（机械设计及理论专业论文）基于基元体模型树的形体合成技术研究及其应用.pdf

寸 _ 、 浙江大掌硕士学位论文摘要 摘要 工程图样计算机理解，是一个涉及工程图学、认知科学、计算机视觉以及计算机 信息处理技术等多个相关学科的课题，在c a d c a m 领域中具有广阔的应用前景。分 析这一研究领域的现状，迄今为止的许多方法离实用目标还有相当的距离，然而目前 国内外设计及制造领域的现状表明，对工程图样的理解有相当大的市场及应用上的需 求。本文针对图样信息分散性、隐含性、模糊性的特点，借鉴数据结构的知识，在图 样信息初步处理的基础上，基于基元体模型树对基元信息和合成信息进行处理，使图 样信息更有利于形体合成。 第一章，介绍了工程图样理解技术分类及相关内容，同时回顾了其发展历程，分 析了其中遇到的主要问题，阐述了本文的研究思路和主要内容安排。 第二章，提出了基于四种不同形体特征零件分类的基元体模型树。在零件分类一 一轴套类、叉架类、盘盖类和箱体类的基础上，规划了四类基元体模型树结构；选择 尺寸基准，建立x y z 三方向上的尺寸树，在四类基元体模型树结构的基础上建立基 本的基元体模型树。 第三章，讨论了基元体模型树中基元信息的处理技术。广度优先遍历基元体模型 树，搜索基元体双亲子女及其兄弟结点，剔除不存在组合关系的兄弟结点，识别双亲 子女结点的包容关系，根据剩余双亲子女兄弟结点间的游离图元，判断它们之间的组 合关系并储存。根据截切、相切、相交和相接关系中双亲子女兄弟结点基元体之间各 种投影信息，进行基元体虚实性的识别。 第四章，研究了基元体模型树中合成信息的完善与处理方法。依托基元体模型树， 讨论了针对基元关系转换相切关系转为相接关系与截切关系转为相交关系；基元 形位调整技术相接关系位置调整与相交关系形位调整合对合成信息的处理，i 司时 提出了形体合成中基元体生成次序信息的方法。 第五章，介绍了一个以本研究内容为技术核心的工程图样理解原型系统，并给出 了若干个经过不同标准分类的实例。 第六章，总结本文工作。并对本课题今后的研究方向提出了自己的看法。 关键词：工程图样理解，基元体模型树，零件分类，组合关系，虚实性，关系转换， 形位调整，形体合成 0 声 产 一4 浙江大酋盼炙士掌位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p u t e ri n t e r p r e t a t i o no fe n g i n e e r i n gd r a w i n gi sa ns u b j e c tw h i c hr e l a t e st o e n g i n e e r i n gg r a p h i c s ， c o g n i t i v e s c i e n c e 。c o m p u t e r v i s i o na n d c o m p u t e r i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n ds oo n i tw i l lb eap r o m i s ea p p l i c a t i o ni nt h e a r e ao fc a d ，c a m h o w e v e r i ti sc l e a rt h a ta l it h ec u r r e n tr e l e v a n tm e t h o d sa r ef a r f r o mt h ea i mo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri n t e r p r e t a t i o n a n da c c o r d i n gt o t h ep r e s e n ti n s t a n c eo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ef i e l d s e n g i n e e r i n gd r a w i n g j n t e r p r e t a t i o no w n sam a s so fm a r k e t sa n da p p l i c a t i o n sd e m a n d s c o n s i d e r i n gt h e d i s p e r s i v i t y , c o v e r t n e s sa n df u z z i n e s so fd r a w i n gi n f o r m a t i o n ，k n o w l e d g eo fd a t a s t r u c t u r ei su t i l i z e dt ob u i l dp r i m i t i v em o d e it r e e b a s e do nw h i c hp d m i t i v e i n f o r m a t i o na n dc o m p o s i n gi n f o r m a t i o na r ed e a l tw i t hf o rg r e a te f f e c ti no b j e c t c o m p o s i n gi nt h i st h e s i s i n c h a p t e r 1 t h e h i s t o r y a n d d e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n gd r a w i n g i n t e r p r e t a t i o na r er e v i e w e d 。