ZWCAD《参数化设计》项目综述.docx
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ZWCAD《参数化设计》项目综述
ZWCAD参数化设计综述
1传统CAD绘图技术的不足
传统的CAD绘图技术用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有确定的位置，在修改和编辑已有图形时，只能一个图元一个图元地修改，反复进行大量的删除和重画操作。
因此，从某种意义上说，一般的CAD系统只是做到了将制图员的工作环境从图板上移到了计算机上。
传统的CAD技术在几何造型和工程图的发展中起了相当大的作用，但在实际应用中，人们逐渐发现它们存在着某些严重不足，主要表现在以下几个方面。
1、无法支持快速的设计修改和有效地利用以前的设计结果。
传统的CAD只记录了产品的形状坐标信息，这样一来，即使一个很小的设计修改也往往会导致对以前大量设计努力的放弃。
2、无法很好地支持设计的一致性维护工作。
传统的CAD系统没有记录下设计对象内部元素相互之间的关系，在设计修改时，某一局部的改动不能自动反映到相关部分的变动，需要设计人员手工修改，这样往往不能保证设计要求在设计反复时得到可靠的保证。
3、不符合工程设计人员的习惯。
工程设计往往是通过定义一个结构草图作为原型，通过一些高层次的设计指令不断定义约束和调整参数值，逐步细化以达到最佳的设计结果。
而传统CAD系统面向具体几何形状，所能处理的只是图形元素的几何信息，仅仅记录了几何形体的精确坐标信息，而大量丰富的具有实际工程意义的几何拓扑、尺寸约束信息和功能要求信息均被丢弃，其应用仅局限于产品的详细设计阶段。
4、无法支持并行设计过程。
一个复杂的设计对象，需要多个设计人员多方面、多层次和多阶段设计活动的参与，这就要求从一开始就考虑到产品从设计到最终消亡的整个生命周期的所有因素，强调设计过程的并行协调。
传统CAD系统支持的只是顺序的设计方法，无法支持并行的设计过程。
在CAD系统中采用参数化设计技术可以克服以上四个方面的不足。
2二维参数化设计简介
一个完整的CAD系统，应由科学计算、图形系统和工程数据库等组成。
若加入人工智能和专家系统技术，可大大提高设计的自动化水平，可对产品进行总体方案设计，实现对产品设计的全过程提供支持。
科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等;图形系统包括几何（特征）造型、自动绘图（二维工程图、三维实体图）、动态仿真等;工程数据库对设计过程中需要使用和产生的数据、图形、文档等进行存贮和管理。
传统意义上的CAD系统（软件）技术已进入了成熟的发展时期，今后CAD技术的总体发展趋势是不断地向设计、产品、开发和应用的全过程拓展其内涵，在更高的层次上、更广泛的范围内，向智能化与一体化、集成化与并行工程、通用化与标准化以及商品化与实用化等方向发展。
目前CAD软件一般分为三维造型设计软件和二维工程设计（或绘图）软件，它们的参数化设计方法也不同。
三维造型设计软件用于产品的实体造型，其主要技术为参数化特征造型（构造三维模型）技术，代表产品为Por/Engineer、I-Deas、CADDS-5、GS-CAD2000等等。
二维工程设计（绘图）软件用于产品的工程图（二维平面）设计，其主要技术为构造几何约束以实现尺寸驱动的参数化设计和绘图，代表产品为Sigraph-desghn、AutoCADDesigner、GS-ZDDS等等。
在二维CAD系统中，系统参数化技术分为参数化设计（ParamericDesign）和参数化绘图（ParamericDrawing）两种。
该两种技术所代表的设计思路不同，即参数化设计以设定驱动参数和尺寸驱动为主要技术原理，而参数化绘图则以计算机高级语言编程使具体图形实现参数化为主要技术原理。
参数化设计的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。
目前，能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系，因此，参数化造型技术又称初次驱动几何技术。
参数化实体造型中的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。
目前二维参数化技术已发展得较为成熟，在参数化设计与绘图方面已得到了广泛应用。
2.1何谓参数化设计
参数化设计（ParamericDesign）也称变量化设计（VariationalDesign）是美国麻省理工学院Gossard教授提出的，它是CAD领域里的一大研究热点。
近十几年来，国内外从事CAD研究的专家学者之所对其投入极大的精力和热情进行研究，是因为参数化设计在工程实际中有广泛的应用价值。
在有关CAD的科技书刊或论文中经常出现下列术语：
参数化设计、草图设计、参数化绘图、图形参数化等。
何谓参数化设计?
