CAD装配模型多模态描述符特征提取和检索方法

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）41CAD装配模型Katia Lupinettia，b，Franca Gianninia，Marina Montia，Jean-Philippe Pernotba应用数学和信息技术研究所。Magenes“，Consiglio Nazionale delle Ricerche，意大利b法国巴黎理工学院LSIS实验室阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月17日收到2017年9月26日收到修订版2017年11月6日接受在线发售2017年保留字：装配检索多层检索部分检索多模态描述符特征提取A B S T R A C T能够重用现有的设计知识是主要的兴趣，以帮助设计师在创造新产品。这在零件级别上是真实的，在多个零件的组件级别上更是如此有意义的信息和知识可以从现有的几何模型和相关的数据和元数据中提取，以及从定义它们所遵循的过程中提取。本文提出了一种方法来表征和结构的CAD装配模型，使类似的模型从数据库中检索。已经设计了一个框架，用于根据多个用户指定的搜索标准检索全局和/或部分相似的装配模型。它基于一个装配描述符，称为丰富的装配模型，这是一个属性图，编码所有所需的数据自动提取的几何形状和结构的CAD模型。数据组织在四个层中：结构层、装配界面层、形状层和统计层。该算法从实际CAD模型或抽象查询模型出发，通过解决匹配问题从数据库中检索模型将装配模型间的匹配问题转化为寻找装配模型间的子同构问题。EAM的分层组织允许部分定义的查询，可以进一步细化。所提出的方法的有效性说明了从开发的软件原型获得的结果。©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍CAD模型已成为许多工业应用的主流。它们可以被视为存储在产品开发过程（PDP）中使用和共享的数字模型中的数字产品参考模型（Falcidieno，Giannini，Léon，&Pernot，2014）。大多数情况下，新产品是对现有产品的适应和已知技术解决方案的组合。因此，从公司数据库中轻松访问已设计和可用的模型对于快速制作满足类似规格和要求的新产品原型具有重要意义。能够重复使用现有的信息和数据，如组件，子系统，材料，工艺规划，制造策略，生产成本，以及3D模型的几何形状（Yu-Shen，Fang，Ramani，2009;Zehtaban，Elazhary，Roller，2016），成为一个关键的区别。由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者：Istituto di Matematica Appliata e Tecnologie信息学 Magenes电子邮件地址：katia. ge.imati.cnr.it（K. Lupinetti），franca.ge.imati.cnr.it（F.Giannini），marina. ge.imati.cnr.it（M.蒙蒂），让-菲利普。pernot@ensam.eu（J.- P.Pernot）。的竞争力是由著名的三联成本质量延迟驱动的行业检索现有模型（零件或组件）的能力可用于实现多个目标，如在新装配中重用现有组件，或提供对现有设计知识的访问（例如，模拟结果、制造策略）（Gupta、Cardone、Deshmukh，2006）或识别可受益于标准化的类似配置。在这方面，一个挑战是，数据库的规模在过去几年中呈指数级增长因此，处理大量生成的数据并开发新的搜索，浏览方法和工具越来越具有挑战性（Roj，2014）。这尤其适用于CAD模型数据库的结构、访问和重用。当考虑可能由几十万个零件组成的CAD模型时，检索过程并不简单。因此，必须开发和优化具有适当搜索算法的特定系统，以便能够以用户友好的方式在合理的时间内检索内容。在简单的基于文本的检索中，用户键入一个单词或句子的列表，这些单词或句子描述了他们想要在数据库中找到的对象。这种策略假设数据已经以适当的方式用文本信息进行了注释因此，某些模型可能无法检索，因为它们的https://doi.org/10.1016/j.jcde.2017.11.0032288-4300/©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。