變型設計

變型設計是關於設計方法和過程的一種分類定義，是指提取已存在的設計或設計計畫、作特定的修改以產生一個和原設計相似的新產品。這種修改一般不破壞原設計的基本原理和基本結構特徵，是一種參數的修改或結構的局部調整或兩者兼而有之，其目的是快速、高質量、低成本地生產新產品以滿足不斷變化的市場的要求，Pahl和Beitz最早將設計分為初次設計(original design)、適應設計（ adaptive design ）、變型設計（variant design)，並指出在實際的設計工作中大約70%屬於適應性設計和變型設計。

基本介紹

• 中文名：變型設計
• 釋義：在形狀色彩構成方面的改變扭曲
• 使用工具：CAD
• 設計的理論：裝配模型的變型設計理論

釋義

一般解釋為 在預先定出的工作方案和計畫,繪出的圖樣的基礎上改變原來的形態或對原來事物的扭曲

這個變形包括 工業設計Industrial Design環境設計Environmental Design 建築設計 Architecture Design

室內設計Interior Design 網站設計 Web design服裝設計Clothes Design平面設計Graphic Design環藝設計 Designed Huanyi影視動畫設計 Television animation design

等設計中在形狀 圖示 色彩 構成 方面的形態的改變 扭曲

研究型

變型設計是如此重要和存在如此廣泛，這在客觀上要求CAD系統能夠支持這種設計方法，但目前存在的CAD系統對這種設計方法的支持程度十分有限，因而使有關變型設計的理論和方法成為當今CAD研究的—個重點。

一種基於裝配模型的智慧型變型設計系統框架。

變型設計對CAD系統的要求

變型設計是對已存在的設計的結構的局部調整和參數的修改，CAD系統要支持這種設計方法必需滿足以下要求：

(1)提供維持原有產品功能、原理的方法和工具；

(2)提供對已存在的設計的有效管理和組織的手段，方便對設計的檢索和存取；

(3)提供對已存在的設計的快速修改的方法和工具。

目前存在的變型設計的理論和方法

基於裝配模型的變型設計理論

目前的CAD系統建立了產品的完整的幾何模型，這種建模方法是從零件的建模開始的，以完成零件的拼裝形成整個產品幾何設計為最終目標。這種方法一方面是一種自底向上的建模方法，同時也難以表達產品的功能信息、裝配信息等設計者的設計意圖，因為產品的功能不是由單個零件表現出來的，而是由不同零件的組合即裝配體實現的。因此裝配模型是提供和維護產品功能設計意圖的關鍵。裝配建模即是裝配模型的建立過程，旨在建立完整的描述產品裝配信息的數據模型，以期不僅可以表達零件的幾何模型，而且可以通過表達零件之間的裝配關係反映整個產品的功能要求和設計者的設計意圖。

常用的描述零件及零件之間裝配關係的數據模型有兩種：

關係模型：主要用聯接圖方式來表現零件之間裝配關係，在聯接圖中，節點表示零件，聯接弧表示零件間的裝配關係（主要是坐標變換）。

層次模型：以關係模型為基礎，增加零件的安裝順序約束，可得到裝配層次模型，零件子裝配體和裝配體之間形成層次關係，裝配分析和設計分析以子裝配體為研究對象。

但這兩種數據模型表達的設計信息仍然十分有限，只表達了零件之間的裝配位置關係，無法從這些關係中獲取更多的產品的功能要求和設計者的設計意圖。

裝配模型是人們為了提高CAD的智慧型水平和為支持設計過程的較高層次而提出的，它比較符合人們的自然設計過程，同時也是一種良好的變型設計方法，近年來國內外對裝配模型及建模方法進行了深入的研究，但至今仍未形成完整的理論體系和實用的建摸手段，目前的CAD系統也無法支持裝配建模。

模組化變型設計

模組化設計是以功能分析為基礎，通過功能相同而性能用途不同的各模組的互聯組合而實現各種基型產品和變型產品。

模組化設計包括模組的創建和模組的綜合兩個過程。模組創建包括功能模組的劃分過程和功能模組的結構設計過程；模組綜合則是根據具體設計要求，進行功能分解，並從模組集中選擇合適的模組實現分解功能，並最終將分功能模組組合形成產品。

