（计算机软件与理论专业论文）多视图特征造型有效性维护和特征转换机制的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕十学9 论文 多视图特征造型有效性维护和特征转换机制的研究 摘要 多视图特征造型是由近期的工程学和特征造型组合丽成的，作为一种集 成化的特征造型，它被引入产品设计发展中，是一种新的方法，这种方法能 在较短的时间内产生更高质量的产品，所以它是当前产品发展的一个主要目 标。多视图特征造型为支持产品设计发展可为每个阶段提供相应的视图。每 个视图都包括该产品的特征造型说明，而且所有视图的特征造型都表示相同 的产品，因此它们必须保持一致。特征转换是多视图特征造型中的一个关键 技术，但是它存在的主要问题就是当在产品造型中存在无效的视图或不能为 产品创建一个一致的视图时，就不能继续进行特征转换，这是一个亟需解决 的问题。 本文主要对多视图特征造型中各个阶段的视图进行研究，针对h u s t - c a i d 系统中增强的多视图语义特征造型方法中存在的三种特征修改类型， 提出一种维护方法，该方法是将连接约束和特征更新方法结合在一起，在这 种方法中用连接约束解决第一种特征修改，用更新方法解决第二种特征修 改，但是还没有为第三种特征修改找到解决的办法。同时，针对目前多视图 特征造型的特征转换技术中存在的问题，提出一种新的解决方法，即是运用 h u s t - c a i d 系统中的自动调整策略，并在h u s t - c a i d 系统中对该方法进 行了模拟实验。结果表明：本文提出的方法有效地解决了多视图特征造型中 视图不一致的问题，并且自动调整策略的应用，使得特征转换能在多视图特 征造型中继续进行下去，同时更加完善了h u s t - c a i d 系统，使其更具有实 用性。 。 。 关键词多视图特征造型；一致性维护：特征转换：自动调整策略 些筌鎏竺二盔兰：兰竺兰竺兰兰 s t u d yo nv a l i d i t ym a i n t a i n i n ga n df e a t u r e c o n v e r s i o ni nm u l t i - v i e w sf e a t u r em o d e l i n g a b s t r a c t m u l t i v i e w sf e a t u r em o d e l i n gi sf o r m e db yc o m b i n i n gc u r r e n te n g i n e e r i n g w i t hf e a t u r em o d e l i n g a sak i n do fi n t e g r a t e df e a t u r em o d e l i n g ，i ti si n t r o d u c e d t op r o d u c td e s i g nd e v e l o p m e n ta n di san e wm e t h o d ，b yw h i c hh i g h e r - q u a l i t y p r o d u c t sc a nb ep r o d u c e dw i t h i ns h o r tt i m e ，s oi ti sa l s oam a j o rg o a lo fp r o d u c t d e v e l o p m e n t m u l t i v i e w sf e a t u r em o d e l i n gc a l lp r o v i d ec o r r e s p o n d i n gv i e wt o s u p p o r tp r o d u c td e s i g nd e v e l o p m e n ti ne v e r yp h a s e e a c hv i e wi n c l u d e st h e i n s t r u c t i o n so ft h ep r o d u c t sf e a t u r em o d e l 。m o r e o v e r ，b e s i d e sa l lf e a t u r e m o d e l so fv i e w sr e p r e s e n tt h es a m ep r o d u c t ，s ot h e ym u s tk e e pc o n s i s t e n t 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 fm u l t i - v i e w sf e a t u r em o d e l i n g w h o s e m a j o rp r o b l e mi st h a ti tc u n tg oo nw i t hf e a t u r ec o n v e r s i o nw h e nt h ei n v a l i d v i e we x i s t