三维CAD与二维CAD互操作技术研究.pdf

y 。10 4 4 9 8 5 密纨 洳多：土婆 硕 ij学f t隆义 论文趣f t 兰：生! = 凸旦! l ：继笪d 吲蒙竖撞丛亟煎 斑交u 瑚i q 9 七年盘门 浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着计算机辅助设计理论基础和应用技术的不断发展，各种二维c a d 和三维 c a d 设计系统层出不穷。三维c a d 系统有着强大的造型功能，但是其提供的二维 工程图模块无法适应设计人员的实际需求。而二维c a d 系统虽然具有强大的制图 功能，但是缺乏三维c a d 系统所具有的造型优势。在当前实际应用中，很多企业 希望将三维c a d 与二维c a d 软件结合起来协同工作以更加有效的完成生产过 程。所以，建立三维c a d 和二维c a d 的互操作机制，使不同系统之间形成优势互 补，是当前c a d 领域急需解决的问题。 本文主要针对三维c a d 和二维c a d 互操作机制所需的关键技术研究。通过 本体映射技术建立三维c a d 和二维c a d 系统互操作机制，并以s o l i d w o r k s ( 三 维c a d ) 和a u t o c a d ( 二维c a d ) 这两个应用广泛的系统之间的互操作机制的 具体实现为实例来验证这个系统机制的可行性。 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 基于o w l 的本体知识表达。借助于本体论的知识表达能力，用o w l 语言 设计构建局部本体。在此基础之上，本文还提出采用组合本体的映射方法来建立 异构局部本体之间的集成关系，为实现三维c a d 和二维c a d 系统之间互操作集成 奠定了基础。 ( 2 ) 本体表示下的三维c a d 和二维c a d 互操作机制设计。通过设计三维c a d 和二维c a d 的局部本体，并构建c a d 共享本体，建立起基于本体的异构c a d 互操 作整体框架。 ( 3 ) 系统原型实现。以s o l i d w o r k s 和a u t o c a d 这两个系统之间的互操作机制 具体实现来验证可行性。同时，充分利用c o m 接口技术来编程实现实际互操作机 佑0 。 关键词互操作，本体，o w l ，本体映射，c o m 浙江大学硕上学位论文 a b s g a c t a b s t r a c t a st h et h e o r yo fc o m p u t e ra i d e dd e s i g na n di t sa p p l i c a t i o n sd e v e l o p s ，v a r i o u s2 d c a da n d3 dc a ds y s t e m sm e r g ei ne n d l e s s l y 3 dc a dh a ss t r o n gm o d e l i n ga b i l i t y , b u ti t s2 de n g i n e e r i n gd r a w i n gp a r tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o f e s s i o n a l e n g i n e e r s a tt h es a m et i m e ，2 dc a d h a si t sp o w e r f u ld r a w i n gf u n c t i o n ，b u ti ti sl a c k o ft h ea d v a n t a g eo fm o d e l i n go f3 dc a d i nm o s tc u r r e n ta p p l i c a t i o n s ，m a n y e n t e r p r i s e sh o p et ou s e3 da n d2 ds y s t e m sw i t hi n t e r o p e r a b i l i t yt om a k et h ef a c t o r y f l o wm o r ee f f i c i e n t t h e r e f o r e ，h o wt ob u i l di n t e r o p e r a b i l i t ym e c h a n i s mb e t w e e n3 d c a da n d2 dc a df o rt h e mt ot a k ea d v a n t a g ef r o me a c ho t h e rn e e db eb r o u g h t f o r w a r di nt h ef i e l do f c a d c u r r e n t l y t h i st h e s i sa i m sa tt h ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ha st h ei n t e r o p e r a b i l i t ym e c h a n i s m b e t w e e n3 dc a da