面向并行设计的特征识别与模型重构方法

第15卷第8期 2003年8月计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUTER2AIDED DESIGN 修改稿收到日期: 20032032121 本课题得到国家自然科学基金(59635150)、 浙江省重大科技攻关项目(021101560)和浙江省自然科学基金(502017 ,501123)资助1 潘双夏,男,1963年生,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为设计方法学、CAD/ CAM、 工程机械、 优化设计学、 面向成本的设计等1 徐有忠,男,1974年生,博士,主要研究方向为优化设计、 并行设计、CAE等1 冯培恩,男,1943年生,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为设计理论和方法学、 工程机械等1 姜少飞,男,1975年生,博士研究生,主要研究方向为CAD/ CAPP/ CAM集成、 降低成本的设计等1 段福斌,男,1974年生,硕士,讲师,主要研究方向为设计方法学、 优化设计、 面向产品全寿命周期的设计等1面向并行设计的特征识别与模型重构方法潘双夏1)徐有忠1)冯培恩1)姜少飞1)段福斌2)1)(浙江大学CAD 提出一种自动特征识别方法,对识别对象进行分类;以截面复杂的回转体特征为例,着重表述了基于基面的特征识别算法;扼要介绍Pro/ E软件中的特征结构树,提出面向Pro/ E的特征信息三级提取策略与特征信息模型重构原则,并据此开发了DFX原型系统1关键词 特征识别;特征提取;模型重构;产品信息模型;DFX中图法分类号 TP391172Automatic Feature Recognition and Model Reconstruction for Concurrent DesignPan Shuangxia1)Xu Youzhong1)Feng Peien1)Jiang Shaofei1)Duan Fubin2)1)( State Key Laboratory of CADfeature extraction ; model reconstruction ; product information model ;design for X (DFX)1 引 言CAD , CAM , CAPP和DFX(Design2For2X)的集成是并行工程的支撑技术之一,实现数据共享与 数据交换是其关键1 围绕这个主题,学者们已经做 了大量工作,提出了许多思想与方法1,主要包括:(1)特征识别或转换; (2)基于特征的设计; (3)基于© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.STEP的产品模型等1 特征识别的方法很多,按对象不同可分为两大 类:(1)基于工程图纸的方法,主要思路是由2D图 纸(包含正交三视图)构建3D特征模型2; (2)基于 实体模型的方法,主要有基于图形的识别法、 体分解法以及基于暗示的几何推理法等三大类方法31 但 这些方法局限于建立设计特征与加工特征之间的映 射,由此构建的产品模型不能直接用于DFX分析与 评价1 基于特征的设计要求有一个自定义的特征库,其建库的过程烦杂,而且还会带来损害设计工作灵 活性以及不能反映产品模型多视角特点等问题11 由于STEP技术还不成熟,模型之间数据交换时仍 有诸如参数表示、 约束以及特征信息等数据丢失现 象4,因此基于STEP的方法仍有待于进一步完善1本文提出了一种特征自动识别方法,可将产品 几何实体模型转换为统一的基于广义工程语义特征 的CAD模型,并进一步重构为用于DFX分析与评 价的产品信息模型12 基于广义工程语义特征的产品模型211 产品模型之间的关系 当前通用的CAD软件以美国EDS公司的Uni2graphics(U G) ,PTC公司的Pro/ Engineer(Pro/ E)和法国达索公司的CATIA为代表,内核采用“CSG+B2rep +特征编码” 的混合表示1,不仅支持异地协 同设计,集成了一定的CAM与CAE功能,而且正 朝着与DFA (Design For Assembly)集成的方向发 展51针对这些CAD软件中CAD/ CAM集成能力有 限、 不能支持设计的全过程,尤其不能支持产品的概 念设计,不能完全满足CE(Concurrent Engineering) 的要求的缺陷,何小朝,潘双夏等开展了相关的研 究6271 另一方面,许多设计师仍习惯于把CAD系统作为几何建模工具来使用,建立的模型并不完善1 再者,每个设计师对于同一对象表达的过程不尽相 同,致使意图一致的设计模型往往包含的特征个数 和类型都有差异,以至于数据结构千差万别1 因此, 基于上述系统进行二次开发来辅助设计师方便地建立新的、 完整而统一的产品CAD模型,已成为亟待 解决的关键问题1 统一产品CAD模型的方法有两个: (1)制订一 套统一的特征表达方法;(2)在模型中增加高层的工程语义特征,表达设计师的真正意图1 显然,方法 (1)的前期工作量太大,且会给设计师带来许多束缚,因而难以执行1 为此,本文基于方法(2)的思想, 引入广义工程语义特征的概念和产品广义工程语义 特征模型1不同产品模型之间的转换关系如图1所示1 当 设计师完成几何建模,由几何实体模型向广义特征 模型转换时,需要有 “信息添加与设定” 以及 “特征识 别与转换” 两大模块的辅助;该产品的广义特征模型 既可进一步转换为CAM/ CAPP模型,又可通过 “信息提取与模型重构” 生成产品特征信息模型,用于DFX分析与评价1图1 产品模型的关系与转换过程212 基于广义工程语义特征的产品模型21211 广义工程语义特征的概念 在工程中,由于领域和应用层的不同,特征的定 义和分类就有很多种1 最近,Bidarra等8提出了语义特征概念,应用语义特征进行产品建模,消除基于 构造过程建模方法的缺陷;Au等9还提出了可用于 雕塑对象建模的语义特征语言1 结合上述成果,本 文引入了广义工程语义特征的概念1 广义工程语义特征有两个主要特性:图2 广义特征对象的组织(1)包含信息的广域性1 主要体现在广义特征的对象组织10上,如图2所示1 其中包含了属性槽、 关联槽、 功能槽和要求槽等内容,可将本身的属性、5898期潘双夏等:面向并行设计的特征识别与模型重构方法© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.