（计算机应用技术专业论文）面向协同装配设计的实体模型简化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着计算机辅助设计技术以及计算机网络技术的显著进步，基于网络的协同 装配设计已经成为了计算机辅助设计技术的一个重要的研究方向。本文就协同装 配设计中的模型简化问题开展了研究。 协同装配设计中模型的简化技术既要保证简化后的模型满足装配接口的精 度要求，又要能够使模型得到充分简化，去除细节信息以及商业保密信息。通 过对协同装配设计主要特点和需求的分析，提出了两种面向协同装配设计的实体 模型简化方法。 基于细节面组抑制的实体模型简化方法通过对模型上细节面的抑制来完成 对模型的简化。模型上细节面被去除并且通过分析细节面遗留的边界线框，确定 出建立简化模型的方法。通过延拓与原细节面相邻接的模型基面等方法来完成简 化模型的建立。 基于降维的模型简化技术基于模型的采样数据得到模型的整体形状信息，并 且通过对采样信息的分析修改来对模型进行简化，最后在修改后的采样信息上对 模型进行重建得到简化模型。我们的采样方法将模型的形状信息从三维降维到二 维，更加方便分析模型的形状特征。 关键词实体模型简化、协同装配设计、c a d 。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h es i g n i f i c a n tp r o g r e s so fc o l p u t e ra i d e dd e s i g na n dc o m p u t e r n e t w o r k s 。n e t w o r kb a s e dc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yd e s i g nh a sb e c o m eo n e i m p o r t a n tr e s e a r c ha r e ai nc o m p u t e ra i d e dd e s i g n i nt h i st h e s i s ，w ew o r k o nt h es o l i dm o d e ls i i l l d l i f i c a t i o nm e t h o d sf o rc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y d e s i g n t h es o l i dm o d e ls i i 玎p l i f i c a t i o nm e t h o df o rc 0 1 l a b o r a t i v ea s s e m b l y d e s i g nh a st om e e tt h er e q u i r e m e n t so nt h ea c c u r a c yo fa s s e m b l yi n t e r f a c e s i nt h es i m p l i f i e d 肿d e l m e a n w h i l e ，i th a st os u b s t a n t i a l l ys i m p l i f yt h e s o l i d o d e l ，r e d u c ed e t a i l e di n f o r m a t i o na n dh i d ei n f o r m a t i o nw i t h b u s i n e s ss e c r e t s t h es m a l l f a c e d e p r e s s i o nb a s e ds i m p l i f i c a t i o nm e t h o dc a r r i e so u tt h e s i m p l i f i c a t i o nt h r o u g hd e p r e s s i n gs m a l lf a c e sb e l o n g i n gt od e t a i l e d i n f o r m a t i o n s m a l lf a c e sa r er e m o v e da n ds i m p l i f i c a t i o ns t r a t e g i e sa r e f i g u r e do u tt h r o u g ha n a l y z i n gt h ew i r ef r a l t l e sl e f tb yt h e s es m a l lf a c e s t h ec o n s t r u c t i o no fs i m p l i f i e dm o d e li sd o n et h r o u g hs t r a t e g i e ss u c ha s g r o w i n gm a j o rf a c e sn e x tt os m a l lf a c e s t h ed i m e n s i o n r e d u c t i o nb a s e ds i m p l i f i c a t i o nm e t h o da