（机械设计及理论专业论文）零部件参数化设计方法研究与系统实现.pdf

y 。6 如5 6 2 堡主笙奎 至塑堡垄墼垡堡生整塑壅量墨垄塞墨一 摘要 参数化设计是当前c a d 技术中的一个研究热点，对参数化设计的方法进行 研究，对于企业实现快速设计、提高市场竞争力具有重要的现实意义。目前面向 零件参数化设计的研究与系统开发已经取得了一定成效，但对部件产品级的参 数化设计的研究比较少，缺少方法，效果也不太理想。针对这一情况，本文深入 地研究了零件参数化设计方法，并从实现部件产品整体参数化设计出发，形成 了基于装配约束的零部件参数化设计方法，结合c a d 的二次开发，以典型的齿 轮泵为对象，建立了基于通用c a d 系统的齿轮泵参数化设计系统。在系统的开 发过程中将理论研究与实际应用紧密结合，验证了基于装配约束的零部件参数化 设计方法实现部件产品整体参数化设计的可行性，系统具备设计计算、参数化 造型、系统数据管理等功能。针对目前基于通用c a d 的二次开发中普遍忽视菲 几何信恩的情况，系统还实现了对非几何信息的管理，并在此基础上研究了工程 图自动生成技术。本系统的开发为企业面向现代设计与制造的产品数字化做了有 益的探索，其开发思想可用于其他产品设计系统的开发。 关键词：c a d零部件参数化设计二次开发 堡主丝苎 至塑壁垄墼些堡生查鎏竺窒量墨丝壅里一 a b s t r a c t p a r a m e t r i cd e s i g nh a db e c o m eah o t s p o ti nt h ea r e ao fc a dt e c h n o l o g y i t sv e r y i m p o r t a n t t o s t u d y t h et e c h n o l o g yi n d e p t h ，s i n c e i tc a l lr e m a r k a b l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e sa sw e l l a sm a k ee n t e r p r i s e sm o r ec o m p e t i t i v e t o d a y ，m a n y w o r kh a sb e e nd o n et o a c c o m p l i s hp a r a m e t r i cd e s i g n o f p a r t s a n dal o to f a c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d e b u tf e ww o r kh a db e e nd o n et os o l v et h ep r o b l e mo f p a r a m e t r i cd e s i g no fc o m p o n e n t sa n dp r o d u c t s u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，t h et h e s i s p u te m p h a s i su p o nt h em e t h o do fp a r a m e t r i cd e s i g no fc o m p o n e n t sa n dp r o d u c t s ，a n d p r e s e n tt h em e t h o do fp a r a m e t r i cd e s i g nb a s e do na s s e m b l yc o n s t r a i n t s t h r o u g ht h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc a d ，t h i sm e t h o di sp u ti n t op r a c t i c ea n dt h u ss e tu pa p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mb a s e do nu n i v e r s a lc a ds y s t e mf o rak i n do ft y p i c a l c o m p o n e n t s - - g e a rp u m p w h e nd e v e l o p i n gt h i ss y s t e m ，t h ea u t h o rc o m b i n e dt h e o r y w i t h p r a c t i c et i g h t l y , a n dp r o v e t h a tp a r a m e t r i cd e s i g nb a s e d0 n a s s e m b l yc o n s t r a i n t si s f e a s i b l e t h ew h o l es y s t e mh a ss u c hf u n c t i o n sa sc a l c u l a t i n gp a r a m e t e r s ，p a r a m e t r i c m o d e l i n g ，d a t am a n a g e m e n t ，a n ds oo