（计算机软件与理论专业论文）语义特征造型系统中自由曲面特征有效性维护的研究.pdf

哈尔滨理工大学1 = 学硕士学位论文 语义特征造型系统中自由曲面特征有效眭维护的研究 摘要 特征造型技术是新一代a c a m 集成系统的关键技术之一，是产品模 型设计的核心。虽然一些特征造型系统能够处理特定或是相对简单的自由曲 面模型，但这些系统缺乏对这些模型的有效性维护的能力。因此，自由曲面 的有效性维护技术作为特征造型技术领域的热点技术，已经受到国际学术界 和企业界的高度重视。 本文首先结合国内外研究问题的背景，指出了自由曲面的有效性维护技 术对于科研及工业生产的重要意义，并且对特征造型系统中关于自由曲面造 型技术的研究现状及发展趋势进行了分析，然后综述了语义特征造型和自由 曲面技术的一些理论知识。最后，针对自由曲面的有效性维护技术进行了深 入系统的研究。 第一，针对目前特征造型系统中没有完善的自由曲面特征类的定义机 制，本文系统论述了一种基于f f d p s 配置的自由曲面特征类的定义方法。并 在此方法的基础上深入研究了自由曲面特征的简化过程； 第二，针对目前语义特征造型系统中并没有统一的附加自由曲面特征的 方法，本文提出了一种附加自由曲面特征的构造框架，该框架可以使附加自 由曲面特征的操作完全参数化； 第三，针对目前语义特征造型系统缺乏对自由曲面特征的有效性维护技 术，本文以实现的自由曲面特征构造框架为基础提出了自由曲面特征的有效 性维护机制。根据特征类的分类方法，主要从三个方面描述了自由曲面特征 的有效性维护机制。分别是自由曲面附加特征的有效性维护，移除特征的有 效性维护和修改特征的有效性维护技术；最后，初步研究了语义特征造型系 统中自由曲面特征的有效性恢复机制。 关键词语义特征造型；自由曲面特征；自由曲面特征参数化；有效性维护 r e s e a r c ho nv a l i d i t ym a i n t e n a n c ef o rf r e e f o r m f e a t u r ei ns e m a n t i cf e a t u r em o d e l 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 fi m p o r t a n tt e c h n i q u e si ni n t e g r a t e ds y s t e mo f c a do rc a m ，w h i c hi s ak e yt op r o d u c tm o d e l i n g s o m ef e a t u r em o d e l i n g s y s t e m sc a l lh a n d l es p e c i f i c o rr e l a t i v e l ys i m p l ef r e e f o r mm o d e l ，b u tt h e s e s v s t e m sa r el a c ko fv a l i d i t y m a i n t e n a n c ea b i l i t yf o rm o d e l s s ov a l i d i t y m a i n t e n a n c ef o rf r e e f o r mb e i n gah o tt e c h n o l o g yi np r e s e n tf e a t u r em o d e l i n g f i e l dh a sa l r e a d yb e e np a i dm u c ha t t e n t i o nb yi n t e r n a t i o n a l a c a d e m i aa n d b u s i n e s sc i r c l e s t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l yp o i n t e do u t t h ei m p o r t a n tm e a n i n go fv a l i d i t y m a i n t e n a n c ef o rf r e e f o r mf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g yt o t h es c i e n c er e s e a r c h a n di n d u s t r yp r o d u c t i o nb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fp r o b l e ms t u d i e d ，a n d a n a l y z e dt h ec u r r e n ts t a t u s a n dd e v e l o p i n gt r e n do ff r e e f o r mf e a t u r em o d e l i n g t e c h n o l o g y a n dt h e nt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ef e a t u r e m o d e l i n gi ns e m a n t i c f e a t u r em o d e l i n ga n dt h ef r e e f o r mf e a t u r et e c h n o l o g yw e r es u m m a r i z e d a tl a s t ， t h ef r e e f o r mv a l i d i t ym a i n t e n a n c ef o rs e m a n t i c f e a t u r em o d e l i n gs y s t e mi s r e s e a r c h e dt h o r o u g h l