（机械设计及理论专业论文）结构定性建模理论及其在机械产品类比设计中的应用研究.pdf

浙江大学博士学位论文：结构定性建模理论及其在机械产品类比设计中的应用研究 摘要 针对概念设计中产品结构的定性特性，提出了面向概念设计的产品结构定性建模理论。 通过对实体零件的联结面、功能面和零件结构构形的抽象并将其符号化，建立了零件符号模 型：通过将实体零件上功能表面的类型、相对位置、朝向以及面与面之间拓扑关系抽象成定 性符号集台，建立了符号零件的定性模型：利用零件的符号模型进行装配建模，建立了符号 装配模型：通过对符号装配模型中零部件之间空间位置关系的定性描述，建立了面向概念设 计的产品装配结构定性模型。并进一步运用功能一行为一结构一形状模型，提出了一种基于 结构相似的机械产品类比设计方法。 论文的主要：_ _ i 二作包括： 第一章综述了定性空间推理的研究现状和产品结构模型的相关研究，讨论了概念设计中 的产品结构，阐述了面向概念设计的产品结构定性建模理论的主要思想和基于结构相似的机 械产品类比设计方法的基本原理。 第二章提出以形体符号来表示零件的结构，讨论了形体符号的定义，分类、性质、操作、 描述、定量和定性拼合运算，提出了基于形体符号的零件符号造型过程和零件符号化的方法。 并给出典型结构零件的符号表示实例。 第三章提出了支持概念设计并能指导和控制零件形状设计的符号零件结构定性模型，讨 论了定性空间推理代数方法的基本原理，定性几何约束的定义、标注和局部相容性推理方法， 并给出实例。 第四章提出以零件的符号模型来进行装配建模，讨论了符号装配关系、定性几何约束、 定性几何约束图、约束相容性维护，并结合实例介绍了概念设计中产品装配结构定性模型的 建立过程和约束推理方法。 第五章提出以符号零件的结构模型来划分零件设计资源，讨论了符号零件结构相似度的 定义和计算方法，提出了结构图匹配和结构图相似的相似结构符号零件查找机理，并运用功 能一行为一结构一形状模型，提出了基于结构相似的零件类比设计方法。 第六章运用功能一行为一结构一形状模型，提出了一种基于结构相似的组件类比设计方 法，讨论了组件装配结构相似度的定义和计算方法，并在分析相似结构符号零件查找枧理的 基础上，提出了相似结构组件的查找机理，并进一步讨论了组件类比设计的模型和基本模式。 第七章以面向概念设计的产品结构定性建模理论为核心。应用基于结构相似的机械产品 类比设计方法构造了产品结构设计分层建模原型系统，介绍了原型系统的结构和主要功能模 块。 第八章总结了本文的主要研究内容和成果，并给出了今后的研究方向。 关键词：概念设计，定性模型，产品结构，形状设计，形体符号，符号表示，符号造型，装 配结构，类比设计，相似零件查找，零件设计库，设计重用 i i a b s t r a c t a i m i n ga tt h eq u a l i t a t i v ef e a t u r e s o fc o n c e p td e s i g np r o d u c ts t r u c t u r e ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sat h e o r yo fq u a l i t a t i v em o d e l i n go fp r o d u c ts t r u c t u r ei nc o n c e p td e s i g n b ya b s t r a c t i n g a n ds y m b o l i z i n go fb o n ds u r f a c e s ，f u n c t i o n a ls u r f a c e sa n dc o n f i g u r a t i o n so fs o l i dp a r t s ，t h ep a r t s y m b o lm o d e l sh a v eb e e np r e s e n t e d b ya b s t r a c t i n go f t h et y p e ，r e l a t i v ep o s i t i o n ，o r i e n t a t i o na n d t o p o l o g yr e l a t i o no fs o l i dp a r tf u n c t i o n a ls u r f a c e sa s aq u a l i t a t i v es y m b o ls e t ，t h es y m b o l p a r t q u a l i t a t i v em o d e l sh a v eb e e np r e s e n t e d p a r ts y m b o lm o d e l sa r eu s e dt oa s s e m b l ym o d e l i n gt os e t u ps y m b o la s s e m b l ym o d e l s b yq u a l i t a t i v ed e s c r i b i n go fs p a e ep o s i t i o nr e l a t i o n sa m o n g t h ep a r t s i ns y m b o la s