（机械制造及其自动化专业论文）基于特征的异构cad集成数据交换技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机和信息技术的发展，协同设计技术已在制造业企业得到广泛应用，作为 实现异构c a d 系统用户之间协同设计和互操作的瓶颈，异构c a d 模型数据交换技术一 直是c a d & c g 领域的难点问题。本文在国家某部委“十一五”预研项目“料异地协同 设计制造网络平台关键技术”的支持下，为解决协同设计用户间的c a d 模型数据交换 问题，提出了一种c a d 模型集成交换策略。该策略通过构建集成数据交换平台为基于 异构c a d 平台工作的协同设计用户提供c a d 模型数据交换服务。 首先提出了异构c a d 集成交换策略的理论框架，分析并描述了该理论框架的运行 机制和特点。其次，给出了基于特征的异构c a d 模型数据交换的具体实现方法，主要 工作包括：分析c a d 模型的特征信息构成、给出基于标准特征的特征映射方法以及利 用x m l 语言描述共享模型信息的方法。同时，对基于特征的c a d 模型数据交换中的 的若干关键技术进行研究：提出一种基于改进几何证书的几何元素标识方法，该几何元 素标识方法具有定位快、精度高的特点；研究了基于特征的c a d 模型数据交换过程中 的约束转换方法，给出了特征级的约束具体转换方法，利用该约束转换方法可保证目标 模型与源模型之间的设计意图一致性。 最后，本文利用v c + + 6 0 、j s p 等编程工具开发了一套c a d 数据集成交换平台， 利用平台实现了v 5r 1 4 和u gn x 5 之间的c a d 数据交换，具有传输速度快、开发成 本低等优点。目前，平台已能够实现二十多种特征的c a d 模型在线转换，包括拉伸、 旋转、扫描、倒圆角、阵列等特征。平台运行结果表明，通过本文提出的几何元素标识 方法和约束转换方法能够保留特征和约束等高层语义信息，目标模型可编辑。 关键词：c a d ；模型；特征；数据交换；协同设计 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 s t u d y0 1 3f e a t u r e b a s e di n t e g r a t e dd a t ae x c h a n g e b e t w e e nh e t e r o g e n e o u s c a d s y s t e m s a b s tr a c t a st h ed e v e l o p m e n to fi t ，c o l l a b o r a t ed e s i g ns y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yu s i n gi n m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y d a t ae x c h a n g et e c h n o l o g yi sad i f f i c u l t yp r o b l e mo fc a d & c g a i m i n ga te x c h a n g i n g3 dm o d e l sa m o n gc a du s e r si nh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m si n c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，an e w i n t e g r a t i o n - e x c h a n g es t r a t e g yw h i c hs u p p o r t sc o l l a b o r a t i v ed e s i g n w a s p r o p o s e d ap l a t f o r mf o r3 dm o d e li n t e g r a t i o nd a t ae x c h a n g ew a sc o n s t r u c t e dt op r o v i d e 3 dm o d e le x c h a n g es e r v i c e sf o rd i f f e r e n tc a ds y s t e m si nt h es t r a t e g y t h ep l a t f o r mc a n m a k em o d e le x c h a n g eo nw e b ，i nt h ep r o c e s so fd a t ae x c h a n g el i t t l eo fi n f o r m a t i o nw a sl o s t ， a f t e rt h ee x c h a n g em o d e lw a se d i t a b l ea n dt h ed i n gi d e aw a sr e t a i n e d f i r s t l y ，t h em o d e lo ft h es t r a t