ya n dd e e p l y f i r s t l y , b e c a u s et h e r ei sn op e r f e c tf e a t u r ed e f i n i t i o no f f r e e f o r mi ns e m a n t i c f e a t u r em o d e l i n gs y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o np u t f o r w a r dt h ew a yo ff e a t u r e d e f t n i t i o no ff r e e f o r m b a s e do nt h i sm e t h o d ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ep r o c e s s o f f r e e f o r mf e a t u r es i m p l i f i c a t i o n ； s e c o n d l y ，t h e r ei sn ou n i f i e dm e t h o do fc r e a t i n gf r e e f o r mf e a t u r ei np r e s e n t s e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gs y s t e m ，s oaf r a m e w o r kf o ra t t a c h i n gf r e e f o r mf e a t u r e w a sp u tf b r w a r d t h e f r a m e w o r kc a nm a k ef r e e f o r m f e a t u r em o d e lb e p a r a m e t e r i z a t i o n ； t h i r d l y ，a i m i n g a t b e i n g l a c ko ft h ev a l i d i t ym a i n t e n a n c em e t h o df o r f r e e f o r mf e a t u r ei np r e s e n ts e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gs y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o n n 哈尔滨理t 大学工学硕：上学位论文 p u tf o r w a r dm e c h a n i s mo ff r e e f o r mf e a t u r ev a l i d i t ym a i n t e n a n c e t h ew a yo f v a l i d i t y m a i n t e n a n c ef o rf r e e f o r mf e a t u r ec o n t e n t st h r e e p a r t s t h e r e a r e a d d i t i o n a lf e a t u r e ，r e m o v ef e a t u r ea n dm o d i f i c a t i o nf e a t u r e a tl a s t ，t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h em e t h o do fr e c o v e r ym e c h a n i s mf o rf r e e f o r mf e a t u r ei n s e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gs y s t e m k e y w o r d s s e m a n t i cf e a t u r e m o d e l i n g ，f r e e f o r mf e a t u r e ，f r e e f o r m f e a t u r e p a r a m e t e r i z a t i o n ，v a l i d i t ym a i n t e n a n c e 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语义特征造型系统中自由曲 面特征有效性维护的研究，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：李确 日期： 动呷年易月7 。日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 语义特征造型系统中自由曲面特征有效性维护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。 ， 不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：李日日期：切。f 年弓月阳日 导师签名：抄兰镌 日期沙o 年弓月卯日 哈尔滨理t 大学工学硕1 ：学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题全名为“语义特征造型系统中自由曲面特征有效性维护的研究。 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 i d s ) ”的实际发展需要和驱 动。针对现在语义特征造型中的图形域还仅限于规则图形。我们把自由曲面特 征加入到了基于细胞元的语义特征造型幢1 系统中。提出了针对自由曲面特征 的语义特征造型的方法b 1 并对自由曲面征造型的有效性维护做了深入的研究。 