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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于特征造型的自由曲面特征及约束求解的研究 摘要 特征造型技术是新代c a d c a m 集成系统的关键技术之一，是产品 模型设计的核心。建立基于特征统一而完备的产品信息模型，能够从根本上 解决产品在设计、生产、质量控制和组织管理等各个环节之间的数据交换和 共享问题；并且还可以实现模型的编辑和维护。但是现有的特征造型技术基 本上都是基于规则形状特征的，随着特征造型技术的发展，涉及到不规则曲 面的问题越来越多，这已成为一个亟待解决的问题。 本文具体讨论了基于特征造型的自由曲面特征设计与约束求解问题。目 的是能够在现有的特征造型中引入自由曲面特征，并使得用户能够运用一组 参数直观、快捷的刨建实例。 为达此目的，本文在对h u s t - c a i d ( 哈尔滨理工大学计算机辅助工业 造型设计系统) 系统研究的基础上，针对大多数特征造型只包含菱柱形和圆 柱形等规则图形这一缺陷，引入了自由曲面特征；结合h u s t - c a i d 定义了 自由曲面特征的分类和参数化；系统为用户提供一组适当的参数，使用户能 够直观的设计任意曲面，而不必参与曲面的底层设计；当用户修改参数时， 系统会自动提供相应的反馈。为了求解出与约束一致的图形，本文给出了一 种新颖的原型驱动约束求解算法，并在h u s t - c a i d 系统中进行了试验。结 果表明：这种新颖的约束关系管理体系大大简化了约束求解和特征编辑工 作，而自由曲面特征的引入，也使得h u s t - c a i d 系统更加完善，更具实用 性，更加满足用户的需求。 关键词特征造型；自由曲面特征；特征类定义；特征参数化；约束求解 竺尘鎏罂三銮耋三耋堡圭耄堡鎏兰 r e s e a r c ho nf r e e f o r mf e a t u r ea n d c o n s t r a i n ts o l v i n gf e a t u r e b a s e d m o d e i n g a b s t r a c t f e a t u r em o d e l i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h e i n t e g r a t e ds y s t e mo fc a do rc a m ，w h i c hi st h ek e yp r o b l e mi np r o d u c tm o d e l d e s i g n t oc o n s t r u c tap r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e lb a s e do nt h eu n i f i e df e a t u r e s ， t h ed a t ae x c h a n g ea n ds h a r ec a nb es o l v e db a s i c a l l yd u r i n gt h ep r o c e s so ft h e p r o d u c td e s i g n ，p r o d u c i n g ，q u a l i t yc o n t r o la n dm a n a g e m e n t h o w e v e r ，t h e c u r r e n tf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g i e sa r em o s t l yb a s e do nt h er e g u l a r - s h a p e f e a t u r e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g i e s ，m o r ea n d m o r e f r e e f o r mf e a t u r e sa r ei n v o l v e d ，t h i sq u e s t i o nn e e d st ob es o l v e dt i m e l y t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ef r e e f o r mf e a t u r ed e s i g nb a s e do nt h e f e a t u r em o d e l i n ga n di t sc o n s t r a i n ts o l v i n g t h ep u r p o s ei st oi n t r o d u c ef r e e f o r m f e a t u r ei nc u r r e n tf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g i e s ，a n du s e r sc a nc r e a t ei n s t a n c e s w i t has e to fp a r a m e t e r si nt h ef r e e f o r mf e a t u r em o d e l i n g i no r d e rt op u r c h a s et h i sp u r p o s e ，t h ep a p e rm a k e sas y s t e m a t i ca n a l y