产品设计重用中的创新方法研究.pdf

浙江大学计算机科学与技术学院 博士学位论文 产品设计重用中的创新方法研究 姓名：刘红政 申请学位级别：博士 专业：数字化艺术与设计 指导教师：叶修梓 20080417 浙江大学博上学位论文 摘要 摘要 随着计算机技术的发展，产品设计逐渐演变成为多学科交叉的创作活动。工 业竞争的加剧导致现有的设计模型数量成倍增长，在设计时间紧的前提下，设计 重用已经成为大多数设计机构的第一选择。现有的设计重用主要的实现途径有逆 向设计、参数化设计、自由形状变形。本文在总结已有设计重用方法的基础上， 首次提出了逆向创新设计( R I D ：R e v e r s eI n n o v a t i v eD e s i g n ) 这一新的设计重 用方式，丰富了设计重用的手段。 产品的逆向建模方法是设计重用研究的重点，按照建模对象几何特征的差 别，设计师会采取不同的建模思路。即对器官类型的模型而言采用自动创建拟合 曲面的方式，对包含大量规则曲面的模型采用基于特征的参数化实体造型，对以 自由曲面为主的模型则使用基于曲线的自由曲面建模方式，其中后两种方式便于 加载产品定义参数，从而达到参数化驱动模型变形的目的。逆向创新设计方法立 足于传统的逆向建模，从扫描数据提取出各种参数信息，进而建立参数化模型， 并采用高层的自然参数乃至更高层的产品定义参数来驱动模型变化到一个新的 设计。逆向创新设计可以说是一门整合的数字化设计方法学，它涵盖了三维C A D 及C A I D ，逆向工程( I 也) ，C A E 分析，快速原型( I 冲) 等领域。 D 方法既有参数化驱动的方便性，又保持了自由形状变形的灵活性，它能 够有效利用设计对象的行业参数及知识，将其映射到产品定义参数中。该方法首 先需要提取出高层次的参数信息产品定义参数，然后再编辑产品定义参数进行产 品变形设计。D 方法对现有逆向工程的建模流程是一个有益的补充，它要求建 模对象对应一定的行业参数，并适用于以自由曲面为主和以规则曲面为主的模 型。对以自由曲面为主的模型而言，其参数化设计重用的思路是提取网格模型的 特征线框及特征点，进而得到所需的产品定义参数。对以规则曲面为主的模型而 言，产品定义参数则源于截面轮廓的线段识别及基于网格分区的规则曲面识别。 列D 的建模方式可以很方便地集成到现有C A D 软件平台中，其核心算法已 浙江大学博士学位论文 摘要 经被S o l i d w | o r l 岱的插件S c 锄T 0 3 D 所采用。我们还在S i n d y N G R E 平台中成功地 开发出基于D 方法的设计模块，并以鞋楦模型的改型设计为例，详细描述了 刚D 方法在鞋楦设计中的应用。此外，我们还以其它产品的重新设计为例，全面 展示D 方法在这类模型中的成功运用。 关键词： 设计重用，逆向工程，参数化设计，自由形状变形，设计方法学，C A D ， C A I D ，C A E ，细分曲面，特征识别，运动仿真，计算流体力学，人机工程，特征 线，产品定义参数，逆向创新设计，特征线框 浙江大学博上学位论文A b s 仃a c t A b s t r a c t W i t 量lt l l ed e v e l o p m e n t0 fc o m p u t I e rs c i e n c e ，p r o d u c td e s i 印b e c o m e sac r e a t i V e a c t i V 毋、) I ，i mI l c wi I l t e r d i S c i p l i n e I I l t e n s i f i e di n 山I s t 巧c o m p e t i t i o nb o o m sc u r r e n t d i g i t a lm o d e l 锄o u n t D e s i 印r e l l s ei s 也ef i r S tc h o i c eo fm o s td e s i 弘咖d i o st 0f i m s ha d e s i 弘晰mg i V e nt i m e R e V e r s ed e s i g I l ，p 麟髓e t r i cd e s i 印a n d 船e - f o n I ld e f o m a t i o n a r eI I 坷o rm e t h o d sf o rd e s i g nr c u s e I n “s 也e s i s ，w ep r o p o ar e V e r s ee n 舀n e e r i n g i n n 0 V a t i V ed e s i 朗m e t l 砌o