基于構(gòu)型特征和多層次約束優(yōu)化的三維模型規(guī)范建模方法研究

葛亮

( 沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159 )

0 引言

用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)時(shí)，在最初的概念設(shè)計(jì)和打樣設(shè)計(jì)階段，一般只是從產(chǎn)品外形特征出發(fā)，而相同的外形特征，在三維設(shè)計(jì)軟件中可以有多種建模方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。例如，可以通過(guò)拉伸命令利用草圖中的圓拉伸創(chuàng)建圓柱體，也可以借助回轉(zhuǎn)命令利用草圖中的矩形創(chuàng)建圓柱體。因此，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行修改時(shí)，必須徹底清楚設(shè)計(jì)師當(dāng)時(shí)的建模思路，才能完成正確的修改。稍有不慎，就容易引起不宜覺(jué)察的尺寸連帶驅(qū)動(dòng)錯(cuò)誤[1]。由于在產(chǎn)品建模初期，缺乏對(duì)產(chǎn)品材料、工藝、制造的考慮，或?qū)Ξa(chǎn)品構(gòu)型的設(shè)計(jì)意圖理解不足[2]，經(jīng)常造成在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段無(wú)法對(duì)原有模型進(jìn)行修改，需要重新構(gòu)建模型，致使設(shè)計(jì)反復(fù)。

1 三維設(shè)計(jì)模型建模現(xiàn)狀研究

針對(duì)產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型的表示方法和構(gòu)型特征，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究，但仍然有些難點(diǎn)有待進(jìn)一步解決。

有學(xué)者研究了模型的構(gòu)型特征類(lèi)型與建模設(shè)計(jì)方法。段海波等[3]提出了基于約束的用戶(hù)定義特征；趙貽竹等[4-5]提出了基于設(shè)計(jì)意圖的用戶(hù)自定義特征重構(gòu)；于芳芳等[6]提出了變異特征的概念；田建平等[7]建立了關(guān)的模型結(jié)構(gòu)；劉曉敏等[8]研究了產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)特征建模；郝泳濤等[9]完成了供分析的幾何本體過(guò)程序列模型；董雁等[10]建立了概念零件結(jié)構(gòu)定性模型；孫飛等[11]提出了一種面向開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)用的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式化模型；徐曙斌等[12]構(gòu)造了面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品模型類(lèi)；王日君等[13]提出了面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模塊劃分方法；李?lèi)?ài)平等[14]建立產(chǎn)品模塊劃分方案數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型；葛亮[15]結(jié)合了模塊化技術(shù)對(duì)三維產(chǎn)品模型的特征建模與結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

針對(duì)特征模型的表達(dá)方法的研究，孫立鐫，金瑛浩等[16-20]提出了一種基于特征語(yǔ)義的模型表示法；Czarnecki等[21-26]對(duì)特征模型結(jié)構(gòu)及其形式化語(yǔ)義、特征關(guān)系和約束的表現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了細(xì)致探討；Valentino Vrani等[27-28]提出了一些特征建模的新概念，完成了多范式設(shè)計(jì)特征模型研究。

在模型的多層次約束沖突研究方面，劉夫云等[29-32]研究了解析結(jié)構(gòu)模型法應(yīng)用；徐新勝等[33]提出了入度尺寸之間分配的沖突延遲方法；光耀等[34]給出了搭接后實(shí)體結(jié)構(gòu)間的約束重建方法；劉曉平等[35]針對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)的沖突消解，給出了提取最小沖突集的方法。

在特定三維CAD軟件環(huán)境下，有學(xué)者對(duì)規(guī)范建模的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究。姜兆亮等[1]研究了CAD建模過(guò)程規(guī)范化設(shè)計(jì)；樊海東等[36]研究了CATΙA復(fù)雜零件三維模型規(guī)范建立；袁芳等[37]研究了標(biāo)準(zhǔn)化建模在航空行業(yè)的應(yīng)用；劉薇娜等[38]研究了基于CATΙA的非標(biāo)零件的設(shè)計(jì)。

此外，也有部分學(xué)者基于變型設(shè)計(jì)思想，對(duì)特征表示、重構(gòu)等進(jìn)行了研究。何永玲等[39]提出了集實(shí)例推理及模塊化技術(shù)于一體的快速設(shè)計(jì)方法；喬虎等[40]提出了變型設(shè)計(jì)步驟相關(guān)的知識(shí)元組織；胡慧慧等[41]提出了一種基于隱式特征表達(dá)的協(xié)同數(shù)據(jù)交換方法；王相兵等[42]提出了參數(shù)化、模塊化、智能化相結(jié)合的系列化產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)方法。

