（机械制造及其自动化专业论文）特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 c a d 技术作为制造业最核心和关键的技术，它的发展从根本上改变了机械设计自动 化的研究方向，大大提高了机械设计的质量和效率，缩短了产品更新换代的周斯，在机 械设计领域引起了深刻的变革。三维c a d 技术以其突出的优越性，迅速成为c a d 业的主 流，反映出c a d 技术的应用向深度和广度发展。 大多数工程设计是通过修改现有设计结果来完成的，于是基于历史的三维特征造型 系统应运而生。拓扑元素命名和辨识问题就是这个造型系统必须要解决好的核心问题。 j h s o l i d 软件系统就是基于历史的三维特征造型软件系统。系统同样存在其他商用造型软 件在拓扑元素命名和辨识方面存在的问题，不能很好的解决工程设计修改后特征的重构 和设计意图表达。 本文对特征造型中拓扑元素命名和辨识进行了研究，提出了一种基于面的拓扑元素 命名方法并根据实际应用的需要给出了拓扑面和拓扑边的辨识算法。通过二叉树、多叉 树和链表相结合的数据结构来记录实体的特征造型历史，保存特征重构前后拓扑元素之 间的关系，同时为特征重构时所需要拓扑面和边设计了查询算法。在原有j h s o l i d 三维 软件系统的基础上对拓扑元素命名和辨识所涉及到的系统框架进行了改进或重写，使系 统的框架能够更方便地为问题的解决提供服务。 经过程序编制、调试和反复测试，证实程序成功地完成了既定功能，验证了其方法 的正确性和实用性。 关键词：特征造型；拓扑元素命名；拓扑元素辨识；设计意图 特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究 r e s e a r c ho nt h ea p p r o a c ho f n a m i n ga n di d e n t i f y i n gt o p o l o g i c a l e n t i t i e si nf e a t u r em o d e l i n g a b s t t a c t a st h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h ec o r eo fm a n u f a c t u r i n g ，t h ed e v e l o p m e n to fc a dh a s r a d i c a l l yc h a n g e dt h er e s e a r c hd i r e c t i o no fa u t o m a t i cd e s i g n ，g r e a t l yi m p r o v e dt h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo fm e c h a n i cd e s i g n ，r e d u c e dt h ep e r i o d o fr e f r e s h m e n to fp r o d u c t s ad e e p r e v o l u t i o no fm e c h a n i cd e s i g ni sc o m i n g n o w3 dt e c h n o l o g yh a sb e b o m et h em a i n s t r e a mf o r i t so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ，w h i c hr e f l e c t st h a tt h ea p p l i c a t i o no fc a ds y s t e mt e n d st ob em u c h d e e p e ra n dw i d e r 一 m o s te n g i n e e r i n gd e s i g n sa r ea c c o m p l i s h e dt h r o u g hm o d i f y i n gt h ep r e s e n td e s i g n s ，s o t h e h i s t o r y - b a s e d t h r e e d i m e n s i o n a lf e a t u r em o d e l i n gs y s t e me m e r g e sa s 缸l et i m e s r e q u i r e t h ep r o b l e mo fn a m i n ga n di d e n t i f y i n gt o p o l o g i c a le n t i t i e si st h ec o r ep r o b l e mt h a t t h es y s t e mn e e dt os o l v e j h s o l i ds y s t e mi sah i s t o r y b a s e dt h r e e d i m e n s i o n a lf e a t u r e m o d e l i n gs y s t e m t h es y s t e mh a st h es a m ep r o b l e m s 、析mt h eo t h e rb u s y n e