（计算机科学与技术专业论文）自由形状特征的重用与抑制.pdf

新江大学博上学位论文 摘要 摘要 随着现代工业的发展，由平面和二次曲面表示的传统规则特征已远远不能满 足现代工业产品设计在功能和外形上的要求，自由形状特征在产品设计中的应用 日益广泛与深入。应用自由形状特征，设计者可以设计出高度自由，更加多样化 的产品模型，以满足目前工业设计的需求。相对传统意义上的特征而言，自由形 状特征具有几何元素更加复杂，自由度更多的特点。自由形状特征的这些特点使 研究人员在研究自由形状特征建模与处理时遇到了许多困难，诸如自由形状特征 的表示，参数化，识别和重用等等。本文针对目前自由形状特征建模与处理中存 在的若干问题开展研究工作，主要研究内容及成果有以下几个方面： 1 、提出一种基于n u r b s 表示的自由形状特征的重用方法 通过对n u r b s 曲而微分属性的分析，提出了一种保微分几何属性的自由形 状特征重用算法。该算法除了能够保持特征的微分几何属性之外，还能够确保特 征与目标曲面之间很好的连续性，确保重用后的特征能够很好地适应目标曲面的 几何形状。 2 、提出一种基于n u r b s 表示的自由形状特征的抑制方法 通过分析影响n u r b s 曲面的微分几何属性的因素，提出了一种n u r b s 表示 的自由形状特征抑制算法。该算法从特征周围的几何形状中获取相关的几何信息 来重构光滑曲面，使得抑制后特征区域的几何形状尽可能与周围几何形状相适应。 3 、提出一种基于层次b 样条表示的自由形状特征的重用方法 通过分析层次b 样条在自由形状建模方面的优势，提出了一种层次b 样条表 示的自由形状特征重用方法。该方法只需对目标曲面做局部修改，大大降低了重 用后目标曲面的复杂度，并能很好地支持特征重用时任意角度的旋转操作。 4 、提出一种基于网格表示的自由形状特征抑制方法 通过分析网格模型的微分属性及网格上的微分算子的几何意义，提出了一种 网格表示的自由形状特征抑制算法。该算法从特征周围的网格上获取微分几何信 息，利用微分几何信息来构建新的网格替代特征区域的网格。该算法鲁棒高效， 并能产生精确的抑制结果。 浙江大学博上学位论文摘要 关键词：自由形状特征、特征重用、特征抑制、泊松方程、补洞算法、非均匀有 理b 样条、层次b 样条、计算机辅助设计 浙江大学博上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y ，t h e t r a d i t i o n a lr e g u l a rf e a t u r e r e p r e s e n t e db yp l a n ea n dq u a d r a t i cs u r f a c ec a nn o ta l r e a d yr e s p o n dt ot h er e q u e s to f t h em o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c td e s i g no nb o t hf u n c t i o na n da p p e a r a n c e ，c o n s e q u e n t l y t h ef r e e d o ms b l f a o oi si n t r o d u c e dt oc a df i e l da n dt h ef r e e f o r mf e a t u r em o d e l i n g m e r g e s e m p l o y i n gt h ef r e e f o r mf e a t u r e ，t h ed e s i g n e rc a nd e s i g np r o d u c tf r e e l yw i t h f r e e f o r ms u r f a c e s f r e e f o r mf e a t u r e sh a v em o r ec o m p l i c a t e dg e o m e t r i ce l e m e n t sa n d m o r ef r e e d o md e g r e e s ，w h i c hm a k et h e i rm o d e l i n ga n dp r o c e s s i n gm u c hh a r d e rt h a n r e g u l a rf e a t u r e s ，e g t h er e p r e s e n t a t i o n ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，r e c o g n i z a t i o na n d r e u s e ，e t c t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er