n f u r t h e r m o r e ，t h es y s t e mf u l f i lt h em a n a g e m e n t o fn o n - g e o m e t r i ci n f o r m a t i o ni no r d e rt om e e tt h ed e m a n d sf o ri n f o r m a t i o ni n d i f f e r e n t s t e p s o ft h ew h o l el i f e c y c l e o fp r o d u c t s i nt h i s s y s t e m ，i t s a l s o v e r y c o n v e n i e n tt oc r e a t e2 - d i m e n s i o n d r a w i n g s t h es y s t e mi sav e r yu s e f u le x p l o r a t i o nf o r d i g i t a lp r o d u c t so fe n t e r p r i s e sf a c i n gm o d e md e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，a n dc a nb eu s e d a sar e f e r e n c ew h e n d e v e l o p i n go t h e r s i m i l a rs y s t e m s k e y w o r d s ：c a d p a r t sa n dc o m p o n e n t sp a r a m e t r i cd e s i g n s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 第2 “ 堡主堡壅 量塑生叁墼丝堡生查鲨竖塑兰至丝窭翌一 1 绪论 计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 技术是指以计算机为基础， 完成整个产品设计过程“3 。它主要研究用计算机、外围设备、图形输入输出设各 和相应的软件帮助人们进行工程和产品设计的技术。c a d 是电子信息技术的一 个重要组成部分，广泛应用于机械、建筑、汽车、电子、航空航天等领域，对于 加速新产品开发，缩短设计制造周期，提高产品质量，节约成本，增强企业的市 场竞争能力和创新能力，加速国民经济的发展和国防现代化，都具有极为重要的 意义。c a d 技术已经成为制造企业参与市场竞争的必要条件，成为企业进入世 界市场的入场券。 1 1 c a d 技术发展概述 1 1 1 c a d 技术发展历程“2 ” c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 0 年美国麻省理工学院研制出可以显 示简单图形的图形设备“旋风1 号”，5 0 年代末美国g e r b e r 公司研制出平板绘图 仪，c a l c o m p 公司研制出滚筒式绘图仪，这些研究成果为c a d 技术的发展提供 了最基本的物质基础，整个5 0 年代c a d 技术还刚刚萌芽，只是处于被动式的图 形处理阶段。进入6 0 年代，c a d 技术开始蓬勃发展起来，1 9 6 2 年麻省理工学院 的s u t h e r l a n d 发表的博士论文s k e t c h p a d 一一种人机对话系统，为c a d 技 术的发展和应用打下了理论基础，1 9 6 6 年出现了第台实用的图形显示装置， 同一时期还出现了许多商品化的c a d 设各，如美国i b m 公司推出的商品化计算 机绘图设备等。从7 0 年初期开始，c a d 进入了早期实用阶段，1 9 7 0 年美国 a p p l i c o n 公司第一个推出完整的c a d 系统，随着各种廉价的图形输入设备的相 继问世，c a d 逐步走进中小企业。从8 0 年代至今，c a d 技术的发展突飞猛进， 一方面小型机及微型机的性能不断提高，价格不断下跌，诸如大型数字化仪、自 动绘图机等计算机外围设备已经成为c a d 的一般配置，为推动c a d 技术向更 高水平发展提供了必要的条件，另一方面，基于小型机和微机的软件技术也迅速 提高，大量成熟的商品化软件不断涌现，又促进了c a d 技术的发展，c a d 技术 得到了越来越广泛的应用。 在c a d 技术约5 0 年的发展历史中，共经历了四次重大的技术革命。2 0 世 纪7 0 年代，曲面造型系统c a t i a 引领了第一次c a d 技术革命：2 0 世纪7 0 年 第1 雠 堡主堡塞 翌墅堡童墼丝堡生查垄堑塑兰墨堑壅墨 代末8 0 年代初，实体造型技术的普及应用成为c a d 技术发展史上的第二次革命： 到了2 0 世纪9 0 年代前后，参数化技术的应用主导了c a d 的第三次技术革命： 而1 9 9 3 年i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件的推出，驱动了c a d 发展的第四次技术革 命。c a d 的技术特点，也由2 0 世纪6 0 年代的二维、三维线框造型，发展到2 0 世纪7 0 年代的自由曲面造型，直至2 0 世纪8 0 年代至今的实体造型、特征造型。 