n d2 dc a dn e e d s w i t ho n t o l o g ym a p p i n g ，t h ei n t e r o p e r a b i l i t y m e c h a n i s mi sb u i l t ，a n dt h ep r o t o t y p es y s t e mb e t w e e ns o l i d w o r k s ( 3 dc a d ) a n d a u t o c a d ( 2 dc a d ) ，w h i c hb o t ha r ev e r yp o p u l a rn o w a d a y s ，i su s e da sa ne x a m p l et o p r o v et h ef e a s i b i l i t yo f t h em e c h a n i s m t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) o n t o l o g yk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nb a s e d o no w l w i t ht h e s t r o n g k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na b i l i t yo fo n t o l o g y , o w ll a n g u a g ei su s e dt oc o n s t r u c tl o c a l o n t o l o g y i nt h em e a nt i m e ，t h i st h e s i sp r e s e n t sac o m p o s i t eo n t o l o g ym a p p i n gm e t h o d t ob u i l dr e l a t i o no fs y s t e mi n t e g r a t i o nb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sl o c a lo n t o l o g y t h i s m a k e st h ei m p l e m e n t a t i o no fi n t e r o p e r a b i l i t ym e c h a n i s mb e t w e e n3 dc a da n d2 d c a dm u c he a s i e r ( 2 ) i n t e r o p e r a b i l i t ym e c h a n i s md e s i g nb e t w e e n3 dc a d a n d2 dc a db a s e do n o n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o n b yc o n s t r u c t i n gl o c a lo n t o l o g yf o rb o t h3 dc a da n d2 d c a da n dd e s i g n i n gs h a r e dc a do n t o l o g y , af r a m e w o r ko fi n t e r o p e r a b i l i t ym e c h a n i s m b e t w e e nh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s b a s e do no m o l o g yi sp r e s e n t e d ( 3 ) i m p l e m e n t a t i o no f p r o t o t y p es y s t e m t h ei n t e r o p e r a b i l i t ym e c h a n i s mb e t w e e n s o l i d w o r k sa n da u t o c a di si m p l e m e n t e dt op r o v et h ef e a s i b i l i t y t h et e c h n o l o g yo f c o mi sa p p l i e dw h e ni m p l e m e n t i n gt h es y s t e m k e y w o r d si n t e r o p e r a b i l i t y , o n t o l o g y , o w l ，o n t o l o g ym a p p i n g ，c o m 浙江大学硕士学位论文 图目录 图目录 图1 1s t e p 规范架构示例。6 图2 1 语义w 曲层次结构1 8 图2 - 2 本文的本体表示初步模型框架。2 0 图2 3o w l 的语义w 曲表达层次2 6 图2 - 4 案例的信息结构2 8 图2 5 由p r o t 6 酌生成的o w l v i z 视图。