（机械电子工程专业论文）基于特征的异构cad模型转换技术研究.pdf

摘要 随着市场全球化步伐的不断加快，全球市场竞争日益激烈，产品的功能、结 构日趋复杂，产品研发团队之间的分工合作更加紧密、频繁，各企业间围绕着时 间、质量和成本的竞争越来越激烈。在产品研发中，模型信息转换直接关系着产 品研发团队间的信息交流，从而影响产品的研发周期以及新产品的更新换代周期， 在产品研发中起着至关重要的作用。基于特征的模型转换技术实现了模型信息转 换的准确性，使研发团队之间的信息交流更加快捷，提高了信息交流的效率，具 有重要的理论意义和应用价值。 本文介绍了c a d 模型转换技术的发展过程及研究现状，在分析了传统模型 转换方式存在的不足的基础上，提出了一种基于特征模型转换的新方法；制定了 “特征操控原语( m l f o ) ”作为基于特征转换的规范，并规定了特征转换规范的 描述文件( f d f ) 格式；在特征思想的指导下，拟定了系统的设计原理、思路与 工作流程；以c a d 软件u g 、p r o e 为平台，根据u g 、p r o ，e 模型信息的读取 与写入工作流程及u g 、p r o e 模型转换特征的描述，在对u g 、p r o e 模型转 换特征进行转换处理的基础上，开发了“基于特征的异构c a d 模型转换”系统。 该系统可实现商品化c a d 软件u g 和p r o e 之间的模型转换。通过大量的模型 实例转换，验证了系统的可行性。 关键词：模型转换特征异构c a du ga p ip m 厂r 0 0 l l ( i t a b s t r a c t p r e s e n t i y ，t l l ei n d u 奶7a n de n t e r p r i a mc o b n t e d 、i t l lt h en e wc l l a l l e n g eo f 舀o b a lm a r k c t ，i n t e m a t i o n a l m 觚谢 a c t i l r c勰dv a r i e t i e so fr e q u i 心m e m s t h e c o m p e t i t i o n 锄o n ge m e r p f i 辩si nt i m e ，q u a l i t ya n dc o s ti sm o r ea 1 1 dm o r ；es c o r c h j n g i n t h ep r o d u c td e v e l o p i n e m ，t l l ee x c l l a n g em o d e li i l | o m a t i o np l a y sac m c i a lm l e ，a 1 1 di t d i r e c t l yr e l 砷e dt ot l l ec o n v e r s i o no fi i l f o m l a t i o ni nt h ep r o d u c td e v e l o p m e mt e 锄 c a dn l o d e le x c h a n g et e c l l l l o l o g yb 硒e do nf e a t u r ci s 觚i m p o 姗tt l l e o r e t i c a l s i g i l i f i c 觚c e 姐dw o n t l i n e s s ，w h i c ha c l l i c v e sac o n v e r s i o na c c u r a c yo ft h ei i l f b m l a l i o n m o d e ls ot 1 1 a tt l l ee x c h a n g eo fi n f o m l a t i o ni sm o r ee 币c i e m f i 删y ，s o m ec a dm o d e lc 】【c h 柚g e m e t l l o d sa r c i n 仃o d u c e d ， 锄d此r s h o r t c o m i n g sa r e 锄l y z e d s e c o n d l y ，an e wm e t l l o db a s e do nf e a t l l r ct oe x c h a n g e c a dm o d e li sp u tf o n 】m r di i lm i sp a p e r ，弛dt h em e t a - l a n g u a g eo ff e a t u r eo p e m t i o n ( m l f 0 ) i se s 讪l i s h c da st h ec f i t e r i o no fc a dm o d e le x c h a i l g e ，锄df o 册a to f 也e f e a n 鹏d e s c r i p t i o nf i l e ( f d f ) i sa l s o 嘶n gf o n v a r d n l 砷l y ，m es y s t e md e s 啦 p