（机械设计及理论专业论文）产品精度特征标注及语义信息表示.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 零件信息的集成是c a d c a m 最关键的技术之一。现有c a d 系统的核心是一个实体造 型器，它只提供了对实际物体精确的数学表示，不能表示对c a p p 有用的全部信息，如 技术要求、粗糙度、公差信息等。精度信息仅仅相当于c a d 模型的一种点缀或符号，在 模型的几何数据与粗糙度、公差所传递的技术信息之间不存在什么联系，没有工程语义， 这种符号式的精度信息不能用来支持后续工作，也使c a d 、c a p p 、c a m 难以实现真正的 集成。 本文对基于特征的几何建模技术和精度信息进行了研究，提出了带有语义的粗糙度 和几何公差的数据结构模型，真正实现了其三维语义表示，设计表面粗糙度、形状公差 和位置公差用户界面，通过人机交互，完成精度特征的三维语义设计，在三维造型平台 上实现三维标注，并建立属性表便于精度特征的统一集成管理。同时，在三维c a d 系统 中实现了零件几何信息与精度信息集成的框架，即将描述精度的特征与一定的几何要素 关联起来，从而使得零件几何特征与精度特征集成地表达在同一个p a r 文档中，并运用 x m l r d f 技术，通过r d f 中性文件，提供了带有语义的精度特征在异构c a d 系统之间传 递的可能，最终形成的文档具有较为完整的工程语义信息，可以为后续的c a p p 和c a m 提供一定的服务。 经过程序编制、调试和反复测试，证实程序成功地完成了既定功能，验证了其方法 的正确性和实用性。 关键词：精度特征；三维c a d ；信息集成；语义表示；r d f 产品精度特征标注及语义信息表示 t h ea n n o t a t i o na n ds e m a n t i ci n f o r m a t i o nr e p r e s e n t a t i o no f a c c u r a c yf e a t u r ef o rp r o d u c t s a b s t r a c t t h e p a r t s i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nc a d c a m t h ec o r e o ft h ec u r r e n tc a ds y s t e mi sas o l i dm o d e l i n gd e v i c e ，a n di to n l yp r o v i d e sm a t h e m a t i c a l a c c u r a c yd e f i n i t i o n s ，w h i c hc a nn o te x p r e s sa l lu s e f u li n f o r m a t i o nf o rc a p p ，s u c ha st e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，r o u g h n e s s ，a n dt o l e r a n c ei n f o r m a t i o n t h ea c c u r a c yi n f o r m a t i o ni so n l yd o t so r s y m b o l si nc a d i nt h a tm o d e lt h e r ei sn or e l a t i o nb e t w e e ng e o m e t r i cd a t aa n dt e c h n i c a l i n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gr o u g h n e s sa n dt o l e r a n c e s t h e yh a v en oe n g i n e e r i n gs e m a n t i c s t h e s e s y m b o l i ca c c u r a c yi n f o r m a t i o nc a nn o tb eu s e dt os u p p o r tt h ef o l l o w i n gw o r k ，a n dm a k ei t d i f f i c u l tt oa c h i e v er e a li n t e g r a t i o ni nc a d ，c a p pa n dc a m 1 1 1 ep a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho ng e o m e t r i cm o d e l i n gt e c h n o l o g ya n da c c u r a c y i n f o r m a t i o nb a s e do nf e a t u r e d a t as t r u c t u r em o d e l so fr o u g h n e s sa n dt o l e r a n c ea r ep r o p o s