（管理科学与工程专业论文）基于STEP的制造特征识别与三维重建技术研究.pdf

目录 叭y 1 m 7 帆8 叭吣7 m 1 叭9 1 1 7 l i 目录 中文摘要i 英文摘要i i i l 弓i 言1 1 1 研究的目的与意义。1 1 2 国内外研究动态1 1 2 1 基于s t e p 的c a d c a p p c a m 集成技术研究现状2 1 2 2 机械产品制造特征识别技术研究现状3 1 2 3 基于s t e p 的三维重建技术研究现状6 j 3 本文研究的主要内容、方法及技术路线7 1 3 1 主要研究内容7 1 3 2 主要研究方法8 1 3 3 技术路线8 2s t e p 标准与中性交换文件结构分析j 。1 0 2 1s t e p 标准简介1 0 2 2s t e p 标准的体系结构1 0 2 2 1 描述方法1 1 2 2 2 集成资源1 1 2 2 3 应用协议1 2 2 2 4 实现方法o ：1 2 2 2 5 一致性测试1 2 2 3e x p r e s s 形式化的数据规范语言1 2 2 3 1e x p r e s s 的数据类型1 3 2 3 2e x p r e s s 的说明1 3 2 3 - 3e x p r e s s 的继承机制一1 4 2 3 4e x p r e s s 与c + + 的映射。1 4 2 4s t e p 中性交换文件结构分析1 4 3 基于s t e p a p 2 0 3 的三维实体模型信息提取1 7 3 1 应用协议a p 2 0 3 简介1 7 3 2s t e p a p 2 0 3 信息模型分析1 7 3 2 1 三维建模技术简介1 7 3 2 2a p 2 0 3 实体信息表达模式18 3 2 3a p 2 0 3 信息模型中几何信息分析1 9 3 2 4a p 2 0 3 信息模型中拓扑信息分析2 5 3 3 基于s t e pa p 2 0 3 三维实体模型信息提取研究2 7 东北农业大学管理学硕十学位论文 3 3 1 实体数据向c + + 数据结构的映射2 7 3 3 2 信息提取算法设计3 0 4 基于s t e p 的属性邻接图的零件制造特征识别3 2 4 1 特征的定义与基于属性邻接图的特征识别技术简介3 2 4 1 1 特征的定义3 2 4 1 2 基于属性邻接图的特征识别技术简介3 2 4 2 基于s t e p 的属性邻接图的零件制造特征识别3 4 4 3s t e p 数据模型中边的凸凹性判定3 4 4 3 1 直线边凸凹性判定3 4 4 3 2 圆边凸凹性的判断3 7 4 4 属性邻接图存储技术研究4 0 4 4 1 属性邻接矩阵4 0 4 4 2 扩展属性邻接矩阵4 1 4 5 特征子邻接矩阵匹配4 3 4 5 1 典型制造特征定义4 3 4 5 2 特征子邻接矩阵提取算法设计4 6 4 5 3 特征子邻接矩阵匹配算法设计：4 9 5 基于o p e nc a s c a d e 平台的s t e p 模型三维重建5 1 5 1o p e nc a s c a d e 平台简介。5 l 5 2s t e p 模型与o p e nc a s c a d e 模型之间的映射5 2 5 3o p e nc a s c a d e 平台s t e p 相关应用程序接口分析5 3 5 4o p e nc a s c a d e 读取s t e p 数据模型技术分析5 4 5 5o p e nc a s c a d e 平台上s t e p 数据模型的三维重建5 6 6d n a f r s 系统设计及开发5 8 6 1s t e p 信息提取模块5 8 6 2 属性邻接图生成模块5 9 6 3 特征子邻接矩阵提取模块6 0 6 4 特征子邻接矩阵匹配模块6 0 6 5s t e p 三维实体重建模块6 1 6 6 系统主界面6 2 7 结论与展望。6 4 7 1 本文主要结论。6 4 7 2 未来工作展望。6 4 致谢6 5 参考文献6 6 攻读学位期间发表的学术论文6 9 c o n t e n t s c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1a i m sa n ds i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c h 1 1 2s u r v e yo f d o m e s t i ca n do v e r s e a s r e s e a r c hd y n a m i c s 1 1 2 1r e s e a r c h c u r r e n t s t a t u s o f s t e p b a s e d c a d c a p p c a m i n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y 2 1 2 2r e s e a r c hc u r r e n ts t a t u so f m a c h i n ep r o d u c tm a n u f a c t u r i n gf e a t u r er e c o g n i t i o n 3 1 2 3r e s e a r c hc u r r e n ts t a t u so fs t e pb a s e d3 dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 6 1 3m a i nc o n t e n t s m e t h o d sa n dt e c h n o l o g i c a lr o u t e 7 1 3 1m a i nc o n t e n t so f r e s e a r c h 7 1 3 。2m a i nm e t h o d so f r e s e a r c h 。：8 1 3 31 e c h n o l o g i c a ir o u t eo f r e s e a r c h 8 2 a n a i y s i so f s t e p a n dc o n s t r u c t i o no f i t sn e u t r a le x c h a n g ef i l e 1 0 2 1b r i e f i n t r o d u c t i o no f s t e p 1 0 2 2s t r u c t u r eo f s t e p 1 0 2 2 1d e s c r i p t i o nm e t h o d s 1l 2 2 2i n t e g r a t e dr e s o u r c e s 11 2 2 3a p p l i c a t i o np r o t o c o l s 1 ：! 