面向設(shè)計(jì)狀態(tài)遞進(jìn)轉(zhuǎn)換的零件多域視圖模型

馬 寧，楊 波，劉彥超，李金萍，高常青

（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

產(chǎn)品建模包括零件建模和裝配建模兩方面［1］。目前，零件建模主要采用基于特征的方法，即基于CSG（constructive solid geometry，實(shí)體模型）、B-Rep（boundary representation，線框模型）等表示方法從幾何結(jié)構(gòu)和幾何形狀的角度對(duì)零件進(jìn)行描述。在零件建模過(guò)程中，一些隱含的表達(dá)幾何形狀特征的內(nèi)在設(shè)計(jì)知識(shí)無(wú)法直接傳遞到模型中。零件模型應(yīng)是一個(gè)具有過(guò)程性、動(dòng)態(tài)性和層次性的對(duì)象定義模型，它的合理構(gòu)建有利于設(shè)計(jì)知識(shí)的有效傳遞以及系列產(chǎn)品間零件的有效借用，這在一定程度上有助于提高設(shè)計(jì)效率和精度。

零件的設(shè)計(jì)方法主要有基于功能的設(shè)計(jì)方法和基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法兩種。

基于功能的設(shè)計(jì)方法主要通過(guò)將目標(biāo)功能轉(zhuǎn)化為零件之間的配合結(jié)構(gòu)和配合行為，繼而轉(zhuǎn)化為零件的形狀特征，來(lái)完成零件主要功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。例如：通過(guò)裝配接口和裝配語(yǔ)義元定義零件的幾何特征信息［2］；通過(guò)“使定表面”和“定位表面”等功能表面的幾何形狀約束實(shí)現(xiàn)功能的傳遞［3-4］；通過(guò)裝配特征偶的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的傳遞，進(jìn)而使得零件建模和裝配建模得到更好的集成［5-6］。

基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要從幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)成的角度研究零件模型的構(gòu)建及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。例如零件結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計(jì)方法［7-8］、基于幾何結(jié)構(gòu)單元變異及重用的零件變異設(shè)計(jì)方法［9-11］和基于力學(xué)性能的零件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法［12-13］。此外，學(xué)者也提出了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行零件表面形貌建模的方法［14-15］、功能梯度材料零件的建模方法［16］和零件的再制造設(shè)計(jì)方法［17-19］。

上述研究主要聚焦于零件功能、行為與結(jié)構(gòu)之間的映射表達(dá)及結(jié)構(gòu)組織等，而對(duì)模型本身的輔助設(shè)計(jì)關(guān)注較少。零件模型應(yīng)是體現(xiàn)自身不同形態(tài)、不同設(shè)計(jì)階段領(lǐng)域知識(shí)的載體，兼具描述零件幾何尺度信息的狹義特性，同時(shí)也應(yīng)涵蓋功能要求、功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡信息、結(jié)構(gòu)演化時(shí)序信息等頂層抽象特性。在自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著功能、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域知識(shí)的引入，零件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不斷遞進(jìn)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)狀態(tài)。在方案構(gòu)思階段，處理的主要是抽象的功能及語(yǔ)義知識(shí)，通過(guò)概念設(shè)計(jì)方案反映零件的功能實(shí)現(xiàn)機(jī)理；在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)概念設(shè)計(jì)方案的實(shí)例化處理，構(gòu)建零件幾何結(jié)構(gòu)模型，這一階段處理的是幾何特征知識(shí)。兩者因處理對(duì)象的不同而存在脫節(jié)。如何將方案構(gòu)思融入幾何模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的有效傳遞，對(duì)于實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化具有重要意義。

為此，筆者基于對(duì)零件模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能的解析，通過(guò)對(duì)零件構(gòu)成單元幾何結(jié)構(gòu)、形位和進(jìn)化時(shí)序的分析，建立了基于功能與結(jié)構(gòu)約束的零件約束模型；在此基礎(chǔ)上，基于零件設(shè)計(jì)過(guò)程中的狀態(tài)遞進(jìn)轉(zhuǎn)換特性，將抽象語(yǔ)義知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，構(gòu)建由功能視圖模型、功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡視圖模型、結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型和結(jié)構(gòu)視圖模型組成的自頂向下的多層次零件視圖模型；提出了基于多域視圖模型的零件設(shè)計(jì)方法?；诙嘤蛞晥D模型，可形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多重解釋，在功能驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)的系列化設(shè)計(jì)，形成“方案產(chǎn)生—語(yǔ)義向知識(shí)轉(zhuǎn)化—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)知識(shí)有效傳遞過(guò)程，實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)的初步集成。