e d s e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o n so ft h r e e - d i m e n s i o n a la r eg i v e n u s e ri n t e r f a c e so fs u r f a c er o u g h n e s s ， f o r ma n dp o s i t i o nt o l e r a n c e sa r ed e s i g n e d t h r o u g hh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n , 3 dd e s i g no f a c c u r a c yf e a t u r e si sc o m p l e t e d i ti sc o n v e n i e n tt om a n a g ea c c u r a c yf e a t u r ei n t e g r a t e d i n f o r m a t i o nb ye s t a b l i s h i n gp r o p e r t ys h e e t s f u r t h e r m o r e ，t h ef r a m eo fp a r t sf e a t u r ea n d a c c u r a c yi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ni sp u tf o r w a r d ，t h a ti s ，a t t a c h i n gt h ea c c u r a c yf e a t u r e st os o m e g e o m e t r i cf a c t o r si no r d e rt oe x p r e s sa l li n t e g r a t e di n f o r m a t i o ni nt h es a m ed o c u m e n t u s i n g x m l r d f ，t h ea c c u r a c yf e a t u r e m o d e lc a nb eu s e di nt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o na m o n g 3 d c a dh e t e r o g e n e o u ss y s t e m sb yt h er d f n e u t r a ld o c u m e n t t h eu l t i m a t ed o c u m e n tc a nb e s a v e dw i t hi n t e g r a t e de n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o na n dc a n p r o v i d es o m es e r v i c e sf o rt h ef o l l o w i n g c a p pa n dc a m t h ep r o g r a m sh a v eb e e np r o v e dc o r r e c ta n df e a s i b l et h r o u g hc o d i n g ，d e b u g g i n ga n d t e s t i n ga n dh a v er e a l i z e da b o v e m e n t i o n e df u n c t i o n ss u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：a c c u r a c yf e a t u r e ；3 dc a d ；i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ；s e m a n t i c r e p r e s e n t a t i o n ；r d f 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。 学位论文题目：亡星擅廑挂焦拯洼丞适墓焦! 垦塞丞 作 者签名 ：罩廷骂曼皇蔓一 日期：兰翌年上l 月j 日 大连理工大学硕士学位论文 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。 学位论文题目：庄昌擅廑挂堑盘洼区适幺焦! 壑塞丞 作者签名： 隘聋! 丝 日期：鎏翌年上兰_ 月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1零件特征信息集成概述 零件的特征主要包括几何形状特征、精度特征、材料特征、装配特征、性能分析特 征和管理特征【l j 。其中几何形状特征用于描绘具有一定工程意义的几何形状信息，可以 独立的存在和使用，是其它非几何特征信息的载体；非几何特征信息不能独立地描述零 件特征的工艺信息，它作为属性或约束附加在几何特征的组成要素上。