（计算机应用技术专业论文）特征造型系统中语义过渡特征的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 特征造型系统中语义过渡特征的研究 摘要 特征造型技术是面向制造的全过程，是c a d 发展的一个重要里程碑， 它使c a d c a p p c a m 的真正集成化成为可能，为解决产品从设计到制造的 一系列问题奠定了理论和技术基础。语义特征造型是一种可以声明的造型方 法，它不但能提供定义良好的特征语义的详细描述，同时能有效地维护造型 过程的整个语义。事实上，语义特征造型系统一个基本思想就是在一个特征 模型中把形状信息与功能信息有机地联系在一起，共同构成特征的语义。对 于三维模型重构来说最关键的问题就是如何保持特征语义的一致性，如何保 证产品信息的稳定性和完整性，以及如何提高模型的重构效率等。 本论文从理论研究和系统设计两个方面对语义过渡特征进行深入的研 究。为了减少永久性命名问题对过渡特征的影响，在对过渡特征的过渡面和 附加面研究的基础上，提出一种语义过渡特征建模和确定过渡特征形状的方 法。这种过渡特征的建模方法更加直观和高层次，进而使过渡特征的语义得 到有效性维护，使很多复杂的过渡操作成为可能，其中过渡操作是基于滚动 球技术。过渡特征具有光滑敏感的特性，如果不考虑其敏感度，三维模型重 构时就不能正确地重现过渡特征。针对过渡特征的特殊性，本文提出一种语 义过渡特征取样方法。这种取样方法把特征敏感度作为一个因素添加进来用 于计算取样点的密度，然后均衡分配样点。使用本文的取样方法能够得到高 质量的样点，从而有效的实现含有过渡特征的三维模型重构。本文的研究内 容已在h u s t c a i d ( 哈尔滨理工大学计算机辅助工业造型设计) 系统中初 步实现，从而加速高质量产品的设计速度，提高系统的设计效率和通用性。 关键词语义；特征造型；过渡特征；敏感度 r e s e a r c ho ns e m a n t i cb l e n di uf e a t u r e m o d e l i n gs y s t e m s a b s t r a c t f e a t u r em o d e l i n gi sp r o d u c t o r i e n t e d c a d d e v e l o p m e n t ，w h i c hm a k e si n t e g r a t e d a n di ti sa ni m p o r t a n tm i l e s t o n eo f c a d c a p p c a mp o s s i b l e i ti sa l s o t h et h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o n o fs o l v i n gp r o d u c t sp r o b l e m s s e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gi sad e c l a r a t i v ef e a t u r em o d e l i n ga p p r o a c ht h a tn o t o n l yp r o v i d e s aw e l ld e f i n e ds p e c i f i c a t i o no ff e a t u r es e m a n t i c s ，b u ta l s o e f f e c t i v e l ym a i n t a i n ss e m a n t i c sd u r i n gt h em o d e l i n gp r o c e s s i nf a c t ，o n eo ft h e b a s i ci d e a so fs e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gi st h ea b i l i t yt oa s s o c i a t ef u n c t i o n a l i n f o r m a t i o nw i t hs h a p ei n f o r m a t i o ni naf e a t u r em o d e l ，w h i c hf o r m st h es e m a n t i c 0 ft h ef e a t u r et o g e t h e r i nt h ec o u r s eo fr e c o n s t r u c t i o n ，t h ec r i t i c a lp r o b l e m sa r e h o wt om a i n t a i ni t ss e m a n t i cc o n f o r m i t y , h o wt o a s s u r et h es t a b i l i t ya n d i n t e g r a l i t yo fp r o d u c ti n f o r m a t i o n ，a n dh o w t oi m p r o v ei t se f f i c i e n c y t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h es e m a n t i cb l e n df e a t u r ef r o mt w oa s p e c t s ， t h e