r i n c i p l e s ，i d e 勰a r l dw o r kp r o c e s s e sa r cs t i l d y e d 岫d e rt l l e 砸n c i p l eo ff e a t i l r e k i s t l y ， as y s t e mf o re x c h 锄g c i n gu ga n dp r o em o d e lb yr e a d i n ga n d 、槲t i n gi t sf b a n 聆 i n f b n i l a 廿o ni sd e v e l o p e d n em o d e le x c h a n g eb e t w e e nu ga n dp r 0 es o 伽咖ec a l l b ei m p l e m e i l t e ds t a b l y 觚d 鼢f e l yb yt h i ss y s t c m k e yw o r d s ：m o d e ie m h 粕鲈 f e a t u 他i m e m u sc a d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：丛量暨 日期兰塑：! ：! 里 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期丝逐：! 日期之堡! ：! ：! f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着市场全球化步伐的不断加快，全球市场竞争日益激烈，产品的功能、结 构日趋复杂，新产品的更新换代周期不断缩短，设计在产品的整个生命周期中占 据了越来越重要的地位。产品的研发不再是一个人或几个人的问题，而是转变成 为一个团队甚至是几个团队之间的相互分工合作；开发、研究先进的设计方法和 工具以提高产品设计的效率成为一个新的研究课题。在这种背景下，c a d 技术被 广泛的应用到产品的设计研发领域，并成为现实的生产力。 c a d ( c o m p u t e r 加d e dd e s i g i l ，计算机辅助设计) 技术开始于2 0 世纪5 0 年代。 在发展初期，c a d 的含义仅仅是c o m p t e r a i d e d d r a w i n g ( o r d m r i n g ) 。6 0 年代后， 随着计算机软硬件技术的发展，c a d 技术经历了二维图形到三维模型、几何造型 到参数化特征造型、工程绘图到产品全生命周期数字化定义、计算机辅助到计算 机集成等一系列技术变革，理论上日趋成熟、应用上不断完善，极大地提高了人 们的创新设计能力。随着c a d 技术不断成熟以及应用的越来越广泛，出现了为数 众多的商品化c a d 软件，如u g 、p r o e 、c a t 认和i d e a s 等。采用这些软件，不 但可以使设计人员“甩掉图板”，更新传统的设计思想，实现设计自动化；还可 以使企业由原来的串行式作业变成并行作业。建立一种全新的设计和生产技术管 理机制【1 】【5 1 。 由于不同的c a d 软件各有所长，不同企业、甚至同一企业的不同部门会根据 其需求和使用习惯选择不同的c a d 软件；同时，随着产品功能日益复杂以及社会 分工日益明确，企业间交流与协作也越来越密切，项日组成员往往来自于不同企 业或部门，采用不同的c a d 软件工作，当成员之间需要相互交换设计信息时，就 必须对c a d 模型进行格式转换。但是，各个c a d 系统间的不兼容性形成了一道信 息壁垒，给数据交换、共享和信息流动造成障碍。因此，需要建立一套较为通用 的数据文件( 中性文件) 将各种不同的c a d 软件集成起来。在这种情况下，模型 转换接口技术逐渐受到人们的关注，并成为当前重点研究的课题之一，各种数据 交换标准应运而生。 1 2c a d 模型转换技术的概况 1 2 1c a d 模型转换技术产生与发展 在六、七十年代，每一种c a d 系统都有自己存储产品设计信息的文件格式。 随着c a d 系统的种类不断增加，不同c a d 系统之间的信息交换的需求也随之增 2 基于特征的异构c a d 模型转换系统设计与研究 加。早期系统的数据交换是由专用的转换软件来完成的。但这同时也存在很大的 缺陷。假如有n 种c a d 系统，那么为了在这n 种c a d 系统之间完成数据交换 就需要n 1 种专用的转换软件。编写，测试和维护这些专用转换软件所需的费用 是非常昂贵的，所占用的资源也是惊人的嘲。 随着产品设计、有限元分析以及加工工艺的编写等面向c a d 应用工程的增 加，对能够表达c a d 模型信息制定统一标准的需求越来越迫切。1 9 8 0 年美国国 家标准局接受初始图形交换标准i g e s ( i n i t i a lg f a p l l i c se x c h a i l g es p e c m c a l j o n ) 作 为产品数据交换标准【_ ”。其后许多工业发达国家为了克服i g e s 的不足，也制定了 许多数据交换标准。