（机械制造及其自动化专业论文）面向自顶向下设计过程的三维特征建模技术研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - - _ l _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ o ! 鬯! o ! o _ o ! ! i i i i ii i i ! 苎! o o ! ? 鼍! 蔓 撼要 产品设计过程是一个复杂的创造性过程，实王见主蟛过程的自动化是三维 e a b _ i 具追求的主要目标，由于设计过程本身的复杂性，现有的三维c a d 工具农 产晶设计过程建模和维护等方面还存在一定的不足，针对这些不足，本文以几何造 登学、图论、拓扑学、约束分析为基确，提出了自顶向下的特征建模方法和三维拓 设计过程的不足，提出了自顶向下( t o p - d o w n ) 三维建模方法敷六个层次，即功戆 层、概念设计层、装配层、零 牛层、特征层和b r e p 层。在概念层设计上，提如用 三维约束系统建立自顶向下的设计环境，为概念设计阶段的设计活动提供了有力支 持。针对现有的三维设计工具在产品信息表达上存在的不足，提出了以特征为核心 的信息模黧解决方案，建立了一套完整的特征造型系统。) 提掰了萋予拓扑学、图论的三维拓扑实体称识技术t 即编码和译码技术) 。三维 拓羚实体标谚 技术是特征逸墼系统中进行三维模墅维护的羹要手段之一，论文在分 辑特薤造型鑫菇特点嚣实体布尔运算静基确上，提斑了基予面编两的拓扑实体编码 和译码系绞。针对囊奁三维实钵毒尔运算弱过程霹缝出现融合或分裂静特点，提出 了分裂操作符和融会操作餐的壤念用于露载编码，绞一了瑟编鹂戆发达方式，镶褥 编码本嶷可以蛊接反映拓扑面程零传体构造中的演化过程。) 提出了三维约柬和驱动技术用于三维模型的管理策略。三维约束系统的几何实 体包括三维点、直线和平面，约束包括尺寸约荣( 包括距离尺寸和角度尺寸) 和结 构约束( 包括平行、垂直、相切、从属约束等) ，根据上述几何实体和约柬分类， 探讨了基于图论的三维约束传播算法用于三维几何实体的空间位置推理，同时展示 了三维豹束技术在簿特征静尺寸关系警淫、三缔约柬辅助特征熏建和三维模型的空 阀东是设计上的应并l ，这些应用扩耀了特链造登系统躬功能范溺，瀚对为实现自顶 向下的设计过器提供了藜撮条转。卜卢。一 基予上述研究工作，研制了一套三维c a d 驰簌型系统装m & 器瓣e r 。 一一一一、。r 0 。 关键词：三维特征建模 囱顶向下概念垡遮迕实体编码泽码几何芗弼7 翩蒹爵莉7 、吖p 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t p r o d u c td e s i g ni sac o m p l i c a t e da n dc r e a t i v ep r o c e s sa n dd e s i g np r o c e s sa u t o m a t i o n i sam a i no b j e c t i v eo f3 dc a dt o o l s b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ed e s i g np r o c e s s ， t r a d i t i o n a l3 dc a dt o o l sh a v es o m ed r a w b a c k si nm o d e l i n ga n dm a i n t e n a n c e b a s e do n g e o m e t r ym o d e l i n g ，g r a p ht h e o r y , c o n s t r a i n ta n a l y s i s ，at o p d o w nf e a t u r em o d e l i n g m e t h o da n da3 dt o p o l o g i c a le n t i t yn a m i n gt e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e d ad e s i g np r o c e s s o r i e n t e d3 dc a dt o o lp r o t o t y p ei si m p l e m e n t e dt h r o u g ht h eo b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sa n d d e s i g nm e t h o d t h ed i s s e r t a t i o nc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w s ， a c c o r d i n gt ot h eb o t t o m u pd e s i g np r o c e s so ft r a d i t i o n a l3 dc a dt o o l s ，at o p d o w n 3 df e a t u r em o d e l i n gm e