CN111656354A - 操作用于对待制造物品建模的cad系统模型的方法 - Google Patents

Abstract

一种操作计算机辅助设计(CAD)系统模型的方法，该模型用于待设计或待制造的物品，该方法在数据处理系统上被执行；该方法包括：在能够将物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的CAD系统模型中，接收(50)以3维表示物品的表面的网格几何形状。接收(51)待应用到网格几何形状的约束，以及网格几何形状作为精确的表面被求解(52)。网格几何形状的更新后的模型被存储(53)。

Description

操作用于对待制造物品建模的CAD系统模型的方法

技术领域

本公开涉及以下项的一般领域：计算机辅助设计、计算机辅助绘图(“CAD”)、计算机辅助制造(“CAM”)和计算机辅助的可视化系统(单独地称为或统称为“CAD系统”)、产品生命周期管理(“PLM”)系统以及管理针对产品和其它项目的数据的类似系统(统称为“产品数据管理”系统或PDM系统)。

背景技术

PDM系统管理PLM和其它数据。经改进的方法和系统是期望的。

发明内容

所公开的各个实施例包括用于在建模系统中修改计算机辅助设计(CAD)系统模型的方法。

一种操作计算机辅助设计(CAD)系统模型的方法，在数据处理系统上被执行的该方法可以包括修改用于待设计或待制造的物品的计算机辅助设计(CAD)系统模型，该方法在数据处理系统上被执行；该方法包括：在能够将物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的CAD系统模型中，接收以3维表示物品的表面的网格几何形状；接收待应用到网格几何形状的约束，将网格几何形状作为精确的表面来求解；以及存储网格几何形状的更新后的模型。

数据处理系统可以包括处理器以及可访问存储器。数据处理系统特别地被配置为执行以下步骤：在能够将物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的CAD系统模型中，接收以3维表示物品的表面的网格几何形状；接收待应用到网格几何形状的约束，将网格几何形状作为精确的表面来求解；以及存储网格几何形状的更新后的模型。

一种利用可执行指令编码的非暂时性计算机可读介质，这些可执行指令在被执行时，使一个或多个数据处理系统执行修改计算机辅助设计(CAD)系统模型的方法，该方法在数据处理系统上被执行，该方法包括：在能够将物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的CAD系统模型中，接收以3维表示物品的表面的网格几何形状；接收待应用到网格几何形状的约束，将网格几何形状作为精确的表面来求解；以及存储网格几何形状的更新后的模型。

上文已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，使得本领域技术人员可以较好地理解以下的具体实施方式。在下文中将描述本公开的形成权利要求主题的附加特征和优点。本领域技术人员将理解，他们可以容易地将所公开的概念和特定实施例用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还将认识到，这样的等效构造不脱离本公开的以其最广泛形式的范围。

在开始下文的具体实施方式之前，有利的是，阐明在本专利文件全文中所使用的某些单词或短语的定义：术语“包括”和“包含”及其派生词意味着包括但不限于；术语“或”是包含性的，意味着和/或；并且术语“控制器”意味着控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分，无论这样的设备以硬件、固件、软件或其中的至少两项的某种组合来实现。应当注意，与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式或分布式的，无论是以本地方式还是以远程方式。在本专利文件全文中提供了某些单词和短语的定义，并且本领域的普通技术人员将理解，这样的定义在很多(如果不是绝大多数)情况下适用于被如此定义的单词和短语的先前以及将来的使用。尽管一些术语可以包括各种实施例，但是所附权利要求可以明确地将这些术语限制为特定的实施例。

附图说明

现在将参考附图描述根据本公开的方法和系统的示例，其中：

图1是其中可以实现实施例的数据处理系统的框图；

图2图示了表示物品表面的网格的示例的2D表示，该物品根据本公开的方法被建模；

图3图示了针对图2的网格而使用该方法以将重合约束应用到多个点；

图4示出了点与图2的网格之间的各种距离尺寸的2D表示；

图5图示了当一侧已经被指定时，距图2的网格某一距离尺寸的点的轨迹；

图6示出了平面的2D表示与图2的网格之间的已求解的接触约束的一些示例；

图7示出了平面半空间的2D表示与图2的网格之间的接触约束的一些示例；

图8图示了平面与图2的网格之间的接触；

图9图示了使用帮助球来求解图8的示例；

图10图示了在平面与图2的网格之间被创建的距离尺寸的一个示例；

图11图示了可以应用本公开的方法的混合部件的示例；

图12示出了图11的混合部件的模型，以及诸如测量探头或切割器之类的设备；

图13图示了与图12中相同的模型，其中探头或切割器与图11的混合部件的刻面重合；

图14图示了可以应用本公开的方法的另一混合部件的示例；

图15示出了图14的部件的较薄版本；

图16图示了装配在组件中的图14的混合部件；

图17图示了图16的模型，其中部件已经被调整大小；

图18是根据所公开的实施例修改模型的方法的流程图。

具体实施方式

在本文档中用于描述本公开的原理的图1至图18的实施例仅是示例性的，并且不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，可以以任何适当布置的设备、装置、系统或方法来实现本公开的原理。