a tt h es a m et i m et h ee x i s t i n gp r o b l e m sa r ea n a l y z e d a n dt h e nt h ec o n t e n to ft h i st h e s i si si n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ap r i m i t i v em o d e lt r e eb a s e do nf o u rd i f f e r e n ts h a p ec h a r a c t e r s o r to fp a r tj sb r o u g h tf o n m a r d b a s e do nf o u rd i f f e r e n ts h a p ec h a r a c t e rs o r to fp a r t f o m rd r e n tf 阳m e so ft h ep r i m i t i v em o d e lt r e el a i do u t t h ep r i m i t i v em o d e it r e ei s b u i l tb yt h ed i m e n s i o nt r e ew h i c hi sb u i l tb yc h o o s i n gd a t u md i m e n s i o nb a s e do n f o u rd i f f e r e n tf r a m e so ft h ep r i m i t i v em o d e it r e e i nc h a p t e r3 at e c h n o l o g yw h i c hm a n a g e st h ep r i m i t i v ei n f o r r n a t i o ni nt h e p r i m i t i v em o d e lt r e ei sd i s c u s s e d t f a v e m i n gt h ep r i m i t i v em o d e it r e et h ep r i m i t i v e r e l a t i o n 。p a r e n t 。c h i l d r e na n ds i b l i n go fp r i m i t i v ei sf o u n d ，a n dr e l a t i o no fw h i c hi s j u d g e da n dd e p o s i t e d t h ep r i m i t i v ee m p t yo rs o l i dc h a r a c t e r i s t i ci sj u d g e db a s e d o np r i m i t i v er e l a t i o na n di sd e p o s i t e d i nc h a p t e r4 am e t h o dw h i c hm a n a g e sc o m p o s i n gi n f o r m a t i o ni n 仇ep r i m i t i v e m o d e lt r e ei sr e s e a r c h e d t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n v e r s i o no ft h ep r i m i t i v er e l a t i o n a n dt h ea d j u s t m e n to ft h ep r i m i t i v ep o s i t i o na n ds h a p ef o rc o m p o s i n gi n f o r m a t i o n i nt h ep r i m i t i v em o d e it r e ei sd i s c u s s e d a n dat e c h n o l o g yo ft h es e q u e n c eo f c r e a t i n gp r i m i t i v e i nc o u r s eo fo b j e c tc o m p o s i n gi sa d v a n c e db a s e do nt h e p r i m i t i v et r e ei nt h ee n d i nc h a p t e r5 。