（计算机应用技术专业论文）异构cad系统间约束在线交换.pdf

浙江大学硕上学位论文摘要 摘要 随着产品开发全球化的快速发展，异构c a d 系统协同开发对于跨地域产品设 计而言具有重要的意义，因为它使得分布在不同地点、属于不同企业或部门的开 发设计人员能够采用各自擅长的数字化工具来进行协同开发，对于提高企业产品 开发的能力和效率十分重要。由于不同的c a d 系统在模型表示和功能操作上不尽 相同，系统约束或多或少存在差异性，主要体现在草图几何约束和装配约束两个 方面。而不同c a d 系统在约束方面的差异性直接导致了参数化模型交换的困难。 本文针对参数化模型交换的需要，就异构c a d 系统之间的约束在线交换问题展开 研究。 针对异构c a d 系统约束存在的差异性问题，本文分析了四个典型商用c a d 系 统，对比了几何约束和装配约束的表示，并给出了几何约束与装配约束表示方面 的差异性。 针对草图几何约束在线交换问题，本文在原来工作的基础上给出了几何约束 的中性命令表示；给出了几何约束的系统表示与中性命令的双向转换算法，并重 点解决了几何约束差异性问题；实现了几何约束在异构c a d 系统间的实时创建、 修改与删除操作。 针对装配约束在线交换问题，本文先给出装配约束的中性命令表示，进一步 给出了装配约束的系统表示与中性命令的双向转换算法，并重点介绍了装配约束 的差异性解决方法；实现了装配约束在异构c a d 系统间的实时创建、修改与删除 操作，能够保证交换后装配模型的一致性。 最后本文给出了几何约束与装配约束在线交换的具体实现方法，通过具体的 实例验证了本文工作的有效性。 关键词：数据交换，中性建模命令，系统建模操作，几何约束，装配约束 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a lm a n u f a c t u r i n g ，c o - d e v e l o p m e n tu n d e r h e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m sh a si m p o r t a n tm e a n i n g sf o rc r o s s - b o u n d a r yp r o d u c t d e s i g n ，a si ta l l o w sm a n yd e v e l o p e r sw h ob e l o n gt od i f f e r e n tc o m p a n i e so r d e p a r t m e n t s t oc a r r yo u tt h ec o d e v e l o p m e n ti nd i f f e r e n tl o c a t i o n sb yu s i n gt h e i ro w n s k i l l e dd i g i t a lt o o l s ，a n dp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h ec a p a c i t ya n d e f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e s p r o d u c td e v e l o p m e n t b e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c e so fc a d s y s t e m si nm o d e lr e p r e s e n t a t i o na n df u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o n ，c o n s t r a i n t si ns y s t e m s ， e x i s td i f f e r e n c e sm o r eo rl e s s ，e s p e c i a l l yg e o m e t r i cc o n s t r a i n t si ns k e t c ha n da s s e m b l y c o n s t r a i n t s a n dd i s c r e p a n c i e so fc o n s t r a i n sa m o n gc a ds y s t e m sd i r e c t l yr e s u l ti n d i f f i c u l t i e so f p a r a m e t e r i z e dm o d e le x c h a n g e t oa d d r e s st h en e e df o rp a r a m e t e r i z e d m o d e le x c h a n g e ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nc o n s t r a i n t so n l i n ee x c h a n g ea m o