（计算机应用技术专业论文）语义特征造型系统中特征模型转换的研究.pdf

哈尔演理t 大学t 学毋卜学位论文 语义特征造型系统中特征模型转换的研究 摘要 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。特征转换是语义特征造型中的一 个关键技术，但是它存在的主要问题就是不能很好地解决相交特征的转换， 这是一个亟需解决的问题。 本课题通过对新一代的语义特征模型的分析，运用有效性标准，确立语 义特征造型中特征转换的方法，在采用数学方法基础上，本文提出了在数学 模型中把设计特征表示转换成加工特征表示的新方法。设计过程中的设计特 征由一组具有几何特征的面和一组属性( 包括维数和具体特征) 表示。加工 、过程中的加工特征由许多面和这些加工操作中面面之间有意义的关系来表 “、示。根据设计和加工过程中的特征表示，特征转换的数学模型由一个转换函 数g 。表示，g 。一。是由加工转换函数g 。和9 2 组成的复合函数。第一个函数 蜀从设计模型中提取特征的拓扑元素，形成自己的面模型，这个模型包括 相交特征拓扑元素；第二个函数g ，根据这些元素和与它们匹配的预定义的 加工特征之问的几何关系，把这些提取的元素组成加工特征。此种方法的引 入更能有效的解决相交特征的转换，以使特征造型系统的造型能力和造型效 率得到更大的提高。通过在自主开发的计算机辅助工业造型系统( h u s t - c a i d s ) 中对该方法进行了模拟实验，结果表明：本文提出的这种方法有效 地解决了相交特征转换的问题，同时进一步改进和完善了h u s t - c a i d s 系 统，使c a i d 的产品设计更符合工程设计人员的需要。 关键词 语义特征造型；特征转换；力口工特征；特征识别；有效性维护 ：堕兰篓矍三查茎三兰至圭兰堡丝兰： r e s e a r c ho nf e a t u r ec o n v e r s i o ni 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 s a b s t r a c t s e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gi sad e c l a r a t i v ef e a t u r em o d e l i n ga p p r o a c ht h a t n 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 ff e a t u r es e m a n t i c s ，b u ta l s o e f f e c t i v e l ym 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 em o d e l i n gp r o c e s s i nf a c t ，o n eo f t 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 ea b i l i t yt oa s s o c i a t ef u n c t i o n a l i 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 naf e a t u r em o d e l w h i c hf o r mt h es e m a n t i co f t h ef e a t u r et o g e t h e r f e a t u r ec o n v e r s i o ni sak e yt e c h n i q u eo fs e m a n t i cf e a t u r e m o d e l i n g ，w h o s em a j o rp r o b l e mi st h a ti tc a n tr e s o l v ef e a t u r ec o n v e r s i o nv e r y w e l lw h e nt h ef e a t u r e si n t e r a c t ，w h i c hi sa p r o b l e m t ob es o l v e du r g e n t l y t h i sp a p e ra n a l y z e st h es e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n go fn e wg e n e r a t i o n ，u s e s v a l i d i t yc r i t e r i o na n de s t a b l i s h e sm e t h o d so ff e a t u r ec o n v e r s i o nt os e m a n t i c f e a t u r em o d e l i n g b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm e t h o d s ，t h i sp a p e ra d d r e s s e st h e n e wp r o b l e mo fh o wt oc o n v e r tt h ed e s i g nf e a t u r er e p r e s e n t a t i o ni n t om a c h i n i n g f e a t u r er e p r e s e n t a t i o ni nam a t h e m a t i c a lm o d e l d e s i g nf e a t u r e si nt h ed e s i g n d o m a i na l er e p r e s e n t e db yas e to ff a c e so fe a c hf e a t u r eg e o m e t r ya n das e to f a t t r i b u t e ss u c ha sd i m e n s i o n sa n dm a t e r i a lf e a t u r e m a c h i n i n gf e a t u r e si nt h e m a n u f a c t u r i n gd o m a i na l er e p r e s e n t e db yan u m b e ro ff a c e sa n dr e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h e s ef a c e st h a ta l em e a n i n g f u lf o rt h ep r o c e s so p e r a t i o n s o nt h eb a s i s o ff e a t u r e r e p r e s e n t a t i o n s i nt h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gd o m a i n s ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff e a t u r em a p p i n gi sr e p r e s e n t e db yam a p p i n gf u n c t i o n g d 一。w h i c h i sas y n t h e s i sf u n c t i o no ft h e p r o c e s sm a p p i n g f u n c t i o n s g la n d9 2 t h ef i r s tf u n c t i o n ，g l ，e x t r a c t s t h et o p o l o g i c a le l e m e n t so faf e a t u r e f r o mad e s i g nm o d e l ，a n df o r m si t so w nf a c em o d e l w h i c hi n c l u d i n ga l l i n t e r a c t i v ef e a t u r et o p o l o g i c a le l e m e n t s t h es e c o n df u n c t i o n ，9 2 ，g r o u p st h e s e e x t r a c t e de l e m e n t si n t oam a c h i n i n gf e a t u r e a c c o r d i n g t ot h eg e o m e t r i c a l ，i i 堕兰堡至二奎兰三兰堡兰竺丝兰 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s ee l e m e n t sa n dm a t c h e st h e mw i t ht h ep r e - d e f i n e d m a c h i n i n gf e a t u r e s t h en s eo fm e t h o dc a nr e s o l v et h ec o n v e r s i o n o ft h e i n t e r a c t i v ef e a t u r e se f f e c t i v e l ya n de n h a n c et h ea b i l i t yo fm o d e l i n ga n dt h e e f f i c i e n c yo fm o d e l i n gi nf e a t u r em o d e l i n gs y s t e m s s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ti n