t h ep r o t o t y p es y s t e mo fd r a w i n gi n t e r p r e t a t i o ni sd e v e l o p e d ，a n d s o m ee x a m p l e sa r eg i v e n i nc h a p t e r6 t h ew o r ko ft h i st h e s i si ss u m m a r i z e d ，a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h w o r ki sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：c o m p u t e ri n t e r p r e t a t i o no fe n g i n e e r i n gd r a w i n g ，p r i m i t i v em o d e lt r e e ， p a r ts o r t ，p r i m i t i v er e l a t i o n ，p r i m i t i v ee m p t yo rs o l i dc h a r a c t e r i s t i c ，t h ec o n v e r s i o n o ft h ep r i m i t i v er e l a t i o n ，t h ea d j u s t m e n to ft h ep r i m i t i v ep o s 砌o na n ds h a p e o b j e c t c o m p o s i n g 、 学号2 鳗旦塑 独剖性声明 本人声鞠瑟呈交懿学照论文是本人在导瓣撸导下进行蕤霹袋工 笮及激祷鳃磺宠或 果。据我所知，除了文中特别加以标淀和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过熬谤究或暴，也不包含巍获褥羹姿态茎或箕健教育规构的学位或证蕊两使 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 明井表示谢意。 学位论文律者签名：敦鹇 签字目麓：z p 口多年多嚣，蠢 学位论文舨衩使焉授权书 本学靛论文作者完全了解盘姿盘兰有关保爵、使用学位论文的籁定，青筱保 留并向国羰有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 毂盘姿蠢兰可戬将学位逢文嚣全帮羲郭劳蠹咨壤入鸯关装据簿迸毒亍梭裳，可良袋鬻影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密豹学建谂支在解蜜基适翅本授权书) 学经论文作者签名：囊鹋 露师签名：幽 ￥ 签字日期：2 口口舌年多月日签字日期：) 栅6 年勺月 目 学位论文作者毕业聪去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 计算机和信息技术极大地推动了工业自动化的进程，是新技术革命中的一次伟大 的发明。计算机技术应用于各个产业部门，引起了特别是制造领域巨大地变化，其中 最重要的一个体现就是生产设计的自动化程度越来越高。其中涉及到产品的设计制造 的c a d c a p p c a m 的应用是计算机在工业中应用中最重要的标志。 c a d ，c a p p ，c a m 技术从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图纸组织整个 生产过程的技术管理方式，而是将它变成了在图形工作站上或者微机上进行交互设 计、用数据文件发送产品定义、在统一的数字化产品模型下进行产品的设计打样、分 析计算、工艺计划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编印产品维护手册、组织 备件订货等，不仅缩短了产品开发周期，而且提高产品质量。降低了生产成本，加强 了产品的市场竞争力。c a d c a p p i c a m 技术已经引起了学术界和工业界的高度重 视，它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准 则之一。 机械制造业中的工程图样，在工业上已经应用了很长时间，是一代代工程技术人 员智慧的结晶，其中的经验指导着将来的产品设计。但是在计算机出现以前和之后许 多工程图样以普通图纸的形式或以平面数字图纸( 如二维c a d 图纸) 的形式保存， 这种形式只能保存符合人为理解方式的零件信息，而不能直接用于自动化制造生产 中。在c a d ，c a p p ，c a m 的集成化辅助制造过程中，需要能够表达零件实体的三维形 体结构的数据。因此需要将只包含零件平面信息的视图模型信息转化成三维实体数 据，所以智能理解工程图样是一个很有实际应用价值的课题。 浙江大学硕士掌位论文第一章绪论 1 2 相关研究内容与研究现状 1 2 1 工程图样理解内容 从广义上看，表达在二维平面上的所有信息都是图形，只是其中有一类特殊的图 形可以称为文字；从表达方式上看，图形的表达有两种模式：基于点的光栅模式和基 于线的矢量模式：从处理技术上看，基于光栅模式的文字处理已经达到实用水平，而 基于光栅模式或矢量模式的一般图形处理则要困难的多。 基于光栅模式的图形及处理技术有很多形式：如基于扫描仪输入的工程图样矢量 化，类似于文字识别；基于c t 成像的形体重建；基于摄像机摄入的场景重建等。