直接建模（Direct Modeling）的概念是与基于历史的参数化建模（History Based Parametric Modeling）概念相对应的，能够摆脱对历史建模数据的依赖，更加直观地体现建模设计者的意图（Design Intent）。早期的CSG建模技术可以看作直接建模的鼻祖，人们从基本的几何形状出发，通过布尔运算得到更加复杂的模型。
随着参数化造型技术的飞速发展，仅靠单一的建模方法的弊端越来越明显，比如：制造厂商之间的模型交流出于保密的目的，有些是没有建模历史等详细信息的，下游厂商如果要修改模型的话就会碰到很大的困难，甚至要从头进行建模。尽管目前技术还不成熟，学界和CAD厂商对直接建模的定义和发展方向都有自己的看法，但是毫无疑问，人们摆脱以往单一的参数化建模方式的愿望越来越迫切，而直接建模就是可选择的方法之一。本文将重点讨论应用与模型无参数修改的直接建模技术。
1 直接建模的优势
直接建模最大的优势在于不依赖于任何建模历史参数对模型进行修改，比如在产品物理原型基础上的重新设计（Re-engineering）或在CAE优化模型（特别是铸造和锻造件）基础上的设计工作。直接建模也同样适用于完整的产品开发过程。
1）加快设计周期
直接建模设计方法可与模型几何进行实时交互，从而节省了时间。而且，这种方法能够以经济的方式捕获信息，并将其嵌入模型定义中，从而加快开发速度。加快开发速度后，能增加反复设计次数、提高设计质量、更轻松地进入市场，并延长产品的市场寿命。
2）可灵活应对意外和激进的变更
进行一次性产品设计（例如：唯一款式、市场新品或定制的按订单设计产品）的公司在整个设计周期中面临着不断变化的要求。利用直接建模技术，设计用户可以在设计过程的后期更为快速和频繁地进行未预料的变更。
3）灵活的设计团队
利用直接建模技术，任何团队成员都能够获取并处理高清3D产品设计，就像任何人都能够获取并处理Microsoft Word文档一样。因此，当不同的工程师（甚至是工程团队）在项目过程中退出时，将能够轻松地重新分配设计任务。
4）可灵活地处理多源CAD数据
直接建模技术的优点在于可以导入和修改多源CAD数据，从而使采购组件或设计分包工作于广泛供应链中的公司从中获益。
5）了解和使用3D CAD的最简便方法
直接建模技术是了解和使用3D CAD的最简单方法，设计用户能够直接并直观地与模型几何交互。
2 直接建模的实现方式
市场需求决定发展方向，一些主流CAD厂商纷纷开发出能够操作没有建模历史信息的模型的功能。目前主要有2种方法：直接对三维几何数据进行操作和进行特征识别，从而回到成熟的参数化建模方式上来。
1）直接对三维几何数据进行操作指的是以面、边和点作为操作对象，通过约束或者直接建模特征计算三维几何模型。约束包括数值约束（长度、直径、角度等）和关系约束（相切、同心、平行等），在约束条件下，移动图形时这些条件不会改变。优点是直接简单，缺点是无法进行复杂的修改。代表厂商是CAXA实体设计、NX、SolidEdge等。
2）特征识别是指从三维几何数据里面提取建模特征，比如1个圆柱面可以提取1个圆柱面拉伸特征，2个面之间的半圆面可以提取1个倒圆角特征。其优点是功能强大，能够进行复杂的模型修改;缺点是又回到了参数化建模的老路上，无法避开参数化建模的缺点，而且跨平台的特征识别目前很难实现，因为特征识别依赖参数化建模平台，跨平台的特征识别需要各个平台之间公开特征建模技术细节。代表厂商是SolidWorks。
当前的直接建模技术还不成熟，最为业界所抱怨的就是无法很好地表达设计者的设计意图（Design Intent）。在CAD软件业发展的初期，如何更好地表达设计意图就是一个重要的发展课题，从最初的面操作，到后来的智能约束，再到最后的参数化造型技术，都是CAD软件尝试与设计用户进行无障碍交流的结果。
然而，直到今天还是能够在一些CAD技术论坛上发现很多设计用户各种各样的抱怨，归根到底还是用户的设计意图在CAD软件的功能当中找不到合理的表达方式。当一个无参数的模型摆在CAE工程师或者下游厂商的CAD工程师面前的时候，对模型进行修改只能进行如图1所示的几何数据的直接修改。
图1 无参数修改
