专利名称：一种多角度的曲面特征层次参数化方法
一种多角度的曲面特征层次参数化方法技术领域
本发明属于计算机辅助设计领域，特别是涉及特征技术中的曲面特征的参数化方法。
背景技术：
特征技术被认为是CAD/CAM中产品建模的一个事实标准，越来越多地应用于产品 设计领域，然而由二次曲面生成的规则特征已不能满足现代产品设计在功能和形状上的要 求。通过自由曲面特征来表示产品模型，可使得产品具有顺畅的外形和强大的功能，从而满 足用户需求，由此自由曲面特征研究已成为一个热点研究问题。
曲面特征技术于上世纪九十年代就引起学者的关注，设计者希望曲面特征能像规 则特征一样方便地进行设计。其中，曲面特征的分类和参数化表示是曲面特征中的重要和 基础性问题，近几年来，出现了一些曲面特征分类和参数化表示方法，但这些方法大多是从 某一角度对曲面特征进行分类且缺乏和特征参数相结合；已有曲面特征参数化方法中的映 射过于繁琐复杂，以致映射关系难以建立，仅能用于简单的曲面特征映射或特定的曲面特 征上，缺乏一般性。发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多角度的曲面特征层次参数化方法，该方法使得 用户能够通过少许高层语义参数编辑修改曲面特征，避免从底层的耗时耗力操作，能够有 效缩短产品开发周期和提高设计效率。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于先通过多个属性对曲面特征进 行多角度分类；再将特征类型与其参数结合实现参数化，首先，将曲面特征进行多角度分 类，包括以下步骤步骤SOl :根据曲面特征的总体形状，将曲面特征分为几个大类，按照不同曲面特征大 类的类型，设置具有一定形状信息的高层语义参数；步骤S02 :根据步骤SOl的曲面特征大类、曲面特征带有的特征线类型及其特征线拓扑 关系和曲面生成方式，对曲面特征进行多角度多侧面进行分类；然后，特征类型与其参数结合实现参数化，包括以下步骤步骤S03 :根据曲面特征类型和语义参数，建立曲面特征类型分类的层次关系图，上层 为大类特征表示总体形状，下层为子类特征表示细节形状，下层继承上层属性；步骤S04:建立特征参数与特征形状间的映射关系，将曲面特征参数层次化分为高层、 中间层和底层，在高层与中间层间建立一级映射，中间层与底层间建立二级映射，形成“三 层参数两级映射”结构，实现层次参数化曲面特征；步骤S05 :如果曲面特征是组合特征时，在步骤S04上进行扩展，将组合特征参数层次 化分为组合层、高层、中间层和底层，在组合层与高层间建立高级映射，在高层与中间层间建立一级映射，中间层与底层间建立二级映射，形成“四层参数三级映射”的复杂结构，实现 组合曲面特征的层次参数化；所述曲面特征的总体形状是指将曲面的总体外形抽象为比较简单的几何形状，将具有 共性的曲面总体形状归为一类，在每类特征上设置相关参数表示曲面的高层语义信息，如 长、宽、闻。
所述曲面特征的多角度多侧面分类包括曲面特征类型、特征线类型及其拓扑关系 和曲面生成方式，具体步骤为步骤iOl:将具有相同或相似特征外形的特征分为相同大类，任意一个曲面特征归属 一种大类；步骤i02 :—个曲面特征由特征线构成，根据特征线在曲面生成过程中的约束位置和 闭合性，约束位置分为边界约束型和内部约束性，闭合性分为开环型和闭环型；步骤i03 :根据步骤i02特征线的分类，曲面特征上两两特征线间的拓扑关系分为相交 和相离，相交分为交于一点、两点和多点，每个交点又可分为两个端点相交、一端点一中点 相交和两中点相交；步骤i04 :将特征线通过选择一种适合的曲面生成方式生成曲面，生成方式决定曲面 特征的形状形成过程，常见曲面生成方式由拉伸、旋转、蒙皮、扫掠、填充等。
步骤i05 :综合步骤iOl-104，将曲面特征分类和参数化结合，便于形成多角度的 曲面特征分类和分层参数化。
