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. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

從20世紀50年代至今，幾何建模技術經(jīng)歷了3個階段：線框造型、曲面造型和實體造型[1]。線框造型采用頂點和邊兩種拓撲元素及其相互關系來表示三維物體的形狀，優(yōu)點是表達簡單，易于處理，其輸入的信息僅為一系列點及其連接關系。但缺點是具有二義性，不能消隱和真實感顯示物體。曲面造型主要依據(jù)頂點、邊、表面3種拓撲元素及其相互間的拓撲關系來描述三維物體的形狀[2]。因提供了三維物體的表面信息，能夠進行隱藏線的消除和圖形的真實感顯示。其缺點是沒有明確地定義三維物體的實心部分，不能進行物體的重心、質(zhì)量、慣性矩等物性參數(shù)的計算。實體造型是20世紀70年代開始發(fā)展起來的一門新的造型技術，比曲面造型增加了三維體的實心部分的表達，得到了三維形體的無二義性描述，從而能夠在一個完整的幾何模型上實現(xiàn)零件的質(zhì)量計算、有限元分析、數(shù)控加工和消隱渲染圖的生成。20世紀90年代，美國PTC公司在實體造型的基礎上引入?yún)?shù)化特征造型技術，將幾何建模技術推高到一個新階段。當前，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 20多年的發(fā)展及在工程技術行業(yè)中的應用實踐，參數(shù)化特征造型被認為是一種可以滿足制造業(yè)產(chǎn)品設計需求的建模技術。但是，隨著工業(yè)界對CAD技術應用的深入和細化，用戶個性化設計需求不斷提升，對設計部門而言，如何快速響應用戶需求、縮短新品研發(fā)周期、快速完成產(chǎn)品升級，成為了企業(yè)迫切需要解決的關鍵問題。

參數(shù)化特征建模技術本身固有的嚴格遵循造型歷史關系的規(guī)則使得用戶難以實現(xiàn)靈活地、快速地表達其設計的創(chuàng)新點。在產(chǎn)品升級改造中，由于設計人員對產(chǎn)品模塊化及系列化的歷史了解得不充分，極易導致產(chǎn)品參數(shù)修改而幾何重建結果與預期嚴重走樣的情況發(fā)生，因此，制約了企業(yè)創(chuàng)新設計的自由發(fā)揮。

北京數(shù)碼大方科技股份有限公司一直致力于CAD技術研發(fā)，其三維CAD產(chǎn)品《CAXA實體設計》擁有6項核心專利技術，其直接建模技術是一種直觀的、對零件模型元素進行直接修改編輯的造型方法[3]。其最大優(yōu)勢是造型速度快、可以實現(xiàn)所做即所要的目的。設計者無需掌握太多的設計概念、建模規(guī)則，就可以將自己的創(chuàng)新設計付諸于模型表達。但是，直接建模的主要缺點是模型無法參數(shù)特征化（亦即模型元素成組劃分難），參數(shù)驅(qū)動能力差。因此，直接建模技術十分適合產(chǎn)品的局部修改，但系列化設計則難以實現(xiàn)。

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

1 總體思路

首先建立一個集成的零件詳細設計、部件組裝設計及總裝設計的設計環(huán)境。接著在零件詳細設計環(huán)境中將傳統(tǒng)的參數(shù)化造型技術和創(chuàng)新的直接建模技術進行有機的融合，形成一種全新的混合建模技術。這樣可以在建模過程中達到相輔相成，取長補短效果。使用混合建模技術，可以達到以下效果：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、滿足用戶個性化設計的需求。不僅可以縮短新品的研發(fā)時間，而且可以加快產(chǎn)品改進的速度。主要表現(xiàn)在兩個方面：一是通過參數(shù)化造型達到模型系列化；二是通過直接建模造型達到局部快速修改。直接建模技術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)化造型又可以達到模型的參數(shù)驅(qū)動。最后，將以上兩種技術合理融合，幫助設計者，實現(xiàn)任何復雜模型的快速研發(fā)和修改。

