（航空宇航制造工程专业论文）基于特征约束的三维尺寸智能标注技术的研究.pdf

南京肮空航天人学硕十学位论文 摘要 c a d 技术已经得到了迅速的发展和越来越广泛的应用。然而，当前大多数 尺寸标注都采用人工交互的方式，使得标注的智能化和标准化的程度较低，从而 进一步影h 日了c a d 技术的应用。本文将特征造型技术和特征议别技术应用到三 维实体模型的尺寸标注中，提高了尺寸标注的她率和标准化的程度。本文主要的 研究工作如下： 首先，对特征造型、特征识别以及特征提取技术进行了研究，通过应用单元 体分解技术获得零件的特征，并应用顶向对象的方法定义了特征的数据结构。其 次通过对特征造型过程中产生的特征间的约束关系以及特征内部的约束关系的 分析，并根据几何尺寸模型的特点，建立了基于特征约束的定形尺寸模型和定位 尺寸模型。最后，对定形尺寸模型和定位尺寸模型的生成方法以及尺寸的调整策 略进行了研究。 根据以上研究，在c a x a 实体设计平台e 丌发了基于特征的三维尺寸智能 标注模块，仞步实现了零件尺寸的智能标注，并在计算机辅助专用央具设计系统 中得到应用。 关键词：特征造型，特征约束，智能标注，定形尺寸，定位尺寸 捧p 恃征约束的三维j t 寸智能标注技术的研究 a b s t r a c t c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) t e c h n o l o g i e sh a v em a d eag r e a tp r o g r e s s e s ，a n d b e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y h o w e v e r ，m o s to fc u r r e n td i m e n s i o n i n gm e t h o d s d e p e n do nm a n m a d ei n t e r a c t i o nw i t hl o wi n t e l l i g e n c ea n ds t a n d a r d i z a t i o n s oi t h a s l i m i t e d a p p l i c a t i o n o fc a dt e c h n o l o g i e s m o s t l y i n t h e p a p e r , an e wm e t h o d c o m b i n i n gf e a t u r em o d e l i n gw i t hf e a t u r er e c o g n i t i o ni sa p p l i e dt ot h ed i m e n s i o no f 3 - dm o d e l 、w h i c hi m p r o v e se f f i c i e n c ya n ds t a n d a r d i z a t i o no fd i m e n s i o nt h em a i n w o k si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , f e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g y ，f e a t u r er e e 3 9 n i t i o nt e c h n o l o g ya n df e a t u r e e x t r a c t i o nt e c h n o l o g ya r es t u d i e si nt h ep a p e r ac e l ld i s a s s e m b l i n gt e c h n o l o g yi su s e d t oo b t a i np a r tf e a t u r e ，a n dad a t as t r u c t u r eo ff e a t u r ei sd e f i n e db yo b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g ys e c o n d l y ，t h r o u g ha n a l y z e dc o n s t r a i n tr e l a t i o n b e t w e e nf e a t u r e ( a n di n f e a t u r e ) p r o d u c e d i n p r o c e s s o ff e a t u r em o d e l i n g t h es i z ed i m e n s i o nm o d e la n d l o c a t i o nd i m e n s i o nm o d e lb a s e do nf e a t u r ec o n s t r a i n ta r ec o n s t r u c t e da c c o r d i n gt o g e o m e t r yd i m e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l y ，t h e m e t h o d so fc r e a t i n gs i z ed i m e n s i o n m o d e la n dl o c a t i o nd i m e n s i o nm o d e l ，a n dt h es t r a t e g yo fa d j u s t i n gd i m e n s i o na r e s t u d i e si nt h ep a p e r a c c o r d i n gt o t h ea b o v er e s u l t s ，a3 ds m a r t d i m e n s i o n i n gm o d u l eb a s e do n l b a t u r ec o n s t r a i n t w h i c hr e a l i z e s a n i n t e l l i g e n t d i m e n s i o nf o r p a r tp r i m a r i l y ，i s d e v e l o p e d o nc a x as o l i dd e s i g n p l a t f o r m a n t ih a sb e e nu s e d i na s p e c i a l c o m p u t e r a i d e df i x t u r ed e s i g ns y s t e m k e y w o r d s ：f e a t u r em o d e l i n g ，f e a t u r ec o n s t r a i n t ，i n t e l l i g e n t d i m e n s i o n ，s h a p i n g d i m e n s i o n 1 0 c a t i o nd i m e n s i o n 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究：= 【：作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名：i 兰叁堕 口期：! ：! ! 一! ：! 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1c a d 技术的发展 第一章绪论 c a d c a m 技术从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段， 已经具有高智力、知识密集、综合性强、效益高等特点。它的发展不仅改变了 人们设计、制造各种产品的常规方式，有利于发挥设计人员的创造性，还有利 于提高企业的管理水平和市场竞争能力。如今的c a d c a m 技术已不再停留在 过去单一模式、单一功能、单一领域的水平，而是向着标准化、集成化、智能 化的方向发展，是当前世界科技领域的前沿课题。 9 0 年代以来，c a d 技术基础理论主要是以p t c 的p r o e n g i n e e r 为代表的 参数化造型理论和以s d r c 的i - d e a s 为代表的变量化造型理论，形成了基于 特征的实体建模技术，为产品信息模型的建立奠定了基础。c a d 技术的新特色 表现在以下方面： ( 1 ) 采用面向对象技术的3 2 位c a s 软件，支持w i n d o w s 9 5 9 8 n t 操作系统， 支持i g e s 、s t e p 等数据交换标准，提供v c 、v b 等语言开发接口。 ( 2 ) 用特征来描述、构造产品信息模型，这样包括产品的形体信息，又包括 产品的功能特，匹、工艺特征和加工特征。对产品具有更全面的描述能力，是实 现c a d 、c a m 集成的重要技术方法。 ( 3 ) 参数设计使用户可以定义模型的尺寸作为控制尺寸，通过修改模型的尺 寸值便可改变模型的几何形状。变量设计使得用户可以在几何形体之间建立一 些复杂的约束关系，通过约束驱动生成新的形体。 ( 4 ) 对产品的描述采用单一的数据模型，所有数据都存入单一的数据库中。 这样对产品任何改动，都会自动改变与之相关的数据。产品二维绘图和三维造 型共享数据，从而保证了数据的完整性和可靠性。 f 5 ) 对某些特殊的设计和制造过程，采用专家系统的设计思想，在c a d 系 统中建立知识库，为用户的设计和决策提供帮助。 ( 6 ) 网络化c a d 既可用单机多窗口操作编辑，又可多机联网并行设计、网 络数据管理和图纸管理。 ( 7 、快速原型制造技( p r m ) 术的发展，可以使c a d 设计的产品及时得到 实物模型。p r m 也可以作为c a d 系统直接与加工联系的纽带。 我国自6 0 年代开始引进c a d c a m 技术到现在，一方面，通过引进的一 些国际水平的商品化软件，例如m d t 、i - d e a s 、p r o e 、u g 等，已经在机械、 基于特征约束的三维尺寸智能标注技术的研究 电子、建筑、汽车等行业有了大规模的应用，另一方面，很多研究单位自行开 发c a d c a m 系统，例如天喻i n t e s o l i d c a m 、北航海尔c a x a 、南航超人2 0 0 0 等，有些已达到国际先进水平，进一步促进了c a d c a m 技术在我国的应用和 发展。 