为了回答这个问题，首先要搞清参数化设计的目的。
软件设计者无论采用何种方法，基于何种环境开发参数化设计系统，其目的都是通过图形驱动（或尺寸驱动）方式在设计绘图状态下修改图形。
参数化设计通常是指软件设计者为绘图及修改图形提供一个软件环境，工程技术人员在这个环境下所绘制的任意图形均可以被参数化，修改图中的任一尺寸，均可实现尺寸驱动，引起相关图形的改变。
参数化的设计方法正是解决这一问题的有效途径。
参数化设计（ParametricDesign），就是根据产品零部件的性能参数，确定其几何形状或结构尺寸的一种设计方法。
也就是说把这些尺寸看成是“设计条件”的函数，当设计条件改变时，零、部件图形的尺寸可以随时得到相应改变。
参数化设计有两种涵义：
1、绘图软件本身具有参数化功能。
任何交互式的尺寸改动都会导致整个模型的改变，也就是说，只要修改了模型中的某一个尺寸，则整个图形中与此相关的尺寸都会自动更新。
这种方法主要适用与结构不是太复杂的图形。
2、应用程序具有参数化功能。
通常由用户或第三方开发出的一些应用程序，主要针对某一领域具体问题，进行参数化设计。
即该应用程序负责与用户交互，当需要修改某一尺寸时，应用程序负责更新该尺寸及与之相关的其他尺寸。
这种方法的编程量很大，另外，要修改图形时，需要重新运行程序。
草图设计是近十年出现的新提法，具有草图设计功能的系统，允许用户在设计绘图中首先进行草图设计，即不必关心线段连续是否准确，线段是否水平或垂直，在草图上标出重要的尺寸，系统会自动使线段连接准确及位置准确，从而实现尺寸驱动。
草图设计与参数化设计的目的是相同的，尽管草图设计的设计阶段有一定的灵活性，但有些CAD系统已具备正交功能和目标捕捉功能，因此，草图设计实质上也可以统一到参数化设计上来。
2.2参数化设计的基本思想
参数化设计系统中涉及到的基本技术和思想主要有：
轮廓（Profile）、草绘（Sketching）、尺寸驱动（DimensionDrive）、变量驱动、设计合理性检查和动态导航（DynamicNavigator）等。
1、用轮廓法体现设计思想
参数化设计系统引入了轮廓的概念，轮廓由若干首尾相接的直线或曲线组成，用来表达实体模型的截面形状或扫描路径。
轮廓上的线段（直线或曲线）不能断开、错位或者交叉。
整个轮廓可以是封闭的，但也可以是不封闭。
虽然轮廓与生成轮廓的原始线条看上去几乎一模一样，但是它们有本质的区别。
轮廓上的线段不能随便被移到别处，而生成轮廓的原始线条可以随便地拆散和移走。
这些原始线条与通常的二维绘图中的线条本质上是一样的。
2、尺寸驱动
如果给轮廓加上尺寸，同时明确线段之间的约束，计算机就可以根据这些尺寸和约束控制轮廓的位置、形状和大小。
计算机如何根据尺寸和约束正确的控制轮廓是参数化的一个技术关键。
所谓尺寸驱动就是当设计人员改变了轮廓尺寸数值大小时，轮廓将随之发生相应的变化。
3、变量驱动
变量驱动也叫做变量化建模技术。
变量驱动将所有的设计要素如尺寸、约束条件、工程计算条件甚至名称都视为设计变量，同时允许用户定义这些变量之间的关系式以及程序逻辑，从而使设计的自动化程度大大提高。
变量驱动进一步扩展了尺寸驱动这一技术，给设计对象的修改增加了更大的自由度。
4、相互制约
所有的零件在装配中都不是孤立存在的，在参数化设计系统中，一个零件的尺寸可以用其他零件上的尺寸和位置参数来确定，这样做可以保证这些零件装配后自动具有相吻合的尺寸，从而减少人为的疏忽。
5、合理性检查
在传统的人工设计工程中，尺寸不足、多余和相互矛盾是很难避免的，然而在参数化设计系统中，计算机能够帮助设计人员正确地标注尺寸，过多和过少的尺寸都能被计算机发觉，计算机会在适当的时候向设计人员显示提示信息。
6、动态导航
动态导航提供了一种指导性的参数化作图手段，与设计人员达成某种默契，从而提高设计效率。
根据当前光标位置，动态导航能猜测用户意图，然后用直观的图标将所猜测的约束显示在相关图形的附近。
7、结构规划
在进行产品的设计前，根据产品的设计要求，对产品的整个设计需要进行大概的勾勒。