t h eo w n e r - c o p y r i g h ti n d u s t r ym o d e l i n gs y s t e m ( h u s t - c a i d s ) t h a ti sd e v e l o p e d i n d e p e n d e n t l y a sar e s u l t ，w a y sa n dm e a n sf r o mt h ep a p e rg i v ee f f i c i e n ts o l u t i o n t ot h ec o n v e r s i o no ft h ei n t e r a c t i v ef e a t u r e a tt h es a m et i m e ，w ed of u r t h e r i m p r o v e m e n ta n dp e r f e c t i o nt ot h eh u s t - c a i d s ，m a k et h ep r o d u c td e s i g no f c a i dm e e tp r o j e c td e s i g n e r sn e e d se v e nm o r e 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 e a t u r ec o n v e r s i o n ；m a c h i n i n gf e a t u r e s ； f e a t u r er e c o g n i t i o n ；v a l i d i t ym a i n t e n a n c e - 1 1 1 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特征模型转换的 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硼究 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：陌，i 譬、两 日期；以年3 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特征模型转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，可以公南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。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 作耆签名：两形两 导9 程名：和芝锨 日期：6 年3 月f 7e 1 日期“年弓月7 日 睁涫霹tj 学t 学伸 学位净芷 第1 章绪论 1 1c a d 技术的产生及发展趋势 目前随蕾电子计算机的飞速发展，计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n , 简称c a d ) 技术已在全世界范围内兴起并蓬勃发展起来。c a d 技术是设计人员 在造型系统的帮助下，根据生产进行产品设计的一项综合性的高新技术，它的 发展及其相应的造型系统所具有的高质量、高效率以及人工所不能及的优点， 使得c a d 技术能够被广泛的应用，并且产生了巨大的经济效益和社会效益。 2 0 世纪5 0 年代- - 6 0 年代初，是c a d 技术的准备和酝酿时期，处于被动 式的图形处理阶段。 2 0 世纪6 0 年代是c a d 技术的蓬勃发展和进入应用时期，提出了计算机 图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为c a d 技术的 发展和应用打下了理论基础。6 0 年代中期出现了许多商品化的c a d 设备，6 0 年代末，美国安装的c a d 工作站已达2 0 0 多台，可供几百人使用。 2 0 世纪7 0 年代进入广泛使用的时期，1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推 出完整的c a d 系统。出现了面向中小企业的c a d c a m 商品化系统。7 0 年 代末，美国c a d 工作站安装数量超过1 2 0 0 0 台，使用人数超过2 5 万。 进入2 0 世纪8 0 年代，在这个突飞猛进的时期，图形系统和c a d c a m 工作站的销售量与日俱增，美国实际安装c a d 系统至1 9 8 8 年发展到6 3 0 0 0 套。c a d c a m 技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩 展；从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。 