f u $ ea n ds u p p r e s s i o no ft h ef r e e f o r mf e a t u r e sa n d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 、r e u s eo f f r e e f o r mf e a t u r er e p r e s e n t e db yn u r b s a f t e ra n a l y z i n gt h ed i f f e r e n t i a lp r o p e r t i e so fn u r b ss u r f a c e ，af r c c f o r mf e a t u r e r e l l g ea l g o r i t h m p r e s e r v i n gi t sd i f f e r e n t i a lg e o m e t r i cp r o p e r t i e s i so b t a i n e d t h i s a l g o r i t h mc a na l s og u a r a n t e eg o o dc o n t i n u i t y b e t w e e nt h ef e a t u r ea n dt h et a r g e t s u r f a c eb e s i d e st h ed i f f e r e n t i a lp r o p e r t i e so f t h ef e a t u r e a n dt h ef e a t u r e sc a bb er e u s e d o i lt h et a r g e ts u r f a c ea d a p t i v e l yf o rg o o da p p e a r a n c e 2 、s u p p r e s s i o no f f r e e f o v mf e a t u r er e p r e s e n t e db yn u r b s b ya n a l y z i n gt h ef a c t o r sd e t e r m i n i n gt h ed i f f e r e n t i a lp r o p e r t i e so fn u r b ss u r f a c e ， as u p p r e s s i o na l g o r i t h mf o rf r e e f o r mf e a t u r ew i t hn u r b sr e p r e s e n t a t i o ni sp r o p o s e d r e l e v a n tg e o m e t r i ci n f o r m a t i o na r o u n dt h ef e a t u r ei so b t a i n e dt or e c o n s t r u c tas m o o t h s u r f a c ew h o s eg e o m e t r ys u i tt h es u r r o u n d i n gg e o m e t r i cd i f f e r e n t i a lp r o p e r t i e sa sw e l l a s p o s s i b l ec o m p a r e dw i t hs m o o t ha l g o r i t h m ，o u rm e t h o dc a ng e t m o r ef a i r a p p e a r a n c e 3 、r e u s eo f f r e e f o r mf e a t u r er e p r e s e n t e db yh i e r a r c h i c a lb - s p l i n e b ya n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e so fh i e r a r c h i c a lb s p l i n eo np r o d u c tm o d e l i n g ，a f r c e f o r mf e a t u r er e u s ea l g o r i t h mb a s e do nh i e r a r c h i c a lb - s p l i n ei sp r o p o s e d o n l y l o c a lm o d i f i c a t i o nn e e dt ob ep e r f o r m e di i lo u ra l g o r i t h ma n dt h ec o m p l e x i t yo ft a r g e t s u r f a c ea f