模組化設計可以使產品的設計、製造周期大大縮短，降低成本且提高產品的質量，並可使產品具有很大的靈活性和適應性；能快速回響用戶的多品種、小批量的需求，使產品具有很強的市場競爭力。

模組化設計是建立在模組的定義和組織管理基礎之上的，其對特定產品的模組的劃分不是隨意的，而且一模組與另一模組之間的裝配關係是預先確定的，也不能隨意改變，因而這也就限制了其使用範圍。它適用於工具機等行業中產品功能基本相同，但多品種的產品設計。使用這種設計方法不可能建立一種通用統一的設計環境或適應於較大範圍的產品設計。

基於特徵的變型設計理論

特徵技術是為克服傳統CAD系統的缺陷，為了CAD/CAM集成的需要提出的。

傳統的CAD系統的產品建模方法是幾何建型，是基於形體的幾何尺寸的造型方法，它們的模型都不包括諸如定位基準、公差、表面粗糙度、加工裝配精度及材料等工程信息，因而只是產品的幾何表達，不能滿足產品設計及加工的要求。

特徵設計是面向設計和製造的全過程，它是以幾何模型為基礎並包括零件設計、生產過程所需的各種信息的一種產品模型方案。它允許設計者通過組合常見形體，如：槽、筋、凸台、鍵槽等來完成產品的設計，而不是使用抽象的幾何點、線、面。系統提供了用不同屬性值實例化特徵的能力，而且一般常用的形狀特徵由系統設計者以特徵庫的形式提供給用戶，且許多系統允許用戶用自定義特徵擴展系統特徵庫。

特徵技術的發展給產品的變型設計提供了一種手段，用戶通過對一系列特徵的實例化和特徵的自動維護達到產品的變型設計的目的。

但特徵技術存在許多問題：設計人員在設計時必須採用系統預定義的特徵來設計產品；特徵設計使概念設計、技術設計完全受製造方法的限制；特徵設計用於變型設計時，一般和參數化設計方法結合，但特徵間的互動作用對特徵的影響和設計過程中特徵的有效性的維護，都是這種變型設計方法的致命缺陷。從根本上講特徵設計是零件級的設計，特徵設計無法支持概念設計和自頂向下的設計方法，不支持產品設計的全過程。

基於參數設計變數設計方法的變型設計

參數設計一般是指設計對象的結構形狀比較定型，可以用一組參數來約定尺寸關係。參數的求解較簡單，參數與設計對象的控制尺寸有顯式的對應關係，設計結果的修改受到尺寸驅動。生產中最常用的系列化、標準化設計就是屬於這一類型。

變數設計是設計對象的修改需要更大的自由度，通過求解一組約束方程組來確定產品的尺寸和形狀。約束可以是幾何關係，也可以是工程約束，約束結果的修改受到約束方程驅動。

參數設計和變數設計適用於產品的初始設計和定型產品系列設計，使產品的設計圖紙可以隨著某些結構尺寸的修改和使用環境的變化而自動修改。

在變數設計中必需著重考慮的是約束滿足問題(CSP——Constraint Satisfaction Problem），而設計一個高效的約束求解器則是變數設計的難點。目前國內外基於約束的變數設計方法的實現方案主要有：數值約束求解方法疊代法、基於規則的幾何推理方法、基於圖論的約束求解方法、基於構造過程的方法。

目前變數設計是CAD系統研究的重點，其目的是為快速修改設計結果提供一個強有力的工具，但因為表達的信息量小、約束的多樣性和處理工程約束的複雜性，使目前的變數設計系統無法完全解決變型設計中存在的問題。

基於實例推理技術的變型設計理論

在變型設計中引入實例推理技術(Case-based Reasoning——CBR)是勢在必行的。近年來國內外的研究實踐也充分地證明了這一點。Chandrasekaran的PCM(Propose-Critique-Modify)設計方法也很好地說明了設計過程與CBR過程的對應關係。