然而这种修改结果很可能不是工程师想要的。很多应用场景都是要在初始设计意图上的小范围改动，或者因为需求的改变需要重构设计意图，因此需要一个方式来重新定义设计意图。建立智能约束和进行特征识别就是现今被广泛采用的2种方式，如图2所示。
图2 2种主流无参修改方法
3 专家系统用于直接建模
直接建模迫切需要一个能够充分表达设计意图的工具，这个工具不仅仅能够表达建模的规则，还能够根据不同的应用场景和设计习惯给出适当的设计意图。在人工智能领域，最重要、最活跃的应用领域──专家系统就很符合这些要求。此外，由于目前最成熟的设计意图表达方式是参数化建模当中的特征概念，因此将特征识别应用到直接建模上将有特别重要的现实意义。
专家系统是一个基于知识的系统，它利用人类专家提供的专门知识，模拟人类专家的思维过程，解决对人类专家来说都相当困难的问题。本文将重点讨论如何将一个专家系统应用于直接建模，并提出了1个可行的架构。专家系统的建立不是本文要讨论的重点，从一些成熟的专家系统来看，一个专家系统的建立要依靠一个通用的成熟的知识积累规范，一个得到很好维护的知识积累平台以及大量专业人员无私的数据共享带来的知识积累。
对于任何一个CAD平台来说，利用专家系统进行特征识别进而应用于直接建模的步骤如下。
1）输入建模修改信息：选取需要修改的几何模型元素（面、边、点）。对于一个三维CAD平台来说，强大而高效率的UI交互界面尤为重要，输入信息的复杂性直接影响到后面对专家系统里面的知识规则利用的程度。
2）确定建模规则：从专家系统中选取将要进行直接建模的规则。
3）构造特征：构造出符合输入和规则的特征。
4）特征重构：运用特征本身的修改能力对模型进行修改。
简化了的算法流程如图3所示。
图3 主要算法流程
下面以CAXA实体设计里面的直接建模功能模块为例对算法架构进行说明。
图4所示的是一个没有任何参数化建模信息的曲轴零件，当希望对选中的面进行旋转15°的修改的时候，直接修改几何数据无法实现，因为要修改的面有几十个，而且有相切的相邻面，要实现修改的意图需要克服这2个困难。对于多个面的直接建模，CAXA实体设计直接建模模块独有的面分组功能可以轻松解决这个问题。如图5所示，点击“启动表面分组”，勾选上面的“平行”选项就可以把要修改的一系列面都选中进行操作。
图4 无参数曲轴零件示意图
图5 对1组平面进行直接建模
确定好输入之后，CAXA实体设计内部会根据一系列的拓扑几何运算，识别出所有操作面对应的特征，在曲轴这个例子里，相邻面对应的特征是倒圆角特征。在旋转被操作面的时候，对应的倒圆角特征也将被重新计算，从而影响建模的结果。
图6显示的是建模结果，可以看到所有的面都被旋转了，而且相邻的倒圆角的效果也很好地适应了这次修改。
图6 修改结果
4 结语
在上面的例子当中，展示的只是一个简单的专家系统原型。为了更好地发展这个新兴技术，笔者提出以下建议。
1）各个行业协会制定建立统一的符合自己行业建模习惯的直接建模规范。
2）国际相关机构，科研院所应加紧制定建立统一的高效率的建模算法规范。
3）各个主流CAD厂商着眼大局，在统一的建模算法规范的基础上，统一特征运算方法，便于各个CAD厂商对几何模型进行特征识别。
本原型的创新在于提出了一种新的直接建模技术的实现方法。当今最流行的三维建模技术是基于历史的参数化造型技术，这个技术的最大缺点就是对建模历史的依赖，在实际工厂应用中，制造业的各个流程都需要对模型进行修改，但是由于种种原因使得建模历史信息丢失，造成模型修改的成本大大提高，而直接建模技术可以弥补这一缺陷。但是当前的直接建模技术发展还不成熟，各个CAD厂商对直接建模的实现方式也不一样，各有优劣。本文在对比了各个厂商的实现方式之后，提出了新的直接建模技术的实现方法。这种方法综合了各个实现方式的优点，能够最大限度地保持原有模型的设计意图。
如果能够将更多的建模知识规则整合在一起，形成一个真正意义上的专家系统，对于设计意图的表达将更加充分有力，其发展前景将不可限量。目前主流三维CAD软件对于直接建模的理解不同，发展方向也有所差别。
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本文标题：基于自定义专家系统的直接建模技术研究
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