s sm o d e l i n gs y s t e m i nn a m i n ga n di d e n t i f y i n gt o p o l o g i c a le n t i t i e s ，c a l l tr e s o l v et h ep r o b l e mo fr e b u i l d i n gf e a t u r e a n de x p r e s s i n gd e s i g ni n t e n t i o na f t e re n g i n e e r i n gm o d i f y i n g t h ep a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho nt h en a m i n ga n di d e n t i f y i n gt o p o l o g i c a le n t i t i e s ， p r o p o s e sa na p p r o a c ht on a m i n gt h et o p o l o g i c a le n t i t i e sb a s e do nf a c e ，a n dg i v e sar e s e a r c h a p p r o a c ht oi d e n t i f yt o p o l o g i c a lf a c ea n dt o p o l o g i c a le d g e t h eb i n a r yt r e e ，m u l t it r e ea n dl i s t a l eu s e dt or e c o r dt h em o d e l i n gh i s t o r ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o p o l o g i c a le n t i t i e s b e f o r ea n da f t e rf e a t u r e - r e b u i l d i n g ar e s e a r c h i n ga p p r o a c ht ot h et o p o l o g i c a lf a c e sa n de d g e s w h i c ht h ef e a t u r e r e b u i l d i n gn e e d si sd e s i g n e d t h es y s t e mf r a m ei si m p r o v e do rr e w r i t e dt o m a k es u r et h a tt h es y s t e mf r a m ec a ng i v eb e t t e rs e r v i c e sf o rp r o b l e mr e s o l v i n g t h ep r o g r a m sh a v eb e e np r o v e dc o r r e c ta n df e a s i b l et h r o u g hc o d i n g ，d e b u g g i n ga n d t e s t i n ga n dh a v er e a l i z e da b o v e m e n t i o n e df u n c t i o n ss u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：f e a t u r em o d e l i n g ；n a m i n gt o p o l o g i c a le n t i t i e s ；i d e n t i f y i n gt o p o l o g i c a le n t i t i e s ； d e s i g ni n t e n t i o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 作者签名： 日期：丝导年- _ l 月上日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文一 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1c a d 三维造型技术的发展概况 计算机辅助设计即c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术是利用计算机来完成产品设计 中的数据计算、几何分析、产品模拟、图纸绘制、编制技术文件等工作。c a d 技术的 研究始于5 0 年代后期，最初c a d 技术仅是二维计算机绘图技术，直到2 0 世纪6 0 年 代出现了以简单的线框表示三维物体的三维c a d 系统，才开始关注三维c a d 建模技术。 初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，采用几何造型( g e o m e t r ym o d e l i n g ) 技 术，还不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。