e g y ，e x p r e s s i o no f3 dm o d e la n di m p l e m e n t a t i o no ft h e p l a t f o r mb a s e do nt h es t r a t e g yw e r eg i v e n t h e nt h i st h e s i sd i s c u s st h ed a t ae x c h a n g em e t h o d o fh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m sb a s e do nf e a t u r e ；i ta n a l y s i st h ef o r m a t i o no fc a d f e a t u r e s i n f o r m a t i o n ，d e t a i l e di n t r o d u c et h ef e a t u r em a p p i n gt e c h n o l o g yw h i c hb a s e do ns t a n d a r d f e a t u r ea n dt h ee x p r e s sm e t h o do fs h a r i n g m o d e l si n f o r m a t i o nb a s e do nx m l i ts t u d i e st h e k e yt e c h n o l o g yo fd a t ae x c h a n g e ，r a i s i n gag e o m e t r i c a le l e m e n ti d e n t i f ym e t h o dw h i c hw a s i m p r o v e df r o mg e o m e t r yc e r t i f i c a t e s u s i n gt h i sm e t h o dt oi d e n t i f yg e o m e t r i c a le l e m e n tc a n f i n dt h eo b je c tc o r r e c t l ya n ds a v eal o to ft i m e i ta l s or a i s i n gac o n s t r a i n t e x c h a n g i n gm e t h o d ， t h em e t h o dc a nr e t a i nt h ed e s i g ni d e ab e t w e e nt a r g e t m o d e la n ds o u r c e m o d e l t h i st h e s i s a l s oi n t r o d u c e st h em e a n i n go fs t a n d a r df e a t u r ea n de x p r e s s i o nm a n n e r so ft h es t a n d a r d f e a t u r e 。 i no r d e rt ot e s ta n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h es t r a t e g y ，a ni n t e g r a t i o n e x c h a n g ep l a t f o r m u s i n gj s pa n da c t i v e xt e c h n o l o g yw a sc o n s t r u c t e d a ni oi n t e r f a c eo fc a t i av 5 r 1 4a n d u g n x 5i sd e v e l o p e db yv c s o m ef e a t u r e ss u c ha se x t r u d e ，r e v o l v e ，s w e e p ，f i l l e t ，c h a m f e r ， m i r r o rc a nb ee x c h a n g e ds u c c e s s f u lo nw e b n l ee x c h a n g e dc a dm o d e lo fc a t i ac a nb e e d i ti nu g ，a l s oh i g h l e v e ld e s i g ni n t e n ti sr e s e r v e d m e a n w h i l ei ti sm o r ee f f i c i e n ta n d p r o d u c e ss m a l l e rs i z ei n t e r m e d i a t ed a t af i l e s k e yw o r d s ：c a d ；m o d e l ；f e a t u r e ；d a t ae x c h a n g e ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知；除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 丫 ia 作者签名：二二垦t 兰 日期：- 二兰竺年互月旦日 大连理_ 【大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：丕翌复年j 兰月三三日 日期： 2 型墨年丝二月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的提出 在经济全球化发展的时代，企业竞争不断加剧，企业为了提高竞争力，缩短开发周 期，降低开发成本，不断实践一些新的计算机先进集成制造理念和技术，以适应日益激 烈的市场竞争。