劉愛軍， 黃松波， 閆光榮

（1. 北京數(shù)碼大方科技股份有限公司，北京 100094；2. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

從20世紀(jì)50年代至今，幾何建模技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)階段：線框造型、曲面造型和實(shí)體造型[1]。線框造型采用頂點(diǎn)和邊兩種拓?fù)湓丶捌湎嗷リP(guān)系來(lái)表示三維物體的形狀，優(yōu)點(diǎn)是表達(dá)簡(jiǎn)單，易于處理，其輸入的信息僅為一系列點(diǎn)及其連接關(guān)系。但缺點(diǎn)是具有二義性，不能消隱和真實(shí)感顯示物體。曲面造型主要依據(jù)頂點(diǎn)、邊、表面3種拓?fù)湓丶捌湎嗷ラg的拓?fù)潢P(guān)系來(lái)描述三維物體的形狀[2]。因提供了三維物體的表面信息，能夠進(jìn)行隱藏線的消除和圖形的真實(shí)感顯示。其缺點(diǎn)是沒(méi)有明確地定義三維物體的實(shí)心部分，不能進(jìn)行物體的重心、質(zhì)量、慣性矩等物性參數(shù)的計(jì)算。實(shí)體造型是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來(lái)的一門新的造型技術(shù)，比曲面造型增加了三維體的實(shí)心部分的表達(dá)，得到了三維形體的無(wú)二義性描述，從而能夠在一個(gè)完整的幾何模型上實(shí)現(xiàn)零件的質(zhì)量計(jì)算、有限元分析、數(shù)控加工和消隱渲染圖的生成。20世紀(jì)90年代，美國(guó)PTC公司在實(shí)體造型的基礎(chǔ)上引入?yún)?shù)化特征造型技術(shù)，將幾何建模技術(shù)推高到一個(gè)新階段。當(dāng)前，主流CAD軟件均采用參數(shù)化特征造型作為主要的幾何建模手段。

經(jīng)過(guò) 20多年的發(fā)展及在工程技術(shù)行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)踐，參數(shù)化特征造型被認(rèn)為是一種可以滿足制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求的建模技術(shù)。但是，隨著工業(yè)界對(duì)CAD技術(shù)應(yīng)用的深入和細(xì)化，用戶個(gè)性化設(shè)計(jì)需求不斷提升，對(duì)設(shè)計(jì)部門而言，如何快速響應(yīng)用戶需求、縮短新品研發(fā)周期、快速完成產(chǎn)品升級(jí)，成為了企業(yè)迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

參數(shù)化特征建模技術(shù)本身固有的嚴(yán)格遵循造型歷史關(guān)系的規(guī)則使得用戶難以實(shí)現(xiàn)靈活地、快速地表達(dá)其設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)。在產(chǎn)品升級(jí)改造中，由于設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品模塊化及系列化的歷史了解得不充分，極易導(dǎo)致產(chǎn)品參數(shù)修改而幾何重建結(jié)果與預(yù)期嚴(yán)重走樣的情況發(fā)生，因此，制約了企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自由發(fā)揮。

北京數(shù)碼大方科技股份有限公司一直致力于CAD技術(shù)研發(fā)，其三維CAD產(chǎn)品《CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)》擁有6項(xiàng)核心專利技術(shù)，其直接建模技術(shù)是一種直觀的、對(duì)零件模型元素進(jìn)行直接修改編輯的造型方法[3]。其最大優(yōu)勢(shì)是造型速度快、可以實(shí)現(xiàn)所做即所要的目的。設(shè)計(jì)者無(wú)需掌握太多的設(shè)計(jì)概念、建模規(guī)則，就可以將自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)付諸于模型表達(dá)。但是，直接建模的主要缺點(diǎn)是模型無(wú)法參數(shù)特征化（亦即模型元素成組劃分難），參數(shù)驅(qū)動(dòng)能力差。因此，直接建模技術(shù)十分適合產(chǎn)品的局部修改，但系列化設(shè)計(jì)則難以實(shí)現(xiàn)。

因此，基于上述兩種技術(shù)存在的缺陷，本文研究了一種融合二者優(yōu)勢(shì)的建模技術(shù)——三維CAD參數(shù)化建模與直接建模的混合建模技術(shù)。使用該技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)模型的靈活修改，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)的驅(qū)動(dòng)。

