产品自顶向下设计的研究现状及发展方向Word下载.docx
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造的设计（DFM）。
Top-Down设计存在的主要问题是:
（1）装配模型是实现产品Top-Down设计的关
键。
目前,缺少一个支持产品Top-Down设计,即
支持概念设计、数化设计再到详细设计的装配模
型。
（2）从概念设计阶段的功能模型到参数化设计
阶段的结构模型的转化,是Top-Down设计的最初
收稿日期:
2001-01-08;
修订日期:
2001-05-08。
作者简介:
刘文剑（1944-）,男,黑龙江人,哈尔滨工业大学CAD/CAM研究所所长,教授,博士生导师,主要从事CIMSCAD/CAM技术、装
设计、航制造和工业机器人方面的研究。
E-mail:
cadcam@hope.hit.edu.cn。
国存
参
关配
、工
宇
2
第8卷
演化阶段,目前缺少一个实现这种演化的有效方法,
即缺少实现产品功能到结构的映射推理方法。
（3）参数化结构模型转化成详细装配模型,是
Top-Down设计的第二个演化阶段。
在这个阶段,
需要对工件尺寸、配位置进行调整,以获得最终的
理想结构,而目前缺少一个在对零件尺寸、置进行
调整时,保持装配模型中的工程约束和尺寸约束的
有效方法。
（4）为验证是否存在装配干涉问题。
需要高效、
快速的装配顺序规划方法,而当前的装配顺序规划
方法都很难达到这一要求。
（5）缺乏一个将CAD,CAPP,CAM有效地集成
起来,进行并行设计的系统框架。
2 国内外研究现状
Top-Down设计所涉及技术的研究,包括Top
-Down设计系统、装配模型的表达、模型建立、模
型分析,以及装配顺序规划等方面。
提出,并于1990年在IBM研发中心研制一套原型
系统。
主要由功能设计、几何结构选择和约束求解
三部分组成。
（2）基于功能理解的设计系统Delta,是Jin-
KangGui等在WAYT基础上,于1993年开发的一
套原型系统。
该系统改进了产品模型的表达方法,
增强了产品功能模型的建模方法,将装配模型分为
功能视图和结构视图两部分。
同时增加了专家系统
推理功能。
（3）功能与特征集成的产品建模系统GNOSIS,
由英国、兰、日本、美国等多所大学合作,于1996
年研制的智能制造系统（IMS）的一部分,由功能设
计系统SYSFUND和子结构设计系统MCOES两部
分构成。
（4）基于面向对象表达的Top-Down设计系统
CONGEN,是由美国国家标准与技术委员会
（NIST）组织,S.R.Gorti等人提出的,1998年实现
了一个原型系统,主要实现产品的概念设计,并对产
品的功能、构、为进行统一建模。
Top-Down设计系统设计的主要研究者及现（5）PTC公司的Pro/Top-Down设计系统,先
状见表1。
简要说明如下:
通过Pro/LAYOUT模块在二维环境下定义产品的
（1）交互式设计系统WAYT,是由Top-Down装配约束,并将这些约束传递到产品三维装配设计
的早期研究人员、芬兰赫尔辛基大学的M.Mantyla及分析中,是一个实用的产品。
表1 Top-Down系统研究状况
序号系统名称装配模型推理方法系统特点研究人员
[2]
[3]
[4-6]
4CONGEN面向对象模型专家系统侧重产品建模SreenivasaRGorti[7]
5Pro/Top-Down层次模型手工交互式侧重基准约束传递PTC[8]
加利福尼亚技术学院的LuizS.HomemdeMello,
装配模型是表达组成装配体的零件及零件间关ArthurC.Sandesson[11]等用一条连线表示一个匹配
系的数据结构。
主要有关系模型、层次模型和面向关系,这样,零件间的关系要用多条线来表达。
这种
对象模型三种。
装配模型能很好地表达装配体中零件间的关系,且
最早的装配模型为关系模型,零件和零件间的有图论作理论基础,对图的摸索、节点的增删,能较
匹配关系构成一个关系图,如图2所示。
图中节点方便地处理。
缺点是不易表达装配体中零件、子装
表示零件,节点间的连线表示关系。
美国伊利诺伊配的体系结构。
[9]
[10]
来进行装配体描述和分析。
关系的问题。
最早提出层次结
在图2中的一条连线表示两构模型的是K.Lee,并引入了
个零件间所有的匹配关系。
“虚联接”的概念来表示两个零
装
位
芬
211 Top-Down设计系统研究现状
关系模型手工交互式最早的原型系统
1
WAYT
M.Mantyla
层次模型专家系统,CBR侧重功能理解
Delta
Jin-KangGui
层次模型专家系统实现了抽象结构表达
3
GNOSIS
MerviRanta
212 装配模型表达的研究现状
大学的K.Lee
纽约Rensselaer理工大学的U.
