三维CAD混合建模技术研究

刘爱军， 黄松波， 闫光荣

（1. 北京数码大方科技股份有限公司，北京 100094；2. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

从20世纪50年代至今，几何建模技术经历了3个阶段：线框造型、曲面造型和实体造型[1]。线框造型采用顶点和边两种拓扑元素及其相互关系来表示三维物体的形状，优点是表达简单，易于处理，其输入的信息仅为一系列点及其连接关系。但缺点是具有二义性，不能消隐和真实感显示物体。曲面造型主要依据顶点、边、表面3种拓扑元素及其相互间的拓扑关系来描述三维物体的形状[2]。因提供了三维物体的表面信息，能够进行隐藏线的消除和图形的真实感显示。其缺点是没有明确地定义三维物体的实心部分，不能进行物体的重心、质量、惯性矩等物性参数的计算。实体造型是20世纪70年代开始发展起来的一门新的造型技术，比曲面造型增加了三维体的实心部分的表达，得到了三维形体的无二义性描述，从而能够在一个完整的几何模型上实现零件的质量计算、有限元分析、数控加工和消隐渲染图的生成。20世纪90年代，美国PTC公司在实体造型的基础上引入参数化特征造型技术，将几何建模技术推高到一个新阶段。当前，主流CAD软件均采用参数化特征造型作为主要的几何建模手段。

经过 20多年的发展及在工程技术行业中的应用实践，参数化特征造型被认为是一种可以满足制造业产品设计需求的建模技术。但是，随着工业界对CAD技术应用的深入和细化，用户个性化设计需求不断提升，对设计部门而言，如何快速响应用户需求、缩短新品研发周期、快速完成产品升级，成为了企业迫切需要解决的关键问题。

参数化特征建模技术本身固有的严格遵循造型历史关系的规则使得用户难以实现灵活地、快速地表达其设计的创新点。在产品升级改造中，由于设计人员对产品模块化及系列化的历史了解得不充分，极易导致产品参数修改而几何重建结果与预期严重走样的情况发生，因此，制约了企业创新设计的自由发挥。

北京数码大方科技股份有限公司一直致力于CAD技术研发，其三维CAD产品《CAXA实体设计》拥有6项核心专利技术，其直接建模技术是一种直观的、对零件模型元素进行直接修改编辑的造型方法[3]。其最大优势是造型速度快、可以实现所做即所要的目的。设计者无需掌握太多的设计概念、建模规则，就可以将自己的创新设计付诸于模型表达。但是，直接建模的主要缺点是模型无法参数特征化（亦即模型元素成组划分难），参数驱动能力差。因此，直接建模技术十分适合产品的局部修改，但系列化设计则难以实现。

因此，基于上述两种技术存在的缺陷，本文研究了一种融合二者优势的建模技术——三维CAD参数化建模与直接建模的混合建模技术。使用该技术既可以实现模型的灵活修改，同时又可以实现产品关键参数的驱动。

1 总体思路

首先建立一个集成的零件详细设计、部件组装设计及总装设计的设计环境。接着在零件详细设计环境中将传统的参数化造型技术和创新的直接建模技术进行有机的融合，形成一种全新的混合建模技术。这样可以在建模过程中达到相辅相成，取长补短效果。使用混合建模技术，可以达到以下效果：快速建模、灵活建模、合理建模、快速修改（包括局部快速修改和全局快速参数化修改），最终提升用户的产品研发效率、满足用户个性化设计的需求。不仅可以缩短新品的研发时间，而且可以加快产品改进的速度。主要表现在两个方面：一是通过参数化造型达到模型系列化；二是通过直接建模造型达到局部快速修改。直接建模技术可以方便的将用户创新思维充分展现在模型上，而参数化造型又可以达到模型的参数驱动。最后，将以上两种技术合理融合，帮助设计者，实现任何复杂模型的快速研发和修改。

2 技术方案

2.1 数据模型设计

主要的数据模型称之为Shape，可以细分为：DefinitionShape、Instanceshape、Treeshape等。

Shape Component简称S C，被设计成存储模型形状的真实数据。某些SC是所有Shape共用的，有些是Shape专用的。

DefinitionShape，简称DS，被设计成包含共享的模型定义数据，一般是几何属性相关的数据，通常包括Entity的各种数据，可以抽象地理解为概念上的任何内容。

