（计算机软件与理论专业论文）语义特征造型中自由曲面特征重构的研究.pdf

啥尔滨理丁大学t 学谛i 十学位论丈 语义特征造型中自由曲面特征重构的研究 摘要 特征造型技术是新一代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。建立基于特征的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。同时，将参数化技术引入设计系统中，使得特征具有可调整 性，提高了系统的设计效率。因此，基于特征的参数化技术已成为当今 c a i d 系统的主要依赖手段之一。 当前的特征造型系统都是基于历程的，在产品的设计和后期修改中，重 构新的几何模型所需的时间随着模型复杂程度的提高呈线性增长，模型重构 的效率不高。并且，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，这己成为一 个亟待解决的问题。 为了能够正确维护设计者的设计意图和满足用户的需求，本文具体研究 了语义特征造型中自由曲面特征重构的问题。在对自主开发的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棱柱形与圆柱形等规则形状这一缺陷，引入了自由曲 面特征；结合h u s t - c a i d 系统的特点，定义了自由曲面特征的分类方法； 为了减少模型中的冗余数据，提高模型设计的效率，给出了对自由曲面特征 压缩和简化的方案，并提出在h u s t - c a i d 系统中对特征进行参数化和识别 的方法，以及利用布尔操作对自由曲面特征模型进行重构的方法。 关键词特征造型；自由曲面特征；特征参数化；特征简化：模型重构 竺至堡竺三奎兰：兰竺三茎兰丝三 r e s e a r c ho nf r e e f o r mf e a t u r er e c o n s t r u c t i o ni n s 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 n i 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 sak e yt op r o d u c tm o d e l i n g t h ei n t e g r a lm o d e lo f p r o d u c ti n f o r m a t i o nb a s e d0 nf e a t u r es h o u l d b eb u i l t ，w h i c hc a ns o l v ed a t a e x c h a n g i n ga n dd a t as h a r i n gi nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g ，p r o d u c t i o n , q u a l i t y - c o n t r o l l i n g ，a n do r g a n i z a t i o n - m a n a g e m e n t a tt h es a m et i m e ，t h ep a r a m e t r i c d e s i g nt e c h n i q u ei sa p p l i e dt of e a t u r e - b a s e dd e s i g ns y s t e m ，w h e r et h ef e a t u r ec a l l b ea d j u s t e d ，w h i c hi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n i n gp r o c e s s s o ，t h e p a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n i q u eb a s e do nf e a t u r eh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti nm o s t c a i ds y s t e m s t h ec u r r e n tf e a t u r em o d e l i n gs y s t e m sa r ea l lb a s e do nt 1 1 eh i s t o r y , i nt h e p r o c e s so fp r o d u c td e s i g na n dl a t e rm o d i f i c a t i o n ，t h et i m eo fr e c o n s t r u c t i n gn e w g e o m e t r i cm o d e lw i l li n c r e a s el i n e a r l ya l o n gw i t hi n c r e a s eo fm o d e lc o m p l e x i t y , s ot h ee f f i c i e n c yo fm o d e lr e c o n s t r u c t i o ni sl o w a n dt h ec u r r e n tf e a t u r e m 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 ef e a t u r e s w i t ht h e d 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 dm o r ef r e e f o r mf e a t u r e s a l 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 i no r d e rt om a i n t a i nt h ei n t e n to fd e s i g n e r sa n ds a t i s f yt h e m ，t h i sp a p e r d i s c u s s e sf r e e f 0 1 1 1 1f e a t u r er e c o n s t r u c t i o ni ns e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n g w i t ht h e s t u d y o r h u s t - c a i ds y s t e m ( c o m p u t e ra i d e di n d u s t r y d e s i g ns y s t e m d e v e l o p e db yh a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) ，f r e e f o r i l lf e a t u r ei s i n t r o d u c e di nh u s t - c a i da i m sa tt h es 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 d c y l i n d r i c a ls h a p e si nm o s tf e a t u r em o d e l i n gs y s t e m s c l a s s i f i c a t i o no ff r e e f o