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摘要 基于u g 产品造型设计特征提取与继承技术研究 姓名：吴友汀指导教师：薛澄岐教授 学校：东南大学 摘要 特征提取就是从零件的实体模型中抽取出具有特定工程意义的特征信息，也叫特征 识别。由于对实现c a d c a p p c a m 集成具有重要意义，所以特征识别技术自从特征技 术产生以来就一直是国内外专家学者的研究热点和难点。特征继承与重构技术是原有设 计特征的再利用，对创新设计和变形设计具有重要的研究价值。 本文首先详细论述了参数化技术与特征技术基本原理，包括参数化技术的发展概况， 几何约束的表示与求解方法及其未来的发展趋势、特征的定义、分类和表示方法等等。 随后对自动特征识别技术的各种方法进行了介绍，详细研究了u g 下的特征描述与 特征提取的基本方法，并对微波器件的设计特征进行详细分析，结合参数化零件建库的 基本理论和u g 的特点，以m ss q l s e r ：汛为后台数据库，实现了u g 下的微波器件 零件库，从而达到了特征提取的第一个目的。该零件库可以实现新零件特征自动提取、 新类别零件模板入库和快速参数化设计等功能，并为网络环境下协同设计和设计数据共 享奠定了基础。 最后论文就目前特征继承技术的研究概况，结合面向对象技术和特征技术，提出了 面向特征继承的特征分类方法。研究特征重构技术的基本算法，并以此为基础，在u g 环境下利用o p e n a p i 函数，实现了凸台类、腔孔类、沟槽类、倒角类等特征的继承和 重构算法，并将其成功的运用到手机下盖的造型概念设计中。 【关键词】u g 二次开发特征识别特征继承重构 a b s t r a c t r e s e a r c ho np r o d u c tm o d e l i n gd e s i g nf e a t u r e e x t r a c t i o na n di n h e r i t a n c et e c h n i q u e s b a s e do nu g n a m e ：w uy o u - r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f x u ec h e n g 却 s o u t h e a s tu n i v i t y a b s ；t r a c t f e a t u r ee x t r a c t i o ni sd e f m e d 笛e x t r a c t i n gf e a t u t ei n f o r m a t i o nw i t hf i x e de n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n o eo fap a r tf i o mi t sc a dm o d e la u t o m a t i c a l l y , i ti sa l s on a m e da st h en a l n eo f f e a t u r er e c o g n i t i o n b e c a u s ei ti si m p o r t a n tt or e a l i z ee f f c c t i r ei n t e g r a t i v eo fc a d ，c a p pa n d c a m f e a t u r ee x t r a c t i o nh a sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c ha r e aw h e nf e a t u r et e c h n o l o g yw a s p r e s e n t e d f e ：a t u r ei n h e r i t a n c ea n dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e df o rr e u s eo ff o f i n e r d e s i g nf e a t u r e ，i ta l s oc a nb eu s e di ni n n o v a t ed e s i g na n dv a r i a n td e s i g n f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lo fp a r a m e t r i ct e c h n o l o g ya n df e a t u r et e c h n o l o g yi sd i s c u s s e di n d e t a i l ，i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do fp a r a m e t r i ct e c h n o l o g y , g e o m e t r i cc o n s t m i t a t s o l v i n g e t c t h e nt h er e p r e s e n t a t i v ef e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o