关键词:
神经网络
卷积神经网络
U-Net网络
金字塔结构
注意力机制
摘要:
目前通过机械零件三维实体模型投影得到零件的二维零件图的技术已经相当成熟,但是通过零件二维图像及相关信息实现零件三维模型重构目前都由人工操作完成,人工操作方式繁琐且效率低,已经不能满足智能制造与数字化集成制造技术快速发展的需要。本课题以常见的轴类、盘类、叉架类和箱体类零件为对象,进行零件图闭合轮廓的研究。识别和提取机械零件工程图的闭合轮廓为三维模型重构奠定基础,同时也可以将提取的闭合轮廓在钣金材料上切割下对应的零件,实现简单零件的下料问题。针对传统方法的识别和提取效率低、精度不高和识别提取对象单一的问题,本次研究致力于解决机械零件图中闭合轮廓识别和提取过程中效率低下的问题,在此基础上提出了针对机械零件图中封闭轮廓识别和提取的神经网络模型。该研究在基于Python语言的Tensor Flow深度学习框架中实现。主要内容及成果如下:(1)机械零件数据集的准备与处理。首先使用Auto CAD绘图软件绘制完整的机械零件图,因本课题重点研究零件图闭合轮廓,首先关闭本次研究不需要的图层,仅保留粗实线图层;其次,使用labelme软件标记并命名不同形状的闭合轮廓,生成对应的语义分割图;最后,为防止过拟合现象扩充数据集,使用翻转和裁剪等数据增广手段扩充数据集。(2)针对采用传统方法对机械零件图进行识别提取过程中效率低下和图形对象单一等问题,提出基于卷积神经网络应用于机械零件图的识别提取模型。首先其选定的简单机械轴类图形进行识别提取研究,使用卷积神经网络中全卷积神经网络FCNs(Fully Convolutional Networks)、Seg Net和U-Net对轴类零件数据集进行训练和测试。通过用多项评价指标对其实验结果进行验证分析可得,传统U-Net模型在机械零件闭合轮廓的识别提取任务中与FCNs、Seg Net相比具有更出色的性能,此外U-Net网络模型在机械图形分割方面具有更好的泛化性,初步验证了使用U-Net对机械零件图封闭轮廓进行识别提取的可行性。(3)传统U-Net模型对机械零件图形的识别提取精度明显优于FCNs、Seg Net模型,但提取后的部分零件图形闭合轮廓出现像素分类错误和漏检的现象。针对此问题,本研究基于U-Net提出一种用于机械零件图形封闭轮廓识别提取的改进模型,即在U-Net解码器上采样后添加CBAM(Convolutional Block Attention Module)注意力机制及上采样前添加MASPP(Mean Atrous Spatial Pyramid Pooling)金字塔模块的方式来提高其模型的分割性能。通过对轴类、盘类和叉架类机械零件图进行实例验证,添加CBAM注意力机制和MASPP金字塔模块的U-Net网络与原始U-Net网络和仅添加一种模块的U-Net网络相比,漏检和像素分类错误现象得到明显改善,轮廓细节实现更精细的识别与提取,整体分割精度得到明显的提高。针对机械零件图形封闭轮廓的识别与提取任务中,与传统方法相比基于卷积神经网络的语义分割模型具有更高的效率和普适性;与原始U-Net网络相比,本研究提出的融合CBAM注意力机制和MASPP金字塔结构的U-Net改进模型,较好的实现了对机械零件图闭合轮廓的识别与提取。