在c a d 软件中， 工艺特征依存于几何特征的存在，其形成是通过将零件特征的完整工艺信息封装到几何 形状特征中。另外零件不同的工艺特征可以约束的几何特征是不同的，所以不同的工艺 特征附着的几何特征类型也不完全相同，如：平面或曲面特征上可以有粗糙度值特征， 而线或点特征上不存在此工艺特征。 独立的计算机辅助分散系统在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自 动化等方面起到了重要的作用。但是，采用这些各自独立的分散系统，不能实现系统之 间信息自动传递和交换，从而降低了计算机在产品设计和制造过程中的使用效率。随着 信息技术的发展及计算机应用领域的不断扩大，对c a d c a m 系统提出了越来越高的要 求，尤其是计算机集成制造系统( c i m s ) 的出现，要求将产品的需求分析、设计并发、 制造生产、质量检测、售后服务等产品整个生命周期的各个环节的信息有效地集成起来。 因此，要求计算机中零件模型要能完整记录零件的所有信息。 在c a d c a m 集成系统中，c a d 至少应具备以下两种功能【2 j ： ( 1 ) 能以适当的手段建立零件的几何模型并绘制图形； ( 2 ) 能为c a p p 提供所需的零件的工艺特征信息，以便正确做出工艺决策。 随着计算机技术的发展，c a d 技术也不断向前迈进，涌现出大量的商业化软件。 如：美国a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 、u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司开发的u g 和s o l i d e d g e 、p t c 公司推出的p r o e n g i n e e r 、s o l i dw o r k s 公司开发的s o l i dw o r k s 、华中理工大 学开目公司开发的开目c a d 等。但这些现有的c a d 系统的作用大多是建立几何模型， 即对象的几何数据及拓扑关系描述，这些信息无明显的功能、结构和工程含义，其主要 目的是实现计算机辅助绘图，从这些信息中提取、识别工程信息是相当困难的。 若以现有特征建模的c a d 系统为平台，建立零件的特征模型，在原有几何特征的 基础上添加工艺特征( 如精度特征、材料热处理特征以及零件的管理特征) ，能够较为 完整的、全面的描述零件。从设计的角度来看，这种方法为实现产品设计的高效率、标 准化与系列化提供了条件；从加工的角度来看，由于特征对应着一定的加工方法，工艺 产品精度特征标注及语义信息表示 规程制定也比较容易进行，简化了c a p p 决策逻辑。由于设计特征与制造特征的对应关 系，在c a d 设计完成后，c a p p 、c a m 可直接将特征设计的结果进行提取后作为输入， 自动生成工艺规程和n c 加工程序，实现具有统一数据库、统一界面的集成 c a d c a p p c a m 系统。因此，研究零件的几何特征与工艺特征的集成具有重要的现实 意义。 1 2 精度特征的设计意图表示 1 2 1 设计意图信息 设计意图信息的研究目标是在现有研究功能、几何、约束等数据信息的基础上，充 分考虑设计意图的表达 3 1 4 1 。设计是将按一切预设目的来构思出用文字符号和图形等表 达的实施方案的全过程，设计的目的是满足需求意图，创造人为的事物【5 1 。设计意图是 基于产品的功能、约束条件、技术信息和几何信息等之间的相互关系，对产品设计的需 求、目标和约束的描述。它融合了设计过程中各种原因、想法和设计认知活动，是设计 决策及其内在的理性，是对设计活动预期的打算【6 】。设计意图随着设计过程的发展逐渐 具体化：起初是对于产品的概念、功能、外形和结构等的总体描述，比较抽象，然后逐 渐具体到模块、部件、特征，乃至具体的几何参数。描述形式也由最初的文字性描述、 草图描述，逐渐具体到定量化的表达式、设计图纸、产品实体模型等描述形式。设计意 图贯穿整个设计过程，表示是为了描述世界所作的一组约定。设计意图表示是将设计意 图符号化、数据化的过程，它使设计意图思维成为计算机可接受的数据结构模型，并能 有效地描述、处理、存储和显示。 1 2 2 基于特征的精度设计意图表示的意义 基于特征的设计是一种基于特征的c a d 系统的实现方法，它以特征作为产品设计 的基本单元，把产品模型描述为特征的集合。在设计阶段，设计者直接使用设计特征进 行产品建模，设计特征与形状特征紧密相关，设计者的设计意图通过形状特征以及它们 之间的关系，包括相对位置、约束等来隐含地表达。而一个完整的零件模型不仅是零件 数据的集合，还应反映出各类数据的表达方式及相互间的关系。只有建立在一定表达方 式基础上的零件模型，才能有效地被各种应用系统接受，完整的零件信息模型应包括： 管理特征、形状特征、精度特征、材料特征和技术特征，如图1 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 零件 零件层 管理特征ii 技术特征il 材料特征ll 形状特征il 精度特征i 特征层 管理属性 或指针 技术属性 或指针 图 形状几何拓扑ii 精度属性l 属性组成 属性或指针ll或指针i指针层 图1 1 基于特征的零件完整信息模型结构 f i g 1 1 t h em o d e ls t r u c t u r eo f ap a r t sw h o l ei n f o r m a t i o nb a s e do nf e a t u r e 为提高产品生产组织的集成化和自动化程度，促进c a d 、c a e 、c a p p 和c a m 向 集成化方向发展，就要求由几何模型向产品模型过渡。