n g h e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m s t ot h ed i s c r e p a n c i e so fc o n s t r a i n t sa m o n gh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s ，t h i s p a p e ra n a l y s e sc o n s t r a i n tr e p r e s e n t a t i o n si nf o u rt y p i c a lc o m m e r c i a lc a ds y s t e m s ， m a k e sc o m p a r i s o nb e t w e e ng e o m e t r yc o n s t r a i n t sa n da s s e m b l yc o n s t r a i n t s ，t h e ng i v e s t h ed i f f e r e n c e s t ot h eo n l i n ee x c h a n g eo f g e o m e t r i cc o n s t r a i n t si ns k e t c h ，t h i st h e s i sg i v e st h e r e p r e s e n t a t i o no f n e u t r a lc o m m a n d sb a s e do nf o r m e rw o r k s ；i n t r o d u c e st h ed u a l e x c h a n g em e t h o db e t w e e ng e o m e t r i cc o n s t r a i n t sa n dn e u t r a lc o m m a n d s ，w h i c hm a i n l y f o c u s e so nt h ed i s c r e p a n c i e so fc o n s t r a i n t s ；a l s os u p p o r t sc r e a t i o n ，m o d i f i c a t i o na n d d e l e t i o no fg e o m e t r i cc o n s t r a i n t sa m o n gh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m si nr e a lt i m e a sf o rt h eo n l i n ee x c h a n g eo fa s s e m b l yc o n s t r a i n t s ，t h i st h e s i sf i r s t l yg i v e st h e r e p r e s e n t a t i o no fn e u t r a lc o m m a n d s ，a n dt h e ng i v e st h ed u a le x c h a n g em e t h o db e t w e e n a s s e m b l yc o n s t r a i n t sa n dn e u t r a lc o m m a n d s ，w h i c hm a i n l yf o c u s e so ns o l v i n gt h e d i s c r e p a n c i e so fa s s e m b l yc o n s t r a i n t s m e a n w h i l ei tc a ns u p p o r tc r e a t i o n ，m o d i f i c a t i o n a n dd e l e t i o no f a s s e m b l yc o n s t r a i n t sa m o n gh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m s i nr e a lt i m e ， s ot h ec o n s i s t e n c yo fa s s e m b l ym o d e l sc o u l db em a i n t a i n e d 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t f i n a l l y , t h i sp a p e ri m p l e m e n t e do n ep r o t o t y p i n gs y s t e mf o ro n l i n ee x c h a n g eo f g e o m e t r i cc o n s t r a i n t sa n da s s e m b l yc o n s t r a i n t s c a s es t u d i e ss h o wt h a to u rm e t h o di s e r i e c t i v e k e y w o r d s ：d a t ae x c h a n g e ，n e u t r a lm o d e l i n gc o m m a n d s ( n m c ) ，s y s t e mm o d e l i n g o p e r a t i o n ，g e o m e t r i cc o n s t r a i n t ，a s s e m b l yc o n s t r a i n t 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图l 。