d sa t er e v i e w e d ，e s p e c i a l l y ，t h e f e a t t i r er e c o g n i t i o na n df e a t u r ed e s c r i p t i o ni nu gi sp r e s e n t e d a f t e rap a r t i c u l a ra n a l y s i sf o r m i c r o w a v ep a r t s f e a t u r c c o m b i n e dt h em e t h o do fp a r t sd a t a b a s ew i t hu gam i c r o w a v ep a r t s d a t a b a s ei ss e tu p i nt h i ss y s t e m ，m a n yf u n c t i o n sa l ei m p l e m e n t e d ，s u c ha sa u t o m a t i ci e ：a t u r e r e c o g n i t i o n a d d i n gt e m p l a t ep a r ta n dp a r a m e t r i cd e s i g n ，e t e a tl 豳t ，f e a t u r ei n h e r i t a n o ea n d r e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u o e da n daf l e wc l a s s i f yo fl e a t u r cf o rf e a t u r ei n h e r i t a n o bi s p r e s e n t e dw i t ht h ec o u p l i n go fo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l c l g ya n df e a t u r et e c h n o l o g y a f t e r h a v i n gar e s e a r c ho fa r i t h m e t i cf o rf e a t u r ei n h e r i t a n o ea n dr e c o n s t r u c t i o n ，ar e a l i z a t i o no f s o m ee l a s s e s f c a t u r ei n h e r i t a n c ea n dr e c o n a t r u c t i o nb a s e do t h a ta r i t h m e t i ci sm a d ew i t ht h e f u n c t i o 船o fu g 0 p e na p i k e yw o r d s ：u g ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，f e a t u r e e x t r a c t i o n ，f e a t u r ei n h e r i t a n c e ， r e c o n s t r u c t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书两使用过 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 表示了谢意。 研究生签名粒1 日期： l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 期：o 叫0 邓砂 第一章绪论 第一章绪论 1 1 c a d 技术概况 1 1 1 c a d 技术概述 计算机辅助设计技术即c a d 技术是先进制造技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、机 械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术。其以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括 二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析( f e a ) 及优化设计、数控加工编程( n c p ) 、仿真模拟 及产品数据管理等内容。随着i n t e r n e t 和i n t r a n e t 网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，异 地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到广泛研究与应用。经过多年的推广，c a d 技术已经广泛地应用 在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。应用c a d 技术起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、 减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。