t h o di sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nb eo u t l i n e da ss i xl a y e r s ，i e f u n c t i o n a ll a y e r ，c o n c e p t u a ld e s i g nl a y e r a s s e m b l yl a y e r p a r tl a y e r , f e a t u r el a y e ra n d b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o nl a y e r i nt h ec o n c e p t u a ld e s i g n ，l a y e r 3 dg e o m e t r i cc o n s t r a i n t s a r eu s e dt oi m p l e m e n tat o p - d o w nd e s i g ne n v i r o n m e n ta n daf e a t u r e d - b a s e di n f o r m a t i o n m o d e li sp r e s e n t e dt of o r mt h ei n t e g r i t yo f t h ef e a t u r e m o d e l i n gs y s t e m a3 dt o p o l o g i c a le n t i t yn a m i n gt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e db a s e do ng r a p ht h e o r ya n d t o p o l o g y , t h en a m i n gt e c h n o l o g yi si m p o r t a n to n3 dm o d e lm a i n t e n a n c e a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff e a t u r em o d e l i n ga n db o o l e a no p e r a t i o n ，as p l i ta n dam e r g e o p e r a t o ra r ep r e s e n t e dt oe x p r e s st h ec o d eo ff a c e sw h i c hn o r m a l i z et h ee x p r e s s i o no f f a c ec o d i n g ，t h ec o d eo f f a c er e f l e c t st h ee v o l u t i o no f f a c ei np a r tc o n s t r u c t i o n 3 dc o n s t r a i n ta n a l y z i n ga n dd r i v i n gt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e dt om a n a g et h e3 d f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g 3 dg e o m e t r ye n t i t i e sa r ec o m p r i s e do f p o i n t ，l i n e ，p l a n ea n d t h e c o n s t r a i n t sc a nb ed e p a r t e da sd i m e n s i o n a lc o n s t r a i n t sa n ds t r u c t u r a lc o n s t r a i n t s b a s e d o nt h ec a t e g o r i e s ，a3 dc o n s t r a i n tp r o p a g a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt oi n f e rt h es p a t i a l p o s i t i o no f 3 dg e o m e t r ye n t i t i e s t h ea l g o r i t h mc a nb ea p p l i e dt oc a r r yo u tt h ed i m e n s i o n m a n a g e m e n tb e t w e e nd i f f e r e n tf e a t u r e sa n d3 df e a t u r er e c o n s t r u c t i o na n d3 dm o d e l i n g l a y o u t t h e s ea p p l i c a t i o n se x t e n dt h ef u n c t i o no ff e a t u r em