产品模型不仅应包括产品的几何 信息和拓扑信息，还包括了产品的非几何信息，如技术要求、精度特征等。 其中，精度特征是用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或误差。例如尺寸公差、 几何公差( 形位公差) 、表面粗糙度等。精度特征又可细分为定位尺寸公差特征、定形 尺寸公差特征、形状公差特征、位置公差特征、表面粗糙度等，具体分类如图1 2 所示。 图1 2 精度特征分类 f i g 1 2 t h ec l a s s i f i c a t i o no fa c c u r a c yf e a t u r e 产品精度特征标注及语义信息表示 在产品定义模型中，公差和表面粗糙度用于评价几何实体，与工艺规划有着紧密的 关系。公差信息包括公差类的几何特征、公差值、实体状态，基准信息包含基准的类型 ( 如内表面、中心线或端面等) 、重要程度( 是第1 基准，第2 基准，还是第3 基准) 和基准特征的实体状态。尺寸与公差特征是联系设计与制造的重要属性，在特征设计中， 对尺寸与公差特征进行分析，并建立尺寸与公差特征，可以清楚地表示特征的非几何属 性以及几何属性之间的相互关系。 然而，仅仅基于特征的精度设计，并没有从根本上解决问题，一方面它们很难甚至 无法实现参数化过程、设计历史的保留和再现，在特征造型和参数化设计成为主流c a d 技术的情况下，其实际意义并不大；另一方面存在诸如数据量大、无法实现语义传输等 不适合网络化应用的缺陷，使得在网络协同设计方面应用受到限制。因此，必须充分理 解实体结构设计人员和工艺技术人员的设计意图，充分和灵活地表达自己的设计意图， 同样，设计者在修改设计、实施产品设计重用时，也只有真正理解原设计意图，才能在 原设计的基础上有更大创新。因此，基于特征的精度设计意图表示应该将设计意图表示 为计算机可接受的数据结构模型，能够易于理解、方便地交流和共享，并且为几何特征 与工艺特征的集成垫定基础。 1 2 3 精度特征设计意图表示研究存在的问题 几何造型技术的发展促进了c a d c a m 技术的发展，成功地解决了一些工程应用问 题，但是，由于几何造型仅从几何的角度定义零件的形状，从而使得几何造型所建立的 零件模型还存在如下缺陷： ( 1 ) 零件定义不完整。只能定义零件的公称几何形状，而作为零件的其他信息， 如尺寸公差、表面粗糙度以及设计意图等，不能实现语义表达。 ( 2 ) 信息定义的层次低。零件以点、线、面等较低层次的几何与拓扑信息描述， 只有当这些信息作为图形显示出来时，人们才能理解其含义。 ( 3 ) 精度设计无法体现设计意图信息，很难实现参数化过程、设计历史的保留和 再现，使得网络协同设计受到限制。 传统的零件精度设计，仅仅只是凭借设计人员或是工程师的经验，表面粗糙度和形 位公差的功能仅仅只是停留在信息的标注层面上，粗糙度信息和公差信息仅仅相当于 c a d 模型的一种点缀与符号，没有工程语义，无法将其具体的工艺信息与特征模型联 系起来，不能将精度和材料信息建立在特征模型之中，这种符号式的精度信息不能用来 支持后续工作，也使c a d 、c a p p 、c a m 难以实现真正的集成。 精度信息分为公差信息与表面粗糙度信息。表面粗糙度语义是指零件表面微小峰谷 大连理工大学硕士学位论文 的高低和间距状况，人们已经对粗糙度的各个参数进行了语义定义，可是还没有对其进 行c a d 系统的语义表示。 公差语义是指公差域与变动要素的形成和表示f 丌。人们对如何表示公差的语义进行 了广泛的研究，h i l l y a r d t s l 提出了基于约束变动的模型，能较好地表示尺寸公差信息，但 无法处理形位公差；d a v i d s o n 等【9 】提出了基于自由度的公差模型，较好地解决了变动要 素的表示，但其变动域仍然是由漂移而来，不可避免地具有漂移模型固有的缺陷。刘玉 生等【l o 】给出了基于自由度变动的基本几何要素数学表示方法，但却没有在三维c a d 系统 中实现其语义表达。因此现有的精度语义表示方法还需改进。 为了完整地表示精度语义，本文提出一种精度特征表示模型，真正实现精度特征三 维语义表示，设计表面粗糙度、形状公差和位置公差用户界面，完成精度特征的三维语 义设计，将粗糙度及几何公差信息按工程语义集成于c a d 系统中，最后运用r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 技术，使精度特征集成在r d f 格式的中性文件中， 实现精度特征在异构c a d 系统中的交互。 总之，建立一个严密的、完善的精度模型已是机械c a d c a m 领域中急需解决的一 个问题。本文在三维实体造型软件j h s o l i d 系统平台上，基于特征的模型中进行精度设 计，根据表面粗糙度和公差的数学定义，设计了带语义的精度特征数据模型，并将精度 信息建立在特征模型之中，实现精度特征的三维语义表示。 