c q u i r e st h e o v e r a l lm o d e ls h a p ei n f o r m a t i o nt h r o u g hs a m p l i n gt h em o d e l t h e s i m p l i f i c a t i o ni sd o n et h r o u g ha n a l y z i n g a n dm o d i f y i n gt h es a m p l i n gd a t a a n dt h es i m p l i f i e dm o d e li sc o n s t r u c t e db a s e do nt h em o d i f i e ds a m p l i n g d a t a o u rm e t h o dr e d u c e st h ed i m e n s i o n1 e v e lo fm o d e ls h a p ei n f o r m a t i o n f r o mt h r e et ot w o ，w h i c hg r e a t l yf a c i l i t a t e st h es h a p ea n a l y s e s k e yw o r d s ： c o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yd e s i g n ，s o l i dm o d e ls i m p l i f i c a t i o n i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 协同c a d 发展概述 c a d 技术最早起步是在上世纪5 0 年代的后期。2 0 世纪6 0 年代，美国的i v 趾 e s l 烛e r l a n d 博士在其论文“s k e t c h p a d ：一种人机对话系统”中首次提出了c a d 的概念【“晒州6 3 1 。经过半个世纪的发展，c a d 技术在今天已经在全世界工业界 具有不可替代的重要作用。随着c a d 技术的广泛应用，工业界对c a d 系统提 出了新的要求，要求c a d 系统向集成化，智能化以及网络化方向发展。 1 集成化： c a d 系统的集成化主要包括三个方面：产品数据模型的集成化、产品设计 过程的集成化以及产品设计功能的集成化。产品数据模型的集成化要求系统支持 产品从功能设计到详细设计整个生命周期的产品信息，它既要包括产品的几何形 状信息，也要包括大量的非几何信息。产品设计过程的集成化要求系统支持产品 整个设计生命周期，使不同的设计阶段能在一个集成化的环境下进行。设计功能 的集成化要求系统将众多的单独设计功能组合成一个统一的设计环境，为设计人 员提供设计过程中各种设计活动的支持。 2 智能化： c a d 系统的智能化主要指让c a d 系统能够充分的利用知识，能很好地获 取，表达，处理和存储知识和经验，从而提高系统效率，减少大量的人机交互， 使人们尽可能从繁重的设计活动中解放出来。 3 网络化 c a d 系统的网络化主要指以互联网传递为传递信息的媒介，使工作在异地， 使用异构的c a d 系统的工作人员之间协作完成工作任务。随着全球化进程的加 快，知识资源劳动力资源的远程协同工作要求日益提高，c a d 系统的网络化也 具有越来越重要的意义，是c a d 系统发展的必然趋势。c a d 系统网络化发展到 今天，主要的着眼点是使产品设计能够通过 x 浙江大学硕士学位论文 地域和系统架构的差异性不影响工作时域上的一致性。 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。址0 8 k ) 删，到c s c w 技术与c a d 技术的结合r 删“。1 ，目前协同c a d 已经成为了国际上的c a d 领域的一大研究热点，研究工作通过和c a d 的各个 分支领域相结合，不断向深层次发展。 协同c a d 系统的分类准则和分类视角多种多样，现有的协同c a d 系统从 响应时间上大致可以分为异步协同c a d 系统和同步协同c a d 系统；根据各个 站点采用的c a d 系统可以分为同构协同c a d 系统和异构协同c a d 系统。从所 具备的协同操作功能上，可以分为面向可视化的系统和面向合作设计的系统两个 大类。前者主要功能是提供轻型的模型显示功能，可以嵌入在网络浏览器中为诸 如产品检视和评论，设计的讨论等等功能。此类系统的代表主要有s o l i d w o r k s 公司的e d r a w i n g ，a u t o d e s k 公司的s 仃e 锄l i n e 等。面向合作设计的系统能支持在 不同的设计者之间开展同步或者异步的协同建模以及协同修改模型的功能。这类 系统的代表是a u t o d e s k 公司的i n v e n t o rc o l l a b o r - a t i v e1 的l 。 1 2 协同装配设计发展概述 协同装配设计是指异地的工作小组以互联网为信息交流沟通的媒介，协同 地进行装配体设计，并且能保证装配体整体的性能达到设计预期。