外文翻譯--基于特征模型的柔性構造及修改 中文版

1、<p>　　基于特征模型的柔性構造及修改</p><p>　　何曉朝，張鐵昌，高光韜</p><p>　　計算機輔助設計/西北綜合性大學，計算機輔助制造研究中心</p><p>　　摘要：一種新方法提議引起靈活的基于特點的模型(FFBM), 這可被任意地修改。用BRep / CSFG / FRG 混合模式可以用來描述這種模型FFBM：用BRep明確地確定模

2、型，用CSFG(有建設性的固體特征的幾何學)來記錄特征的塑造程序，用FRG(特征關系圖) 可以反映出不同的特征種類之間的關系，拓撲算子與局部可循環(huán)利用的算法通過拓撲操作表詳細追蹤(TOL)一起可以實現(xiàn)特征增加，。因此，F(xiàn)FBM直接在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里可以被修改。有關特征連鎖反應和易變的拓撲關系在設計修改過程均有效，在此之后，粘附在產品信息上的特征信息將不丟失。而且，一個特征的修改可以也有像增加一個特征那樣快。</p><p

3、>　　關鍵詞：柔性設計，拓撲操作表，特征模型</p><p><b>　　0 介紹</b></p><p>　　參數(shù)化設計導致參數(shù)的修改和變化。到目前為止，因為參數(shù)化設計，許多方法學得到了發(fā)展。Liuis Solano et al 提議一種有建設性的基于限制的方法，它能記錄由用戶定義對象相互作用的順序并且能創(chuàng)造一般的模型CPSM(有建設性的參數(shù)固態(tài)模型)。Hi

4、llyard R C et al曾提出數(shù)值限制解法，他把具有某種特征的全部尺寸約束翻譯成為一套方程式。另一種方法是建立在一個基于一套限制條件的幾何學模型的一個專家系統(tǒng)。幾乎所有上述方法都有他們各自的缺陷。而這種建設性的方法CPSM使用效率低，因為CPSM的修改要求再做所有開始已做的工作。而且，重新再做這個操作需要新特征，這除了需要不同的幾何學數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫地址，在設計過程中還要與它相似的特征共享相同的拓撲關系，這樣將會導致產品信息的丟失。

5、因此CPSM不能直接被用于基于特征的設計。數(shù)值限制解法需要創(chuàng)造許多的方程式和帶有很多的幾何學元素和約束的變量這樣一來它的計算的費用是昂貴的。專家系統(tǒng)分析法需要的是簡單的模塊，不支持繁冗的設計方法。</p><p>　　在本文，提到一種新的設計方法叫柔性設計法。這是特征表示法的合理的組合, 以塑造特征的工具和算法為特色有利于設計時參數(shù)的修改。在這種方法中，設計時參數(shù)的修改在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫同樣有效，并且不必重做開始已做的

6、工作。 在修改之后，粘貼在產品上的信息將不會丟失。另外，有關的特征和易變的拓撲的連鎖反應在設計修改過程中同樣支持。我們把這種方法運用在基于特征的塑造原型系統(tǒng)中并且達到了更好的效果。</p><p>　　1 BRep / CSFG / FRG 混合模式</p><p>　　BRep/CSG 混合的方法通常用在描述固態(tài)模型過程中。它結合BRep和CSG的優(yōu)勢并且克服他們各自的不利條件。但是在

7、基于特征的模型里存在著約束和相互作用，這是BRep/CSG所不能描述的。因此在這篇文章里FRG將提出描述全部不同的特征之間的關系。更進一步，當一個特征被描述為一套表面時，傳統(tǒng)的CSG應該被作為CSFG改進，因為一個模型一般被描述為一個固體。然后用BRep / CSFG / FRG混合法來描述特征模型。BRep，CSFG 和FRG之間用能分辨一個特征和其它特征專有的符號來連結。 一個特征模型用BRep表示如圖1 a 所示。這些特征標識一起

8、儲存表面節(jié)點。BRep，CSFG和FRG之間的連接關系如圖1 b所示。</p><p>　　圖1 特征模型的BRep/CSFG/FRG結構</p><p><b>　　2 特征設計</b></p><p>　　2．1 設計特征分類和表示法</p><p>　　基于特征的構造的途徑內出現(xiàn)各種各樣的工程概念，例如箱體，