2 2 4i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ：1 ：1 2 2 5c o n f o r m a n c et e s t i n g 1 ：1 2 3e x p r e s s l a n g u a g e 1 2 2 3 1d a t at y p eo f e x p i 乇e s s 1 3 2 3 2d e s c r i p t i o no f e x p i t e s s 1 3 2 3 3i n h e r i t a n c em e c h a n i s mo f e x p r e s s 1 4 2 3 4m a p p i n ge x p r e s st oc + + 1 4 2 4 a n a l y s i so f c o n s t r u c t i o no f s t e p n e u t r a le x c h a n g ef i l e 1 4 3r e s e a r c ho ns t e p a p 2 0 3b a s e d3 ds o l i dm o d e li n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n 1 7 3 1i n t r o d u c t i o no f a p l l i c a t i o np r o t o e o la p 2 0 3 1 7 3 2a n a l y s i so f s t e p a p2 0 3i n f o r m a t i o nm o d e l 1 7 3 2 1i n t r o d u c t i o no f 3 dm o d e l i n gt e c h n o l o g y 1 7 3 2 2i n f o r m a t i o nr e p r e s e n t a t i o nm o d e o f a p2 0 3e n t i t i e s 18 3 2 3a n a l y s i so f g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o ni n a p2 0 3i n f o r m a t i o nm o d e l 1 9 3 - 2 。4a n a l y s i so f t o p o l o g i c a li n f o r m a t i o ni na p2 0 3i n f o r m a t i o nm o d e l 2 5 3 3r e s e a r c ho ns t e p a p 2 0 3b a s e d3 ds o l i dm o d e ll n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n 2 7 东北农业大学管理学硕士学位论文 3 3 1m a p p i n ge n t i t yd a t at oc + + d a t as t r u c t u r e 2 7 3 3 2d e s i g no f l n f o r m a t i o ne x t r a c t i o na l g o d t h m 3 0 4s t e pb a s e da a gp a r t sm a n u f a c t u r i n gf e a t u r er e c o g n i t i o n 3 2 4 1d e f i n i t i o no ff e a t u r ea n di n t r o d u c t i o no f a a gb a s e df e a t u r er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y 3 2 4 1 1d e f i n i t i o no f f e a t u r e 3 2 4 1 2i n t r o d u c t i o no f a a gb a s e df e a t u r er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y 3 2 4 2s t e pb a s e da a gp a r t sm a n u f a c t u r i n gf e a t u r er e c o g n i t i o n 3 4 4 3c o n v e x - c o n c a v ed e c i s i o no f e d g ei na p2 0 3d a t am o d e l 3 4 4 3 1c o n v e x - c o n c a v ed e c i s i o no f l i n e a re d g e 3 4 4 3 2c o n v e x - c o n c a v ed e c i s i o no f c i r c i n a le d g e ：；7 4 4r e s e a r c ho na a gs t o r et e c h n o l o g y 4 0 4 4 1a t t r i b u t e da d j a c e n c ym a t r i x 4 0 4 4 2e x t e n d e da t t r i b u t e da d j a c e n c ym a t r i x 4 1 4 5f e a t u r es u b - a a mm a t c h i n g 4 3 4 5 1d e f i n i t o no f c l a s s i c a lm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e 4 3 4 5 2a l g o r i t h mo f f e a t u r es u b - a a me x t r a c t i n g 4 6 4 5 3a l g o r i t h mo f f e a t u r es u b a a mm a t h i n g ：4 9 5o p e nc a s c a d eb a s e ds t e pm o d e i3 dr e c o n s t r u c t i o n 5l 5 1i n t r o d u c t i o no f o p e nc a s c a d e 5 1 5 2m a p p i n gb e t w e e ns t e pm o d e lw i t ho p e nc a s c a d em o d e l 5 2 5 3a n a l y s i so f a p ia b o u ts t e pi no p e nc a s c a d e 。