字，甚至横排竖排都有，也存在换行、空格、换页和特殊符号。算法流程如图4。

航发叶片工艺文字有多种不同的格式，包括工艺数据普通字符、特殊字符和定位符。需要使用正则算法将格式去掉或者转换成为需要的工艺格式，将各种叶片工艺数据进行匹配后连接起来，从而实现航发叶片工艺数字化。

(1)首先y坐标排序，按y坐标分成数行，再分别按x坐标排序这些行，最后通过空格间隔合并。按位置先从上到下排序，以第一个坐标为基准如果后面坐标与他相差2 mm以内就算作一行。文字高度是3 mm，超过就表示是另外一行了，就另起一行继续进行第一次遍历，直到把数据读完。

读完工艺参数后，先去掉航发叶片工艺文件里面的定位字符包括换行、换页和回车。再处理叶片工艺数据里面的叶片工艺文字，如工艺信息和工艺步骤信息中的文字可以用正则表达式进行排序。建立二维list，一个类，两个字段，一个为point，一个string。先排序再合并文字。第二次遍历工艺参数，找出特殊字符，如叶片工艺里面的转速、工艺尺寸和工艺单位，在输出之前进行格式转换，在序列化的时候利用正则表达式先去掉文字格式，转义成普通的字符后，进行匹配输出网页能识别的符号。工艺文件数字化流程图如图5。