o d e l i n gs y s t e ma n dp r o v i d e s t r o n gs u p p o r to nt o p - d o w nd e s i g np r o c e s s b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t s ，ap r o t o t y p eo f3 dc a dt o o l ，k m e n g i n e e ri s d e v e l o p e d k e yw o r d s ：3 df e a t u r em o d e l i n gt o p - d o w nd e s i g nc o n c e p t u a ld e s i g nc o d i n g d e c o d i n gg e o m e t r yc o n s t r a i n t c o n s u a i n tp r o p a g a t i o n i i 华中科技大学博士学位论文 1绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 1 1 1 课题的来源 课题来源于华工科技股份有限公司开目集成技术分公司。 1 1 2 课题的目的 课题的目的是通过对三维c a d 技术发展过程、当前研究热点以及现有三维c a d 系统存在问题的分析，研究面向设计过程的，基于拓扑学、图论的三维特征建模的 基本理论和方法，以促进三维建模技术的改进和完善。 1 1 3 课题的意义 制造业的先进与否是衡量一个国家经济发展的重要标志【1 l ，1 9 9 1 年3 月2 0 日， 美国政府发表了跨世纪的国家关键技术发展战略，列举了6 大技术领域中的2 2 个 关键项目，其中，c a d c a m 技术与两大领域的“个项目紧密相关【2 1 ，它推动了几 乎一切领域的工业革命，c a d 技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代 化和工业现代化水平的重要标志之一【3 】。 随着市场经济的发展，用户对各类产品的质量，产品更新换代的速度，以及产 品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求 4 1 。要提高产品质量、 降低成本、缩短生产周期，必须首先从设计入手，虽然产品开发过程中的设计费用 仅占总成本的5 左右，但产品设计过程决定了约7 0 8 0 的产品成本，且设计阶 段比产品生命周期的其它阶段具有更灵活的可修改性，使得研究跟设计阶段紧密相 关的计算机辅助设计工具成为产品设计过程中的重要课题p 。j 。 课题研究的意义表现在： 针对现有的三维c a d 工具仅提供支持自底向上( b o t t o m u p ) 设计过程的不足， 提出了自顶向下( t o p d o w n ) 三维建模方法的六个层次，即功能层、概念设计层、 装配层、零件层、特征层和b r e p 层，促进了面向设计过程三维建模技术的发展。 提出基于拓扑学、图论的三维拓扑实体标识的基本理论和方法，有效地维护了 设计过程的一致性，完善了特征建模技术，提高了设计效率与设计质量。 提出了基于点、线、面的三维约束系统，用于支持概念化设计阶段的空间布局， 华中科技大学博士学位论文 为自顶向下的设计方法提供了实现手段提升了三维系统的设计功能。 另外，课题研究的成果在促进实现三维产品商品化方面也具有重要意义。 1 2 c a d 技术发展综述 1 2 1c a d 技术的发展历史 计算机辅助设计( c a d ) 技术是计算机与设计技术渗透结合而产生的。它的起 源可以追溯到2 0 世纪5 0 年代末，1 9 5 9 年1 2 月在美国麻省理工学院召开的一次计 划会议上，首次明确地提出了c a d 的概念，那时电子计算机还处于电子管时代； 6 0 年代初，麻省理工学院的研究生i e s u t h e d a n d 发表了人机对话图形交互系统 论文，推出了二维s k e t c h p a d 系统，首次提出了计算机图形学、交互技术及图形 符号的存储采用分层数据结构的思想，为c a d 技术提供了理论基础【趴。7 0 年代， 随着计算机硬件的发展，以小型机为主机的c a d 系统进入市场，同时，三维几何 处理软件也发展起来，出现了面向中小企业的c a d c a m 商品化系统；8 0 年代， 出现了超大规模集成电路，计算机硬件成本大幅度下降，商品化的三维实体造型系 统投入使用，p c 机上的c a d 系统也迅速普及，集成化的c a d c a m 系统开始出现。 9 0 年代，设计领域出现了诸如并行工程、产品生命周期等新概念，并且软件领域数 据库技术、面向对象的技术逐步发展成熟，传统的c a d 系统由几何造型和工程绘 图的工具，向集成化、智能化的方向发展。 1 2 2 三维模型的表达 三维几何建模技术经历线框建模、曲面建模、实体建模和特征建模几个发展阶 段。线框建模用基本的线索( 直线、圆弧、点等) 来描述产品的轮廓外形，它的优 点是记录三维形体所需的信息少，因此线框模型对硬件要求不高，模型处理时间短； 它的缺点是无法表达含有曲面的形体，且对形体的表达会产生多义性。