（计算机软件与理论专业论文）语义特征造型中参数问题的研究.pdf

语义特征造型中参数问题的研究 摘要 成功的特征造型系统，在很大程度上取决于是否能够为用户提供友好的 方式来指定和改变特 正模型。指定和改变特征模型往往是通过参数褥以实 现。改变参数的佳是一种经常、反复的操作，然而在修改参数这一过程中， 很可能会因为参数选取的不当而导致产生无效的几何模型或使系统的拓扑结 构发生改变。因此是否能够提供合理的、有效的、可方便操作的参数已经成 为一个亟待解决的阀题，再者是否能够利用参数方便的操纵自由卷瑟特征模 也是一个急需解决的问题。 针对一般的特征模型，本文提出一种新的方法用于自动侦测参数适当的 范围。先通过分析拓扑约束图，找到距离约束和角度约束，并将这些约束加 入到其相应的凡俺约束中，然蜃通过分解我到子闽题的旗界参数值，再求解 每个并列的参数区间内部的一个具体的实例，精确的参数范围就能够被确 定。这一参数范围的确定就使用户在改变参数的过程中有了一个明确的指 示，可以减少反复的过程。关于自由曲露特征模型，本文对形状参数、曲线 参数以及相关的约束因素进行了详缨酷说骥，还对特薤依赖图，特征形状， 交互数据结构做了详细的描述，并提出了一个新的三个层次的结构：最高层 次为不可估计模型，最低层次为可评估的模型，中间层次为部分评估模型， 后者链接最高层次的特征和最低层次的几何模型，并且也提供了最离层次和 最低层次几何模型中特征定义的交互。在交互式设计环境中，设计者直接与 特征模型交互，多层次模型的提出在指定和改变模型方面为用户提供了友好 的方式。 关键词特征造型；自由蓝谣特征；参数范围计算；数值参数；曲线参数 哈尔滨理下大学t 学硕l j 学位论文 r e s e a r c ho nt h ep a r a m e t e ri ns e m a n t i cf e a t u r e m o d e l i n g a b s t r a c t as u c c e s s f u lf e a m r em o d e l i n gs y s t e m ，l a r g e l yd e p e n d so nw h e t h e ri t c a n p r o v i d eau s e r f r i e n d l yw a y t os p e c i f ya n dc h a n g ef e a t u r em o d e l s t h eo p e r a t i o n s o fs p e c i f y i n ga n dc h a n g i n gf e a t u r em o d e l sa r eo f t e na c h i e v e dt h r o u g ht h e p a r a m e t e r s i ti so n eo ft h em o s tc o m m o no p e r a t i o n st oc h a n g et h ev a l u e so f p a r a m e t e r si nt h es y s t e m h o w e v e r ，b e c a u s ea l l o w a b l ep a r a m e t e rv a l u e sa r en o t k n o w nt ot h eu s e rb e f o r e h a n d ，t h i si so f t e nat r i a l - a n d - e r r o rp r o c e s s i nt h e p r o c e s so fm o d i f y i n gt h ep a r a m e t e r s ，i ti sl i k e l yt og e n e r a t ei n v a l i dg e o m e t r i c m o d e lo rc h a n g et h et o p o l o g ys t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，b e c a u s et h ep a r a m e t e r s s e l e c t e dm a yb ei n a p p r o p r i a t e ，t h e r e b yw h e t h e rt h e yc a np r o v i d er e a s o n a b l e ， e f f e c t i v e a n dc a nb ee a s i l yo p e r a t e dp a r a m e t e r sh a sb e c o m e a ni s s u e ，i na d d i t i o n ， w h e t h e ri tc a nm a k eu s eo fp a r a m e t e r st of a c i l i t a t et h em a n i p