Chandrasekaran將設計方法定名為PCM，它包括建議(Propose）、評判（Critique）和修改(Modify)三個步驟，這個實際的設計過程與CBR過程存在著並行的對應關係，如圖1所示。CBR很自然地符合了設計師的實際設計過程。PCM設計過程與CBR過程的比較分析有力地說明了採用CBR解決設計問題的合理性。圖1　PCM設計方法和CBR過程的對應關係

國外在研究CBR技術套用於設計時，主要集中在建築設計領域，形成了一些商用系統，也有套用於機械設計方面的，但至目前仍未有成熟的軟體。國內在實例推理技術的研究套用方面剛剛起步，處於引進學習和研究階段。

國內外有關實例推理技術套用於設計中的理論研究和實踐，勻沒有很好地解決實例修改這一難題，所有這樣的研究和實踐可以分為兩類：一是設計支持系統，這樣的系統只是一個瀏覽器，提供給設計者眾多設計實例，並按新的設計要求自動選擇一些實例提供給用戶選擇，但是實例的修改是由用戶和系統交換完成的。另一類是自動設計系統，希望找到一種系統自動修改實例的方法，這當然是相當困難的，但是這種努力仍是相當有意義的。

基於關係型產品模型的變型設計理論

上海交通大學陳俊、鐘廷修根據合理化工程哲理的訂單規劃的需要，提出了一種關係型產品模型（Relation-based Product Model,RPM)，即是在先進的信息理論和計算技術的支持下，定義和表達重用產品資源所必需的產品數據及其數據關係的數位化的信息模型，分析了訂單規劃活動的信息類型和信息內容，得到了RPM的邏輯構成，它們是：設計模型、工藝模型、製造模型、成本模型。作者詳細分析了設計模型，利用產品重組技術對企業的資源按面向對象的方法進行分類重組，建立了對象的分類框架，實現了對象的抽象定義，在此基礎上建立了對象的類屬模型，利用這些技術實現了企業產品的合理、快速變型設計。

總之，以上述及的變型設計理論和方法，均不同程度地解決了變型設計中一些重要問題，達到了一定的目的和要求。它們除了具有各自的不足外，也存在以下共同的缺陷：

(1)不支持產品設計的全過程，無法表達設計者的設計意圖，特別是在概念設計階段；

(2）無法充分利用企業的現有資源，變型設計的結果往往使企業的資源空間呈膨脹趨勢，這必將造成資源的浪費、成本的增加和生產效率的低下。模組化設計和基於實例推理技術的變型設計方法有解決這個問題的可能性，但尚缺少行之有效的實施手段；

(3）沒有提供對已有產品資源的有效的組織管理形式和手段，缺少多層次的變型方法。這樣的條件下，導致設計人員在進行變型設計時，不是求解的方法和求解的結果嚴格受限，就是非變型的產品的大量湧現，達不到變型設計的目的；

(4）缺少一個有效的支持變型設計的人機協作的環境。

基於裝配模型的智慧型變型設計框架

裝配模型通過建立零部件之間的幾何模型及它們之間的裝配信息描述，表達並維持設計意圖、產品原理和功能，是一種支持概念設計和技術設計的產品模型，而實例推理（CBR)技術則為以過去解決某類問題的成熟方案為基礎來解決目前的相似問題這一過程提供了一種行之有效的方法，實例庫則是設計的結晶，同時又是一種組織已有技術的工具。本文將裝配模型和CBR技術結合起來，提出了一種基於裝配模型的變型設計智慧型框架，充分發揮了裝配模型和CBR技術各自的優點，這種變型設計框架有望解決上述指出的變型設計理論和方法存在的缺陷。

本文提出的基於裝配模型的智慧型變型設計框架如圖2所示。其中裝配模型是CBR的技術基礎，而CBR則是整個智慧型框架的核心；概念建模是解決設計問題的起點；CSP——約束滿足技術，套用於實例的自動修改。這個框架具有以下的特點：