o r ya n ds y s t e md e s i g n i no r d e rt om a k e t h eb l e n df e a t u r es u f f e rl e s sf r o mt h e p e r s i s t e n tn a m i n gp r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e e p l yr e s e a r c h e st h eb l e n ds u r f a c e a n da t t a c h m e n to fb l e n df e a t u r ea n dp r e s e n t sa na p p r o a c hf o rc o n s t r u c t i n gm o d e l a n dc o m p u t i n gs h a p eo fs e m a n t i cb l e n df e a t u r e t h ea p p r o a c hm a k e sm o d e lw i t h b l e n d sm o r ei n t u i t i v ea n dh i g h - l e v e l ，s ot h eb l e n df e a t u r es e m a n t i c c a nb e m a i n t a i n e dt h r o u g hv a l i d i t ym a i n t e n a n c e u s i n gt h ea p p r o a c h ，m o r ec o m p l e x b l e n d i n gi sp o s s i b l e ，a n dt h eb l e n d i n gi nt h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e d o nr o l l i n g 。b a l l t e c h n o l o g y b l e n d f e a t u r ei ss m o o t ha n ds e n s i t i v e w h e n 3 dm o d e l i s r e c o n s t r u c t e d ，b l e n df e ：a t u r ec a nn o tb es h o w na c c u r a t e l yw i t h o u tc o n s i d e r i n gi t s s e n s i t i v i t y t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sas a m p l i n ga p p r o a c ha b o u t b l e n da c c o r d i n g t oi t sp a r t i c u l a r i t y t h ea p p r o a c hr e g a r dt h ef e a t u r es e n s i t i v i t ya saf a c t o ri no r d e r t oc o m p u t et h es a m p l i n gd e n s i t y , a n db a l a n c et h ed i s t r i b u t i o no fs a m p l ep o i n t s t h ea p p r o a c hc a ng e n e r a t eh i g hq u a l i t ys a m p l ep o i n t sa n de f f e c t i v e l yr e c o n s t r u c t i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 dm o d e li n c l u d i n gb l e n df e a t u r e t h er e s e a r c hc a nb ea p p l i e di nh u s t - c a i d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea p p r o a c hc a na c c e l e r a t et h ed e s i g n e ds p e e da n d i m p r o v et h ed e s i g n e de f f i c i e n c ya n d t h eu n i v e r s a lp r o p e r t y k e y w o r d s s e m a n t i c s ，f e a t u r em o d e l i n g ，b l e n df e a t u r e ，s e n s i t i v i t y i 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特征造型系统中语义过渡特 征的研究，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： 码孵日期：如竭年弓月聊日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 特征造型系统中语义过渡特征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。