最后将研究成果有效的应用到h u s t c a l l ) h 1 系统中。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 立题的意义 将产品内在功能与外观造型设计统一起来，可以提高产品的整体综合质量 和产品附加值，缩短设计周期，加速新产品开发研制，增强创新意识。语义特 征造型系统的一个基本思想就是在一个特征模型中把形状信息与功能信息有机 地联系在一起，共同构成特征的语义1 。然而直到现在，语义特征造型中的图 形域还是仅限于规则图形。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。 在实践中，产品经常包含自由曲面特征，例如在汽车和航天工业。因此我 们迫切的需要在语义特征造型中加入自由曲面特征。虽然一些特征造型系统能 够处理特定或是相对简单的自由曲面模型，但这些系统缺乏对这些模型的有效 性维护的能力。 特征有效性的维护问题还在不断的被研究，人们期望找到新的约束方法来 维护特征的有效性，同时，原有的约束也在不断的被调整以适应特征多样性的 需要。更为重要的是对于有效性维护的整体过程，现在还没有统一的规范。本 论文就是在这样的背景下提出的有关自由曲面有效性维护的机制，从总体上描 述了自由曲面有效性维护的流程，为后续方法的实现打下了一定的基础。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 几何造型技术的发展 c a d 系统中的核心技术就是模型的构建，即几何造型，通过几何造型， 把产品的设计信息融合到可视的几何图形中。几何造型技术的发展经历了以下 几个阶段。 1 线框造型线框造型是删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。 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 ) ，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表面，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型 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。 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( ，r b r e p t o p o l o g i c a l b 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 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 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 r c p 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，它不能提供一个灵活而富有创造性的设计环境。 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 c a m 集成的有效途径。 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 化阳1 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 c 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。 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进行处理， 还是由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b r 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 c 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b r e p 中的有关面。 s n o d c 的内容是并、交、差或空。每个s n o d e 带一个指针指向b r c p 的中间拼 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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 3 2 自由曲面造型技术的发展 特征技术研究萌芽于二十世纪八十年代初，并于八十年代后期蓬勃发展。 它源于传统的实体造型系统中产品定义的信息不完备，缺乏反映设计意图的工 艺要求信息，并且数据抽象层次较低，所涉及的高层思想交流的概念较少。由 于不方便模型修改，故不支持创造性设计。特征技术目的是要表达产品的完整 技术和管理信息，建立计算机可以理解和处理的统一模型，让特征直接体现设 计者的意图，以便产品的理解与生产组织，并且设计人员将集中于创造性构思 上。它加强了企业产品相关部门的联系，提供了洲c a p p c a m 集成方法和 途径。这些将有利于推动行业产品设计、设计工艺方法的规范化、标准化和系 统化。特征造型技术可以将产品的功能和工程等反映设计人员意图非形状信息 与几何信息进行集成，从而将产品的功能需求、原理方案以及设计领域下游的 制造信息等整个产品生命周期各阶段所需的信息集成到设计阶段来。而特征是 一组具有特定几何形状的功能体素，是满足某些约束关系的特征元素集。特征 的本质是它具有一定的语义，并且这些语义是和产品生命周期的某一活动相关 的盯1 。 语义特征造型是一种包含产品的几何信息和功能信息的特征造型方法。 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。