融合制造语义的三维CAD模型检索方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北工业大学 作者:黄 瑞

  为了更好地实现面向制造领域的三维CAD模型制造信息的有效重用,提出一种融合制造语义的三维CAD模型检索方法。首先将三维CAD模型转化成以制造特征为基础语义对象的结构化表示的CAD模型,并用制造特征耦合图来表示;然后提取用于评价两个制造特征之间相似性的属性信息,构建多属性融合的制造特征相似性加权评价模型,并以此来构建以制造特征为节点的完全二分图;最后采用最优匹配算法计算出各制造特征的最优匹配方案来计算两个三维CAD模型的相似度,以此作为评价模型相似性的依据。实验结果表明,该方法能够较好地实现融合制造语义的三维CAD模型检索,可以有效地支持面向制造领域的三维CAD模型制造信息的重用。

引言

  研究和统计分析表明,在新产品研发中,约40%是重用过去的部件设计,约40%是对已有部件的微小修改,而只有20%是新的设计,这一特点同样存在于产品的工艺和制造阶段。方便、准确地获取和重用已有的相似性设计成果,是提高产品开发效率和质量、缩短产品开发周期的有效途径之一。目前,基于三维模型的产品设计与制造已成为离散制造业的主流模式,由于产品三维模型具有可视化、数字化和虚拟化等特点,已成为产品开发各环节如计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)、计算机辅助工艺设计(Computer AidedProcess Planning,CAPP)等不可或缺的基础载体。从可重用性角度讲,产品三维模型也具有非常重要的作用,如在新产品开发中,若能首先检索出已有相似产品的三维模型,则可由产品三维模型的相似性推断其功能/结构、加工工艺、工装需求、数控编程和检验测量等不同设计制造环节的相似性,通过有效重用各环节的设计成果(修订或变形设计),快速开发出新的产品。另一方面,随着企业数字化设计和制造进程的延续与发展,产品三维模型的数量也在不断递增,它们凝聚了企业的设计成果和智慧结晶,已成为企业核心竞争力的重要智力资源。基于内容的三维CAD模型检索技术为数字化设计制造成果的有效重用提供了一种全新的支持手段。

  近年来,三维模型检索研究正在向融合语义的方向发展,以更好地支持面向领域的重用,其基本思想是不仅考虑检索对象形状的相似性,还要考虑应用领域语义上的相似性。在机械工程领域,许多研究将特征视为三维CAD模型基本的语义“特征”。Cicirello等提出利用加工特征之间的关联关系,将三维CAD模型中识别出的制造特征组织成模型依赖图(Model Dependency Graph,MDG),以完成模型间的相似性比较;Ramesh等通过体分解方法识别零件三维模型的加工特征,通过加工特征类型、方向、数量等7个特征向量的比较,对模型进行相似性评价;Cardone等将三维模型相似性评价用于支持零件的加工成本估算,引入加工特征的走刀方向和进给方向等信息,以反映装夹次数等与工时估算相关的制造语义,并将加工特征的属性向量映射到高斯球上,以便于相似性的度量;Li等以设计特征模型为输入,提出一种基于知识的三维CAD模型全局检索方法,该方法以表征模型内部设计特征及其依赖关系的特征依赖有向无环图(Feature Dependency Directed Acyclic Graph,FDAG)为基本结构,以D2形状描述符为表征方法,以向量间的距离为相似性度量手段,完成模型间的匹配;Bai等提出一种面向设计重用的三维CAD模型可重用区域提取和表征方法,通过树匹配算法实现由简单查询实例到完整可重用区域的局部检索。但是总体来说,这些方法均没有考虑尺寸、公差、加工精度等语义信息,还不能很好地支持产品制造阶段的应用。

  目前,基于模型的定义(Model Based Definition,MBD)的概念和方法正在制造业得到日益关注和青睐,MBD通过直接在三维模型上标注或集成尺寸、公差、技术要求等信息,以三维模型作为产品设计、制造和检测等信息表示的唯一载体[8]。MBD方法的应用已成为CAD 技术发展的重要趋势之一,其出现也为融合制造语义的三维CAD模型检索提供了便利条件。因此,本文将以MBD表示的三维CAD模型作为信息输入源,充分考虑可制造性、尺寸、公差、加工精度等语义信息在工艺设计阶段对模型相似性的影响,提出一种融合制造语义的三维CAD模型检索新方法。该方法首先将三维CAD模型转化为以制造特征为基础语义对象的结构化表示的CAD模型;然后提取用于相似性比较的结构化CAD模型的属性信息,并将结构化CAD模型所包含的特征看成一个被赋予属性的点,节点的属性表征了该特征的形状和制造语义信息,这样每个三维CAD模型可以用一组属性节点表示,两个模型之间的相似性就可以通过两组节点间的相似性比较实现;最后利用完全二分图的最优匹配算法实现两组节点之间的相似性评价。

4、结束语

  三维CAD模型中携带的制造语义信息在面向领域重用的三维CAD 模型检索中占有重要的地位。本文提出了一种融合制造语义的三维CAD模型检索方法,在三维CAD模型相似性评价过程中,首先将其转化为以“制造特征”为基础语义对象的结构化CAD模型,在此基础上进一步融合制造语义信息,构建多属性融合的制造特征相似性加权评价模型,通过计算两个相比较结构化CAD模型中各个制造特征的最优匹配方案,计算两个模型的相似度。实验结果表明,本文算法能够实现融合制造语义的三维CAD模型相似性评价,对数字化制造成果的有效重用、快速工艺设计、新一代三维CAPP系统的研发等具有重要的科学意义。

  下一步研究工作包括:①深入考虑工具、装夹、生产类型等信息对制造工艺相似性的影响,进一步提高三维CAD模型检索精度;②引入特征描述子索引机制,提高三维CAD模型的检索效率。

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