參數(shù)化設(shè)計(jì)——課程展示

1、 參數(shù)化設(shè)計(jì)參數(shù)化設(shè)計(jì) 目錄目錄前言前言1概念概念2參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)8研究方向研究方向7參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)3參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)4應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域5研究難點(diǎn)研究難點(diǎn)61.前言前言 CAD技術(shù)目前在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強(qiáng)市場競爭力起了巨大的作用。傳統(tǒng)CAD方法的有以下不足： （1）不能支持設(shè)計(jì)過程的完整階段 （2）無法支持快速的設(shè)計(jì)修改和有效地利用以前 的設(shè)計(jì)結(jié)果 （3）無法很好地支持設(shè)計(jì)的一致性維護(hù)工作 （4）不符合工程設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣 （5）無法支持并行設(shè)計(jì)過程參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)就在這樣的背景下應(yīng)

2、運(yùn)而生。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)就在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用使設(shè)計(jì)師可以根據(jù)自己的意圖很方便地勾出設(shè)計(jì)草圖，系統(tǒng)同時(shí)自動(dòng)建立設(shè)計(jì)對象內(nèi)部各種元素之間的約束關(guān)系，以便設(shè)計(jì)者更新草圖尺寸時(shí)，系統(tǒng)通過推理機(jī)能自動(dòng)更新校正草圖的幾何形狀并獲得幾何特征點(diǎn)的正確位置分布。 2.概念概念 參數(shù)化：將設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果用靈活可變的參數(shù)來表示，以便在人機(jī)交互的過程中根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)加以更改。 參數(shù)化設(shè)計(jì)(parametric design)是一種設(shè)計(jì)方法，采用尺寸驅(qū)動(dòng)的方式改變幾何約束幾何約束構(gòu)成的幾何模型。 通過改動(dòng)圖形的某一部分或某幾部分的尺寸或修改已定義好的零件參數(shù)，自動(dòng)完成對圖形

3、中相關(guān)部分的改動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對圖形的驅(qū)動(dòng)。幾何約束：幾何約束： 尺寸約束。指圖中標(biāo)注的尺寸，如距離，角度等。 參數(shù)約束。指尺寸參數(shù)之間的關(guān)系，用表達(dá)式表示。 結(jié)構(gòu)約束。指構(gòu)成圖形各幾何元素間的相對位置和連接方式，屬性值在參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中保持不變。在工程圖中，此類約束往往是隱含的，并不明確給出，如平行、垂直、相切、對稱等。 2.概念概念 參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅記錄了必要的幾何信息，而且還保留了圖形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種設(shè)計(jì)知識、設(shè)計(jì)約束等信息。 對結(jié)構(gòu)相同而尺寸不同的產(chǎn)品， 就可用同一參數(shù)化模型描述其幾何形狀。 便于用戶修改和設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)人員在更新或修改圖形時(shí)，無需再為保持約束條件而操心，可以真正按照自己的意

4、愿動(dòng)態(tài)地、創(chuàng)造性地進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 用戶在設(shè)計(jì)輪廓時(shí)無需準(zhǔn)確地定位和定形，只需勾畫出大致輪廓，然后通過修改標(biāo)注的尺寸值來達(dá)到最終的形狀，或者只需將零件的關(guān)鍵部分定義為某個(gè)參數(shù)，通過對參數(shù)的修改實(shí) 現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn):3.參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)4.參數(shù)化設(shè)計(jì)的一些技術(shù)參數(shù)化設(shè)計(jì)的一些技術(shù)尺寸驅(qū)動(dòng)尺寸驅(qū)動(dòng)變量驅(qū)動(dòng)變量驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)相互制約相互制約合理性檢查合理性檢查動(dòng)態(tài)導(dǎo)航動(dòng)態(tài)導(dǎo)航結(jié)構(gòu)規(guī)劃結(jié)構(gòu)規(guī)劃參數(shù)化設(shè)計(jì)參數(shù)化設(shè)計(jì)尺寸驅(qū)動(dòng)就是指當(dāng)設(shè)計(jì)人員改變了輪廓尺寸數(shù)值的大小時(shí)，輪廓將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，如下圖。4.1 尺寸驅(qū)動(dòng)尺寸驅(qū)動(dòng)尺寸驅(qū)動(dòng)的意義：尺寸驅(qū)動(dòng)的意義