1 2 特征技术的发展 特征技术是c a d c a m 技术发展的个新的里程碑，它是在c a d c a m 技 术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 的产物它产生于八十年代处，并于八十年代的中后期迅速发展起来。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。 国内外，许多高校、学者、研究单位对特征技术的发展和应用做出了贡献， 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 t c 公司的p r o e n g i n e e r 、s d r c 的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 、u g s 的u g 、i b m 的c a t i c a d a m 、a u t o d e s k 的m d t 、北航海尔的c a x a 等。 1 2 1 特征的定义 特征作为产品开发中各种信息的载体，它包含了几何形状及相应的语义。 然而，从7 0 年代末特征概念的提出到现在，特征一直没有一个统的定义，在 不同的应用领域，特征有不同的含义。 从设计观点看，特征是由几何和拓扑元素组成的形状特性，设计人员进行 产品建模时使用设计特征表达设计意图从功能角度描述零件的构造。这里的 设计特征一方面要反映产品的功能需求，另一方面功能的实现则反映在产品几 何模型中的一个相关的形状特征上。 从制造的观点看，特征表示与制造相关的形状和技术属性，使用制造特征 来描述从零件毛坯去处的部分，其特征集主要包括孔、稽、凹陷等。 许多研究机构和专家、学者对特征技术进行了研究，分别从不同的角度对 特征进行了定义和分类。如p r a t t & w i l s o n 注重特征的形状描述，认为：特征 是一个零件的表面上有意义的区域，共分为通道特征、凹陷特征、凸特征、过 渡特征、区域特征和变形特征等六类。s h a h 从特征所描述的信息进行定义：特 征是与产品描述相关的信息集，这种描述主要用于产品的搜计、制造或测量， 甚至包括管理等方面，据此他把特征分为形状特征、材料特征、精度特征和技 术特征。还有一些学者结合特定的应用领域和几何描述进行定义，如e r v e 认为 南京航空航天大学硕士学位论文 特征是一个工件上与众不同的或特有的部分，定义一个几何外形，用于特定的 加工工艺或可被用于装夹或测量等目的。 在这里，我们认为特征是“一个具有确定约束关系的几何实体，它同时包 含某些特定的功能语义信息。” 1 2 2 特征的分类 图1 1 特征的分类 根据作用的不同，特征可分为以下几类( 如图1 1 所示) ： ( 1 ) 总体特征：与零件管理相关的信息的集合，包括标题栏信息、零件材料、 整体热处理方法和要求、粗糙度等信息； ( 2 ) 设计特征：描述特征的功能、性能和技术要求等相关的信息集合，包括 设计要求与约束条件等信息。如零件的外观要求，在运行过程中的工况条件、 载荷与约束条件等为分析计算、性能实验、有限元前处理提供条件的信息： ( 3 ) 材料热处理特征：与零件材料和热处理相关的信息集合，如材料性能、 热处理方式、硬度值等； ( 4 ) 精度特征：描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息几何，包括尺 寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度等。精度特征是零件质量指标的主 要依据，它不仅影响着产品零件的性能与功能，也影响着产品零件的加工工艺 路线和生产成本； ( 5 ) 装配特征：零件在其装配过程中需要使用的信息集合，如零部件的配合 关系，装配关系，装配尺寸链信息等。装配特征为装配工艺提供了必要的信息； 基于特征约束的三维尺寸智能标注技术的研究 ( 6 ) 形状特征：它是构造零件形状的基本要素，是零件模型中最重要的特征。 从几何、设计和制造的角度看，形状特征是零件上具有一定拓扑关系的一组几 何元素( 点、线、面) 所组成的特定形状，具有一定的功能，它不仅可以描述 零件间的关系，而且与一定的加工方法向适应，适宜于在设计、分析和制造中 使用。形状特征为设计和制造提供了共享的产品形状信息，并且是非几何特征 ( 精度特征、材料特征等) 的载体，因此形状特征就成为设计和制造中的通信 媒介，对形状特征的定义和管理是把设计信息转换为制造信息的个有效的方 法。 形状特征( 简称特征) 又可分为主形状特征和辅形状特征( 简称主特征和 辅特征) 。主特征用于构造零件的主体形状结构，如长方体、圆柱体等。辅特征 用于对主特征的局部修饰( 如圆孔、方形孔、倒角和键槽等) ，它附加在主特征 或另一辅特征之上。形状特征也可以分为正特征和负特征。 1 2 3 特征识别技术的发展 实体模型i 特征11 特征【特征模型 】识别jl 提取l 特征识别器 特征模式 图1 2 特征识别系统的结构示意图 所谓特征识别就是从产品的实体模型出发自动识别出其中具有一定工程意 义的几何形状，即特征，进而生成产品的特征模型。特征识别系统的结构示意 图如图1 2 所示。 