s e m b l ym o d e l s ，t h ec o n c e p td e s i g np r o d u c tq u a l i t i v ea s s e m b l ym o d e l sh a v eb e e n p r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，b yu s i n gf u n c t i o n - b e h a v i o r - s t r u c t u r e - s h a p e m o d e l s ，am e t h o do f m e c h a n i c a lp r o d u c ta n a l o g yd e s i g nb a s e do ns t r u c t u r es i m i l a r i t yh a sb e e np r e s e n t e d t h em a i nw o r ko f t h ed i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： c h a p t e r1g i v e sar e v i e wa n dh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fq u a l i t a t i v es p a t i a l r e a s o n i n ga n dt h ec o r r e l a t i v er e s e a r c h e so np r o d u c ts t r u c t u r em o d e l s t h ep r o d u c ts t r u c t u r e i n c o n c e p td e s i g ni s d i s c u s s e d t h ec o n t e n t so fq u a l i t a t i v em o d e l i n gt h e o r yo fc o n c e p td e s i g n p r o d u c ts t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo fm e c h a n i c a lp r o d u c ta n a l o g yd e s i g n m e t h o db a s e do n s t r u c t u r es i m i l a r i t ya r ep r e s e n t e d c h a p t e r2p u t sf o r w a r dt oe x p r e s st h es t r u c t u r eo fp a r t sb ys h a p es y m b o l s t h ed e f i n i t i o n ， c l a s s i f i c a t i o n ，p r o p e r t y ，e d i t ，d e s c r i p t i o n , q u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v em e r g eo p e r a t i o no fs h a p e s y m b o l sa r ed i s c u s s e d t h ep a r ts y m b o lm o d e l i n gp r o c e d u r ea n ds y m b o l i z i n gm e t h o db a s e do n s h a p es y m b o l sa r ep r e s e n t e d t h es y m b o le x p r e s s i o ne x a m p l e so f t y p i c a ls t r u c t u r ep a r t sa r eg i v e n c h a p t e r3p u t sf o r w a r dt h eq u a l i t a t i v em o d e lo fs y m b o lp a r t sw h i c hs u p p o r tc o n c e p td e s i g n a n dc a nb eu s e dt og u i d ea n dc o n t r o lp a r ts h a p ed e s i g n 。