如法国的航空航天业于1 9 8 3 年在i g e s 文件基础上发表了数 据交换规范s e t 【8 】( s t a l l d a r de x c h 觚g ee t d et r 舭s 姗) ，s e t 克服了i g e s 文件太 长和数据表达的局限性，成功地应用于“空中客车”计划和雷诺等汽车公司。德 国的汽车制造业鉴于i g e s 的不足，制定了数据交换标准v d a f s ( 汽车工业协 会曲面标准) ，即d i n 6 6 3 0 1 【9 】。 1 9 8 4 年1 1 月，欧洲共同体的e s p r r r 设置了c a d + i 【8 】( c o m p u 珏a i d c dd e s i 印 i 椭耐如) 计划。重点研究了三种接口：线框模型、曲面模型和实体模型的c a d 数据交换接口；c a d 数据库和c a d 用户接口的内部接口；用于表达、分析优化 模型的有限元分析程序接口凹。另外也出现了一些专用的c a d 数据交换格式，如 a u l d d e s k 公司的d 7 和l 蛐醒阳p h 公司的i s i f ，应用于电子设计的e d ( d e s i 辨i n 衄c h 姐g ef o m m t ) 以及v h d l ( v h s i ch a 玎d w a r ed e r i p t i o n 伽g i l a g c ) 等【1 0 】。 1 9 8 3 年1 2 月，国际标准化组织i s o 在产品数据表达与交换领域制定了s t e p ( s t a i 池r d f o r n 圮e x c h 锄g e o f p m d u c t m o d c l d a t a ) 标准，1 9 8 9 年定为国际标准， 1 9 9 1 年发布了s t e p l o 版本1 1 0 1 。s t e p 标准具有数据范围广、精度高、易于集成， 便于扩充等优点1 6 】。用s t e p 进行的产品数据交换越来越受欢迎，并且s t e p 在其 他方面提供了更加广泛的应用空间。 1 2 2c a d 模型转换技术研究现状 接口技术在不断的发展，但依然存在许多问题，国内外学者也对现有的交换 标准进行了大量论证： 在德国，p r o s t e p 为v d a ( 德国汽车产品协会) 完成了i g e s 、s t e p 2 1 4 关于 曲面模型转换的对比测试，有六个c a d 系统参加测试。测试结果如下：9 9 8 的曲 面模型可以成功地采用s t e p 进行转换；9 9 5 可以成功地采用v d a f s ( v c r b a l l f d e r d e u t s c h e n a u t o m o b i l i n d l l s m e f l 彻c h e 衄i t t s t e l l e ) 进行转换；9 9 2 可以成功地采 用i g e s 进行转换【1 1 】 1 2 1 。 在日本，j a m a ( 日本汽车制造协会) 、j a p n ( 日本汽车配件行业) 协会和i t 第一章绪论 经销商在丰田、尼桑、马自达和三菱等公司内部针对线框和曲面模型进行了全面 验证和测试，结果i g e s 文件达到9 0 的成功率，s t e p 文件达到9 5 的成功率1 1 2 j 。 国内很多研究人员对c a d 模型转换技术方面也做了很多研究工作。杨洪君、 宁汝新等【1 3 l 比较了p r o e 和u g 间的三维模型数据交换方法，做了数据交换实验，得 出采用s t e p 实现模型转换具有一定优越性的结论。骆轶姝等1 1 4 】提出了一种d f x 数 据交换接口的实现方法。虽然取得了很多研究成果，但是目前研究工作未能解决 模型转换中特征信息丢失这一关键问题。 1 3c a d 模型转换技术存在的问题 在3 c 集成项目中，由于项目组成员来自不同企业、或是同一企业的不同技 术部门，他们往往采用不同的c a d 软件工作( 例如，中电集团1 4 所使用u g 系 统，而3 9 所采用p r o e ) 。当项目组成员之间需要信息交换时，必须对模型进行 格式转换，才能协同工作，因此存在着模型转换的迫切需求。 1 3 1 传统模型转换 商品化c a d 软件提供了许多模型转换功能，如u g 可将其模型导出为i g e s 、 d f x 和s t e p 等标准格式的中性文件，也可导入上述格式的文件形成模型。这些 传统模型转换技术以数据格式标准化为基础进行，从目前的趋势来看，各种标准 都在向八十年代产生的s n 弹转化【l s l 。其基本的数据转换方案如图1 1 所示：先 在源系统中将模型导出为中性文件( 如s t e p 、i g e s 等) ，然后在目标系统中将 中性文件导入。 图i i 利用s 1 e p 标准实现u g 与p r o 厄的模型转换 理论上讲，这样的途径是可行的，一般的c a d 软件都利用这种传统的模型 转换技术实现了导入、导出标准数据文件的功能，可以实现不同系统之间的模型 转换，但现实中并非完全如此。 4 基于特征的异构c a d 模型转换系统设计与研究 1 3 2 传统模型转换存在的问题 如上所述，从理论上讲传统的模型转换技术是可行的。