l o g yc a l l e dR e V e r h 1 n o V a t i V eD e s i 印 ( D ) a sa c o m p l e m e n t a t i o no fc u 玎e n td e s i g nr e u m 甜1 0 d P r o d u c tr e V e r d e s i g ni sa ni m p o n a n td e s i g nr e u s 呛m e m o d W ei n t r o d u c e dt h r e e R Em o d e l i n gs t r a t e g i e s ：a na u t o s u 矗i n gs t r a t e g yf o ro r g a l l i cS h a p e s ；as o l i dm o d e l i n g S 仃a t e g ) rw i t l l 触r e c o 鲥t i o n 锄ds u 血c ef i t t i n gf o r 锄址y t i c a lm o d e l s ；锄da c u r v e b a S e dm o d e l i I l gs t l 斌e g yf o ra c c u r a t er e V e r s em o d e l i I l g T h el a S tt 、om e t t l o d s a r em o r ec o n V e n i e mt oe x 缸a c tp r o d u c td e f i n i t i o np a m m e t e r s 、) l ，：1 1 i c hc a l l “v e l e m o ( 1 e ld e f o n n e de a S i l y B a S e do n 仃a d i t i o n mr e V e r s ed e s i g n ，I U Di st 0e x t r a c ta l ll 【i n d s o fp 钺吼e t e r Sf r o ms c 籼e dd a 瓴a I l du s et l l eh i 曲l e V e l 蛐f e a n 鹏锄de v e nh i 曲e r l e v e lp r o d u c td e f i l l i t i o np a 嗡m e t e r 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e l O n ei st l l e m D d e l 晰t l l 肫e f o ms u r f i u c e ，觚dt l l e k e yi se X 仃a c t i n gt h ef e 孤鹏埘r e f a m ea n d f e a ：t u r ep o i n t T h eo m e ro I l ei St h em o d e l 、杭ma n a l y t i c a ls l 玎自c e ，a n dt h ek e yi sl i I l e r e c o 鲥z a t i o no ns e c t i o nv i e wa n dr e g u l a rf a C er e c o 鲥z a t i o no nm e S hs e g m e n t a t i o n 浙江大学博士学位论文A b s t r a c t 1 k d e V e l o p e d 刚Dm o d u l e c a nb ee 嬲i l yi n t e g r a t e di n t oc u r r e n t3 DC A D s y s t e m s 1 km a i nR ES 仃a t e g i e sa n dc o r ea l g o r i t h m sh a v eb e e ni n t e 掣a t e di n t oS o l i d W 6 r k s 雒 趾a d d - i I lp r o d u c tc a l l e dS c 锄T 0 3 D As h o el a S td e s i 弘m o d u l eb a S e do n 刚Di s d e v e l o p e di nS i n d y N G R Ep l a t f o 肌a I l ds o m eo t h e rr e d e s i g I le x 锄p l e sa r ei n 们d u C e d a t l a s t K e 唧o r d s ：d e s i g nr e u s e ，r e V e r S ee n 西n e e r i n g ，f k e f 0 册d e f o 姗a t i o n ，d e s i 朗 m e l o d o l o g y ，C A D ，C A I D ，C A E ，s u b d i V i s i o n ，f e a 血H - er e c o g m z e ，m o t i o ns i m u l a t i o m C F D ，e 唱o n o m i c s ，f e a _ t u r el i f l e ，p r o d u c td e f “t i o np a r 锄e t e r r e V e r s ei m l o V a t i V ed e s i g n ， f e a n l r e 、) l ，i r e f a m e 浙江大学博士学位论文 图目录 图目录 图1 1 苹果公司I P O D 系列产品家族3 图1 2 数据流向图8 图1 3 六角螺母可视化配置界面9 图1 4 产品设计正向工程流程图l O 图1 5 基于骨架驱动的动态变形1 3 图1 6 常规逆向建模流程14 图1 7 三坐标测量机17 图1 8 激光扫描仪1 8 图1 9 光学测量组合18 图1 1 0 核磁共振成像计算机断层成像设备1 9 图1 1 1 多边形建模及光顺效果图对比2 1 图1 1 2 模型细分前后的效果对比2 2 图1 1 3 汽车内饰建模2 3 图1 1 4I M A 中的变形方式2 5 图1 1 5C A T 认中集成C A I D 功能的产品设计流程2 5 图1 1 6T - S p l i n e sV SN U R B S 表示的车门模型效果2 6 图1 1 7T - S p l i n e 与N U R B S 之间格式转换。2 7 图1 1 8F I O R E S 定义的设计流程2 8 图1 1 9 汽车顶部区域变形前后对比2 9 图1 2 0 参数控制的自由形状变形3 0 图1 2 1 人体模型的关键点3 l 图1 2 2 基于特征线框建模的流程3 2 图1 2 3 网格特征复制粘贴方法的具体步骤3 3 图2 1 骨骼逆向建模实例( 左为网格模型，右为曲面模型) 3 7 图2 2 遥控板逆向建模实例一3 9 图2 3 汽车模型逆向建模实例。4 0 图2 4 逆向创新设计框架示意图一4 4 图2 5 参数化变形设计流程4 6 图3 1 汽车引擎罩变形5 2 图3 2 模型预处理5 4 图3 3 鞍座曲面及特征线框5 4 图3 4 男女坐骨结节间径示意图5 4 图3 5 鞍座的辅助截面线5 5 图3 6 变形的目标曲线5 6 图3 7 男女型号的鞍座变体模型5 6 图3 8 基于约束的曲面局部变形5 7 V I I 浙江大学博士学位论文 图目录 图3 9 控制杆件模型5 8 图3 1 0 控制杆件截面数据5 8 图3 1 l 常见加工特征5 9 图3 1 2 规则曲面的提取6 0 图3 1 3 优化设计流程图6 4 图3 1 4 把手优化设计图解6 4 图4 1 木制鞋楦6 7 图4 2 自由形状物体的R I D 方法工作流程7 2 图4 3 鞋楦中的语义特征点示意图7 3 图4 4 模型参数化流程图7 3 图4 5 鞋楦的特征线框( 取自两个不同视角) 7 4 图4 6 语义特征点( a ) 及其派生的产品定义参数( b ) 7 4 图4 7 采用R I D 方法进行鞋楦建模的原型系统7 6 图4 8 不同参数驱动下的鞋楦7 7 图5 1 模型预处理8 0 图5 2 参数化C A D 模型制作8l 图5 3 凳子的前处理状态8 2 图5 4 初始模型的静力分析结果8 2 图5 5 凳子的设计优化流程8 3 图5 6 凳子改型细节8 4 图5 7 改型凳子的静力分析结果8 4 表3 ，1 原始模型的参数提取6 l 表3 2 参数驱动的变形结果6 1 表4 1 国标中的男皮鞋中问号( 部分) 6 8 表4 2 鞋楦部位系数定义7 5 表6 1 眼镜模型的D 应用实例8 7 表6 2 高尔夫球头的D 应用实例一8 8 表6 3 汽车把手的D 应用实例9 0 V I I I 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： f 跏 仰凉 签字日期：如佃矿年么月乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 爱吖彬 ， 签字日期：0 2 p 扩年月二日 翩躲彬彳 签字眺彬易月f 浙江大学博上学位论文第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 人区别于其它动物最根本的地方在于劳动，而劳动过程使人产生无穷的创造 力。