CN104809690A - 一种多草图的智能融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多草图的智能融合方法，通过把具有局部结构的二维草图定义为局部草图，构建其草图内部的几何对象和定位锚点，根据要求施加几何约束和尺寸约束，并将局部草图保存在草图结构库中；设计总体结构草图时通过锚点定位和坐标变换使得草图几何对象变换到当前的总体草图上，实现对接；最后约束局部草图和总体草图，完成整个草图的融合。该方法操作简单，计算量小，适用于各种三维软件平台，从而有效解决了现有技术中存在的缺陷。

Description

一种多草图的智能融合方法

技术领域

本发明涉及零件结构多样化设计领域，尤其是一种将具有约束的多个二维草图融合到一个总体草图中形成一个零件的二维截面结构，达到快速设计草图的目的。

背景技术

在零件的三维结构设计中，二维草图是三维建模的基础，它为三维模型的构建提供截面形状和参数。由于草图中的几何对象受到几何约束与尺寸约束，具有几何特征的意义，因此草图不同于一般平面上的几何对象(点、直线、曲线)；但草图又不同于三维建模中的特征，其求解方法与三维特征建模方法完全不同，属于一类特殊的二维特征，因此用草图设计复杂零件截面形状时，难以用类似于三维特征直接插入模型的方法把局部结构草图插入到总体草图中，使得由多种结构组合的完整截面形状的设计效率非常低，且局部结构草图也无法重用。将局部草图插入到总体草图的方法是解决复杂二维截面形状设计效率低、局部结构和尺寸难以重用的有效方法，该方法的难点是如何将局部草图融合到总体草图中，使其既能保证局部结构与总体结构对接正确，又能保证相关的几何和参数约束不与总体草图的约束产生冲突，同时结构与尺寸还能获得重用，且提高设计效率。

在《计算机工程与应用》期刊中，吴莉萍提出了一种用于快速草图设计的草图单元特征插入法(文献编号1002-8331-(2005)08-0198-03)，该方法是将局部草图作为特征插入到总体草图中。事先将局部草图作为特征保存到草图库中，在总体草图中不断插入局部草图，渐进式完善总体草图设计。首先在三维环境中将草图库中的某个局部草图特征插入到目标草图所在的平面上，并进入草图环境完成几何元素的定位。该方法把几何元素和约束同时插入目标草图中，但是存在明显的局限性：把局部草图插入时需要两次坐标变换，一次变换使得局部草图变换到总体草图所在的平面上，二次变换完成局部草图的定位，因此计算量大，另外由于建模软件的限制，一些约束信息无法带入，只能通过等价约束来代替，无法满足通用性要求。

还有一种方法是在《计算机时代》期刊中，由董洪伟等人公开的一种基于子图的 草图设计和约束求解方法(文献编号1006-8228(2011)11-01-03)。该方法的基本设计单位既可以是点、线、圆弧、样条，又可以是子图。把具有一定结构的图元组合成一个子图，对其进行拟序列化，保持该子图的拓扑结构，形成标准子图库。用户对子图进行插入、复制、粘贴等操作，可加快草图设计过程。该方法把规则的图形如正多边形看作强子图，通过解方程组的方法可求得约束，但对于复杂图形，建立子图较困难，用推理的方式求解约束易出错，且计算复杂；此外该方法只能在自己开发的特征造型系统上运行，开发成本较高，且由于现有建模软件的API限制，无法推广到任意的建模软件。因此该方法不实用。

发明内容

本发明针对现有方法的操作繁琐、定位，约束，复杂以及通用性差的问题，提出一种二维草图快速融合方法。此方法通过把具有局部结构的二维草图定义为局部草图，构建其草图内部的几何对象和定位锚点，根据要求施加几何约束和尺寸约束，并将局部草图保存在草图结构库中；设计总体结构草图时通过锚点定位和坐标变换使得草图几何对象变换到当前的总体草图上，实现对接；最后约束局部草图和总体草图，完成整个草图的融合。该方法操作简单，计算量小，适用于各种三维软件平台，从而有效解决了现有技术中存在的缺陷。

本发明具体的技术方案为：

所述一种多草图的智能融合方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：构建草图结构库：

步骤1.1：在三维建模系统的草图建模环境中，建立零件局部结构的草图；选取草图中组成零件局部结构的几何对象，所述几何对象包括几何元素、几何约束和尺寸约束；选取草图原点或草图中零件局部结构的接口位置作为草图锚点；

步骤1.2：建立零件局部结构的草图文件，草图文件格式为三维建模系统可编辑的文件格式；草图文件中存储有步骤1.1选取的几何对象，草图锚点写入草图文件的特征属性中；

步骤1.3：由组成零件的若干个局部结构的草图文件组成草图结构库；

步骤2：在三维建模系统的草图建模环境中融合总体草图：

步骤2.1：根据零件的截面设计要求，在草图结构库中选择需要的局部结构草图文件；

步骤2.2：在总体草图上指定定位点作为步骤2.1选择的局部结构草图融合到总体草图时的锚点位置，利用草图锚点在局部结构草图中的坐标以及定位点在总体草图中的坐标，得到局部结构草图融合到总体草图上的坐标变换矩阵；