语义特征造型明显的 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呻1 ，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上。 然而目前的语义特征造型系统通常也只支持规则形状特征造型n 训。由于现 代产品在功能，外观上的高要求，通常包含大量的自由曲面，因此，扩展 删c a m 系统功能，使之支持自由曲面特征设计，已成为工程设计人员的迫 切要求。 自由曲面造型技术产生于二十世纪六十年代，1 9 6 3 年，美国的 f e r g u s o n 首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法。他最早引入参数 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 三次曲线，构造了组合曲线和有四角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的 f e r g u s o n 双三次曲面片。他所采用的曲线曲面的参数形式从此成为曲线曲面设 计中进行形状数学描述的标准形式。1 9 6 4 年到1 9 6 7 年，美国麻省理工学院的 c o o n s 提出了一个具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边 界就可以定义一块曲面片- - c o o n s 曲面。1 9 7 1 年，法国的b e i z e r 提出了由控 制多边形定义曲线的方法。随着应用数学和c a d c a m 技术的发展，在 s c h o e n b e r g 、m a n s f i e l d 和c o x 奠定和完善了b 样条的基础理论后， g o r d o nw 和r i e s e n f e l dr 在7 0 年代中期将b 样条理论引入曲线曲面设 计系统。以后，b e z i e r 曲线曲面被看作是b 样条曲线曲面的一种特例，而b 样 条方法比b e z i e r 方法更具有一般性。b 样条基函数具有计算稳定、快速的特 点，同时b 样条曲线曲面具有局部可修改性，具有较强的几何造型能力。 1 9 7 5 年，v e r s p r i l l e 又将b 样条理论推广到有理情形，提出了非均匀 有理b 样条( n u r b s ) 这个概念。后来，到8 0 年代后期，n u r b s 方法发展为 曲线曲面造型方法中最为流行的技术。n u r b s 方法对标准的解析曲线和自由 曲线提供了统一的数学描述，保留了b 样条曲线的节点插入、修改、分割以及 修改控制点等强有力的技术，而且还具有修改权因子来修改曲线形状的能力。 非有理与有理的b e z i e r 曲线曲面形式和非有理b 样条曲线曲面形式都被统一 在b l u r b s 形式中。 从9 0 年代开始，曲面造型技术的发展又出现了新的特点，在某些应用领 域，人们已无法满足于已有的曲面造型技术，开始探索基于其他方法的新的曲 面造型技术。近几年来，随着反求工程n 的发展，曲面造型技术又取得了一些 新的成果。但是到目前为止，对曲面造型技术的研究采用的仍然是传统的参数 化方法，而在语义特征造型系统中对复杂的自由曲面特征的研究还相对较少。 随着特征造型技术的发展，对自由曲面特征的应用将会越来越多，例如在汽 车、飞机、船舶、水利机械以及地形地貌、石油分布等工程描述中，都需要用 到自由曲面和自由曲面特征。在很多情况下，传统的造型技术已经很难满足自 由曲面造型的要求。 在现有的造型系统中，自由曲面大多数是通过b e z i e r 曲面、b 样条曲面和 n u r b s 曲面片来表示的n 引，这些表示方法都属于底层表示方法，而自由曲面 征则可以为原有的低层表示提供一个高层接口。对自由曲面和自由曲面特征进 行研究，可以为设计人员提供更加快捷和直观的造型设计方法。与传统的造型 设计相比，运用一些控制点作用于自由曲面，可以为用户提供一系列自由曲面 特征，而它们的基本形状则是通过直观的参数进行充分定义的。通过特征进行 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 设计的方法为有效性维护提供了很好的保证，这样，只有那些满足有效性条件 的模型才可以被创建n 副。 通常，设计人员希望能够操作比几何实体更高层次的实体，例如点，曲线 和独立的表面等等，但是目前在自由曲面设计中，如果设计人员想要创建或修 建一个自由曲面，他们总会遇到一些不可预见的方法来处理控制点的问题1 。 为了解决这个问题，就需要在自由曲面设计中引入特征的概念。特征是产品的 一系列形状，通过这些形状设计人员可以使用某些生成产品的有用的属性和知 识。特征提供了将一系列元素作为独立实体进行处理的优点，从而提高了创建 产品模型的效率n 射。当特征的概念被应用到机械环境中后，它也就被应用到了 不规则图形区域中。一个自由曲面特征是一个或是一组自由曲面的一部分n 引， 特征的边界由位于表面上的曲线段组成，但自由曲面特征不像机械特征那样能 够详细描述出一条明确，独立的边界。1 9 9 6 年，p o l d e r m a n n 和h o r v a t 提出了一种自由曲面特征的基本分类方法n ，将自由曲面特征类们主要分为四 类。另一种自由曲面特征的分类方法是有d em a r t i n 和f o n t a n a 刚提出 的，他们根据自由曲面的形状和不同的作用，将自由曲面特征类分为两类：形 状变形特征和形状删除特征。最近一段时间，随着自由曲面在反向工程中的应 用，在这方面的研究取得了新的进展： 1 将特征单独处理可以获得比处理所有数据更好的结果啪1 ； 2 高层实体和参数可以被直接描述和提取： 3 设计人员可以方便的应用高层参数修改重构的自由表面，而其他表面 部分不需要被重建船，。 