本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)程序和工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法、算法，包括使用基于有向圖的二維關(guān)聯(lián)約束多軸仿真圖形實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推算產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

背景技術(shù)：

在市場(chǎng)上提供用于對(duì)對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)、工程、制造的多個(gè)系統(tǒng)和程序。CAD是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的縮寫，例如，它涉及用于設(shè)計(jì)對(duì)象的軟件解決方案，傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)一般要求用戶構(gòu)造語句輸入幾何圖形，但有些圖形的構(gòu)造性描述并不容易，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的不足，更好地滿足概念化設(shè)計(jì)的要求，提高設(shè)計(jì)效率，人們?cè)噲D將人工智能的思想和方法引入到CAD系統(tǒng)中而形成智能CAD。智能CAD的主要特征和標(biāo)志是參數(shù)化和變量化。

后期出現(xiàn)的參數(shù)化技術(shù)首次引入了約束的概念，參數(shù)化技術(shù)將一組參數(shù)與控制零部件幾何圖形的一組結(jié)構(gòu)尺寸序列相對(duì)應(yīng)，當(dāng)賦予不同的參數(shù)值時(shí)，就可以產(chǎn)生一系列具有相似幾何圖形的零部件。參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)的特點(diǎn)是：基于特征的設(shè)計(jì)、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的修改。

變量化技術(shù)是參數(shù)化技術(shù)的一次飛躍。變量化技術(shù)將整個(gè)設(shè)計(jì)草圖當(dāng)作一個(gè)完整的系統(tǒng)來考慮，與構(gòu)造過程的順序無關(guān)，將草圖中的控制尺寸和拓?fù)潢P(guān)系都用約束來表示，這使得設(shè)計(jì)初期的草圖可以不是完全定義的，將沒有完全定義的控制尺寸和拓?fù)潢P(guān)系用變量?jī)?chǔ)存起來，暫時(shí)以當(dāng)前的繪制尺寸賦值。設(shè)計(jì)者可以在任何階段對(duì)草圖中的任何尺寸和拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行重新定義，同時(shí)這種重新定義也不必牽扯草圖中所有幾何實(shí)體的改動(dòng)。變量化技術(shù)提供的靈活更該模型的方式有效的支持了CAD的概念化設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力和想象力得到更充分地發(fā)揮。

參數(shù)化技術(shù)與變量化技術(shù)的核心是一旦給定了設(shè)計(jì)草圖的若干尺寸和拓?fù)潢P(guān)系，系統(tǒng)就可以自動(dòng)生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖，這一幾何約束求解的過程可以理解為幾何作圖的自動(dòng)化過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種通過關(guān)聯(lián)約束多軸仿真圖形實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推算產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使用基于有向圖的二維約束求解，頂點(diǎn)表示幾何元素，邊表示約束，約束圖將相互關(guān)聯(lián)的所有的幾何和約束關(guān)系聯(lián)系在一起。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下方式來實(shí)現(xiàn)：

通過關(guān)聯(lián)約束多軸仿真圖形實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推算產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其具體包括以下步驟：

1)選擇建立產(chǎn)品由頂點(diǎn)和約束邊組成的約束圖；

2)根據(jù)任意選取約束圖中的一個(gè)約束方向進(jìn)行過約束判斷；

3)對(duì)構(gòu)造的約束圖進(jìn)行約束平衡；

4)根據(jù)調(diào)整約束平衡后的約束圖進(jìn)行約束求解排序。

為了提高系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)能力，且避免過約束情況的出現(xiàn)，本發(fā)明提出了幾何完全定義狀態(tài)(幾何的形狀和位置完全確定時(shí)的狀態(tài))，滿足以下所有條件的判斷為幾何完全定義狀態(tài)：

(1)幾何對(duì)象的前承約束中不存在過約束；

(2)幾何對(duì)象的剩余自由度為0；

(3)在約束圖中，反向該幾何的任意一個(gè)前承約束，利用約束平衡方法，反向均失敗，即該幾何對(duì)象的所有前承約束均無法反向。

對(duì)于上述步驟2)中的過約束判斷而言，其具體的判斷方法如下：

(21)約束平衡失敗，則存在過約束；否則不存在過約束；

(22)約束平衡失敗后，約束圖中所有反向失敗的約束都是過約束；

(23)過約束指向的幾何對(duì)象均是過約束所在的幾何對(duì)象。

對(duì)于上述步驟3)中的約束平衡，其具體的約束平衡方法步驟如下：

(31)首先找到過定義頂點(diǎn)(剩余自由度小于0的頂點(diǎn)或相沖突的約束傳遞頂點(diǎn))；

(32)在過定義頂點(diǎn)的前承約束中挑選一個(gè)約束進(jìn)行反向，要求反向后過定義頂點(diǎn)不再是過定義頂點(diǎn)，反向約束后進(jìn)入步驟(33)，若沒有合適的前承約束可以反向，則分以下兩種情況：