目前，流行的c a d 技术基础理论主要是以p r o e 为代表的参数化造型理论 和以s d r c i d e a s 为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束 的实体造型技术。 国内对c a d 技术的研究，开始于2 0 世纪7 0 年代初期，研究工作主要集中 在高等学校和科研院所，研究内容主要是计算机辅助几何设计和计算机辅助绘 图。进入8 0 年代以后，我国的c a d 技术的研究得到了较快的发展，在二维交互 绘图系统、三维造型和几何设计、有限元分析、数控编程等方面部取得了很多成 果，不少自主版权的软件已经在国内行业中得到推广应用。但从总体上来说，我 国的c a d 软件，无论是从产品开发水平方面，还是从商品化、市场化程度方面， 都与发达国家存在着不小的差距，主流的c a d 软件基本上都是国外产品。 1 1 2 c a d 技术发展趋势 c a d 技术作为成熟的普及技术已经在企业中广泛应用，并仍处于不断发展 之中。c a d 技术的发展趋势，主要围绕集成化、网络化、智能化等方面。 集成化要能支持信息集成、过程集成与企业集成，其涉及的主要技术包括数 字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换及各种c a x ( c a d 、 c a m 等技术的总称) 工具等。 网络化要能支持动态联网中协同设计所需的坏境与设计技术。 智能化是指在实现集成化和网络化时采用智能的技术，如人工智能、专家系 统技术等。 1 2 c a d 系统简介 c a d 技术集中体现在c a d 系统上。c a d 系统是用户用来实现设计思想， 加速产品和工程设计的信息化工具。基本的c a d 系统由计算机硬件系统和计算 机软件系统组成，典型的机械制造业中应用的c a d 系统如图1 2 1 所示 第2 颤 堡主堡壅 量塑壁垒鉴垡堡生查鲨堕壅量墨! 壁翌一 图1 21 c a d 系统的组成 c a d 系统可分为三个层次。1 ，分别为基础层、支撑层和应用层。基础层由硬 件系统和系统软件组成；支撑层主要是各种支撑软件，包含用户接口与人机交互、 真实感图形显示、产品数据管理、二次开发环境等：而应用层针对不同应用领域 的需求有各自的c a d 专用软件，如机械c a d 、建筑c a d 、交通c a d 等。 按组成c a d 系统的计算机类型不同，一般可将c a d 系统分为大型机c a d 系统、小型机c a d 系统、工作站c a d 系统和微机c a d 系统。由于近年来微型 计算机性能得到迅速的提高，价格大大降低，使不少原来应用于工作站的c a d 软件，如u g 、p r o e 等，都纷纷推出了各自的微机版c a d 软件，微机c a d 系 统逐步成为主流。 1 3 当前c a d 系统采用的主流技术 近年来开发的c a d 系统，都是基于特征的三维参数化设计系统，般都采 用基于组件的实现技术“。 现代主流的c a d 系统都实现了参数化功能。采用参数化设计技术，是企业 实现快速设计的有效手段。与以往的自由约束的设计方法相比，参数化技术具有 很明显的优势。设计时，设计人员并不需要精确造型，而可以尽快草拟零件图： 设计完成后可通过变动某些约束参数来更新设计，而不必重新运行产品设计的整 个过程。参数化技术避免了重复劳动，避免了资源的浪费，可以极大地提高设计 的效率。 特征造型技术在c a d 系统中也得到了广泛的应用。特征造型技术为设计者 提供了符合设计思维的设计环境，设计时设计人员不必关注组成特征的几何细 节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图，因此特征造型更符合工程设计的习惯， 也更易于理解和组织生产。它使c a d ，c a m ，c a p p 乃至生产管理实现真正的集成 化成为可能，为解决当代从产品设计到制造的一系列问题奠定了理论和技术基 堡主丝奎至塑堡垒茎些望生查垫堕壅兰墨丝塞銎 础。 当前的c a d 系统，特别是中端c a d 系统，都使用了组件技术。主要的组 件包括用户界面组件、几何引擎组件、约束求解器组件和真实感图形显示组件等a 1 4 c a d 系统的二次开发 在激烈的市场竞争条件下，企业必须具备创新产品的开发和快速响应市场的 能力。创新设计和快速设计已经成为企业普遍关心的两大课题。其中创新是企业 持续发展的灵魂。但创新的产品只有快速地设计和制造出来，才能占领市场为 企业创造经济效益。 参数化设计技术是实现企业快速设计的有效途径，当前主流的c a d 软件也 都实现了参数化功能。但是，由于通用的c a d 软件注重功能的全面性，几乎涵 盖了制造业的方方面面，而专业针对性差，并不能很好地满足企业实际设计的要 求，参数化设计技术并未真正发挥出应有的效益。所以必须进行通用c a d 软件 的二次开发，实现其专业化、本地化。 有效的二次开发是c a d 软件发挥效能的关键环节，可以毫不夸张地说，没 有进行专业化、本地化的二次开发，就没有真正意义上的c a d 技术的有效应用。 事实上。二次开发的意义不仅在于提高设计效率，而且也是提高设计质量的重要 途径。c a d 的二次开发问题已经成为c a d 技术推广应用过程中必须要面对和解 决的课题之一。在通用c a d 系统的基础上，通过二次开发建立适合企业特定要 求的专用c a d 系统，成为拓展c a d 应用的重要途径。 