（计算机应用技术专业论文）智能变动产品模型的实现原理和方法研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文第- 页 摘要 i 研究适合计算机处理的产品模型是c a d 技术的基本任务。产品在从概念设计 到装配设计、零件设计的整个过程中，几何尺寸和结构形状都不可避免地要反复修 改。传统的c a d 系统所构造的产品模型却不能很好地支持这个反复修改的过程， 变动产品模型是从传统的产品模型发展而来的，它着重强调产品模型的可变性。变 动产品模型是新一代c a d 系统的研究核心之一。少 本文首先讨论了变动产品模型的概念、特点和研究内容，以及参数化的概念、 参数驱动变动模型的实现原理，在此基础上规划并编码实现了参数化图形的几何约 束表达、约束求解和参数驱动等方面的主要算法。此外进一步讨论了零件和装配体 的参数驱动变动模型的实现原理和方法，包括参数驱动零件模型、装配体模型的逻 辑结构和数据结构，装配配合约束的表达和求解方法等。 飞为了更好的支持产品的变型设计和结构修改，产品模型应该能够随输入参数的 4 i 同而自动按设计目标和工程设计准则变动，也即具备智能变动性。本文称满足这 种条件的模型为智能变动产品模型。它的特点是不仅柔性可变，还能在设计过程中 记录下产品的设计目标和设计约束以及满足它们的设计知识，可以实现修改模型时 产品模型带有一定智能化的变动，从而能够更好的支持产品的设计工作。 本文提出了系列化产品模型的智能化目标，讨论了工程约束和设计知识的参数 关系表达方法、工程语言和参数关系表的建立及其主要内容、参数约束图及其数据 结构的表达、参数关系表解释器的实现原理和方法等方面的内容。 通过学习和掌握多种c a d 软件，并且参与本中心承担的四川省攻关项目：“工 程和产品设计c a d 核心系统”的基础上，笔者对产品模型的多个方面进行了比较 深入的研究，并在此基础上实现了尺寸驱动的变动模型，并进一步规划了智能变动 产品模型的实现方法。厂 【关键词】产品模型智能变动参数化技术工程约束 a b s t r a c t t h er e s e a r c hi np r o d u c tm o d e lt h a ti ss u i t a b l ef o rc o m p u t e rp r o c e s s i n gi s t h eb a s i c t a s ko fc a d s y s t e m i nt h ec o u r s eo fp r o d u c td e s i g n ，i n c l u d i n ga s s e m b l y a n d p a r td e s i g n ， t h ed e s i g no b j e c tm u s tb er e v i s a b l et os u p p o r td e s i g nm o d i f i c a t i o n b u tp r o d u c tm o d e l s b a s e do nc m o n v e n t i o n a lc a ds y s t e mc a nn o ts u p p o r tt h i so b j e c t i v e v a r i a b l ep r o d u c t m o d e li s d e v e l o p e d f r o mc o n v e n t i o n a lp r o d u c tm o d e l ，i te m p h a s i z et h e p r o p e r t y o f v a r i a t i o no fm o d e l s t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e da n dd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fp a r a m e t e r d r o v ev a r i a b l ep r o d u c tm o d e lo fp a r ta n da s s e m b l y i n c l u d i n gt h ee x p r e s s i o na n ds o l v i n g o ft w od i m e n s i o ng e o m e t r i cc o n s t r a i n t ，t h el o g i cs t r u c t u r ea n dd a t as t r u c t u r eo fa s s e m b l e m o d e l s t os u p p o r tt h em o d i f i c a t i o no fp r o d u c tm o d e lb e t t e r , p r o d u c tm o d e ls h o u l dv a r y b a s e do n d e s i g no b j e c t i v ea n dr u l e s ，t h a ti st os a y , b es o m e w h a ti n t e l l i g e n t i tc a r lb e c