由于存在很多不同的应用区域，而且自由曲面的变化形式又是多种多样， 因此，要求一个特征造型系统提供完整的自由曲面特征库幢是不可能的，为此 必须研究一种定义自由曲面特征的机制以支持用户自己定义特征，在已有特征 类型的基础上增加新的类型。现在基本自由曲面的特征幢引，基本自由曲面特征 类定义机制n 们以及自由曲面特征的识别幢3 1 都得到了一定的发展。 特征参数的确定是特征定义及其分类的核心，但p o l e r m a n n ， h o r v a t h 和f o n t a n a 等并没有把特征的参数化方法结合到自由曲面特征类 型中。对于规则特征，其参数相对容易实现，如一个矩形槽可以通过长，宽， 高3 个参数确定。n y r e n d a 和b r o n s v o o r t 描述了对于混合特征参数化的方 法。问题是对于自由曲面特征要像规则特征一样来定义简单明了的特征参数的 确不易，因为作为设计者，一次仅能够处理有限数量的参数，所以特征类中的 参数量应该受到限制，虽然大家都认识到自由曲面特征参数化问题的重要，却 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 无人提出好的方法。 鉴于特征是具有一定工程语义的几何形状，而特征的工程语义包含着设计 者的设计意图，因此特征的语义应在产品模型中进行表示，并在模型的建立与 修建过程中得以维持，这就是特征有效性的表示与维护问题。长期以来，尽管 特征的有效性的表示与维护问题一直被人们视为特征造型领域一个至关重要的 问题，但至今这方面的进展甚微。目前的商品化特征造型系统都还不具备特征 的有效性维护功能。 比较系统的讨论特征有效性问题的研究工作的不多见。现在，细胞元模型 评估的有效性经常与作为边界表示法的边界评估有效性作为比较，而边界评估 表示法应用在多数商业特征造型系统。r o s s i g n a c 较早的分析了特征模型在 编辑过程中的特征有效性问题。m a n d o r l i 等人提出了自有效性特征的概 念，他们设想在通常的特征定义中加入一系列规则来保持特征的形状与功能语 义的一致性但尚未对规则的具体表示与处理进行深入研究。b i d a r r a ， d o h m e n ，b r o n s v o o r t 等人比较深入地研究了特征有效性问题。他们提 出了一个基于约束的特征有效性条件的表示与维护方法。但他们的方法存在两 方面的问题：一方面是对有些情况不能处理，如当两个特征能够合并为一个新 特征时他们的方法不能判别和处理；另一方面，他们的方法依赖于细胞元模型 ( c e l l u l a rm o d e l ) ，这一s t e p 标准不支持的产品几何表示，这不仅使得算法复 杂，耗时而且难以通用。近来，一些学者研究了用声g q ( d e c l a r a t i v es c h e m e ) 进 行用户自定义特征中的特征有效性的表示问题。由于自由曲面的复杂性，使得 对语义特征造型系统中的自由曲面的特征进行有效性维护技术还处于空白阶 段。 就目前的研究情况来看，自由曲面的表示是自由曲面特征技术的基础，其 核心在于自由曲面特征的参数化。应根据具体应用领域的要求对自由曲面特征 进行分类，研究支持用户自定义自由曲面特征的机制。自由曲面特征设计方法 与规则特征设计方法没有太大差别，问题是要研究自由曲面特征实例化方法， 建立从特征到具体特征形状的映射机制。自由曲面特征有效性的表示和维护有 待进一步研究。 1 4 h 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 yd 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 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 绘图、色彩设计、文字装饰、曲面展开、优化排料及文件管理等。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 l c + + 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； 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，提高重的合面、重合的边处理的可靠 性； 5 执行效率高，运算的可靠性高。 1 5 论文的组织结构 本课题从理论和系统设计开发两方面对自由曲面进行语义特征造型的方法 及其有效性维护进行了深入的研究。建立了自由曲面特征的分类方法。提出自 由曲面特征的实例化方法，并创建了一个自由曲面附加特征的实例。在所提出 的自由曲面构造框架的基础上提出了自由曲面进行有效性维护的方法，从而提 高了造型能力和造型效率，使造型结果更符合设计人员的要求。本论文的章节 安排如下： 第2 章介绍了语义特征造型系统，说明特征造型中特征的定义，并对特征 类做了一定的说明。然后分析语义特征造型的特点，并在此基础上研究语义特 征造型的维护性问题。 第3 章研究自由曲面特征设计，主要内容包括两个方面。其一介绍自由曲 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 面特征的参数化和分类法；其二提出基于自由曲面特征的设计技术，这部分内 容阐述了创建原始自由曲面特征模型的方法。 第4 章从h u s t - c a i d 系统的角度研究自由曲面特征类的构造方法。提出 h u s t - 系统中自由曲面的特征类定义方法，说明自由曲面特征类的创建 过程，并提出了简化一般自由曲面特征的方法。最后提出一个自由曲面附加特 征的构造框架，在第5 章提出的自由曲面的有效性维护机制就是基于这个框 架。 第5 章论述h u s t - c a i d 系统中自由曲面特征的有效性维护机制，该部分 内容包括四个方面。首先，简述什么是自由曲面的有效性维护机制；其次，详 述h u s t - c a i d 系统的自由曲面有效性检查的内容特别是其中特征相交性的检 查；第三，把自由曲面的有效性维护过程分为三个方面进行论述，即附加自由 曲面特征的有效性维护，修改自由曲面特征的有效性维护和移除自由曲面特征 的有效性维护。