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硕 士 学 位 论 文（学 位 研 究 生）题目CAD/CAPP 集成系统特征模型转换 技术研究作者 关文天指导教师 袁 娜专业技术职务高工学科（专业） 航空宇航制造工程(CAD/CAM) 二零零一 年 三 月<b
r />摘要现代企业信息化的发展进程对企业中各种应用系统提出了集成的要求。 CAD 系统与 CAPP 系统的集成是应用系统更大范围集成的基础，对于实现企业 的信息化有着重要的意义。但是，当前 CAD 系统的设计特征模型无法完全满足 与 CAPP 系统集成的需要。因此，对从设计模型到加工模型转换技术及其相关理 论的研究就具有十分必要的现实意义。 针对现有的特征模型建立方法的不足， 本文对由设计特征转换为加工特征这 一问题的相关技术进行了详细的研究。这些技术既涉及系统整体框架的建立，又 包括具体实现的细节。文章提出了基于设计特征的特征信息转换思想，围绕这一 思想构建的系统框架实现了与 CAD 平台的独立性，还探讨了组件对象模型 （COM）技术在集成框架中的应用。文章对系统模型转换的关键---系统级转换 规则的建立技术进行了深入的研究，进而完成了知识库系统的构造。最后，本文 对所建立的系统输出模型---加工特征多义解释模型的实现技术进行了详细的论 述，提出的特征邻接图和与或关系图可以很好的满足各级模型的需要。关键词：特征、设计特征，加工特征，特征转换、COM、知识库系统、多义解 释模型AbstractWith information technology applied in today’s enterprises，integration of all applications is needed．Integration of CAD/CAPP is a base of broader integration， which is very important to realize information age in enterprises．But the design feature models of current CAD systems aren’t completely fit for integration of CAD/CAPP．Therefore，the conversion technology from a design model to a machining model and related theories play a practical role．This thesis discusses the related technology of feature conversion from design feature to machining feature in details after analyzing the defects of current modeling methods．These are involved in both the whole system frame and the system development details．Author makes use of the method of feature conversion based on design feature to construct the whole system frame， which can realize independent with the CAD system．This paper also tries to apply Component Object Model(COM) to the integration of different applications ． The key of featureconversion----construction of conversion system rules are deeply researched and the development of Knowledge Base(KB) system is completed．Finally，this paper discusses the theories of multi-interpretation machining feature model that is the output of this conversion system，and has built the Feature Adjacency Graph and the And-Or Relation Graph which can meet the needs of all models． .Key words: feature, design feature, machining feature, feature conversion, COM, knowledge base system, multi-interpretation model目录第一章 绪 论...........................................................................................................................1 §1．1 CAD、CAPP 技术概述................................................................................................1 §1．1．1 CAD 技术的发展........................................................................................1§1．1．2 CAPP 技术的发展........................................................................................2 §1．2 CAD/CAPP 集成技术................................................................................................3§1．2．1 CAD/CAPP 集成的必要性............................................................................3 §1．2．2 CAD/CAPP 集成的方法概述........................................................................4 §1．2．3 CAD/CAPP 集成的难点................................................................................4 §1．3 论文研究的背景和意义...........................................................................................5 §1．4 论文的研究内容.........................................................................................................6 §1．4．1 系统的开发环境...........................................................................................6 §1．4．2 研究内容与论文的编排...............................................................................7 第二章 特征模型的构造及其相关理论基础...............................................................................9§2．1特征模型构建的理论 ...............................................................................................9§2．1．1 几何造型技术概述.......................................................................................9 §2．1．2 成组技术.....................................................................................................13 §2．1．3 面向对象技术及应用.................................................................................14 §2．2 特征技术与构建特征模型的主要方法 ...................................................................17 §2．2．1 特征概述.....................................................................................................17 §2．2．2 交互式特征拾取.........................................................................................18 §2．2．3 特征识别.....................................................................................................19 §2．2．4 使用特征设计.............................................................................................20 §2．3 本文特征模型的构建及组成结构...........................................................................21 §2．3．1 系统模型的层次.........................................................................................21 §2．3．2 特征的层次.................................................................................................22 §2．3．3 加工特征的组成单元.................................................................................23 §2．