一种家具设计参数化建模方法及系统与流程

本发明涉及家具数字化设计与智能制造，特别涉及一种家具设计参数化建模方法及系统。

背景技术：

1、在数字化设计与制造深度融合的背景下，参数化建模技术已成为家具产品开发的核心工具。传统参数化建模方法主要依托三维cad软件的内置参数化引擎，通过尺寸驱动和几何约束实现模型变型设计。近年来，部分企业开始在参数化建模中融入制造知识，尝试将加工参数、材料属性、设备能力等信息以外部数据库的形式与几何模型关联，以期在设计阶段兼顾制造可行性。此外，基于历史制造数据的工艺优化方法在机械加工领域已有初步应用，通过对过往加工案例的统计分析，为新产品提供工艺参数参考。

2、然而，现有参数化建模方法中，设计参数的调整与制造可行性的评估分属两个独立的决策环节，设计人员完成几何模型修改后，由工艺人员离线分析其可制造性，导致设计迭代周期长、方案验证滞后。更为根本的缺陷在于：现有方法缺乏一种能够同时感知设计变量对工艺约束的响应敏感度、并据此量化当前设计状态偏离最优制造路径的方向和程度的技术手段，因而无法在设计参数调整过程中同步计算几何结构域和加工工艺域所需的联动补偿量，以实现设计方案的自主修正。这导致参数化建模过程始终依赖人工经验进行“试错-验证-修改”的循环，难以在设计阶段主动规避制造风险。另外，现有常规家具建模手段缺少完整的孪生建模载体，无法搭建与实体家具构件一一映射的数字孪生体，难以同步承载几何结构、加工工艺与现场制造反馈多维度数据。

3、因此，本发明提出一种家具设计参数化建模方法及系统。

技术实现思路

1、本发明提供一种家具设计参数化建模方法及系统，通过构建工艺约束场并生成工艺偏移向量与工艺响应矩阵，实现了设计阶段对制造偏差方向的自主诊断和结构域与工艺域补偿量的联动决策。

2、本发明提供一种家具设计参数化建模方法，包括：

3、获取用户输入的设计需求信息，设计需求信息包含外观参数和功能描述信息；

4、从预设工艺知识库中调用与外观参数匹配的基础结构模板，并根据功能描述信息从预设工艺知识库中确定目标加工特征集合，将目标加工特征集合中的加工特征关联至基础结构模板的几何部位，生成初始结构模型，基础结构模板包含几何骨架数据和装配约束规则；

5、根据装配约束规则、目标加工特征集合的加工参数组和预设工艺知识库中的历史制造数据，构建初始结构模型的工艺约束场，工艺约束场的每个空间坐标点对应一个工艺约束特征值，工艺约束特征值包含加工难度系数、变形风险系数和公差达成系数；

6、在工艺约束场中提取每个几何部位的设计变量对关联加工特征的工艺约束特征值的响应系数矩阵，将响应系数矩阵沿初始结构模型的装配方向进行工艺投影聚合，生成初始结构模型的工艺偏移向量和工艺响应矩阵，工艺偏移向量用于表征当前设计状态偏离最优制造路径的偏移方向和偏移程度，工艺响应矩阵用于表征偏移方向对各设计变量维度的响应敏感度；

7、根据工艺偏移向量和工艺响应矩阵分别计算结构域补偿量和工艺域补偿量，根据结构域补偿量调整几何骨架数据、根据工艺域补偿量调整加工参数组，生成参数化驱动模型。

8、进一步地，根据装配约束规则、目标加工特征集合的加工参数组和预设工艺知识库中的历史制造数据，构建初始结构模型的工艺约束场，包括：

9、根据装配约束规则确定初始结构模型的装配拓扑特征，根据目标加工特征集合的加工参数组确定当前加工环境参数，从预设工艺知识库中获取与初始结构模型的几何骨架数据具有拓扑同胚关系且历史加工参数集合与当前加工环境参数相匹配的多个历史制造数据样本，每个历史制造数据样本包含历史几何坐标集合、历史加工参数集合以及对应的历史制造质量标签；

10、对每个历史制造数据样本，将历史几何坐标集合映射至初始结构模型的几何骨架数据的坐标系下，获得多个配准后的历史工艺特征点，每个历史工艺特征点包含空间坐标值、对应的历史加工参数值以及对应的历史制造质量标签中的加工难度标签值、变形风险标签值和公差达成标签值；

11、以每个历史工艺特征点的空间坐标值为自变量，以对应的加工难度标签值、变形风险标签值和公差达成标签值为因变量，分别构建加工难度初始插值函数、变形风险初始插值函数和公差达成初始插值函数；

12、计算每个历史工艺特征点处，加工难度初始插值函数的局部梯度向量与变形风险初始插值函数的局部梯度向量的第一一致性系数，以及变形风险初始插值函数的局部梯度向量与公差达成初始插值函数的局部梯度向量的第二一致性系数；