1 5 本文研究背景及所做工作 将参数化设计技术与c a d 软件二次开发技术相结合，根据具体产品设计的 需求进行研究和开发，能够极大地提高设计效率，实现快速设计。有关这方面技 术的研究国内外已经广泛地展开，从研究的现状来看，主要集中于实现零件的 参数化设计上，如各种标准件库的开发、专用零件库的开发等o “”。s z lo 这些 研究工作，较好地实现了特定零件的参数化设计，很大程度上提高了企业的设计 效率。但针对部件产品级的参数化设计方法的研究和系统开发还比较少，若能 将零件参数化设计的思想扩展到部件产品这一级，实现部件产品的整体参数 化设计，无疑会更加有利于企业的快速设计。 零件的参数化设计是部件产品的参数化设计的基础，但部件产品的参数 化设计又不仅仅是各个组成零件的参数化的简单累加。部件产品的参数化设计 除需进行各组成零件的参数化以外，还强调构成部件产品的各零件闯的属性关 第4 挺 硕士论文零部件参数化设计方法研究与系统实现 系在修改一个零件时能够得到实时的修改”0 3 。目前处理部件产品的参数化问 题的方法主要是引入全局变量“，这种方法在实现过程中存在诸多缺陷，如全局 变量数目过多、不能处理离散变化的参数、同一零件的不同版本调用冲突等，所 以只能实现简单部件产品的三维参数化设计，或者复杂部件产品的概念化设 计。 基于这一研究现状，本文开展了零部件参数化设计方法的研究，基本思想是 在零件参数化设计方法研究的基础上，研究实现部件产品整体参数化设计的方 法，并最终在实际的应用系统开发中予以实现。本文的工作主要集中在以下两方 面：( 1 ) 研究实现零部件参数化设计的方法，以研究零件参数化设计方法为基础， 以部件产品的整体参数化设计方法为研究重点；( 2 ) 进行通用c a d 系统的二 次开发，建立面向特定零部件的参数化设计系统，该系统具备友好的界面、零件 和部件的参数化设计功能、完善的数据管理功能，并针对目前二次开发中普遍忽 视非几何信息的缺陷，在系统中实现了非几何信息的管理，并在此基础上基本实 现了特定零部件工程图样的自动生成。 堡主堡壅 里塑壁垒墼些堡盐立鲨堑塞量墨堑壅婴一 2 参数化设计与特征技术综述 2 1 参数化设计基本原理 2 1 1 参数化设计概述 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是 通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动 完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动”。 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题。机械设计是一个创造性 的活动，是一个反复修改、不断完善的过程。同时，对很多企业，设计工作往往 是变型或系列化设计，新的设计经常用到已有的设计结果。据不完全统计，零件 的结构要素9 0 以上是通用或标准化的，零件有7 0 一8 0 是相似的。在参数 化设计技术出现以前，传统的c a d 使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象 几何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。这种设计系统不支持 初步设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地自动处理对已有图形的修改， 不能有效地支持变型化、系列化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计 中存在大量重复劳动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。在这种情况 下，参数化设计方法应运而生。 参数化设计以约束造型为核心、以尺寸驱动为特征。在参数化设计中采用参 数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状，实现产品的精确造 型，而不必在设计时专注于产品的具体尺寸：参数化设计方法存储了设计的全过 程，能设计出一系列而不是单一的产品模型；对已有设计的修改，只需变动相应 的参数，而无需运行产品设计的全过程。与传统的自由约束的设计方法相比，参 数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期， 减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场竞争 力。 参数化技术经过十多年来的发展，已经成为c a d 技术的重要分支，也成为 c a d 技术研究和产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。现代主流 c a d 软件，如p r o e 、s o l i d w o r k s 、u g 等都实现了参数化。 第6 贝 堡主堡壅 量塑壁垒塾些垦盐查鲨堡茎量墨笙塞望一 2 1 2 约束 约束是参数化设计的核心。参数化设计的过程，可以认为是一个约束指定、 约束求解和约束满足的过程。 1 约束的基本概念 约束一词在不同的领域中有不同的含义。在参数化领域里，约束可以解释 为特定元素之间必须满足的一组关系。 跟约束密切相关的还有两个基本概念一个是自由度一个是约束的约束 度。 