（机械设计及理论专业论文）面向图样理解的工程语义模型研究与应用.pdf

浙江太学硕士学位论文 摘要 面向图样理解的工程语义模型研究与应用 摘要 工程图样智能理解是一个典型的计算机图形学和计算机辅助设计学等学科 的交叉课题。本文从面向工程图样理解的角度，通过工程语义的类别化、层次化 和网络化处理，建立了形式化的工程语义集成网络模型，通过工程语义模型的综 合应用，挖掘工程图样蕴涵的深层次信息，从而重建工程图样表达的三维形体信 息。 首先，综述工程图样理解的相关内容、特征识别和形体合成等相关研究的进 展，阐述本文的研究思路和工作。 其次，在分析工程图样的基础上，建立了工程语义集成网络模型。该模型从 类别化的角度分为投影关系语义、尺寸约束语义和表达方式语义，从层次化的角 度分为底层语义、中间层次语义和高层语义，从网络化的角度得到各个类别、各 个层次之间的语义。对图样的工程语义进行表达和描述， 接着，根据工程语义模型表述，详细分析了各个类别、层次以及类别之间表 达的工程语义的特点与内容，然后进行零件的特征分类，从特征识别的角度探讨 了工程语义在图样理解的应用，并详细讨论了圆柱体、线性拉伸体、圆柱体的平 面截切特征从投影语义、连通域语义、游离图元语义引导识别的应用过程。 最后，实现了工程语义模型，应用于图样理解得到三维形体。给出了系统实 现框架并举了若干实例。 【关键词】集成网络模型，图样理解，工程语义，特征识别，工程图样，形 体合成一7 。 。 塑三查塑生兰丝兰 塑型 t h e r e s e a r c h & a p p l i c a t i o n o f e n g i n e e r i n g s e m a n t i c sm o d e lf o r e n g i n e e r i n gd r a w i n gi n t e r p r e t a t i o n a b s t r a c t e n g i n e e r i n gd r a w i n gi n t e l l i g e n ti n t e r p r e t a t i o n i sa ni n t e r s e c t a n t s u b j e c t o f c o m p u t e rg r a p h i c sa n dc o m p u t e ra i d e dd e s i g n f o re n g i n e e r i n g d r a w i n g t h i s d i s s e r t a t i o nf o r m a l i z e st h e e n g i n e e r i n g s e m a n t i c s b yd i v i d e a n dc l a s s i f y i t ，a n d e s t a b l i s ham o d e lo fi n t e g r a t e dn e t w o r ko fe n g i n e e r i n gs e m a n t i c s t h em o d e li s a p p l i e dt ou n d e r s t a n d i n g2 de n g i n e e r i n gd r a w i n g ，e x t r a c t i n gt h ed e e pi n f o r m a t i o n , o b t a i n i n g3 do b j e c t f i r s t ，t h er e s e a r c ha n dr e l a t i v es u b j e c to ne n g i n e e r i n gd r a w i n gi n t e r p r e t a t i o na n d f e a t u r er e c o g n i t i o na n do b j e c tc o m p o s i n gi ss u m m a r i z e d t h ew a yo fw o r ki s p u t f o r w a r d s e c o n d ，t h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n gd r a w i n g i s a n a l y z e da n dt h e m o d e lo f i n t e g r a t e dn e t w o r ko f e n g i n e e r i n gs e m a n t i c si se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，i n r e s p e c to ft h e c o n t e n to fe n g i n e e r i n g d r a w i n gt h e s e m a n t i c si sd i v i d e di n t ot h e p r o j e c t i o nr e l a t i o ns e m a n t i c s ，t h ee x p r e s s i o