直接建模（Direct Modeling）的概念是與基于歷史的參數化建模（History Based Parametric Modeling）概念相對應的，能夠擺脫對歷史建模數據的依賴，更加直觀地體現建模設計者的意圖（Design Intent）。早期的CSG建模技術可以看作直接建模的鼻祖，人們從基本的幾何形狀出發，通過布爾運算得到更加復雜的模型。
隨著參數化造型技術的飛速發展，僅靠單一的建模方法的弊端越來越明顯，比如：制造廠商之間的模型交流出于保密的目的，有些是沒有建模歷史等詳細信息的，下游廠商如果要修改模型的話就會碰到很大的困難，甚至要從頭進行建模。盡管目前技術還不成熟，學界和CAD廠商對直接建模的定義和發展方向都有自己的看法，但是毫無疑問，人們擺脫以往單一的參數化建模方式的愿望越來越迫切，而直接建模就是可選擇的方法之一。本文將重點討論應用與模型無參數修改的直接建模技術。
1 直接建模的優勢
直接建模最大的優勢在于不依賴于任何建模歷史參數對模型進行修改，比如在產品物理原型基礎上的重新設計（Re-engineering）或在CAE優化模型（特別是鑄造和鍛造件）基礎上的設計工作。直接建模也同樣適用于完整的產品開發過程。
1）加快設計周期
直接建模設計方法可與模型幾何進行實時交互，從而節省了時間。而且，這種方法能夠以經濟的方式捕獲信息，并將其嵌入模型定義中，從而加快開發速度。加快開發速度后，能增加反復設計次數、提高設計質量、更輕松地進入市場，并延長產品的市場壽命。
2）可靈活應對意外和激進的變更
進行一次性產品設計（例如：唯一款式、市場新品或定制的按訂單設計產品）的公司在整個設計周期中面臨著不斷變化的要求。利用直接建模技術，設計用戶可以在設計過程的后期更為快速和頻繁地進行未預料的變更。
3）靈活的設計團隊
利用直接建模技術，任何團隊成員都能夠獲取并處理高清3D產品設計，就像任何人都能夠獲取并處理Microsoft Word文檔一樣。因此，當不同的工程師（甚至是工程團隊）在項目過程中退出時，將能夠輕松地重新分配設計任務。
4）可靈活地處理多源CAD數據
直接建模技術的優點在于可以導入和修改多源CAD數據，從而使采購組件或設計分包工作于廣泛供應鏈中的公司從中獲益。
5）了解和使用3D CAD的最簡便方法
直接建模技術是了解和使用3D CAD的最簡單方法，設計用戶能夠直接并直觀地與模型幾何交互。
2 直接建模的實現方式
市場需求決定發展方向，一些主流CAD廠商紛紛開發出能夠操作沒有建模歷史信息的模型的功能。目前主要有2種方法：直接對三維幾何數據進行操作和進行特征識別，從而回到成熟的參數化建模方式上來。
1）直接對三維幾何數據進行操作指的是以面、邊和點作為操作對象，通過約束或者直接建模特征計算三維幾何模型。約束包括數值約束（長度、直徑、角度等）和關系約束（相切、同心、平行等），在約束條件下，移動圖形時這些條件不會改變。優點是直接簡單，缺點是無法進行復雜的修改。代表廠商是CAXA實體設計、NX、SolidEdge等。
2）特征識別是指從三維幾何數據里面提取建模特征，比如1個圓柱面可以提取1個圓柱面拉伸特征，2個面之間的半圓面可以提取1個倒圓角特征。其優點是功能強大，能夠進行復雜的模型修改;缺點是又回到了參數化建模的老路上，無法避開參數化建模的缺點，而且跨平臺的特征識別目前很難實現，因為特征識別依賴參數化建模平臺，跨平臺的特征識別需要各個平臺之間公開特征建模技術細節。代表廠商是SolidWorks。
當前的直接建模技術還不成熟，最為業界所抱怨的就是無法很好地表達設計者的設計意圖（Design Intent）。在CAD軟件業發展的初期，如何更好地表達設計意圖就是一個重要的發展課題，從最初的面操作，到后來的智能約束，再到最后的參數化造型技術，都是CAD軟件嘗試與設計用戶進行無障礙交流的結果。
然而，直到今天還是能夠在一些CAD技術論壇上發現很多設計用戶各種各樣的抱怨，歸根到底還是用戶的設計意圖在CAD軟件的功能當中找不到合理的表達方式。當一個無參數的模型擺在CAE工程師或者下游廠商的CAD工程師面前的時候，對模型進行修改只能進行如圖1所示的幾何數據的直接修改。
圖1 無參數修改