关联对象、 功能和工程要求等要素都表述出来,完成 作为产品生命周期信息的载体功能1 (2)对设计全过程的支持1 如图3所示的三层分类:单特征、 复合特征和整体特征1 可以更加简便 且有效地表达模型,实现对设计过程的支持1 其中,单特征主要按形状结构进行分类,按特征的虚实性 又可进一步分为主特征与副特征,融入了设计与制 造特征的特色;复合特征概念的引入,主要考虑了模 型表达的简化、 有机性与合理性,符合工程需要;整 体特征兼顾了对概念设计的支持,强调对标准件或者通用件等组件的整体功能表示1广义特征单特征主特征圆柱体 长方体 扫描体 圆锥体 副特征倒角 螺纹 孔 槽 复合特征齿轮直齿轮 斜齿轮组合孔螺纹孔 钻孔 阵列孔 花键 整体特征标准件螺栓 轴承 垫圈 图3 广义工程语义特征分类21212 基于广义工程语义特征的产品模型表示图4 减振器的广义工程语义特征模型基于广义工程语义特征,可建立如图4所示的产品装配树模型1 该模型主要表达了零部件之间的层次结构以及所属广义工程语义特征之间的关系1图4中以某减振器为例,建立其广义特征模型1 该模型包含了各种类型的广义特征,表明了装配模型 中的组件与广义工程语义特征之间的装配关系、 组 合关系和依附关系1 整体特征与复合特征概念的引 入,不仅简化了模型表达结构,而且能够精简模型转 换、 特征识别以及模型评价等相关工作13 基于基面的特征识别方法当前,商业化CAD软件中建立的几何模型必然 包含两类信息4: (1)闭环边线构成的2D母截面;(2)拉伸、 旋转、 扫描以及混合等特征生成方法1 在CAD建模过程中,系统同时记录了整个特征生成的 轨迹和相关参数,并存入对应的数据结构中1 因此, 产品CAD模型中每个几何实体特征的建模过程是 惟一确定的1通过对模型文件中数据结构的访问,可以获取 特征生成方法和母截面信息,继而对母截面进行分 割与合并处理,生成对应于实体特征的广义工程语 义特征,以建立统一的产品模型1 这种识别方法的 关键是对母截面的处理,其优点是将三维实体几何模型的识别简化为二维图形的识别问题1311 分类识别 产品层次模型中包含了组件、 特征和特征集合(组和阵列)三类不同的对象,这些对象既相互区别又互相关联,因此必须根据其各自的特点,有策略地进行识别处理1 在装配模型的组件识别中,按零件是否为标准 件来分类:对于标准件,作为整体特征只须判定其类 型和关键参量;而对于非标准件,则必须进行详细的 识别1零件模型的识别工作主要包含单个集合特征识 别和特征集合识别两大类: (1)单个特征识别1 按识别的难易程度又可分为简单特征识别和复杂特征识别1a1 简单特征识别1 一种是母截面形状相对简单而且规则,如矩形、 梯形、 圆形截面等经过拉伸、 旋转 或者扫描而生成的简单特征;另外一种是构造方法 简单,如复杂的凸多边形经过简单的拉伸而获得的 棱柱特征1 这两种情况的识别都很容易实现1 因为 其与广义特征表达一致,不必进行特征转换1b1 复杂特征识别1 一种是构造方法特殊,如螺 纹特征,从几何学的角度来识别很麻烦,但通过获取 其特征的类型来识别则很简单;另外一种是母截面 形状相对复杂,其识别与转换过程相对烦杂1689计算机辅助设计与图形学学报2003年© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.(2)集合特征识别1 集合特征有阵列、 组和组阵列三种形式,其中以特征组阵列最具代表性,它是一 种由成组元素按照角度(或矩形)阵列方式构建的集 合特征1 集合特征识别实际上是主元素识别与组合 体含义识别的问题,也没有特征转换的必要1 其中,主元素是集合特征中生成其他组成员的母版,即第 一特征(组) ,如齿轮中第一齿的形状特征1 下面以如图5所示的某减振器底阀为例,着重 研究截面复杂的回转特征的识别算法1图5 底阀中复杂回转特征的母截面312 截面复杂的回转特征的识别与转换算法31211 有关识别算法的概念左端线1 在母截面中,垂直于中心线并且沿中 心线方向坐标值最小的边线,如图5中az1右端线1 在母截面中,垂直于中心线并且沿中 心线方向坐标值最大的边线,如图5中fg1外轮廓链1 在母截面中被左右端线分割开,两 端连接离中心线较远的端点(如a , f )的一组轮廓线段集合,如图5中 ab , bc , cd , de , ef1 内轮廓链1 在母截面中被左右端线分割开,两端连接离中心线较近的端点(如z , g)的一组轮廓线段集合,如图5中 gh , km , yz1内外性1 指边线属于内轮廓链还是外轮廓链的 特性1外凹性1 在外轮廓链中,边线的两相邻曲线满 足以下条件的特性:若分别以该边线的两端点为起点则都有远离中心线的趋势1内凸性1 在内轮廓链中,边线的两相邻曲线满足以下条件的特性:若分别以该边线的两端点为起 点则都有接近中心线的趋势1实截面域1 母截面所在的区域,如图5中P所 指的封闭区域,该区域为模型几何特征对应的实际区域1 虚截面域1 指因算法需要而建立的假想区域,由中心线、 端线的延长线以及内轮廓链边线围成,如 图5中Q所指的封闭区域1混合截面域1 由中心线、 延长的端线以及外轮 廓链边线共同围成的区域,如图5中G所指的封闭 区域