nm o d es e m a n t i c sa n dt h ed i m e n s i o n c o n s t r a i n ts e m a n t i c s i nr e s p e c to ft h e d e e p n e s so fi n f o r m a t i o n ，t h es e m a n t i c si s c l a s s i f i e di n t ot h ei o w e rs e m a n t i c s t h em i d d l es e m a n t i c sa n dt h eu p p e rs e m a n t i c s f u r t h e r m o r et h er e l a t i o no ft h es e m a n t i c si se x t r a c t e d a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，a l lt h e e n g i n e e r i n gs e m a n t i c si sa n a l y z e d n e s es e m a n t i c sl a ) 7 s as t r o n gb a s ef o rt h e3 d r e c o n s t r u c t i o na n dt h ee n g i n e e r i n gd r a w i n gu n d e r s t a n d i n g t h e n ，t h ef e a t u r e st h a td e s c r i b e3 d e n t i t ya r ec l a s s i f i e d t h es e m a n t i c si sa p p l i e d t o e n g i n e e r i n gd r a w i n gi n t e r p r e t a t i o nb yf e a t u r er e c o g n i t i o n t h ea p p l i c a t i o no f s e m a n t i c si sd i s c u s s e da sf o l l o w s ：t h e p r o j e c t i o n r e l a t i o ns e m a n t i c s l e a d i n g t o r e c o g n i z i n gc y l i n d e r , t h er e g i o ns e m a n t i c sl e a d i n gt or e c o g n i z i n gl i n e a rs w e e p i n g ，t h e f r e ee l e m e n ts e m a n t i c sl e a d i n gt or e c o g n i z i n gt h ef e a t u r ew h i c ht h ec y l i n d e ri sc u tb y p l a n e l a s t ，ap r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h es e m a n t i c sm o d e l t h e s y s t e mc a nr e a dd x f t h a tc o n t a i n s2 d e n g i n e e r i n gd r a w i n gi n f o r m a t i o na n dr e c o g n i z e t h e3 df e a t u r e k e yw o r d ：i n t e g r a t e d n e t w o r k m o d e l ，e n g i n e e r i n gd r a w i n gi n t e r p r e t a t i o n ， e n g i n e e r i n gs e m a n t i c s ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ，e n g i n e e r i n gd r a w i n g o b j e c tc o m p o s i n g 一_ - - - _ - - h _ - 一_ _ 。_ _ 。_ _ 。_ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ - - - 。_ - - - _ _ - _ _ _ 1 。_ - - _ - _ - _ _ _ - - _ - - _ _ - _ h _ _ 1 _ _ h 。_ 一 街江大学硕：e 学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 计算机和信息技术极大地推动了工业自动化的进程，是新技术革命中的一次 伟大的发明。计算机技术应用于各个产业部门，引起了特别是制造领域巨大地变 化，其中最重要的一个体现就是生产设计的自动化程度越来越高。