t e rr e u s ci sr e d u c e dr e m a r k a b l y a n dt h er o t a t i o no p e r a t i o no fa r b i t r a r ya n g l e d u r i n gr e u s i n gi sa l s ow e l ls u p p o s e d 4 、s u p p r e s s i o no f f r e e f o r mf e a t u r er e p r e s e n t e db yt r i a n g u l a rm e s h a f t e ra n a l y z i n gt h eg e o m e t r i cd i f f e r e n t i a lp r o p e r t i e sa n dt h cd i f f e r e n t i a lo p e r a t o r s o i lm e s h ，as u p p r e s s i o na l g o r i t h mf o rf r e e f o r mf e a t u r ew i t hm e s hr e p r e s e n t a t i o ni s p r e s e n t e d t h es u p p r e s s i o ni sa c h i e v e db yr e p l a c i n gt h ef r e e f o r mf e a t u r ew i t han e w 浙江丈学博士学位论文 a b s t r a c t m e s hp a t c hc o n s t r u c t e df r o mt h ed i f f e r e n t i a lp r o p e r t i e s r o b u s t ，e f f e c t i v ea n da o e u r a t e k e y w o r d s - f r e e f o r mf e a t u r e ，f e a t u r er e u s e ，f e a t u r es u p p r e s s i o n ，p o i s s o ne q u a t i o n ， n u r b s ，h o l e - f i l l i n g ，h i e r a r c h i c a lb s p l i n e ，c a d 新# i 人学博上学位论文图l i 录 图目录 1 1 ：产品的几何模型与特征模型6 1 2 ：一个特征失效的实例1 1 1 3 ：产品模型的多视图1 2 1 4 ：自由形状面特征与自由形状体特征1 3 l | 5 ：e e l c o v a nd a nb e r g 提出的自由形状特征表示1 4 1 6 ：p o l d e r m a n n 提出的自由形状特征分类一1 6 1 7 ：p o l d e r m a n n 分类法中的基本面特征，1 7 1 8 ：p o l d e r m a t m 分类法中的修改面特征1 8 1 9 ：p o l d e r m a n n 分类法中的辅助面特征1 9 1 1 0 ：f o n t a n a 提出的自由形状特征的分类一1 9 1 1 1 ：f o n t a n a 的自由形状特征实例2 0 1 1 2 ；n y i r e n d a 自由形状特征分类使用的拓扑2 0 1 1 3 ：n y i r e n d a 提出的自由形状特征分类方法2 l 1 1 4 ：n y i r e n d a 分类方法中类的派生实例2 l 1 1 5 ：自由形状特征定义点及之间的距离与角度约束2 2 1 1 6 ：肋骨特征的代数约束2 3 1 1 7 ：e e c l e v a l ld a n b e r g 算法中轮廓线上f f d p s 的约束2 3 1 1 8 ：同样约束生成不同实例化模型举例2 3 1 1 9 ：p e m o t 算法中的目标线与限制线一2 5 1 2 0 ：p e r n o t 的自由形状特征分类2 5 1 2 1 ：p e r n o t 给出的特征生成实例2 5 l ，2 2 ：n y i r e n d a 定义特征使用的元素及参数类型2 6 1 2 3 ：n y i r e n d a 方法的建模过程2 6 l2 4 ：n y i r e a d a 提出的多层模型表示及部分生成模型的定义2 7 1 2 5 ：t h o m a s 方法的建模过程2 7 1 2 6 ：t h o m a s 建模方法实例2 8 1 2 7 ：e e c l ov a nd a nb e r g 建模方法实例2 8 1 2 8 ：e e e l o v a nd a nb e r g 方法中多轮廓线扫成特征的实例化过程2 9 1 2 9 ：e e c l o v a nd a n