1 零件建模過(guò)程和零件設(shè)計(jì)狀態(tài)演化過(guò)程解析

1.1 零件建模過(guò)程解析

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)約束滿足問(wèn)題，即：在給定設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)擬定抽象化的功能結(jié)構(gòu)，在功能滿足的條件下，充分考慮各種設(shè)計(jì)約束并形成諸多約束的有效組合，產(chǎn)生設(shè)計(jì)方案［20］。

而對(duì)于產(chǎn)品的基本組成單元——零件，其建模過(guò)程可解析為狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程，如圖1所示。

圖1 零件建模過(guò)程解析Fig.1 Analysis of part modeling process

零件建模過(guò)程為：首先，基于已有的設(shè)計(jì)知識(shí)，通過(guò)多元沖突消解進(jìn)行功能規(guī)劃，產(chǎn)生零件的功能模型；然后，對(duì)功能規(guī)劃方案進(jìn)行基于知識(shí)擴(kuò)展的層級(jí)演化，得到滿足功能要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。即：首先，建立滿足基本功能要求的零件符號(hào)模型，并將其轉(zhuǎn)化為功能表面及其名義特征模型（即構(gòu)成幾何要素的基本單元，如點(diǎn)、線、面，如圖1（a）所示），實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)空間的初次約簡(jiǎn)與構(gòu)建；其次，根據(jù)零件符號(hào)模型中所隱含的功能和制造信息，將抽象的功能表面映射為結(jié)構(gòu)實(shí)例單元（如圖1（b）所示），建立零件的標(biāo)準(zhǔn)模型；最后，將結(jié)構(gòu)單元之間的幾何、形位等的約束信息進(jìn)行擴(kuò)展，建立實(shí)際的零件擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型（如圖1（c）所示），獲得符合約束要求的零件實(shí)例。

1.2 零件設(shè)計(jì)狀態(tài)演化過(guò)程解析

零件設(shè)計(jì)就是將設(shè)計(jì)意圖F映射成具有一定功能的幾何結(jié)構(gòu)，并按照一定的規(guī)則合并成最終的幾何形態(tài)。零件設(shè)計(jì)的最終結(jié)果體現(xiàn)為幾何特征G與約束關(guān)系特征C的組合，用數(shù)學(xué)模型可表示為：

在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，零件設(shè)計(jì)狀態(tài)為一遞進(jìn)的演化過(guò)程（如圖2所示），并具有以下特征：

1）在最初的問(wèn)題狀態(tài)，零件設(shè)計(jì)狀態(tài)為抽象的功能信息。

2）在概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)初始功能信息的傳遞，零件的設(shè)計(jì)要求可符號(hào)化地表示為功能知識(shí)，通過(guò)對(duì)功能區(qū)域的操作形成零件的最初解狀態(tài)。

3）在從功能到結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，零件將歷經(jīng)多個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。其間功能知識(shí)演化為零件各構(gòu)成單元的結(jié)構(gòu)信息以及各單元間的拓?fù)浼s束關(guān)系、形位約束關(guān)系，并在功能信息的約束下形成多個(gè)中間解狀態(tài)。

4）在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，基于幾何及約束的可行性，零件的初始結(jié)構(gòu)信息以及各單元間的關(guān)聯(lián)約束信息不斷擴(kuò)展，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)為一個(gè)漸進(jìn)的、結(jié)構(gòu)信息不斷豐富并具有時(shí)序特征的擴(kuò)展過(guò)程，并形成最終解。

圖2 零件設(shè)計(jì)狀態(tài)演化過(guò)程解析Fig.2 Analysis of evolution process of part design status

零件功能的實(shí)現(xiàn)依賴于其幾何特征及其之間的有序關(guān)聯(lián)。從模型構(gòu)成的角度看，零件模型除了其外在幾何特征的表現(xiàn)，還應(yīng)蘊(yùn)含功能、拓?fù)湟约靶挝坏汝P(guān)聯(lián)約束信息。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)功能的分解和重構(gòu)，形成對(duì)幾何特征、關(guān)聯(lián)約束的定義；在此基礎(chǔ)上，幾何特征和關(guān)聯(lián)約束不斷分解、重構(gòu)與演化，最終形成零件實(shí)體的結(jié)構(gòu)模型。因此，廣義上的零件模型應(yīng)包括結(jié)構(gòu)維度、關(guān)聯(lián)約束維度和功能維度三方面的信息，如圖3所示。