1 總體思路

首先建立一個(gè)集成的零件詳細(xì)設(shè)計(jì)、部件組裝設(shè)計(jì)及總裝設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)環(huán)境。接著在零件詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)境中將傳統(tǒng)的參數(shù)化造型技術(shù)和創(chuàng)新的直接建模技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的融合，形成一種全新的混合建模技術(shù)。這樣可以在建模過(guò)程中達(dá)到相輔相成，取長(zhǎng)補(bǔ)短效果。使用混合建模技術(shù)，可以達(dá)到以下效果：快速建模、靈活建模、合理建模、快速修改（包括局部快速修改和全局快速參數(shù)化修改），最終提升用戶的產(chǎn)品研發(fā)效率、滿足用戶個(gè)性化設(shè)計(jì)的需求。不僅可以縮短新品的研發(fā)時(shí)間，而且可以加快產(chǎn)品改進(jìn)的速度。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是通過(guò)參數(shù)化造型達(dá)到模型系列化；二是通過(guò)直接建模造型達(dá)到局部快速修改。直接建模技術(shù)可以方便的將用戶創(chuàng)新思維充分展現(xiàn)在模型上，而參數(shù)化造型又可以達(dá)到模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng)。最后，將以上兩種技術(shù)合理融合，幫助設(shè)計(jì)者，實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜模型的快速研發(fā)和修改。

2 技術(shù)方案

2.1 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

主要的數(shù)據(jù)模型稱之為Shape，可以細(xì)分為：DefinitionShape、Instanceshape、Treeshape等。

Shape Component簡(jiǎn)稱S C，被設(shè)計(jì)成存儲(chǔ)模型形狀的真實(shí)數(shù)據(jù)。某些SC是所有Shape共用的，有些是Shape專用的。

DefinitionShape，簡(jiǎn)稱DS，被設(shè)計(jì)成包含共享的模型定義數(shù)據(jù)，一般是幾何屬性相關(guān)的數(shù)據(jù)，通常包括Entity的各種數(shù)據(jù)，可以抽象地理解為概念上的任何內(nèi)容。

InstanceShape，簡(jiǎn)稱IS，被設(shè)計(jì)成包含特定的數(shù)據(jù)，主要是位置數(shù)據(jù)等。DS管理著所有IS公用的內(nèi)容稱之為SC，因此每個(gè)IS通過(guò)指向DS中SC的指針來(lái)得到這些SC的內(nèi)容，通過(guò)操作IS的指針來(lái)修改 DS中的數(shù)據(jù)。通常，所有的Shape操作可以直接通過(guò)IS完成。

TreeShape，簡(jiǎn)稱TS，被設(shè)計(jì)成記錄一個(gè)IS在裝配中的路徑數(shù)據(jù)，用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)IS。

上述定義是后續(xù)模型運(yùn)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 參數(shù)化特征造型運(yùn)算機(jī)制

先建立一個(gè)全局的參數(shù)、引用創(chuàng)建和使用的管理者。通過(guò)該管理者達(dá)到特征參數(shù)的定義及引用關(guān)系的建立和維護(hù)。

參數(shù)化特征模型運(yùn)算過(guò)程是基于該管理者建立的依賴關(guān)系，從而完成模型運(yùn)算的規(guī)劃。進(jìn)而，當(dāng)模型的更新運(yùn)算被觸發(fā)時(shí)，依次規(guī)劃進(jìn)行結(jié)果的更新。

2.3 直接建模運(yùn)算機(jī)制

對(duì)模型元素附加識(shí)別、跟蹤數(shù)據(jù)，并且保證每次模型重構(gòu)或者更新時(shí)，該數(shù)據(jù)被正確的添加和更新。

接著在模型的局部元素被編輯修改之后，通過(guò)以上數(shù)據(jù)和跟蹤機(jī)制，發(fā)現(xiàn)被編輯的元素，然后使用相應(yīng)的幾何解算算法更新模型。幾何更新之后，進(jìn)行跟蹤數(shù)據(jù)的更新，完成對(duì)模型的直接編輯。主要支持的幾何解算的算法有：移動(dòng)表面、刪除表面、匹配替換表面、傾斜表面等。