l i g e s 规范进行数据交换的过程2 图1 2 基于s t e p 标准的数据交换流程3 图1 3u p r 架构5 图1 4 采用宏文件进行数据映射过程6 图1 5s t e p 中高层语义相关的5 个标准关系图7 图1 6e d m 体系结构图7 图1 7i s o1 0 3 0 3 1 0 8 显式参数约束规范1 0 图1 8 基于中性建模命令的复制式同步协同设计平台结构图1 1 图2 1p r o e 与s o l i d w o r k s 系统带有几何约束的草图1 5 图2 2p r o e 与s o l i d w o r k s 系统带有几何约束的变动后草图1 5 图2 3p r o e 中圆弧与圆弧距离的尺寸定义1 6 图3 1 几何约束操作的并集图2 2 图3 2n c g e o c o n 的u m l 类2 3 图3 3d i m e n s i o n 的u m l 类2 3 图3 4 几何约束的系统建模命令到中性建模命令的转换流程图2 4 图3 5 圆弧与圆弧距离尺寸中四种位置关系图( 以圆弧间的竖直尺寸为例) 2 6 图3 6 固定约束中的样条曲线表示2 7 图3 7u g 系统中的周长约束表示2 8 图3 8p r o e 系统智能添加的约束2 9 图3 9p r o e 与s o l i d w o r k s 系统带有几何约束的草图3 0 图3 1 0p r o e 与s o l i d w o r k s 系统的草图变动设计结果3 0 图3 1l 几何约束的中性建模命令到系统建模命令的转换流程图3 1 图3 1 2p r o e 系统中直线的固定约束差异性处理一3 3 图3 1 3 几何约束的中性建模命令和本地建模操作对象之间的关联机制3 5 图3 1 4 尺寸约束修改的中性命令n c m o d i f ，r d i m 的u m l 3 6 图3 1 5 尺寸约束修改的中性命令快速查找流程3 6 图4 1 增加零部件中性建模命令n c f e a t u r e a s m c o m p o n e n t d a t a 的u m l 4 1 图4 2 装配约束中性命令n c o p e r a t i o n a d d c o n 的u m l 4 1 图4 3 装配约束的系统建模操作到中性建模命令的转换流程4 2 图4 4s o l i d w o r k s 系统中零件固定约束显示。4 4 图4 5s o l i d w o r k s 系统中锁定约束4 5 图4 6 装配约束的中性建模命令到系统建模操作的转换流程。4 6 图4 7u g 系统中相切装配约束的转换实现4 8 图4 8 装配约束修改的中性建模命令n c m o d i f y a s m c o n 的u m l 4 9 图5 1 三个c a d 系统间复杂几何约束的在线交换5 4 h i 浙江大学硕士学位论文图目录 图5 2 三个c a d 系统间差异性几何约束在线交换5 4 图5 3 三个c a d 系统间差异性几何约束在线交换。5 5 图5 4 三个典型c a d 系统间复杂模型几何约束在线修改。5 5 图5 5 三个c a d 系统间简单装配约束的在线交换5 6 图5 6 两个c a d 系统间装配约束的在线交换5 7 图5 7 两个c a d 系统间v 字形装配体：5 7 图5 8 两个c a d 系统间最终的复杂装配体5 8 图5 9 三个c a d 系统间固定约束添加的装配模型5 8 i v 浙江大学硕士学位论文 表目录 表目录 表2 1 典型商品化c a d 系统几何约束类型表1 7 表2 2 三大典型c a d 系统装配约束类型a p i 表示1 9 v 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着产品开发全球化的快速发展，网络化成为c a d 的重要发展方向之一。很 多研究表明，本世纪的设计与制造环境将严重依赖于以网络为中心的c a d 技术 1 ，未来的分布式c a d 设计环境将不再是以前的单一的c a d 系统，而是一组分 布与共享的c a d 设计工具 2 - 6 。借助于网络技术，c a d 数据交换实现了c a d 系统 之间相互操作，方便了异构c a d 系统的使用人员开展协同产品设计与开发工作。 1 1c a d 数据交换 c a d 数据交换是不同c a d 系统之间模型传递的重要手段，具体含义指由某个 c a d 系统生成的模型能够在线或离线地传送到其他c a d 系统中，并在其中生成等 价的模型进行重用，即在c a d 系统间实现模型的等价交换。