a l l e d i n t e l l i g e n tv a r i a b l ep r o d u c tm o d e l t h ep r o p e r t yo fi n t e l l i g e n c ei st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h i s k i n do f p r o d u c tm o d e l ， t h i st h e s i sp u tf o r w a r dt h ei n t e l l i g e n t g o a lo fs e r i a lp r o d u c tm o d e l t h ee x p r e s s m e t h o do ft h ee n g i n e e r i n gc o n s t r a i n ta n dk n o w l e d g eo f d e s i g n ，t h ee n g i n e e r i n gl a n g u a g e a n dt h es e t u po f p a r a m e t e rr e l a t i o nt a b l ei sd i s c u s s e dt o o a c c o r d i n g t ot h ep r o p e a i e s o f e n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h i st h e s i ss t u d i e st h et e c h n o l o g i e s o fk n o w l e d g eb a s ei n i n t e l l i g e n tc a d ( i c a d ) s y s t e mf o re n g i n e e r i n gd e s i g n h a v i n g a n a l y z e dt h ep r o c e d u r ea n dp r o p e r t i e so fe n g i n e e r i n gd e s i g n ，a n dt h em e r i t sa n dd e m e r i t s o f c u r r e n tc a d s y s t e m s k e y w o r d p r o d u c tm o d e li n t e l l i g e n tv a r i a b i l i t y p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y 第一章c a d 系统及产品模型概述 1 。1c a d 技术及其发展趋势 目前，c a d 技术的应用迅速遍及机械设计与制造、土木建筑、船舶汽车、 轻工化纺、航空航天等许多领域。c a d 技术作为电子信息技术的一个重要组成 部分，己成为促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造， 实现设计自动化，增强企业及产品在市场上的竞争力，加速国民经济发展和国 防现代化的一项关键性技术，也是进一步向计算机集成制造( c l m s ) 发展的重要 技术基础。c a d 技术的使用使产品设计和工程制造的工作内容和方式发生了根 本性的变革。这一技术已成为工业发达国家多种行业保持竞争优势、开拓市场 的重要手段。正是基于c a d 的巨大作用，1 9 9 0 年美国国家工程科学院将c a d 技术评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。c a d 作为关键的共性技术，其 广泛应用必将促进人们思想观念、工作模式、生产方式的巨大转变。 c a d 技术的发展几经换代，最初的c a d 系统只能用于绘制二维图形、 标注尺寸和符号；第二代c a d 系统将绘图系统与数据管理结合起来；第三 代c a d 系统包括了三维图形描述及其它软件包( 如优化计算、有限元分析 等) 的接口；第四代c a d 系统以工程数据库为核心，并包括曲面和实体、 特征造型技术的集成化系统，这类系统已经成为当前c a d 系统的主要发展 趋势。 现代的大型通用机械类c a d 系统例如p r o e n g i n e e qi - d e a s ，u g i i ，e u c l i d ， c a d d s 5 等一般包括以下功能：二维绘图，三维线框、曲面、实体造型，特征 造型设计，有限元分析，运动机构设计分析，几何特性计算，装配设计，加工 过程仿真和干涉检查，工艺过程设计，数控加工和测量编程，工程数据管理和 技术文件签发系统，有的还有钣金件展开和排样，模具设计和加工，电器布线， 工业造型等模块。和早期的计算机辅助绘图的概念相比已经发生了质的变化。 这些大型c a d 系统都体现了一种综合性的产品开发方法。它们以公共数据 库为核心，将产品开发所需要的设计、分析、测试和数控编程等多种手段集于 生产加工等过程在产品工程数据库的统一管理下相互关联，任一过程中对模型 的约束修改都会在其他过程中得到相应更新，随时保证数据模型的相关一致性， 在此基础上实现了并行工程的设计环境。 