u l a t i o no ff l e e f o r m s u r f a c ef e a t u r em o d e l si sap r o b l e mn e e dt ob es o l v e du r g e n t l y t h i s p a p e rp r e s e n t e d an e wm e t h o df o ra u t o m a t i c a l l yd e t e c t i n g t h e a p p r o p r i a t er a n g eo fp a r a m e t e r st ot h eg e n e r a l f e a t u r em o d e l f i r s t l y ，f i n d i n g d i s t a n c ec o n s t r a i n t sa n da n g l ec o n s t r a i n t sb ya n a l y z i n gt h et o p o l o g i c a lc o n s t r a i n t g r a p h ，a n da d d i n gt h e s ec o n s t r a i n t st o t h ec o r r e s p o n d i n gg e o m e t r i cc o n s t r a i n t s ， s e c o n d l y ，f i n d i n g t h ec r i t i c a l p a r a m e t e r v a l u e s o fs u b - p r o b l e m st h r o u g h d e c o m p o s i t i o n ，f i n a l l y ，t h ee x a c tp a r a m e t e rr a n g e sa r ed e t e r m i n e df o rw h i c ha s o l u t i o ne x i s t s b ys o l v i n go n ep r o b l e mi n s t a n c ef o re a c hi n t e r v a lb e t w e e nt w o s u b s e q u e n tc r i t i c a lv a l u e s t h ed e t e r m i n a t i o no ft h es c o p eo fp a r a m e t e r sa l l o w s t h eu s e rt og e tas p e c i f i ci n s t r u c t i o ni nt h ec o u r s eo fc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r s ， w h i c hc a nr e d u c et h ei t e r a t i v ep r o c e s s a b o u tt h ef r e e - f o r ms u r f a c em o d e l s ，i n t h i sp a p e r ，n o to n l yt h es h a p ep a r a m e t e r s ，c u r v ep a r a m e t e r s ，a sw e l la sr e l a t e d c o n s t r a i n t sa r ee x p l a i n e di nd e t a i l ，b u ta l s ot h ed e p e n d e n c yg r a p ho ff e a t u r e ， 哈尔滨理u t 人学丁学硕17 学位论文 f e a t u r es h a p e ，i n t e r a c t i v ed a t as t r u c t u r ea r ed e s c r i b e di nd e t a i i ，f u r t h e rm o r e ，a n e w a d v a n c e d m u l t i 1 e v e lf r e e f o r ms u r f a c ef e a t u r em o d e lw a sp r e s e n t e d t h e h i g h e s tl e v e l c a l l e dt h eu n e v a l u a t e dm o d e l t h el o w e s t1 e v e lo ft h ef e a t u r e m o d e li st h ee v a l u a t e dm o d e lc o m p r i s i n gt h eg e o m e t r i cm o d e l 。