使传统的产品设计方法与生 产模式发生了深刻的变化，已经并且必然继续产生巨大的社会经济效益。 回顾历史，c a d 技术大概走过这样的历程：2 0 世纪6 0 年代初，麻省理工学院s u t h e r l a n d 发表了 s k e t c h p d 一人机对话系统一文，形成了c d 的俩个最基本概念：科学计算、绘图。7 0 年代。以 二维、三维线框几何造型方法为技术特点，c a d 开始走上了商品化，进入应用阶段。7 0 年代后期，伴 随着当时飞机和汽车工业的迅速发展，以表面模型为特点的自由曲面建模方法被称为c a d 技术的第一 次革命。8 0 年代初期，实体造型技术能够精确表达零件的全部几何、拓扑和材料等属性，在理论上 有助于c d c a e c a l 的统一表达。但是由于受到当时硬件水平的限制，一直到了8 0 年代中后期，才出 现了流行至今的特征建模技术、基于约束的参数化技术和变量化技术。 2 1 世纪经济全球化环境下，制造行业的竞争空前激烈。激烈的市场竞争同时也促进了先进制造 技术的发展，先进制造技术的发展推动了现代设计技术的发展，现代设计技术离不开c a d 。所以现代 c a d 技术被赋予了越来越多的内涵。 1 1 2 现代c a d 技术的主要内容 清华大学的董秉枢教授认为现代c a d 技术是指在复杂的大系统环境下，用于支持产品自动设计 的设计理论、设计环境与设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化。网络化和智 能化，以达到产品设计质量高、成本低和周期短的目标1 ”。 具体来说，现代c a d 技术研究的主要内容包括： ( 1 ) 研究现代设计理论与方法学：设计是一项复杂的创造性工作，也正由于它的复杂性，故迄今 为止，人们对设计规律尚缺乏成熟的认识，还没有形成严格的理论体系，过去和现在，人们一直在 探索各种各样的设计理论，寄希望于利用它们来有效的指导实际的设计工作。由于计算机技术、信 息技术的发展，基于计算机的设计理论与方法学，显得异常活跃，例如近年来提出的并行设计、协 同设计、虚拟设计、大规模定制设计( m a s sc u s t o m i z a t i o nd e s i g n ) 、分形设计( f r a c t a ld e s i g n ) 等。因此必须深入研究这些理论并发展新的理论，以便指导现代c a d 系统的实现。必须认识到：没 有先进的设计理论与方法，就没有现代c a d 技术的发展。 ( 2 ) 研究与设计环境相关的技术：良好的设计环境意味着动态联盟中异地分布的产品开发队伍能 通过广域网，充分利用各地的资源和信息进行协同设计，为此要研究解决以下技术： 协f 司设计环境的支持技术：例如广域网上的浏览器服务器( b s ) 环境、客户机服务器( c s ) 结构的计算机系统，以及基于a s 和c s 的协同设计的平台体系结构等。 协同设计的管理技术：例如，产品共享信息的交换，异构p d m 系统间的数据交换、设计过程 建模及冲突消解等问题。 ( 3 ) 研究与设计工具相关的技术： 产品数字化定义及建模技术：包括产品模型表达、s t e p 标准、建模技术等。 基于p d m 的产品数据管理与工作流( 过程) 管理技术。 集成的c a x 和d f x 工具为使现代c a d 系统从功能上能支持产品设计的全过程，包括需求分析、 1 东南大学硕士学位论文 概念设计、结构设计、详细设计、工程分析和工艺设计等，必须利用d f x 工具实现对下游的支持， 及早发现问题，避免大的返工 在上述技术研究中，必然会广泛采用管理技术，因此智能技术也必须进行研究。 1 1 3 现代c a d 的发展方向 随着互联网的普及，集成化( i n t e g r a t e d ) 、智能化( i n t e l l i g e n t ) 、协同化( c o f i a b o r a f i v e ) 成为 c a d 技术新的发展特点，使c a d 技术得以更广泛的应用，发展成为支持协同设计、异地设计和信息 共享的网络【2 | 预计现代c a d 将朝着下面几个方向发展唧： 一、变量化设计环境：变量化技术，贯穿于二维草图设计、三维零件造型，直到装配体设计全 过程；提供变量化草绘、建立变量方程、设计变量特征的能力：直接修改与基于设计历程修改相结 合，可随时灵活地修改原约束、建立新约束和删除旧约束，或进行与造型顺序无关的尺寸标注，而 不必关心设计顺序。变量化技术极大地改进了交互操作的直观性及可靠性，从而使c a d 软件更加易 于使用，效率更高。 二、虚拟产品建模技术：建立产品的虚拟原型或虚拟样机的过程。基于虚拟样机的试验仿真分 析，可以在真实制造之前发现问题，并得以解决。虚拟样机是集产品几何信息( 变量特征，设计历 程、工程约束方程) 、工艺信息( 尺寸、坐标系、公差配合、形位公差、材料及物理属性) 和加工 工艺信息等为一体的完整的信息主模型。 三、c a d c a m c a e p d m 集成技术：在产品的全生命周期中，c a d 系统用于产品的设计，c a e 系统用于产品分析。c a m 系统用于产品的加工生产。p d m 系统用于管理与产品有关的数据和过程， e r p 系统管理企业的人、财、物、信息等企业资源。