本公开的方法还可以包括以下项中的至少一项：显示更新后的网格几何形状的图像；以及为计算机控制的机器生成一组指令。使用本发明的方法提供了对设计过程的较好的控制，从而导致与先前的情况相比较可能被制造的部件设计，并且节省时间和精力以及成本。约束可以包括以下项中的至少一项：几何形状与网格几何形状重合；几何形状与网格几何形状之间的距离尺寸；或几何形状接触网格几何形状。

求解可以包括一种通过以下方式来满足所接收的约束的方法：针对每个约束限定已求解的定位，并且针对每个约束确定距已求解的该定位的距离，并且针对被应用到网格几何形状的每个约束确定距离的一阶导数向量；并且基于所确定的距离和该距离的一阶导数向量来应用改变。该方法在距离和方向上限定对待制造的部件的影响。

该方法还可以包括选择所接收的网格几何形状的子区域，并且针对子区域计算距离和一阶导数。这允许求解到局部最小距离，而不是求解到全局最小距离。在求解计算期间，子区域可以被修改或者也可以不被修改。

存在可以定义子区域的许多可能的方法，但是这些方法都可以包括如下子区域，该子区域包括所接收的网格几何形状的以下部分中的一个部分：位于由指定半径围绕指定点所限定的球内的部分；位于具有指定大小和位置的矩形框内的部分；位于由终端用户在网格上勾画闭环而标识的区域内的部分；位于网格的平滑区域内的部分；或位于由边缘界定的区域内的部分。

几何形状可以包括以下项中的一项：点、曲线、代数表面、刻面表面或网格几何形状。几何形状可以是有边界的或无边界的。无边界几何形状是延伸到无限的几何形状。例如，平面、没有端点的线。约束可以被应用在点、曲线、代数表面、刻面表面、另一网格几何形状与所接收的网格几何形状之间。网格几何形状可以包括一个或多个点、曲线、代数表面、或刻面表面或它们的组合。网格几何形状可以是单个点、单个曲线或表面、或多个点(诸如点云)、多个曲线或表面、或者以上选项的任何组合。

可以从外部来源接收约束，从存储装置提取约束，或者从模型中的几何形状推断约束。该方法可以是迭代的方法，因为这允许实现多个约束的影响。一种制造部件的方法可以包括：根据本公开对部件进行建模，将更新后的网格几何形状输入到计算机控制的机器，以及使用计算机控制的机器在材料中复制相关联的物品。

图1图示了其中可以实现本公开的实施例的数据处理系统的示例，例如，被配置为执行本文所描述的处理的CAD系统。数据处理系统1包括连接到本地系统总线3的处理器2。本地系统总线将处理器连接到主存储器4和可以连接到显示器6的图形显示适配器5。数据处理系统可以经由连接到本地系统总线3的无线用户接口适配器与其它系统通信，或者经由例如局域网的有线网络与其它系统通信。附加存储器8还可以经由本地系统总线连接。用于其它外围设备(诸如键盘9和鼠标10)或其它指示设备的适当的适配器(诸如无线用户接口适配器7)允许用户向数据处理系统提供输入。其它外围设备可以包括一个或多个I/O控制器(诸如USB控制器)、蓝牙控制器和/或(连接到扬声器和/或麦克风的)专用音频控制器。还应当理解，各种外围设备可以(经由各种USB端口)连接到USB控制器，这些外围设备包括输入设备(例如，键盘、鼠标、触摸屏、轨迹球、摄像头、麦克风、扫描仪)、输出设备(例如，打印机、扬声器)、或可操作以提供输入或从数据处理系统接收输出的任何其它类型的设备。此外，应当理解，被称为“输入设备”或“输出设备”的许多设备可以提供与数据处理系统通信的输入，并且接收与数据处理系统通信的输出。此外，应当理解，连接到I/O控制器的其它外围硬件可以包括被配置为与数据处理系统通信的任何类型的设备、机器或构件。此外，系统可以使用其它类型的输入设备来提供用于操纵对象的输入，其它类型的输入设备是诸如鼠标、指针、触摸板、绘图板、轨迹球、操纵杆、小键盘、键盘、摄像头、捕获运动姿态的运动感应设备、或者能够提供本文所描述的输入的任何其它类型的输入设备。