4 本章小结...................................................................................................................24 第三章 特征信息转换的思想和系统的总体设计 ...................................................................25 §3．1 基于设计特征的特征转换........................................................................................25§3．1．1 §3．1．2基于组件对象模型（COM）的产品信息输入 .........................................25 特征信息的转换 .......................................................................................26§3．1．3 §3．2．1 §3．2．2 §3．2．3基于设计特征的信息转换思想 ...............................................................27§3．2 系统的总体设计和功能模块.................................................................................28 CAD 信息获取模块 ..................................................................................28 特征转换模块 ...........................................................................................28 转换规则的建立模块 ...............................................................................30§3．3 本章小结.................................................................................................................30 第四章 特征转换的关键――系统级转换规则的建立 ...............................................................31 §4．1 转换规则的分类.......................................................................................................31 §4．2 转换规则的建立基础................................................................................................31 §4．2．1 凸凹边的判定.............................................................................................31 §4．2．2 面的分类.....................................................................................................33 §4．3 识别模型的建立.......................................................................................................34 §4．3．1 设计特征信息的获取..................................................................................34 §4．3．2 重要的数据结构――改进的面属性连接图 .............................................35 §4．4 转换规则建立的研究...............................................................................................37 §4．4．1 知识及知识库系统.....................................................................................37 §4．4．2 知识库系统结构及转换规则的表示 .........................................................40 §4．4．3 推理的实现.................................................................................................43 §4．5 本章小结...................................................................................................................45 第五章 加工特征模型建立技术的研究.......................................................................................46 §5．1 加工特征的属性........................................................................................................46 §5．2 加工特征模型重要信息的处理...............................................................................49 §5．2．1 封闭面与加工方向的确定.........................................................................49 §5．2．2 加工特征之间的关系.................................................................................50 §5．2．3 加工特征的多义解释.................................................................................53 §5．2．4 加工特征模型的有效性..............................................................................54 §5．2．5 初始加工特征模型......................................................................................54 §5．2．6 加工特征的重定向......................................................................................55 §5．3 本章小结...................................................................................................................56 第六章 结束语...........................................................................................................................57 §6．1 研究工作总结...........................................................................................................57 §6．2 需进一步研究的问题...............................................................................................58参考文献.........................................................................................................................................59 致 谢 64西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论第一章绪 论近 年 来 ， 计 算 机 集 成 制 造 系 统 （ Computer Integrated Manufacturing System---CIMS）已被认为是未来机械制造工业的生产模式。它是企业生产活动 全过程中各功能子系统的完美集成，即从市场预测、经营决策、计划控制、工程 设计、生产制造、质量控制到产品销售等支持功能部门，合理地通过计算机网络 联结成一个整体，以保证企业内部信息的一致性、共享性、可靠性、精确性和及 时性，实现生产的自动化和柔性化，达到高效率、高质量、低成本和灵活生产的 目的。虽然目前世界上还没有真正完善的 CIMS，但普遍认为它是机械工业自动 化的发展方向，它已成为当前世界各国高科技研究的一个重要课题[12]。 计算机辅助设计（Computer Aided Design--CAD）和计算机辅助工艺设计 （Computer Aided Process Planning―CAPP）系统作为 CIMS 系统的重要组成模 块，可以完成对产品的设计和工艺规程的编制，生成的产品描述信息是实际生产 进行的基础，为以后的加工、检测、管理等其它环节所使用。它们在各自的范围 内都取得了很大的发展，在生产实际中得到了极大的应用。它们的集成是更大范 围集成的基础，是实现生产自动化的关键环节，而 CAD 与 CAPP 的特征信息转换 是实现两者集成的重要方法之一[2]。§1．1CAD、CAPP 技术概述CAD 技术的发展§1．1．1早在 1946 年，在美国诞生了世界上第一台计算机，带来了新一轮的技术革 命。从此计算机科学和围绕计算机的一系列应用技术应运而生，计算机辅助设计 就是其中发展较快、影响较大的技术之一。 1962 年美国 MIT 首先开始了对计算机辅助技术的研究，诞生了著名的 Sketchpad 系统。但此时的 CAD 系统只是用于二维的绘图和标注尺寸，这只能称 之为计算机辅助绘图（Computer Aided Drafting） 。随着计算机技术的发展，70 年代，人们开始了对三维造型技术的探索。80 年代，各种商品化的三维 CAD 软 件开始走向应用，它们是建立在实体建模与曲面造型相混合的基础上的，初步集 成有辅助分析系统。