（计算机应用技术专业论文）语义特征造型中自由曲面自动特征识别技术的研究.pdf

。语义特征造型中自由曲面自动特征识别技术的研究 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。语义特征造型是一种可以声明 的造型方法，它不但能提供定义良好的特征语义的详细描述，同时能有效地 维护造型过程的整个语义。事实上，语义特征造型系统一个基本思想就是在 _ 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。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。 特征识别是一种从实体模型中找出加工特征的有效方法，是构成计算机 辅助设计计算机辅助工艺设计( c a d c a p p ) 之间的理想接1 ：3 。特征识别一直 是c a d c a m 领域的研究热点。该技术自2 0 世纪7 0 年代末提出后，一直受到 人们的高度重视，研究成果丰硕。近十年来，经过人们长期不懈的努力，先 后提出了多种先进的自动加工特征识别方法。 针对大多数特征造型系统只能识别包含菱柱形和圆柱形等规则图形这一 缺陷，本文主要研究了以s t l ( s t a n d a r d3 r i a n g u l a t i o nl a n g u a g e ) 表示的自由曲 面特征识别技术。在对常见的s t l 文件错误进行分类总结的基础上，采用错 误修复图构造错误元素拓扑关系，进而对s t l 文件进行修复。在此基础上， 提出了一种新颖的基于边和区域的混合分割算法。该算法通过检澳t j s t l 自由 曲面模型的特征边，并且过滤掉无用的特征边，将自由曲面模型分割成不同 网格密度的区域，进而利用区域上的顶点、边的几何特性确定其区域类型， 最后根据特征识别规则合并某些区域，从而达到识别自由曲面的目的。经过 在h u s t - c a i d 系统中进行试验表明，该算法能够准确地识别一些自由曲面 特征，而自由曲面特征识别技术的引入，也使得h u s t c a i d 更加完善，更 具实用性，更加满足用户的需求。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 关键词语义特征造型；自由曲面；特征识别；标准三角形语言 r e s e a r c ho na u t o m a t i cr e c o g n i t i o no ff e a t u r e s f r o mf r e e f o r ms u r f a c ei ns e m a n t i cf e a t u r e s m 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 sak e yt om o d e l i n g b u i l d i n gp r o d u c tm o d e l i n gc a i ls o l v e f u n d a m e n t a l l yt h ep r o b l e m so fd a t ae x c h a n g i n ga n ds h a r i n gw h i c he x i s ta m o n g d e s i g n i n g ，p r o d u c i n g ，q u a l i t y - c o n t r o l ，o r g a n i z i n gm a n a g e m e n t ，a n di m p l e m e n t m a i n t e n a n c ea n de d i t i n go fm o d e l s s e m m t i cf e a t u r em o d e l l i n gi sad e c l a r a t i v e f e a t u r em o d e l l i n ga p p r o a c ht h a tn o to n l yp r o v i d e saw e l l d e f i n e ds p e c i f i c a t i o no f f e a t u r es e m a n t i c s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l y m a i n t a i n st h i ss e m a n t i c sd u r i n gt h e m o d e l i n gp r o c e s s i nf a c t ，o n eo ft h eb a s i ci d e a so ff e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g i st h e a b i l i t yt oa s s o c i a t ef u n c t i o n a li n f o r m a t i o nt os h a p ei n f o r m a t i o ni n af e a t u r e m o d e l ，t h a tf o r mt h es e m a n t i co ft h ef e a t u r et o g e t h e r t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yo