在CAD系统中，用户可能希望对用于产品的设计或用于包括许多部件的系统的设计进行建模，生成用于制造该产品或这些部件的制造指令，或对设计或制造指令进行修改。常规模型是刻面模型或由代数几何形状构成的经典边界表示(B-rep)模型。随着制造方法的进步，特别是增材制造或3D打印的进步，已经开发出结合这两种类型的几何形状表示的模型，称为混合模型。在混合模型中，B-rep模型的面可以是代数几何形状(非均匀有理B样条(NURBS)、平面、圆柱体、圆环面等)或刻面的。这些混合模型可以直接通过传统的B-rep建模操作来使用数字扫描模型、CAE工作流程或3D打印刻面模型，从而节省以前将刻面模型转换为代数CAD几何形状所需的时间和精力。增材制造技术意味着被制造的产品不再局限于可以用机器制造的规则形状(诸如块或圆柱体)，而是允许制造有机形状、晶格结构或光滑起伏的表面。与通过经典几何形状来表示相比，通过刻面可以较好地表示这些类型的形状、结构或表面。对于3D打印，刻面信息被发送到机器以制造产品或部件。

这些新的制造技术使得能够改进设计和制造工艺。例如，在航空器设计或机动交通工具设计中，重量是重要的，因此期望利用轻质的格子或有机形状来替代沉重的方形构件。这些设计旨在在减少总重量的同时保持强度，但是它们仍必须能够被装配到航空器或交通工具的可能尚未被改变的其它构件并与这些构件一起操作。

几何形状约束和尺寸(统称为“约束”)是现代CAD系统的重要部分。约束允许指定单独的构件的大小和形状，并且还允许多个构件的相对定位。约束可以是许多不同的类型的，例如，与被建模的组件的部件的大小、形状或方向有关。对待制造的系统中的正在设计模型中处理的一个部件的任何改变都可能需要考虑系统中的该部件必须装配到的或与之一起工作的其它部件。这些关系可以用约束来表示。

对于模型的所有设计修改，无论是对整个产品还是对产品的仅一小部分，都需要相对于与其一起工作的任何其它产品或部件对结果进行正确的大小调整和定位。例如，可能期望减少部件的厚度以减少部件的重量，同时仍然确保该部件精确地装配在其它两个部件之间。通过使用两个面之间的距离尺寸可以控制部件的厚度。同时，可以将接触约束应用到其它面，以确保维持与其它部件所需的关系。

然而，在混合模型中应用约束的问题尚未得到解决。对于纯刻面模型，为了在刻面表面上应用约束，通常需要将刻面表面转换成代数几何形状，例如通过利用B样条表面来近似刻面表面。然而，这可能会在表面中产生不期望有的扭曲或起伏。如果直到设计过程的后期阶段才察觉到这些问题，则这可能会导致不必要的返工。本公开提供了一种允许在这样的混合模型上使用约束和尺寸而无需转换的方法。该方法允许精确地求解应用到混合模型的刻面表面的约束，从而避免了在使用常规技术时在近似中可能会出现的附加的扭曲或起伏。

本公开提供了一种解释网格几何形状的方法，使得在应用约束的情况下，仍可以在CAD系统中求解网格几何形状。出于本申请的目的，已经提供了简化的示例，但是在实践中，图2的示例网格可以表示待制造的整个产品，或者表示较大的系统的仅一小部分。该方法可以支持各种类型的网格几何形状，包括由平面的刻面限定的表面、具有任何几何形状类型的表面的集合(例如，一般的板体)、非流形网格、自相交网格、具有对称性的网格(例如，扫掠)、点云或非刚性网格。下面所描述的示例可以被应用于这些类型的网格几何形状中的任何网格几何形状。

可以应用本公开的方法的网格类型的一个典型示例是由刻面顶点限定的平面刻面组成的表面。如果刻面边缘(即，连接刻面顶点的线)界定不止一个刻面，则刻面边缘可以是内部边缘，如果刻面边缘界定单个刻面，则刻面边缘可以是外部边缘。尽管也有针对非刚性网格的应用，但通常来说网格是刚性网格。刚性网格具有无法改变的已限定的形状。然而，网格的定位可以改变，因此可以使用约束来相对于其它几何形状定位网格。对于一些实际应用(诸如针对增材制造的设计)，需要网格为流形网格，并且具有正侧、负侧和跨相邻刻面一致的刻面法线。然而，该方法可以应用于非流形网格或自相交网格。