基 于矢量模式的图形及其处理技术也有很多形式：如基于图形矢量文件的二维理解；基 于图形矢量文件的尺寸理解：基于三视图矢量文件的三维重建等。本文主要研究三视 图三维重建的拓展实际工程图样智能理解有关问题。 工程图样理解是人对图样的一种认知行为，是从二维的三视图或多视图中识别、 理解产品的设计、加工信息，并以此建立相应的三维工程形体的过程，是建立产品生 产模型的重要手段。 1 2 2 工程图样理解研究现状 自2 0 世纪6 0 年代，尤其是自i d e s a w a 1 】于7 0 年代初首次发表关于由工程三视 图重建三维形体的论文以来，三维重建技术这一课题的研究受到了普遍重视，其动因 主要来自两个方面：一是人工智能领域的研究工作者试图解决工程视图的机器解释问 题，从而拓宽计算机视觉和机器人视觉功能的应用范围：二是从事c a d c g 的科技 人员以此作为计算机辅助几何造型技术的一种新的方法来研究。 三维重建技术自从7 0 年代提出开始，至今已有三十多年的历史，主要有以下几 种算法： 1 自底向上算法【1 卜嘲1 2 4 】聊1 由i d e s a w a 1 】提出，其主要思想是由二维点生成三维点，三维点生成三维边，再 由三维边生成三维面最后得到封闭的三维形体。自底向上的识别方法以纯粹的几何投 影原理为依据提出三维重建解决方法，因此适用范围广，识别的实体种类较多，特别 2 浙江大掌硕士掌位论文第一章绪论 对于复杂的多面体，这类算法是解决多解和病态解相对较好的方法。然而它没有引入 传统的人工读图的经验知识，同时搜索空间过大，效率较低，无法处理零件图中大部 分存在的省略和剖切等问题，难以取得理想的重建结果。 2 模型引导算、法【1 1 h 1 5 1。 将实体分解为一些预定义的三维基本体素，基于这些体素的三维视图投影特征匹 配对建立识别模型，对输入图形进行体素模型的匹配识别与验证，恢复形体三维信息。 这种方法与自底向上算法相比，线素匹配搜索空间比较小，识别效率高，然而为该算 法建立的三维子体模式库难以涵盖千交万化的图形，适用面较窄。 3 自顶向下算法【1 e 1 “【1 明 自顶向下的由工程三视图构建三维机械零件的算法，可处理含有文字注释的工程 图。首先用自然语言处理方法来处理工程图中的注释，然后提取投影信息。最后把投 影信息传至一个自底向上重建过程来建立三维实体，可重建出由平面、圆柱面、锥面、 球面、环面等多种面型组成的三维实体。 4 基于专家系统的重建方法【1 明【2 0 】【3 3 l 在识别中引入了大量人的经验知识，考虑到从人工智能、专家系统的角度出发， 按照其研究问题的方法建立有关识别的知识库、推理机制和搜索策略来进行识别，这 就是基于专家系统方法的识别方法。然而相关的知识库与推理体系的完备性依然难以 令人满意。 5 基于视觉认知机制的重建方法【2 1 】口6 】 该算法类似于模型引导( c s g ) 方法，算法将整个三维实体分成几个基元体的 组合。不同的是，基元不是事先定义好的，而是被限制为能用实体造型中广义平移操 作所能生成的实体。算法利用自底向上( b - r e p ) 方法生成实体每一个基元，再将基 元合并成实体。在重建过程中出现歧义时，利用剖视图处理和视觉推理机制加以解决， 使得结果实体与人的理解结果更加一致。 对于这个研究课题，虽然提出了各种不同类型的算法，但这些算法都存在着一定 的局限性，仅适用于特定范围的实体重建。近年来，一些研究者闭删从较高层次上 对图纸中的尺寸信息以及其中的几何元素之间关系的识别和理解进行了研究，尚处于 探索阶段，离建立系统的理论体系还有一段距离，但总的一个趋势是实现以知识表达 和信息集成为基础的图样智能理解 3 浙江大掌硕士学位论文第一章绪论 6 基于工程语义的重建方法 陆国栋对基于工程语义的三维重建方法提出了实现的理论框架阀，提出了工程语 义是基础，基元间关系识别是先导，基元识别是关键的理论基础。 叶金荣【4 2 j 及钟军【删基于陆国栋的理论框架的基础之上，对工程语义进行了分类 提取和综合提取，建立了工程语义集成网络模型，进行了特征识别。 邢世海闭则提出了几何复杂度的概念，从图样信息的挖掘与提取的角度，提出了 工程图样的层次理解技术，通过对图样信息的分层组织和基于图样信息集成的基元体 分层识别。 田路闭建立了图样信息表达数量模型和基于信息表达数量模型的图样信息组织 分类以及分层应用，使图样信息得到较精确的表达。 本文工作是在他们工作的基础上继续进行的。从基元体的角度，提出了基于基元 体模型树的形体合成技术，通过对基元体模型树中基元体之间的组合关系信息处理和 虚实性信息处理，在基元体模型树的基础上实现了基元关系转换和基元形位调整，生 成了基元体合成次序信息，完成了三维形体的合成。 1 2 3 存在的问题 从宏观上看，主要存在如下问题： 1 图形理解问题本身较“难” 很难想象，一个没有经过训练的人能看懂工程图样并建立起空间形体，人尚且困 难，何况计算机? 与自然语言处理一样，图形理解具有很大难度。因此可以说：“不 是我们不了解计算机，而是我们对人类自身的了解还太少。” 2 图形理解研究方法较“偏” 一直以来，人们往往将三维重建等同于图形理解，只是一味地在重建过程中做文 章，恰恰忽视了对图形例如工程图样本身的研究，只是三维重建成为无本之木、无源 之水。事实证明，缺乏实际图形语义信息的三维重建已经步入歧途，并且很长时间以 来，束缚了人们的思维。 