基于构型特征和多层次约束优化的三维模型规范建模方法研究

葛亮

( 沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159 )

0 引言

用三维设计软件进行产品模型设计时，在最初的概念设计和打样设计阶段，一般只是从产品外形特征出发，而相同的外形特征，在三维设计软件中可以有多种建模方式进行实现。例如，可以通过拉伸命令利用草图中的圆拉伸创建圆柱体，也可以借助回转命令利用草图中的矩形创建圆柱体。因此，当对其进行修改时，必须彻底清楚设计师当时的建模思路，才能完成正确的修改。稍有不慎，就容易引起不宜觉察的尺寸连带驱动错误[1]。由于在产品建模初期，缺乏对产品材料、工艺、制造的考虑，或对产品构型的设计意图理解不足[2]，经常造成在详细设计阶段无法对原有模型进行修改，需要重新构建模型，致使设计反复。

1 三维设计模型建模现状研究

针对产品三维设计模型的表示方法和构型特征，国内外很多学者已经开展了相关研究，但仍然有些难点有待进一步解决。

有学者研究了模型的构型特征类型与建模设计方法。段海波等[3]提出了基于约束的用户定义特征；赵贻竹等[4-5]提出了基于设计意图的用户自定义特征重构；于芳芳等[6]提出了变异特征的概念；田建平等[7]建立了关的模型结构；刘晓敏等[8]研究了产品创新概念设计功能结构特征建模；郝泳涛等[9]完成了供分析的几何本体过程序列模型；董雁等[10]建立了概念零件结构定性模型；孙飞等[11]提出了一种面向开发过程应用的产品结构形式化模型；徐曙斌等[12]构造了面向对象的产品模型类；王日君等[13]提出了面向产品设计的模块划分方法；李爱平等[14]建立产品模块划分方案数学评价模型；葛亮[15]结合了模块化技术对三维产品模型的特征建模与结构参数设计所涉及的关键技术进行了探讨。

针对特征模型的表达方法的研究，孙立镌，金瑛浩等[16-20]提出了一种基于特征语义的模型表示法；Czarnecki等[21-26]对特征模型结构及其形式化语义、特征关系和约束的表现机制进行了细致探讨；Valentino Vrani等[27-28]提出了一些特征建模的新概念，完成了多范式设计特征模型研究。

在模型的多层次约束冲突研究方面，刘夫云等[29-32]研究了解析结构模型法应用；徐新胜等[33]提出了入度尺寸之间分配的冲突延迟方法；光耀等[34]给出了搭接后实体结构间的约束重建方法；刘晓平等[35]针对协同设计的冲突消解，给出了提取最小冲突集的方法。

在特定三维CAD软件环境下，有学者对规范建模的具体应用进行了研究。姜兆亮等[1]研究了CAD建模过程规范化设计；樊海东等[36]研究了CATΙA复杂零件三维模型规范建立；袁芳等[37]研究了标准化建模在航空行业的应用；刘薇娜等[38]研究了基于CATΙA的非标零件的设计。

此外，也有部分学者基于变型设计思想，对特征表示、重构等进行了研究。何永玲等[39]提出了集实例推理及模块化技术于一体的快速设计方法；乔虎等[40]提出了变型设计步骤相关的知识元组织；胡慧慧等[41]提出了一种基于隐式特征表达的协同数据交换方法；王相兵等[42]提出了参数化、模块化、智能化相结合的系列化产品变型设计方法。

客户对产品个性化需求的不断增长，使得新产品种类不断推陈出新，产品生命周期也明显缩短。而产品设计建模阶段若规范程度不足,很容易造成产品建模过程特征、约束管理混乱、建模过程冗长,并给后期校对和更改带来很大的困难。因此，产品设计建模过程的规范化，对产品模型的维护、修改及其重用具有重要的理论意义与应用价值。国内外很多学者已经开展了相关研究，但是研究内容针对产品模型的表示、构型特征、约束冲突、变型重构等单个元素，缺乏多元设计要求下，集产品构型、约束等多元素的研究。

2 规范建模方法的研究

2.1 规范建模方法的主要研究内容

（1）模型的约束类型、约束层级关系与约束冲突消解方法

在三维模型约束类型分析的基础上，研究产品模型约束关系网络的构建方法，产品模型约束关联矩阵的建立方法；通过矩阵求解得到产品模型的约束层次结构模型，研究约束冲突消解模型；研究多约束层级关系下的冲突消解知识库的建立。

（2）基于设计要求的模型表示方法

在产品的几何本体的定义基础上,根据几何本体的制造行为，研究用什么样的结构和语言来描述这些本体所包含的特征属性,研究特征属性描述定义的表述与产品三维模型特征类型的划分。