5 3 5 4a n a l y s i so f r e a d i n gs t e pd a t am o d e lu s i n go p e n c a s c a d e 5 4 5 。53 dr e c o n s t r u c t i o no f s t e pm o d e li no p e nc a s c a d e 5 6 6d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fd n a f r ss y s t e m 5 8 6 1s t e pi n f o r m a l c i o ne x t r a c t i o nm o d u l e 。5 8 6 ：! a j 6 l 1 3b u i l dm o d u l e 5 9 6 3f e a t u r es u b a a me x t r a c t i n gm o d u l e 6 0 6 4f e a t u r es u b - a a mm a t c h i n gm o d u l e 6 0 6 5s t e p3 ds o l i dm o d e lr e c o n s t r u c t i o nm o d u l e 6 1 6 6m a i ni n t e r f a c eo fs y s t e m 6 2 7c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 6 4 7 1m a i nc o n c l u s i o n so f r e s e a r c h 6 4 7 2p r o s p e c to f r e s e a r c h 6 4 a c k n o w l e d g e m e n t 6 5 r e f e r e n c e s 6 6 p u b l i s h e da r t i c l ed u r i n gs p e c i a l i z i n gt h ed e g r e eo fm a s t e r 6 9 - l 独创声明 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 垫遗直墓丝盖要挂别童堕的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：萄丽岂 日期：刃，口年多月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) ， 学位论文作者签名：墩丽当 日期：洲，矿年月易日 导师签名： 彳埙、 日期：乡切，口年多月石日 一 摘要 摘要 c a d c a p p c a m 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c a d c a p p 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。s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d a ld a t a ) 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c a x 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c a d 系统生成的s t e p 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c a d 与c a p p 系统间的智能接口，并对s t e p 数据模型进行三维实体重建，实现了一个不依赖于任何c a d 软件的自动特征识别系统，验证了s t e p 中性交换机制的可行性，同时也对c a d c a p p 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s t e p 国际标准的主要内容，掌握其数据交换技术细节，并对s t e p 形式化 描述语言e x p r e s s 和s t e p 物理中性文件结构与格式进行充分研究。详尽地分析了+ s t e p 数据模型中的几何与拓扑信息，并在此基础上利用e x p r e s s 语言的面向对象特性，设计了 c + + 类与s t e p 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s t e p 中性文件 中的几何、拓扑信息进行提取。 ( 2 ) 采用了基于s t e p 的属性邻接图( a t t r i b u t e d a d j a c e n c yg r a p h ，a a g ) 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s t e p 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o p e nc a s c a d e 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s t e p 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o p e nc a s c a d e 的机械零件s t e p 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s t e p 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s t e p 三维实体重建功能模块，利用v i s u a lc + + 工具 开发了d n a f r s ( d o n g n o n g a u t o m a t e d f e a t u r er e c o g n i t i o ns y s t e m ) 自动特征识别原型系统。 