其中涉及到产 品的设计制造的c a d c a p p ，c a m 的应用是计算机在工业中应用中最重要的标 志。 c a d ，c a p p c a m 技术从根本上改变了过去的手工绘图、凭图纸组织整个生 产过程的技术管理方式，而是将它变成了在图形工作站上或者微机上进行交互设 计、用数据文件发送产品定义、在统一的数字化产品模型下进行产品的设计打样、 分析计算、工艺计划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编印产品维护手册、 组织备件订货等，不仅缩短了产品开发周期，而且提高了产品质量，降低了生产 成本，加强了产品的市场竞争力。c a d c a p p c a m 技术已经引起了学术界和工 业界的高度重视，它的发展和应用水平已成为衡量个国家科技现代化和工业现 代化水平的重要准则之一。 c a d 软件开发始于6 0 年代，其发展历程已跨越了三代。第一代的c a d 软 件只能称为计算机辅助绘图系统，主要完成直线、圆弧等基本图形元素的生成方 法和解决二维图形的绘制问题，对设计人员来说可以减轻工作强度，把更多的时 间投入到新产品的开发和设计上。第二代的c a d 软件系统除了二维的设计和绘 图的功能外，同时还具有了三维线框模型、曲面模型、实体模型、有限元分析计 算和数控加工编程等功能。但是这一代c a d 系统是分离的数据结构与多个数据 库的串行设计系统，基本限于产品详细设计阶段的绘图、造型和分析工作等。第 三代的c a d 软件系统支持并行设计，是向完全的并行系统过渡的软件。它使用 了单一的数据结构和c s ( 客户机朋务器) 数据库模型把系统组织起来，采用了 参数化、面向对象等技术，同时允许各个不同部门的工程师之间相互通信，以达 到并行运作的目的。这一代c a d 软件系统具有强大的生命力，被广泛应用于各 工矿企业。c a d 软件系统的快速发展离不开硬件系统的支持，计算机主机从早 期的电子管发展到晶体管，再从晶体管发展到集成电路，显示器从单显发展到高 清晰度彩显以及图形加速卡的出现都为c a d 系统的发展注入了活力。c a d 技术 正朝着智能化、多媒体化、一体化、集成化方向快速发展。 机械制造业中的工程图样，在工业上已经应用了很长时间，是一代代工程技 术人员智慧的结晶，其中的经验指导着将来的产品设计。但是在计算机出现以前 和之后许多工程图样以普通图纸的形式或以平面数字图纸( 如二维c a d 图纸) 的形式保存，这种形式只能保存符合人为理解方式的零件信息，而不能直接用于 自动化制造生产中。在c a d c a p p c a m 的集成化辅助制造过程中，需要能够表 浙江丈学颐士学位论文 第一章绪论 达零件实体的三维形体结构的数据。因此需要将只包含零件平面信息的视图模型 信息转化成三维实体数据，且由于已经存在的工程图纸已经成千上万，使用人工 识别图纸并重新绘制生成的方式费时费力，因此智能理解工程图样是个很有实 际应用价值的课题。 i 2 相关研究内容 1 2 1 图样理解 1 图样理解内容 工程图样识别理解技术的研究是计算机视觉、计算机图形学和计算机辅助设 计等研究领域相交叉的一个典型课题，它是继承计算机视觉研究领域中的图象处 理，图象识别和图象分析理解的理论基础和成熟算法，针对工程图样特点发展起 来的一项重要的计算机应用技术。 面向工程应用的图样识别理解可以分为三大类： 1 ) 光栅图像到矢量图形的矢量化：将工程图样通过扫描仪转换位数字化的 光栅图像，进一步可将得到的光栅图像转化为矢量图形： 2 ) 相同空间维数之间的图形理解 尺寸识别理解及其参数化处理 包括在二维的工程图样上进行的图形、 在三维模型中进行特征识别； 3 ) 低维空间到高维空间的图形理解：从二维的工程图样通过理解重建三维 形体。 工程图样是面向工程应用图形理解的主要处理对象。其作为工程界的技术语 言，包含着大量的信息。 2 三维重建方法概述。“”1 三维重建，即二维视图通过计算机的识别理解后转化为三维模型，最早是 1 9 7 3 年i d e s a w a j 提出的。至今已经有近三十年的历史。每年都有诸多各具特色 的算法出现，这些算法针对不同的输入工程视图采用不同识别策略来完成实体的 三维重建。尽管经过了多年的努力，人们仍未能提供一个完整、实际的三维重建 方案。从多视图重建三维实体有四种较为典型的技术：自底向上方法、模型引导 方法、自顶向下方法、基于专家系统的重建方法。 1 ) 自底向上算法从最基本的点、线开始解决问题。这一类型的方法基于线 框模型、表面模型和b r c p 模型，最早是由i d e s a w a 【1 1 在七十年代早期提 出的。 2 ) 模型引导方法是参照c s g 造型的思想，认为一个零件可以被看成是由有 限的几种体素( p r i m i t i v e ) 通过并交差运算得到，直接从视图中按模式 匹配的思想进行识别提取出各基体，生成c s g 树或其它的表达形式， 最后得到零件的实体模型。 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 指导谈别的二维图形。 4 ) 基于专家系统的重建方法，将人t 智能技术应j i i i i 泓别中。 