42K. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）41注释，即使它们在语义上与查询相关。为了克服这些局限性，基于叙词表的搜索方法即可以采用使用关联关系的受控词汇表项的集合然而，这些技术是不够的，因为注释可能不存在，并且不能保证符合命名约定。此外，它们不考虑零件的形状。类似地，在由多个部件组成的复杂产品的情况下，仅基于形状的方法不足以用于检索目标装配模型。实际上，具有相似形状的3D模型可以以不同的方式组装，涉及不同的运动关节，然后它们的部件之间的不同关系。例如，具有5个螺钉的两个部件的组件可以被认为类似于具有6个螺钉的相同组件。在这种情况下，在更高的水平上，重要的是无论螺钉的数量如何，这两个部件都已经拧紧。因此，先进的搜索方法必须结合在不同层次（如几何，结构，运动学，注释）工作的机制。为了有效地重用现有模型，基于内容的方法还应该允许查询，而不需要将CAD模型的规范作为输入。这种可能性特别重要，因为在早期设计阶段，设计者可能对表达不完整的查询感兴趣，例如，简单地通过指定装配模型的一些属性，只是为了从可用的模型中获得灵感。因此，面临的挑战是找到一个组件表示能够支持用户的请求在不同层次的细节。此外，应该自动提取关联的数据和元数据，以避免繁琐的手动实例化。因此，它是至关重要的，以提供一个工具，用于检索的装配模型，它可以根据用户的需求。它应该能够考虑与组件和零件形状相关的多个标准，子组件和零件之间的互连以及隐含存储在3D数据中的其他方面。在本文中，我们提出了一个框架，检索全局和/或部分相似的装配模型，根据不同的搜索标准，可以方便设计人员。它基于一个装配描述符，称为丰富的装配模型（EAM），它编码通过分析CAD模型的几何形状和结构自动提取的所有所需数据。两个装配模型之间的匹配问题转化为寻找两个EAM之间的子同构问题。它允许部分指定的查询，可以进一步细化并应用于搜索结果。第二节回顾了相关的工作。第3节介绍了EAM模型和完整的框架。第4节讨论了从我们的原型软件中获得的一些例子，这些例子将真实的CAD模型或抽象的查询模型作为检索过程的输入最后一节是本文的结论和展望。2. 相关作品计算机图形学的研究人员已经在很大程度上解决了单个三维对象检 索 的 问 题 （ Biasotti 等 人 ， 2003; Funkhouser 等 人 ， 2003;Giannini，Lupinetti，&Monti，2017）。为此，Iyer、Jayanti、Lou 、 Kalyanaraman 和 Ramani （ 2005 年 ） 以 及 Tangelder 和Veltkamp（2008年）定义了各种形状描述符，并提供了相当大的概述。这些技术只关注装配模型的形状特征，而没有考虑装配模型相似性的其他重要方面例如，不使用零件之间的关系，因此不可能检索类似的组件结构或更简单地检索另一组件中的子组件。为了克服这些限制，最近，已经致力于解决组件的检索。更深层次的分析-通过分析这些技术，直接或间接地解决了装配模型中相似性的识别问题，我们确定了几个标准，这些标准分为以下四个宏类别：上下文、装配特征、装配描述符、查询模型。上下文包括工作目标和用于表示组件的几何表示类型（即B-Rep、3D网格或点云）。装配表征是指作者用来表征装配模型的数据和知识（即几何和/或拓扑特征）的类型以及获得关于装配关系的信息的方式。更具体地说，它指示该方法是否假设组件之间的关系在装配中的参数在本机CAD模型中明确表示，自动从装配几何中导出，或由用户手动指定。组件描述符指示组件在哪个级别（组件、零件或特征）被字符化。在装配层次上，装配体由其零件及其关系描述;在零件层次上，装配体仅通过其组成零件的列表描述;在特征层次上，使用具有特定装配意义的形状部分来表征组件。此外，这最后一个类别包括如何表示组件描述符，例如，作为图形或向量。最后，查询模型类别指定如何表达查询：例如，单个CAD组件模型、一组CAD组件模型、一组CAD定位的部件模型、3D网格或抽象组件描述符。表1收集了现有的方法及其定位根据上述标准。只考虑了直接针对相似装配模型检索的方法。其中，Li，Zhou，Liu，Niu和Kong（2016），Kazhdan，Funkhouser和Rusinkiewicz（2003）强调了CAD检索对重用现有解决方案的重要性。