层次结构模型解决了关系
等都采用了这种模型
模型不能表达零件子装配包含
Roy
结行
第1期
刘文剑等:
件间的匹配关系,如图3所示。
由零件构成子装配,
所有的零件和子装配构成装配体。
层次间的连线表
示子装配的组成关系,层内节点间的连线表示子装
关系,详细描述如表2所示。
表2 类结构描述
配或零件间的匹配关系。
可见,关系模型是层次模
型的一种特殊形式。
层次模型由于有子装配概念,
能更好地表达产品的实际结构,降低了产品装配顺
序求解的难度。
同时,子装配可以将完成同一功能
的零件组织在一起,不仅能表达产品的几何结构,还
名称与标号
标识（oid）
属性（A）
表 达
数字类型
A=（NA,TA,
VA）
说 明
类的唯一标识
NA:
属性名称;
TA:
属性类型;
VA:
属性取值表示对象的基
本属性,如定位方案、限定的
自由度等
能表达产品的功能结构。
美国纽约州立先进技术研究中心的TurnerJ.,
[12,13]
配位置规划方面都采用了这种模型。
这种模型也是
目前CAD产品中使用最广泛的,如Pro/E等大型
CAD系统。
芬兰赫尔辛基工业大学的Martti,KUI
等改进了这种结构,将节点分为一般零件和连接件,
既可以表示功能,又可以表示由功能演化成的几何
结构,所以用来建立面向功能理解的概念模型。
面向对象（O-O）装配模型是目前研究的热点。
关系模型和层次模型能很好地表达产品的最终结构
模型,但在产品概念设计阶段,只有产品的功能需求
和技术要求,这时用这两种模型来表达就很困难,于
是产生了O-O装配模型。
对象的特点是抽象、封
装、态和继承。
O-O模型不仅能表达构成装配
体零件的结构参数等具体属性,还能表达功能、为
等抽象属性,多个对象结合可以构成一个装配产品,
所以O-O模型既能表达详细模型,也能表达产品
的概念模型,目前已得到广泛重视。
较早将O-O
技术应用到产品建模领域的是MarefatM.[14]等,将
产品设计、艺规划和检测过程集成起来。
Ohki[15]
利用O-O技术来表达约束和结构,在船舶设计中,
[16]
19]
型包括组件的物理结构、本重量属性、于设计结
果分析的程序和对象间的关联关系。
对象可以表示为:
O={Oid,A,S,C,M,R},其
中Oid是对象的标号,A为对象的属性,S为对象
的结构,M为对象的操作方法,R为关系,这里的R
也是一个类,它可以引用其他对象并定义对象间的
外部关系,内部关系表示构成对象的结构之间的装
配关系,外部关系表示该对象与其他对象间的装配
指向CAD系统提供的结构模
结构（S）型的指针,含有几何信息和特
征信息
NC:
约束名称;
DC:
约束描述,
约束（C）C=（NC,DC）包括几何约束、工程约束,如
尺寸范围、力范围等
对象的操作函数。
实现对象
方法（M）M=F（）
的生成、化等操作
RID1,RID2:
关系引用的对象
标号;
TR:
关系类型;
AR:
关系
R
关系（R）RID1,RID2,CR:
关系约束。
可以表达该
AR,MR,CR）对象内部各组成对象间的关
系,也可以表达本对象与其他
对象间的关系,如匹配关系等
尽管O-O模型有很多优点,但也存在以下问
题:
（1）O-O模型一般是针对某个领域建立的,仅
适用于该领域的产品表达、设计和分析。
所以不同
的领域应建立不同的模型。
（2）在O-O描述中,对一个问题而言,是定义
为属性,还是一个对象,没有一个统一标准,所以建
立描述某领域产品对象的体系结构较为困难。
功能—结构映射（function-formmapping）,是
在产品Top-Down设计中,实现从产品的功能模型
到参数化结构模型转换的一种方法,是实现Top-
Down设计的关键。
实现方法是先建立功能谓词库
和结构单元库,然后定义功能谓词与结构单元间的
映射关系,根据这种映射关系,将产品功能模型转化
成参数化结构模型。
美国俄亥俄州立大学、日本东
京大学、度工业大学、新加坡国立大学、中国的西
安交通大学和天津大学[20-25]等在这方面都进行了
研究。
存在的问题是,功能和结构本质上没有必然
的对应关系,一个功能可以由多种结构来完成,同时
一种结构也可能有多种功能,所以功能-结构映射
MillerJ.等
在研究零部件装配位置求解及装
Yoshioka用对象来表达产品的物理属性知识和设
计过程知识。