s i so n f r e e f o r mf e a t u r eb a s e do nt h es t u d yo ft h eh u s t - c a i ds y s t e m ( c o m p u t e ra i d e d i n d u s t r yd e s i g ns y s t e md e v e l o p e db yh a r b i nu n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ) a si t ss h a p ed o m a i nl i m i t st ot h ep r i s m a t i ca n dc y l i n d r i c a ls h a p e s i nt h eh u s t - c a i ds y s t e m ，t h ef r e e f o r mf e a t u r em o d e l i n gi si n t r o d u c e di ni t + c l a s s i f i c a t i o na n dp a r a m e t e r sa r ed e f i n e dc o m b i n i n gw i t ht h eh u s t - c a i d ；u s e r s c a ni n t u i t i v e l yd e s i g na n yc u r v e ds u r f a c eu s i n gas e to fs u i t a b l ep a r a m e t e r s p r o v i d e db yt h es y s t e mw i t h o u tc o n c e r n i n gt h el o w e rl a y e rd e s i g n i fu s e r sw a n t t om o d i f yt h ep a r a m e t e r s ，t h es y s t e mw i l lc o r r e s p o n d i n g l yp r o v i d ef e e d b a c k a u t o m a t i c a l l y i no r d e rt oo b t a i nt h er i g h tg r a p h i c sa g r e ew i t ht h ec o n s t r a i n t ，i ti s p r o v i d e d an e wn o v e l p r o t o t y p e d r i v e n c o n s t r a i n t s o l v i n ga l g o r i t h m t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i sn o v e la l g o r i t h ms i m p l i f i e dc o n s t r a i n ts o l v i n g a n df e a t u r em o d e l i n gg r e a t l y , a n dt h eh u s t - c a i ds y s t e mi sm o r ep e r f e c ta n d 竺竺堡型二盔茎三耋筌：耋竺篓兰 m o r ep r a c t i c a lb e c a u s eo ft h ei n t r o d u c t i o no ft h ef r e e f o r mf e a t u r e k e yw o r d s ：f e a t u r em o d e l i n g ；f r e e f o r mf e a t u r e s ；f e a t u r ec l a s ss p e c i f i c a t i o n f e a t u r ep a r a m e t e r i z a t i o n ；c o n s t r a i n ts o l v i n g 1 1 1 篁尘堡型三查兰三兰堡：! ；兰堡丝兰 1 。1 引言 第1 章绪论 c a d 软件作为软件业的一个分支，近年来在工业发达国家，尤其是美 国，仍然方兴未艾，蓬勃发展。越来越多的企业由于引入了c a d 技术，缩 短了产品开发周期，增强了自身的市场竞争力。十六年以来，首先是科研单 位和院校，然后是企业，国内各机构也一直在陆续引进c a d 系统。许多食 业因此产生了可观的经济效益。采用计算机辅助设计和计算机辅助制造技 术，对于在市场经济的大海中博击的企业来说，己成为一种趋势。 一般讲，一个c a d 系统基本上只适用于某一类产品的设计，如电子产 品c a d 只适用于设计印制板或集成电路，而机床的c a d 只适用机床的设 计造，这些系统不仅基础和专业软件不一样，而且硬件配置上也有差异。但 就系统的逻辑功能和系统结构角度来看还是基本相同的。不管是用于何种产 品设计和制造的c a d 系统，从其逻辑功能角度来看，c a d 系统基本上是由 计算机和一些外部设备( 计算机和外部设备通常是硬件) 及相应的软件组成 ( 其中包括系统软件、支撑软件及应用软件) ，如图1 1 所示。但对于一个 具体的c a d 系统来讲，其硬件、软件相互的配覆是需要进行周密考虑的， 同时对硬软件的型号、性能以及厂家都需要进行全方位的考虑。 图i 一1c a d 系统的基本结构 f i g u r e l 一1b a s i cc o n f i g u r a t i o no f c a ds y s t e m 由于在机械c a d 中，参数化可变异特征造型业己成为当前的常规，产 品的尺寸参数允许随意修改，软件系统中需要加强相应的几何约束求解能 力。