3 图形理解研究期望过“高” 归根结底，人们对三维重建期望过高，企图找到种通用的、一劳永逸的解决方 法，显然在相当长的时期内这是不可能实现的。从人工智能领域的研究中得到启发， 4 浙江大掌硕士掌位谗? 文第一章绪论 图形理解不应该追求通用问题求解，而应注重特定图形对象的研究，注重模糊相思等 综合集成技术的应用 从微观上看，相关研究主要存在如下问题： 1 过于几何化，缺乏工程语义 这是图形智能理解策略上的问题，所有方法几乎都只是把图样看作是纯粹的 “图”，企图直接寻求“数字”表达到“图形”表达的解，很少考虑图样的工程背景。 几乎没有考虑到面向实际工程图样，即使想要面对实际图样，也因缺乏有效策略而无 从下手，同时也很少从人的认知行为的角度来认识工程图样理解问题的本质所在。 2 限于三视图，缺乏可扩展性 这是图样信息建模方法上的问题，所有方法的建模对象几乎都只考虑三视图，不 能处理多视图、剖切表达、尺寸标注、其他表达方法等，离开实际工程图样甚远，可 扩展性差。 正是由于工程语义繁杂，如制图标准、几何约束、托普约束、投影关联约束、尺 寸图形约束、习惯表达等等相关信息。相应地目前还缺少从理论上建立的图样信息分 类和分层体系，缺乏图样信息抽取技术，缺乏图样信息建模的有效手段。 3 过于单一化，缺乏综合集成 这是图样信息处理技术上的问题，所有方法几乎都只从单一角度考虑问题，因此 各种方法缺乏综合集成的基础，综合集成也就无从谈起。 在图形，特征或形体的识别范围上，现有的研究缺少对各类识别对象本质上的共 性和差异的分析，都在不同程度上存在着较大的局限性：在图形、特征或形体的识别 过程中，对识别过程的正负反馈控制以及如何缩小搜索空间、提高识别效率、控制识 别进行的正确方向缺乏有效的算法；在各种不同形体相交时，原有的拓扑结构和拓扑 关系发生改变，几乎成为现有研究难以逾越的障碍。 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的研究内容 1 3 1 本文的研究思路 图形理解的关键是挖掘图样中所蕴含的所有信息，只有得到了工程图样蕴含的全 部信息，才能真正理解图样。然而图样信息具有分散性、隐含型、模糊性的特点，同 时由于计算机精于数值计算弱于形象思维，对图样缺少一个整体的认识，难以一步就 从图样中得到一个形体所需的所有信息。本文在图样初步处理的基础上，将基本信息 分解到若干个基本形体中，由简单到复杂，由不确定到确定，由单个基本形体信息到 基本形体之间组合关系信息，层层推进，到最后合成形体。主要准备从以下几个方面 进行解决： 1 基于零件分类的基元体模型树 深入剖析图样信息的分类特征与表达规律，充分考虑图样的工程语义，结合工程 图学中零件分类，并依照数据结构中树形结构的表达信息方式、层次结构、递归定义， 规划基元体模型树，以便于后继的基元信息与合成信息处理。 2 。基于基元体模型树的基元信息与合成信息处理 图样信息引起所表达的工程语义不同，而呈现不同的类型状态，反映不同的形体 结构。即使是同一类型的图样，因为反映不同的形体结构，而造成信息发散；形体结 构重建所需的信息又包含在其他形体信息中，同时存在干扰信息。而计算机不具备人 脑的发散性和跳跃性思维，不能自动区分哪些信息是有用的，哪些信息是没用的，可 能造成某些形体信息利用的遗失，使造型结果出现缺漏。因此对信息进行基于基元体 模型树的处理，使其精确，完备和具有逻辑性，便于计算机处理数据。基于基元体模 型树的基元信息与合成信息处理过程可以分为如下三步： 1 ) 模型树结点之间组合关系信息处理 2 ) 模型树中基元体虚实性信息处理 3 ) 模型树中合成信息处理 3 注重尺寸在信息处理中的作用 在机械工程图样中，尺寸标注用来表示形体的准确大小和位置，是机械零件表达 6 浙江大掌硕士掌位论文 第一章绪论 的重要环节和主要内容之一。在工程图样中，投影由于省略或形体之间的遮挡等因素， 通常不完整，但尺寸相对而言比较完整。尺寸的丰富含义主要是通过其尺寸文本来反 映的，尺寸文本中除了表示尺寸大小的数字，往往还含有其他的文本，它们包含着丰 富的语义。同时，尺寸是建立在图形上的，所以还必须建立尺寸与图形之间的关系， 进而由尺寸确定基元体及其之问组合关系的信息。 1 3 2 本文的内容安排 本文处理的图样数据由d x f 文件中分析提取到的。通过对这些数据的获取与整 理得到我们所需要的图样信息。从组成形体的若干个基元体出发，在树形结构基 元体模型树的框架下对这些基元信息和合成信息进行处理，围绕基元体，对形体合成 做出信息有序化、高效率应用，最终实现图样理解的最终目的三维重建。整个形 体合成技术的框架如图1 1 所示： f 基于基元体模型树约会譬信怠处理i 1 r 基于基元体模型树的基元信息处理 对基元俸模型树中 l。f 基于基元体模型树的基元体 的基元关系信息楚理r 叫虚实性信息处理 。亍 j f 基予零馋分类的基元体模型树； 图1 1 形体合成技术框架 本文的具体内容安排如下： 1 基元体模型树建模 依据4 类不同形体特征的零件图，规划了4 种类型的基元体模型树的结构。根据 工程语义、零件分类、尺寸约束，判断4 类零件的基准面或基准线，以含此面或此线 的基本形体为基元体模型树的根结点。结点含此基本形体的确定形状( 长、宽、高) 和确定位置信息。从尺寸约束出发，建立与之相关的x y z 三方向的尺寸树。