（计算机应用技术专业论文）基于中性语义特征转换的异构cad系统同步协同研究.pdf

哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 基于中性语义特征转换的异构c a d 系统同步协同 研究 摘要 随着信息技术和计算机网络技术的发展，异地分布式网络化制造将是 制造技术发展的必然趋势。计算机支持的协同设计( c s c dc o m p m e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ed e s i g n ) 是c s c w 与先进制造技术相结合对产品设 计过程进行有效支持的研究领域。该技术可以有效地缩短产品开发周期， 充分地利用异地资源，降低产品的设计成本。近年来这方面的研究工作正 在不断深入。 本篇论文以基于细胞元表示的语义特征造型技术为基础，利用同步协 同的有效方法，提出一种在异构c a d 系统问进行同步协同设计的混合式 平台构建方法，并通过一种优先调度机制，有效解决了异构c a d 系统间 的”写冲突”问题，提高了实时响应性。 同时，本文还提出了一种基于中性语义特征转换的数据传输方法，该 方法以中性语义特征转换器作为中转站，将不同系统的造型信息转换为统 一的数据信息格式，该数据信息采用细胞元表示的语义特征造型技术中的 特征依赖图来表示特征造型信息。当某一从站点执行一条本地系统建模命 令l s m c 时，此命令被发送到中性语义特征转换器中，中性语义特征转 换将其转换为中性语义特征转换命令n s f t ，并通过a g e n t 技术将其传送 给主站点，经主站点验证成功后，将其发送给其它从站点。其它从站点接 收到此中性语义特征转换命令n s f t 后，通过本地的中性语义特征转换器 将其转换为本地系统建模命令l s m c ，并执行它。该方法的实现不仅有效 的保留了造型高层次的语义信息，准确描述了设计者的设计意图，并且使 全球范围内的设计师能够共同完成一个造型设计任务。 最后，将该文提到的思想初步应用在了哈尔滨理工大学自主开发的 h u s t c a i d s 与a u t o c a d 间的异构协同设计中，证明了以上理论的可行 性。 关键词细胞元；异构c a d 系统；同步协同；中性语义特征转换 哈尔滨理t 人学- 丁学硕士学位论文 n e u t r a ls e m a n t i cf e a t u r et r a n s i t i o nu p o n c o l l a b o r a t i v ed e s i g nw i t h i nh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , w 曲- b a s e dd i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r i n gh a sb e i n gt h en e c e s s a r y t r e n do fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y c s c di sae s s e n t i a lt o o lf o rp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，w h i c hi n c l u d e sc s c wa n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y c s c di s a b l et os h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tt i m e ，m a k eb e s tu s eo fr e m o t e r e s o u r c e sa n dr e d u c et h ed e s i g nc o s t t h es y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n w i t h i nh e t e r o g e n e o u sc a dh a sm a d ear a p i da n df u r t h e rp r o g r e s si nt h ep a s t d e c a d e t h i sp a p e ri sb a s e do ns e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n g ，p r o p o s e dak i n do fn e w a r c h i t e c t u r ew h i c hc a ns u p p o r tt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g no fh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s ，a n ds o l v e dt h ep r o b l e mo f ”w r i t i n gc o n f l i c t 什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 ，i