2 0 世纪7 0 年代，美国m i t 的c o o n s 和法国雷诺公司的b e z i e r 先后提 出了新的曲面算法，解决了曲线及曲面的表达，改变了多截面视图、特征纬线的自由曲 面的设计方法。1 9 7 7 年，法国达索飞机公司( d a s s a u l ta v i a t i o n ) 在此基础上开发出了三 维曲面造型系统( c o m p u t e r a i d e dt h r e e d i m e n s i o ni n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o nc a t i a ) 。首次 实现了用数字模型完全表示一个产品零件的结构几何信息。c a t i a 的出现标志着c a d 技术从二维走向三维，是c a d 史上的一次技术革命i l 】。 2 0 世纪8 0 年代出现的特征造型( f e a t u r em o d e l i n g ) 是c a d 建模方法的另一个里程 碑。特征造型与几何造型技术相比，能更好地表达产品完整的功能和生产管理信息。特 征兼有形状和功能两种属性，可以描述产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘 图表示方法、制造技术和公差要求。特征造型技术的出现使得设计的对象不再是原始的 线条和体素，而是产品的功能要素。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品 模型更容易为人理解和组织生产，为开发基于统一产品信息模型c a d c a p p c a m 集成 系统提供了实现的基础。 2 0 世纪末出现的参数化设计特征技术使c a d 技术更加成熟与实用化。它通过将 参数化设计思想应用于特征造型中，根据设计对象的结构形状比较定型的特点，用一组 参数来约定尺寸关系，通过尺寸求解实现变形设计。在参数化特征设计基础上，推出的 变量化特征设计则是通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状，允许尺寸欠约束 的存在，设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，设计过程相对宽松【2 ，引。 国外c a d 技术发展起步较早，技术积累时间长，资金、技术力量雄厚，至今已有 四十多年的发展史。在此过程中，c a d 技术的发展已经逐步从大中型机平台、工作站 平台发展到现阶段广泛应用的微机平台。国外的三维c a d 软件较多，目前市场上较有 影响的软件有：p r o e 、u g 、i n v e n t o r 、s o l i dw o r k s 、s o l i de d g e 等。 特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究 国内三维c a d 技术的发展从目前看，应当说已经经历了三个发展阶段： 第一个阶段为1 9 8 5 年以前，我国三维c a d 软件产业处于学术研究阶段，主要是 结合典型应用方面的学术研究，尚没有成型的三维c a d 产品。 第二个阶段为2 0 世纪8 0 年代至“九五”期间，这1 5 年是三维c a d 理论、技术 研究和成果转化阶段，相应地出现了一些原型系统，如北航的p a n d a 系统，清华的 g e m s 系统等。“九五期间还出现了一些用国外三维c a d 软件内核如a c i s 、p a r a s o l i d 开发的应用软件，这期间三维c a d 开始在国内企业得到应用。 第三个阶段，按照中国工程院院士江燕的观点，从2 0 0 2 年开始，以8 6 3 计划为主 导，以实现自主知识产权三维c a d 软件产品开发为目标的产业化发展阶段。他将这个 时期的发展划分成了三个层次：第一个层次是具有自主知识产权的三维c a d 软件内核 的开发；第二个层次是将原来基于国外内核开发的应用系统做成新的，面向行业应用的 三维c a d ，如机械、工程建筑、家电等；第三个层次是应用推广。 国内三维c a d 软件开发总的来说起步晚，但发展较快。目前国外的三维c a d 软件 水平、功能和商品化程度上都较高，我国的c a d 系统研制和开发相对国外同类产品， 竞争力稍微弱一些，但是国产软件在价格上占有一定优势。 1 2c a d 三维造型中的拓扑元素命名和辨识 1 2 1拓扑元素命名和辨识的课题来源 据统计，大约8 0 的设计是通过修改现有设计结果来完成的【4 】。目前主流的三维 c a d 系统如p r o e ，s o l i d w o r k s 等都是基于历史的参数化特征造型系统，简称参数化系 统。参数化系统面临着一系列问题，其中一个就是拓扑元素永久命名问题。b i d a r r a 5 等 将该问题归结为当前参数化系统需要解决的6 个基本问题之一。拓扑元素永久命名这一 术语于1 9 9 5 年，1 9 9 6 年被k r i p a c 6 ，c a p o y l e a s f 7 】等系统地提出后，相关问题的研究一直 持续到现在。 记p m 为参数化模型，p m i ( p 0 ，p l ，p k ) 为参数化模型实例。p m o r i g i n a l 为原 始参数化模型，p m m o d i f i e d 为经过修改的参数化模型。b m 为边界模型，b m o l d 为原始 边界模型，b m n e w 为参数化模型修改后重新生成的边界模型。