7 0 年代中期，英国剑桥大学c a d 中心首先开始了特征识别的研究工作。 该中心的g r a y e r 1 】在1 9 7 5 年首次尝试了从零件的实体模型中自动提取出对计算 零件的数控加工刀具轨迹有意义的几何形状，如型腔，并基于此特征进行零件 的刀具轨迹计算。1 9 8 0 年，该中心的另一位研究人员k y p r i a n o u 2 1 在他的博士论 文中首次正式引入了现有的特征识别思想，从而奠定了基于边界表示进行特征 识别的基础。从此以后，特征识别技术以及特征的概念受到了学术界以及工业 界的普遍重视，研究工作广泛展开，新的特征识别方法不断出现，特征识别的 范围也从开始的加工特征扩展到检测特征、分析特征等许多方面。 到目前为止，虽然特征识别方法的种类很多，但它们从整体上可以分为两 大类，一类是基于边界匹配的特征识别方法，另一类是基于立体分解的特征识 南京航空航天大学硕士学位论文 别方法。 基于边界匹配的特征识别方法就是通过搜索零件的边界模型，寻找其中符 合特征边界模式的区域，进而识别除零件中包含的所有特征。基于边界匹配的 特征识别方法主要有基于规则的特征识别方法、基于图的特征识别方法、基于 痕迹的特征识别方法等。基于边界匹配进行特征识别的基本步骤如下： 1 ) 搜索零件的边界表示，并将其特定部分与每一类特征的边界模式进行匹 配： 2 ) 确定已识别特征的参数；构造完整的特征几何模型： 3 ) 对能够合并成组合特征的基本特征进行组合。 基于立体分解的特征识别方法就是直接识别特征体的方法，它的基本步骤 为： 1 ) 对物体进行分解将其分解为凸体的集合： 2 1 对分解出的凸体进行重新组合产生对应于特征的体元： 3 ) 对特征体元进行分类，确定出特征类型，建立特征的体表示。 根据不同的体分解策略，基于立体分解的特征识别方法可分为基于立体交 替和分解的特征识别方法和基于单元体分解的特征识别方法。 1 3 尺寸智能标注的研究概况 从第一个机械c a d 系统面世以来，尺寸标注的方法一直在不断地改进。从 完全脱离图形地编程标注模式到常规的交互标注模式，再到参数化、智能型的 交互标注模式，智能化程度逐步提高，输入附加信息不断减少，至于完全自动 化的尺寸标注，虽然目前仍没有一个尽如人意的实用软件，但众多的专家学者 在这个方面己做了大量有意义的研究。 h i l l y a r d l 3 1 等人描述了一种判定给定的零件尺寸标注方案是否合理的尺寸与 公差分析方法。 y u e n 4 1 等人提出了一种基于c s g 模型的零件工作图尺寸自动标注方法，但 因缺乏对标注尺寸间相互关系的统一考虑及尺寸精度的验算方法，还未能实际 应用。 美国k a n s a s 大学的d o vd o r i 【8 l 在1 9 9 0 年就提出了自动合理标注机械工程 图样尺寸的图论与语法基础，为尺寸自动标注的研究提供了基本的理论依据。 他把自动标注问题分为逻辑判断部分和空间布置部分，其中逻辑判断部分与选 择合理的尺寸有关，空间布置部分与尺寸的位置及尺寸间的干涉有关。通过对 尺寸自动标注理论的研究，提出了几何特征尺寸标注中的“隐式约定”，即在零 件结构中满足一定关系的几何特征间可以不进行显示尺寸标注。同时他还提出 基于特征约束的三维尺寸智能标注技术的研究 了验证尺寸标注方案的两条基本准则，解决了尺寸标注合理性的检验问题。d o r i 的研究成果为后来者的研究工作提供了理论基础，以后不断有一些新的内容补 充。 s u z u k i 1 1 】在1 9 9 0 年提出了一种基于产品模型的尺寸标注方法。他介绍了一 种实体模型的尺寸描述框架，这种模型有一个以尺寸为参数的的形状描述函数， 把尺寸看作是几何面的约束，并且在w f f ( w e l lf o r m e df o r m u l ai nl i s t o r d e r p r e d i c a t e ) 模型种插述。这种模型有助于表达和管理贯穿于产品设计及制造全 过程的信息。 k e z h a n gc h e n 等f l 9 j 提出了一种基于尺寸特征提取的箱体零件的尺寸自动 标注方法。根据面、边、点的各种拓扑关系，如垂直、平行、重合等关系，来 判断可能存在的尺寸冗余情况；提出了尺寸特征( d i m e n s i o n i n gf e a t u r e ) 概念， 包括拓扑特征( t o p o l o g i c a lf e a t u r e ) 、几何特征( g e o m e t r i cf e a t u r e ) 、机械特征 ( m a c h i n i n gf e a t u r e ) ，根据尺寸特征编码和人工智能技术来确定尺寸标注的布 局，选择合适的视图来标注尺寸，确定正确的尺寸位置。但此方法只能应用于 由平面构成的箱体零件的尺寸自动标注，其实用价值和普遍意义都较为有限。 1 9 9 2 年，n r j u s t e r l i 驯在c s g 和b r e p 混合模型的基础上建立了尺寸公差 模型，主要通过一定语法结构描述尺寸公差。 九十年代后，国内也有很多学者开始研究尺寸自动标注方面的课题。1 9 9 4 年，浙江大学的黄长林1 2 4 j 提出了一种适用于系列化图形的尺寸自动标注方法。 对第一张图进行人机交互标注，然后通过记录其标注方法，实现对其他形状相 似的系列化图形的自动标注。 