m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fr e a l - t i m er e s p o n s e b e s i d e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dd a t ae x c h a n g em e t h o db a s e do nn e u t r a l s e m a n t i cf e a t u r et r a n s i t i o n t h i sm e t h o d a d o p t sn e u t r a ls e m a n t i c f e a t u r e c o n v e r t e r ，w h i c hc a nt r a n s i ti n f o r m a t i o nt ot h es a m ef o r m a t s ，f d g ，w h i c hi s b a s e do ns e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n g ，i su s e dt o f i g u r e f e a t u r em o d e l i n f o r m a t i o n a no b j e c to r i e n t e dr e p r e s e n t a t i o no fn s f ti sg i v e na n de m p l o y e d t os u p p o r tt h et r a n s l a t i o nb e t w e e nl o c a ls y s t e mm o d e l i n gc o m m a n d s ( l s m c ) a n dn e u t r a ls e m a n t i cf e a t u r ec o m m a n d s ( n s f t ) m o r e o v e r , t w ok i n d so f t r a n s l a t o r s ，l s m c - t o n s f ta n dn s f t - t o - l s m c ，a r ee s t a b l i s h e da n de x e c u t e d t h i sm e t h o dk e e p sh i 曲一l e v e ld e s i g ni n t e n to fd e s i g n ，a n dm a k e st h ed e s i g n e r s i nt h eg l o b a lt o g e t h e rc o m p l e t eam o d e ld e s i g n 。 f i n a l l y ，a u t h o r s p r e l i m i n a r ya p p l i c a t i o n si nt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n b e t w e e nh u s t c a i d sa n da u t o c a da lea l s oi n t r o d u c e dt o p r o v et h e i i - 哈尔滨理t 大学t 学硕：f ：学位论文 f e a s i b i l i t yo ft h et h e o r i e sa b o v e k e y w o r d s c e l l u l a r m o d e l ，h e t e r o g e n e o u s c a ds y s t e m s ，s y n c h r o n i z e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，n e u t r a ls e m a n t i cf e a t u r et r a n s i t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于中性语义特征转换的异 构c a d 系统同步协同研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 丁 茑 日期：z 。牌弓月i b h 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于中性语义特征转换的异构c a d 系统同步协同研究系本人在哈尔滨 理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 了 鸢 导师签名： 知参多鸳 日期：2 ，口or ，年；月jl 日 日期：聊5 年多月，1 日 哈尔滨理_ t 人学下学硕一 ：学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题全称为“基于中性语义特征转换的异构c a d 系统同步协同研究， 来源于国家自然基金资助的项目“基于细胞元表示的语义特征模型 和“哈尔 滨理工大学计算机辅助工业造型系统( h u s t c a i d s ) 的实际发展需要和驱 动。在基于细胞元表示的语义特征模型基础之上，对异构c a d 系统间的同步 协同设计进行有效的研究。