随着计算机辅助设计技术在制造领域应用的广度和深度不断加大,企业积累了海量的三维CAD模型。这些模型不仅包含了丰富的设计知识与功能语义,还承载了设计者的智慧和经验,为产品设计重用提供了丰富的资源库。如何快速、充分发掘和重用已有的三维CAD模型是企业提高设计效率、快速响应市场的关键。
检索作为支持设计重用的直接方式而备受关注。通过对模型进行相似性比较获得具有重用价值的整体模型或模型局部结构是产品设计重用的重要手段。然而,产品的功能与三维CAD模型的结构是两种完全不同的表现形式,二者的关联关系存在缺失,造成“语义鸿沟”问题,使得设计者无法在产品概念设计阶段直接通过功能需求检索获取可重用模型的结构;同时,三维CAD模型的结构复杂性及提取的模型特征数据的高维性,使得模型检索的效率及准确率难以满足用户要求。本文针对上述需求,对三维CAD模型检索过程中涉及的关键技术进行研究与探索。从三维CAD模型特征提取出发,面向不同复杂程度的零件模型及装配体模型,建立了高效的检索机制及通用的检索方法,提高检索效率。同时,在功能语义和模型结构之间建立了映射,为模型结构标注语义,便于检索。本文的主要研究内容如下:
(1)提出了一种基于聚类的三维CAD模型分割方法。以零件模型为对象,提取模型中各个面包含的几何信息和面与面之间的拓扑信息等,构建了零件模型对应的面属性邻接图;依据邻接矩阵及图的谱理论对三维CAD模型进行降维处理,将三维模型转换为二维平面坐标系中的点集;利用基于轮廓系数的聚类算法对二维平面坐标点集进行聚类,根据聚类结果实现了对三维CAD模型的分割,获得了具有一定工程意义且数目合理的局部区域集合。该分割方法降低了模型的形状复杂度,为提高三维零件模型检索效率奠定基础。
(2)提出了基于粗糙集理论的三维装配体模型关键功能零件的识别方法。装配体模型自身数据对功能零件的排序过程进行驱动。分析了复杂装配体中零件类型以及零件与零件之间的装配连接关系,构建了基于复杂网络表示的装配体模型;提取各零件节点的拓扑结构层和零件属性层数据及零件类型分别作为条件属性和决策属性;使用基于动态层次聚类的算法对零件决策信息表中的数据进行离散化处理,并利用基于属性重要度的启发式约简算法进行知识挖掘,消除冗余条件属性,获得属性约简集及其相应的属性权重;通过综合评价获得了具有关键功能的子装配零件。该识别方法为简化装配体模型、提高模型的检索效率提供技术支持。(3)提出了一种基于层次描述子的三维CAD模型相似性检索框架。从装配层和零件层两个维度构建三维CAD模型层次描述子,自顶向下、由整体到局部的描述模型几何、拓扑特征,构建装配体模型对应的层次描述子。在装配层面,提取了装配体模型的Bag-of-Relationships(Bo R)模型及零件属性邻接矩阵的谱向量作为描述子;在零件层面,以关键功能零件为代表,提取了各关键功能零件的面属性邻接矩阵的谱向量及各零件的面属性编码作为描述子。采用从粗到精、逐步深入的检索策略,将装配体模型的相似性比较转化为赋权完全二分图的最佳匹配过程。该框架在降低模型表征的复杂程度的同时减少比较次数,从而提高模型的检索效率。
(4)提出了一种三维CAD模型功能语义自动标注的方法。构建了三维CAD模型的功能本体,为样本库中的模型包含的关键功能零件进行功能语义标注;通过待标记模型与样本库中模型进行相似性比较,查找相似的模型局部结构,进行功能语义的传递,为待标注模型的关键功能零件贴上功能语义标签。在模型的高层语义特征和底层特征之间建立了一种映射关系。引入自动学习机制进行模型的自动标注,为装配体模型的功能语义标注问题提供了一个有效的解决策略。通过识别关键功能零件将复杂装配体的标注问题转化为结构简单的零件标注问题,能够较好的提高装配体模型的功能语义标注的准确性,降低标注难度。同时,为设计者在概念设计阶段使用基于功能语义的模型检索奠定基础。
(5)以三维CAD模型为研究对象,设计、开发了一个面向设计重用的三维CAD模型检索系统MRS-DR1.0(3D CAD Model Retrieval System for Design Reuse 1.0)。在前文的研究基础上设计了一个面向产品设计的三维CAD模型检索系统,实现了三维CAD模型分割、关键功能零件识别、三维CAD模型相似性检索及模型功能语义标注等功能,对本文提出的方法予以程序实现,给出实例进行测试,初步验证了本文所提理论、方法的有效性与可行性。
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