同时，经过全球化的企业兼并重组，制造工业已成为全球范围内大规模、 深层次、宽领域协作的行业。许多国际知名制造企业不但研发、制造部门分布世界各地， 相关零部件生产企业也是如此。随着并行设计技术的普遍应用，围绕供应链的协同开发 等工作方式的出现，这些新的产品开发模式要求在不同的企业之间、同一企业的不同部 门之间、不同的c a d 系统之间、以及同一c a d 系统的不同版本之间实现c a d 系统的 互操作，而c a d 数据交换正是实现c a d 系统互操作和网络化协同设计的基础。 目前主要的c a d 数据交换方法是通过中性文件格式进行数据交换，并为此制定了 多种产品数据交换国际标准和工业标准，如i g e s 、s t e p 、v d a f s 、t s l 、d x f 等。但 是，这些交换标准存在很大的局限性，严重制约了c a d 系统互操作的实现。现有的c a d 数据交换方法存在以下缺点和不足。 d x f 是一种二维的数据标准，不能支持三维模型数据；t s l 支持三角面片模型，不 能表示自由曲面和实体模型；i g e s 和v d a f s 都只能表示三维几何数据，不能表示参数、 约束、特征等设计语义，也不能处理非几何信息；s t e p 标准制定以来，还在完善当中， 不能支持参数、约束和基于历史的造型。最重要的这些方法都或多或少地丢失了高层设 计意图，而且转换后的模型大部分都不能编辑。 全球的制造设计单位都在提倡设计制造过程无纸化原则，使得每个单位的c a d 模 型数据量都十分庞大，而且经常需要对其中的大量数据进行转换。而每次转换都需要花 费上千甚至上万美元，花费的成本是很高的。因此在国外，有一个产业繁荣起来，即专 业提供c a d 数据转换服务，很多企业都是将c a d 数据转换外包给这些专业公司，从而 形成了一个很大的业务市场。 因此，研究基于特征的异构c a d 数据交换方法具有明显的理论意义和实用价值， 可以解决当前协同设计中面临的主要问题。 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 1 2 相关领域国内外研究现状 1 2 1 c a d 技术研究现状 c a d 技术起源于美国，经历了由二维向三维不断发展的历程。早期的二维c a d 技 术实际上是计算机辅助绘图，仅起到电子图板的作用，没能很好地解决机械产品设计中 存在复杂投影曲线生成问题、尺寸漏标问题、漏画图线问题、机构几何关系和运动关系 的分析讨论问题、设计的更新与修改问题、工程设计管理问题等若干难题。同时，设计 人员在设计产品时，其思维是三维的，与纹理、密度、硬度、形状、尺寸、位置及工艺 等几何与物理性质相关，甚至反映了复杂运动关系。若以二维c a d 技术表达产品信息， 则设计结果将不完整、缺乏直观性，于是三维c a d 技术随之出现。 三维c a d 技术符合设计人员的设计思维习惯，利用三维c a d 系统进行产品设计， 会使产品设计过程更加直观，并可对设计结果进行几何与物理仿真，如应力、应变分析、 质量计算、运动仿真、装配仿真等。通过三维c a d 建模，可自动生成产品的二维工程 图、数控加工代码以及外形效果图等。三维c a d 技术的发展经历了五个发展阶段和四 次技术革命，分别是线框建模、曲面建模、实体建模、参数化建模以及变量化建模。 最早的三维c a d 技术是产生于2 0 世纪6 0 年代的三维线框建模技术。该技术只能 表达产品的基本几何信息，不能有效表达产品的表面拓扑信息。由于缺乏形体的表面信 息，该技术不能支持c a m 及c a e 。2 0 世纪7 0 年代，法国达索飞机制造公司开发了以 曲面造型为特点的c a t i a 系统，使设计人员可以通过计算机表现几何形体表面的曲线 和曲面形状，对产品的几何信息进行完整描述，这为c a m 技术的发展奠定了基础。 曲面建模技术只能描述几何外形信息，难以准确表达密度、重心、转动惯量等物理 性质。1 9 7 9 年美国s d r c 公司推出了世界上第一款可用于实体建模的大型c a d 软件一 i - d e a s 。该软件系统采用了最新的实体建模技术，用于精确表达几何形体的几何与物理 属性，对于完成c a d c a e c a m 的统一建模具有推动作用。但当时的实体建模技术存 在诸多缺陷，首要一点是无法进行尺寸驱动。2 0 世纪8 0 年代末，美国参数技术公司 p t c ( p a r a m e t e rt e c h n o l o g yc o r p ) 研制了一款名为p r o e n g i n e e r 的c a d 软件，该软件 采用全新的参数化建模思想，可实现实体模型的参数化驱动。