1 3 课题的研究任务 j h s o l i d 系统也是基于历史的参数化特征造型系统，它是在p a r a s o l i d 三维实体造型 内核的基础上，应用v i s u a lc + + 6 0 开发的三维实体造型软件，采用o p e n g l 进行三维 图形的显示输出，是一款拥有自主产权的优秀国产软件，具备很强的专业特色，并符合 中国设计人员习惯和设计标准。其功能包括零件设计、装配设计、工程图设计和钣金设 计等。 目前，j h s o l i d 特征造型系统的精度特征设计的功能还不完善，没有粗糙度、形状公 差和位置公差的三维标注系统，并且不能很好地解决精度特征在三维造型系统内的语义 表示。本课题就是在j h s o l i d 系统平台的基础上，应用v i s u a lc + + 6 0 开发工具，完善这 一部分的功能。 课题的前期准备工作包括：掌握j h s o l i d 系统框架的构成并对三维尺寸及文字标注 部分进行深入研究；阅读p a r a s o l i d 内核英文文挡，对特征造型及本文所需要的功能函数 熟练掌握；熟练运用v i s u a lc + + 开发工具；大量阅读课题相关文献资料，并进行归纳研 究，为本文方法的提出做准备。 产品精度特征标注及语义信息表示 课题完成的研究内容包括： ( 1 ) 提出带语义的精度特征数据结构模型 基于精度特征的数学语义，分别提出粗糙度特征、形状公差和位置公差数据结构模 型。该数据结构模型带有几何语义信息，弥补了现有c a d 系统中精度特征只有符号标注、 没有语义表示的不足，可以为后续的c a p p 和c a m 提供一定的服务。 ( 2 ) 改进系统框架，实现精度特征的三维标注 对三维标注所涉及到的j h s o l i d 系统框架进行部分改进，有些地方进行重写，使系 统的框架能够更好地为三维语义标注提供服务。设计了表面粗糙度、形状公差和位置公 差用户界面，通过人机交互，完成精度特征的三维语义设计，在三维造型平台上实现三 维标注，并建立属性表便于精度特征的统一集成管理。 ( 3 ) 运用r d f 技术，实现精度特征的r d f 表示 通过r d f x m l 语法，设计描述三维c a d 模型精度信息交换的r d f 中性文件，实 现精度特征的r d f 表示。该文件概括了表面粗糙度特征和几何公差特征的三维语义信 息，提供了精度特征在异构的c a d 系统中进行传递的方法。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2系统框架基础及课题相关理论 2 1j h s oi d 系统简介 捷惠三维实体设计软件系统j h s o l i d 是在w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 环境下完全采用 面向对象技术、o p e n g l 技术、中间内核技术研制开发完成的，具备很强专业特色和符 合中国设计人员习惯和设计标准，是具有产品级的三维实体特征造型软件系统。包括零 件设计、装配设计、工程图设计和钣金设计，与捷惠c a d 完全无缝集成。它广泛应用 于机械、电子、电气、航空、探矿、轻工等制造行业的计算机辅助数字化设计、产品实 体造型等。 j 1 1 s 0 1 i d 是完全面向三维造型功能的c a d 软件，其功能包括：三维实体造型、三维 曲线造型和标准零件的三维造型，还包括了一些辅助三维造型的工具，如：二维草图工 具、三维文件管理等。 j 1 l s o l i d 采用了面向对象的思想，以v i s u a lc 州o 为开发工具，运用了计算机图形 学、计算机辅助几何等理论开发的三维造型系统。它以p a r a s o l i d 为造型内核，在内存中 生成实体的几何与拓扑数据，然后用o p e n g l 图形工具将内存中的实体渲染到三维场景 中。本文介绍的产品中间模型的建立与重构是以j h s o l i d 为其中的一个平台，继承了它 的框架结构，利用了它所提供的辅助工具，比如：二维草图工具，实体选择工具等，并 延续了原软件的简单易用的界面风格。 2 2p a r a s o1 d 简介 p a r a s o l i d 1 1 1 3 】是美国e d s ( e l e c t r o n i cd a t as y s t e m s ) 公司下属u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s l n c ( u g s ) 公司开发的三维实体造型内核，它是由英国剑桥的s h a p ed a t a 公 司研制的，其前身是早期的实体造型先驱r o m u l u s 系统( r o m u l u s 最早期工作要追溯到 7 0 年代在剑桥大学的开发) 。从1 9 8 5 年诞生以来，经过几次重大的变革，日趋成熟和 完善，具有其他同类产品所不能比拟的优势。p a r a s o l i d 的应用范围主要集中在机械c a d c a m c a e 领域，它的用户群包括系统开发商、企业、大学、研究机构等。采用p a r a s o l i d 内核的三维实体造型软件有u g ，s o l i d e d g e ，s o l i d w o r k s ，北航华正等。