二維CAD中參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用培訓(xùn)講學(xué)

1、二維 CAD 中參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用一個完整的 CAD 系統(tǒng)，應(yīng)由科學(xué)計算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫等組成。若加入人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)，可大大提高設(shè)計的自動化水平，可對產(chǎn)品進(jìn)行總體方案設(shè) 計，實現(xiàn)對產(chǎn)品 設(shè)計的全過程提供支持。 科學(xué)計算包括有限元分析、可靠性分析、 動態(tài)分析、 產(chǎn)品的常規(guī)設(shè) 計和優(yōu) 化設(shè)計等 ;圖形系統(tǒng)包括幾何 （特征）造型、 自動繪圖 （二維工程圖、 三維實體圖 ）、動態(tài) 仿真等 ;工程數(shù)據(jù)庫對 設(shè)計過程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進(jìn)行存貯和管理。傳統(tǒng)意義上的 CAD 系統(tǒng) （軟件）技術(shù)已進(jìn)入了成熟的發(fā)展時期，今后CAD 技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是不斷地向設(shè)計、產(chǎn) 品、開發(fā)和應(yīng)用

2、的全過程拓展其內(nèi)涵，在更高的層次上、更廣 泛的范圍內(nèi)，向智能化與一體化、集成化與并行工程 、通用化與標(biāo)準(zhǔn)化以及商品化與實用 化等方向發(fā)展。目前 CAD 軟件一般分為三維造型設(shè)計軟件和二維工程設(shè)計（或繪圖 ）軟件，它們的參數(shù)化設(shè)計方法也不同。三維造 型設(shè)計軟件用于產(chǎn)品的實體造型，其主要技術(shù)為參數(shù)化特征造型 （構(gòu)造三維模型 ）技術(shù)，代表產(chǎn)品為 Por/Engineer 、 I-Deas、 CADDS-5、GS-CAD2000 等等。二 維工程設(shè)計 （繪圖 ）軟件用于產(chǎn)品的工程圖 （二維平面 ）設(shè)計， 其主要技術(shù)為構(gòu)造幾何約束以實 現(xiàn)尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計和繪圖，代表產(chǎn)品為Sigraph-desghn

3、、 AutoCAD Designer、 GS-ZDDS在二維CAD系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)化技術(shù)分為參數(shù)化設(shè)計 （Parameric Design）和參數(shù)化繪圖 （Parameric Drawing ） 兩種。該兩種技術(shù)所代表的設(shè)計思路不同，即參數(shù)化設(shè)計以設(shè)定驅(qū)動參 數(shù)和尺寸驅(qū)動為主要技術(shù)原理，而參數(shù)化 繪圖則以計算機(jī)高級語言編程使具體圖形實現(xiàn)參 數(shù)化為主要技術(shù)原理。一. 參數(shù)化設(shè)計概述參數(shù)化設(shè)計的主體思想是用幾何約束、 工程方程與關(guān)系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征， 從 而達(dá)到設(shè)計一簇在形狀或功 能上具有相似性的設(shè)計方案。目前，能處理的幾何約束類型基 本上是組成產(chǎn)品形體的幾何實體公稱尺寸關(guān)系和尺寸 之間的

4、工程關(guān)系，因此，參數(shù)化造型 技術(shù)又稱初次驅(qū)動幾何技術(shù)。參數(shù)化實體造型中的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取和表達(dá)、幾何約束的求解以及參數(shù)化幾何模型的構(gòu)造。 目前二維參數(shù)化技術(shù)已發(fā)展得較為成熟， 在參數(shù) 化設(shè)計與繪 圖方面已得到了廣泛應(yīng)用。1何謂參數(shù)化設(shè)計參數(shù)化設(shè)計（Parameric Desig n）也稱變量化設(shè)計 （Variati on al Desig n）是美國麻省理工學(xué)院 Gossard教授提出 的，它是CAD領(lǐng)域里的一大研究熱點。近十幾年來，國內(nèi)外從事CAD研究的專家學(xué)者之所對其投入極大的精力和熱 情進(jìn)行研究，是因為參數(shù)化設(shè)計在工程實際中 有廣泛的應(yīng)用價值。在有關(guān) CAD 的科技書刊或論文中經(jīng)