t h em u l t i l e v e l m o d e ld e f i n e san e wi n t e r m e d i a t el e v e l c a l l e dt h ep a r t i a l l ye v a l u a t e d 。t h el a t t e r l i n k st h ef e a t u r e sa tt h eh i g h e s tl e v e lt ot h eg e o m e t r i cm o d e la tt h e1 0 w e s tl e v e l ， b u ta l s oi n t e r s e c t i o n sb e t w e e nf e a t u r e st ob o t ht h e i rd e f i n i t i o n sa tt h eh i g h e s t l e v e la n dt h eg e o m e t r i cm o d e la tt h el o w e s tl e v e l 。i na ni n t e r a c t i v ed e s i g n e n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g n e rd i r e c t l yi n t e r a c t sw i t haf e a t u r em o d e l ，也em u l t i - l e v e l m o d e lp r o v i d e sau s e r f r i e n d l yw a yi nt h ep r o c e s so fs p e c i l y i n ga n dc h a n g i n gt h e f e a t u r em o d e l k e y w o r d sf e a t u r em o d e l i n g ，f r e e f o r mf e a t u r e ，c a l c u l a t i o no fp a r a m e t e rr a n g e s ， n u m e r i cp a r a m e t e r s ，c u r v ep a r a m e t e r s 。i i ! - 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参数问题的 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，均己在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者虢褥五放隅冲岁, 9 - 内r 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 语义特征造型中参数问题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。 不保密匹 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 谮幺豫 导师签名：和参镌 脚川年弓月同 胁砷年多月矾同 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1c a d 技术的产生及发展过程 计算机图形学是伴随电子计算机及其外围设备产生和发展起来的。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。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。 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 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。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 自诞生之同起便紧紧 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。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。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幢1 。 从2 0 世纪7 0 年代中期到9 0 年代初期，以3 2 位工作站为基础的c a d 系 哈尔滨理丁人学t 学硕 ：学位论文 统发展迅速。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。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 在盘【l 。