自p r o e n g i n e e r 诞生以 后，三维c a d 技术进入了空前发展阶段，变量化建模、特征建模等新技术被逐步应用 于c a d 软件开发。 特征这一术语最早出现在1 9 7 8 年美国m i t 教授g o s s a r d 所指导的一篇学士论文 “c a d 中基于特征的零件表示”中。关于特征一词，国内外学术界尚无统一定义，比 大连理工大学硕士学位论文 较一致的意见认为特征是具有属性，与设计、制造活动有关，并含有工程意义和基本几 何实体或信息的集合【1 】。这个定义强调特征具有包括几何形状、精度、材料、技术特征 和管理等属性，同时强调特征是与设计活动和制造有关的几何实体，因而是面向设计和 制造的，而且该定义还强调了特征含有工程意义的信息，即特征反映了设计者和制造者 的意图。由于特征可以直接反应设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解。因此， 特征造型技术被认为是几何实体造型向产品造型方向发展的新一代建模方法。同时，由 于一个产品的开发需要经历产品的结构设计、工艺过程设计、数控编程、制造和装配等 一系列相关过程，因此建立一个既能够反映产品生命周期中各阶段数据要求，又能反映 各阶段数据关系的统一的产品模型是特征造型出现的客观要求。事实上，基于特征的实 体模型是产品c a d c a p p c a m 的核心，是现代设计、制造向集成化和智能化发展的必 然结果。 特征造型能提供产品定义的高层描述，使产品设计在更高层次上进行，设计人员的 操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，直接体现了设计意图，使建 立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容易修改，有助于加 强产品设计、分析、工艺准备、加工检验等各部门之间的联系，更好地将产品设计意图 贯彻到后续过程，并及时得到反馈意见。特征是产品形状和功能属性的统一，它包括产 品的几何形状、拓扑关系、典型功能、表示方法、物流信息、集合特性等信息。 特征造型方法具有以下特点： 除形状特征之外，还定义了材料、热处理、尺寸公差、形状公差、粗糙度以及 加工用的机床、刀具、工艺等非几何信息。 特征作为独立造型单元，具有较高灵活性和可传输性。 采用产品的功能元素等高层语义几何形体进行描述，可直接体现设计意图、容 易被人理解。 通过特征建模可建立面向c a d c a p p c a m 的集成信息模型，能够满足设计、 制造及管理等方面需求。 三维c a d 技术经历了4 0 余年的发展历史，到目前已日臻完善。随着计算机及信息 技术的迅猛发展，三维c a d 技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等部门得到了广 泛应用。三维c a d 技术使产品设计、制造以及生产组织模式发生了巨大变革。三维c a d 软件的研发能力反映了一个国家的工业化水平，其应用程度代表了制造业企业的设计、 制造自动化程度。 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 1 2 2 异构c a d 数据交换方法及研究现状 目前，实现异构c a d 系统间产品数据交换的方法有三种：点对点的数据交换、通 用数据格式交换、基于平台的数据交换。 ( 1 ) 点对点的专用数据接口交换方式 一对一的为特定的两个c a d 软件建立专用的数据格式转换接口模块，这是一种最 容易想到的集成方法。这种方法在产品数据交换方面具有较好的性质，但并不适合一般 用户开发，开发工作量大，而且它要求对各个c a d 系统都必须彼此非常熟悉，这不符 合当前c a d 系统的发展规律。其数据交换的原理如图1 1 所示。 c a d 系统一卜_ 叫转换模块2 卜- 吲c a d 系统二 转换模块l 竺x 圣 磊磊八巴竽 ! 全2 至竺三尸卜叫竺堡竺堡! 卜叫! 全! 墨竺竺 图1 1点对点专用数据接e l 方式 f i g 1 1 m e t h o do fd e d i c a t e dd a t ae x c h a n g e ( 2 ) 通用数据格式交换方式 通用的数据格式：一对一的解决方案显然不适合c a d 系统的发展与进步，更不适 合不同c a d 系统的个性化风格。因此比较好的方法是采用一种被大家广为认同的c a d 数据格式，或建立一个国际标准。其数据交换的原理如图1 2 所示，这种方法已为c a d 系统广泛采用。缺点在于现在的标准格式尚没有较完整的基于特征的产品数据输入输出 标准。 图1 2 标准数据格式交换方式 f i g 1 2 m e t h o do fs t a n d a r dd a t ae x c h a n g e 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 基于平台的数据交换 产品数据交换平台的方法，在平台的基础上，建立与各个c a d 系统的接口，通过 平台实现异构c a d 系统之间的数据交换。