5、常出現(xiàn)下列術(shù)語：參數(shù)化設(shè)計、草圖設(shè)計、參數(shù)化 繪圖、圖形參數(shù)化等。 何謂參 數(shù)化設(shè)計 ?為了回答這個問題， 首先要搞清參數(shù)化設(shè)計的目的。 軟件設(shè)計者無論采用何種方法，基于何種環(huán)境開發(fā) 參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，其目的都是通過圖形 驅(qū)動 （或尺寸驅(qū)動 ）方式在設(shè)計繪圖狀態(tài)下修改圖形。參數(shù)化設(shè)計通常是指軟件設(shè)計者為繪圖及修改圖形提供一個軟件環(huán)境， 工程技術(shù)人員在這個環(huán)境下所繪制的任意圖形均可以被參 數(shù)化， 修改圖中的任一尺寸，均可實現(xiàn)尺寸驅(qū)動，引起相關(guān)圖形的改變。草圖設(shè)計是近十年出現(xiàn)的新提法， 具有草圖設(shè)計功能的系統(tǒng)， 允許用戶在設(shè)計繪圖中首 先進(jìn)行草圖設(shè)計，即不必關(guān) 心線段連續(xù)是否準(zhǔn)確，線段是否水平或垂直

6、，在草圖上標(biāo)出重 要的尺寸，系統(tǒng)會自動使線段連接準(zhǔn)確及位置準(zhǔn)確，從而實現(xiàn)尺寸驅(qū)動。草圖設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計的目的是相同的，盡管草圖設(shè)計的設(shè)計階段有一定的靈活性，但有些CAD 系統(tǒng)已具 備正交功能和目標(biāo)捕捉功能，因此，草圖設(shè)計實質(zhì)上也可以統(tǒng)一到參數(shù)化設(shè)計上來。2參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)方法近十幾年來， 國內(nèi)外學(xué)者對參數(shù)化設(shè)計， 從方法上做了大量的研究和嘗試， 取得了重大 成果，目前參數(shù)化設(shè)計方法 主要有以下幾種：基于幾何約束的數(shù)學(xué)方式利用尺寸約束建立方程組，將幾何約束轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c為變元的非線性方程組， 對于給定的約束，通過數(shù)值 方法解非線性方程組，一次解出所有特征點的坐標(biāo)值，確定出 幾何細(xì)節(jié)。采用該

7、方法必須輸入充分且一致的尺寸約束，才能求解約束方程組。基于幾何推理的人工智能方法人工智能的發(fā)展， 促進(jìn)了參數(shù)化設(shè)計方法的發(fā)展， 產(chǎn)生了幾何推理法。 這種方法又有兩 個方面：一是建立在專家系 統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用謂語表示幾何約束，通過推理機(jī)制導(dǎo)出幾何 細(xì)節(jié)。這種方法可檢驗幾何約束模型的合理性并能處理局部修改，但系統(tǒng)龐大，對遞歸約束無法處理。二是擴(kuò)展現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使其包含拓?fù)湫畔?，并通過程序?qū)崿F(xiàn)從幾何約束到幾何細(xì)節(jié)的推理。.基于特征的實體造型方法特征是作為捕捉設(shè)計者意圖的方式而提出的， 以取代用直線、 圓弧、 圓等基本幾何元素 構(gòu)圖的方式。特征實體具有 一定的智慧，它們不但具有明確的工藝特征結(jié)構(gòu)，而

8、且能始終 記憶自己的功能屬性和與其它相關(guān)實體的適應(yīng)關(guān)系。 修改某一特征實體，會自動引起整個 設(shè)計模型的相關(guān)變化， 其中包括實體本身的物理量 （如質(zhì)心和慣性矩等數(shù)據(jù) ） 的變化。例如， 孔特征會始終記憶自己當(dāng)前的形狀、 位置和負(fù)體積特征， 機(jī)械設(shè)計師能利用自己熟悉的工藝 特征 （ 如孔、倒角、倒圓等 ），而非純幾何意義上的體素來組織設(shè)計意圖， 使設(shè)計變得容易。.基于關(guān)系的建模方法 以關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)化模型是德國西門子公司首先提出來的。 在系統(tǒng)內(nèi)， 關(guān)系可 建立在所在系統(tǒng)能識別的對 象之間，也可在任意大的模型中建立任意復(fù)雜的關(guān)系模型，這 種關(guān)系的建立過程是以符合設(shè)計師設(shè)計習(xí)慣的、非常 簡便自