研究并分析设计要求的分类，建立设计要求的层次表达方法，结合产品构型的特征类型划分和产品多约束层次结构，研究产品三维模型的表达方法。

（3）产品规范建模过程的知识推理

1）基于设计要求的建模知识组织方式；

2）产品建模过程知识库、产品规范模板库、模型库与实例库的映射方法与构建；

3）产品构型特征与多层级约束动态数据库构建；

4）基于知识的产品规范建模过程方案推理机制。

2.2 规范建模方法的关键问题

（1）综合设计要求、产品构型的特征类型、产品多约束层级的多维矩阵构建

满足要求的产品三维模型表示方法是充分条件，只有明确了设计要求、构型特征类型和多约束层级的模型表示方法，才能够对建模过程的规范化进行支持。因此，建立综合以上因素的多维矩阵并求解，得到产品三维模型的表示方法是关键问题之一。

（2）产品设计模型建模过程的规范化描述与分析

目前，部分领域已经出现了产品模型设计建模的规范，但规范的检查都是针对模型的几何属性和标注等，对于建模过程的规范化强调不足。因此，同样的产品设计模型在通过了初步设计阶段的检查后，由于构型过程存在差异，在后期详细设计阶段仍然会出现不能修改的状况。因此，产品模型建模过程的规范化研究是需要解决的另一个关键问题，具体包括：

1）建模过程的规范描述；

2）规范化建模过程分析；

3）集成设计要求的产品模型特征与多层级约束识别和重构技术。

3 规范设计建模解决方案

对产品设计模型的特征类型划分与描述、产品模型的多层级约束结构、设计要求层次表达等因素分别进行研究和归纳，然后建立多维矩阵求解，得到复合要求的产品模型表达。关联产品建模过程的相关技术与知识，得到建模过程的规范设计方案，如图1所示。

3.1 产品设计模型的特征类型划分与描述

在产品几何本体论的基础上，综合全三维设计要求，对产品三维设计模型的特征元素进行层次结构分类，如图2所示。

3.2 产品模型的多层级约束结构

图1 规范设计建模方案Fig.1 Project of normatively modeling

图2 产品设计模型的特征类型划分与描述Fig.2 Feature type and description of product design model

产品模型的结构约束反映了特征元素之间的拓扑结构关系，描述了特征元素的空间相对位置和连接关系，尺寸约束反映了特征元素间的量化关系，而零件之间的尺寸约束网络是研究尺寸传递与零件变型的基础。模型的约束类型与表达如表1所示，零件尺寸约束形式如图3所示，尺寸约束网络如图4所示。

图3 尺寸约束形式Fig.3 Dimension constraint form

图4 尺寸约束网络Fig.4 Dimension constraint network

产品模型在修改和维护中所产生的约束冲突主要有以下3种形式：

1）模型构型的结构约束冲突；

2）多对一（n:1）约束的尺寸冲突；

3）一对一（1:1）约束的尺寸冲突。

针对不同约束类型研究冲突消解的方法。确定约束冲突集与冗余约束，对冲突集的约束进行编码，通过对编码的运算，方便以后查找关键的约束信息。依据保留最多约束、指定约束等准则或要求，进行协商消解冲突。

综合约束分类、约束层级关系、约束冲突消解等，建立产品模型的多层级约束结构。

3.3 多维矩阵的建立

在产品设计要求、产品设计模型构型特征、产品多层级约束综合分析的基础上，构建产品三维设计模型的多维矩阵，并进行求解。

3.4 规范建模

依据产品设计模型，研究其规范化建模过程的表示方法,并对产品建模过程进行规范性分析；研究产品建模过程规范化的知识表达，并构建规范建模过程的规则库。对拟设计建模的产品，利用规则推理机，给出产品设计模型的规范建模方案；对已存在的产品模型，进行建模过程规范检查，如果发现建模过程存在非规范性，根据模型表达方法，对产品模型输入设计要求，然后进行模型构型特征、多层次约束等元素的识别，推理给出规范的建模方案，并实现模型的规范化重构。

4 结论

本文主要研究工作如下：

（1）进行了三维设计模型建模现状研究，发现目前缺乏多元设计要求下，集产品构型、约束等多元素的规范建模研究。

表1 模型的约束类型与表达形式Table 1 The Constraint type and expression form of the Model

（2）完成了三维设计模型规范建模方法的研究内容和关键技术研究。

（3）综合产品设计模型的特征类型划分与描述、产品模型的多层级约束结构、设计要求层次表达等因素，得到复合要求的产品模型表达，关联产品建模过程的相关技术与知识，提出了规范设计建模解决方案。

三维设计模型的建模过程具有明显的痕迹性。不同的设计人员的建模方法和过程可能不同，会为后期的模型修改、维护与重用带来实际困难，因此规范建模对产品设计制造有重要的现实作用。