p t c 公司在2 0 0 0 年推出的d i v i s i o n 系统， 它利用虚拟现实及仿真工具，产品工程数据面向企业相关部门开放，使企业生产的各相 关部门可从c a d p d m 获取更多信息。它的主要特点是：( 1 ) 以工程数据服务器为中心通 过不同的目标适配器完成从异构c a d 系统或p m d 系统向集成数据环境的数据转换。( 2 ) 从p t c 对d i v i s i o n 的宣传分析，目前的d i v i s i o n 既不支持双向的数据转换，也不支 持基于特征的产品数据交换，失去了平台的通用性与简便性。 近年来，在产品数据转换技术方面出现了一些新的研究进展。 p u r d u e 大学的h o f f m a n n 教授最早提出了基于特征转换的思想e r e p ( e d i t a b l e r e p r e s e n t a t i o n ) 【列，e r e p 是对特征造型的文本描述，是一种高层语义的描述方法。h o f f m a n n 教授的工作具有理论突破的意义，其目标是要设计一套特征造型的规范，实现特征模型 在不同实体造型系统中可编辑、可转换。但是e r e p 只定义了几种简单的特征，以后没 有继续深入下去，也没有获得应用。 e n g e n 习是在s t e p 协议下开展的一个可参数化的数据转换的研究项目，据报道可以 实现有限的二维参数化草图的转换功能，但是后来工作也没有了进展。 a n d e r s o n l 4 j 提出了实体模型构造历史( s m c h ) 模式，着重解决基于历史的造型数 据转换问题，它试图提出一种中性的实体模型构造历史的表示标准，但是难以做到统一 不同c a d 系统的实现方法，因此，它能够处理的情况较为简单。 c h o i t 5 j 提出了一种基于宏参数的c a d 零件模型转换方法，这是一种基于造型命令 转换的方法。但是这种实现方法很繁琐，也不能解决不同c a d 系统的全部特征数据转 换问题。 在工业界方面，i m p a c t x o f t 6 7 一家新兴的美国软件公司，2 0 0 3 年被d a s s a u l t s y s t e m 公司收购。在其开发的i xd e s i g n 产品提出了功能造型和功能特征表示的方法， 可以实现基于功能语义的快速数据转换，以支持分布式协同造型。但是它的设计目标不 是为了实现异构c a d 数据转换，因此只能在i xd e s i g n 系统之间实现功能特征的快速数 据转换。 国内，浙江大学的叶修梓【8 9 j 、陈磊等提出了通过语义等价和语义模拟在应用本体和 产品数据统一表示本体之间建立映射关系，实现异构c a d 系统间产品模型的语义转换 的方法。针对产品数据分层表示机制下的异构三维c a d 模型语义层数据转换问题，该 方法不但保留了原始的建模特征和造型历史，而且支持产品数据的实时转换。 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 湖南大学的谷正气、李伟平【1 0 ，1 1 1 等提出了基于隐式特征表达的增量式数据交换框 架，建立了标准特征库，详细讨论了特征元素、特征结构、特征历史以及坐标系的表示 方式，给出了汽车车身曲面特征的表达方式。 总的来说，目前国内外c a d 数据交换的研究工作取得了一些进展，但是，提出的 一些技术方案还不能完全解决问题。 1 2 3x m l 技术 x m l 起源于s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ) 。s g m l 是用于定义怎 样描述不同种类电子文档中数据的结构和内容的一种语言标准。它产生于三十年以前， 是由国际标准化组织负责制定和管理的。x m l 是s g m l 的一个简化版本，它去除了 s g m l 中一些非常复杂而又用得很少的特性，使其更加精炼、简洁，更易和使用，从而 更适合在网络环境下使用。 x m l 是e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e 的缩写。它是w 3 c 制定的用于描述数据文档 中数据的组织和安排的结构的语言。w 3 c 将x m l 定义为：“x m l 描述了一类被称为 x m l 文档的数据对象，并部分地描述了处理它们的计算机程序的行为【l2 1 。 正像它的 英文名称中所指出的那样，它是一种标识( m a r k u p ) 语言。在这点上，它类似于h t m l ， 但x m l 关注的不是数据在浏览器中如何布局和显示，而是关注怎样描述数据内容的组 织和结构以便数据进行交流和处理，具有良好的可靠性与互操作性。 它具有以下特点【1 3 j ： ( 1 ) x m l 遵循严格的语法要求； ( 2 ) x m l 允许各种不同的专业开发与自己的特定领域有关的标记语言； ( 3 ) x m l 允许你根据各种不同的规则来制定标记； ( 4 ) x m l 的最大能量来源于它不仅允许你定义自己的一套标记，而且这些标记不 必仅限于对于显示格式的描述； ( 5 ) 由于x m l 是非专有的并易于阅读和编写，就使得它成为在不同的应用间交换 数据的理想格式； ( 6 ) 由于标记是有含义的，所以即使过了很长时间用户仍然可以很容易的理解 x m l 文档； ( 7 ) x m l 是基于w 3 c 定制的开放标准，从而使得基于x m l 的应用具有广泛性。 