so rac o n s i s t e n tv i e wc a n tb ec r e a t e di nt h ep r o d u c tm o d e l ，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 ep a p e rm a i n l ys t u d i e sv i e w so fm u l t i - v i e w sf e a t u r em o d e l i n gi ne a c h p h a s e ，a n di tp u t sf o r w a r dam a i n t a i n i n gm e t h o df o rt h r e ef e a t u r em o d i f i c a t i o n t y p e so fe n h a n c e dm u l t i - v i e w ss e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gi nh u s t - c a i d s t h e m e t h o dc o m b i n e sl i n kc o n s t r a i n t sw i t hf e a t u r eu p d a t i n gm e t h o d ，i nw h i c hl i n k c o n s t r a i n t sa r eu s e dt os o l v et h ef i r s tf e a t u r em o d i f i c a t i o n ，w h i l ef e a t u r eu p d a t i n g m e t h o di su s e dt os o l v et h es e c o n df e a t u r em o d i f i c a t i o n ，b u tn om e t h o di sf o u n d t os o l v et h et h i r df e a t u r em o d i f i c a t i o n a tt h es a m et i m e 。an e wm e t h o di s p r o p o s e df o rp r e s e n tp r o b l e m se x i s t i n gi n f e a t u r ec o n v e r s i o no fm u l t i - v i e w s f e a t u r em o d e l i n g , a n di te m p l o y sa u t o m a t i c a l l ya d j u s t m e n ts t r a t e g yo ft h e h u s t - c a i d s ，i nw h i c hs t i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t a sar e s u l t ，w a y sa n dm e a n s f 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 nt o v i e w s i n c o n s i s t e n c yo fm u l t i v i e w s f e a t u r em o d e l i n g t h ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i c a l l ya d j u s t m e n ts t r a t e g yc a n 竺兰堡矍三奎茎三兰堡三兰竺竺茎 e n s u r et h a tf e a t u r ec o n v e r s i o ni sc o n t i n u a l l yc a r r i e do u t ，a n di tm a k e st h eh u s t - c a i d sm o r ep e r f e c ta n dm o r ep r a c t i c a l k e y w o r d sm u l t i v i e w s f e a t u r em o d e l i n g ；c o n s i s t e n c ym a i n t a i n i n g ；f e a t u r e c o n v e r s i o n ：a u t o m a t i c a l l ya d j u s t m e n ts t r a t e g y - 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多视图特征造型有效性维护 和特征转换机制的研究，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：毋节日期：矽莎年垆驴 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 多视图特征造型有效性维护和特征转换机制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。