5、： 如果設(shè)計(jì)人員明確了設(shè)計(jì)尺寸，計(jì)算機(jī)就把這個(gè)尺寸所體現(xiàn)的大小和位置信息直觀地反饋給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員可以迅速地發(fā)現(xiàn)不合理的尺寸。 另一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員可以在屏幕上大致勾勒設(shè)計(jì)要素的位置和大小，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將位置和大小尺寸化，供設(shè)計(jì)人員參考，設(shè)計(jì)人員可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候修改這些尺寸。 由此可以看出，尺寸驅(qū)動(dòng)可以大大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量大大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。4.1 尺寸驅(qū)動(dòng)尺寸驅(qū)動(dòng)變量驅(qū)動(dòng)也叫做變量化建模技術(shù)。變量驅(qū)動(dòng)將所有的設(shè)計(jì)要素如尺寸、約束條件、工程計(jì)算條件甚至名稱都視為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)允許用戶定義這些變量之間的關(guān)系式以及程序邏輯，從而使設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度大大提高。變量驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)展了

6、尺寸驅(qū)動(dòng)這一技術(shù)，給設(shè)計(jì)對象的修改增加了更大的自由度。4.2 變量驅(qū)動(dòng)變量驅(qū)動(dòng) 例如在部件的一個(gè)圓周上均勻分布著若干緊固螺釘，變量化設(shè)計(jì)允許把螺釘?shù)臄?shù)目當(dāng)作設(shè)計(jì)變量，當(dāng)改變螺釘?shù)臄?shù)目時(shí)，螺釘之間的夾角將通過一個(gè)預(yù)先輸入的簡單表達(dá)式計(jì)算得到，計(jì)算機(jī)會正確處理這種設(shè)計(jì)上的變化，如下圖所示。4.2 變量驅(qū)動(dòng)變量驅(qū)動(dòng) 所有的零件在裝配中都不是孤立存在的，在參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，一個(gè)零件的尺寸可以用其他零件上的尺寸和位置參數(shù)來確定，這樣做可以保證這些零件裝配后自動(dòng)具有相吻合的尺寸，從而減少人為的疏忽。 如圖所示，齒輪的軸孔直徑和鍵槽寬度可以根據(jù)軸上的相應(yīng)尺寸參數(shù)來確定。4.3 相互制約相互制約 在傳統(tǒng)的人工

7、設(shè)計(jì)過程中，尺寸不足、多余和相互矛盾是很難避免的，然而在參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)能夠幫助設(shè)計(jì)人員正確地標(biāo)注尺寸，過多和過少的尺寸都能被計(jì)算機(jī)發(fā)覺，計(jì)算機(jī)會在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候向設(shè)計(jì)人員提出忠告，如下圖所示。4.4 合理性檢查合理性檢查 動(dòng)態(tài)導(dǎo)航提供了一種指導(dǎo)性的參數(shù)化作圖手段，與設(shè)計(jì)人員達(dá)成某種默契，從而提高設(shè)計(jì)效率。根據(jù)當(dāng)前光標(biāo)位置，動(dòng)態(tài)導(dǎo)航能猜測用戶意圖，然后用直觀的圖標(biāo)將所猜測的約束顯示在相關(guān)圖形的附近，如下圖所示。4.5 動(dòng)態(tài)導(dǎo)航動(dòng)態(tài)導(dǎo)航 在進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)前，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，對產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行大概的勾勒。主要是確定產(chǎn)品的重要參數(shù)，而不涉及具體細(xì)節(jié)，屬于概念設(shè)計(jì)的范疇，稱為結(jié)構(gòu)規(guī)劃