从工程视图构造三维实体的识别研究已取得了很大成绩埘且在实际工程上 发挥了很大作用，但从总体上讲，仍存在着一些| l u j 题。 1 ) 徘徊于工程图样之外，从儿何的角度出发进行t 建工作。由于图样理解 的过程中要设计到大量的领域知议( 如制图标准、行业标准等) 。因此单 从几何的角度使得重建上作进展缓慢。 2 ) 对工程图中的各种元素和功能以及元素之问的天系缺乏理解，缺少从理 论层次上建立的工程图信息特征的描述办法。 3 ) 从工程图纸难以抽取、归纳和构造i 3 别的知谚5 。这是因为随着识别工作 的深入，要识别的实体越来越复杂，图纸一l i a 、遣l 越束越多，如多视图、 剖面、局部放大、省略等，很难将如此众多复杂的信息形成严谨、形 式化的知识描述，而且知识描述与摊理和图肜嵌_ 与计算机的有效结合 也很困难。 3 工程图样理解对象 工程图样理解对象为机械零件图纸。在实际】程应f j 小，机械制图考虑在完 整、清晰表达零件各部分形状和结构的d 口提下力求制佝简便，因而实际工程 图并不一定是标准的三视图，并且出于制蚓的简化、工袱【铡中的符号性、轮廓集 聚性等特点以及在不同的应用领域工程视图表达千最j 制，i j f 究- 6 # 通用的工 程图理解系统并不现实。因此有必要将图样从二维信息到- f l k l ；i 息的理解限定在 一定的范围内。 机掖工程图样的基本含义是：视图数i i i 和位胃f l , j a i m 定既有基本视图也有 非基本视图；必然含有尺寸标注、表面粗糙度、形f t 公廿肆标汴信息；各种剖视 图，如全别、半剖、局部剖、组合剖、斜剖等以及移剖面和萤合剖面等；局 部视图、斜视同、旋转视图、局部放大i 刳等：各种省略6 法、舰定画法、简化画 法、习惯画法等。 在生产过程中，设计师用能够准确表达物体形：畋的h 形和择种标注来全面表 达设计对象，按照机械制图规范产生图样。制造者根据 l 械制 矧觇范来理解工程 图样所表达的内容，了解设计师的设计意图，获取父于，。r 讯加工要求、部件装配 等信息，并根据产品加工制造经验对这些信息进行再处川，形成产品工艺、质量 检验等信息组织管理产品的生产过程。 工程图样在产品设计和制造过程中所起的上述作j j ，犬明图样内容在专业技 术人员头脑中的映射，不是停留在直线、圆弧等) l i n i 或7 倚绒划i 述上，而是基于 这些描述根掘制图知识和图样相关的专业知识，产- m f i l r , j1 i 科意义级描述。 即需要挖掘图佯的工程语义才能更好地理解图样。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 圈样的特征识别 s o l t e s 【】2 j 与s h a h 提出特征( f e a t u r e ) 概念以来，特征技术的研究一直十分活跃， 许多专家和学者对特征技术进行了研究，并从不同的应用角度对特征进行了定 义，其中s o l t e s 的定义较为典型，他将特征定义为一个零件的表面上有意义的区 城，并将特征分为六类分别为通道特征、凹陷特征、凸起特征、过渡特征、城 特征、变形特征。这种特征的定义和分类方法的特点主要是基于形状。s h a h 则 把特征定义为产品信息传递的裁体，它有助于实现设计、制造或其它工程任务之 间的通讯与交流。他把产品信息分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、 装配特征、有限元特征和加工特征等七类。从上述定义可看出，特征的内涵取决 于应用领域。 所谓特征识别就是从产品的实体模型出发自动识别出其中具有一定工程意 义的几何形状即特征，进而生成产品的特征模型。 到目前为止，虽然特征识别方法的种类已经很多，主要有以下几种方法： 句法模式识别法是用一系列的几何元素，如直线、圆弧等来描述二维几何形 状，将某段几何描述与某特征描述相匹配进行识别。 基于规则法采用产生式规则来描述特征，以零件几何模型为事实依据通过 一定的匹配机带进行特征搜索。 基于图的方法首先将零件实体模型的b r 印表示转换为便于特征识别的属性 相邻图a a g ( a t t r i b u t e d a d j a c e n c yg r a p h ) ，利用图操作算法将零件的a a g 图分 割为对应每一特征类型的a a g 图。 神经网络法用数码表示实体模型中的拓扑和几何关系，将零件模型表示为神 经网络能够“理解”的面相邻矩阵，通过特征库的每一特征类型的网络，并使用 特征定义语言训练它们，再将面相邻矩阵输入网络中进行特征识别。 体积分解识别法将零件毛坯切去的材料体积分解成不同加工操作相应的加 工单元来识别零件加工特征的方法。 基于c s g 的方法以c s g 实体模型为对象的特征识别方法。 工程图样的理解过程需要识别图样的特征，从二维图纸构造三维实体的理解 过程就是从平面信息中理解三维特征的过程。 1 2 3 形体合成 形体合成在对图样进行三维理解后进行对特征识别得到地零件结构进行实 体造型合成，最后得到零件的三维形体结构，完成图样的三维重建的理解a 形体 台成和描述识别结构特征必须理解三维形体表达的模型结构，即使用的实体造型 技术。