然而這種修改結果很可能不是工程師想要的。很多應用場景都是要在初始設計意圖上的小范圍改動，或者因為需求的改變需要重構設計意圖，因此需要一個方式來重新定義設計意圖。建立智能約束和進行特征識別就是現今被廣泛采用的2種方式，如圖2所示。
圖2 2種主流無參修改方法
3 專家系統用于直接建模
直接建模迫切需要一個能夠充分表達設計意圖的工具，這個工具不僅僅能夠表達建模的規則，還能夠根據不同的應用場景和設計習慣給出適當的設計意圖。在人工智能領域，最重要、最活躍的應用領域──專家系統就很符合這些要求。此外，由于目前最成熟的設計意圖表達方式是參數化建模當中的特征概念，因此將特征識別應用到直接建模上將有特別重要的現實意義。
專家系統是一個基于知識的系統，它利用人類專家提供的專門知識，模擬人類專家的思維過程，解決對人類專家來說都相當困難的問題。本文將重點討論如何將一個專家系統應用于直接建模，并提出了1個可行的架構。專家系統的建立不是本文要討論的重點，從一些成熟的專家系統來看，一個專家系統的建立要依靠一個通用的成熟的知識積累規范，一個得到很好維護的知識積累平臺以及大量專業人員無私的數據共享帶來的知識積累。
對于任何一個CAD平臺來說，利用專家系統進行特征識別進而應用于直接建模的步驟如下。
1）輸入建模修改信息：選取需要修改的幾何模型元素（面、邊、點）。對于一個三維CAD平臺來說，強大而高效率的UI交互界面尤為重要，輸入信息的復雜性直接影響到后面對專家系統里面的知識規則利用的程度。
2）確定建模規則：從專家系統中選取將要進行直接建模的規則。
3）構造特征：構造出符合輸入和規則的特征。
4）特征重構：運用特征本身的修改能力對模型進行修改。
簡化了的算法流程如圖3所示。
圖3 主要算法流程
下面以CAXA實體設計里面的直接建模功能模塊為例對算法架構進行說明。
圖4所示的是一個沒有任何參數化建模信息的曲軸零件，當希望對選中的面進行旋轉15°的修改的時候，直接修改幾何數據無法實現，因為要修改的面有幾十個，而且有相切的相鄰面，要實現修改的意圖需要克服這2個困難。對于多個面的直接建模，CAXA實體設計直接建模模塊獨有的面分組功能可以輕松解決這個問題。如圖5所示，點擊“啟動表面分組”，勾選上面的“平行”選項就可以把要修改的一系列面都選中進行操作。
圖4 無參數曲軸零件示意圖
圖5 對1組平面進行直接建模
確定好輸入之后，CAXA實體設計內部會根據一系列的拓撲幾何運算，識別出所有操作面對應的特征，在曲軸這個例子里，相鄰面對應的特征是倒圓角特征。在旋轉被操作面的時候，對應的倒圓角特征也將被重新計算，從而影響建模的結果。
圖6顯示的是建模結果，可以看到所有的面都被旋轉了，而且相鄰的倒圓角的效果也很好地適應了這次修改。
圖6 修改結果
4 結語
在上面的例子當中，展示的只是一個簡單的專家系統原型。為了更好地發展這個新興技術，筆者提出以下建議。
1）各個行業協會制定建立統一的符合自己行業建模習慣的直接建模規范。
2）國際相關機構，科研院所應加緊制定建立統一的高效率的建模算法規范。
3）各個主流CAD廠商著眼大局，在統一的建模算法規范的基礎上，統一特征運算方法，便于各個CAD廠商對幾何模型進行特征識別。
本原型的創新在于提出了一種新的直接建模技術的實現方法。當今最流行的三維建模技術是基于歷史的參數化造型技術，這個技術的最大缺點就是對建模歷史的依賴，在實際工廠應用中，制造業的各個流程都需要對模型進行修改，但是由于種種原因使得建模歷史信息丟失，造成模型修改的成本大大提高，而直接建模技術可以彌補這一缺陷。但是當前的直接建模技術發展還不成熟，各個CAD廠商對直接建模的實現方式也不一樣，各有優劣。本文在對比了各個廠商的實現方式之后，提出了新的直接建模技術的實現方法。這種方法綜合了各個實現方式的優點，能夠最大限度地保持原有模型的設計意圖。
如果能夠將更多的建模知識規則整合在一起，形成一個真正意義上的專家系統，對于設計意圖的表達將更加充分有力，其發展前景將不可限量。目前主流三維CAD軟件對于直接建模的理解不同，發展方向也有所差別。
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本文標題：基于自定義專家系統的直接建模技術研究
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