2 】 口o 1 1 2c a d 系统的发展趋势 c a d 技术作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开 发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及 其产品在市场上的竞争能力，加速国民经济发展和国防现代化的一项关键性技 术，也是进一步向计算机集成制造( c i m ) 发展的重要技术基础。基于互联网的 信息业的蓬勃发展，使得网络通讯的普及化、信息处理的智能化、多媒体技术 的实用化也逐步走入广大企业和社会；而且，随着对现代制造技术的逐步探索 与发展，与制造业相关的一些理念也相继涌现，如并行工程、敏捷制造、精益 工程、虚拟企业、动态联盟等等，这一切因素使得现代c a d 系统的发展拥有 了更多的分支和内涵，c a d 系统的深度和广度都获得了极大的拓展。c a d 技 术发展的主要趋势是集成化、标准化、智能化和网络化。 1 集成化集成化口1 就是向企业提供一体化的解决方案，集成化的含义是 多角度、多层次的。它可以是一个c a d 系统内部各模块之间的集成，或者是 体现一个企业引进的多种c a d 系统之间的集成，也可以解释为工程设计领域 c a d 、c a p p 、c a m 系统之间的集成，进一步发展成为支持产品开发的全生命 周期的集成化系统，即把计划、构思、设计、仿真、制造、组装、测试以及文 档生成等各个环节集成到一个统一的系统中，实现资源的共享和信息的集成标 准化。随着技术的发展，计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制 造、计算机辅助工艺编制将逐步在企业中得到推广和应用。由于这些系统大都 是作为自主系统独立开发的，产品的表示方法有很大的差异。集成化的目的就 是要将计算机辅助设计所产生的实体模型最大限度的被后续的分析、加工、工 艺和仿真所利用。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 2 标准化自8 0 年代中期以来，国际上的制造业共同发展了名为 s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 的产品模型数据表达与交 换的技术标准，并被国际标准化组织i s o 采纳。 作为一种产品信息建模技术，s t e p 规定了从产品设计、开发、制造以至 于全部生命周期中包括产品形状、解析模型、材料、加工方法、管理数据等方 面的必要信息定义和数据交换的外部描述，从而为企业内外数据交换和信息集 成，发展新一代的产品设计与开发一体化系统、发展信息共享、信息交换的集 成平台、开发新一代产品数据管理系统等开创了新局面，它是制造业具有划时 代意义的举措。 3 智能化所谓智能化是一个比较宽泛的概念，一切能够减轻人为思考和 劳动的方法都可以说是具有一定的智能。因为一个智能化的c a d 系统能够极 大的减少用户在学习和使用软件过程中的负担、同时也可以在一定程度上降低 设计失误，提高设计效率，最终使设计结果接近最优化，所以近些年来，广大 用户对于c a d 系统应具有一定智能化的呼声越来越高。 m i t 的研究小组在提出c a d 概念时，对c a d 作了这样的设想：设计者 坐在控制台前，通过人机对话，实现从概念设计到生产设计以至制造的全过 程，这是一种人工智能的设想。目前的c a d 技术主要处理数值型的工作，包 括计算、分析与绘图；对设计活动中的另一类符号推理型工作，如方案设计、 选择、评价以及参数选择等，c a d 系统的能力十分有限，需要结合领域专家 丰富的经验和知识。将人工智能与专家系统技术同传统的c a d 技术结合起 来，形成智能化c a d 系统，使c a d 的应用领域进一步延伸到概念设计与方案 设计阶段，是c a d 发展的必然趋势。c a d 系统智能化将使c a d 系统更灵 活、易用、高效并且富有创造力。 4 网络化网络化是整个社会各行各业发展的必然趋势，在不远的将来， 任何企业或个人都不可能摆脱网络化和经济全球化所带来的冲击，从而引发的 生存危机。现代c a d 系统已经基本实现了从单机到局域网的转变，目前正在 与企业的i n t r a n e t 进行整合。随着计算机网络的飞速发展，c a d 系统的网络化 已成为不可阻挡的历史潮流。计算机支持的协同设计h 1 c s c w ( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 和异地设计技术正成为研究的热点，并初步改变企 业技术管理与组织管理的模式。网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂 贵的设备，节省大量的时间和资金。分布式的设计环境可以使多个设计人员在 网络上随时交换设计数据，而且，只要企业的网络与i n t e m e t 相连，同世界上 任何一个角落的人员进行交流与同隔壁办公室人员的交流几乎一样方便。