常用的模型有以下几种： j ) c s g 模型 塑坚奎兰堡主兰些堡奎 塑二兰堕兰 c s g 模型可以使用一些事先定义的简单形体( 体素) 的组合表示复杂的形 体，通常通过正则集合运算来实现这种组合。形体的c s g 表示可以使用一棵有 序的二叉树进行描述。 c s g 模型的缺点在于某些零件结构难以表达，并且对于同一个零件可以使 用多个不同的c s g 树表达，表达方式不唯一。 2 ) b r e p 模型信息： 边界表示法是以物体边界作为基础的定义和描述几何形体的方法，并能给出 完整的和显示的界面描述。用这种方法表示的形体记录了几何元素的几何信息及 其拓扑信息。 在数据结构上可用体、面、环、边、顶点五个层次描述： 体：实体包含的基本体素名称以及相互的定位和集合运算关系： 面：实体包含的各个面、面的数学方程、内外轮廓边界和标识符： 环：实体有向、有序边组成的封闭边界。每个面有且仅有一个外环。若面内 有孔，则还有内环： 边：环的组成元素； 顶点：边的端点或曲线的型值点。 b - - r e p 表示的优点在于表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的， 比较容易确定几何元素之间的关系。缺点在于数据结构复杂，需要大量的存储空 间，修改形体的操作比较难以实现。 3 ) 混合模型表达重建零件信息 由于传统的c s g 和b r e p 都不能很好地满足表达零件形体结构的需要，一 股的c a d 软件中均使用c s g b r e p 混合表达零件实体信息和进行造型合成。 c s g 模型的长处在于能够较好地表现模型的组成关系及各组成元素的位置信息， 对模型的几何信息及拓扑信息有较好的表现力，但其在模型显示等方面存在着较 大的缺陷。而b r e p 模型的长处则是可以较为方便地实现结构显示。将两者结 合起来，充分利用两种模型的优点，可以精确地描述实体的几何信息及拓扑信息， 并可以方便地转化为结构分析计算、结构显示等所需的模型数据。 本文中特征识别得到的零件结构数据如果自行开发几何造型程序进行形体 合成并得到描述形体的模型信息，无疑是项浩大无比的工程且无此必要。目前 有多种成熟的三维c a d 软件都可以方便地实现三维造型并带有二次开发工具 包，给用户的二次开发留有余地。这些软件都已被人们接受，各自拥有较大的用 户群。因此。选择一款合适的开发平台，在此基础上添加尺寸自动标注的功能， 不仅可以大大减轻工作量，也更容易被人们所接受，从而更具实用价值。p m e 、 u g 、s o l i d e e d g e 、a u t o c a d 等软件都是可选择的对象，考虑到a u t o d e s k 公司的 a u t o c a d 软件较为流行，其二次开发工具o b j e c t a r x 相对而言也更为用户所熟 悉，本文决定选用a u t o c a dr 1 4 作为形体合成的平台。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的研究思路 前面对三维重建出现的难点进行了分析主要有： 1 ) 单从几何投影出发重建形体没有充分利用图样信息： 2 ) 不能充分理解图样中的图形元素约束关系，缺乏理论层次描述信息 3 ) 图样信息繁多，难以进行知识的表达和利用。 针对这些难点，本文从以下几个方面进行解决： 1 ) 图样理解的对象为机械零件的工程图样 工程图样般分为机械、电气、建筑和土木四种，各类图样有共性，又有很 大的不同。由于制图的简化、工程图中的符号性、轮廓集聚性等特点以及在不 同的应用领域工程视图表达千差万别研究一种通用的工程图理解系统并不现 实，把工程图样限定在机械制图可以从零件表达的规范出发研究表达零件形体的 特点。 2 ) 充分考虑图样中出现的元素，包括图线元素和尺寸标注，注重尺寸在图 样理解中的作用 在机械工程图纸中，尺寸标注是机械零件表达的重要环节和主要内容之一 用以表达标注零件的的基本几何结构特征。剖析机械图纸的生成规律可知：视图 的投影线素描述了零件的主要形状但其准确度( 尺寸与位置精度) 或某些特殊结 构则要由尺寸标注及必要的加注辅助线( 中心线、剖面线、螺纹线等) 来确定。因 此，尺寸是一个包含着对识别有用信息的载体。 3 ) 建立工程语义模型，对图样信息进行知识描述，从理论层次上指导理解 图样 工程语义模型对机械零件工程图样信息的描述，主要是描述工程图样出现的 投影、尺寸等约束信息，使直接表现为二维的信息向描述三维信息转化- 反映零 件的特征，并从工程制图规范，投影准则等方面总结和提取n - t = 识n 的信息。最 后应用于图样的特征识别理解。 1 4 本文的研究内容 图1 一l 表示本文对工程图样理解的技术路线。 图1 一l 工程图样理解技术路线 本文图样理解框架分为三部分，信息表达部分，信息利用部分与理解结果表 示部分。本文中对应三个部分的内容为：工程语义集成网络模型表达与获取图样 信息，对模型信息应用并特征识别，进行形体合成后得到实体数据结构表示重建 后零件结构形状信息。基本框架如图1 2 所示： 彤体合成 集成网络模型的应用 信息的表达与获取 1 1零件结构表示 i r 一一一一一一一一1 1特征识别 i 图1 - - 2 图样理解的框架 根据该框架所表示的内容，工程语义集成网络模型是图样理解的基础，应用 和形体合成三维零件实体是目的。 