2 0 世纪9 0 年代进入开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，由于 微机加视窗9 5 9 8 n t 操作系统与工作站加u n i x 操作系统在以太网的环境 下构成了c a d 系统的上流工作平台，因此现在的c a d 技术和系统都具有良好 的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化”“1 。 在c a d 系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工 智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能c a d 新学 科。智能c a d 把工程数据库及其管理系统、知识库及其等家系统、拟人化用 户接口管理系统集于一体。如图1 1 所示。 n 尔渖辟- fj 。学r 学椰，f 擘f 、，诊z 豳i - i 智能c a d 系统 f i g 1 一it h ei n t e l l e c t i v ec a ds y s t e m c a d 技术是当代最重要的工程技术之一，在许多重要的应用领域获得了 巨大的成功，它推动了几乎一切领域的设计革命。c a d 技术的发展和应用水 平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一”1 。 c a d 的发展历史最早可追溯到五十年代，早期的c a d 系统仅能提供二维 画图功能，其中的代表性工作是s u t h e r l a n d 的s k e t c h i ：i a d 系统。六十年代末七 十年代初人们就试图把二维c a d 系统扩展到三维。在七十年代，三维实体造 型技术取得了突破性进展，典型的工作有f a nb r a i d 及其同事们提出的基于边 界表示的实体造型方法”和r e q u i c h a 等人提出的基于c s g 表示的实体造型方 法”。同时，得益于计算机软、硬件及计算机图形学方面的进展，二维c a d 系统大量进入工业界投入实际使用。到七十年代末八十年代初商品化的三维造 型系统已推向市场。 在八十年代，把雅塑曲面引入到边界表示模型成为研究人员关心的问题， 研究结果使得曲面造型系统和实体造型系统有机地结合在一起。另外一个重要 的进展是把乖均匀有理b 样条( n u r b s ) 5 i 入到实体模型中，使得c a d 系统能 以统一的形式表示各种不同类型的曲线和曲面。在这一时期，各种各样c a d 软件大量涌现，随着c a d 系统的功能和实用化程度的提高，c a d c a m 技术 被工业界普遍接受并取得了显著的经济效益。 随着c a d 系统实际使用范围不断扩大，人们对c a d 系统提出了更高的要 求。从设计需求的角度看，传统c a d 系统存在诸多不足，主要育以下几个方 面： 1 难以支持产品设计的全过程 产品的设计过程包括功能设计、概念设计、详细设计、测试分析等设计阶 段。而传统的c a d 系统主要支持洋细设计阶段，无法支持产品设计的初始阶 段，也不能很好地支持产品设计的后续阶段。 睁渖霹1 - j 学t 学砷t 学付帚 2 产品模型不完备 一个完备的产品模型应包括从设计到分析、加工各个活动领域的产品信 息。而传统的c a d 系统将几何形状作为产品的主要设计目标，尚缺乏与设计 加工有关的许多产品信息。 3 c a d 与c a e 、c a m 的集成稃度不如人意 各种设计任务不能在同一个集成系统中完成，产生了不同c a d 系统的数 据转换问题。 4 无法支持协同并行设计 对于复杂的产品设计，为缩短设计周期，往往需要许多设计人员分任务共 同进行。而传统的c a d 系统支持的是个体设计活动和顺序串行的设计方法， 难以支持群体的并行协同设计”1 。 近二十多年来，国内外大量学者、科研机构对c a d 技术进行了更加深入 的研究。综观现有的研究工作，c a d 技术呈现出如下几个方面的发展趋势： 1 集成化 c a d 系统的集成化主要包括三个方面：产品数据模型的集成化、产品设 计过程的集成化以及产品设计功能的集成化。产品数据模型的集成化要求系统 支持产品从功能设计到详细设计整个生命周期的产品信息，既要包括产品的几 何形状信息，也要包括大量的非几何信息“；既要支持产品的完整精确信 息，又要支持不确定、不完整的产品信息。产品设计过程的集成化要求系统支 持产品整个设计生命周期，不同的设计阶段能在一个集成化的环境下进行。设 计功能的集成化要求系统将众多的单独设计功能组合成一个统一的设计环境， 为设计人员提供设计过程中各种设计活动的支持。 2 并行化 传统的设计、开发过程是一种串行工作模式，容易造成产品开发过程的反 复，使产品丌发的周期过长，导致成本增加。而并行工程则是把产品开发、设 计中的串行过程尽可能地转变为并行过程。并行工程的实施使设计直接面向产 品的整个生命周期，使设计从一丌始就可以综合考虑用户需求，制造成本、生 产进度和产品质量等多种因素，从而可以大大缩短产品的开发周期，提高产品 质量和降低产品成本。并行工程使设计与后续环节密切联系，使产品丌发者从 一丌始就有一个明确的全局观点。