所以本课题的研究具有重要的理论意义和实用价 值，属于计算机图形学和c a d 领域的应用基础研究的前沿课题。 1 2 国内外相关技术发展现状分析 1 2 1c a d 技术的发展状况 计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n , c a d ) 技术n 2 1 最早起步于2 0 世纪 5 0 年代后期，以美国i v a ne s u t h e f l a n d 博士在其论文“s k e t c h p a d ：种人机对 话系统”中提出概念为标志。早期的c a d 系统主要用于二维绘图。 6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线 框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。 由于缺乏形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。 进入7 0 年代之后，c a d 系统将绘图功能与几何数据管理结合起来，支持 二维交互绘图、曲面造型和三维几何造型。此时法国人提出了一种贝赛尔算 法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得法 国的达索飞机制造公司的开发者们，能在一维绘图系统c a d 的基础上，开发 出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统 c a t i a 。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图 模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使 得c a m 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第 一次c a d 技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落 后的工作方式。 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 8 0 年代初，基于对c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于 1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件一i d e a s 。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统 一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未 来c a d 技术的发展方向。基于这样的共识，各软件纷纷仿效。一时间，实体 造型技术呼声满天下。可以说，实体造型技术的普及应用标志c a d 发展史上 的第二次技术革命。 进入8 0 年代中期，c v 公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比 无约束自由造型更新颖、更好的算法一参数化实体造型方法。从算法上来说， 这是一种很好的设想。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相 关、尺寸驱动设计修改。当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段， 很多技术难点有待于攻克。是否马上投资发展这项技术呢? c v 内部展开了激烈 的争论。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技 术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量必然很大。当时c a d 技术 主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技 术还不能提供解决自由曲面的有效工具( 如实体曲面问题等) ，更何况当时c v 的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是，c v 公司内部否决了参数化技术 方案。策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了c v 公司， 另成立了一个参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，开始研制命名为 p r 0 e 的参数化软件。早期的p r o e 软件性能很低，只能完成简单的工作，但 由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带 来的方便性。 9 0 年代初期，参数化建模技术不断完善，并出现了特征建模技术，特征建 模技术是一种高抽象层次的建模方法，它能够包含特征、参数和约束等建模信 息，提高了c a d 系统的性能，同时计算机硬件的发展，使得c a d 系统的成本 和价格也得到了降低，微机版c a d 系统的出现，加速了c a d 技术的普及。 