t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa l g e b r am e t h o do f q u a l i t a t i v es p a c er e a s o n i n ga n dd e f i n i t i o n ，l a b e la n dc o n s i s t e n c yl o c a l l yr e a s o n i n gm e t h o d so f q u a l i t a t i v eg e o m e t r yc o n s t r a i n ta r ed i s c u s s e da n de x a m p l e sa r ep r e s e n t e d c h a p t e r4p u t sf o r w a r da s s e m b l ym o d e l i n gb yu s i n gp a r ts y m b o lm o d e l s s y m b o la s s e m b l y r e l a t i o n ，q u a l i t a t i v eg e o m e t r yc o n s t r a i n t ，q u a l i t a t i v eg e o m e t r y c o n s t r a i n t g r a p h ，c o n s t r a i n t c o n s i s t e n c ym a i n t e n a n c ea r ed i s c u s s e d t h ee x a m p l e so fp r o d u c ta s s e m b l yq u a l i t a t i v em o d e l i n g a n dc o n s t r a i n tr e a s o n i n gi nc o n c e p td e s i g na r ep r e s e n t e d c h a p t e r5p u t sf o r w a r dt oc o m p a r t m e n t a l i z ep a r td e s i g nr e s o u r c e sb yu s i n gs y m b o lp a r t s t r u c t u r em o d e l s t h ed e f i n i t i o na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so fs y m b o lp a r ts t r u c t u r es i m i l a rd e g r e e a r ed i s c u s s e d t h es i m i l a rs t r u c t u r ep a r tr e t r i e v a lm e c h a n i s m so fs t r u c t u r eg r a p h sm a t c h i n ga n d s t r u c t u r eg r a p h ss i m i l a r i t ya r ed i s c u s s e d ap a r ta n a l o g yd e s i g nm e t h o db a s e do ns t r u c t u r e i i i s i m i l a r i t yi sp r e s e n t e db yu s i n gf u n c t i o n - b e h a v i o r - s t r u c t u r e s h a p em o d e l c h a p t e r6p u t sf o r w a r da na s s e m b l ya n a l o g yd e s i g nm e t h o db a s e do ns t r u c t u r es i m i l a r i t yb y u s i n gf u n c t i o n - b e h a v i o r _ s t r u c t u r e s h a p e m o d e l t h ed e f i n i t i o na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so f a s s e m b l ys t r u c t u r es i m i l a rd e g r e ea l ed i s c u s s e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gr e t r i e v a lm e c h a n i s m so f s i m i l a rs t r u c t u r es y m b o lp a r t s ，t h er e t r i e v a lm e c h a n i s m so fs i m i l a rs t r u c t u r ea s s e m b l i e sa l e p r e s e n t e d ，t h em o d e la n db a s i cm o d eo f a s s e m b l ya n a l o g yd e s i g na r ed i s c u s s e d i nt h e7 t hc h a p t e r ，o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fq u a l i t a t i v em o d e l i n go fc o n c e p t d e s i g n p r o d u c ts t r u c t u r ea n