变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计或设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。这种修改一般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场的要求，Pahl和Beitz最早将设计分为初次设计(original design)、适应设计（ adaptive design ）、变型设计（variant design），并指出在实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。

一般解释为 在预先定出的工作方案和计划,绘出的图样的基础上改变原来的形态或对原来事物的扭曲

这个变形包括 工业设计Industrial Design环境设计Environmental Design 建筑设计 Architecture Design

室内设计Interior Design 网站设计 Web design服装设计Clothes Design平面设计Graphic Design环艺设计 Designed Huanyi影视动画设计 Television animation design

等设计中在形状 图示 色彩 构成 方面的形态的改变 扭曲

变型设计是如此重要和存在如此广泛，这在客观上要求CAD系统能够支持这种设计方法，但存在的CAD系统对这种设计方法的支持程度十分有限，因而使有关变型设计的理论和方法成为当今CAD研究的—个重点。

一种基于装配模型的智能变型设计系统框架。

变型设计是对已存在的设计的结构的局部调整和参数的修改，CAD系统要支持这种设计方法必需满足以下要求：

(1)提供维持原有产品功能、原理的方法和工具；

(2)提供对已存在的设计的有效管理和组织的手段，方便对设计的检索和存取；

(3)提供对已存在的设计的快速修改的方法和工具。

基于装配模型的变型设计理论

CAD系统建立了产品的完整的几何模型，这种建模方法是从零件的建模开始的，以完成零件的拼装形成整个产品几何设计为最终目标。这种方法一方面是一种自底向上的建模方法，同时也难以表达产品的功能信息、装配信息等设计者的设计意图，因为产品的功能不是由单个零件表现出来的，而是由不同零件的组合即装配体实现的。因此装配模型是提供和维护产品功能设计意图的关键。装配建模即是装配模型的建立过程，旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模型，以期不仅可以表达零件的几何模型，而且可以通过表达零件之间的装配关系反映整个产品的功能要求和设计者的设计意图。

常用的描述零件及零件之间装配关系的数据模型有两种：

关系模型：主要用联接图方式来表现零件之间装配关系，在联接图中，节点表示零件，联接弧表示零件间的装配关系（主要是坐标变换）。

层次模型：以关系模型为基础，增加零件的安装顺序约束，可得到装配层次模型，零件子装配体和装配体之间形成层次关系，装配分析和设计分析以子装配体为研究对象。

但这两种数据模型表达的设计信息仍然十分有限，只表达了零件之间的装配位置关系，无法从这些关系中获取更多的产品的功能要求和设计者的设计意图。

装配模型是人们为了提高CAD的智能水平和为支持设计过程的较高层次而提出的，它比较符合人们的自然设计过程，同时也是一种良好的变型设计方法，近年来国内外对装配模型及建模方法进行了深入的研究，但至今仍未形成完整的理论体系和实用的建摸手段，CAD系统也无法支持装配建模。

模块化变型设计

模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而性能用途不同的各模块的互联组合而实现各种基型产品和变型产品。

模块化设计包括模块的创建和模块的综合两个过程。模块创建包括功能模块的划分过程和功能模块的结构设计过程；模块综合则是根据具体设计要求，进行功能分解，并从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将分功能模块组合形成产品。

模块化设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短，降低成本且提高产品的质量，并可使产品具有很大的灵活性和适应性；能快速响应用户的多品种、小批量的需求，使产品具有很强的市场竞争力。

模块化设计是建立在模块的定义和组织管理基础之上的，其对特定产品的模块的划分不是随意的，而且一模块与另一模块之间的装配关系是预先确定的，也不能随意改变，因而这也就限制了其使用范围。它适用于机床等行业中产品功能基本相同，但多品种的产品设计。使用这种设计方法不可能建立一种通用统一的设计环境或适应于较大范围的产品设计。

基于特征的变型设计理论

特征技术是为克服传统CAD系统的缺陷，为了CAD/CAM集成的需要提出的。

传统的CAD系统的产品建模方法是几何建型，是基于形体的几何尺寸的造型方法，它们的模型都不包括诸如定位基准、公差、表面粗糙度、加工装配精度及材料等工程信息，因而只是产品的几何表达，不能满足产品设计及加工的要求。

特征设计是面向设计和制造的全过程，它是以几何模型为基础并包括零件设计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它允许设计者通过组合常见形体，如：槽、筋、凸台、键槽等来完成产品的设计，而不是使用抽象的几何点、线、面。系统提供了用不同属性值实例化特征的能力，而且一般常用的形状特征由系统设计者以特征库的形式提供给用户，且许多系统允许用户用自定义特征扩展系统特征库。