到目前为止，主要的 数据交换方式大致包含两种：基于几何的数据交换、基于参数化特征的数据交换。 1 1 1 基于几何的数据交换 基于几何的数据交换主要是通过中性文件格式进行数据交换，从而实现不同 c a d 系统之间的几何模型的交换，该工作开始于2 0 世纪8 0 年代初，并于9 0 年代 中期趋于成熟。 这里关键的问题是如何合理定义数据交换的标准，从而能够支持多种商品化 c a d 系统的数据交换，关于这方面工作的研究很多，最典型的产品数据交换国际 标准与工业标准包含基本图形交换标准i g e s 、产品模型数据交换标准s t e p 、产 品数据交换的德国国家标准v d a f s 、平板印刷标准s t l 、绘图交换标准d x f 等。 其中应用广泛为i g e s 以及s t e p 标准。i g e s 标准最早是a n s i 于8 0 年代初制 定，是建立于波音公司c a d c a m 集成信息网络、通用电气公司的中心数据库和其 他各种数据交换格式之上，其最初版本仅限于描述工程图纸的几何图形和注释， 随后又将电气、有限元、工厂设计与建筑设计纳入其中，并扩充和吸收了新的图 形表示方法、三维管道模型、有限元模型以及在i g e s 5 0 中加入了流形实体的b r e p 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 模型，图1 1 表示了采用i g e s 规范进行数据交换的过程，描述了系统a 中的产 品模型经过处理器处理转换成i g e s 格式文件，然后系统b 获取到该i g e s 格式文 件的副本，同时利用本系统的处理器将i g e s 副本文件转换成对应于系统a 中的 产品模型；s t e p 是由国际标准化组织所属技术委员会t c l 8 4 ( 工业自动化系统技 术委员会) 下的“产品模型数据外部表示”分委会s c 4 于1 9 8 3 年所制定的国际统 一c a d 数据交换标准，到1 9 9 4 年已完成了其中1 2 个分号标准，该标准是为c a d c a m 系统提供了中性产品模型数据而开发的公共资源与应用模型，其中与几何数据交 换较为密切的为s t e pa p 2 0 3 ，即三维配置控制设计应用协议，用于描述三维产品 设计阶段的形状表示以及控制数据，该标准已经成为国际上公认的c a d 数据文件 交换的统一标准，图1 2 描述了基于s t e p 标准进行数据交换的流程，图中s t e p 成为多个系统数据交换的中间机构。其中，s t e pa p 2 0 3 相对于i g e s 而言，前者 的几何数据更加全面，周时还包含产品管理、配置数据以及装配数据等信息，因 此，s t e pa p 2 0 3 成为目前几乎所有商品化c a d 系统都支持的输入输出接口 7 - 1 1 3 。 i g e s 文件 图1 1i g e s 规范进行数据交换的过程 虽然基于这些标准的几何数据交换技术被广泛应用，但是该方法具有很大的 缺点与不足，主要是体现在以下几个方面： 首先，难以完全保证几何数据交换的有效性与一致性。导致该问题的根本原 因体现在以下三个方面：其一，每个c a d 系统可能采用不同的容差控制，分为几 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 何表示精度与几何计算精度，可能会使得发送端与接收端交换数据不成功情况的 发生；其二，不同c a d 系统在曲线、交线以及曲面的表示形式与精度存在差异性， 也会导致交换不成功的情况：其三，同一c a d 系统的不同版本之间也可能存在数 据不兼容，主要是因为系统的不同版本在算法实现细节中可能存在差异。 其次，丢失重要的高层语义信息。d x f 标准不能有效支持三维模型数据：s t l 不能支持实体模型与自由曲面的表示；v d a f s 与i g e s 不能表示参数、约束、特征、 设计历史等语义信息以及不能有效处理非几何信息；1 9 9 4 年发布的首版s t e p 标 准不够完善，仅能支持线框、曲面、实体造型以及配置控制，但是还不能有效支 持参数、约束以及特征等重要的语义表述，不过随着后期版本的完善，s t e p 一1 0 8 标准提供了对参数以及约束的表示，s t e p - 1 0 9 标准支持了装配约束表示， s t e p - 1 1 1 标准则是偏向于特征以及设计历史的规范表示，s t e p 在该方面支持的 能力相对于其他标准更加规范，尽管如此，采用首版的s t e p 标准仍然会导致重 要的语义信息的丢失。 图1 2 基于s t e p 标准的数据交换流程 最后，不能有效支持在线的实时数据交换。由于标准数据表示都采用中性文 件格式，同时该文件相对较大，仅支持离线的数据交换方式，难以支持在线的数 据交换。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 基于几何的数据交换包含两种技术：整体模型数据交换以及增量模型数据交 换。