。当前随着相关技术领域的不断发展和c a d 应用的深入开展，c a d 技术正 向着开放性、集成化、智能化和标准化的方向发展。m 嘲m 1 锄1 2 2 1 1 _ 开放性： c a d 系统的开放性主要体现在系统的工作平台通用、用户界面友好、 提供多种二次开发的手段和环境、提供和其它c a d 系统进行产品信息交换 的方法等方面。 2 集成化： 现代企业中各个环节是不可分割的，必须同时考虑；企业的整个生产过 程的实质就是信息的采集、传递、和加工处理的过程。因此c a d 系统必须 向企业提供一体化的解决方案，这就要求c a d 系统是集成化的系统。c a d 系统的集成不是功能的简单组合，丽是指信息集成，是指产品信息在产品的 生命周期内在各个环节中高速、有效的流动。随着相关软硬件技术的发展， c a d c a m 集成化的程度得到了进一步的发展。 3 支持并行工程： c a d 系统的另一个趋势是在集成的基础上实现并行工程的运行环境。并行 工程是对产品及其包括制造过程的所有相关过程进行并行、一体化设计的种 系统化工作模式，其运行机理的要点表现在两个方面：一个方面突出人的作用， 强调人们的协同工作；另一方面，它要求一体化、并行地进行产品及相关过程 的设计，尤其是是在早期概念设计阶段的并行协调。并行工程的核心内容是并 行设计，并行设计具有面向产品生命周期的特性，即在产品设计阶段，尽可能 同时考虑其下游过程，以使在设计前期反映包括设计功能、结构特点、制造工 艺、装配特性、质量成本、作业调度和市场要求等因素对产品设计影响，实现 面向各种应用的一体化设计，以通过多次的“小循环”来避免传统设计“大循 环”的弊端。并行工程的思想为c a d c a m 集成化，以至于c i m s 的运行策略、 西南交通大学研究生学位论文 第7 页 信息集成、总体构思和优化以及相关环节的有效协调提供了新的思路和技术。 4 智能化： 智能化是c a d 技术的一个意义非常重大的发展方向。将人工智能技术包 括专家系统、知识工程引入c a d 系统，总结相关产品、工程的设计经验和教 训，将各个领域的专家经验融于c a d 系统中，使其拥有领域专家的经验和知 识，具有学习、推理、联想和判断的能力及智能化的交互能力，将使c a d 系统 在产品设计和制造中发挥更有意义的“争家顾问”的作用，从而更好地支持产 品的设计工作。 5 标准化： 八十年代在图形学和c a d 技术领域形成的一些标准，如图形核心系统 o k s ( g r a p h i c s k e r n e l s y s t e c e m ) 、层次交换图形标准p h i g s ( p r o g r a m m e r s h i e r a r c h i c a li n t e r a c t i v e g r a p h i c ss t a n d a r d ) 、基本图形转换规范i g e s ( i n i t i a l g r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 、产品数据交换标准s t e p ( s t a n d a r d sf o re x c h a n g e o fp r o d u c td a t a ) 等，得到了迸一步的发展和完善。完善的c a d 标准体系既是促 进c a d 技术普及应用的基本条件又是促进我国c a d 技术研究开发、推广应用 不断发展的重要保障。 任何c a d 系统的开发工作都必须以上述发展趋势为导向，才能保证c a d 系统的先进性和实用性。 一产品模型的概念 产品模型( p r o d u c tm o d e l ) 是根据应用而抽象出来的，对一个或一类具 体产品对象有关信息进行描述的表达模型。c a d 系统的目标是辅助设计工作， 设计的对象是产品，因而研究适合计算机处理的产品信息表示是c a d 技术的基 本任务。 c 心c a m 系统中处理的产品信息一般可以通过三个层次进行定义：d 4 j i r j 西南交通大学研究生学位论文 第8 页 产品信息模型； 产品数据模型； 产品信息的物理表达； 产品信息模型( p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ) 是产品信息最高层次的逻辑 模型，它应准确地定义应用系统所需要的客观世界的实体、属性、以及实体之 间的关系和约束。在此实体可以是零件、部件、图素、特征体素等构成产品的 成员。产品信息模型可以采用i d e f l x 、e r 图以及s t e p 标准定义的e x p r e s s 等信息建模语言来表达。信息模型是独立于计算机系统的。 为实现各应用系统之间的信息共享，最好有共同的信息模型。建立在不同 信息模型基础上的产品信息共享是非常困难，甚至是不可能的。例如，面向几 何的c a d 系统和面向特征的c a d 系统之间实现信息交换是困难的。 产品数据模型( p r o d u c td a t am o d e l ) 是把信息模型中建立的概念结构转 化成与产品数据管理和操作方法有关的具体数据结构。 物理表达设计是关于数据的具体表达方法的设计，包括：存储安排、访问方 法、存储的物理组织等。 