特征技术的发展给产品的变型设计提供了一种手段，用户通过对一系列特征的实例化和特征的自动维护达到产品的变型设计的目的。

但特征技术存在许多问题：设计人员在设计时必须采用系统预定义的特征来设计产品；特征设计使概念设计、技术设计完全受制造方法的限制；特征设计用于变型设计时，一般和参数化设计方法结合，但特征间的交互作用对特征的影响和设计过程中特征的有效性的维护，都是这种变型设计方法的致命缺陷。从根本上讲特征设计是零件级的设计，特征设计无法支持概念设计和自顶向下的设计方法，不支持产品设计的全过程。

基于参数设计变量设计方法的变型设计

参数设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动。生产中最常用的系列化、标准化设计就是属于这一类型。

变量设计是设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程组来确定产品的尺寸和形状。约束可以是几何关系，也可以是工程约束，约束结果的修改受到约束方程驱动。

参数设计和变量设计适用于产品的初始设计和定型产品系列设计，使产品的设计图纸可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改。

在变量设计中必需着重考虑的是约束满足问题（CSP——Constraint Satisfaction Problem），而设计一个高效的约束求解器则是变量设计的难点。国内外基于约束的变量设计方法的实现方案主要有：数值约束求解方法迭代法、基于规则的几何推理方法、基于图论的约束求解方法、基于构造过程的方法。

变量设计是CAD系统研究的重点，其目的是为快速修改设计结果提供一个强有力的工具，但因为表达的信息量小、约束的多样性和处理工程约束的复杂性，使变量设计系统无法完全解决变型设计中存在的问题。

基于实例推理技术的变型设计理论

在变型设计中引入实例推理技术(Case-based Reasoning——CBR)是势在必行的。近年来国内外的研究实践也充分地证明了这一点。Chandrasekaran的PCM(Propose-Critique-Modify)设计方法也很好地说明了设计过程与CBR过程的对应关系。

Chandrasekaran将设计方法定名为PCM，它包括建议（Propose）、评判（Critique）和修改(Modify)三个步骤，这个实际的设计过程与CBR过程存在着并行的对应关系。CBR很自然地符合了设计师的实际设计过程。PCM设计过程与CBR过程的比较分析有力地说明了采用CBR解决设计问题的合理性。

国外在研究CBR技术应用于设计时，主要集中在建筑设计领域，形成了一些商用系统，也有应用于机械设计方面的，但仍未有成熟的软件。国内在实例推理技术的研究应用方面刚刚起步，处于引进学习和研究阶段。

国内外有关实例推理技术应用于设计中的理论研究和实践，匀没有很好地解决实例修改这一难题，所有这样的研究和实践可以分为两类：一是设计支持系统，这样的系统只是一个浏览器，提供给设计者众多设计实例，并按新的设计要求自动选择一些实例提供给用户选择，但是实例的修改是由用户和系统交换完成的。另一类是自动设计系统，希望找到一种系统自动修改实例的方法，这当然是相当困难的，但是这种努力仍是相当有意义的。

基于关系型产品模型的变型设计理论

上海交通大学陈俊、钟廷修根据合理化工程哲理的订单规划的需要，提出了一种关系型产品模型（Relation-based Product Model,RPM），即是在先进的信息理论和计算技术的支持下，定义和表达重用产品资源所必需的产品数据及其数据关系的数字化的信息模型，分析了订单规划活动的信息类型和信息内容，得到了RPM的逻辑构成，它们是：设计模型、工艺模型、制造模型、成本模型。作者详细分析了设计模型，利用产品重组技术对企业的资源按面向对象的方法进行分类重组，建立了对象的分类框架，实现了对象的抽象定义，在此基础上建立了对象的类属模型，利用这些技术实现了企业产品的合理、快速变型设计。

总之，以上述及的变型设计理论和方法，均不同程度地解决了变型设计中一些重要问题，达到了一定的目的和要求。它们除了具有各自的不足外，也存在以下共同的缺陷：

(1)不支持产品设计的全过程，无法表达设计者的设计意图，特别是在概念设计阶段；

（2）无法充分利用企业的现有资源，变型设计的结果往往使企业的资源空间呈膨胀趋势，这必将造成资源的浪费、成本的增加和生产效率的低下。模块化设计和基于实例推理技术的变型设计方法有解决这个问题的可能性，但尚缺少行之有效的实施手段；

（3）没有提供对已有产品资源的有效的组织管理形式和手段，缺少多层次的变型方法。这样的条件下，导致设计人员在进行变型设计时，不是求解的方法和求解的结果严格受限，就是非变型的产品的大量涌现，达不到变型设计的目的；