p m 和b m 的关系可以 用图1 1 表示。图1 - 1 中，p m l 0 ( p 0 ，p l ，p 2 ) 通过三个造型命令生成：p 0 生成1 个 立方体，p 1 在立方体的一个面上开1 个盲槽，p 2 选择一条边做倒圆操作。当用户修改 p m l 0 中槽的长度参数t 0 为t 0 时，得到p m l l 。根据p m l l 可以自动生成b m l 。以图 1 1 中的修改过程为例。做倒圆的边在p m l 0 中用i d ( e ) 表示，修改p m i o 得到 p m m o d i f i e d ( 最pp m l l ) 在根据p m m o d i f l e d 自动生成对应的b m n e w ( 即b m l ) 时，要根据 大连理工大学硕士学位论文 记录在p m m o d i f i e d 中的i d ( e ) 在b m n e w 的生成过程中正确辨识出对应的边。p m 中 被引用到的拓扑元素面、边和点，在自动生成b m n e w 的过程中都要能够正确地辨识出 来。而如何在p m 中正确唯一的命名和记录拓扑元素信息是b m n e w 的生成过程中正确 地辨识出被引用到的拓扑元素的前提。如何正确唯一的命名和记录拓扑元素问题就是拓 扑元素命名问题【引。 - 叫天 剧虮 图1 1 参数化模型和边界模型的关系 f i g 1 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r a m e t r i cm o d e la n de d g em o d e l 在基于历史的参数化特征造型系统中，实体模型的变动设计是通过实体重建机制来 完成的。要实现参数变动之后的重建，则造型系统应具备以下功能： 重建之后系统能按照原模型的设计历史再现设计者的意图； 实体重建过程中正确跟踪重建前后拓扑元素间的关系； 正确辨识重建后模型的拓扑元素。 这就要求基于历史的特征造型系统必须提供记录设计历史，跟踪实体重建前后拓扑 元素之间关系，正确辨识拓扑元素的方法，为实体模型的重建提供可靠保证。这些相关 问题就是拓扑元素的辨识问题。 1 2 2 拓扑元素命名和辨识的研究概况 在基于历史的参数化特征造型系统中，特征的修改或参数化驱动都需要通过特征构 造历史树重构，在重构过程中需要查找特征原来引用的拓扑元素。拓扑元素命名及辨识 是基于历史的参数化特征造型中的关键技术1 5 j 。 拓扑元素命名及辨识研究要解决的问题是拓扑元素( 面、边和顶点) 的命名和重构 过程中拓扑元素的辨识。拓扑元素永久命名自k r i p a c ，c a p o y l e a s 等系统地提出后，国 内外学者进行了深入的研究，下面是一些具有代表性文献： 劝 特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究 k r i p a c 等【l o 】给出了一种拓扑标号系统，用来映射实体重建前后拓扑元素的依赖关系， 同时给出了一种基于图的方法，用以表示一些实体元素的变化，例如合并、分裂等。 c a p o y l e a s 等r 7 】为每一个拓扑元素分配一个唯一的标识号，但这种方法并不能满足重 建机制的要求。因为实体在重建过程中，删除旧实体的同时，其标号也随之删除，无法 映射重建前后拓扑元素之间的依赖关系。 陈正鸣等1 1 2 j 基于两个新概念影响特征和影响面，提出了一种拓扑元素命名和辨识 的方法。通过检查被引用元素和被辨识元素间的影响特征集、影响面集以及非影响面集 是否存在子集关系进行拓扑元素的辨识，其主要创新点在于依据导致拓扑元素产生和发 生变化的特征和特征面的信息进行拓扑元素辨识。优点是在特征模型编辑后物体的拓扑 结构发生变异时能够更合理地辨识出设计历史中的引用拓扑元素。但面面进出关系的确 定需要相当的计算量，同时该文没有给出具体算法。 缪金防等1 1 3 j 在拓扑元素的标识方法中提出了一种称为t r g 的数据结构，同时给出 了拓扑面、边、点的辨识算法。通过t r g 记录实体模型的构造历史，跟踪实体重建前 后拓扑元素之间的关系。同时给出了实体面、边、点的辨识算法，能较好标识和辨识刚 性实体元素。但对于实体曲面曲线的标识和辨识存在不能正确辨识的情况，把分裂跟合 并信息放在一起处理，增大了数据的处理量和复杂度，同时在曲面的辨识方面存在不足， 另外点的标识在实际应用几乎用不到。 吴俊军等【1 4 j 提出一个使用拓扑元素几何信息方法，即在拓扑元素命名基础上，增加 拓扑元素的参数空间几何信息一p s i ，如果多个面由同一个拓扑面分裂而来，设置完全 相同的命名，要辨识它们需要计算各自的p s i ，计算量和存储量大，并且没有建立面命 名动态模型，辨识结果依赖于p s i 的计算。 1 2 3 拓扑元素命名和辨识研究存在的问题 拓扑元素命名及辨识问题研究至今日仍然不完善。从目前已发表的文献看，拓扑元 素命名及辨识的研究主要存在以下几个方面的问题： 不能很好地映射重建前后拓扑元素之间的依赖关系 辨识只考虑和处理拓扑本身或局部的变化信息，如根据某一元素的相邻元素的 相似度进行辨识，辨识结果并不一定符合设计意图 ：计算量大，增加系统负担，处理速度慢。 在基于国内外学者的研究基础上，相应的商品化造型软件系统也已广泛应用。在造 型重构过程中，拓扑结构不变情况下有很好的解决，但由于以上的几种原因，特征造型 在拓扑结构变化比较大及处理边缘问题时仍然存在一定问题，不能很好维护设计意图。 