前者需要将模型的全部信息进行传输，传输方法简单，但是由于传输的数据 量大，需要消耗较多的时间；后者则是将模型中变动部分的数据进行传输，这样 大大减少了数据传输量，提高了传输效率，不足就是实现起来难度会增加。 1 1 2 基于参数化特征的数据交换 为了克服基于几何数据交换的不足，随着c a d 参数化建模技术的不断发展， 自9 0 年代初人们开始着手研究基于参数化特征的数据交换，因为它能够有效支 持参数、约束、特征等高层语义信息的交换，从而达到支持接收端系统对发送端 发送过来的模型进行基于约束和特征的编辑、修改等操作的目的。 最早进行相关研究的是p u r d u e 大学的h o f f m a n n 教授【1 2 】，他提出了基于特征 交换的e b r e p ( e d i t a b l eb r e p ) ，它是对特征造型( 比如特征创建、修改等) 的文本描 述，是一种高层语义的具体描述，但是该研究仅定义了少数简单的特征，后面也 没有做更深入研究，也没有得到具体的应用。 希伯来大学的r a p p o p o r t t l 3 - 1 6 】等在这个方面进行了较为深入的研究，提出了 基于通用产品表示( u p r ) 的参数化特征模型交换机制，该u p r 系统主要由三部分 组成：导出、u p r 文件以及导入。其中导出模块主要是由源c a d 系统产生u p r 文件，该文件要包含尽可能多的原始数据，同时理想的条件是此转换过程中不能 随便修改数据；导入过程则是每次在节点创建特征图，在每个新节点之后要添加 用于检测输入数据是否被正确导入的校验数据，假如导入过程失败，则需要应用 重写策略；对于u p r 文件，文中未能给出其具体组成。图1 3 给出了u p r 的架 构，其中u p r 关键的两个概念是重写以及校验数据，前者是当原始实体无法直接 映射时，则需要放弃在特征层面的直接转换，借助于几何操作层面进行转换，后 者则用于检测数据是否被正确的导入或导出，这里的检测主要是借助于模型的体 积、重心等主要的几何属性。该方法不足的地方是缺少对具体实现方法的介绍， 同时对于模型转换的精度也无法保证。 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 u n i f i e dd a t a r e w r i t ea o t h e r r e w r it e s e x p o r t u p ri m p o r tf l o w i m p o r t c a ds y s t e m c a ds y s t e m 图1 3 u p r 架构 韩国的c h o i 1 7 - 1 8 等从数据库崩溃后采用日志文件进行恢复中得到启发，提出 了一种基于宏文件的参数化特征数据交换方法。通过分析当前主流的c a d 系统， 定义了1 6 7 条中性命令集，将命令集作为模型中性宏文件的内容，并记录模型按 照时间创建的序列。图1 4 给出了采用宏文件对c a d 模型进行数据交换的过程， 映射分为两个层次，上面的概念层是模型命令集，下层的实例层为宏文件，宏文 件记录着当前商品化c a d 系统的命令操作序列，上下层之间需要在系统内部进 行转换，当前系统的模型命令集与标准模型命令集之间的映射关系可以对应于系 统宏文件与标准宏文件之间的映射，这个是实现的关键。该方法不足的地方是给 出的测试用例较简单，同时对于如何利用通用的几何造型引擎来实现宏文件中复 杂建模命令交换的介绍不够详细。 5 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 c 咀e r c i a l c 心s ，s t 钮 l _ q n r p a t a e t ：r i c a p p r o a c h lll ll l fm a c r of i l e 卜d a t at r a n s l a t o rf 一s t a n d a r dm a c r of i l e p 一1 r 1 1 i ，一。一l 。，一 图1 4 采用宏文件进行数据映射过程 以p r a t t 1 9 - 2 4 为首的工作组早在2 0 世纪9 0 年代初便开展参数化特征信息交换 的s t e p 标准制定工作。目前关于高层语义相关的已发布或正在制定的标准有5 项，图1 5 显示了它们之间的相互关系。其中，1 0 3 0 3 5 5 是过程与混合标准，表 示特征模型的创建历史；1 0 3 0 3 1 0 8 是参数与约束标准，主要是草图中的几何约 束表示，具体为可变参数、维数、约束以及二维草绘；1 0 3 0 3 1 0 9 为装配体的动 态与几何约束标准，用于对装配体中零件或子装配件之间的逻辑关系、不同零件 或子装配件之间的联系、不同零件或子装配件之间的自由度和装配体配合的约束 表示，包含a s s e m b l y f e a t u r e r e l a t i o n s h i p - s c h e m a 和a s s e m b l y - c o n s t r a i n t s c h e m a 规 范；1 0 3 0 3 1 1 1 是过程化建模中的元素表示标准，主要对特征进行描述，为过程 与创建历史的造型提供了一种高层的形状结构表示；1 0 3 0 3 1 1 2 是二维模型建模 命令表示标准，重点是对二维草绘建模过程进行表示。