步骤2.3：根据步骤2.2得到的坐标变换矩阵，将局部结构草图中的几何元素整体变换到总体草图上，并且将局部结构的尺寸约束和几何约束读取到总体草图上；

步骤2.4：对于经过步骤2.3整体变换到总体草图上的局部结构，在总体草图中选择其接口几何元素，并在总体草图的已有结构中选取与所述接口几何元素对应的对接几何元素，根据所述接口几何元素与所述对接几何元素的几何关系，确定所述接口几何元素与所述对接几何元素的约束方式，完成局部结构草图在总体草图上的绝对定位，将局部结构草图融合到总体草图中；

步骤3：若步骤2.1选择的局部结构草图已完全约束，且步骤2操作之前的总体草图也已完全约束，则在总体草图内，将新融合的局部结构中产生过约束的尺寸约束或几何约束删除；若步骤2.1选择的局部结构草图欠约束，则在总体草图内，对欠约束的几何元素添加尺寸约束和/或几何约束；

步骤4：重复步骤2和步骤3，将零件的截面设计所需的所有局部结构草图融合到总体草图中。

有益效果

本发明的有益效果是：通过本发明，零件局部结构的草图插入和三维特征插入一样非常方便，通过定义局部草图对象，采用指定定位锚点的方式，将局部草图变换到总体草图上使二者融为一体，实现草图特征的直接插入，从而逐步完成结构设计。此方法能够同时将包含几何元素、尺寸约束以及几何约束在内的草图所有信息同时保存在草图结构库中，通过锚点定位，在二维草图融合过程中只需要一次坐标变换即可完 成局部草图与总体草图的融合，再通过约束局部草图与总体草图之间的接口，即可得到融合后的整个完整二维截面草图。通过此方法，可以大大减少复杂结构的草图组合时间，重用已有的草图和尺寸，然后通过参数化修改即可得到满足新设计意图的草图。此方法易于推广到草图截面结构可组合的任意零件的设计中，而且方法本身对三维建模软件没有限制，可以快速完成草图绘制工作，使用户方便得到全约束的草图，提高零件的建模效率。

附图说明

图1是某压气机叶盘零件图。

图中，A-三维篦齿结构，是由截面篦齿旋转生成的。

图2是图1中篦齿A的二维截面草图。

其中，B-篦齿局部草图待插入的几何结构对象之一。

图3是图2的B中选择的插入几何对象，是本发明的处理过程之一：在局部草图中构建几何对象，并进行几何约束和尺寸约束。

图中，A-局部结构草图的锚点，将与对应总体草图图4中的A点对接，是本发明的处理过程之二：选择定位锚点。

图4是总体草图。

图中，A-总体草图锚点，是本发明的处理过程之三：指定定位点位置；B-总体草图鼓筒。

图5是将选择的局部草图变换到总体草图上示意图。

图中，A-局部草图锚点和总体草图定位点重合处。

图6是约束局部草图与总体草图接口示意图。

图中，Line1和Line2是总体草图上一重合直线，对接点A为总体草图上的接口，Arc1为局部草图接口所在几何元素，端点A为局部草图上的接口，与总体草图图4中的A点重合。

图7是完成局部草图和总体草图接口约束后经过处理的的最终草图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

这里以压气机叶盘(如图1)鼓筒篦齿二维草图绘制为实施例。鼓筒篦齿结构较为复杂，二维草图几何数量多，约束复杂，尺寸标注也较多。因此绘制时耗时耗力，且易出错。

本实施例中先将局部草图(包括几何、约束、尺寸)以及选择的定位锚点保存到草图结构库中(如本例中的其中一个篦齿)，在设计过程中，选择该局部草图，再在总体草图上指定局部草图的定位基点，然后计算得到局部草图上锚点到总体草图上定位基点的坐标变化矩阵，使用该矩阵将整个局部草图上的几何变换到总体草图上，同时读取相关尺寸以及约束到总体草图上，再通过约束两草图的接口，完成局部草图与总体草图的融合，并消除一些不必要的几何元素。以图1所示压气机鼓筒篦齿融合到鼓筒中为例，三维建模系统为UG NX，步骤如下：

步骤1：构建草图结构库：

步骤1.1：在三维建模系统中进入草图建模环境，根据零件局部结构绘制出局部草图包含的几何对象(如图3)，所述几何对象包括几何元素、几何约束和尺寸约束，从而建立零件局部结构的草图。局部结构二维草图中的几何元素如点、直线、圆弧等，而尺寸约束如长、宽、半径、角度等，几何约束如几何元素之间的垂直、平行、共点等约束信息。

然后选取草图中组成零件局部结构的几何对象，并选取锚点：锚点是为了将局部草图插入总体草图定位而设定的参考点，锚点多为草图几何元素的关键点，如直线的端点，圆或弧的圆心点，锚点的选择要尽量使得局部草图在总体草图中定位方便，因此可选择草图原点或草图中零件局部结构的接口位置作为草图锚点。本实施例中选定的锚点为图3中A点。