大连理工大学硕士学位论文 例如图1 2 中有拉伸特征b 1 、b 2 和两个沉孔特征h 1 和h 2 。当特征b 2 的位置改变后， 沉孔h 2 也应跟随变化，但目前很多商品化造型系统如p r o e 、s o l i d w o r l 也0 0 7 等都会产 生图1 2 拗的结果，这显然不符合设计者的设计意图。 ( a )( b ) 图1 2 修改后与设计意图背离 f i g 1 2 t h ed e v i a t i o no fi n t e n t i o na f t e rm o d i f y i n g 1 3 课题的研究任务 j h s o l i d 系统也是基于历史的参数化特征造型系统，它是在p a r a s o l i d 三维实体造型 内核的基础上，应用v i s u a lc + + 6 0 开发的三维实体造型软件，采用o p e n g l 进行三维 图形的显示输出，是一款拥有自主产权的优秀国产软件，具备很强的专业特色，并符合 中国设计人员习惯和设计标准。其功能包括零件设计、装配设计、工程图设计和钣金设 计等。 目前，j h s o l i d 特征造型系统的拓扑元素命名和辨识方面的功能还不完善，没有拓扑 元素命名和辨识系统，原有的简单算法不能很好地解决特征修改后的重建和设计意图的 表达。本课题就是在m s o l i d 系统平台的基础上，应用v i s u a lc + + 6 0 开发工具，完善这 部分功能。， 课题的前期准备工作包括：掌握j h s o l i d 系统框架的构成并对特征造型和命名部分 进行深入研究；阅读p a r a s o l i d 内核英文文挡，对特征造型及本文所需要的功能函数熟练 掌握；熟练运用v i s u a lc + + 开发工具；大量阅读课题相关文献资料，并进行归纳研究， 为本文方法的提出做准备。 课题完成的研究内容包括： ( 1 ) 提出新的拓扑元素命名和辨识方法 在一般性方法的基础上，提出了一种更为有效的拓扑命名和辨识方法。方法地提 出弥补了j h s o l i d 系统在拓扑元素命名和辨识方面的不足，提高了软件的智能化水平。 特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究 ( 2 ) 改进系统框架 根据提出方法的需求对拓扑元素命名和辨识所涉及到的j h s o l i d 系统框架进行部分 改进，有些地方进行重写，使系统的框架能够更好地为拓扑元素的命名和辨识提供服务。 ( 3 ) 建立拓扑元素命名和识别系统 根据提出的方法，编写相关前期处理函数并搭建拓扑元素命名和识别系统。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统框架基础及课题相关理论 2 1j h s o l i d 系统简介 j h s o l i d 三维设计软件系统是在w i i l d o w s 9 x n t 2 0 0 0 ，环境下完全采用面向对象 技术、o p e n g l 技术、中间内核技术研制开发完成的，具有产品级的三维实体特征造型 软件系统。j h s o l i d 采用基于特征和精确边界表示的p a r a s o l i d 作为实体造型、曲面造型、 线框造型的基础有机地融合到基于特征、约束和参数化的环境中，采用o p e n g l 进行三 维图形的渲染。 2 2 p a r a s o l i d 简介 p a r a s o l i d 1 5 - 1 7 】是美国e d s ( e l e c t r o r t i c d a t as y s t e m s ) 公司下属u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s l n c c o g s ) 公司开发的三维实体造型内核，它是由英国剑桥的s h a p ed a t a 公司 研制的，其前身是早期的实体造型先驱r o m u l u s 系统( r o m u l u s 最早期工作要追溯到 7 0 年代在剑桥大学的开发) 。从1 9 8 5 年诞生以来，经过几次重大的变革，日趋成熟和 完善，具有其他同类产品所不能比拟的优势。p a r a s o l i d 的应用范围主要集中在机械 c a d c a m c a e 领域，它的用户群包括系统开发商、企业、大学、研究机构等。采用 p a r a s o l i d 内核的三维实体造型软件有u g ，s o l i d e d g e ，s o l i d w o r k s ，北航华正等。许多 知名公司如e d s u n i g r a p h i c s ，i c a d ，s i e m e n s - n i x d o r f ，f u j i t s u ，g e n e r a le l e c t r i c 和 g e n e r a lm o t o r s 等也都在使用p a r a s o l i d 。p a r a s o l i d 是u g s 公司的全数据管线策略中的 重要部分，它允许在使用不同的产品开发应用软件的企业间无缝地交换数字化模型。 p a r a s o l i d 作为系统内核，完全封装在应用程序内部，它被设计为独立于特定的系统 环境，比如：对于不同的操作系统，有不同的文件管理方式、不同的文件名长度限制、 文件后缀名限制、内存管理等，这些差别都是由应用程序与操作系统的接口解决的，对 于不同的操作系统，应用程序提供不同的接口，与应用程序的接口结构见图2 1 。