（计算机软件与理论专业论文）异构cad系统间数据交换的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 异构c a d 系统间数据交换的研究 摘要 计算机支持的协同设计( c o m p u t e rs u p p o s e dc o o p e r a t i v ed e s i g n ，c s c d ) 已经成为网络环境下数字化设计与制造的关键技术之一，异构c a d 系统的 协同设计是其中研究的一个热点。以往的协同设计系统常采用传递模型数 据的方法，但是由于目前网络带宽的局限，要想利用这种方法实现用户间 的实时交互非常困难。鉴于这种现状，如何有效实现异构c a d 系统之间的 数据交换成为了研究的焦点。 本文研究了异构c a d 协同设计系统的体系结构，设计了协同设计系统 的功能模型。通过对比集中式和复制式两种典型的体系结构，采用混合式 构建系统的方法，提出了语义冲突管理器( s c m ) ，有效解决了异构c a d 系 统间语义冲突问题，提高了实时响应性。 同时，本文通过分析现有异构c a d 系统间数据交换的方法，及现有 c a d 系统的特点，提出了基于操作语义和中性建模命令的异构c a d 系统间 数据交换方法，特征造型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。该方法充分利用了c a d 系统建模的高层次表达的趋同 性，避开底层数据的异构性，实现了异构c a d 系统之间的数据交换。并对 异构c a d 系统间数据交换设计中涉及的关键技术进行了分析，重点研究了 中性建模命令的构成原则、操作语义的获取、并发控制。提出了一种新的 并发控制处理方法。设计了异构c a d 系统间数据交换的部分。 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 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。 关键词异构c a d 系统；数据交换；操作语义；特征依赖图 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd a t ae x c h a n g ew i t h i nh e t e r o g e n e o u s c a d s y s t e m s a b s t r a c t c s c d ( c o m p u t e rs u p p o s e dc o o p e r a t i v ed e s i g n ) h a sb e e no n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e si nt h ef i e l do fd i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r eu n d e rt h en e t w o r k e n v i r o n m e n t ，a n dt h ec o o p e r a t i v ed e s i g na m o n gh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m si s ar e s e a r c hf o c u sa b o u ti t t h ep r e v i o u sc o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e m so f t e n a d o p t s t h em e t h o do ft r a n s m i s s i o nd a t u mo ft h em o d e l ，h o w e v e r , b e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o n so ft h ec u r r e n tn e t w o r kb a n d w i d t h ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o na m o n gd i f f e r e n tu s e r st h r o u g ht h i sa p p r o a c h i nv i e wo f t h e p r e s e n ts i t u a t i o n ，h o w t oa c h i e v ed a t a e x c h a n g ee f f e c t i v e l ya m o n g h e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m sh a sb e c o m er e s e a r c hf o c u s t h i st h e s i ss t u d i e dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h eh e t e r o g e n e o u sc a d c o o p e r a t i v e d e s i g ns y s t e m s ，a n das y s t e m sf u n c t i o nm o d e li sd e s i g n e d a c c o r d i n gt o c o n t r a s t i n gt h ef o l l o w i n gt w ok i n d so ft y p i c a la r c h i t e c t u r e s ：t h ec e n t r a lt y p ea n d t h ed u p l i c a t i o nt y p e ，t h i st h e s i su s e dt h em i x e dt y p et oc o n s t r u c tt h es y s t e m ， a n das e m a n t i cc o n f l i c tm a n a g e ri s d e s i g n e d ，i tc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo f s e m a n t i cc o n f l i c ta m o n