目前 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 正在国内开始运作的宽带网计划将使c a d 系统网络化的目标变得更为现实。 1 1 3 自由曲面造型技术的研究现状 自由曲面造型旧1 技术产生于二十世纪六十年代，1 9 6 3 年，美国的 f e r g u s o n 首先提出了将曲线曲面阳1 表示为参数的矢函数方法。他最早引入了 参数三次曲线1 7 1 ，构造了组合曲线和有四角点的位置矢量及两个方向的切矢定 义的f e r g u s o n 双三次曲面片。他所采用的曲线曲面的参数形式从此成为曲线瞳 面设计中进行形状数学描述的标准形式。1 9 6 4 年到19 6 7 年，美国麻省理工学 院的c o o n s 提出了一个具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四 条边界就可以定义一块曲面片- - c o o n s 曲面。1 9 7 1 年，法国的b e z i e r 提出了 由控制多边形定义曲线的方法。随着应用数学和c a d c a m 技术的发展，在 s c h o e n b e r g 、m a n s f i e l d 、d eb o o r 和c o x 奠定和完善了b 样条的基 础理论后，wg o r d o n 和rr i e s e n f e l d 在7 0 年代中期将b 样条理论引入 曲线曲面设计系统。以后，b e z i e r 曲线曲面被看作是b 样条曲线曲面的一种特 例，而b 样条方法比b e z i e r 方法更具有一般性。b 样条基函数具有计算稳定、 快速的特点，同时b 样条曲线曲面具有局部可修改性，具有较强的几何造型能 力。 1 9 7 5 年，v e r s p r i l l e 又将b 样条理论推广到有理情形，提出了非均匀 有理b 样条( n u r b s ) 这个概念。后来，到8 0 年代后期，n u r b s 旧1 方法发展为 曲线曲面造型方法中最为流行的技术。n u r b s 方法对标准的解析曲线和自由 曲线提供了统一的数学描述，保留了b 样条曲线的节点插入、修改、分割以及 修改控制点等强有力的技术，而且还具有修改权因子来修改曲线形状的能力。 非有理与有理的b e z i e r 曲线曲面形式和非有理b 样条曲线曲面形式都被统一 在n u r b s 形式中。 从9 0 年代开始，曲面造型技术的发展又出现了新的特点，在某些应用领 域，人们已无法满足于已有的曲面造型技术，开始探索基于其他方法的新的曲 面造型技术。近几年来，随着反求工程【9 i 的发展，曲面造型技术又取得了一些 新的成果。但是到目前为止，对曲面造型技术的研究采用的仍然是传统的参数 方法【1 引，而在语义特征造型1 系统中对复杂的自由曲面特征的研究还相对较 少。随着特征造型技术的发展，对自由曲面特征的应用将会越来越多，例如在 汽车、飞机、船舶、水利机械以及地形地貌、石油分布等工程描述中，都需要 用到自由曲面和自由曲面特征。在很多情况下，传统的造型技术已经很难满足 哈尔滨理下人学t 学硕f j 学位论文 自由曲面造型的要求。 在现有的造型系统中，自由曲面大多数是通过b e z i e r 曲面、b 样条曲面和 n u r b s 曲面片来表示的引，这些表示方法都属于底层表示方法，而自由曲面 征则可以为原有的低层表示提供一个高层接口。对自由曲面和自由曲面特征进 行研究，可以为设计人员提供更加快捷和直观的造型设计方法。与传统的造型 设计相比，运用一些控制点作用于自由曲面，可以为用户提供一系列自由曲面 特征，而它们的基本形状则是通过直观的参数进行充分定义的。通过特征进行 设计的方法为有效性维护提供了很好的保证，这样，只有那些满足有效性条件 的模型才可以被创建盯1 。 通常，设计人员希望能够操作比几何实体更高层的实体，例如点、曲线和 独立表面等等，但是目前，在自由曲面设计中，如果设计人员想要创建或修改 一个自由曲面，他们总会遇到一些用不可预测的方法来处理控制点n 3 1 的问题。 为了解决这个问题，就需要在自由曲面设计中引入特征的概念。特征是产品的 一系列形状，通过这些形状设计人员可以使用某些生成产品的有用的属性和知 识。特征提供了将一系列元素作为独立实体进行处理的优点，从而提高了创建 产品模型的效率”。当特征的概念被应用到机械环境中后，它也就被应用到了 不规则形状区域中。一个自由曲面特征是一个或是一组自由曲面的一部分n 引， 特征的边界由位于表面上的曲线段组成，但自由曲面特征不像机械特征那样能 够详细描述出一条明确、独立的边界。在1 9 9 6 年，p o l d e r m a n n 和 h o r v a t h | 16 1 提出了一种自由曲面特征的基本分类方法 ，将自由曲面特征主 要分为四类。另一种自由曲面特征的分类法是由d em a r t i n 和f o n t a n a n 引 提出的，他们根据自由曲面的形状和不同的作用，将自由曲面特征分为两类： 形状变形特征和形状删除特征。