c a d c a m c a e p d m 集成技术可以建立集成产 品信息模型，能够容易地在产品生命周期的不同环节间进行转换，要求能支持集成地、并行地设计 产品及其相关的各种过程，帮助产品开发人员在设计一开始就考虑产品从概念形成到产品报废处理 的所有因素。包括质量、成本、进度计划和用户要求。 四、智能c a d 技术：设计是一个含有高度智能的人类创造性活动，c a d 系统将引入知识工程，从 而产生智能c a d 系统。智能c a d 是c a d 发展的必然方向。 五、协同设计：计算机支持协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 作为一 项支持并行工程的使能技术，在现代c a d 环境中得以实现，协同机制构造一种“虚拟工作空闻”， 开发成员围绕一个共同任务协同地进行工作。这要求c a d 软件可以很好地解决协同设计中的各种冲 突，包括基于规则的冲突消解、基于实例的冲突消解、基于约束的冲突消解及冲突协商； i n t e m e t i n t r a n e t 上进行群体成员间多媒体信息传输；异构环境中的数据传输与工具集成：设计群体中 人人交互技术，包括利用自板、语音、视频等工具进行电子会议等。 1 2 特征提取技术概况 特征提取，也就是特征识别，自从特征技术产生以来，就一直是国内外研究学者的研究热点和 难点。这是因为：1 、特征提取在特征技术中占据着非常重要的地位，尤其是在c a p p c a m 应用中， 特征提取是不可或缺的第一步。2 、一些特征如相交特征和复杂特征的识别目前还没有得到很好的解 决。 所谓特征识别就是从产品的实体模型出发，自动地识别出其中具有一定工程意义的几何形状， 即特征，进而生成产品的特征模型。 特征识别的研究工作最早开始于7 0 年代中期的英国剑桥大学c a d 中心。该中心的g r a y e r 在 1 9 7 5 年首次尝试从零件的实体模型中自动提取出对计算零件的数控加工刀具轨迹有意义的几何形 状，如型腔，并基于如此的特征进行零件的刀具轨迹计算。该中心的另一位研究人员k y p f i a n o u ，则 在他的博士论文中首次上e 式引入了现有的特征识别思想，从而奠定了基于边界表示进行特征识别的 基础，时间是1 9 8 0 年。从此以后，特征识别技术以及特征的概念受到了学术界以及工业界的普遍重 视，研究工作广泛展开。新的特征识别方法不断出现。特征识别的范围也从开始的加工特征扩展到 检测特征、分析特征等许多方面。 特征识别是对零件实体模型进行解释，从低层信息中抽取数据形成零件高层信息的过程。由于 商品化实体造型c a d 系统支持的实体模型信息具有低层次的特点，加工工艺与设计的信息需求不 同，因此在特征造犁中必然存在特征识别的问题。同时，造型特征与加工特征强求同一缀凼难，所 以通过识别实体模型特征提取参数进而形成加工信息，应该是一个很好的解决方法。图1 - i 给 2 第一章绪论 出了特征识别系统的结构示意图【4 】。 图1 - 1 特征识别系统的结构示意图 特征识别的基本原理是将几何模型中的几何实体与预定义的特征类进行比较，确定相匹配的特 征实体，从而识别出相应的特征。特征识别过程一般有以下步骤p j ： ( 1 ) 搜索产品几何数据库，匹配特征的几何拓扑类型。 ( 2 ) 从数据库中提取已识别出的特征实体。 ( 3 ) 确定特征描述参数。 ( 4 ) 构造特征几何模型。 ( 5 ) 对能够合并成组合特征的基本特征进行组合，获取高级特征。 关于特征识别技术的具体方法将在第四章中做详细介绍。 1 3 本课题的研究意义与主要研究内容 1 3 1 本课题的研究意义 为了在竞争激烈的市场中占有一席之地，设计人员正在逐步使用更高效快捷的设计手段，即u g 、 p r 0 压等大量三维c a d 设计软件的广泛使用。但是这类软件和其它软件一样，由于注重通用性，不可 能过多地考虑具体产品设计时如何方便高教地使用的问题，也不具备一些与特定产品或企业密切相 关的专用功能。因此基于这些通用软件进行二次开发，结合具体产品，建立企业专用零件库日益受 到重视。把参数化特征造型技术应用到具体的产品设计上，可以大大提高设计人员的效率，避免大 量重复的工作，降低新产品研发的成本。这正是许多企业所希望的。当然受到目前整体二次开发水 平的限制，以及其它诸多条件的影响。要建立完全开放性，高度柔性的零件系列化设计信息系统还 比较难，但毕竟这是发展的趋势。微波器件主要有环行器、隔离器、同轴衰减器、同轴负载、大功 率波导负载、锁相源等无源器件和有源器件元件。主要应用于雷达、导弹、导航、遥控遥测、广播 电视、微波通讯、移动通讯等领域。随着市场竞争的日益激烈，对微波器件供应商提出了更高的要 求：较短的设计制造周期、较低的生产成本与较高的产品质量。波导法兰盘是重要的微波器件，种类 主要包括有普通矩形波导法兰盘、扁矩形波导法兰盘、圆形波导法兰盘、中等扁矩形波导法兰盘、 方形波导法兰盘等等。每一种法兰盘又包括有三类：有密封槽没有扼流槽、有密封槽和扼流槽、没 有密封槽和扼流槽。同系列法兰盘的结构特征是相似的，不同的只是特征参数的大小有所区别。所 以建立微波器件零件库对于实现快速参数化设计，以提高生产效率具有重要的意义。 另一方面，随着科学技术的进步，工业产品更新换代的速度越来越快，产品的开发速度加快， 开发周期变短，工业产品创新设计的重要性和在产品开发过程中的主导地位已受到世界各国的高度 重视和广泛关注。