所述曲面特征分类层次关系图，将高层共性参数与曲面特征大类对应，相同大类 有相同共性参数，共性参数反映大类特征的基本外形和总体形状；个性化参数与曲面特征 子类对应，子类由大类派生，具有大类的相似基本外形并在局部形状上具有独特的形状，子 类特征不仅继承大类特征属性且具有新属性；相同大类不同子类的特征间的总体外形一致 但局域形状存在差异；每个子类特征可由一个大类或多个大类派生，多个大类派生的子类 具有多个大类特征共同的外形且具有独特的局部外形；子类特征可进一步扩展为更小子 类，整个曲面特征分类层次关系具有层次性、继承性、多样性的特点。
所述曲面特征参数层次化是指将曲面特征分为三层即高层、中间层和底层，特征 参数的高层为曲面特征参数，控制曲面特征的总体形状；中间层为特征线参数，控制特征线 的总体形状和控制曲面特征的局部形状；底层参数为特征线上的特征点，控制特征线的细 节形状。
所述特征参数与特征形状间的映射关系是指在特征参数和特征形状间建立一定 的约束和变形规则，使得用户能够通过具有语义参数编辑修改曲面特征的整体形状，建立 映射关系的具体步骤为步骤POl :在曲面特征的高层参数与特征线参数间建立映射关系即为一级映射，使得 高层参数的变化改变特征线参数；步骤P02 :在曲面特征的特征线参数与特征线的特征点参数间建立映射关系即为二级 映射，使得特征线参数的变化改变特征点参数。
所述三层参数两级映射结构是指将特征参数分为高层、中间层和底层三层，以及 将参数间的映射关系分为一级映射和二级映射，一级映射是建立在高层参数和中间层参数 之间，二级映射是建立在中间层和底层之间；用户通过修改高层的特征参数，先由一级映射将高层参数的改变引起中间层参数的变化，再由二级映射将中间层参数的变化改变底层参 数；底层参数变化后生成新的特征点，进而生成新的特征线，最后生成新的曲面特征；整个 过程由高层参数变化逐步引起下层参数变化，再由下层参数的变化引起几何位置形状的变 化，逐步向上改变曲面特征形状的变化。
组合层是指将两个或多曲面特征组合作为一个更高层次的特征，在组合特征上设 置新的特征参数，描述组合特征的总体形状，并在组合特征参数与组合特征形状间建立高 级映射，使得用户能够通过具有语义的高层参数编辑修改组合特征的整体形状，建立映射 关系的具体步骤为步骤q01 :在组合特征参数与其含有的各特征参数间建立映射关系，使得组合特征参 数的变化改变其包含的各特征参数；步骤q02 :在曲面特征的高层参数与特征线参数间建立映射关系，使得高层参数的变 化改变特征线参数；步骤q03 :在曲面特征的特征线参数与特征线的特征点参数间建立映射关系，使得特 征线参数的变化改变特征点参数。
本发明通过多侧面多角度对曲面特征进行分类，将曲面特征的总体形状作为大类 且能派生出具有局部形状特征的子类；再将特征类型与特征参数结合，实现曲面特征的参 数层次化，从而使得用户能够通过少许具有语义的高层参数编辑修改曲面特征，避免了繁 琐的底层操作。该发明应用于CAD模型的曲面特征设计中，能够大大提高产品在功能和外 形上的设计需要，有效缩短产品开发周期和提高设计效率。
图1是本发明中一种基于多角度曲面特征层次参数化工作流程图；图2是本发明中从特征总体形状进行分类，总体形状为大类，每个大类包括多个子类 的不意图；图3是本发明中从特征总体形状、曲面生成方式、特征线类型和特征线间拓扑关系对 曲面特征进行多角度分类示意图；图4是本发明中提出的曲面特征类型分层与层次参数化对应关系图；图5是本发明中基于曲面特征的“三层参数两级映射”结构设置曲面特征参数和建立 映射关系图；图6是本发明中基于“三层参数两级映射”结构的曲面特征编辑修改示意图；具体实施方式
以下按照附图，对本发明作进一步说明如图1所示，一种多角度的曲面特征分类及其层次参数化方法，其特征在于先通过多 个属性对曲面特征进行多角度分类；再将特征类型与其参数结合实现参数化，首先，将曲面特征进行多角度分类，包括以下步骤步骤SOl :根据曲面特征的总体形状，将曲面特征分为几个大类，按照不同曲面特征大 类的类型，设置少许具有一定形状信息的高层语义参数；步骤S02 :结合步骤SOl的曲面特征大类、曲面特征带有的特征线类型及其特征线拓扑关系和曲面生成方式，对曲面特征进行多角度多侧面进行分类；然后，特征类型与其参数结合实现参数化，包括以下步骤步骤S03 :结合曲面特征类型和语义参数，建立曲面特征类型分类的层次关系图，上层 为大类特征表示总体形状，下层为子类特征表示细节形状，下层继承上层属性；步骤S04:建立特征参数与特征形状间的映射关系，将曲面特征参数层次化分为高层、 中间层和底层，在高层与中间层间建立一级映射，中间层与底层间建立二级映射，形成“三 层参数两级映射”结构，实现层次参数化曲面特征。