dt h em e t h o do fm e c h a n i c a lp r o d u c ta n a l o g yd e s i g nb a s e do ns t r u c t u r e s i m i l a r i t y ，t h ep r o t o t y p es y s t e mo fh i e r a l c h i c a lm o d e l i n gm e t h o do fs t r u c t u r ed e s i g ni sd e v e l o p e d t h es y s t e m s a r c h i t e c t u r ea n dm a i nf u n c t i o n sa r ei n t r o d u c e d f i n a l l y ，c o n c l u s i o n sa r eg i v e na l o n gw i t hr e c o m m e n d a t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c hi nc h a p t e rg k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ，q u a l i t a t i v em o d e l ，p r o d u c ts t r u c t u r e ，s h a p ed e s i g n ，s h a p e s y m b o l ，s y m b o l i cr e p r e s e n t a t i o n ，s y m b o l i cm o d e l i n g ，a s s e m b l ys t r u c t u r e ，d e s i g nb ya n a l o g y ， s i m i l a rp a r tr e t r i e v a l ，p a r td e s i g nl i b ，d e s i g nr e u s e 浙江大学博士学位论文：结构定性建模理论及其在机械产品类比设计中的应用研究 董_ i _ 毫_ _ 墨墨墨量| 曼_ 墨_ _ 量置_ 量曼量曼罾量墨墨奠蔓 第一章绪论 【本章摘要】回顾了定性空间推理的发展历程，讨论了定性空间推理的基本问题 和方法。综述了产品结构模型的相关研究，指出了概念设计中进行产品结构建模 的曲要性，并进一步提出了面向概念设计的产品结构定性建模理论的主要思想和 基于结构相似的机械产品类比设计方法的基本原理。最后，给出了本文的研究背 景和组织思路。 1 1 课题背景 随着c a d 技术的发展，计算机辅助概念设计成为设计技术领域的重要研究方向之一， 计算机被要求更适合设计人员早期设计阶段关于结构和形状的表达与思考。在这一设计阶 段，产品的几何信息是不完全的、不确定的和定性的。要实现对概念形状设计的支持，主要 困难是概念设计中的产品结构模型，概念设计中产品的结构模型不仅是对概念设计阶段产品 设计结果的描述，更重要的是要实现对产品结构的划分，使其能自动传递到后续的设计过程， 指导并控制产品的形状设计。因此对不完备的定性几何信息如何描述、表达和操作以实现 产品的概念造型，对概念设计中产品结构信息如何在后续设计过程中重用以实现对产品形状 设计的指导和控制，是计算机辅助概念形状设计的两个关键问题。 1 1 1 从定形、定量到定性建模 产品建模技术经历了二维绘图、三维线框模型、曲面造型、实体造型和参数化、变量化 特征造型等发展阶段。 机械行业的c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后期，此时c a d 技术的出发点是采m - 维计算机绘图技术，用传统的三视图方式来表达零部件，6 0 年代出现了三维线框模型。7 0 年代，由于汽车和飞机工业的发展促进了自由曲线曲面的研究，b e z i e r 算法的出现使人们用 计算机处理曲线曲面问题变得可行，法国达索飞机射造公司推出的三维曲面造型系统 c a t i a ，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来。到了 8 0 年代，出现了实体造型技术，由于实体模型能够精确表达零部件的全部属性，给设计带 来了惊人的方便性。 从二维绘图、三维线框模型、曲面造型到实体造型，c a d 技术发展的着眼点在于完善 产品的几何描述能力，用户通过图形交互设备来进行精确定形，建立产品的数字模型，这类 模型称为定形模型。 9 0 年代以来，以p t c 的p r o e n g i n e e r 为代表的参数化造型技术和s d r c 的i - d e a s 为 代表的变量化造型技术，形成了基于约束的实体建模技术。参数化设计用一组参数来定义几 l 第一章绪论 何图形( 体素) 尺寸数值并约定尺寸关系，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制，变量化设 计则将形状约束与尺寸约束分开处理，通过尺寸约束、形状约束以及工程关系来实现对几何 形状的控制。在这类模型中，参数和变量用精确的数值表示，参数( 变量) 之间的关系用代数 方程、微分方程等精确描述所以称为定量模型。 