曲面建模是 通过对形体各个表面进行描述而构造实体的一种建模方法，曲面建模克服了线框建 模的缺点，能够比较完整地定义三维形体的表面，但不能完整地展示物体的内部结 构，无法表达三维形体的立体属性。实体建模采用边界表示法( 详论见1 2 2 1 ) 和 构造几何法( 详论见1 2 2 2 ) ，使得三维实体的构造过程更加灵活，而特征建模( 详 论见1 2 2 3 ) 在实体建模技术的基础上，着眼于更好地表达产品的技术和生产管理 信息。下面详细介绍几种典型的三维模型的表达方法。 2 华中科技大学博士学位论文 l u m p s 上 厂丁 l o 毫o p s i 1 c o e d 了g e s 一 图1 1 b r e p 拓扑层次结构图 环( 1 0 0 p ) 是面的封闭边界，由有序、有向的边组成。环不能自交，即环的各 条组成边除了共享交点外不能再有其他交点。面上的环是有方向的，确定环的方向 应该遵循下面的原则：环的边沿着环的方向前进，左侧总是体的内部，右侧总是体 的外部。面上逆时针走向的环称为外环，面上顺时针走向的环是内环。 边( e d g e ) 是体上两个邻面的交线。当从边的某个邻面来看这条边时，它是有方向 的，它的方向与这条边所属环的方向一致，一条有方向的边又称为共边( c o e d g e ) 。 顶点( v e r t e x ) 是边的端点，不允许出现在边的内部，也不能孤立于边而存在于物 体的内、外或面的内部。 节 华中科技大学博士学位论文 线( , , v i r e s ) 用于表达具有线框特性的模型，子壳( s u b s h e l l ) 是为了实体拼合运 算需要而添加的一个拓扑层次。 根据b r e p 拓扑层次结构，立方体具有1 个体、1 个块、1 个壳、6 个面、6 个 环、1 2 条边、2 4 条共边，8 个顶点。 边界表示法强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的所有几何元素的几何 信息和相互之间的连接关系，并将面、边界、顶点的信息分层记录，建立层与层之 间的联系。b - r e p 结构在数据管理上易于实现，也便于系统直接存取组成实体的各 几何元素的具体参数。 边界表示法也有其缺点，由于它的核心是面，因而对几何物体的整体描述能力 相对较差，无法提供关于实体生成过程的信息，因此很难表达三维模型是由哪些基 本体素，经过哪些集合运算拼合而成的。 1 2 2 2 构造几何法( c s g ，c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 发展c s g 法的突出代表是美国r o c h e s t e r 大学的v o e l c h e rhb 教授及其生产自 动化课题组，他们研制的系统名称为p a d l ( p a r ta n d a s s e m b l yd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) i i - 1 2 o 系统最初只使用立方体和圆柱体两种体素，后逐步增加了球、圆锥、圆环等 体素，通过体素间的交、并、差运算生成不同形状的三维形体。构造几何法中，形 体的描述用二叉树来表示，叶子节点为基本体素，非叶节点为操作符，图i - 2 ( a ) 所 示的三维实体的c s g 表达如图1 2 ( b ) 所示，它首先由两个立方体进行“并运算”， 然后与圆柱体经“差运算”后生成。 图1 - 2 三维实体的c s g 表达 与边界表示法相比，c s g 法构成的数据模型比较简单，每个基本体素无需再分 解，对模型的修改也可以通过对基本体素的修改来实现。c s g 法能够详细地记录构 成实体的原始形状特征及其参数，但是由于信息过于简单，无法存储三维模型最终 4 华中科技大学博士学位论文 的详细信息，例如边界、顶点的信息等，因此难以直接获得三维模型的几何数据并 进行相关的处理【1 3 】。 另外，日本北海道大学的n o r i o o k i n o h 1 教授和m e a g h e r 1 5 舶1 等人也曾做过三维 实体表达方面的研究工作，由于影响力相对较小，在此不再详述。 1 2 2 3 特征表示法 “特征( f e a t u r e ) ”这一名词最早出现在1 9 7 8 年美国麻省理工学院g o s s a r d 教授 指导的一篇论文“c a d 中基于特征的零件表示”中【1 7 l ，用于对零件组成结构进行 表达，特征的早期研究工作从加工的角度出发，探索如何从零件几何信息中提取 c a p p 、n c 加工所需要的特征信息【i s - t 9 。由于特征是一个与几何造型紧密相关的概 念，c u n n i n g h a m 从造型角度出发，认为特征是需要被集中引用的具有约束关系的 几何或拓扑实体集合【2 0 1 ，t u r n e r g p 【2 1 】贝0 从特征设计的角度出发，认为特征是产生、 分析和评价设计的成分。 从不同的角度出发，不同的学者对特征提出了不同的定义，丽多数人认同的定 义是：特征表示零件或装配中一组具有工程意义的几何实体集合。 特征分类 由于应用领域的不同特征数量是一个变数，因此对特征进行分类是很有意义 的。