大连理工大学的路全胜等口9 1 于1 9 9 6 年提出了一种基于b p e p 表示的机械 零件工程图的智能化尺寸标注方法。该方法详细分析了零件的几何特征对尺寸 标注的影响，采用了基于人工神经网络识别的思想提取特征和基于尺寸链技术 的思想优化确定标注方案，同时采用了基于范例推理( c b r ) 的方法进行零件 尺寸标注的自动布置，建立了零件特征尺寸标注模型。由于b r e p 在几何信息 组织上以面信息为中心，丧失了基本形体的信息，通过零散的几何要素进行标 注，其标注结构很难符合工程要求。 陆国栋、吴中奇等1 2 8 j 提出了一种基于知识表达的参数化标注机理。该方法 以交互标注为工作环境，辅以知识表达，使设计者免去选择多层标注菜单，便 可以连续地进行标注设计工作，减少了输入信息量，大大提高了效率。但该方 法需将设计者进行标注时的知识表示在计算机内，建立知识库，设计者需查询 有关知识，进行符合标准的标注，对一些特殊标注仍需借助于常规的交互式标 注方法完成。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 申闰春等f 3 0 1 提出了一种基于模式匹配及其推理的方法。该方法借助于 a u t o c a d 的尺寸标注功能及其存储格式，在归纳总结国际尺寸标注的类型与模 式，以及a u t o c a d 的尺寸标注类型与模式的基础上，建立二者的模式库，编制 模式匹配及推理等算法程序，将国际尺寸标注模式与同类型的a u t o c a d 的尺寸 标注模式相匹配，实现尺寸标注的变量设计功能。但该方法从二维表达方式出 发，由于每个二维视图只表达了三维形体的一个侧面，三维形体在多个视图之 间的投影匹配关系不易自动理解，这一方法的自动实现比较困难。 陆国栋、黄长林等【2 9 l 从特征模型出发，基于分治思想提出尺寸自动标注的 二维与三维空间分治策略。在三维空间分治中，主要解决尺寸标注的完整性与 合理性问题，提出形体分治、组合方式分治和工艺分治等三种分治策略：在三 维到二维投影的二维空间分治中，主要解决尺寸标注的正确性与清晰性问题， 提出投影分治、正确性分治和清晰性分治等三种分治策略。由于该方法受到三 维重建和特征识别这两个技术瓶颈的限制，离实际应用还有一定距离。 浙江大学的石亮p6 | 在2 0 0 1 年提出了一种基于模式匹配的尺寸自动标注方 法。该方法预先建立了包含l o 种基本体的特征库和此1 0 种基本体两两组合的 模式库，然后对组成零件的各相邻基本体进行模式识别，与模式库中的已有模 式进行匹配，得到每种模式的尺寸标注方案，再按照尺寸标注的要求进行冗余 检查和布局调整，得到零件的标注方案。 2 0 0 0 年，浙江大学的余建利p7 l 提出了一种基于模式引导的尺寸自动标注方 法。这方法先建立存有单元体两两组合的尺寸标注模式的模式库，将零件分 解为几个单元体再两两组合，然后与模式库中已有模式匹配，得到尺寸标注方 案。该文只解决了从单个单元体到两两组合体的尺寸标注问题，未能解决从两 个单元体组合到多个单元体组合的问题。该文更多的是从理论上进行探讨，尚 未产生可以实际应用的结果。 在尺寸标注的动态编辑方面，浙江大学的张树有等【3 4 l 通过对视图标注域的 分区、关联尺寸的提取及自动分层，实现了删除、插入及参数修改而引起尺寸 包容性变化等问题的自适应处理。当删除尺寸、插入尺寸以及图形参数值的修 改引起尺寸包容性发生变化时，通过尺寸相尺寸树根节点或偏离尺寸树根节点 平移、增加或减少尺寸树的根节点来使尺寸作自适应的变化。 在尺寸干涉处理方面，浙江大学的张树有1 3 2 通过把工程图中的尺寸有机地 联系起来，对尺寸进行分层、分串处理，利用树结构在标注过程中动态生成尺 寸关联模型，对线性尺寸标注的平面布局问题做了较深入的探讨。 张树有、卓勇等【3 8 】人提出了一种基于逻辑坐标的尺寸冗余判断方法。建立 了多视投影平面，使得不同视图上的点得到不同方向的坐标。然后将各视图的 基于特征约束的三维尺寸智能标注技术的研究 实际结点归一化到逻辑三坐标( x 、y 、z ) ，由于逻辑三坐标与视图数无关，这 样逻辑三坐标与尺寸关系映射成有向图，从而判断多视图中尺寸冗余性。 刘灿涛、汪叔淳f 3 f 】提出了一种尺寸封闭性检验的新算法有向图邻接矩 阵判断法。通过求解邻接矩阵来检查尺寸标注是否有封闭现象。该方法有别于 传统的尺寸封闭性检验算法，具有比较高的效率。 纪杨建、张树有1 3 4 1 等建立了空间转换模型，将工程中计算机内部的屏幕坐 标转换成与之对应的空间坐标，通过尺寸虚拟分解，将复杂的非线性尺寸标注 分解成多个线性尺寸标注，在此基础上，利用逻辑推理进行对工程图冗余尺寸 的判别。由于本文直接在三维空间中进行尺寸标注，故大大简化了尺寸的冗余 判断过程。本文先将非线性尺寸的空间尺寸转换成x y z 单一方向的线性尺寸， 如直径尺寸和半径尺寸可通过在同一平面上旋转9 0 度，转化成两个方向的线性 尺寸。然后在单一方向上进行尺寸的冗余判断，大大降低了尺寸检查的复杂程 度。 在尺寸的布局方面，清华大学的袁波口5 】针对工程图中大量存在的水平尺寸 和竖直尺寸，提出了模拟退火算法来找最佳尺寸布局。模拟退火算法( s i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ，s a ) 通过将组合优化问题与统计力学的热平衡问题相类比， 开辟了求解组合优化问题的一条十分有效的途径。