9、孔，等等；在這里，只考慮特征形狀，這被叫為特征設計的方法可分成以下的3 種：</p><p>　　正特征(PF)，例如，箱體，肋板等等</p><p>　　負特征(NF)，例如，通過洞，盲孔，臺階，口袋等等，</p><p>　　局部特征(LF)，例如，倒角，倒直角，圓角，等等；</p><p>　　現(xiàn)在有兩個圖書館。一個是用來儲藏(基本特征

10、)的。 這個儲藏館被描述為在圖1a里的卷。另一個是特征圖書館。特征被描述為一套表面。在特征圖書館，一些尺寸是預先隨意定義的例如槽長度，通孔的深度，等等。在這些特征上加上尺寸時應加以權衡。</p><p><b>　　2．2特征設計</b></p><p>　　在特征設計中來，設計者一個接一個給儲藏館添加第二特征。傳統(tǒng)規(guī)則化的運算是難理解的,這需要考慮全部模型的幾何學要

11、素。因此，物體幾乎不可能被修改。在很多模擬試驗中，只對局部操作有必要。如圖2所示，槽的增加只與局部有關。這樣的話，這樣按固定模式來操作是不合理的。 因此發(fā)展一種只針對局部操作而且可以理解的基于特征的設計方法是有必要的。</p><p>　　有幾個術語的定義涉及到當今的構造特征：</p><p>　　基本操作面： 第二個特征增加的基本特征面(在圖2，特征面F1是基本操作面)。</p&g

12、t;<p>　　相關操作面： 涉及到增加特征的基本特征面(在2圖，F(xiàn)2 和F3相關操作面)。</p><p>　　設置元素：:幫助確定第二個特征的局部基本特征幾何學元素, 他們可以是邊緣或面孔。</p><p>　　特征標示： 一個特征標示字符串與其它特征的區(qū)別。它被存放在特征面孔紀錄、CSFG樹結和FRGNs中。</p><p>　　構造基于特征主要

13、包括下列步：</p><p>　　選擇第二個特征的類型，輸入為必要的尺寸。</p><p>　　選擇基本操作面，為相關的操作面搜尋基本特征。</p><p>　　找到局部元素，為增加的特征輸入尺寸。輸入找到給特征加的尺寸。</p><p>　　對局部交互的操作做出相應交并且建立必要BRep記錄。特別的交式的子特征由為其他特征所提供。 <

14、/p><p>　　(5)確定在交互式特征中的限制條件并且檢查特征相互作用。 </p><p>　　(6)產生相應CSFG 樹和FRG 節(jié)點。 重新構建局部拓撲關系。</p><p>　　在圖2，第二個特征類型是槽。它的尺寸包括寬度b 和深度d. 它的基本操作面和相關操作面是F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3。DI是用來確定尺寸的標注。插槽的交叉子程序由插槽的頂點確定同時產生相應表面NF1

15、1、NF12和他們的環(huán)結，棱邊NE11、NE12、NE31、NE32。然后插槽才可以按上述步驟增加。</p><p>　　圖2 在長方體上加個鍵槽</p><p>　　顯然增加一個特征的是通過修改基礎特征的拓撲關系。拓撲關系的修改是通過修改拓撲算法來實現(xiàn)。</p><p><b>　　2.3拓撲算法</b></p><p&

16、gt;　　在我們的系統(tǒng)里的拓撲算法有：</p><p>　　(1) 在SHEL節(jié)點上增加一個表面節(jié)點(AFOS); 在SHEL節(jié)點上刪除一個表面節(jié)點(KFOS)。 </p><p>　　(2)在表面節(jié)點上增加一個邊緣節(jié)點(AEOF)； 在表面節(jié)點上刪除一個邊緣節(jié)點(KEOF)。</p><p>　　(3)在環(huán)節(jié)點上增加一個邊緣節(jié)點(AEOL)； 在環(huán)節(jié)點上刪除一個邊

17、緣節(jié)點(KEOL)。 </p><p>　　(4)在表面節(jié)點上增加一個環(huán)節(jié)點(ALOF)； 在表面節(jié)點上刪除一個環(huán)節(jié)點(KLOF)。</p><p>　　在圖2中，在一個長方體上添加一個插槽用拓撲算法來表示如下：</p><p>　　(1)做AFOS 3 次，在長方體的SHEL 節(jié)點上增加表面SF1，SF2，SF3。</p><p>　　(2