依据尺寸 树( x y z 三方向尺寸树的重要程度在于尺寸线是否与基准面或基准线垂直) ，选择其 7 浙江大掌硕士学位论文第一章绪论 指向的基本形体作为基元体模型树根结点的子女结点，子女结点含有其基本形体的形 状( 不一定完全确定) 和确定位置信息，一直到树的叶结点的建立，从而完成基元体 模型树的建模。 2 基于基元体模型树的基元信息处理 a 基于基元体模型树的基元体组合关系信息的识别与储存 在基元体模型树的基础上，从根结点开始，判断双亲子女兄弟结点组合关系，即 相交( 相贯) 、相切、相接、截交。组合关系作为基元体模型树遍历优先的依据条件 之一( 截切优先相接优先相交和相切) ，兄弟结点的组合关系作为辅助。相切和相贯 的组合关系反馈其对应结点中基元体的形状信息，为后续的基元体虚实性信息识别和 形体合成信息的处理奠定了基础。 b 基于基元体模型树的基元体虚实性信息的识别与储存 依托基元体模型树，根据双亲结点与兄弟结点的虚实性及其组合关系，判断自身 的虚实性，也是对基元体模型树中基元体信息的完善。 3 基于基元体模型树的合成信息处理 依据基元体模型树，实现树的遍历，可以生成三维形体，遍历的优先条件： a 截切优先于相接，相接优先于相交和相切。 ， b 广度优先。 在遍历前，也就是形体合成前，要对合成信息进行处理，以便高效率的利用信息 和得到较好的合成效果。合成信息的处理包括基元关系转换、基元形状位置调整与基 元体合成次序信息的产生。通过基元关系转换，相切关系已经不再单独存在，截切关 系部分得到了转换。同时在基元体模型树中插入新的结点，修改其双亲子女兄弟结点 信息及其相关的组合信息。对于其他三种关系进行基元形状位置调整，修改相关的结 点信息，调整基元关系转换和形位调整后的基元体模型树。依据转换和调整后基元体 模型树，实现树的遍历，生成特征运算序列，即基元体合成次序信息。 8 浙江大学硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 第2 章基于零件分类的基元体模型树 【摘要】本章主要讨论了基于零件分类的基元体模型树。通过分析四类零件的形 体特征，规划了四类基元体模型树结构；介绍了基元体模型树的建立，为后面的图样 基元信息和形体合成信息的处理铺平了道路，为信息的有序化管理奠定了基础 2 1 引言 工程图样是工程界的“语言”，作为产品信息的定义、表达、和传递的主要媒介， 其主要借鉴了人类的思维模式，以图形和文字的模式表达一个产品的完整信息。利用 计算机提取和分析这些信息，有两点需要我们特别注意：一是在形体投影过程中，由 于从三维到二维，往往会造成信息的局部丢失与信息的无序化，这是工程图样理解中 的一个重大问题，迄今为止的许多算法都是围绕它而展开的；另一个现象是，设计人 员在遵循一些必要的绘图规则基础上，往往还会在其绘制的过程中加入一些非规则性 的东西，如经验性、习惯性或所在企业默认的一种表达方式，而人的识图过程中，人 脑思维所呈现的状态往往是跳跃性，经验性和直观性的，是计算机所难以模拟的认知 过程。 这必然面临一个问题：如何在计算机中组织，存储、传递工程图样信息数据，尽 可能的避免信息的局部丢失和信息的无序化，以有利于其后期处理。 在本文中，工程图样主要是指机械工程图样而零件图作为机械图的一种，其视 图表达具有自身的特点。零件作为组成及其得不可再拆分的基本单元，于理论上的组 合体的最大区别在于两点：其一，零件是按工艺要求加工产生的；其二，零件必然在 机器或部件中工作。零件必然通过一定的方式加工而成，不可加工的零件或加工成本 很高的零件是无法接受的。零件在机器或部件中工作产生的功能往往取决于两个方 面，一是零件自身的结构特点，二是零件在机器或部件中的安装位置。不管组成机器 或部件的零件如何复杂，一般可根据零件的结构形状，大致分为四大类：( 1 ) 轴套类 零件；( 2 ) 盘盖类零件；( 3 ) 叉架类零件；( 4 ) 箱体类零件。 分类是分析问题，解决问题的一个基本方法。考虑分类零件的形体特征，结合 9 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 数据结构中的树形结构，利用它的嵌套性数据管理特点，建立表达基元信息和合成 信息的基元体模型树，组织、存储、传递工程图样信息数据，实现对图样信息的有序 化管理和系统利用，是计算机图样智能理解的一种有效应用策略。 2 。2 基元体模型树的表达 确定一个形体，需要知道这几方面的信息：形状信息、尺寸信息、加工的精度材 料等信息。为此，将工程图样所提供的信息分为三部分：图形信息、尺寸信息、加工 信息，如图2 1 所示。 ， 围 图2 1 信息组成 而形体可以看作是若干个基元体的组成，表达形体信息的工程图样可归结为表达 若干个基元体信息、它们之间的各种组合方式信息以及合成信息。 数据结构中的树形结构是一种非线性结构，为一些嵌套性数据提供了自然的表 示，在计算机领域有着广泛的应用。套用树形结构的形式，将上述的各种信息有序化 地组织、储存并传递应用，为形体合成服务。下面将首先介绍基元体模型树的组成。 ( 1 ) 基元体模型树n ( n 0 ) 个结点组成的有限集合。表示整个形体信息。 ( 2 ) 结点表示基元体的全部信息，包括形状大小，位置，虚实性，拉伸 的方向 在这里说明一下，工程图样信息是以直线、圆、圆弧、曲线、文字、尺寸等数据 形式保存在d x f 文件中的，不是按照视图的顺序来存放的，因此也不可能包含任何 浙江大学硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 与视图有关的信息。