大规模包含缺陷直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种大规模包含缺陷直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法，通过基本特征组合来表示复杂的缺陷结构，再结合实际缺陷的出现位置将上述缺陷结构添加到正常机械零件中，并利用二次开发技术实现上述缺陷模型的自动生成，改善人为收集策略于模型类别、质量上的不可控性，为深度学习技术在工业领域的进一步应用提供数据基础，提高缺陷模型的真实性，可支持后续各分辨率的重采样工作，扩大数据库的应用范围。据库的应用范围。据库的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
大规模包含缺陷直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法


[0001]本专利技术涉及计算机辅助几何设计
，更具体的说是涉及面向大规模包含齿面缺陷的直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法。

技术介绍

[0002]大数据以及深度学习算法引发了各个领域的技术变革，其中大数据显然发挥了至关重要的作用，现有的诸如图像、视频等数据可以通过大量的采集设备以及公共媒体所分享的内容来构建。但是在三维CAD模型数据格式中，尽管已具备相对成熟的3D传感器和三维设计软件，其获取的人工和时间成本仍是十分巨大的，且相对其他格式数据，三维模型构建的操作复杂性也更高。
[0003]目前，现有的CAD模型样本库构建技术存在以下三种严重缺陷：
[0004](1)CAD模型数据的获取多是由开源社区或软件的用户提供，模型质量和数量难以自主控制。
[0005](2)现有CAD模型数据库的多样性大多体现于零部件类别、尺寸参数信息或所包含加工特征的组合及数量，并未集中地表达某零件存在的各类缺陷情况。
[0006](3)现有的基于参数更改、变动操作及模块化的三维模型设计方法可实现不同尺寸参数、拓扑结构模型的快速构建，加快产品的设计制造周期，但并不能自动生成批量的CAD模型。而当前以典型结构模板库为基础的CAD模型仿真生成方法中，模板的构建规则异常复杂，其基本特征(模板)的扩展存在诸多限制。
[0007]因此，如何降低机械零件CAD模型的扩展难度，构建缺陷模型数据库是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路
/>[0008]有鉴于此，本专利技术提供了一种大规模包含齿面缺陷的直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法，提出易拓展的、包含各缺陷的机械零件CAD模型批量生成方法，且生成的模型可支持转化为离散化数据(点云、网格)，进而为深度学习等人工智能技术在工业检测领域的探索与验证提供数据支撑。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]大规模包含缺陷直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：构建正常零件库，预设缺陷类型、基本特征类别以及待构建样本库中缺陷规则；正常零件库中包括正常齿轮模型、基本参数及标识齿关键点信息；所述缺陷规则为待构建样本库中各类缺陷的数量之间应遵循的差异范围；
[0012]步骤2：基于直齿圆柱齿轮中各类缺陷的真实拓扑结构，利用基本特征类别中基本特征的组合表示各类缺陷的外形，构建缺陷结构规则；
[0013]步骤3：采集实际直齿圆柱齿轮中各类缺陷的位置信息，映射各类缺陷的基本特征与所述正常齿轮模型的相对位置，构建缺陷位置规则；
[0014]步骤4：根据步骤1中预设的缺陷规则建立各类缺陷频次调控约束；
[0015]步骤5：根据所述正常齿轮模型，再结合所述缺陷结构规则和所述缺陷位置规则搭建样本库构建模型，生成缺陷齿轮样本，实现正常齿轮上各类缺陷的生成，利用所述各类缺陷频次调控约束调整所述样本库构建模型生成的缺陷齿轮样本的类型，样本构建模型生成的所有缺陷齿轮样本组成大规模包含齿面缺陷的直齿圆柱齿轮CAD模型样本库。
[0016]优选的，缺陷类型包括点蚀、胶合、轮齿折断和齿面磨损等；基本特征类别包括圆柱体凹槽、长方体凹槽和三棱柱凹槽。
[0017]优选的，构建缺陷位置规则的具体过程为：
[0018]步骤31：确定直齿圆柱齿轮中单齿缺陷位置；
[0019]步骤311：构建单齿的草图平面，以及位于草图平面上齿面的缺陷；
[0020]步骤312：根据草图平面确定各类缺陷在齿面坐标系的变动范围；构建草图平面坐标系，确定各类缺陷在草图平面坐标系中的分布范围；
[0021]步骤32：根据正常齿轮模型对应的标识齿关键点信息中的关键点坐标确定各齿在齿轮坐标系中的位置，依次进行每个单齿缺陷位置在正常零件的齿间转换，获得缺陷位置规则；
[0022]齿轮不同齿间，各齿上相对位置相同的关键点坐标转换公式为：
[0023][0024]其中，N