这些特性表明了x m l 技术可以作为异构数据交换的可行方案。基本的思路是在底 层异构c a d 模型数据格式和x m l 格式之间建立内在的映射关系，将异构数据发布为 大连理工大学硕士学位论文 x m l 文档，再根据x m l 技术实现x m l 的交换。最后读取转换后的x m l 以获取原模 型信息。 1 3 课题的来源及课题意义 现在，国内大批知名制造企业不断实践一些新的计算机先进集成制造理念和技术， 特别是协同设计的应用，要求新的产品开发模式在不同的企业之间、不同部门之间、不 同的c a d 系统之间、以及不同版本之间实现c a d 系统的互操作。c a d 数据交换技术 作为实现c a d 系统互操作和网络化协同设计的基础，其研究就显得十分重要。 本文在国家某部委“十一五”预研项目“幸幸异地协同设计制造网络平台关键技术” 的支持下，对协同设计模式中c a d 用户间的3 d 模型数据交换问题进行了研究。目的 在于解决由于设计单位和制造单位使用的c a d 系统不一致，而且系统自带的转换接口 转换以后的数据存在模型不能编辑、大量制造工艺信息丢失严重，使得设计单位的图纸 无法在制造企业直接使用的问题。 1 4 本文研究主要内容 本文的主要研究内容包括： ( 1 )异构c a d 集成交换策略的理论框架，以及该理论框架开发的集成交换平台 的运行机制。 ( 2 ) 基于特征的异构c a d 模型数据交换的实现方法，包括：c a d 模型的特征信 息构成、基于标准特征的特征映射方法、基于x m l 语言描述共享模型信息 的方法。 ( 3 )为维护c a d 模型修改前后拓扑结构的对应关系，研究了几何元素的标识方 法。 ( 4 )为了保持目标模型与源模型之间的设计意图一致性，研究了数据交换中的约 束转换问题。 整篇论文分为5 章，结构如图1 3 。第l 章是绪论，主要介绍选题的来源和研究现状， 包括特征的基本概念、分类，目前数据交换在国内外的研究现状以及x m l 技术的概念。 第2 章介绍了一种c a d 模型异构c a d 数据的集成交换策略，详细论述了该策略的需求、 框架、运行机制和特点。第三章是介绍了异构c a d 数据交换方法，提出了通过特征映 射与建立标准特征信息表达方法相结合实现数据交换，并采用x m l 来对特征信息予以 记录的思想。第四章是数据交换实现过程中所涉及的关键技术，包括几何元素标识和约 束转换，针对现状相应提出了解决方案。第五章主要介绍集成交换平台的开发原理和流 程，并给出了相应的实例以验证本文策略的可实施性。 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 第二章c a d 模型集成交换策略 总体框架策略分析和策略特点 第三章基于特征的异构c a d 数据交换方法 详细介绍特征映射及信息表达 第四章数据转换中的关键技术研究 重要理论 i几何辨识与约束转换理论 数据转换 理论与 关键技术 二二二二二二二二二至蚕二二二二二二 全文总结 图1 3 论文的结构 f i g 1 3 f r a m e w o r ko ft h ed i s s e r t a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 2c a d 模型集成交换策略 2 1需求分析 根据协同设计任务需要，不同企业、部门的设计人员动态组成协同产品设计或开发 团队。根据团队中设计人员采用的c a d 系统的异同，可将设计人员之间的协同设计模 式分为同构协同和异构协同。在跨企业、跨部门的协同设计和开发团队中，这两种模式 往往同时并存。但由于参与合作的企业或部门之间多是在分解设计任务基础上开展协同 设计，所以多数设计人员将围绕同一子任务进行同构协同设计，只有少数分属不同企业 或部门的设计人员由于技术合作的需要，采用异构协同设计模式。但是，同构和异构两 种协同设计模式均面临几个亟待解决的问题： ( 1 ) 设计人员之间需要快速、实时地进行数据传输，而现有协同设计的网络环境受带 宽限制，不能完全满足这一基本需求。因此协同设计中的3 d 模型数据交换，需要考虑 3 d 模型文件的网上传输速度问题。 ( 2 ) 设计人员之间需要协同编辑3 d 模型，因此设计人员之间的3 d 模型数据交换， 要保持3 d 模型的可编辑性，保持3 d 模型的参数、设计意图及其它工程信息的一致性。 ( 3 ) 现有的数据转换方式大多不支持在线数据交换。这就要求开发的数据转换接i z l 能 够集合到协同平台中，实现在线的数据交换。 2 2 理论框架 为了解决上述问题，本文提出了一种面向同构协同和异构协同混合协同设计模式的 3 d 模型数据交换策略模型，如图2 1 所示。 该策略模型采用“用户层朋艮务层数据层”的三层体系结构。用户层由c a d 系统和 嵌入于c a d 系统中的轻量化模型文件读写接口组成。