协同装配设计 作为协同c a d 领域的重要组成部分，吸引着各国科研工作者的注意力。 在协同装配工作的意义以及重要性分析方面，荷兰d e l f i 工大的r a f h e l b i d a r r a 等就协同设计以及协同装配等问题进行了较深入的探讨并且给出了一些 实践性的框架工作，指出同步协同装配比同步协同零件设计在工业中具有更大的 重要性【b i 咖吡j 。中国浙江大学的高曙明等学者指出在协同设计过程中，异步协同 与同步协同往往交替出现，因此，灵活的多模式协同机制可以有效的提高协同效 率【o ”洲。在协同装配的体系结构方面，威斯康辛一麦迪逊大学的s h y 锄咖d a r 等 提出的面向协同装配设计的产品表示a i 也p 【s h y ”血删， 装配设计的产品表示a i 也p 【s h y ”血删，荷兰d e l r 工大的a n o o r t 等探讨 了将零件设计和装配设计相结合的工作”吲。加拿大的“chen等 浙江大学硕士学位论文 商之间开展协同产品开发m “0 4 】。 1 3 实体模型简化技术 实体模型简化技术是出于某种需求将基于边界表示的模型加以处理，得到简 化的模型的技术。模型简化的需求有许多，例如使得模型的数据量更小，更便于 传输或者使得模型的细节信息更少，更便于进行有限元分析，再或者隐藏模型上 的某些具有一定商业价值的信息。按照这些不同的需求，在接下来的几个小节里 面，我们将实体模型简化技术方面的工作加以分类总结。 1 3 1 面向流化传输的实体模型简化 韩国的y o l l n g i a e 和k e n w o ol e e 【y 0 u “g i ”娴提出了一种w r 印a m u n d 方法，该 方法能够直接得到基于边界表示的模型的一系列l o d 模型。该方法首先对边界 表示模型进行特征识别，将负特征识别出之后将负特征进行抑制从而得到原始模 型。其后通过对边界表示运算，直接对负特征进行恢复，从而得到一系列的l o d 模型。 他们的方法也是直接基于边界表示模型的，但是他们使用了特征识别的手 段，所以可以认为他们的方法也是需要基于特征概念以及特征识别的一种方法。 如图1 1 所示，首先，对于一个模型，识别出它的负特征，在图1 1 中，这样的 负特征的组成面用蓝色被标示了。 这些负特征的所属面被识别出来之后，首先被组织成为一个以特征为单位的 特征面组。这些特征面组在接下来的操作中作为一个整体参加操作。之后对负特 征面组进行了删除操作。原作中是通过延拓操作把模型恢复成为一个有效的模 型。这样的操作是直接在边界表示的模型上面进行的，操作的单元直接就是面还 有边这样的拓扑元素，删除操作算法不是十分复杂，但是延拓操作的自动性还是 需要有不少的工作的。要保证延拓的有效性，需要考虑到对于各种曲面的延拓以 及更加复杂的自由曲面的延拓情况。 浙江大学硕士学位论文 图1 2 基于c e l l 的模型的特征构成 西 r 。 一 一t 一1 、一 5 一 1 图1 3 基于c e l l 的模型的c e l l 构成 在图1 3 中，进一步把每个特征都用不同的彩色线框进行了标示，在图中标 示了七个特征，其中有两个正特征f 1 和f 3 ，其余特征都是负特征。这些特征都 是由一些c e l l 组成，只要一个特征跟另一个特征有相交的地方，他们就会被分 解成为仅仅表面重合的c e l l 的集合。这样一个c e l l 就可以被多个特征同时拥 有，一个特征可以拥有多个c e l l 。 他们的方法的主要出发点也是找到原始的毛坯模型，他们的方法由于有了 c e l l l l l a r 模型的支持，就十分好进行。他们的主要方法就是，把所有的被正特征 拥有的c e l l 都保留下来，作为原始模型。在图1 4 中，我们看到的s m o 模型就 是这样被计算出来的。 之后的l o d 序列的计算方法跟y 0 u n 翻a e 和k e n w o ol e e 他们的思想基本是 一致的，就是传递负特征的面组，在本例中，由于有了c e l l u l a r 模型的支持，所 以合并操作就要比y o l h l 自a c 和k e n w o ol e e 他们的操作要简单很多，不需要进行 求交的工作。 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 鼠标底座设计角色视图( b ) 鼠标按键设计角色视图 图1 7 c e r a 等的工作中不同角色的不同视图【c e 。“川 如图1 7 所示，在一个鼠标的装配设计中，有两个设计角色，分别负责底座 和按键的设计。( a ) 图中是鼠标的底座设计角色的视图，该角色可以详细的得到底 座线路的信息，但是对鼠标按键的设计却不能 导到很多信息。( b ) 图中是鼠标按 键的设计角色的视图，该角色可以详细得到鼠标按键的信息，但是得不到很多底 座的信息。 1 3 3 面向装配设计的实体模型简化 商品化c a d 软件p r o e n 西n c e r 近来提供了一种称为s “n k w r a p 口妣d o 。1 的新 功能。s n k w r a p 功能在p m e n 垂n e e r 中被描述成为“生成能表示模型外型特征 的一组面和位置参数信息”。其主要目标在于使内部外部设计团队之间能够共享 信息并且为大型装配设计提供便利。