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面向设计的三维CAD模型搜索技术研究

陶松桥  
【摘要】:在机械产品设计领域,相同的或相似的零部件经常在不同的产品中出现;强经验弱理论产品设计的成败在很大程度上依赖于设计者的相关设计经验;而企业已有的、被工程实践证明了的成功设计案例,是可以利用的、最为丰富和最具代表性的设计经验。因此,在新产品设计中重用现有的设计方案是一个务实和必然的选择。有调查显示,现实中40%零部件可以采用现成设计,40%可以通过修改已有的设计完成,只有20%的需要全新设计。为了寻找参考设计方案,设计者60%的时间用于资料搜索;工业界仍然普遍存在着的重复设计和制造现象,使企业蒙受巨大经济损失;其根源是缺乏有效的设计资源管理和搜索工具。 三维CAD系统的推广应用使得设计资源的主要形式是三维CAD模型;对于以几何表达为主体的CAD模型,由于模型文本记录的语义随CAD系统、设计者和设计时间的变化呈极大的不确定性,文本记录对模型结构形状描述的准确性是极其有限的,导致单纯基于文本的管理与搜索技术有严重的局限性。因此,近十多年来,基于几何形状比较分析的CAD模型管理与搜索技术成为CAD领域中人们普遍关注的热点问题之一。本论文沿着这一方向对CAD模型搜索技术开展了进一步的研究,具体包括以下几个方面: (1)为弥补现有的三维CAD模型搜索方法难以搜索到不同近似程度的相似度模型的缺陷,提出一种基于非精确面属性邻接图匹配的CAD模型搜索方法。首先应用CAD模型中的B-rep信息,将搜索输入和搜索目标CAD模型分别转化为面属性邻接图;然后分别计算搜索输入与搜索目标CAD模型面属性邻接图之间的顶点以及边相似度矩阵,并由此建立2个CAD模型相似度度量作为选择不同顶点匹配矩阵M的优化目标函数;最后将匹配矩阵M的不等式约束松弛为等式约束后,运用经典的拉格朗日乘子法求解该优化问题。 (2)提出一种基于李群梯度流的CAD模型局部搜索方法。首先应用CAD模型的B-rep信息,将搜索输入CAD模型局部形状和数据库CAD模型整体形状分别表示为子图和大图,于是CAD模型的局部形状搜索转化为在大图中寻找匹配的子图问题;接着将子图匹配问题转化为优化约束问题,优化目标函数是相比较的2个图顶点和边之间的相似度度量,优化变量是面属性邻接图的顶点映射匹配矩阵。不同于现有的子图匹配方法,引入了齐次变换矩阵描述子图匹配过程中的顶点映射,其平移子矩阵在大图中选择用于图匹配的顶点,其旋转子矩阵给出了小图顶点与其具有同样顶点数量的大图选择顶点的置换变换;最后用特殊欧氏群SE(n)里的梯度流方法寻找最优匹配矩阵。 (3)提出一种基于B-rep分割的CAD模型搜索方法。首先充分考虑机械零件模型的形状特征较为显著、表面与表面之间分界较为明显的特点,在不破坏模型B-rep结构的前提下,依据CAD模型的边界将模型分割成一组数量最少的、有一定工程意义的、由一些相互连接的面组成的面区域集合;接着对分割形成的面区域及其邻接关系属性进行编码,生成CAD模型形状描述子;最后由面区域及其邻接关系属性编码的相似度比较,得到相比较CAD模型的相似度。该方法既支持CAD模型的整体相似度评价,又支持CAD模型的局部形状搜索。 (4)提出一种基于零件属性邻接图(component attributed relational graph, CARG)匹配的装配体模型相似度评价方法。首先装配体模型在CAD系统中产生,并完整地提取装配体模型中除联接与传动件以外的组成零件个体信息,同时自动或交互式得到装配体模型装配组成关系信息,用CARG表征装配体模型;接着由相比较装配体模型组成零件以及装配组成关系之间的相似度建立组成零件相似度映射矩阵,作为相比较装配体模型之间相似度度量;最后用最优匹配Kuhn-Munkres算法求解CARG图匹配。 在以上的CAD模型形状描述和搜索方法的指导下,基于Visual C++开发环境、ACIS几何引擎和HOOPS显示核心开发了一个三维CAD模型搜索原型系统。该系统能实现CAD模型的非精确搜索、CAD模型局部形状精确搜索以及基于B-rep分割的CAD模型整体和局部搜索,同时用实例验证了研究成果的正确性和有效性。


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