b e r g 给出的多轮廓线建模结果2 9 v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 浙江大学博上学位论文圈l 录 图1 3 0 ：v e r g e e s t 算法中参数化的特征模板与点云的匹配3 1 图l t 3 1 ：e e l c ov a i ld a nb e r g 给出的变化的肋板特征参数一3 1 图1 3 2 ：e e l o ov a i ld e nb e r g 特征识别方法中的几个匹配状态，3 1 图1 3 3 ：z h a n g 算法能够识别的五类特征，3 2 图1 3 4 ：z h a n g 算法识别出的特征3 2 图1 3 5 ：b i e m a n n 的特征重用算法流程及实验结果3 3 图l3 6 ：f u r a k a u r a 的特征重用流程及使用的b 样条体积拟合方法3 4 图l3 7 ：d u m o n t 使用的偏移矢量场及使用的圆盘参数化3 4 图1 3 8 ：y u 算法的特征重用结果3 4 图l ，3 9 ：控制顶点、型值点和g - r e v i l l e 横坐标之间的对应关系3 5 图l4 0 ：b a n g h i e l 算法中对特征控制顶点的修改过程一3 5 图1 4 1 ：b a n g h i e l 算法的特征重用结果及c o n r a d 改进算法的结果3 5 图l4 2 ：w a n g 算法的特征重用效果3 6 图1 4 3 ：s a s h i k u m a r 的过渡特征抑制算法实例3 8 图1 4 4 ：z h u 的过渡特征抑制算法实例3 8 图l ，4 5 ：c u i 的过渡特征抑制算法实例3 8 图1 4 6 ：j u 算法的补洞结果3 9 图1 4 7 ：l i e p a 算法的补洞结果3 9 图l ，4 8 ：j u n 算法的补洞结果4 0 图1 4 9 ：c h e r t 算法的补洞结果4 0 图2 1 ：w a n g 给出的重用策略“ 图2 2 ：薄膜能量中的符号表示，5 l 图2 3 ：薄膜能量最小化方法产生的模糊现象5 l 图2 4 ：一个自由形状特征实例的p c p s ( 深色) 和f e ( 浅色) 5 4 图2 5 ：n u r b s 表示的自由形状特征重用算法的流程图示，5 5 图2 6 ：通过曲面区域确定源p c p s 图2 7 ：通过给定控制顶点集确定源p c p s 图2 8 ：节点插入操作 图2 9 ：目标p c p s 的确定一 图2 1 0 ：旋转矩阵的计算 图2 1 1 ：局部旋转变换 图21 2 ：梯度场的选取 v i 一5 8 5 9 5 9 6 1 6 1 一6 2 浙汀人学博上学位论文罔 i 录 图2 1 3 ：一个建立泊松方程的实例一 图2 1 4 ：典型自由形状特征的重用效果 图2 1 5 ：奔驰，丰田和现代公司徽标在汽车车轮模型中的重用效果 图2 1 6 ：一个蝴蝶模型和一个枫叶模型重用到一个花瓶的实验效果 图2 1 7 ：一只女鞋上装饰花在另只女式鞋上重用效果 图2 1 8 ：兰花特征在茶壶上的重用结果一 图3 1 ：基于泊松方程的自由形状特征重用算法对旋转操作的效果 图3 2 ：层次b 样条的局部细化功能 图3 3 ：层次b 样条对曲面的修改能力 图3 4 ：层次b 样条构建龙的实例 图3 5 ：层次b 样条的优势 图3 6 ：一个b 样条面片细分生成四个子而片一 图3 7 ：基于层次b 样条的自由形状特征重用算法流程图示 图3 8 ：理想低通滤波器的传递函数的径向剖面图 图3 9 ：利用泊松方程完成特征抑制的实验结果 图3 1 0 ：滤波半径的选择对抑制效果的影响一 图3 1 1 ：基面控制顶点的走样 图3 1 2 ：三种基面求解方法的比较一 图3 1 3 ：偏移矢量 图3 1 4 ：粘贴区域的确定 图3 1 5 ：曲面上点p 的测地曲率及其计算方法 图3 1 6 ：粘贴区域内控制顶点初始层次的确定一 图31 7 ：粘贴区域控制顶点坐标的计算一 图3 1 8 ：偏移矢量的旋转变换 图3 1 9 ：突起特征的优化结果 图3 2 0 ：基于层次b 样条的自由形状特征重用的实验结果 图3 2 1 ：蝴蝶徽征的重用结果一 图4 1 ：特征删除后遗留下的孔洞 图4 2 ：l a p l a c i a n 算子的角度一 图4 3 ：孔洞的基本概念图示 图4 4 ：孔洞填充算法流程及图示 图4 5 ：构建新三角形的原则 v l i 以甜矾：2舒：合卵醯铝毋为佗仍佻侉锣踟钉跎昭钳髓跖卵盯钞蚰舛鲇 浙江大学博士学位论文图f 录 图4 6 ：a f m 生成补r j 面的过程 图4 7 ：d i r i c h l e t 能量方程中的角度一 图4 8 ：三角形旋转操作 图4 9 ：基于泊松方程的补丁面的重构面 图4 1 0 ：泊松方程边界条件示例图 图41 1 ：伊和d 的定义 图4 1 2 ：顶点坐标的更新 图4 1 3 ：复杂孔洞的填充实例 图4 1 4 ：大面积和高曲率的孔洞填充实例 图4 1 5 ：三个用于误差评估的模型 图41 6 ：一些复杂的孔洞填充实例 图4 1 7 ：生成尖边与尖角的实例 图4 1 8 ：基于平面三角化的单基面特征抑制 图4 1 9 ：基于平面三角化的多基面特征抑制 图4 2 0 ：利用本章的孔洞填充算法对自由形状特征的抑制实例 图4 2 1 ：利用本章的孔洞填充算法对轮胎模型的简化结果 v i 6 8 8 9 l 3 4 5 6 6 7 8 9 0 0 1 p p p 9 m 加m 如m 如m m m u u n 浙扣：人学博上学位论文 表 j 录 表2 1 ：重用算法的比较 表4 1 ：误差计算 表4 2 ：时间消耗 表目录 1 ) ( 6 4 1 0 8 1 0 8 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 首先介绍c a d 技术和特征造型技术，然后综述自由形状特征建模和处理技 术，并指出自由形状特征重用与抑制方面存在的一些问题，最后提出本文的研究 目标和研究内容。 1 1c a d 技术 计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e d d e s i g n ，简写为c a d ) 是工程技术人员以计算 机为辅助工具，完成产品的设计、分析和绘图等设计活动的总称。借助于c a d 技术，设计者可以提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。 2 0 世纪6 0 年代，美国m i t 的i v a ne s u t h c r l a n d 博士在其论文“s k e t c h p a d ： 一种人机对话系统”中首次提出了c a d 的概念【l j 。近几十年来，由于计算机技 术的迅速发展，特别是图形学、图形显示器、三维罔形系统、数据库技术和网络 技术的发展，c a d 已从解决绘图问题的单一技术发展成为一门综合性应用科学， 并在机械、建筑和医学等很多领域取得了巨大成功【2 一i 。 c a d 技术从提出到现在，一共经历了以下几个阶段： ( 1 ) 几何造型 早期的c a d 系统只能绘制一些简单的二维线框图形，实际上只是计算机辅助 绘图( c o m p u t e ra i d e dd r a f t i n g ) 。到了7 0 年代，计算机交互图形技术日渐成熟， 研究人员可以在1 6 位机上绘制三维线框图形，但此时仍然只能解决一些简单的产 品设计问题。随着工业的发展，三维线框模型不能满足要求，于是出现了三维实 体造型技术，代表性的工作有i a nb r a i d 及其同事1 4 j 提出的基于边界表示的实体造 型方法r e p ) 和r e q u i c h a 等【5 1 提出的基于c s g 树表示的实体造型方法。为了能够 在造船业、汽车工业和航空工业使用c a d 系统，研究人员又提出了基于自由曲 面的三维建模技术【6 l 。 ( 2 ) 特征及参数化造型 实体造型方法提出之后，c a d 技术得到了前所未有的高速发展。但传统的 c a d 系统以实体模型表示产品，仅包含产品的几何信息，它不能为下游领域如 工艺规划、加工制造等提供足够的信息。于是，研究人员将几何形状和工程语意 等非几何信息结合在一起提出了特征的概念，特征建模技术开始兴起”。 在特征造型兴起的同时，为了有效支持产品的系列化设计，研究人员在特征 浙江大学博上学位论文 第1 章绪论 的基础上加入了参数的概念，提出了参数化设计方法。参数化设计是通过改动产 品模型的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成模 型中相关部分的改动。参数化设计极大地改善了模型的修改手段，提高了设计的 灵活性，在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析、仿真、优化设计 等领域发挥着越来越大的作用。其中代表性工作有d c g o s s a r d 等晦“提出的变量 几何法、b a l d e f e l d ”“提出的几何推理方法、j c o w a t l 等“提出的基于图分解的 方法和k r a m e r “提出的自由度分析方法。 ( 3 ) 分布式协同设计 到了九十年代末，工业的发展使得生产制造超大规模技术密集型产品成为可 能。这些产品是无法由一个公司或一个国家独立完成的，于是出现了全球化协同 工作模式。在c a d 领域，研究人员也开始研究支持多用户协同设计的c a d 方法 和工具。协同设计分为异步协同和同步协同两种协同方式。早期研究的协同c a d 大部分都是异步协同设计系统，代表性工作有s h a r e 项目与m a d e f a s t 项目“”、 c y b e r c u t 系统和c y b e r v i e w 系统“”等。