最近一段时间，随着自由曲面在反向工程中的 应用，在这方面的研究取得了新的进展： ( 1 ) 将特征单独处理可以获得比处理所有数据更好的结果圳； ( 2 ) 高层实体和参数可以被直接描述和提取； ( 3 ) 设计人员可以方便地应用高层参数修改重构的自由表面，而其他表面 部分则不需要被重建陋。 1 1 4 参数设计发展概况 参数设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使c a d 系统具 有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是c a d 技术应用领域内 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论文 的一个重要的、尚待进一步研究的课题。利用参数设计手段开发的专用产品设 计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提 高设计速度，并减少信息的存储量。 参数设计不是传统c a d 系统的简单扩展，而是以一种全新的思维方式来 进行产品的修改设计和创新。它用约束来表达产品模型的形状特征，定义一组 参数控制设计结果，从而通过调整参数来修改设计模型，并能方便地创建一系 列在形状或功能上相似的设计方案。在设计过程中，参数草图输入大大提高了 图形输入和几何造型效率。产品模型的修改通过尺寸驱动或参数驱动实现。给 定几组参数值便可实现系列零件或部件的自动生成，约束的修改使对设计目标 依赖关系的描述成为可能。基于约束的参数变量设计技术为初始设计、产品模 型的修毓零件族的生成、多方案的比较等提供了强有力的手段，在工程绘图、 实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计、数控力n m ( n c ) 等领 域发挥着越来越大的作用。 参数设计方法的研究早在2 0 世纪6 0 年代就已经开始，s u t h e r l a n d 在 他开发的k e t c h p a d 系统中，首次将几何约束表示为非线性方程组来确定二 维几何形体的形状和位置。后来，h i l l y a r d 、g o s s a r d 进一步发展这一思 想，并使之适用化。经过4 0 年来的发展，从最初的二维参数化设计绘图系统 到基于特征的三维造型系统，参数设计在理论和应用方面都取得了丰硕的成 果。 随着参数设计理论研究的不断深入和发展，世界各大软件公司也推出了自 己的具有参数设计能力的c a d 系统或者在原有c a d 系统的基础上加入了参数 设计功能。一些著名的商用公司开发的产品，基本上代表该项技术发展的主 流，它们所提供的模块覆盖了整个机械产品的设计过程。如美国参数技术公司 p t c 的机械设计自动化软件p r o e n g i n e e r 、u g 公司的s o l i de d g e 、a u t o d e s k 公司的a u t o c a dd e s i g n e r 等。国产具有参数功能的c a d 软件有：浙江大学的 z d d s 、华中理工大学的i n t e r c a d 、开目c a d 、高华计算机公司的高华 c a d 。目前哈尔滨理工大学计算机辅助设计实验室自主研制开发的计算机辅助 工业设计系统( h u s t - c a i d ) 也正在向参数设计方向发展。 1 2 立论目的和意义 c a d c a m 技术的迅速发展使得它无论在机械、电子、航空、建筑等领域 都获得了成功的应用。这对于提高产品性能和质量、缩短产品开发周期、降低 哈尔滨理t 人学t 学硕- 学位论文 成本和增强市场竞争力起了巨大的作用。 企业成败的关键问题之一是能否快速开发出新产品并缩短产品的上市周 期。因此产品的设计要有充分的柔性，并且设计过程模型要能准确地反映设计 的实际活动，同时又能够迅速地重构，使产品的设计信息能够重用。几乎所有 产品的设计都是改进型产品设计，而且大约7 0 的原来产品的设计信息在新产 品的设计时被重新利用，参数设计技术就在这样的背景下应运而生。设计师可 以根据自己的意图很方便地勾勒出设计草图，系统同时自动建立设计对象内部 各种元素之间的约束关系，以便设计者更新草图尺寸时，系统通过推理机能自 动更新校正草图的几何形状并获得几何特征点的正确位置分布。 尽管经过软件供应商与研究人员多年的不懈努力，使得参数技术由最初的 萌芽逐步发展起来，并取得了相当的成果，但是从参数技术的实际应用状况来 看，还远未达到人们所期望的那样行之有效。这主要是由于参数技术中还存在 以下几个问题： ( 1 ) 适合的参数范围对于用户来说提前是不知道的，这就使得改变参数的 值是一种经常、反复的操作，而且在修改参数这一过程中，很可能会因为参数 选取的不当而导致产生无效的几何模型或使系统的拓扑结构发生改变陋。 ( 2 ) 把传统针对点、线、圆、圆弧的二维图形参数技术推广到由曲线、曲 面构成的二维或三维几何图形上去，这既是参数发展的一个必然结果，也是一 个令人感兴趣的崭新课题。 该文就是在此背景下针对上述问题做了一系列的工作：首先提出了一种新 的方法，这一方法自动为单参数的系统侦测适当的参数范围，在这个范围内任 何值都能够使问题得到解决。参数范围的确定就使用户在改变参数的过程中有 一个明确的指示，可以减少反复的过程。再者针对自由曲面特征模型，引入一 个新的、先进的多层次的自由曲面特征模型，此模型使得设计者可以方便的利 用参数来指定和改变自由曲面模型，并提供了用户友好的方式。 1 3 课题来源及研究内容 本课题全称为“语义特征造型中参数问题的研究”，来源于国家自然科学 基金项目“基于细胞元幢2 1 表示的语义特征造型系统”( 编号6 0 1 7 3 0 5 5 ) 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进一步提出的，旨在提高产品的可编辑性和易编辑 性，提高造型能力和造型效率，并切实有效的应用到h u s t - c a i d 系统中，对 哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学位论文 它做进一步的完善，解决传统变量设计的特征造型的关键技术，使其更符合工 程设计人员的需要，更好地体现设计人员的设计意图。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。 本课题对语义特征造型中参数问题进行深入的研究，在分析拓扑约束和几 何约束的各种退化情况心3 1 的基础之上，将拓扑约束引入到几何约束中，从而使 通过约束求解器得到的值保持了拓扑结构的有效性。提出了一种新的方法，这 一方法自动为单参数的系统确定适当的参数范围。这一参数范围的确定就使用 户在改变参数的过程中有了一个明确的提示，可以减少反复的过程。最后引入 一个新的，先进的多层次的自由曲面特征模型，多层次模型的提出在指定和改 变模型方面为用户提供了友好的方式。 本课题研究的内容主要包括： ( 1 ) 将拓扑约束引入到几何约束求解中； ( 2 ) 提出了一种用于侦测参数范围的新的方法； ( 3 ) 提出曲线参数通用的定义； ( 4 ) 引入个新的、先进的多层次的自由曲面特征模型。 1 4 论文组织结构 全文共五分章，具体结构安排如下： 第1 章介绍课题的研究背景及发展现状，明确研究的目的和意义，对本文 的主要工作进行简要的介绍，并给出全文的整体结构。 第2 章介绍了语义特征造型的特点，特征定义，特征分类，以及语义特征 造型中特征的表示方法。 第3 章在语义特征造型的基础上提出了约束求解的方法，首先对约束方程 组进行分解，转化为有约束的非线性优化问题，然后利用遗传算法进行求解。 第4 章提出了一种用于侦测参数范围的新的方法，参数范围的确定就使用 户在改变参数的过程中有了一个明确的提示，可以减少反复的过程。 第5 章引入一个新的，先进的多层次的自由曲面特征模型。多层次模型的 提出在指定和改变模型方面提供了用户友好的方式。 最后，在结论部分，阐明了本文有待研究的问题。 哈尔滨理t 大学t 学硕 j 学位论文 2 1 引言 第2 章语义特征造型中的参数设计 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，它们用柬确定该特 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一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。这两个重要属性确定了语义特征模型的二级结构一模型实体和细胞模型 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特征依赖图心叫 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的区分模型实体及重构几何模型的细胞模型实体。 2 2 特征定义 所谓特征是指具有一定工程语义的几何形状。由于工程语义的种类不同， 特征也被分为不同的种类。 特征由于具有明显的层次结构，因此非常适合于采用面向对象的方法进行 哈h , i t , 理下大学t 学硕i j 学位论文 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： ( 1 ) 几何形状指特征边界表示或所对应基本体素以及特征的正负特性阮引。 ( 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。 特征不仅包含基本体素所具有的定形定位参数，也包含了参数化设计所需 要的定形、定位约束信息，因此可以有效的支持实体造型和参数设计。 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。 