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 谬彳 日期：砌；年；月f 7 日 导师躲加镌 隰础年州角 哈尔滨理 大学t 学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1c a d 技术的发展历史 c a d 起步于六十年代，但由于计算机本身发展的局限，应用于工程的程 序一般都是以批处理的形式出现的，而且大多数仅限于工程计算，很难实现如 今c a d 系统普遍具有的用户交互能力，第一个具有划时代意义的c a d 系统是 由s u t h e r l a n d 于6 3 年研制的二维绘图系统s k e t c h p a d ，这一系统用的是t x - 2 型计算机阴极射线管式图形显示器，可以用光笔在图形显示器上实现选择、定 位等交互功能。虽然具体的交互设备( 如光笔等) 今天已不再使用，但一些基本 概念和技术直至今日还是有用的。因此这一系统被公认为奠定了交互式图形”1 生成技术的基础。 进入七十年代，随着图形技术的发展，在计算机上实现用户图形交互己成 为可能。1 9 7 3 年，b r a i d 研制成了第一个实体造型试验系统，此后他吸收了 b a u m g a r t 在研制机器人视觉景物造型系统g e o m e d 中的多面体建模技术，逐 步建立起用边界表示生成三维实体的理论体系，终于在1 9 7 8 年开发出了第一 代实体造型软件r o m u l u s 。但是限于计算机硬件设备的昂贵，整个七十年代 c a d 仍缺乏广泛的应用。真正意义上的c a d 则是开始于八十年代初，由于计 算机技术的重大发展，生产成本的降低，使得具有高性能的微机和工作站的价 格能为广大的企业和用户所接受，从而促进了c a d 的深入发展和广泛应用。 到八十年代中期，出现了像i c a d 的基于知识的c a d 系统，这些系统基于 技术有效地将专家的设计制造知识利用于实际设计过程，在相似产品设计方 面，显示了较强的优势。当然，c a d 不同于开始于七十年代末、八十年代初 的智能c a d 概念，它仍限于产品的形状设计，而根据y o s h i k a w a 的概括，作 为智能c a d 在功能上应具有以下三个特征”： 1 完整性：在设计过程中的各个阶段均能辅助设计师机的设计活动； 2 灵活性：对于设计过程中所涉及到的任何设计对象均能为设计师提供辅 助手段； 3 集成性：可与其他相关的信息处理系统如c a p p 、c a m 系统等协同运 作 目前，智能c a d 仍处于探索研究的阶段。 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 8 0 年代末，出现的以p r o e n g i n e e r 为代表的参数化特征造型系统则成了新 一代c a d 系统的象征，被认为是c a d 发展史上又一次质的飞跃。它以实体模 型为基础，提供用户特征设计手段，大大简化了产品的造型过程，并且极大地 方便了系列产品的设计过程。正是由于参数化特征造型技术的这种优越性， p r o e n g i n e e r 从推出一开始就广泛地受到欢迎，p t c 公司也以该产品使之从一 个名不见经传的小公司发展成目前c a d 行业的第一大公司。 设计对象或称之为模型的计算机内部表示形式是一个与c a d 技术发展紧 密相随的因素。最初的c a d 系统( 计算机辅助绘图系统) 只支持简单二维元 素，如直线，圆弧、圆锥线等，这时的模型足这些简单二维元素的集合，称之 为二维线框模型。到七十年代中期第一个三维c a d 系统出现时，为了表示非 二维形体，引入了三维线框模型的概念，这是一种用顶点和邻边来表示形体的 方法，但是由于线框模型具有二义性，且缺乏表示复杂曲面及实体的能力，所 以为了满足复杂曲面造型及实体造型的需求，相继产生了曲面模型和实体模 型曲面模型是用有向棱边围成的部分来定义形体表面，由面的集合来定义形 体。曲面模型是在线框模型的基础上，增加有关面边( 边环) 信息以及表面特 征、棱边的连接方向等内容，从而可以满足面面求交，线、面消隐，明暗色彩 图、数控加工等应用问题的需要。但在此模型中不能明确定义形体究竟存在于 表面的哪一侧，因而在物性计算、有限元分析等应用中，曲面模型在形体的表 示上仍缺乏完整性。实体模型正好弥补了曲面模型在这方面的不足，它明确定 义了表面的哪一侧存在实体，通常在定义表面时，有向棱边按右手法则取向， 沿着闭合的棱边所得的方向与表面外发矢的方向一致，用此方法还可检查形体 的拓扑一致性 事实上，为克服单一模型的局限性，在实用化的c a d 系统中常会将这三 种模型统一使用。 在实体表示上存在两种基本表示方法，即c s g ( 体素表示) 和b r e p ( 边界 表示) 。