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 马锐确 1 日期：k c f 7 年弓月为日 导师签名：孔纱铭 f l 期： 如f 年弓月日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1c a d 技术的产生和发展现状 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。现在它已发展为物体模型和图像生成、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 自诞生之日起便紧紧 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。 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 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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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。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 等。 洲删c a p p 作为成熟的技术已在企业中得到了广泛的应用，并已成 为企业的现实生产力。现在c a d 技术的发展趋势主要表现在以下四个方面： 1 标准化除了c a d 支撑软件需要实现i s o 标准和工业标准之外，面向 应用的标准构件( 零部件库) 也需要实现标准化。标准化已成为c a d 系统发 展的必然趋势。 2 开放性目前c a d 系统都是以w i n d o w s 9 洲t 和u n i x 为平台，在 l i n u x 系统上也有部分c a d 产品。此外c a d 系统都为用户提供了二次开发 环境，这使得用户可以方便地定制自己需要的c a d 系统。 3 c a d 系统的集成化c a d 系统集成化是当前机械c a d 技术发展的主 要趋势之一，目标是要提高产品设计的自动化程度。使c a d 系统的设计方案 直接变为c a m ( 计算机辅助制造) 的加工数据瞳1 。 4 虚拟c a d 设计在虚拟c a d 设计中，一般是通过网络来完成设计方案 的传递。在各个网络终端上，都存放着设计系统的数据库。我们可以将这一模 型等效为一个并行数据库，在该系统中存在着一个c a d 系统的主控结点，其 它用户成为它的客户端。目前，在虚拟c a d 设计中，一般都采用多个处理结 点来存储c a d 设计的数据方案，各结点通过高速通信网络并行工作以提高查 询和互换设计方案的效率。由于现存的一些数据划分方法不能使得整个关系均 匀地分布到多个处理结点上，所以数据库系统的并行性没有被充分地发挥出 来。涉及到非划分属性的查询时，查询处理器与处理结点之间要进行大量的数 据交换，增加了高速通信网络的负担。 1 2 课题研究的目的与意义 自特征概念提出以后，特征技术的研究便蓬勃展开。在基于特征设计的系 统中，“特征”是构成零件信息的最基本单位，基本形状特征容易被定义和划 分得非常清晰并应用在实际系统中，特别是在基于特征的产品模型交换系统 中。过渡特征作为一种辅助特征，与一般的基本特征相比有很多特殊性，需要 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 有更灵活的形状定义方式和语义维护方法。 过去特征造型中用边界表示法来描述产品的形状，但是经过实践证明，由 于过渡特征的特殊性，用边界表示法来描述过渡特征是常常是无效的。本文通 过对过渡特征的过渡面和附加面的研究的基础上，提出一种过渡特征建模和确 定过渡特征形状的新方法，进而使过渡特征的语义得到有效性维护。这种方法 对于设计来说所有关于过渡特征痕迹的参数信息是直观的，从而用过渡特征的 建模更加直观和高层次，因而使很多复杂的过渡操作成为可能。针对过渡特征 的特点，本文提出了一种基于敏感度的特征取样方法，对于过渡特征的光滑细 分的特点，如果没有考虑敏感度进行特征取样，在重要的数据减少后一些细节 特征则丢失。小特征的取样敏感度越高，得到特征样点的信息越完整。然而， 当特征敏感度被夸大会导致局部样点分配不均衡。因此，依据敏感度对过渡特 征取样并均衡分配样点对建立高质量的3 d 模型这点很重要。本文这些理论与 实践相结合，将其应用于h u s t - c a i d 系统中，所以本文对语义过渡特征的研 究具有一定的理论和现实意义。 1 3 国内外研究现状 特征技术研究萌芽于八十年代初，并于八十年代后期蓬勃发展。它源于传 统的实体造型系统中产品定义的信息不完备，缺乏反映设计意图的工艺要求信 息，并且数据抽象层次较低，所涉及的高层思想交流的概念较少。由于不方便 模型修改，故不支持创造性设计。特征技术目的是要表达产品的完整技术和管 理信息，建立计算机可以理解和处理的统一模型，让特征直接体现设计者的意 图，以便产品的理解与生产组织，并且设计人员将集中于创造性构思上。它加 强了企业产品相关部门的联系，提供了c a d c a p p c a m 集成方法和途径。这 些将有利于推动行业产品设计、设计工艺方法的规范化、标准化和系统化。