参数化、变量化造型技术用几何约束乃至工程约束来统一不同参数( 变量) 模型的表示， 从而实现参数化、变量化设计。但要实现对概念设计的支持，它们还存在以下不足： ( 1 ) 在概念设计阶段，设计师往往只关注产品的功能和结构构形，而对产品的结构细节 及其之间的约束关系等并不关注，而参数化、变量化造型技术恰恰需要定义产品结构细节之 间的约束关系。如图1 1 a f 所示的v 带带轮，功能表面为带轮节圆圆柱面和轮毂圆柱面， 在概念设计阶段可以分别用图1 一l g l 符号表示。 ( 2 ) 在概念设计阶段，产品功能表面之间的约束关系是定性的，即功能表面之间的拓扑、 位置、朝向等关系是定性的。如图l l a 所示的v 带带轮，带轮节圆圆柱面和轮毂圆柱面 之间的定性几何约束为同轴、对中、等宽和节圆直径较小。而参数化、变量化模型中，参数 和变量用精确的数值表示，参数( 变量) 之间的关系用代数方程、微分方程等精确描述。 ( 3 ) 对于功能和结构构形相同的产品，可以对应不同的产品结构。如图1 1 所示，v 带带轮可以有多种结构，这些结构之间特征的构成及其关系各不相同即结构之间的特征发 生了变异。为了实现概念设计中产品结构信息在后续设计过程中重用。需要寻求对这些具有 特征变异模型的统一表示方法。 留配陷酉函碴 ( a )【b )( c ) ( d )【e )( f ) 约束t约柬： 约柬：约束 约束： 约束： 主+ - - 辛融“x g * 辛；丰融；辛；幸歉； ( g )( h )( 1 ) ( j )( k )( 1 ) 图1 1v 带带轮及其符号表示 对于参数化、变量化模型的局限性已经引起学术界的重视。国内外有关专家、学者提出 了许多有价值的新思想、新方法。高飞等 1 2 5 , 1 2 6 1 概括了特征变换的基本方式，提出了特征驱 动的设计过程模型和基于特征语义的变量设计方法；潘云鹤等d s i 】利于基于原型的设计模型。 提出了面向智能c a d 的分层构造自动型方法；魏修亭等【1 ”j 在基于图形单元的产品信息建模 基础上，提出了图形单元的置换与迭代方法。这些研究工作对计算机辅助造型系统的智能化 作了有益的探索。 智能设计技术作为人工智能在设计领域的应用，在近年来已得到了飞速的发展。智能 c a d 是a i 技术与c a d 技术相结合的产物，在智能c a d 系统中，最基本的要素是知识， 2 浙江大学博士学位论文：结构定性建模理论及其在机械产品类比设计中的应用研究 它直接影响到系统性能和功能的强弱。然而目前绝大多数智能c a d 系统都是针对各自的应 用领域，采用浅层( 启发式) 知识来建模和推理，当超越它们狭窄的问题领域之后，即使是面 对非常简单的问题也束手无策。不同系统之间在知识转换时，即使是同一形式的知识也不知 如何是好，这就引发了从第一原则出发建构系统的思想，即使用深层( 基础) 知识而不是浅层 ( 启发式) 知识来建模和推理。因此，以探索人类常识( 定性) 推理机制为目的的定性推理技术 成为了a i 研究的一个活跃领域。认知的空间概念本质上是定性的h ”，在概念设计阶段利用 空间定性建模方法进行产品结构建模能较好地符合设计者的设计思维习惯，是实现智能概念 设计的有效途径。 对产品结构定性建模的研究起源于a l l e n 4 1 基于区间的时态逻辑理论在产品结构建模中 的应用。s r e e n i v a s a 等 9 9 j 将a l l e n 的区间关系作为空间定性约束，提出了从符号到结构的映 射方法：刘继红等断】将a l l e n 的一维时间逻辑推广到三维空间，提出了基于立体的定性空间 关系的定性立体模型。 本文通过对实体零件在装配层次上的抽象以及基于抽象零件的装配建模提出一种面 向概念设计的产品结构符号表示和造型方法，通过对产品结构符号模型中几何元素及其参数 间关系的定性描述，提出面向概念设计的产品结构定性建模理论，为概念设计阶段提供了一 种产品定性建模手段和造型方法，并通过定性几何约束实现功能和结构构形相似而特征变异 模型的统一表示。 1 1 2 从被动、自动到主动设计 传统的计算机辅助造型系统基本上是交互式的造型系统。基于特征的产品信息模型，其 建模过程是：首先通过计算机将特征按一定顺序“拼装”成零件，然后通过几何约束的定义， 在分层式装配模型中确定单个零件的位置。设计师必须确切地告诉计算机特征如何构造和拼 装，以及零件如何装配。这种c a d 系统只是被动地记录设计过程和结果，称为被动设计系 统。 参数化、变量化设计是一种支持设计自动化的有效方法。并广泛应用于各类自动设计系 统的开发。这类设计系统均作了这样的假设；每一设计对象形式化成一组可以被改变的参数。 这样的系统尽管很有用，但是从原则上讲仅仅是一种重演设计机器人，对设计师的思维过程 无法给予更为有用的支持。 设计型专家系统是一种利用专家知识解决设计问题的计算机程序，其核心是知识库与推 理机。通过把人类专家的知识提炼出来构成知识库，并通过对知识的运用来进行设计以及通 过知识的学习来改善知识库的内容，提高系统的设计能力，其着眼点是模拟人类专家问题求 解的过程，实现自动设计。然而设计问题大多是不良定义的问题，其问题空间在没有得出其 全部解或某些局部解的情况下是无法明确构筑出来的，即解的结果范围往往不可预测：设计 知识难以结构化。