c a d 系统既可通过轻量化模型文 件读写接i e l 从轻量化模型文件( l i g h t w e i g h tm o d e lf i l e ，l m f ) 解析3 d 模型数据并重 构3 d 模型；也可从c a d 内存模型中将专用模型文件( s p e c i a lm o d e lf i l e ，s m f ) 提取 出3 d 模型的具体数据，将其导入到轻量化模型文件。用户层是设计人员参与3 d 模型 协同设计任务的数据处理终端。服务层即布置于协同设计服务器的3 d 模型集成交换平 台，是设计人员进行3 d 模型数据交换的控制器和执行器，可根据设计人员的服务请求 向设计人员提供基于轻量化模型文件的3 d 模型上传、下载以及数据交换服务。在3 d 模型集成交换平台中，集成交换服务是整个平台的控制中心，通过它调用和控制布置于 平台中的各种模型文件间的数据交换工具，从而对设计人员提出的服务请求进行响应。 数据层即协同设计模型库，是协同设计中的数据存储中心。它根据协同设计任务划分， 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 对任务相关的3 d 模型文件进行存储，并向服务层提供数据存取服务。协同设计中，设 计人员将围绕设计任务对数据层实施存取操作，设计人员每完成一次3 d 模型编辑任务， 均要向数据层签入当前版本的3 d 模型。 l m f ：l i g h t w e i g h tm o d e lf i l eu m f ：u n i f i e dm o d e lf i l es m f ：s p e c i a lm o d e lf i l e 轻量化模型文件读写接口 模型文件数据流。控制流 图2 1 集成交换策略模型 f i g 2 1 m o d e lo fi n t e g r a t e dd a t ae x c h a n g es t r a t e g y 该策略主体采用集中式转换方式，结合了点对点的专用数据接口交换方式和通用数 据格式交换方式的优点，利用集成转换工具实现异构c a d 平台输出的专用模型文件 ( s p e c i a lm o d e lf i l e ，s m f ) 与统一模型文件( u n i f i e dm o d e lf i l e ，u m f ) 之间的相互 转换。作为标准格式的共享中间模型文件，u m f 在异构c a d 平台输出的s m f 之间起 到转换桥梁作用。该方法难点在于c a d 平台自带的数据接口输出的s m f ( 如：u g 的 术p r t 文件、c a t i a 的幸m o d e l ) 文件格式及数据组织结构对普通c a d 二次开发人员不透 明，通过简单编程难以解析和生成该类s m f 。为此，采用绕行策略，利用c a d 平台提 供的a p i 开发异构c a d 平台的专用数据接口，输出显式格式的s m f ，也即是轻量化文 件l m f ( l i g h t w e i g h tm o d e lf i l e ) 。同时，为减少工程语义损失、降低数据传输量，采 大连理j f 大学硕士学位论文 用高层特征模型对s m f 、u m f 的模型数据进行表达与组织。图2 2 为集成模型转换与 共享方法的框架。 提取 构 v - - - c a d 模型。数据接口 - 数据流向 中间文件 图2 2 数据转换方法 f i g 2 2 m t h o do fd a t ae x c h a n g e 2 3 运行机制 该策略中3 d 模型数据交换过程实际是由集成交换服务集中控制的l m f 、u m f 和 s m f 等模型文件相互之间的数据交换过程，相应的3 d 集成交换平台运行机制如图2 所 示。用户通过w e b 页选定3 d 模型的上传或下载服务，并选择集成交换服务所需参数， 如3 d 模型及其信息、源c a d 系统、目标c a d 系统以及服务类型。通过w e b 页激活 部属于协同设计服务器的3 d 集成交换服务。集成交换服务根据服务类型、源c a d 系 统与目标c a d 系统异构与否，通过协调各种模型文件交换工具，分别向用户提供基于 同构c a d 系统的3 d 模型上传服务、基于异构c a d 系统的3 d 模型上传服务、基于同 构c a d 系统的3 d 模型下载服务以及基于异构c a d 系统的3 d 模型下载服务等4 种3 d 模型集成交换服务，其流程亦如图2 3 所示。上述4 种3 d 模型集成交换服务的运行结 果分别为：s a ：l m f _ s a ：s m f 、s a ：l m f - s b ：s m f 、s a ：s m f _ s a ：l m f 、s b ： s m f s a ：i 。m f 。 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 ；f ，1 藤磊订i 墨璺选择服务| 厂雨磊荔夏、 | | 鬻圣，p 毒豇燮一| 选墨壅型；：! 塑：。i 艋务申请 i选墨耋辈：圭缝：l e 一一墓垂一甜”l 毒 亡 ：l 匡s s - s m f 至, , s s ：l m f | 鏖 ；r 王一 l i 一 坠一 品u m f ：肝一l ： 数毒燃晃臣竺数据交换结晃l： 由ium,f s p ：l m f i|i 二二工二 ； 一荪聂丽晤一； l 。