首先，不同类型的特征具有不同的属性特点，可以构造相应的机理来支持；其 次，对特征进行分类可以形成一致的专业术语表达；最后，特征的分类有利于产品 数据交换标准的形成【2 2 1 。 许多学者依据实体形状对特征进行了分类。p r a t t 为c a m 1 系统设计的特征系 统被p d e s ( p r o d u c td a t ae x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，产品数据交换标准) 采用 2 3 - 2 4 l ， p d e s 对特征的划分如下： p a s s a g e s ( 通道) ：贯穿已存在形体的两个端面的去除体积( s u b t r a c t e d v o l u m n s ) 。 d e p r e s s i o n s ( 沉槽) ：与已存在形体的一个端面相交的去除体积。 p r o t r u s i o n s ( 突起) ：与已存在形体的一个端面相交的添加体积。 t r a n s i t i o n s ( 过渡) ：平滑相交包围的区域。 a r e a f e a t u r e s ( 区域特征) ：定义在已存在形体某面上的二维元素。 d e f o r m a t i o n s ( 变形) ：形体变化的操作，如倒圆、错切等。 c u r m i n g h 跚和d i x o n 2 0 1 将特征划分为静态特征和动态特征，静态特征包括主要 形体和形体间的连接关系以及零件的属性等，动态特征是存储能量或运动转换的实 体。 华中科技大学博士学位论文 s h a h 2 5 - 2 6 1 还提出了技术特征( 系统功能的参数) 、材料特征( 包括材料的组成、 处理过程和状态) 、装配特征( 包括零件相对位置、配合面、动态关系) 的概念。 现有的三维设计系统从设计特征的角度出发，定义了草图特征、拉伸、旋扫、倒圆、 倒角等形状特征。 特征创建 除用户自定义特征外，与工艺过程和c a m 过程相关的特征通常采用特征识别 的方法进行创建，与设计过程相关的特征在基于特征的造型系统中通常采用扫描法 进行创建。 ( 1 ) 特征识别 特征识别是特征造型领域近些年比较活跃的研究课题，它的基本思想是针对特 定领域运用算法构造识别系统并从几何模型信息中提取所需要的特征，如加工领域 特征信息( 如孔、槽信息) 的识别过程，其目的是为了促进c a d c a m 的集成。 图1 3 特征识别过程 特征识别的过程如图l - 3 所示。其中的模型信息可以是实体模型，也可以是特 征模型，如j u n g h y u n h a r t 2 7 1 特征识别系统中的模型信息包括设计特征及其相关的属 性信息；识别器采用的是模糊推理和人工智能的原理；特征验证通常采用与c a p p 相关的一些指标来衡量所提取的特征是否符合加工特征的要求。 除j u n g h y u nh a r t 外，j a ey e o l 2 引、r a j a h 2 9 1 、q a m h i y a h 3 0 】等学者也在特征识别 和加工特征提取研究领域进行了研究工作。 ( 2 ) 扫描法 扫描法可以分为平面轮廓扫描和整体轮廓扫描，平面轮廓扫描是由任一平面轮 廓在空间平移一个距离或绕一个固定轴进行旋转而生成形体的一种造型方法，此 时的平蕊轮廓又称为草图特征：整体轮廓扫描是用已定义的三维形体沿某一空间 路径进行运动而生成形体的一种造型方法。利用扫描法进行特征生成的例子如图 1 - 4 所示。 三维形体的特征表达 国内外对三维形体的特征表达基本上都采用的是综合了特征c s g 法和边界表 示法的方法 3 1 0 3 3 】，此时特征的管理采用c s g 树的形式，c s g 树的节点为特征本身， 华中科技大学博士学位论文 图1 - 4 扫描法生成特征举例 而不是体索，特征c s g 树反映了三维形体的构造历史；特征体的几何信息记录则 采用b r e p 表达方式。关于设计特征的构造和建模方法将在第二章详细介绍。 特征建模可以理解为四个层次，即b r e p 层、特征层、零件层和装配层，如图 1 5 所示。b r e p 层既可以表达单个特征体的几何模型，也可以表达由特征所生成 的零件体的几何模型；特征层描述了系统支持的特征模型的范围和交互方式；零 件层描述如何实施对特征的管理以及零件本身所有的一些属性信息；装配层描述 零件和装配关系的管理( 详见1 2 2 4 节) 。 装配层 圆圈零件层 困国特龋 田园团囡因脚一层 图1 5 特征建模的结构表示 实体建模技术建立在几何表示和操作之上，产品模型仅满足了产品的几何模型 信息的完备性要求，而不能为制造提供反映设计意图的非几何信息，如材料、公差 信息等。特征造型技术的引入，一方面为产品模型提供了融入非几何信息的机制， 弥补了传统建模技术仅能表达几何拓扑层的不足：另一方面，由于特征是高层次的 设计概念，基于特征的产品模型包含了大量非几何信息，提高了c a d 与 c 艄a p p c a e 系统的集成性。 华中科技大学博士学位论文 本文认为，基于历史的特征建模方法也有其缺点，即无法有效表达跨越特征的 设计意图。例如，图l 一6 ( a ) 所示的轴由三个拉伸特征构成，其中尺寸h 为其中一个 拉伸特征的拉伸长度，h 为跨越特征的尺寸。