gh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m sa n di m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo fr e a l t i m er e s p o n s e a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h ea n a l y z e do ft h ed a t ae x c h a n g em e t h o d s a m o n gt h ee x i s t i n gd i f f e r e n tc a ds y s t e m sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e e x i s t i n gc a ds y s t e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e dad a t ae x c h a n g em e t h o db a s e do n o p e r a t i o ns e m a n t i ca n dn e u t r a lm o d e l i n gc o m m a n dw 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 ，f d g ，w h i c hi 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 ，i su s e dt of i g u r e f e a t u r em o d e li n f o r m a t i o n t h em e t h o dm a k e sf u l l u s eo fc a ds y s t e m m o d e l i n gh i g h l e v e le x p r e s s i o nc o n v e r g e n c et oa v o i dt h eh e t e r o g e n e i t yo ft h e b o t t o md a t a ，a n da c h i e v e sd a t ae x c h a n g ea m o n gh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s - i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ek e yt e c h n i q u e sw h i c hi n v o l v e di nh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m sd a t ae x c h a n g e ，a n ds t u d i e d t h ec o m p o s i n gp r i n c i p l e o fn e u t r a l m o d e l i n gc o m m a n d ，t h eo b t a i n m e n to fo p e r a t i o n s e m a n t i c sa n dc o n c u r r e n t c o n t r 0 1 an e wa p p r o a c ho fc o n c u r r e n tc o n t r o li sp r e s e n t e d t h e nd a t ae x c h a n g e p a r ti sd e s i g n e da m o n gh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m s f i n a l l y ，t h et h o u g h tm e n t i o n e di nt h et h e s i si sa p p l i e dt ot h ec o l l a b o r a t i v e d e s i g nb e t w e e na u t o c a da n dh u s t c a i dw h i c hi sd e v e l o p e db y t h e r e s e a r c hi n s t i t u t eo fc o m p u t e ra p p l i e dt e c h n i q u e si nh a r b i nu n i v e r s i t yo f s c i e n c e & t e c h n o l o g y a n dt h ea p p r o a c hi sp r o v e dt ob ef e a s i b l e k e y w o r d sh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m s ，d a t ae x c h a n g e ，o p e r a t i o ns e m a n t i c s ， f e a t u r ed e p e n d e n c yg r a p h l 一 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异构c a d 系统间数据交换 的研究，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：维敝砖矿日期：v 弦7 年中月牙日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 异构c a d 系统间数据交换的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a 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：稳西日期：鲈7 年中月g 日 导师签名：毛叼写 日期：1 种了年丫月够日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题全称为“异构c a d 系统间数据交换的研究 ，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 m ) ”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 系统间的数据交换进行有效的研究。 