f f e a t u r em o d e l i n gi sb a s e do nt h ef e a t u r e so fr e g u l a rs h a p e ，b u tw i t h i t s d e v e l o p m e n tm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o ni si n v o l v i n gi r r e g u l a rs u r f a c e ，w h i c hi s a l li m p e r a t i v ep r o b l e mt ob es o l v e d f e a t u r er e c o g n i t i o n ( f r ) i sa ne f f e c t i v em a n n e ro ff i n d i n gp r o d u c i n gf e a t u r e s f r o ms o l i dm o d e l s a n df ri sa ni d e a li n t e r f a c eo fc a da n dc a p p i ti st h ef o c u s t h a tm a n ys c i e n t i s t sa r er e s e a r c h i n gi nc a da n dc a p pf i e l d a n di ti sp a i dm u c h a t t e n t i o n w i t he f f o r tt h es c i e n t i s t sp r o p o s 6 ds e v e r a lk i n d so fm e t h o d so ff r a a i m i n ga tf e a t u r er e c o g n i t i o nd o m a i nl i m i t s t ot h e p r i s m a t i c a 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 ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e s f e a t u r er e c o g n i t i o no ff r e e f o r ms u r f a c ei ns t a n d a r dt r i a n g u l a t i o nl a n g u a g e a f t e rt h ee r r o r so ns t lf i l e sw e r ec l a s s i f i e d ，u s i n ga ne r r o r sd e s c r i p t i v eg r a p h r e p r e s e n tt h et o p o l o g yo fc h e c k e de r r o re l e m e n t s ，t h e ns t lf i l e sw e r er e p a i r e d o nt h eb a s i so fi t ，an o v l eh y b r i dr e g i o ns e g m e n t a t i o na l g o r i t h mb a s e do ne d g e s i i i 哈尔滨理工大学_ t 学硕十学位论文 a n dr e g i o ni sp r o p o s e d b yd e t e c t i n ga n df i l t e r i n gu n w a n t e df e a t u r ee d g e so fs t l m o d e l s ，t h em o d e l sw e r es e g m e n t e di n t or e g i o n si nd i f f e r e n td e n s i t y , t h e nu s i n g g e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fv e r t i c e sa n de d g e sd e n t i f yt y p eo ft h er e g i o n ，f i n a l l y r e c o g n i z et h ef r e e f r o ms u r f a c e a f t e rt e s t e di nh u s t - c a i ds y s t e m i tc a n r e c o g n i z ea c c u r a t e l ys o m ef r e e f o r ms u r f a c ef e a t u r e s i n t r o d u c i n gt h et e c h n o l o g y o ff r e e f o r ms u r f a c ef e a u r e sr e c o g n i t i o nn o t o n l ym a k eh u s t - c a i dm o r ep e r f e c t ， b u ta l s oh a v ep r a c i c a l i t y , w h i c he f f e c t i v e l ym e e tt h ed