为应用任务确定相适应的产品模型表达策略，不但要考虑该模型所表达的信 息内容范围、信息内部关系、而且要确定该产品模型信息内容的建立方法与修 改方法，模型的操作与利用等方面的性能要求与实现方法。 二产品模型的特点m 1m 1 产品模型具有以下几方面的主要特点： ( 1 ) 任何产品模型都是面向一定应用任务的，不同的应用任务所需要的产品 模型往往是不一样，它们分别反映了产品信息的某一方面的特性。 ( 2 ) 由于产品模型是面向一定任务的，因此任何产品模型所表达的只是产品 的部分信息，而不可能也没必要是其全部信息。 ( 3 ) 有些产品模型是面向人为解释的，即其内容只能由有关人员来接受和理 解，例如产品的二维线框图形描述( 工程图) ，它所描述的产品三维空问 西南銮湮查主塑窒圭童焦迨塞 望! 至 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 几何信息计算机是很难准确理解的；有些是面向机器解释的，即其内容 能被有关软件所接受和理解而对于人则比较困难；有些是同时面向人为 解释和机器解释的，侧如用e x p r e s s 语言描述的产品信息。 f 4 ) 因为复杂产品是一个多层结构，一个产品往往由多个部件组成，而部件又 由多个零件组成，零件又包括了很多体素特征，导致了产品信息具有非常 明显的层次性。 1 3 产品信息模型的发展阳列“2 ” 为了推进计算机辅助设计和制造技术的发展，研究适合计算机处理的产 品模型就显得十分重要。对于特定领域产品的设计制造过程来说，由于其工 作流程相对比较规范，它所需要的有关信息可以较全面地总结出来，因此， 研究与之相适应的产品模型是可行的。 c a d 技术的发展，促进了产品模型及其建模技术的同步发展。产品模型及 相应的建模技术经历了从简单到复杂、从局部到整体、从单一功能到覆盏整个 产品生命周期内各种活动的发展过程。至今提出的产品信息模型主要有以下几 种：几何模型、特征模型、基于知识的产品模型、综合集成的产品信息模型。 就当前研究应用需求来看，面向几何的信息模型是基础，特征基产品模型是支 持c a d c a m 集成的有效手段基于知识的智能产品模型是c a d 系统智能化的 有力工具，在它们基础上的综合产品模型是主导方向。 一面向几何的产品信息模型 这一模型包含二、三维线框模型、曲面模型、实体模型以及曲面和实体混 合模型几种类型，其主要目的是表达产品的几何形状和拓扑几何信息，也可用 于f e m 和n c 加工应用。 在几何造型中，采用线框、表面和实体模型的功能利弊如下表所示， 西南交通大学研究生学位论文 第1 0 页 模型表示 应用范围局限性 计算机难以理解所表示的三维空间形 二维线框绘二维工程图 体，不能支持以后的分析模拟工作 不能完整表达实体信息，模型代表的 三维线框模型的三维线框显示等 几何实体可能有二义性 表面模型 持实体的几何物理特性分析等工作 艺术图形、形体表面的显示、仍未完整表达几何实体信息，不能支 数控加工 实体模型物性计算、有限元分析、模仍仅仅表达了几何信息 型剖面生成 表i 为了克服某种模型的局限性，在实用化的几何造型系统中常统使用线框、 表面和实体模型。早期的几何模型主要是研究零件的几何、拓扑信息的表达， 为了支持产品的各个层次的几何信息的描述，从而支持产品设计的全过程，几 何模型的研究重点已经逐渐转移到装配模型的表达上了。 由于几何模型的数据结构是专门设计表达产品几何和拓扑信息的，对非几 何属性数据以及产品设计中的一些其它信息不能加以表达，因而也就满足不了 c a d c a m 集成化和智能化的要求。 二支持c a d c a m 集成的特征模型 对于产品的计算机辅助设计与制造过程来说，其所关心的信息是多方面 的，主要有产品的设计、形状、精度、工艺、制造、装配等方面的信息。产 品设计制造过程的不同阶段，其所要求的信息内容及其组织方式一般有所不 同。为了实现c a d c a m 系统集成。必须研究能同时表达产品设计制造全 过程中务阶段篱耍的多方面信息的产品数据模型，实现c a d 、c a m 信息的 有效共享，这正是目前c a d ，c a m 集成的一个重要研究课题。这里“集成” 的概念不是将多种功能的c a d 系统简单地组合在一起，而是要便设计信息在各 西南交通大学研究生学位论文 第1 1 页 个系统之间自由、快速、双向和连续地流动。特征模型正是为了这个目的而发 展起来的。 特征是具有工程含义的几何实体，它可以简单定义为： 特征= 碜状特性+ 语义 特征( 严格说是语义特征) 可被视为由三类属性描述的面向几何的物体； 数据属性包含特征的静态信息；规则或方法属性定义特征特定的设计和制造特 征；关系属性描述特征问的相互依赖关系或定义形状特征间的位置关系。形状 特征实际上是几何实体的无任何语义的结构化组合，形状特征与语义特征是一 对多的关系，这体现了特征的应用视角的多态性。 特征模型之所以比实体模型更高一层，是因为它表达的产品模型兼含形状 和语义两方面信息，而特征语义包含了设计和加工信息，设计人员不必关注组 成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图，为设计工作提供了 符合人们思维的设计环境。例如p r o e n g i n e e r 中提供t # l 、轴、轴颈、轴肩、壳 体、肋片等通用基本特征，用户还可以自定义所需特征如中心孔等。 