直接建模(Direct Modeling)的概念是與基于歷史的參數(shù)化建模(History Based Parametric Modeling)概念相對(duì)應(yīng)的,能夠擺脫對(duì)歷史建模數(shù)據(jù)的依賴,更加直觀地體現(xiàn)建模設(shè)計(jì)者的意圖(Design Intent)。早期的CSG建模技術(shù)可以看作直接建模的鼻祖,人們從基本的幾何形狀出發(fā),通過(guò)布爾運(yùn)算得到更加復(fù)雜的模型。
隨著參數(shù)化造型技術(shù)的飛速發(fā)展,僅靠單一的建模方法的弊端越來(lái)越明顯,比如:制造廠商之間的模型交流出于保密的目的,有些是沒(méi)有建模歷史等詳細(xì)信息的,下游廠商如果要修改模型的話就會(huì)碰到很大的困難,甚至要從頭進(jìn)行建模。盡管目前技術(shù)還不成熟,學(xué)界和CAD廠商對(duì)直接建模的定義和發(fā)展方向都有自己的看法,但是毫無(wú)疑問(wèn),人們擺脫以往單一的參數(shù)化建模方式的愿望越來(lái)越迫切,而直接建模就是可選擇的方法之一。本文將重點(diǎn)討論應(yīng)用與模型無(wú)參數(shù)修改的直接建模技術(shù)。
1 直接建模的優(yōu)勢(shì)
直接建模最大的優(yōu)勢(shì)在于不依賴于任何建模歷史參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行修改,比如在產(chǎn)品物理原型基礎(chǔ)上的重新設(shè)計(jì)(Re-engineering)或在CAE優(yōu)化模型(特別是鑄造和鍛造件)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)工作。直接建模也同樣適用于完整的產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程。
1)加快設(shè)計(jì)周期
直接建模設(shè)計(jì)方法可與模型幾何進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,從而節(jié)省了時(shí)間。而且,這種方法能夠以經(jīng)濟(jì)的方式捕獲信息,并將其嵌入模型定義中,從而加快開發(fā)速度。加快開發(fā)速度后,能增加反復(fù)設(shè)計(jì)次數(shù)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、更輕松地進(jìn)入市場(chǎng),并延長(zhǎng)產(chǎn)品的市場(chǎng)壽命。
2)可靈活應(yīng)對(duì)意外和激進(jìn)的變更
進(jìn)行一次性產(chǎn)品設(shè)計(jì)(例如:唯一款式、市場(chǎng)新品或定制的按訂單設(shè)計(jì)產(chǎn)品)的公司在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中面臨著不斷變化的要求。利用直接建模技術(shù),設(shè)計(jì)用戶可以在設(shè)計(jì)過(guò)程的后期更為快速和頻繁地進(jìn)行未預(yù)料的變更。
3)靈活的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)
利用直接建模技術(shù),任何團(tuán)隊(duì)成員都能夠獲取并處理高清3D產(chǎn)品設(shè)計(jì),就像任何人都能夠獲取并處理Microsoft Word文檔一樣。因此,當(dāng)不同的工程師(甚至是工程團(tuán)隊(duì))在項(xiàng)目過(guò)程中退出時(shí),將能夠輕松地重新分配設(shè)計(jì)任務(wù)。
4)可靈活地處理多源CAD數(shù)據(jù)
直接建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以導(dǎo)入和修改多源CAD數(shù)據(jù),從而使采購(gòu)組件或設(shè)計(jì)分包工作于廣泛供應(yīng)鏈中的公司從中獲益。
5)了解和使用3D CAD的最簡(jiǎn)便方法
直接建模技術(shù)是了解和使用3D CAD的最簡(jiǎn)單方法,設(shè)計(jì)用戶能夠直接并直觀地與模型幾何交互。
2 直接建模的實(shí)現(xiàn)方式
市場(chǎng)需求決定發(fā)展方向,一些主流CAD廠商紛紛開發(fā)出能夠操作沒(méi)有建模歷史信息的模型的功能。目前主要有2種方法:直接對(duì)三維幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和進(jìn)行特征識(shí)別,從而回到成熟的參數(shù)化建模方式上來(lái)。
1)直接對(duì)三維幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行操作指的是以面、邊和點(diǎn)作為操作對(duì)象,通過(guò)約束或者直接建模特征計(jì)算三維幾何模型。約束包括數(shù)值約束(長(zhǎng)度、直徑、角度等)和關(guān)系約束(相切、同心、平行等),在約束條件下,移動(dòng)圖形時(shí)這些條件不會(huì)改變。優(yōu)點(diǎn)是直接簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的修改。代表廠商是CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)、NX、SolidEdge等。