p a r a s o l i d 作为三维实体造型内核，它可实现的功能包括： 构造和操作三维实体对象； 计算实体的质量和惯量，进行干涉检测； 支持各种输出方式； 支持文件存储操作。 p a r a s o l i d 不但造型能力强而丰富，而且它支持以造型特征为基本单位的回滚和重 构，为各种三维模型的设计提供了强有力的工具。 特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究 图2 1p a r a s o l i d 及其接口 f i g 2 1 p a r a s o l i da n di n t e r f a c e p a r a s o l i d 提供精确的几何边界表示毋r e p ) ，能够在以它为几何核心的c a d c a e 系 统间可靠地传递几何和拓扑信息。在p a r a s o l i d 中，为了便于形体数据结构的表示和操作， 拓扑实体被进一步细化成以下1 0 类： ( 1 ) b o d y ( 体) ：单一形体，是p a r a s o l i d 中的基本形体。可以由一个或多个简单形体 连接组合而成。简单形体有五种形式：孤立点( a c o r n ) 、线体( w i r e ) 、壳体( s h e e t ) 、实体( s o l i d ) 、 通用体( g e n e r a l ，前面几种体的组合) 。体是p a r a s o l i d 造型的目标数据结构，曲面造型就 是要在内存中构造一个壳体( s h e e t ) ； ( 2 ) r e g i o n s ( 区域) ：区域是一个开放的三维空间的连通子集，它的边界是一系列的 点、边和有向面。区域可以是实的或空的； ( 3 ) s h e l l s ( 壳) ：外壳是一系列有向面和边的集合，面的一面或双面都可被外壳引用， 外壳的组成可以有下列三种情况：面和方向逻辑的集合，外壳可以是面的集合，但每一 个面必须指定方向，即与面的法向量同向或反向：边的集合，这种情况是线框类形体的 外壳；单个的顶点，这种情况是孤立点类形体的外壳； ( 4 ) f a c e s ( 面) ：面是一个曲面的有界集合，它的边界是若干个( o 个或多个) 环，是一 个二维的区域； ( 5 ) l o o p s ：环是一个面的边界，是一个连接的二维实体； 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) f i n s ( 翼) 翼表示一条边在环中的方向。它包含两个数据：一个是逻辑值，表示 边是否与环同向；另一个数据是在各条边具有不同的局部精度时，表示边所对应的几何 曲线； ( 7 ) e d g e s ：边是一条曲线上有界的一段，它的边界是0 个、1 个或两个顶点。边是 一个一维的区域； ( 8 ) v e r t i c e s ：顶点是空间的单一点素，是一个0 维的区域； ( 9 ) a s s e m b l y ( 装配) ：装配体是实例的集合，其中每一个实例可以为一个部件或一个 变换矩阵； ( 1 0 ) i n s t a n c e ( 实例) ：实例是一个装配体对其构成部件或子装配体的引用。它可以是 一个部件或子装配体，或是一个变换矩阵。 在利用p a r a s o l i d 接口进行程序开发时，p a r a s o l i d 返回的通常都是拓扑标识，程序 开发者经常要在拓扑与几何，拓扑与拓拓扑之间相互操作，比如要从场景中选择一个面 体( s h e e t ) ，p a r a s o l i d 返回的是面体中面( f a c e ) 的标识，要得到面信息需要通过面标识求出 它所对应的几何( s u r f a c e ) ，如果要获取曲面体的边界信息，就要从面标识中求出面所包 含的边( e d g e ) ，再求边所对应的几何( c u r v e ) ，依此类推，如果要得到边的端点信息就得 求出它所包含的顶点( v e r t e x ) ，再求顶点所对应的几何( p o i n t ) 。 利用p a r a s o l i d 管道( p a r a s o l i dp i p e l i n e ) 实现数据的无缝传送，与其他几何核心系统 相比，p a r a s o l i d 具有非常明显的优势。p a r a s o l i d1 2 0 版的工作平台可以分为工作站平 台和微机平台。其中微机平台有i n t e l 系列m mp c s ，操作系统为w i n d o w sn t ，d e c 公 司的a l p h ap c ，操作系统为w i n d o w s n t 。 2 3 o p e n g l 简介 o p e n g l t l 8 - 2 0 ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是独立于操作系统和硬件环境的三维图形软件 库。它源于s g i 公司为其图形工作站开发的i r i sg l ，在跨平台移植过程中发展成为 0 p e n g l 。由于其开放性和高度的可重用性，目前已成为业界标准，很多优秀的软件都是 以它为基础开发出来的，如著名的产品有动画制作软件3 d m a x ，s o f ti m a g e ，v r 软件 和g i s 软件等等。 