图2图示了表示正在被建模的物品的表面的刚性刻面网格20的一个示例的2D表示。网格通常是由平面刻面限定的表面，但是该方法适用于面的任何集合，无论是被连接的面、沿公共边缘连接的面还是分离的面。该表示包括一系列刻面F1至F4和顶点V1至V5。顶点V2至V4是内部刻面顶点。顶点V1和V5是外部刻面顶点。待应用到网格的约束通常是几何形状关系，例如点重合到网格、点与网格之间的距离尺寸、平面接触网格、或者平面与网格之间的距离尺寸之类的关系。在模型中所接收的刻面几何形状表示或网格20可以从需要更新或修复的现有产品扫描得到，或者可以是作为设计过程中的较早步骤的一部分生成，该设计过程例如使用给定的强度要求和近似的形状来生成物品的设计表示，该物品可以在设计过程完成时被制造。

可以应用点与网格之间的多个不同类型的约束，例如，到网格的重合约束、到网格的距离尺寸、或者到网格的带符号的距离尺寸。

当点P位于网格上时，点P与网格之间的重合约束被求解。这种类型的约束可以用于表示待制造物品的模型中的如下的要求：一个部件中的点与另一部件中的网格重合。模型中可能存在许多类似的约束，这些约束用于指定每个部件的大小、形状或方向。解可以在刻面内部、刻面边缘或刻面顶点上。如果点不在网格上开始，并且对于该点没有其它约束，则所期望的解是在网格上的最近定位。如果存在不唯一的最近定位，则指定行为，使得存在一种选择解的可重复的方式。存在用于指定行为的许多选项，这些选项的示例是：选择离原点最近的定位、选择离网格的形心最近的定位、或者选择离工程师所选取的位置最近的定位。

图3图示了多个点P1至P4以及图2的刻面网格的2D表示。应用网格与那些点P1至P4之间的重合约束给出了对应的解点P1’至P4’，其中如图所示，这些点在网格上求解。P1点求解至在外部顶点V5上的P1’，点P2求解至在刻面F4的刻面内部上的P2’，点P3求解至在内部顶点V4上的P3’，并且点P4求解至在刻面F4的刻面内部上的P4’。如上面所描述的，由于P4与两个刻面F4和F2等距，因此需要一种在每次求解时得到相同的解的一致性方法，诸如选择离原点最近的定位、选择离网格的形心最近的定位、或者选择离工程师所选取的位置最近的定位。

当点Pn与网格之间的全局最近路径等于距离值时，即，当点距网格的最小距离等于尺寸的值时，点Pn与网格之间的距离尺寸被求解。这种类型的约束可以用于表示待制造的模型中的、在表面上的任何位置处的特定厚度的要求，该位置例如需要这样的要求以达到给定的强度，或维持点与网格表面之间的间隙以使所制造的模型能够装配在一起。

图4示出了点与图2的网格之间的各种距离尺寸的2D表示。由于图4是3D刻面表面的2D表示，并且如果点具有到3D刻面表面的距离尺寸，则该点将被求解到以刻面顶点为中心的球、以刻面边缘为中心的圆柱体或平行于刻面内部的平面。在该模型中，点P21在如下的球上并且具有距离尺寸50，该球在图中由以端部刻面顶点V5为中心的圆弧表示。点P22在如下的平面上并且具有距离尺寸80，该平面在图中由平行于刻面内部F4的线表示。点P23在以内部刻面顶点V4为中心的圆弧上，并且具有距离尺寸50；并且点P24具有距离尺寸70，并且与两个刻面F4和F2等距。

如果网格是流形的，则可以(但不是必须)指定点在网格的哪一侧。流形网格可以用于表示实体部件的面，其中网格的一侧在实体内部并且另一侧在实体外部。如果尺寸用于指定两个实体部件之间的间隙，则指定侧确保部件将被分离而不是互穿(interpenetrate)。图5示出了当已经指定侧时，距网格20的距离尺寸为70的点的轨迹。P10和P11是位于该轨迹上的已求解的点的示例。P9和P12不是有效的已求解定位，因为P12将求解至网格另一侧的P12’，并且P9将求解至P9’。

在平面与网格之间可以应用多个不同类型的约束，例如，接触约束、具有指定半空间的接触约束以及距离尺寸。在图中，线用于表示平面，与(如图2所示的)折线旨在表示网格表面一样。