由于异步协同设计是一种松散耦合的协同 工作，不能迅速响应，因而，能够迅速响应的同步协同设计正在成为近年来协同 设计领域研究的热点，同步协同的代表性研究工作有n c t f c a t u r c 系统【1 ”、 w c b s p i f f 系统“、t o b a c o 系统“”、c s m 系统“和浙大c a d 小组提出的基于 中性命令的协同建模方法“”和支持t o p - d o w n 的协同建模方法“。 ( 4 ) 产品生命周期管理 随着自动化、信息、计算机和网络技术的广泛应用，企业制造能力和水平都 有了飞速的发展，企业在追求产量的同时，也越来越重视新产品开发的上市时间、 质量、成本、服务、产品创新和环境等指标。企业迫切需要将信息技术、现代管 理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期( 从市场需求分析到最 终报废处理) 的各个阶段，对产品全生命周期信息、过程和资源进行管理，以提 高企业的市场应变能力和竞争能力。而传统的c a d 系统一般只包括概念设计、详 细设计和生产三个阶段，无法满足企业的这种需求。为此，研究人员将产品生命 周期的概念从经济管理领域扩展到了工程领域，提出了覆盖产品需求分析、概念 设计、详细设计、制造、销售、售后服务和产品报废回收全过程的产品生命周期 ( p l m ) 的概念。 p l m 的关键技术包括数据转换技术、数据迁移技术、系统管理技术、通讯技 术、可视化技术、协同技术和企业应用集成技术等。其核心功能包括数据存储、 浙 i ：人学博上学位论文第1 章绪论 工作流管理、结构管理、分类管理和计划管理。目前比较优秀的p l m 解决方案 有p t c 的w i n d c h i l l 2 “，e d s 的t e a m c e n t c r 【2 1 l 和i b m 达索公司的e n o v i a ”l 。 ( 5 ) c a d 技术与新学科的融合 随着c a d 技术的日趋完善，越来越多的学科开始使用c a d 技术并从中受益。 例如c a d 技术在电子、医药、服装等领域都得到了广泛的应用。在许多新兴的 科学领域，c a d 技术也起重要作用，如m e m s 技术、纳米技术和生物医学技术 等。 m e m s c a d 技术是c a d 技术与m e m s 技术相结合的产物。自二十世纪八 十年代末m e m s 研究兴起以来，m 盼4 s 结构设计、制造工艺和材料特性等方面 的研究己获得长足进展。由于m e m s 设计存在设计周期长、成本高和设计质量 难以保证等缺点，研究人员开始将c a d 技术引入m e m s 领域，m e m s c a d 技 术诞生了。m e m s c a d 包括有序地进行制造过程模拟、器件操作模拟以及封装 后的微系统行为模拟等”。1 。m e m sc a d 技术使m e m s 设计人员在产品设计 与试制时就能在计算机上进行虚拟样机的结构设计，并能对其性能进行分析和计 算，对m e m s 的各种参数进行优化，即在设计阶段就能够对各种设计方案进行 分析、比较和验证。这样的设计方式可以提高设计质量、降低成本和缩短研制周 期。目前m e m s c a d 系统主要有c o v m t o i w a 【2 引、i n t e i l i s u i t e l ”、m e m s c a p l 3 0 】 和s o l i d i s 等系统，国内北京航空航天大学、东南大学和北京大学等也分别研 制开发出了各种m e m s c a d 的系统。 n a n o - c a d 技术是纳米技术与c a d 技术相结合的产物。纳米技术是指在纳米 尺度范围内( 1 0 - 1 0 1 米) ，通过操纵原子、分子、原子团和分子团，使其重新排 列组合成新物质的技术。鉴于纳米的尺度太小，现实中难以真正操控如此小的微 粒，n a n o - c a d 技术给出了一种解决方案。目前，n a n o c a d 技术主要研究内容 集中在从原子尺度到分子尺度的细微结构的建模、仿真和控制等。现在主要的 n a n o - c a d 原型系统有s t a n d f o r d 大学开发的n a n o c a d ”1 和e n c j g s o f t 公司的 e c a d 系统。 c a d 技术和生物学相互渗透产生了b i o - c a d 技术，b i o c a d 技术主要研究 内容包括对c t 、m r i 图像的分析、三维建模、对人体关节的应力分析和动态力 分析等。近年来，c a d 技术与信息工程、组织工程、现代设计与加工技术结合产 生了计算机辅助组织工程技术( c a t e ) 。c a t e 的研究内容主要包括三个方面“： ( 1 ) 计算机辅助组织建模；( 2 ) 计算机辅助支架仿生设计和( 3 ) 计算机辅助生物加 工技术。 