但实际应用中，依然 存在许多问题，主要表现在： ( 1 ) 丢失几何信息 图l - 2 a u g 建立的原始模型 图l - 2b 转换到p r o ，e 的模型 图1 2a 是用u g 建立的某零件模型，在u g 系统下先将其用“s a v ea s ” 命令保存为s t e p 文件，然后在p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 中用“打开”命令打 开该s t e p 文件，导入后的模型如图1 2b 所示。从图中可以看出，中间的圆锥 体在转换过程中丢失。 ( 2 ) 丢失特征及标注信息。 转换时，对设计至关重要的特征及尺寸标注信息都会丢失。如图1 2 、图1 3 所示，在源系统模型中的特征树以及尺寸标注信息，到目标系统后就已丢失。因 此转换的模型不能作进一步的修改，也很难进行装配定位、有限元分析等后续操 作。 图l - 3 a 在p r o _ e 中建立的模型 图l 一3 b 转换到u g 以后的模型 1 3 3 传统模型转换存在问题根本原因 传统模型转换方式中，存在的核心问题是数据标准的制定速度远远跟不上模 型数据结构的变化速度。我们知道，数据标准是相对稳定的，一旦制定在相当长 时期内就不会改变。而另一方面，c a d 技术仍在不断发展，商品化c a d 软件几 第一章绪论 乎每年都会版本升级，小的改进则更为频繁。而c a d 模型的数据结构与软件性 能密切相关，会随着软件升级不断变化。例如上世纪9 0 年代初，为统一几何体表 示和提高曲面的可修改性等原因提出了n u r b s 理论，随之产生新的数据结构 一n u r b s 曲线和曲面【”j 【”j 。 目前c a d 软件使用的数据标准往往是几年前、甚至十几年前制定的，很多 c a d 模型最新采用的数据结构无法映射到标准格式中，这是导致模型转换时出现 模型信息缺失的根本原因。为适应模型数据结构的不断变化，数据结构标准也要 不断修改和扩充，否则那些最新设计的、或是某一c a d 系统独有的模型信息就 会在转化时丢失。而标准的更新速度远远跟不上商品化软件数据结构的变化速度， 导致标准始终无法完善。实际上s t e p 标准经历了近3 0 年的发展，至今仍未完善 【1 6 1 【m 。 1 4 课题研究背景及意义 1 4 1 课题来源 本文以“基于特征的u g - p r o e 模型转换接口应用研究”项目为背景，在 深入研究了现阶段模型转换存在问题的基础上，提出了基于特征技术的模型转换 方式，经过大量的实例化检验，最终开发出了“基于特征的异构c a d 模型转换” 系统。 将特征技术应用到模型转换系统中，可以大大提高模型转换的成功率，加强 设计者之间的合作与交流，进而提高设计效率，缩短了研发周期，降低研缓成本， 为快速响应用户需求创造有力条件。本文将以“u g p r o 甩模型转换接口”为例， 对基于特征的异构c a d 模型转换方法进行重点论述。 1 4 2 目的及意义 信息化制造技术的快速发展和先进制造资源的配置为制造业的研制生产创造 了前所未有的便利条件。进行创新设计、提高研发能力和缩短新产品的研发周期 是当前形式下需要完成的新课题。 接口转换作为设计信息的重要组成部分，是产品设计的重要环节。目前的商 业化c a d 软件接口转换过程如前文所述：首先，打开源系统，在源系统下建立 模型并保存为转换格式；其次，打开目标系统，导入保存的模型信息；最后，察 看信息是否转换正确并进行必要更改。整个转换过程完全由用户手工完成，转换 后模型信息大量丢失甚至不能实现模型更改等基本功能。采用这种传统方法进行 模型转换，也可能传递错误的模型信息，延长了产品的设计时间和对市场的响应 时间。而特征技术在接口转换中的应用，极大地提高了模型信息交流过程中的准 6 基于特征的异构c 硒模型转换系统设计与研究 确性，从而进一步提高了产品的设计效率。基于特征的异构c a d 模型转换系统， 以特征操作为基础，建立了与c a d 系统无关的特征操作原语。转换后的模型不 仅保留了原有模型的特征信息，而且可已进一步对特征编辑、修改；本软件容易 推广，可升级性好，可扩展性强，可实现多种商品化c a d 软件的模型转换与分 析。 1 5 本文的主要工作 本文提出了一种基于特征的异构c a d 模型转换方法。该方法以特征操作为 核心，从特征层和几何层访问c a d 模型信息并实现其转换。与一般模型转换接 口相比，该方法不仅使转换后模型在几何形状上与原模型相同，而且保证了转换 前后模型的特征树、尺寸及约束等信息的一致性。转换后模型可以在目标系统下 进行基于特征的修改和编辑。 论文主要研究的内容包括： ( 1 )在论述了c a d 模型转换技术发展过程及研究现状的基础上，分析了 传统模型转换方法存在的不足，提出了一种基于特征的异构c a d 模 型转换方法； ( 2 )研究了特征技术的基础理论，包括特征技术的产生、特征技术的研究 现状、特征概念、特征分类、特征特点及特征表示等。 ( 3 )在论述了模型信息标准化方式的基础上，制定了“特征操控原语 ( m l f o ) ”作为基于特征转换系统下的转换规范，并对转换规范的定 义、基本思想、转换流程与特征描述进行了详细描述；在此基础上， 制定了特征转换规范的描述文件( f d f ) 格式。 ( 4 )开发了“基于特征的异构c a d 模型转换”系统，重点研究了系统的 总体设计思想及关键技术，包括设计原理与思路、工作流程、基于 p r o ，i d o l t 的p r o 】j n g i n e e r 软件的二次开发技术、基于 u g o p e n 的u i l i g r a p l l i c s 软件的二次开发技术、关键特征处理等。该 系统可实现商品化c a d 软件u g 和p r 0 忸的模型转换。通过大量的 实例化模型，对系统的可行性、稳定性、安全性进行了检验。检验结 果表明，该系统达到了预期的效果。 第二章特征技术与特征异构 7 第二章特征技术与特征异构 特征技术是实现c a d c a p p c a m 集成的关键，全面、系统和准确理解特征技 术对于产品设计和加工制造都具有重要的意义。本章在论述特征技术的基础上， 提出了特征异构和异构特征的基本思想，并对异构特征和特征异构进行了深入研 究，从而为特征技术在异构c a d 模型转换中的应用打下了坚实的基础。 2 1 特征技术 2 1 1 特征技术的产生 特征技术是c a d c a m 技术发展中的一个里程碑，它是在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。 现代设计制造系统的发展趋势是集成化、智能化，目的是达到高度的自动化。 实现上述目标的基础是给系统的各个环节提供能够共享的产品定义。现有的 c a d c a m 系统，因不能用一个完整的产品模型来支持各工程应用活动，在设计、 制造及检验的各个环节中，使用者需要重复地输入和识别一些信息，定义一些新 模型，以满足各工程应用子系统的具体需要，各子系统的概念信息也必须依靠人 工来识别和综合处理，从而导致产品自动设计和制造中信息处理的中断、人为干 预量大、数据大量重复处理的后果。其主要原因是实体造型存在下列不足： ( 1 ) 产品定义信息不完备。 实体造型主要用来定义产品几何形状，而许多反映设计意图和工艺要求的信 息，如公差、材料性质等难以在数据库中一起表达。这里由于工艺信息的表达既 与高级的形状特征有关，又与低级的点、线、面几何要素有关，而实体造型难以 提供这些信息。 ( 2 ) 数据的抽象层次低。 实体造型只能以低级的几何，拓扑信息来描述几何形状，而工程师进行思想交 流，以及c i m s 智能化处理过程中涉及的信息往往是高层的概念实体。 ( 3 ) 支持产品设计的环境较差。 传统的几何造型不利于进行创造性设计，这是因为它不能方便地修改设计模 型，并且，即使实体零件的参数己被定义，在每次零件再生时，也必须重新显示 输入的所有参数。 因此，必须开发取代现有实体造型的支撑系统，为c a d c a m 系统提供完各的 和多层次的产品信息。这些信息能在无人干预的条件下，为设计、分析、制造所 接受，且能在各应用子系统间自动变换，使c a d c a m 集成，以至c i m s 的实现走 基于特征的异构c a d 模型转换系统设计与研究 向现实，由此产生了特征技术。特征技术是人工智能应用于实体模型的结果，它 所表达的产品信息完备且含有丰富的语义信息，为c a d c a m 集成提供了有力基础 【1 8 1 。 2 1 2 特征技术的研究概况 特征技术研究的萌芽产生于八十年代初，并于八十年代的中后期蓬勃发展起 来。s t e p 标准中将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使特征获得了国 际标准的法定地位。 国外许多研究单位和学者对特征技术的发展和应用做出了贡献。例如，英国 c m f i e l d 理工学院的p r a h 和w i l s o n 为c a m i 提出了一个按形状和构造特点对形状 特征分类的模式；美国a 矗z o m 州立大学的s h a h 探讨了特征表达和解释问题，开发 出a s u 特征试验台；芬兰赫尔辛基技术大学的m 柚t y l a 教授研制了特征造型系统 e x t d e s i 驴：意大利热亚那应用数学研究所的f a l c i d i e 等人提出了边界模型表示 特征对象的描述方法、特征识别方法，并开发了相应的系统；德国柏林技术大学 的b e i 亿开发了基于特征的造型系统g e k o ；d o u g l 船等人研究了用凸多面体分解法 进行加工特征几何推理技术；t 1 l m e r 等人研究了公差特征模型建立的问题；r d y 等 人研究了尺寸及公差表示处理的问题：j a r o s l a w 等人研究了特征编辑与查询技术； 美国p u f d l l e 大学的a 1 1 d e r s o n 等人研究了基于特征设计工艺规程的几何推理问题。 在国内，北京航空航天大学、清华大学、华中理工大学、浙江大学、上海交 通大学、西北工业大学等，以及其他一些单位也发表了一些关于特征技术研究的 论著，并开发了一些特征造型系统。 