到了 90 年代，三维参数化特征造型系统成了 CAD 系统的核1西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论心主流，它基于统一的数学模型，实现了与辅助制造和分析的极大集成。 目前出现了许多成熟的商业 CAD 软件，如 Pro/Engineering ， UGII ，CATIA，SolidWorks，MDT 等。这些系统广泛地应用于机械制造、汽车、航空航 天，船舶等领域，取得了巨大的经济效益。 当前，CAD 系统正朝着可视化、集成化、智能化和网络化的方向发展[7]。CAD 虚拟环境使设计者处在自己想象的设计空间中， 亲临现场似的对产品和工程进行 设计和布置，这可以充分发挥设计人员的聪明才智，使设计尽善尽美。CAD 的集 成化是指围绕工程数据库的一系列设计技术，实现同 CAPP、CAM、CAE、FMS 等系 统的信息共享。智能化是针对现有 CAD 系统存在的限制而提出的。传统的 CAD 系 统缺乏综合能力和选择能力，要求用户有较高的专业知识和丰富的实践经验。现 今， 为了普及和应用的方便， CAD 系统中提出了人工智能专家系统方面的要求。 在 近年来，网络技术突飞猛进，取得了很大发展，它为实现不同地点和不同时间的 设计等工程信息的共享创造了条件， 当前支持协同设计的 CAD 系统的研究也正成 为热点问题。§1．1．2CAPP 技术的发展计算机辅助工艺设计（CAPP）的研究开始于 20 世纪 60 年代，当时挪威推出 了世界上第一个 CAPP 系统 AUTOPROS。但是直到 80 年代，CAPP 的研究工作才得 到工业界的重视。美国机械工程师协会（ASME）在 1985 年和 1986 年连续召开讨 论 CAPP 的学术会议，国际生产工程研究会（CIRP）也先后召开了两次 CAPP 专题 研讨会。许多国内外的生产自动化学术会议也包括 CAPP 的内容。我国的 CAPP 研 究工作始于 80 年代，取得了一些成果，如华中理工大学的开目 CAPP、西北工业 大学的 CAPPFramework 系统、北京航空航天大学的 BHCAPP 等都在应用中取得了 一定的效果，但是这些系统基本上都是针对某类零件的专用系统，在生产实际中 还存在着一些不足。 CAPP 系统目前主要有两种类型，修订式（Variant） （也称为检索式）和创 成式（Generative） 。早期的 CAPP 系统主要是检索式的，即在进行工艺设计时， 首先检索出适合一族相似零件的标准工艺， 然后通过编辑修改生成具体零件的工 艺并打印输出。 它与传统的工艺设计相比能大大减少工艺员的烦琐的修改誊写工 作，并能提高工艺文件质量。随着计算机技术的发展，CAPP 的研究人员将成组2西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论技术和逻辑决策技术引入 CAPP 的研究，开发出许多以成组技术为基础的派生式 系统和混合式系统及以决策规则为基础的半创成式系统。 它们首先要由有经验的 工艺工程师进行工艺设计经验总结工作， 选出优化的工艺路线或生成工艺的决策 规则及各种加工参数，然后根据这些原始数据和其它的加工要求，开发 CAPP 系 统。这就使得企业的宝贵的专家经验能够得以保留和延续，对系统使用者的要求 变低，而生成的却是可以达到专家一级水平的工艺设计文件。 目前 CAPP 正向着集成和柔性的方向发展。 集成化是指 CAPP 从单一的系统向 与其它系统进行信息传递和共享的方向发展。而柔性化则指由传统的 CAPP 系统 向智能化 CAPP 系统发展的趋势，即 CAPP 软件经过一定的修改和调整后，能用于 不同的零件和生产环境。由派生式向创成式的发展，使得 CAPP 的应用领域由简 单类零件（如回转体）向复杂类零件进行发展。另外，对 CAPP 开发工具和专家 系统的研究也是当前的热点之一。§1．2§1．2．1CAD/CAPP 集成技术CAD/CAPP 集成的必要性虽然 CAD 和 CAPP 技术分别发展至今，已经在产品设计自动化和工艺过程规 划等方面发挥了重要的作用， 但是这些独立的系统目前尚无法完全实现系统之间 信息的自动传递和交换，形成了一个个的自动化信息孤岛。人工参与各个独立系 统的信息交换过程，不但存在大量的重复冗余的信息，而且也增加了人为出错的 机率，给生产造成不必要的损失，影响企业生产效率的提高，阻碍了 CAD、CAPP、 CAM 系统在企业中的推广应用。 另外，实现 CIMS 的关键就是要解决集成的问题。所谓集成是指将基于信息 技术的资源及应用（计算机软硬件、接口及机器）聚集成一个协同工作的整体， 集成包含功能交互、信息共享及数据通信三个方面的管理和控制（Wenston， 1992） 。集成不是系统间简单的组合，必须要实现分散、独立的各子系统之间的 数据共享，正确处理集中和分散的关系。这就要求整个产品的描述信息在其全部 的生命周期中能够被各个环节所获得。CAPP 是连接 CAD 与 CAM 的桥梁，CAD 的信 息要经过 CAPP 的处理，才能生成完整的制造信息，供 CAM 及后续的系统使用， 因此要实现更大范围的集成和数据传递，首先就要完成 CAD 与 CAPP 的集成。3西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论CAD 以几何和拓扑的形式定义和存储产品的信息， 但对于 CAPP 及其它后续系 统来说，只有点、线、面等概念的层次太低，无法被其所自动理解，因此在根据 面向制造的需要来解释零件时需要大量的人工干预和二次输入， 降低了生产效率 和增加了人为的不确定因素。因此，合理地根据制造的需要自动解释零件数据的 加工语义信息，实现数据共享，满足后续的 CAPP 与 CAX 系统自动运行的需要是 CAD 与 CAPP 集成所要解决的问题。§1．2．2CAD/CAPP 集成的方法概述实现系统集成的方法主要可归结为如下两种： 1．各个子系统使用公共的产品数据库，对公有数据进行操作，因此可实现 数据共享。这种途径集成的效果好，但要求各子系统在同一环境下开发， 开发的难度大，周期长。 2．实现系统集成的另一种有效途径是采用中性交换文件。各子系统通过前 后置处理生成或读取使用通用的数据交换标准格式的中性交换文件，进 行信息集成。这种方法集成更加灵活和自由，开发和集成难度较小。目 前 STEP（产品模型数据交换标准）正成为数据交换的国际标准。其中的 产品数据是全面定义一个零件所需的几何、拓扑、公差、关系、性能和 属性等数据。但由于其仍没有完全成熟，故当前的商业 CAD 软件还只支 持其几何标准，因此基于其的集成还很不完善。但是当 STEP 变得真正完 备起来以后，基于它的集成必将具有广阔的前景。 当前系统的集成正沿着这两条路线在进行。 在致力于完善 STEP 标准的同时， 继续探索基于共享数据库的集成。因为后者的前进必然也将推动 STEP 的发展， 为其完善提供新的思路。§1．2．3CAD/CAPP 集成的难点目前，CAD/CAPP 集成过程中所要解决的问题还有许多，主要有以下几个： 1）缺乏真正适用于 CAD/CAPP/CAM 集成的数据模型和集成环境。 2）由于对同一对象的视角不同，使得设计部门和制造部门对同一产品的认 识不一致[32][45]，导致设计部门的输出结果必须经过符合应用的解释才能 为制造部门所使用。4西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论3）设计的产品模型只是从产品功能等方面出发，而没有结合生产实际，经 常脱离企业实际的生产资源和生产能力 4）设计的产品模型缺乏工程语义，制造过程中的许多信息还需交互输入或 人工干预5） 对集成中不同应用领域的模型映射机理的探讨还没有形成系统的理论[32]§1．3论文研究的背景和意义当前关于 CIMS 的研究已成为生产领域的热点，我国也于 1986 年提出了 863 计划的 CIMS 主题。在 863 计划完成之时，已经在部分企业中进行了 CIMS 的试点 工作，取得了一定的效果。但是关于 CAD 与 CAPP 系统集成问题，却仍然没有圆 满解决。在随后的 S863 计划或继续要实施的“863”计划中，都把 CIMS 归为先 进制造技术（AMT）进行进一步的深入研究。而解决 CAD/CAPP 集成问题必然是其 中一个不可回避的方面。 现有的许多商业 CAD 软件虽然采用了特征造型技术，但由于特征技术还不完 善，所以这些 CAD 系统使用的基本上都是设计特征或形状特征，它们生成的模型 还无法为 CAPP 所直接理解和接受，必须经过必要的转换环节，才能在有关加工 的领域内使用。例如图 1-1 的例子。这是由 UGII 生成的一个简单零件模型。对 于设计者来说，构造这一零件的方法有很多。而 UGII 本身并不清楚设计者的意 图和 CAPP 的需求，只是根据造型的方法和次序来生成零件的特征树，无法正确 标定特征的名称种类和相互间的父子关系，结果导致 CAPP 所需要的重要数据缺 失。例如对于此图，CAPP 所能够接受的信息应该是外圆柱体特征包含有一个子 特征--圆孔特征。而要生成此零件的方法却基本可有如下三种： 1）先绘制草图―矩形，然后绕与边有一定距离的直线旋转。UGII 所返回的 特征只有回转（Revolve）一个，并不知道有一个孔特征 2）分别生成大小各一个圆柱后做布尔减运算。返回特征为两个圆柱体，而 没有关于孔的信息和父子关系 (3)生成大圆柱，然后在其上开一个通孔。只有这种方法返回的特征树才有 直接应用的可能。5西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论图 1-1 一个简单零件的示例 诸如此类的例子还有很多，而且这样的缺陷也并非 UGII 所独有，它是目前使用 特征技术的 CAD 中广泛存在的问题。因为设计者的构思是巧妙的，如果要求他们 必须按照 3）的规范方法来造型，必然会限制其才能的发挥，同时也会降低设计 效率，因此强求一致是不现实的要求。由此可见，虽然当前 CAD 系统采用了特征 造型技术，但是由于其种种缺陷，关于 CAD/CAPP 集成问题的研究任务还是十分 艰巨的， 从设计特征到制造特征的信息转换还是解决集成问题所要研究的重要途 径之一。§1．4 论文的研究内容§1．4．1 系统的开发环境本论文选用 UGII 作为 CAD 系统，进行 CAD/CAPP 特征信息转换方法及其相 关技术的研究。利用 UGII 所提供的二次开发工具 UG/OPEN 使用 C++语言编制程序对提出的方法和观点进行验证。 UG/OPEN API 提供了上千个函数。按应用域的不同，主要分为造型、装配、 API 作为开发环境，加工、显示、界面和用户工具等几大类。通过 VC++编制动态连接库（DLL）文件，6西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论可以在生成的 UG 菜单或对话框中运行 DLL，实现开发的程序嵌入和连接在系统 中的目的。§1．4．2 研究内容与论文的编排不同于先前的单纯基于几何信息的特征识别技术和对 CAD 平台依赖很大的基 于特征的设计的方法，本文采用一种基于设计特征的特征转换思想，把经过转换 生成的模型作为产品的最终模型供后续环节所使用。 同时对转换过程中的如系统 级特征转换规则和知识库系统的建立、向 CAPP 传递的信息的格式、CAD 信息向 CAPP 信息的转化等一些重要技术进行了研究。文章对组件对象模型（COM）技术 在集成中的应用也进行了探讨， 为系统在不同 CAD 平台之间的简单移植做了一定 的研究。 全文共分六章，内容编排如下： 第一章 绪论 对 CAD、CAPP 的发展概况进行回顾和展望。