而目前产品设计基本上从新形态的构造出发，没有考虑实际设计过程中对原有产 品造型设计特征的继承和重构，而在新产品开发上，更新换代的产品开发占主导地位，对这类设计 往往会在保留一部分原型产品造型特征的基础上，进行创新设计，并非完全重新设计。继承与重构 正是产品设计中十分重要的设计方法和思维方式。东南大学薛澄岐教授承担的江苏省自然科学基金 ( b 融0 0 4 0 7 3 ) 、东南大学国家自然科学基金预研项目( 9 2 0 2 0 0 1 2 6 3 ) 基于产品概念设计的产品 造型特征继承与重构技术研究就是从事这方砸的理论研究。本文的特征提取、继承与重构技术的 研究是该项目中比较重要的一项工作。 1 3 2 本课题的主要研究内容 根据上述背景，本课题的主要研究工作在于下面几项：( 一) 对参数化特征造型理论进行研究， 3 东南大学硕士学位论文 重点对特征技术进行全面的分析与研究。( 二) 研究特征识别技术的理论，总结各种特征识别的方法 的优缺点，然后对微波器件进行特征分析，重点研究基于u g 的特征识别技术，建立具有友好人机界 面的微波器件零件库，实现设计特征类型与参数的自动提取、新零件模扳的入库及参数化设计等功 能。( 三) 运用面向对象方法对特征的类别进行分析，提出面向特征继承的特征分类，重点探讨特征 的可继承性和可重构性，研究特征继承与重构的算法，并以此为基础，利用i j g 二次开发的方法实现 凸台类，腔孔类、沟槽类和倒角类特征的继承与重构算法。 4 第二章参数化特征造型技术及其发展概况 第二章参数化特征造型技术及其发展概况 2 1 参数化发展概况及其相关技术 2 1 1 参数化技术概述 参数化技术( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ) ，又称为尺寸驱动，是指零件或部件的形状比较定型用 一组参数约束该几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不 同的参数序列值时，就可驱动得到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的模型 6 1 。2 0 世纪 舳年代中期，美国波音公司的一些技术人员提出了参数化实体造型方法，其特点是：全尺寸约束、 尺寸驱动设计修改、全数据相关、基于特征等。参数化实体造型技术的出现和特征造型概念的提出 标志着c a d 技术进入7 c a d c a m 集成化的新阶段，它使设计模型在几何和拓扑意义上建立约束的 关联，保证了模型编辑的高效性和可靠性。参数化技术具有下面几个特点： ( 1 ) 全尺寸约束：约束的概念是利用一些法则或限制条件来规定构成实体的元素之间的关系。 它可以分为尺寸约束和几何拓扑约束。尺寸约束一般摆对大小、角度、直径、坐标位置等可以具体 测量的数值进行限制；几何拓扑约束一般指平行、垂直、共线、相切等非数值的几何关系方面的限 制，也可以形成一个简单的关系式约束，如两边长度相等。全尺寸约束是将形状和尺寸联合起来考 虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数出发( 全约束) ，不能漏注尺 寸( 欠约柬) 或者多如尺寸( 过约束) 。 ( 2 ) 尺寸驱动：通过约束推理确定需要修改某一尺寸参数时，系统自动检索出此尺寸参数对应 的数据结构，找出相关参数计算的方程组并计算出参数，驱动几何图形形状的改变。尺寸驱动己经 成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。 ( 3 ) 全数据相关：尺寸参数的修改导致其他相关模块中的相关尺寸得以全部更新。这种方法的 优点在于彻底克服了自由建模的无约束状态。只需要编辑一个尺寸数值，其他与之相关的尺寸也随 着能够得到更新运算。 ( 4 ) 基于特征：将某些具有代表性的几何形状定义为特征并将其所有尺寸保存为可调参数， 形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。 2 1 2 几何约束的表示、分类与求解方法 一、几何约束的表示与分类 参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法。因为产品的整个设计过程就是约束规定、约 束变换求解以及约束评估的约束求精过程【7 】 从人工智能学角度看，设计问题是约束满足问题( c s p ：c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ) 。即给定功 能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。由此产生的参数化设计就是用几 何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似 性的设计方案。l 因此参数化设计的关键是约束关系的提取和表达、约束的求解以及参数化模型的构 造。 对于一般的参数化c a d 系统，其中的约束分为几何约束和工程约束。几何约束( g e o m e t f i c c o n s t r a i n t s ) 是指几何约束系统中几何元素之间同有的约束关系，它反映了产品在工程语义上的设计要 求，一般以几何设计参数为变元的约束方程式的形式提供。