InstanceShape，简称IS，被设计成包含特定的数据，主要是位置数据等。DS管理着所有IS公用的内容称之为SC，因此每个IS通过指向DS中SC的指针来得到这些SC的内容，通过操作IS的指针来修改 DS中的数据。通常，所有的Shape操作可以直接通过IS完成。

TreeShape，简称TS，被设计成记录一个IS在装配中的路径数据，用来唯一标识一个IS。

上述定义是后续模型运算的基础数据。

2.2 参数化特征造型运算机制

先建立一个全局的参数、引用创建和使用的管理者。通过该管理者达到特征参数的定义及引用关系的建立和维护。

参数化特征模型运算过程是基于该管理者建立的依赖关系，从而完成模型运算的规划。进而，当模型的更新运算被触发时，依次规划进行结果的更新。

2.3 直接建模运算机制

对模型元素附加识别、跟踪数据，并且保证每次模型重构或者更新时，该数据被正确的添加和更新。

接着在模型的局部元素被编辑修改之后，通过以上数据和跟踪机制，发现被编辑的元素，然后使用相应的几何解算算法更新模型。几何更新之后，进行跟踪数据的更新，完成对模型的直接编辑。主要支持的几何解算的算法有：移动表面、删除表面、匹配替换表面、倾斜表面等。

2.4 零件的直接建模和参数化特征造型算法的融合

基于上述直接建模运算机制，引入参数化特征更新算法，从而建立一种两种技术融合的模型更新算法。算法步骤如下：

1） 模型数据的增强。在参数化特征模型数据的基础上增加关系数据可以被直接建模运算机制所使用；基于模型元素的跟踪数据，建立对模型元素可以引用的强关联机制，以便参数化特征造型运算机制在规划模型更新时可以使用它。

2） 混合建模运算机制。当特征的数据发生变化或有新的特征增减时，或在模型元素被修改之后。首先根据参数化模型的参数关系管理者，在考虑模型元素跟踪数据的前提下进行运算规划；在更新模型特征时，将直接建模的几何运算实施到每一步特征更新中，对于特征信息和模型元素编辑直接有冲突的情况，在特征信息破坏最小化的原则下，完成特征的重构和替换。融合后的总体方案如图1所示。

图1 混合建模方案流程图

图1展示了混合建模技术方案的全貌，即在基于零部件集成环境的参数化和直接建模混合的运算。左上角的图例描述了参数化建模中参数的定义和模型的关系。运算过程是：参数化特征建模在使用算法A（见图1）完成更新规划和参数更新之后；使用算法B（见图1）即直接建模的几何算法，进行模型元素的更新；最后求解零部件直接的装配关系。

与传统的建模系统相比，混合建模系统在直接建模的集成零件和装配CAD系统中，其参数的作用范围是全方位的。作用域可以覆盖整个文档范围。结合模型的迁移，可以定义出更具有层次性的参数。从而使参数化的应用更加深入、灵活、方便。同时混合建模技术很好地处理了与参数化建模的冲突问题，极大地弥补了参数修改导致模型走样的风险，增强了模型编辑的直观性。

3 结 论

融合参数化建模和直接建模的混合建模技术是当前数字化建模的最新发展，已在CAXA实体设计软件产品中实现，其优越性体现在以下几个方面：

1） 融合参数化建模和直接建模的统一的设计环境。突破了传统软件中将参数化建模、直接建模两个环境完全隔离的做法，让用户在统一的环境中，便能方便地自由操作两种建模工具。

2） 建立了更方便的、拖拽式及参数尺寸定义的直接建模技术。该技术将直接建模的设计理念通过用户更加理解的交互手段表达出来，使建模手段更加简捷。

3） 融合参数化建模和直接建模的混合建模技术。两种建模手段的表达方式、交互方式及最终的数字化结果均是统一的。

混合建模技术的关键点是建立统一的用户设计方法，达到参数化特征建模和直接建模设计流程的一致。建立了两者相互融合的模型运算机制，使得在直接建模时对参数化特征的影响最小化，同时特征造型又可以借助直接建模的结果，混合建模这一现代图学技术极大地提升了三维设计软件的易用性，让三维设计软件的应用范围普及到一搬大众，降低了创新门槛，企业通过产品三维创新设计大赛和产品应用推广，取得了良好的社会效益和经济效益。

[1]唐荣锡. CAD/CAM 技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1994: 99-102.

[2]朱心雄. 自由曲线曲面造型技术[M]. 北京: 科学出版社, 2000: 138-151.

[3]钟日铭. CAXA实体设计2009基础教程[M]. 北京:清华大学出版社, 2010: 6-12.