面向設(shè)計(jì)的三維CAD模型搜索技術(shù)研究.pdf

1、在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域,相同的或相似的零部件經(jīng)常在不同的產(chǎn)品中出現(xiàn);強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)弱理論產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成敗在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn);而企業(yè)已有的、被工程實(shí)踐證明了的成功設(shè)計(jì)案例,是可以利用的、最為豐富和最具代表性的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。因此,在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中重用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案是一個(gè)務(wù)實(shí)和必然的選擇。有調(diào)查顯示,現(xiàn)實(shí)中40％零部件可以采用現(xiàn)成設(shè)計(jì),40％可以通過修改已有的設(shè)計(jì)完成,只有20％的需要全新設(shè)計(jì)。為了尋找參考設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)者60％的時(shí)間用于資料

2、搜索;工業(yè)界仍然普遍存在著的重復(fù)設(shè)計(jì)和制造現(xiàn)象,使企業(yè)蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失;其根源是缺乏有效的設(shè)計(jì)資源管理和搜索工具。
　　三維CAD系統(tǒng)的推廣應(yīng)用使得設(shè)計(jì)資源的主要形式是三維CAD模型;對(duì)于以幾何表達(dá)為主體的CAD模型,由于模型文本記錄的語義隨CAD系統(tǒng)、設(shè)計(jì)者和設(shè)計(jì)時(shí)間的變化呈極大的不確定性,文本記錄對(duì)模型結(jié)構(gòu)形狀描述的準(zhǔn)確性是極其有限的,導(dǎo)致單純基于文本的管理與搜索技術(shù)有嚴(yán)重的局限性。因此,近十多年來,基于幾何形狀比較分析的CA

3、D模型管理與搜索技術(shù)成為CAD領(lǐng)域中人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。本論文沿著這一方向?qū)AD模型搜索技術(shù)開展了進(jìn)一步的研究,具體包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)為彌補(bǔ)現(xiàn)有的三維CAD模型搜索方法難以搜索到不同近似程度的相似度模型的缺陷,提出一種基于非精確面屬性鄰接圖匹配的CAD模型搜索方法。首先應(yīng)用CAD模型中的B-rep信息,將搜索輸入和搜索目標(biāo)CAD模型分別轉(zhuǎn)化為面屬性鄰接圖;然后分別計(jì)算搜索輸入與搜索目標(biāo)CAD模型面屬性鄰接圖之

4、間的頂點(diǎn)以及邊相似度矩陣,并由此建立2個(gè)CAD模型相似度度量作為選擇不同頂點(diǎn)匹配矩陣M的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù);最后將匹配矩陣M的不等式約束松弛為等式約束后,運(yùn)用經(jīng)典的拉格朗日乘子法求解該優(yōu)化問題。
　　(2)提出一種基于李群梯度流的CAD模型局部搜索方法。首先應(yīng)用CAD模型的B-rep信息,將搜索輸入CAD模型局部形狀和數(shù)據(jù)庫CAD模型整體形狀分別表示為子圖和大圖,于是CAD模型的局部形狀搜索轉(zhuǎn)化為在大圖中尋找匹配的子圖問題;接著將子圖匹

5、配問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化約束問題,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是相比較的2個(gè)圖頂點(diǎn)和邊之間的相似度度量,優(yōu)化變量是面屬性鄰接圖的頂點(diǎn)映射匹配矩陣。不同于現(xiàn)有的子圖匹配方法,引入了齊次變換矩陣描述子圖匹配過程中的頂點(diǎn)映射,其平移子矩陣在大圖中選擇用于圖匹配的頂點(diǎn),其旋轉(zhuǎn)子矩陣給出了小圖頂點(diǎn)與其具有同樣頂點(diǎn)數(shù)量的大圖選擇頂點(diǎn)的置換變換;最后用特殊歐氏群SE(n)里的梯度流方法尋找最優(yōu)匹配矩陣。
　　(3)提出一種基于B-rep分割的CAD模型搜索方法。首先充

6、分考慮機(jī)械零件模型的形狀特征較為顯著、表面與表面之間分界較為明顯的特點(diǎn),在不破壞模型B-rep結(jié)構(gòu)的前提下,依據(jù)CAD模型的邊界將模型分割成一組數(shù)量最少的、有一定工程意義的、由一些相互連接的面組成的面區(qū)域集合;接著對(duì)分割形成的面區(qū)域及其鄰接關(guān)系屬性進(jìn)行編碼,生成CAD模型形狀描述子;最后由面區(qū)域及其鄰接關(guān)系屬性編碼的相似度比較,得到相比較CAD模型的相似度。該方法既支持CAD模型的整體相似度評(píng)價(jià),又支持CAD模型的局部形狀搜索。

7、　　(4)提出一種基于零件屬性鄰接圖(component attributed relational graph, CARG)匹配的裝配體模型相似度評(píng)價(jià)方法。首先裝配體模型在CAD系統(tǒng)中產(chǎn)生,并完整地提取裝配體模型中除聯(lián)接與傳動(dòng)件以外的組成零件個(gè)體信息,同時(shí)自動(dòng)或交互式得到裝配體模型裝配組成關(guān)系信息,用CARG表征裝配體模型;接著由相比較裝配體模型組成零件以及裝配組成關(guān)系之間的相似度建立組成零件相似度映射矩陣,作為相比較裝配體模型之間相