工程约束的引入使得设计者可以直接关 注设计的功能要求，从而为主设计提供了强有力的支持。本小节主要讨论几何约束的分类和描述。 几何约束关系可分为以下三大类嗍： ( 1 ) 结构约束：结构约束是指几何元素之间的拓扑结构关系，描述了几何元素之间的空问相对位 置和连接方式，如直线水平、铅垂、两线平行或垂直、相切、对称等图形元素的特性或翻形元素之 间的位置关系。其属性值在参数化设计过程中保持不变。在参数化设计中往往表现为隐含约束。 ( 2 ) 尺寸约束：尺寸约束是通过图上的尺寸标注表示的约束。如：点点距离、点线距离、线线夹 角、圆弧半径、起始角度等。非几何属性的重量、粗糙度、公差等也是以数值形式表现的，但不在 图形元素的约束之列。根据设计要求。这些尺寸之间相互依赖，相互联系。根据设计和标注原卿， i 訇纸的各尺寸之间不应出现循环依赖，对局部小规模的相互依赖关系应把他们看作是一整体，作为 5 东南大学硕士学位论文 一个新的约束类型对待。因此，尺寸的依赖关系呈层状结构，当某一尺寸发生变化时，所有直接夏 问接依赖它的尺寸需依次计算。 ( 3 ) 自定义约束：设计人员出于设计需要，在给尺寸参量取名的基础上，自行定义的一些约束方 程式或约束不等式称为自定义约束。 以上三类几何约束可以统一表示为1 9 l ： c 叠( t ，o l ，q 2 ，v ) 其中：c 表示约束；t 表示约束类型：q i ，q 2 表示约束对象；v 表示约束值。 二、几何约束求解方法 参数化技术核心是一旦给定了设计草图的若干尺寸和拓扑关系软件，系统就可以自动生成相应 的设计图，我们将这一求解过程称为几何约束求解。几何约束求解是指根据一定的算法作出一个或 所有满足几何约束集合的几何图形。通常，用户总是先画出一个设计f 1 题的草图，所以，几何约束求 解实际上是在一个草图的基础上进行求解。我们可以将几何约束问题分成三类1 1 0 】： ( 1 ) 完整约束几何约束问题- - ) l 何约束问题所对应的几何图形的形状有有限个。 ( 2 ) 欠约束几何约束问题几何约束问题所对应的几何图形的形状有无限个。 ( 3 ) 过约束几何约束问题几何约束问题无解。 到目前为止几何约束求解的方法大概可以分为下面几类翻： ( 1 ) 代数法：代数法包括数值迭代法、符号法、概率约束法与基于遗传和退火算法的参数化设 计方法等等。数值迭代法是最早用于求解约束集的方法。在这种方法中，约束集用一组非线性方程 组来表示，然后用n e w t o n 迭代法整体求解以确定所有的参数值。但用这种方法求解约束方程组有 一种广为人知的缺陷，即方程组迭代的收敛性问题，这将依赖于迭代初始值的选取：符号法利用了 方程的符号计算技术。它的主要思想是把原约束方程组转化为等价的另一组被称为是g r o b n e r 基的方 程组，这里所有的g r o b n e r 基所形成的方程组的根都将是原约束方程组的解；概率约束方法是由 y a a c o r yh e l o r 等学者提出的。这种方法把参数化设计模型看作是一个随机过程，把约束模型表示为 一概率方程组，然后用k a l m a r l 滤波器求解之，以获得确定该约束模型所有几何特征点所必需的全部 参数值；退火算法和遗传算法试图求解由等式及不等式组成的高次非线性高度交叉方程组( 或不等 式组) 所对应的约束满足问题，即该约束方程组有下述特性：高次性；高度交叉性，即约束方程组 难以分解。必须整体求解。 ( 2 ) 基于规则的方法：在这种方法中。约束集往往用一阶谓词来表达，用凡何推理和规则匹配 法来分别确定约束满足次序及应用何种规则来进行求解。 ( 3 ) 宜接编程法和参数化操作法：编程法将尺寸作为变量，对每种不同结构的零件分别编写不 同的程序，用编程的方法实现参数化设计。虽然这种方法比较简单可靠，但由于其针对性太强，因 而适应性较差，对于复杂性程度较高的图形，编程的工作量太大。参数化操作方法则是在归纳几何 图形拓扑约束关系的基础上，结合工程制图中常见尺规作图的步骤与方法，采用参数化操作表示与 处理几何约束，并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何模型。该方法简单、 实用，但难以表示与处理复杂的几何约束，难以支持对约束的添加、删除等操作。 ( 4 ) 基于构型变异的参数化方法：异构变异的本质是构形类之间的演化，其表现形式有下面几 种：尺寸变异、几何变异、拓扑变异、混合变异、突变等等。构形的变异蕴涵的是构形语义的本质 不变性。这种方法目前尚处于起步阶段，还需要很长的一段路要走。 2 1 3 九十年代中期以来参数化技术的发展概况 九十年代中期以来随着基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化方法在实践中得到广泛应用。 以利用图表示的基于知识的几何推理法和g a ox i a o - s h a n 提出的约束传播法为主要代表。 韩t 哥p o h a n g 大学l e ej a e y e o l ( 1 9 9 6 ) 提出利用图表示基于知识的几何推理方法，将完备的约束设 计模型和几何规则表示成图，从设计图选择出适当的子图以得到新的事实，并在规则图中搜索子规 则图去匹配模型中的子图1 1 1 1 。目的是改善推理过程，节省推理时间。 