e m a n do f u s e r s k e y w o r d ss e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n g ，f r e e f o r ms u r f a c e ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ， s t a n d a r dt r i a n g u l a t i o nl a n g u a g e ( s t l ) 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自 动特征识别技术的研究，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：蠢虹 日期：卵年弓月卅日 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自动特征识别技术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。 不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：痢浪工日期：渺拜弓月叫日 导师签名：忍铉日期：硝声弓月支旧 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 1 1c a d 技术简介 第1 章绪论 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并且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 r t ) 屏幕上输出图形，计算机图形学随 之诞生啦! 。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。 1 1 1c a d 技术的演进 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 。1 9 6 3 年，i e 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h 1 。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啼引。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 入市场并形成主流盯1 。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，具有价格便宜，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究。 二十世纪七十年代后期，一个以计算机辅助设计技术为代表的新的技术改 哈尔滨理丁人学丁学硕1 二学位论文 革浪潮席卷了全世界，它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代，而且 几乎影响到全部技术领域，冲击着传统的工作模式哺1 。以计算机辅助设计这种 高技术为代表的先进技术已经、并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。计 算机辅助设计技术的水平成了衡量一个国家工业技术水平的重要标志。 到9 0 年代初期，以3 2 位工作站为基础的c a d 系统发展迅速阳1 。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。其主要功能已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n 刚。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n “1 2 1 。 1 1 2 现代c a d 系统产品造型的发展方向 c a d c a m c a p p 作为成熟的技术已在企业中得到了广泛的应用，并已成 为企业的现实生产力。现在c a d 技术的发展趋势主要表现在以下四个方面，即 标准化、开放式、集成化和虚拟c a d 设计。 1 标准化除了c a d 支撑软件需要实现i s o 标准和工业标准之外，面向应用 的标准构件( 零部件库) 也需要实现标准化。标准化己成为c a d 系统发展的必 然趋势。 2 开放性目前c a d 系统都是以w i n d o w s 9 8 n t 和u n i x 为平台，在 l i n u x 系统上也有部分c a d 产品1 。此外c a d 系统都为用户提供了二次开发 环境，这使得用户可以方便地定制自已需要的c a d 系统。 3 c a d 系统的集成化c a d 系统集成化是当前机械c a d 技术发展的主要趋 势之一，目标是要提高产品设计的自动化程度，使c a d 系统的设计方案直接变 为c a m ( 计算机辅助制造) 的加工数据。 4 虚拟c a d 设计在虚拟c a d 设计中，一般是通过网络来完成设计方案的 传递。在各个网络终端上，都存放着设计系统的数据库。我们可以将这一模型 等效为一个并行数据库，在该系统中存在着一个c a d 系统的主控结点，其它用 户成为它的客户端。目前，在虚拟c a d 设计中，一般都采用多个处理结点来存 储c a d 设计的数据方案，各结点通过高速通信网络并行工作以提高查询和互换 哈尔滨理t 大学1 = 学硕七学位论文 设计方案的效率。