步骤1.2：建立零件局部结构的草图文件，草图文件格式为三维建模系统可编辑的文件格式；草图文件中存储有步骤1.1选取的几何对象，草图锚点写入草图文件的特征属性中。

步骤1.3：由组成零件的若干个局部结构的草图文件组成草图结构库。

步骤2：在三维建模系统的草图建模环境中融合总体草图：

步骤2.1：在三维建模环境中进行零件设计，进入总体草图对应的草图建模环境(如图4)，根据零件的截面设计要求，在草图结构库中选择需要的局部结构草图文件，例如篦齿。

步骤2.2：在总体草图上指定定位点作为步骤2.1选择的局部结构草图融合到总体草图时的锚点位置，利用草图锚点在局部结构草图中的坐标以及定位点在总体草图中的坐标，得到局部结构草图融合到总体草图上的坐标变换矩阵。

本实施例中，如图4所示，在总体草图上指定定位点A，然后根据草图锚点在局部结构草图中的坐标以及定位点在总体草图中的坐标，得到局部结构草图融合到总体草图上的坐标变换矩阵。

步骤2.3：根据步骤2.2得到的坐标变换矩阵，将局部结构草图中的几何元素整体变换到总体草图上，并且将局部结构的尺寸约束和几何约束读取到总体草图上，完成局部结构草图几何对象与总体草图上选定定位点之间的相对定位(如图5)。

步骤2.4：对于经过步骤2.3整体变换到总体草图上的局部结构，在总体草图中选择其接口几何元素，并在总体草图的已有结构中选取与所述接口几何元素对应的对接几何元素，根据所述接口几何元素与所述对接几何元素的几何关系，确定所述接口几何元素与所述对接几何元素的约束方式，完成局部结构草图在总体草图上的绝对定位，将局部结构草图融合到总体草图中。

本实施例中，局部结构在总体草图中的接口几何元素为圆弧Arc1，总体草图中的对接几何元素为直线Line2(如图6)，选择约束->点重合，约束两接口，完成局部结构草图在总体草图上的绝对定位。

步骤3：若步骤2.1选择的局部结构草图已完全约束，且步骤2操作之前的总体草图也已完全约束，则约束两接口时必然将产生过约束冲突，所以在总体草图内，将新 融合的局部结构中产生过约束的尺寸约束或几何约束删除，消除过约束。

若步骤2.1选择的局部结构草图欠约束，则约束接口后可能出现局部结构变形等问题，所以在总体草图内，对欠约束的几何元素添加尺寸约束和/或几何约束，保证局部结构的形状位置不变。

步骤4：重复步骤2和步骤3，将零件的截面设计所需的所有局部结构草图融合到总体草图中，例如多次插入篦齿局部结构，最终完成复杂零件的截面设计(如图2)。

Claims (1)

1.一种多草图的智能融合方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：构建草图结构库：

步骤1.1：在三维建模系统的草图建模环境中，建立零件局部结构的草图；选取草图中组成零件局部结构的几何对象，所述几何对象包括几何元素、几何约束和尺寸约束；选取草图原点或草图中零件局部结构的接口位置作为草图锚点；

步骤1.2：建立零件局部结构的草图文件，草图文件格式为三维建模系统可编辑的文件格式；草图文件中存储有步骤1.1选取的几何对象，草图锚点写入草图文件的特征属性中；

步骤1.3：由组成零件的若干个局部结构的草图文件组成草图结构库；

步骤2：在三维建模系统的草图建模环境中融合总体草图：

步骤2.1：根据零件的截面设计要求，在草图结构库中选择需要的局部结构草图文件；

步骤2.2：在总体草图上指定定位点作为步骤2.1选择的局部结构草图融合到总体草图时的锚点位置，利用草图锚点在局部结构草图中的坐标以及定位点在总体草图中的坐标，得到局部结构草图融合到总体草图上的坐标变换矩阵；

步骤2.3：根据步骤2.2得到的坐标变换矩阵，将局部结构草图中的几何元素整体变换到总体草图上，并且将局部结构的尺寸约束和几何约束读取到总体草图上；

步骤2.4：对于经过步骤2.3整体变换到总体草图上的局部结构，在总体草图中选择其接口几何元素，并在总体草图的已有结构中选取与所述接口几何元素对应的对接几何元素，根据所述接口几何元素与所述对接几何元素的几何关系，确定所述接口几何元素与所述对接几何元素的约束方式，完成局部结构草图在总体草图上的绝对定位，将局部结构草图融合到总体草图中；

步骤3：若步骤2.1选择的局部结构草图已完全约束，且步骤2操作之前的总体草图也已完全约束，则在总体草图内，将新融合的局部结构中产生过约束的尺寸约束或几何约束删除；若步骤2.1选择的局部结构草图欠约束，则在总体草图内，对欠约束的几何元素添加尺寸约束和/或几何约束；

步骤4：重复步骤2和步骤3，将零件的截面设计所需的所有局部结构草图融合到总体草图中。