8、結(jié)構(gòu)規(guī)劃。在以后的設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的裝配和零件設(shè)計(jì)可以引用結(jié)構(gòu)規(guī)劃中定義的參數(shù)，這樣可以從總體上保證設(shè)計(jì)的一致性。右圖為一種車載衛(wèi)星跟蹤天線產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)規(guī)劃。4.6 結(jié)構(gòu)規(guī)劃結(jié)構(gòu)規(guī)劃5.應(yīng)用應(yīng)用 參數(shù)化設(shè)計(jì)極大地改善了圖形的修改手段，提高了設(shè)計(jì)的柔性。在概念設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、實(shí)體造型、裝配、公差分析與綜合、機(jī)構(gòu)仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，體現(xiàn)出很高的應(yīng)用價(jià)值。 在CAD軟件開發(fā)中，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究已成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。 目前常用的參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD軟件中，主流的應(yīng)用軟件有Pro/E、UG、CATIA和Solidworks四大軟件，四大軟件各有特點(diǎn)并在不同的領(lǐng)域分別占據(jù)一定的市場份額。

9、 Pro/E是參數(shù)化設(shè)計(jì)的鼻祖，參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)最先就是由Pro/E實(shí)現(xiàn)，而Pro/E也因?yàn)閰?shù)化的特點(diǎn)在橫空出世后迅速搶占了傳統(tǒng)CAD軟件巨頭UG和CATIA的部分市場份額，目前主要應(yīng)用于消費(fèi)電子、小家電和日用品、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)等行業(yè)；UG和CATIA兩個(gè)傳統(tǒng)的軟件巨頭也不甘落后，緊隨Pro/Engineer之后加入了參數(shù)化設(shè)計(jì)的功能，目前在傳統(tǒng)的制造行業(yè)比如汽車、航空航天等行業(yè)上兩個(gè)軟件占據(jù)絕對的市場份額。5.應(yīng)用應(yīng)用 在以往的空間設(shè)計(jì)中，軟件僅僅是作為展現(xiàn)最終設(shè)計(jì)成果的繪圖工具，并未真正地參與到設(shè)計(jì)過程中去。面對復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)，可視化建模工作量過大，調(diào)整和比較方案需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，有價(jià)值的

10、數(shù)據(jù)和隨機(jī)變量也無法直接參與到造型生成的過程中，已經(jīng)成為限制造型設(shè)計(jì)的最主要因素。而參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，能夠取代以往基于純視覺的非理性設(shè)計(jì)，通過簡單元素的邏輯組合，創(chuàng)造出復(fù)雜的幾何形態(tài)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)提供了可適應(yīng)性的調(diào)整空間。 如今，世界著名建筑事務(wù)所都已經(jīng)建立了自己的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究部門，為建筑師們開拓了數(shù)字設(shè)計(jì)的新領(lǐng)域。參數(shù)化已經(jīng)全面滲透到他們的作品中，其中不乏一些重大項(xiàng)目。例如：正在建造中的高達(dá)632米的上海中心大廈、國家體育場“鳥巢都是通過參數(shù)化設(shè)計(jì)手段予以實(shí)現(xiàn)的。6.研究難點(diǎn)研究難點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)存在難點(diǎn)有：參數(shù)化設(shè)計(jì)存在難點(diǎn)有：（1）參數(shù)化能處理的圖形比較簡單，難以處理如剖面線、粗糙度等復(fù)雜