由于现存的一些数据划分方法不能使得整个关系均匀地分布 到多个处理结点上，所以数据库系统的并行性没有被充分地发挥出来。涉及到 非划分属性的查询时，查询处理器与处理结点之间要进行大量的数据交换，增 加了高速通信网络的负担。 1 2 特征识别技术国内外发展现状 特征识别是数字化制造中的一项关键技术。基于特征造型或者参数化造型 的c a d c a m 商品化软件，如u g n x 、p m e 、s o l i d w o r k s 等，虽然给数学化 设计与制造带来了许多便利，但是，特征设计技本还远未达到完善的程度n 射。 在此情况下，特征识别仍是c a d 向c a p p 、c a m 传递信息重要的手段。特征识 别指的是为了获取相关的特征信息而对几何模型的一种解释。 1 9 8 0 年，k y p r i a n o u 在其博士论文中首次介绍了特征识别的思想，其核心 就是基于几何的拓扑实体分类n 引。它奠定了基于边界表示进行特征识别的基 础，几乎后续的所有特征识别方法都以某种形式采用该思想。此后，特征识别 以及特征的概念受到了学术界和工业界的普遍重视，对其研究工作被广泛展 开。新的特征识别方法不断出现，特征识别的范围也从开始的加工特征扩展到 检测特征、分析特征等许多方面。 有关c a d 模型自由曲面特征识别的研究很多，但几乎就没有专门研究以 s t l 形式表示的c a d 模型自由曲面特征识别的，尽管c a d c a m 系统完全支持 这种形式n 6 1 。在许多涉及到自由曲面产品设计和制造的情况下，为了实现自动 设计而识另j j s t l 形式的自由曲面特征是很有用的。典型的应用有自动加工设计 和金属薄板机床设计n ，生成性质较良好的f e m 网格特征图形再利用等等n 引。 有效的c a d 产品模型自由曲面的特征识别技术能使得c a d c a m 产品模型无缝 集成。研究人员一直将精力集中在识另i c a d 模型规则形状特征的算法上，如结 构模式识别，基于图的、基于线索的、基于规则的算法等n 引。 特征识别技术目前主要涉及机械制造、平面金属薄片零件制造和简单铸模 等。c h o i 和k o 提出了一种用平面c a d 模型加工铸孔自由曲面的基于c a p p 的c s p a c e 算法幢训。s u n d a r a r a j a n 和w r i g h t 描述了从用边界表示法表示的三轴 自动车床加工曲面模型中提取自由曲面特征的方法晗。另外一种提取特征的算 法一递归算法，它不能将真正的自由曲面特征和普通的2 5 维曲面特征区分开 来。z h a n ge ta 1 l = j 用基于规则的技术研究了一种识别机械零件c a d 模型自由 曲面特征的算法，该模型是以i g e s 形式所表示的，其局限性是在识别几何特 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 征之前，必须优化零件模型的取向。s r i d h a r a na n ds h a h 噜引提出了能同时识别简 单和复杂自由曲面特征的算法，该算法也有一定的局限性，当假定尖锐特征边 将模型分成不同区域时，很难获得自由曲面边界的数据。 1 3 自动特征识别简述 由于工业界的迫切需要，c a d c a m 一体化已成为近年来c a d 、c a m 研 究人员主要追求的目标之一馏引。然而，c a d 、c a p p 、c a m 的有机集成仍面临 着诸多困难。困难之一就是缺少c a d 与c a p p 之间的智能接口。之所以需要 建立c a d ，c a p p 之间的智能接口，是因为c a d 系统采用实体模型或设计特 征表示产品，而c a p p 系统所需要的却是基于加工特征的产品表示。由于特征 识别自然构成c a d ，c a p p 之间的理想接口，因此长期以来，一直是 c a d c a m 领域的研究热点，并且研究成果丰硕。图1 1 显示了特征识别系统 的结构示意图。 图1 1 特征识别系统结构示意图 f i g 1 1f e a t u r er e c o g n i t i o ns t r u c t u r ef i g u r e 自动特征识别是用计算机智能技术代替交互特征定义中人类的智慧，从零 件的实体模型中抽取出具有特定工程意义的特征信息心副。它以特征识别器( 程 序) 遍历零件几何模型数据，将几何模型与一组预定义特征“样板 进行比 较，确定相匹配的特征实例，实现自动识别。 其按照c a d 系统内部所用几何模型的不同，一般分为基于面表示和基于体 积表示两类；每个类中根据识别中所采用的预定义规则和推理机制不同做进一 步细分。下面给出几个有代表性的识别方法及特点。 哈尔滨理工大学丁学硕十学位论文 1 3 1 基于面表示的自动特征识别 研究人员研究最多的、最具有代表性的基于面表示的自动特征识别方法主 要有以下四种，下面分别进行介绍。 1 句法模式识别方法句法模式识别法用一序列化的几何元素，如直线、 圆弧等来描述二维几何形状，简单的几何形状可以连在一起形成复合的几何开 关。相应的语言( 如编码) 按一定的语法规则来描述零件中的所有几何元素及 其序列( 对应零件几何模型) ，并以相同的语言来描述特定的几何形状样板， 即特征。这样通过语法分析，如果零件中某段描述与特征语法相匹配，即识别 出这一特征。由于三维实体几何元素间的序列不唯一，所以句法模式识别法只 适用于二维和2 5 维特征的识别。 