在航空发动机设计中,Kolb,Bai2
ley[17-
利用O-O技术来建立概念模型,对象类
S=3P
=（TR,属性;
MR:
实现关系的方法;
213 功能—结构映射的研究现状
多
行
工
成用
受
演
印
4
不过是针对某一领域的知识,人为确定的,在使用时
缺乏扩展性和推理柔性。
采用智能方法实现功能-结构映射的方法也很
多,目前主要有数据驱动的推理和知识驱动的推理
两大类。
数据驱动的推理是通过产品的描述来实现
的,如基于事例的推理（CBR）和神经网络推理
（NN）。
知识驱动的推理是通过预先给出领域的知
识来实现的,如专家系统（ES）和定性推理（QR）。
每一种推理方式都有缺点,如CBR需要大量的事例
才能工作,NN需要大量样本对网络进行训练,ES
知识的获取和一致性表达困难,QR存在属性的模
糊化问题。
表3给出了常用推理方法的特点。
表3 功能—结构映射的智能推理方法
推理类型
数据驱动
知识驱动
推理方法
基于事例推理
神经网络推理
基于规则推理
定性推理
特点
优点:
表达知识能力强,有事例的积累能力;
缺点:
需大量事例才能很好工作
有自学习能力;
需大量训练样本
易于实现;
知识获取与表达困难
实现简单;
知识属性划分困难
研究者
Lippmann[26]
Kumara[27]
Irgens[28]
Mostow[29]
Arpaia[30]
Kurumatani[31]
零件装配位置求解方法分为:
基于几何匹配的
约束方程求解和基于特征匹配的解析求解两大类。
（1）基于几何匹配的约束方程求解法。
该求解
法是在装配的参数化结构模型或详细模型中,求解
一个零件在装配体中空间位置的一种方法。
早期要
求装配设计者输入每个零件的位置矩阵,来确定零
件在装配体中的位置,所以装配设计既困难又繁琐。
K.Lee[32,33]通过装配体中零件间的匹配关系列出
约束方程,最后导出零件空间位置矩阵,如图4所
示。
图4为两个面的贴合,V1,V2是两面的法向
矢量,P1,P2分别为两面上的点。
设T1,T2是两
零件的转换矩阵,V1′,V2′是匹配后的法向矢量,
′′
V1′=T1.V1
P1′=T1.P1
′
根据矢量几何的原理,有下列方程:
P1′P2′
上面四个方程,求不出六个未知变量,事实上,
仅有面贴合不能完全限制两零件的相对位置,从图
4可以看出,两零件在X轴方向、Z轴方向及绕Y
轴的旋转方向上都能相对移动。
因此,完全限制零
件的相对位置,还需要指定其他的匹配条件,如对
齐、向等,每一种条件都对应若干个方程。
这种方法存在的问题是求解困难。
组装N个
零件,变量个数有6×
N,方程个数达到O（N）-O
（N2）,当零件数增多时,方程数目剧增,用数值方法
求解,速度受到限制,很难达到交互装配的效果。
避
免出现此问题的方法之一是采用一种“单件顺序装
配”的方法,即每次只装一个件,将已装的所有零件
看作一个零件,这样,仅确定待装零件与已装零件间
的相对位置即可。
这种方法处理两件之间的匹配条
件和约束方程,效率很高。
目前使用的CAD产品,
如Pro/E等都是基于这种方法。
其缺点是每装一个
零件都必须将其完全定位,即必须指定全约束,若想
用后装的零件来约束先装的零件是不可能的。
同
时,指定的多种匹配方式之间容易产生冲突。
（2）基于特征匹配的解析求解法。
即用零件的
匹配特征自动导出零件在装配体中的位置。
匹配特
征是零件装配时参与装配的特征,其属性包括特征
名称、考原点、寸方向等。
这种方法中不同的特
214 零件装配位置求解方法的研究现状
P1,P2是匹配后的P1,P2对应的点。
则有:
P2=T1.P2
V2=T2.V1
P1x
P2x
（V1′x,V1′y,V1′z）-
=0
（1）
P1y-
P2y
（2）
V1x=V-2x
（3）
V1y=V-2y
（4）
V1z=V-2z
zz
定
参尺
5
征结构、配方式对应着不同的解法。
台湾交通大
学的Chao-FanChang等[34]研究了这种方法。
其
优点是零件装配时需要的参数少,不需解复杂的方
程组,操作简单;
缺点是两零件匹配时,只能有一个
特征参与装配,多个特征匹配时,出现约束冲突,不
能处理。
shahTadepadli[35]提出了一个基于特征的
装配建模系统,通过零件匹配特征间的匹配信息来
确定零件在装配体中的位置。
美国Taxes的