对于尺寸h 可以通过特征尺寸的编辑 很容易地实现模型维护，而对于h ，现有的三维特征造型系统尚无法标注和修改， 只能通过其它特征尺寸间接进行修改，灵活性较差且不符合用户设计意图。 ( a ) 图1 - 6 块特 ( b ) 基于历史的特征建模不足举例 孔特征2 征3 b i d a r r a l 3 4 1 从另一方面指出了基于历史的特征造型系统的不足，他认为：基于历 史的特征造型系统的造型过程参数关系不能跨越历史的次序，如图1 - 6 ( b ) 所示的三 维模型，假设它的构造次序为：块特征1 - - ) - l 特征2 专块特征3 时，则系统无法使 孔特征2 具备通孔的属性，即孔特征2 的顶面无法延伸到块特征3 的顶面上。针对 此类问题，b i d a r r a 提出了语义造型模型的概念，对特征进行依赖性管理并施加不同 的优先级别，使块特征3 在孑l 特征2 之间构造，从而实现特征管理的独立性，提升 了特征造型的应用范围。 1 2 2 4 装配模型 从学者们对装配问题的研究来看 3 5 - 3 9 ，装配模型的表达可以分为两类：关系模 型( r e l a t i o n a lm o d e l s ) 和层次模型( h i e r a c h i c a lm o d e l s ) 。 关系模型从部件或零件间的装配关系来定义装配，通常装配关系可以分为接触 关系( c o n t a c t ) 、附属关系( a t t a c h m e n t ) 和尺寸关系( d i m e n s i o n ) ；接触关系可以被 描述为配合面间的动态约束，它们可以分为共轴、共面、对齐关系：附属关系可被 描述为由于附属介质或附属力的存在而形成的接触关系，如弹簧、焊接等：尺寸关 系可被描述为非接触的几何关系，如平行和距离关系。 层次模型( h i e r a c h i c a lm o d e l s ) 从装配关系间的联系来描述装配模型，即通过 约束关系把装配模型分为子装配，从而形成不同级别的层次关系，一般说来，层次 模型可以从关系模型来推导获得。l e e d 7 表达的层次模型如图l - 7 。 华中科技大学博士学位论文 关系模型可以唐接用于装配分析或求解其它部件或子装配的空间位置；层次模 型对装配的划分则使之可以较好地表达产品功能特点，同时也便予进行装配序列规 划。装配序列规划属予装配约束求解的范畴，1 2 3 2 节将会讨论相关问题。 阔1 7 典型层次装配模型举例 1 2 3 三维模型的维护 由于特征逡型已经成必三维建模的主溅技术，下嚣姆用特援模型的维护来讨论 三维模型的维护问题。设计是一个循环反复的过程，我设计周期中模型的续橡会被 多次修改，这就要求三维c a d 系统能够记录、捕捉设计翥的意图，自动宠成产品 设计的维护工作。 三维模型维护分为三个方面来讨论，首先是三维模型的一致性命名引用；然后 是约束求解；最后是三维设计与产品设计。 1 2 3 1三维模型的拓扑结构标识 准确地标谈三维拓扑实体怒实施三维模型蠲部结构显示、交互和用户数据集成 鑫冬静强条 争，蠢予零锌鞫装配都建立奁特征模整基础上，鞠此，特征级莉的拓扑结 擒标谈是熬个三维模鳌拓矜结梅标识韵核心，特征缀嗣翡拓扑结构标识包括面，边， 点躲标识。 一些学老攒出避三维接羚实体愈名不一致性阀题即- 4 2 1 ，下嚣举铡说明搦羚络梅 标识不一致对模型维护的影响。 陶凹l f 国1 8 拓扑结构标识不一致性举例 9 华中科技大学博士学位论文 图1 8 所示的三维模型用p r o - ev 1 2 0 构造而成，它由两个拉伸特征和一个倒圆 特征构成，在编辑阶段，用户把零件倒圆特征的半径值从2 m m 改为3 m m 后，倒圆 特征依附的位置从左边“跳到”右边，上例说明p r o ev 1 2 0 存在三维拓扑实体命名 不一致性问题。 下面介绍几种主要的三维拓扑实体命名不一致性问题解决方案。 r o s s i g n a c d 3 提出用日志文件记录鼠标的位置来进行实体的记录。然而，仅通过 鼠标的位置定义位置关系显然是不准确的，且容易失去意义。 v a r a d y 4 4 1 提出一套拓扑表达的语法，它对拓扑实体辨识的原理是通过一个已知 的起点( 面、边或点) 沿着一定的拓扑关系去标识目标实体，其语法描述如下： ：= b o d y i o b j e c ti i | o f ：2 f a c e i e d g e i v e r t e x i l o o p i f a c e s e t ：2 t o p i b o t t o m i l e f t i r i g h t i f r o n t i b a c k i n e a r e s t i f u r t h e s t i t h e l a l a n l ：= c u r v e d i p l a n a r i s t r a i g h t i h o l e i i n n e r i q u a d r i c i p a t c h i s m o o t h i f e a t u r e ：2 f a c e i e d g e i v e r t e x l o o p i b o s s i p o c k e t 然而，v a r a d y 语法的关键字存在模糊性，使用其标识语法的一个例子如图1 - 9 所示，他利用固定的坐标对起点元素t o pf a c e 进行参考，当物体空间位置变化后， 这种t o p 关键字可能失效；另外，语法中的l e f t 、n e a r e s t 同样存在多义性， 且无法标识形状更复杂的形体。 