c s g 用正则集合运算实现简单体素的组合，其中可配合执行有关的几 何变换，形体的c s g 表示可看成是一棵有序的二叉树，其叶节点可以是体素 或刚体运动变换参数。虽然c s g 表示具有结构简单、数据量小、模型可记录 设计历史等优点，但这种表示缺乏唯一性，而且局部操作不易实现。边界表示 详细记录了形体的所有几何元素的几何信息及拓扑信息，可直接存取构成形体 的面、边以及顶点的定义参数。有利于以面、边、点为基础的各种几何运算和 操作，而且比较容易确定几何元素的连接关系，但是这种表示对于修改形体的 操作比较难以实现，并且结构复杂，数据量大。考虑到两者的优点，在实际实 哈尔泞弹t 大学t 肇谚卜学位论史 现时，往往将这两种表示进行结合，称之为混合模型啪。 1 2 特征造型的发展 随着工业生产技术的提高，要求从设计到制造加工实现集成化、自动化， 在设计阶段实施并行设汁，以便缩短生产周期，提供产品质量和市场竞争力。 目前实体造型已比较成熟，商品化程度也很高，但是由于实体造型所表达产品 信息的不完备性，使其不能满足c a d c a m 集成化的需要，必须建立新的产品 定义模型实现从设计到制造信息的完整描述。特征造型已成为新时期几何造型 的前沿技术的研究热点。尽管近几十年来特征造型的功能有了很大的提高，但 是还存在几个方面的问题。 第一个问题是特征的语义在造型期间不能充分地维护，而语义特征造型方 法解决了这个问题。 第二个问题是多特征视图的产品造型还不能支持产品发展的所有阶段。当 前的多视图特征造型仅支持形式特征视图。 第三个问题是几个用户协同用特征造型发展一个产品还不能被完全支持。 基于网络的协同系统提供了交互式的模型功能。 第四个问题是特征造型系统仅仅讨论规则形状的特征，而在实际产品中经 常包含有曲面。但是由于特征造型还存在许多优点，值得发展自由特征造型技 术。 1 2 1 语义特征造型 语义特征造型”。是种描述性的特征建模方法，特征的几何参数、有效性 条件等各种属性都通过约束进行表达，特征之间的位置关系也可以通过约束进 行描述。相对于过程性的基于历史流的建模方法而言，语义模型特征信息的表 达和特征信息的维持是相互分离的。 语义特征造型是一种分层的体系结构，一般将其分为两层，很明显这种分 层结构把造型实体和在构造几何模型中的实体区分开来。前者执行了所有模型 操作的实体保存在第一层上，即所谓的特征依赖图f d g ( f e a t u r ed e p e n d e n c y g r a p h ) ，它包括了所有的特征和约束实例，通过依赖关系相互关联。第二层包 括了细胞元模型中产品的构造几何表示，它的实体内部保存仅需要反射在第一 层上执行的模型操作的结果。 略尔泞理t 大学工学母士学伊论文 1 2 2 多视图特征造型 多视图特征造型是由b r o n s v o o r t ”根据近期的工程学和特征造型提出的一 个概念，它支持产品开发各个阶段的应用，对这些应用提供一套自己的解释或 视图，每个视图都有各自的产品特征造型，每个特征造型包含几何和功能两方 面的信息。所育视图的特征造型部表示同一个产品，不同视图之间可直接进行 通信。但是，在产品设计过程中，可能会出现多个视图的特征造型不一致或某 个视图不存在有效特征造型的情况，那么就需要对所有视图进行维护。使它们 保持一致。 在已经实现的s p i f f 造型系统中，用一个基于约束的形式特征造型视图将 产品发展中的多个阶段应用综合一起，并将所有的特征造型合并成一个产品造 型，用多形式特征转换技术将任何视图的特征造型中的改变传递到其它视图的 特征造型中。但是，目前的多视图特征造型方法还存在许多缺陷： 1 没有考虑特征造型无效或不能在一些视图中创建一致的特征造型的可 能性。 2 ，只注重于产品的后期发展阶段，这样产品的几何就必须完全被指定 它们把产品几何作为基础，因此不能用于早期阶段。 3 仅处理单个部分，然而真正的产品很少包括单个部分。对包括多个部 分的产品进行处理时，不仅要处理分离的各部分，而且还要处理这些部分间的 关系，尤其是在维护所有部分的一致性和复杂的关系时。 为支持早期产品发展阶段和多个部分产品，前人引入了增强型多视图特征 造型。并且本实验室在h u s t - c a i d 系统的基础上，将语义特征造型与多视图 特征造型结合在一起，提出了一种基于语义的增强型多视图特征造型。 1 2 3 协同特征造型 协同造型系统是一种支持工程队共同完成造型活动的分布式多用户系统。 目前已经用到了以互联网为基础的协同模型可视化工具，它提供同频照相机和 电视的概念。然而，那样的工具重点用于检查，例仅用于简单的多边形网络模 型，而不支持真正的造型活动，即不是真正的c a d 系统。为此，提出了一个 协同特征造型系统，能给用户提供高级特征造型系统中的所有设备，同时为他 们提供必要的有效的合作协调机制。该合作机制解决在协同设计环境中出现的 同时性和同步性的紧急问题。 哈缸憧理丁夫学t 学黟卜学位论文 协同特征造型系统”是一个客户服务器结构，包括几个组件。