此外由于特征模型充分考虑了产品形状、精度、材料、管理、技术等方面 的特征，而且可以为整个设计制造过程的各个环节提供统一的产品信息模型， 从而可以支持c a d 系统的集成化要求，因此成为产品建模系统研究的核心内容 之。随着i s o 的p d e s s t e p 标准的颁布，基于特征的c a d c a m f 信息集成方 法已经得到举世公认。 实现集成产品信息模型的一个重要方法就是i s o s t e p 标准】【”，s t e p ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 是一个正在发展中的庞大的国际 标准，它的目标是提供整个产品生命周期的产品信息描述和交换机制，从而支 持集成产品信息建模。这种描述的本质是使其不仅适用于文件交换，而且也是 实现数据库共享的基础。按照s t e p 标准建立集成的产品信息模型被认为是最 有效和最有发展前途的方法。 该标准的功用有两个：一是产品信息的表达，包括：零部件及零部件的装配： 其中也明确提出了特征的概念，并给出了一些基本的特征定义；二是产品信息 的交换，包括：存储、转换、存取和归档。 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 s t e p 把产品信息的表达与用来实现数据交换的方法分离开来。它采用 e x p r e s s 作为信息建模语言，用来描述产品信息。e x p r e s s 是种规范化的 信息建模语言。它不仅能够被人阅读，还可以被计算机解释。e x p r e s s 语言能 够描述现实世界具有复杂数据结构和关系的对象。 s t e p 通过集成资源提供了一个单独的，对所有应用都相同的公共产品信息 定义。由于它包括的范围十分广泛，因此内容也相当庞大，任何一个应用领域 和系统不可能也不必要对全部内容提出要求。通过应用协议可以对这种公共的 表达进行剪裁以满足指定应用的需要。应用协议定义一个应用领域与其它领域 之间的相互关系、范围和信息要求，并指定了满足这些要求的集成资源内容， 另外还列举了一致性测试的要求和目的。 三基于知识的智能产品模型【2 7 1 2 s l 这种模型是应c a d 系统智能化的发展趋势而产生的，通过使用人工智能技 术，例如知识工程、基于规则的推理技术、约束及真理维持系统等建立起到来 的。因为采用了人工智能技术、可以利用专家设计经验和产品设计过程及环境 的知识，为实现产品设计自动化提供了有力的支持。本文讨论的智能变动产品 模型是其重要组成部分。 四综合的产品信息模型t a 4 1 ( 8 1 这种信息模型包容了上述各种信息模型的所有功能，产品生命周期内所需 的各种类型的产品信息都集中存储在一个综合的产品信息模型中，它的表达已 将产品生存周期中的不同阶段、不同方面、不同层次都考虑进去，因而是理想 的完整产品信息模型。 这种模型的目的不仅在于利用产品模型的智能变动性更好的支持产品的设 计自动化和设计修改，而且能够支持设计制造全过程，从而完整的支持c a d 系 统的智能化和集成化的要求。随着人工智能技术和基于特征的集成c a d 技术以 及s t e p 标准的不断完善，这种模型也将日益成熟。 西南交通大学研究生学位论文第1 3 负 1 4 本文选题及其意义 研究适合计算机处理的产品信息模型是c a d 技术的基本任务。产品在从概 念设讨。到装配设计、零件设计的整个过程中，几何尺寸和结构形状都不可避免 地要反复修改。传统的c a d 系统所构造的产品模型却不能很好地支持这个反复 修改的过程，变动产品模型是从传统的产品模型发展而来，它着重强调产品模 型的可变性。 本文的重点之一是讨论变动产品模型的概念、特点，研究零件和装配体的 参数驱动变动模型的实现原理和方法。包括参数驱动零件模型、装配体模型的 逻辑结构和数据结构，装配配合约束的表达和求解方法等方面的内容。 为了更好的支持产品的变型设计和结构修改，产品模型应该能够随输入参 数的不同而自动按设计目标和工程设计准则变动，也即具备智能变动性。本文 称满足这种条件的模型为智能变动产品模型。它的特点是不仅柔性可变，还能 在设计过程中记录下产品的设计目标和设计约束以及满足它们的设计知识，可 咀实现修改模型时产品模型带有一定智能化的变动，从而能够更好的支持产品 的设计工作，在这方面的研究工作具有有很高的实际应用价值。 本文的另一重点是研究智能变动产品模型的实现原理和具体实现方法。包 括工程约束和设计知识的参数关系表达方法、工程语言和参数关系表的建立及 其主要内容、参数约束图及其数据结构的表达、参数关系表解释器的实现等方 面的内容。 西南交通大学研究生学位论文 第二章变动产品模型的概念及其特点 2 1 变动产品模型的概念叫n 1 1 1 】 1 2 1 机电产品在从概念设计到装配设计、零件设计的整个过程中，尤其是在结 构设计阶段，设计对象的几何尺寸和结构形状都不可避免地要反复修改，综合 协调和优化。传统的c a d 系统所构造的产品几何模型却不能很好地支持这个反 复修改的过程，表现在以下方面： ( 一) 传统的c a d 系统所构造的产品几何模型都是几何图素( 点，线，圆等) 或体素( 球、圆柱、长方体等) 的简单堆砌。它仅仅描述了设计对象的 可视形状即设计结果，而没有包含设计师设计结构时的设计思想和设计 步骤，以及几何元素之间的各种约束关系。 ( 二) 产品模型的修改只能通过对最底层的几何图素的移动、旋转来加以修改， 不具备修改几何尺寸而使几何模型变化的尺寸驱动功能。这种系统存在 的问题是，即使新产品和旧产品仅部分尺寸不同，也必须重新建模( 绘 图或建三维模型) 或对旧几何模型进行手工修改，工作量往往相当巨大， 这种状况使得设计人员把许多精力都花费在工程图的绘制和修改上，这 样的系统不利于设计人员进行真正的创造性的工作和表达自己的设计思 想。 变动产品模型是应参数化技术的需要从传统的产品模型发展而来，它着重 强调产品模型的可变性。新一代c a d c a m 系统的重要要求之一就是模型的建立 与修改的方便性，因而变动产品模型是新一代系统的研究核心之一。n 0 1 为了定义变动模型，先定义一些相关概念。 实例模型( i n s t a n c em o d e l ) ：表达一个具体产品对象的有关信息的产品模 型，简记为i m 。它一次只能表达一个具体的产品对象。 类模型( c l a s sm o d e l ) ：也可称为原形，可以同时表达一类或一些具体产 品对象的产品模型，简记为c m 。类模型具有层次性，反映了产品类的层次性。 模型集( m o d e l s e t ) ：一些实例模型的集合，简记为m s 。在实际应用系统 西南交通大学研究生学位论文 第1 5 页 中常称为产品家族表。 变动源( v a r i a t i o ns o u r c e ) ：取值能在一定范围内变化的信息源称为变动 源，简记为v s ，其对应的值域记为d 。变动源的信息类型可以很多，如低层次 的空间坐标变量、几何构造关系信息、较高层次的尺寸和特征信息、更高层次 的设计要求和其它具有工程意义的概念等。 变动产品模型( v a r i a b l em o d e l ) ：如果一个产品类模型c m ，以一个变动源 v s 为其变动因子，不同的变动源取值将获得一个相应的实例模型i m 与之对应， 则称这种模型为变动产品模型，简记为v m 。变动模型定义了一令从原形到实铡 的变动映射。它们之间的关系可简单表示为i m = v m v s 】。 由上可知，变动产品模型由以下要素组成： ( 1 ) 变动源或称驱动源。变动源可以是直观的尺寸变量、拓扑变量，也可 以是抽象的没有直接物理含义的变量如齿轮的模数；一个变动模型可以具有多 种类型的驱动源。 ( 2 ) 一个变动映射法则。它根据变动源的取值来生成个具体的实例模 型。这个映射也称为变动模型的实例化过程，它是一个产品实例模型的基于约 束求解的构造生成过程。 ( 3 ) 一个实例模型集合。它由所有实例模型组成，可以是可数个或不可数 个。 在实际应用中，常用到的变动模型一般是以尺寸等一些有工程意义的高级 概念变量为驱动源，以方便模型的动态修改。尺寸驱动变动模型是最常见的变 动模型；另一类是拓扑驱动的变动模型，即通过改变模型内部的拓扑约束关系 来改变所对应的实例模型，总之，只有当变动源具有一定的工程意义时，变动 模型才具有实用性，才有研究价值。 2 2 变动产品模型的特点【1 0 l 2 1 1 挖lf 2 3 1 泓】 在本文以后部分的讨论中我们可以看到，变动产品模型的主要特点体现在 它的变动性、层次性和相关性三个方面。 西南交通大学研究生学位论文 第1 6 页 一变动性 变动性是变动产品模型的最大特点，也是我们研究变动产品模型的根本目 的，它包含了实例化变动与类间变动两个方面的含义，“ ( j ) 实例化变动：即通过改变其变动源的取值，从而得到不同的实例模型， 这种变动性可以称之为实例化变动性。变动模型的变动性能，可以通过其所能 得到的实例化模型之间的相似性来评价，几何相似性越小，说明其变动性越强。 模型的实例化变动是我们研究的核心。 ( 2 ) 类间变动：即对变动模型本身的可修改性，也就是通过些工具，能方 便地改变变动模型自身的内部结构，从而变成另一个变动模型。变动模型是个 类模型，因而可以把这种变动性称为类间变动性。通过类的抽象和派生，可以 形成产品模型的类层次。 变动模型的变动性可以表达如图所示。 类磊竺生一 图l 变动模型的变动性示意图 二层次性 机电产品是一个层次状的结构体，其数据模型也相应表现为层次状。一般 产品数据模型的层次性主要体现在三个方面，即信息内容的层次性、信息的组 织结构上的层次性、信息的使用上的层次性。在变动模型中，层次性又有一个 新的表现方面，即变动性上的层次性。变动模型可以划分为许多层次，以提供 产品不同层次的变动能力。高层次变动是以低层次的变动为基础的，最终都必 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 须转化为低层次的表达和变动，才能生成一个具体的实例模型。例如功能驱动 必须经多次转化为较低层次的尺寸参数驱动而得以实现。 三相关性 从相关性的角度来看，变动产品模型的定义可以看成是对其成员相互关系 的定义过程。相关性常以约束来体现。例如装配过程即为产品内部各零件之间 关系的定义过程、零件设计过程即为零件内部各特征体素之间相关约束的定义 过程。由此可见相关性也有不同的层次，主要有产品总体与产品内部各零件之 间、零件与零件之间、零件与零件内部各特征之间、各特征之间、特征与内部 几何实体之问、几何实体与几何实体之间、几何实体的各参数之间等等的相关 约束。