他们的方法适用于零件和装配模型，以找到全局和局部相似性。无论如何，在装配模型的情况下，检索系统强烈地依赖于设计者定义的结构，不能将具有不同子装配结构的相同模型识别为相似。其他采用更全面 方 法 的 作 品 有 （ Chen ， Gao ， Guo ， Bai ， 2012;Deshmukh ，Banerjee，Gupta，Sriram，2008）。Deshmukh等人考虑到在装配模型的描述中扮演有意义角色的许多不同方面（Deshmukh等人，2008年）。该方法提供了使用模糊不完整查询的可能性。它的主要限制是在所需的几个重要信息（如组件的方向，组件关系和联合约束）的可用性。Chen等人（2012年）提出了一种全球方法，旨在克服这一限制。这项工作的重点是产品结构和装配的不同部分之间的关系。本文提出的程序集描述符考虑了不同的信息层次.它包括拓扑结构、组件零部件之间的关系和几何信息。 它还允许使用粗糙和部分不完整的查询，以允许搜索适应设计师的要求。与Chen et al.（2012），Deshmukh et al.（2008）中提出的框架类似，我们的框架基于组装模型，能够支持不同规格细节级别的用户请求。来自Deshmukh et al. （2008），它不需要用户手动添加一些信息。与Chen等人（2012）类似，映射算法不限于识别在子装配方面具有相同结构的装配模型。此外，我们的框架不依赖于特定的CAD原生文件格式。它需要一个描述装配模型的STEP文件作为输入，其中只有几何信息可用，并允许检索与查询模型相似或包含与其相似子集的装配模型，反之亦然。K. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）4143表1直接解决装配模型检索的工作总结上下文程序集特征化程序集描述符查询模型纸输入模型工作目标特征信息程序集关系的可用性程 序 集 描述符级别描述符表示查询模型张旭李B-Rep搜索频繁相似曲率，模型组件，明确在组件面邻接组件姜和魏子装配模型交配约束CAD模型部分图模型（二零一三年）胡，王，勇，3D搜索全球相似模型组件NA部分组件组件和保罗网格装配模型向量模型（二零一三年）Chen等人（2012年）B-Rep搜索全局或部分相似的装配模型模型构件配合约束自由度注释部分提取装配部层次图装配模型Tao and Huang（2012）B-Rep搜索全球相似的装配模型模型组件表面属性接触关系手动插入组件部分组件属性关系图装配模型02 The Dog（2009）B-Rep搜索全球相似的装配模型形状特征匹配约束在CAD模型装配部属性装配图装配模型Deshmukh等人（二零零八年）B-Rep搜索全局或部分相似的装配模型模型构件配合约束自由度注释在CAD模型装配部Mating graph统计数据集MatinggraphWang，Li，Zhang，andYu（2016）B-Rep搜索全球相似的装配模型形状特征NA部件分量矢量零件模型集Li等人（2016）B-Rep搜索全球或部分相似装配模型形状特征运动学等效在CAD模型装配部层次图装配模型综上所述，本文对CAD零件的检索进行了深入的研究，并提出了有效的解决方案.然而，相当少的作品已经建议检索的CAD装配。正如从表1中可以理解的那样，大多数提出的技术依赖于高级信息，这些信息并不总是从组件模型中获得。所提出的解决方案的目的是设计一个搜索框架，其中包括能够提供重要信息的自动提取方法，允许检索满足特定形状，零件的布置和/或机构特性的组件3. 检索框架CAD系统使用不同的专有文件格式来存储用户在建模特定零件时指定的所有信息。文件内容强烈依赖于特定CAD系统提供的功能类型，因此构建通用检索系统不能依赖于将对CAD系统来说太具体了。为了克服这一限制，中性文件格式通常用于CAD数据交换。因此，在我们的框架中，我们采用了STEP标准格式（ISO 10303-203 和ISO 10303-214）作为装配模型的表示格式，并获得相关信息的访问。从理论上讲，该标准支持装配模型的表示和交换，包括组件之间的运动关系和约束。然而，大多数CAD系统不包含后者，并生成不包含运动关系和约束的文件。同样，PDP中使用的其他信息可能不会被存储，或者由于其人性而可能不准确。因此，我们的方法和相关的方法只依赖于几何数据，以及对层次装配结构的CAD模型。