在服务器 端，能识别两个主要组件：s p i f f 造型系统，它提供所有特征造型功能；会议 管理器，提供开始连接离开和关闭个造型区功能，并且能管理s p i f f 和客户 问的所有通信。服务器和会议维护一个中心产品造型，提供所有用户端不能或 不应该实现的功能，尤其是要求真正的特征造型计算时，服务器在中心产品造 型中执行这些计算，并将结果存回到客户端。该系统的一个主要优点就是系统 中仅有一个中心产品造型，因而避免了同一造型中多个区域间的不一致。 1 2 4 自由特征造型 目前的特征造型系统通常只支持规则形状图形特征。但在实际设计过程 中，由于强度，流量，艺术等其他的要求，产品表面通常包括各种曲面。因此 迫切需要使这些系统扩充曲面功能。目前尽管有些特征造型系统能够处理一定 的曲面，但要使特征设计系统处理更多的曲面还需要解决许多问题。 在自由特征造型系统中，首先给用户提供具有一组完全定义的自由曲面特 征的建模，但由于自由曲面特征的数量非常大，还需要一个很好的能够定义新 类的机制。使之只要给特征类分配适当的参数，用户就可以直观的定义和修改 实例。即用户可以直接用这些自由曲面特征进行设计，不需要再参与用底层实 体f 如n u r b s ) 设计。实际上，特征是构造了一个n u r b s 曲面到高层接口”。 1 3h u s l - 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 ”1 ( 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。 唧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 o 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 哈尔海理t 大学丁学矽卜学位论文 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： t 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； 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；执行 效率高，运算的可靠性商。 1 4 课题来源与立论目的和意义 1 4 1 课题来源 本课题全称为“多视图特征造型有效性维护和特征转换机制的研究”。来 源于国家自然科学基金“基于细胞元表示的语义特征造型系统”的研究需要 并在此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 立论的目的和意义 计算机辅助工业造型设计( c a i d ) 融c a d ( 计算机辅助设计) 与m ( 工业造 型设计) 于一体。美国、日本、德、法等国的典型机电产品的造型设计中相继 摒弃传统的工业设计方法，而广泛采用了综合高效和具有传统造型的c a i d 技 术，我们要在努力缩小典型机电产品内在功能与外观造型设计统一起来，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。丽多视图持征造型就是在此研究成果的基础上提出的一种集成化 的特征造型，它被引入产品设计发展中，是一种新的方法，这种方法能在较短 的时问内产生更高质量的产品，这是当前产品发展的一个主要的目标。多视图 特征模型可通过提供每个阶段的视图来支持产品设计发展中不同阶段的应用。 每个视图都包括该产品的形状特征造型说明，所有视图的特征造型都表示相同 睢尔淳理丁，、掌丁学够l 学伊玲史 的产品，它们必须保持一致性。丽特征转换是多视图特征造型中的一个关键技 术，但是它存在一个主要问题就是没有考虑产品造型中可能存在的无效视图， 这样也就使得多个视图不能保持致。本课题就是在对现存的技术进行分析和 研究的基础上立题的，具有一定的理论意义和实用价值。 1 4 3 课题的研究内容 本课题将从理论和系统设计开发两个方面对多视图特征造型中的关键问题 进行深入的研究，把几何造型、语义特征造型及多视图特征造型结合起来统一 进行研究。因此本课题研究的内容主要包括： 1 基于多视图的语义特征造型的分析： 2 多视图特征造型系统中有效性维护的研究： 3 多视图特征造型系统中转换机制的研究。 哈尔滨理t 大学t 学砺士学位论史 2 1 引言 第2 章多视图语义特征造型分析 在语义特征造型系统中，特征的定义和模型的维护是完全分离的，所有的 特征包括几何参数和有效性条件，都有约束声明，这种造型方法的主要优点是 能自由地指定这些约束类型，因而通过该方法可以编辑和维护模型。 多视图形状特征造型是结合了近期的工程学和特征造型的一项产品发展研 究。工程学的目标是通过在一些产品发展过程中的模拟行为即在最少的时间内 设计最好的产品，并行设计是主要解决方法，多视图特征造型包含了并行工 程，但当前的多视图系统的主要缺点是只能处理行为特征，仅支持底层产品几 何开发阶段。 多视图特征造型提供各阶段的视图来支持产品开发不同阶段的应用，每个 视图都包含该产品的形状特征造型说明，所有视图的特征造型都表示相同的产 品，因此各视图都必须保持一致。 