CN111507007B - 一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维模型重用技术领域，尤其是一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法。首先，以三维装配模型共性结构为载体，基于装配特征、匹配关系等属性，结合共轭的思想，将三维装配模型装配特征的匹配问题转换为基于共轭子图的装配特征匹配问题；其次，在ullmann算法的基础上，结合共轭子图定义以及相关优化操作，提出基于顶点筛选的共轭子图匹配问题；最后，提出通用结构的构建过程，建立三维装配模型通用结构。本发明可以将具有相似结构的三维装配模型信息进行整合，减少信息重用过程中的匹配次数，提高三维装配模型的设计重用效率。

Description

一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法

技术领域

本发明涉及三维模型重用技术领域，尤其是一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法。

背景技术

伴随着信息科学技术，以及产品建模相关知识的发展，CAD模型不管是从内涵还是外延信息描述的能力都有了质的飞跃。在当前环境下，现有模型数不胜数，每天依然会有大量的新模型出现。当企业研发新品时，并不是全盘创新，而是有40％对设计历史的适当改进，40％对设计历史的优化组合，仅仅只有20％是设计创新的结果。随着制造业的快速发展，三维装配模型信息的设计重用技术逐步成为研究热点。从不同角度、不同方面发掘支持重用的模型信息，缩减设计周期，改善设计效率，对大范围的设计和制造具有关键性的作用。传统的模型检索以单个模型为单位进行，对多个模型检索就需要进行多次匹配。构建三维装配模型的通用结构，将多个具有相似结构的三维装配模型进行统一表达，能够减少模型重用过程中的检索次数，进一步提高模型检索效率。

一种通用结构的构建方法是以制动器类产品为例，首先构建属性连接图表达规范，然后基于聚类算法和频繁子图算法获取通用设计单元，从而实现装配模型信息发掘。一种通用结构的构建方法是首先构建基于图的三维装配模型描述符，表示相应模型元素，定义相关属性，实现模型与图之间的双向映射；然后基于距离计算实现零件局部差异的融合；最后使用频繁子图算法提取相应的通用结构。以上方法的局限性是：这两种方法只是针对三维装配模型的共性部分进行提取，当进行设计重用时只能获取部分模型结构，从而影响设计效率。

发明内容

本发明的目的是减少三维装配模型在设计重用中图匹配的次数，在一组具有设计共性的模型结构基础上实现相应的通用表达。即以三维装配模型共性结构为基础，结合未划入共性结构的其他零组件进行组合整理，形成表达全面、功能类型多样的图模型表示，该结构即为该组模型的统一表达，从而提出一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法，首先，以三维装配模型的共性结构为基础，基于装配特征、匹配关系等属性，结合共轭的思想，将三维装配模型装配特征的匹配问题转换为基于共轭子图的装配特征匹配问题；其次，在ullmann算法的基础上，结合共轭子图定义以及相关优化操作，提出基于顶点筛选的共轭子图匹配问题；最后，提出通用结构的构建过程，建立三维装配模型通用结构。

上述方法包括以下步骤：

步骤1、定义n个通用集合(n为三维装配模型共性结构中零件个数)，并对其进行初始化，分别用于存储匹配过程中与该零件满足共轭匹配的属性邻接图；

步骤2、输入三维装配模型共性结构以及待匹配零组件分别对应的属性邻接图图集，图集主要分别存放模型中各个零组件对应的属性邻接图；

步骤3、基于顶点筛选的共轭子图匹配算法，遍历三维装配模型共性结构中各零件，将当前待匹配零组件图集中的各个零组件依次与当前零件的属性邻接图进行共轭子图匹配，对于共性结构中的第k个零件：

1)若满足共轭匹配，则将该零组件对应的属性邻接图加入到第k个零件所对应的通用集合中，更新添加后的三维装配模型通用结构状态，选定下一个待匹配零组件继续进行共轭子图判断；