13、当第一一致性系数或第二一致性系数小于预设一致性阈值时，在对应的历史工艺特征点处插入虚拟特征点，虚拟特征点的空间坐标值为对应历史工艺特征点的空间坐标值施加预设偏移量后的坐标值，当第一一致性系数小于预设一致性阈值时，虚拟特征点的因变量值为对应历史工艺特征点的因变量值与预设调整量之和；当第二一致性系数小于预设一致性阈值时，虚拟特征点的因变量值为对应历史工艺特征点的因变量值与预设调整量之差；

14、基于所有历史工艺特征点和所有虚拟特征点，通过径向基函数插值方法重新拟合加工难度初始插值函数、变形风险初始插值函数和公差达成初始插值函数，直至所有历史工艺特征点处的第一一致性系数和第二一致性系数均不小于预设一致性阈值时，将重新拟合后的三个插值函数组合为工艺约束场。

15、进一步地，在工艺约束场中提取每个几何部位的设计变量对关联加工特征的工艺约束特征值的响应系数矩阵，包括：

16、确定初始结构模型中每个几何部位的设计变量空间，并确定每个几何部位的关联加工特征在工艺约束场中的工艺约束特征值分布；

17、以每个几何部位的设计变量空间的当前坐标点为起始节点，以几何部位在基础结构模板的装配约束规则中定义的相邻几何部位为传播节点，沿装配约束规则的装配方向逐级构建几何部位的设计变量扰动在工艺约束场中的扰动传播路径，每条扰动传播路径经过至少一个中间几何部位的关联加工特征的工艺约束特征值分布；

18、沿每条扰动传播路径计算设计变量单位扰动引起的工艺约束特征值变化量在路径上的累积效应，将累积效应与路径长度的比值作为扰动传播路径的路径响应系数；

19、计算每条扰动传播路径的路径响应系数与扰动传播路径所经过的中间几何部位的响应敏感性历史值的偏差比，将所有偏差比归一化后计算补值作为每条扰动传播路径的传播成立度，补值为1减去归一化偏差比；

20、筛选传播成立度大于预设成立度阈值的多条扰动传播路径，在被筛选的每条扰动传播路径的起点处分别沿设计变量空间的尺寸变量维度、角度变量维度和位置变量维度施加单位扰动，计算单位扰动在整条扰动传播路径上的累积响应向量；

21、将所有被筛选的扰动传播路径的累积响应向量按各路径的传播成立度进行加权聚合，生成几何部位的设计变量对关联加工特征的工艺约束特征值的响应系数矩阵。

22、进一步地，将响应系数矩阵沿初始结构模型的装配方向进行工艺投影聚合，生成初始结构模型的工艺偏移向量和工艺响应矩阵，包括：

23、确定初始结构模型中每个几何部位的局部装配方向向量，局部装配方向向量为几何部位在装配约束规则中定义的装配配合方向上的单位向量；

24、将每个几何部位的响应系数矩阵与对应的局部装配方向向量进行投影聚合运算，获得每个几何部位的局部工艺偏移分量，投影聚合运算为：将局部装配方向向量通过几何骨架的雅可比矩阵转换至设计变量空间，获得设计变量方向向量，计算响应系数矩阵的每一列向量与设计变量方向向量的点积，得到对应工艺约束特征值的方向导数，作为当前几何部位的局部工艺偏移分量的对应分量；其中，响应系数矩阵的行向量对应当前几何部位各设计变量维度对工艺约束特征值的响应，设计变量方向向量表征装配方向对各设计变量维度的影响程度；

25、将所有几何部位的局部工艺偏移分量进行加权聚合，获得初始结构模型的工艺偏移向量；

26、计算每个几何部位的局部工艺偏移分量相对于当前几何部位的几何骨架数据的雅可比矩阵，将所有几何部位的雅可比矩阵组合为工艺响应矩阵。

27、进一步地，根据工艺偏移向量和工艺响应矩阵分别计算结构域补偿量和工艺域补偿量，包括：

28、确定工艺偏移向量的单位方向向量；

29、根据工艺响应矩阵的特征值及列向量，确定单位方向向量在各设计变量维度上的投影系数；

30、根据投影系数和工艺偏移向量的模长，计算每个几何部位的结构域补偿量和每个加工特征的工艺域补偿量。

31、进一步地，在生成参数化驱动模型之后，还包括：

32、获取参数化驱动模型的工艺偏移向量和工艺响应矩阵在预设迭代次数内的变化序列，根据变化序列计算工艺偏移向量的方向偏移量和模长衰减量以及工艺响应矩阵的条件数变化量；

33、当方向偏移量大于预设偏移阈值、模长衰减量大于预设衰减阈值或条件数变化量大于预设条件数变化阈值时，触发预警提示；当条件被触发时，重复执行对参数化驱动模型的结构域补偿量和工艺域补偿量的计算和调整操作，直至重新计算后的方向偏移量、模长衰减量和条件数变化量分别小于或等于对应的预设阈值时，完成迭代优化。