对程序员来说，o p e n g l 是一系列指令或函数的集合。这些指令允许用户对二维几 何对象或三维几何对象进行说明，允许用户对对象实施操作以便把这些对象着色到帧缓 存上，o p e n g l 是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为 基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；o p e n g l 可以与v i s u a lc + + 紧 特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究 密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性： o p e n g l 使用简便，效率高。 2 3 1在v c 下创建基于o p e n g l 的显示环境 首先要创建着色环境。着色环境是o p e n g l 与w i n d o w s 窗口系统之间的桥梁。所 有的o p e n g l 调用都通过o p e n g l 着色环境来完成。在为一个设备环境( o p e n g l 着色 环境与设备环境有相同的像素格式) 设置好了像素格式后就可以产生一个着色环境。通 过给出的设备环境，着色环境就可以在设备环境指出的设备上绘制图形了。但是着色环 境并不一定要使用与它一起创建的设备环境。它可以使用其它设备环境，只要求指向同 一设备，并有相同的像素结构。这并不意味着着色环境与设备环境是基本一致的。设备 环境包含了与g d i 有关的信息，而着色环境包含了与o p e n g l 有关的信息。另外，在 g d i 调用中设备环境是显式给出的，而着色环境是在o p e n g l 调用中隐含的。 进行o p e n g l 调用的线程必须有一个( 且仅有一个) 着色环境。一个着色环境在同一 时刻只能有一个线程使用，但一个o p e n g l 输出到的窗口可以同时让许多着色环境对该 窗口进行输出。应用程序的调用如果没有当前着色环境将不会产生什么效果。关于着色 环境的典型操作过程如下： ( 1 ) 创建一个着色环境。 ( 2 ) 将着色环境设为一个线程的当前着色环境。 ( 3 ) 线程进行有关o p e n g l 的初始化。 ( 4 ) 线程调用o p e n g l 着色函数。 ( 5 ) o p e n g l 处理结束后，将着色环境设为非当前使用的( 断开与着色环境的联系) 。 ( 6 ) 释放着色环境( 当不需要时) 。 创建v c 环境下基于o p e n g l 的显示环境主要有以下几个步骤： ( 1 ) 创建项目文件。 ( 2 ) 包含必要的头文件( 如9 1 h ，g l u h ，g l a u x h ) 并在项目链接设置中加入必要的库 ( o p e n 9 1 3 2 1 i b ，g l u 3 2 1 i b ，g l a u x 1 i b ) 。 ( 3 ) 应用程序使用了调色板，在视图类的i n i t o p e n g l 0 i 函数中加入设置像素点格式 函数s e t p i x e l f o r m a t o 和创建调色板函数c r e a t e r g b p a l e t t e 0 函数的实现。 在视图类的初始化函数o n l n i t i a l u p d a t e 0 中对o p e n g l 进行初始化。初始化工 作包括： ( 1 ) 定义像素存储格式并创建着色环境； ( 2 ) 设置光源； 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 设置材质属性： ( 4 ) 设置深度检测参数； ( 5 ) 设置形体的初始视角( 包括设置形体本身的旋转矩阵和照相的投影矩阵) ； ( 6 ) 设置视口的大小。 这样，一个基于o p e n g l 的应用程序框架已经构造好了，可以在显示环境的支持下， 进行形体的构造、修改和编辑的工作。 2 3 2 o p e n g l 在j h s o l i d 系统中的应用 在j h s o l i d 系统中o p e n g l 负责处理后期的图形显示。p a r a s o l i d 在内存中生成实 体数据后，调用它的图形输出( g o ) 接口，将实体数据转化成o p e n g l 可以使用的数据， 如线，面和各种实体等，o p e n o l 负责将这些数据渲染到三维场景中同，包括设置视图 矩阵、世界坐标系、图形绘制、光照、材质、纹理等。 2 4 特征造型 2 4 1 特征造型的产生及特点 产品的三维模型是三维c a d 系统的设计核心。所谓三维模型，是将产品的实际形 状在计算机中表示成包括产品结构几何信息时所采用的方法。系统采用的模型直接关系 到整个系统的功能、实用性、稳定性及可扩展性。c a d c a m 中的三维模型经过线框模 型( w a r e f r a m em o d e l i n g ) 、曲面模型( s u r f a c em o d e l i n g ) 和实体模型( s o l i dm o d e l i n g ) 经发 展到了特征造型( f e a t u r em o d e l i n g ) 的阶段，所表示的几何体信息也越加的准确和完整。 