2 基于规则法该方法采用产生式规则描述特征。每个规则通过指定几何 元素一系列的特性如凹凸性、垂直或者相邻等来定义每种特征类型。然后以零 件模型为事实，通过一定的匹配机制进行特征搜索。该方法中特征规则的制定 是关键。该方法能够识别三维特征，但并不能对每个特征类型都可以写出合适 的规则，且识别过程需要不断反复搜索。它常用于工艺计划专家系统的开发。 3 基于图的方法由于目前的实体造型c a d 系统大多采用b r e p 模型表示， 而表示的一种共同的数据结构就是图，所以基于图的方法或图匹配方法也是最 广泛应用的一种特征识别技术。 4 基于痕迹的方法痕迹是一个特定加工特征可能存在于一个零件中的一 种暗示心引。痕迹有多种，除了几何信息外，还有公差、功能特征、已经识别的 特征等。痕迹方法采用了人工智能技术，考虑的可用信息更加周全，是一个有 潜力的研究方向。该方法的关键在于如何将众多的不同类型的数据有效地组织 并进行综合分析。 5 神经网络法神经网络法将特征定义为拓扑和或几何变量的函数，这些 变量值很容易从零件实体模型的b r e p 表示中获得。该方法用数码表示实体模型 中的拓扑和几何关系，将零件模型表示为神经网络能够“理解 的面相邻矩 阵，通过构造特征库中每一特征类型的网络，并训练它们使用特征定义语言， 再将面邻接矩阵一行一行导入每一网络进行特征识别。 神经网络方法避免了繁琐的逻辑搜索，而只是进行简单的算术操作，且所 有特征可以同时搜索，具有速度快的特点。另外，它具有学习能力，即通过例 子来训练。如果训练得合适，该方法还可以识别出相交特征和不完整特征，是 一种值得进一步研究的特征识别方法。 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 1 3 2 基于体积表示的特征识别 基于体积表示的特征识别的思想最早是由a r m s t r o n g 在八十年代初提出 的，主要用于生成数控加工编码，但是该方法存在很多不足，其中最主要的是 分割出的单元体太多。针对此不足，g e n e r a ld y n a m i c s 提出了下面特征识别方 法噜引。 1 基于去除切削体分解法c e n e r a ld y n a m i c s 公司首先提出了通过对零件的 切削体作单元体分解来识别加工特征的方法。零件的切削体是指加工该零件需 要从选定的毛坯中切削掉的总体积，即毛坯减去零件的结果物体。由于零件的 切削体是加工特征的体积总和，因此基于零件的切削体分解进行加工特征识别 更加合理，现已经广泛采用。 2 基于c s g 实体模型的方法基于c s g 实体模型的特征识别方法不多 见，其难点主要在于零件表达的不唯一性。因此，必须处理好c s g 树与特征 生成体的一一对应关系或同一特征体的多个表达形式之间的等效性问题，这涉 及到c s g 树的重构。 1 4 课题研究目的及意义 物体的识别一直是计算机视觉研究领域的重要课题，其中2 d 以及3 d 多面 体物体识别研究已取得了一些进展。然而3 d 曲面物体的识别2 d 、3 d 多面体识 别相比，有更多的复杂性和更强的实用性，因而更受到研究者的重视，已成为当 前物体识别的重要研究领域之一。 特征识别是将传统c a d 系统的几何模型转换为面向应用的特征模型的重 要方法。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。然 而直到现在，绝大部分特征造型系统只支持规则形状特征的识别。由于现代产 品在功能，外观上的高要求，涉及到不规则曲面的问题越来越多嵋引，因此，扩 展c a d c a m 系统功能，使之支持自由曲面特征设计和特征识别，已成为工程 设计人员一个亟待解决的问题。 现有的特征识别方法在识别现实加工中的复杂零件时都存在着不同程度的 i 口- j 题。这也是为什么至今尚未出现成熟的商品化特征识别系统的主要原因。目 前，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 统缺乏对一些复杂自由曲面模型的特征识别的能力。尽管现有的特征识别方法 - 6 - 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 无论在处理相交特征和特征多重解释方面，还是在处理零件的复杂度方面，能 力都得到了很大提高，但由于需求的多样性和制造资源的约束，使得识别结果 有时很难被下游应用所接受；同时，又由于一些特征识别算法本身在识别相交 特征，以及处理曲面特征方面的能力上的不足，大大限制了特征识别的应用范 围。而在我们的实际生活中，产品经常包含各种各样的复杂自由曲面，例如汽 车覆盖件、飞机机身等。因此我们迫切的需要在语义特征造型系统中引入复杂 自由曲面特征识别技术。 1 5 课题来源及内容 本课题全称为“语义特征造型中自由曲面自动特征识别技术的研究 ，来 源于国家自然科学基金资助的项目“基于细胞元表示的语义特征造型系统 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提出的。 本课题将从理论和系统设计开发两个方面对语义特征造型中的关键技术进 行深入的研究，在语义特征造型中引入s t l 表示的自由曲面，在此基础上对 所生成的s t l 文件进行修复，最终达到自动识别s t l 自由曲面特征的目的。 因此本课题研究的内容主要包括： 1 在语义特征造型中引入s t l 表示的自由曲面特征。 2 对表示自由曲面模型的s t l 文件修复的研究。 