所提出的框架是基于所谓的丰富的装配模型（EAM）。EAM是一种装配描述符，它对从CAD模型的几何形状和结构中自动提取的所有所需数据进行编码。然后，问题是在数据库中找到具有与作为查询给出的EAM相似的EAM的CAD模型。因此，该框架考虑到了这两个方面。实时处理和批处理要提前执行。批处理为数据库的所有模型评估EAM。实时进程评估查询的EAM描述符，并与数据库中的描述符进行比较。必须指出的是，EAM是一个非常丰富的模型，包括许多关于所表示的组件的信息。有些数据看起来是冗余的，但它们提供了允许可伸缩查询的优势。因此，仅为数据库的模型计算完整的EAM版本。在查询模型中，只计算和利用了包含所需细节的可评估信息的层来进行匹配，从而降低了系统的复杂性。3.1. 丰富的装配模型描述符为了能够有效和有意义地检索CAD装配模型，应提供装配的适当描述。如前所述，对已经存在的模型的有效重用需要使用不完整的信息和突出显示有价值的特征来执行具有查询的搜索的可能性，这些特征可能没有被显式地编码在CAD模型中。为此，提出了所谓的丰富装配模型描述符。它以多层结构组织信息，旨在保证搜索的灵活性（Lupinetti，Giannini，Monti，&Pernot，2016）。它还允许基于不同层的特征并以不同方式组合的涉及一个或多个标准的搜索查询。所考虑的层是：结构层、界面层、形状层和统计层.这些层将在以下小节中描述，而第3.3.1节说明了如何从装配CAD表示中提取EAM中存储的数据。3.1.1. 结构层EAM的结构层对设计者指定的CAD模型的分层装配结构进行编码。这种划分，即使它是由一些标准规则驱动的，也不是唯一的，并揭示了设计者的意图。例如，可以以简化即将到来的装配仿真步骤的方式组织装配，或者可以相对于可视化44K. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）41Fig. 1. 组件模型的结构层示例。使用基于八叉树的分解来分解问题，或者它可以根据基于构成材料的标准来分解。这种分解成部件、零件或由所有部件和零件的合并产生的单个组件的方式也对应于设计师可能关注产品的方式。实际上，设计师可以将产品视为具有其特征（例如体积，重心）的整体对象，或者专注于外观（例如运动学目的）或部件（例如制造问题）。图1示出了装配模型的结构层的示例。本发明涉及一种发动机，该发动机由三个子组件形成：活塞、曲轴和质量体（S1、S2、S3）以及两个连接部件（P3、P10）。结构信息存储为树形图，其中弧表示关系的一部分，节点对应于装配部件。特别是，叶表示组件模型的部件，根表示整个组件模型，而中间节点表示原始模型的子组件。然后将属性与叶节点相关联，以指示相应组件的类型：轴、轴承、C形夹、圆柱体、立方体、齿轮、键、连杆臂、螺母、轴承的一部分、螺钉和螺栓、间隔件、球体、圆环体和其他。在此，合理的做法是将零件分类，以便将可能对应于紧固件（例如螺钉、螺栓和螺母）的元件与其他特征元件（例如轴承和齿轮）区分开来。同样，重要的是要注意，组装分解依赖于上下文，即使它表示语义组织，它也不是唯一的。因此，如果用户没有特别要求，则组件相似性不能强烈要求相同的结构。然而，我们相信存在一个分解水平，在该分解水平下，同一产品的多个分解将保持相似，并且在这种情况下将对应于最小的公共分解因子。这样的理解可以在零件和零件的层次上进行，也可以在在构成整体组件的元件之间的接头处。这一点在本文中不作进一步讨论。最后，树中的所有元素都链接到其他信息层中的数据，以充分表征它们。3.1.2. 界面层此层对装配模型中不同零件之间的关系进行编码，而不考虑装配结构。因此，它由连接叶节点的弧组成子组件和组件的其余部件之间的链接可以通过简单地考虑不链接相同子组件的部件的弧来获得。两个部件之间的可能关系可以分为接触、干涉和间隙（Roj，2014;Shahwan，Foucault，Léon，&Fine，2014），如图所示。 二、如果两个部分沿低层几何实体（如表面、曲线或点）接触，而没有任何共享体积，则它们是接触的。如果两个零件之间存在公共体积，则这两个零件定义干涉。大多数情况下，这种配置并不存在于两个真实对象之间。然而，这种不真实的配置可能出现在建模阶段，例如，当考虑理想化和简化的零件用于仿真目的时，或者当在尺寸未完全调整的中间设计阶段检查干涉时。有时，这样的配置仅仅是由建模误差引起的。然而，一些干扰可以是期望的并且是有意设计的。