e n g e n 2 5 项目是基于 s t e p 标准下开展的参数化数据交换的研究项目，实现了i d e a s 、p r o e 及c a d d s5 商用系统下的参数化数据的交换，支持二维草图几何约束的交换，图1 6 给出了 它的数据模型( e d m ) 的体系结构，包括六个模块，其中设计模块是核心模块，用 于描述产品形状；约束模块包括带有设计语义的约束表示；创建模块则是描述设 计过程中如何创建实体信息；参数模块包含设计和约束的集合，用于支持参数化 技术；特征模块则用于描述特征信息，包含圆角、倒角等特征信息的表示：空间 配置模块主要是描述二维空间与三维空间的相互转换表示。该标准不足之处是未 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 能涉及到如何解决异构c a d 系统之间存在的特征等工程语义差别问题，总体来 说，s t e p 标准仍然处于初步的试验性阶段。 图1 。5s t e p 中高层语义相关的5 个标准关系图 图1 6 e d m 体系结构图 1 2c a d 数据交换中的约束处理 c a d 系统间的数据交换内容主要包含基本几何拓扑数据、参数、约束、特征 以及设计历史等，其顺序对应于产品模型创建的先后顺序，因为设计产品模型往 往是从底层的带有约束信息的草图开始，然后执行具体的特征操作，通过带有设 计历史的特征集构建完整的零件，最后将零件组装成装配体，即最终的产品模型。 在异构c a d 系统协同开发产品过程中，往往需要对设计的产品模型进行变动修 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 改，根据模型的类型分为两种：对于零件层，修改的内容包含特征的参数以及草 图中的几何约束；对于装配层，修改的内容为装配约束和装配组件，因此，如何 保证异构c a d 系统几何约束以及装配约束的一致性对于产品模型交换是一个关 键的问题。 约束包含几何约束与装配约束，其中几何约束主要体现在草图设计过程中 【31 - 3 2 j ，具体可以分为三类：第一类是尺寸约束，用于描述几何元素之间的相对 位置关系，如点点距离、点边距离、边边距离、边边夹角等；第二类约束是结构 约束，用以约束几何元素之间在结构上的关系，如平行、垂直、相切等；第三类 约束为代数约束，用以描述约束参数之间的代数关系，如r = 2 r + 3 ；装配约束则用 于描述装配零件或予装配件之间的位置关系，主要包含重合、同轴心、相切等。 几何约束与装配约束在s t e p 标准中有所规范，分别对应于1 0 3 0 3 1 0 8 标准 与】0 3 0 3 。1 0 9 标准。 1 2 1 几何约束处理 最早在参数化特征模型交换中提及到几何约束，并有效支持几何约束交换的 是e n g e n 项目 2 5 】，如图1 6 中所介绍的约束模块，主要是包含约束集以及用 于获取和传输设计语义的规则，其约束类型在模型中均以c o n s t r a i n t 开头。该模 块能够获取带有设计者意图的几何约束，并在接收端系统中添加发送端系统所要 传输的几何约束，同时支持变动修改，使得发送端系统与接收端系统修改后的模 型保持一致。该模块包含两类约束：确定性约束( p r e d e f i n e d ) 与自由约束 ( f r e e f o r m ) ，前者是对模型中几何或拓扑元素之间关系的显式描述，主要包含： 平行，垂直，相切，共线，共面，距离，长度以及逻辑约柬( 比如：相等，全等) ； 后者则是描述用户和系统内部定义的关系，同时语义信息是不确定的，可以通过 给定的公式或方程给出，即代数约束。该项目给出了一个带有复杂约束的连接杆 例子，并在i d e a s 、p r o e 以及c a d d s5 系统中实现参数化信息的交换，同时也 给出了两点结论：第一，并不是所有的c a d 系统都支持相同的几何约束，即某个 c a d 系统存在某种几何约束，而另外一个异构c a d 系统中不存在或具有不同的含 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 义：第二，每个c a d 系统设计零件采用的方法不同，导致发送端与接收端系统零 件产生很大的差别，这种差别体现在内部约束求解器采用的算法不同以及约束的 含义不一致。最后也分析到规范化或共享求解器是不现实的，因为c a d 生产商考 虑到产品私有权及商业价值等问题，因此，e n g e n 项目中仅是传输异构c a d 系 统中支持的相同几何约束，未介绍差异性约束相关内容，同时也不能支持约束修 改、删除等实时操作。 m i c h a e ls t i t e l e r b 3 1 在2 0 0 4 年c h a p s ( 构造历史与参数化) 项目的最终报 告中也详细介绍了几何约束，该项目是支持智能性c a d 系统语义信息的交换， 在参考i s o10 3 0 3 标准以及a p2 0 3 e 2 的基础上支持智能c a d 系统交换构造历 史、参数以及约束信息，发送端与接收端系统是通过中间格式文件进行系统语义 信息的交换。