(321)若過定義頂點(diǎn)是因?yàn)榉聪蚣s束導(dǎo)致的過定義頂點(diǎn)，那么恢復(fù)約束的方向，重新選擇一個(gè)合適的前承約束方向，進(jìn)行步驟(32)；

(322)若過定義頂點(diǎn)是最初的那個(gè)過定義頂點(diǎn)，則該約束圖存在過約束，約束平衡失?。?/p>

(33)被反向的約束傳遞頂點(diǎn)，若傳遞頂點(diǎn)不是過定義的頂點(diǎn)，則約束平衡成功，即約束圖調(diào)整成功，約束圖不存在過約束；若傳遞頂點(diǎn)是過定義頂點(diǎn)，將傳遞頂點(diǎn)當(dāng)成過定義頂點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行步驟(32)。

對(duì)于上述步驟4)中的約束求解排序的具體方法如下：

(41)選擇一個(gè)新添加或新修改約束的傳遞頂點(diǎn)I；

(42)將傳遞頂點(diǎn)I作為一個(gè)求解隊(duì)列元素并放入求解隊(duì)列的隊(duì)尾處；

(43)遍歷傳遞頂點(diǎn)I的傳遞約束，若傳遞頂點(diǎn)I的傳遞約束都遍歷完畢，則轉(zhuǎn)至步驟(48)，否則，選中一條未遍歷的傳遞約束I，得到傳遞約束I的傳遞頂點(diǎn)II；

(44)若傳遞頂點(diǎn)II不在求解隊(duì)列中，則記錄傳遞頂點(diǎn)II的父頂點(diǎn)，將傳遞頂點(diǎn)II當(dāng)成新的傳遞頂點(diǎn)I，轉(zhuǎn)至步驟(42)；若傳遞頂點(diǎn)II在求解隊(duì)列中，得到傳遞頂點(diǎn)I的父頂點(diǎn)為傳遞頂點(diǎn)III，再清空臨時(shí)堆棧，將傳遞頂點(diǎn)I壓入臨時(shí)堆棧；

(45)將傳遞頂點(diǎn)III壓入臨時(shí)堆棧，若傳遞頂點(diǎn)III就是頂點(diǎn)傳遞頂點(diǎn)II，或傳遞頂點(diǎn)III、傳遞頂點(diǎn)II屬于同一個(gè)求解隊(duì)列元素(說明求解隊(duì)列中從傳遞頂點(diǎn)II到傳遞頂點(diǎn)I的頂點(diǎn)構(gòu)成了環(huán)路)，轉(zhuǎn)至步驟(46)，否則，將傳遞頂點(diǎn)III的父頂點(diǎn)當(dāng)成新的傳遞頂點(diǎn)III，轉(zhuǎn)至步驟(45)，若傳遞頂點(diǎn)III沒有父頂點(diǎn)(即傳遞頂點(diǎn)III是起始點(diǎn))，轉(zhuǎn)至步驟(47)；

(46)調(diào)整求解隊(duì)列，將臨時(shí)堆棧內(nèi)頂點(diǎn)所在的隊(duì)列元素合并為一個(gè)，新的隊(duì)列元素置于求解隊(duì)列中傳遞頂點(diǎn)II所在隊(duì)列元素的位置，轉(zhuǎn)至步驟(43)；

(47)若求解隊(duì)列中，傳遞頂點(diǎn)II所在隊(duì)列元素排在傳遞頂點(diǎn)I所在隊(duì)列元素后，轉(zhuǎn)至步驟(43)，否則，調(diào)整求解隊(duì)列，將傳遞頂點(diǎn)II所在隊(duì)列元素以及沿著傳遞頂點(diǎn)II傳遞約束方向遍歷到的所有頂點(diǎn)所在的隊(duì)列元素排在傳遞頂點(diǎn)I所在的隊(duì)列元素之后，轉(zhuǎn)至步驟(43)；