浙j ：大学博士学位论文 第1 章结论 1 2 特征造型技术 为了能够在计算机内部表示i 维物体，研究人员提出了多种几何造型方法， 主要的有三种：线框模型、面模型和实体模型。 线框模型是由模型上的点和线组成，用来描述产品的轮廓外形。线框模型具 有数据结构简单，模型数据量小，运算速度快等特点。但也存在多义性、易混淆 和不能进行隐藏线消除等缺点。线框模型只能表达零件的基本几何信息，不能有 效表达零件几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，线框模型无法有 效支持c a m c a e 。 面模型在线模犁的基础上增加了面的信息和点线面之间的拓扑信息。面模型 能够定义完整的模型边界，但有时仍会引起混淆。面模型只能描述零件形体的表 面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、转动惯量等，无法支持 c a e 。 为了表示完整的三维形体，研究人员提出了实体模型。实体模型记录了物体 中点、线、面和体的全部几何信息和拓扑信息。可以较好地支持c a m 和c a e 。 但实体模型只能支持低层次的几何、拓扑信息。c a d c a p p c a m 集成技术的 发展，要求产品模型能够包含体现产品设计意图和功能的高层次的工程信息。而 基本体素不是设计人员喜欢使用的构造单元，不能体现设计人员的设计意图。同 时，也无法为下游操作提供所需要的形状信息，如具有加工语义的形状信息等。 于是研究人员将几何信息与产品的功能信息结合在一起，生成了新的设计单元， 即特征同。 特征的引入，一方面为设计人员提供了高层次的符合设计人员设计思维的 人一机交互语言，摆脱了传统的基于几何和拓扑的低层次交互设计方法，从而使 设计人员将更多的精力用在创造性构思上；另一方面，因其包含了大量产品设计 意图，因而对于设计的维护以及后续的分析、综合等过程有着重要的意义，对于 提高c a d 系统的智能化程度以及解决c a d 与c a p p 、c a m 、c a e 的无缝集成 有很大的帮助。所以，特征技术从2 0 世纪8 0 年代出现以来一直受到国内外的高 度重视，并得到快速发展和实际应用。 1 2 1 特征造型的基本概念 二十多年来，虽然特征是c a d 领域的研究热点，但它一直缺少一个明确的形 式化定义，不同的应用有着不同的定义。虽然特征是领域相关的，但还是存在着 共性的，s h a h 给出了一个特征至少满足的要求7 l ：零件的一个结构组元：对应于 4 浙# l ：人学博上学位论文 第1 章绪论 一个特定形状；有工程意义；有可预测的性质。一般而言，特征是指具有一定工 程语义的几何形状。 特征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表示。 通过特征定义语言1 3 4 - 3 6 】，特征可以被定义为一个类，类中主要包括下列属性和方 法： 1 几何形状：指特征的边界表示、所对应的基本体素以及特征的正负性。 2 ，尺寸参数：包括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 公差约束：指特征组成面应满足的公差。 6 实体模型构造方法：指生成特征实体模型的方法。 7 继承规则：指确定导出参数的方法。 8 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。 特征的所有属性可以在相应的特征类中确定，类为它的所有实例定义了一个 模板，模板里包括特征的基本形状及一些参数和约束，像长度、宽度和深度等参 数。约束也经常用于定义一个特征类的参数，如面之间的平行或垂直关系、半径 的取值范围等。通过确定参数的数值，一个类的实例将被生成并加到特征模型中。 实例通常是粘贴到模型的其它特征上的，例如特征实例的某个面贴合在某个特征 的面上。实例与该特征需要一些额外的约束相互关联起来，例如两个槽的侧面需 要平行并相距一定距离等。 特征类不仅包含特征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化设计。由于工程语 义的种类不同，特征也被分为不同的种类，如设计特征、加工特征、装配特征。 研究人员也发现，对特征做一个全面的分类是困难的，所以建模系统应该能够提 供用户自定义特征的功能。 通过特征表示的产品模型称为特征模型3 - 3 8 l ，一般而言，特征模型包含一组 特征实例和一组约束。特征模型经常表示为一个图和最终的几何形状。图中包含 所有特征实例，连同其形状、约束、粘合关系及所有的附加约束等。几何模型可 以是边界表示( b r e p ) ，也可以是其它扩展表示，如单元体表示( c e l l u l a rm o d e l ) 。 b r e p 是目前使用最为广泛的表示方法，而单元体模型更适合于特征模型的有效 性维护。将一个几何模型转换成特征模型的技术称为特征造型技术。 浙ij 人学博上学位论文 第1 搴绪论 1 2 2 传统特征造型技术 特征造型技术可以看作几何造型技术的扩展。