机械结构形态特征的三维模型信息处理程序开发

摘要

　　随着科学技术的不断发展，计算机水平技术突飞猛进以及经济全球化的到来，各种三维CAD模型也大量产生，如何方便、准确、快速地获取机械三维CAD模型的信息并加以重用是提高设计效率、缩短产品开发周期的关键。目前国内外很多提取方法都具有一定独特性和巧妙性，但缺乏一般性的指导原则。同时，机械产品设计涉及多学科知识，很多非机械类设计人员在进行设计时需要用到机械相关知识，他们往往缺乏机械专业知识而很难设计出合理的机械，但对满足其功能设计要求的机械往往有一个大概的设计形态意识。本文提出了面向机械结构形态特征的三维模型信息处理方法，通过将机械结构模型采用机械结构形态的方式进行表达，这样只需对机械结构形态进行相似性计算，避免了重复对原CAD模型的信息处理。非机械设计人员也可以检索形态相似的CAD模型即可完善机械结构形态的结构设计，从而完成产品模型的设计。

　　（1）针对三维CAD技术的发展现状和趋势作简要介绍，研究了三维CAD模型信息提取和知识表示的相关知识，在此基础上通过对机械结构形态几何表达方法的阐述分析，探究机械结构形态的理论基础、特征以及构建原理。

　　（2）深入分析Pro/ENGINEER二次开发工具包Pro/TOOLKIT的程序开发功能和特点，结合机械结构形态几何要素关系研究基本体的基面、扫掠导线和轮廓约束线的提取方法，设计了基本体结构形态信息提取的流程。

　　（3）通过对知识表示方法特点的研究，采用谓语逻辑表示法和空间状态表示法研究机械结构形态几何信息的知识表示方法，并研究基于规则推理的基本体形态知识获取，完成机械结构形态信息知识表示。

　　（4）构建机械结构形态信息处理系统，实现了机械结构形态几何信息的提取和存储，并通过实例验证了本文面向机械结构形态的三维模型信息处理方法的可行性，为机械结构形态建模提供了基础数据。

　　机械结构形态的研究有利于解决复杂机械结构在模型重用过程中存在的问题，在机械设计中提高机械结构模型的重用率和机械结构的设计效率，对于三维模型检索过程简化以及满足非机械设计人员设计方面具有重大意义，本文面向机械结构形态的三维模型信息处理方法将为三维模型的检索和重建提供理论基础。

　　关键词：结构形态；二次开发；基本体；信息提取；知识表示；推理规则

Abstract

　　With the continuous development of science and technology, computer technology advancement and the arrival of economic globalization, a variety of three-dimensional CAD models are also produced in large numbers. How to obtain the information of mechanical three-dimensional CAD model conveniently and accurately and quickly and reuse it is the key to improve the design efficiency and shorten the product development cycle. At present, many extraction methods developed at home and abroad have certain uniqueness and subtlety, but they lack general guidelines. At the same time, mechanical product design involves multidisciplinary knowledge, many non-mechanical designers need to use machine-related knowledge when designing, they often lack the mechanical expertise and it is difficult to design reasonable machinery，but often have a general sense of design modality for machines that meet their functional design requirements. This paper proposes a three-dimensional model information processing method for the morphological characteristics of mechanical structures. By expressing the mechanical structure model in the form of a mechanical structure, only the similarity calculation of the mechanical structure shape is required, and the information processing of the original CAD model is repeatedly avoided. Non-mechanical designers can also search for similar-looking CAD models to improve the structural design of the mechanical structure to complete the product model design.

　　(1) Briefly introduces the development status and trends of three-dimensional CAD technology, studies the knowledge of three-dimensional CAD model information extraction and knowledge representation, and based on the analysis of mechanical structure morphology and geometric expression method, explores the theoretical basis, characteristics, and construction principles of mechanical structure morphology .