西班牙c a t a l u n y a 大学j o a n - a r i n y or ( 1 9 9 7 ) 等提出了一个基于规则的几何约束求解器，应用对象 为二维几何体求解过程分为两个阶段：第一阶段为建立构造步骤序列i 第二阶段则是根据当前尺寸 值和构造步骤生成几何对象的实例i 。该方法实质上是一种基于图和规则的构造过程方法，原型系 统通过p r o l o g 语言实现，分析器采用前向推理，而构造器则是一个简单的函数语言解释器。 6 第二章参数化特征造型技术及其发展概况 中科院系统所高小山和美国w i c h i t a 国立大学c h o us h a n g c h i n g ( 1 9 9 8 ) 在几何约束求解系统中，提 出了一种全局传播法和代码计算法，该方法对局部传播方法进行扩展，全局传播法在确定一个几何 元素对象的位置时是从几何元素集中的己知元素推理而来的。推理过程中不仅使用了显式约束，而 且还有约束信息中的隐含约束，并且能判定一几何对象是过约束，还是欠约束【1 3 1 。 i c ej a e y e o l 给出一种基于自由度分析( d e g r e e o f f r e e d o m a l y s 妫的约束分析与求解方法【1 4 j ，构 造与约束分析同步进行，求解算法稳定，并且已运用于机构的运动模拟 国内近年来对参数化的研究也显示出较高的热情，相继开发出一些具有较高技术水平的商品化 软件，在几何约束的表示和求解方面，提出了新方法和思路 浙江大学董金祥教授，葛建新博士提出了变参绘图系统中的一种约束求解新方法【1 5 ，“1 ，采用该方 法，不但可以通过分解和捧序来提高求解速度，而且可以通过快速指出约束不足和约束过载来提高 灵活性和可靠性。 山东大学孟样旭教授采用扩展的有向趣图结构( e x t e n d e d d i i t c t e d h y p c i g r a p h ) 建立了支持尺寸约 束、几何约束和拓扑结构约束的参数化图形表示模型【l - i 1 ，利用交互构造的图形对象的依赖关系建立 参数化图形约束关系的求解次序，在超图中采用有向边依次连接图形对象构成求解次序，由于图形 构造的每一步都保证约束的一致性，因此不会出现过约束或欠约束的情况。同时，针对约束耦合程 度高的循环约束情况，采用约束关系自定义机制和约束模型的递归求解机制，支持变结构参数化模 型。 清华大学张国伟等提出了一种基于自由度分析的约束传播算法l l ”，求解二维参数化设计中所建 立的几何约束模型。用约束图表示几何元素及它们之间的约束关系，用规则图来表示求解推理的过 程，采用了基于规则的推理与数值计算相结合，基于自由度分析的约束求解策略。 浙江大学谭建荣教授等针对现有在线参数化方法的不足，提出了模型建立和求解相分离的离线 式参数化方法 t 9 , 2 0 l ，基本思路是根据工程制图规则和尺寸与图形的本质联系，自动建立尺寸与图形 的约束关系，并探讨了工程图约束信息自组织原理和方法。 2 1 4 参数化技术的发展趋势 参数化设计作为机械c a d 的一项关键技术，它贯穿于从概念设计到详细设计的全部过程，目前 主要在以下几个方面进行深入研究阳j ； ( 1 ) 欠约束问题的有效处理；欠约束在产品的概念设计，如草图设计阶段普遍存在，文献f 2 2 1 试 图通过对隐式约束优先级的划分，将优先级高的隐式约束强制成显式约束，来表达变参后的设计意 图，但尽管这样还是存在多解的可能，因此，如何有效解决欠约束图的参数化还有待于进一步探索。 ( 2 ) 参数化设计应当与产品功能设计联系在一起产品设计本身就是一个创新过程，为实现特定功 能的机械产品多样性，产品的功能是和其特定的结构联系在一起的，不同行业的产品又有其特定的 设计要求，而现有参数化方法都是针对通用领域的，因此，如何将参数化设计与每个特定的领域联 系起来就有重要意义，一方面要开发一些面向不同行业的参数化图形库，另一方面要将不同领域的 设计知识与参数化过程联系起来。 o ) 参数化设计要向系统集成化方向发展以关系数据库为驱动源的参数化设计为零件、组件、装 配体以及产品管理信息的一体化设计提供了信息基础，随着数据库技术的发展，尤其是c s 数据库技 术的成熟，其为同一产品在不同地点、不同时间的并行设计提供了保障。 ( 4 ) 研究协同设计环境下基于约束的参数化设计模型现有参数化方法中，约束模型的建立与求解 都是基于单用户环境，是一种集中式的约束管理，它仅支持。人一机”交互，远未实现设计者之间 的交互，不能完成多用户之间的协调设计。在复杂产品的参数化设计中。各种设计任务在不同的设 计者之间如何分配；零件、部件、装配件中存在的局部约束和整体约束如何进行协同求解：各种设 计进程如何管理；约束信息在网络系统中如何存放等一系列问题，都有待于进一步研究。 2 2 特征技术概况 特征技术( f e a t u r et e c h n o l o g y ) 是在c a d c a m 技术的发展和应用达到一定水平，要求进一步提 高生产组织的集成化、自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。传统的c a d 系统不能用一个完整 的产品模型来支持生产活动，在设计、制造、检验、维护的各个环节中需要使用户重复的输入和识 别一些信息，定义自己的模型，以满足各工程应用子系统的具体需要，从而导致产品自动设计和制 造中的信息处理的中断。