图1 - 9 v a r a d y 拓扑实体命名举例 x i a n g p i n gc h e n 4 5 】在论述特征模型的编辑和重构过程的一篇论文中介绍了他所 采用的命名机制，虽然不够详细，但对面的命名维护存在这样一个观点：“当面分 1 0 ：逸 华中科技大学博士学位论文 裂对，所有的子面继承了父面的属性，与父面其有相同的命名”。然而采用这种命 名机制对圈l - 8 中零件进彳亍重构时，由于存在两条重复命名的倒圆边，原有的左边 的翻圆特馥将变为左右两边的髑圜特征，从而产生语义错诿。 v a s i l i sc a p o y l e a s 4 6 1 提爨采羯邻接黧法对拓扑实体遴行识剐，箕基本愚愆是糟萄 来记录拓羚实体藏瓣连接关系，然螽累月耀论孛广度後先搜索舞法，遂过汪稚酶实 体米标识泰知安体，如图l l o 鳜示三维模型由一个拉 枣特，镬积一个控镩切除特短缀 成，拉 枣特征掰含有鲍草图特征是一个嗳边形，控 枣切除特征梅造宠肇爱，三维模 型新产生的点用如表示，瓶产生的边周白表示。 c a p o y l c a s 把与某个拓扑元素相邻的元素集合称为邻接图，从本元素出发，如度 ( 本元素与目标元素间的距离) 为1 的邻接图称为l 级邻接图，出度必2 的邻接图 称为2 级邻接图，依次类推。c a p o y l e a s 的算法可描述为“搜索需要区分的元豢的 邻接图，直至邻接图产生差异为止”，其算法对，v 的标识过程如下： 图1 1 0 三维模型及其邻接图表示 妒e d g e ： f o i e 1 】 1 i 。h 2 】1 l d ( e 3 ) 1 】f l 囊e 5 ) i j 。 1 2 。e ( v 4 ) 1 】1 2 e 3 。l 】1 2 e l i 】1 2 1 e 。l j 。( 2 e 5 。i 】f 2 e 3 i 】 r i g h te d g e ： & 。i e ，i l l i ，琏2 1 。l i d ( e 3 ) , 1 ) 1 i 0 e 5 x l y , 1 2 e 和3 ) 。1 1 1 2 。e 3 ，1 3 ， 2 ，e 5 。l l 。1 2 1 e 。l 】 2 ，e s ，i 1 2 + 如。i 】 华中科技大学博士学位论文 上述算法显示，l e f te d g e 和r i g h te d g e 可由第二级邻接图元素以e ( v 4 ) ，盯和 2 e ( v 3 ) 。l | 来区分。 虽然邻接图法可以用于标识非对称结构的三维模型，但当三维模型呈现对称结 构时，邻接图法就难以处理了，因为采用此算法标识对称结构时广度优先搜索的结 果是一致的，需要添加额外的信息才能有效标识。邻接图法的另一个缺点是识别过 程需要记录和处理的数据量太大，不易维护和处理。 j i r ik r i p a c l 4 7 】用演化链表记录模型面的产生、分裂、融合和删除的历史，他提出 的面标识的公式为： f a c e i d ( 1 ) = s t e p l d , f a c e l n d e x , s u r f a c e t y p e 其中，s t e p l d 为特征i d 号，f a c e l n d e x 为面i d 号，s u r f a c e t y p e 为面的种类。 k r i p a c 把拓扑实体的标识和特征创建过程联系起来，解决了对称拓扑实体的标 识问题，但并没有涉及当面存在多次分裂时如何进行拓扑实体标识的问题，另外， 当标识过程中存在多个相似命名时，k r i p a c 没有阐明何种条件下需要精确命名，何 种条件下近似的命名可以接受。 另外，国内的一些学者如：吴俊军 4 8 1 、孙立镌【4 9 l 等，也对设计一致性维护问题 进行了较为深入的研究。国外的一些商品化的三维系统如：p r o e 2 0 0 0 i 、 s o l i d w o r k s 2 0 0 0 ，对设计一致性维护问题进行了有效的处理，但他们的处理方案都 作为商业秘密，无法在公开出版文献上查阅。 1 2 3 2 约束与驱动技术 约束与驱动技术是当今c a d 技术研究的热点问题之一，基于约束的c a d 系 统用约束来表达设计过程，并进行一致性维护。约束定义为设计过程中特定元素 间必须满足的一组关系，如尺寸、角度关系等。约束可以分为几何约束和工程约 束，几何约束又包括结构约束( 如平行、垂直关系) 和尺寸约束( 如距离关系) ： 工程约束是用工程语言来描述约束的一种形式，如结构可靠性约束。由于工程约 束具有个性化的特点，跟具体工程紧密相关，不便于描述，所以下面只重点讨论 几何约束的应用和求解方法。 运用约束与驱动技术来解决的问题一般有以下两类：一类是不变拓扑结构编辑： 一类是约束定位。不变拓扑结构编辑就是在约束对象连接关系保持不变的条件下， 进行几何约束修改，以达到重构约束对象的目的，如把一个长方形驱动为一个正方 形或一个平行四边形都属于这类问题，早期的二维参数化驱动也属于这类性质的问 题；约束定位是为保持约束对象空间相对位置不变而采用的方法，三维装配约束求 华中科技大学博士学位论文 解问题可以归为此类问题，另外，零件模型中特征定位问题也具有这样的性质。