9、然的方式進(jìn)行的。關(guān)系模型的 建立能方便地進(jìn)行修改以適應(yīng)不同用戶的特殊要求，從而大大提高設(shè)計速度。.基于作圖輔助線法工程設(shè)計人員在設(shè)計繪圖時， 往往先畫一些基準(zhǔn)線， 稱為輔助線， 由輔助線出發(fā)一步步 繪圖，先勾畫總體輪廓，然 后再作細(xì)化處理完成圖紙的繪制。系統(tǒng)把幾何約束及矢量圖等 方法，交互地建立工程圖紙的參數(shù)化模型上，實現(xiàn)對 任意尺寸的參數(shù)化設(shè)計。二. 參數(shù)化繪圖概述帶有參數(shù)化設(shè)計功能的 CAD 系統(tǒng)固然在設(shè)計繪圖上有某些顯著特點，如不需要編程就 可實現(xiàn)圖形的參數(shù)化，修改圖 形及其方便，工作量小，且可由草圖生成正式圖。然而，當(dāng) 零件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜及形狀極不規(guī)則時，參數(shù)化設(shè)計就顯得力不從心。為了區(qū)

10、別于參數(shù)化設(shè)計，把應(yīng)用高級語言編程使具體圖形實現(xiàn)參數(shù)化稱為參數(shù)化繪圖（Parameric Drawing）,在參數(shù)化繪圖中，圖中的部分尺寸 （或全部尺寸 ）被事項定義為參數(shù)尺寸，當(dāng)交互輸入?yún)?shù)值后， 即 可畫出圖形。參數(shù)化繪圖是通過編程實現(xiàn)具體圖形參數(shù)化的, 因此要求設(shè)計者具備編程能力, 存在工 作量大,修改圖形不方便等 問題。但它應(yīng)用靈活,適應(yīng)面廣。對某些應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng) 解決不了的問題，通?？刹捎脜?shù)化繪圖的方法加以解決，例如在開發(fā)某些機(jī)器的 CAD系統(tǒng)時, 要求設(shè)計、 計算、查表、繪圖一體化時, 顯然適合采用參數(shù)化繪圖的方 法加以解決。通過編程實現(xiàn)參數(shù)化繪圖, 其程序設(shè)計的總體思路是：

11、 將設(shè)計計算的關(guān)系式融入程序中, 在程序的控制下,執(zhí)行計 算及交互輸入主要參數(shù),程序應(yīng)能對參數(shù)輸入進(jìn)行有效性檢驗, 根據(jù)用戶的交互輸入完成視圖的繪制。三. 典型的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng) 七十年代末，美國麻省理工學(xué)院Gossard 教授提出了他的參數(shù)化設(shè)計思想，但他的倡導(dǎo)在當(dāng)時 CAD 領(lǐng)域并未引起重視 ，直到 1987 年底美國 PTC 公司 (Parametric Technology Corporation)推出了以參數(shù)化、 特征設(shè)計為基礎(chǔ)的新一代實體造型軟件 Pro/Engineer后，CAD領(lǐng)域才真正認(rèn)識到參數(shù)化設(shè)計的巨大威力。而德國西門子公司提出把初次設(shè)計從生產(chǎn)過程中分離出去，通過標(biāo)準(zhǔn)化、系

12、列化來減少產(chǎn)品零件數(shù)量的“合理化工程”思想，使具有參數(shù) 化設(shè)計功能 的CAD系統(tǒng)，進(jìn)一步把初次設(shè)計從生產(chǎn)過程中分離出來，有效地縮短設(shè)計周期，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)在許多著名的 CAD系統(tǒng)(如UGII、I-DEAS Applicon，CV，Euclid等)均已增加了參數(shù) 化設(shè)計功能。應(yīng)用 于 PC 機(jī)上典型的參數(shù)化系統(tǒng)是 AutoCAD Designer、 Sigraph-desghn 和 GS-ZDDS 等。1. AutoCAD Designer美國 Autodesk 公司的 AutoCAD Designer 二維參數(shù)化設(shè)計軟件是基于特征的參數(shù)化設(shè)計 軟件，它運(yùn)行于 AutoCAD 平 臺