2)若不满足共轭匹配，则直接跳过，选定下一个待匹配零组件继续进行共轭子图判断；

步骤4、直至将当前待匹配零组件图集中所有零组件遍历完，则该零件所对应的通用集合构建完毕，选定下一个共性结构中的零件，进入步骤3；

步骤5、重复上述步骤，直至遍历完三维装配模型共性结构中各零件，获得各零件对应的通用集合，从而三维装配模型通用结构得以构建。

进一步的，所述步骤3中基于顶点筛选的共轭子图匹配算法具体包括如下步骤：

(3-a)、预处理；

(3-b)、初始化V₁和V₂，使V₁＝0，V₂＝0；其中V₁和V₂为顶点集合，两集合的作用是在算法运行过程中存放满足共轭匹配的顶点；

(3-c)、从映射矩阵(M)第一行开始遍历，若元素m_rc＝1，则分别将该元素对应的顶点加入V₁和V₂中，并设第c列占用标记(O_C)为真，初始化退行标记(B)为假，行计数 (L)为r；

(3-d)、r+1，遍历矩阵M，若B为假，则进入该行，运行步骤(3-e)；否则，回到r 行，运行步骤(3-f)；

(3-e)、遍历M中的第i行，从第0列开始：

1)若m_ij＝1，且该列没有被占用，则将匹配的顶点分别加入V₁和V₂，并对其进行共轭子图匹配判断，如满足共轭子图结构相同、顶点面类型、顶点配合要求等属性相同，顶点面法向量相反，边属性相反等条件，则设O_j为真，执行步骤(3-d)；否则，删除匹配的顶点， L+1；

2)否则，L+1；

(3-f)、第r行O_C为假，删除匹配的顶点，从c+1列开始遍历矩阵的第i行：

1)若m_ij＝1，且该列没有被占用，则将匹配的顶点分别加入V₁和V₂，并对其进行共轭子图匹配判断，如满足共轭子图结构相同、顶点面类型、顶点配合要求等属性相同，顶点面法向量相反，边属性相反等条件，则设O_j为真，B为假，执行步骤(3-d)；否则，删除匹配的顶点，L+1；

2)否则，L+1；

(3-g)、若L与M的列数相等，或者步骤(3-f)中的c+1与M的列数相等，则设B 为真，后退一行；否则，进入下一行；

(3-h)、遍历完M，若V₁和V₂两集合不为空集，则集合中的顶点则为匹配出的共轭子图，并输出；否则，算法结束，子图不共轭；

进一步的，所述步骤(3-a)是根据共轭子图的相关性质，对M进行初始化，主要是对M 中值为1的元素进行判断，看是否可将该处1置为0；因M中元素为1的数量也是有限的，因此预处理过程步骤也是有限，直到M中没有元素可以被置为0为止；

进一步的，所述步骤(3-a)包括以下步骤：

若两图中顶点属性不符合共轭子图各对应的节点属性相同，则矩阵M中顶点相对应的元素置为0；

初始化之后，进行顶点筛选，若满足以下条件，则退出共轭子图匹配；如不满足，则进入步骤(3-b)；

(ⅰ)、M中，某行元素皆不为1，则说明匹配的子图中某节点在需检索的大图中并不存在；

(ⅱ)、M中，r＞c，则说明匹配的子图大于需检索的大图；

(ⅲ)、匹配的子图中某节点个数大于需检索的大图中相类似的节点个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于装配特征、匹配关系等属性，结合共轭的思想，基于共轭子图相关特性以及预处理等相关优化手段提高效率，使用基于顶点筛选的共轭子图匹配算法解决三维装配模型中装配特征的匹配问题，在算法中，根据分别由当前小图已匹配上的顶点集合V₁与大图已匹配上的V₂所形成的子图必定也是同构的这一原理，判断分别由V₁和V₂所构成的子图是否同构，以及相应顶点所对应的边的属性是否符合共轭子图的对应边属性相反性质，从而对新找到的列做有效性判断，有效剔除无效匹配，提高匹配精度和效率。

本发明构建的三维装配模型通用结构既可体现一组三维装配模型中功能、结构、属性等可重用的共性结构信息，满足大众需求，为设计人员提供该组模型的大体结构以及相关功能、属性、设计经验等信息。也可体现众多非共性结构的相关信息，并且将符合条件的结构尽可能多的囊括在内，满足设计人员在不同阶段、不同条件下的各种个性化需求，为设计人员在设计制造中提供全面详细的可重用信息。从而在设计重用过程中，减少匹配次数，提高重用效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步说明：