2)特征識(shí)別是指從三維幾何數(shù)據(jù)里面提取建模特征,比如1個(gè)圓柱面可以提取1個(gè)圓柱面拉伸特征,2個(gè)面之間的半圓面可以提取1個(gè)倒圓角特征。其優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大,能夠進(jìn)行復(fù)雜的模型修改;缺點(diǎn)是又回到了參數(shù)化建模的老路上,無(wú)法避開參數(shù)化建模的缺點(diǎn),而且跨平臺(tái)的特征識(shí)別目前很難實(shí)現(xiàn),因?yàn)樘卣髯R(shí)別依賴參數(shù)化建模平臺(tái),跨平臺(tái)的特征識(shí)別需要各個(gè)平臺(tái)之間公開特征建模技術(shù)細(xì)節(jié)。代表廠商是SolidWorks。
當(dāng)前的直接建模技術(shù)還不成熟,最為業(yè)界所抱怨的就是無(wú)法很好地表達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖(Design Intent)。在CAD軟件業(yè)發(fā)展的初期,如何更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖就是一個(gè)重要的發(fā)展課題,從最初的面操作,到后來(lái)的智能約束,再到最后的參數(shù)化造型技術(shù),都是CAD軟件嘗試與設(shè)計(jì)用戶進(jìn)行無(wú)障礙交流的結(jié)果。
然而,直到今天還是能夠在一些CAD技術(shù)論壇上發(fā)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)用戶各種各樣的抱怨,歸根到底還是用戶的設(shè)計(jì)意圖在CAD軟件的功能當(dāng)中找不到合理的表達(dá)方式。當(dāng)一個(gè)無(wú)參數(shù)的模型擺在CAE工程師或者下游廠商的CAD工程師面前的時(shí)候,對(duì)模型進(jìn)行修改只能進(jìn)行如圖1所示的幾何數(shù)據(jù)的直接修改。
圖1 無(wú)參數(shù)修改
然而這種修改結(jié)果很可能不是工程師想要的。很多應(yīng)用場(chǎng)景都是要在初始設(shè)計(jì)意圖上的小范圍改動(dòng),或者因?yàn)樾枨蟮母淖冃枰貥?gòu)設(shè)計(jì)意圖,因此需要一個(gè)方式來(lái)重新定義設(shè)計(jì)意圖。建立智能約束和進(jìn)行特征識(shí)別就是現(xiàn)今被廣泛采用的2種方式,如圖2所示。
圖2 2種主流無(wú)參修改方法
3 專家系統(tǒng)用于直接建模
直接建模迫切需要一個(gè)能夠充分表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的工具,這個(gè)工具不僅僅能夠表達(dá)建模的規(guī)則,還能夠根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)習(xí)慣給出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)意圖。在人工智能領(lǐng)域,最重要、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域──專家系統(tǒng)就很符合這些要求。此外,由于目前最成熟的設(shè)計(jì)意圖表達(dá)方式是參數(shù)化建模當(dāng)中的特征概念,因此將特征識(shí)別應(yīng)用到直接建模上將有特別重要的現(xiàn)實(shí)意義。
專家系統(tǒng)是一個(gè)基于知識(shí)的系統(tǒng),它利用人類專家提供的專門知識(shí),模擬人類專家的思維過(guò)程,解決對(duì)人類專家來(lái)說(shuō)都相當(dāng)困難的問(wèn)題。本文將重點(diǎn)討論如何將一個(gè)專家系統(tǒng)應(yīng)用于直接建模,并提出了1個(gè)可行的架構(gòu)。專家系統(tǒng)的建立不是本文要討論的重點(diǎn),從一些成熟的專家系統(tǒng)來(lái)看,一個(gè)專家系統(tǒng)的建立要依靠一個(gè)通用的成熟的知識(shí)積累規(guī)范,一個(gè)得到很好維護(hù)的知識(shí)積累平臺(tái)以及大量專業(yè)人員無(wú)私的數(shù)據(jù)共享帶來(lái)的知識(shí)積累。
對(duì)于任何一個(gè)CAD平臺(tái)來(lái)說(shuō),利用專家系統(tǒng)進(jìn)行特征識(shí)別進(jìn)而應(yīng)用于直接建模的步驟如下。
1)輸入建模修改信息:選取需要修改的幾何模型元素(面、邊、點(diǎn))。對(duì)于一個(gè)三維CAD平臺(tái)來(lái)說(shuō),強(qiáng)大而高效率的UI交互界面尤為重要,輸入信息的復(fù)雜性直接影響到后面對(duì)專家系統(tǒng)里面的知識(shí)規(guī)則利用的程度。