r m f e a t u r e si sd e f i n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh u s t - c a i d i no r d e rt o r e d u c et h er e d u n d a n td a t ai nm o d e l sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm o d e ld e s i g n , t h i sp a p e rp r o p o s e sas c h e m et oc o m p r e s sa n ds i m p l i f yt h ef r e e f o r mf e a t u r e s 些玺薹竺三奎兰三兰竺三茎竺丝圣 t h e nd i s c u s s e sh o wt or e a l i z ef e a t u r ep a r a m e t e r i z a t i o na n dr e c o g n i t i o ni nh u s t - c a i da n dp r o p o s e sam e t h o dt or e c o n s t r u c tf r e e f o r mf e a t u r em o d e l sw i t l l b o o l e a no p e r a t i o n s k e y w o r d sf 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 ；f e a t u r ep a r a m e t e r i z a t i o n ；f e a t u r e s i m p l i f i c a t i o n ；m o d e lr e c o n s t r u c t i o n 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中自由曲面特征 重构的研究，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己 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：南雪维日期：2 彤年岁月f 手日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 语义特征造型中自由曲面特征重构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。 不保密吼 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 岛重磕 和蟛 日期：2 优拜；月埠日 日期：西年；月f 厂日 哈尔泞理t 大学t 学矽十学伊论文 1 i 课题背景 第1 章绪论 1 1 1c a d 技术的产生及发展过程 计算机图形学是伴随电子计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是 近代计算机科学与雷达，电视及图象处理技术的发展相互融合而产生的硕果。 在造船、航空航天、汽车、电子、机械、土建工程、影视广告、地理信息、轻 纺化工等领域中的广泛应用，推动了这门学科的不断发展，而不断解决应用中 提出的各类新问题，又进一步充实和丰富了这门学科的内容。计算机出现不 久，为了在绘图仪和阴极射线管( c 咖屏幕上输出图形，计算机图形学随之诞 生。现在它已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新科学。 2 0 世纪4 0 年代中期，计算机的面世推动了许多学科的发展和一些新领域 的产生，c a d 技术就是在这种环境下起步的。1 9 6 3 年，厄萨瑟兰德博士在 他发表的论文( 人机图形通用系统) 中，提出了s k e t c h p a d 系统，开辟了 图形技术这个富有生命力的研究领域。他所提出的基本理论和技术至今仍被公 认为是c a d 技术的基石。随着绘图机、光笔等硬件设备的面世和发展及对图 形数据处理方法的深入研究，c a d 技术开始形成。 2 0 世纪6 0 年代中期以后，美国的一些大公司和航空航天部都十分重视这 一高新技术，并投入大量的资金对c a d 进行研究和开发。但由于最初研究和 开发c a d 的部门都是为了促进机械设计工作，因而c a d 自诞生之日起便紧 紧地与机械设计结合起来，c a d 系统也伴随c a d 技术的发展而逐步完善。 这个时期的c a d 系统的特点是规模庞大、价格昂贵，而其主要功能仅局限于 二维绘图。 2 0 世纪6 0 年代末期到7 0 年代中期是机械c a d 技术的成熟阶段，随着 计算机硬件的性能价格比不断提高，以小型和超小型计算机为主的c a d 系统 进入市场并形成主流。与大型计算机上的c a d 系统相比，小型机上所应用的 造型软件，具有价格便宣，维护方便等优点。但主要功能仍为二维绘图，此时 人们也开始了三维几何造型技术的研列“。 从2 0 世纪7 0 年代中期到9 0 年代初期，以3 2 位工作站为基础的c a d 系 竺：! 薹至：查兰三兰竺! ：兰竺丝苎 统发展迅速。这一类的系统响应速度较快，硬件投资相对较低，维护方便，很 快进入中、小型企业并加以推广使用。其主要功能己从二维绘图发展到三维造 型设计并可以进行一些基本的分析计算。 进入2 0 世纪9 0 年代后，随着微型计算机技术的蓬勃发展，适用于微型机 的c a d 系统也应运而生，并成为发展的主流。在这一时期，随着c p u 速度 及内存、硬盘容量的增加，造型系统的功能已相当全面，可以集成全部的绘图 与编辑、三维造型、分析、计算和后期处理等功能。此时，已出现了一批较成 熟的造型设计软件，如：s d r c 公司的i d e a s 、p r o e n g i n e e r i n g 、u g 、a n s y s 等。 1 1 2 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。 l 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 和某些二次曲线足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 ) 1 2 1 ，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 哈尔滨理t 大学t 学碜 学寸论艾 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，睨暗处理、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 e e t e d b 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 法不能表达诸 如面、边、点的信息；f b r e 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。