过去对多视图特征造型已经作了大量的研究，比较典型的是s p i f f 特征造 型系统，通过提供基于约束类型的特征造型视图把产品的各个开发阶段的应用 综合起来，并把该特征模型结合成产品模型。 2 2 当前的多视图特征造型系统 多视图特征造型支持产品开发中各个阶段的应用，对这些应用提供一套自 己的解释或视图，每个视图都有各自的产品特征造型和来自特定应用特征库的 特征，每个特征造型包含几何和功能两方面的信息，视图特征库包括特征类， 该类包含一套代表视图相关联系应用的几何要求的特征约束。因为视图特征库 中特征类的实体用来建立视图的特征模型，除了在特征实体中的特征约束，特 征模型中也包含了必要的模型约束。 多视图特征造型是包含并发工程和特征造型产品开发方法。多视图行为特 征造型支持产品各个开发阶段的应用，通过提供产品各个阶段的视图和解释， 每个阶段有专门定义的行为特征，由于这些行为特征代表的是同一产品，必须 保持视图的连续性。提供基于约束的行为特征模型，把行为特征模型应用到产 哈尔；宦理】_ ，= 学t 学母十学位论文 品模型中。 最近几年内已对多视图形式特征造型做了很多研究。在s p i f f 造型系统 中，用一个基于约束的形式特征造型视图将产品发展中多个阶段应用综合一 起，并将所有的特征造型合并成一个产品造型。用多形式特征转换技术可将任 何视图的特征造型中的改变传递到其它视图的特征造型中，当然也提出了其它 的多视图形式特征造型方法，但是它们存在许多缺点： 1 没有考虑特征造型无效或不能在一些视图中创建一致的特征造型的可 能性。 2 只注重于产品的后期发展阶段，这样产品的几何就必须完全被指定。 它们把产品几何作为基础，因此不能用于早期阶段。 3 仅处理单个部分，然而真正的产品很少包括单个部分。对包括多个部 分的产品进行处理时，不仅要处理分离的各部分，而且还要处理这些部分闻的 关系，尤其是在维护所有部分的一致性和复杂的关系时。 于是，有人提出了增强型多视图特征造型方法，该方法在解决多视图特征 造型中的早期阶段和有多个部分的产品问题方面有很大提高，在此基础上，我 们又将语义特征造型和增强型多视图特征造型结合在一起，发展了完善的增强 的多视图语义特征造型并将其应用到了h u s t - c a i d 系统中。下面我们就来详 细地介绍一下该特征造型。 2 3 基于细胞元模型的多视图特征造型 2 3 1 语义特征造型的基础 语义特征造型在特征类中对每个特征进行定义，特征类结构化的描述了一 个给定特征类型的所有资源，并为其所有实例定义了一个这种类型的所有实例 的有效性条件都满足的模板。这些条件和特征形式及其参数一样，是通过大量 的约束类型来指定的。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。特征类的基 础是参数体，对简单特征来讲就是基本体，例如：一个圆柱上的通孔。而对复 杂特征来讲，这个特征体可能是几个重叠的基本特征体的组合，例如：穿透两 个圆柱体的孔。特征所在的几何体指出了这个特征所存在的体范围。特征类也 和每个特征体相关联。特征性质的概念指出它的特征实例是从模型上添加或移 除( 分别称为正特征和负特征) 。 哈尔泞理t 大学t 学够十学位诒丈 语义特征造型的整个造型过程根据特征和他们的实体( 例如面和参数) 以 及两者之间的约束统一实现，所以用户的所有造型行为实际上都是基于特征 的。相同应用于造型系统集中的所有图形和文本输出。这么做的优点是一个特 征特别是它的面和面的命名是连续的，这些保持有效。因此，对他们的所有索 引和模型中保持的特征实例一样，这和基于历史的造型过程相反，精确模型的 实体索引保存在造型历史中，前面的部分指出了这些缺点和这种系统的边界面 不同，特征面从未分裂，合并或删除。语义特征造型中所有特征的语义在整个 造型过程中进行任何特征操作都不改变”。 语义特征造型的上述特点决定了在语义特征造型的两层体系结构，把造型 实体和构造几何模型中的实体区分开来。前者，执行了所有模型操作的实体保 存在第l 层上，即所谓的特征依赖图，它包括了所有的特征和约束实例，通过 依赖关系相互关联。第2 层包括了在细胞元模型中的产品的构造几何表示，它 的实体内部保存仅需要反射在第l 层上执行的模型操作的结果。 2 3 2 多视图语义特征造型的组成部分 增强的特征模型中包括特征，特征是指产品的某些功能方面，可以是形状 特征，但是它们是在高度抽象水平上的般特征。一个增强的多视图特征造型 系统的原型支持产品设计的4 个阶段”“。 第l 阶段：概念设计视图。概念设计就是产品的样式由指定的组件和他们 的接口决定。组件就是一个基本形状，比如：凹下、凸起和一些参考元素等。 例如：对一个夹具的概念设计视图，包括一个基本部分，一个可以移动的部分 和一个心轴。如图2 1 所示。 图2 1 概念设计视图 f i g 2 1c o n c e p m a ld e s 伽v i e w 第2 阶段：装配设计视图，该阶段确定零件间的物理连接旧1 。通过连接特 征来表示这些连接，例如销连接特征、燕尾槽连接。