关键词s t e p ；信息提取；制造特征识别；o p e nc a s c a d e ；三维重建 r l l a b s t r a c t r e s e a r c ho ns t e p - b a s e dm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e r e c o g n i t i o na n d3 dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i n go fc a d c a p l p f c a ms y s t e m si s k e yt e c h n i q u e f o rr e a l i z i n gt h e i n t e g r a t i o n , i n t e l l e c t u a l i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o no ft h em a c h i n e r ym a n u f a c t u r ei n d u s t r y h o w e v e r , t h e r ei sab o t t l e n e c kp r o b l e ma b o u ts h a r i n ga n de x c h a n g i n go fd a t ab e t w e e nc a da n dc a p p s y s t e m s 。w h i c hr e s t r i c t e dt h ea p p l i c a t i o no fi n t e g r a t i n gt e c h n i q u e s t e pc a nr e s o l v et h i sp r o b l e m b e t w e e nd i f f e r e n t sc a x s y s t e m se f f e c t i v e l yb yp r o v i d i n gan e u t r a lm e c h a n i s mw i t h o u td e p e n d e n c e o no t h e rs y s t e m sa n db u i l d i n gd a t am o d e lf o rw h o l el i f e c y c l eo fp r o d u c t n 伧d i s s e r t a t i o na n a l y z e d a n dr e s e a r c h e dt h es t e pn e u t r a lf i l ec r e a t e db yc a ds y s t e m ，e x t r a c t e da n dr e c o g n i s e d m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sf r o mt h ed a t am o d e l 。b u i l tai n t e l l e c t u a l i z e di n t e r f a c eb e t w e e nc a da n d c a p ps y s t e m a n dr e c o n s t r u c t e d3 ds o l i dm o d e lf o rt h es t e pd a t am o d e l ap r o t o t y p ea u t o m a t e d f e a t u r er e c o g n i t i o ns y s t e mw i t h o u td e p e n d e n c eo na n yc a ds y s t e m sw a si m p l e m e n t e d t h e f e a s i b i l i t yo ft h en e u t r a lm e c h a n i s mp r o v i d e db ys t e pw a sv a l i d a t e d a n dt h ei n t e g r a t i o no f i n f o r m a t i o nb e t w e e nc a da n dc a p ps y s t e m sw a se x p l o r e da n dp r a c t i s e de f f e e t i v e l y t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gf o u ra r e a s ： ( 1 ) t h em a i nc o n t e n to fs t e pa n di t sd e t a i la b o u te x c h a n g et e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e d t h e e x p i 也s sl a n g u a g e t h ec o n s t r u c t i o na n df o r m a to fs t e pn e u t r a lf i l ew e r er e s e a r c h e df u l l y o nt h e b a s i so ft h ed e t a i l e da n a l y s eo fg e o m e t r i c a la n dt o p o l o g i c a li n f o r m a t i o ni nt h es t e pd a t am o d e l a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f o b j e c to r i e n t e de x p r e s s c + + c l a s s e sw e r ed e s i g nf o rm a p p i n gw i t hk e y e n t i t i e si nt h es t e pd a t a m o d e l f i n a l l yap a r s i n gp r o g r a mf o re x t r a c t i n gg e o m e t r i c a la n d t o p o l o g i c a li n f o r m a t i o ni nt h es t e p n e u t r a lf i l ew a sd e v e l o p e d ( 2 ) t h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sr e c o g n i t i o nw a su s i n gt h ea t t r i b u t e da d j a c e n c yg r a p h ( a a g ) b a s e df e a t u r er e c o g n i t i o na p p r o a c h f i r s t l y , t h ec o