近年来，商业c a d 软件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如，p 1 公司的产品p m e n g i n e 盱，s d r c 的产品i d e a sm a s t e rs e r i e s ，u g s 公司的产品 u n i g r a p l l i c s ，i b m 公司的产品c a t i a c a d a m ，a u t o d e s k 公司的产品m d t ，中国广 州红地技术有限公司的产品“金银花( l o n i c e r a ) ”系统，等等【1 3 】。 2 1 3 特征定义 自从特征的概念在1 9 8 0 年被p d e s s t e p 标准草案公布以来，对于特征的功能 人们已经达成了共识：特征是工程环境中能运用几何和功能信息进行产品零件造 型的关键要素，是集成环境中高层语义信息的载体和基本传输单元。但由于特征 源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，对特征的认识也不尽相同，至今 尚无统一的特征定义。在不同的应用领域，特征有不同的定义。一般认为：特征 就是任何己被接受的某一个对象的几何元素和属性，通过它们我们可以很好地理 解该对射1 9 1 。在机械行业中，通常是指形状特征。它是产品信息的集合，不仅具 有按一定拓扑关系组成的特定形状，且反映特定的工程语义，适宜在设计、分析 第二章特征技术与特征异构 9 和制造中使用。 一般地讲，特征是客观事物特点的象征或标志。目前人们对于c a d 中特征的 定义尚没有达到完全统一。在研究特征技术的过程中，国内外学者从不同的侧面、 不同的角度，根据需要给特征赋予了不同的含义。 在机械行业中，特征源于使用在各种设计、分析和加工活动的推理过程，并 且经常紧密地联系到特定的应用领域，因而产生了不同的特征定义。当我们提到 特征时，通常是指形状特征。形状特征的一种定义是面向规划的，例如，工件特 征定义为：在工件的表面、边或角上形成的特定的几何构型。另一种涉及工艺规划 的形状特征定义为：工件上一个有一定特性的几何形状，其对于一种机械加工过 程是特定的，或者用于装夹和或测量目的。 随着特征技术由工艺规划向设计、检验和工程分析方面的拓展，特征定义趋 向于一般化。下面是一些特征定义的例子： ( 1 ) 用于描述零件和装配体的语义组，它将功能、设计和制造信息组合在一起； ( 2 ) 一个几何形状或形体要素； ( 3 ) 产品信息的载体，它可以在设计和制造或者其他工程任务之间辅助设计或 进行通讯； ( 4 ) 任何用于设计、工程分析和制造的推理的客观对象； ( 5 ) 设计人员感兴趣的区域。 研究人员提出了许多不同的特征，例如，功能性的特征有：装配特征、配合 特征、结构特征和抽象特征。抽象特征可用于设计过程，这是由于许多特征的细 节在设计完成前并不清楚。抽象特征的定义为：直到所有的变量被确定才能被具 体化或实现的客观对象。不论特征的定义如何，但有一点是共同的，即特征最终 要联系到某个几何形状。s h a l l 明确了一个特征至少满足的要求：零件的一个结构 组元；可影射到某个形状类；有工程意义；有可预测的性质。 总之，特征是产品信息的集合，它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状， 而且反映特定的工程语义，适宜在设计、分析和制造中使用。我们应该将特征理 解为一个专业术语，它兼有形状和功能两种属性，从它的名称和语义足以联想到 其特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求1 2 ”。 。本课题主要研究了特征在模型转换中的应用技术，其中特征是基于设计特征 的。这里介绍一下设计特征的定义： 设计特征是指设计人员在设计阶段用来表达设计意图，实现产品功能，构造 产品设计的基本元素，它应包含足够的信息供后续阶段利用。 2 1 4 特征的分类 ， 特征的分类方法有很多，到目前还没有一致的分类体制。不同的产品，其分 1 0 基于特征的异构c a d 模型转换系统设计与研究 类方法不完全相同，建立一种包含所有特征的分类方案几乎是不可能的，也没有 必要。总的看来，特征可以分为通用特征和应用特征两大类【2 0 】。通用特征又分为 基本形状特征和附件形状特征。基本形状特征可以单独存在，而附件特征不能单 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，对它们进行修改。 基本形状特征和附加形状特征又可称为主特征和辅特征圜。 在所有的特征类中，形状特征是最重要、最基础的特征，它往往是其他特征 的载体田】。形状特征在不同的应用领域有不同的分类。根据形状特征在设计中所 起的作用不同，分为静态和动态两类。动态特征是传递运动或能量的产品实体； 静态特征进一步分为基本类、附件类、交类、整体形态类、宏类等五大类。 p d d i ( p r o d u c td a t ad e f i n i 6 0 nh l _ c c r 缸e ) 根据制造方法将形状特征分为复合特征、机 加工特征、饭金类特征及装配特征【2 ”。