自由度是指几何实体所固有的独立运动变量的数目。而约束的约束度则是 指由该约束引起的相关几何实体的自由度的减少数量”3 。施于某几何实体上的 所有约束的约束度之和，应该等于该几何实体的自由度，这时实体才是约束完 备的。若约束度多于自由度，会造成过约束，反之则会欠约束，过约束会造成 对几何实体约束的相互矛盾，使得无法求解，欠约柬则使几何实体具有不确定 性，这两种情况在设计的最终结果中都是不允许的。 2 约束的分类及其表示 ( 1 ) 约柬的分类“： 参数化c a d 系统中的约束，一般可以分为两大类：工程约束和几何约 束。 工程约束是指几何约束系统中几何元素之间固有的约束关系，包括制造 约束关系、功能约束关系和逻辑约束关系等，它主要用于表达设计过程和设 计要求。其特点是过程性表达，一般表示为以几何设计参数为变量的一组约 束方程。例如齿轮泵中齿轮的模数，一般是根据陔泵的额定流量确定的“， 对于模数而言，这就是一个工程约束，可以通过建立模数和流量间的关系方 程m = f ( q ) 来表达该约束，其中m 为模数，q 为流量，f 代表两者的约束关 系。 几何约束是对几何实体自由度的限制，它实质上是几何实体间关系的一 种表达，几何约束是双向的，即被施加约束的几何实体之间互为约束者和被 约束者。几何约束又可以进一步分为结构约束和尺寸约束。 结构约束又称为拓扑约束，它是对产品结构的定性描述，是指几何元素 之间的拓扑结构关系，如平行、垂直、对称等，一般在参数化设计过程中是 保持不变的。 尺寸约束是对产品结构的定量描述，是指几何元素的大小和位置，如各 种距离、直线长度、圆弧半径等。尺寸约束是参数化设计中驱动的对象，通 第7 血 堡主笙奎 耋塑生垄墼垡堡盐查鎏堑塞兰墨丝壅翌一 过修改尺寸约束来进行尺寸驱动，从而修改图形，实现参数化，所以尺寸约 束是可变的，而且为便于进行尺寸驱动，尺寸约束必须进行尺寸标注并显示 出来。 图2 1 1 是一个常见几何约束的示意图 角度尺寸 图2 1 1 常见几何约束 产品的几何约束，主要由设计活动中来自功能、结构和制造三个方面的 约束所决定。功能方面的约束是对产品所能完成的功能的描述；结构方面的 约束是对产品结构强度等的表示：制造方面的约束是对制造资源环境和加工 方法等的表达。在产品设计过程中，将这些约束综合成设计目标，并将它们 映射成为特定的几何拓扑结构，最终转化为几何约束从而形成参数化的 产品几何模型。 ( 2 ) 约束的表示“3 ： 结构约束和尺寸约束，都可以用如下的统一的方式来表示： c = ( t 0 1 ，0 2 ，v ) 其中：c 表示约束：t 表示约束类型；o 卜0 2 分别表示约束对象：v 表 示约束值 约束值v 的数据类型可以是整型或实型。整型代表结构约束，体现了对 某种几何拓朴结构关系的肯定，是一种属性关系，不含数量关系；实型代表 尺寸约束，表达了数量上的关系。约束值也可以带有正负号以体现约束的方 向。带符号的约束体现了几何元素之间相互约束的方向性，它对几何体拓朴 结构进行了更明确的限定，从而有效地限制了多解情况的发生。 搪8 血 堡主堡奎 量塑堡茎塑些堡生立婆婴塑量墨竺窭婴一 2 1 3 参数化设计的方法 由于参数化设计以约束造型为核心，所以在一个参数化c a d 系统中，参数 化设计的方法，是其最重要的一个方面。 一个好的参数化的方法，至少应该满足以下几方面的要求”： ( 1 ) 能够检查出约束条件的不一致，即是否有过约束和欠约束的出现： ( 2 ) 算法可靠，即当给定一组约束和拓朴描述后能够求出存在的一个解， 而且当用户需要时，可以给定所有可行解； ( 3 ) 交互操作，即求解速度快，使得用户的每一步设计操作都能得到及 时、适当的回应； ( 4 ) 在构造物体的过程中允许修改约束，而且修改的效果应该与先期的 约束设定次序无关： ( 5 ) 应能容许广泛的约束类型并且容易为某些特殊应用加入新的约束类 型： ( 6 ) 应能通用于二维和三维； ( 7 ) 应能处理常规c a d 数据库中的图样，必要时允许人工干预。 多年来，关于参数化设计方法的研究，取得了很大的进展，也形成了几种比 较成熟的方法，主要有基于几何约束的变量几何法、基于几何推理的人工智能方 法、基于生成历程的过程构造法以及编程求解法等。州”。 基于几何约束的变量几何法，是一种基于约束的数学方法。这种方法将几何 形状定义为系列的特征点，将约束关系转换成以特征点坐标为变量的非线性约 束方程组，当约束发生变化时，通过n e w t o n r a p h s o n 法迭代求解方程组，求出一 系列新的特征点，从而生成新的几何模型。该方法对所有的约束都有统一的模型， 因此可以适应很大范围的约束，但求解的效率低，处理过程的几何直观性差，迭 代法求解的稳定性也比较差，迭代的初值和步长的选取对求解的结果有很大影 响。模型越复杂、约束越多，约束方程组的规模就越大，越不易求解。 基于几何推理的人工智能方法用基于规则的推理方法来确定用一组约束描 述的几何模型。在推理过程中，利用专家系统将约束关系用一阶逻辑谓词描述并 存入事实库，在给定约束的起始点的情况下，通过推理机的推理作用，从规则库 中选取规则并应用于现有事实，推理的结论作为新的事实，推理史记录了所有成 功的应用规则并提供给重构过程，构造出符合设计要求的几何体。该方法的主要 优点是表达简洁直观，通过谓词可以表达很复杂的约束，如相切等，这是其他方 法所无法比拟的，而且可以避免变量几何法的不稳定性循环。但其系统庞大，计 算量大，约束求解速度慢，无法处理循环约束，求解全局约束的能力也比较差。 