2 零件關(guān)聯(lián)約束模型

產(chǎn)品功能在宏觀上通過(guò)裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，在微觀上則依賴于零件自身幾何特征的性質(zhì)和特征之間的約束關(guān)系。零件可被視為具有內(nèi)部相互作用關(guān)系的裝配結(jié)構(gòu)通過(guò)幾何特征面對(duì)間的相互作用、有序裝配，在空間及形位等幾何約束下實(shí)現(xiàn)功能要求。其設(shè)計(jì)約束除功能約束外，一般還包括為滿足功能目標(biāo)而設(shè)定的結(jié)構(gòu)、配合和設(shè)計(jì)序列等約束。因此，零件約束模型應(yīng)從功能、進(jìn)化序列、拓?fù)浜托挝魂P(guān)系等多個(gè)角度加以描述。

圖3 零件模型的信息構(gòu)成Fig.3 Information composition of part model

2.1 功能約束模型

2.1.1 功能約束關(guān)系

構(gòu)成零件的功能單元在相互結(jié)合形成總功能的過(guò)程中，存在著時(shí)序關(guān)系和邏輯關(guān)系。

1）時(shí)序約束關(guān)系。

零件功能的實(shí)現(xiàn)并非是無(wú)序的，而是按照其目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)的規(guī)律或路線存在著進(jìn)化序列，體現(xiàn)為一種“流”的傳遞過(guò)程。按照相鄰功能單元是否存在功能與結(jié)構(gòu)之間的約束關(guān)系，時(shí)序約束關(guān)系分為有序列約束關(guān)系和無(wú)序列約束關(guān)系兩種。有序列約束關(guān)系是指功能單元為上下層特征關(guān)系，子層功能的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)由父層特征來(lái)限定，如圖4（a）所示。無(wú)序列約束關(guān)系是指相關(guān)功能單元處于同一等級(jí)，單元之間無(wú)父子或繼承關(guān)系，而僅存在結(jié)構(gòu)上的連接關(guān)系，如圖4（b）所示。

圖4 功能時(shí)序約束關(guān)系Fig.4 Functional time sequence constraint relationship

圖5所示為零件支架的功能時(shí)序約束關(guān)系。該零件目標(biāo)功能包括軸支撐P1、底面支撐P2，兩者是無(wú)序列約束關(guān)系；在此基礎(chǔ)上演化的連接和加強(qiáng)兩個(gè)功能依賴于上層功能P1、P2，因此與P1、P2形成有序列約束關(guān)系。

2）邏輯組合關(guān)系。

零件的目標(biāo)功能一般可逐級(jí)分解為若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子功能，由物料流、能量流和信息流將這些子功能聯(lián)系起來(lái)，按照一定的約束條件和相互關(guān)系組成一個(gè)整體。各子功能相互協(xié)調(diào)和配合實(shí)現(xiàn)總功能，子功能之間的邏輯約束關(guān)系主要包括并聯(lián)、串聯(lián)等模式［21］。

2.1.2 功能約束單元模型

圖5 支架的功能時(shí)序約束關(guān)系Fig.5 Functional time sequence constraint relationship of bracket

根據(jù)相鄰功能單元之間的時(shí)序約束和邏輯組合關(guān)系，從功能單元之間的約束關(guān)系角度出發(fā)，建立構(gòu)成功能模型的基本單元——功能約束單元。常見(jiàn)的功能約束單元包括串行無(wú)序列、有序列單元，并行無(wú)序列、有序列單元，合并串行無(wú)序列、有序列單元和分支并行無(wú)序列、有序列單元，如圖6所示。功能約束單元根據(jù)特定的功能要求進(jìn)行組合即構(gòu)成零件功能模型。

2.2 結(jié)構(gòu)約束模型

復(fù)雜零件往往是由多個(gè)子結(jié)構(gòu)在滿足結(jié)構(gòu)約束的條件下組合而成的。結(jié)構(gòu)約束主要包括子結(jié)構(gòu)的幾何屬性及結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)所限定的拓?fù)潢P(guān)系約束，以及功能約束作用于子結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的形位約束。