本文面向二维工程图样理解的角度，从工程语义入手进行分析，建立描述模 型，对图样的工程语义进行理论上的归纳、整理与分析，最后利用得到的语义进 行特征识别得到图样表达的零件三维结构，并在a u t o c a d 中进行形体合成，得 到零件三维实体。主要研究内容如下： 1 ) 工程语义形式化与建立描述模型 工程语义是理解工程图样的信息载体，研究其特性，划分工程语义包含信息 的层次和类别，并且通过分析其特性对工程语义进行层次化、类别化和网络化， 建立工程语义集成网络模型，建立各个层次、各个类别以及层次类别之间的网络 工程语义，进行信息提取和综合利用。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 分析模型描述的工程语义 分析了工程语义集成网络模型表示的工程语义，其中包括底层的视图语义、 图形元素和尺寸标注基本图形元素语义，处于中间层次的视图省略画法语义、视 图关系语义、尺寸关系语义、基本图形元素的投影约束语义和连通域语义，处于 高层和网络化的游离图元语义、基元关系语义、尺寸分类语义及功能语义等。对 图样的工程语义进行多方面、多层次分析。 3 ) 讨论模型表达语义引导的特征识别应用 在提出工程语义模型的基础上，探讨了应用模型表达语义信息特征识别。从 尺寸语义引导、投影语义引导、连通域语义引导、游离图元语义引导的多角度语 义引导识别图样表达的零件特征( 结构) 。并结合圆柱体投影语义引导，线性拉 伸体的连通域语义引导和圆柱体平面截切的游离图元引导识别特征探讨了模型 语义应用过程。 4 ) 工程语义集成网络模型的实现与应用实例 在v c 和w i n d o w s 2 0 0 0 的平台上，实现工程语义模型描述和应用，结合一 些工程图样实例提取工程语义并特征识别，在a u t o c a d 平台上，使用o b j e c t a r x 编程实现形体合成，得到零件的三维实体，验证所建立的模型。 浙江大学硕士学位论文 第二章t 程语义形式化与集成网络模型 第二章工程语义形式化与集成网络模型 【本章摘要】本章的主要内容是建立描述工程语义的模型，探讨工程图样的 语义分类、分层整理以及提取的技术途径。 2 1 工程语义的类别化 机械图样具有实形性、封闭性、连终眭和协调性等基本特性。工程语义是工 程图样的信息载体。 实际机械零件的工程图纸主要由图形元素、尺寸标注和文字说明三部分构 成。可用集合进行如下描述： d r a 沌g = ( 2 d e n t i t y ，d i m t e x t ) 这三部分所表达的信息构成了工程图样语义的主要内容，其中文字说明部分 主要包括零件的一些材料、精度、加工要求等信息，表达内容多样复杂处理起 来比较麻烦，并且非尺寸标注中的文字说明对理解图纸表达的零件形体的作用不 大，所以本文只考虑图形元素和尺寸标注两方面的语义信息。 图形元素是零件实体的投影轮廓线或相交线投影形成的，存在一定的约束关 系。尺寸标注对零件的形体进行说明和约束。零件三维形体在二维的图纸中表示， 不可能通过一次投影信息完全表达零件，选择合适的方向对零件实体进行投影， 因此理解三维形体必须结合图样中所有视图理解图样。 从形体投影表达角度分析，其视图表达过程可以分为以下些步骤 1 ) 分解零件，对其进行形体分析 将所要表达的零件分解成若干基本体和扫描体。基本体包括棱柱、棱锥、圆 柱、圆锥、球体、环体等六类，扫描体包括平移扫描和回转扫描。组合方式包括 叠加方式的相交、相切、相接，切割方式的截切，以及叠加和切割的混合。 2 ) 选择视图，考虑表达方式 考虑形体的位置和投影视图的选择。确定视图的数量和表达方式，每个视图 的表达方法，是否采取剖切，局部视图等。确定主视图表达形体最主要的特征。 3 ) 根据投影关系绘制投影 根据形体基本体的投影在相应视图上绘制投影的图形，涉及线性表示、剖切 表示、省略画法等。 4 ) 标注尺寸 浙江大学硕 学位论立 第二章t 程语义形式化与集成网络模型 根据形体分析标注尺寸，先标注基本立体的定形尺寸，再标注基本立体之间 的定位尺寸，晟后标注组合形体的总体尺寸各个结构都由尺寸约束定形定位。 以上分析得到形体投影表达过程是着重从选择视图表达，分析形体的投影 以及进行尺寸标注等方面进行的。 因此，从横向的角度对工程语义进行类别化，可以分为表达方式语义、投影 关系语义和尺寸约束语义。 图2 1 工程语义类别化 尺寸约束工程语义：从尺寸标注提取得到尺寸中的约束关系； 投影关系工程语义：从图形元素作提取得到图形元素间的投影关系； 表达方式工程语义：从视图表达图样方式分析视图表达的类型及其包含的信 息以及投影视图的关系。 2 2 工程语义的层次化 从纵向的角度来进行层次化，按照信息的隐含深度和关连度，可以将工程语 义分为三个层次：底层的工程语义中间工程语义和高层工程语义。 不同类别之间的层次划分的准则不太样，从尺寸约束或投影关系的角度来 看层次划分的准则可以从表达形体的信息的关连度来看，如图2 2 所示，处于 底层的信息是从图样文件读入的离散化图形尺寸信息，经过视图约束的处理，可 以提取视图间的图形元素间的约束关系，高层的语义是可以依此进行重建基元体 和基元体组合关系的信息，得到基元体特征数据值。