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《吉林大学》 2004年
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基于STEP的三维实体特征提取与模型重建技术研究

时兵  
【摘要】:1. 引言 当今,随着制造领域的全球性竞争变的越来越激烈,如何提高企业的整体竞争力成为制造企业面临的重要问题。为此,人们相继提出了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工艺设计(CAPP)、计算机集成制造系统(CIMS)、并行工程(CE)、虚拟制造(VM)等新的制造手段和模式,并进行了深入的研究。但无论上述的哪一种制造手段都需要进行产品信息的交换和共享。不同系统之间信息交换的准确性和无二义性成为评价系统优劣的重要指标。因此,产品数据交换技术是实现这些制造手段和模式的基础。 产品数据交换技术是制造自动化领域研究的重要课题。它不仅应用于不同系统的管理层,同样在产品的制造层发挥着重要的作用。数控加工是集成制造的最重要的实现手段。随着加工自动化程度的提高,数控加工的代码编制也要实现自动化,因此便出现了数控自动编程系统(APT)。自动编程系统的输入是被加工的三维实体,三维实体自于不同的造型系统并不含制造信息,一般是在CAPP阶段或自动编程系统中重建模型并附加制造信息,这就需要与三维造型系统进行信息交换。因此,为APT提供一种便捷的能够提取并重建来自不同造型系统的实体特征的方法成为时下数控加工领域研究的重要内容之一。 本文的研究为解决不同系统之间的信息交换提出了一种有效的方法 — 基于STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)的三维实体特征提取与重建技术。 2. STEP标准及其在集成制造领域的应用 STEP标准是用于产品数据交换领域的ISO标准。它是一套关于产品整个生命周期中产品数据的表达和交换的国际标准,其目的是提供一种不依赖于任何具体系统的中性机制,能够描述整个生命周期中的产品数据,同时保持数据的一致性和完整性。 WP=59 STEP标准提供了一种功能强大的形式化描述语言—EXPRESS语言。它能够描述现实世界中几乎所有的对象(Object)和行为(Action)并能够提供到具体编程语言的实体映射(Map),这使得STEP标准的应用范围十分广泛并且容易实现。STEP标准在集成制造领域的应用十分广泛。通过STEP标准建立起来的不同制造手段和模式之间的通用接口,它可以提供制造信息和加工数据的准确交换和共享,为集成制造的纵身发展提供了有力的保证。随着集成制造的发展和完善,可以提供基于STEP标准的各种应用接口和平台,通过STEP接口可以提供所需的信息交换和共享手段,通过STEP平台则可以为各种诸如三维实体浏览、三维实体有限元分析等应用环节提供基础支撑。 传统的STEP标准的应用是通过STEPTOOLS公司所提供的ST-Developer工具和标准访问接口(SDAI)来实现的。这对于CAPP等需要大量工艺知识的制造系统是必要和有效的,但它体现了一个系统成本和复杂性问题,对于只需要提取三维实体特征的基础平台而言则显得有些复杂。因此,本文从另外一个角度通过一种相对简洁的方式—直接从STEP中性文件入手。利用STEP的产品数据交换思想,提出了基于STEP中性文件的三维实体特征提取的方法,并运用面向对象的软件编程方法开发了一个基础的三维实体特征显示平台—ST_3D。 3. 基于STEP的三维实体特征提取与重建技术的实现 通过对SETP标准相关内容的研究和探索,发现STEP标准提供了一种用于产品信息交换的中性机制,利用此中性机制可以实现几何实体特征的提取。而且现有的多数CAD造型系统都提供了STEP接口,因此通过对STEP中性文件的直接访问读取并利用面向对象的软件开发技术建立一种基础平台,便能够实现对任意造型系统所提供的STEP文件的特征提取和显示。通过此平台的特征提取功能,就能够为后续的特征识别、自动工艺规程的生成、数控自动编程系统的实现等功能提供了基础。本文就是在上述理论研究的基础上对STEP中性文件的结构和内容进行了深入的分析和总结,对如何从STEP中性文件中提取实体特征数据建立了一种数据结构和算法并根据STEP AP203协议的规则通过具体编程初步实现了基本几何实体特征的提取和重建,从而验证了此种方法的可行性和有效性。 WP=60 特征提取的数据结构是根据STEP AP203 一致性测试集4建立起来的二边流形体结构模型树。本结构模型共分为三层,即拓扑层、曲面层、曲线层,其中:拓扑层完成形状表达模型中的拓扑部分的映射,在填充拓扑元素的几何数据时,调用曲面层和曲线层模块;曲面层完成形状表达模型中的几何信息部分的曲面部分的映射并在涉及曲面的边界信息时,曲面层要调用曲线层模块;曲线层完成形状表达模型中的几何信息部分的曲线部分的映射。特征提取的流程是将STEP文件作为二进制流读取到内存,然后建立起如何提取STEP基本几何元素(点、线、面)的算法并编程实现了STEP基本实体特征的提取;实体特征的重建是利用OpenGL技术建立的动态链接库来实现并开发了一个基于OpenGL动态链接库的实体显示平台。 本论文的研究方向是要逐步实现对来自任意造型系统的任何三维几何实体的提取和重建并最终完成一个数控自动编程系统的开发应用于数控机床的实际加工中,而且此系统是基于STEP的完全不依赖于任何三维实体造型系统的独立知识产权的软件系统。因此,它的最终实现将有助于集成制
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