重点分析了进行 CAD/CAPP 集成 的重要意义和集成所依赖的基础―特征模型，论述了本文所要研究的内容。 第二章 特征模型的构造及其相关理论基础本章介绍与构造本系统的模型有关的理论基础， 总结已有的几种特征建模技 术方法，进而提出系统的特征模型。 第三章 特征信息转换思想和系统的总体设计本章研究基于组件对象模型来实现特征信息转换系统与 CAD 平台的相对独 立性问题。提出了基于设计特征的特征信息转换思想，并对系统的整体结构进行 设计和初步介绍。 第四章 特征转换的关键――系统级转换规则的建立本章具体地研究系统级转换规则的表示方法和知识库的设计与实现。 建立了 重要的数据结构―改进的面属性连接表，并对转换规则实现的一些细节技术（如 凸凹边的确定、面的分类方法等）进行了探讨。 第五章 加工特征模型建立技术的研究 在这一章中，作者对建立供 CAPP 使用的加工特征模型的一些重要技术进行 研究，并且完成了特征多义模型的构建。 第六章 结束语7西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论最后，对研究工作进行了总结和展望。8西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础第二章特征模型的构造及其相关理论基础§2．1 特征模型构建的理论 §2．1．1 几何造型技术概述作为 CAD 系统的核心基础， 三维形体的描述方式总的说来到如今已经历了线 框模型、表面模型和实体模型等几代的变化与更新。 最初的三维 CAD 系统使用线框模型来描述物体，这种方法表述简单、操作方 便，它只有两种体素---点和线，因此又称为边―顶点模型。用它作为 CAD 的系 统核心，在最初只是用计算机来代替人的手工绘制二维图形是够用的，但作为三 维形体的输出方式，其几何信息匮乏的缺点就显得突出起来[5]： 1）模型用棱边来代表形体的形状，因此只能反映出三维形体的一部分形状 信息。因而在输出物体的剖面图、消除隐藏线和隐藏面、绘制两个面的 交线和轮廓线时都会发生困难。 2）线架的面不是由模型定义的，而是通过推理得出的，可能会产生二义性， 造成计算机处理的困难。 3）不能完整的表示曲面。 4）许多三维线框造型系统缺乏严密性。会出现逻辑上重合的点在表示时的 不重合的错误。 在线框模型的基础上，把被棱线包围的部分定义为面就形成了表面模型，这 相当于在线框骨架上覆盖一层薄膜。由于表面模型中具有形体的各个面，所以理 论上讲，它可以处理大多数与图形有关的问题。采用它，形体的边界可以完全定 义，并且可以完整的定义曲面。但是它也存在一些局限： 1）体的内部在表面的哪一部分是不明显的，给清楚的认识实体造成困难。 2）它不含有零件的内部的几何和质量特性等，限制其在工程分析方面的应 用。 实体模型是目前几何造型中的最高级形式， 是当代 CAD 系统所使用的造型方 法的主流和趋势。它看起来有些象经过消隐的线框模型或表面模型，实际上本质 是截然不同的。实体模型由一个完全封闭的三维形体来表示零件，它包含有零件9西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础的实体特性，它可以保证只对可以实现的零件进行造型，不会出现缺边少面或边 穿入实体的错误。实体造型方法主要分为三种： ? 分解模型：又称完全枚举法（Exhaustive Enumeration） 。客观物体是由连续的点组成的，把实体中的每个点都表示出来是不现实的，但可以列出包含在 实体中的全部或部分分割成很小的规则形体。 分解模型的提出正是源于这样的思 路。它将实体点集分解成为一群简单、规则的形体（如立方体）的集合，然后通 过“粘接”使它们构成实体，这样就可以化连续的实体为离散的表示。其以单元 分解法（Cell Decomposition）为代表。 ? 构造模型：构造模型是将实体表示成若干个简单的体素的组合形式，这些 体素是可以直接用参数描述出来的三维形体（如圆柱体、长方体等） 。构成实体 的每个具体体素是一种体素实体类型的一个引用，这些体素实例通过交（∩） 、 并（∪） 、差（―）的布尔运算组合在一起而成为更加复杂的实体。它所表示的 模型简单直观，并且可以记录高层的语义信息，便于模型的编辑和修改。其以 CSG（构造实体几何）方法为代表。这种方法的数据结构是树状结构，见图 2-1。 对物体模型的描述与该物体的生成顺序密切相关， 同一实体完全可通过定义不同 的基本体素、经过不同的集合运算而加以构造。布尔算符布尔算符体素实例体素实例体素实例图 2-1CSG 模型的数据结构? 边界模型：实体的边界将实体内的点和实体外的点分开，它是实体与外界相 接触的区域。分解模型和构造模型都是将实体看作点的集合，采用将实体离散化 或用较简单的点集合构造实体的方法来表示实体。与这些模型相反，边界模型并 不直接构造实体点集，而是通过表示实体的边界点集来间接的描述实体。边界模 型以面向表面的观点为基础， 以某种方便的方式将实体表面分成一系列小面所组10西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础成的集合来表示，通常这种分割使得每个小面的形状具有一种简洁的数学表示。 表面模型所要存储的信息主要有两类：几何信息和拓扑信息。其以 B-rep（边界 表示法）方法为代表。如图 2-2 所示，Brep 法的数据结构由五层几何元素组成： 实体、面、环、边、翼边和边、顶点。前项后项实体子面表 前项父实体面父面后项子环表 前项后项环子翼边表 前项父环翼边父边后项子翼边 前项后项边子顶点表前项顶点后项图 2-2Brep 模型的数据结构由于 Brep 方法侧重面、边界，因此在图形处理上有明显的优点，特别在获 取物体的详细几何信息时， 边界表示的数据模型可较快地生成线框模型或表面模 型。CSG 法整体形状定义精确、严格，数据结构简单，语义层次较高，但是不具 备构成物体各个面、边界、点的拓扑关系。为了寻找更加合适的造型方法，充分11西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础发挥各种方法的优点，更是为了满足生产实际的需要，当前的商业 CAD 系统大多 采用建立在边界表示法和构造实体几何法基础上的混合建模（Hybrid Model）的方法。在 CAD 中用户的操作主要可分为全局操作、局部修正和回复等几大类， 采用构造模型和边界模型相混合的实体构造方法， 通常以 CSG/Brep 为建模框架， 典型的架构如图 2-3 所示。由 CSG 模型记录造型历史和高层语义，给用户一个简 单易用的界面，而由 B-rep 存储底层的几何/拓扑信息，便于局部的修改。 CSG 界面 CSG全局操作 界面 BRep局部操作 界面图 2-3典型的 CSG/Brep 混合模型图 2-3 模型为用户提供 CSG 界面及全局操作接口以方便用户输入数据， 定义― 基本体素 ― 边界表示（BRep） ― CSG 运算（∪，∩，－） 图 2-4 CSG/Brep 混合模型数据结构 体素和确定布尔运算类型，而在计算机内部再转换为 Brep 的数据模型，以便存12西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础储物体更详细的信息，同时也提供了直接访问 B-rep 底层数据的机制[62]。对于把 CSG 模型转化为 Brep 模型的方法，通常是通过在 CSG 造型树结构的节点上扩充 边界法的数据结构来实现的，见图 2-4[9]。§2．1．2 成组技术成组技术（Group Technology - GT）是一门生产技术科学和管理科学，研 究如何识别和发展生产活动中有关事物的相似性， 并充分利用它把各种问题按照 它们之间的相似性归类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取 得所期望的经济效益。 成组技术的基本原理是相似性原理，核心是成组工艺，通过成组工艺与计算 机技术、数控技术、相似论、方法论、系统论等的结合就形成了成组技术，而零 件按照相似性进行分类编码是实施成组技术的重要手段， 基于此成组技术提出了 零件族的重要概念。产品相似性 用途 性能 规格… CAM 信息系统零 基本相似性 几何形状 尺寸 精度 表面粗糙度…件相似性 二次相似性 工艺（装配、 加工、测量） 设计 管理…成组工艺图 2-5成组技术原理? 零件族：在外形、尺寸或加工工序等方面具有一定相似性的零件集合。零13西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础件族中的具体零件彼此不同，但它们的相似性必须是充分接近的。[11] 相似性是零件族划分的基础。 零件的相似性可以分成两个层次 （图 2-5） ：零件在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性是基本相似性； 以这些基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相 似性称为二次相似性或派生相似性。综合这两个层次，在生产实践中零件可以根 据结构特征（如几何形状、尺寸大小、结构功能等） 、工艺特征（如加工精度、 加工方法、材料等） 、生产组织和计划特征（如加工批量、制造资源状况、工艺 过程跨车间和工段等）三个方面来进行族的划分归类。 成组工艺是按照零件族制订工艺来进行生产制造，这样就可以实现扩大批 量，减少品种的目的，有利于采用高效的生产方法，提高劳动生产率，为取得更 大的经济效益创造条件。 应用成组技术的优点是表现在诸多方面的。在产品设计方面，成组技术的好 处在于它促进设计系列化和标准化。在刀具、夹具设计方面，可以设计一个零件 族的通用成组刀、夹具。在生产和库存控制方面，采用成组技术可以使生产进度 安排简化。 使用成组加工机床， 由于加工的零件具有相似性， 所以调整时间减少。 此外，成组技术对于特征信息模型的转化研究也有着十分重要的意义，利用 相似性原理，分析各种特征之间的内在联系，将特征归类研究，就有可能寻找出 适用于一类特征的转换方法， 使得所得出的原理具有更加广泛的意义。 由此可见， 成组技术贯穿于产品从设计到制造的全过程，在生产中发挥着及其重要的作用。§2．1．3 面向对象技术及应用所谓面向对象技术，就是以对象观点来分析现实世界中的问题，从普通人认 识世界的观点出发，把事物归类、综合，提取共性并加以描述。面向对象的思想 最初出现于挪威奥斯陆大学和挪威计算中心共同研制的仿真语言 Simula67，后 来 美国 Xerox 研究中心推出了面向对象的 SmallTalk 语言，使面向对象的程序 设计方法首次得以比较全面的实现。当前最为流行的面向对象程序设计语言是 C++语言。但是面向对象不仅仅是局限于程序设计，在经历 30 年的发展后，它已 经成为软件系统分析、设计与实现的最有影响的方法。[13] 面向对象方法既是一种程序设计方法，又是一种分析方法、设计方法和思维 方法。它使得模型的组织更加接近于真实世界的情况。其基本思想是：对问题空14西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础间进行符合客观实际和人类思维方式的划分来建立模型， 以便对客观事物进行结 构模拟和行为模拟。使用这种思想设计的系统可以更加直观的描述现实世界，设 计出的软件具有模块清晰独立、重用性好、维护容易的特点。 面向对象方法提出了下述一些重要的概念和思想： ? 对象（object） 在现实世界的定义中，对象是指现实世界中具有一定状态，可以被感知的一 个实体。在计算机研究领域，对象是指系统中用来描述客观事物的一个实体，它 是构成系统的一个基本单位， 一个对象由一组属性和对这组属性进行操作的一组 服务组成。 