第9 堡主笙奎 量塑生茎墼垡堡盐立鲨堕壅兰墨竺塞翌一一 基于生成历程的过程构造法采用一种称为参数化履历( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的 机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作过程，记录下几何体素生成的前后 顺序及其相互间的关系，捕捉设计者的意图。同时将记录的定量信息作为变量化 参数，当给其赋予不同的值时就会得到不同的几何模型。该方法可以处理很复杂 的模型，经常用于三维实体或曲面的参数化建模，但一般只适于结构相同而尺寸 不同的零件设计，设计的柔性不足。 编程求解方法通过分析模型的特点，以尺寸为变量，并确定各尺寸变量之间 的数学关系，输入参数以给定变量值，然后确定其它变量的值，完成约束求解， 并用编程语言在c a d 软件中实现( 当前的多数c a d 系统都提供了此项功能) 。 该方法主要用于表达过程性的约束，特别适合于表达工程约束。但只适用于拓朴 关系确定的图形，如果拓朴关系变化了，必须重新编制相应的程序，所以灵活性 不足，并且复杂零件的程序编制有很大的难度。这种方法通常用于对c a d 的二 次开发中。 除此而外，不断有一些新的思想被提出，如何有钧等人提出的基于图形分解 思想的复杂零件的参数化设计方法【i “，瘳敏等人提出的基于图形元素特征参数的 参数化设计方法【l5 】等等，这些方法基本上都是在上述主要方法基础上的扩展。 实际应用中，当今几乎所有的著名c a d 软件，如p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 等都采用变量几何技术。这主要有两方面原因：一是变量几何技术可以求解所有 的几何约束，不存在不能求解的约束模式，并且可以和工程约束一起联立求解， 适应面极为广泛；另一方面，变量几何技术可以应用于诸如参数化绘图、参数化 特征建模等机械c a d 的诸多领域。 2 2 特征技术 2 2 1 产品建模技术简介 建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的 原理和方法。在c a d c a m 中，建模技术是产品信息化的源头，是定义产品在 计算机内部表示的工具。其任务在于将现实世界中的产品及其相关信息以计算机 内部能够处理、存储和管理的数字化方法表示出来，也就是在计算机内部建立描 述、存储和表达产品的数据模型。建模的过程大体上如图2 2 i 所示 在c a d 数十年的发展过程中，主要发展了几何建模和特征建模技术，产品 的数据模型也经历了从线框模型到表面模型再到2 0 世纪8 0 年代以来的实体模型 和特征模型p l 。 第1 0 “ 堡圭笙壅量墅生童墼些丝生查鲨婴塞兰墨竺壅翌 图2 2 1 建模的过程 线框模型是在计算机图形学和c a d 领域中最早用来表示形体的模型，它用 顶点和边棱线的有限集合来表示现实物体，包括二维和三维线框模型。由于线框 模型不包含关于面的信息，不能给出物体占据空间的描述，所以这种模型表达的 信息不完整，几何意义存在二义性也不支持消隐、剖切以及诸如物体体积、表 面积、惯性矩等物性参数的分析和有限元分析。 表面模型在线框模型基础上，增加了有关面的信息，它将物体分解为组成物 体的表面、边线和顶点，用它们的有限集合来表示物体。在对形体信息描述的完 整性、严密性方面，表面模型有了很大进步，能够比较完整地定义形体的表面， 可以支持消隐、表面积计算、面面求交等，但表面模型的面与面之间没有必然联 系，无法区分面的哪一侧为实体、哪一侧没有实体，这是表面模型的主要不足， 所以表面模型还无法表示立体属性，无法完全支持物性计算和有限元分析等应 用。 为了克服表面模型存在的不足，一种新的产品数据模型又逐渐发展起来，这 就是实体模型，其解决的根本问题就是标识面的实体侧和非实体侧。实体模型是 由若干表面组成的闭包，并采用面的法向矢量进行约定，即沿面的法矢方向的一 侧为空，而法矢的反向为实体，这样所有面所包围的空间即为实体。由于实体模 型克服了线框模型和表面模型的诸多不足，所以能够完整地描述物体的所有几何 信息，完全支持剖切、消隐、物性计算和有限元分析。 上述几种模型，是通过几何建模的方法建立的。由于几何模型用简单的原始 的几何元素来表达实体，只是物体几何数据及拓朴关系的描述，没有明显的功能、 结构和工程含义，不易被计算机识别和理解。从c a d c a m 集成的角度出发， 要求从产品整个生命周期各阶段的不同需求来描述产品，因此就迫切需要发展一 种建立在高层次实体的基础上的表示方法，这种模型需要包含更多的工程信息， 人们把这种模型称为特征模型。从2 0 世纪8 0 年代初逐步开始了特征造型技术 ( f e a t u r eb a s e dm o d e l i n g ) 的研究，该技术以实体模型为基础、用具有一定设计 或加工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的特征模型。特征造型是 硕士论文零部件参数化设计方法研究与系统实现 c a d 建模的一个里程碑，它使c a d c a m c a p p 乃至生产管理实现真正的集成 化成为可能，为解决当代从产品设计到制造的一系列问题奠定了理论和技术基 础。 2 2 2 特征的定义 对特征技术的研究最早开始于美国麻省理工学院的篇论文( ( c a d 零件的 特征表示。