　　(2) Deeply analyzes the program development functions and features of Pro/ENGINEER secondary development kit Pro/TOOLKIT, combines the geometrical elements of the mechanical structure to study the extraction method of the base surface, sweeping wire and outline constraint line of the basic geometric solid, designs geometric solid body structure information extraction process.

　　(3) Through the study of the characteristics of knowledge representation methods, predicates logical representation and spatial state representation to study the knowledge representation of geometric information of mechanical structure morphology, and studies the knowledge acquisition of basic geometric solid morphology based on rule inference, completes the knowledge representation of mechanical structure information.

　　(4) The mechanical structure morphological information processing system is constructed to realize the extraction and storage of geometric information of the mechanical structure morphology, and verifies the feasibility of the three-dimensional model information processing method for mechanical structure morphology through examples, and provides basic data for modeling the mechanical structure morphology.

　　The study of mechanical structural morphology is beneficial to solve the problems existing in the reuse of complex mechanical structures in the model, and to increase the reuse rate of mechanical structural models and the design efficiency of mechanical structures in mechanical design, the simplification of the three-dimensional model retrieval process and the satisfaction of non-mechanical designer design are of great significance,The three-dimensional model information processing method for mechanical structure morphology will provide a theoretical basis for the retrieval and reconstruction of three-dimensional models.

　　Key words: Structure morphology; secondary development; basic geometric solid;information extraction; knowledge representation; inference rules

　　科学技术的不断进步与发展，经济全球化的到来以及电子技术的日新月异，使得计算机技术突飞猛进，计算机广泛应用于生活的方方面面，这也极大地促进了CAD的发展，CAD技术已进入实用化阶段。在发达的工业化国家，CAD早已在工程建筑、汽车电子、航天、服装、医学等领域广泛使用，基本实现计算机一体化产品设计。与此同时，各种三维建模软件，如Pro/ENGINEER、3D MAX、SolidWorks和UG等都得到了巨大的发展与应用。随着这些三维建模软件的蓬勃发展与应用，三维CAD模型的数量越来越多，种类越来越丰富，据估计，在 2000年全球就有约 300 亿个三维CAD产品模型[1]，而这些CAD模型中的结构形态和功能设计为新产品的开发提供了丰富的资源。机械产品设计的核心是三维CAD模型，三维CAD产品设计的成本约占产品成本的 15-20%，但却决定了整个产品成本的 70-80%[2]。据研究表明，进行新产品设计时，大概有 20%左右的设计是真正的创新部分，40%是重用已经完成的设计，还有 40%则是通过修改现有设计基础获得[3]。

　　目前市场竞争越来越残酷，各种产品面临着不断更新换代的巨大挑战，以便满足当前社会消费者的需求，这也导致企业必须提高设计效率，缩短开发周期。

　　三维CAD模型检索和重用设计技术的应用研究已成为国内外研究的热点领域，得到了各界人员的广泛关注。三维模型特征信息的提取是三维CAD模型检索与重用技术的核心问题，国内外有关这方面的研究取得了一定的成果，并且很多提取方法都具有其独特性和巧妙性，但是缺少一般性的指导原则，每种方法都有一定的局限性。因此，将机械结构模型进行简化，寻求一种便于计算，又具有指导原则的特征提取方法具有重要意义。目前不仅存在大量的三维模型，而且每天产生和传播的三维模型也达到了一个惊人的量，使得三维模型的处理分析和检索要求也相应的提高；并且当前机械设计的思维模式也慢慢发生改变，以前更多地考虑模型的形状对其设计的影响，即研发人员侧重于模型的三维形状，而现在探究模型的结构形态，以及基于现有模型如何高效方便地构造具有创新性的模型，这种基于结构形态和已有模型知识的创新设计更加有利于三维模型的设计。据统计，设计人员进行CAD模型产品的开发时，大概 60%左右的工作时间都是消耗在产品信息的比较和检索中[4]，这样浪费了大量的宝贵时间。我们大部分的创新是基于对以往知识的检索和重用，如果能够通过一定的表达方法对三维模型高效地进行检索与重用，那么将大大节省研发成本，提高经济效益，而将机械结构模型采用机械结构形态的方式进行表达，则每次检索只需对机械结构形态进行相似性计算，避免了重复对原CAD模型的信息处理。