2.2.1 拓?fù)潢P(guān)系約束

用于描述零件幾何要素間的方位關(guān)聯(lián)、零件模型各分量間的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)等的約束為拓?fù)潢P(guān)系約束。拓?fù)潢P(guān)系約束是由子結(jié)構(gòu)的物理屬性所限定的粗粒度幾何約束，主要表現(xiàn)為點(diǎn)、線、面、體等幾何要素間的鄰接及邊界關(guān)系。幾何要素關(guān)系的定性描述主要包括相容、相交、相離和相接四種類型。拓?fù)潢P(guān)系約束單元如表1所示。

零件構(gòu)成單元可以通過(guò)多個(gè)拓?fù)潢P(guān)系約束確定與其他單元的相對(duì)位置。這種結(jié)構(gòu)性連接關(guān)系一方面保證了特定功能的實(shí)現(xiàn)，另一方面用以保證零件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2.2 形位關(guān)系約束

零件功能是通過(guò)對(duì)一系列離散的子特征單元進(jìn)行有目標(biāo)的選擇，并按照特定的位置關(guān)系進(jìn)行組合而實(shí)現(xiàn)的。功能約束間接作用于子特征單元的組合過(guò)程形成了形位關(guān)系約束。

圖6 功能約束單元模型Fig.6 Functional constraint unit model

表1 拓?fù)潢P(guān)系約束單元Table 1 Topological relationship constraint unit

子特征單元間大多是通過(guò)面來(lái)連接的。因此，形位關(guān)系可以通過(guò)相關(guān)連接特征的類型及其之間的幾何連接關(guān)系來(lái)定義。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常用重合、平行、垂直、偏距、角度配合和投影等描述子特征單元間的形位關(guān)系約束；約束作用的對(duì)象是零件幾何拓?fù)湓?，主要為點(diǎn)、線、面等低層次幾何信息。形位關(guān)系約束單元如表2所示。其中：VM代表點(diǎn)，LM代表線，F(xiàn)D、FM均代表面；n1、n2為平面的法向量；θ、L分別為2個(gè)幾何對(duì)象之間的夾角和偏距。

3 零件多域視圖模型

每一復(fù)雜零件都承載著多層次、多領(lǐng)域的幾何信息和非幾何信息。為完整表達(dá)零件設(shè)計(jì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，根據(jù)零件特征信息表達(dá)的層次和表述需求，從不同的刻畫(huà)角度，將零件視圖模型自頂向下、漸進(jìn)地分解為功能視圖模型、功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡視圖模型、結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型和結(jié)構(gòu)視圖模型，并基于前述的功能約束模型和結(jié)構(gòu)約束模型對(duì)上述各視圖模型進(jìn)行描述。

3.1 功能視圖模型

功能視圖模型抽象化地表達(dá)零件的功能特征，其邏輯結(jié)構(gòu)決定了零件的基本行為和結(jié)構(gòu)構(gòu)成，是零件功能特征在視圖模型上的聚合體?；诹慵鞴δ芗s束單元的時(shí)序和邏輯關(guān)系可建立零件的功能視圖模型。

按知識(shí)類型的不同，功能的形式化表達(dá)方法分為3種，即輸入輸出流表示法、動(dòng)詞-名詞表示法和關(guān)鍵字表示法［22］。由于目標(biāo)功能決定了零件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，是零件功能求解的核心，因此其形式化表達(dá)是功能視圖模型的主體部分。結(jié)合輸入輸出流表示法和關(guān)鍵字表示法，將關(guān)鍵字Pn作為表達(dá)功能的謂語(yǔ)連詞，用于表達(dá)諸如支撐、連接等基本功能單元。按照零件功能單元間的輸入輸出邏輯關(guān)系，對(duì)各基本單元按時(shí)序和邏輯關(guān)系進(jìn)行組合，構(gòu)成功能約束單元。采用工序圖描述零件的功能單元及其組合關(guān)系，形成零件功能視圖模型，如圖7所示。圖5所示支架的功能視圖模型如圖8所示。