对象既可以存储信息， 又可以对信息进行处理。 对象是面向对象方法的核心， 所有面向对象技术都是建立在基本的对象模型的基础之上的。 ? 抽象（abstraction） 抽象是人们解决实际问题时常用方法之一。在面对一个复杂的事物时，对问 题进行简化， 找出事物的主要矛盾而忽略其次要矛盾通常对我们最终解决问题有 很重要的意义，抽象的提出就是源于这样思想。抽象要求在建立所研究事物的模 型时要抽取事物区别于其它事物的突出特点，它表示了所研究实体的基本行为。 抽象的侧重点在于对象的外部表现，对于不同的观察角度会产生不同的抽象结 果。常用的抽象方法主要有实体抽象（entity abstraction） 、动作抽象（action abstraction ） 虚 拟 机 抽 象 （ virtual machine abstraction ） 和 共 存 抽 象 、 （coincidental abstraction） 。 ? 类和实例（class & instance） 类是面向对象系统中最重要的概念。类是对一组客观对象的抽象，它用该组 对象所具有的共同特征（结构特征和行为特征）来说明该组对象的能力和性质。 类和对象的概念既相互联系又有所区别，对象是在一定的时间和空间存在的实 体，而类则是关于对象本质的一种抽象，这样就引出了实例的概念。类和实例的 关系可以认为是抽象和具体的关系，在面向对象方法中，每一个具体的对象就是 该对象类的一个实例。类是多个实例的综合，而实例则是类的个体实物，它与面 向对象中的对象相对应。 ? 封装性（encapsulation） 封装性是面向对象方法的突出特性之一。顾名思义，封装就是指把事物包围15西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础起来，使外界不知道它内部的具体内容。通过封装特性可以实现对象的外部行为 和内部实现的分离―设计者构画具体的实现细节而使用者只需知道对象所具有 的功能而无需了解对象功能的实现方法。 这样既提高了工作效率又可以减少由于 失误而造成的程序非法修改。象大多数事物一样，封装具有相对性，在某些层次 上的封装，在另外一些层次上完全可能是透明的。因此在划分封装的级别时必须 全面的分析事物以合理确定屏蔽的程度是十分必要的。 ? 层次性（hierarchy） 在面向对象方法中存在着一个十分重要的思想就是继承， 它体现的是类之间 的一种层次关系。在继承关系中，类在享有它的超类全部结构和行为的同时，又 有着自己区别于超类的特定性质。继承通常反映的是一种 ISA（is a）的层次关 系。另一种重要的层次关系是描述对象结构的 PARTOF 关系，它反映的整体和局 部的关系，用它可以界定对象的各个组成部分。层次性通过单继承（图 2-6a） 、 多继承（图 2-6b） 、聚合（图 2-6c）等来组织类和对象的层次，使系统模型条理 化，实现信息共享和减少冗余，并且可以更好的反映对象之间的内在联系。AABAB (a)C (b)B (c)C图 2-6层次结构的常见形式? 多态和重载（polymorphism & overloading） 多态性是面向对象系统的另一个重要特性， 它所反映的是现实世界中具体问 题具体对待的一种动态的发展思想， 它体现了面向对象系统的灵活性和可扩充性 的特点。系统可以根据所接收消息（命令）的来源不同对同样的消息做出相互区 别的响应。它的具体表现就是函数的重载功能，可以在系统中定义函数名（函数 的调用相当于发送消息）相同而参数列表不同的函数，使得程序在执行时自动去 寻找与消息发送者相对应的处理方法，实现程序的灵活与动态性。 面向对象技术对于特征信息模型的转换具有重要的理论和实践意义。特征也16西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础是现实世界客观事物中的一员，因此必然符合面向对象方法所提出的思想。特征 的使用所渗透的就是一种封装的概念， 使用特征的用户只需对特征的外部接口参 数进行操作，而无须知道特征内部具体的实现机制，使得设计在更高的语义层次 上进行，降低了对使用者的要求。在构建一个特征模型时所使用的具体的赋有特 定参数的特征就是某类特征的一个实例，在这个层次上，它就是一个对象。而整 个模型所表达的物体是一个更高层次上的对象。 现有的商业 CAD 系统普遍采用面 向对象的方法，基本数据，如点、边、环、面和体以类的形式封装，它们有各自 的特有的数据结构和方法，但作为基本的几何元素又有共同的内存申请、数据遍 历和文件存储方式，构造它们的超类进行继承，既体现了彼此的共性又反映出各 自的特质，同时数据和方法的封装也使数据结构简明而易于操作。§2．2 特征技术与构建特征模型的主要方法§2．2．1 特征概述传统的 CAD 系统对零件的定义是建立在曲面造型和实体造型基础上的， 它们 所描述的产品停留在几何和拓扑的层次，缺乏必要的相关工程语义，这种纯几何 的零件不完整的定义增加了系统集成的难度，导致设计与制造等后续工作的脱 节。近年来，许多商业 CAD 软件引入了特征的概念，使得产品的设计可以在一个 更高更接近生产实际的层次上进行。虽然现在的特征技术还不成熟，但它却揭示 了系统集成的新的思路，把系统集成提高到一个新的高度。可以说建立在特征基 础上的系统集成是极其有希望的一条道路。 因为特征的定义依赖于具体的环境和应用领域，所以目前对特征还没有一 个统一的定义。一般情况下，特征是指形状特征。Webster 指出“特征是对象的 显著部分或特性” [59]Dixon 等指出“特征是在推理一个或多个设计或制造行为 。 时使用的任何几何形状或实体。 [59]还有人认为“特征是产品模型相关元素的几 ” 何， 具有相应的识别和分类规则。 在产品生命周期中， 被视为一个整体” J J Shah 。 则认为“特征表达了零件或装配件的几何的工程语义。 他还给出了特征的更加 ” 广义的定义： “特征是生成、分析、评价一个设计时所使用的元素集合” [58]在制 。 造领域对于特征定义的更一般而实用的理解作者认为应该是 “特征是产品在全生 命周期中与一定的功能和工程语义相结合的几何形状或实体” 。17西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础通过以上的定义，我们可以发现特征有如下特点[7]： 1）特征与零件的几何描述有关 2）特征具有一定的工程语义 3）特征可以识别和转换 4）在不同的工程活动中，特征的形式和内涵不同 5）特征应能够覆盖其应用域内的所有要求 使用特征来描述产品模型的优点是明显的。首先，特征信息模型使得产品的 形状信息与功能、工程信息发生联系，使对零件的定义更加完整。其次，它使设 计人员的工作建立在更高的层次， 设计者关心的对象是零件各个部分的功能而非 原始的无任何功能意义的点、线、面或几何体素，可以让人更容易发挥其聪明才 智，设计出好的产品。特征信息模型对系统的集成也提供了便利的途径，模型在 各个应用领域进行转换时的基础层次提高，省去了许多的识别和归类工作，便于 集成的实现。 为了应用和研究的目的，对特征需要进行分类。这是基于如下的考虑[58]： 1） 如果把特征分成族并且确定每一族的属性， 那么就可能生成支持这一 族特征而非单个特征的机制。 2） 3） 特征分族可能形成一些公共的术语。 特征分类对于开发产品数据交换标准具有重要意义。特征分类的方法很多，结合本文的应用，我们将特征按产品的生命周期进行 分类。 ? 设计特征： 存在于设计阶段，主要是具有一定功能的几何形状和拓扑关 联的集合 ? 加工特征： 存在于制造阶段，是与一定的加工操作相对应的可以由其包 围边界的几何和拓扑特性识别的体积 ? 分析特征： 与产品的性能评估发生联系的属性 ? 装配特征： 反映产品的装配特性，应用于装配阶段 ? 检验特征： 用于产品的质量评价，检验产品的生产结果§2．2．2 交互式特征拾取这种方法是工艺人员根据设计人员所提供的几何模型交互的拾取、组合几何18西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础元素建立特征模型，工作过程见图 2-7。特征模型 特征定义系统 特征设计人员几何造型几何模型图 2-7 交互式特征拾取工艺人员这种方法涉及到几何模型的构造方式， 因此几何模型的数据结构就变得十分 重要。因此，对于不同的模型描述形式（如 Brep 法或和 CSG 法） ，处理的方法会 有所不同[58]。 交互式特征拾取方法简单实用，但是自动化程度低，不能满足高层次集成的 需要。§2．2．3 特征识别特征识别指系统根据预先定义的特征的几何和拓扑关系，在产品的设计模型 中寻找出与之匹配的部分而自动生成特征的方法，工作过程见图 2-8[58]。实体造型特征识别特征提取特征图 2-8 特征识别 特征识别步骤如下： ? 遍历几何模型数据库以匹配拓扑/几何模式 ? 从几何模型数据库中抽去已识别的特征（在模型中移除与被识别特征相 关的部分） ? 确定特征参数（如孔的直径，槽的深度） ? 完善特征的几何模型（如确定边/面的延伸、补足特征封闭面） ? 组合简单特征成为更高层次的特征 这种方法的自动化程度高，是理想的特征模型的构造方法。但是由于受诸多 因素的限制，如人工智能推理方法、产品模型的数据结构、知识库理论等关键技 术基础的发展不足，这种方法还不成熟。识别的准确性和识别方法的鲁棒性 （robustness）在实际应用中尚显不足。另外，识别的效率也会随着模型的复杂19西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础程度增加而急剧下降。 尽管现今的特征识别方法还无法令人满意，但它的自动化过程对于系统集 成有着重要的意义： 它使得设计人员不必考虑制造的问题而专心设计产品的外观 和功能，然后通过系统实现自动特征获取工作，既保证了工作的效率又使得产品 有一个统一的数据信息模型来实现系统的集成。因此，关于特征识别技术的研究 仍然有着诱人的应用前景。§2．2．4 使用特征设计使用特征进行设计， 是指用户使用在特征库中已经预先定义好的特征进行造 型以设计出所要描述的产品。 用户为各个特征赋于合适的参数并进行各种组合和 布尔运算以构造出合适的模型，工作过程见图 2-9[58]。 使用特征设计的思想提出最初是源于特征识别技术的不足， 试图一开始就用 特征而非低层的几何元素来构造模型而避开特征的识别问题。虽然，这种方法在 实际应用中取得了一定的效果，但是它也无法完全满足系统集成的需要。还存在 下述的一些主要问题： ? 没有形成统一的产品信息交换标准， 下游系统对特征模型的使用还无法摆 脱对 CAD 造型平台的依赖。 ? 系统定义的特征基本是几何特征， 缺乏足够的工程语义， 为后续系统的应 用带来困难。用户特征造型特征模型实体造型实体模型产品数据库 图 2-9 使用特征的设计20西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础§2．3 本文特征模型的构建及组成结构§2．3．1 系统模型的层次对于系统的特征信息模型，随着各个步骤对信息需要的不同，从 CAD 系统所 获得的模型中存储的信息由系统进行加工和处理， 生成不同层次的模型以满足各 个功能模块的需要。 ? 原始模型 原始模型是用户使用 CAD 系统造型后生成的模型。在使用特征建模的 CAD 系统中，模型存储组成零件的设计特征实例的信息。在这种模型中，零件的几何 /拓扑信息是后续模型的基础。另外，模型中还存在大量的造型辅助信息（如数 据平面、数据轴等）与系统级的辅助信息（如显示颜色、显示比例等） 。设计特 征是此模型的最高语义层次。 ? 