许多知名公司 如e d s - u n i g r a p h i c s ，i c a d ，s i e m e n s - n i x d o r f , f u j i t s u ，g e n e r a le l e c t r i c 和g e n e r a lm o t o r s 等也都在使用p a r a s o l i d 。p a r a s o l i d 是u g s 公司的全数据管线策略中的重要部分，它允 许在使用不同的产品开发应用软件的企业间无缝地交换数字化模型。 p a r a s o l i d 作为系统内核，完全封装在应用程序内部，它被设计为独立于特定的系统 环境，比如：对于不同的操作系统，有不同的文件管理方式、不同的文件名长度限制、 产品精度特征标注及语义信息表示 文件后缀名限制、内存管理等，这些差别都是由应用程序与操作系统的接口解决的，对 于不同的操作系统，应用程序提供不同的接口，与应用程序的接口结构见图2 1 。p a r a s o l i d 作为三维实体造型内核，它可实现的功能包括： 构造和操作三维实体对象； 计算实体的质量和惯量，进行干涉检测； 支持各种输出方式； 支持文件存储操作。 p a r a s o l i d 不但造型能力强而丰富，而且它支持以造型特征为基本单位的回滚和重 构，为各种三维模型的设计提供了强有力的工具。 图2 1p a r a s o l i d 及其接口 f i g 2 1 p a r a s o l i da n di t si n t e r f a c e p a r a s o l i d 提供精确的几何边界表示( b r e p ) ，能够在以它为几何核心的c a d c a e 系统间可靠地传递几何和拓扑信息。在p a r a s o l i d 中，为了便于形体数据结构的表示和 操作，拓扑实体被进一步细化成以下1 0 类： ( 1 ) b o d y ( 体) ：单一形体，是p a r a s o l i d 中的基本形体。可以由一个或多个简单 形体连接组合而成。简单形体有五种形式：孤立点( a c o r n ) 、线体( w i r e ) 、壳体( s h e e t ) 、 实体( s o l i d ) 、通用体( g e n e r a l ，前面几种体的组合) 。体是p a r a s o l i d 造型的目标数 据结构，曲面造型就是要在内存中构造一个壳体( s h e e t ) 。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) r e g i o n s ( 区域) ：区域是一个开放的三维空间的连通子集，它的边界是一系 列的点、边和有向面。区域可以是实的或空的。 ( 3 ) s h e l l s ( 壳) ：外壳是一系列有向面和边的集合，面的一面或双面都可被外 壳引用，外壳的组成可以有下列三种情况：面和方向逻辑的集合，外壳可以是面的集合， 但每一个面必须指定方向，即与面的法向量同向或反向；边的集合，这种情况是线框类 形体的外壳；单个的顶点，这种情况是孤立点类形体的外壳。 ( 4 ) f a c e s ( 面) ：面是一个曲面的有界集合，它的边界是若干个( o 个或多个) 环，是一个二维的区域。 ( 5 ) l o o p s ( 环) ：环是一个面的边界，是一个连接的二维实体。 ( 6 ) f i n s ( 翼) ：翼表示一条边在环中的方向。它包含两个数据：一个是逻辑值， 表示边是否与环同向；另一个数据是在各条边具有不同的局部精度时，表示边所对应的 几何曲线。 ( 7 ) e d g e s ( 边) ：边是一条曲线上有界的一段，它的边界是0 个、1 个或两个顶 点。边是一个一维的区域。 ( 8 ) v e r t i c e s ( 顶点) ：顶点是空间的单一点素，是一个0 维的区域。 ( 9 ) a s s e m b l y ( 装配) ：装配体是实例的集合，其中每一个实例可以为一个部件 或一个变换矩阵。 ( 1 0 ) i n s t a n c e ( 实例) ：实例是一个装配体对其构成部件或子装配体的引用。它 可以是一个部件或子装配体，或是一个变换矩阵。 在利用p a r a s o l i d 接口进行程序开发时，p a r a s o l i d 返回的通常都是拓扑标识，程序开 发者经常要在拓扑与几何、拓扑与拓拓扑之间相互操作，比如要从场景中选择一个面体 ( s h e e t ) ，p a r a s o l i d 返回的是面体中面( f a c e ) 的标识，要得到面信息需要通过面标识 求出它所对应的几何( s u r f a c e ) ，如果要获取曲面体的边界信息，就要从面标识中求出 面所包含的边( e d g e ) ，再求边所对应的几何( c u r v e ) ，依此类推，如果要得到边的端 点信息就得求出它所包含的顶点( v e r t e x ) ，再求顶点所对应的几何( p o i n t ) 。 利用p a r a s o l i d 管道( p a r a s o l i dp i p e l i n e ) 实现数据的无缝传送，与其他几何核心系 统相比，p a r a s o l i d 具有非常明显的优势。