这就是弹性密封件或冷缩配合件的情况，这些部件通常在其初始配置中建模，即在其变形和组装之前。由于干扰不应存在于正确的装配模型中，因此它们不包括在EAM中，并且如果存在，则被视为接触。当两个零件的两个表面之间的距离对所考虑的组件有意义时，即它是组件中两个零件之间的小的非零距离时，就会出现间隙。这种情况是相当模糊的，因为设计意图可以对应于非接触和接触配置（即，由于公差问题），因此，目前在我们的系统中没有处理。界面层本身就是一个多层的界面层（Lupinetti，Giannini，Monti，Pernot，2016）。接口和接触进一步详细说明了零件之间的运动副的类型，即配合的几何元件的数量和类型。在最底层，存在两个零件之间接触的几何实体（点、这些信息作为属性存储在前面介绍的树图中。特别地，对于每个接触，插入属性弧这些属性指定所涉及图元的类型，并且在面接触的情况下，指定组件的表2示出了根据与面相关联的表面类型分配的DOF，其中R指示图二.部件之间的可能关系表2根据曲面类型的自由度值。类型参数DOF平面n正规Rn;Tu和Tv，其中u和v与n圆柱形u轴O原点RuO和Tu圆锥u轴O原点RuO球面O原点R uo;Rvo和Rno环面u轴O原点Ru<$OK. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）4145旋转，T是平移，下标u，v和n是允许旋转/平移的矢量。两个部件之间的接触有助于使用机构学理论来定义相对运动对于该计算，我们假设接触不随时间改变，并且在部件的运动期间保持不变。只有所涉及的曲面部分可以更改。没有新的联系人可以出现，也没有联系人可以消失。这一假设过于局限，无法处理某些特定的机制，本文将不考虑这些机制。在上述假设下，我们将接触和界面分为两种类型，即定位和互锁（Chan Tan，2003），这取决于两个部分之间的相对运动。特别地，互锁配置是防止任何移动的配置，即具有零DOF的配置。图3a示出了具有定位接口的两个简单部件。事实上，存在一个方向，沿着该方向，部件可以平移，同时保持它们的接触。相反，图3b中的部件不能在任何方向上移动而不失去它们的接触，因此它对应于互锁结构。3.1.3. 形状层高级信息，如运动干涉或语义知识，是非常有效的描述装配模型。然而，形状信息对于区分装配体也很重要.因此，在所提出的方法中，与组件部件的形状相关的信息被包括在所谓的形状层中。此层可用于比较，也可用于可视化。特别地，对于结构层的每个节点（即，对于部件和子组件两者），两个网格表示与若干形状描述符关联在一起第一个网格是一个相当精确的模型，而第二个对应于其粗略的表示。一方面，这些双重表示允许适应的可视化。另一方面，它们使快速浏览的对象和搜索结果，以及规范的精确和粗略的查询与不精确的形状。这在PDP期间是有用的，当形状被定义时，并且搜索共享主要行为（例如，自由度）和整体形状特征。如前所述，已经定义了许多形状描述符来比较几何模型。Iyer等强调了不存在适合所有可能形状和比较目的的唯一形状描述符（Iyer等人，2005年）。相反，根据对象的类型，特定的形状描述符可以比其他描述符更好地执行例如，形状分布不能区分具有复杂形状的模型，而球谐函数对于比较旋转固体是鲁棒的。在我们的框架中，我们考虑与整体组件及其形状变化相关的描述符。在第一种类型的描述符中，我们考虑体积和表面积，它们与尺寸有关，适用于零件更换。并直接从B-rep数据计算。其他形状描述符是球谐函数和形状分布，它们对棱柱形零件和旋转形状表现良好，这些零件和旋转形状主要由我们考虑的机械产品组成（Iyer等人， 2005年）。3.1.4. 统计层为了简化大型数据集的过滤，统计层包含一些数值，这些数值综合了存储在先前层中的一些数据。涉及总体组件或子组件节点的统计数据是以下项的数量：（i）子组件，（ii）特定类型（例如轴、螺母、螺栓），（iii）特定类型的重复部件的图案（例如线性图案、圆形图案）。包含与模式存在相关的信息可以支持具有类似制造或装配过程的类似模型的搜索。让我们假设用户正在数据集中寻找滚动轴承（图4a）。这种类型的模型的特征在于存在以圆形图案排列的重复球。使用组件的统计数据，我们能够轻松快速地丢弃图4b中所示的模型，该模型不具有此特性。统计数据也涉及部件本身，包括：（i）特定类型表面的百分比（即平面、圆柱形、球形、自由形式、环形），（ii）最大面的数量（即共享相同基础表面特征的相邻面被视为单个面）（即平面、圆柱形、球形、自由形式、环形）。