　　当前社会，多学科交叉融合应用既是学科发展的优势，也是进行科技创新的关键，现代科学发展对于复杂问题的解决往往需要多学科知识的交叉运用，机械设计有也不例外。目前，对于非机械专业人员往往缺乏机械专业知识而很难设计出合理的产品，但他们对满足其功能设计要求的机械往往有一个大概的设计形态意识，而机械结构形态的研究却很好的解决了这个问题，通过对机械结构形态的分析研究，非机械设计人员可以检索形态相似的CAD模型即可完善机械结构形态的结构设计，从而完成产品模型的设计。这不仅让非机械人员能更快更高效地解决设计中的难题，也是当前流行的多学科交叉融合运用的一个有利验证。

　　机械结构形态通过简单的点、线、面来描述机械的结构、功能和拓扑关系，对于三维模型检索过程简化，三维模型重建以及满足非机械设计人员设计方面具有重大意义，同时避免了对原三维CAD模型重复处理，大大缩短开发周期。机械结构形态研究对加快机械设计进程，拓宽不同领域机械设计人员的交流具有十分重要的意义，为企业带来巨大的经济效益。

目 录

　　1 绪论
　　　　1.1 课题背景及研究的目的意义
　　　　1.2 国内外研究现状及分析
　　　　　　1.2.1 CAD 技术发展现状与趋势
　　　　　　1.2.2 三维 CAD 模型特征提取
　　　　　　1.2.3 推理技术及知识表示
　　　　1.3 本文研究内容
　　　　1.4 本章小节
　　2 机械结构形态分析
　　　　2.1 机械结构形态表述
　　　　2.2 机械结构形态中的几何信息与拓扑信息
　　　　2.3 机械结构形态的理论基础
　　　　2.4 机械结构形态特征
　　　　2.5 机械结构形态的构建
　　　　2.6 本章小节
　　3 机械结构形态几何信息处理
　　　　3.1 机械结构形态信息处理工具
　　　　　　3.1.1 Pro/TOOLKIT 二次开发
　　　　　　3.1.2 Pro/TOOLKIT 工作模式
　　　　　　3.1.3 Pro/TOOLKIT 二次开发新建项目与开发环境设置
　　　　　　3.1.4 项目主程序设计
　　　　　　3.1.5 程序的编译与连接
　　　　　　3.1.6 程序的注册与运行
　　　　3.2 机械结构形态基本体分析
　　　　　　3.2.1 机械结构形态基本体的分类
　　　　　　3.2.2 基本体属性知识分析
　　　　　　3.2.3 基本体形态表达
　　　　3.3 基本体的形态提取理论知识
　　　　3.4 本章小节
　　4 机械结构形态知识表示
　　　　4.1 知识表示
　　　　　　4.1.1 知识表示概念
　　　　　　4.1.2 知识表示基本要求
　　　　　　4.1.3 知识表示方法
　　　　4.2 机械结构形态知识表示
　　　　　　4.2.1 机械结构模型的构建
　　　　　　4.2.2 机械结构形态信息知识表示
　　　　　　4.2.3 机械结构形态知识推理
　　　　4.3 本章小节
　　5 机械结构形态信息处理系统的实现
　　　　5.1 系统下菜单的设计
　　　　5.2 对话框的设计
　　　　5.3 主要功能程序设计
　　　　　　5.3.1 控件控制方法和程序设计
　　　　　　5.3.2 数据库的连接及信息存储
　　　　　　5.3.3 添加调用数据库系统的响应函数
　　　　5.4 系统的实现
　　　　5.5 本章小节
　　6 结论与展望
　　　　6.1 结论
　　　　6.2 展望
　　　　6.3 本章小节
　　参考文献
　　附 录
　　致 谢

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