通过s a 算法获得最佳( 或 近似最佳) 的子集划分方案。这种方法需假设已存在一个符合设计、制造和测 量等工程要求的尺寸模型，并且它减少了尺寸从三维向二维投影的过程，在处 理尺寸布局方面，也忽略了在三视图中普遍存在的直径、半径尺寸、斜度尺寸、 角度尺寸等。 这些研究成果从多种不同的角度探讨实现尺寸自动标注的方法，或从理论 上有所突破，或在实际中针对某些特殊应用场合提出了解决办法，对于提高尺 寸标注效率，减少手工交互输入，向着尺寸智能标注方向靠近具有重要的意义。 然而要实现真正意义上的智能标注，仍有待后来者的继续努力。 1 4 本文的工作 1 4 1 尺寸智能标注的研究意义 三维零件尺寸智能标注的研究将有利于提高c a d 系统的标准化和智能化 程度，提高c a d 系统的工作效率。尺寸作为工程图的重要组成部分，其主要作 用足精确地描述零件地结构特征、形状特征和精度特征，为零件的加工提供依 据。目前，工程图纸仍将是记录零件信息地最广泛地手段，工程图纸地输出仍 是每个c a d c a m 系统不可缺少地组成部分。虽然当今的c a d 系统能方便的 南京航空航天大学硕士学位论文 将造型完毕的三维零件模型自动生成各个方向的投影视图以及各种剖视图，解 决二维图样的生成问题，但是，尺寸标注仍需要通过人工交互的方式添加，这 种尺寸标注方式不仅大大影响了生产效率，而且标准化程度低。最理想的办法 就是在完成零件造型后自动生成零件的三维尺寸模型，然后在生成二维视图的 同时完成二维尺寸标注。 另外，基于特征约束的三维尺寸智能标注有利于实现零件模型的尺寸驱动。 该方法将尺寸与组成零件的特征联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形 状的控制，实现零件的全尺寸约束，从而实现尺寸驱动。 1 4 2 本文的研究思路 如今，机械产品的设计一般是在三维环境下对零件进行特征造型。本文将 这种造型过程看成是一个装配的过程，即将零件看作是一个“组件”，而组成零 件的特征则是这个“组件”的“零件”，通过各种约束将“零件”装配成“组件”。 因此，零件的尺寸标注可以看成是特征以及特征间的约束的表示。 此外，随着特征定义的完善，以及特征识别与提取技术的发展，可以从一 个已经造型好的零件体提取各特征信息以及特征之间的相互位置关系信息。这 种特征建模技术的发展为本文的三维尺寸智能标注的研究提供了技术可行性。 本文的思路是从组成零件的基本特征体出发，通过对特征及特征间约束的 研究，构造零件的三维尺寸模型，从而实现三维尺寸的智能标注。 1 4 3 开发平台的选择 如果从三维造型、尺寸数据结构定义的全过程都自行开发，工程浩大且无 此必要。目前多种成熟的三维c a d 软件都可以方便的实现三维造型和构造尺寸 信息，并提供强大的二次开发功能。因此，选择一款合适的开发平台，在此基 础上添加尺寸智能标注的功能，不仅可以大大减轻工作量，也更容易被人们所 接受，从而更具使用价值。c a x a 实体设计是由北航海尔软件公司开发的国产 c a d 软件，它已经在国内很多企业得到了应用。另外，他们还为用户提供了丰 富的二次开发接口，使用户能够在他们的平台上面按照自己的需要进行二次开 发。 c a x a 实体设计二次开发接口( 简称i c a p i ) 设计c a x a s o l i d 二次开发 接口( 简称i c a p i ) 的思路按顺序是遵守这几项原则：健壮性、易用性、功能 性。 1 健壮性 i c a p i 在设计时努力地使二次开发用户在调用一个a p i 函数后， c a x a s o l i d 始终保持数据的正确状态。如果二次开发用户调用一个a p i 后成 基于特征约束的三维尺寸智能标注技术的研究 功返回，c a x a s 0 l i d 则始终保持一个正确的状态。虽然在调用a p i 函数的中 间状态设计模型可能会产生不完善的数据，但系统仍保持稳定状态以致 c a x a s o l i d 不会发生异常。如果调用a p i 函数失败返回，那么系统将清除调 用a p i 函数所产生中间数据，系统仍保持正确状态。 2 易用性 为了二次开发用户易于使用i c a p i ，i c a p i 采用了面向对象的设计方法。 在c a x a s o l i d 的交互操作中，外部对象或多或少地映射到开发用户在屏幕上 所看到对象。用户在屏幕上就能看到外部对象构成清晰关系，这正是用户所希 望的。另外，一个i c a p i 的用户凭直觉就能通过对象调用某个特定的函数功能。 与一个特定对象相关联多个函数划分到几组接口里。每个接口提供与该对象相 关联的多个逻辑上相类似的操作。 有几种关系特性始终保持它们的连贯性、一致性。它们是对象的构成关系、 接口设计、函数分组、希望的执行某函数的方法等。对象、接口、函数的命名 规范全部是自解释的。一个i c a p i 用户无须学习c a x a s o l i d 内核对象和结构， 就能轻松地得到某个特定对象以及相关联的接口、函数等。由于致性，一个 用户能很快地学习如何使用i c a p i 。 3 功能性 在c a x a s 0 l i d 中通过界面交互执行的所有功能，通过i c a p i 编程接口函 数，一个二次开发用户差不多都能实现。