表2 形位關(guān)系約束單元Table 2 Shape and position relationship constraint unit

圖7 零件功能視圖模型Fig.7 Part function view model

圖8 支架的功能視圖模型Fig.8 Functional view model of bracket

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的功能存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，須通過(guò)功能分析和分解建立其功能視圖模型。為便于通過(guò)功能單元的組合低成本地滿足零件多樣化和個(gè)性化需求，功能視圖模型的功能單元須滿足下列要求：

1）功能單元數(shù)量適中，且功能單元之間具有盡可能小的耦合性。

2）功能單元之間的接口設(shè)計(jì)盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化。

功能視圖模型包含了零件的功能信息及隱含于各單元的幾何、拓?fù)浜图s束信息，是零件功能載體的抽象表達(dá)。它既表達(dá)了功能單元的聚合特征、相對(duì)固定的鄰接關(guān)系，也隱含零件結(jié)構(gòu)生成的屬性約束。

3.2 功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型

功能視圖模型從目標(biāo)功能的角度，描述了零件功能單元的時(shí)序和邏輯關(guān)系。以功能視圖模型為基礎(chǔ)，增加功能單元形位關(guān)系約束，建立功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型。

以支架為例，功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型如圖9所示。

首先，根據(jù)零件功能視圖模型所描述的功能單元及其關(guān)聯(lián)信息，抽取各功能單元所隱含的幾何特征信息，形成零件抽象的功能結(jié)構(gòu)屬性；然后，定義各抽象物理結(jié)構(gòu)之間的形位約束關(guān)系，通過(guò)關(guān)聯(lián)形位約束建立功能與幾何特征間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而形成零件功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型。形位關(guān)系約束是一種結(jié)構(gòu)約束，因此功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型是零件功能模型到結(jié)構(gòu)模型之間的一種過(guò)渡模型。

功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型是根據(jù)零件的功能特點(diǎn)和特定的物理需求構(gòu)建的、用于描述零件構(gòu)成單元抽象物理結(jié)構(gòu)和幾何特征信息的零件模型。該模型既可用于表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，又可對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型加以抽象描述，是一種零件結(jié)構(gòu)的骨架模型。

圖9 支架的功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型Fig.9 Semantic description model of function structure transition of bracket

3.3 結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型

功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型從語(yǔ)義表達(dá)的角度對(duì)單元間結(jié)構(gòu)約束信息進(jìn)行了描述。對(duì)功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型進(jìn)行圖形化表達(dá)，即可建立結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型。

零件可視為具有一定結(jié)構(gòu)約束的功能表面的集合。從功能表征的角度，零件的設(shè)計(jì)及功能特征可進(jìn)一步表征為功能表面的名義特征，即組成功能表面的參考點(diǎn)、參考直線或參考平面等最小幾何基準(zhǔn)要素的集合［23］。將功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型所表述的零件骨架模型進(jìn)行基于功能表面及其名義特征的實(shí)例化處理，從零件實(shí)現(xiàn)功能的最基本原理出發(fā)，抽取它們結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)特征，圖形化顯示零件功能對(duì)象及其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息，形成結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型。

支架的結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型如圖10 所示。首先，基于其功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型所描述的幾何特征信息，確定各功能單元的名義特征；在此基礎(chǔ)上，基于形位關(guān)系約束和位置特征信息，建立名義特征間的形位關(guān)系，并進(jìn)行圖形化表述，形成結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型。圖10中，分別用y、z表征軸支撐與面支撐在Y、Z方向的中心偏距。該模型規(guī)定了零件各構(gòu)成單元的結(jié)構(gòu)特征，以及各單元工程語(yǔ)義約束的關(guān)系和空間位置關(guān)系，并進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，摒棄了零件的次要功能。

圖10 支架的結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型Fig.10 Structure reduction view model of bracket

顯然，結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型是從零件模型中抽象出功能零件的核心組成部分而構(gòu)建的，體現(xiàn)了系統(tǒng)解的原理和結(jié)構(gòu)布局，但對(duì)零件構(gòu)成單元的幾何特征及其邊界沒(méi)有嚴(yán)格的限定。