该项目支持的平台为p r o e 、c a t 队v 4 以及u g ，其中重点强调了 设计历史、参数以及约束的转换方法，报告中仅仅提及到几何约束，未能给出具 体的表示，也未介绍几何约束差异性。 最具代表性的是m i c h a e lj p 蹦【1 9 2 4 】等领导的研究工作，参与并制定了多个 s t e p 标准，针对约束于2 0 0 5 年制定了i s o 1 0 3 0 3 1 0 8 标准 2 1 1 ，该标准克服以 前基于几何数据交换无法进行参数与约束信息交换的不足，提供了显式几何约束 表示，使得带有参数和约束信息的过程化模型能够被交换，并给出了c a d 系统 之间几何约束的参考标准，其主要的应用场合为2 d 草图、特征之间的位置关系 以及3 d 装配体之间的位置关系。该标准是基于已有的部分标准之上，主要包含 五个规范，为p a r a m e t e r i z a t i o n - s c h e m a 、e x p l i c i t - c o n s t r a i n t - s c h e m a 、s k e t c h - s c h e m a 、 e x p l i c i t - - g e o m e t r i c - - e o n s t r a i n t - - - s c h e m a 、v a r i a t i o n a l - r e p r e s e n t a t i o n - - s c h e m a 。图1 7 显示了显式参数约束规范，具有较好的参考价值，采用e x p r e s s g 符号表示， 包含了几何约束中的结构约束以及尺寸约束，参数规范也包含了代数约束，图中 主要包含以下几种几何约束类型：距离( 点点之间、曲线之间、面面之间) 、圆 弧半径和直径、角度尺寸、固定、垂直、重合、共轴、相切、对称、平行等。该 标准结合i s o1 0 3 0 3 5 5 标准被广泛应用，并给出了几个典型的测试例子，实现了 几何约束的交换，不过未能给出异构c a d 系统几何约束的差别所在，因此，也 9 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 不可能给出差异性约束交换的解决方法，同时不能支持几何约束的修改、删除实 时操作。 图1 7i s o1 0 3 0 3 1 0 8 显式参数约束规范 1 2 2 装配约束处理 同样，相关工作中最具代表性的为m i c h a e lj p 觥【2 2 j 【2 4 】参与制定的s t e p 1 0 3 0 3 1 0 9 标准，该标准已经发布，该标准全称为“装配中的运动约束及几何约 束”，主要是将1 0 3 0 3 4 4 标准中关于零件或装配定位与定向相关集以及1 0 3 0 3 1 0 8 标准中关于装配相关的约束整合到一起，用于描述以下四种内容：装配特征中零 件间的逻辑关系、零件间的不同连接关系( 连续与间断) 、零件间的灵活自由度、 参数化装配以及它们之间的内部约束。不过该标准中也未给出异构c a d 系统中 的装配约束差异性，不能支持装配约束修改、删除的实时操作。 1 3c a d 数据在线交换 为了支持c a d 数据的实时在线交换，李珉等构建了异构c a d 系统间步协 1 0 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 同设计平台，实现了s o l i d w o r k s 、p r o e 以及m d t 三个商品化系统数据交换，并 达到了较好的实时变动效果。 由于不同c a d 系统内部实现不同，异构c a d 系统间的协同工作相对比较困难， 他们针对该问题，提出了中性建模命令概念，图1 8 显示了基于中性建模命令的 复制式同步协同设计平台结构，该框架采用复制式体系结构，其中每个站点都安 装一个c a d 系统，每个c a d 系统都带有两个转换器。一个为s m o t o n m c 转换器， 主要负责将本地执行的s m o ( 系统建模操作) 转换成n m c ( 中性建模命令) 并将 转换好的n m c 发送给其它站点的c a d 系统。另一个转换器是n m c t o - s l 咀o ，主要作 用为将接收到的n m c 转换为一个或多个本地c a d 系统的s m o 。正是嵌入c a d 系统 的这两个转换器使得异构c a d 系统间能够实时地交换建模操作，从而达到特征在 线交换的目的。该框架的关键思想是利用中性建模命令来实现异构c a d 系统建模 操作的实时交换，其中n m c 和s m o 的相互转换借助于c a d 系统的a p i 实现。 - - ： 站点1 ( c a d 系统1 ) ： 图1 8 基于中性建模命令的复制式同步协同设计平台结构图 为了有效地支持s m o - t o - n m c 转换器和n m c - t o - s m o 转换器的实现，n v l c 采用 面肉对象技术，以类和对象的形式表示。每条n m c 都表示为一个类，这个类具有 相应的属性和函数，其中属性的设计旨在使其能够满足所有主流c a d 系统进行相 应建模操作重构的需要。