(1)概念建模是和變型設計方法密切相關的，和一般意義上的概念建模不同，它是一個解空間受限的建模；

(2)裝配模型是實例推理的基礎，裝配建模是在CBR的運行過程中實現的，這樣使裝配建模的結果大量地重用了企業的已有資源，不同於一般的裝配建模方法；

(3)實例採用概念模型和裝配模型表示，並具有多視圖的特點，可以克服CBR技術的一些致命缺陷，如：實例表示的內容的有限性、實例適應的訪問範圍窄、實例的檢索修改難度大等。

結論

綜上所述，可以得出以下結論：

(1）CAD系統必需支持產品的設計全過程，必需為大量存在的變型設計提供支持，但目前的CAD系統及有關的理論方法無法實現這些要求；

(2）基於裝配模型的智慧型變型設計框架則為解決變型設計中大量問題提供了一種有效的途徑，這種框架使產品的數據管理和設計過程密切結合起來，使企業的資源重用成為可能，大大地提高了CAD系統對變型設計的支持能力；這方面的研究目前正在深入進行。

PDM環境下基於實例推理的變型設計技術研究

基於實例推理的變型設計技術是實現大規模定製的一項關鍵技術。目前，國內外相繼出現了一些基於實例推理為基本方法的變型設計求解方法。但是這些方法普遍存在著一個問題，即實例庫的建立存在著不足。建立實例庫時，一方面，要求實例庫必須十分完善，以便進行變型設計時能夠找到模板，另一方面，要求實例庫儘可能簡潔，減少不必要的和重複的實例，避免實例庫過於龐大，影響設計效率。以往提出的變型設計求解方法，在建立實例庫時，這兩點很難兼顧。針對這個問題，本文提出了一種在產品數據管理(Product Data Management, PDM)環境下，基於實例推理(Case-Based Reasoning，CBR)的變型設計系統。套用PDM 系統有很多優點，第一，可以解決大量的信息管理問題; 第二，可以充分利用企業現有資源，使實例庫的建立過程大大簡化p 第三，使實例庫包含的內容更全面，以便進行變型設計時能夠做到有例可查，保證變型設計的質量和效率。第四，避免實例庫的內容繁冗、重複，第五，實例庫本身需要不斷更新。隨著時間的推移，有些實例會失去其典型性，需要刪除，而新的實例又需要補充進來。在PDM環境下，容易實現實例庫的更新。

CBR變型設計

基於實例的推理技術是人工智慧(Arficial Intelligence，AI)方向的一個重要研究領域，基本原理是:在實例庫中預先存入大量已有的、成熟的實例，根據待設計產品的要求和特徵，按照相似度從實例庫中檢索出一個最相似實例，進行必要的修改、組合和處理後，即可形成新的產品設計方案，並且，其中具有可擴展性的方案又可作為新的實例不斷豐富實例庫。CBR技術的

核心在於利用過去的實踐經驗來解決新問題。

CBR變型設計過程包含以下四個步驟:識別階段、實例檢索、實例修改和實例存儲。

1)識別階段:對顧客要求進行分析並轉化為初始條件，連同其他相關信息輸入到實例庫；

2)實例檢索:根據問題要求和初始條件，從實例庫中檢索出與當前問題最相似的實例。實例相似包括:功能相似；結構相似；事物特性參數相似。包括表征功能結構幾何特性、功能特性和製造特性的信息集合。

3)實例修改:對檢索出的最相似實例，進僧制或功能上的修改，形成解決問題的方案，目前，實例的修改有以下幾種方法:人工干預，即設計人員人工修改設計實例；基於知識的修改；實例組合。

4)實例存儲:新產品方案實施後，對其進行盼，如果該方案具有可擴展性，則將其作為新實例存儲到實例庫中，同時，作為企業的資源，該方案還要存儲到POM當中，如果該方案不具有可擴展性，則直接存入POM當中。

本系統利用SmarTeam這種PDM軟體建立實例庫。設計人員根據需要從實例庫中通過實例檢索求出一個最相似實例作為實例模板，進行變型設計。求解模型如圖1所示。