34、进一步地，预设工艺知识库的构建方式包括：

35、获取多个家具设计制造闭环案例，每个闭环案例包含设计参数集合、结构数据、加工参数集合以及对应的制造反馈数据；

36、对于每个闭环案例，根据设计参数集合和结构数据构建理论结构模型，作为闭环案例的物理实体的数字孪生体，根据加工参数集合和制造反馈数据在数字孪生体的几何形态上构建与理论结构模型关联的工艺约束场，在工艺约束场中按照扰动传播路径的筛选和传播成立度计算方法提取对应的响应系数矩阵，并将响应系数矩阵沿装配方向进行工艺投影聚合生成对应的工艺偏移向量和工艺响应矩阵，同时将传播成立度记录为路径置信度标签；

37、将每个闭环案例的工艺偏移向量的单位方向向量和模长、工艺响应矩阵的特征值序列和特征向量矩阵以及对应的路径置信度标签组合为闭环案例的工艺指纹数据；

38、将工艺指纹数据与对应的闭环案例关联存储，形成预设工艺知识库。

39、进一步地，在生成参数化驱动模型之后，还包括：

40、计算参数化驱动模型的当前工艺指纹数据，并提取当前参数化驱动模型的扰动传播路径的当前路径置信度标签；

41、将当前工艺指纹数据与预设工艺知识库中存储的历史工艺指纹数据进行综合相似度匹配，综合相似度匹配包含工艺偏移向量的单位方向向量相似度匹配和模长相似度匹配、工艺响应矩阵的特征值序列的余弦相似度匹配和特征向量矩阵的f范数相似度匹配，以及当前路径置信度标签与历史路径置信度标签的标签相似度匹配；

42、当匹配到综合相似度大于预设相似度阈值的历史工艺指纹数据时，从预设工艺知识库中调用与历史工艺指纹数据关联的闭环案例中的结构数据和加工参数集合；

43、根据结构数据和加工参数集合，对参数化驱动模型进行二次优化。

44、进一步地，在生成参数化驱动模型之后，还包括：

45、根据参数化驱动模型的整体尺寸数据和目标加工特征集合，生成多个加工元件的下料数据和加工路径数据；

46、根据装配约束规则，生成每个加工元件的装配序列和装配定位数据；

47、将下料数据、加工路径数据、装配序列和装配定位数据组合为生产指导数据包，输出生产指导数据包至数控加工设备；

48、接收数控加工设备反馈的实际加工偏差数据，根据实际加工偏差数据更新工艺约束场，并重新计算更新后的工艺偏移向量和工艺响应矩阵，将更新后的工艺偏移向量和工艺响应矩阵存储至预设工艺知识库。

49、本发明提供一种家具设计参数化建模系统，包括：

50、需求获取模块，用于获取用户输入的设计需求信息，设计需求信息包含外观参数和功能描述信息；

51、模板与特征处理模块，用于从预设工艺知识库中调用与外观参数匹配的基础结构模板，并根据功能描述信息从预设工艺知识库中确定目标加工特征集合，将目标加工特征集合中的加工特征关联至基础结构模板的几何部位，生成初始结构模型，基础结构模板包含几何骨架数据和装配约束规则；

52、工艺约束场构建模块，用于根据装配约束规则、目标加工特征集合的加工参数组和预设工艺知识库中的历史制造数据，构建初始结构模型的工艺约束场，工艺约束场的每个空间坐标点对应一个工艺约束特征值，工艺约束特征值包含加工难度系数、变形风险系数和公差达成系数；

53、工艺投影聚合模块，用于在工艺约束场中提取每个几何部位的设计变量对关联加工特征的工艺约束特征值的响应系数矩阵，将响应系数矩阵沿初始结构模型的装配方向进行工艺投影聚合，生成初始结构模型的工艺偏移向量和工艺响应矩阵，工艺偏移向量用于表征当前设计状态偏离最优制造路径的偏移方向和偏移程度，工艺响应矩阵用于表征偏移方向对各设计变量维度的响应敏感度；

54、补偿与生成模块，用于根据工艺偏移向量和工艺响应矩阵分别计算结构域补偿量和工艺域补偿量，根据结构域补偿量调整几何骨架数据、根据工艺域补偿量调整加工参数组，生成参数化驱动模型。

55、本发明相对于现有技术产生的有益效果为：通过构建以空间坐标为自变量的连续工艺约束场，将离散的历史制造经验转化为可计算的工艺约束特征值分布，在此基础上提取设计变量对工艺约束的响应系数矩阵，并沿装配方向进行工艺投影聚合，生成能够同时表征偏移方向和偏移程度的工艺偏移向量以及表征该偏移方向对各设计变量维度响应敏感度的工艺响应矩阵，从而实现了在设计参数调整过程中同步量化评估当前方案偏离最优制造路径的程度并自动计算结构域与工艺域联动补偿量的技术效果。该方法将制造可行性的评估与修正从传统的“设计-验证-修改”串行模式转变为参数化驱动模型内部的实时闭环调控，显著缩短了设计迭代周期，提升了设计方案的制造一次成功率。另外，本发明完整落地孪生建模逻辑，为每件家具实体构建一一对应的数字孪生体，打通几何、工艺、现场加工数据的统一承载通道。

56、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在本技术文件中所特别指出的结构来实现和获得。

57、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。