使用这样的百分比允许直接丢弃两个形状之间的比较，而不使用较重的描述符，从而减轻匹配过程。 最大面数用于更高级的搜索，经典的形状描述符难以达到良好的效果。让我们假设设计者正在寻找一个模型，其整体形状类似于图5a中描绘的模型，并且不包含任何圆角。这个查询可以转换为这样的事实，即圆柱形和自由曲面的百分比年龄应该非常小，甚至为零。结果，即使它们的整体形状非常相似，图5b的模型也将被迅速丢弃，因为它具有比图5b中的模型更高的百分比年龄。 5点当然，基于该第一统计列表，可以使用附加的描述符来丰富在结构层的不同级别处的3.2. 框架架构框架的架构如图6所示。它显示了不同的模块（矩形）以及它们在不同级别上的通信方式（箭头）。主要有三个层次：图三. 定位（a）和互锁（b）配置的示例。见图4。 具有（a）和不具有（b）圆形阵列的组件的示例。46K. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）41图五. 具有锐边（a）或圆角（b）的相同零件模型。用户界面层负责可视化方面和用户交互活动的处理。它支持：（i）EAM的可视化;（ii）搜索查询规范;（iii）搜索结果的浏览。借助专用的图形用户界面，设计人员可以轻松指定其查询、搜索条件、EAM可视化过滤器以及执行匹配过程。EAM可视化模块允许通过图形结构来描绘装配模型，可以选择其节点来查询不同细节级别的内容由于存储在形状层的网格，可以预览整个组件的几何体以及中间节点和叶之一最后，它允许浏览和分析，以及匹配结果，呈现所发现的对应关系和所达到的相似程度。功能层包含框架的主要模块，这些模块将在下一小节中详细介绍创建模块监督从原始数据库中包含的CAD组件创建EAM，以及将这些丰富的模型存储在专用数据库中。在这个阶段，可以使用CAD模型的显式和隐式信息此外，该级别处理使用现有模型（即，STEP文件）或由用户通过用户接口层指定的抽象查询模型。最后，该级别包含用于将EAM查询模型与数据库中的EAM进行比较的匹配模块。数据层为功能层提供输入，并包含详细的数据。见图6。 框架架构。●●●K. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）4147从操作的角度来看，有必要首先处理数据库，在该数据库中应该找到与查询相似的模型。每个程序集由“EAM创建”模块处理。在此阶段，将创建一个文件，所有提取的信息都将在其中存档。然后，两种搜索场景是可能的。如果用户希望检索与现有CAD模型相似的所有模型，则相反，如果用户对查找具有特定特征的CAD模型感兴趣，则“抽象查询模型创建”模块创建相应的EAM。在这种情况下，用户可以交互式地指定指示若干属性的图形，例如粗略的组件形状。用户可以指示节点是零件还是子组件，还可以指定其属性。同样的情况也发生在弧上，它可以表达父母或联系人的关系。最后，当数据集被完全处理并且用户已经指定了他/她自己的搜索标准时，搜索过程由“匹配”模块管理。该模块与可视化模块通信以显示结果和相关联的匹配分数。3.3. 架构模块描述本节详细介绍了功能级的模块，这些模块可以被认为是我们的相似性检测框架的核心。EAM创建模块允许为原始数据库的所有CAD模型创建EAM（第3.3.1节）。它还可以用于为使用CAD模型。如果首选抽象查询模型，则使用专用模块（第3.3.2节）。使用匹配模块比较EAM（第3.3.3节）。由于系统必须根据多个标准管理装配相似性，因此匹配过程必须尽可能具有可扩展性3.3.1. EAM创建由于STEP文件不包含创建EAM所需的所有信息，因此必须对装配模型执行几个几何推理过程，以提取所需信息并生成装配描述符。EAM的创建源于几个功能的组合其中一些可以并行运行，而另一些则需要先前计算的输出。所有过程的相关性如图6所示。该过程从读取STEP文件开始。EAM结构层的节点和弧由结构模型创建功能创建。之后，对于每个创建的叶，通过函数部分统计计算部分统计，同时运行函数组件关系检测。一旦计算了部件统计数据，使用Lupinetti，Chiang，Giannini，Monti和Pernot（2017）中描述的重复分量模式检测模块检测重复分量的模式。该模块识别部件的线性平移（图7a）、圆形平移（图7b）、圆形旋转（图7c）和反射（图7d）布置。