特 征造型技术可以将产品的功能和工程等反映设计人员意图非形状信息与几何信 息进行集成，从而将产品的功能需求、原理方案以及设计领域下游的制造信息 等整个产品生命周期各阶段所需的信息集成到设计阶段来。而特征是一组具有 特定几何形状的功能体素，是满足某些约束关系的特征元素集。特征的本质是 它具有一定的语义，并且这些语义是和产品生命周期的某一活动相关的阳“。 当今大多数特征造型系统并没有很好遵守上述的定义。有些系统，仅仅在 用户界面上体现了这些特征的定义，而在产品模型中仅存储了作为结果的几何 系统。从本质上讲这样的系统只能是一个几何造型器。还有的系统尽管能在产 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 品模型中存储特征的语义，但在造型中却不能很好地维护。这些传统的造型系 统是建立在边界表示之上、参数化的、基于历程的特征造型系统，设计者的每 一步造型操作包括特征类型、特征参数等一一被记录下来，形成构造历程树， 对特征的修改和删除等操作只是对构造过程历程的重演，因此这种特征造型方 法具有一定的时序性。但是设计者的设计过程是一种发散的、非时序的设计过 程，设计者只关心特征间的约束关系，而与某一特征的创建次序无关，因此基 于历程的特征造型必然存在其固有的缺陷瞄。尤其在产品模型的可编辑性和 易编辑性方面存在以下六点问题h 引： 1 在产品设计后期修改中，系统根据模型历程树一步一步重构新模型， 随着模型的复杂程度提高，重构新模型所花时间呈线性增长。 2 模型边界修改后，相交的特征存在与其指定的参数不匹配，即与不同 操作类型的布尔运算顺序有关。 3 模型边界修改过程中，特征语义与模型的历程有关。 4 特征间约束关系的引用与模型的历程有关，既在历程树中后创建的特 征不能引用较前创建的特征的拓扑元素。 5 模型边界修改过程中，不能保证拓扑元素唯一性。 6 模型边界修改过程中，不能保证特征语义唯一性。 另外，对产品生命过程中各个环节产品信息的关联性差，产品数据所提供 的支持设计后续过程的信息不完整，还没有提供方便于用户定义特征的方法， 也是造型系统所存在的缺陷。 上述缺陷涉及到特征造型的三项核心技术： 1 变量、约束的表示及提高约束变量求解的精确性和效率。 2 在重构过程中，需保持拓扑元素( 点、边、面) 的标号一致性，以维 护约束集的一致性阳1 。 3 提高模型重构的速度。 在变量化设计方面，a n d e r lr 总结三维模型约束关系的求解可分为三种 方法，即数值法、符号代数法和基于规则推理法。在对拓扑元素编码方面， k r i p a cj 、c a p o y u ! a sv 和w uj 提出拓扑命名法对面、边和顶点用拓扑方 法命名n 。1 。在模型实现的途径与效率上，s u h 、p e r n g 作了部分的研究。为 此b i d a r r a 等从管理几何模型元素这一层次上研究特征模型，提出基于细胞 元的特征模型表示方法，通过特征依赖图使其特征修改不依赖于历程树。语义 特征造型系统不仅能详细描述定义良好的特征的语义，而且在造型过程中能有 效地维护特征的语义n ( 特征模型有效性维护) ，即当执行一个造型操作后， 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 只有模型中所有的约束被满足，特征模型才有效。也就是说，特征模型无效是 由于模型中约束之间发生冲突造成的，其中特征间相互作用是造成特征模型无 效的主要问题之一。一种无效特征模型的有效性调整方法是取消此次模型操 作，原路返回至执行模型操作前的状态。为了实现原路返回操作，我们设置两 个栈，一个栈用来存放模型操作记作o p e r a t i o n ，另一个栈用来存放stack(os) 相应的参数值记作v a l u es t a c k ( v s ) 。取o s 栈栈顶，对该模型操作进行有效性 检查，若该操作有效，则o s 栈退栈，v s 栈退栈。否则取出v s 栈中的值作为 参数值利用特征操作将参数恢复至先前的状态。除此之外，还可以通过用户辅 助的方法进行有效性调整。在大多数情况下，如果用户得到无效的模型操作的 反馈信息( 向用户报告约束冲突，记录特征相交的范围，提供合理的改进建议 等) 时，用户可能会选择更有效的方式对其进行调整，如通过提供对话框提示 用户输入正确的参数值等。但是这种方法具有一定的缺陷：一方面，当出现一 个无效的特征模型的同时，系统提供给用户的、导致无效模型的信息之一 合理的改进建议是事先已经预见到的，一旦采纳该建议，那些没有预见到的信 息有可能导致另外的某个约束不满足，再次导致模型无效。另一方面，对于复 杂的模型来说，这种调整方法需要用户手工做大量的、冗长乏味的调整工作， 给用户造成一定的压力。另外，特征模型的有效性维护是通过约束管理器、特 征几何管理器、相互作用管理器之间反复操作进行的n2 。因此，从相互作用管 理器这一角度研究特征模型的有效性是非常必要的。 过渡特征作为一种辅助特征，在特征造型中有很多特殊性n3 | ，在研究中也 有很多不足。过渡是一个片或体，通常能够使一个或多个特征的两个邻接面的 边界平滑。现在问题是，过渡特征的语义很难有明确的定义，这个缺点就限制 了特征造型体现设计意向的能力。过渡特征在特征造型中是作为一个或多个特 征面之间的过渡操作得到。在造型过程中，特征被修改并且每次变动同模型的 评估联系在一起的。如果被附加的特征被修改，那么就要对过渡特征进行评 估。每当特征模型改变，这种评估需要有记录工具，依靠它过渡特征的语义能 够有效的检查。否则特征模型的有效性就不能得到维护，这就会导致过渡特征 修改的不正确。 在大多数的商业系统中，过渡特征都被指定为模型的边界元素，在模型中 过渡特征由过渡边指定。