平面与网格之间的接触约束被定义为是指：平面与网格之间的最小全局最近路径为零，并且所有网格几何形状在无边界平面的同一侧上。这种类型的约束可以用于确保两个部件被制造为正确的大小，以使得一个部件的平面与另一部件的网格面接触。这种类型的约束还可以用于控制组件中两个部件的定位。图6示出了平面与网格20之间的已求解的接触约束的一些示例，这些平面由线22、23、24、25表示。例如，线22可以说是沿着刻面F3接触网格20，而线23仅接触外部顶点V1，线24仅接触外部顶点V5，并且线25接触内部顶点V4。如果在起始定位中网格20位于平面的两侧，则寻找使平面移动最小化的解。也就是说，平面移动到“最近”的解。类似地，如果在起始定位中网格完全位于平面的一侧，则将在使网格仍位于同一侧的位置处寻找解。例如，在图8中，平面L9与网格20之间的最小距离为零，但是网格的多个部分位于平面的两侧，因此约束未被求解。为了寻找解，平面可以沿其法线方向向上并向右移动，或者向下并向左移动，因此通常选择向上并向右移动的解，因为这需要的移动较小。

平面半空间与网格之间的接触约束给出了一种如下的限定，该限定可以可选地指定网格将在平面的哪一侧。对于平面半空间，接触网格意味着平面与网格之间的最小全局最近路径为零，并且所有网格几何形状在平面的指定侧上。图7示出了(利用有边界的线表示的)平面PL5、PL6、PL7、PL8与网格20之间的接触约束的一些示例，并且类似于图6。在所有情况下，接触被指定为在平面的负侧。

平面与网格之间的距离尺寸被定义为是指：平面与网格之间的最小全局最近路径等于距离尺寸的值，并且所有网格几何形状在无边界平面的同一侧上。这样的尺寸可以用于通过指定网格面与平面之间的距离来控制部件的厚度。这样的尺寸还可以用于通过指定两个部件之间的间隙来控制这两个部件的大小或定位。图10图示了这样的尺寸的一个示例，该示例示出了平面与网格之间的尺寸的细节，其中平面PL10与包含刻面F1至F4的网格20的最近距离为顶点V4处的距离30。

所给出的用于点与平面的限定可以用于指定网格与包括另一网格的任何其它类型的几何形状之间的其它类型的约束和尺寸的限定。例如，可以从到点的距离尺寸中推导出球与网格之间的接触约束。距离尺寸的值是球的半径，并且点给出球的中心的定位。类似地，可以从平面-网格距离中推导出网格与网格之间的距离尺寸，以使得当两个网格之间的全局最小距离与距离尺寸的值相同时，该尺寸被求解。

在上面的描述中，所有约束均通过使用整个网格来求解。在一些情况下，这意味着所期望的解是不可能的。例如，图8示出了平面和网格。然而，该解在接触约束的情况下是不可能的，因为尽管平面在一个位置处接触网格，但是该平面还在另一位置处与网格相交。为了允许诸如该解的解，可以增强对约束的限定以指定整个网格的子集。图9示出了通过“帮助球”26来实现这种增强的一种方式，以使得在求解约束时仅考虑网格的在该球26内部的部分，该“帮助球”26由定位(点P13)和半径r限定。例如，可以应用这种方法的一个示例是在具有凹区域和凸区域的表面上，这些凹区域和凸区域产生凹凸不平的表面而不是光滑的表面。从图9可以看出，点P13无需与网格20重合。除了允许局部解之外，这还可以改进性能。

下文解释本公开的一些更实际的示例。图11图示了混合部件40的一个示例。在生产期间，该混合部件例如与测量探头或切割器41相互作用，如图12所示，该测量探头或切割器41也可以被建模。测量探头或切割器41在其使用中在某个点处接近混合部件40，并且可以与混合部件的刻面42重合，如图13所示。这是应用例如参照图6或图7所描述的接触约束的一个示例，该示例还要求其它几何形状(在这种情况下为探头或切割器41)在网格(在这种情况下为混合部件40)的指定侧上。

图14至图17是通过指定网格面与平面之间的距离来控制部件的厚度的一个实际示例。图14图示了另一混合部件43，并且图15图示了相同的混合部件的较薄的版本44。例如，当部件需要被做得较厚以满足指定的强度要求时，可能会出现这种情况。如图16所示，图14的混合部件43被设计为组件45的一部分，其中混合部件43被要求装配到组件的开口46中。该要求可以是将混合部件43精确地装配在开口内，在这种情况下，可以使用与开口46的侧面的平面的接触约束，或者混合部件43可以被要求装配到开口46中，并且在部件43与开口46的侧面47、48、49、50中的每个侧面上的平面之间具有一定的净空或间隙51、52、53，在这种情况下，将使用诸如由图10所示的尺寸来维持这些净空。在已经限定了混合部件必须装配到其中的间隙和净空51、52、53后，如图17所示，组件可以被调整大小48，同时仍然维持相同的净空51、52、53。