并行工程是一种系统的集成方法，它采用并 行的、一体化的方法处理产品设汁及其相关过程。这种方法可以使丌发人员从 丌始就能考虑到产品从概念设计到消亡的全生命周期的所有因素。 3 网络化 哈0 涫即r ，、学t 学艚t 学位论文 一个复杂产品的没计开发，如飞机的设计制造，往往要把整个设计分解成 多个设计任务，由不同的人员或团体坍同完成。为提高效率，要求产品设计能 够通过网络在异地异构的设计环境下并行协同地进行。而计算机通讯和网络技 术的发展也为此提供了可能。 4 智能化 c a d 系统的目的就在于使人们尽可能从繁重的设计活动中解放出来并提 高设计效率。因为设计活动是人类特有的智能行为，从而要求c a d 系统也要 具有智能性以提高设计的自动化程度。虽然提高c a d 系统的智能性难度很 大，但人们仍将为此作出不懈努力。为适应c a d 发展需要，人们提出了特征 概念。特征技术被认为是实现c a d 系统并行集成的关键技术之一。同时，基 于特征的设计也是提高系统智能化的一个重要思路。 1 2c a d 系统的构成及分类 c a d 技术集中体现在c a d 系统上，c a d 系统是最终用户用来实现设计 思想、加速产品和工程设计的信息化工具。1 c a d 系统的构成c a d 系统硬 件构成如图1 2 所示，从其体系结构讲可分为三个层次。基础由计算机、外围 图i - 2c a d 系统的硬件基本组成 f i g 1 - 2t h eb a s i c c o m p o s i n go f c a ds y s t e m sh a r d w a r e 设备和系统软件组成。系统软件在工作站上流行u n i x 加m o t i f 操作系统，在 微机上流行w i n 9 5 9 8 n t 操作系统。系统软件还包括支撑软件、系统开发和维 护的工具软件。随着网络的广泛使用，异地协同虚拟c a d 环境将是c a d 支撑 层的重要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求有各自的c a d 专用软件 来支持相应的c a dt 作。2 c a d 系统的分类c a d 系统作为计算机应用系 统的一个重要分支，经历t - - 个发展阶段，即：多用户共享一台计算机；一个 兰! ：兰兰三耋兰三兰竺! 茎：丝兰 用户使用一台计算机；一个用户共享多台计算机。从系统结构上看，c a d 系 统大致可分为两类，即集中式系统和网络系统。集中式系统要求有功能较强的 计算机，投资大，使用起束不灵活，在8 0 年代中期以前应用比较广泛。从工 作站和高性能微机问世以后，大多数用户采用工作站和微机网络系统来代替这 类集中式c a d 系统”。 1 3h 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： 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，提高重合面、重合边处理的可靠性； 5 执行效率高，运算的可靠性高。 哈印穆理t 掌t 学母 学持诒叟 1 4 本课题的来源及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题全名为“语义特征造型系统中特征模型转换的研究”，来源于哈尔 滨理工大学计算机应用技术研究所所承担的国家自然科学基金项目“基于细胞 元表示的语义特征造型”( 项目编号：6 0 1 7 3 0 5 5 ) 的研究需要，是该项目的一个有 机组成部分。本课题将在前期研究成果的基础上，对自主开发的计算机辅助工 业造型系统( h u s t c a i d s ) 进行进一步的改进与完善。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 4 2 研究内容 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，建立语义特征造型在产品模型设计过程中特征模型转换新方 法，提高产品模型的可编辑性和易编辑性，提高产品后期设计修改的灵活性， 更好地维护特征模型的有效性。因此本课题研究的内容主要包括： 1 研究语义特征造型系统中从设计特征模型到加工特征模型的特征转换 新方法。 2 在对自主开发的h u s t - c a i d 系统的现有数据结构和算法充分理解的 基础上，使用数学模型实现从设计特征模型到加工特征模型的转换，尤其实现 了相交特征的模型转换，使系统功能更加灵活，操作更加方便，为今后系统的 进一步开发研究打下坚实的基础。 睁渖卿r 九学t 笮神f 掌f 母之 第2 章特征造型的相关理论基础 2 1 特征技术概述 2 1 1 特征技术简史 传统的c a d 系统以实体模型表示产品，仅包含产品的几何信息，它不能 为下游领域如工艺规划、加工制造等提供信息。早在七十年代中期，人们就开 始研究从实体模型中提取数控加工程序所需的加工信息。源于c a d 与c a p p 集成的研究，人们提出了特征( f e a t u r e ) 概念。