在9 0 年代中期，r b i d a r r a 和w f b r o n s v o o r t 提出了基于细胞元表示的语 义特征造型1 35 j 该方法有效的克服了原有造型技术在构建造型过程中基于历程 的缺点，它使得造型构建过程不再基于历程，并能包含特征、参数和约束等上 层抽象信息。同时人们还迸一步提出了面向智能化、集成化、网络化的新一代 c a d 技术。 哈尔滨理- t 大学t 学硕 ：学位论文 1 2 2 几何造型技术的分类 几何造型是c a d 系统的核心功能之一。三维几何造型发展过程包括两个 分支，第一个分支研究在计算机内如何描述一张自由曲面，如何对它的形状进 行交互式的显示与控匍j ( h p 曲面造型) ，用曲面模型来表示：另一个分支着重研 究如何在计算机内定义表示一个三维物体( u p 实体造型) ，用线框模型和实体模 型来表示。曲面模型和实体模型是相互独立、平行发展的，彼此之间几乎没有 影响，但为了克服某种模型的局限性，许多研究都试图把线框、曲面和实体模 型三者统一起来表示，在实用化的几何造型系统中统一使用线框、曲面和实体 模型是其发展的方向。经过近四十年的发展，几何造型技术已经同趋成熟，并 获得了广泛的应用。 线框造型线框造型是c a d c a m 发展中应用最早的造型设计方法。它是 利用基本线索来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图。用这种方法生 成的模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廊 外形。线框造型的数据结构是表结构。在计算机内部，存储的是该物体的顶点 及棱线信息，将模型的几何信息和拓扑信息层次清楚地一一记录在表格中。这 种造型方法对硬件的要求不高，容易掌握，处理时间较短。但是，线框造型所 构造的实体模型，只有离散的边，而没有边与边的关系，即没有构成面的信 息，在许多情况下，会对物体形状的判断产生多义性。 曲面造型曲面建模又叫表面建模( s u r f a c em o d e l i n g ) ，它是通过对实体的 各个表面或曲面进行描述而构造实体模型的一种造型方法。增加了有关面的信 息，在提供三维实体信息的完整性、严谨性方面，曲面造型比线框造型进了一 步，但是曲面造型所描述的仅是实体的外表面，并没有切开物体而展开其内部 结构，因而，也就无法表示零件的立体属性。因此，很难确定一个经过曲面造 型生成的三维物体是一个实心的物体，还是一个具有一定壁厚的壳，这种不确 定性同样会给物体的质量特性分析带来问题。 实体造型实体模型自7 0 年代以来得到了迅速的发展，主要的造型方法包 括实体几何法( 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 ) 、小平面边界表示法( f b r e p f a c e t e db o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 、拓扑边界表示法( t b r e p t o p o l o g i c a lb o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n ) 。c s g 法通过体素拼合及布尔运算描述产品的几何形状，它的数 据结构简单，可以表达更高层次的特征信息与拓扑信息，适合构造复杂形状的 零件，已被广泛用于运动过程仿真和图形显示。但是，c s g 方法能表达诸如 面、边、点的信息；f b r c p 法用一系列小平面近似表达产品的表面，它可用于 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 显示产品的几何形状，能够包含产品的面、边、点等低级信息，但是不包括产 品的高级信息，很难用这种方法构造复杂零件的几何形状，t b - r e p 法用一系列 的边构成的框架表达产品的几何形状，可以表达产品的边界拓扑信息以及面、 边、点等低级信息，可以把产品的精度等信息附加到几何要素上，能够满足 c a m 对产品部分信息的要求，但t b r e p 法不能表达产品的特征信息，很难用 于构造复杂零件的几何形状。很明显，实体模型与产品模型还有很大差距，它 不能提供一个灵活而富有创造性的设计环境。 特征造型为了克服实体造型的不足，出现了以实体造型为基础的特征造 型和基于特征的设计思想。特征造型把参数化的基本体素定义为特征，用特征 通过体素拼合的方法构造零件的几何形状。基于特征造型的产品模型能够表达 工艺设计和产品制造所需要的高级信息，因为特征包含着产品的设计、分析和 加工等工程信息。基于特征的产品定义是以特征技术为基础，通过选取的特 征，使它们具有某种工程意义和加工意义，设计人员可以用这些特征迅速地设 计出c a m 所能理解的产品。基于特征的设计，为整个设计制造中的各个环节 提供了统一的产品信息模型，采用基于特征的产品定义是实现 c 觥a p p c a m 集成的有效途径。 语义特征造型特征造型技术虽然为构建造型带来了极大的方便，但也存 在着在造型过程中不能保持特征的语义不变；只有大部分有常规形状的特征可 以使用，然而在实际的产品中经常存在大量不定形状的面；及不支持用户在特 征造型系统产品开发过程中相互合作等缺点。语义特征造型系统采用特征依赖 图存储造型信息，它不仅能提供定义良好的特征语义的详细描述，而且在造型 过程中能有效地维护特征的语义。 