中性建模命令主要由草图命令、约束命令、尺寸命令和 特征命令组成。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 通过以特征为单位的数据交换可以方便实现异构c a d 系统间的在线操作，能 保证不同c a d 系统之间数据的实时交换。 1 4 本文的研究目标与研究内容 综合以上内容可见，目前关于异构c a d 系统间的协同设计研究工作已经不少， 但是关于异构c a d 系统间约束交换的研究很少：虽然早在1 9 9 9 年的e n g e n 项目 中就提及到异构c a d 系统间几何约束存在差异性问题，然而并未提出解决方法； 在异构c a d 系统协同装配的研究中，并未涉及异构c a d 系统间装配约束的差异性 问题，更没有给出差异性的解决方法。 本文的研究目标包含以下两点： 提出一种基于中性建模命令的几何约束在线交换方法，以有效地支持几 何约束在异构c a d 系统间的实时创建、修改和删除操作。 提出一种基于中性建模命令的装配约束在线交换方法，以有效地支持装 配约束在异构c a d 系统间的实时创建、修改和删除操作。 相应的，本文的主要研究内容与组织结构如下： 第一章：绪论。介绍本文的研究背景，包括c a d 数据交换、c a d 数据交换中 的约束处理以及c a d 数据在线实时交换的研究现状，分析异构c a d 系统间几何约 束与装配约束交换存在的问题并提出本文的研究目标及研究内容。 第二章：异构c a d 系统中的约束表示比较分析。比较四个典型商用c a d 系统 几何约束和装配约束的种类和表示，分析它们之间所存在的差异性。 第三章：异构c a d 系统间的几何约束在线交换。提出几何约束的中性建模命 令表示，给出几何约束的系统操作与中性命令的实时转换算法，重点介绍差异性 几何约束的转换方法，提出支持对几何约束进行实时修改、删除操作的中性建模 命令表示，给出支持几何约束修改、删除操作的系统操作与中性命令的实时转换 算法。 第四章：异构c a d 系统间的装配约束在线交换。提出装配约束的中性建模命 令表示，给出装配约束的系统建模命令与中性建模命令的双向转换算法，重点介 1 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 绍差异性装配约束的转换方法，提出支持对装配约束进行实时修改、删除操作的 中性建模命令表示，给出支持装配约束修改、删除操作的系统建模命令与中性命 令的实时转换算法。 第五章：功能实现。介绍系统中相关功能的实现，给出几何约束与装配约束 在线交换的一系列实验结果，验证本文提出的约束在线交换方法的有效性。 第六章：结论与展望。对本文工作做出总结，并提出未来工作的重点及方向。 1 3 浙江大学硕士学位论文 第2 章异构c a d 系统中的约束表示比较分析 第2 章异构c a d 系统中的约束表示比较分析 c a d 系统中的约束包含几何约束和装配约束，它们分别是零件参数化特征模 型和产品装配模型的核心组成部分。由于不同c a d 系统在模型表示和功能操作上 不尽相同，系统中的约束类型和表示往往存在差异性。比如，某个c a d 系统中存 在的约束，在另外c a d 系统中不存在或具有不同的含义。能否有效处理约束差异 性直接决定着异构c a d 系统间约束交换的成败与质量。为此，我们首先对典型c a d 系统中的几何约束和装配约束种类和表示进行比较分析，以找出它们之间所存在 的具体差异性。 2 1 典型c a d 系统的几何约束比较 c a d 系统几何约束用于二维草图中，指的是二维几何元素必须满足的条件， 具体包含结构约束、尺寸约束及代数约束。几何约束包含两个关键的组成元素： 一个是约束元素，主要是草图中的点、线、基准面及实体面等几何元素；另一个 是约束类型，包含尺寸约束、结构约束及代数约束。同时异构c a d 系统中草图 约束状态具有差异性，某些系统要求草图约束状态为充分约束，而有些系统草图 可以欠约束。下面就几何约束状态、几何约束类型及几何约束元素三个方面进行 比较总结。 2 1 1 几何约束状态的比较 几何约束状态是指当前草图中几何约束满足的状态，包含过约束、欠约束以 及充分约束三种状态。在c a d 系统中，几何约束包含显式与隐式两种，前者指 系统中用户添加的约束，往往带有明显的设计语义，c a d 模型中的大部分尺寸约 束都属于该类；后者则是由系统添加的约束，现有大多数商用c a d 系统都具有 智能性，即智能地添加约束以达到减少用户交互操作的目的。 通过比较s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 以及c a t i a 系统，可以发现p r o e 草图必 须满足充分约束，即当用户在草图中显式添加的约束处于欠约束状态时，系统会 智能性地添加一些几何约束( 多为尺寸约束) ，同时这些添加的几何约束在草图中 1 4 塑! ! 塑夔圭鲎惶鲢 第2 章异构c a d 系统中的约柬褒示比较分析 以灰色标注，图2i 中a 显示了p m 恒系统智能舔加的灰色标注的尺寸约束；而 在另外三个系统中，草图可以是欠约束，系统进行草图内部约束求觯时，可能会