特征名词的出现，最早见到的文 献是1 9 7 8 年麻省理工学院g o s s a r d 教授指导的一篇学士论文“c a d 中基于特 缸的零件表示”和1 9 7 9 年的另一篇论文“轴类零件的c a d 特征描述系统” ”。1 9 7 5 至1 9 8 0 年蚓，剑桥大学c a d 中心有多位学者从事于自动特征识别 的研究，该中心的g m y e r 于1 9 7 6 年在他的博士论文中研究了自动生成n c 程 序的方法，但其方法实际上并不是识别特征，是k y p r i a n o u 第一个提出了特征 识别思想。随后在八十年代，有关特征识别的研究成为特征技术的研究热点， 大量有关特征识别的研究成果发表出来。 到8 0 年代中后期，为避免特征识别方法中存在的困难，特别是为了使设 计人员能够以习惯使用的功能形素进行设计，人们试图直接用特征进行设计。 p r a t t 和w i l s o n 首先提出了基于特征的设计( d e s i g nb yf e a t u r e s ) 的概念”“。基于 特征的原型造型系统随之出现，但大部分都足实验窒哩的研究性系统。到了九 十年代，大部分的商品化系统都具有了特征参数化造型的功能。 自特征概念提出以后，特征技术的研究便蓬勃展开。1 9 8 8 年末公布的 s t e p 标准草案将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使它从此获得 了国际标准的法定地位。国内外大量学术团体和学者的研究工作都对特征技术 的发展和应用作出了贡献。近十年来，特征技术研究不断深入并在实际生产设 计中得到了广泛的应用。 2 i 2 特征的概念、属性及分类 1 特征的概念 n ：常呼tj 学t 半帅 学帕毋之 特征概念至今没存一个十分严格的定义。笼统地说，特征是工程人员感兴 趣的具有一定工程意义的几何形状。特征与应用领域相关，不同领域感兴趣的 产品的基本几何形状不同，凼此特征定义也往往截然不同。常见的领域特征 有：设计特征、加工特征、装配特 l i = 等。特征具存以下几个特点”“： 一个特征是一个物体的组成部分 一个特征与物体的特定几何信息相对应 一个特征具有一定的工程语义 一个特征具有预先描述的特性 为肓效支持产品开发的整个生命周期，产品模型需要包括多种领域的特征 表示。特征模型是由一系列特征组成表示的产品模型。特缸模型中每个特征是 具有确定表示的一个单元，特征的形状用尺寸参数和拓扑、几何元素的约束关 系来表示，特征的语义约束用以规定特征的功能、行为方式等。如何选择特征 来表示一个物体取决于物体的类掣以及特征模型所支持的应用领域。 任何一个特征建摸系统都有一个特征库，设计人员设计时从特征库中选取 所需的特征进行实例化。特征库中具有一般属性描述的特征通常称为一般特征 ( g e n e r i cf e a t u r e ) ，而一个具体特征模型中的特征通常称为具体特征( s p e c i f i c f e a t u r e ) 或特征实例( f e a t u r ei n s t a n c e ) 。一个特征模型中可以有某类特征的多个 特征实例，如一个零件中有多个孔特征。 2 特征的属性 每个特征都有其特定的属性，这些属性使一个特征区别于其它特征，用以 描述特征的形状、工程语义、行为方式、产生方法及与其它特征的联系等。下 面罗列了一个特征可能包含的部分属性信息： 一般形状，包括拓扑、几何信息尺寸参数 约束参数和约束关系缺省参数值 定位参数和定位方法定向参数和定向方法 参数、定位约束和定向约束间的关公差 系，可能涉及多个相关特征几何模型的构造方法 特征识别算法 有效性规则或维护方法 3 特征的分类 基于相关特征的参数计算方法 非几何信息 在一个基于特征的c a d 系统中，若特征库中的特征随意排列，会对特征 的使用和特征模型的建立带来极大的不便。按照一定的规则对特征库中的特征 进行分类会给特征的定义、操作等带来诸多好处。如把具有十h 问生成方式的特 征归为一类，就可以对一类特征 勾造一个特征创建方法而不必对每个特征都构 造一个创建方法；良好的特征分类还能给产品模型中不同应用领域的特征模型 h j 的数据转换带柬方便。 特征分类的方法很多，可以根据不同的原则进行分类，表2 1 例示了分别 以产品类型、特征的应用领域和特征的几何形状为原则给出的特征分类。 表2 - 1 特征分类 t a b l e2 ic l a s s i f i c a t i o no f f e a t u r e s 产品类犁应用领域几何形状 钣金什特征 设计特征多面体特征 组合扳特征有限元分折特征旋转特征 切削加工特征加i 特征 拉伸特征 注塑模特征装配特征 分忻特征 针对某一特定的应用领域，特征又可以分成许多子类，图2 一i 是一个简单 的形状特征分类： 图2 - l 一个简单的形状特，址分类 f i g 2 一las i m p l ec l a s s i f i c a t i o no f f o r mf e a t u r e s 睁：渖即t l 、学t 学伸f 学廿诒迁 2 1 3 特征建模方法 基f 特征的产品建模系统的饮心足特征模型的生成机制，特衙模型生成机 制的好坏直接影响到琏于特征的c a d 系统的性能。