其益处主要在于使用“轻量级”的一个零件 来表示复杂的装配体，这个轻量级零件能够隐藏设计意图和参数信息并且能够通 过减少模型的加载时间从而提高大型装配工作的效能。 ( a ) 原装配体( b ) 该装配体爆炸视图 ( c ) 该装配体的s h r i i l l ( w i 印简化结果 图1 8s 1 1 r i n k w r a p 功能图示 如图1 8 所示，( a ) 图显示的是一个装配体。( b ) 图中是这个装配体的爆炸试 8 浙江大学硕士学位论文 图。( c ) 图中给出了使用s 蛳n k w m p 功能对这个装配体进行简化后的结果。可以 看到，这个装配体的外形信息被较好的保持并且很多的细节信息被抑制。 需要指出的是，p 曲画n e e r 中的零件模型是基于特征历史的模型。其装配 模型中的各零件也有自己的特征历史。有模型的特征信息使得s 1 1 l ( w m p 功能 的实现得到了特征信息的帮助。比如，在使用s m l l k w r 印功能得到简化模型的 过程中，有一个选项是是否自动将孔特征抑制，见图1 2 。 图1 9s h r j n k w 珀p 功能菜单 图1 9 中的q u a l i t y 的l e v e l 是s h 血l k w r a p 的粗细程度选择。a u t o h o l ef i l l i n g 是自动孔特征抑制。从这个选项我们认为简化过程很可能是使用了特征抑制的方 法来对模型进行简化。 另外，美国w i s c o n s i nm a d i s o n 大学的s h ”m 吼m d a r 【8 “y “3 “枷1 等提出了装 配模型的紧制包围盒的概念。该包围盒将与装配无关的特征进行过滤，最终得到 物体的一个包围盒，其上有物体的装配接口信息。 1 4 实体模型简化研究中的存在问题 通过分析已有的工作，我们认为目前有关实体模型简化的工作总体上存在着 以下几方面的问题： l ，依赖于模型的特征信息。虽然k l l n w 0 0l e e 的工作没有直接基于特征 模型来进行，但是他们要对边界表示模型来进行特征识别，之后才能 作后继的工作，我们仍然可以说他们的工作是基于特征的。 p r o e n g i n e e r 的s 1 1 r i i l k w r 印基于目前我们能掌握的信息，我们猜钡4 其 简化手段也是要依赖模型的特征信息的。 2 ，面向协同装配设计的实体模型简化工作还很少见，并且其简化能力也 比较有限。我们能见到的主要是p m e n g i n e e f 中的s m n k w r 印功能， 9 浙江大学硕士学位论文 但尚不清楚其是否能够保证装配接口面在简化模型中保持不变。 3 ，j a e y e o ll e e 等人的工作依赖c e l l u l 口模型。他们的模型因为有了c e l l 信息使 得模型的求交工作可以被节省。但是c e l l 模型的缺陷也是显而易见的。首先， 这样的模型数据量要比普通模型大得多，不仅仅要存储模型本身的信息，还要 存储c e l l 本身的拓扑还有几何信息，并且c e l l 之间的连接信息也要记录下 来。其次，c e l l 模型对于复杂的曲面，比如自由曲面的处理能力十分有限， 他们只能应用于比较简单的模型。 1 5 本文的主要研究目标 本文的主要研究目标是，在分析协同装配设计对实体模型简化的需要的基 础上，提出能够满足协同装配设计需求的实体模型简化方法。 1 6 本文主要结构 本章主要对面向协同装配的实体模型简化的相关概念进行了介绍并且对已 有的工作进行了回顾和总结。在第二章里，我们主要介绍面向协同装配设计的实 体模型简化的主要特点和需求。在第三章里，我们主要介绍基于细节面组抑制的 实体模型简化方法。在第四章中，我们介绍基于降维的实体模型简化方法。 浙江大学硕士学位论文 第二章面向协同装配设计的实体模型简 化需求分析及相关解决方案 2 1 需求分析 面向协同装配的实体模型简化，对简化方法有特定的要求。由于装配设计 对模型的接口面有特定的要求，以及装配设计中模型信息的所有权归属不像单个 零件设计中那么简单，面向装配设计的实体模型简化在除了几何形状的简化之 外，对简化方法有了更多的要求。 1 简化过程中应该保持所有装配接口面不变 协同装配中零件模型上的装配接口面的形状和位置在简化过程中不可被改 变。简化后的零件要与其他零件装配组合，其上的装配接口面的形状位置信息就 要与原来的模型一致。以往的许多对于模型的简化工作，其工作的着眼点大多是 模型的立体显示，或者模型的快速传输。其工作的主要特点是针对模型整体进行 简化，而并没有考虑到模型上某一些面组，比如模型的装配接口面组需要保持其 精度的情况。 c a d 模型的一个显著特点又是模型比较复杂，不利于协同工作，需要专门 的面向装配的模型简化。我们要使得复杂的模型上某些部分的精度得到保持的同 时，对模型的其余部分进行一定的简化。 ( a ) 发动机气缸零件( b ) 零件的装配接口( c ) 发动机完成装配后的示意图 图2 1 发动机气缸零件及其装配接口 如图2 1 所示，( a ) 图中的摩托车发动机零件的装配接口如图( b ) 所示，为了 更加形象的说明( a ) 零件是如何参加装配的，我们找到一个发动机气缸装配体示意 图，图中的装配体上有与( a ) 零件相似的零件。