3 提出自动识别s t l 自由曲面特征的解决方法。 哈尔演理丁人学工学硕i 二学位论文 第2 章基于特征的语义特征造型 特征造型正在越来越多地被产品建模所使用。相对于常规的几何造型，它 具有其独特的优势，即将产品模型的功能信息与工程形状信息有机地结合在一 起晗9 1 。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模型实体和细胞 模型实体啪1 。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地的区分模型实体及重构几何模型的细胞模型实 体。 2 1 特征定义 在近2 0 多年的发展中，特征的定义，从首次c h a y e r s 和p w r i g h t 把“被 连续加工过程切除材料的形状”定义为特征开始，到j s h a h 提出的“特征是一 个形状，对这类形状，工程人员附加一些工程特征、属性及可用于几何推理的 知识 3 1 i d 特征的定义仍然是不统一，不完善的。但是总的来说特征应该是一 部件的物理组元，具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体，它对应 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 零件上的一个或多个功能，能够被固定的加工方式力n - r _ 成形。由于工程语义的 种类不同，特征也被分为不同的种类m 1 。 特征由于具有尖锐的层次结构，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： l 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。 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、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征为基 础。 2 2 语义特征造型分析 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3 潮3 射： 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。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 j ! ! ! ! 自! 目e ! e 目目= ! ! ! 自g j e = ! ! ! ! ! ! ! = = , l i i i i e 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。 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 2 1 语义特征的定义及表示方法 语义特征造型系统中的语义特征是一个包含工程含义的几何原形外形，是 一种封装了各种属性和性能的功能要素，其中包括几何信息、有效性约束条件 及特征模型接口，如图2 1 所示，几何信息描述了特征的几何形状要素，可将 图2 1 语义特征的组成 f i g 2 - 1t h ec o m p o n e n t so f s e m a n t i cf e a t u r e 构成几何体的边界区域用几何要素如特征面、特征边、特征点来表示，例如： 一个圆柱有顶面、底面、侧面三个特征面。有效性约束条件可分为几何约束 ( 包括形位约束和尺寸约束) 、拓扑约束、工程约束三类。几何约束用来约束 各几何元素的固定联系。如：指定两个圆柱体的轴线平行且距离为2 厘米，对 于模型中的大部分特征，并不是所有的特征面都能形成有效的特征边界，如在 封闭的环路内部的特征面，我们将这种性质称为拓扑有效性，并采用边界约束 来限制。边界约束有两种类型，一种是o n b o u n d a r y 即特征面在特征边界上；一 种是n o t o n b o u n d a r y t i p 特征面不在特征边界上。而且，这两种参数类型都是参 数化的。可以指定特征面是完全在边界面上还是部分在边界面上。例如：盲孔 的顶面不在特征边界上，用n o t o n b o u n d a r y 表示，而底面在边界上用 o n b o u n d a r y 表示。由于几何和拓扑约束不能完整的描述特征的功能信息，因 此，需要定义更高一层的语义信息即工程约束，其中包括：资源约束( 如加工 的工具、安装、定位等) 和条件约束( 如冷却条件、加工环境、工艺流程 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 等) ，这三种类型的约束之间并不是孤立的，某类约束条件的改变可以引起其 它约束条件的变化。在特征的初始化阶段，指定约束条件及参数值可能需要外 界提供数据，而特征类接i s i 恰恰实现了用户和特征实例的关联。 2 2 2 语义特征造型特点 和传统的特征造型系统相比，在语义特征造型系统中特征定义和模型维护 被分别处理。特征的所有属性，包括几何参数及有效性条件，都是通过约束来 定义的。在该系统中有两个最重要的特性即特征的语义定义方式以及语义特征 的有效性维护。这两个特征决定了语义特征模型的二级结构，它可以清楚的区 分模型实体及重构几何模型的实体。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和约束实 例。