步骤S05 :如果曲面特征是组合特征时，在步骤S04上进行扩展，将组合特征参数 层次化分为组合层、高层、中间层和底层，在组合层与高层间建立高级映射，在高层与中间 层间建立一级映射，中间层与底层间建立二级映射，形成“四层参数三级映射”的复杂结构， 实现组合曲面特征的层次参数化。
如图2所示，所述曲面特征的总体形状是指将曲面的总体外形抽象为比较简单的 几何形状，将具有共性的曲面总体形状归为一类，在每类特征上设置相关参数表示曲面的 高层语义信息，如长、宽、高。图2中，①表示曲面特征总体类型分类②表示大类中常见的 特征类型。
如图3所示，所述曲面特征的多角度多侧面分类包括曲面特征类型、特征线类型 及其拓扑关系和曲面生成方式，具体步骤为步骤iOl:将具有相同或相似特征外形的特征分为相同大类，任意一个曲面特征归属 一种大类；步骤i02 :—个曲面特征由特征线构成，根据特征线在曲面生成过程中的约束位置和 闭合性，约束位置分为边界约束型和内部约束性，闭合性分为开环型和闭环型；步骤i03 :根据步骤i02特征线的分类，曲面特征上两两特征线间的拓扑关系分为相交 和相离，相交分为交于一点、两点和多点，每个交点又可分为两个端点相交、一端点一中点 相交和两中点相交；步骤i04 :将特征线通过选择一种适合的曲面生成方式生成曲面，生成方式决定曲面 特征的形状形成过程，常见曲面生成方式由拉伸、旋转、蒙皮、扫掠、填充等。
步骤i05 :综合步骤iOl-104，将曲面特征分类和参数化结合，便于形成多角度的 曲面特征分类和分层参数化。
如图4所示，所述曲面特征分类层次关系图，左边为曲面类型分层，右边为特征参 数层次将高层共性参数与曲面特征大类对应,相同大类有相同共性参数，共性参数反映大 类特征的基本外形和总体形状；个性化参数与曲面特征子类对应，子类由大类派生，具有大 类的相似基本外形并在局部形状上具有独特的形状，子类特征不仅继承大类特征属性且具 有新属性；相同大类不同子类的特征间的总体外形一致但局域形状存在差异；每个子类特 征可由一个大类或多个大类派生，多个大类派生的子类具有多个大类特征共同的外形且具 有独特的局部外形；子类特征可进一步扩展为更小子类，整个曲面特征分类层次关系具有 层次性、继承性、多样性的特点。
如图5所示，所述曲面特征参数层次化是指将曲面特征分为三层即高层、中间层 和底层，特征参数的高层为曲面特征参数，控制曲面特征的总体形状；中间层为特征线参 数，控制特征线的总体形状和控制曲面特征的局部形状；底层参数为特征线上的特征点，控制特征线的细节形状。
所述特征参数与特征形状间的映射关系是指在特征参数和特征形状间建立一定的约束和变形规则，使得用户能够通过具有语义参数编辑修改曲面特征的整体形状，建立映射关系的具体步骤为步骤POl :在曲面特征的高层参数与特征线参数间建立映射关系即为一级映射，使得高层参数的变化改变特征线参数；步骤P02 :在曲面特征的特征线参数与特征线的特征点参数间建立映射关系即为二级映射，使得特征线参数的变化改变特征点参数。
所述三层参数两级映射结构是指将特征参数分为高层、中间层和底层三层，以及将参数间的映射关系分为一级映射和二级映射，一级映射是建立在高层参数和中间层参数之间，二级映射是建立在中间层和底层之间；用户通过修改高层的特征参数，先由一级映射将高层参数的改变引起中间层参数的变化，再由二级映射将中间层参数的变化改变底层参数；底层参数变化后生成新的特征点，进而生成新的特征线，最后生成新的曲面特征；整个过程由高层参数变化逐步引起下层参数变化，再由下层参数的变化引起几何位置形状的变化，逐步向上改变曲面特征形状的变化。
组合层是指将两个或多曲面特征组合作为一个更高层次的特征，在组合特征上设置新的特征参数，描述组合特征的总体形状，并在组合特征参数与组合特征形状间建立高级映射，使得用户能够通过具有语义的高层参数编辑修改组合特征的整体形状，建立映射关系的具体步骤为步骤q01 :在组合特征参数与其含有的各特征参数间建立映射关系，使得组合特征参数的变化改变其包含的各特征参数；步骤q02 :在曲面特征的高层参数与特征线参数间建立映射关系，使得高层参数的变化改变特征线参数；步骤q03 :在曲面特征的特征线参数与特征线的特征点参数间建立映射关系，使得特征线参 数的变化改变特征点参数。