预处理模型 系统在获得 CAD 系统的原始模型后， 需要对输入的信息进行过滤， CAD 系 将 统需要的各种辅助信息滤去，只保留与后续信息处理和流动有关的信息，即零件 的几何/拓扑信息，并且以本系统的描述方式组织这些信息，为后续的处理服务。 增加预处理模型可以实现系统与 CAD 平台的相对独立性，在移植到其它平台时， 只需要重新编写生成预处理模型的程序模块， 就可以保证系统广泛的应用于不同 的 CAD 系统之中。 ? 基本特征模型 系统对预处理模型所获得的零件设计特征的几何/拓扑数据进行重新组合， 并按照系统的基本规则对其进行特征匹配， 将获得的设计特征转化为系统所定义 的各种基本特征。在转换的过程中，识别出模型中的所有特征，并确定特征之间 的父子关系。 ? 加工特征的多义模型 系统首先对基本特征模型所获得的基本特征进行必要的组合， 生成一些复合 特征，形成基本特征和复合特征的混合模型。然后系统将这些基本特征或复合特 征按照工程上的合理解释进行重定向， 列出特征的所有组合形式并附加有一定的 工程语义，此时，设计特征已经完全转化为加工特征，生成的多个加工特征模型 供后续的 CAPP 系统及其它系统所使用。加工特征是这种模型的最高语义层次，21西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础而最初模型中的设计特征已不复存在了。§2．3．2 特征的层次对应于系统中各个阶段特征信息所存储的信息的层次不同， 本系统的特征也 被划分成以下的几个层次： ? 设计特征：特征造型 CAD 平台中的基本元素，零件最初的表示就是设计 特征的一些实例组合。设计特征富含零件各个部分的几何含义 而缺少相关的工程含义。 ? 微观特征：对应于 Brep 结构中的面、环、边、点，是在预处理模型中将 设计特征“化整为零”所生成的信息，并在基本特征模型中被 重新加工和处理，是基本特征的组成部分。 ? 基本特征：系统设定的基本形状特征或表面特征，如：孔、槽、台阶和凸 台等。这些特征是构造系统模型的基础，在系统中用它来代替 设计特征表达零件的模型。 ? 加工特征：由基本特征面向加工的需要进一步组合（如阵列孔、台阶孔） 和附加工程语义（如加工方向、公差）来生成。它是表达零件 的最终模型的组成元素，是 CAPP 等后续系统所能够直接应用 的特征。 系统中的模型与特征之间的对应关系见图 2-10。原始 模型 预处理 模型 基本特征 模型 加工特征 模型设计 特征微观 特征基本 特征加工 特征图 2-10模型与特征的对应关系22西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础§2．3．3 加工特征的组成单元作为向后续系统传递的重要信息， 加工特征的组成成分对于系统的集成有着 重大的意义。加工特征的定义有很多，比较普遍的说法是加工特征是表示与制造 工具和操作有关的形状和技术属性。根据这种定义，本文的加工特征由以下几个 基本单元组成： ? 总体要素单元：描述被加工部分的总体要求，包括基准、公差、材料和 技术特征等信息，通常这一部分所拥有的是零件各个部分 所共享的信息，它构成了产品信息表。 ? 宏观特征单元：是对零件类型的描述，如有轴类、盘类、箱体类等类型。 对于加工特征来说，它的宏观特征继承于零件的宏观信 息，使用这一单元是为了便于依据成组技术对零件进行分 类，寻找适合于一族零件的加工工艺。 宏观特征 单元通孔基本形状 单元腔平槽总体要素 单元台阶平面加工信息 单元图 2-11 加工特征组成成分的关系图 ? 基本形状单元：描述特征的基本形状及其尺寸参数，但是这种形状已经含 有与加工操作有关的工程语义，如可定义孔、槽、腔、平 面等。 ? 加工信息单元： 这一部分包含有只有在加工中才会使用到的信息， 即为了 加工需要所补足的封闭面及其尺寸参数、刀具进入方向和 主加工方向等。 加工特征的组成成分之间的关系见图 2-11。23西北工业大学硕士学位论文第二章 特征模型的构造及其相关理论基础§2．4 本章小结本章首先介绍了几何造型理论、面向对象技术和成组技术原理等与建立特征 模型相关的基本理论，接着分析了三种常用的建立特征模型的方法，指出它们的 优缺点，并进而论述了本文所使用的特征模型的层次和与之相对应的特征的层 次。最后阐述了系统集成所依赖的重要特征----加工特征的基本组成成分。24西北工业大学硕士学位论文第三章特征信息转换的思想和系统的总体设计第三章特征信息转换的思想和系统的总体设计§3．1 基于设计特征的特征转换 §3．1．1 基于组件对象模型（COM）的产品信息输入随着软件科学的不断发展，新的应用系统越来越复杂，特别是近年来 Intranet/Internet 的飞速发展，对软件提出了更高的要求，使得软件的设计工 作所面临的问题更加繁多，在这样的环境下，适应分布式软件模型的组件化程序 设计思想得以迅速发展。 按照组件化程序设计思想，复杂的程序由一些小的、功能单一的组件模块构 成，这些模块可以运行在同一台机器上，也可以运行在不同的机器上，并且模块 的运行环境也可以不同。为了实现这样的目标，组件之间需要遵守一个共同的规 范，COM 就是由微软公司所提出的一种应用于 Windows 平台的组件规范。 在 COM 标准中，一个组件程序被称为一个模块，它可以是一个动态连接库 （DLL） ，称为进程内组件（in-process component） ，也可以是一个可执行程序 （EXE） ，称为进程外组件（out-process component） 。COM 是以对象为基本单元 的模型，一个组件模块由若干个组件对象构成，在程序之间进行通信的是组件对 象（也称 COM 对象） 。COM 对象与面向对象中的对象是相区别的，它建立在二进 制可执行代码级的基础之上， 而面向对象语言中的对象是建立在源代码级基础上 的，这就是说 COM 对象可以实现语言无关性，使得使用不同开发语言编制的组件 对象能够进行交互。 应用 COM 规范开发程序有很多良好的特性，其中最为重要的两个就是它的语 言无关性和可重用性。 语言无关性 编写 COM 对象使用的语言和编写客户程序使用的语言可以不同， 只要它们的可执行代码符合 COM 规范即可。 标准是一种二进制代码级的标准， COM 它把 OOP 语言中的对象封装起来，提供一致的接口，可以使之被不同的语言所使 用。 可重用性 组件对象的重用性是建立在组件对象的行为方式上的，COM 对象的 客户程序只是通过接口使用对象所提供的服务，而无须知道对象内部的实现过25西北工业大学硕士学位论文第三章特征信息转换的思想和系统的总体设计程。COM 的这一性质可以保证其用于开发大型的软件系统，它变复杂的系统为一 些简单的对象模块，体现了面向对象的思想。 图 3-1 给出了一个基于组件规范设计的软件进行移植的简单过程， 假设软件 环境的变化影响了组件 1 和组件 3，则在保持原来接口的基础上，修改这两个组 件得到新的组件 1’和 3’，把修改后的组件和其它组件组合在一起就实现在新 的软件环境中运行的软件系统。初始系统 组件 1 组件 2修改后的系统 组件 1’ 组 件2组件 3组件 4组件 3’组件 4图 3-1 组件程序的移植 不同部门或单位在进行产品设计时所使用的三维特征造型的 CAD 是不尽相同 的，不应该强求一致。而不同的 CAD 系统的开发接口也支持不同的开发语言，并 且系统设计者对编程语言的喜好和熟悉程度也存有不同，因此在开发系统的 CAD 信息获取模块时，应用 COM 规范进行接口设计就显的尤为重要了。因为这样可以 使得信息转换系统不会过分依赖于上游所采用的 CAD 系统。 CAD 系统和转换系 在 统之间架设基于 COM 规范的桥梁， 就可以使基于不同 CAD 系统和语言开发的信息 获取模块简单的组合到系统中，形成新的应用，实现系统良好的通用性。具体过 程类似于图 3-1。§3．1．2 特征信息的转换本文的特征信息转换是指从设计特征到加工特征的变化过程， 具体的说包括 特征的产生、继承、变异、抽象、映射和消亡[7]，它们的含义如下： 特征的产生指因为功能、工艺的需要而创建特征，这个过程常发生于设计阶 段。 特征的继承是指产品模型在变换中要继承前驱模型的特征，例如类型、尺寸 等。26西北工业大学硕士学位论文第三章特征信息转换的思想和系统的总体设计特征的变异是指特征的渐进式变化的特性，例如特征的分解、组合和修改等 过程。 特征的抽象是指特征的浓缩、抽象，例如把孔抽象成中心线。 特征的映射是指从功能、形状、工艺、检测等多个视角来认识产品模型，可 用于特征的信息转换。 特征的消亡是指特征经过相交、 合并或制造和装配的需要而自动消失或按需 求而删除的过程。 从 CAD 系统中获得了产品的设计数据后， 转换系统根据规则对数据进行如下 的处理： 1．系统首先对产品的设计模型进行初级转化，生成产品的预处理模型，然 后依据规则把产品完全用基本特征表示。 在这个过程中， 设计特征被分解、 去除、 一对一映射或组合成具有一定加工语义的基本特征。 基本特征是在加工特征级别 上的不可再分的最小单元，其判断规则是系统的基本规则。此时系统中描述产品 的模型是基本特征模型。 2．在产品基本特征模型的基础上，根据基本特征之间的各种关系，依据系 统的定义规则将这些特征组合成符合加工需要的复合特征。 组合复合特征的方法 一般与具体的生产部门或单位的加工实际情况有着密切的关系， 所以关于这些规 则大多定义为系统的扩展规则，由使用人员来制订。此时的产品模型已经转化为 加工特征模型。 3．最后，系统根据加工特征的几何和拓扑参数对加工特征进行重定向，推 断出所有符合加工实际的加工特征模型提供给后续系统。§3．1．3 基于设计特征的信息转换思想特征信息转换是指把某一个应用领域中的特征转换为另一个应用领域的特 征，在本文中是把设计特征转换成可供 CAPP 系统使用的加工特征。基于设计特 征的特征转换不同于在几何模型上的特征识别， 它是在已经使用特征进行设计完 成后的模型上进行转换的， 为其实现所提供的信息较特征识别所面对的信息语义 层次更高，所以转换的过程将相对的容易。但是在转换过程中辅以特征识别的方 法也是必不可少的。其过程如图 3-2 所示。基于设计特征的特征信息转换具有现 实的应用意义，可以概括如下：27西北工业大学硕士学位论文第三章特征信息转换的思想和系统的总体设计?通用性强：对于不同的生产部门和领域，不必对系统进行较大的修改，只需重 新制订相应的规则即可实现应用。 ?自动化程度高：转换的过程在后台进行，无须人工参与，避免了人为的干扰而 产生错误，利于系统集成的需要。 ?扩展性好：实现 CAD 系统与下游系统的分离，只需编写不同的 CAD 信息处理模 块就可以在不同的 CAD 系统中进行应用。设计特征信息的处理 转换器 加工特征转 换 规 则图 3-2基于设计特征的特征信息转换思想§3．2系统的总体设计和功能模块根据基于设计特征的特征信息转换思想，系统的总体结构可以划分为三个大 的模块，其构成如图 3-3。§3．2．1 CAD 信息获取模块这个模块从 CAD 系统中获得转换系统所需要的特征的几何和拓扑信息，去除 各种 CAD 系统的辅助信息（如颜色、光照等） ，按照系统规定的方式表示产品， 在这个模块中所得到的是系统的预处理模型。当 CAD 系统变化时，不必修改整个 系统的源码，只需重新编写 CAD 信息获取模块即可，这样就可以实现下游系统与 CAD 的独立性，从而提高系统的通用性。§3．2．2 特征转换模块这个模块主要包括事实解释器和特征转换器两部分。事实解释器把 CAD 信息 获取模块中所得到的设计特征的几何/拓扑信息转化为系统可以处理的事实，做28西北工业大学硕士学位论文第三章特征信息转换的思想和系统的总体设计为事实库的初始信息。 特征转换器依据系统已经建立的规则对特征的各种条件进 行推断和操作以实现信息的转换，知识库系统就应用在这一部分。