对 三维特征模型应用约束技术进行定位是非常必要的，否则，有可能在特征踅构时产 生模型维护错误，下面举例说明。 圈1 1 i ( a ) 所示零件用s o l i d e d g ev 7 0 构造而成。它的设计过程如下： 夺首先构造一个旋扫特征，旋扫角度为3 0 度，它对应的草图特征为一个圆： 夺奁涎李薯特镊鹩终止西上构造一个羧 牵特鬣，它对成静萃图特鬣为一个圆边 形； 此时四边形在旋扫特缝终止霆没鸯麓攘任鳄约寒，编辑旋扫建疫 o ) 个特征的构造历史 次序，当某个特征k ( 0 k n ) 的特征尺寸被用户编辑后，则第k 个特征以及其后的特 征必须依次重新构造并参与布尔运算；第k 个特征以前的特征可以不参与重新构造， 前提条件是特征造型系统必须保留每个特征参与布尔运算后的l 涵时产生零件体( 1 临 时零件体的位置可以参见图2 11 所示) ，图2 1 2 ( b ) 、图2 1 2 ( c ) 分别显示了 第二、三步特征构造完毕后产生的临时零件体。 夺特征尺寸编辑范围的有界性无论构造完毕的零件体形状如何复杂，特征尺 寸编辑的范围不会超越一个特征，这是特征系统的一个典型特点，它通过各种不同 特征内部尺寸变化和特征间组合，实现了任意复杂三维形体的构造。 夺 拓扑结构变化不可控性拓扑结构反映的是体、面、边等拓扑元素间的联 系，而零件的拓扑结构是通过特征间的形体布尔运算形成的，虽然单个特征的拓 扑结构是一定的，但它们的组合是不可控的，因此，特征链重构后的零件拓扑结 构也是不可控的，如图2 1 2 ( a ) ，假设用户把孔特征的孔直径d 1 修改得足够大 时( 见图中虚线部分) ，将会出现拓扑结构奇异的三维形体，。这使得拓扑实体的 辨识变得更加复杂。 ( a ) 修改前( b ) 重建前二步( c ) 重建第三步( d ) 修改完毕 图2 1 2 特征编辑与零件重建过程 2 4 装配 装配的主要功能是建立和维护装配层次模型和关系模型( 可以参见本文1 2 2 4 节的相关内容) 。装配层次模型即装配、子装配和零件间的关系，其结构可以参 华中科技大学博士学位论文 见第一章图1 7 ，装配层次模型是由用户参与完成的，其过程相对简单：建立关系 模型即定义配合关系，这种配合关系通常为面与面间的重合、距离、平行、垂直、 角度、共轴关系。 由于现有的三维c a d 工具采用的是种自底向上装配设计过程，用户首先进行 零件设计，然后再定义零件间的装配关系，如图2 1 3 所示为同轴装配的操作过程， 用户首先在装配环境下调入已完成两个零件，再分别选择具有配合关系的两个零件 的圆柱面，就完成了共轴装配的关系。 图2 - 1 3自底向上装配关系操作实例 这种传统的装配关系定义的缺点是它无法支持自顶向下的设计过程，其原因在 于装配关系的定义依赖已存在的实体，如图2 一1 3 例子所示，共轴装配关系的定义 需要依赖螺钉孔和螺钉这两个已经存在的实体，而在自顶向下的设计过程中，在装 配的初始阶段，可能没有实际的实体存在，因此，传统三维c a d 工具必须能够支 持抽象装配关系的定义才能建立自顶向下的设计环境。 本文在概念设计层引入了三维约束和驱动技术，对装配关系进行了抽象，其原 理是在装配关系中额外地添加了一层几何实体，它们是空间的三维点、直线和平面， 在装置设计的初始阶段，零件或装配间的装配关系通过这些空间三维几何实体来间 接实现，同时，这些空间的三维几何实体由三维约束技术来管理，从而实现了概念 设计的空间布局功能，建立了一个自顶向下的设计环境，在图2 - 1 3 例子中，如果 没有三维实体存在，共轴关系实际上可以通过空间一条直线来虚拟表示，同时这一 条虚拟直线还可以定义与其它结构间的关系，从而可以实现概念设计阶段的关键连 接关系和关键尺寸关系的定义，并且这些关系的维护过程通过三维约束来实现，概 念设计层中的三维约束技术详见第四章阐述。 华中科技大学博士学位论文 2 5 功能规格管理 产品功能设计阶段的任务是把用户需求转化为一系列的功能规格，并实现产品 的初步设计或总体方案设计，由于功能规格可以转化为一系列的变量和变量关系， 所以，功能规格的管理实际上可以转化为变量的管理。如对运输机传动装置功能规 格的描述有，运输带的有效拉力f = 6 5 0 0 ( n ) ，带速度v = 0 4 5 m s ，滚筒直径d = 3 5 0 m m 等【8 “，从功能规格到实现产品的初步设计或总体方案设计实际上是一个工程知识 库的驱动过程，它与行业和应用背景是相关的，因此，很难建立一个通用的自动化 设计平台。 功能规格管理与变量管理、知识驱动、概念层的工作原理如图2 1 4 所示( 虚线 所示部分在本文中没有具体实现) ，其中，功能规格通过变量参数一方面可以作为 知识库的入口，影响装配结构的确定，另一方面可以作为零件库的访问入口，实现 零件库的访问。 图2 1 4 功能规格管理原理图 例如：传动比的大小做为一个功能变量，可以决定相应传动装置的选取，这 就是一个知识驱动；电动机的额定功率做为一个功能变量，决定电动机的型号， 就是一个零件库访问。 2 6 工程图 根据现有的制造业的水平，多数企业还需要依据零件图或装配图进行加工制造 活动，所以系统提供了工程