除此而外，一个二次开发用户能限制 很少地定制和增强许多附加功能，例如：使用e d o 、属性、回调机制来定制用 户交互行为、增加用户数据等。 另外，i c a p i 还具有以下特点： 1 支持两种接口语言 a d d - o n ：和v i s u a lb a s i c 的a d d o n 工具类似。这些a d d o n 可以按照与当 前基于自动化的工具一样的注册方式进行注册。唯一不同的是这些a d d o n 可以 直接使用c o m 在c h 中编写，而不是直接使用现在的自动化a p i 所采用的派 发方式。a d d o n 的共同特点是他们无历史状态记录。从这次调用到下次调用， 它们不能保存任何信息，这一特点让开发简单工具更快捷，但它也限制了那些 需要记录上次调用状态的复杂应用程序的开发。 a d d i n ： a ) 用户应用程序的d l l 可以安装在自己的目录中，可以通过c a x a 实体设 计提供的一个简单的注册文件进行注册。b ) 安装之后，用户可以通过一个a d d i n 管理器将它们加载到正在运行的c a x a 实体设计应用程序中来。一旦用户的应 用程序被加载了，以后启动c a x a 实体设计时，以前加载过的用户应用程序会 南京航空航天大学硕士学位论文 自动的被加载。c 1 用户应用程序d l l 能在c a x a 实体设计中注册它们自己的工 具条，这些工具条能够有自定义的图标，也有可选择有或无的刷新函数，当工 具条上的按钮被点击了之后它可以通知应用程序去执行自定义代码。d ) 用户应 用程序d l l 能收到c a x a 实体设计运行时的一些重要消息。例如：对象被从 c a t a l o g 中拖入到一个s c e n e 中、一个新的文档被创建、一个已存在文档被打开 或者被保存等等。这些特性可以使二次开发出的应用程序和c a x a 实体设计无 缝结合起来。 2 二次开发向导 它可以实现c a x a 实体设计应用的a d d - i n 的快速创建。这个向导会帮助 使用者通过创建基于c + + 的a d d i n 的一般选项，并相应的创建一个a t l 工程。 3 回调函数容易执行 为了简化事件处理的回调过程中使用了4 个类，它们是：c z a p p e v e n t s i n k ， c z d o c e v e n t s i n k ，c z i n t e r a c t o r e v e n t s i n k 和c z s e l e c t e v e n t s i n k ，分别应用于应 用事件、文档事件、交互事件和拾取事件处理( a p p l i c a t i o n e v e n t s 、d o c u m e n t e v e n t s 、i n t e r a c t o re v e n t sa n ds e l e c t i o ne v e n t s ) 。这四个类包含了事件执行过程的 全部细节，二次开发接口使用者只需要从这4 个类中的一个类派生出一个新的 类，重载基类中的虚函数，分别用a d v i s e 和u n a d v i s e 来注册和取消事件的注册。 4 扩充数据对象 扩充数据对象( e x t e n s i b l ed a t ao b j e c t 简称e d o ) 使二次开发用户具有强 大的扩充c a x a 实体设计功能的能力。一个二次开发用户通过创建一个e d o 对象来制定或扩充c a x a 实体设计功能。用户开发的e d o 对象具有强大的灵 活性，一个简单的e d o 对象可以是仅仅为一个设计元素存储一些扩充数据，一 个较复杂的e d o 对象可以是将一些基于扩充数据的应用实例具体数据存入文 件，一个更复杂的e d o 对象可能完全控制一个设计元素行为、持久性以及用户 交互等方面。一个e d o 对象是通过任何设计元素的i z e x t e n s i b i l i t y 接口与c a x a 实体设计系统联系起来。即所有的e d o 对象都是与某一个特定设计元素相关联 的。一个i z e x t e n s i b i l i t y 接口允许二次开发用户对个设计元素对象增加、获取、 去除e d o 对象，每个e d o 对象通过类标识符( c l s i d ) 进行识别。 1 4 4 论文的主要内容和结构 本文将通过在对特征建模技术的研究，在分析了特征建模过程中的特征约 束关系的基础上，对尺寸智能标注和尺寸调整进行研究，并在c a x a 实体设计 平台上实现部分功能。本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章：首先，简单介绍了c a d 技术、特征技术和特征识别与提取技术的 发展。然后，介绍了尺寸智能标注的研究现状及发展趋势。最后阐述了本文的 基于特征约束的三维尺寸智能标注技术的研究 研究思路、平台的选择以及主要内容和结构。 第二章：简述了基于特征的零件建模技术，并就c a x a 实体设计下的相关 技术进行研究。最后，详细叙述了面向对象的特征描述方法，建立了特征的数 据结构。 第三章：详细分析了特征建模中的约束关系，并在此基础上描述了尺寸模 型，建立了尺寸模型的数据结构。 