18、)表面F1的拓撲修改算法：</p><p>　　(a)建立表面NF11 節(jié)點， NF12和他們的環(huán)節(jié)點；</p><p>　　(b)做AEOF和AEOL3次，在表面NF11 節(jié)點上增加邊緣節(jié)點E4, NE11, SE1, NE31和他們的環(huán)節(jié)點；做AEOF 和AEOL 3 次，在表面NF12 節(jié)點上增加邊緣節(jié)點E2, NE32, SE2, NE12和他們的節(jié)點。</p>&l

19、t;p>　　(c)做AFOS兩次，在SHEL節(jié)點上增加表面節(jié)點NF11和NF12。</p><p>　　(3) 修改表面F2的拓撲關系：</p><p>　　(a)KEOF和KEOL：從表面節(jié)點F2和它的環(huán)節(jié)點刪除邊緣節(jié)點E1。 </p><p>　　(b)AEOF和AEOL：在表面節(jié)點F2和它的環(huán)節(jié)點上刪除邊緣節(jié)點NE11。 </p><

20、p>　　(c)AEOF和AEOL：像步驟（b）一樣，在表面節(jié)點F2和它的環(huán)節(jié)點上增加邊緣節(jié)點SE3, SE4, SE5, NE12 </p><p>　　(4) 修改表面F3的拓撲關系： 這與(3)操作一致。</p><p>　　應當指出的是增加特征的順序是很重要的，例如，在圖3中，臺階FT1的增加一定要在孔FT2 和槽FT3的操作之前，槽 FT3一定要在倒角FT4和FT5 的操作之

21、前。用CSFG 樹枝結構來描述上述特征增加命令如3圖b所示，在這個結構中節(jié)點P1，P2，P3， P4是中間描述量。</p><p>　　圖3 虛邊，CSFG樹和FRG結構圖</p><p>　　進一步闡述一下，在圖3a里，F(xiàn)T3 槽的地面和臺階FT1的是處于同一個平面的。在這種情況下，在上面增加插槽的算法中產生存在BRep結構里的VE邊緣在這里不需要被顯示出來的叫做虛擬邊緣。虛擬邊緣不影

22、響式樣的真實性并且為了處理這種情況下的顯示問題提出了特別的模塊。</p><p><b>　　3 拓撲操作表</b></p><p>　　3.1 拓撲表目錄的要求</p><p>　　在上例的特征修改中關鍵的是正確而且有效的從特征模型中抽出第二個特征的幾何元素和拓撲信息。為了達到這一目的，這篇文章將闡述在設計過程中運用的一種叫做拓撲操作表(TO

23、L)的數(shù)據(jù)結構。TOL 必須具備下列能力：</p><p>　　(1)每種第二特征的幾何元素和拓撲信息均可以從中抽取出來。</p><p>　　(2)它應該包含所有第二個特征的標識符。因此，如果設計者選擇一個特征面(通過挑選屬于特征的面)來修改，它的有關的信息可以方便地被從相應的TOL抽取來。</p><p>　　3.2 TOL的結構</p><

24、p>　　TOL的邏輯結構如圖4所示。這里有更進一步的說明：</p><p>　　圖4 TOL的邏輯結構</p><p>　　(1)拓撲操作節(jié)點包含兩次互相補充的拓撲操作，但只有一個特征被使用。 在圖3中，拓撲操作在面節(jié)點F2上增加邊緣節(jié)點NE11和它補充操作上在面節(jié)點F2刪除邊緣節(jié)點NE11存儲在TOL的拓撲操作節(jié)點里。</p><p>　　(2)特征標識節(jié)

25、點稱為特征聯(lián)系圖表節(jié)(FRGN)。在每列特征聯(lián)系圖表節(jié)的均可描述一個引以為例的特征鏈。</p><p>　　TOL是在基本特征的形成過程中進行初始化和構建起來的。而且，這種標引方法可減少存儲空間。</p><p><b>　　4 特征關系圖</b></p><p>　　典型的特征關系可以被分類成為4類：</p><p>

26、　　(1)從屬關系：一個特征屬于另外一個特征，我們稱他們?yōu)楦柑卣骱妥犹卣鳎@由設計者來確定。</p><p>　　(2)組特征關系： 一些特征可以劃分在同一組，被設計者確定。</p><p>　　(3)包容特征關系： 功能和制造特征之間的關系，被設計者確定。</p><p>　　(4)交互性特征關系：由系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有一些特征的部分特征可能與另外一種特有共同點或者兩者有相