1 2 3 协同技术的发展现状 随着网络的普及和产品开发的全球化发展趋势，人们意识到如果充分利用 异地资源可以大大的加快产品开发的效率，从而有效降低设计成本。 并行工程与传统的顺序产品设计方式的根本区别在于并行工程把产品开发 的各个过程看成是一个整体、集成的过程，并从全局优化的角度出发，对集成 过程进行管理与控制。它的重要目标就是使产品设计一次性成功，缩短产品开 发周期，提高产品质量，降低生产成本，提高产品竞争力。通过组织不同部门 产品开发人员，将不同部门和流程及人员集成到一起，并行地进行产品开发， 利用先进的网络和计算机辅助设计工具，在产品开发的早期阶段能及早考虑下 哈尔滨理丁大学丁学硕i ：学位论文 阶段的各种可能性，实现设计、工艺、制造等相关过程的协同协调，尽可能地 缩短产品开发周期，提高产品质量，降低产品成本，从而增强企业在国内外市 场上的竞争能力。 敏捷制造是指制造企业采用现代通讯技术，通过快速配置各种资源，以有 效和协调的方式适应用户的需求，实现制造的敏捷性。随着经济全球化进程的 加速，跨行业、跨地区、跨国家的联盟型虚拟企业发展迅速，敏捷制造得以越 来越多的重视，企业已经从原先的制造过程扩展到整个产品开发过程，这就要 求产品开发能够由分布在不同地点上的产品开发小组成员协同完成，于是分布 协同的设计与制造应求而生。由于联盟中的不同公司所应用的c a d 工具不尽 相同，为了实现对资源的有效利用，因此需要对异构c a d 系统之间的信息集 成进行研究。 计算机支持的协同工作( c s c w 呱引c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 最早是在1 9 8 4 年有美国m r r 的i r e n eg r e i f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 两位 研究人员提出来的，用于描述他们所组织安排的如何用计算机支持来自不同领 域和学科的人们共同工作的课题，并缩写为c s c w 。它的基本含义是在计算机 技术支持的环境中，一个群体协作地完成一项共同的任务。从它的出现之初， c s c w 就被认为是一个全新的研究领域。实现c s c w 系统的关键使能技术 有：群体工作理论；协同多媒体通信；冲突解决与协调机制；共享对象与并发 控制；多用户界面与人一人交互接口；网络安全性；基于w e b 的协同工作 等。与并行工程相比，c s c w 更加突出人的作用，强调相关活动的各方面人员 ( 包括设计、制造、销售、管理、服务、甚至客户) 的协同工作，协同工作的思 想认为在未来的全球化企业竞争中，只有使来自不同专业领域、具有不同经验 技能的专家彼此间共享知识、交流思想、激发灵感，才能有效地实现产品设计 的创新，这样才能立于不败之地。 计算机支持的协同设计( c s c d 阳一1 c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ed e s i g n ) 是 c s c w 与先进制造技术相结合对产品设计过程进行有效支持的研究领域，是一 个以知识为基础的计算过程。它是指两个或者两个以上来自不同专业领域的设 计专家，通过一定的信息交换和相互协同机制、共享关于产品设计的信息和知 识，从而提高产品设计过程中决策的正确率，减少返工次数，加速决策的过 程，进而提高设计的效率。 c s c d 系统比单纯c a d 系统复杂。第一，它应该是运行在网络环境下； 第二，各c a d 系统是自治的、任务分工明确；第三，各c a d 系统之间围绕设 计而进行交互和协同；第四，涉及过程或进程要有协调控制；第五，对设计数 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 据、版本和结果要进行协同控制。通常来讲，组建的c s c d 系统应具备下列集 成的技术特性：( 1 ) 高速带宽网络，保证三维的、多媒体信息数据的正确可靠传 输；( 2 ) 三维高性能c a d 工作站，能够进行异地数字化设计和数字化装配；( 3 ) 提 供实时交互的计算机多媒体会议系统，具有音频、视频、白板、黑板和其他共 享应用功能；( 4 ) 对分布式异构数据库、设计数据、版本和结果进行协同控制和 管理。 协同c a d n 0 1 1 l 是从二十世纪九十年代才发展起来的新兴的产品设计方式。 从斯坦福大学设计研究中心的c u t k o s k y 等人开始的对协同c a d 方面的最初的 探索到c s c w 技术与c a d 的各个分支领域相结合，不断向底层和深层发展。 目前，协同c a d 己经成为了国际上的c a d 领域的一大研究热点。现有研究工 作大体上可分为c a x d f x 工具的分布集成、异步协同设计、同步协同设计、 协同装配设计等。 协同设计系统的类型是多种多样的，根据各个站点在协同中的地位和分布 情况，协同设计系统可以分为集中式协同设计系统和复制式协同设计系统，以 及混合式协同设计系统；根据各个站点的响应情况，可以分为同步协同设计系 统和异步协同设计系统：根据各个站点中采用的c a d 系统的相似与否，可以 分为同构系统和异构系统等。在实际应用中，可以根据具体需要采用不同的协 同设计系统，如复制式异构同步协同设计系统。 早期的协同c a d 大部分都是异步协同设计系统。异步协同设计是一种松 散耦合的协同工作。