使得知识获取成为知识工程应用的一个瓶颈问题；缺乏对人的认知思维过 程的深层去研究设计问题，于是难免造成这样的局面：尽管人们绞尽脑汁地提取设计专家的 第一章绪论 i ii i 知识，但由于这些知识的运用与人的真正认识过程相差甚远，而使计算机的设计模型并未真 正体现人类的智能。 对于自动设计的局限性已经引起学术界的重视。学术界逐渐认识到：一方面应该注重对 人脑设计思维过程的模拟，研究复杂多变的创新思维，寻找其中的规律；另一方面不能过于 注重设计的自动化应该体现以人为本的思想，研究人机一体化的产品信息模型和求解方法， 使其能较好地支持设计师在设计过程中的思维。因此研究如何使计算机能主动理解设计师 的意图，主动提供相关资料，实现知识导航：如何使计算机能主动提供满足条件的设计方案， 供设计师选择，激发设计师的创新思维，是实现以人为本c a d 系统的关键。这种c a d 系 统称为主动设计系统。 类比是在两个不同事物之间进行对比，找出若干相同或相似点之后。推测在其他方面也 可能存在相同或相似之处的一种思维方式。类比是人类使用旧经验处理新情况的能力，几乎 一切智能活动都涉及到类比。类比推理将已知情况中的知识、求解方法转移到新情况，生成 演绎闭包之外的结论，还能推广类似情况的具体知识生成一般知识。它克服了传统专家系统 以显式化知识库中隐含知识的演绎过程对知识库完备性的依赖，提供了一种新的知识获取和 问题求解方法。 在工程设计中，类比设计方法的成功应用主要集中在电路设计领域，因为在电路设计领 域，相似性的定量描述比较容易确定。在机械设计领域，b h a t t a 和g o e l l 9 3 4 j 等提出了一种基 于功能相似性的类比设计方法，这种方法首先分析功能相似性，确定相关概念层次的解决方 案，然后再进行具体化设计。d a n i e l f l 6 1 则对类比设计中产品功能相似性的量化进行了深入的 研究得到了量化公式。q i a n l 9 9 1 通过功能一行为一结构( f b s ) 框架提出了类比设计模型。 本文将产品结构定性模型应用于类比设计，提出基于结构相似的机械产品类比设计方 法，并进一步将结构设计建模分为符号建模、结构建模和特征建模三个层次。通过相似结构 查找机理，系统主动从设计库中检索出符合条件的结构方案供设计者选用，为结构创新设计 和优化设计奠定了基础。基于结构相似的机械产品类比设计方法为概念设计和结构设计建立 了映射机制，实现了概念设计中产品结构信息在后续设计过程中的重用。 1 2 面向概念设计的产品结构建模技术的研究现状分析 1 2 1 概念设计中的产品结构 结构表示构成设计的元素、元素属性以及它们之间的关系日”。产品结构可以分为外部 结构、核心结构、系统结构和空间结构l ”。外部结构是指产品外部造型及与此相关的整体 结构；核心结构是指由概念设计的原理系统形成的具有核心功能的产品结构：系统结构是指 产品子结构之间联结的结构；空间结构讨论如何建立一个和谐的、以产品为中心的结构空间。 在概念设计阶段，草图是重要的，这个观点被广泛接受 6 2 , 8 1 】。s c h o n 9 5 】认为，通过绘制 草图构造一个“可视世界”，使得设计者能够在纸上“尝试”新思想。草图通过感知是否是 4 浙江大学博士学位论文：结构定性建模理论及其在机械产品类比设计中的应用研究 发明的驱动力或仅仅是帮助创造性认知p 4 1 可能有争议，但草图和认知紧密关联是清楚的。 因此，认知过程和结构应该反映在草图结构中，这的确如j 比 5 0 3 1 , t 0 3 , h s 。k a v a k l i 等人f o 】对草 图结构进行的研究表明，总的来说草图是按部件绘制的，但也存在一些不符合部件结构的表 达，不确定性是产生不按部件绘制草图的主要决定因素。这被s t e p h e n 1 证实。草图一般与 结构描述和功能描述一致。对于功能和结构不一对应的场合，一般以结构描述优先。通过 对设计师进行培训，可以实现按部件绘制，并经实验证明，对设计师指导，实现按部件绘制 并不会对设计有太大的影响。 从认知心理学的观点来看。根据产品结构绘制草图有其认知基础。 根据对象认知的观点，对象的不同部分单独保存，所有形状表示为基本部件的集合【】。 b i e d e r m a n 1 0 1 提出有限数量对象单元“g e o n s ”集可以表达各种形状，单个g e o n s 对应于单个 形状所有形状可以被表达为g e o n s 的组合。 p e r r e t t 等人认为对象在记忆中可以以多个层次存储( 即部件层和整体层) 。k o s s l y n 5 ” 认为部件认知在下列场合可能比整体对象认知更占支配作用： ( 1 ) 对象离观察者较近； ( 2 ) 部件间具有明显不同的属性； ( 3 ) 对象与整个样式不匹配； ( 4 ) 部件与对象的其它部分看起来是分离的。 根据心象的观点，草图很大程度上是部件层。k o s s l y n 5 3 , s 4 1 提出的心象理论强调图像的部 件层结构。k o s s l y n 认为人的长期记忆包括两种形式的数据结构：称为“图像文件”和“命 题文件”。图像文件包括关于图像的空间分布信息。有些图像文件描绘对象基本形状的骨架， 但缺乏对象各部分的内部细节；另一些图像文件描绘： ( 1 ) 对象的基础部件； ( 2 ) 对象的特定细节或骨架图像和基础部件中的子部件； ( 3 ) 本身可表示为分离实体的部件。 