图1是一组某系列机床夹具三维装配模型，其中图1(a)—图1(h)分别对应夹具1—夹具 8；

图2是三维装配模型共性结构；

图3是液压传动的活塞缸和活塞杆；

图4是三维装配模型通用集合示例图；

图5是三维装配模型通用结构。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

本发明提供的技术方案是：一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法，首先，以专利“一种基于三维装配模型共性结构的发掘方法”(CN110399657A)中的模型表示方法以及发掘所得共性结构为基础，发掘相应的共性结构。以该共性结构为载体，基于装配特征、匹配关系等属性，结合共轭的思想，将三维装配模型装配特征的匹配问题转换为基于共轭子图的装配特征匹配问题；其次，在ullmann算法的基础上，结合共轭子图定义以及相关优化操作，提出基于顶点筛选的共轭子图匹配问题；最后，提出通用结构的构建过程，建立三维装配模型通用结构，从而达到设计重用的目的。三维装配模型的共性结构随着设置的频繁度阈值不同而有所不同，任一阈值下发掘的结果皆对应相应的共性结构。

实施例：本文以图1所示的一组某系列机床夹具的三维装配模型为例，该实例中共有8 个夹具。将最小频繁度阈值设置为1，以该阈值发掘所得如图2所示的共性结构构建相应的通用结构。其中，图中“a0”编码所代表的含义为相互配合的两零件连接关系是“焊接”，配合面接触类型是“平面—平面接触”；“b2”编码所代表的含义为相互配合的两零件连接关系是“螺纹连接”，配合面接触类型是“柱面—柱面接触”；“d2”编码所代表的含义为相互配合的两零件连接关系是“接触连接”，配合面接触类型是“柱面—柱面接触”；1代表底板； 2代表定位板；3代表压板；5代表支撑件1；6代表螺母；9代表支撑件2。可以看到该组夹具在该阈值下的共性结构至少包含压板、底板、支撑件、螺母、定位块等零件；零件间分别通过焊接、螺纹连接、接触连接等方式连接。

一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法，具体包括如下步骤：

步骤1、首先定义n个通用集合(n为三维装配模型共性结构中零件个数)，并对其进行初始化，分别用于存储匹配过程中与该零件满足共轭匹配的属性邻接图。

步骤2、输入三维装配模型共性结构以及待匹配零组件分别对应的属性邻接图图集，图集主要分别存放模型中各个零组件对应的属性邻接图。

步骤3、基于顶点筛选的共轭子图匹配算法，遍历三维装配模型共性结构中各零件，将当前待匹配零组件图集中的各个零组件依次与当前零件的属性邻接图进行共轭子图匹配。

其中基于顶点筛选的共轭子图匹配算法具体包括如下步骤：

(3-a)、预处理

预处理的具体内容是根据共轭子图的相关性质，对M进行初始化，主要是对M中值为 1的元素进行判断，看是否可将该处1置为0。因M中元素为1的数量也是有限的，因此预处理过程步骤也是有限，直到M中没有元素可以被置为0为止。具体步骤如下：

若两图中顶点属性不符合共轭子图各对应的节点属性相同，则矩阵M中顶点相对应的元素置为0。

初始化之后，进行顶点筛选，若满足以下条件，则退出共轭子图匹配；如不满足，则进入步骤(3-b)。

(ⅰ)、M中，某行元素皆不为1，则说明匹配的子图中某节点在需检索的大图中并不存在。

(ⅱ)、M中，r＞c，则说明匹配的子图大于需检索的大图。

(ⅲ)、匹配的子图中某节点个数大于需检索的大图中相类似的节点个数。

(3-b)、初始化V₁和V₂，使V₁＝0，V₂＝0。其中V₁和V₂为顶点集合，两集合的作用是在算法运行过程中存放满足共轭匹配的顶点。

(3-c)、从映射矩阵(M)第一行开始遍历，若元素m_rc＝1，则分别将该元素对应的顶点加入V₁和V₂中，并设第c列占用标记(O_C)为真，初始化退行标记(B)为假，行计数 (L)为r。