2)確定建模規(guī)則:從專家系統(tǒng)中選取將要進(jìn)行直接建模的規(guī)則。
3)構(gòu)造特征:構(gòu)造出符合輸入和規(guī)則的特征。
4)特征重構(gòu):運(yùn)用特征本身的修改能力對(duì)模型進(jìn)行修改。
簡(jiǎn)化了的算法流程如圖3所示。
圖3 主要算法流程
下面以CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)里面的直接建模功能模塊為例對(duì)算法架構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
圖4所示的是一個(gè)沒(méi)有任何參數(shù)化建模信息的曲軸零件,當(dāng)希望對(duì)選中的面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)15°的修改的時(shí)候,直接修改幾何數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn),因?yàn)橐薷牡拿嬗袔资畟(gè),而且有相切的相鄰面,要實(shí)現(xiàn)修改的意圖需要克服這2個(gè)困難。對(duì)于多個(gè)面的直接建模,CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)直接建模模塊獨(dú)有的面分組功能可以輕松解決這個(gè)問(wèn)題。如圖5所示,點(diǎn)擊“啟動(dòng)表面分組”,勾選上面的“平行”選項(xiàng)就可以把要修改的一系列面都選中進(jìn)行操作。
圖4 無(wú)參數(shù)曲軸零件示意圖
圖5 對(duì)1組平面進(jìn)行直接建模
確定好輸入之后,CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)內(nèi)部會(huì)根據(jù)一系列的拓?fù)鋷缀芜\(yùn)算,識(shí)別出所有操作面對(duì)應(yīng)的特征,在曲軸這個(gè)例子里,相鄰面對(duì)應(yīng)的特征是倒圓角特征。在旋轉(zhuǎn)被操作面的時(shí)候,對(duì)應(yīng)的倒圓角特征也將被重新計(jì)算,從而影響建模的結(jié)果。
圖6顯示的是建模結(jié)果,可以看到所有的面都被旋轉(zhuǎn)了,而且相鄰的倒圓角的效果也很好地適應(yīng)了這次修改。
圖6 修改結(jié)果
4 結(jié)語(yǔ)
在上面的例子當(dāng)中,展示的只是一個(gè)簡(jiǎn)單的專家系統(tǒng)原型。為了更好地發(fā)展這個(gè)新興技術(shù),筆者提出以下建議。
1)各個(gè)行業(yè)協(xié)會(huì)制定建立統(tǒng)一的符合自己行業(yè)建模習(xí)慣的直接建模規(guī)范。
2)國(guó)際相關(guān)機(jī)構(gòu),科研院所應(yīng)加緊制定建立統(tǒng)一的高效率的建模算法規(guī)范。
3)各個(gè)主流CAD廠商著眼大局,在統(tǒng)一的建模算法規(guī)范的基礎(chǔ)上,統(tǒng)一特征運(yùn)算方法,便于各個(gè)CAD廠商對(duì)幾何模型進(jìn)行特征識(shí)別。
本原型的創(chuàng)新在于提出了一種新的直接建模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。當(dāng)今最流行的三維建模技術(shù)是基于歷史的參數(shù)化造型技術(shù),這個(gè)技術(shù)的最大缺點(diǎn)就是對(duì)建模歷史的依賴,在實(shí)際工廠應(yīng)用中,制造業(yè)的各個(gè)流程都需要對(duì)模型進(jìn)行修改,但是由于種種原因使得建模歷史信息丟失,造成模型修改的成本大大提高,而直接建模技術(shù)可以彌補(bǔ)這一缺陷。但是當(dāng)前的直接建模技術(shù)發(fā)展還不成熟,各個(gè)CAD廠商對(duì)直接建模的實(shí)現(xiàn)方式也不一樣,各有優(yōu)劣。本文在對(duì)比了各個(gè)廠商的實(shí)現(xiàn)方式之后,提出了新的直接建模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。這種方法綜合了各個(gè)實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn),能夠最大限度地保持原有模型的設(shè)計(jì)意圖。
如果能夠?qū)⒏嗟慕VR(shí)規(guī)則整合在一起,形成一個(gè)真正意義上的專家系統(tǒng),對(duì)于設(shè)計(jì)意圖的表達(dá)將更加充分有力,其發(fā)展前景將不可限量。目前主流三維CAD軟件對(duì)于直接建模的理解不同,發(fā)展方向也有所差別。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題:基于自定義專家系統(tǒng)的直接建模技術(shù)研究
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