毕业于英国剑桥大学的j o h no w e n 博士于1 9 8 9 年在剑桥创办了d 一 哈尔滨理1 一人学工学硕士学位论文 c u b e d 公司，1 9 9 0 年推出二维约束求解软件d c mz d ，到1 9 9 9 年为止，己 有5 7 家用户，应用于4 3 种。c a d 产品中。1 9 9 5 年推出三维软件d c m 3 d ，至今有2 3 家用户，应用于1 3 种产品中。它己成为c a d 通用几何平 台中的一个必要模块。d c m 对我国的报价大约是7 万磅，因此对于几何约 束求解的研究是很有现实意义和经济意义的。 1 2g a d 技术的演进及发展现状 c a d 技术起步于5 0 年代后期。进入6 0 年代，随着在计算机屏幕上绘 图变为可行而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘 制精度低的传统手工绘图。此时c a d 技术的出发点是用传统的三视图方法 来表示零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。 在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是图板的替代品，即：意指 c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( o rd r a f f i n g ) 而非现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主 要目标的算法一直持续到7 0 年代未期，以后作为c a d 技术的一个分支而 相对独立、平稳地发展。早期应用较为广泛的是c a d a m 软件，近十年来 占据绘图市场主导地位的是a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件。在今天中国的 c a d 用户特别是初期c a d 用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。 1 第次c a d 技术革命贵族化的曲面造型系统 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，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车 制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的 方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常 发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不 同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，所以还 经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制 作过程大大拖延了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声越来越高。要 减少产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声越来越高。此时法国人提出 了贝赛尔算法，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， 坠玺堡塞三尘兰三耋堡耋差竺篁塞 同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统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 技术的丌发有了现实的基础。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，改交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。 2 第二次c a d 技术革命生不逢时的实体造型技术 8 0 年代初，c a d 系统价格依然令一般企业望而却步，这使得c a d 技 术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得 更大的市场份额，以c v 、s d r c 、u g 为代表的系统开始朝各自的发展方向 前进。有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只 能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯 性等，对c a e 十分不利，最大的问题在于分析处理特别困难。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。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。 但是新技术的发展往往是益折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法 的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件 条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉 强。