可以看到，这个装配体是十分复杂 1 1 浙扛大学硕士学位论文 的，对( b ) 中装配接口面的精确度要求也比较高。 2 核心设计信息可以通过简化而被隐藏 在定制生产中的外包商( o r i 垂n a le q u j p m e n tm a n u f a c t u r e r o e m ) 以及制 造商( s l l p p l i e r ) 之间普遍存在敏感信息的隐藏需求。简单的说，o e m 需要让 s u p p l i e r 知道的信息要透露给s u p p l i e r ，o e m 不希望s u p p l i e r 知道的敏感信息需 要被隐藏起来，模型简化就是隐藏这种敏感信息的有效手段。 0 e m 需要s u p p l i e r 为其设计生产的零件必然要与o e m 原有的某些零件之 间存在装配关系，这些部分最终组合成有一定功能的部件。在此过程中0 e m 要 将需要和s u p p l i e r 进行装配的零件的某些信息告知给s u p p l i e r ，比如装配接口的 形状以及位置等等信息。但是o e m 在透露这些零件的部分信息的同时，不希望 将零件上具有自己知识产权和能反映一定设计意图的的零件结构透露给 s u p p l i e f 。 图2 2 外包成产的示意图 例如，在我们的图中，如图2 2 所示，外包商想要生产一个产品，这个产品 是由两个零件组成的装配体。在这个由两个零件a ( 左) 和b ( 右) 组成的装配体 中，0 e m 将右边的零件b 的设计以及生产承包给了s u p p l i e r ，自己生产零件a 并且最终组装a 和b 形成自己的产品。 这样的生产方式广泛的存在于实际生产之中，具有相当的代表性。在这样 的生产中，o e m 以及s u p p l i e r 之间需要很好的协调他们的设计以保证能够使得 最后的装配体能够有预期的工作性能。因此，o e m 必须将a 的某些信息与 s u p p l i e r 共享使得s u p p l i e r 生产的零件b 能够与a 成功装配。 但是在信息的共享过程中涉及厂商的敏感信息的隐藏问题。图中方框之内 的区域为o e m 所拥有的零件a 的秘密信息所在。这部分信息可能是0 e m 的商 业机密。o e m 不希望在生产的过程中将这些信息透露给s u p p l i e r 。 与此同时，o e m 一定要将零件成功装配所必须的信息( 主要为零件的装配 浙江大学硕士学位论文 接口部分) 透露给s u p p l i e r 。a 零件上的黄色部分就是零件a 的装配接口。0 e m 需要将这些信息与s u p p l i e r 共享。 3 简化模型在去除了细节特征的同时保持原模型的主要外形特征 模型的主要外形特征是在协同工作时候0 e m 和s u p p l i e r 都需要知道的。在 做到模型装配接口面的保持不变和模型细节的简化以及敏感信息的隐藏之外，模 型的总体形状仍然需要能让s u p p l i e r 对模型有个总体把握，方便s u p p l e i r 开展其 设计工作。 通过上述分析，我们可以总结出面向协同装配的实体模型简化问题的一些 主要的难点。 1 装配接口面在位置上组织规律性较弱 装配接口面在一个零件上的位置可能有一定的工程含义，但是在一个实体 模型上他们就是与其余面一样的面。他们在零件上可能出现在零件的许多地方， 随着零件的功能和用途的差别，装配接口面的位置可以干差万别，但是尽管如此， 尽管在相应的实体模型上他们的出现位置没有什么规律可循，但是他们在简化的 过程中仍然不可以被改变。尽管其相邻面可能都被很大程度上简化了，装配接口 面的位置，几何形状以及边界轮廓都仍然需要保持不变。 除此之外，装配的接口面有些时候除了包含必须的有装配关系发生的面之 外，还可能包含某些面用以保证装配空问以及避免装配冲突所指定的面，这就更 加增加了装配接口面位置上的无规律性。 2 接口面面类型比较任意 这样的面可能是多种多样的面组成的，并不具有一定的类型规律。这个问 题可以进一步抽象成为一个几何问题，即给定一个二维流型，任意指定某些面保 持不变，使得其他面改变本来的形状。 3 传统的基于特征方法难以直接应用 使用传统的特征方法来对这个问题进行分析之后可以发现，这样一个问题 使用传统的特征方法解决具有一定的困难。 首先，我们的零件是边界表示的零件，没有特征信息。这就是说我们面向 的零件是没有特征历史的最终件。这样做的出发点和益处是很明显的，在协同装 配中，不同的c a d 系统之间对于特征的定义往往有所不同，实用统一的边界表 示模型，在数据的组织方面有很好的统一性。 13 浙江大学硕士学位论文 其次，传统的特征信息往往具有歧义性，与物体的形状并不一一对应。整 如前面一则所述，特征信息在不同的c a d 系统上往往有不同的定义方式。我们 研究小组曾经专门研究过不同c a d 系统之间的实用中性命令来进行协同工作的 问题。所以，如果我们需要使用特征信息来完成模型的简化变形之类的工作，在 模型的特征信息选择和转化上本身就要作许多的工作，降低协同工作的效率。 再次，自由曲面特征问题。在我们作模型简化的时候，我们很多时候可能 会使用自由曲面来重建模型的某些部分，达到变形的效果。但是自由曲面在特征 领域本身就是一个比较难以有效定义的问题。