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 课题提出的背景 1 2 1 计算机支持的协同设计 随着全球市场竞争的日益加剧，客户对于产品的要求不断的提高，产品的 复杂度大大增强，所有的企业都面临着空前的压力。如何缩短产品的开发周 期，提高企业快速开发新产品的能力，以及市场多元化、个体特征化发展需求 的能力，成为企业最迫切解决的问题。因此在现代商务中迫切需要建立一个协 作环境，便于在地理上分布的工作团队能有效地进行产品数据、信息的共享， 从而提高新产品的研发进度。计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 就是在这种背景下产生的。 计算机支持的协同工作n 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 ew o r k , c s c w ) 最 早是在1 9 8 4 年有美国m i t 的i r e n eg r e l 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 系统的关键技术 有：群体工作理论、协同多媒体通信、冲突解决乜1 与协调机制、共享对象与并 发控制、多用户界面与人人交互接口、网络安全性和基于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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 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口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 , c s c d ) 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 具有分布式的信息集成、过程集成和组织集成的特征，它以“产 品( 广义的概念) 为核心和目标组织多学科和不同技术的人员进行分布式协同 设计。有以下几种说法： 1 以信息的采集、传输与交换、加工处理和信息管理等为核心的“协同数 据库”作为其“信息集成 的基础。 2 以工作流系统( w f m s ) 技术进行设计进程的协调和控制作为“过程集 成”的方法。 3 基于团队( t e a mw o r k ) 并强调人与人交互关系，有多方参与协同设计以 体现出“组织集成”。 4 在计算机网络环境下进行“产品”设计开发的新型模式。 c s c d 系统比单纯c a d 系统复杂h 1 ： 1 它应该是运行在网络环境下。 2 各c a d 系统是自治的、任务分工明确。 3 各c a d 系统之间围绕设计而进行交互和协同。 4 涉及过程或进程要有协调控制。 5 对设计数据、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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 情况，协同设计系统可分为集中式协同设计系统、复制式协同设计系统和混合 式协同设计系统；根据各个站点的响应情况，可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。 异步协同设计是一种松散耦合的协同工作伟一，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工作，但各自有不同的工作空间， 可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r i g h t 等人研究开发的c y b e r c u t 系 统，k i m 等人开发的c y b e r v i e w 系统等。 同步协同设计是一种紧密耦合的协同工作h 一，多个协作者在相同时间 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，其正在成为协同设计领域研究的热点 之。这方面的代表工作有：韩国的l e e 等人开发的基于w c b 的协同特征造 型系统n e t f e a t u r e 嘲，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w e b s p i f f n ，德国的l u k a s 等人研发的t o b a c o 和香港的c h a n 等开 发的c s m 系统1 。 近年来，在政府机构及大公司的资助下，国外的一些科研院所进行了面向 工程实际的协同设计的研究。 s t a n f o r d 大学联合l o c k e e d ，e i t 及h p 进行了p a c t 项目 1 2 jp 用于研究大 规模、分布式并行工程系统。由a p a rs i s t o 资助s t a n f o r d 大学c d r 和e i t 合作开发的s 弛嘘e 项目支持i n t e m e t 网上的设计小组进行同步的产品设计。 e p r i t 资助的r a c e c a r 以汽车工业为应用背景进行了并行工程的研究。 c e c e d 以协同设计为出发点进行了并行工程支撑环境的研究n 引。 b o e i n g 公司从9 0 年代初开发b o e i n 7 7 7 时，为方便分布异地的设计人员及 缩短设计周期，进行了名为f l y t h r u 的项目研究。f l y t h r u 的开展为设计人员 提供了异步协商的手段，并节省了大量的资金。 t u n i r o be r t s o n 分析探讨了多媒体远程教学软件从早期的研制开发到 原型系统的产品化过程中协同设计的一些问题。 法国圣马丁大学的m a n u e l e ki r s c h p i n h e i r o 等人实现了基于组件 的感知系统。该系统集合了组织知识、活动感知和状态感知，可以方便地加入 新的协同感知组件或者对己有组件升级。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 密歇根州大学的j a n gc h a n q y a n g 开发了名为t e a m s c o p e 的协同系 统，系统定义了四种感知特征并加以实现，最后总结出团队在协同设计过程中 交互感知的需求n 钔。 里斯本大学的a n t u n e sm i q u e l 对协同虚拟环境的感知问题做出了面 向对的抽象，实现了协同虚拟环境中协同管理感知。 