在以后的1 0 年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多 c a d 系统所采用。 3 第三次c a d 技术革命一鸣惊人的参数化技术 如果说在此之前的造型技术都属于无约束自由造型的话，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 y c o r p ) ，开始研制命名为p r o 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。 4 第四次c a d 技术革命一更上一层楼的变量化技术 参数化技术的成功应用，使得它在9 0 年代前后几乎成为c a d 业界的 标准，许多软件厂商纷纷起步追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践 上的可行性。由于c a t i a 、c v 、u g 、e u c l i d 都在原来的非参数化模型基 础上开发或集成了许多其它应用，包括c a m 、p i p i n g 和c a e 接同等，在 c a d 方面也做了许多应用模块开发。重新开发一套完全参数化的造型系统 困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写，何况他们在参数化 技术并没有完全解决好所有的问题。因此他们采用的参数化系统基本上都是 在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种参数化的不完 整性以及需要很长时间的过渡时期，c v 、c a t i a 、u g 在推出自己的参数化 技术以后，均宣传自己是采用复合建模技术，并强调复合建模技术的优越 性。 1 3 几何造型技术的分类 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制( 即曲面造 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( 即实体造型) ，用线框模型和实体模型来表示。曲砸模型和实 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 堕里鎏竺三尘耋三耋塑圭兰堡篓兰 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。 1 3 1 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。线框造型是 二维图的直接延伸，即把原来的平面直线或圆弧扩展到空间，所以点、直 线、圆弧和某些二次曲线是线框建模的基本元素。 线框造型在计算机内部是以边表、点表来描述和表达物体的。线框造型 方法简单、易于理解、数据存储量少、操作灵活、响应速度快，是进一步构 造曲面模型和实体模型的基础。线框建模建立起来的不是实体，不能对图形 进行消隐、明暗处理和上色等操作。但在有些情况下，例如评价物体外部形 状、布局、或绘制图纸等方面，线框造型提供了足够的信息。同时由于它具 有较好的时间响应特性，所以在实时仿真技术和中间结果显示等方面有着很 广泛的应用。 1 3 2 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 ) 1 1 i 口】，是通过描述物体表面来 进行三维实体设计的一种建模方法，它主要适用于表面不能用简单数学模型 进行描述的复杂型面，例如在汽车、飞机、船舶、水利机械和家用电器等产 品外观设计以及地形、地貌、石油分布等资源的描述中，没有标准的数据模 型可以使用，因而必须采用曲面建模方法。这种建模方法主要利用所给的离 散点来构建光滑过渡曲面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。目前应用最 广泛的是双参数曲面、b 样条曲面和b e z i e r 曲面。这种模型的建立满足了 自由曲面设计与制造的要求，同时也为曲面相交、消隐、明暗处理、上色等 应用问题的解决提供了依据。 但这种模型对形体究竟存在于表面的哪一侧没有给出明确的定义，在物 性计算和工程有限元分析方面缺少完备性。 1 3 3 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 ：堕变鎏耋三盔茎三耋竺，! ：兰堡堡塞 几伺法( 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 d t o p o l o g i c a lb o u n d a r yr 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 法不能表达诸如面、边、点的信息；f b f e d 法用一系列小平面 近似表达产品的表面，它可用于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，它不能提供个灵活而富 有创造性的设计环境。 1 3 4 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 a d c a p p c a m 集成的有效途径。 1 3 5 参数化特征造型 为了提高产品的局部复杂性，人们认识到，特征参数化设计再也不能只 靠预定义的特征或标准件来拼装产品零件模型。一些研究从二维参数化设计 入手，如b e a u t y 等，b e a u t y 将平面直线和二次曲线都用有理b e z i e r 曲线 来统一表示，并提出了4 0 种约束来进行参数化设计。