由于内核模型通常被边界表示，过渡特征改变模型的 边界，并且过渡特征和其他一些特征在参数定义层次上不被描述。直观的特征 模型在重建后变的不清晰了，当有不确定的元素存在时系统有时需要去推测匹 配。如果推测错误，重建的模型就会不符合要求“。由于过渡特征的复杂形状 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 和与其他特征的关联，所以它比其他特征受永久命名问题的影响n 勒要大的多。 特征模型系统缺少对过渡特征的语义维护，一旦添加到用边界表示的产品模 型，过渡特征的语义就会丢失，在操作中就会违背原设计意图。 1 4 h u s t - 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 ( 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。 h u 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 l c + + 5 0 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： 1 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。 4 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。 5 执行效率高，运算的可靠性高。 1 5 课题来源及研究内容 本课题全名为“特征造型系统中语义过渡特征的研究”来源于国家自然基 金资助的项目基于细胞元表示的语义特征造型研究及应用( 项目编号 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 6 0 1 7 3 0 5 5 ) 和哈尔滨理工大学c a d 研究所国家“九五”攻关项目c a i d 的一 部分。并将研究成果有效应用到h u s t - c a i d 系统中。所以本课题的研究具有 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。 本文从理论和系统设计开发实践两个方面对特征造型系统中语义过渡特征 进行深入的研究。其主要研究内容如下： 1 语义过渡特征过渡面的研究。 2 语义过渡特征附加面的研究。 3 语义过渡特征建模技术的研究。 4 语义过渡特征形状计算方法的研究。 5 语义过渡特征造型取样的研究。 1 6 论文的组织结构 本文针对过渡特征的特殊性，对过渡特征的相关问题进行了详细的分析与 研究，本论文的章节安排如下： 第2 章介绍了语义特征造型系统的基本概念、思想和哈尔滨理工大学计算 机应用技术研究所自行开发的一个基于特征的参数化造型系统h u s t - c a i d ， 并在此基础上分析了h u s t - c a i d 系统的整体数据结构。 第3 章对语义过渡特征的构成和过渡面做了深入的研究，分析讨论了语义 过渡特征过渡面的特性、分类和相交过渡特征的性质。 第4 章在对过渡特征的附加关系深入研究的基础上，提出一种新的过渡特 征建模和确定过渡特征形状的方法，并将这些方法在h u s t - c a i d 系统中实例 化。 第5 章针对过渡特征的特殊性，提出了一种基于特征敏感性的取样方法， 并将这种方法应用于h u s t - c a i d 系统中，论证了本文所提出方法的正确性和 可行性。 最后是本文的结束语，对全文进行了总结，并给出了本文的不足之处及相 关的后续工作。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章基于细胞元的语义特征造型 2 1 语义特征造型的特点 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。构成特征的语义有以下特征属性： 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n 制。 3 用户输入数据的接口由几何约束、依附约束组成，它们用来确定该特 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。 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n 引。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 述一个给定特征类的所有资源，并为其所有实例定义了一个模板。这种类型的 所有实例的有效性条件应该满足。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。大部分当今的造型系统有一种有效性条件的基本形 式，考虑到技术和功能元素的需要经常依赖于特定的应用领域，语义特征造型 允许有更多种的说明。有些特征有效性条件实际上对保持在造型过程中特征的 语义是不可缺少的，否则特征也不会比高层的几何造型图元优越。 语义特征造型允许用户定义自己的特征类，例如：通过继承已经存在的特 征类并在其定义上增加一些约束条件。特征类存储在特征库中，在造型期间新 特征可以被示例出来。 