其特点是：多个协作者在分布集成的平台上围绕共同的任 务进行协同设计工作，但各自有不同的工作空间，可以在不同的时间内进行工 作，但通常不能迅速地从其他协作者处得到反馈信息。其代表性的工作有斯坦 福大学的c u t k o s k y 领导的s h a r e 项目和m a d e f a s t 项目，加州大学伯克利分 校的w r i g h t 等人研究开发的c y b c r c u t 系统，k i m 等人开发的c y b c r v i e w 系 统，香港中文大学s l l i 等研究了支持分布应用之间通过i n t c r n c t 进行协同的代 理a g e n t 方法引列等。 而同步协同设计副是一种紧密藕合的协同工作，多个协作者在相同的时 间内，通过共享工作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅速地从 其他协作者处得到反馈信息。因此近年来，其j 下在成为协同设计领域研究的热 点之一。这方面的代表性研究工作主要有：韩国的l e e 等人开发的基于w e b 的协同特征造型系统n e t f e a t u r e ，荷兰d e l f t 大学b i d a r r a 等开发的基于特征的 协同建模系统w e b s p i f f ，德国的l u k a s 等人研发的和香港的c h a r t 等人开发的 c s m 系统。 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 1 2 4 论文研究目的和意义 随着c a d 技术的发展，企业间的竞争越来越激烈，每个企业都希望能够 迸一步缩短产品的设计周期，降低产品的开发成本。但目前c a d 系统大部分 采用的是参数化的特征造型技术，此技术的构造过程是基于历程的，缺乏完整 的特征语义定义，因此，在模型构造过程中，不能维护原有的特征，造成了产 品构造过程的不可维护性。所以，本篇论文采用了基于细胞元表示的语义特征 造型来表示产品构建的全过程，在此技术中，特征的语义被很好的定义，并在 构建造型的过程中被严格的维护，模型构造过程不再基于历程。因此，在构建 造型的全过程可以对造型进行有效的创建，修改和维护。 随着i n t c r n e t 技术的发展，许多跨行业、跨地区的虚拟型企业应运而生。 协同设计与制造作为一种新兴的产品开发方式，受到企业的欢迎，它使得分布 在不同地理位置上的产品开发人员通过网络在各种各样计算机辅助工具的支持 下协同地进行产品的设计与制造工作。并且企业间希望通过应用现有的网络技 术和协同框架，来支持有单机单用户操作环境向分布式环境的转变，但是由于 各生产商所生产的c a d 系统无论是上层建模命令，还是底层数据结构都有很 大的不同，就造成的异构c a d 系统间同步协同的困难。如何将异构c a d 的 “信息孤岛”进行集成是企业迫切需要解决的问题。所以，研究异构c a d 系 统间的同步协同设计具有重要的现实意义。 1 3 论文主要工作和组织结构 本文以基于细胞元表示的语义特征造型为基础，充分分析目前不同c a d 系统间的异同，提出一种新的异构c a d 系统间的同步协同平台架构及数据交 换方法，来解决异构c a d 系统问通信困难的问题。 本课题研究的内容主要包括： 1 对现有协同设计采用的体系结构进行分析； 2 对现有的异构c a d 系统间的数据转换方法进行研究； 3 充分分析和研究协同设计环境下冲突消解问题； 4 将以上研究应用到实际系统中，并通过本实验室研发的h u s t c a i d 系 统与其它c a d 系统的连接验证了它的可行性。 本文的组织结构为： 第l 章：主要介绍论文的研究背景、相关的研究内容及意义，并简单介绍 哈尔滨理工大学t 学硕i j 学位论文 整篇论文的结构。 第2 章：主要介绍语义特征造型技术。 第3 章：通过分析目前同步协同设计主要采用的两种体系结构，提出一种 混合式的体系结构。并提出避免冲突的有效方法。 第4 章：提出中性语义特征转换的数据交换方法。并给出中性语义特征转 换的构建原则和面向对象表示。 第5 章：系统实现。通过本实验室研发的h u s t c a i d 系统与其它c a d 系 统的连接验证了中性语义特征转换的可行性。 最后，对本文的工作进行了总结，说明了论文研究工作中尚未考虑的方 面，并对进一步的研究和开发作了讨论。 哈尔滨理丁大学工学硕 ：学位论文 第2 章基于细胞元的语义特征造型 2 1 特征的定义和分类 国内外许多专家和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。r b i d a r r a 和w f b r o n s v o o r t 的定义：特征是特征模型的最基本的 实体，在产品的整个生命周期中，它作为产品形状的表达被映射成具有一定工 程语义的几何形状引。特征最重要的方面就是，在产品的整个生命周期中，特 征的语义应该被很好的定义。 目前，我们使用的特征造型系统，缺乏对上述定义中两个方面的表示。第 一、特征语义没有被很好的定义，限制了捕获设计意图的能力。第二、特征语 义很难被维护，允许以往的设计意图被推翻。这样的系统被称为缺乏有效的维 护措施。 总的来说，特征可以分为通用特征和应用特征两大类7 1 。 通用特征就是定义的类特征，它是由基本形状特征和附加形状特征组成， 而基本形状特征与附加形状特征又可进一步细分为许多子类，形成一个特征分 类的树形结构。