比如我们使用自由曲面对一个区域 进行替代，我们可能将许多的细小特征进行了模糊或者去除，但是新生成的自由 曲面很难归结到特征里面去。 最后，某些特征信息对于模型的形状分析意义不大，比如由回转特征生成 的轴，其特征只是一根曲线，我们不能根据这个曲线来进行我们的形状分析并且 得到。 2 2 解决方案 针对以上分析得出的面向协同装配的实体模型简化的主要需求，本文有针对 性地提出了两种主要的模型简化方法。 第一种方法是通过去除模型上反映细节形状的面，保留模型上能够反映模型 整体形状的面，来对模型进行细节抑制。之后，通过分析被去除的细节面的边界 轮廓，确定出补全简化模型的方法。此种方法比较适合形状不是很复杂，整体形 状走势清晰的模型。 第二种方法首先得到三维模型的二维形状信息，之后对所得到的二维形状 信息进行分析，并且对细节信息进行抑制处理，并且根据处理过的二维形状信息 构造一个简化模型。此种方法比较适合形状复杂并且有较多装配接口面的模型。 在接下来的两个章节里面，我们对这两种方法将作详细的分析，并通过具 体的模型简化过程来说明模型简化的过程。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第三章基于细节面组抑制的实体模型简 化 3 1 基本定义及方法概述 3 1 1 基本定义 定义3 1基面 基面是模型上能反映模型整体形状走势的面。基面通常是模型上面积较 大的面。如果将模型所有面按照面积由大到小排序，基面应是位于这个序列中某 一阈值之前的面。互相联通的一组基面称为基面组。 ( a ) 实体模型( b ) 该实体模型的基面组 图3 1 实体模型及其基面组 在图3 1 中，图( b ) 所示的面为图( a ) 中的零件上的基面。 定义3 2细节面 细节面是反映模型上局部的细节形状的面。细节面是模型中除基面之外 的面，是在进行模型简化时应该被去除的面。互相连通的一组细节面称为一个细 节面组。 图3 2 实体模型的细节面组 在图3 - 2 中，使用方框框出的区域中的面是该模型的细节面组。 定义3 3接口面 1 5 浙江大学硕士学位论文 接口面是模型所对应的零件上需要与其他零件进行配合的面。在面向协 同装配设计的实体模型简化中，接口面的形状和位置需要保持不变。互相联通的 一组接口面称为一个接口面组。 图3 - 3 实体模型的接口面组 在图3 - 3 中，使用方框框出的面是接口面组。 定义3 4 细节面组边界轮廓 细节面组的边界轮廓是由该细节面组与相邻基面之间的边所组成的一个或 多个封闭线框。细节面组边界轮廓反映了细节面组与基面组之间的关系。 ( a ) 模型上的一个细节面组( b ) 组成细节面组的细节面( c ) 该细节面组边界轮廓 图3 4 细节面组的边界轮廓 在图3 4 中，举例说明了模型上的一个细节面组以及其边界轮廓。图( a ) 中方 框框出的部分是模型上的一个细节面组，图( b ) 中将这个细节面组从模型中独立 出来，可以看到图( b ) 中的细节面组与模型周围的面是通过图( c ) 中的边界轮廓线 与模型的基面进行连接的。 3 1 2 方法概述 我们方法的主要思想在于，首先确定出模型的基面组以及细节面组并对细节 面组进行分类，再针对每一类细节面组给出抑制的方法，最终通过抑制细节面组 达到简化模型的目的，并且使简化后的模型满足如下条件： 1 新模型必须精确保持与其它部件相关的装配接口信息。 浙江大学硕士学位论文 2 新模型需要具有原来模型的大致形状。 3 新模型能够比原来的模型更加简洁，大部分细节的形状被抑制。 以图3 1 为例，首先图( a ) 中所示零件的基面被确定下来，如图( b ) 所示。这个 零件的基面一共有六个，大致的形状就是这个零件本来的毛坯，一个长方体。这 些基面就给了我们恢复这个长方体的基础。我们可以在这些基面的帮助下重构这 个长方体。这些基面还有装配接口面共同组成了一个中间模型，从这个中间模型 我们要设法得到简化模型。 ( a ) 实体模型实体模型的基面组及接口面组 图3 5 实体模型及其基面组及接口面组 在图3 5 中，图( b ) 所示的为图( a ) 中模型的基面组和接口面组。图( b ) 中方框框 出的面为模型的接口丽组。 在确定了基面以及装配接口面之后，我们就确定了一个中间模型。该中间模 型不是一个完齄的模型，其上有不少的部分都是一些“空洞”，这些空洞是去除 细节面组形成的。 为了获得一个能够反映原模型总体外形特征的流型简化模型 我们试图用最简洁的方式来缝补所有“空洞”。 我们的算法的主要流程图如下。 浙江大学硕士学位论文 3 2 基面面组确定方法 模型上面积大的面，是能够反映模型主要形状的面。我们目前采取的主要的 基面确定方法是按照模型面的面积对模型的面进行筛选。 方法的主要步骤如下： 1 计算模型上每一个面的面积 2 对模型上的面按照面积从大到小的顺序进行排序 3 按照一定的阈值确定出面积大于闽值百分比的面为基面 在模型上进行基面面组提取之后我们可以得到图3 6 中一系列的例子中的模 型基面。图3 6 里的图( b ) 图( c ) 中的方框框出的面及图( f ) 中用箭头标出的面是相 应例子模型上的接口面。 