（4）缺少一个有效的支持变型设计的人机协作的环境。

基于装配模型的智能变型设计框架

装配模型通过建立零部件之间的几何模型及它们之间的装配信息描述，表达并维持设计意图、产品原理和功能，是一种支持概念设计和技术设计的产品模型，而实例推理（CBR）技术则为以过去解决某类问题的成熟方案为基础来解决相似问题这一过程提供了一种行之有效的方法，实例库则是设计的结晶，同时又是一种组织已有技术的工具。本文将装配模型和CBR技术结合起来，提出了一种基于装配模型的变型设计智能框架，充分发挥了装配模型和CBR技术各自的优点，这种变型设计框架有望解决上述指出的变型设计理论和方法存在的缺陷。

本文提出的基于装配模型的智能变型设计框架中，装配模型是CBR的技术基础，而CBR则是整个智能框架的核心；概念建模是解决设计问题的起点；CSP——约束满足技术，应用于实例的自动修改。这个框架具有以下的特点：

(1)概念建模是和变型设计方法密切相关的，和一般意义上的概念建模不同，它是一个解空间受限的建模；

(2)装配模型是实例推理的基础，装配建模是在CBR的运行过程中实现的，这样使装配建模的结果大量地重用了企业的已有资源，不同于一般的装配建模方法；

(3)实例采用概念模型和装配模型表示，并具有多视图的特点，可以克服CBR技术的一些致命缺陷，如：实例表示的内容的有限性、实例适应的访问范围窄、实例的检索修改难度大等。

综上所述，可以得出以下结论：

（1）CAD系统必需支持产品的设计全过程，必需为大量存在的变型设计提供支持，但CAD系统及有关的理论方法无法实现这些要求；

（2）基于装配模型的智能变型设计框架则为解决变型设计中大量问题提供了一种有效的途径，这种框架使产品的数据管理和设计过程密切结合起来，使企业的资源重用成为可能，大大地提高了CAD系统对变型设计的支持能力；这方面的研究正在深入进行。

PDM环境下基于实例推理的变型设计技术研究

基于实例推理的变型设计技术是实现大规模定制的一项关键技术。国内外相继出现了一些基于实例推理为基本方法的变型设计求解方法。但是这些方法普遍存在着一个问题，即实例库的建立存在着不足。建立实例库时，一方面，要求实例库必须十分完善，以便进行变型设计时能够找到模板，另一方面，要求实例库尽可能简洁，减少不必要的和重复的实例，避免实例库过于庞大，影响设计效率。以往提出的变型设计求解方法，在建立实例库时，这两点很难兼顾。针对这个问题，本文提出了一种在产品数据管理(Product Data Management, PDM)环境下，基于实例推理(Case-Based Reasoning，CBR)的变型设计系统。应用PDM 系统有很多优点，第一，可以解决大量的信息管理问题; 第二，可以充分利用企业现有资源，使实例库的建立过程大大简化p 第三，使实例库包含的内容更全面，以便进行变型设计时能够做到有例可查，保证变型设计的质量和效率。第四，避免实例库的内容繁冗、重复，第五，实例库本身需要不断更新。随着时间的推移，有些实例会失去其典型性，需要删除，而新的实例又需要补充进来。在PDM环境下，容易实现实例库的更新。

CBR变型设计

基于实例的推理技术是人工智能(Arficial Intelligence，AI)方向的一个重要研究领域，基本原理是:在实例库中预先存入大量已有的、成熟的实例，根据待设计产品的要求和特征，按照相似度从实例库中检索出一个最相似实例，进行必要的修改、组合和处理后，即可形成新的产品设计方案，并且，其中具有可扩展性的方案又可作为新的实例不断丰富实例库。CBR技术的

核心在于利用过去的实践经验来解决新问题。

CBR变型设计过程包含以下四个步骤:识别阶段、实例检索、实例修改和实例存储。

1、识别阶段:对顾客要求进行分析并转化为初始条件，连同其他相关信息输入到实例库；

2、实例检索:根据问题要求和初始条件，从实例库中检索出与当前问题最相似的实例。实例相似包括:功能相似；结构相似；事物特性参数相似。包括表征功能结构几何特性、功能特性和制造特性的信息集合。

3、实例修改:对检索出的最相似实例，进僧制或功能上的修改，形成解决问题的方案，实例的修改有以下几种方法:人工干预，即设计人员人工修改设计实例；基于知识的修改；实例组合。

4、实例存储:新产品方案实施后，对其进行盼，如果该方案具有可扩展性，则将其作为新实例存储到实例库中，同时，作为企业的资源，该方案还要存储到POM当中，如果该方案不具有可扩展性，则直接存入POM当中。

本系统利用SmarTeam这种PDM软件建立实例库。设计人员根据需要从实例库中通过实例检索求出一个最相似实例作为实例模板，进行变型设计。