然而，这些工作只是 限定在二维对象领域。 竺垒堡型三查兰三兰堡兰篁尘兰 在三维参数化设计领域，采用特征树、特征表和特征约束关系图来描述 形体设计过程中的参数化特征模型，但未对特征复杂性和自定义特征处理， 还是有预定义的特征来拼装零件模型。 国内外的一些研究工作从人工智能、c s g 和br e p 混合表示入手，例 如将改造的重点放在c s g 树上。在c s g 树的集合运算符s n o d e 之外增加 约束算子c n o d e ，用来表示它的相关体素与其它体素的面或参考基准之间 的尺寸关系，以此实现尺寸驱动的参数设计和验算尺寸链公差。面的信息存 放在边界表示中，因此，c s g 树的每个叶节点体素都有指针指向br e p 中 的有关面。s n o d e 的内容是并、交、差或空。每个s n o d e 带一指针指向 br e p 的中间拼合结果或最终的拼合零件。它有尺寸或公差值制约两个体素 或一个体素与另一基准的面、边、顶点或中心线之间的相对位置。 1 4h u s t - c a i d 系统概述 计算机辅助工业造型设计系统h u s t c a i d ( c o m p u t e ra i d e di n d u s t r y d e s i g n ) 是面向机械产品的外观造型设计系统，主要功能有基于特征的实体 造型、二维绘图、色彩设计、文字装饰、曲面展开、优化排料及文件管理等 i s 。在系统结构的设计上，没有束缚在特定的应用领域上，而是主要考虑实 体造型的一般需要而进行设计的，但其发展方向是朝着特定应用领域的产品 辅助设计方向发展。为了把h u s t c a i d 开发成具有自主版权，面向市场的 软件，系统还有许多需要改进的地方。 h u s t c a i d 系统是以高档微机为硬件基础，在w i n d o w sn t 下，用 v i s u a lc + + 5 0 开发的。以前的系统中，交互技术与用户接口和应用程序相 互渗透、嵌、溶为一体，因而严重地依赖于应用程序。现在，系统总体设 计上采用软件工程思想，进行模块结构设计，使整个系统具有良好的开放 性、可理解性、可维护性；使得c a i d 易学易用，方便用户，提高工作效 率，减少系统的出错率，并且使其向特定应用领域的发展变得容易。c a i d 系统的模块化结构也便于为其配置数据交换接口，接口程序部分以单独模块 存在，这样便于接口程序的修改，也不影响整个系统的可维护性。 h u s t c a i d 系统将法矢量投影引入实体造型，实现了多面体的拼合运 算方法，使系统具有以下的特点： 1 在理论上概念清晰，逻辑简明； 2 在具体实现时避免引入过多的人为约定和判断； 墼堡鎏堡三查兰三耋竺，：耋竺篓兰 3 完全适合于多面体近似有机结合，而且具有扩充功能； 4 几何处理与拓扑处理有机结合，提高重合面、重合边处理的可靠 性：执行效率高，运算的可靠性高。 1 5 课题的来源及本文的研究内容 本课题全名为“基于语义特征造型的自由曲面特征及约束求解机制的研 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造型研 究及应用( 项目编号：6 0 1 7 3 0 5 5 ) ”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 l ”的实际发展需要和驱动。h u s t - c a i d s 已经逐步推广 应用到相关行业中去。“基于细胞元表示的语义特征模型”就是在此基础提 出的。本课题是在二者结合的基础上进一步提出，旨在提高产品的可编辑性 和易编辑性，提高造型能力和造型效率，并切实有效的应用到h u s t - c a i d 系统中，使其产品设计更符合工程设计人员的需要，通过对该课题的深入研 究，不仅解决了传统变量设计的特征造型的关键技术和国产c a d 软件开发 提供一套新理论和方法，并且使c a i d 软件系统更能面向用户的需要，以产 生巨大的经济效益和社会效益，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。 本课题基于语义特征造型进行分析，对不规则图形的参数化和约束求解 进行研究，提出自由曲面特征、特征类等概念，减少设计者对不规则图形的 底层设计，且进一步完善了现有造型系统的约束求解机制。因此，本课题研 究的内容主要包括： 1对自由曲面特征进行参数化。 2自由曲面特征类的设计与创建。 3基于自由曲面特征的原型驱动约束求解方法。 呈垒堡型三查兰三兰堡：耋茎堡丝兰 2 1 引言 第2 章语义特征造型分析 所谓特征是指具有一定工程语义的几何形状。由于工程语义的种类不 同，特征也被分为不同的种类f 4 | 。 特征由于具有明显的层次结构，因此非常适合于采用面向对象的方法进 行表示。设计特征一般被定义为一个类，主要包括下列属性和方法： 1 几何形状：指特征的边界表示或所对应的基本体素以及特征的正负 特性。 尺寸参数：分为用户输入参数和导出参数两种。 定位参数：指特征局部坐标系的6 个参数。 几何约束：包括特征的定形约束、定位约束以及尺寸之间的代数约 束。 公差：指特征组成面应满足的公差。 非几何属性：指特征的材料、热处理等属性。 实体模型构造方法：指生成特征实体模型的方法。 继承规则：指确定导出参数的方法。 有效性规则：指为了保证特征具备特定工程语义，其尺寸参数、边 界元素所必需满足的条件。 特征不仅包含基本体素所具有的定形定位参数，也包含了参数化设计所 需要的定形、定位约束信息，因此可以有效的支持实体造型和参数化设计。 