步入工业化时代以后，制造的产品日趋复杂，单靠个人纯手工制作的传统手 段已经无法满足很多设计要求。 计算机的出现为广大设计人员提供了一个非常有力的工具。如今，计算机辅 助工业设计( C A I D ) 、计算机辅助设计( C A D ) 、计算机辅助工程( C A E ) 、计算 机辅助制造( C A M ) 在生产的各个环节发挥着越来越重要的作用。最近二十年中， 设计人员经历了一次颠覆传统的设计革命，资料室中的大量图纸逐渐以二维和三 维电子图档的方式保存起来。 二维制图只是从形式上替代了传统的设计工具，但从本质上还是采用同样的 设计流程。三维C A D 软件的推出，则从根本上改变了传统的设计手段。三维模 型真实的表达了产品的空间结构，并附带有模型的材料和质量等信息，为下游的 C A E 和C A M 应用提供了可能。时至今日，三维造型已经逐步取代了二维制图， 特别是特征技术、参数化技术、变量化技术和超变量化技术的应用，更加推动了 C A D C A M 技术的进步【1 1 。C A D 软件广泛应用于各行各业，也使得产生的数字图 档成几何级的增长。因此产品数据管理( P D M ) 和产品生命周期管理( P L M ) 也 越来越受到生产企业的重视。任何一件复杂的产品，在严格的进度管理和版本管 理下，也会变得游刃有余。 在进行类似复杂产品设计时，我们不仅需要借鉴第一件产品的设计经验，更 多的是需要一定程度的模型重用。设计重用是对设计本身及设计活动中所获得知 识的重新使用，设计重用是将过去设计的信息、知识或者经验应用到当前的设计 活动【2 】。丰田的花冠轿车是全球生产量最大的一个汽车型号，经过近十代的发展， 其设计车型也日趋完美。然而在相邻两个型号之间，除了外观设计改动较大之外， 很多零部件都是在上一型号的基础上进行一定的修改或直接重用，底盘和发动机 l 浙江大学博 = 学位论文第l 章绪论 的设计尤其如此。这样，对不同产品就提出了不同的设计要求。如汽车的外观造 型主要来自概念设计师的创作灵感，而像底盘和发动机这类产品的设计，则主要 考虑强度和功效等因素。因此，针对不同的产品类型，也需要采用不同的设计重 用方法。 设计师在进行一个新产品设计过程中，一般需要花近6 0 的时间用于获取适 当的信息，这通常是让设计师倍受挫折的阶段【3 l 。同样有数据表明，在创作过程 中有超过7 5 的情况都是基于实例的设计一即重用以前的设计知识而建立一个 新的设计。然而，随着设计过程中涉及的物理模型和相应知识的复杂性及数量的 不断增加，使得重用很少发生，从而导致浪费大量的时间和资金。因此，设计及 相关的知识重用是减少新产品研发时间的关键。 使用三维C A D ( 计算机辅助设计) 工具可以明显缩短产品上市时间并降低成 本。三维C A D 技术的广泛采用，极大的促进了从物理模型到数字模型的产品研发， 并在过去的几十年中，完成了二维到三维的过渡。全数字化的产品研发流程包括 设计、造型、仿真及加工，三维C A D 是其中不可或缺的一部分【4 5 1 。结果，产品 数据库中保存有越来越多的三维数字设计样本。对于一个新的设计而言，如果在 数据库中有一近似产品的数字模型存在其中，则可采用三维检索技术【2 】来获取 这个相似外形及设计意图的模型。通过重用全部或部分之前的设计，来着手规划 一个新的设计。三维检索和重用技术已经得到了广泛而深入的研究【1 3 1 5 】。尽管已 经有不少三维检索引擎用于商用【1 6 l ，三维检索和重用在设计及媒体检索领域仍然 是一个正在研究中的主题。 就三维模型的设计重用而言，目前存在三个比较成熟的技术。其中之一就是 逆向工程( R e v e r s eE n g i n e e 血g ，简称R E ) ，也称之为反求工程或反向工程。逆向 工程是2 0 世纪8 0 年代后期出现在先进制造领域里的新技术。简言之，逆向工 程就是根据零件( 原型) 生成数字化模型，再制造产品。它是一种以先进的产品 设备的实物、样件或影像( 图像、照片等) 作为研究对象，应用现代设计方法学、 生产工程学、材料学和计算机技术等有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌 握其关键技术，进而开发出同类更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技 2 塑垩奎芏苎主兰丝堡兰苎! 兰堕堡 术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。 