命题文件包括对象的构成信息和这部分的空间关系信息。根据k o s s l y n 理论，命题文件 和图像文件紧密关联。两种文件均可以用各种认知过程( 例如：描绘、寻找、移动、浏览、 维放、旋转) 来影响心象在空间的实际构造、解释移转换。k o s s l ，n p m 进一步建议心象中的对 象可以使用与感知过程中编码和解释对象相同的机制来检查。 f i s h 和s c r i v e n e r 2 6 1 建议心象过程可能与形象具体化过程紧密相关，心象和草图绘制直 接依赖。k o s s l y n 的心象理论认为图像按部件构造，f i s h 和s c r i v e n e r 认为，部件图像与外部 图像的生成过程紧密相关。 对象和心象认知的理论研究为“对象按部件绘制是草图的特征”这一假设提供了坚实的 理论基础。同时从应用的角度，“草图中是否有根据结构或功能按部件绘制”的倾向对开发 自动或半自动化草图认知系统有重要意义，这也为在概念设计阶段进行产品结构建横提供了 依据和方法。 第一章绪论 i i 1 2 2 产品结构建模技术的研究现状 产品信息建模始终是产品设计尤其是产品创新设计中的一个基本问题。为了满足支持产 品设计和制造各个环节的需求人们提出了各种产品信息模型f 见图1 - - 2 ) 。 根据模型包含信息的不同，可以分为形状模型、结构模型、行为模型和功能模型。形状 模型以定义和表达产品的几何形状为核心：结构模型用来定义产品的物理结构。包括支撑结 构、形态结构和装配结构等；行为模型定义产品行为的组成关系、连接关系和时序关系等； 功能模型定义产品功能的组成关系、时序关系、因果关系和更新关系等。 根据建模方法体系的不同，可以分为定形建模、定量建模和定性建模。定形模型用固定 的参数值定义几何元素，各元素之间没有约束关系，使修改设计变得相当困难，目前主要应 图1 2 产品信息建模方法 浙江大学博士学位论文：结构定性建模理论及其在机械产品类比设计中的应用研究 用于曲面造型。定量模型在产品模型中引入了定量约束关系，通过约束求解实现自动作图， 是目前产品结构建模和形状建模的主要模型；定性模型中的约束关系为定性约束关系，目前 主要应用于产品的行为建模和功能建模。 产品结构模型主要包括特征结构模型、图元结构模型、结构概念模型和生物型模型等。 它们分别以特征、图元、结构概念设计单元和基因单元作为定义产品结构的基本设计元素， 通过对这些基本设计元素属性以及它们之间关系的定义，构造相应的产品结构模型。 特征结构模型 特征结构模型是在实体层次上对产品结构的抽象。形体特征是构成特征结构模型的基本 设计元素。形体特征本质上是“面”的概念，而不是“体”的信息，一般都对应有工程意义 的形状和功能【j ”j 。目前，“特征”这个概念被推广到产品设计制造乃至整个生命周期，形 成形体特征、精度特征、工艺特征、材料特征、装配特征、加工特征、管理特征等多种类型 - 2 l 3 1 。 特征关系是指特征几何实体间的邻接关系、父子关系和尺寸与公差关系等。w i n g m d t ”0 1 根据形状特征在不同应用中的多种分解方式，提出了面向应用的形状特征分类方法，将形状 特征分解为基本形状特征和复合形状特征，复合形状特征由特征间可参数化的几何约束相关 联。a n d e r l 和b o n l t 等 6 , 1 1 1 在特征模型中引入约束信息，提出了一种基于约束的特征模型。 祝国旺等口”1 提出了面向对象的特征及其关系的表达方法。李书田等【1 研究了基本形状特征 之间的空间关系、拼装所遵循的规律，建立了具有动态性和层次性的产品特征模型。 从产品设计学的角度看，产品设计过程可视为一个特征的演化过程。d i x o n 和r o s e n p k 9 2 等根据特征的应用描述建立了从初级描述向次级描述的特征转换体系，将特征转换过程分 为特征过滤、特征选择和特征聚合三个子过程，这些特征转换方法为特征模型的演化提供了 有效的手段。高飞等【”引2 6 1 概括了特征变换的基本方式，包括特征产生、继承、变异、抽象、 派生、映射和消亡等：并建立了特征驱动的设计过程模型，将其应用于类比设计、装配描述 和尺寸标注等设计活动。这些模型支持的设计模式更加符合产品的实际设计过程。在一定程 度上反映了特征的演化过程。 将产品描述成特征的有机集合，使设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素而是 具有工程意义的产品功能要素，弥补了几何模型静不足【。 图元结构模型 图元结构模型是在图形层次上对产品结构的抽象。通过对产品结构的相似性分析，抽取 重复几率高、具有共性特征的结构，形成图形单元并运用积木的构建思想，定义产品结构。 广泛应用于建筑设计领域的形状文法f 1 2 , 4 1 , 1 0 1 】，图元是一组直线的排列，并带有用字符 所标注的标记。空间关系指图元之间的关系，规则定义图元加入或减去时对图元进行改变的 规定，通过一组定义在空间关系上的形状规则和一个初始形状集将图形按形状规则反复替 代，产生最终设计。 在机械产品结构设计领域图形单元是三维特征在二维的投影，在产品结构建立和重构 过程中图形单元间的拼接和互换等操作需要依据一定的规则，这些规则称为图形单元的自 第一章绪论 组织规则，分为自律规则、组合与互换规则两类。