3.4 結(jié)構(gòu)視圖模型

對(duì)結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型的每一個(gè)名義特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的形位約束進(jìn)行幾何約束求解。即將功能要求所定義的零件設(shè)計(jì)特征及其對(duì)應(yīng)的功能表面名義特征映射為物理載體，根據(jù)一定的算法求解出滿足約束的幾何圖形；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)單元之間幾何和拓?fù)潢P(guān)聯(lián)信息的鄰接位置，確定幾何邊界；定義結(jié)構(gòu)單元之間的拓?fù)浼s束關(guān)系，如相容、相交、相離和相接等，將結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型從空間維度進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建零件的結(jié)構(gòu)視圖模型。支架的結(jié)構(gòu)視圖模型如圖11所示。

圖11 支架的結(jié)構(gòu)視圖模型Fig.11 Structural view model of bracket

在結(jié)構(gòu)視圖模型中，零件構(gòu)成體素特征可分為設(shè)計(jì)特征和關(guān)聯(lián)特征兩類。設(shè)計(jì)特征是根據(jù)零件的功能屬性生成的、實(shí)現(xiàn)特定功能的相關(guān)結(jié)構(gòu)的聚集，其組合形式和關(guān)鍵參數(shù)信息在結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型中已有明確的定義，如圖11中的底板與軸支撐。關(guān)聯(lián)特征用于連接設(shè)計(jì)特征，它依賴于設(shè)計(jì)特征而存在，并通過(guò)關(guān)聯(lián)約束實(shí)現(xiàn)相鄰設(shè)計(jì)單元的組合，體現(xiàn)了零件的結(jié)構(gòu)特性，如圖11中的連接板和肋板。

4 基于多域視圖模型的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從功能視圖模型、功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型、結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型至結(jié)構(gòu)視圖模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，零件的結(jié)構(gòu)信息逐步擴(kuò)展，其設(shè)計(jì)狀態(tài)體現(xiàn)為一種遞進(jìn)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。在這一過(guò)程的每一階段，零件模型的信息都是不完整的，因此其所對(duì)應(yīng)的零件結(jié)構(gòu)就可以形成多重解釋，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)零件的變型和系列化設(shè)計(jì)。

4.1 基于功能視圖模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋

不改變功能視圖表示的基本功能（即不改變功能視圖的基本結(jié)構(gòu)），通過(guò)變更其構(gòu)成單元的目標(biāo)功能信息，即可構(gòu)建多種形式的零件結(jié)構(gòu)，形成基于功能視圖模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋。如圖12所示，針對(duì)支架功能視圖模型的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)變更組成模型功能單元的關(guān)鍵字P1或P2，即可形成不同的零件結(jié)構(gòu)。

圖12 基于功能視圖模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋Fig.12 Multiple interpretations of part structure based on functional view model

4.2 基于功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋

當(dāng)功能視圖模型確定后，構(gòu)成零件的基本功能單元及其之間的時(shí)序和邏輯關(guān)系已唯一確定，因此，在建立功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型時(shí)，對(duì)功能單元所進(jìn)行的語(yǔ)義描述具有唯一性。但該模型中還包含為完成特定功能所定義的一些抽象結(jié)構(gòu)信息、語(yǔ)義及形位關(guān)聯(lián)信息，對(duì)這些信息進(jìn)行不同的釋義會(huì)得到不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，從而形成零件結(jié)構(gòu)的多重解釋。如圖13所示，不改變支架的基本功能語(yǔ)義，當(dāng)將其抽象幾何特征的形位關(guān)聯(lián)信息由平行變更為相交或垂直時(shí)，零件的結(jié)構(gòu)就變更為①或②的形式。

圖13 基于功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋Fig.13 Multiple interpretations of part structure based on semantic description model of functional structure transition

4.3 基于結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋

根據(jù)功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型所傳遞的信息，在結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型中，對(duì)完成目標(biāo)功能的功能表面及其名義特征、名義特征之間工程語(yǔ)義約束的關(guān)系和定性空間形位關(guān)系的定義具有唯一性。但從定量的角度看，特征之間的定位關(guān)系具有可擴(kuò)展性，對(duì)其進(jìn)行不同的定義會(huì)形成零件結(jié)構(gòu)的不同解釋。如圖14（a）所示，對(duì)支架P1、P2功能的幾何特征定量位置關(guān)系的描述為x=0，y≠0，z≠0；當(dāng)將這種定量位置關(guān)系改變?yōu)閤=0，y≠0，z=0 或者x=0，y=0，z≠0時(shí)，零件結(jié)構(gòu)則可變更為圖14（b）和圖14（c）所示的結(jié)構(gòu)。