逆向工程主要分为数据采集和模型重建两个环节。数据采集追求的目标是快 速精确，而模型重建的要求是光顺高误差小。可见精度高( 或误差低) 是二者 共同追逐的效果。随着科学技术的飞速发展。误差控制也越来越好。这种依样画 葫芦的技术在各行各业获得了广泛的应用和发展，比如我们日常接触到的手机、 汽车、玩具、家电菩都有逆向T 程的影了。在历史文物保护方面，逆向工程也起 到了积极的数字化记录的作用。 虽然传统的逆向工程要求误差越小越好，然而当我们肘市场上已有产品进行 逆向设计的时候，我们并不能原样照搬。我们必须尊重产品原型设计的知识产权， 这样才能建立一个岛性和谐的市场运行体系。因此，我们不能把逆向工程技术定 位于产品的抄袭和模仿，而是应该建立起一个先消化吸收，后优化创新韵一个理 念。只有这样，才能开发出更具竞争力的产品。 参数化设计也是设计重用的重要组成部分。目前主流的三维c A D 软件基本上 都采用了参数化设训的思想。模型的结构在各个尺寸和几何约束等参数的驱动 下，可以产生无穷的设计变体。我们只需改变一些参数，便可以很轻松的建立一 个系列产品，通常我们称之为产品族( F 枷i l y ) ，苹果公司的i p o d 系列M P 3 便是 产品族的一个典型，如图11 所示。由于参数化设计要求被驱动模型的拓扑结构 近似，因此该技术广泛应用于机械产品的设计领域，尤其是在标准件库的构建上。 胃 图I 1 苹果公司I p o D 系列产品家族 此外，自由形状变形( F 崩- f o 皿d c f 0 瑚越i o n ，F F D ) 是设计重用中又一常用 浙江入学博上学位论文第l 章绪论 的技术。通过C A D C A I D 软件提供的各种变形工具，设计师往往能够创作出比原 型更加精彩的作品。该技术尤其适合外观比较复杂的产品，经过一定变形而得到 更加丰富的产品系列。 目前的产品设计流程日趋完善，但在设计重用领域还有很大的提升空间。本 文在研究目前产品设计的主要设计流程的基础上，融合最近的一些科研成果，在 设计方法上进行大胆创新和尝试，提出一个全新的设计方法逆向创新设计法。该 方法首次将参数化设计技术、自由形状变形技术以及逆向工程技术三者结合在一 起，丰富了产品设计重用的手段，拓展了行业应用领域，也推动了设计方法学的 发展。本文的目标是让设计师今后在进行新产品设计时，能够更加有效的利用已 有的设计资源，拥有更多的设计思路。 1 2 国内外研究现状 本节首先归纳总结产品设计方法学及产品创新等相关内容，然后从设计重用 的角度，介绍参数化设计、自由形状变形设计、逆向工程的发展现状。 1 2 1 设计方法学 设计方法论亦称为“设计哲学 、“设计科学 、“设计工程 或“设计方法学 。 是2 0 世纪6 0 年代以来兴起的一门学科，主要探讨工程设计、建筑设计和工业设 计的一般规律和方法，它涉及到哲学、心理学、生理学、工程学、管理学、经济 学、社会学、美学、思维科学等领域，是研究开发和设计的方法论的学科，它包 含了方法论中的各种层次的问题。第二次世界大战后，由于信息工程、系统工程、 人类工程、管理工程、创造工程、科学哲学、科学学等一系列新兴学科取得了迅 速的发展，一批哲学家、科学家、工程师和设计师从一般方法论的角度研究设计 中的方法论问题，使许多工程师和设计师认识到：传统的设计方法已经不适合于 解决日益复杂的设计问题，因而必须代之以新的设计观、思想、原则和方法【1 7 1 。 常用的设计方法论主要有突变论、智能论、信息论、系统论、控制论、优化论、 对应论、功能论、离散论、模糊论、艺术论共1 1 种。 现代设计方法学从传统设计方法中脱胎而出，具有以下特点【1 8 1 ： 4 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 1 从战略高度，用大视角审视设计对象。 2 设计方法学是方法论，是应用科学，是新兴起来的交叉学科。设计方法学 主要研究设计进程中各阶段、各步骤之间的联系规律、原则和原理，以求 得合理的设计进程。因此，设计方法学是探讨设计进程最优化的方法论。 3 设计方法学具有鲜明的系统性。 4 设计方法学追求设计结果的整体最优化。 5 现代设计方法的种类主要包括创新设计、虚拟设计、机电产品造型设计、 可靠性设计、优化设计、人机工程学设计、绿色设计、稳健设计、并行设 计、模糊设计、智能设计和反求设计等等。 设计方法学的进化主要靠创新，创新是一个生产企业的灵魂所在。无论何时， 一个企业所拥有的产品优势都只是暂时的、相对的。如2 0 世纪的海鸥牌手表， 飞鸽、永久、凤凰三大品牌的自行车，北京牌彩电等等这些国产名牌产品如今已 经失去了昔日的辉煌。