下面通过实例对曲面特征进行层次参数化和建立映射关系过程。
实施例一如图6所示，通过设置特征参数编辑修改曲面特征，在曲面特征的整体形状上，通过曲面特征参数编辑修改曲面整体形状。
曲面特征参数往往设置在多个特征线间或某独立曲线上，在特征线上设置了适合的关键点，特征参数以特征点为元素直接依附其上。如图6-a所示，一蒙皮曲面特征由特征线L1、L2、L3生成，曲面特征参数分别为三个位置的宽度参数Wl、W2、W3，曲面特征弯曲度参数α及中心点位置参数Pr,当弯曲度α变化时，LI和L3分别以中心点(参照点)旋转 (α’ - α )/2,最后，生成新的曲面特征,如图6_b所不。
在中间层特征线的曲面特征表示上，曲面特征参数往往反映曲面特征的整体属性，而特征线参数反映了曲面特征的局部形状属性，由此，曲面特征的局部形状编辑修改能通过特征线操作实现。如图6-c所示一蒙皮曲面特征中一特征线的角度参数变化引起的局部形状变化。当特征线参数β变化到β ’时，特征点PU Ρ3分别以Ρ2为中心点旋转 (β ’ - β ) / 2度，图6-d分别是特征线参数β变大和变小的过程。
权利要求
1.一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于先通过多个属性对曲面特征进行多角度分类，再将特征类型与其参数结合实现参数化，首先，将曲面特征进行多角度分类，包括以下步骤步骤SOl :根据曲面特征的总体形状，将曲面特征分为多个大类，按照不同曲面特征大类的类型，设置具有一定形状信息的高层语义参数；步骤S02 :根据步骤SOl的曲面特征大类、曲面特征带有的特征线类型及其特征线拓扑关系和曲面生成方式，对曲面特征进行多角度多侧面进行分类；然后，特征类型与其参数结合实现参数化，包括以下步骤步骤S03 结合曲面特征类型和语义参数，建立曲面特征类型分类的层次关系图，上层为大类特征表示总体形状，下层为子类特征表示细节形状，下层继承上层属性；步骤S04 :建立特征参数与特征形状间的映射关系，将曲面特征参数层次化分为高层、 中间层和底层，在高层与中间层间建立一级映射，中间层与底层间建立二级映射，形成“三层参数两级映射”结构，实现层次参数化曲面特征；步骤S05 :如果曲面特征是组合特征时，在步骤S04上进行扩展，将组合特征参数层次化分为组合层、高层、中间层和底层，在组合层与高层间建立高级映射，在高层与中间层间建立一级映射，中间层与底层间建立二级映射，形成“四层参数三级映射”的结构，实现组合曲面特征的层次参数化。
2.根据权利要求1所述的一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于步骤 SOl所述曲面特征的总体形状是指将曲面的总体外形抽象为规则几何形状，将具有共性的曲面总体形状归为一类，在每类特征上设置相关参数表示曲面的高层语义信息。
3.根据权利要求1所述的一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于步骤 S02所述曲面特征的多角度多侧面分类包括曲面特征类型、特征线类型及其拓扑关系和曲面生成方式，具体步骤为步骤i01 :将具有相同或相似特征外形的特征分为相同大类，任意一个曲面特征归属一种大类；步骤i02 :—个曲面特征由特征线构成，根据特征线在曲面生成过程中的约束位置和闭合性，约束位置分为边界约束型和内部约束性，闭合性分为开环型和闭环型；步骤i03 :根据步骤i02特征线的分类，曲面特征上两两特征线间的拓扑关系分为相交和相离，相交分为交于一点、两点和多点，每个交点又分为两个端点相交、一端点一中点相交和两中点相交；步骤i04 :将特征线通过选择一种适合的曲面生成方式生成曲面，生成方式决定曲面特征的形状形成过程；步骤i05 :综合步骤iOl-104，将曲面特征分类和参数化结合，形成多角度的曲面特征分类和分层参数化。