需要创建概念设计阶段的 每个连接的连接特征，同时这些连接特征都应该限制相同的自由度，同时为了 适应该连接特征，组件上的行为特征在装配设计视图中也应该被创建， 装配 设计阶段决定各部分间的物理联系，这些联系由关联特征所体现。比如，图2 i 加上组件f b j 的形式特征的联系如图2 2 。 图2 - 2 装配设计视图 f i g 2 - 2a s s e m b l yd e s i g nv i e w 第3 阶段：部分详细设计视图。确定在概念设计阶段定义组件中各零件几 何模型细节和装配设计视图中定义的连接特征，行为特征根据概念设计阶段的 组件定义来设计，并链接到这些定义。行为特征也应该满足相应概念设计阶段 定义的设计要求，例如体积不小于8 0 c m 3 。此外自动创建表示连接组件中连接 行为特征的相应零件区域的行为特征，比如图2 1 基本偏移部分的详细设计视 图在图2 3 中给出。 图2 - 3 部分详细设计视图 。 f 皓2 3p a r td e t a i ld e s i g nv i e w 。 第4 阶段：部分制造方案视图。设计者分析加工和可制造性并建立零件的 制造计划。制造计划特征仍是行为特征，例如槽和孔。制造计划中的特征模型 与零件详细设计阶段的相关特征模型相链接。如图2 - 4 所示为图夹具中组件的 制造计划视图。在装配计划视图中确定被加工零件的装配方式。 哈尔泞壬早t 大学t 学矽t 学伊译 图2 - 4 部分制造方案视图 f i g 2 4p a r tm a n u f a c t u r i n gp l a n n i n gv i e w 增强的多视图特征造型”1 保持了特征造型所有视图的连续性，这些视图可 以划分为：处理产品的所有组件和它们之间联系的视图( 面向聚集的视图) ；仅 处理一个单独部分的视图( 面向部分的视图) 。概念设计视图和装配设计视图是 面向聚集的视图，部分详细设计视图和部分制造方案视图是面向部分的视图。 对于产品的组件，面向部分的视图应该表示相同的部分，而面向聚集的视图应 该表示相同的产品，表现用面向部分视图表示的部分是怎样作为组件关联到一 起的。如果视图满足这些要求，就认为他们是致的，可以通过特征转换来完 成，特征转换”1 中包括连接特征、映射特征和识别特征。 2 3 3 多视图语义特征造型的工作原理 概念设计视图说明产品的组件和接口。 装配设计视图定义在概念设计视图中的组件阃的接口，对于概念设计视图 中的每个接口，都需要创建一个连接到这个接e l 的关联特征，为了适应这些关 联持征，应该在装配设计视图的组件中创建类型特征。 部分详细设计视图用来精确表示在概念设计视图中的组件所表示的部分。 在装配设计视图中定义为连接特征，而在概念设计视图中则使用形状特征，应 满足一致性概念说明的需要。为表示一个区域，需要自动创建形状特征。 制造计划视图用来分析每个部分，创建一个制造计划。在制造方案视图中 的特征模型与在相应的部分详细设计视图中的特征模型相关联”“。 在所有的情况下，当一个视图的特征模型改变时，其他视图包含的特征造 型相应改变。 研究增强的多视图特征造型的一个重要方面是如何保持特征模型的各个不 同视图的一致性，可以通过基于特征链接、特征映射和特征识别的特征转换机 哈尔泞坪t 大学t 学面卜学竹论史 制来实现”。 通过特征转换可以在任意视图间保持连续性。在增强的多视图特征造型系 统中，所有视图的关联限制在一些有限的子集中，这样简化了视图j 日】的转换， 转换步的数目最小化，也改善了系统的执行。 各种视图之间的特征转换关系“”如下图2 5 所示。 图2 - 5 视图间的转换关系图 f i g 2 - 5r o l a t i o n sb e t w e e nt h es u p p o r t e dv i e w s 概念设计视图和装配设计视图间的特征转换包括两部分：保持概念设计视 图中的组件与装配设计视图中的组件一致，保持概念设计视图中的接口与装配 设计视图中组件间的连接相一致。 概念设计视图中的一些组件与装配设计视图的复合组件相关联。如果概念 设计视图的概念与装配设计视图的形状特征相关联，而且与形状特征相致， 那么概念设计视图中的组件就与装配设计视图中的组件一致。 概念设计视图中的概念不必一定与装配设计视图中的形状特征关联。如果 形状特征的形状、性质、尺寸和位置满足已经被这个概念相关联的特性所指定 的约束，则此概念与形状特征相一致”“。 特征连接用来保持在概念设计视图中的概念与装配设计视图中的形状特征 一致。设计者创建在概念与形状特征之间的连接，这个连接由系统来维护。连 接一般由以下部分组成：一个存在于由接口所决定的类型和连接之间的等价约 束和由接口类型与该连接之间的平行约束。如果一个接口不能与相关的连接特 征保持一致，设计者必须调整概念或形状特征，或者移除这个连接。 在概念设计视图和部分详细设计视图问的特征转换是保持概念设计视图中 哈尔演理t 大学t 学砸十学p 论文 的特征模型的每个部分与部分详细设计视图中相关联部分的特征模型相一致。 比如，保持组件的特性与相关部分的物理属性相一致。 一个组件与形状特征相关联的每个概念都与形状特征相关联的部分一致。 