通常，重复的零部件在STEP文件中明确表示为同一零件的多次引用。当没有明确显示时，当表面积、体积和相关统计数据（即特定类型的面数和相关面积百分比）显示相同值时，组件被视为重复。当然，这样的标准并不完全表征重复成分，但代表了识别它们的必要和容易的检查条件。接口层由功能组件rela创建，通过分析组件之间的关系来进行关系检测。此类信息不存储在STEP文件中。因此，检测可能的部件相互作用需要STEP文件中可用的几何数据的推理。我们使用商业系统SolidWorks ®的API提供的功能来检测干涉和访问所涉及的面（或边或顶点）。用于检测和评估部件之间的关系的功能包括以下步骤：(i) 检测干扰。根据接口层提供的描述，我们保留了装配组件之间的相交(ii) 接触部件的标识。我们识别每个接触中涉及的零件和由于公差而产生的体积干涉，我们可以推导出正确的配置，例如球面和平面之间的相交，然后将其视为点状接触。(iii) 零件之间接触的识别。对于每一对接触的部分，我们计算非正则化的交集，即重叠部分。(iv) 运动副的识别。运动学对约束两个零件的相对运动。非正则化交叉中所涉及的元素的类型学的分析允许运动学对的识别。例如如果如果在非规则化相交中涉及平面/圆柱面，则表示两个部分通过两个平面/圆柱面接触。如果点和曲线涉及非正则化相交，则需要额外的几何验证来识别产生接触的面的类型。这种额外的检查不包括在本文所介绍的工作(v) 相对运动计算。根据机构学理论，几个运动副的组合定义了两个部件之间的自由度。见图7。 重复组件的模式示例。48K. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）41(vi) 联系人类型的标识。进一步分析与两个部件之间的运动学对相关联的自由度，以检测它们是否仅对应于定位关系，或者部件是否互锁。对于组件中的每个零件，相应的细分（如果数据集中尚未存在）由零件模型细分函数计算曲面细分不仅用于可视化目的，而且还用于计算不能从B表示直接计算的相关联的形状描述符，即球面谐波、D2距离和形状分布。 这些操作通过现有的和可用的程序进行（ISTI-CNR; Kazhdan 等 人 ， 2003; Osada ， Funkhouser ， Chazelle ，&Dobkin，2002; SOLIDWORKS; Yu-Shen等人， 2009年）。形状描述符是零件分类功能的输入，该功能将类别与每个组件元件相关联。该模块根据通过机器学习方法检测到的规则利用计算的形状描述符的组合（Rucco，Giannini，Lupinetti，Monti，2017）。这种分类的目的是减少形状相似性评估的零件之间的比较次数，以便在匹配过程中可能丢弃可忽略的零件（如紧固件），并更好地支持抽象查询的制定。根据以下类别进行分类：轴、轴承、C形夹、圆柱形、立方体、齿轮、键、连杆臂、螺母、轴承部件、螺钉和螺栓、垫片、球形、圆环形和其他。选择这些类别是为了识别可能对应于紧固件（例如螺钉、螺栓和螺母）的元件，以及对应于表征特定机构的重要部件的元件，例如涉及速度和运动修改的元件。这些类别不属于同一规格水平，有些是几何形状导向的（例如圆柱形或圆环形），其他则涉及特定的机械部件类型（例如齿轮或轴）。有几个原因促使这一选择。首先，部件可以在不同的细节层次上设计，这取决于例如设计阶段或部件是内部生产还是从第三方获得的事实。因此，齿轮可以被完全细化，甚至被设计为带有槽孔的雕刻圆柱体。类似地，许多机械零件，其本身是组件并且通常由第三方获得，例如轴承，经常可从在线目录获得并且作为可能具有简化形状的单个部件包括在较大组件中。这也激发了单个零件组件的内含物轴承类别。第二，具有相同形状的实体可以对应于不同的零件类型，并且它们的实际形状可以是相同的。只有考虑到它们是如何使用的，才能发现它们的意义。因此，我们决定也包括更通用的面向形状的类。事实上，对于类的地面实况规范，我 们 使 用 现 有 的 数 据 库 （ Jayanti ， Kalyanaraman ， Iyer ，Ramani，2006）和与机械工程师和设计师的访谈，当所示对象可以对应于不同的机械部件时，它被分配给最通用的一个。已知类似对象可能被分类为属于一个以上的类别，在匹配过程中，被分类为属于给定类别的元素仅与相同或等同类别的元素进行比较。在创建过程结束时，EAM被表示为图，其中所有提取的信息被编码为节点和弧的属性。