目前对特征还没有一个严格的统一的定义。比较一致的意见认为特 征是一组具有特定属性相互关联的几何形体，是零件形状、工艺和功能等特征信 息的综合描述，它能携带和传送有关设计和制造所需的工程信息。这个定义强调 了特征包括几何形状、精度、材料等各种属性，并强调特征是与设计和制造活动 有关的几何实体，含有工程意义的信息，即特征反映了设计者和制造者的意图。 2 2 3 特征的分类及其表示 i 特征的分类 目前对特征的分类还没有统的机制，一般可以将特征分为两大类。一类是 形状特征，一类是面向过程的特征。 图2 2 2 特征分类 硕士论文零部件参数化设计方法研究与系统实现 形状特征，也称为造型特征，是指那些实际构造出零件的特征，它是其它特 征的载体。 面向过程的特征，并不实际参与产品几何形状的构造，而是那些与生产环境 有关的特征。面向过程的特征可以细分为：精度特征、材料特征、装配特征、技 术特征和管理特征。精度特征是描述几何形状许可的变动量或误差的特征，包括 尺寸公差特征、形位公差特征、表面粗糙度特征；材料特征是描述材料的类型、 性能以及热处理等信息的特征；技术特征是描述有关性能参数的特征；装配特征 用以表达零件的装配关系；而管理特征则是与零件管理有关的信息，如标题栏信 息等。 上述特征分类如图2 2 2 所示。 在上述特征中，形状特征是描述零件或产品的最主要的特征，在一般的特征 造型中，特征大多数情况下是指形状特征。形状特征又可以进一步再分一般的 参数化造型中的形状特征如图2 - 2 3 所示“9 图22 3 形状特征分类 堡主鲨塞 墨塑堡垒墼垡堡生查鎏婴塞兰墨丝薹堡一 图中，标准特征是c a d 系统特征库中预定义的特征，而设计特征是用户在建 模过程中自定义的特征。 2 特征的表示1 主要讨论形状特征的表示。目前对形状特征的表示主要有三种意见：边界表 示( b - - r e p ) 、几何体素构造表示( c s g ，c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 以及结合 上述两种方法的混合表示法，其中混合法结合了两者的长处，克服了b r e p 法 的不唯一性和c s g 法的抽象性，是一种比较好的方法，近年来在c a d 系统中得 到了广泛的应用。 2 2 4 特征建模的方法 特征定义的实现可以有两种方式：一种是先定义特征再产生几何：另一种方 法则相反，先进行几何设计，再从中识别或抽取特征。由此。特征建模的方法可 归为特征识别和基于特征的设计两种 4 1 。 ( 1 ) 特征识别： 这种方法又可以分为人工交互式特征定义( i n t e r a c t i v ef e a t u r e d e f i n i t i o n ) 和特征自动识别( a u t o m a t i cf e a t u r er e c o g n i t i o n ) 两种。 人工交互特征定义：这种方法首先利用现有的c a d 系统建立产品的 几何模型，然后用户通过图形交互式拾取，定义特征几何所需要的 几何要素并将特征参数或精度特征、技术特征等作为属性添加到特 征模型中。这种方法自动化程度低，信息处理中容易产生人为错误， 但比较容易实现，比较灵活； 图2 2 4 人： 交互特征定义 特征自动识别：这种方法首先也通过c a d 系统生成几何模型，然后 由系统自动进行分析，通过将几何模型与预先定义的特征进行比较， 从而生成特征。这是一种理想的方法，自动化程度高，但实现起柬 的难度很大； 第1 4 姐 硕士论文零部件参数化设计方法研究与系统实现 图2 2 5 特征自动识别 ( 2 ) 基于特征的设计( d e s i g nb yf e a t u r e ) ：即特征造型( f e a t u r e b a s e d m o d e l i n g ) ，这种方法特征参与c a d 系统本身的造型过程。以特征库 中标准的特征或用户定义特征的实例为基本单元建立特征模型，从而 完成产品的设计。 图2 2 6 基于特征的设计 自2 0 世纪8 0 年代以来，基于特征的设计，即特征造型已经被广泛地接受， 被公认为是解决产品开发与过程设计信息集成问题的有效而实用的手段。特征造 型技术为设计者提供了符合人们思维的设计环境，设计时设计人员不必关注组成 特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图，因此特征造型更符合工 程设计的习惯，也更易于理解和组织生产。当然，特征造型技术是正在研究发展 中的技术，现在对特征造型技术的研究还远未尽善尽美，由于缺乏特征的严格数 学定义、特征分类不一致、特征库内容不完整以及特征操作不够丰富等不足，特 征造型技术的应用也受到了一定的限制。 在特征造型中，设计以特征为操作单位。零件的设计过程是特征累积的过程。 零件都是各种特征通过不同的方式组成的。每个特征的形状和位置以及特征之间 的相互关系决定了零件形状的形成，对零件的编辑修改也通过对特征的相关操作 来完成。 特征库是基于特征的各系统得以实现的基础，在特征库中有各种预先定义好 的特征供设计中调用。同时，特征造型也支持用户定义特征。 第1 5 贞 堕主堡壅 量堡壁童墼些堡盐互鲨堕壅兰至堑壅堡 2 3 基于特征的参数化设计 2 3 1 基于特征参数化的思想 基于特征的参数化设计，即参数化特征造型，意在将基于特征设计方法和参 数化设计方法有机地结合起来，以特征为操作单位，并对特征信息参数化i 】。