第二级结构是用细胞模型表示重构的特征模型。细胞模型是通过一系列相 连的细胞集来表示整个零件，每个特征都和一个形状类相连，如一个通孔和一 个圆柱形状类相连。这些形状都是参数化的，参数值由用户给定，或者是自动 从已有的其他特征中取得。当所用的参数设置好之后就形成了形状实例，一个 形状实例所占据的特定的空问称为形状空间，除此之外，还要指定特征的性质 是添加性质，或者是删除性质。每个形状都包括一套形状元素。例如：形状面 和形状边。对于一个圆柱形来说包括圆柱顶，圆柱底，圆柱侧面三个形状元 素。语义特征模型的结构如图2 2 所示。 2 2 3 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。所有相关的交互位置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，可以显著地改 善造型过程。 暗尔滨理工人学工学硕士学位论文 图2 - 2 语义特征模型分层体系结构 f i g 2 - 2l a y e rs y s t e ms t r u c t u r eo fs e m a n t i cf e a t u r em o d e l 2 3h u s t - c a i d 系统数据结构 2 3 1 h u s t - c a i d 系统的b - r e p 数据结构 h u s t c a i d 系统采用类似于半翼边结构的b r e p 的数据结构形式，并引用虚 边来解决用语言定义的半翼边结构。其中物体的所有面、点各自连成一个封闭 的链表。 1 物体的数据结构 c l a s sb o d y ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： c h a rn a m e 2 0 ；物体的名称 c l a s sc s gn o d e + c s gn o d e ：指向物体的c s g 结点 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 c l a s sf a c e * f a c e _ p t r 2 ；指向物体面链的首尾指针 c l a s sv e r t e x * v e r t e x _ p t r 2 ；指向物体顶点链的首尾指针 c l a s sb o d y * b o d y _ n e x t ；指向下一个物体的指针 2 面的数据结构 c l a s sf a c e ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： c l a s sf a c e * f a c en e x t ；指向下一个面 c l a s sl o o p * l o o p c l a s sb o d y * b o d y 指向面所属物体p t r ： c l a s sc s g n o d e 木c s g _ n o d e ：指向面所在的c s g 树结点 c l a s sc s g n o d e 木c h i l d _ c s g _ n o d e ：指向面所在c s g 树子结点 d o u b l ep l a n e 4 ，v p l a n e 4 ：用户空间和观察空间的平面方程系数 s h o r ti mf a c e 2 _ 非均匀有理样条曲面 i n tmf a c e i n d e x ；特征的面的标识号 ； 3 环的数据结构 c l a s sl o o p ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： c l a s sl o o p * l o o pn e x t ；指向内环 c l a s se d g e t y p e 掌e d g e _ t y p e _ p t r ；指向首边 c l a s sf a c e * f a c e 指向环所在的面p t r ； ； 4 边类型( 虚边) 的数据结构 c l a s se d g e _ t y p e ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： i mt y p e ：边的类型旺正向边1 一负向边 c l a s se d g e 木e d g e _ p t r ；指向边的指针 ； 哈尔滨理工人学工学硕。i ：学位论文 5 边的数据结构 c l a s se d g e ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： c l a s se d g e t y p e * e d g e n e x t 2 ；指向本边左右环的后继逆时针边 e l c l 和e r c l c l a s sv e r t e x * v e r t e x 2 ；边的起点和终点 c l a s sl o o p * l o o p 2 ；指向边的左右环 s h o r ti n te d g e ； 边的类型旺直线段1一圆周线_linetype 一 一 2 一非均匀有理样条曲线3 一虚线段 ) ； 6 顶点的数据结构 c l a s sv e r t e x ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： d o u b l ex , y ，z ，w ；