2 技術方案

2.1 數(shù)據(jù)模型設計

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

Shape Component簡稱S C，被設計成存儲模型形狀的真實數(shù)據(jù)。某些SC是所有Shape共用的，有些是Shape專用的。

DefinitionShape，簡稱DS，被設計成包含共享的模型定義數(shù)據(jù)，一般是幾何屬性相關的數(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，簡稱IS，被設計成包含特定的數(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IS通過指向DS中SC的指針來得到這些SC的內(nèi)容，通過操作IS的指針來修改 DS中的數(shù)據(jù)。通常，所有的Shape操作可以直接通過IS完成。

TreeShape，簡稱TS，被設計成記錄一個IS在裝配中的路徑數(shù)據(jù)，用來唯一標識一個IS。

上述定義是后續(xù)模型運算的基礎數(shù)據(jù)。

2.2 參數(shù)化特征造型運算機制

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

參數(shù)化特征模型運算過程是基于該管理者建立的依賴關系，從而完成模型運算的規(guī)劃。進而，當模型的更新運算被觸發(fā)時，依次規(guī)劃進行結果的更新。

2.3 直接建模運算機制

對模型元素附加識別、跟蹤數(shù)據(jù)，并且保證每次模型重構或者更新時，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，通過以上數(shù)據(jù)和跟蹤機制，發(fā)現(xiàn)被編輯的元素，然后使用相應的幾何解算算法更新模型。幾何更新之后，進行跟蹤數(shù)據(jù)的更新，完成對模型的直接編輯。主要支持的幾何解算的算法有：移動表面、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算機制，引入?yún)?shù)化特征更新算法，從而建立一種兩種技術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。在參數(shù)化特征模型數(shù)據(jù)的基礎上增加關系數(shù)據(jù)可以被直接建模運算機制所使用；基于模型元素的跟蹤數(shù)據(jù)，建立對模型元素可以引用的強關聯(lián)機制，以便參數(shù)化特征造型運算機制在規(guī)劃模型更新時可以使用它。

2） 混合建模運算機制。當特征的數(shù)據(jù)發(fā)生變化或有新的特征增減時，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)關系管理者，在考慮模型元素跟蹤數(shù)據(jù)的前提下進行運算規(guī)劃；在更新模型特征時，將直接建模的幾何運算實施到每一步特征更新中，對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)化和直接建模混合的運算。左上角的圖例描述了參數(shù)化建模中參數(shù)的定義和模型的關系。運算過程是：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，進行模型元素的更新；最后求解零部件直接的裝配關系。

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文檔范圍。結合模型的遷移，可以定義出更具有層次性的參數(shù)。從而使參數(shù)化的應用更加深入、靈活、方便。同時混合建模技術很好地處理了與參數(shù)化建模的沖突問題，極大地彌補了參數(shù)修改導致模型走樣的風險，增強了模型編輯的直觀性。

3 結 論

融合參數(shù)化建模和直接建模的混合建模技術是當前數(shù)字化建模的最新發(fā)展，已在CAXA實體設計軟件產(chǎn)品中實現(xiàn)，其優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 融合參數(shù)化建模和直接建模的統(tǒng)一的設計環(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。該技術將直接建模的設計理念通過用戶更加理解的交互手段表達出來，使建模手段更加簡捷。

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

混合建模技術的關鍵點是建立統(tǒng)一的用戶設計方法，達到參數(shù)化特征建模和直接建模設計流程的一致。建立了兩者相互融合的模型運算機制，使得在直接建模時對參數(shù)化特征的影響最小化，同時特征造型又可以借助直接建模的結果，混合建模這一現(xiàn)代圖學技術極大地提升了三維設計軟件的易用性，讓三維設計軟件的應用范圍普及到一搬大眾，降低了創(chuàng)新門檻，企業(yè)通過產(chǎn)品三維創(chuàng)新設計大賽和產(chǎn)品應用推廣，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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

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

[3]鐘日銘. CAXA實體設計2009基礎教程[M]. 北京:清華大學出版社, 2010: 6-12.