从产品整体发展过程看，特征可分为设计特征、加工特征、分析特征、 公差及控制特征、装配特征等。 从功能上看，特征可分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、 装配体特征。 从设计方法看，特征可分为通道特征、挤压特征、提栏特征、过渡特 征、表面特征、形变特征。 从总体上看，特征可分为应用特征和通用特征两大类。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的。应用特征是指各 种工程专业应用领域里所遇到的各种形状特征，这些特征中有的仍以通用特 2 3 4 5 6 7 8 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 征为基础。 2 2 特征类说明 特征类说明包括特征体、有效性条件与特征模型的接口的说明，这些说 明都使用了约束，而这些约束都是特征类的成员 6 1 。 一个特征类的基础是一个参数体。对一个简单特征来讲就是一个基本 体。例如：一个圆柱体上的通孔。一个基本体封装了一系列几何约束，这些 几何约束的参数与相关的体面相关联。对一个复杂的特征来说，这个特征体 可能是几个重叠的基本特征体的组合。例如：穿透两个圆柱体的孔。 特征所在的几何体指出了这个特征所存在的体范围，我们认为是该形体 构成了空间的边界区域。而且，它的边界分解为功能性的子集体面，每 个面都用它在特征操作中使用的属性名束标记。例如：一个圆柱体有一个顶 面、一个底面和一个边面。 特征类也和每个特征体相关联。特征性质的概念指出了它的特征实例是 从模型上添加或移除( 分别称为正特征和负特征) 。 特征类中有效性条件的说明可以分为三类：几何说明、拓扑说明和功能 说明。 对特征类的几何体进行约束的一个途径是指定与体参数相关的一系列 值，把尺寸约束应用到体参数上。例如，一个通孔类的半径参数可以限制在 1 到1 0 之间。特征体也能够依靠参数间的关系傲几何限定。这种关系可以 让相关的两个参数等价( 例如：正方体截面特征的宽和长) 或者，包括两个 或更多参数和常量的代数表达式。为此，我们使用代数约束。 特征体的说明使得体面能够对特征边界进行全面的说明。然而，对大部 分特征，不是所有的面都与边界有关，有一些面是与边界无关的，这种性质 的说明称为拓扑有效性说明。 为了在特征类中说明拓扑有效性。我们在每个体面上使用边界约束。边 界约束首先由b i d a r r a 和t e i x e i r a 提出【7 1 f 8 | ，是在语义约束的基础上，通过规 定特征面在模型边界上的区域来说明允许存在特征实例的拓扑变体。边界约 束有两种：在边界上( 体面呈现在边界上) 不在边界上( 体面不出现在模型 边界上) 。此外，两种边界约束都是参数化的，规定了在模型边界上不管存 在还是不存在都是完全或仅是部分需要。例如：对一个盲孔类来说，项面有 一个不在边界上的( 完全) 约束，边面有一个在边界上的( 部分) 约束，底 皇尘堡型三奎兰三兰堡圭兰堡篁塞 面有个在边界上的( 完全) 约束。 与上面描述的一样，单独的几何和拓扑有效性说明也不能完全描述特征 类所固有的一些其他方面，最好根据特征量或作为一个整体的特征边界来描 述。因此需要一个较高层次的说明，而不是直接基于体参数或面的。比如说 类的每个特征实例都应该作用于模型的一部分，如边界约束，这样的功能需 要被模型在增加编辑期间导致的特征交互所违反，特征交互是特征影响其功 能意义的体方面的修改。我们在特征类中使用交互约束是为了指明一个特殊 的交互类，并没有考虑实例。拓扑交互与违背边界约束相关联。 特征约束和参数在特征例示阶段需要提供外部数据一一用户提供的数 据。这些特征成员构成了特征类接口。特征类接口的说明决定了特征实例的 实现和与用户的交互方式。在特征类接口中重要的是系统的位置和方向，这 是通过附加和几何约束来说明的。 特征的附加约束把用户提供的特征面与模型中已经存在的一个特征面相 结合，附加约束是一种要考虑相关的两种特征的几何约束，目的是作出j ：_ f 确 的组合。例如：通孔的顶面和底面如果附加就分别是一个块的顶面和底面。 几何约束通过确定自由度来决定一个与模型中其他特征面相关联的特 征。几何约束把以数字参数描述的特征面和模型中用户提供的特征面联系在 一起。例如：定位一个通细长孔会用到一个d i s t a n c e f a c e f a c e 约束，它需要 一个外部的参照特征面和值。 一些体参数可以由附加特征隐含的决定。例如：一个通孔的深度，所有 其他的体参数在特征例示阶段需要一个用户提供的值，因此也包含在特征类 接口中。 2 3 语义特征造型 特征造型是当今产品造型中占主导地位的造型方式，尽管功能很完善， 但仍然存在着一些缺陷”- 。 第一，现在的特征造型系统，在造型过程中不能保持特征的语义不变。 第二，不是产品设计的所有阶段都有多特征视图的产品模型。现在的多视 图特征造型系统仅支持形状特征视图。 第三，不支持用户在特征造型系统产品开发过程中的合作。 第四，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。 哈尔滨理工犬学工学硕士学位论文 为此，我们引入了语义特征造型的概念，解决了以上的问题0 1 1 1r 1 1 2 1 。 2 3 1 语义特征造型的特点 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 间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，相同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弓l 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。