同时，它还对 生成的基本特征模型进行处理，最终生成加工特征模型。这一模块是系统的核心 部分。 CAD 系统输入 系统内部 初始模型规 则 建 立界面CAD 信息 获取模块预处理 模 型特 征 信 息 转 换 模 块事实解释器转 换 规 则 建 立 模 块规则管理输入 操作 浏览 检验规则特征信息转换器规则规则库加工特征 模 型输出CAPP 系统 图 3-3 系统的总体结构29西北工业大学硕士学位论文第三章特征信息转换的思想和系统的总体设计§3．2．3 转换规则的建立模块此模块提供用户一个友好的界面以便用户在实践中不断的修订系统的规则， 同时也提供规则的输入、浏览、操作（如删除、修改）等管理功能。在这个模块 中，规则的有效性检查是十分必要，这可以保证系统中的规则不会出现冲突而产 生互相矛盾的结果。它是与系统的规则使用模块（特征转换模块）相对独立的， 修改规则不会引起系统全局的改动，便于系统的维护。§3．3本章小结本章首先论述了特征转换的概念，然后提出了基于设计特征的特征信息转换 思想，并在此基础上构划出特征信息转换系统的总体结构。整个系统主要可以分 为 CAD 信息获取模块、特征转换模块和转换规则的建立模块三大部分。其中在 CAD 信息获取模块中生成的是产品的预处理模型，这一部分是实现系统通用的关 键；特征转换模块是系统的核心，它根据规则完成设计特征向加工特征的转换， 并最终生成为后续过程所使用的产品加工特征模型； 转换规则的建立模块则用来 对系统所使用的知识进行管理。另外，本章从系统通用性的角度出发，还提出了 组件化程序设计思想和基于 COM 的产品信息输入等重要概念。30西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立第四章 特征转换的关键――系统级转换规则的建立§4．1 转换规则的分类特征的转换规则是实现特征转换的基础。本文的转换规则分成两种类型，一 种是系统运行所必须的通用的基本特征的识别规则-----基本规则（也称为内部 规则） ；另一种则是根据生产实际需要的不同，在应用中由具体的应用域进行扩 充的规则-----应用规则，它可以是一些新特征的定义或特征的新识别方法，也 可以是对基本特征的重新组合。因此，本系统的规则可以分为两个层次，基本规 则和应用规则。其中，基本规则的建立是系统得以运行的基础，而划分出应用规 则这一层次则是为了提高系统的柔性化所进行的一种扩充和完善。 基本规则在系统的建立之初由系统的开发者来制定，这些规则主要是把从 CAD 系统中所获得的模型的微观几何/拓扑数据转化为系统所定义的基本特征， 同时它也提供一些基本的组合特征（如阵列孔）的定义。 应用规则是系统的使用部门根据本行业或单位的具体特点， 对特征进行符合 生产习惯的组合并对各种专用特征进行定义所形成的， 这些规则是对基本规则的 补充。 本文所要完成的任务是构建系统级的基本规则， 并且对于定制应用规则留有 符合 COM 规范的接口。§4．2 转换规则的建立基础§4．2．1 凸凹边的判定在本文的特征转换规则的建立过程中,有一个重要的概念就是边的分类,即 确定边的凸凹性，它是进行特征信息转换的重要判据。以下根据不同情况描述它 的具体算法。 如图 4-1a 所示，我们定义边的凸凹性是建立在与边相连接的两个面所形成 的二面角（与两个面的法矢都平行的面与这两个面有两条交线，则交线在这两个 面间的夹角称为这两个面的二面角。 ）的概念基础上的。31西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立?凸边：当与边相连接的两个面所夹的二面角 此边是凸的，如图 4-1b。 ?凹边：当与边相连接的两个面所夹的二面角 是凹的，如图 4-1c。满足 180°&&360°时，则称满足 0°&凸边&180°，则称此边二面角凹边(a) 图 4-1(b) 凸凹边的定义(c)要确定边的凸凹性时，还需要首先规定区域边界正方向的概念。 ?定义 1：区域边界的正方向是指当在边界上沿着 这个方向前进时区域的内部 始终在我们的左手方向，如图 4-2。 由这个定义我们可以得出以下的两个结论： ?判据 1：当边界是面的外环时，边界的正方向与面的局部法矢（所谓局部法 矢是指在前进点的某个领域内的一点所做的面的法矢）符合右手螺 旋定则。 ?判据 2：当边界是面的内环时（也称为孔） ，边界的正方向与面的局部法矢符 合左手螺旋定则，即与局部法矢的反方向符合右手螺旋定则。局部法矢 局部法矢 局部法矢图 4-2 区域边界正方向的定义 在定义了区域边界正方向的概念后， 我们就可以具体的定义面上的一个边的 正方向的概念。 ?定义 2：面上的边的正方向与边所在的面的边界的正方向相同。32西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立设与我们要讨论的边 e 所连接的两个面分别为面 f1 和面 f2，面 f1 的局部 法矢为 n1，面 f2 的局部法矢为 n2，如图 4-3，由于边 e 必然是在面的边界上， 所以，不失一般性，可以确定在面 f1 中边 e 的正方向，并令其为矢量 n3。则有 如下的两条结论： ?结论 1：当 n1 ×n2 求得的矢量与 n3 的方向相同时，则边 e 是凸的。 ?结论 2：当 n1 ×n2 求得的矢量与 n3 的方向相反时，则边 e 是凹的。 n1 n2f1n3f2e图 4-3 边的凸凹性计算例图§4．2．2 面的分类根据面上的外环各个边的凸凹性变化规律，我们对面进行如下的分类（见 图 4-4 示例） ：o b c ub b o b o o b t o o图 4-4 对面进行分类的一个例子 ?通面（Through） 如果一个面的外环上的边的凸凹性变化两次，则此面 ：33西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立是通面。 ?开放面（Opened） ：如果一个面的外环上的所有边都是凸的，则此面是开 放面。 ?闭合面（Closed） ：如果一个面的外环上的所有边都是凹的，则此面是闭 合面。 ?边界面（Bounded） ：如果一个面的外环上的边的凸凹性变化一次，则此面 是边界面。 ? 非边界面 （UnBounded） 如果一个面的外环上的边的凸凹性变化三次或三 ： 次以上，则此面是非边界面。§4．3 识别模型的建立§4．3．1 设计特征信息的获取虽然本文的研究是在 UGII 上进行二次开发，但是在上一章中，已经指出基 于设计特征的转换具有广泛的适应性，通过 CAD 信息获取模块使得 CAD 系统与 CAPP 系统相分离，系统只关心 CAD 中所可以获得的对特征转化有效的信息， 而并不关心所使用的具体的 CAD 系统。因此，不论将使用何种当前的商业三维 CAD 系统，本文所要求提供的信息都是基本相同的。 当设计员使用特征造型 CAD 系统建立产品的设计特征模型后， 在这个特征模 型中已经隐含了零件微观层次上的 Brep 信息。因此，我们可以从 Brep 模型中获 得零件的微观特性---几何/拓扑信息，即具体到点、线、面和它们的相互连接关 系这一层次上的数据，这些信息是进行特征转换所必须的，不论采用哪一种三维 CAD 造型系统，当通过系统的 CAD 信息获取模块取得这些数据后，经过处理后使 用系统所定义的数据结构进行存储，供以后的转换过程调用。 我们还可以从产品的设计特征模型中获得一定的产品加工信息。 根据所使用 的 CAD 系统不同所获得的信息可能不尽相同，但是一般可能包括如下的信息：毛 坯的类型和材料种类、硬度、粗糙度，设计特征的一些参数，如尺寸、位置、公 差和表面粗糙度。 系统的 CAD 信息获取模块要根据所获取的信息的种类进行必要的处理， 转化 成系统统一的数据结构才能供系统进一步的应用。 具体的说， 处理过程如下所述：34西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立?对于产品的整体加工信息，直接写入信息转换后的输出信息中。 ?对于产品的几何/拓扑信息通过处理后转化成系统所建立的数据结构---改进的面属性连接图中。 ?对于附着在微观层次上的加工信息，在确定微观特征所属于的加工特征之 后，这些信息自然的转化为此加工特征的附着信息。 ?对于附着在设计特征上的信息，将之降级到附着在设计特征的微观特征的 层次上， 在转化过程中随着其微观特征从属关系的转变而从属于新的加工 特征。§4．3．2 重要的数据结构――改进的面属性连接图系统的 CAD 信息获取模块在获得产品设计特征的信息后， 要对这些信息进行 处理和加工，以便生成系统内的统一产品描述模型。在这些信息中，产品的几何 /拓扑信息是最重要的，它不仅是描述产品形状和功能所必须的，而且也是系统 所获得的其它信息存在的基础。 为了存储系统所提取的数据， 本文采用一种经过改进的面属性连接图来记录 从 CAD 系统中获得的信息。在定义这种数据结构之前，首先要引入下面的一些定 义。 ?定义 1（边界图----boundary graph） ：一个实体 S 的边界图可以表示成 BR=（V，E，F） 。其中，V 是实体 S 中顶点的集合&x，y，z&∈R3，E 是 S 中边的集合，而 F 是 S 中的面的集合。每条边可以表示成 e=&vi， vt，L&， vi∈V 是边的起点，vt∈V 是边的终点，L 则表示所有与边 e 相连接的面组成的集合；F 中的每个元素 f 由一系列的有向边所组成 的环的列表、定义面的方程来表示。第一个环在外部包围着面，因此 称为外部边环，环列表中的其余环（也可能没有）称为内部边环，它 们定义面上的孔。从直觉上来说，f 就是由方程所定义的这些边环包 围的面。 ?定义 2（外部面） ：如果面 f1∈F 与面 f∈F 相连接，并且面 f1 与面 f 相接 边中存在一条边 e 在面 f 的外边环中， 则称面 f1 对于面 f 是外部面。 对边界图进行简化就可以引入实体的有向面连接图的概念。 在这种数据结构 中，每一个节点代表实体中的一个面。如果面 f1 与面 f 有邻接关系，则在与它们35西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立对应的节点间有两条带有标号的有向弧使之发生相关。 一条弧描述连接边的凸凹 性，另一条弧则用来描述一个面相对于另一个面是内部面还是外部面。由此可以 定义实体的有向面连接图。 ? 定义 3 （有向面连接图 OFAG） 实体的有向面连接图可以表示为 G= ： （F， ， E） 其中 F 是类型面的集合而 E 是类型边的集合。F 中的面节点与 BR 图中面节点存在一一对应的关系。 实体中的每条边在图中有两条边 与之相对应，可以用&fi，fj，l1，l2&的形式表示，fi ∈F，fj ∈F， l1 ∈{+，-}，l2 ∈{ext，int}。当 fi 与 fj 的连接是凸边时，则 l1 取+，否则 l1 取-；当 fj 对于 fi 是外部面时，则 l2 取 ext，否则 l2 取 int。 本文根据应用的需要，对上面定义的 OFAG 的面节点加入了一定的加工工艺 信息，构造出重要的数据结构---改进的面属性连接图（ROFAG） 。在这个数据结 构中存在两种节点------属性面节点和连接边节点。 属性面节点的描述类似如下形式： typedef struct facenode{ feature_ face_ face_ face_ * vec_ point1; *unsigned unsigned unsigned int int edgelist fag_vector fag_point doublemachine_info }其中，feature_id 表示面所属的特征的标志号； face_id 表示所引用的面在实 体中的标志号，它由系统在获得 CAD 信息时来定义；flag 表示此边所在的面是 否被访问过，开始时所有面的 flag 都置为 0（表示没被访问过） ；face_type 表 示面的类型；face_class 表示面按照 4．