RichardHCrawford等提出基于中间几何的自由度
分析法[36,37],中间几何（IG）是一种介于点、、等
几何级和特征级之间的一种抽象,采用符号推理法
来分析中间几何匹配限定的自由度,并分析零件间
有多个中间几何匹配时,零件的过约束欠约束情况。
这种方法无需解方程,用推理过程实现自由度分析,
但这种方法只分析了约束满足的情况。
优
在Top-Down设计中,装配设计系统的功能约
束需要由具体的几何结构来实现,而几何结构尺寸
会因功能要求的改变而修改。
在产品的参数化结构
模型中,当改变某个零件的尺寸时,保持尺寸间约束
的一致性是很重要的。
如图5所示,零件A插入到
零件B的槽中,在零件A的尺寸d1和零件B的尺
寸d2之间就存在一种约束关系:
d2-d1≥0。
当
修改两个零件的尺寸时,这种关系必须保持。
这就
需要确定装配体中零件尺寸参数的相互影响及协调
关系,解决这个问题通常有两种方法。
（1）尺寸链分析法。
尺寸间的一致性主要靠公
差分析的方法来解决。
装配模型中的零件尺寸参数
构成公差链的节点,公差链可随装配模型中零件的
增减或尺寸改变而变化,但始终保持某种关系。
美
国Lehigh大学的P.Treacy、中国浙江大学的李海
龙等采用的就是这种方法,但公差链是以用户指定
形式交互式获得的,不能实现自动化分析[38-43]。
（2）仿真法。
即先给定零件的名义尺寸,然后给
一个微小的变化,并求出零件新的位置,分析结构对
功能的满足情况,若不满足,则再改变尺寸,直到尺
寸满足功能要求为止。
美国Purdue大学的D.C.
Anderson等采用的就是这种方法,这种方法的缺点
是计算量大[44-46]。
装配顺序规划（ASP）确定产品中各零部件的装
配顺序。
是面向装配设计或并行工程设计中的重要
环节,目前装配顺序的研究主要集中在生成方法和
结果评价两方面。
结果评价是评价多种可行装配顺
序的优劣,从中选择较好的一个,评估指标主要包括
操作次数、本等,已经取得一定的成果。
装配顺序
的生成还存在许多困难,生成方法主要分三类:
（1）拆分法。
即变装为拆的方法（assemblyby
disassembly）,将装配过程看作拆分的逆过程。
采用
这种方法研究的人最多。
Sanderson等[47]根据装配
模型中各零件间的匹配关系,定义出割集（cut-
set）,从而将整个装配分解成多个子装配,然后拆分
之,最终形成分解顺序。
H-THuang等[48,49]则根
据装配模型中零件的几何信息和匹配关系找出最外
面的零件,并沿某一方向拆开,然后找到邻近的拆分
零件,直至将所有零件拆开,从而形成拆分顺序。
如
图6所示,装配图a中有P1,P2,P3三个零件,在
运动方向球面图b中标志出三个零件在空间移动时
的限制关系,根据这种关系,可以确定拆分顺序。
国Stanford大学的BruceRomney等[50]基于这种方
法开发了一套原型系统。
该系统有较多的假定限
制,且在现有的计算速度下只能分解20～40个零件
组成的装配体[51,52]。
calsequence）。
先定义基本组件库,库中存储基本组
件的结构及相应的装配顺序。
将一个装配体按照基
本组件库中的基本组件结构进行分解,形成分级结
构,并找到各子结构的装配顺序,并将它们合并,从
而形成整个装配体的装配顺序,美国TaxesA&
M
大学的JanWolter等采用的就是这种方法,但目前
还不成熟[53]。
（3）推理法。
主要是基于实例的推理（Cases
BasedReasoning）,即由专家给出一些典型的装配顺
序,并连同装配结构存储到实例库中。
将待规划的
215 装配模型的尺寸约束修改、化研究现状
216 装配顺序规划的研究现状
（2）合并法。
即合并局部装配顺序（merginglo2
匹
线面
成
6
装配结构与实例库中的实例进行比较,找出相似实
例并修改,然后得到可行的装配顺序。
美国Taxes
大学的ArunSwaminathan等[54-56]、中国南京理工
大学的苏强等[57]采用的就是这种方法,但用该方法
建立实例库较困难。
3 研究的发展方向
产品Top-Down设计已经取得了一定的成果,
笔者认为还需要在如下方面作进一步研究:
（1）研究产品装配模型的表达
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