人为干预环节多，大量数据重复，致使其质量和效率难以提高。而1 9 7 8 年 首次被提出的特征造型概念是第一次在c a d 建模技术中，将产品制造工艺等相关的非几何、拓扑和 7 奎塑查兰堡主兰垡笙奎 材料信息包含在模型中，是c a d 建模理论和技术的有重要意义的拓展，目前仍然是c a d 建模的主 流技术，如u g 、p r o e 等均包含了部分特征的功能和特性，并进一步发展成为基于特征的造型系 统。 2 2 1 特征的定义 一般说到特征时，常指形状特征。第一个有关( 形状) 特征的定义是面向产品规划的：“由工件 中的面、边及顶点围成的一个特定几何外型”。随后又有面向过程规划的特征定义出现：“特征是指 部件中的特定部分，它定义了一定的几何外形，对应特定的加工过程，并且可以用于部件的装卡和 或测量”；“特征是一个具有一定工程含义的特定形状”这些定义的提出具有很强的应用背景，与制 造有着密切的联系，缺乏一定的抽象，因此这些定义只对于制造来说有意义。然而，特征已从最初 的过程延伸到了今天的设计、分析、检验等产品开发过程中的各个方面，因此对特征的定义也应从 更广泛的范围出发。 尽管目前对特征的定义仍未有统一的定义，但是一般认为特征具有以下的特性： 特征是部件的物理组元；具有一定的工程意义；可以以一定的形状存在映射关系：具有可预言 的性质。 2 2 2 特征的形式化描述嘲 定义1 特征与特征空间 设d = d l u d 2 u u d 。，d i 为应用空间的子集。给定一组约束c = c 1 u c a u u c 。，其中 c i = c ，c i 2 ，c b ，c ，c l f 作用于应用空间的子集d i 之上。如果c i 在d i 上能唯一 确定一个约束空闻，记作丑毛( 珥x 最高d 2 x ，丑已( l 则定义特征王= ( f l ，f 2 ，硒，其中f i 为特征 f 在应用空间d i 上的属性，定义特征空间f _ n 。 如果f - 舻，0 ，仍) ，即表示f 在应用集d 上不存在或非法。如果属性丘= d ， 正= 月a m ) n 月( 岛) n n 月蠢( 珥) ，则意味着特征f 在应用d i 内无效。 定义2 特征形状与特征形状空间 如果令c j 掌为一组几何约束 彳，罐，c ： 其中c z 作用于3 d 欧式空问的子集e l 之 上，即e i l i = 1 ，叶，n - - e 3 ( e 3 为欧氏空间) ，则显然约束集c i 在e 3 上定义了特征f 的形状属性，f7 ， 并且有，。，c ：e 3 ，定义特征形状空间f7 = 五7 。 定义3 基于特征的设计 设正7 f7 ，“为几何约束集c 8 = ( 在f i7 上确定的实体空间，同时 i 为由设计约束c d 所确定的设计空间，那么基于特征的设计问题可以看成是一个寻找子空间x 的过 程，其中x = ( 国，d 卜g q f 。注意，c d 并不是定义在单一空间上的约束集，而是定义 在设计所涉及的除形状以外的总多功能属性空间的叉积之上，因此 i 也不是单一的空间，而是这 些总多功能属性空间的叉积。由于设计不仅包括对产品形状的设计，还包含对除形状外众多属性的 设计，如公差设计，材料设计，功能设计等，为简化对设计的描述，在这里将其他属性的设计进行 了概括这样，用户就可以对一个产品的特征模型进行定义。 定义4 特征模型 定义m ，2 而i 而x 为产品的特征模型。设p 为产品模型，则在此基础上可以定义两个基 本操作，即特征插入曲+ 与特征删除妒一。 定义5 特征插入与特征删除 特征插入操作是指在特征模型中插入新的特征，定义( 6 + ( x j ) ：p p ，其中m f ( p p ) = m p ) + x i ，m p ) 指产品模型中的特征模型，特征删除操作则是从特征模型中剿除已有的特征， 8 第二章参数化特征造型技术及其发展概况 定义毋一( 】【i ) ；p p ，其中m p p ) - - 嘲f ) - x i 。 2 2 3 特征的分类 按照不同的应用目的，特征的分类是多种多样的： 按产品的生命周期发展过程来分类，特征可分为设计特征、加工特征、分析特征、公差及检测 特征、装配体特征。 按功能来分类，特征可分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配体特征。 按设计方法看，特征又可分为通道特征、挤压特征、提拉特征、过渡特征、表面特征、形变特 征 按特征的复杂程度来分类，特征还可以分为基本特征，组合特征、复合特征。 本文主要考虑设计特征，首先有必要对设计特征进行分类。特征设计将几何模型本身看作是一 系列特征基元的组合，它采用正向的工作方法，逐步构造零件的特征模型，特征设计的基本思想是： 任何一个零件均可看作是由一系列基本特征和若干个附加特征组合而成的： 三 r = 砘+ ( 1 一乃) 妇，( f = 1 ，2 7 ) j - i 式中：t 为零件的几何形状；1 h 为基本特征；t 钆为附加特征：z ；为根据零件中存在某一附加 特征时五；0 ，当零件中不存在某一附加特征时五，= 1 基本形状特征可以单独存在，即基本形状特征可不与其它特征发生联系。而附加形状特征则不 能单独存在，它必须与基本形状特征或其它附加形状特征发生联系。一个零件可以由一个基本形状 特征和若干个附加形状特征来描述。基本形状特征一般包括长方体、圆柱、圆锥、球和拉伸、回转、 扫描等多种造型特征造型方法。图2 - 1 为特征分类