1 1 3 r 印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 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 哈尔演理t 大学丁_ 学母i 学竹论文 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 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 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b - r 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 带一个指针指向b - r 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 i 3c a d 系统的发展趋势 c a d 技术作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开 发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及 其产品在市场上的竞争能力，加速国民经济发展和国防现代化的一项关键性高 技术，也是进一步向计算机集成制造( c i m ) 发展的重要技术基础。基于互联网 的信息业的蓬勃发展，使得网络通讯的普及化、信息处理的智能化、多媒体技 术的实用化也逐步走入广大企业和社会；而且，随着对现代制造技术的逐步探 索与发展，与制造业相关的一些理念也相继涌现，如并行工程、敏捷制造、精 益工程、虚拟企业、动态联盟等等，这一切因素使得现代c a d 系统的发展拥 有了更多的分支和内涵，c a d 系统的深度和广度都获得了极大的拓展。c a d 技术发展的主要趋势是集成化、标准化、智能化和网络化。 1 集成化 集成化就是向企业提供一体化的解决方案，集成化的含义是多角度、多层 次的。它可以是一个c a d 系统内部各模块之间的集成，或者是体现一个企业 引进的多种c a d 系统之间的集成，也可以锯释为工程设计领域c a d 、 c a p p 、c a m 系统之间的集成，进一步发展成为支持产品开发的全生命周期 的集成化系统，即把计划、构思、设计、仿真、制造、组装、测试以及文档生 哈印淳珲- c 夫学t 学够卜学垃论史 成等各个环节集成到一个统一的系统中，实现资源的共享和信息的集成标准 化。随着技术的发展，计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制造、 计算机辅助工艺编制将逐步在企业中得到推广和应用。由于这些系统大都是作 为自主系统独立开发的，产品的表示方法有很大的差异。集成化的目的就是要 将计算机辅助设计所产生的实体模型最大限度的被后续的分析、加工、工艺和 仿真所利用 2 标准化 自8 0 年代中期以来，国际上的制造业共同发展了名为s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 的产品模型数据表达与交换的技术标准，并 被国际标准化组织i s o 采纳。 作为一种产品信息建模技术，s t e p 规定了从产品设计、开发、制造以致 于全部生命周期中包括产品形状、解析模型、材料、加工方法、管理数据等方 面的必要信息定义和数据交换的外部描述，从而为企业内外数据交换和信息集 成，发展新一代的产品设计与开发一体化系统、发展信息共享、信息交换的集 成平台、开发新一代产品数据管理系统等等开创了新局面，它是制造业具有划 时代意义的举措。 3 智能化 所谓智能化是一个比较宽泛的概念，切能够减轻人为思考和劳动的方法 都可以说是具有一定的智能。因为一个智能化的c a d 系统能够极大的减少用 户在学习和使用软件过程中的负担、同时也可以在一定程度上降低设计失误， 提高设计效率，最终使设计结果接近最优化，所以近些年来，广大用户对于 c a d 系统应具有一定智能化的呼声越来越高。 m i t 的研究小组在提出c a d 概念时，对c a d 作了这样的设想：设计者 坐在控制台前，通过人机对话，实现从概念设计到生产设计以至制造的全过 程，这是一种人工智能的设想。目前的c a d 技术主要处理数值型的工作，包 括计算、分析与绘图；对设计活动中的另一类符号推理型工作，如方案设计、 选择、评价以及参数选择等，。c a d 系统的能力十分有限，需要结合领域专家 丰富的经验和知识。将人工智能与专家系统技术同传统的c a d 技术结合起 来，形成智能化c a d 系统，使c a d 的应用领域进一步延伸到概念设计与方案 设计阶段，是c a d 发展的必然趋势。c a d 系统智能化将使c a d 系统更灵 活、易用、高效并且富有创造力。 4 网络化 网络化是整个社会各行各业发展的必然趋势，在不远的将来，任何企业或 哈尔演理丁大学t 学矽卜学位论文 个人都不可能摆脱网络化和经济全球化所带来的冲击，从而引发的生存危机。 现代c a d 系统已经基本实现了从单机到局域网的转变，目前正在与企业的 i n t r a n e t 进行整合。随着计算机网络的飞速发展，c a d 系统的网络化已成为不二 可阻挡的历史潮流。计算机支持的协同设计c s c w ( 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 ) 和异地设计技术正成为研究的热点，并初步改变企业技术管 理与组织管理的模式。网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设 备，节省大量的时间和资金。分布式的设计环境可以使多个设计人员在网络上 随时交换设计数据，而且，只要企业的网络与i n t e m e t 相连，同世界上任何一 个角落的人员进行交流与同隔壁办公室人员的交流几乎一样方便。目前正在国 内开始运作的宽带网计划将使c a d 系统网络化的目标变得更为现实。 1 1 4 自由曲面造型技术的研究现状 自由曲匝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 首先提出了将曲线曲面表示为参数的矢函数方法。他最早引入参数三次曲线， 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 一个具有一般件的曲面描述方法，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 、 d e b o o r 和c o x 奠定和完善了b 样条的基础理论后，w g o r d o n 和r r i e s e n f e l d 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 样条曲线曲亟的一种特例，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 n u r b s 形式中。 呈堡篓矍三奎兰三兰竺：兰竺竺塞 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”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，饲如在汽 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“，这些表示方法部属于底层表示方法，而自由曲面 征则可以为原有的低层表示提供一个商层接口。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 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”1 。 