自律规则是维持图形单元自身符合工程意 义的规则组合与互换规则是图形单元之间在表达产品过程中需要满足的工程约束知识 1 2 2 , 1 2 3 。 产品设计的演化过程通过图形单元的置换与迭代来表达。经过约束转化和模型重构，实 现从需求分析到概念设计再到详细设计的各层次模型之间的关联与进化。图形单元置换与迭 代的基本原理包括：信息映射原理、继承性原理、自适应性原理和自组织原理。图形单元置 换与迭代的基本方法包括：层次置换、功构置换、过程置换和关联置换。将这些方法分别应 用于产品总体结构设计、零件功能模型设计、零部件框架结构设计和零部件详细结构设计四 个阶段，完成产品信息的建模过程【1 7 7 】。 图形单元方法适用于那些能将设计过程分解为对设计元素的加、减操作的设计，其中元 素是一个事先定义的集合。 结构概念模型 结构概念模型是在概念层次上对产品结构的抽象。虽然国内外专家学者围绕产品结构概 念设计建模进行了长期和深入的研究，但e t 前仍没有被广泛接受的建模方法。本节按结构概 念设计单元的类型将这些研究成果划分为组件结构模型、零件结构模型和功能表面结构模型 三类。 ( 1 ) 组件结构模型 以组件作为结构概念设计单元，包括产品定义单元模型、组件特征模型、对象结构模型 等。 张玲c 2 ”、t a y l o r 】和t o l m a n 1 0 5 等提出了产品定义单元( p d u ) 的概念，p d u 是描述产 品信息的具有特定工程含义的基本数据单位，可以存在于产品模型的各个层次，实现产品信 息的统一表示。 孙守迁等“6 2 疑出了组件特征的概念。组件特征足用来构成产品形状和体积等形式因素 的一种模糊实体，它可以是部件或部件组合，也可以是零件或元器件，包括几何特征、工程 特征和语义特征。通过对布局约束的定义，实现产品的布局设计。 对象结构模型是用面向对象的方法来建立组件结构模型。 p e t a ，等1 2 1 1 提出了一种面向对象的模块化设计模型，将模块作为设计对象进行处理，设 计对象由方法、属性和接口构成，具有可计算性、可重用性和可互换性等特点，设计对象之 间的关联通过信息集成、方法导入和消息传递等对象算子来建立。 k u m a m 等”1 提出了一种基于几何的多属性对象模型，建立了面向应用的数学描述模型 框架结构模型通过r 集及其分解对设计对象的几何信息和属性信息进行集成化描述，采 用羼性函数表达信息间的映射关系，在实体几何的基础上进行扩展描述，表达了更多的工程 属性，为设计者探索和掌握新的建模技术提供了方法和算法上的支持。 s r e e n i v a s a 等印疑出了一种面向对象的概念设计框架结构c o n g e n ，论述了工程设计 中的形状概念问题，根据符号一形状映射方法，研究了空间约束的建立、设计概念的可行求 解和几何表达等问题，c o n g e n 包括了产品和过程的集成描述、问题求解和几何建模等多 ，g 浙江大学博士学位论文：结构定性建模理论及其在机械产品类比设计中的应用研究 方面内容，建立了不同模块之间的关联关系，为概念设计提供了有效的方法。 g o r t i 等9 8 1 提出了一种面向对象的产品与设计过程层次化描述模型，采用结构化知识编 码将相关物理原理封装到工程设计中。模型将设计概念分为上下文无关和上下文相关两种类 型，分别通过自底向上和自顶向下的方式进行描述，知识描述粒度在一定程度上决定了创新 的种类。 ( 2 ) 零件结构模型 以零件作为结构概念设计单元，包括虚拟零件模型、逻辑单元模型等。 岳建鹏等口0 4 1 提出了虚拟零件的概念。虚拟零件与实体零件是一一对应的，通过编码建 立虚拟零件与实体零件的面、边和点之间的关联关系，通过编码器和解码器实现虚拟零件和 实体零件之间的相互转化。基于虚拟零件的装配模型把约束信息附着在虚拟零件上，以便 支持自顶向下装配设计。 孙正兴等【1 6 6 埘7 1 提出了逻辑单元的概念。逻辑单元是产品构成中逻辑上具有相对独立 性、表达特定功能、包含一定几何和拓扑特性的抽象类单元，可以用来构成一定的功能结构， 包括逻辑结构单元和逻辑装配单元两类。逻辑结构单元可以是一个零件，或零件中的某个或 某些形状特征，也可以是个部件。逻辑装配单元表达产品装配构成中实现部分或持定设计 功能的基本几何要素。 ( 3 ) 功能表面结构模型 以功能表面作为结构概念设计单元，包括原理构件模型、功能零件模型等。 邓家裎、李健等”o ，”7 1 把与功能实现相关的零件面抽取出来形成功能原理构件。原理构 件在几何图形上的表达可以用一些简单的二维草图以及特定的符号来表示。装配草图由原理 构件的功能面以及连接这些功能面的线条或包容这些功能面的轮廓所组成。 徐志刚等嘣，”】提出了功能零件实体的概念，功能零件实体是由一组功能表面及相互之 间的位置关系构成的概念意义上的实体。功能零件实体及表面之间的配合关系构成了产品装 配模型，通过几何缺省推理实现实体重构。 生物型模型 以基因单元作为最基本的结构单元，基因单元的功能特征视为d n a 模型的组织具有 递归性，产品模型随时间和空间的变化产生扩展、移植、再现、繁衍，如同生物系统的进化。 在生物型建模技术中，产品设计是根据功能需求对基因单元进行组织的过程，产品的结构创 新通过基因单元的重组、分裂