- - - - _ - 一。- 一一- _ - - 。- - - _ - - _ - - _ - - _ - - - - _ _ - 。- - 一。一一一一一- 一一_ _ j 图2 3 集成交换平台运行机制 f i g 2 3o p e r a t e dm e c h a n i s mo fi n t e g r a t e dd a t ae x c h a n g ep l a t f o r m 2 4 特点分析 与传统方法相比，本文提出的c a d 模型接i s l 方案有以下特点： ( 1 ) 本策略中提出的数据转换接e l 能够集成到现有的协同平台中，实现在线数据交 换。 ( 2 ) 由于l m f 数据量小，所以采用l m f 作为3 d 模型在协同设计中的传输和数据 交换中介，提高了模型在网络中的传输速度。 ( 3 ) 可有效减少3 d 模型在数据交换中的信息损失，模型可编辑，并能保持设计意 图不改变。 大连理工大学硕士学位论文 2 5本章小结 本章根据同构和异构两种协同设计模式中数据交换所存在的问题，提出了一种c a d 模型的集成交换策略，并详细论述了该策略的需求、框架、运行机制和特点。通过该策 略开发的数据转换平台能够支持在线数据交换，而且转换以后的模型具有信息损失少， 模型可编辑，并能保持设计意图不改变等特点。 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 3 基于特征的异构c a d 数据交换方法 本文提出了一种支持在线的c a d 模型集成交换策略，其最基本的功能在于实现异 构c a d 之间的数据交换。下面我们将具体讨论基于特征的异构c a d 数据交换方法。 3 1c a d 模型的特征信息构成分析 在讨论c a d 数据交换方法之前，我们需要明确数据交换过程中，交换的具体是哪 些信息。根据完备性及最小化等原则，要保持目标模型与源模型间的几何与拓扑一致， 需要对特征模型中表示几何和拓扑信息的参数、约束、特征依赖关系及布尔关系等信息 进行转换。同时，为保持转换前后模型的材料、密度、单位等基本属性一致，特征模型 也包含此类属性信息。综合上述信息，建立特征模型，其构成情况如图3 1 所示。该特 征模型由属性信息和特征序列组成。属性信息包括名称、材料、密度、单位等宏观属性， 它们只对模型本身有效，不能传递到装配引用的零部件模型。特征序列泛指包括参考特 征、草图特征、设计特征、细节特征、操作特征以及装配特征等在内的特征及操作，它 们按设计历史进行有序排列。同时，特征序列有别于设计历史，它仅包含模型最终组成 特征及操作。所有这些信息中，模型的特征信息是数据转换的重点与关键部分。 图3 1c a d 模型的特征信息构成 f i g 3 1 f o r m a t i o no f c a df e a t u r e si n f o r m a t i o n 大连理工大学硕十学位论文 模型中任意特征可用4 元组( s ，p ，c ，b ) 表示，其中s 、p 、c ，b 分别表示特征的属性、 参数、约束及布尔运算等信息，这些信息用b n f 表示为： ( 1 ) 属性 s ：= 1 ：- - - - “i d ” ：- - - - - “t y p e ” ：= “t i m es t a m p ” ( 2 ) 参数 p ：= i i ：- 参数名” - ：- - - - - “x ” “y ” “z ” ：= x ” “y ” “z ” ( 3 ) 约束 c ：= ：= ：= l i l l - ；- - - - 】 】 ：= ：= ( 4 ) 布尔运算 b ：= ：= “目标体” ：= l l i 3 2 基于标准特征的特征映射 3 2 1标准特征及其表达方法 假定存在异构c a d 系统s 和岛，若将s 下任意模型膨转换为s 可识别的模型，则膨中 任意特征另的转换方法可描述如下。设s 和s 的特征类型集合分别为用西和仃b ，因5 = i 和 鳙在相同造型功能，因此尸隅d f t s ep 。根据f t s a 年t l 尸z 蜀之间关系，本文给出标准特 征类型和扩展特征类型的定义。 基于特征的异构c a d 集成数据交换技术研究 定义l 标准特征类型。若异构c a d 系统5 ：f 和品的特征类型集合分别为仃西和尸隅，则 定义集合f t s a 几仃品中的特征类型为1 5 = i 或s 的标准特征类型。 定义2 扩展特征类型。若异构c a d 系统1 5 ：f 和s 的其特征类型集合分别为f t s a 和f t s a ， 则定义集合尸隅0 用玢中的特征类型为s 或s 的扩展特征类型。 通过分析u g 、c a t i a 以及p r o e 等c a d 系统，归纳标准特征类型和扩展类型的集合范 围： 用舄厂7 尸隅基准特征u 曲线曲面特征u 草图特征u 扫掠特征u 简单成型特征u 修 饰特征 f t s 。 f t s b 体素特征u 复杂成型特征 标准特征类型占5 ：f 或s 的全部特征类型的大多数，能实现s 或岛的全部造型功能； 而扩展特征类型是根据- 5 = i 或s 的各自应用领域专门开发的特征类型，其造型功能可由标 准特征类型的造型功能代替。表3 1 给出了常用标准特征类型以及其在u g 、c a t i a