通常，设计人员希望能够操作比几何实体更高层的实体，例如点、曲线和 独立表面等等，但是目前，在自由曲面设计中，如果设计人员想要创建或修改 一个自由曲面，他们总会遇到一些用不可预测的方法来处理控制点的问题”。 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9 1 。当特征的概念被应用到机械环境中后，它也就被应用到了 不规则形状区域中。一个自由曲面特征是一个或是一组自由曲面的一部分”， 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。在1 9 9 6 年，p o l d e r m a n n 和h o r v a t h ”提 出了一种自由曲面特征的基本分类方法，将自由曲面特征主要分为四类。另一 种自由曲面特征的分类法是由d em a r t i n 和f o n t a n a t “1 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掘更好的结果”“； ( 2 ) 高层实体和参数可以被直接描述和提取；( 3 ) 设计人员可以方便地应用高 哈尔滨理t 大学t 学碗十学位论文 层参数修改重构的自由表面，而其他表面部分则不需要被重建。 1 2h 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” 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： i 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，提高重合面、重合边处理的可靠性； 5 执行效率高，运算的可靠性高。 1 3 课题来源及研究内容 本课题全称为“语义特征造型中自由曲面特征重构的研究”，来源于国家 自然科学基金项目“基于细胞元表示的语义特征造型系统”( 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 ) ”的实际发展需 要本课题是在二者结合的基础上进一步提出的，旨在提高产品的可编辑性和 哈尔浓理t 大学t 学硕十学位论文 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，对它做进一步的完善，解决传统变量设计的特征造型的关键技术，使其更 符合工程设计人员的需要，更好地体现设汁人员的设计意图。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。 本课题将从理论和系统设计开发两个方面对特征造型中自由曲面特征的关 键问题进行深入的研究，建立自由曲面特征的分类方法，在此基础上对其进行 简化，并提出对自由曲面特征进行重构的方法，从而减少特征修改和重构中的 冗余，提高模型重构的效率。本课题研究的内容主要包括： 1 在语义特征造型中引入自由曲面特征； 2 对特征造型中的自由曲面特征进行分类； 3 对自由曲面特征进行简化； 4 提出特征造型中自由曲面重构机制的解决方案。 睁尔疗珲t 大学t 学碲卜学位论丈 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 造掣方法相比，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 忭。这螳特征属性掏成了特，征的语义：( 1 ) 特征的参数化形状：由特征形状的 元素、参数和墉性构成；( 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一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一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旧。 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 咿勺帚理t 学t 学柳i 卜学p 诊吏 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”。 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 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 丝篁篓矍三圭耋三兰! ! ! ：兰竺丝塞 都用它在特征操作中使用的属性名来标记。例如：一个圆柱体育一个顶面、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j e 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，个通孔类的半径参数可以限制在l 到l o 之间。特征体也能够依靠参数间的关系做几何限定。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，不是所有的面部与边界有关，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”，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 约束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，附加约束足一种要考虑相关的两种特征的几何约束，目的足做出正确的组 合。例如：通孔的顶面和底面如果附加就分别足一个块的顶面和底面。 几何约束通过确定自由度柬决定个与模型中其他特征面棚天联的特征。 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茌面联系在一起。 例如：定位一个通细跃孔会用到一个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 特征之间的约束关系及求解方法 2 4 1 约束的概念及分类 约束描述了特征之脚应该满足的关系，约束允许用户描述性地给出一个应 该被保持的关系”。一旦用户定义了系列的约束，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，人们按着客体之日j 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“”。出于不同领域中 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。 i 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“。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；而相互问的结构关系则是在几何实体生成之后确定 的。后者是指几何元素阿相对位霄的定量表示，并伴随着尺寸公差。尺寸标注 是这一约束的个直接自然的描述。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 所谓的工程约束足指尺寸之b j 的约束关系( 可能与要达到某种工程目的育 庐妒- 宫呼r 学丁学砷i 学廿诊盘 关) ，以及尺寸与其它外在设计变量之f r j 的天系( 包括设计人员加入的工程知 识) ，制造加工域映射到没计域的定性约束阱1 。 2 4 2 约束的求解方法 1 数值法 数值法足约束求解系统中最基本的求解方法”，尤其在c a d 中的大型的 约束系统中。在其他的领域中，应用的也比较广泛。最常用的数值法是牛顿迭 代法。该方法