部分详细设计视图的特征模型可以包含不与任何概念相关联的其他的形状特 征。组件的属性与相关联的部分的物理性质一致。 特征连接用来保持组件的属性与相关联的部分一致。设计者可以把每一部 分与一个或更多的部分联系起来填充组件的功能。包括联合部分物理特性的约 束，把结果与相关部件的特性的值相联系，如果组件的属性与相关联的部分不 一致，设计者必须调整这些部分，或者改变在这些部件上的需要。 在装配设计视图和详细设计视图自j 的特征转换，包括保持在装配设计视图 中的特征模型的每个部分与相关部分的详细设计视图的特征模型相一致。 为了使详细设计视图中一部分的特征模型与在装配设计视图中相关联的不 一致的部分重新一致，可以使用自动特征识别技术。 特征连接用来保持详细设计视图中部分的特征模型与装配设计视图中相关 联的部分一致，在两者的特征模型调整期间，系统自动在在不同的二维视图特 征面和组件的边之间创建连接。一个连接包括一个几何上的同一平面的约束。 在详细设计视图和部分制造方案视图之间的特征约束包括保持部分详细设 计视图的特征模型与部分制造视图的特征模型相一致。如果他们表示相同的几 何体，自动特征识别用来使部分详细设计视图的特征模型与相同部分制造方案 视图中的特征模型不一致的部分重新一致。 特征连接用来保持部分详细设计视图中的特征模型与部分制造方案视图中 的特征模型一致。在两者的特征模型调整期阃，系统自动在同一二维视图的特 征的面与组件边之间创建连接，一个连接包括一个几何体的同一二维上的约 束。 但是为了便于对多视图语义特征造型进行维护，我们实验室又将细胞元模 型”应用到多视图特征造型中，于是出现了基于细胞元模型的多视图语义特征 造型系统，下面我们就在前面多视图语义特征造型的基础上，介绍一下细胞元 模型的概念。 2 3 4 多视图中的细胞元模型 细胞元模型表示某个特征造型的评价几何。它是一个简单的几何模型，将 特征造型中的所有特征组合在一起。它用任意形状的具有一定体积且在几何上 哈尔滨珲t 大学t 学够士学位论史 不重叠的细胞集来表示一个几何，这样每个细胞或苦完全存在于一个特征的形 状中，或蕾完全在形状外。将细胞元模型分解成细胞由在特征造型中的特征形 状f b j 的蓖叠柬决定的，例如，特征形状b j 的交集中引入可增细胞。每个细胞中 都包含了与之相交的特征的体积信息，每个细胞面部包含了与之重叠的特征面 的信息。此外，一个细胞也包含有其体积所表示的材料信息，如：该细胞有可 增属性或可减属性。一个细胞面也包含有其所表示的特征造型边界部分的信 息，如：在一个边上有材料，另一个边无材料。这些信息都存储在所谓的所有 者列表中。每个细胞和细胞面都有那样一个所有者列表，它用来指出每个视图 中特征和特征面的所属“。细胞元模型及维护所有者列表的属性机制可用3 d a c i s 原型来实现”“。图2 - 6 表示一个视图中某部分的细胞元模型，它是重叠 斜面的细胞元模型，比较简单。 图2 - 6 一个包含有某重叠斜面细胞所有者列表的细胞元模型 f i g 2 - 6c e l l u l a rm o d e l w i t ho w n e rl i s t so f s o m ec e l l st h a ti n v o l v eo v e r l a p p i n gc h a m f e r s 装配中的细胞元模型和关联的复合组件表示相连特征的形式特征的评价几 何和这些组件的参考几何。它们的集成，允许将复合组件几何中的改变传递到 子组件中。 哈尔擘理丁夫学丁学顾十学位论文 某部分的细胞元模型和与之关联的单个组件表示该部分中视图的形式特征 及该组件上的相连特征的形式特征的评价几何和该组件的参考几何。它们的集 成支持部分和组件f b j 的一致性维护。 细胞元模型用于检查某部分视图的特征造型和与之关联的单个组件的特征 造型的一致性。如果两个细胞元模型中的细胞有相同的性质，则特征造型是一 致的。 在第三章我们将细胞元模型引入到连接的创建和形式特征的识别中，后面 再具体介绍。 2 3 5 多视图的特征依赖图 在多视图语义特征造型系统的每个视图特征造型中，存在特征参数约束、 几何元素约束和语义约束，它们都可能涉及到拓扑元素( 如面、边和点) 的引 用。拓扑元素引用在产品的设计过程中必须保持有效性和一致性，这要求必须 为产品模型中的特征之间建立明确的依赖关系。而这种依赖关系是随着特征所 依赖的拓扑元素的变化而发生变化，因此是动态的。为此在多视图特征造型中 引入特征依赖图( f d g ) 来描述产品信息建模中所有特征及其约束关系。特征依 赖图可定义为：f d g ( 以e r ，m ，其中，v 为基本特征节点；e 为有向边，代 表特征之间依赖关系，有向边由父特征( 主特征) 指向子特征( 副特征) ，特征的 依赖关系是由子特征的形状参数和定位参数等通过实体的面、边、点依赖于一 个或多个主特征，一个特征既可以是父特征又可以子特征；矗为建立特征的之 间的依赖关系的规则；m 对特征依赖图的操作，包括节点的创建、删除以及遍 历整个特征依赖图等。 如图2 1 为某个产品的部分模型，该模型是