语义特征造型的另外一个特点是整个造型过程根据特征和他们的实体( 例 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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，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过程中，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，甚至他们的几何表示也是。语义特征造型最重要的特点是所有特征的语义 在整个造型过程中对所有的特征操作来说都不改变。一个单一的几何模型，保 持相关的特征信息，是执行有效性维护所不可缺少的。 语义特征造型的这两个特点仅仅意味着在语义特征造型中的两层结构，明 显的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，它包括了所有的特征和约束 实例，通过依赖关系相互关联。第二层包括了在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上。 2 2 语义特征模型 2 2 1 细胞元模型 细胞元模型将零件描述成不完全分离的细胞元的相关集，各细胞元完全在 形状特征的内部，或完全在其外部。细胞元描述的是一个点的集合，这个点集 包含于模型各个面的所有形状特征中。因此，每个形状特征都是由一组相关细 胞元的子集所表示的n 引。 此外，空间细胞元的分解是相互作用和相互影响的，例如，对于两个相互 重叠的特征，有一部分细胞元同时位于两个形状特征中，而其它的细胞元位于 其中的某一个形状特征上。结果，就会存在两个细胞元无法重叠的情况。然 而，只有在分离细胞元的细胞元模型中存在拓扑面时，细胞元才可1 1 , t 4 i 。这 样的拓扑面可看成有两个边，并将其指定为参与细胞面。通常，位于细胞 元边界上的拓扑面仅有一个细胞面( 一个边) ，它限定了唯一的细胞元的拓 扑面“引。在任一情况下，细胞面限定了一个且仅有一个细胞元。每个形状元素 是由一组相关细胞元或细胞面表示的，它描述了相应的边界点集、形状元素区 域。 我们可得出这样的结论，在细胞元级上，每个形状特征都有一个直接的明 确的描述。在细胞元模型的物主列表中( t h eo w n e rl i s t ) 细胞元模型中的细 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 胞元记录了它在哪个形状上，同样，在一些细胞面的物主列表中，细胞元元素 记录了它在哪个形状元素上。 2 2 2 特征的定义及分类 国内外许多专家和学者对特征技术进行了研究，分别从不同的角度对特征 进行了定义心，p r a t t & w i l s o n 的定义：特征是一个零件的表面上有意义 的区域，共分为六类特征：通道特征、凹陷特征、凸起特征、过渡特征、域特 征和变形特征。这种特征的定义和分类方法，后来被s t e p 标准采用，它主要 基于形状特征分类。s h a h 的定义：特征是产品信息传递的载体，它能帮助设 计，制造或其他工程任务之间的通讯与交流。把产品信息分为五类特征t 形状 特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征。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 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 几何形状指特征的边界表示或所对应的基本体素及特征的正负特性。 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化设计。 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。 从设计方法看，特征可分为通道特征、挤压特征、提栏特征、过渡特征、 表面特征、形变特征。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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。 在一个基于特征的c a d 系统中，若特征库中的特征随意排列，会对特征的使 用和特征模型的建立带来极大的不便。按照一定的规则对特征库中的特征进行 分类会给特征的定义、操作等带来诸多好处。如把具有相同生成方式的特征归 为一类，就可以对一类特征构造一个特征创建方法而不必对每个特征都构造一 个创建方法。良好的特征分类还能给产品模型中不同应用领域的特征模型间的 数据转换带来方便。 特征分类的方法很多，可以根据不同的原则进行分类，表2 - 1 是分别以产 品类型、特征的应用领域和特征的几何形状为原则的特征分类。针对某一特定 的应用领域，特征又可以分成许多子类，图2 1 是一个简单的形状特征分类。 表2 - 1 特征分类 t a b l e2 1c l a s s i f i c a t i o no ff e a t u r e s 产品类型应用领域 j l 何特征 钣金件特征设计特征多面体特征 组合板特征有限元分析特征 旋转特征 切削加工特征加工特征拉伸特征 注塑模特征装配特征 分析特征 图2 - 1 一个简单的形状特征分类 f i g 2 - 1as i m p l ec l a s s i f i c a t i o no ff o r mf e a t u r e s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 3 特征的表示方法 现代的国内外特征技术研究基本上都是在实体模型的基础上开展的。