在几何造型技术中，只有几何 信息( 如点、线、面及其拓扑信息) 被存储在模型中；而在特征造型技术中，几何 信息连同其功能信息( 如加工方法等) 都存储在模型中。 特征造型技术的最终目标是得到由特征表示的产品模型，即特征模型，如图 1 1 所示。 ( a )( b ) 闭1 1 ：j “品的儿何模型与特征模型( a ) 产品的几何模型；( b ) 产品的特征模型( 不同的颜色表 示不同的特征) 传统的特征模型生成方法主要有两利：特征识别和基于特征的设计。下面我 们简要介绍一下这两种方法。 1 、特征识别 所谓特征识别是从产品的几何模型出发自动识别出其中具有一定：l ：程意义的 几何形状，即特征，进而生成产品的特征模型。 c a d c a m 集成一直是c a d 研究人员主要追求的目标之一。但是它们的有 机集成仍面临着诸多困难。例如c a d 系统采用实体模型表示产品，而c a m 系 统需要的是基于加工特征的产品表示，于是加工特征识别就成为c a d c a m 之间 的理想接口，因此长期以来，特征识别一直是c a d c a m 领域的研究热点。 传统的特征识别方法的种类已经很多，但它们从整体上可以分成四大类：基 于图的方法、基于痕迹的方法和基于体分解的方法以及在三前种方法的基础上提 出的综合识别方法。 ( 1 ) 基于图的识别方法 基于图的特征识别方法是人们研究最多的特征识别方法之一，研究成果十分 丰富。该类方法采用面边图表示特征和零件的边界模型。所谓面边图是指以面为 结点，以面之间的邻接关系为弧的图，一些其它信息，例如边的凹凸性也加入到 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 面边图中。利用一些启发式原则，模型的面边图将会分割成许多子图：如果一个 面所包含的边都是凸边，则它不会形成特征，可以将它从面边图中删除，从而得 到一系列子图。这些子图可能会对应不同的特征，最后通过分析可以进一步确定 特征类型。 基于图的识别方法可以很好的应用在孤立特征的识别上，但对于相交特征， 该方法还存在许多问题，因为启发式的推理在相交特征的情况下有时会失效。为 了解决相交特征识别的问题，很多学者提出了解决方法。m a r e f a t 和k a s h y a p 发现， 模型的面边图中，许多面与面之间的边，在特征相交时会遗失，导致无法识别出 相交特征。为此，m a r e f a t 和k a s h y a p 提出了一种通过d e m p s t e r - s h a f e r 理论恢复 遗失边来识别相交特征方法，但无法确保遗失边的准确性。 基于图的识别方法的另一个问题是无法确保识别出的特征具有可加工性，即 刀具可能无法加工到特征的某些面。 基于图的特征识别方法的主要工作有1 3 9 - 4 7 。 ( 2 ) 基于痕迹的特征识别方法 v a n d e n b r a n d e 和r e q u i c h a 发现，要从模型中查找点线面的特征模板会经常 失败，因为特征相交会改变这种模式。为了解决这个问题，他们提出了一种基于 痕迹的几何推理方法。v a n d e n b r a n d e 和r e p q u i e h a 定义了存在原1 ( p r e s e n c er u l e ) 的概念，存在原则认为一个特征和其相关加工操作会在模型边界上留下一些踪迹， 即使存在特征相关情况。存在原则还定义了最小必要部分( m i n i m a li n d i s p e n s a b l e ) ， 除非特征完全被其它相交特征所删除，否则它对应的加：i ：操作必然至少会在模型 中留下一个面，这个面为特征识别提供了一种痕迹。具体的特征痕迹可以是几何 拓扑信息，也可以是设计特征、公差等其它c a d 信息，例如一个螺纹可以视为 一个孔的痕迹。目前人们主要采用几何、拓扑信息来定义特征痕迹，其主要原因 在于现有c a d 模型中只有实体边界表示是成熟的。基于痕迹的特征识别方法的 具体识别过程如下： 步骤1 ：首先从零件的边界表示中抽取出所有的特征痕迹； 步骤2 ：通过几何推理判别每一特征痕迹对应于真实特征的可能性； 步骤3 ：利用实体造型操作构造出特征痕迹所对应的完整特征。 基于痕迹的识别方法的主要工作有 4 8 - 5 5 1 。 ( 3 ) 基于体分解的识别方法 基于体分解的识别方法最初也是为解决相交特征识别问题而提出的。体分解 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 方法分为两类：一类是基于凸包分解的方法，一类是基于单元体分解的方法。 基于凸包分解的特征识别方法最早由w o o 在1 9 8 2 年提出”“。该方法通过将 非凸物体表示为一棵以凸体元为叶结点，以布尔运算符( 交、差或并) 为中间结 点的分解树支持特征识别。分解树的根结点表示零件本身，叶结点表示其父结点 所表示物体的