国内对协同设计也进行了一些研究，如；清华大学开发了基于c o r b a 的 面向对象技术的协同设计系统，实现跨异构平台产品设计的整体优化、冲突协 调和协同决策。南京理工大学提出了e c w s 实现网络化协同设计制造，并提出 了以m i c r o s o f tn e t m e e t i n g 为协同支持工具为分散在异地的用户提供一个“你 见即我见 的实时协同工作环境。四川大学建立了一种基于多a g e n t n 5 1 技术的 协同设计模型，通过a g e n t 之间的信息交换，以达到协同工作的目的。华南理 工大学提出了基于v r m l 和j a v a 的虚拟现实协同系统，可以在网上建立虚 拟环境，增强协同设计的交互性和客户端的平台无关性。 1 2 2 异构协同设计中的数据交换 在协同设计过程中，为了使异地站点之间实现有效的资源共享，设计者需 要在各个站点之间进行数据交换。按照交换模型n 们的类型来分，目前主要的数 据交换方式主要有两种，即基于几何的数据交换和基于参数化特征的数据交 换。 1 基于几何的数据交换基于几何的数据交换按交换技术来分，又可以分 成两种，即整体模型传输和增量模型传输。 ( 1 ) 整体模型传输。用户通过网络将整个c a d 模型全部传送到其他站 点，但由于c a d 模型的复杂性，这种传输方法可能需要耗费比较多的时间， 因而这种方法只在异步协同设计系统中使用。根据不同的应用场合，所需传输 的c a d 模型可以为累进的面片模型或者是精确的三维c a d 模型，如实体边界 模型。为了使其他站点的用户更快的得到传送过来的模型信息，也可以采用流 化的方式分步传输，或者用逐步细化的方式进行传输。如美国t o l e d 大学 s a r m a 等人n 提出了一种边界表示模型的流化传输方法，该方法是把三维实 体模型基于实际应用进行分割，把得到的分割体分别编码并将其传输，通过这 种方法实现边界表示的流化传输。 ( 2 ) 增量模型传输。流化的方法虽然在一定程度上可以使用户减少等待时 间，但c a d 模型往往非常庞大，尤其在要保证实时响应的同步协同设计系统 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 中，用户的操作需要实时地反应在其他站点中，由于其他站点中已经存有操作 前的c a d 模型，因而采用增量模型传输即只传输操作后变动的部分的方法可 以有效减少整体模型中数据的冗余，从而大大提高传输效率。s a r m a 等人在 这方面做了较好的工作，他们用c e l l u l e sm o d e l 作为辅助，根据操作类型将实 体模型进行相应分割，将操作后实体的变动部分( c c m ) 从原先的实体模型中分 离出来，再将c c m 传输到其他站点，并根据c c m 中携带的信息，将其嵌入 其他站点的实体模型中n 8 1 。浙江大学c a d & c g 国家重点实验室协同设计小组 也设计了一种直接基于半边数据模型的增量传输方法。 2 基于参数化特征的数据交换由于c a d 主要建模技术己经从几何建模 发展成为特征建模n 町，为了解决在数据交换过程中保留诸如特征、参数和约束 等参数化信息的问题，参数化c a d 数据交换技术主要采用基于a p i 技术的方 法。目前采用基于a p i 技术的典型参数化c a d 数据交换系统有t r a n s l a t i o n t e c h n o l o g i e s 公司开发的a c c - u t r a n s 系统和p r o f i c i e n c y 公司提供的 c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 系统。 t r a n s l a t i o nt e c h n o l o g i e s 公司提供的产品a c c u - t r a n s 使用基于系统a p i 的 技术，支持在异构c a d 系统问进行无缝的特征级别转换。目前支持的c a d 系 统有s o l i dw o r k s 、c a t i av 5 、c a t i av 4 、p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 和i d e a s 。a c c u - t r a n s 的核心技术在于采用交互式建模交换格式( i n t e r a c t i v e m o d e l i n ge x c h a n g ef o r m a t ，i m x ) 存储c a d 模型数据，这使得觚u t r a n s 的用 户能够在任一个c a d 系统中重建或者修改模型，而最终的参数化特征模型可 以在目标c a d 系统中正确构建。同时，通过将b r e p 转换器与参数化特征转 换器结合起来，可以将零件的全几何显式模型导入到装配体模型中。a i c e u - t r a n s 系统还支持特征创建分析( f e a t u r ec r e a t i o na n a l y s i s ，f c a ) 功能，能够在每 个特征交换完成后进行源模型与目标模型的几何校验，同时该系统还可以通过 镜像模型对比器( m i r r o rm o d e lc o m p a r a t o r , m m c ) 进行更精确的双向校验。 p r o f i c i e n c y 公司的产品c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 目前支持在c a t i a v 4 、 c a t i a v 5 、i - d e a s 1 0 n xs e r i e s 、i - d e a s l l n xs e r i e s 、p r 0 e n g i n e e r 2 0 0 1 、p i 创e n g i n e e r w i l d f i r e t miu n i g r a p h i c s n x1 和u n i g r a p h i c s n x2 等c a d 系统间进行参数化c a d 数据交换1 。c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 是采用 a p i 技术实现的，其核心技术即为通用产品表示( u n i v e r s a lp r o d u c t r e p r e s e n t a t i o n ，u p r ) 。