基本形状特征时构成零件形状的主要部分，其主要共同特点是 其存在及其空间位置不受其它形状特征是否存在的影响，因此可以单独存在， 即基本形状特征可以不与其他特征发生联系。基本形状特征又可分为正基本形 状特征和负基本形状特征两类。其中使零件体积增大的基本形状特征称之为正 基本形状特征，主要包括凸台类、肋类或自定义类，反之称为负基本形状特 征，如孔类、凹腔类、槽类。附加形状特征，它是依附在一个或几个基本形状 特征之上的各种形状特征。附加形状特征的主要特点是它们不能独立存在，其 所依附的形状特征一旦消失或变化，它必随之消失或变化。因此它不能独立存 在。附加形状特征包括过渡类辅助特征和功能类辅助特征，前者主要是倒角和 圆角，后者主要包括螺纹、滚花、内外花键、和齿轮。 应用特征是指工业应用领域中所遇到的各种特征，这些特征有的仍以前述 的通用特征为基础。在机械产品加上与装配领域中，特征具有几何形状和功能 语义的双重含义，但主要强调的是特征的功能语义。从特征功能语义上看，特 征可分为与零件模型相关的形状特征、精度特征、材料特征、装配特征、技术 特征、有限元特征和附属特征等。形状特征反映零件的全部几何信息和构造形 哈尔滨理t 大学_ t 学硕。 ：学位论文 体的高层信息；精度特征即几何尺寸所容许的加上偏差，包括尺寸公差、形位 公差以及粗糙度等信息：材料特征反映的是材料成分、性能和状态这样的非几 何形状信息( 其中主要包括材料属性规格、材料处理和表面处理等) ；技术特征 反映零件在性能分析时所使用的信息，如功能参数、操作规程、技术条件等； 装配特征是零件在装配时所使用的信息；附属特征反映的是与上述描述特征无 关的其它信息，如标题栏、明细表等。从c a d c a m 集成角度去考虑，与零件 模型相关的形状特征、精度特征和材料特征基本上包含了零件产品设计和制造 活动中所需的全部信息。在这三种特征中，形状特征又是精度特征和材料特征 的载体，后两者既可作为独立信息模块单独存在，又可直接作为产品的内部属 性附加于形状特征之上，从而构成完整的产品模型。在实现时，只需要在描述 产品的通用特征的数据结构中增加相应的域即可。特征分类如下图2 1 所示： 厂形状特征 l 精度特征 i 材料特征 应用特征 装配特征 i 技术特征 l 有限元特征 附属特征 图2 - 1 特征分类 f i g 2 - 1f e a t u r ec a t e g o r i z e 2 2 约束的概念和分类 约束描述了特征之间应该满足的关系，约束允许用户描述性地给出一个应 征 征 特 特 状 状 形 形 系 本 本 基 基 正 负 厂。，i 征 征 槲 瞒 助 潋 瓣 黼 羚 撰 溅 能 戡 功 哈尔滨理r t 人学丁学硕i 二学位论文 该被保持的关系“引。一旦用户定义了一系列的约束，那么在修改参数之后，系 统会自动地选择一些合适的状态来满足约束。约束技术要求计算机能够把关系 和目标的定义转化为所需要的数值表示，人们按着客体之间的关系来考虑问题 比以非自然的方式( 如数值参数的形式) 来考虑更为简单。由于不同领域中特征 定义的不同，所以约束在各个领域中，其分类也不尽相同。 尺寸约束尺寸约束用来提供产品的形状参数。例如，一个通孔的半径最 好限制在l c m 和l o o m 之间。 代数约束当一个产品需要提供的形状参数为两个以上时，采用代数约 束。例如，绘制一个长方体需要长、宽、高三个参数。 边界约束边界约束指明特征面应该在模型的那个边界上。边界约束有两 种类型：一是在边界上，表明特征面在模型的边界上；二是不在边界上，表明 了特征面不在边界上。在边界上的特征面或不在边界上的特征面还可以进一步 分为完全在边界上和部分在边界上；以一个盲孔为例，它的顶面完全不在边界 上，侧面部分的在边界上，底面完全不在边界上。 几何约束几何约束就是几何元素之间必须满足特定的关系。它用来定位 新特征在原造型上的位置。 附加约束附加约束是一种共面的几何约束，它让两个特征面满足一个共 面条件。例如，一个通孔的顶面和底面是和它所在基体的顶面和底面共面的。 交互约束交互约束用来指明特征间那些交互类型是允许的，那些是不允 许的。 拓扑约束拓扑约束是指几何实体之间的依存关系及相互的结构关系，是 一种定性表示，并伴有形位公差的语义信息。依存关系使得约束识别与实体同 步生成：而相互间的结构关系则是在几何实体生成之后确定的。 2 3 语义特征造型 目前的特征造型系统提供给用户“工程对话的方式，目的在于让用户对 造型进行创建和操纵。然而，在一些系统中，特征只产生在用户接口级上，因 此，在产品创建的过程中，只有几何信息被保存。从本质上说，这样的特征造 型系统只能被称为几何造型系统。对于其它一些特征造型系统，虽然能够保存 产品的特征信息，但不能对其进行有效的维护。例如，对某一特征的操作可能 会影响到其它特征的语义，并且用户不能及时发现这一错误，以致发展到无法 弥补的地步。因此，构造模型的一个重要方面就是要对造型进行有效的维护。 哈尔滨理丁人学t 学硕： ：学位论文 目前的特征造型系统除了不能对特征进行有效的维护外，还不能对语义进 行有效的定义，产生这一问题的主要原因就是，目前的造型技术主要采用了基 于历程的构建方法，此方法是一种传统的几何建模方法。 所以，在本篇论文中，采用基于细胞元表示的语义特征造型技术构建模 型，有效的克服了以上不足。 2 3 1 基于细胞元的语义特征造型的定义 在语义特征造型中，特征的定义和模型的维护完全分离，所有的特征，包 括几何参数和有效性条件，都由约束声明。