(3-d)、r+1，遍历矩阵M，若B为假，则进入该行，运行步骤(3-e)；否则，回到r 行，运行步骤(3-f)。

(3-e)、遍历M中的第i行，从第0列开始：

1)若m_ij＝1，且该列没有被占用，则将匹配的顶点分别加入V₁和V₂，并对其进行共轭子图匹配判断，如满足共轭子图结构相同、顶点面类型、顶点配合要求等属性相同，顶点面法向量相反，边属性相反等条件，则设O_j为真，执行步骤(3-d)；否则，删除匹配的顶点， L+1。

2)否则，L+1。

(3-f)、第r行O_C为假，删除匹配的顶点，从c+1列开始遍历矩阵的第i行：

1)若m_ij＝1，且该列没有被占用，则将匹配的顶点分别加入V₁和V₂，并对其进行共轭子图匹配判断，如满足共轭子图结构相同、顶点面类型、顶点配合要求等属性相同，顶点面法向量相反，边属性相反等条件，则设O_j为真，B为假，执行步骤(3-d)；否则，删除匹配的顶点，L+1。

2)否则，L+1。

(3-g)、若L与M的列数相等，或者步骤(3-f)中的c+1与M的列数相等，则设B 为真，后退一行；否则，进入下一行。

(3-h)、遍历完M，若V₁和V₂两集合不为空集，则集合中的顶点则为匹配出的共轭子图，并输出；否则，算法结束，子图不共轭。

对于三维装配模型共性结构中的第k个零件：

1)若满足共轭匹配，则将该零组件对应的属性邻接图加入到第k个零件所对应的通用集合中，更新添加后的三维装配模型通用结构状态，选定下一个待匹配零组件继续进行共轭子图判断；

2)若不满足共轭匹配，则直接跳过，选定下一个待匹配零组件继续进行共轭子图判断。

以图3所示的某机床辅具中液压传动的1个活塞缸零件以及4个活塞杆零件为例进行通用集合构建。保留装配特征信息，简化非装配特征信息，分别构建每个零件对应的属性化装配特征邻接图，并进行通用结构的构建，得到如图4所示的相应的通用集合。其中，图中的 1代表活塞杆1；2代表活塞杆2；3代表活塞杆3；4代表活塞杆4；5代表活塞缸。线圈所圈出的部分即为通用集合所表示的相关内容。阴影部分为零件之间进行配合的装配特征部位，共轭节点之间连接所用的虚实线则表示零件装配特征中属性相反的边。

步骤4、直至将当前待匹配零组件图集中所有零组件遍历完，则该零件所对应的通用集合构建完毕，选定下一个共性结构中的零件，进入步骤3。

步骤5、重复上述步骤，直至遍历完三维装配模型共性结构中各零件，获得各零件对应的通用集合，从而三维装配模型通用结构得以构建。本发明以零件9(支撑件2)进行举例说明，其构建结果如图5所示。其中，图中“d1”编码所代表的含义为相互配合的两零件连接关系是“接触连接”，配合面接触类型是“平面—柱面接触”；图中的1代表底板；2代表定位板；3代表压板；4代表手柄；5代表支撑件1；6代表螺母；7代表弹簧；8代表弹簧保护套；9代表支撑件2；10代表圆柱销；11代表转动件；12代表连接杆；13代表摆杆； 14代表套筒；15代表螺钉。线圈外所展示结构即为三维装配模型共性结构，表示该组模型零组件的一般构成，而线圈内的部分为三维装配模型通用结构中的零件9(支撑件2)所对应的通用集合。

Claims (4)

1.一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法，其特征在于：首先，以三维装配模型的共性结构为基础，基于装配特征、匹配关系等属性，结合共轭的思想，将三维装配模型装配特征的匹配问题转换为基于共轭子图的装配特征匹配问题；其次，在ullmann算法的基础上，结合共轭子图定义以及相关优化操作，提出基于顶点筛选的共轭子图匹配问题；最后，提出通用结构的构建过程，建立三维装配模型通用结构；