p a r a s o l i d1 2 0 版的工作平台可以分为工作站平 台和微机平台。其中微机平台有i n t e l 系列i b mp c s ，操作系统为w i n d o w sn t ，d e c 公 司的a l p h ap c ，操作系统为w i n d o w s n t 。 一9 一 产品精度特征标注及语义信息表示 2 3 三维矩阵变换 在j h s o l i d 中设计三维标注面选择和三维尺寸与文字标注等基本操作时，要用到三 维矩阵的变换操作。下面将变换操作的相关知识做个简单的介绍。 j h s o l i d 所采用的坐标系统有： ( 1 ) 世界坐标系：世界坐标系是实体的真实坐标系，p a r a s o l i d 创建的所有实体都 是在世界坐标系下创建的，对实体在世界坐标系下做变换是实体的真实移动。 ( 2 ) 观察矩阵：在屏幕上从不同的角度观察实体是在世界坐标系下乘以观察矩阵 的结果，观察矩阵有三种：平移矩阵、旋转矩阵与缩放矩阵，对应了三维c a d 软件中 常用的三种视图操作。观察矩阵对实体的变换是观察者换了个角度观察实体，而实体间 的相对位置关系没有变化。 ( 3 ) 屏幕坐标系：屏幕坐标是二维坐标，将世界坐标乘以观察矩阵，再取其中的 两个坐标( 一般取x 与y 坐标) 就是屏幕坐标。下图2 2 中为世界坐标与屏幕坐标的 位置关系，要注意的是随着观察角度的不同，屏幕平面在世界坐标系中的位置是变化的。 图2 2 世界坐标系与屏幕坐标系 f i g 2 2 w o r dc o o r d i n a t ea n ds c r e e nc o o r d i n a t e 程序实现中很多基本操作操作都涉及世界坐标与屏幕坐标的转换，如： ( 1 ) 二维平面数据与空间三维数据的转换 直接对三维数据进行操作是很难实现的，目前的三维c a d 系统都采用了在二维平 面上绘制平面图形，再转化到三维空间的做法，j h s o l i d 也采用了这种方法。在二维草绘 平面上绘图使用的坐标是直接将鼠标所在的窗1 ：3 坐标经过平移与缩放后的结果。这个过 程为两步：用户选择草绘平面，计算草绘平面的法线与中心点，对草绘平面做变换，变 大连理工大学硕士学位论文 换的结果是草绘平面与屏幕平面平行且中心点重合，记录下这个变换矩阵；二维草绘图 绘制完后用这个矩阵的逆矩阵再变回到三维场景中。 ( 2 ) 图形的选取 鼠标在三维场景中的移动仍然是屏幕平面上的移动，假设世界坐标系下一点p w ，当 前的观察矩阵m ，那么它屏幕坐标系下的坐标p 。= m p w 。选择的问题是已知屏幕坐标 p s ( 对鼠标所在的窗口坐标做平移与缩放变换) ，要求p w - - m p s ，所以这里需要对 观察矩阵求逆。 p a r a s o l i d 本身提供了一套选择机制，它的方法是在屏幕上引一条射线，其轴向量为 ( x ，y ，1 ) ( x 与y 为屏幕坐标) ，与实体求交，如果有交点，表示选择到了实体， 这里的选择射线实际上是在屏幕坐标上定义的，需要将它变换到世界坐标系中。利用 p a r a s o l i d 选择机制的前提是所要选择的图形是p a r a s o l i d 创建的，这个图形所对应的数据 存储在p a r a s o l i d 的状态结构树中。基本的三维变换有三种：平移、旋转与缩放，它们是 相对于标准坐标轴的变换矩阵分别为： t = 1o o1 o0 t xt ， 0 0 00 10 t ：1 r ：p ) = c o s 6 一s i n p00 s i n 口c o s0 0 o010 0001 s = s 。0 0 s y 00 00 00 00 sz 0 01 对任意旋转轴与缩放中心的变换是上面这三种矩阵的乘积。 2 4r d f 技术 r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 是一个网络资源对象和其间关系的数据模 型，在x m l 基础上提供了一定的语义描述能力，它的数据模型可由x m l 语法编码。 2 4 1r d f 的简介 r d f 是一种基于x m l 的描述网络资源的标准，用于表达关于w e b 资源的元数据， 比如网页的标题、作者和修改时间等。r d f 可用于表达在w e b 上标识的事物的信息， 并提供标准的数据模型和语法，使计算机自行阅读和理解数据，并进行交换和处理等工 作。它之所以能成为语义w e b 重要技术，主要是由以下特点决定的1 1 4 】： ( 1 ) 独立性。在r d f 中，属性是一种资源。任何组织或个人都可以按照自己的 风格定义它，且每个人所定义的名称相互独立。 产品精度特征标注及语义信息表示 ( 2 ) 交互性。r d f 语句都是使用x m l 语法进行定义和表达，这样r d f 的所有 陈述就可以很方便地转换成x m l 格式。利用x m l 的特性，可以使得数据在网络上交 互变得更为方便。 ( 3 ) 可伸缩性。r d f 的陈述使用了三元组方式。这样即使在大量的数据中，进行 计算机查找和处理工作都非常容易。随着网络的不断壮大、数据的增加，可伸缩性显得 格为重要。 ( 4 ) 易综合。在r d f 中，资源的属性可以是资源，属性值可以是资源，关于资源 的陈述也可以是资源，都可以用r d f 来描述，这样就可以很容易地将多个描述综合起来。 