由 于特征是预定义的，所以在特征形状确定以后，其特征形素之间的拓朴关系是不 变的，或者必须由用户采用交互的方式来指定( 如添加装配关系等) 。也就是说， 特征库中的特征定义，本身就是对图形特征联动的隐含表达，其中所谓的图形特 征联动是指在保证拓朴关系不变的前提下对其他约束的驱动。因此，在特征参数 化中无需再考虑图形特征联动，这是基于特征参数化区别于传统参数化的特征之 一。特征形状的变化只能通过绘特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改就 可以转化为对构成零件的特征参数值进行修改，而并不用直接修改几何图素，这 样大大方便了零件的设计修改过程，提高了设计效率和准确性。 基于特征参数化设计的关键是对特征及其相关尺寸、公差等的变量化描述， 目前主要探讨形状特征。可以利用前述的混合法来建立特征模型，并将参数化引 入模型中，使得形状特征可以通过参数调整变化，从而实现参数化特征造型。 将参数化引入特征模型中，也就是使特征信息参数化。所有的参数化问题， 都可以认为是基于约束的问题，基于特征的参数化同样如此。建立形状特征的过 程也是一个约束满足的过程，基于特征的参数化设计本质上是通过提取特征有效 的约束来建立其约束模型并进行求解。在所有的约束中，尺寸约束是参数化特征 的驱动对象，与设计意图密切相关，是特征功能的具体体现。 2 3 2 基于特征参数化设计的两种技术流派 目前主要的c a d 软件都具备参数化特征造型的功能。这些c a d 软件所采 用的技术，大体上可以分为两类：一类是以p r o e 为代表的参数化造型技术， 一类是以s d r c i - - d e a s 为代表的变量化造型技术。它们都是基于约束的实体 造型技术。 参数化造型技术的主要特点是基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱 动设计修改。将尺寸和形状联合起来考虑，通过标注尺寸的方式来实现对几何形 状的约束，必须标注完整的尺寸，即全约束，而不能多标( 过约束) 或漏标【久 约束) 尺寸参数的修改可以驱动几何形状的变化，并能够引起系统中其它相关 模块中的相关尺寸得以全盘更新。 _ j _ - 。_ _ - - - _ _ _ h _ - _ - - 。_ _ _ 。_ - _ _ _ _ 。_ - _ _ _ _ - _ _ - _ 一一一稿f 6 啦 硕士论文零部件参数化设计方法研究与系统实现 变量化造型技术是在参数化造型技术的基础上又做了进一步改进后提出的 设计思想。变量化造型的技术特点是保留了参数化造型基于特征、全数据相关、 尺寸驱动设计修改的优点，而对约束的定义做了根本改变。 两种方法的共同点在于，都属于基于约束的实体造型系统都强调基于特征 的设计、全数据相关，并可实现尺寸驱动设计修改也都提供方法来解决设计时 所必须考虑的几何约束和工程关系等问题。所以从表面上看，两者极为相似。但 在约束处理和特征管理方面，两者存在着根本的差异。 ( 1 )约束处理上的差异： 参数化造型技术，要求全尺寸约束，否则就不能进行后续操作，这种要 求一方面限制了设计人员的创造性，一方面也有实现起来的难度，而变量化 造型技术不要求全约束，尺寸是否注全并不影响后续操作： 参数化造型技术，工程约束并不能和几何约束联立求解，而必须采用其 他专门的办法来处理，而变量化造型技术则可以将工程约束联立求解： ( 2 )特征管理的差异： 参数化造型技术，特征是按照一定的先后顺序建立起来的，特征之州 有明确的依附关系，这对特征的修改和编辑带来了很大的不便。而在变量化 造型技术中，每个特征除了与前面特征保持关联外，同时与系统全局坐标系 建立联系，即使前面的特征失去了，后续特征仍可以不受影响，这样对设计 的修改比较方便。 由于差异的存在，两种技术适应于不同的应用场合。参数化造型技术更适用 于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业。这样的行业，零件的形状改变很少， 经常只需采用类比设计，即形状基本固定，只需改变一些关键尺寸就可以得到新 的系列化设计结果。再者就是由二维到三维的抄图式设计，图纸往往是绝对符合 全约束条件的。变量化造型技术的应用领域更广阔一些。除了一般的系列化零件 设计变量化系统在做概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产 品改形设计这类创新式设计。 当前基于约束的设计方法，趋向于将变量化和参数化有机地结合起来相互 借鉴，优势互补，以发挥更大的效益。一般地，如无特殊说明，基于约束的设计 方法都统称为参数化设计o ，。 堡主堡苎 量塑壁垄墼些堡生查鲨婴塞兰墨堑窒里一 3 零部件参数化设计方法 3 1 基于通用c a d 系统的零部件参数化设计 现今主流的通用c a d 系统都提供了强大的基于特征的参数化设计的功能， 基于通用c a d 系统实现参数化设计的方法大体有以下两种： ( 1 ) 用人机交互的方式实现参数化设计。这种方法利用通用c a d 软件自身 的参数化特征造型功能，建立零件三维模型，系统会根据建模过程自动生成设计 变量。以设计变量作为三维模型的参数，用户通过交互的方式在c a d 系统中对 其进行修改，通过给其赋予不同参数值来驱动零件模型，从而实现用户交互操作 层次上的参数化设计。很多c a d 软件还提供了各具特色的参数化设计工具以帮