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 实体模型例一 ( 例一中的模型原有面数：8 8 ，接口面数： ( c ) 实体模型例二 ( 例二：中模型原有面数：4 7 ，接口面数 ( b ) 例一的基面组及接口面组 8 ，基面面组面数：6 ，细节面组面数：7 4 ) ( d ) 例二的基面组及接口面组 1 0 ，基面面组面数：5 ，细节面组面数：3 2 ) ( e ) 实体模型例三( d 例三的基面组及接口面组 ( 例三中模型原有面数：4 0 ，接口面数：4 ，基面面组面数：4 ，细节面组面数：3 2 ) 图3 6 实体模型及其上基面组和接口面组以及相关统计数据 我们可以看到，在每个例子中，模型中的细节面组数量在模型的原有面的数 量中的比重都在9 0 以上。我们在确定基面面组的时候，采用9 0 的面积阈值 来区分基面以及细节面组。除此之外，我们在必要的时候加入人机交互来完成基 面面组的最终确定。 3 3 细节面组的分类与抑制 3 3 1 模型的预处理 我们首先对模型进行一定的预处理，以使得后续步骤更简捷。 1 模型面的合并简化 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 具有同样的几何方程的模型面之间的连接线( b ) 合并此类模型面的结果 图3 7 模型上需要合并的面以及合并后的效果图 在处理实际零件模型的时候经常会遇到如图3 7 中图( a ) 所示的情况，位于同 一个几何圆柱上的面被分割成为了不同的几个部分，这些不同的部分之间都具有 同样的几何方程但是被分割成了不同的模型面。这大部分是由于造型软件本身的 特点造成的，但是这会给我们的后继分析带来不便，因为模型上的面数目增加， 增加了遍历模型上每个面所需的时间并且模型上反应模型性状的基面可能因此 被破坏成为若干小面，给确定基面的工作增加了难度。我们在预处理阶段将模型 中此类面进行合并，如将图( a ) 所示的面合并成为图( b ) 所示的面，以简化我们的 分析。 在实际的合并中，使用了a c i s 造型系统的a p i m e r g e f k e s 函数，该函数具 有检测和合并此类面的功能，该函数声明如下， 印i _ m e 唱e - f k e b o d y +t 0 0 l ， i n t g e o i n _ t y p e ，a c i s o p t i o n s a o = n u l l ) 将原模型t o o l 以及需要合并的面的类型g e m _ t y p e 作为输入，a 0 是版本以及 回退操作控制选项，函数执行后t o o l 变成过面合并之后的模型。 目前，对于三种类型的面进行了面的检查，这三类面分别是： a ) 圆柱面，g c o m - t y p e 设置为c o n e t y l 它 b ) 平面，g e o m j y p e 设景为p l a n e _ _ t y p e c ) 圆环面，g e o m - t y p e 设置为t o r u s t y p e 2 细节面组的聚合 模型的基面面组确定之后，对模型所有面进行遍历。把细节面按照他们的连 通关系进行分组聚合。通过聚合把互相连通的细节面归为一个细节面组，并且加 2 n 浙江大学硕士学位论文 以编号。零散的细节面就被聚合成为图3 2 所示的一个个细节面组。 3 细节面组边界轮廓的确定 对上一步骤中确定出的每一细节面组，如下确定其边界轮廓：对面组的所有 边进行遍历，如果一条边连接的两个面分别属于细节面组以及基面面组，则将这 条边记录为边界边，再按照所有边界边之间的连通关系，确定出细节面组的边界 轮廓。 以图3 4 中，图( b ) 细节面组的边界轮廓为例，就是通过上述边界轮廓确定方 法找出了图( c ) 中该细节面组的边界轮廓。 3 3 2 细节面组分类 按照细节面组边界线框的特性，我们可以把细节面组分作两种基本类型 一、单一边界轮廓细节面组 单一边界轮廓的细节面组的边界轮廓只有一个连通的封闭线框。这类细节 面组又可以进一步分为两种情况： a ) 细节面组的边界线框只连接了一个基面，简称作单基面单环。 ( a ) 模型上的两个细节面组( h ) 这两个细节面组的边界轮廓 图3 8 单基匾单环细节面组 单基面单环的具体例子如图3 8 所示，图( a ) 中零件上有两个用红色进 行标示的部分，这两个部分是零件上的两个小的凸台。这两个部分都是 细节面组，他们与基台都是只有一个边界线框。图( b ) 中我们给出了这个 两个细节面组在基面上的线框。这两个细节面组每一个都是只有一个边 界轮廓，并且这个边界轮廓只与一个基面相连接，所以他们被归类为单 基面单环细节面组。 2 l 浙江大学硕士学位论文 b ) 细节面组的边界线框连接了多个不同基面，简称作多基面单环。 ( a ) 模型上的一个细节面组( b ) 这两个细节面组的边界轮廓 图3 9 多基面单环细节面组 如图3 9 所示，图( a ) 中的方框框出的面组为零件上的一个细节面组。 图( b ) 中线框框出了该细节面组的边界轮廓。该细节面组的边界轮廓同时 连接了多于一个的基面，我们将它归类为多基面单环细节面组。 二、多边界轮廓细节面组 多边界轮廓的细节面组的边界轮廓有多个连通的封闭线框。这类细节面组 又可以进一步分为两种情况： c ) 细节面组的所有边界线框只连接了一个基面，简称作单基面多环。 