客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化需求的不斷增長(zhǎng)，使得新產(chǎn)品種類(lèi)不斷推陳出新，產(chǎn)品生命周期也明顯縮短。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模階段若規(guī)范程度不足,很容易造成產(chǎn)品建模過(guò)程特征、約束管理混亂、建模過(guò)程冗長(zhǎng),并給后期校對(duì)和更改帶來(lái)很大的困難。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模過(guò)程的規(guī)范化，對(duì)產(chǎn)品模型的維護(hù)、修改及其重用具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究，但是研究?jī)?nèi)容針對(duì)產(chǎn)品模型的表示、構(gòu)型特征、約束沖突、變型重構(gòu)等單個(gè)元素，缺乏多元設(shè)計(jì)要求下，集產(chǎn)品構(gòu)型、約束等多元素的研究。

2 規(guī)范建模方法的研究

2.1 規(guī)范建模方法的主要研究?jī)?nèi)容

（1）模型的約束類(lèi)型、約束層級(jí)關(guān)系與約束沖突消解方法

在三維模型約束類(lèi)型分析的基礎(chǔ)上，研究產(chǎn)品模型約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，產(chǎn)品模型約束關(guān)聯(lián)矩陣的建立方法；通過(guò)矩陣求解得到產(chǎn)品模型的約束層次結(jié)構(gòu)模型，研究約束沖突消解模型；研究多約束層級(jí)關(guān)系下的沖突消解知識(shí)庫(kù)的建立。

（2）基于設(shè)計(jì)要求的模型表示方法

在產(chǎn)品的幾何本體的定義基礎(chǔ)上,根據(jù)幾何本體的制造行為，研究用什么樣的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)言來(lái)描述這些本體所包含的特征屬性,研究特征屬性描述定義的表述與產(chǎn)品三維模型特征類(lèi)型的劃分。

研究并分析設(shè)計(jì)要求的分類(lèi)，建立設(shè)計(jì)要求的層次表達(dá)方法，結(jié)合產(chǎn)品構(gòu)型的特征類(lèi)型劃分和產(chǎn)品多約束層次結(jié)構(gòu)，研究產(chǎn)品三維模型的表達(dá)方法。

（3）產(chǎn)品規(guī)范建模過(guò)程的知識(shí)推理

1）基于設(shè)計(jì)要求的建模知識(shí)組織方式；

2）產(chǎn)品建模過(guò)程知識(shí)庫(kù)、產(chǎn)品規(guī)范模板庫(kù)、模型庫(kù)與實(shí)例庫(kù)的映射方法與構(gòu)建；

3）產(chǎn)品構(gòu)型特征與多層級(jí)約束動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建；

4）基于知識(shí)的產(chǎn)品規(guī)范建模過(guò)程方案推理機(jī)制。

2.2 規(guī)范建模方法的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）綜合設(shè)計(jì)要求、產(chǎn)品構(gòu)型的特征類(lèi)型、產(chǎn)品多約束層級(jí)的多維矩陣構(gòu)建

滿(mǎn)足要求的產(chǎn)品三維模型表示方法是充分條件，只有明確了設(shè)計(jì)要求、構(gòu)型特征類(lèi)型和多約束層級(jí)的模型表示方法，才能夠?qū)＿^(guò)程的規(guī)范化進(jìn)行支持。因此，建立綜合以上因素的多維矩陣并求解，得到產(chǎn)品三維模型的表示方法是關(guān)鍵問(wèn)題之一。

（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型建模過(guò)程的規(guī)范化描述與分析

目前，部分領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)建模的規(guī)范，但規(guī)范的檢查都是針對(duì)模型的幾何屬性和標(biāo)注等，對(duì)于建模過(guò)程的規(guī)范化強(qiáng)調(diào)不足。因此，同樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型在通過(guò)了初步設(shè)計(jì)階段的檢查后，由于構(gòu)型過(guò)程存在差異，在后期詳細(xì)設(shè)計(jì)階段仍然會(huì)出現(xiàn)不能修改的狀況。因此，產(chǎn)品模型建模過(guò)程的規(guī)范化研究是需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，具體包括：

1）建模過(guò)程的規(guī)范描述；

2）規(guī)范化建模過(guò)程分析；

3）集成設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品模型特征與多層級(jí)約束識(shí)別和重構(gòu)技術(shù)。

3 規(guī)范設(shè)計(jì)建模解決方案

對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的特征類(lèi)型劃分與描述、產(chǎn)品模型的多層級(jí)約束結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求層次表達(dá)等因素分別進(jìn)行研究和歸納，然后建立多維矩陣求解，得到復(fù)合要求的產(chǎn)品模型表達(dá)。關(guān)聯(lián)產(chǎn)品建模過(guò)程的相關(guān)技術(shù)與知識(shí)，得到建模過(guò)程的規(guī)范設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的特征類(lèi)型劃分與描述