一个基f 特缸e 的产品模型 至少包括相互联系的两部分：特征模型和几何模型。几何横型包括物体的边界 表示、c s g 或其它几何表示，而特征模型包括一系列特征、特征之日j 的关系或 其它高层信息( 见图2 ，2 ) 。 特征模型刊特 征模型 特征模型 特征模掣到几何模世 几何模型 形状定义 卜 拓扑元素 尺寸属性 几何元素 特征位置拓扑关系 几何约束 i l = - ) l 何信息 几何模型到特征模型 图2 - 2 特征模型与几何模型 f i g 2 - 2f e a t u r em o d e la n dg e o m e t r ym o d e l 建立特征模型的方法很多。根据先有特征模型还是先有几何模型我们把特 征模型构造方法分为两类。首先用传统方法建立几何模型，再从几何模型中提 取特征的方法称为特征识g ) j ( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) ；反之，先建立特征模型，再 从特征模型导出几何模型的方法称为特征设计( d e s i g nb yf e a t u r e ) 。特征识别分 为两类：一是由算法自动实现，二是通过用户交互实现。前者称为自动特征识 另i | ( a u t o m a t i cf e a t u r er e c o g n i t i o n ) ，后者称为交互特征识男q ( i n t e r a c t i v ef e a t u r e r e c o g n i t i o n ) 。另外，若已有某一领域的特征模型( 如设计特征模型) ，另一领域 的特征模型( 如加工特征模型) 从已有的特征模型中转换产生，这种产生特征摸 型的方法称为特征映射( f e a t u r em a p p i n g ) 或特征转换( f e a t u r ec o n v e r s i o n ) 。综上 所述，我们把特征建模方法分为如下四种： 1 交互特征识别。首先生成几何模型，用户通过图形交互选取构成特征 的拓扑几何元素提取特征( 如图2 3 所示) 。 睁矿滓j 叩tj 节1 学砷f 学f 诊迁 图2 - 3 交互特征识别 f i g 2 - 3i n t e r a c t i v ef e a t u r er e c o g n i t i o n 2 自动特征识别。首先生成几何模型，通过特定的识别程序从结果物体 中自动找出满足要求的特征( 如图2 - 4 所示) 。 图2 - 4 自动特征识别 f i g 2 4a u t o m a t i cf e m u r er e c o g n i t i o n 3 特征设计。首先建立特征模型，再从特征模型自动生成相应的几何模 型( 如图2 5 所示) 。 _ j f h ， 一! l ：亟一 ( 特征模犁) 、一 i ，。， 图2 - 5 特祉i 殳计 f i g 2 5d e s i g nb yf e a t u r e 4 特征转换。通过对已有特征模型中的特征进行特征转换生成另一领域 特征模型( 如图2 - 6 所示) 。 卟涫邱rj 学r 辱帅i , - 7 - 1 、，论证 2 2 自动特征识别技术 圈2 6 特征转换 f i g 2 - 6f e a t u r ec o n v e r s i o n 自特征概念提出以后，关于特征技术的研究成为c a d c a m 技术研究中 的一个热点。从特征识别到特征设计，再到特征设计与特征识别的集成研究， 研究工作不断深入并取得了丰硕的成果。特征识别的研究工作最早开始于7 0 年代中期的英国剑桥大学c a d 中心。该中心的g r a y e r 在1 9 7 5 年首次尝试从 零件的实体模型中自动提取出对计算零件的数控加工刀具轨迹有意义的几何形 状，并基于如此的特征进行零件的刀具轨迹计算。该中心的另一位研究人员 k y p f i a n o u 于1 9 8 0 年在他的博士论文中首次提出了特征识别思想，从而奠定 了基f 边界表示进行特征识别的基础。从此以后，新的特征识别方法不断出 现，研究工作广泛展开。 到目前为止，特征识别方法的种类已经很多，它们总体上可以分为两大 类：基于边界匹配和基于体分解的特征识别方法”。 2 2 1 基于边界匹配的特征识别方法 特征识别的一个自然方法就是通过搜索零件的边界模型，寻找其中符合特 征边界模式的区域，进而识别出零件中包含的所有特征。我们将这类基于零件 的边界表示，通过边界匹配进行特征识别的方法称为基于边界匹配的特征识别 方法。这类方法的基本步骤为： 搜索零件边界，并将其特定部分与每一类特征的边界模式进行匹配： 确定已识别特征的参数，构造完整的特征几何模型； 对能够合并成组合特征的基本特征进行组合。 特征的边界模式定义和特征搜索策略足该类特征识别方法的关键，也是各 种方法的区别所在。基于边界匹配的特征i 别的代表性方法有以下四类。 