对于本情况，我们在分类中给出了可能性，但是实际应用中尚未遇到 本情况的实例，本文中暂不讨论本情况的例子。 d ) 细节面组的边界线框连接了多个不同基面，简称作多基面多环。 图3 1 0 多基面多环细节面组 如图3 2 4 所示，这个零件上用一个深色曲线框标示出了零件的一个 过渡特征。这个过渡特征显然是我们希望去除的细节特征，这个过渡特 征的所属面也就是我们的细节面组。这个细节面组的两个相邻面是顶部 的竖直圆柱面以及底部的横向圆柱面。这两个圆柱面都是我们的基面。 可以看到，这个细节面组的边界轮廓线就有两个，分别连接了顶部 2 2 浙江大学硕士学位论文 的圆柱面以及底部的圆柱面。这个细节面组就是多基面多环情况。 基于以上的分类，我们的细节面组分类算法可以描述如下 w h i l e ( 对于每一细节面组) i f ( 该细节面组只有一个边界轮廓) i f ( 该边界轮廓只连接一个基面) 判定：单基面单环细节面组 e l s e 判定：多基面单环细节面组 e l s e i f ( 所有边界轮廓只连接一个基面) 判定：单基面多环细节面组 e l s e 判定：多基面多环细节面组 ) 3 3 3 细节面组抑制 一、单一边界轮廓细节面组的抑制 a ) 单基面单环情况抑制步骤 步骤一、将本细节面组从原模型中删除。 步骤二、对对应的基面进行修改。由于细节面组只有一个边界轮廓，并且这 个边界轮廓只与一个基面连接，删除细节面组会在基面上面留下一个内环。结合 a c i s 系统，本步骤需要修改基面的数据结构。通过遍历基面上所有环，确定出 需要删除的内环。将此内环从基面环列表中删除。 浙江大学硕士学位论文 图3 1 1 单基面单环处理结果 如图3 1 1 所示，对细节面组进行处理之后，模型上细节面组遗留的内环已经 被去除。 b ) 多单基面单环情况抑制步骤 在介绍这种抑制步骤之前，我们引入一个有用的概念。 定义4 1 多基面单环细节面组的边界轮廓上的关键点 多基面单环细节面组的边界轮廓上的关键点是把该边界轮廓分割成为与不 同的基面相连的部分的点。 图3 1 2 多基面单环细节面组边界轮廓上的关键点 图3 1 2 里面用圆囤圈出的点就是把图3 9 ( b ) 中的细节面组边界轮廓分割成分 别与模型顶部和侧面的两个基面相连接的两个部分的点，这样的点就是关键点。 根据细节面组边界轮廓上的关键点以及细节面组连接的基面之间的位置关 系，多基面单环的情况可以分作两类更具体的子情况 k 1 ) 可使用基面几何交线进行抑制的多基面单环情况 这种情况下，细节面组相连接的基面之间存在几何交线，并且几何交线将边 界线框从关键点处分割成数个部分，每个部分与几何交线都构成封闭的线框。将 细节面组边界轮廓分割目前，我们只对本情况中基面个数有两个的一类情况进行 了抑制。 2 4 浙江大学硕士学位论文 步骤一、将本细节面组从原模型中删除。 步骤二、求出与细节面组相邻的基面之间的完整交线的几何信息。 图3 1 3 基面之间的几何交线 如图3 1 3 所示，构成细节面组边界轮廓的两个基面用黄色进行了标示，这两 个基面之间的交线本来由于有细节面组被破坏，现在我们重新求出这条完整的交 线的几何信息，这条交线用红色虚线进行了标示。 步骤三、确定出细节面组边界轮廓上属于不同面的边之间相连接的关键点。 1 通过对边界线框进行遍历，确定出每条边连接的基面。 2 当相邻的两条边连接的基面不是同一个基面，记录这两条边的公共顶 点为关键点。 如图3 1 2 所示，在图中用圆圈进行标示的点就是关键点。他们是细节面组边 界轮廓中分属不同基面的边之间相连接的点。 步骤四、使用基面之间的交线几何信息在关键点之间构造新的边，并且用它 替换基面上细节面组边界轮廓的其余边。 图3 1 4 边界轮廓以及新构造的边 如图3 1 4 所示，在本例中的细节面组边界轮廓上，两个关键点用红色圆圈进 行了标示。在关键点之间的红色虚线是组成细节面组边界轮廓的基面之间的几何 交线。 这个细节面组边界轮廓以红色交线为界，分为属于两个不同基面的部分。我 ，s 浙江大学硕士学位论文 们在两个基面上同时对基面的边进行修改，在关键点之间，使用基面交线来代替 原有细节面组边界轮廓上的部分。 步骤五、将关键点连接的交线进行合并，去除关键点。 将关键点连接的交线合并成为一条拓扑边，从而将被关键点分割的交线连接 在一起。 ( a ) 通过基面几何交线完成简化( b ) 将基面几何交线融合到基面原有交线之中 图3 1 5 多基面单环处理结果 如图3 1 5 ( a ) 所示，在使用关键点之间的交线替代相交环位于基面上的边之 后，细节面组去除的模型被修改好。红色线框中显示的是替代原来细节面组边界 轮廓的交线。( b ) 图中，交线上的关键点被去除。 b - 2 ) 不可使用基面几何交线进行抑制的多基面单环情况 某些情况下，无法使用b 1 ) 中的基面几何交线对细节面组进行抑制。 ( a ) 油泵腔体实体模型( b ) 该实体模型的基面组及接口面组 图3 1 6 油泵腔体实体模型 如图3 1 6 所示的零件，这个零件是一个油泵的腔体。其装配接口在( b ) 图用 箭头进行了标示。这个零件的装配接口主要是需要跟装入其内部的送油齿轮进行 配合的面。我们确定了这个零件的基面面组如f b ) 图所示。 经过单环单基面方法的处理，我们可以得到简化过的模型如图3 1 7 左图所 刁i 。 浙江大学硕士学位论文 ( a )