在產(chǎn)品幾何本體論的基礎(chǔ)上，綜合全三維設(shè)計(jì)要求，對(duì)產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型的特征元素進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)分類(lèi)，如圖2所示。

3.2 產(chǎn)品模型的多層級(jí)約束結(jié)構(gòu)

圖1 規(guī)范設(shè)計(jì)建模方案Fig.1 Project of normatively modeling

圖2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的特征類(lèi)型劃分與描述Fig.2 Feature type and description of product design model

產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu)約束反映了特征元素之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，描述了特征元素的空間相對(duì)位置和連接關(guān)系，尺寸約束反映了特征元素間的量化關(guān)系，而零件之間的尺寸約束網(wǎng)絡(luò)是研究尺寸傳遞與零件變型的基礎(chǔ)。模型的約束類(lèi)型與表達(dá)如表1所示，零件尺寸約束形式如圖3所示，尺寸約束網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖3 尺寸約束形式Fig.3 Dimension constraint form

圖4 尺寸約束網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Dimension constraint network

產(chǎn)品模型在修改和維護(hù)中所產(chǎn)生的約束沖突主要有以下3種形式：

1）模型構(gòu)型的結(jié)構(gòu)約束沖突；

2）多對(duì)一（n:1）約束的尺寸沖突；

3）一對(duì)一（1:1）約束的尺寸沖突。

針對(duì)不同約束類(lèi)型研究沖突消解的方法。確定約束沖突集與冗余約束，對(duì)沖突集的約束進(jìn)行編碼，通過(guò)對(duì)編碼的運(yùn)算，方便以后查找關(guān)鍵的約束信息。依據(jù)保留最多約束、指定約束等準(zhǔn)則或要求，進(jìn)行協(xié)商消解沖突。

綜合約束分類(lèi)、約束層級(jí)關(guān)系、約束沖突消解等，建立產(chǎn)品模型的多層級(jí)約束結(jié)構(gòu)。

3.3 多維矩陣的建立

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型構(gòu)型特征、產(chǎn)品多層級(jí)約束綜合分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型的多維矩陣，并進(jìn)行求解。

3.4 規(guī)范建模

依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，研究其規(guī)范化建模過(guò)程的表示方法,并對(duì)產(chǎn)品建模過(guò)程進(jìn)行規(guī)范性分析；研究產(chǎn)品建模過(guò)程規(guī)范化的知識(shí)表達(dá)，并構(gòu)建規(guī)范建模過(guò)程的規(guī)則庫(kù)。對(duì)擬設(shè)計(jì)建模的產(chǎn)品，利用規(guī)則推理機(jī)，給出產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的規(guī)范建模方案；對(duì)已存在的產(chǎn)品模型，進(jìn)行建模過(guò)程規(guī)范檢查，如果發(fā)現(xiàn)建模過(guò)程存在非規(guī)范性，根據(jù)模型表達(dá)方法，對(duì)產(chǎn)品模型輸入設(shè)計(jì)要求，然后進(jìn)行模型構(gòu)型特征、多層次約束等元素的識(shí)別，推理給出規(guī)范的建模方案，并實(shí)現(xiàn)模型的規(guī)范化重構(gòu)。

4 結(jié)論

本文主要研究工作如下：

（1）進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)模型建?，F(xiàn)狀研究，發(fā)現(xiàn)目前缺乏多元設(shè)計(jì)要求下，集產(chǎn)品構(gòu)型、約束等多元素的規(guī)范建模研究。

表1 模型的約束類(lèi)型與表達(dá)形式Table 1 The Constraint type and expression form of the Model

（2）完成了三維設(shè)計(jì)模型規(guī)范建模方法的研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)研究。

（3）綜合產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的特征類(lèi)型劃分與描述、產(chǎn)品模型的多層級(jí)約束結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求層次表達(dá)等因素，得到復(fù)合要求的產(chǎn)品模型表達(dá)，關(guān)聯(lián)產(chǎn)品建模過(guò)程的相關(guān)技術(shù)與知識(shí)，提出了規(guī)范設(shè)計(jì)建模解決方案。

三維設(shè)計(jì)模型的建模過(guò)程具有明顯的痕跡性。不同的設(shè)計(jì)人員的建模方法和過(guò)程可能不同，會(huì)為后期的模型修改、維護(hù)與重用帶來(lái)實(shí)際困難，因此規(guī)范建模對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造有重要的現(xiàn)實(shí)作用。