G
为齿轮的齿数；若标识齿上的关键点p的坐标为(x,y)，则间隔n齿的随机示例齿上与标识齿上的关键点p相对位置相同的关键点p`的坐标值为(x`,y`)。
[0025]优选的，步骤4的具体实现过程为：
[0026]步骤41：预设待构建样本库的数据格式；
[0027]步骤42：根据数据格式确定数据采集策略；
[0028]步骤43：根据数据采集策略和缺陷规则，构建各类缺陷频次调控约束，计算获得均衡参数；
[0029]各类缺陷频次调控约束表示为：
[0030][0031][0032]其中，i表示各类齿面缺陷中的一种缺陷；x
i
表示各类缺陷对应的均衡参数；p表示CAD模型样本库中样本的序号；n
all
表示样本库中CAD模型总数；n表示齿面缺陷总数；m表示各类齿面缺陷中一种缺陷的序号；N
p,i
和N
p,m
分别表示p模型中i种缺陷和m种缺陷的数量；NF
p,i
和NF
p,m
分别表示p模型中i种缺陷和m种缺陷包含的基本特征数；FS
p,i
和FS
p,m
分别表示p模型中i种缺陷和m种缺陷包含的各个基本特征的面数。
[0033]优选的，步骤5的具体过程为：
[0034]步骤51：从正常零件库中选择正常齿轮模型作为待添加缺陷齿轮模型，并读取其对应的齿数、标识齿关键点信息；
[0035]步骤52：确定待构建样本库中待生成的缺陷类型；
[0036]步骤53：按照缺陷添加顺序依次确定缺陷参数；缺陷添加顺序为按照点蚀、胶合、断齿和磨损依次进行判断添加；缺陷参数包括缺陷数量、缺陷所在齿数和组成缺陷基本特征数量；
[0037]步骤54：根据待生成的缺陷类型和缺陷参数，结合缺陷结构规则和缺陷位置规则利用CreatePocketFeature函数在待添加缺陷齿轮模型中创建缺陷，生成缺陷齿轮样本；
[0038]步骤55：根据均衡参数控制各种类型的缺陷齿轮样本数量，生成的所有缺陷齿轮样本构成直齿圆柱齿轮CAD模型样本库；
[0039]预设数量上限，每生成一个缺陷齿轮样本，均利用公式(2)计算每种缺陷的均衡参数，根据公式(3)的约束条件，当缺陷齿轮样本数量大于数量上限时，如果各种类型缺陷的均衡参数存在数量级上的差异，即超出缺陷规则，则强制取消下一轮样本库构建模型生成缺陷齿轮样本时均衡参数最大的缺陷类型的添加，直至生成缺陷齿轮样本的数量达到样本库规模上限。
[0040]上述技术方案的技术效果为，利用随机分布的圆柱体凹槽表达齿轮接触疲劳引发的点蚀缺陷的拓扑结果；胶合是齿轮运动期间由于两个齿的相对滑动而形成于齿面之上的，其结构近似于带有尖端的不规则凹槽，可用交错的三棱柱凹槽组合表示；齿轮上裂纹的出现易导致断齿的发生，通过边界相接的三棱柱凹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大规模包含缺陷直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建正常零件库，预设缺陷类型、基本特征类别以及待构建样本库中缺陷规则；正常零件库中包括正常齿轮模型、基本参数及标识齿关键点信息；步骤2：基于直齿圆柱齿轮中各类缺陷的真实拓扑结构，利用基本特征类别中基本特征的组合表示各类缺陷的外形，构建缺陷结构规则；步骤3：采集实际直齿圆柱齿轮中各类缺陷的位置信息，映射各类缺陷的基本特征与所述正常齿轮模型的相对位置，构建缺陷位置规则；步骤4：根据步骤1中预设的缺陷规则建立各类缺陷频次调控约束；步骤5：根据所述正常齿轮模型，结合所述缺陷结构规则和所述缺陷位置规则建立样本库构建模型，生成缺陷齿轮样本，利用所述各类缺陷频次调控约束调整所述样本库构建模型生成的缺陷齿轮样本的类型，样本构建模型生成的所有缺陷齿轮样本组成大规模包含齿面缺陷的直齿圆柱齿轮CAD模型样本库。2.根据权利要求1所述的大规模包含缺陷直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法，其特征在于，缺陷类型包括点蚀、胶合、轮齿折断和齿面磨损；基本特征类别中的基本特征包括圆柱体凹槽、长方体凹槽和三棱柱凹槽。3.根据权利要求1所述的大规模包含缺陷直齿圆柱齿轮CAD模型样本库的构建方法，其特征在于，构建缺陷位置规则的具体过程为：步骤31：确定直齿圆柱齿轮中单齿缺陷位置；步骤311：构建单齿的草图平面，以及位于草图平面上齿面的缺陷；步骤312：根据草图平面确定各类缺陷在齿面坐标系的变动范围；步骤32：根据正常齿轮模型对应的标识齿关键点信息中的关键点坐标确定各齿在齿轮坐标系中的位置，依次进行每个单齿缺陷位置在正常零件的齿间转换，获得缺陷位置规则；齿轮不同齿间，各齿上相对位置相同的关键点坐标转换公式为：其中，N
G
为齿轮的齿数；若标识齿上的关键点p的坐标为(x,y)，则间隔n齿的随机示例齿上与关键点p相对位置相同的关键点p`的坐标值为(x`,y`)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱增，徐振兴，赵罡，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：