s t e p ( s t a n d a r df o re x c h 柚g eo f p m d u c tda _ 叻 第四十八项认为特征是由三个基本类型：体积特征、转换特征和样本特征组成渊。 s t e p 作为一种国际标准，所以它仅仅从概念和理论上对特征进行了分类。 到目前为止，虽然特征的分类还没有一种统一的、权威的标准和方法，但一 般情况下，特征分类的确定遵循下列规则【2 5 l ： ( 1 ) 语义性规则：特征定义应具有高级工程含义； ( 2 ) 属性描述规则：具有完整表达产品整体模型或局部信息的属性描述并具 有实例； ( 3 ) 参数驱动规则：特征的几何构成应有特定几何生成方法，能实现变量设 计； ( 4 ) 过程适应规则：通过映射或变换能满足集成环境中各环节特征视角的多 态性、信息需求及独立性要求。 根据以上的分类原则，设计特征是在几何形状的基础上，附加高层功能语义 信息，即“形状+ 语义”【拍l ，产品上任何包含功能和形状元素的信息都可作为设计 特征。制造特征则按一定的加工模式的几何形状来定义，同时设计特征和制造特 征之间存在一定的映射关系【2 7 】。 本文研究的特征是基于模型信息的，是根据模型设计中的方法进行的分类； 主要分为以下特征【2 卅： ( 1 ) 体素特征：这类特征是可以通过一系列参数决定，如长方体、圆、圆柱 和圆锥等，而这些参数是根据体素的类型预先定义的。 ( 2 ) 扫描特征：这类特征是通过二维轮廓( 实体表面、曲线等) 进行拉伸、 旋转或沿引导线扫描来创建三维模型。它包含了：拉伸、旋转、扫描等 等。 ( 3 ) 辅助特征：上面两类方式生成的特征属于基本特征，它们是可以单独存 在的特征，可以不与其它的特征关联而构成零件。而辅助特征则是不能 第二章特征技术与特征异构 单独存在，它依赖于基本特征并对它们进行局部的修改，如孔、倒角、 倒圆、拔模等，它使零件满足了应用的局部需求。 ( 4 ) 基准特征：这是非常特殊的特征类型。它是一个非常有用的设计工具， 借助于基准特征，可以完成特定的功能。例如，将基准面作为辅助面， 可以完成在一个圆柱侧面上打斜孔或在球面上打孔等，这种孔是参数化 的，可修改。 通过以上几类特征，用户可以设计出任何零件的三维模型，特征与零件的设 计过程如图2 1 所示： 昌晶鼻 图2 - 1 特征及零件设计 2 1 5 特征的特点 经过多年的研究、发展，对特征己基本上形成了一个共识，即特征是一组具 有特定属性的实体( e n t i 奶，它们反映了一个实际工程零件或部件的特定加工的功 能要求，不仅为设计人员提供了更高层次的设计概念和手段，而且为c i m s 中的各 系统提供了获取设计意图和要求的手段。在各个定义中，不难看出特征的如下特 点： ( 1 ) 特征直接反映零件的功能，与设计、制造联系紧密； ( 2 ) 特征是一个带约束和参数的几何实体，用规则和属性封装了几何实体的 行为； 。 ( 3 ) 特征是构造产品模型的基本元素，即特征将作为一个不可分割的整体出 现在零件模型中； ( 4 ) 特征提供了类似于工程术语的高层次的设计概念和手段【2 9 】 2 】。 2 1 6 特征的表示 目前，常用的特征的表示方法主要有以下三种f 1 8 】： ( 1 ) 基于b - r e p 的方法：在b - r q p 方法中，特征被定义为一个零件的相互联系 的面的集合( 面集) 。这些特征也被称为“面特征”。b - r e p 模型是基于 图的，所有的几何拓扑信息显式地表达在面、边、顶点图中，因此，b r c p 1 2 基于特征的异构c a d 模型转换系统设计与研究 模型常被称为赋值的模型。b r e p 表示特征的方法受到许多研究者的喜欢， 这是因为可以得到充足的信息以及它是基于图的表示方法( 许多特征识 别系统是基于图表示的) 。b r 印模型可以与属性值( 如表面粗糙度，材 料等) 、尺寸和公差联系在一起，b r 印方法的缺点是它与特征体素和体 积特征没有直接的联系，特征操作( 如删除特征) 难于进行。 ( 2 ) 基于c s g 的方法：基于c s g 的特征表达方法将特征定义为体积元素，体 积元素通过布尔操作构造零件。使用c s g 表示方法简捷、有效、易于编 辑和操作体素，并提供c s g 和特征体素之间有意义的联系，而且二叉树 可用于特征模型的构造。对于特征提取，c s g 模型的主要问题是其表示 的不唯一性，以及缺少对低层的构形元素的显式表达。然而，给c s g 模 型赋值，推导出其相应的边界表示，就可以克服这些问题。 ( 3 ) 基于混合c s g ，b 托p 的方法：由于c s g 和b r 印表示方法都各有优缺点， 因此，汲取二者优点的混合表示方法便产生了。n n a j i 和l i u 开发了一个工 艺规划系统，可以提取基于c s g 的信息( b r e p 信息是由c s g 模型导出的) 。 重新构造c s g 树和b r e l ) 信息，使其成为以一种混合形式来表示特征的另 一种c s g 树。r o y 和l i u 提出一种混合c s g 但r e l ) 方法表示特征及尺寸和公 差。特征的层次结构提供物体组件关系的多级表示，并在每级的细节保 持有边界表示。