4.根据权利要求1所述的一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于步骤 S03所述曲面特征分类层次关系图，将高层共性参数与曲面特征大类对应，相同大类有相同共性参数，共性参数反映大类特征的基本外形和总体形状；个性化参数与曲面特征子类对应，子类由大类派生，具有大类的相似基本外形并在局部形状上具有独特的形状，子类特征不仅继承大类特征属性且具有新属性；相同大类不同子类的特征间的总体外形一致但局域形状存在差异；每个子类特征由一个大类或多个大类派生，多个大类派生的子类具有多个大类特征共同的外形且具有独特的局部外形；子类特征进一步扩展为更小子类。
5.根据权利要求1所述的一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于步骤 S04所述曲面特征参数层次化是指将曲面特征分为三层即高层、中间层和底层，特征参数的高层为曲面特征参数，控制曲面特征的总体形状；中间层为特征线参数，控制特征线的总体形状和控制曲面特征的局部形状；底层参数为特征线上的特征点，控制特征线的细节形状。
6.根据权利要求1所述的一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于步骤 S04所述特征参数与特征形状间的映射关系是指在特征参数和特征形状间建立一定的约束和变形规则，使得用户能够通过具有语义参数编辑修改曲面特征的整体形状，建立映射关系的具体步骤为步骤POl :在曲面特征的高层参数与特征线参数间建立映射关系即为一级映射，使得高层参数的变化改变特征线参数；步骤P02 :在曲面特征的特征线参数与特征线的特征点参数间建立映射关系即为二级映射，使得特征线参数的变化改变特征点参数。
7.根据权利要求1所述的一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于步骤 S04所述三层参数两级映射结构是指将特征参数分为高层、中间层和底层三层，以及将参数间的映射关系分为一级映射和二级映射，一级映射是建立在高层参数和中间层参数之间， 二级映射是建立在中间层和底层之间；用户通过修改高层的特征参数，先由一级映射将高层参数的改变引起中间层参数的变化，再由二级映射将中间层参数的变化改变底层参数； 底层参数变化后生成新的特征点，进而生成新的特征线，最后生成新的曲面特征；整个过程由高层参数变化逐步引起下层参数变化，再由下层参数的变化引起几何位置形状的变化， 逐步向上改变曲面特征形状的变化。
8.根据权利要求1所述的一种多角度的曲面特征层次参数化方法，其特征在于步骤 S05所述组合层是指将两个或多曲面特征组合作为一个更高层次的特征，在组合特征上设置新的特征参数，描述组合特征的总体形状，并在组合特征参数与组合特征形状间建立高级映射，使得用户能够通过具有语义的高层参数编辑修改组合特征的整体形状，建立映射关系的具体步骤为步骤q01 :在组合特征参数与其含有的各特征参数间建立映射关系，使得组合特征参数的变化改变其包含的各特征参数；步骤q02:在曲面特征的高层参数与特征线参数间建立映射关系，使得高层参数的变化改变特征线参数；步骤q03:在曲面特征的特征线参数与特征线的特征点参数间建立映射关系，使得特征线参数的变化改变特征点参数。
全文摘要
本发明公开了一种多角度的曲面特征层次参数化方法，首先，从具有显著特征的曲面总体形状上进行分类且用少许语义参数表示，然后，将总体形状作为大类派生出具有局部形状特征的子类，并建立特征类型间的层次关系。本发明能够有效地实现各种曲面特征分类和建立特征间参数层次化关系，进而使得用户能够通过少许具有语义的高层参数编辑修改曲面特征的整体形状，避免从底层的耗时耗力操作。该发明应用于CAD模型设计中，能够大大提高产品在功能和外形上的设计需要，有效缩短产品开发周期和提高设计效率。
文档编号G06F17/30GK102999557SQ20121040748
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者何坤金, 陈正鸣, 耿维忠, 吴云燕, 冯贵波, 赵宗星 申请人:河海大学常州校区