上文描述了如何限定到网格表面的约束和尺寸。以下段落描述用于将模型从约束未被求解的初始状态改变为约束被求解的最终状态的方法。

求解的方法取决于为网格与其它几何形状之间的每个待求解的约束定义两个值。首先是网格与其它几何形状之间的距离，并且其次是网格与其它几何形状之间距离的一阶导数向量。这些值的定义取决于几何形状是否接触、相交或既不接触也不相交。

如果网格与任何其它几何形状之间的全局最小距离大于零，则几何形状不相交或不接触。距离采用全局最小距离，并且该距离的一阶导数向量是两个几何形状上的近点(nearpoint)之间的单位向量。

如果全局最小距离为零，则几何形状相交或接触。如果两个几何形状之间的全局最小距离为零，但是可以找到几何形状的定位或形状的、导致非零的最小距离的微小变化，则这两个几何形状接触。如果几何形状接触，则距离为零，并且距离的一阶导数向量是在接触点处垂直于网格几何形状的单位向量。如果对于几何形状的定位或形状的每个微小变化，两个几何形状之间的全局最小距离保持为零，则这两个几何形状相交。如果几何形状相交，则距离采用使得几何形状接触但不相交的最短相对平移向量的长度，并且一阶导数向量是与该平移向量方向相同的单位向量。

给定对于每个约束的距离的值和距离的一阶导数向量，可以使用这些值来找到解。例如，对于点与网格之间的重合约束，其中点最初不在网格上，则可以通过将该点在一阶导数向量的方向上移动距离的值来找到解。类似的方法可以用于平面与网格之间的接触约束。对于距离尺寸，几何形状应当被移动等于尺寸的值与距离的值之间的数值差的量。

总的来说，在本公开中，到网格的约束将网格视为精确的表面，因此如果网格由刻面构成，则约束将测量到刻面内部(通常为平面)、刻面边界(通常为线)或面角(点)。网格未被近似(例如，通过将NURBS表面拟合到网格)。

通过指定网格的子区域，可以找到对网格的局部解。这样做的一种方法是指定球(点和半径)。为了找到最小距离，仅考虑网格的在球内部的部分。与寻找全局最小值相比，这样做不但允许不同的解，而且还将通过减小网格的有效大小来改进性能。

网格不限于平面刻面。例如，网格可以是由刻面、平面和其它代数几何形状面构成的实体部件的整个边界。距离和距离的一阶导数是重要的，因为距离和一阶导数是有效地求解约束所必需的。该方法具有通用性的优点，因为该方法可以应用于任何类型的网格，诸如具有任何面几何形状的B-rep部件。限定距离和表面法向带来具有良好收敛性的稳定解。

图18示出了根据本公开的方法的示例的流程图。在能够将物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的CAD系统模型中，接收50以3维表示物品表面的网格几何形状。在模型中接收51待应用到网格几何形状的约束。存在许多不同的约束，但是一个示例是：如果几何形状不相交或不接触，则对于每个约束，将网格几何形状与任何其它几何形状之间的距离定义为网格几何形状与其它几何形状之间的全局最小距离；确定从网格几何形状上的近点到其它几何形状上的近点的向量；并且，从该向量的方向生成单位向量，并且将该单位向量用作距离的一阶导数向量。另一示例是：如果几何形状接触但不相交，则对于每个约束，网格几何形状与其它几何形状之间的距离为零，并且距离的一阶导数向量是在接触点处垂直于网格几何形状的单位向量。第三个示例是：如果几何形状相交但不接触，则对于每个约束，距离是使得几何形状接触但不相交的最短相对平移向量的长度，并且一阶导数向量是与该平移向量方向相同的单位向量。