其隐含深度和关连度是自底 向上是变大的。从视图表达角度看，语义的分层之间的界线并不是十分明显，基 本视图表达的信息属于底层语义，省略画法、缺省画法等隐含的信息属于中间层 次，视图间的坐标关系属于高层语义信息。 浙江大学硕士学位论文 第二章t 程语义形式化与集成网络模型 基元体及组 高层工程语义 台关系 _ _ l ，一 中间层次工程 语义 基本图形元 素之间的视 图约柬关系 f 一、1一 底层工程语义 离散化的图 形尺寸元素 信息 图2 2工程语义的分层及准划 底层的工程语义是可以通过直接读取图样信息分析得到的，其表达的信息都 是显式的处于信息处理的最底层，如还处于离散化的尺寸标注的信息，图形元 素的类型和线型等属性信息，底层信息包含的是最基本的信息，也是提取和分析 其他信息的基础。 中间层次的工程语义相对于底层工程语义关联度和臆含度比较高，能够为重 建工作提供直接或间接的信息。如图形元素直线或圆弧等之间的约束关系属于这 一个层次。 高层的工程语义处于信息的最高层次，关连度和隐含度最高，处理的难度也 最大，在这个层次的信息，往往能够给图样的理解提供最有用、最直接的信息。 例如一些包含着零件实体的特征的工程语义信息需要经过处理底层的语义信息 才能提取出来。可以利用这些特征信息直接得到或者引导三维实体的重建工作。 经过分层的工程语义信息，有利于信息的挖掘首先从具体定义各层次的包 含语义信息，然后再从较低层的工程语义出发，提取高层次的工程语义的信息。 以图2 3 圆柱体截切的图样为例，投影关系的图形元素在底层层次上信息 首先是由圆、直线或圆弧及中心线等图形元素的长度、位置组成离散的信息。投 影关系是俯视图中圆可以与主视图中的a b ，左视图中的c d 组成组合关系，是中 间层次语义的组成之一。高层层次上俯视图的圆与主视图上的直线a b 、b g 、曲、 j a 以及左视图上的直线c d 、d e 、e lf c 共同组成描述圆柱体的高层语义。 浙江大学硕士学位论文第二章工程语义形式化与集成呵络模型 图2 3 带截切的圆柱体图样 计算机理解图样的过程总是从底层向高层进行的。无论是采用自顶向下的识 别方式，还是采用自底向上的识别方式，信息总是由无序、离散经过整理到有序、 关连性强处理的。 2 3 工程语义的网络化 理解工程图样表达的信息一个复杂的过程，工程语义信息相互约束，相互补 充表达，理解的过程不仅仅是类别化的工程语义，类别化、层次化的目的是为了 更好的组织提取语义信息，理解工程图样的最终还需要理清这些工程语义之间的 关系，将提取出来的信息进行综合利用，才能达到理解的目的。 图形元素、尺寸表达与视图的分布表达是理解工程图样的基本信息，理解工 程图样不可能只利用其中的一个工程语义信息，以上的工程语义的层次化和分类 化割裂了这三者的联系，而对于表达一个完整的零件形状，必须结合三者。理解 工程图样的包含的三维形体信息，也必须将这些信息紧密的结合联系起来。 如尺寸约束离开投影元素就失去了意义，每个尺寸约束都是对图形元素或形 体进行定位或定形，如图2 - 4 所示，标注为1 5 的线性尺寸约束对象为b c 等四 根直线。 由 图2 4 圆柱体的尺寸标注 酹 浙江大学硕士学位论文第二章工程语义形式化与集成网络模型 约束关系体现了工程语义的网络性。从图样原始信息的角度看，图形元素之 间并不是孤立存在的，存在着多个对应的关系，每个图形关系都是一个或多个对 应( 表现为图形元素的投影约束) 中的组成元素；尺寸标注之间也不是孤立的， 对于不同的形体，需要多个尺寸组成约束其形状与位置，对于整个零件，所有的 尺寸对其形状的进行约束，尺寸具有完整性，不重复性。视图的分布考虑到表达 零件的必要性，采用哪些视图才能将零件形体表达完整和清晰，视图间存在一定 的关系，图形元素只有跟视图相结合才能体现投影约束关系。从语义的角度看， 表达方式语义、投影关系语义、尺寸约束语义并不是独立的，而是相互联系、相 互约束的。如图的2 3 中圆柱体产生截切，投影后在俯视图产生游离图元直线， 可以从该直线判断截切的存在，游离直线的提取离不开对尺寸对图形元素约束的 分析，结合视图的表达方式，在搜索约束该直线的尺寸，如果所有的尺寸标注没 有对该直线进行完全的定位或定形，才得到相应的游离图元。工程语义之间的约 束关系可以用下图2 5 表示。 图2 - - 5工程语义之间的约束关系 工程语义之间如图2 5 所示，存在各个元素之间的约束关系，即网络化的 语义信息。 2 4 工程语义集成网络模型 从横向的角度对工程语义进行类别化，可以分为表达方式语义、投影关系语 义和尺寸约束语义。 从纵向的角度对工程语义进行层次化，按照信息的隐含深度和关连度，每个 类别的工程语义又分为底层工程语义，中间层次工程语义和高层工程语义。 从综合的角度对工程语义进行集成网络化，类别与类别语义之间，层次与层 次语义之间，每个类别与层次语义之间，又都存在着约束或关连或制约性。 在对工程语义进行类别化、层次化和网络化分析后，这里提出了一个表达零 浙江大学硕士学位论文第二章工程语义形式化与集成网络模型 件工程图样信息及其关系的模型工程语义集成网络模型( 以下简称集成网络 模型或模型) ，如图2 6 所示。