27、近的特征(應當指出種屬于的關系排除)。</p><p>　　特征關系由FRG來描述。隨著設計的不斷進行，特征之間的關系會被系統(tǒng)或者設計者檢測出來，由此，新的FRG (FRGNs)的節(jié)點被建立起來并產生新的FRG結構圖。FRG的結構如圖3 c 所示。</p><p><b>　　5實現(xiàn)特征修改</b></p><p><b>　　5.1

28、特征修改功能</b></p><p>　　特征修改的功能包括：</p><p>　　(1) 刪除特征 從一個模式里刪除一個特征。 </p><p>　　(2) 移動特征 修改一個特例特征的安放位置。</p><p>　　(3) 轉動特征 修改一個特例特征的安放角度。</p><p>　　(4) 替換特征 修

29、改一個特例特征的類型。</p><p>　　5.2局部拓撲操作的檢索</p><p>　　局部拓撲操作的檢索，如果所有互為補充的拓撲操作都用來在反方向增加一個特征的操作，而其他的特征不受影響。雖然這種特性是交互式特征的缺點，但是我們提出了一種處理交互式特征的方法。刪除特征是行之有效的修改特征的方法。在特征刪除之后，其它功能可以通過第二個新的拓撲操作來實現(xiàn)。刪除特征包括：</p>

30、<p>　　(1)選擇例題中要被刪除的特征。</p><p>　　(2)為例題中的特征查找模型BRep的結構，從中抽取模型的特征標識。</p><p>　　(3)根據(jù)特征標識，搜索FRG結構并得到相應的FRG和相關的FRGNs(包括關系類型)。</p><p>　　(4)處理相關的特征。處理相關的特征的規(guī)則如下。</p><p>

31、;　　在從屬關系的情況下，如果父特征被刪除，其子特征也一同被刪除，與此相反，如果子特征被刪除，其父特征會被留下來。 在交互式特性的情況中，如果將被刪除的特征在另外一個特征增加之前 (位于CSFG的前面)，兩個相互作用的特征必須一同被刪除，然后再增加其它特征。否則，只刪除特征本身。 在圖5a里如果槽FT3被刪除，槽溝FT4 和FT5會一同被刪除， 然后增加FT4 和FT5(FT5的增加是一次無效的行動)。 如果在圖5 b，臺階FT1被刪除

32、，孔FT2和槽FT3會一同被刪除， 然后FT4和FT5 也會被刪除。根據(jù)操作規(guī)則，F(xiàn)T3，F(xiàn)T4 和FT5 應該按順序被妥善增加。 在組特征情況，在相同的組的全部特征必須一同被刪除。 在包容關系的情況下，在要被在FRG里刪除的特征應該一同被刪除之后鏈子的特征里。</p><p><b>　　圖5 修改特征</b></p><p>　　系統(tǒng)將標明將被刪除的全部特征。&

33、lt;/p><p>　　(5)每刪除一個特征，將會在拓撲操作后面接著一連串的特征標識符， 然后做被儲存在拓撲 操作節(jié)點的補充拓撲操作。根據(jù)拓撲關系局部的檢索，特征將被刪除，沒有成功地影響其它特點。</p><p>　　(6)建立新模型并且重組CSFG 樹和FRG結構。</p><p><b>　　6 結論</b></p><p&

34、gt;　　在文章中提到過的方法，用局部操作來代替集成的操來構建模型。局部操作具有可檢索性并且能建立真正柔性的可以被直接修改的模型。因此這種設計方法具有高效率而且可以獲得完整的設計信息。這種能保證信息的完整性的設計方法在設計修改過程中對計算機輔助設計/計算機輔助工藝設計/計算機輔助制造的綜合化有非常重要的作用。它能幫助設計者理解參數(shù)化驅動設計的綜合過程。相比之下，在前面的方法，當模型被修改之后，全部產品信息必須被重新定義。因此其效率和信息

35、精確的精確性將受到影響。雖然這種方法不能用來設計非常錯綜復雜的零部件，但是進行局部特征操作是具有前景的。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1　Verroust, et al. Rule-oriented method for parameterized computer-aided design. Comput-Aided Des,

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