在本公开的方法中，网格几何形状被作为精确的表面来求解52。求解步骤可以包括通过以下方式来满足所接收的约束：针对每个约束限定已求解的定位，并且针对每个约束确定距已求解的该定位的距离，并且针对被应用到网格几何形状的每个约束确定距离的一阶导数向量；并且基于所确定的距离和该距离的一阶导数向量来应用改变。网格几何形状的更新后的模型被存储53。所存储的更新后的模型可以用于显示54更新后的网格几何形状的图像，或者用于生成55用于计算机控制的机器的一组指令，或者用于以上两种用途。用户可能会希望使用所显示的图像来检查修改是否已经具有预期的效果，例如通过分析所设计的部件的机械特性。如果用户确定需要进一步的修改，则可以通过重复建模步骤来实施，例如使用修改后的约束并生成新的显示和新的制造指令。所生成的制造指令可以被提供给计算机控制的机器，并且可以使用这些指令来制造通过本公开的方法进行建模的产品的部件或整个产品。

使用本公开的方法，可以改进航空器或交通工具设计，从而改进航空器或交通工具的性能，特别是通过在维持与常规设计部件相同的强度的同时减小部件的重量。

数据处理系统中所包括的操作系统使得来自系统的输出能够在显示器6上被显示给用户，并且用户能够与系统交互。可以用于数据处理系统的操作系统的示例可以包括Microsoft WindowsTM、LinuxTM、UNIXTM、iOSTM和AndroidTM操作系统。

另外，应当理解，可以在联网环境、分布式系统环境、虚拟机架构中的虚拟机、和/或云环境中实现数据处理系统1。例如，处理器2和相关联的构件可以与在一个或多个服务器的虚拟机环境中执行的虚拟机相对应。虚拟机架构的示例包括VMware ESCi、MicrosoftHyper-V、Xen和KVM。

本领域普通技术人员将理解，对于特定的实施方式，针对数据处理系统1所描述的硬件可以变化。例如，本示例中的数据处理系统1可以对应于计算机、工作站和/或服务器。然而，应当理解，可以利用对应的或备选的构件来配置数据处理系统的备选实施例，这些构件是诸如以移动电话、平板电脑、控制器板或可操作来处理数据并执行本文所描述的功能和特征的任何其它系统的形式，这些功能和特征与本文所讨论的数据处理系统、计算机、处理器和/或控制器的操作相关联。所描述的示例仅出于说明的目的而被提供，并不旨在暗示关于本公开的架构上的限制。

数据处理系统1可以连接到网络(该网络不是数据处理系统1的一部分)，该网络可以是本领域技术人员已知的任何公共的或私有的数据处理系统网络或网络的组合，包括互联网。数据处理系统1可以通过网络与诸如服务器之类的一个或多个其它数据处理系统通信(这些数据处理系统也不是数据处理系统1的一部分)。然而，备选的数据处理系统可以对应于被实现为分布式系统的一部分的多个数据处理系统，在该分布式系统中，与若干个数据处理系统相关联的处理器可以通过一个或多个网络连接的方式进行通信，并且可以共同执行被描述为由单个数据处理系统执行的任务。因此，应当理解，当提及数据处理系统时，这样的系统可以跨若干个数据处理系统被实现，这些数据处理系统被组织在经由网络彼此通信的分布式系统中。

当然，本领域技术人员将认识到，除非由操作顺序明确指示或要求，否则上面所描述的过程中的某些步骤可以被省略、并行执行或依次执行、或者以不同的顺序执行。

本领域技术人员将认识到，为简单和清楚起见，本文未描绘或描述适合于与本公开一起使用的所有数据处理系统的完整结构和操作。相反，仅描绘和描述了数据处理系统中对于本公开而言独特的或对于理解本公开所必需的一部分。数据处理系统1的其余构造和其余操作可以符合本领域已知的各种当前实施方式和实践中的任何一种。

重要的是应当注意，尽管本公开包括在功能齐全的系统的上下文中进行的说明，但是本领域技术人员将理解：本公开的机制的至少部分能够以指令的形式被分发，这些指令以各种形式中的任何形式被包含在机器可用介质、计算机可用介质或计算机可读介质中，并且无论用于实际执行分发的指令或信号承载介质或存储介质的特定类型如何，本公开同等地适用。机器可用/可读介质或计算机可用/可读介质的示例包括：诸如只读存储器(ROM)的非易失性的、硬编码类型的介质、或可擦除电可编程只读存储器(EEPROM)、以及用户可记录类型的介质，诸如软盘、硬盘驱动器和光盘只读存储器(CD-ROM)或数字多功能盘(DVD)。

尽管已经详细描述了本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，可以进行本文所公开的各种改变、替换、变化和改进，而不脱离本公开的以其最广泛形式的精神和范围。

本申请中的任何描述均不应被解读为暗示任何特定元素、步骤或功能是必须被包含在权利要求范围中的必要元素：专利主题的范围仅由所允许的权利要求限定。此外，除非精确的措词“用于……的手段”跟随有分词，否则这些权利要求均无意援引35USC§112(f)。