和这种系统的边界面不同，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。特征语义的一些重要方面，例如上面所讲的通 孔，没有一个构造的几何模型就不能被保持，也能够持续的表示成整个的页 边界，可能重叠的特征。即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。 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， 丝尘鋈墨三垒兰三兰堡! 童堡竺兰 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。 2 3 2 语义特征造型的维护 在整个造型过程中维护特征模型，不仅需要管理所有的约束，而且为了 评定模型中的每个特征和它的有效性标准的一致性，还要监督每个模型操 作。例如，特征的大部分改变是由于模型操作导致特征重叠而影响其它的语 义，即特征交互作用。管理特征交互作用在语义特征模型的有效性维护方案 中起了很重要的作用。所有相关的交互位霍都可以用一个合适的方法来检 测、报告和处理。只有这样才能保证模型中所有设计内容都被持久的维护。 用这种方法保持特征造型有效性的优点是可以提供给用户更好的协助。当一 个造型操作导致约束改变的时候，特别是解释什么导致了约束违背和上下文 改变，可以显著的改善造型过程。 2 。4 语义特征造型中特征的表示 现代的国内外特征技术研究基本上都是在实体模型的基础上开展的。在 基于特征的参数化造型系统中，如何更全面更有效的表示模型，使特征作为 一种有效的信息载体，能够满足产品从设计、分析到制造各阶段对信息描述 的需求，是国内外学者研究的热点，可以用边界表示、c s g 树和特征描述 树( f d t ) 的混合模型来表示实体模型。f d t 是棵多叉树，记录其对应的 c s g 树结点的特征与其他特征之间的约束关系，允许有多个父特征和多个 子特征，通过特征的重定义和修改可以改变特征的约束关系。 2 4 1 边界表示法( b - r e p ) 边界表示法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，b r ，b r e p ) 首先是在欧洲发展起 来的，并成为很多系统，例如c a t i a 、e u c l i d 、g e o m o d 、m e d u s a 等 数据结构的基础【”l 【15 l 【”。这种方法的基本思想是把物体定义为封闭的边 界表面所围成的有限空间，这样一个形体就可以通过它的边界，即面的集合 坠尘篓塞三奎兰三兰竺。：耋堡篓兰 来表示。而每一个面又通过边、边又通过点、点则利用三维坐标加以定义。 因此边界表示法强调的是形体外表的细节，详细记录了形体的所有几何和拓 扑信息。边界表示法的优点在于含有较多的关于面、边、点及其相互关系的 信息，这些信息对于工程图的绘制及图形显示都是十分重要的。因为在某些 情况f ，曲面模型是利用小平面加以近似表达和描述的，所以，这种方法易 于同二维绘图软件相衔接并可与曲面建模系统联合使用。除此之外，这种方 法便于通过人机交互的方式对物体模型进行局部修改。但是有关物体生成的 原始信息( 即它是由哪些基本体素所定义的，是怎样拼合而成的) ，边界表 示法是根本无法提供的，同时实体描述所需信息量较大，并有部分的信息冗 余。 2 4 2c s g 表示法 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 ) 法也称为构造实体几何法，它利用 二又树纪录了构成一个零件的所有体素和它们之间的拼合过程，可以简称为 体素拼合树【1 8 】。c s g 树只定义它所表示物体的构造方式，既不反映物体的 边界信息，也不能显式的说明三维点集与其所表示的物体在空间中的一一对 应关系。因此，这种表示又被称为物体的隐式模型或过程模型。用c s g 树 表示一个复杂形体是非常简单的，它所表示物体的有效性可以通过其基本体 素的有效性和集合运算的正规性来加以保证。它可以唯一的定义一个物体， 并支持对这个物体的一切几何性质计算。 2 4 3f d t 表示法 f d t 是一棵多叉树，记录其对应的c s g 树结点的特征与其他特征之间 的约束关系，允许有多个父特征和多个子特征，通过特征的重定义和修改可 以改变特征的约束关系。 2 4 4 混合模式 混合模式( h y b r i dm o d e l ) 目前还没有清楚地定义与界限，但在c a d 系统中却被广泛的应用。这种方法是在一个系统中采用了不同种模型来联合 表达实体的，例如常见的，c s g 法与边界表示法相混合。混合模型一般由两 种不同的数据结构组成，互相补充以满足不同的要求。当前大多数的混合应 哈尔滨理工大学工学硕= + 学位论文 用系统都是基于这样一种思想：即在c s g 树结点上再扩充级边界数据结 构，以便达到清晰表达实体的目的。因此，混合模式可理解为是在c s g 树 基础上的一种逻辑扩展”。在这种混合模型中，起主导作用的数据结构仍然 是c s g 树，边界模式的一些优点( 如便于局部修改操作) ，可在这种混合模 型中加以体现，而c s g 法的所有特点都完全包含于这种模型中。 2 5h u s t - c a i d 系统的参数化产品模型 h u s t - c a i d 特征造型系统中有两种模型存储：实体模型和特征模型 ”。“”1 。实体模型采用边界表示法，特征模型记录了特征参数、基准、父特 征和予特征等。为了描述基于特征的约束造型的方便