2 9 图3 1 局部本体知识库的创建一3 3 图3 - 2p r o t 6 9 6 中三维c a d 本体的o w lv i z 视图3 4 图3 3p r o t 6 9 6 中二维c a d 本体的o w lv i z 视图3 5 图3 - 4 以共享本体为基础的本体映射方式3 6 图3 - 5 异构c a d 知识库组合映射集成的框架3 7 图3 - 6p r o t 6 9 d 中c a d 共享本体的o w l 表示3 8 图3 7 三维c a d 和二维c a d 互操作系统本体结构3 9 图4 - 1 三维c a d 与二维c a d 系统互操作框架4 8 图4 2 互操作原型系统中的关系图。4 9 图4 3 零件对象的三维模型( s o l i d w b r k s ) 5 0 图4 4 零件对象的主要二维工程图( a u t o c a d ) 5 0 图4 5 更新后的零件对象三维模型( s o l i d w o r k s ) 5 1 图4 6 更新后的零件对象主要二维工程图( a u t o c a d ) 5 1 i i i 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 在2 0 世纪中叶开始，随着信息技术的发展及企业提升竞争能力的内在需要， 各行各业的企业开始大量采用二维c a d 、三维c a d 、c a e 、p d m 等异构数字化信息 技术来提高企业的生产效率，增加企业的生存竞争力。依靠这些先进的信息化技 术，企业可以对市场需求做出及时的积极反应，快速推出高质量、低成本的产品， 从而提高企业的市场竞争力。虽然这些数字化技术的采用在很大程度上提高了企 业生产的自动化和信息化水平，但是同时也产生了大量异构的数字化信息，使得 异构信息的总量极大地增加，信息的管理强度和难度也相应增强。如何通过异构 数字化系统来使用这些大量已存在的异构信息已经成了当前一个热门的话题和 研究领域。 同时，随着市场竞争的进一步国际化，企业制造技术的不断更新以及市场需 求的复杂性、多样性都要求传统的制造业必须能够以更快、更低的成本和更高效 的生产产品过程，因而必须从原则上重新考虑产品应用模型以及数据信息处理的 构建和不同类型的数字化信息数据集成与共享。 单从c a d 产品的整个生命周期看，需要表达的不止是产品的模型几何数据，还 包括更多的产品设计和开发过程中的知识：需求说明、设计标准、约束条件和设 计原理等，它们构成了c a d 产品知识管理的基础。所以，一个完整的三维c a d 和 二维c a d 互操作机制不仅需要对几何模型提供语义支持，而且应该包括对其他复 杂信息的互操作支持。 随着复杂的c a d 产品多学科多系统协同设计需求的增长，对c a d 产品设计的 协同设计和互操作提出了更高的要求。由于复杂c a d 产品的研制往往需要不同学 科人员的共同协作，例如，汽车引擎的研制涉及气动分析、结构设计、强度分析、 热传导分析、工艺设计、工装设计等，在协作过程中不同学科人员不可避免地使 用不同的c a d c a e p d m 等系统，系统之间的集成和互操作成为提高产品设计效率 的关键技术之一。因此针对企业生产需求和数字化发展趋势，研究异构数字化系 统之间互操作方法对于提高多学科协同设计效率和数字化信息共享程度，缩短产 品研制周期都具有重要的理论意义和实际价值。但是，目前不同c a d c a e p d m 系 统之间的集成一般是单向集成、数据集成，缺乏双向、互动的功能互操作。在异 构互操作这个领域，随着本体理论的实际应用和软件互操作技术的进一步发展， 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 人们逐渐得到了长足的进步。 所谓数字化系统之问的互操作，是指异构环境中两个或两个以上的数字化系 统，尽管它们实现的功能、执行的环境和所操作的数据模型不同，但可以进行相 互通信和协作，并完成某一特定的产品开发活动。在互操作层次上划分，异构数 字化系统的互操作可以分为两个层次：低层次上的数据互操作和高层次上的功能 互操作。其中，数据互操作主要是传统意义上的几何数据交换，而功能互操作是 指数字化系统的某些功能可以被其他系统所共享和直接调用，例如，二维c a d 系统可以直接调用三维c a d 系统的参数化造型功能，修改模型几何尺寸，从而 实现反复迭代的设计优化过程。因此，功能互操作不同于数据互操作，它能够实 现更加紧密的异构系统功能集成，是一种深层次的集成方式。本文的主要研究内 容是三维c a l ) 与二维c a d 系统之间功能集成与互操作的关键技术，并实现了原 型系统。 1 2 国内外研究概况 早期的异构数字化系统( 包括三维c a d 系统和二维c a d 系统) 互操作主要有 数据文件交换和互操作接口两种方法。 现有异构系统的数据转换主要通过中性文件格式的间接交换，并已制订了多 种产品数据交换的国际标准和工业标准，如s t e p 、i g e s 、a f s 、s a t 等。其中 以s t e p 标准的应用最为广泛。但这些交换标准主要是几何信息和拓扑信息的数 据交换，不能表示参数、约束、特征、造型历史等设计语义信息，而且不能相互 进行功能调用。 近几年，国外开展了特征参数化信息交换的研究。