使用u p r 技术，c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 在创建一个与具 体c a d 系统无关的集特征，历史，约束和草图于一体的超集，从而支持多种 c a d 系统间的参数化特征交换。通过c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 交换的c a d 数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 不仅保留了参数化特征，而且也支持用户在自顶向下的装配设计过程中使用的 参数特征的交换。对于某个c a d 专有的特征，不能在目标c a d 系统中完全匹 配的时候，c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 将创建一个与特征形体相对应的b r e p 几何 体，以便让转换过程继续下去。用户可以手动将b r e p 几何体用特征操作替换 掉。c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 系统提供额外的工具用来校验数据交换的质量。在 数据交换过程中，通过比较转换前后的物理属性之差来保证数据转换的质量。 超出阀值范围则提醒用户，并且可以由用户来配置校验阀值。 1 2 3 异构集成环境下数据交换的现状 在异构集成环境中，建模方法完全不同于单一的同构c a d 系统的建模方 法口1 刎。 1 对于单一c a d 系统来说，数据管理对用户屏蔽，因此同构系统内部完 全不必考虑系统内部各种数据的存储和管理是否符合c a d 用户的习惯和要 求。而在异构集成环境中所采用的建模方法应充分考虑用户的习惯以及和适应 不同c a d 系统的异构性。 2 对于不同的c a d 系统其计算方法彼此完全独立，同构系统内部所采用 的算法与其他c a d 系统完全独立，不同的c a d 系统在算法上的差异用户在使 用时会有所体现。在异构集成环境中这种差异应得到尽可能的消除。 3 所有的c a d 系统均没有统一且完整的信息输出形式( 标准或约定) 适于 不同的系统间的信息交换。 基于以上几个原因，目前异构集成系统间的直接的完整的产品信息交换几 乎是不可能的。采用目前较为通用的文件格式实现数据交换，可以在一定范围 内进行非常有限的信息的交换，这大多不能满足用户对产品信息交换的要求。 目前对于不同的应用系统来说都尽可能地采用较为通用的信息输出形式。 如很多软件都支持i g e s ( i n i t i a lg r a p h i ce x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 标准、a u t o d e s k 公司的d x f ( d a t ae x c h a n g ef o r m a t ) 等文件格式。s t e p ap 2 0 3 ( a p p l i c a t i o n p r o t o c o l ：p o n f i g u r a t i o nc o n t r o l l e d3 dd e s i g n so fm e c h a n i c a lp a r t sa n da s s e m b l i e s ) 成为标准以后，也得到了许多c a d c a m 软件的支持。但a p 2 0 3 仅描述了产 品的几何与拓扑信息，但没有关于特征的描述，因此其产品数据不够完整。目 前尚没有基于特征的产品数据输入输出标准。 “产品”在本研究里主要指单一的零件，即在三维空间上完全连通的三维 几何体。完整的产品信息应该包括从设计到制造过程中所需要的各种信息。过 哈尔滨理 t 大学工学硕士学位论文 去的基于几何拓扑信息的c s g 树、b r e p 表达法，由于其与设计及制造问题 的描述域相距较大，因此这些描述方法在表达产品设计或制造信息方面存在比 较大的困难。 1 3 研究意义及主要研究内容 1 3 1 本文研究意义 在信息化和数字化时代，面对市场竞争日益全球化的趋势，一个企业如何 以团队合作和信息技术缩短其产品的开发周期，提高产品质量，降低设计生产 成本和加强销售服务，是其自身生存和发展的关键所在。这已经超越了设计人 员个人的能力和单机c a d 系统的功能，也超越了单个企业的能力。公司和企 业有必要联合起来，以实现分布式产品的设计和制造。因此研究计算机支持的 协同设计技术成为一种必然的需求。 目前，在协作环境中异构c a d 系统间的数据交换和互操作是计算机支持 协同设计研究的重要课题之一。由于不同c a d 系统之间存在着大量的异构 性，如数据格式的不一致性、数据描述方法的差异性、设计手段的不统一，造 成c a d 系统间数据交换非常困难。为此，国际上的一些组织建立了c a d 数据 交换标准，如d x f 、i g e s 、s t e p 等。其中，产品数据交换标准( s t e p ) 是目前 应用最广、数据表达最完善的国际标准之一，些c a d 系统集成协作环境都 是建立在s t e p 数据交换基础之上。这种方法基本解决了c a d 系统问的数据 交换问题。然而，基于s t e p 标准的c a d 系统协作模式是一种基于中性模型 的数据交换方式，它在实现c a d 系统间的协作方面存在着以下不足之处。 1 中性模型数据交换方式要求c a d 系统提供完整的数据转换功能。但是 由于数据格式间的差异，这种数据转换总会带来信息上的损失。而且这种损失 针对不同的数据格式上，其损失量是不一样的。这容易造成协作各方数据的不 一致性。 2 基于模型数据交换的协作模式，实际上是一种异步的协作模式，它要求 c a d 系统已经完成了设计过程，经计算得到完整的模型数据后，再可以共享 给其他用户。这就造成了协作者只知道最后结果，而不了解产生结果的过程。 3 对于一些共享s t e p 文件的协作系统来说，由于经常的模型数据交换， 容易造成网络负载增加，甚至网络阻塞等问题。而对于以s t e p 数据库方式建 立的协作系统来说，产品数据管理则是关键，然而也是非常复杂的，随着业务 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的扩大，系统复杂度地增加，其维护成本将成倍增加。 4 目前s t e p 标准描述的仅仅是几何实体和拓扑关系等静态数据，没有提 供对建模过程及行为的描述方法，这就无法支持基于参数化或变量化的c a d 系统间的数据交换。而且，s t e p 描述的模型数据没有包含设计意图信息，使 得协作过程中损失了很多能帮助人们理解设计过程的重要协作设计信息。 由于以上原因，这种以中性数据作为数据交换的方式无法适应计算机支持 协同设了计的发展。