11、的工藝標(biāo)注與約束。對三視圖聯(lián)動(dòng)缺乏有效的處理方法。多解問題與拓?fù)渥儺悰]有很好地解決。（2）對二維圖形的參數(shù)化研究仍停留在低層次簡單線素如點(diǎn)、線、圓、圓弧上，因此，參數(shù)化技術(shù)面向高層次圖素如由子圖形集構(gòu)成的關(guān)聯(lián)圖形發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢。（3）把傳統(tǒng)針對點(diǎn)、線、圓、圓弧的二維圖形參數(shù)化技術(shù)推廣到由曲線、曲面構(gòu)成的二維或三維幾何圖形上去，這既是參數(shù)化發(fā)展的一個(gè)必然結(jié)果，也是一個(gè)令人感興趣的嶄新課題。7.研究方向研究方向參數(shù)化設(shè)計(jì)作為機(jī)械CAD 的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 它貫穿于從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的全部過程, 今后這方面的研究可在以下幾個(gè)方面展開:（1） 欠約束問題的有效處理欠約束問題的有效處理 欠約束在產(chǎn)

12、品的概念設(shè)計(jì)，如草圖設(shè)計(jì)階段非常多見， 有人曾試圖通過對隱式約束優(yōu)先級的劃分， 將優(yōu)先級高的隱式約束強(qiáng)制成顯式約束，來表達(dá)圖變參后的設(shè)計(jì)意圖，但盡管這樣還是存在多解的可能， 因此，如何有效解決欠約束圖的參數(shù)化還有待于進(jìn)一步探索。（2） 參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起 產(chǎn)品的功能是和其特定的結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起的，不同行業(yè)的產(chǎn)品又有其特定的設(shè)計(jì)要求， 而現(xiàn)有參數(shù)化方法都是針對通用領(lǐng)域的。 因此，如何將參數(shù)化設(shè)計(jì)與每個(gè)特定的領(lǐng)域聯(lián)系起來就有重要意義， 一方面要開發(fā)一些面向不同行業(yè)的參數(shù)化圖形庫, 另一方面要將不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)知識與參數(shù)化過程聯(lián)系起來.（3）研究

13、協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下基于約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型）研究協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下基于約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型 現(xiàn)有參數(shù)化方法中，約束模型的建立與求解都是基于單用戶環(huán)境，是一種集中式的約束管理，它僅支持“人-機(jī)” 交互，遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者之間的交互。 盡管Pro/ E 采用全關(guān)聯(lián)、單一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了零件、部件和產(chǎn)品的雙向關(guān)聯(lián)，但不同的設(shè)計(jì)者之間卻是相互獨(dú)立的，不能完成多用戶之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。 在復(fù)雜產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)中，還有一系列問題， 有待于進(jìn)一步研究： 各種設(shè)計(jì)任務(wù)在不同的設(shè)計(jì)者之間如何分配； 零件、部件、裝配體中存在的局部約束和整體約束如何進(jìn)行協(xié)同求解； 各種設(shè)計(jì)進(jìn)程如何管理； 約束信息在網(wǎng)- 絡(luò)系統(tǒng)中如何存放等。 7

14、.研究方向研究方向8.參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 紀(jì)豐偉陳懇，張保根二維參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀 J：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2000，(7)2 普建詩王華昌，王耕耘，等幾何約束系統(tǒng)求解策略研究與宴踐J 博機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1999，(5)3 吳害，劃華明任秉銀基于約束分離的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究機(jī)械設(shè)計(jì)，1999(12)4 余晶，余霖基于CAD模型的特征參數(shù)化定義的方法 J：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1998，(10)5 孫正興、張福炎，蔡士杰基于特征參數(shù)化設(shè)計(jì)中的尺寸約束及其表示J機(jī)械設(shè)計(jì)、1998，(5)6 Robert Light , David Gossard. Modificat ion of ge

15、ometric models through variational geometry J . Computer Aided Design, 1982, 14( 4) : 209214.7 Sutherland I E. Sket chpad: a manmachine graphical communication syst em D . MIT, 19638 Aldefeld B. Variation of geometric based on a geometricreasoning method J . Comput erAided Design, 1988, 20( 3) : 117126.9 Kondo Koichi . PIGMOD: parametric and interactive ge