这种造型方法的主要优点是被指定 的这些约束是自由的，通过这种方法，可以编辑和维护模型。 在语义特征造型中，必须对每个特征进行定义，这在特征类中做了说明。 特征类结构化的描述了一个给定特征类的所有资源，并为其所有实例定义了一 个模板。这种类型的所有实例的有效性条件应该满足。这些条件和特征形式及 其参数一样，是通过大量的约束类型来指定的。 大部分当今的造型系统有一种有效性条件的基本形式，考虑到技术和功能 元素的需要经常依赖于特定的应用领域，语义特征造型允许有更多种的说明。 例如：一个圆柱形通孔的顶面和底面应该始终保持开放，或者说这些面不应该 在结果物体的边上，这样的特征有效性条件实际上对保持在造型过程中特征的 语义是不可缺少的，否则特征也不会比高层的几何造型图元优越。 语义特征造型允许用户定义自己的特征类，例如：通过继承已经存在的特 征类并在其定义上增加一些约束条件。特征类存储在特征库中，在造型期问新 特征可以被示例出来。 语义特征造型的另外一个特点是整个造型过程根据特征和他们的实体 ( 例如面和参数) 以及两者之间的约束统一实现。所以用户的所有造型行为实际 上都是基于特征的，应用于造型系统集中的所有图形和文本输出。这么做的优 点是一个特征特别是它的面和面的命名是连续的，这些保持有效，因此对他们 的所有索引和模型中保持的特征实例一样，这和基于历史的造型过程相反，精 确模型的实体索引保存在造型过程中，前面的部分指出了这些缺点。和这种系 统的边界而不同，特征面从未分裂，合并或删除，甚至他们的几何表示也是。 语义特征造型最重要的特点是所有特征的语义在整个造型过程中对所有的 特征操作来说都不改变。对于一个单一的几何模型，保持相关的特征信息，是 执行有效性维护所不可缺少的。 哈尔滨理t 人学t 学硕。 ：学位论文 语义特征造型的这两个特点仅仅意味着在语义特征造型中的两层结构n ， 明显的把造型实体和在构造几何模型中的实体区分开来。前者执行了所有模型 操作的实体保存在第一层上，即所谓的特征依赖图，它包括了所有的特征和约 束实例，通过依赖关系相互关联。第二层包括了在细胞元模型中产品的构造几 何表示，它的实体内部保存仅需要反射在第一层上执行的模型操作的结果。 基于细胞元的语义特征造型系统是基于语义特征这一层次上研究出的系 统，通过特征依赖图f d g 使其特征修改不依赖于历程树。语义特征造型系统 不仅能提供定义良好的特征语义的详细描述，而且在造型过程中能有效地维护 特征的语义。基于细胞元的语义特征造型系统的体系结构是一种三层结构：底 层是数据模型，即设计者全面设计特征实体，并且把所有的特征信息及相互之 间的联系保存在数据模型中，这个数据模型用f d g 表示；中间层是细胞元几 何模型，它能够全面地完整地把特征显示出来，但它不是面向用户的，属于过 渡性几何模型；最上层是视图模型，视图是根据用户的需要，如面向生产，面 向加工等，从细胞元几何模型映射出来的模型，面向终端用户，最接近真实效 果。 2 3 2 特征语义的含义 特征类包括产品的形状、维护条件和特征模型的用户接口。特征类结构如 图2 2 所示。 对于以上的三个方面，都需要使用约束，特征约束是特征类的成员，在一 个特征被创建时，它们被自动的实例化。 一个特征的几何形状，表明了该特征体积的外边界。一个特征的外边界可 以被分成多个子集，每一个子集都有一个用来唯一标识的自己名字。例如：一 个圆柱就是由一个顶面、一个底面和一个侧面组成。 特征类中每一个特征都有一个特征属性，特征属性主要有两种：添加和删 除。表明该特征操作是要添加在原造型上，还是从原造型中删除掉。 在特征类中，维护条件能分成三类：几何维护、拓扑维护和功能维护。 为了实现几何维护，可采用尺寸约束和代数约束。为了实现拓扑维护，可 采用边界约束。然而，几何维护、拓扑维护并不能维护特征内在的功能特性， 因此，我们需要一个更高层次的描述，该描述不应该直接作用在产品的形状参 数上。在特征类中，每一个特征都是造型的一个组成部分，例如一个边界约 束，在向原造型中不断增加新特征的过程中，由于特征的相互作用，以前的边 哈尔滨理t 大学- t 学硕：l 学位论文 界约束可能被破坏。所以，我们采用交互约束来指明那些约束关系是不能改变 的。 g = 冷匝巫圃 图2 - 2 特征类结构 f i g 2 - 2f e a t u r ec l a s ss t r u c t u r e 在特征的实例化阶段，特征的约束和参数需要外部数据的提供，这一阶段 被称为用户提供数据。这些特征成员组成了特征类接口。特征类接口决定了如 何提供特征实例给用户，并且决定了用户与特征接口的沟通方式。特征类接口 的主要功能是要定位特征，具体采用附加约束和几何约束实现以上功能。 2 3 3 依赖关系 为了表示复杂的模型关系，采用依赖关系来描述模型关系。依赖关系含有 丰富的语义，可以直接应用于特征造型的维护。 1 特征问的依赖关系特征模型m 中，对于特征f 1 ，存在特征亿，当且仅 当亿在模型中存在的时候特征f 1 才存在，即对特征岔的删除都将导致特征f 1 同时被删除，那么特征亿称作特征n 的依赖特征或父特征，特征f l 称作特征也 哈尔滨理f t 大学下学硕 j 学位论文 的子特征这样的关系称之为特征依赖关系。 一个新特征被实例话时需要用户提供的一个参数集，来初始化所有的约束 和参数。新特征的某个面可能成为其它特征的一个面，这就意味着如何定位新 特征在原造型中的位置是至关重要的。一旦特征间的依赖关系被确定了，就保 持永久不变。例如，一个盲孔的一个