i 基于规则的特征识别方法 晴自：泞卿t j 学t 学砷i 学廿论迎 基了二规则的特征识别方法通过规则定义特缸的边界模式，基于专家系统进 行特征识别”“。h e n d e r s o n 提出了一种特 正的规则描述”“，如孔特征描述为： 孔丌始于一入口面；孔面欠轴；孔的所育面顺序十l | 连：孔终止与一个有效的孔 底面。该类方法将零件边界模型渭词表示中的事实与特征规则进行匹配，识别 出零件中的特征。 基于规则的特征识别方法足最早提出的特征识别方法之一，但现在已不太 受重视”。主要原因在于：第一，特征规则的定义方法不唯一，不完备且用户 不易掌握：第二，需要进行大量匹配，识别效率不高；第三，无法有效识别相 交特征。 2 基于图的特征识别方法 基于图的特征识别方法是人们研究最多的特征识别方法之一”。该类方法 采用面边图( 包括图语法) 表示特征的边界模式和零件的边界模型。面边图足指 以面为结点：以面面之间的邻接关系为弧的图。采用面边图表示特征的边界模 式的主要优点在于：第一，特征的图表示具有唯一性、完备性；第二，库特征 的图衷示易于生成。j o s h i 和c h a n g 提出的属性面邻接图是一个典型的特征边 界模式的图表示“，属性面邻接图与一般应边图的区别在于其还将边的凹凸性 表示为弧的属性，从而使特征边界模式的图衷示更加完整。图2 7 是一个台阶 特征的属性面邻接图。 a ) 台阶特征( f l ，厶) b ) 台阶的属性面邻接| ! f i 图2 7 台阶特祉及其属性面邻接图 f i g 2 - 7s t e pf e a t u r ea n di t sa t t r i b u t e df a c ea d j a c e n c yg r a p h 基于图的特征识别方法的特征搜索策略是子图匹配，即通过将零件面边图 中的适当子图与特征的面边圈进行匹配来识别特征。由于图的子图搜索算法是 n pl 口j 题，十分耗时，因此提高子图搜索算法效宰足基于图的特征识别方法的 一个关键问题。j o s h i 和c h a n g 提出了一种特征搜索策略，其方法基于如下的 假设：如果一个面与它的所有相邻面b j 的火角均小于1 8 0 度( 这样的面称为凸 面) ，则该面将不属于任何特征。在这样假设的基础上，他们通过删除零件属 性面邻接图中所有凸面结点以及所有与凸面结点相连的弧得到一组分离子图， 并将它们与特征库中的每个特征的属性面邻接圈进行匹配，识别出特征。这种 睁。节卿t 、学r 学怖f 学f ，谗芑 方法较大地压缩了图搜索的计算量。但由于所作的假设并 | r 总是成立，因此并 不能识别出所有特征。 基于图的特征识别方法具有如下优点：允许用户添加新的特，征类型而f i 必 改动程序；易于与特征设计相结合；能够支持设计、加工、分析等多种应用领 域的特征识别。但该类方法存在的主要问题是难以有效地识别相交特征和提供 相交特征的多种解释。 3 基于痕迹的特征识别方法 鉴于子图匹配的特征识别方法对相交特征识别存在的困难，m a r e f a t 和 k a s h y a p 于1 9 9 0 年提出了产生一测j r ( g e n e r a t e a n d t e s t ) 和添加虚链的方法“。 这里的虚链是指因特征发生相交而丢失的面邻接关系。该方法首先采用人工智 能技术生成零件的所有虚链，并把它们加入到零件的图衷示中；然后通过子图 匹配生成所有的特征假设；最后基于专家系统剔除不正确的特征假设，识别出 所有真正的特征。m a r e f a t 的工作使得基于图的特征识别方法在处理一般性相 交特征方面取得了突破性进展。该方法的不足在于只能识别六类常用的切削加 工特征和多面体零件，另外识别效率也有待提高。 1 9 9 3 年，v a n d e n b r a n d e 和r e q u i c h a 首次提出了基于痕迹的特征识别方法 z z l 。特征痕迹是指一个特征实例存留在零件c a d 模型中的信息。在特征相交 时，一个特征的完整边界模式已不复存在，但是只要它确足零件的一个特征， 就一定在零件的c a d 模型中留有痕迹，因此基于痕迹可以识别特征。特征的 痕迹可以是多方面的信息。目前人们主要采用拓扑几何信息来定义特征痕迹。 基于痕迹的特征识别方法的具体识别过程足：首先在零件的边界表示中提取出 所有的特征痕迹；然后通过几何推理判别每一特征痕迹对应于真实特征的可能 性；最后构造出特征痕迹所对应的完整特征。v a n d e n b r a n d e 方法能够识别一般 性的相交特征，但是该方法中的特征痕迹生成和延拓算法依赖于具体的特征类 型，难以添加新的特征类型。 1 9 9 8 年，高曙明和s h a l l 提出了一种新的基于痕迹的特征识别方法“。该 方法用扩展属性邻接图( e a a g ：e x t e n d e da t t r i b u t e da d j a c e n c yg r a p h ) 表示特 征的边界模式，e a a g 比一般的面边图具有更多的属性。他们提出了一种统一 定义、生成和延拓特征痕逊的方法，以特征的最小条件子图为特征痕迹。这黾 的最小条件子图是指特征的e a a g 存留在零件的属性