图8示出了从CAD模型创建的并且用语义信息丰富的图形结构的示例。出于可读性的考虑，只表示了一部分属性。简单圈出的节点与零件相关联，而双圈出的节点（S和N）与属于圆形旋转模式的一组零件相关联。直弧连接面接触的两个组件，关联的标签对应于允许的自由度，其中R表示旋转，T表示平移，下标u、v和n表示旋转所沿的方向向量。在每个部件的局部参考系中允许平移/平移。波浪弧表示线接触，并且根据界面层的描述，我们不考虑通过顶点或边接触的部件之间的自由度。因此在这些情况下，我们没有指定相应自由度的标签。3.3.2. 查询EAM创建如前所述，图形用户界面提供了指定查询和创建EAM的功能，即然后将其与数据库中存储的所有EAM进行比较。这个过程包括创建一个抽象的EAM模型，其中可以完全或部分定义各个层。在该过程中，一些EAM特性和相关联的值可以由用户指定或从提供的示例自动计算，其范围可以从精确的CAD装配模型到抽象装配图。实际上，当查询对应于现有的CAD模型时，EAM使用与第3.3.1节中描述的相同的“EAM创建”模块来创建如果在查询规范期间，用户放松了他/她认为不相关的某些特征，则忽略相应的评估函数见图8。 CAD模型（a）及其部分EAM描述符（b）的示例。直线表示面接触，波浪线表示零件之间的线接触。K. Lupinetti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）4149见图9。抽象查询（a）和可能的对应CAD模型（b）的示例。在抽象查询的情况下，用户必须从头开始描述他/她的查询，即不使用CAD模型作为参考。对于抽象查询，强制性信息是构成主成分的数量和相关的接口链接。抽象查询创建由专用用户界面支持。用户可以添加一些节点以及一些相关属性。他/她可以将节点与弧链接，也可以指定弧的类型，即结构弧或接口弧，并且在最后一种情况下，使用关于剩余自由度的标签。用户可以指定的属性是在EAM描述符的不同层中描述的属性。图9示出了可能的抽象查询示例。在这里，由于专用的用户界面，用户定义了一个涉及三个节点的图，这些节点被分配了一个类：节点E和I的轴承部分，以及节点S的球体。对于节点S，还指定了属于圆形图案的特性。然后，用户插入组件之间的关系，首先选择相关节点，然后他/她描述部件之间的接触（和类型）。在这种情况下，将选择顶点接触（虚线）。一个简单的抽象查询图，如图9a所示，可以表示一个模型，如图9所示。 9 b.可选地，对于与属性图相关联的每个值，可以分配允许变化的百分比，这可以用于加速检索过程。例如，用户可以决定查找给定类别的部件数量与查询示例最多相差50%的相似组件。它允许通过验证相关的统计值对候选最相似的模型进行预过滤。3.3.3. EAM匹配匹配问题在EAM的不同级别以自上而下的方式解决如果用户表示两个组件被认为相似的范围，例如不同组件或关系的允许百分比，则可以应用过滤以减少要比较的模型的数量。将两个装配模型间的匹配问题转化为两个EAM间EAM可以被看作是一个属性图结构。因此，两个图之间的部分对应于找到它们的最大公共子图（MCS）的问题在提出的各种技术的MCS（邦克，福贾，Guidobaldi，Sansone，&文托，2002年）的识别，我们的策略是确定最大的集团（MC）Pelillo，1999年。为了计算它，构造了一个关联图，其中两个属性图中的等价节点是映射到单个关联节点。如果两个节点具有用户通过可从接口访问的搜索条件指定的属性的兼容值，则认为这两个节点是等效的。为了限制不必要的比较，如果搜索正在寻找在所有方面都相似的组件，则首先在结构节点和组件接口层上执行比较，然后仅在返回的候选者上执行零件几何形状上的几何匹配。在这种情况下，如果节点与等效类别相关联，则认为它们是等效的。类似地，当属性图中的对应节点以相同的方式连接时，关联图中的弧存在。当在接口层处，对应的弧具有相同的分类和DOF时，弧被认为是等效的。最大团对应于这个新定义的关联图的所有连接在一起的节点的最大集合在我们的系统中，使用利用模拟退火技术（Giannini等人，2017年）。然后使用节点和界面层处的形状描述符和统计信息来调整相似性排名。 由于组件比较在不同的信息层是重要的，因此匹配过程提供了测量向量：第一个度量是指识别的特征，第二个度量是指接口统计，第三个度量与组件形状相似性有关。例如，假设我们想要比较图8中的模型和图10中的模型，寻找