虽然，i s 0 1 0 3 0 3 标准委员会开始考虑建立与参数化设计 相结合的c a d 标准接口，以便可以表示设计过程，他们建议把设计参数、约 束以及特征等语义信息添加到产品模型中，从而实现静态显式数据与语义隐式 数据的结合。但是一方面这个标准还在制订中，没有形成一个完整的标准，另 一方面，它考虑的重点主要是与c a d 设计接口相关的一些标准化问题，涉及 的语义信息不够全面，协作语义应该还包括协作者、附加设计文档等其它语义 信息。因此，结合参数化和特征技术，研究基于操作语义胁1 的协同设计技术， 以实现语义层的数据交换和互操作。 1 3 2 本文研究的内容及工作 本课题以异构c a d 系统间的数据交换为主要研究对象，重点研究了异构 c a d 协同设计中的c a d 间数据交换部分的实现机制及方法。异构c a d 系统 具有底层数据的异构性和高层次表达的趋同性等特点，异构c a d 之间要实现 有效的数据交换必须要跨越底层异构的缺点，充分利用高层次表达的趋同性。 本文通过对建模过程中的操作语义进行映射，实现异构c a d 之间的同步操 作，达到同步协同的目的。在异构c a d 系统间的动态数据交换方面，本文提 出了基于操作语义与中性建模命令相结合的动态数据交换思想，数据交换通过 中性建模命令完成，数据信息由细胞元表示的语义特征造型技术中的特征依赖 图( f d g ) 来存储。极大地减少了系统的实现复杂度，很好地实现了异构c a d 系统间的协同。 整篇论文分为5 章。各章内容安排如下： 第2 章是异构c a d 系统间数据交换的实现的理论部分，介绍了语义特征 造型技术，重点介绍了细胞元模型和特征依赖图。 第3 章是异构c a d 协同系统设计，主要通过对异构c a d 协同系统的需求 分析，体系结构分析，设计了系统的功能模型。根据异构c a d 协同的特点， 本文采用混合式的结构来组织整个系统；根据异构c a d 要实现的功能，本文 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 将系统分为两个大的部分：c a d 数据交换部分、协同辅助部分。 第4 章是异构c a d 系统间的数据交换方法，主要分析了现有的异构c a d 之间数据转换和异构c a d 系统的特点，提出了基于操作语义和中性建模命令 的数据交换方法，并对数据交换的关键技术进行了研究。 第5 章异构c a d 系统间数据交换的设计及原型系统设计，并给出了异构 c a d 系统间数据交换的实例。最后是总结和展望，指出课题的不足和以后的 发展方向。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 特征与约束 第2 章语义特征造型技术 2 1 1 特征的定义及分类 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妇。 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。 2 尺寸参数分为用户输入参数和导出参数两种。 3 定位参数指特征局部坐标系的6 个参数。 4 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。 5 公差指特征组成面应满足的公差。 6 非几何属性指特征的材料、热处理等属性。 7 实体模型构造方法指生成特征实体模型的方法。 8 继承规则指确定导出参数的方法。 9 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，特征可以分为通用特征和应用特征两大类。 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， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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。基本形状特征是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体 的高层信息；精度特征即几何尺寸所容许的偏差，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。从删渊集成角度去考虑，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。 2 1 2 约束的概念及分类 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 该被保持的关系嘲一7 1 。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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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。通常约束主要分 为几何约束和工程约束。 1 几何约束所谓几何约束就是几何元素之间必须满足特定的关系啪1 。一 般几何约束分成两种即拓扑结构约束和尺寸约束。前者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。后者是指几何元素间相对位置的定量表示，并伴随着尺寸公 差。尺寸标注是这一约束的一个直接自然的描述。尺寸约束又可分为定形尺寸 约束和定位尺寸约束。前者确定单个形体大小的尺寸，后者指明形体之间相互 位置关系的尺寸，有长度、高度、宽度三个方向基准，一般选择机件上重要的 底面、对称面、端面、轴线等。 2 工程约束所谓的工程约束是指尺寸之间的约束关系( 可能与要达到某种 工程目的有关) ，以及尺寸与其它外在设计变量之间的关系( 包括设计人员加入 的工程知识) ，制造加工域映射到设计域的定性约束啪1 。 2 2 语义特征造型 2 2 1 语义特征造型的特点及维护 虽然特征造型是当今产品造型中占主导地位的造型方式，而且功能比较完 善，但仍然存在着一些缺陷： 1 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。 2 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。 3 不支持用户在特征造型系统产品开发过程中的合作。 4 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。 为此，我们引