特征造型以特征为单位进行设计、构造、记录和管理，形成了零件生命周期的高层 次信息，在构造基面中绘制草图，通过拉伸、旋转等方法生成三维模型，或直接在实体 模型上进行倒角等操作。同时特征造型还使系统更方便地实现特征库的定义和管理成为 可能。 特征造型方法与前一代的三维模型方法相比较，有以下特点： ( 1 ) 特征造型着眼于更好表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集 成信息模型服务。它的目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型，替代传统的产 品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备 各环节可以并行展开，信息流畅通。 ( 2 ) 特征造型使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象由原始的 线条和体素，转换为产品的功能要素，像螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体 特征造型中拓扑元素命名及辨识方法研究 现设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样更容易修改。 设计人员可以将更多精力用在创造性构思上。 ( 3 ) 特征造型有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系， 更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开发新 一代的基于统一产品信息模型的c a d c a p p c 舢集成系统创造前提。 ( 4 ) 特征造型有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化， 使得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性。 ( 5 ) 特征造型将推动各行业实践经验的归纳总结，从中提炼更多规律性知识，以丰 富各领域专家的规则库和知识库，促进智能c a d 系统和智能制造系统三维实体零件特 征造型软件的开发与研究的逐步实现。 2 4 2 特征的定义 客观事物都是由事物本身的特性体及其相互关系构成。一般地讲，特征是客观事物 特点的征象或标志。在研究特征技术的过程中，国内外学者从不同的侧面、不同的角度， 根据需要给特征赋予了不同的含义。 在机械行业中，特征源于使用在各种设计、分析和加工活动的推理过程，并且经常 紧密地联系到特定的应用领域，因而产生了不同的特征定义。提到特征，通常是指形状 特征。形状特征的一种定义是面向规划的，例如，工件特征定义为：在工件的表面、边 或角上形成的特定的几何构型。另一种涉及工艺规划的形状特征定义为：工件上一个有 一定特性的几何形状，其对于一种机械加工过程是特定的，用于装夹或者测量。 随着特征技术由工艺规划向设计、检验和工程分析方面的拓展，特征定义趋向于更 一般化，下面是一些特征定义的例子： ( 1 ) 用于描述零件和装配体的语义组，它将功能、设计和制造信息组合在一起； ( 2 ) 一个几何形状或形体要素，它至少具有一种c i m 功能； ( 3 ) 产品信息的载体，它可以在设计和制造或者其他工程任务之间辅助设计或进行 通讯： ( 4 ) 任何用于设计、工程分析和制造的推理的客观对象； ( 5 ) 设计人员感兴趣的区域。 研究人员提出了许多不同的特征，例如，功能性的特征有：装配特征，配合特征， 结构特征和抽象特征。抽象特征可用于设计过程，这是由于许多特征的细节在设计完成 前并不清楚。抽象特征的定义为：直到所有的变量被确定才能被具体化或实现的客观对 象。不论特征的定义如何，但有一点似乎是共同的，即特征最终要联系到某个几何形状。 大连理工大学硕士学位论文 这就明确了一个特征至少满足的要求：零件的一个结构组元；可影射到某个形状类；有 工程意义；有可预测的性质。 2 4 3 特征表示的几何模型 c a d 系统常用的特征的几何模型表示方法主要有以下几种：分解模型、c s g ( 构造 实体几何模型) 和b r e p ( 边界表示模型) 等。 分解模型法把实体看成一个连续的点集。以小的实体为单位，通过一定的布尔运算 生成复杂实体。这种方法需要的存储量大，计算效率较低。 c s g 方法把复杂实体定义成一系列基本体素( 如立方体、圆柱体等) 及其位置变换矩 阵，通过各种集合运算生成复杂实体。存储量小，简便快捷，但对实体的细节描述不够， 用于c a m 以及一些需要精确数据的操作( 如干涉检查) 时的困难较多。一 b r e p 方法使用边界来表示实体或其他形体。这种方法在描述实体的细节方面性能 突出，在工程的许多应用中非常方便。 2 4 4 实体模型的数据结构 基于b - r e p 模型系统的数据结构可以分为拓扑信息，几何信息以及一些其它的信息。 拓扑信息描述形体上的顶点、边、面的连接关系，拓扑信息形成物体边界表示的“骨架”， 形体的几何信息犹如附着在“骨架”上的肌肉，用来描述形体的大小、尺寸、位置、形 状等。计算机中常用的三维形体欧氏五层拓扑结构为点、边、环、面和体，具体描述如 下： ( 1 ) 点( v e r t e x ) 顶点的位置用点( 几何，p o i n t ) 来表示。三维空间中的点用三元组 x ，