Claims (17)

1.一种操作计算机辅助设计(CAD)系统模型的方法，所述模型用于待设计或待制造的物品，所述方法在一个数据处理系统上被执行；所述方法包括：

在能够将一个物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的一个CAD系统模型中，接收以3维表示所述物品的一个表面的一个网格几何形状；

接收待应用到所述网格几何形状的多个约束，

将所述网格几何形状作为一个精确的表面来求解；以及

存储所述网格几何形状的更新后的模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下项中的至少一项：显示更新后的所述网格几何形状的一个图像；以及生成用于计算机控制的机器的一组指令。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述多个约束包括以下项中的至少一项：一个几何形状与所述网格几何形状重合；一个几何形状与所述网格几何形状之间的距离尺寸；或一个几何形状接触所述网格几何形状。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述求解包括一种通过以下方式来满足所接收的所述多个约束的方法：针对每个约束限定一个已求解的定位，并且针对每个约束确定距所述已求解的定位的距离，并且针对被应用到所述网格几何形状的每个约束确定所述距离的一阶导数向量；并且基于所确定的所述距离和所述距离的一阶导数向量来应用改变。

5.根据权利要求4所述的方法，其中：

如果多个所述几何形状不相交或不接触，则：

对于每个约束，将一个网格几何形状与任何其它几何形状之间的所述距离定义为所述网格几何形状与所述其它几何形状之间的全局最小距离；

确定从所述网格几何形状上的近点到所述其它几何形状上的近点的向量；并且

从所述向量的方向生成一个单位向量，并且将所述单位向量用作所述距离的所述一阶导数向量。

6.根据权利要求4所述的方法，其中：

如果多个所述几何形状接触但不相交，则：

对于每个约束，所述网格几何形状与所述其它几何形状之间的所述距离为零，并且所述距离的所述一阶导数向量是在接触点处垂直于所述网格几何形状的一个单位向量。

7.根据权利要求4所述的方法，其中：

如果多个所述几何形状相交但不接触，则：

对于每个约束，所述距离是使得多个所述几何形状接触但不相交的最短相对平移向量的长度，并且所述一阶导数向量是与所述平移向量方向相同的一个单位向量。

8.根据至少权利要求4所述的方法，其中所述方法还包括：选择所接收的所述网格几何形状的一个子区域，并且针对所述子区域计算所述距离和一阶导数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述子区域包括所接收的所述网格几何形状的以下部分中的一个部分：位于由指定半径围绕一个指定点所限定的一个球内的部分；位于具有指定大小和位置的一个矩形框内的部分；位于由终端用户在网格上勾画闭环而标识的一个区域内的部分；位于网格的一个平滑区域内的部分；或位于由多个边缘界定的一个区域内的部分。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述几何形状包括以下项中的一项：点、曲线、代数表面、刻面表面、或网格几何形状。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个约束能够被应用在点、曲线、代数表面、刻面表面、另一网格几何形状和所接收的所述网格几何形状之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述网格几何形状包括一个或多个点、曲线、代数表面、或者刻面表面、或者其组合。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述约束能够从外部来源被接收，从存储装置被提取，或者从所述模型中的所述几何形状中被推断。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法是迭代的方法。

15.一种制造部件的方法，所述方法包括：根据前述权利要求中的任一项对所述部件建模；将更新后的所述网格几何形状输入到计算机控制的机器，以及使用所述计算机控制的机器在材料中复制相关联的所述物品。

16.一种数据处理系统，包括一个处理器和一个可访问存储器，所述数据处理系统特别地被配置为执行以下步骤：

在能够将一个物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的一个CAD系统模型中，接收以3维表示所述物品的一个表面的一个网格几何形状；

接收待应用到所述网格几何形状的多个约束，

将所述网格几何形状作为一个精确的表面来求解；以及

存储所述网格几何形状的更新后的模型。

17.一种利用可执行指令编码的非暂时性计算机可读介质，所述可执行指令在被执行时，使一个或多个数据处理系统执行修改计算机辅助设计(CAD)系统模型的方法，所述方法在一个数据处理系统上被执行，所述方法包括：

在能够将一个物品表示为代数几何形状或刻面几何形状的一个CAD系统模型中，接收以3维表示所述物品的一个表面的一个网格几何形状；

接收待应用到所述网格几何形状的多个约束，

将所述网格几何形状作为一个精确的表面来求解；以及

存储所述网格几何形状的更新后的模型。

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