因此在视图识别之前应对这些图样数据作适当处理。在d x f 文 件中，这些图样数据一般包含在实体节中( 图形中若含有块，将块托散后，块包含的 图形信息也将出现在实体节中) ，根据d x f 文件的格式，可以很容易得到图样元素 的值。读取信息时，首先找到实体节，然后根据组码和组值得到相应的信息，如组码 0 ：表示实体开始，组值l i n e ；表示实体为直线。根据面向对象程序设计方法，我们 可以定义直线类、圆类、圆弧类、尺寸类、文本类等，这些类都以图素实体e n t i t y 类为基类，其派生关系如图2 2 ，定义如下： 图2 2图形元素派生类 我们通过根据获取的尺寸信息、图形信息，结合基元体特征定义，可识别基元体， 如图2 3 所示： 图2 3基元体识别过程 下面是几类常见的基元体作为基元体模型树结点所必须的信息： c y l i n d e r 圆柱体 i a t t r i b u t e虚实性 x ，y ，z 圆心位置 d r a d i u s半径 1 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 d h e i g h t 高度 v n o r m a l x ，v n o r m a l y ，v n o r m a l z 拉伸方向 p b a s e c i r - v i e w - v n x ，p b a s e c i r - v i e w - v n y ，p b a s e c i r - v i e w o v n z 拉伸基圆面的方向矢量 c l s w e e p i n g 线性拉伸体 s t r e t c h 或c u t p l a n e i a t t r i b u t e虚实性 d h e i g h t 高度 v n o r m a l x ，v n o r m a l y ，v n o r m a l z 拉伸方向 p b a s e c i r - v i e w - v n x ，p b a s e c i r - v i e w - v n y ，p b a s e c i r - v i e w - v n z 拉伸基面的方向矢量 l i n e 拉伸基面的图元 p e n 一 s t a r t p x p e n - s t a r t p y , p e n s t a r t p z l i n e 的起点 p e n 一 e n d p x p e n e n d p y , p e n - e n d p z l i n e 的终点 a r c拉伸基面的图元 p a r c - v n o r m a l x ，p a r c - v n o r m a l y tp a r c - v n o r m a l z a r c 转向决定的方向矢量 p a r c - c e n t e r x p a r c - c e n t e r y , p a r c - c e n t e r z a r c 的圆心 p e n s t a r t p x p e n 一 s t a r t p y , p e n 一 s t a r t p z a r c 的起点 p e n 一 e n d p x 。p e n - e n d p y , p e n 一 e n d p z a r c 的终点 p a r c - r a d i u s a r c 的半径 p a r c - d s t a r t a p a r c - d e n d aa r c 起点、终点与圆心的连 线与坐标轴的夹角 l o o p e n d基面图元结束标志 ( 3 ) 结点的度表示此基元体的下续将合成的基元体分支数目。可以间接说明 一个基元体在形体中重要程度。 ( 4 ) 根结点只有直接后续，没有直接前驱。表示含基准线或基准面的基元 体，最先生成的基元体，必是实体，而且必是特征运算序列的 第一子项的第一体项。 ( 5 ) 叶结点度为0 的结点。本文中表示较后合成的基元体之一。 1 2 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 ( 6 ) 子女结点表示此基元体的下续将合成的基元体。 ( 7 ) 双亲结点表示此基元体的上续已合成的基元体。 ( 8 ) 兄弟结点表示有同一个上续已合成的基元体的下续基元体。 ( 9 ) 结点所处层次简称结点的层次，即从根到该结点所经路径上的分支条数。本 文中表示基元体形成的先后，是产生合成信息中基元体生成次 序的重要依据。 2 3 基于零件分类的基元体模型树结构 基元体模型树的建立主要依据于尺寸树和零件的形体特征分类所决定的基元体 组成特点。不同类型零件的结构形状特点各不相同，本文下面就四大类零件的视图选 择和尺寸标注规律对基元体模型树的结构影响作一简单的介绍。 2 3 1 轴套类零件 轴套类零件一般为同轴的细长回转体。 这类零件一般有轴、衬套等，在视图表达时，只要画出一个基本视图，再加上适 当的断面图和尺寸标注，就可以把主要形状特征以及局部结构表达出来了。 在标注轴套类零件的尺寸时，径向以它的轴线做为尺寸基准，而长度方向的基准 常选用重要的端面、接触面( 轴肩) 或加工面等，特别是最左或最右端面。 