S O N Y 风靡一时的随身听市场，也被更高科技含量的苹果 I P O D 所取代。 创新的提出始于2 0 世纪初，它的概念是由著名的美国经济学家熊彼特在出版 经济发展理论【1 9 l 一书中提出“创新是生产要素的重新组合 。它包含以下五 方面：1 ) 引入新的产品；2 ) 引入新的经验、知识和操作技巧；3 ) 掌握住原材 料新的来源途径；4 ) 开辟新市场；5 ) 实现工业的重新组合。那么产品创新又是 什么呢? 我们把产品创新概要地定义为：新产品在经济领域中的成功运用。包括 对现有生产要素进行重新组合而形成新的产品的活动。全面地讲，产品创新是一 个全过程的概念，既包括新产品的研究开发过程，也包括新产品的商业化扩展过 程。正因为有了产品创新，所以企业才能保持产品的竞争优势，提高企业形象， 为经济发展提供持续的动力【2 0 】。经过数十年的发展，在掌握已有创新技法的基础 上，结合认知科学、人工智能、设计方法学、科学技术哲学等前沿学科，创新设 计方法已经成为一门独立而且有待开发的新的设计和方法。随着计算机技术的发 展，创新方法的研究也出现新的趋势，在现阶段，各种成熟的创新方法开始集成 化研究与应用，并与计算机( 包括网络) 技术相结合，形成计算机辅助创新( C A I ： 浙江大学博上学位论文第l 章绪论 C o m p u t e rA i d e dI I l I l o v a t i o n ) 技术，如：Q F D 、可靠性设计、网络协同创新设计、 有限元分析等各种成熟的技术和方法开始融入到创新设计过程中【2 l 】。 企业产品创新一般有两种方式，一种是首创式( 也称之为原始性创新) ，一种 是模仿式( 也称之为积累性创新) 。首创式创新在首创研究、试验与市场开发的 投入大、时间长、风险大，但在市场占有、商誉和知识资产方面得到的回报高， 通常需要从原理上进行改变，是从无到有的创新。而模仿创新则可相对减少这些 首创投入与风险，利用首创的基本概念或原型技术，利用首创企业已开发或在开 发中的市场，再创新出奇，取得后发制人的优势。这类创新通常是在第一类的基 础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和个性需求，创新性的设计属 于其中，创新后的产品也就是个性化的产品。统计资料表明，8 5 9 0 的产品 创新属模仿创新【2 2 1 。 在创新点的寻求方面，多依赖于设计师的创造性思维。创造性思维具有两种 形式：直觉思维与逻辑思维。直觉思维是一种在下意识状态下，对事物内在复杂 关系突发式的领悟过程，具有创造灵感忽然降临的色彩。逻辑推理型创造思维方 式是人们根据所提出的创造目标，进行逻辑推理式的思维，把目标展开、分解和 综合，寻求各层分目标的解，然后找出最终整体解，用主动的可按部就班的工作 方式向目标逼近。实际上，大量的创造过程是这两种思维方式交叉和综合的结果。 当要设计一件复杂的产品时，设计师往往需要借助多领域的知识，协同设计显得 尤其重要。 1 2 2 参数化设计 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好 的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数 化设计广泛应用于机械产品的建模中，即建立图形约束和几何关系与尺寸关系的 对应关系，由尺寸参数值的变化直接控制实体模型的变化。参数化设计极大地改 善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、 装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体 6 浙江大学博上学位论文第1 章绪论 现出很高的应用价值f 2 3 l 。 参数化研究工作最早可追溯到6 0 年代早期，S u t h e r l a n d 在他开发的S k e t c h p a d 系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后续的 研究工作大多是在S u t h e r l a n d 等的基础上开展的【2 4 】。而在三维C A D 产业引起轰 动的事件则是P T C 公司P r o E n g i n e e r ( 以下简称为P r o E ) 软件的问世。P r o E 的 成功主要源于S a m u e lG e i s b e r g 的贡献。设计初期，P r o E 发展了三维线框设计的 思想，首先建立基准面，在基准面上勾画二维草图，用扫描方法将二维轮廓引申 成三维形体。依次更换作图平面，尽量用显式操作生成形体，避免面面搜索求交、 裁减和集合运算。