使用符号描述如下： 集成网络模型：m - - - - ( n ，r ) 其中，n 表示信息节点r 表示信息节点间的关系，也表示信息节点间或在 不同层次或类别间得到的信息，定义如下： n = ld p ，v1 ( 口一尺寸约束信息节点，p 投影约束信息节点v 表达方式信息节点) r = 蹦k i r j j k = d i ，p j ，v k i ，j ，k ( t ，m ，b ) )( t _ t o p 的缩 写。m m i d d l e 的缩写，b b u n o m 的缩写) 该模型在横向通过工程语义的类别化描述分类后的工程语义，做到表达的清 晰有条理性；在纵向通过工程语义的层次化在信息的深度和关联度描述工程语义 信息；在各个信息块之上网络化，用网状结构描述各个成分及节点之间的约束关 系性或表达信息。 集成网络模型是工程语义的一种组织方式，根据模型对图样信息的描述，对 工程语义的提取和处理起引导作用，并且通过挖掘类别层次之间的网络化工程语 义，提供语义信息用于三维形体识别。 高层语j 、 义叫 中闻层o 次语义， 底层语j 、 义， 嚣 语义 u 鬈 语义 u 蒜 语义 u 图2 6 工程语义集成网络模型 在建立集成网络模型后，需要确定模型的内容。填充各个节点所表达的信息 内容以及节点之间的关系。最后要利用该模型所表达的信息应用到三维重建中。 下面先就各个类别从层次上的角度填充节点信息挖掘工程语义。 1 4 _-一 撕江大学硕士学位论文 第二章工程语义形式化与集成网络摸型 首先从投影关系工程语义，处于最底层的语义信息为从文件读入的图形元素 及其表达的信息，如直线、圆弧、圆等图形元素，其属性表达着一定的信息，粗 实线表示零件实体的轮廓线、相交线、过渡线，中心线表示实体投影时存在对称 的基本形体等等。 处于投影关系的中间层次的为从底层工程语义提取出来处于隐含度和关联 度较强的信息，对于空间元素如点、线、面在视图上的投影的对应的元素之间， 都有一定的约束关系，如空间直线的投影，经过投影后在投影的视图上出现阻下 几种的情况： 一 一 j ! ： 、： b f - i0 ! ； ；i 、一。 a 直线垂直于某一投影面h 直线平行于某一投影面但不垂直子投影戚c 一般空间的直线投影 图2 7 空问直线的投影 从图2 7 可以看到，具有约束关系的a ( 平行线一平行线一点) 和b ( 平行 线一平行线一斜线) 和c ( 斜线斜线一斜线) 图形元素在投影上的关系，其约 束关系可以提取成为中间层次的工程语义。 经归纳，可以得到中间层次的投影关系的工程语义的内容： 1 ) 基本元素直线、圆、圆弧的投影约束关系 2 ) 连通域的信息 3 ) 基本形体的约束投影关系 高层的投影关系是具有关连性很强的信息，如直接表达零件形状的特征信息 等。高层的投影关系的工程语义的内容： 1 ) 基元体的组合关系类型 2 ) 游离图元与组合关系 考虑表达方式的工程语义，零件实体的视图表达主要涉及三个方面的问题： 主视图选择即形体如何放置，选择的主视图要反映形体的最主要特征： 其他视图的选择，即采用几个基本视图，是否采用全剖、半剖或局部剖 等视图，是否采用其他局部视图，是否采用省略画法； 涉及视图表达与尺寸标注互相协调问题，即有时通过尺寸标注可省略视 浙j 工大学硕士学位论文第二章t 程语义形式化与集成网络模型 图，或为标注增加视图。 因此表达方式工程语义应包括对视图表达信息的理解，其中基本视图的表达 是最容易理解和表层的语义；视图的省略画法、规定画法表达是隐含性比较强的 信息：还必须理解视图之间的关系信息以及对投影元素的约束。 对视图的表达方式工程语义的层次结构归纳如下所示： 底层：视图分类、标识及其表达的信息； 中间层：视图的隐式的表达语义( 包括省略表达，规定画法表达，简化表达) 信息：视图关系图信息。 高层：视图关系对投影与尺寸的作用。 工程图样中的尺寸标注主要作用是精确的描述零件的结构特征、形状特征和 精度特征，为零件的加工提供依据。尺寸工程语义在图样理解中起向导作用，我 们假定所用的工程图样的投影图形与尺寸是存在严格对应的，即得到的图形长度 与尺寸标注数值一致。因此理解尺寸工程语义可以从尺寸的分类信息与对形状的 约束两个方面考虑。尺寸的分类信息是从已有的工程图样中以及尺寸标注的规范 中提取得到的信息，这是较低层的语义信息，尺寸链，尺寸的约束信息是根据实 际工程图样提取得到的信息。 尺寸约束工程语义的层次化如下所示： 1 ) 从实际图样读取的尺寸标注信息是离散化的，这是分析约束尺寸语义的 基础，构成底层语义； 2 ) 尺寸的分类及其表达的意义，以及尺寸约束链的整理，构成中间层次的 尺寸工程语义： 3 ) 区别定形尺寸与定位尺寸，得到尺寸对形状的约束，用于基元体识别， 构成高层的尺寸工程语义。 表达方式、投影关系与尺寸约束工程语义之间的关系紧密，共同表达图样信 息，可以归纳得到各个类别之间的网络化的工程语义关系信息如下： 1 ) 游离图元、尺寸对视图形状的约束： 2 ) 投影元素与视图关系处理、视图隐式表达与投影的关系。 浙江大学硕士学位论文 第三章工程语义模型丹析 第三章工程语义模型分析 【本章摘要l 本章根据前一章所建立的工程语义集成网络模型为语义信息整 理和提取的途径和思路，就各个类别、各个层次、网络化的工程语义进行分析 3 1 概述 工程语义的处理比较复杂，模型建立和分