变动模型可以看成是由不同层次的相关性定义的。 2 3 变动产品模型的研究内容m 】【1 1 】【2 1 】1 2 2 】【2 3 】 变动产品模型的研究涉及到许多方面，主要包括变动模型的表达、实例化 方法、建模与修改方法、基于变动产品模型的系统与应用等。 l 变动产品模型的表达 变动产品模型是个用于表示一类产品的类模型，其表达与常规的实例模型 是不一样的。它必须确定变动源、变动映射法则等几方面的表达策略。其中变 动映射是最关键的，它直接决定了如何从变动源的取值产生一个实例模型。前 面已提到，变动产品模型的定义可以看成是对其成员相互关系的定义过程，因 而变动产品模型中必须保存这些成员之间的相互约束关系，它是变动产品模型 的核心内容，通过约束求解产生相应的实例模型，从而表达出相应的变动映射 方法。 2 变动产品模型的实例化方法 变动产品模型的实例化方法是变动模型的研究核心。只有实现了从变动源 到最终实例化模型的映射，变动模型才有意义，才能同时表达一类具体的产品 实例模型。实例化方法也是变动产品模型的难点，因为从变动源到实例化模型 西南交通大学研究生学位论文 第1 8 页 的映射过程不是个简单的数据对应关系，而是往往涉及到非线性联立方程组求 解和变动源取值有效性检查等多方面的问题。实例化方法是决定系统| 生能的主 要因索。变动模型的实例化方法，主要有传统的编程的方式和基于图形交互的 约束表达和约束求解的约束驱动方式等，其中后者是当前的研究热点。 3 变动产品模型的建模方法 早期的参数化建模方法是采用二次开发编程语言，作为用户定义参数化模型 的工具。这种方法要求用户具有较高的编程技巧，同时在编程时就必须考虑到 各种可能的变动要求，因此这种方式所构造的变动模型其类间变动性较差。采 用直接基于交互方式来构造所要的变动模型，是变动模型建模方法的研究重点， 它和传统的建模方法有一定的相似，但由于变动产品模型本身的特点也决定了 其建模方法有一定的特点。 4 基于变动产品模型的系统与应用 基于变动产品模型的各种c a d c a m 系统及应用技术，涉及到许多方面，主 要有： ( 1 ) 基于变动产品模型的新一代辅助设计系统，如基于变动产品模型的并行 设计系统等。 ( 2 ) 基于变动模型的变动设计技术，如多方案比较自动优化设计，公差分析、 运动机构模拟等。 ( 3 ) 基于变动产品模型的各种专用c a d 系统，如基于变动模型的起重机辅助 设计系统等。 ( 4 ) 基于变动产晶模型的标准件、系列件图库，它比传统的标准件库更省存 储空间，更灵活。 西南交通大学研究生学位论文 第1 9 页 第三章参数驱动的变动产品模型的实现 3 1 参数化技术综述 一参数化技术概念 自从p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ( p t c ) 公司推出了以参数化变量设计、特征技 术为基础的新一代大型集成c a d 软件p r o e n g i n e e r 以来，参数化设计思想以 其全新的思维方式进行产品的创建和修改，在此基础上实现了强有力的草图设 计、尺寸驱动功能，成为初始设计、产品建模及修改、多方案比较和动态设计 的有效手段。参数化技术极大地提高了设计的柔性，能否实现参数化目前已成 为评价c a d 系统优劣的重要技术指标。 为了进一步讨论参数化技术及其实现，在此首先给出参数与参数驱动模型 的概念： 参数及其值域( p a r a m e t e ra n dd a t as e t ) ：表达某种类型信息的独立标 量或矢量。常用的参数类型主要有数值型、逻辑型、字符型等。其中最常用的 参数类型是数值型尺寸参数。 参数组及其值域组( p a r a m e t e rg r o u pa n dd a t as e tg r o u p ) ：一组参数的 统称。其中参数组记为p g = p ，p 。，p n ) ，相应地，其值域组记为d g = d 。， d 。，d 。 ，参数组中各参数可以取不同的类型。 参数驱动模型( p a r a m e t e rd r i v e nm o d e l ) ：如果某个产品类模型，以某一 参数组p g 为其控制参数，即对一个具体的参数组取值，该类模型能产生一个对 应的实例模型，则称这个类模型为参数驱动模型，简记为p d m 。其中，参数组p g 称为驱动参数( d r i v i n gp a r a m e t e r ) ，简记为d p 。参数驱动模型可以用下列二 元组表示：p d m = ( m s ，d p ) ，d p ed ，其中d p 为驱动参数，d 为其取值域，m s 为该类模型所对应的所有实例模型的集合。 通俗的说，参数化模型是指设计对象或产品的形状尺寸比较固定，可以用 一组参数控制该几何模型的具体结构尺寸。当参数有不同的取值时，就可驱动 西南交通大学研究生学位论文 第2 0 页 产品类模型得到完整的产品实例模型。 参数组的不同，所构成的参数驱动模型的特性也不相同。例如，对一个矩 形板类模型如果控制点坐标值作为驱动参数，则它只有几何意义，而如果用 产品的尺寸参数作为驱动参数，则模型具有工程意义。另外，在参数驱动模型 中，由于驱动参数中各参数的类型及其取值范围的不同，所能表达的产品实例 模型也各不相同。常用的驱动参数的类型有两种：n 0 2 1 2 2 2 3 2 4 1 l 、尺寸参数驱动 这是参数化c a d 系统的最基本形式。