P r 0 E 的总体目标是使曲面、实体、参数化特征设计融为一体， 可以任意构造复杂零件和装配体，而且修改设计方便。它的发展过程并非一帆风 顺，最大难点在于集合运算中曲面求交、裁减运算和参数化草图设计中的几何约 束求解不能迅速达到可靠、高效，这需要非常高的数学功底。S 锄u e lG e i s b e r g 正 是发挥了他的数学专长，紧密结合C A D 工程应用实践和软件开发技术，排除各 种非议，使P r o E 得到了普遍接受，为C A D 技术发展树立了一个崭新的里程碑【2 5 1 。 近年来开发的C A D 系统都是基于特征和基于历史的三维参数化设计系统【2 6 1 ，它 们一般都是采用基于组件的实现技术。目前使用的组件主要包含用户界面组件、 几何引擎组件、约束求解器组件、真实感图像显示组件【2 7 l 。 传统意义上的参数化设计大多集中在几何元素的处理上，包括二维草图绘制 和三维实体造型两部分。其中二维草图绘制的设计对象是一般的点、线段和圆等 一般的几何元素，并添加平行、垂直、同心、共点、尺寸等几何约束，然后在参 数化草图的基础上，通过特征造型( 拉伸、扫描、旋转等) 以及加、减等布尔运 算来生成零件的三维模型，在装配模块中通过添加诸如同轴、共面等装配约束来 形成。该过程相对来说是一个狭义的参数化过程，并不能完全满足产品设计的需 求。因此，也有学者提出广义参数化设计的概念【2 引。产品广义参数化设计是为了 支持产品的设计周期，其参数化对象不仅仅是二维或三维的几何零件实体，而是 针对整个产品以及产品设计知识、设计约束的一种广泛程度上的设计集成。产品 广义参数化设计概念的提出，拓展了传统一般意义上的仅限于几何尺寸参数化设 7 浙江大学博J ：学位论文第l 章绪论 计的范围，使得系统参数的定义不仅仅是几何尺寸的参数化而是包括产品的性能 等非几何参数信息。产品广义参数化设计可以很好的支持产品从概念设计、结构 设计到详细设计整个产品设计周期，使得产品设计人员从产品设计初期就能在设 计要求的指导下进行产品设计，从一定意义上支持了产品并行设计和设计集成 【2 卅 O 不同C A D 平台之间的模型数据主要依靠I G E S 或S T E P 这些中性格式进行传 递的。I G E S 格式出现较早且有较多缺陷，而S T E P 格式是I S O ( 国际标准化组织) 在1 9 8 8 年公布的产品模型数据交换标准。然而目前的这些中性格式并不能保留 C A D 模型的诸多参数信息，这使得设计重用大打折扣。P r a l t 【3 0 】提出了扩展的S T E P 格式，力图弥补现有S T E P 格式信息量的不足，并研究论证了S T E P 格式带有参 数信息的可行性。图1 2 所示的内容基本表达了目前中性格式的数据在整个设计 流程中的位置。 茵冈嚣 可矽 图1 2 数据流向图 另一股研究力量则是从特征识别这方面达到提取中性格式模型参数的目的【3 l 3 2 1 ，也就是说，由其它平台导入的I G E S 或S T E P 格式的文件，经过特征识别的操 作后，一些常规的建模特征( 如拉伸、旋转、圆角、倒角、切除、钻孔等) 会被 正确识别出来，并能够重新对识别的特征进行参数驱动。目前C A T 认、S o l i d W 酬k s 、 I n v e n t o r 等三维C A D 软件都包含了特征识别的模块。前面提到的部分逆向工程软 件也集成了特征识别的模块，能够快速将点云或网格中的二次曲面特征识别出 来，在一定程度上加快了逆向建模的速度。 8 浙江大学博上 位论女第】章绪论 很多软件供应商开发了针对各个三维c A D 软件的标准件库，便很好的利用 了参数化设计的思想，由一个设计母体衍生出大量同类型派生体。随着互联网的 飞速发展，这些三维资源也开始移植到各类网站中。国外有些成熟的网站p 3 】已经 开始将厂商的产品阻三维模型的方式陈列给用户，并可以让用户自定义参数来配 置所需的型号，从而获得比阅读产品手册更加直观的采购体验。在国内也开始出 现类似的网站，例如新迪数字公司开发的三维资源在线网站l ，里面就包含了大 量国标常用件，用户不但可以自定义型号，还能进行缩放、平移、旋转等操作， 虽后还可以保存为指定的c A D 格式，以帮助工程师完成繁琐的标准件设计工作。 图l3 显示了三维资源在线网站的部分界面，用户可以在此简洁的界面中完成自 定义规格、指定3 D 下载格式及版本等操作。 图13 六角螺母可视化配置界面 参数化设计广泛应用于现有的三维c A D 造型软件中。纵观三维c A D 的发展 历史，其造型技术主要归为以下四类：曲面造型技术、实体造型技术、参数化造 型技术、变量化造型技术。