圖14 基于結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋Fig.14 Multiple interpretations of part structure based on structure reduction view model

4.4 基于結(jié)構(gòu)視圖的零件結(jié)構(gòu)多重解釋

結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型體現(xiàn)了零件系統(tǒng)解的原理和結(jié)構(gòu)布局。建立零件結(jié)構(gòu)視圖模型時(shí)，通過(guò)對(duì)零件構(gòu)成單元的幾何特征及其邊界，以及零件結(jié)構(gòu)單元之間幾何和拓?fù)潢P(guān)聯(lián)信息的求解，可產(chǎn)生不同的特征，形成零件結(jié)構(gòu)多重解釋。如圖15所示，支架的原始結(jié)構(gòu)如①所示，當(dāng)改變其底板及其附屬孔的幾何特征時(shí)，①可變更為②、③；當(dāng)將底板與孔的拓?fù)潢P(guān)系約束由xPy變更為xT（f）y時(shí)，結(jié)構(gòu)①可變更為④；同理，結(jié)構(gòu)①也可變更為⑤。

圖15 基于結(jié)構(gòu)視圖模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋Fig.15 Multiple interpretations of part structure based on structure view model

5 應(yīng)用實(shí)例

擬設(shè)計(jì)一導(dǎo)向平移機(jī)構(gòu)，使得其中的一個(gè)零件能夠?qū)崿F(xiàn)沿特定方向的平移。

5.1 導(dǎo)向平移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)向平移機(jī)構(gòu)的功能描述如圖16所示。其中導(dǎo)向機(jī)件和移動(dòng)零件的主體幾何結(jié)構(gòu)特征均為回轉(zhuǎn)體，要求移動(dòng)零件的軸線a2與導(dǎo)向機(jī)件的軸線a1同軸，且零件能夠沿a1作軸向平移。

圖16 導(dǎo)向平移機(jī)構(gòu)的功能描述Fig.16 Function description of guide translation mechanism

將導(dǎo)向平移機(jī)構(gòu)的功能信息進(jìn)一步規(guī)范化表示，可得其功能視圖模型，如圖17所示。對(duì)于移動(dòng)零件，其子功能R2是一種基于導(dǎo)向功能R1的平移運(yùn)動(dòng)，因此兩者之間形成串行有序列功能約束；對(duì)于導(dǎo)向機(jī)件，導(dǎo)向功能Q2與固定功能Q1為具有同等地位的2個(gè)功能，因此兩者之間形成并行無(wú)序列功能約束。

圖17 導(dǎo)向平移機(jī)構(gòu)的功能視圖模型Fig.17 Functional view model of guide translation mechanism

以移動(dòng)零件為例。根據(jù)導(dǎo)向平移機(jī)構(gòu)功能視圖模型所描述的關(guān)聯(lián)信息，以及各功能單元所隱含的幾何特征信息，確定導(dǎo)向及平移兩個(gè)功能單元的功能結(jié)構(gòu)屬性；在此基礎(chǔ)上，定義單元之間的形位約束關(guān)系，形成移動(dòng)零件的功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型，如圖18（a）所示。對(duì)其功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型進(jìn)行基于功能表面名義特征的擴(kuò)展，形成結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型，圖18（b）所示。對(duì)其每一名義特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，形成結(jié)構(gòu)視圖模型，如圖18（c）所示。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步生成其結(jié)構(gòu)模型，如圖18（d）所示。

圖18 基于多域視圖模型的移動(dòng)零件的設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.18 Design process of mobile part based on multi-domain view model

在移動(dòng)零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)其功能描述以及在結(jié)構(gòu)模型生成過(guò)程中所形成的幾何與形位約束關(guān)系，可以很直觀地確定零件的幾何公差等技術(shù)要求，從而生成其完整的結(jié)構(gòu)模型，如圖19所示。對(duì)應(yīng)地，可生成移動(dòng)零件的裝配結(jié)構(gòu)，如圖20所示。

圖20 移動(dòng)零件的裝配結(jié)構(gòu)Fig.20 Assembly structure of mobile part

5.2 零件結(jié)構(gòu)的多重解釋

保持移動(dòng)零件基本功能R1、R2不變，在移動(dòng)零件建模的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行基于功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型、結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型以及結(jié)構(gòu)視圖模型的多重解釋，可以形成不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖21所示。