是指设计对象或产品的形状尺寸比较 固定，可以用一组尺寸参数约束该几何模型的结构尺寸序列，尺寸参数与设计 对象的控制尺寸有显式对应。 在模型上标注了尺寸，就建立了几何元素与尺寸间的关系，一旦用户交互修 改了尺寸标注的数值，经约束求解后就可驱动原几何模型达到新的目标几何模 型，从而引起图形的相应变化。我们把利用修改尺寸数值，达到修改图形的设计 过程称为尺寸驱动。 2 、变量参数驱动 此处变量虽不是产品模型的具体几何尺寸，但是却间接地控制着产品几何尺 寸。可以用容易记忆、容易理解的变量名称来存储设计数据。将变量与设计模 型建立起联系，每当改变变量参数的数值，就会引起设计的相应调整。 在设计模型中，计算是必不可少的，常用变量建立数学表达式解决复杂计 算问题，或由关键设计参数推导其他设计数据。例如齿轮是由几个基本参数决 定的，如齿数z 、模数i t l 、变位系数x 、压力角n 、螺旋角8 等，它们不是基本 几何参数，不能直接控制齿轮的几何模型，但是可以根据它们和齿顶圆、齿根 圆、节圆等具体几何参数的数学关系求得各几何尺寸参数从而获得齿轮的具体 几何模型。当参数发生改变时，可以由这些关系求得变化了的几何尺寸，然后 再驱动参数化变动产品模型获得实例产品模型。 变量化设计对象的修改往往具有更大的自由度，一般情况下是通过求解一 组约束方程来确定。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件。变量 设计可以用于公差分析、设计优化、机构仿真、初步方案造型等。 西南交通大学研究生学位论文 第2 1 页 二常用参数化系统的特点【2 】 5 1 2 1 1 自从p t c 公司推出其参数化造型系统p r o e n g i n e e r 以来t 各大c a d c a m 公司纷纷推出了自己的基于约束的参数化造型模块，他们分别采用不同的技术， 各有所长，他们的参数化技术特点和主要功能如下： p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c r o p 公司的p r o e n g i n e e r 有以下特点： p r o e n g i n e e r 系统的参数化特征造型功能贯穿于整个产品的各种几何模型， 包括特征、曲面、曲线以及线框模型等；贯穿于产品模型的各个层次，包括特 征体素，零件、装配体、截面；支持零件间各特征体索之间和装配体中各零件 之间的多种约束定义方式。 系统把参数化造型技术应用到工程设计的各个方面：绘图、工程分析、数控 编程、布线设计、钣金件设计等领域。p r o e n g i n e e r 还提供双向数据关联的能力， 这样任何地方产品模型的修改能自动地更新到出图、分析、制造以及其他 c a d c a m 领域。 通过记录设计历史来捕捉设计意图，产品模型是基于过程的，设计历史的操 作顺序可以采用多种方式进行修改。所有几何体都必须被完全约束，不支持欠 约束的几何体。 此外还可以用关系的形式表达工程约束，并与几何约束融合起来联立求解， 使之真正成为工程设计的有力工具。 在二维草绘中几何约束通过尺寸和符号的形式在屏幕上作出标记，这就能很 容易地判断当前的约束状态。 它提供了一些很好的设计工具，其中之一就是全局设计参数的引入。全局设 计参数即前面讨论的变量参数，利用它可以定义产品基本的设计要求和特性， 由于很多其它参数可能定义为与这些全局参数相关，所以可以用它们来实现整 体的设计修改。 除了p r o e n g i n e e r 以外，其它几个大型c a d c a m 系统也有其各自的特色。 c o m p u t e r v i s i o n 公司c a d d s5 提供了一个草图生成工具d e s i g n v i e w ，它 具有广泛的基于约束的造型功能，包括支持零件之间的约束、曲面参数约束、 参数约束的逻辑分支以及欠约束模型。由于d e s i g n v i e w 采用的是变量几何技术， 西南交通大学研究生学位论文 第2 2 页 约束生成的顺序不会影响它的求解结果。d e s i g n v i e w 能够方便地显示、增加和 删除和修改约束。 e d su n i g r a p h i c 公司的u g 在草图绘制的过程中自动生成约束。由于几何 和尺寸约束在造型的过程中被捕捉，生成的几何体总是完全约束的，用户可以 随时修改约束。约束类型是3 d 的，而且可用来控制参数曲面。除了提供参数化 的特征造型手段，系统还在基于约束的造型环境中支持各种传统的造型方式( 布 尔操作、平扫、曲面缝合等) 。用户可以查询和显示所有类型的约束。主要缺点 是不允许在零件之间定义约束，数据关联是从设计模型单向地传到其他应用中。 系统能够完善地处理各种类型的视图，一旦设计模型发生了改变，各视图会得 到自动更新。 s d r c 公司的卜- d 明sm a s t e rs e r i e s 支持所有类型的约束造型功能，包括支 持特征、曲线、曲面等，它还支持3 d 约束以及装配体中零件之间的约柬。系统 允许创建欠约束的草图，能为用户定位发生欠约束或过约束的位置。它还能对 读入的几何体自动施加约束。 3 2 参数驱动变动模型的实现原理和实现方法 一实现原理 变动产品模型在形式上表现为计算机内