2.4 零件的直接建模和參數(shù)化特征造型算法的融合

基于上述直接建模運(yùn)算機(jī)制，引入?yún)?shù)化特征更新算法，從而建立一種兩種技術(shù)融合的模型更新算法。算法步驟如下：

1） 模型數(shù)據(jù)的增強(qiáng)。在參數(shù)化特征模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加關(guān)系數(shù)據(jù)可以被直接建模運(yùn)算機(jī)制所使用；基于模型元素的跟蹤數(shù)據(jù)，建立對(duì)模型元素可以引用的強(qiáng)關(guān)聯(lián)機(jī)制，以便參數(shù)化特征造型運(yùn)算機(jī)制在規(guī)劃模型更新時(shí)可以使用它。

2） 混合建模運(yùn)算機(jī)制。當(dāng)特征的數(shù)據(jù)發(fā)生變化或有新的特征增減時(shí)，或在模型元素被修改之后。首先根據(jù)參數(shù)化模型的參數(shù)關(guān)系管理者，在考慮模型元素跟蹤數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行運(yùn)算規(guī)劃；在更新模型特征時(shí)，將直接建模的幾何運(yùn)算實(shí)施到每一步特征更新中，對(duì)于特征信息和模型元素編輯直接有沖突的情況，在特征信息破壞最小化的原則下，完成特征的重構(gòu)和替換。融合后的總體方案如圖1所示。

圖1 混合建模方案流程圖

圖1展示了混合建模技術(shù)方案的全貌，即在基于零部件集成環(huán)境的參數(shù)化和直接建?；旌系倪\(yùn)算。左上角的圖例描述了參數(shù)化建模中參數(shù)的定義和模型的關(guān)系。運(yùn)算過(guò)程是：參數(shù)化特征建模在使用算法A（見圖1）完成更新規(guī)劃和參數(shù)更新之后；使用算法B（見圖1）即直接建模的幾何算法，進(jìn)行模型元素的更新；最后求解零部件直接的裝配關(guān)系。

與傳統(tǒng)的建模系統(tǒng)相比，混合建模系統(tǒng)在直接建模的集成零件和裝配CAD系統(tǒng)中，其參數(shù)的作用范圍是全方位的。作用域可以覆蓋整個(gè)文檔范圍。結(jié)合模型的遷移，可以定義出更具有層次性的參數(shù)。從而使參數(shù)化的應(yīng)用更加深入、靈活、方便。同時(shí)混合建模技術(shù)很好地處理了與參數(shù)化建模的沖突問(wèn)題，極大地彌補(bǔ)了參數(shù)修改導(dǎo)致模型走樣的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了模型編輯的直觀性。

3 結(jié) 論

融合參數(shù)化建模和直接建模的混合建模技術(shù)是當(dāng)前數(shù)字化建模的最新發(fā)展，已在CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1） 融合參數(shù)化建模和直接建模的統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境。突破了傳統(tǒng)軟件中將參數(shù)化建模、直接建模兩個(gè)環(huán)境完全隔離的做法，讓用戶在統(tǒng)一的環(huán)境中，便能方便地自由操作兩種建模工具。

2） 建立了更方便的、拖拽式及參數(shù)尺寸定義的直接建模技術(shù)。該技術(shù)將直接建模的設(shè)計(jì)理念通過(guò)用戶更加理解的交互手段表達(dá)出來(lái)，使建模手段更加簡(jiǎn)捷。

3） 融合參數(shù)化建模和直接建模的混合建模技術(shù)。兩種建模手段的表達(dá)方式、交互方式及最終的數(shù)字化結(jié)果均是統(tǒng)一的。

混合建模技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是建立統(tǒng)一的用戶設(shè)計(jì)方法，達(dá)到參數(shù)化特征建模和直接建模設(shè)計(jì)流程的一致。建立了兩者相互融合的模型運(yùn)算機(jī)制，使得在直接建模時(shí)對(duì)參數(shù)化特征的影響最小化，同時(shí)特征造型又可以借助直接建模的結(jié)果，混合建模這一現(xiàn)代圖學(xué)技術(shù)極大地提升了三維設(shè)計(jì)軟件的易用性，讓三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用范圍普及到一搬大眾，降低了創(chuàng)新門檻，企業(yè)通過(guò)產(chǎn)品三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和產(chǎn)品應(yīng)用推廣，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]唐榮錫. CAD/CAM 技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1994: 99-102.

[2]朱心雄. 自由曲線曲面造型技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2000: 138-151.

[3]鐘日銘. CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)2009基礎(chǔ)教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2010: 6-12.