上述方法包括以下步骤：

步骤1、定义n个通用集合(n为三维装配模型共性结构中零件个数)，并对其进行初始化，分别用于存储匹配过程中与该零件满足共轭匹配的属性邻接图；

步骤2、输入三维装配模型共性结构以及待匹配零组件分别对应的属性邻接图图集，图集主要分别存放模型中各个零组件对应的属性邻接图；

步骤3、基于顶点筛选的共轭子图匹配算法，遍历三维装配模型共性结构中各零件，将当前待匹配零组件图集中的各个零组件依次与当前零件的属性邻接图进行共轭子图匹配；对于共性结构中的第k个零件：

1)若满足共轭匹配，则将该零组件对应的属性邻接图加入到第k个零件所对应的通用集合中，更新添加后的三维装配模型通用结构状态，选定下一个待匹配零组件继续进行共轭子图判断；

2)若不满足共轭匹配，则直接跳过，选定下一个待匹配零组件继续进行共轭子图判断；

步骤4、直至将当前待匹配零组件图集中所有零组件遍历完，则该零件所对应的通用集合构建完毕，选定下一个共性结构中的零件，进入步骤3；

步骤5、重复上述步骤，直至遍历完三维装配模型共性结构中各零件，获得各零件对应的通用集合，从而三维装配模型通用结构得以构建。

2.根据权利要求1所述的一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法，其特征在于：所述步骤3中基于顶点筛选的共轭子图匹配算法具体包括如下步骤：

(3-a)、预处理；

(3-b)、初始化V₁和V₂，使V₁＝0，V₂＝0；其中V₁和V₂为顶点集合，两集合的作用是在算法运行过程中存放满足共轭匹配的顶点；

(3-c)、从映射矩阵(M)第一行开始遍历，若元素m_rc＝1，则分别将该元素对应的顶点加入V₁和V₂中，并设第c列占用标记(O_C)为真，初始化退行标记(B)为假，行计数(L)为r；

(3-d)、r+1，遍历矩阵M，若B为假，则进入该行，运行步骤(3-e)；否则，回到r行，运行步骤(3-f)；

(3-e)、遍历M中的第i行，从第0列开始：

1)若m_ij＝1，且该列没有被占用，则将匹配的顶点分别加入V₁和V₂，并对其进行共轭子图匹配判断，如满足共轭子图结构相同、顶点面类型、顶点配合要求等属性相同，顶点面法向量相反，边属性相反等条件，则设O_j为真，执行步骤(3-d)；否则，删除匹配的顶点，L+1；

2)否则，L+1；

(3-f)、第r行O_C为假，删除匹配的顶点，从c+1列开始遍历矩阵的第i行：

1)若m_ij＝1，且该列没有被占用，则将匹配的顶点分别加入V₁和V₂，并对其进行共轭子图匹配判断，如满足共轭子图结构相同、顶点面类型、顶点配合要求等属性相同，顶点面法向量相反，边属性相反等条件，则设O_j为真，B为假，执行步骤(3-d)；否则，删除匹配的顶点，L+1；

2)否则，L+1；

(3-g)、若L与M的列数相等，或者步骤(3-f)中的c+1与M的列数相等，则设B为真，后退一行；否则，进入下一行；

(3-h)、遍历完M，若V₁和V₂两集合不为空集，则集合中的顶点则为匹配出的共轭子图，并输出；否则，算法结束，子图不共轭。

3.根据权利要求2所述的一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法，其特征在于：所述步骤(3-a)是根据共轭子图的相关性质，对M进行初始化，主要是对M中值为1的元素进行判断，看是否可将该处1置为0；因M中元素为1的数量也是有限的，因此预处理过程步骤也是有限，直到M中没有元素可以被置为0为止。

4.根据权利要求3所述的一种基于共轭子图的三维装配模型通用结构构建方法，其特征在于：所述步骤(3-a)包括以下步骤：

若两图中顶点属性不符合共轭子图各对应的节点属性相同，则矩阵M中顶点相对应的元素置为0；

初始化之后，进行顶点筛选，若满足以下条件，则退出共轭子图匹配；如不满足，则进入步骤(3-b)；

(ⅰ)、M中，某行元素皆不为1，则说明匹配的子图中某节点在需检索的大图中并不存在；

(ⅱ)、M中，r＞c，则说明匹配的子图大于需检索的大图；

(ⅲ)、匹配的子图中某节点个数大于需检索的大图中相类似的节点个数。

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