r d f 的基本思想是：将被描述的事物、属性和属性值分开，对事物的描述可以通过 对它的属性及值的陈述来进行。其实，r d f 是用一套特定的术语来表达陈述中的各个部 分。这些部分有： ( 1 ) 主体：指事物的陈述中用于识别事物的部分。 ( 2 ) 谓语：指及于区分主体的不同属性的部分。 ( 3 ) 客体：指陈述中用于区分各个属性的值的部分。 2 4 2r d f 与x m l x m l 用标记来描述文档中的文本内容，却没有提供一种机制来描述标记本身。资 源描述框架r d f 提供了这样的能力。同时，r d f 并不仅仅是x m l 上的一个扩展，而 是一个描述网络资源的通用框架模型。x m l 标记只是这些资源中的一种【l 引。 x m l 和r d f 的目标不同，在语义网络实现中扮演的角色也不一样。x m l 的目的 在于提供一个易用的语法对计算机交换的一切数据编码，并用x m ls c h e m a 来表示数据 结构。这使得x m l 成为语义网络的一种基础语言，很多应用包括r d f 使用x m l 作为 实现的语法，但x m l 并没有提供任何关于数据的解释。而r d f 则是一个描述元数据的 模型，并给出了数据的一些解释。r d fs c h e m a 更扩展了这个功能。r d f 在语义表达和 交换上比x m l 有优势，它使用的“对象特性 结构提供了固有的语义单元，领域模 型可以在r d f 中自然地表示。由于r d f 的通用性，软件组件可通过使用r d f 交换信 息提高潜在的可重用性。 对r d f 数据来说，它相对于x m l 数据的一个最大的优势就是容易聚合，即综合多 个不同r d f 文档提供同一个事物的多项数据。r d f 用u r i 引用标识资源，声明的主体、 客体都可以是u r i 引用，由于r d f 数据模型又是基于图的，因此很容易通过u r i 引用 把r d f 数据合并。而x m l 数据是很难聚合的，根本原因是x m l 中的数据没有要求采 用u r i 引用作为标识符，以及x m l 的树状模型不如r d f 的图模型灵活。 大连理工大学硕士学位论文 r d f 和x m l 是互相补充的：x m l 描述了数据的结构，依赖r d f 来提供数据的语 义；r d f 是一个元数据的模型，依赖x m l 来编码和传输这种元数据。 x m l 语法对r d f 而言只是一种可选的语法，可以选择表示r d f 模型的替代方法。 即使现在的x m l 语法改变或者消失，r d f 模型仍然可以使用，因为r d f 模型是独立 于x m l 语法的。 2 5 开发工具 2 5 1v i s u a lc h v i s u a lc + + 是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1 9 9 3 年m i c r o s o f t 公司推出 v i s u a lc + + 1 o 后，随着其新版本的不断问世，v i s u a lc + + 已成为专业程序员进行软件开 发的首选工具。 虽然微软公司推出了v i s u a lc 抖n e t ( v i s u a lc + + 7 o ) ，但它的应用具有很大的局 限性，只适用于w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 和w i n d o w sn t4 o 。所以实际中，更多的 是以v i s u a lc + + 6 0 为平台。 v i s u a lc + + 6 0 不仅是一个c + + 编译器，而且是一个基于w i n d o w s 操作系统的可视 化集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v k o n m e n t ，i d e ) 。v i s u a lc + + 6 0 由许多组 件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导a p p w i z a r d 、类向导c l a s s w i z a r d 等开发工 具，这些组件通过一个名为d e v e l o p e rs t u d i o 的组件集成为和谐的开发环境1 6 】【1 7 1 。 v i s u a lc + + 它大概可以分成三个主要的部分： ( 1 ) d e v e l o p e rs t u d i o 。这是一个集成开发环境，我们日常工作的9 9 都是在它上 面完成的，再加上它的标题赫然写着“m i c r o s o f tv i s u a lc h ，所以很多人理所当然的 认为，那就是v i s u a lc + + 了。其实不是。虽然d e v e l o p e rs t u d i o 提供了一个很好的编辑 器和很多w i z a r d ，但实际上它没有任何编译和链接程序的功能。d e v e l o p e rs t u d i o 并不 是专门用于v c 的，它也同样用于v b 、v j 、v i d 等v i s u a ls t u d i o 家族的其他同胞兄弟。 所以不要