最后，描述了h u s t - c a i d 系统中自由曲面特征的有效性恢复 机制。 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章基于特征的语义特征造型 特征造型是目前产品造型中的主要方法之一，而语义特征造型与当前许多 造型方法相比，它是一种可以声明的造型方法，即借助于约束来声明特征属 性。这些特征属性构成了特征的语义。 1 特征的参数化形状由特征形状的元素、参数和属性构成； 2 特征的有效性条件由各种约束，即代数约束、尺寸约束、语义约束、 相互作用约束组成； 3 用户输入数据的接口由几何约束、依附约束组成，它们用来确定该特 征的方向和位置。这种可以声明的造型方法其主要优点是可以自由指定约束类 型，因而可以提高模型的可编辑性和易编辑性。同时在整个造型过程中语义特 征造型系统有能力维护特征模型中特征的语义信息，即所有的特征都符合在特 征类中定义的语义，不允许对其任意修改，以确保真正体现设计者的设计意 图，提高模型的可维护性。 语义特征造型系统有两个重要的属性啪1 特征语义的定义和模型的维 护，它们可以被分别处理：既能详细描述特征语义，又能有效地维护造型过程 的整个语义。这两个重要属性决定了语义特征模型的二级结构即模型实体和细 胞模型实体。模型实体是经模型操作创造的实体，被保存在第一级结构即特征 依赖图中，通过特征依赖关系存储所有的特征实例和约束实例。特征依赖图是 语义特征造型中模型管理器的核心，它提供了特征模型的高层结构，并以一种 结构化的方式包含了模型操作的所有实体和信息。第二级结构是用细胞模型表 示重构的特征几何模型，细胞模型是通过一系列相连的细胞集来表示整个零 件，这两个重要属性可以清楚的区分模型实体及重构几何模型的细胞模型实 体。 2 2 特征定义 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。 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 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 几何形状指特征边界表示或对应的基本体素以及特征的正负特性幢射； 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 公差指特征的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、过渡特征啪1 、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形状特征，这些特征中有的仍以通用特征为基础。 2 3 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心 。 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。 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 哈尔滨理1 = 大学工学硕：l 学位论文 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来标记。例如：一个圆柱体有一个项面、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问的关系做几何限定。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i 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 提出晗引，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和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，顶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，底面有一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，模型在增加编辑期间导 致的特征交互将会违反这样的功能，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 加约束和几何约束来说明的。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 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，目的是做出正确的组 合。例如：通孔的项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 c 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来隐含的决定。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 4 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。 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，我们引入了语义特征造型的概念，解决了以上的问题。 2 4 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。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 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