(48)若傳遞頂點(diǎn)I沒有父頂點(diǎn)(即傳遞頂點(diǎn)I是起始點(diǎn))，則算法至此結(jié)束；若傳遞頂點(diǎn)I有父頂點(diǎn)，則返回傳遞頂點(diǎn)I的父頂點(diǎn)，將傳遞頂點(diǎn)I的父頂點(diǎn)當(dāng)成新的傳遞頂點(diǎn)I，轉(zhuǎn)至步驟(43)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果：

本發(fā)明所提出以約束圖為基礎(chǔ)，將幾何元素和約束關(guān)聯(lián)在一起，通過平衡來約束，進(jìn)行過約束的判定，避免幾何過定義導(dǎo)致的無解方程組計(jì)算；進(jìn)行幾何的完全定義狀態(tài)的判定，為設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)，提高人機(jī)交互設(shè)計(jì)效率；通過求解隊(duì)列算法，將復(fù)雜約束圖進(jìn)行分解，提高求解速度、效率，實(shí)現(xiàn)約束求解，解決復(fù)雜約束信息的管理問題。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明所構(gòu)建的幾何示意圖；

圖1b為圖1a的約束示意圖；

圖2a為完全定義狀態(tài)判斷幾何示意圖；

圖2b為圖2a的約束示意圖；

圖3a為過約束判斷幾何示意圖；

圖3b為圖3a的約束示意圖；

圖4a為本發(fā)明中約束圖的約束平衡示意圖I；

圖4b為本發(fā)明中約束圖的約束平衡示意圖II；

圖4c為本發(fā)明中約束圖的約束平衡示意圖III；

圖4d為本發(fā)明中約束圖的約束平衡示意圖IV；

圖4e為本發(fā)明中約束圖的約束平衡示意圖V；

圖4f為本發(fā)明中約束圖的約束平衡示意圖VI；

圖5為本發(fā)明中約束圖的約束平衡后的幾何示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

約束圖的建立過程就是創(chuàng)建新的頂點(diǎn)和約束邊，并將它們聯(lián)系在一起的過程。頂點(diǎn)表示點(diǎn)、直線或圓等某一幾何元素，頂點(diǎn)又可以分為前承頂點(diǎn)和傳遞頂點(diǎn)，約束的箭頭指向的頂點(diǎn)稱為該約束的傳遞頂點(diǎn)，約束的箭頭起始的頂點(diǎn)稱為該約束的前承頂點(diǎn)。

約束邊是用帶箭頭的有方向的邊來表示，其可以分為前承約束和傳遞約束，指向頂點(diǎn)的約束邊稱為該頂點(diǎn)的前承約束，從該頂點(diǎn)起始的約束邊稱為該頂點(diǎn)的傳遞約束。

如圖1a所示，創(chuàng)建由3個(gè)點(diǎn)P1、P2、P3和3條直線L1、L2、L3組成的6個(gè)幾何元素頂點(diǎn)的三角形；然后創(chuàng)建這6個(gè)頂點(diǎn)在直線上的約束e1、e2、e3、e4、e5、e6，其中e1是點(diǎn)P1指向直線L1，e2～e6進(jìn)行類似處理，如何1b所示，再在其基礎(chǔ)上添加P1與P2之間10mm的距離約束e9，約束e9的方向由P1指向P2，表示P1的位置通過10mm的距離來約束點(diǎn)P2的位置；然后添加P1的固定約束e7和直線L1的水平約束e8以及直線L1與L3之間30⁰約束e10。

如圖2a、2b所示，點(diǎn)P1″有固定約束e1″，點(diǎn)P1″與直線L1″間也存在點(diǎn)在直線上約束e2″，直線L2″有水平約束e3″，同時(shí)直線L1″和L2″之間存在平行約束e4″。故采用上述規(guī)則進(jìn)行幾何完全定義狀態(tài)的判斷：

P1″的前承約束e1″不是過約束，P1″剩余自由度為0，e1″不能反向，因此P1″是完全定義狀態(tài)；

直線L1″的前承約束e2″、e4″不是過約束，直線L1″的剩余自由度為0，反向e2″和e4″均失敗(e3″和e4″互為約束沖突，同時(shí)指向直線L2″時(shí)出現(xiàn)過定義)，因此直線L1″是完全定義狀態(tài)；