在基 于特征的参数化造型系统中，如何更全面更有效的表示模型，使特征作为一种 有效的信息载体，能够满足产品从设计、分析到制造各阶段对信息描述的需 求，是国内外学者研究的热点，可以用边界表示幢2 1 、c s g 树和特征描述 ( f d t ) 的混合模型来表示实体模型。f d t 是一棵多叉树，记录其对应的c s g 树结点的特征与其他特征之间的约束关系，允许有多个父特征和多个子特征， 通过特征的重定义和修改可以改变特征的约束关系。 1 边界表示法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，b r e p ) 首先是在欧洲发展起 来的，并成为很多系统，例如c a t i a 、e u c l i d 、g e o m o d 、m e d u s a 等数 据结构的基础。这种方法的基本思想是把物体定义为封闭的边界表面所围成的 有限空间，这样一个形体就可以通过它的边界，即面的集合来表示。而每一个 面又通过边，边又通过点，点则利用三维坐标加以定义。因此边界表示法强调 的是形体外表的细节，详细记录了形体的所有几何和拓扑信息。边界表示法的 优点在于含有较多的关于面、边、点及其相互关系的信息，这些信息对于工程 图的绘制及图形显示都是十分重要的。因为在某些情况下，曲面模型是利用小 平面加以近似表达和描述的，所以，这种方法易于同二维绘图软件相衔接并可 与曲面建模系统联合使用。除此之外，这种方法便于通过人机交互的方式对物 体模型进行局部修改。但是有关物体生成的原始信息( 即它是由哪些基本体素 所定义的，是怎样拼合而成的) ，边界表示法是根本无法提供的，同时实体描 述所需信息量较大，并有部分的信息冗余。 2 c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 表示法即构造实体几何法，它利 用二叉树纪录了构成一个零件的所有体素和它们之间的拼合过程，可以简称为 体素拼合树。c s g 树只定义它所表示物体的构造方式，既不反映物体的边界信 息，也不能显式的说明三维点集与其所表示的物体在空间中的一一对应关系。 因此，这种表示又被称为物体的隐式模型或过程模型。用c s g 树表示一个复 杂形体是非常简单的，它所表示物体的有效性可以通过其基本体素的有效性和 集合运算的正规性来加以保证。它可以唯一的定义一个物体，并支持对这个物 体的一切几何性质计算。 3 f d t 表示法f d t 是一棵多叉树，记录其对应的c s g 树结点的特征与 其他特征之间的约束关系，允许有多个父特征和多个子特征，通过特征的重定 义和修改可以改变特征的约束关系。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 混合模式( h y b r i dm o d e l )目前还没有清楚地定义与界限，但在c a d 系统中却被广泛的应用。这种方法是在一个系统中采用了不同种模型来联合表 达实体的，例如常见的c s g 法与边界表示法相混合。混合模型一般由两种不 同的数据结构组成，互相补充以满足不同的要求。当前大多数的混合应用系统 都是基于这样一种思想：即在c s g 树结点上再扩充一级边界数据结构，以便 达到清晰表达实体的目的。因此，混合模式可理解为是在c s g 树基础上的一 种逻辑扩展。在这种混合模型中，起主导作用的数据结构仍然c s g 树，边界 模式的一些优点( 如便于局部修改操作) ，可在这种混合模型中加以体现，而 c s g 法的所有特点都完全包含于这种模型中。 2 3 h u s t - c a i d 语义特征造型系统的体系结构 2 3 1h u s t - c 越d 系统的实现方法 h u s t - c a i d 是哈尔滨理工大学计算机应用技术研究所自行开发的一个基 于特征的参数化造型系统。因为产品设计过程在模型级上可分为以下两个过 程：即特征设计过程( 增加特征) 和特征编辑过程( 零部件参数及尺寸约束的 修改和拓扑结构的重构) 。所以，在该系统中，实体模型、特征模型和改进的 混合模型并存。在以特征模型为主的情况下，保留了一些实体造型的方法，使 得设计者能够灵活地运用此系统完成特征设计与编辑工作。实体模型主要是记 录造型体的边界情况，特征模型记录了特征的参数、基准、父特征和子特征。 系统可以结合边界模型与特征模型对每次操作后的造型体进行修改。而混合模 型则将b r e p 边界模型、约束信息和拓扑特征元素紧密地结合在一起，提高了 系统定位特征的速度。在造型过程中，我们主要依据历史的观点来生成特征模 型，这里主要用到的是c s g 树( 它是一棵二叉树，其叶结点为特征体素，中 间结点为设计中的布尔操作符。为了满足不同设计的要求并提高造型系统的效 率，在设计过程中c s g 树的各结点指针值保持不变，只是把两棵c s g 树合并 为一棵c s g 树。根结点为新生成的结点，记录了操作运算的信息) 。一般使用 c s g 树来反映历史，描述体素生成的顺序。而使用b r e p 边界模型描述实体的 边界情况，记录约束描述的参照信息。在特征编辑过程中涉及到特征参数及约 束尺寸的修改，其具体方法一般有两种：一种按c s g 树的生成顺序重构新模 型，此种方法又称为基于特征的线性修改方式。这种方法首先调整c s g 树上 各结点的位置，再按调整后的c s g 树重构新模型。另一种是基于欧拉操作的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 局部特征编辑方法，此方法又称为基于特征的非线性修改方式。本系统在编辑 差特征时，可以采用非线性修改方式，而对于其它特征的修改则采用线性方 式。