正在制定的第二版s t e p 中添加了对参数、约束、造型历史等产品设计过程信息的支持，通过交换模型 设计过程信息实现几何拓扑数据的交换，且使转换模型具有可再编辑性，但其中 还有许多细节需要进一步讨论，尚未成为公开标准。a n d e r s o n 提出了实体模型 构造历史( s m c h ) 模式脚，以解决基于历史的造型数据转换问题。c h o i 0 1 提出了 一种基于宏参数的c a d 零件模型交换方法，通过交换造型命令序列实现数据模型 互操作。然而这些方法实现比较简单，只能实现部分特征、部分参数的交换，要 在异构c a d 系统之间实现完全的参数化模型转换存在很大的困难，目前看来，几 乎是不可能实现的，因此难以获得实际的应用。 中性数据转换只是简单的信息共享，是一种低层次的互操作。由于数据模型 差异的千变万化，并不是所有数据模型格式都可以完整无损的相互转换，往往会 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 出现转换错误，甚至转换失败。同时，数据交换一般以离线( 脱机) 方式实现， 不能支持在线( 联机) 的互动，无法实现不同系统的功能互操作。因此，需要研 究异构c a d 系统( 特别是三维c a d 和二维c a d 之间) 的功能互操作关键技术和实 现架构，本文正是从这个目的出发的。 另外，从各软件公司的商业利益出发，他们都会对其各自的底层数据结构进 行保密，不会对外公开，这对基于中性文件的互操作形成了障碍，也是采用中性 文件方法不能完全满足异构c a d 系统之间实现互操作需求的重要原因之一。而出 于扩展其软件使用范围的考虑，软件公司一般都提供其系统的二次开发接口，这 些a p i 的支持使得我们研究互操作接口成为可能，从而使我们的互操作实现架构 有了依靠的基础。 软件系统的功能互操作需要解决功能匹配、接口匹配、和运行支撑三方面的 问题“1 。在三维c a d 与二维c a d 系统的功能互操作过程中，特别需要解决不同c a d 系统的功能匹配与接口匹配问题，即需要对不同的三维或者二维c a d 系统的各个 组成部分进行分类总结，并用统一的本体语言( o w l ) 进行描述。现有方法一般 采用动态的标准编程接口对异构c a d 系统功能进行标准化接口封装，相关的规范 主要有：c a m - i 带 j 订的应用接口规范( a i s ) ”、i s o $ l j 订的s t e p 数据访问接口规范 ( s d a i ) 嘲、d m a c $ 0 订的o l ef o rd 通过3d-capp系统采用step数据交换标准能有效的解决三维cad数据信息到cam制造系统之间 的顺利过渡;基于三维cad的装配过程能够大大提高装配工艺的质量和实用性. 6.学位论文 邵继涛 基于acis平台的三维cad系统架构设计与应用 2008 三维cad系统，由于其具有可视化好、形象直观、设计效率高，大大缩短产品开发周期，给制造业带来根本性变化等优势，可见其取代传统的纯二维 cad系统己成为历史发展的必然。与传统的二维cad相比较，开发一个三维cad软件所涉及的知识面较广、更为复杂、开发的难度更大。 目前，在三维cad系统在这一领域中，国外已有技术比较成熟的、完善的、稳定的系统了，如autodesk inyentor、solid works、pro/e、 ug(unlgraphics)和catia等。而国产的三维cad系统，与国外相比算是在起步阶段。所以研究、设计和实现三维软件具有重要的意义。 本文以先进制造技术架构体系和集成制造制造系统相关概念，引出cad系统在制造业的地位。比较系统地分析国内、外三维cad软件的当前状况，来说明 研究、设计该系统的重要性。本文首先通过在对几何造型的基本概念介绍，对acis几何造型平台进行了详细分析和讨论，主要有：acis实体及其继承和层次 结构；体的交、并、差的布尔运算；实现复杂曲线/曲面实体的覆盖、蒙面、放样、扫掠和混合等技术。其次站在软件架构的角度上，从需求分析、领域建 模，一直到架构设计及实现，来探讨三维cad系统的设计与实现，整个系统的开发过程。最后，介绍了如何利用acis库进行实体造型的建模、基本三维图形 的几何变换算法和opengl的渲染技术等所涉及的技术，进行实践。 本课题是以acis为平台，利用microsoft visual c+、mfc和com技术为基础，结合opengl渲染技术，完成的三维软件的构架设计及原型的开发。 7.期刊论文 杨秀芸.贾铭钰 cad技术的应用与发展趋势浅析 -海淀走读大学学报2003,(2) 本文论述了cad技术的发展历程和在我国的应用现状,分析了三维cad技术的意义和cad技术的发展趋势. 8.学位论文 刘学振 周期轧机card及三维造型系统研究与开发 2003 随着计算机技术的不断发展，计算机在各行各业中的应用越来越普遍，为了跟上信息时代的步伐，传统的基础行业也不断融入这个信息化的洪流，计算 机辅助设计(computeraideddesign，简称cad)也就应运而生。本课题就是周期轧管工艺中应用cad的具体实践。 本文阐述了计算机辅助孔型设计的作用，介绍了card系统的发展概况，对目前二维cad向三维设计发展的趋势做了介绍，并对周期轧管机这一特殊复杂 的孔型进行了深入研究和探讨，通过对周期轧机孔型的变形原理、设计过程及参数的选取，