2．2 节描述的定义进形分类的结果；36西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立loop 存储面上的所有环，第一个环存储外环，通过环可以获得这个面的边，而 通过边又可以得到与此面相邻接的所有面；vec_face 代表的是一个矢量，根据 面类型的不同而有所区别，当是平面时，vec_face 与平面的法矢相同，当为圆 柱面、圆锥面或圆环面等旋转面时，此为它们轴线的矢量；point1 是面上的一 点； radius 表示回转面的半径，当面的类型是平面时，值是 0，当为回转体时 则依次记录不同的各个半径；info 的作用是引用一些加工信息，这些信息可能 包括这个面的公差、表面粗糙度等信息。 另一种类型的节点就是连接边节点 adjedgenode: typedef struct unsigned int int int fag_point fag_point } 其中 edge_id 是用来唯一的确定这条边的编号； jface_id 表示通过这条边与边 所在面相连接的面的标识号；labeled1 用来记录边的凸凹性；labeled2 表示面 的邻接是属于内部面或外部面；如果边是有顶点（如直线）的，则用 vertex1 和 vertex2 记录这些顶点，如边没有顶点（如圆） ，则 vertex1 和 vertex2 置为空。 属性面中的元素 loop 是边的集合，而每条边就是使用连接边节点来表示的。当 需要获得产品的信息时，可以对改进的面属性图进行周游而完成特征的转化工 作。 adjedgenode{ edge_ jface_ labeled1 labeled2; vertex1; vertex2;§4．4 转换规则建立的研究§4．4．1 知识及知识库系统1．知识 人类的智能活动过程主要是一个获得并运用知识的过程，知识是智能的基 础。为了使系统能够对所提取的产品信息进行类似于人的智能进行推理，得出合37西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立理的结论就必须使系统具有知识。因此，本文对于系统级的转换规则的实现是建 立在一个基于规则的知识库系统上的。 知识是人们在长期的生活和社会实践、 科学研究及实验中积累起来的对客观 世界的认识和经验，人们把实践中获得的信息关联在一起，就获得了知识。通常 把有关信息关联在一起所形成的信息结构称为知识。 知识反映了客观世界中事物 之间的关系，不同事物或相同事物间的不同关系形成了不同的知识。按照知识的 作用及表示进行划分，可以把知识分为三种类型[15]： 1．事实性知识：描述领域内的有关概念、事实、事物的属性及状态，一般 采用直接表达的形式。 2．过程性知识：与领域有关的知识，用于指出如何处理与问题相关的信息 以求得问题的解，它一般是规律性知识，由领域内的规则、定律、定理 及经验构成。 3．控制性知识：又称为元知识，是关于如何运用已有的知识进行问题求解 的知识，因此又称为“关于知识的知识” 。 知识主要具有以下一些特性： ?相对正确性 知识是人们对客观世界认识的结晶，并且受到长期实践的检验。但是任何知 识都是在一定的条件及环境下产生的， 因此也只有在这种条件及环境下才是正确 的，一定的条件和环境是知识成立的前提。 ?不确定性 知识是有关信息关联在一起形成的信息结构。由于现实世界的复杂性，信 息可能是精确的，也可能是不精确的、模糊的；关联可能是确定的，也可能是 不确定的。因此知识也并不总是或“真”或“假” ，它还存在一个正确的程度。 ?可表示性与可利用性 知识可以用适当的形式表示出来，如文字、语言、图形，知识的这一特性使 得它可以存储和传播。知识的可利用性是显而易见的，人们解决各种问题的过程 就是一个运用所掌握的各种各样知识的过程。 2．知识库系统 如果一个系统具有能够用计算机所存储的知识对输入的数据进行解释， 生成 作业假说并能对其进行验证的功能，那么这个系统就可以被称为知识库系统。[14]38西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立具体的说，知识库系统就是能够对人类的知识进行存储、管理、加工，并且根据 需要对知识进行处理和应用的系统，它用于模拟人类决策过程中的某些智能行 为。知识是知识库系统的核心，知识库系统的一切工作都是围绕知识来进行的。 知识的表示和知识的采集因此成为知识库系统研究中的关键问题。 ?知识的表示 所谓知识的表示就是对知识的一种描述，或者说是一组约定，一种计算机可 以接受的用于描述知识的数据结构。知识的表示是计算机科学研究中的重要领 域，智能活动过程主要就是一个获得并利用知识的过程。建立知识库系统时一个 关键的问题就是寻找知识在计算机中的合理表示形式， 以便于知识的存储、 检查、 使用和修改。 知识表示法概括起来可以分为符号表示法和连接机制表示法两大类。 符号表 示法是用各种包含具体含义的符号， 以各种不同的方式和次序组合起来表示知识 的一种方法，它主要用来表示各种逻辑性知识。连接机制表示法是神经网络技术 表示知识的一种方法，它把各种物理对象以不同的方式及次序连接起来，并在其 间互相传递及加工各种包含具体意义的信息来表示相关的概念和知识。 相对于符 号表示方法，连接机制表示法是隐式的知识表示方法[16]。 在人工智能领域，知识的表示方式是多种多样的，具体说来主要有谓词表示 法、产生式规则表示法、框架表示法、语义网络表示法、脚本表示法、过程表示 法、Petri 网表示法和面向对象表示法等。 ?知识的采集 知识的采集是指从知识源获得知识来构造知识库的过程。 它是知识工程师与 领域内专家共同工作的结果。知识库系统除受系统结构和推理机制影响外，专家 知识是决定系统质量至关重要的因素， 因此专家知识的采集也就成为开发知识库 的一个重要环节。知识库中的知识有两种主要来源，一种是原始知识，由系统建 立时预先写入知识库；另一种是再生知识，由推理机构生成后添加到知识库中。 知识采集过程大致如下所述：首先确定问题的实质，建立问题的模型；其次 选择合适的知识表示形式，建立问题的求解框架；再次实现知识库的原型系统； 最后对原型系统进行测试并完善知识库。知识的采集主要有两大类方法：非自动 式（见图 4-5）和自动式[16]。根据知识库系统的开发者和领域专家之间的工作方式不同，非自动式知识采集也有两种形式：主动式和被动式。主动式的知识采集39西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立是开发者提出问题，领域专家进行解答，在交互中完成工作；被动式的知识采集 则是开发者不干扰专家的工作，而在观察中获得知识。自动式的知识采集方法主 要是指机器学习。文献 专家 对话 阅读 系统开发者 知识编辑器 知识库图 4-5非自动式知识采集知识采集的具体方法有很多，其中比较常用的方法有面谈法、模拟法、口述 记录分析法等。 机器学习多应用于连接机制的知识表示方式中， 主要有类比学习、 概念学习、事例学习、解释学习和神经网络学习等方法[15]。§4．4．2 知识库系统结构及转换规则的表示本文在进行特征转换时， 需要对从零件设计特征模型中提取出的信息进行处 理。其中对于基本特征的转换是这些处理中尤为重要的步骤，只有在基本特征分 离出来以后，才可以进行符合加工应用的模型处理。可以说，它是进行后续一切 工作的基础，因此建立基本特征的转换系统，即转换知识库系统必然是实现系统 的关键环节，而系统中的知识，即转换规则的表示更是系统实现的核心要素。 本文采用产生式系统做为知识库的系统结构，它的系统结构如图 4-6。主控模块管 理 规 则 库建 立 事 实 库新事实 推 事实 理 机 解 释 机规则库规则匹配事实图 4-6 知识库系统结构 系统由规则库、推理机、事实库和解释机四个基本部分组成。系统的规则库 是描述转换规则的产生式的集合，它是系统赖以进行问题求解的基础，其知识的 完整性、一致性，表达的准确性和灵活性，对知识组织的合理性不仅影响系统的40西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立性能，而且还影响系统的运行效率。事实库又称为综合数据库、上下文，它是一 个存储问题求解过程当前信息的数据结构，如问题的初始状态、原始证据、中间 结论和最终结论。推理机是程序，它按一定的求解策略负责整个系统的运行，实 现问题的解决。解释机构则对推理产生结论的过程进行解释。 规则库中的规则采用产生式的表示方法，它有以下优点： 1．产生式用“如果…，那么…”的形式表示知识，符合人们的日常习惯，直 观、自然，便于推理。 2． 产生式是规则库中最基本的知识单元， 同推理机构相对独立， 并且每条规 则都有相同的形式，便于知识的添加、删除和修改，方便知识库的建立和 维护。 3． 产生式有固定的格式，它均由前提和结论组成，便于对规则的设计，易 于对规则库中的知识的一致性和完整性进行检验。 严格描述产生式的巴科斯范式 BNF（Backus Normal Form）如下： &产生式&： ：=&前提&→&结论& &前 &结 提&： ：=&简单条件& | &复合条件& 论&： ：=&事实& | &操作&&复合条件&： ：=&简单条件&AND&简单条件&[（AND&简单条件&…）] | &简单条件&OR&简单条件&[（OR&简单条件&…）] &操 作&： ：=&操作名&[（&变元&，…）]产生式通常用来表示具有因果关系的知识，其基本形式是 P → Q 或者是 IF P THEN Q其中 P 是产生式的前提，指出此产生式是否可用的条件，Q 是一组结论或操作， 指出当 P 所指出的条件满足时，应推出的结论或应执行的操作。产生式的含义就 是：如果前提 P 被满足，则可推出结论 Q 或执行 Q 所规定的操作。 本文的知识库系统对事实采用三元组的形式进行表示， 其形式是&特性-对象 -取值&（attribute-object-value） 。例如，对于一个 6 厘米高，直径 2 厘米的 圆柱体这样一个事实的描述如下： （具有，物体，三个面）41西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立（类型，面 1，平面） （具有，平面，一个环） （类型，环，外圆） （类型，面 2，圆柱面） （高，圆柱面，60） （直径，圆柱面，20） （类型，面 3，平面） （具有，面 3，一个环） （类型，环，外圆） 转换的进行正是依据从 CAD 系统中所获得的一系列事实才能完成， 这些事实的组 合构成产生式规则的前提， 而产生式规则的结论则是根据这些事实所得出某种加 工特征的类型和参数。无论是在前提中还是结论中，事实都使用上述的三元组表 示方法。例如判定一个通孔的产生式规则可以定义如下： IF （具有，特征，一个面） AND（类型，面，圆柱面） AND（高，面，depth） AND（直径，面，diameter） AND（具有，面，两个环） AND（类型，环 1，凸外圆） AND（类型，环 2，凸外圆） THEN （类型，特征，通孔） （孔径，参数，diameter） （孔深，参数，depth） 又如，对于开槽（Slot）的判定规则定义如下： IF （具有，特征，三个面） AND（类型，面 1，平面） AND（分类，面 1，通面） AND（类型，面 2，平面） AND（分类，面 2，边界面） AND（类型，面 3，平面）42西北工业大学硕士学位论文第四章 特征转换的关键---系统级转换规则的建立AND（分类，面 3，边界面） AND（关系，法矢，面 2 与面 3 相