1）對(duì)如圖18所示的零件多域視圖模型，進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖模型的多重解釋，將z≠0 轉(zhuǎn)換為z=0，則可生成夾持機(jī)構(gòu)，如圖21中①所示。

2）對(duì)圖21的①進(jìn)行基于功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型的多重解釋，則可生成舉升小機(jī)構(gòu)，如圖21中②所示。

3）對(duì)圖21的②進(jìn)行基于功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型以及結(jié)構(gòu)視圖模型的多重解釋，可生成五軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖21的③所示。

4）對(duì)圖21的③進(jìn)行基于功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型的多重解釋，可生成滑臺(tái)升降機(jī)構(gòu)，如圖21中④所示。

5）對(duì)圖21的③、④進(jìn)行基于功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型的多重解釋，可生成雙向伸縮貨叉機(jī)構(gòu)，如圖21中⑤所示。

6）對(duì)圖21的⑤進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)視圖模型的多重解釋，可生成間隙升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)，如圖21中⑥所示。

5.3 討論

從上述實(shí)例可以看出，通過(guò)多域視圖可建立零件從功能到幾何結(jié)構(gòu)的完整過(guò)渡模型。在這一設(shè)計(jì)模式下，在需求設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)階段所處理的語(yǔ)義信息以及工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)原理、工程知識(shí)等，通過(guò)功能視圖模型、功能結(jié)構(gòu)過(guò)渡語(yǔ)義描述模型、結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)視圖以及結(jié)構(gòu)視圖模型的層級(jí)遞進(jìn)，逐步融入零件幾何模型中，使得零件幾何模型不斷豐富，呈現(xiàn)為設(shè)計(jì)狀態(tài)不斷遞進(jìn)演化的過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，可完成其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成從設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生、語(yǔ)義到結(jié)構(gòu)信息的轉(zhuǎn)化直至零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有機(jī)集成。

6 結(jié) 論

圖21 基于多域視圖模型的零件結(jié)構(gòu)多重解釋Fig.21 Multiple interpretations of part structure based on multi-domain view model

1）零件的功能和結(jié)構(gòu)在一定范疇內(nèi)往往是動(dòng)態(tài)的，具有多狀態(tài)性。傳統(tǒng)的零件建模方法未考慮零件的這種多狀態(tài)性，使得這些方法難以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中具有多功能性的零件進(jìn)行精準(zhǔn)建模。通過(guò)構(gòu)建多域視圖模型，定義了零件從功能到結(jié)構(gòu)的規(guī)程化的演化過(guò)程，形成了一個(gè)具有過(guò)程性、動(dòng)態(tài)性、層次性和遞進(jìn)演化特性的零件對(duì)象定義模型。

2）在不改變?cè)辛慵竟δ芸蚣艿那疤嵯拢ㄟ^(guò)對(duì)零件各視圖模型中基本設(shè)計(jì)需求以及對(duì)其蘊(yùn)含信息的挖掘，可獲取表達(dá)零件幾何信息和非幾何信息的多重解釋；通過(guò)改變?cè)谢灸Ｐ途植拷Y(jié)構(gòu)的配置形式或者配置參數(shù)，可得到具有不同結(jié)構(gòu)的零件，進(jìn)而可以通過(guò)對(duì)幾何特征及特征約束的編輯操作更新模型，甚至更新零件的功能，從而驅(qū)動(dòng)零件的變異設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于模型的零件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)更改和系列化設(shè)計(jì)。

3）零件設(shè)計(jì)涉及功能、結(jié)構(gòu)等大量領(lǐng)域知識(shí)。通過(guò)零件多域視圖模型的構(gòu)建，將設(shè)計(jì)過(guò)程中功能的流向性、連續(xù)性等頂層抽象特性集成于零件建模過(guò)程，實(shí)現(xiàn)功能和結(jié)構(gòu)信息在裝配結(jié)構(gòu)以及幾何形位約束特征之間的有效傳遞。這些信息的傳遞，一方面有助于實(shí)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)的有序進(jìn)化，另一方面提供了在零件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)參數(shù)的傳遞方式以及尺寸及形位公差的定義規(guī)范，擴(kuò)展了狹義的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范疇，有助于實(shí)現(xiàn)基于模型的計(jì)算機(jī)輔助零件設(shè)計(jì)，推進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化。