由图2 4 所示的泵轴零件，可知轴类零件主要是x y 两方向上的尺寸树。( 说明 一下，这里的x y z 方向与机械制图中x y z 方向是不同的，主视图是与a u t o c a d 中 的坐标系相符的。主视图与后视图是x y 方向，左视图与右视图是y z 方向，俯视图 与仰视图是) ( z 方向。) 1 3 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 a ( 2 5 _ 坚! ! ! 一 1 帕竹 il 一 ， 一，f # 划一 o图一蔓 、 可 1 爪f也趸f f i 习鼍j 丫 8 l 牡叫 e - 1 i 1 墨 _ _ 一 _ _ - ja i一 一一 一 一一 2 一 o13 01 12 1 6 5 a a 图2 4 轴类零件图 x 方向上尺寸1 6 5 ，2 4 ，4 0 ，1 4 ，3 0 ，1 7 ，2 4 ，9 ，1 5 ，1 4 ，1 4 ，3 ，3 ，4 ，2 0 1 7 ，6 t 7 ，0 6 ，尺寸基准为主视图左端面；y 方向上尺寸巾1 8 ，0 2 6 ，m 1 7 ， 0 2 4 ，m 1 6 x1 ，0 3 6 ，0 2 6 ，尺寸基准为主视图水平中点画线。建立x y 二方向上的 尺寸树： x 方向尺寸树 1 4 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 y 方向尺寸树 图2 5 轴套类零件尺寸树 分析轴套类零件的尺寸树和它的零件视图特点来说明轴套类零件的形体组成特 点：x 方向尺寸树层次较多，y 方向尺寸树层次为2 ，且尺寸多带有直径符号，再加 上轴套类零件的视图特点，说明归于轴套类零件形体组成多为圆柱基元体，y 方向尺 寸树的尺寸多为这些圆柱基元体的定形尺寸，x 方向尺寸树的线性尺寸多为这些圆柱 基元体的定位尺寸，直径尺寸多为这些圆柱基元体上附加结构的定形尺寸。x 方向尺 寸树层次越多说明这些圆柱基元体的加工定位基准越多。 轴套类零件的形体组成特点决定其基元体模型树的层次结构与结点特点：结点的 层数大多为2 或3 ，层号为零的结点即根结点必是圆柱体，层号为1 的结点多为阶梯 圆柱体与根结点上孔、键槽以及工艺结构，层号为2 的结点为阶梯圆柱体上孔、键槽 等结构。其基元体模型树的结构如图2 6 所示； 说明：结构c 与结构d 为各类孔，键槽以及工艺结构 图2 6 轴套类零件基元体模型树结构 2 3 2 盘盖类零件 盘盖类零件的基本形状是扁平的盘状。 1 5 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 这类零件一般有端盖、阀盖、齿轮等。它们的主要结构大体上是回转体，通常还 带有个种形状的凸缘、均布的圆孔和肋等局部结构。在视图选择时，一般选择过对称 面或回转轴的剖视图做主视图，轴线水平放置。同时还需要增加适当的其他视图( 如 左视图、右视图或俯视图) ，把零件的外形和均布结构表达出来。 在标注盘盖类零件的尺寸时，通常选用通过轴孔的轴线做为径向尺寸基准，长度 方向的尺寸基准常选用重要的端面。 由图2 7 所示的阀盖零件，可知盘盖类零件在建立尺寸树时，主要是x y 两方向 上的尺寸树，z 方向上的少量尺寸可作为辅助。 图2 7 盘盖类零件图 x 方向上尺寸6 8 ，4 8 ，4 2 ，1 1 ，4 ，1 6 ，3 5 ，2 1 ，2 0 ，中3 5 ，中1 6 ，m 2 2 2 ， 尺寸基准为主视图左端面；y 方向上尺寸4 8 ，2 0 ，1 4 ，0 4 7 ，0 4 1 ，0 3 2 ，m 2 0 ， 由3 6 ，m 2 7 2 ，m 7 0 ，尺寸基准为主视图水平的中心点画线：z 方向上尺寸7 0 ，r l l ， m 1 2 x 2 ，尺寸基准为左视图竖直的中心点画线。建立) ( 、亿三方向上的尺寸树： 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 z 方向尺寸树 图2 8 盘盖类零件的尺寸树 分析盘盖类零件的尺寸树和它的零件视图特点来说明盘盖类零件的形体组成特 点：基本视图多为2 ，主视图为剖视图，x 方向尺寸树层次较多，y 方向尺寸树层次 为2 或3 ，且层号为1 的尺寸多带有直径符号，z 方向尺寸树层次为2 或3 ，尺寸数 少，且层号为1 的尺寸多为线性尺寸，说明归于盘盖类零件形体组成多为圆柱基元体 ( 孔) 或者中心含有圆柱孔的基本对称的线性拉伸体加上一些小的附加结构，如固定 用的键槽、通孔等。y 方向尺寸树的直径尺寸多为这些圆柱基元体( 孔) 或线性拉伸 体的定形尺寸，线性尺寸多为这些基元体的定位尺寸，x 方向尺寸树的线性尺寸多为 这些基元体的定位尺寸，直径尺寸多为这些基元体上附加结构的定形尺寸。x 方向尺 寸树层次越多说明这些圆柱基元体( 孔) 或线性拉伸体的加工定位基准越多。 盘盖类零件的形体组成特点决定其基元体模型树的层次结构与结点特点：结点的 层数大多为2 或3 ，层号为零的结点即根结点必是基本对称的基元体，层号为1 的左 边第一个结点必为圆柱孔结构，层号为2 的结点为附加结构，多为连通孔、固定孔和 工艺结构。其基元体模型树的结构如图2 9 所示： 1 7 浙江大掌硕士掌位论文第二章基于零件分类的基元体模型树 说明：结