g o s s a r d 等人提出一种在几何造型中显式地表示尺寸公差 和几何特征的方法，此方法将c s g 和b r e p 表示结合在一个被称为形体图 的图结构中。 2 2 特征异构与异构特征 2 2 1 特征异构与异构特征的概念 图2 - 2 ( a ) u g 下的锥体模型图2 2 ( b ) p r o ，e 下的锥体模型 图2 2 为u g 与p r o e 下的锥体模型，其特征信息见表2 1 。通过表2 1 可以 清楚获得：在u g 下，锥体模型可以由c o n e 特征，输入特定参数b a s e - d i 锄e t e r ， 第二章特征技术与特征异构 州i 锄e t c r ，h e i 曲直接获得；而在p r o e 下，锥体模型则是在旋转特征 ( r e v o l v e d ) 下，通过草绘平面下绘制直角三角形( 有三条线段( 1 i n c ) 组成) 通过旋转轴( c e n t e u i n e ) 旋转而成的。 表2 1 在u g 与p 褂偃下锥体的特征信息表 类型 w - 。，。 c 0 n e ( 1 ) d i r e c n 饷：0 o 1 l l c a t i o n ：o 。o ，o u g 下锥体c o n e；b a s ed i 舯e t e r ：3 特征信息 ! t o p - d i 啪。t e r ：o ! h e i g h t ：4 特征信息 h a l 啊l 舀e 渤5 5 6 0 4 5 2 1 9 5 8 3 5 s i 印：1 o “ ，一 ；刚! v o n ，e d ( 9 ) ld i r t i o n ：0 - i o r e v o l v e j n 掣e ：0 ，3 6 0 ：c e m e f _ l i m ：0 ，4 2 ，o ，o ，- o 2 ，0 p r o 肥的锥体特征信息il i n e ：o ，o ，o ，1 5 ，0 ，o l i n e ：1 5 ，0 ，o ，0 ，4 ，o l i n e ：0 ，4 ，0 ，o ，0 ，o s k 毗”l i l p o i n t s ：0 ，o ，0 ，0 ，1 0 0 ，o ，1 0 0 ，o o b o o l ：l 。 通过上面的例子可以看出，锥体模型可以在u g 系统下通过c o n e 特征来实现， 也可以在p r o e 系统下通过旋转特征来实现，使最终的模型及其功能在两系统下完 全一致。这种在不同的系统下一个特征与一个或多个特征之间具有完全一致的几 何特性的映射关系，我们就称为特征异构：其中的这些特征就叫做异构特征。 2 2 2 特征异构的分类 不同系统下的特征异构实际上是源系统与目标系统特征操作的对应过程。因 此可以将特征异构分为简单异构和复杂异构。 ( 1 ) 简单异构 在源系统和目标系统中某个特征操作在这两个系统中都有定义，并且可以直 接对应；该映射过程就非常简单，只要将源系统的特征信息读出并在目标系统下 重构即可，称其为简单异构。例如“拉伸特征”在u g 和p r o e 系统中对都有定义， 转换过程中可以直接将两个系统的拉伸特征信息相对应。此外，倒角、倒圆角、 旋转和扫描等特征的转换都属于简单特征转换。所示p m e 模型的所有特征转换过 程均为简单特征转换，模型特征信息不需转换。 1 4 基于特征的异构c a d 模型转换系统设计与研究 ( 2 ) 复杂异构 复杂模型转换是指在源系统与目标系统间，某些特征操作不存在直接对应关 系，必须进行合理地转化才能使其对应，这是特征异构的难点所在。例如u g 系 统下的c 0 n e 特征，在p m e 系统中没有与其对应的特征操作，这种情况下，需 要将c o n e 的特征信息映射为p r o e 系统旋转特征信息，如表2 2 所示是部分u g 和p r 0 e 模型特征的对照表。 表2 2u g 和p r q 厄部分模型特征对照表 u g 模型特征p m ，e 模型特征 类型 b l o c kp r o t r u s i o n e x t r u d e复杂 r e c tp a dp r o t r u s i o n ，e x t r u d e 复杂 s i m p l e h o l e c u t ，e x t r u d e 复杂 e d g e b l e n d r o u n d简单 c h a m f e rc h a m f e r 简单 l i n e a r i s e t 雕m 砌w g r o u pp a r r e i t n 4 复杂 b o s sp r o t r u s i o n e x t r u d e复杂 e x t r u d e de x t r u d e简单 r e v o l v e dr e v o l v e简单 r e c tp ( ) c k e tc u t ，e x t r u d e 复杂 h o l l o w c u t e x t r u d e复杂 n q s t a n c ep a m r n简单 t u b ec u r ，e x t r u d e 复杂 c y l i