直線L2″的前承約束e3″不是過約束，但直線L2″的剩余自由度為1，因此直線L2″不是完全定義狀態(tài)，而處于欠定義狀態(tài)。

由于幾何的約束冗余導(dǎo)致約束求解失敗的稱為幾何過定義，而導(dǎo)致約束圖存在幾何過定義的約束稱為過約束，當(dāng)幾何自由度與其前承約束的所有約束度和的差稱為幾何的剩余自由度，而導(dǎo)致幾何過定義的原因是：幾何的剩余自由度小于零或存在約束沖突。

如何3a、3b所示，e1'～e4'是點(diǎn)在直線上約束、且e5'是直線L1'的水平約束、e6'是直線L2'的豎直約束、e7'是圓C1與直線L2'的相切約束。再次添加直線L1'和直線L2'的平行約束e8'，按照算法進(jìn)行約束平衡，結(jié)果約束平衡失敗存在過約束；約束圖中e5'、e6'和e8'反向失敗(由于約束沖突的機(jī)制，其他約束沒有被反向)，判定為過約束；它們所指向的直線L1'和L2'為過約束所在幾何，即水平、豎直和平行約束為過約束，直線L1'和L2'為過約束所在的幾何。

在圖1b中新添加L2與L1的垂直約束e11，如圖4a所示，過定義頂點(diǎn)可能是新添加的約束e11的傳遞頂點(diǎn)L1；由于L1是過定義頂點(diǎn)，其前承約束e11和e8約束沖突，且L1的剩余自由度小于0，由于存在約束沖突，只能反向約束e8或e11(反向其他前承約束無法解除L1的過定義狀態(tài))，反向約束e8后L1仍是過定義狀態(tài)，恢復(fù)約束e8的方向，反向約束e11使L1不再是過定義頂點(diǎn)，如圖4b所示。

如圖4c所示，約束e11的傳遞頂點(diǎn)L2變?yōu)檫^定義頂點(diǎn)，其剩余自由度小于0，反向L2的前承約束e3，使L2不再是過定義頂點(diǎn)；反向約束e3后，約束e3的傳遞頂點(diǎn)P2變?yōu)檫^定義頂點(diǎn)，其剩余自由度小于0，反向P2的前承約束e9，使P2不在是過定義頂點(diǎn)，如圖4d所示。然后在反向約束e9后，約束e9的傳遞頂點(diǎn)P1變?yōu)檫^定義頂點(diǎn)，P1沒有合適的前承約束可以反向，恢復(fù)e9的方向；重新選擇P2的一個(gè)前承約束e2進(jìn)行反向，使P2不再是過定義頂點(diǎn)如圖4e所示，根據(jù)之前的分析方法科得到反向約束e2失敗，恢復(fù)e2的方向，進(jìn)而P2沒有合適的前承約束可以反向，故恢復(fù)約束e3的方向。

進(jìn)一步的，選擇L2的一個(gè)前承約束e4進(jìn)行反向，使L2不再是過定義頂點(diǎn)如圖4f所示，反向e4后，e4的傳遞頂點(diǎn)P3也不是過定義頂點(diǎn)，即約束圖調(diào)整成功。

通過對(duì)調(diào)整成功后的約束圖進(jìn)行約束求解隊(duì)列排序，如圖4f所示。

將新添加垂直約束e11的傳遞頂點(diǎn)L2壓入求解隊(duì)列，此時(shí)求解隊(duì)列為L(zhǎng)2；然后就遍歷L2的傳遞約束e4，得起傳遞頂點(diǎn)P3，P3不在求解隊(duì)列中，將P3壓入求解隊(duì)列中，此時(shí)的求解隊(duì)列為P3；由于P3沒有傳遞約束，返回到P3的父頂點(diǎn)L2，再對(duì)L2的傳遞約束遍歷完畢，L2是起始點(diǎn)，算法結(jié)束。最終得到求解隊(duì)列：L2→P3，即先通過幾何L1、P2和約束e11、e3計(jì)算L2，再通過幾何L2、L3和約束e4、e5計(jì)算P3。最終得到的圖形就 是一張滿足所有約束的如圖5所示的幾何圖形。

以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式，再次聲明，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也列入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。