从设计方法来看，特征可以分为通道特征、挤压特征、提栏特征、过渡特 征1 2 6 1 、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形状特征，这些特征中有的仍以通用特征为基础。 2 3 特征类说明 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【2 7 1 。 一个特征类的基础是一个参数体。对一个简单特征来讲就是一个基本体。 例如：一个圆柱体上的通孔。一个基本体封装了一系列几何约束，这些几何约 束的参数与相关的体面相关联。对一个复杂的特征来说，这个特征体可能是几 个重叠的基本特征体的组合。 特征所在的几何体指出了这个特征所存在的体范围，我们认为是该形体构 成了空间的边界区域。而且，它的边界分解为功能性的子集体面，每个面 哈尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论文 都用它在特征操作中使用的属性名来标记。例如：一个圆柱体有一个顶面、一 个底面和一个边面。 特征类也和每个特征体相关联。特征性质的概念指出了它的特征实例是从 模型上添加或移除( 分别称为正特征和负特征) 。特征类中有效性条件的说明可 以分为三类：几何说明、拓扑说明和功能说明。 对特征类的几何体进行约束的一个途径是指定与体参数相关的一系列值， 把尺寸约束应用到体参数上。例如，一个通孔类的半径参数可以限制在1 到1 0 之间。特征体也能够依靠参数间的关系做几何限定。这种关系可以让相关的两 个参数等价( 例如：正方体截面特征的宽和长) ，或者包括两个或更多参数和常 量的代数表达式。为此，我们使用代数约束。 特征体的说明使得体面能够对特征边界进行全面的说明。然而，对大部分 特征，不是所有的面都与边界有关，有一些面是与边界无关的，这种性质的说 明称为拓扑有效性说明。 为了在特征类中说明拓扑有效性，我们在每个体面上使用边界约束。边界 约束首先由b i d a r r a 和t e i x e i r a 提出心8 。，是在语义约束的基础上，通过 规定特征面在模型边界上的区域来说明允许存在特征实例的拓扑变体。边界约 束有两种：在边界上体面呈现在边界上和不在边界上体面不出现在模型边界 上。此外，两种边界约束都是参数化的，规定了在模型边界上不管存在还是不 存在都是完全或仅是部分需要。例如：对一个盲孔类来说，顶面有一个不在边 界上的完全约束，边面有一个在边界上的部分约束，底面有一个在边界上的完 全约束。 与上面描述的一样，单独的几何和拓扑有效性说明也不能完全描述特征类 所固有的一些其他方面，最好根据特征量或作为一个整体的特征边界来描述。 因此需要一个较高层次的说明，而不是直接基于体参数或面的。比如说类的每 个特征实例都应该作用于模型的一部分，如边界约束，模型在增加编辑期间导 致的特征交互将会违反这样的功能，特征交互是特征影响其功能意义的体方面 的修改。我们在特征类中使用交互约束是为了指明一个特殊的交互类，并没有 考虑实例。拓扑交互与违背边界约束相关联。 特征约束和参数在特征例示阶段需要提供外部数据一用户提供的数据。这 些特征成员构成了特征类接口。特征类接口的说明确定了特征实例的实现和与 用户的交互方式。在特征类接口中重要的是系统的位置和方向，这是通过附加 约束和几何约束来说明的。 特征的附加约束把用户提供的特征面与模型中已经存在的一个特征面相结 哈尔滨理t 大学- t 学硕。f ：学位论文 合，附加约束是一种要考虑相关的两种特征的几何约束，目的是做出正确的组 合。例如：通孔的项面和底面如果附加就分别是一个块的顶面和底面。 几何约束通过确定自由度来确定一个与模型中其他特征面相关联的特征。 几何约束把以数字参数描述的特征面和模型中用户提供的特征面联系在一起。 例如：定位一个通细长孔会用到一个d i s t a n c e f a c e - f a c e 约束，它需要一个外 部的参照特征面和值。 一些参数可以由附加特征来隐含的确定。例如：一个通孔的深度。所有其 他的体参数在特征例示阶段需要一个用户提供的值，因此也包含在特征类接口 中。 2 4 语义特征造型 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z 日匕e , 一4 k e l 完善，但 仍然存在着一些缺陷。 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 不支持用户在特征造型系统产品开发过程中的合作。 ( 4 ) 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 4 1 语义特征造型的特点 在语义特征造型中，特征的定义和模型的维护完全分离，所有的特征，包 括几何参数和有效性条件，都由约束声明。这种造型方法的主要优点是被指定 的这些约束是自由的，通过这种方法，可以编辑和维护模型。 在语义特征造型中，必须对每个特征进行定义，这在特征类中做了说明。 特征类结构化的描述了一个给定特征类的所有资源，并为其所