13、之中，采用與其一致的交互界面，以便于用戶學(xué)習(xí)和掌握。 它使機(jī)械設(shè)計師能草繪出具有完整尺寸約束的二維圖 形。在勾畫二維草圖時，設(shè)計者不必 拘于精確的尺寸數(shù)值，以便能先著力于零部件的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計，而后可利用尺寸約束的機(jī)制來規(guī)范草圖。 但由于 AutoCAD 平臺的核心技術(shù)并不具有參數(shù)化設(shè)計技術(shù)， 導(dǎo)致 AutoCAD Designer 二維參數(shù)化設(shè)計軟件在應(yīng)用上存在著種種影響繪圖速度的因素，同時，建立參數(shù) 化標(biāo)準(zhǔn)零件庫方面需要使用者熟練 掌握有關(guān) AutoCAD 基礎(chǔ)軟件的編程語言和技巧， 妨礙該 軟件的普及。AutoCAD Designer 會按照設(shè)計者的需要由三維特征實體自動生成各向二維視圖

14、及全部 尺寸標(biāo)注，在任一視圖中修 改尺寸，均會自動更新特征實體的形狀及物理屬性，而對特征 實體的修改也會自動傳給各向視圖及其尺寸標(biāo)注。AutoCAD Designer 的最新版本提供了更為強(qiáng)勁的設(shè)計功能，如具有尺寸約束的裝配特征造型、干涉檢查、明細(xì)表生成、裝配模型關(guān)聯(lián)變化、 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零部件關(guān)系的全面管理等。 這些先進(jìn)的參數(shù)化特征實體結(jié)構(gòu)及其簡明 的生成 和修改方法，使 AutoCAD Designer成為PC平臺上用于工程設(shè)計方面最富競爭力的 CAD軟件。2. Sigraph-desghnSigraph-desghn二維參數(shù)化設(shè)計軟件是德國西門子(Siemens)公司推出的基于智能關(guān)系型的參

15、數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。 該系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，關(guān)系可在系統(tǒng)能識別所有對 象之間建立，如圖素之間的聯(lián)系，視圖之間的 對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計公式與設(shè)計表達(dá)式的相互對 應(yīng)關(guān)系，裝配圖與零件圖之間的對應(yīng)關(guān)系，零件間的運(yùn)動聯(lián)系。為表達(dá)這些關(guān)系，Sigraph-desghn 提供了設(shè)計師非常熟悉的幾何聯(lián)系變量與分式、表格等工具，通過綜合應(yīng)用 這些工具 ，設(shè)計所需的知識與約束可在計算機(jī)內(nèi)獲得充分的表達(dá)和處理。Sigraph-desghn是專門的機(jī)械設(shè)計 CAD系統(tǒng)，為用戶提供了建立常用件和標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化 圖庫功能，支持從概念設(shè) 計到結(jié)構(gòu)設(shè)計，從部件設(shè)計到零件設(shè)計。它還包含以下功能：圖 形與尺寸的雙向驅(qū)動、可參數(shù)化的用戶元素、分級 式層功能、可見性優(yōu)先級控制和面向?qū)?象的結(jié)構(gòu)化圖標(biāo)界面等。 Sigraph-desghn 充分體現(xiàn)了“合理化工程”的思想 。3. GSiCADGSiCAD參數(shù)化二維繪圖系統(tǒng)是浙大大天信息有限公司推出的基于作圖輔助線方法并結(jié) 合幾何 約束、實體造型、關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及人工智能等部分理論的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，它 運(yùn)行在 Windows 9x/NT 基礎(chǔ)平 臺上，采用圖標(biāo)化、指令全漢化和在線幫助，使設(shè)計命令結(jié) 構(gòu)簡單、智能化程度高、操作自然流暢、界