n v e x - c o n c a v ed e c i s i o na l g o r i t h mf o rt h ee d g ei n t h es t e pd a t am o d e lw a sp r o p o s e d , a n dt h ea a gf o rp a r t sw a sc r e a t e db yu s i n gt h i sa l g o r i t h m a f t e rt h ea a gw a sc r e a t e d , i tw a ss t o r e di nt h ec o m p u t e rm e m o r yu s i n gt h ee x t e n d e da t t r i b u t e a d j a c e n c ym a t r i x ( e a a m ) m e t h o di n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n s e c o n d l y , t h e s es u b a a gw i t h t h ep r e d e f i n e ds u b a a go fc l a s s i c a lm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sw e r ea l s os t r o e di nt h ec o m p u t e r m e m o r yu s i n ge a a m 。a n dt h e nt h ea l g o r i t h mo fe x t r a c t i n gt h es u b - a a go ff e a t u r e sw a sd e s i g n e d f i n a l l y , af e a t u r em a t c h i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sw e r ee f f e c t i v e l y r e c o g n i z e di nt h ef e a t u r em a t c h i n gp r o c e d u r e ( 3 ) t h ei n t e g r a t e dc o n s t r u c t i o na n df u n c t i o no ff r e ea n do p e ns o u r c eo p e nc a s c a d e ( o c c ) 3 dm o d e l i n gp l a t f o r mw a sr e s e a r c h e d t h ed a t ae x c h a n g i n gm o d u l ea n dt h ev i s u a l i z a t i o nm o d u l e m a i n l yc o n c e r n e dp a r to fo c cw e r ea n a l y z e dd e t a i l y t h ei n t e r f a c ef u n c t i o na b o u tr e a d i n gs t e p n e u t r a lf i l ea n dr e c o n s t r u c t i n g3 dm o d e lw e r er e s e a r c h e d f i n a l l y , 3 dr e c o n s t r u c t i o no fs t e pd a t a i i i 东北农业大学管理学硕十学位论文 m o d e lf o rm e c h a n i c a lp a r tw a si m p l e m e n t e d u s i n gt h ef u n c t i o ni nd y n a m i cl i n kl i b r a r yp r o v i d e db y o c c ( 4 ) o nt h eb a s i so f t h et h e o r e t i c sr e s e a r c h , a n dd e s i g n so fs t e pi n f o r m a t i o n e ) c t r a c t i o nm o d u l e a a gb u i l dm o d u l e ，f e a t u r es u b - a a m ( s u ba t t r i b u t ea d j a c e n c ym a t r i x ) e x t r a c t i o nm o d u l e 。f e a l = u r e s u b - a a mm a t c hm o d u l ea n ds t e p3 ds o l i dm o d e lr e c o n s t r u c t i o nm o d u l e ，a p r o t o t y p es v s t e m n 锄e dd n a f r s ( d o n g n o n ga u t o m a t e df e a t u r er e c o g n i t i o ns y s t e m ) w a si m p l e m e n t e db yu s i n g v i s u a lc + + d e v e l o p m e n tt 0 0 1 k e y w o r d ss t e p ；i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ；m a n u f a c t u r i n gf e a t u r er e c o g n i t i o n ；o p e n c a s c a d e ；3 d r e c o n s t m e t i o n c a n d i d a t e ：d a ib a i s h e n g s p e c m l i t y ：m a n a g e m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s u p e r v b o r ：p r o f q i a oj i n y o u i v ji 引言 1 引言 1 1 研究的目的与意义 机械制造产品的设计与制造过程是一个关于产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。 随着c a d c a p p c a m 技术的推广与应用，为了使整个制造过程达到更高的信息化