而进入二十世纪九十年代，后两种技术获得了长足的 发展和普遍的认可。 参数化设计在正向工程中得到了广泛的应用，目前几乎所有的三维c A D 软 件都支持参数化设计作为主要的产品设计方式。图14 给出了一般产品设计正向 工程的流程图。图中可以看到，c A D 建模阶段是参数化设计屉常用的环节。设计 师可以通过工程检测等反馈，通过参数编辑或修改等方式，快速实现模型的重新 设计。 一。蒹一 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 图1 4 产品设计正向工程流程图 C A D 系统的重要性主要体现在以下几个方面： 1 与下游C A E 软件连接紧密，分析得到的结果可以有效反馈到C A D 软件 中，进行优化设计。 2 和C 。气M 软件无缝集成，使具有复杂外形的C A D 模型的几何特征可以很 好地进行数控加工。 3 易于采用P D M 软件进行文件管理，可以将产品设计各个不同时期的版本 有效的管理起来。 4 方便生成可用于加工的工程图纸。目前主流三维C A D 软件都具有从C A D 模型直接生成二维工程图的功能。 可以毫不夸张的说，现在的制造型企业，几乎都采用了至少一款C A D 软件进 行产品设计。三维C A D 软件中，国外的高端系列有D a s s a u l t 公司的C A T I A 及 U G S 公司的U G N X ，中端产品主要有D a S s a u l t S o l i d W b r l ( s 、U G S S o l i d E d g e 、 A u t o d e s l 【，I n v e n t o r ，而P T C 公司的旗舰产品P r o E n g i n c e r 则可以定位于中高端产 品。国内由于三维C A D 研发起步较晚，产品的性能与国外的中端产品相比都还 有一定的差距，市场化较好的也只有C A X A 实体设计这一款软件。 1 2 3 自由形状变形 F F D 在三维建模软件中是一个非常重要的功能，最近数十年也涌现出了很多 关于F F D 算法的研究。S e d e 舭唱【3 5 】提出的方法适用面广，可以说是物体变形中 最实用的方法之。F F D 方法不对物体直接进行变形，而是对物体所嵌入的空间 进行变形。F F D 方法中的l a n i c c 块的形状为平行六面体，这在一定程度上限制了 它的应用。C o q u i l l a n 【3 6 】提出的拓广的F F D 方法( 简称E F F D ) 消除了对非平行六 l O 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 面体l a t t i c e 的限制，使得初始的l 砒i c e 允许棱柱和圆柱这种形状，因而增加了F F D 的适用范围。L 锄o u s i n 【3 7 】提出了基于N U R B S 的F F D 方法N F F D ，N F F D 提供了 更有效的控制。保体积的自由变形和约束变形也已有一些工作。目前的许多商用 动画软件如S o 衔m a g e 、3 D M A X 、M a y a 等都有类似于F F D 的功能。R u p r e c h t 【3 8 】 提出了一种通过散乱数据插值的空间变形方法。当物体的变形可通过移动l a t t i c e 的控制顶点来实现时，上述各模型提供了强有力的变形工具。但是l a t t i c e 变形和 物体变形之间的对应关系并非很直观时，基于F F D 的变形方法就难以奏效。H s u 【3 9 l 等于1 9 9 2 年提出了一种通过变形后物体上点的偏移来反求l a t t i c e 顶点，从而达到 直接操纵物体变形的方法。B o r r e l 和B e c h m 锄【4 0 】提出了空间变形的简单约束变形 ( S c o d e f ) 法。国内也有针对这些F F D 算法的改进【4 l 4 2 】，并取得了不错的应用。 自由形状变形在计算机动画领域具有非常广泛的应用。设计师只需要对某几 个关键点进行局部的变形操作，便能得到另外一个模型实体。如人脸的面部表情 非常丰富，但设计师无需对每个面部表情都重新建模。我们只需要先建立一个人 脸原型，之后在此基础上通过局部变形操作，得到带有丰富面部表情的系列人脸 模型库。如今的计算机动画向着更加智能化的方向发展，自由形状变形也更多的 借助于计算机参数的控制。设计师只需在事先统计好的参数范围中输入一些数 值，便能表现喜怒哀乐等面部表情。 然而在使用F F D 时，一般有以下几种问题。首先，栅格( 1 a 钍i C e ) 与目标模 型之间的关系不明确，因此在编