第四章：研究了特征关联元素的信息获取方法以及定形尺寸和定位尺寸的 尺寸标注方法和尺寸调整策略。 第五章：介绍了尺寸智能标注模块的开发环境、框架结构以及尺寸标注功 能的实现方法。并根据以上思路，在c a x a 实体设计平台上实现了三维尺寸智 能的部分功能。 第六耄：对本文的内容和对尺寸智能标注模块的开发进行了总结，并对尺 寸智能标注的未来发展趋势进行了展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章零件的特征建模方法 传统的c a d 系统是基于几何造型基础上的，这些造型方法只能记录零件的 点、线、面、体以及它们之间的拓扑关系，这些只是低层次的几何信息。而基 于特征约束的c a d 系统不是传统c a d 系统的简单扩展，它是以一种全新的思 维方式来进行产品的创新和修改设计。它用约束来表达产品模型的形状特征。 在零件的特征模型中。特征是组成零件的最小单元。在本文中，特征被视为尺 寸标注的基本对象，它将为尺寸标注提供所需的关联元素。本章将对特征建模 方法以及特征的表示方法进行研究。 2 2 特征建模方法 特征建模是c a d 建模方法的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发 展和应用达到一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的 历史进程中孕育成长起来的。特征模型能够更好地表达产品的完整的技术的生 产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征造型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，像螺纹孔、定位孔、键槽等，直接体 现了设计意图，因此，产品的特征模型更易被人理解、更容易修改。 2 2 ，l 特征信息的表达方法 特征表达主要包括两方面的内容：一是表达几何形状的信息，二是表达属 性或非几何信息。根据凡何形状信息和属性在数据结构中的关系，可分为集成 表达模式与分离表达模式。前者将属性信息与几何形状信息集成地表达在同一 内部数据结构中，而后者是将属性信息表达在与几何形状模型分离的外部数据 结构中。集成模式的优点： ( 1 1 可以避免分离模式中内部实体模型资料和外部数据结构的不一致与冗 余； ( 2 1 可以同时对几何模型与非几何模型进行多种操作，因而用户接口友好； ( 3 ) 可以方便地对多种抽象层次的资料进行存取和通讯，从而满足不同用户 的需要。 但是对于集成模式，现有的实体模型不能很好地满足特征模型的表达要求， 需要从头开始设计和实施全新的基于特征的表达方案，工作量大。因此，在现 基于特征约束的三维j t 寸智能标注技术的研究 有的实体模型上开发特征模型多采用分离模式。 目前，在计算机中常用的特征表示方法主要有以下三种： ( 1 ) 基于b r e p 的方法：这是特短的显式描述，在b r e 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 模型所有的几何拓扑信息显式地表达在面、边和顶点图中，因此，b ，r e p 模型常被称为赋值的模型，更适合于表达特征的低级信息。b r e p 模型能为后 续应用( 如尺寸标注) 提供准确的几何信息，并且能够可以与属性值( 如表丽 粗糙度、材料等) 、尺寸和公差联系在一起。b r e p 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：这是特征的隐式描述。它将特征定义为体积元素，体 积元素通过布尔操作构造零件。佼用c s g 表示方法简捷、有效、易于编辑和操 作体素，它详细记录了体素的原始特征和全部定义参数，可以在体索上附加各 种属性，而且二又树可用于特征模型的构造，便于将基于特征的产品模型与实 体模型集成。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： ( 3 1 基于混合c s g b r e p 的方法：这是特征的显示和隐式混合表达的一种 模式。由于c s g 和b r e p 表示方法都各有优缺点，因此采用混合c s g b r e p 方法来表示特征无疑是一种较好的方法，它同时兼有c s g 模型及b r e p 模型 的优点：c s g 模型易于对高层元素操作，因而可以用来表达特征定义参数的输 入与存储及其特征的形成等。b 。r e p 模型以面为基础，可详细记录特征的面、 环、顶点等几何拓扑信息。非几何元素可视情况采用c s g 和b r e p 表示方法。 22 2 零件的特征信息模型 以特征来表示零件的方式即为零件的特征信息模型。许多c a d 下游应用系 统都对零件信息有着不同的需求，如零件尺寸智能标注不仅需要零件完整的特 征信息，还需要零件的几何拓扑信息，而c a m 则需要完整的几何信息。一个 完整的产品模型不仅是产品数据的集合，还应反映出各类数据的表达方式及其 相互间b 的关系。为建立相对通用的零件信息模型，考虑到不同应用的信息需求， 可以将零件信息划分为三层次结构来表达，分别是零件层、形状特征层和几何 层，如图2 1 所示。 特征层是零件模型的核心，它反映的是零件的所有特征单元信息及特征问 关系信息，形状特征模型是特征级