这种前瞻性的勾勒主要是确定产品的重要参数，而不涉及产品的具体细节，属于概念设计的范畴，这被称为结构规划。
在以后的设计中，产品的装配和零件设计可以引用结构规划中定义的参数，这样从总体上保持设计的一致性。
2.3参数化设计的实现方法
近十几年来，国内外学者对参数化设计，从方法上做了大量的研究和尝试，取得了重大成果，目前参数化设计方法主要有以下几种：
2.3.1基于几何约束的数学方式
利用尺寸约束建立方程组，将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组，对于给定的约束，通过数值方法解非线性方程组，一次解出所有特征点的坐标值，确定出几何细节。
采用该方法必须输入充分且一致的尺寸约束，才能求解约束方程组。
2.3.2基于几何推理的人工智能方法
人工智能的发展，促进了参数化设计方法的发展，产生了几何推理法。
这种方法又有两个方面：
一是建立在专家系统的基础上，采用谓语表示几何约束，通过推理机制导出几何细节。
这种方法可检验几何约束模型的合理性并能处理局部修改，但系统庞大，对递归约束无法处理。
二是扩展现有的数据结构，使其包含拓扑信息，并通过程序实现从几何约束到几何细节的推理。
2.3.3基于特征的实体造型方法
特征是作为捕捉设计者意图的方式而提出的，以取代用直线、圆弧、圆等基本几何元素构图的方式。
特征实体具有一定的智慧，它们不但具有明确的工艺特征结构，而且能始终记忆自己的功能属性和与其它相关实体的适应关系。
修改某一特征实体，会自动引起整个设计模型的相关变化，其中包括实体本身的物理量（如质心和惯性矩等数据）的变化。
例如，孔特征会始终记忆自己当前的形状、位置和负体积特征，机械设计师能利用自己熟悉的工艺特征（如孔、倒角、倒圆等），而非纯几何意义上的体素来组织设计意图，使设计变得容易。
2.3.4基于关系的建模方法
以关系型数据结构构造参数化模型是德国西门子公司首先提出来的。
在系统内，关系可建立在所在系统能识别的对象之间，也可在任意大的模型中建立任意复杂的关系模型，这种关系的建立过程是以符合设计师设计习惯的、非常简便自然的方式进行的。
关系模型的建立能方便地进行修改以适应不同用户的特殊要求，从而大大提高设计速度。
⑸.基于作图辅助线法
工程设计人员在设计绘图时，往往先画一些基准线，称为辅助线，由辅助线出发一步步绘图，先勾画总体轮廓，然后再作细化处理完成图纸的绘制。
系统把几何约束及矢量图等方法，交互地建立工程图纸的参数化模型上，实现对任意尺寸的参数化设计。
3典型的参数化设计系统
七十年代末，美国麻省理工学院Gossard教授提出了他的参数化设计思想，但他的倡导在当时CAD领域并未引起重视，直到1987年底美国PTC公司（ParametricTechnologyCorporation）推出了以参数化、特征设计为基础的新一代实体造型软件Pro/Engineer后，CAD领域才真正认识到参数化设计的巨大威力。
而德国西门子公司提出把初次设计从生产过程中分离出去，通过标准化、系列化来减少产品零件数量的“合理化工程”思想，使具有参数化设计功能的CAD系统，进一步把初次设计从生产过程中分离出来，有效地缩短设计周期，提高生产效率和经济效益。
现在许多著名的CAD系统（如UG-II、I-DEAS，Applicon，CV，Euclid等）均已增加了参数化设计功能。
应用于PC机上典型的参数化系统是AutoCADDesigner、Sigraph-desghn和GS-ZDDS等。
3.1AutoCADDesigner
美国Autodesk公司的AutoCADDesigner二维参数化设计软件是基于特征的参数化设计软件，它运行于AutoCAD平台之中，采用与其一致的交互界面，以便于用户学习和掌握。
它使机械设计师能草绘出具有完整尺寸约束的二维图形。
在勾画二维草图时，设计者不必拘于精确的尺寸数值，以便能先着力于零部件的功能和结构设计，而后可利用尺寸约束的机制来规范草图。
但由于AutoCAD平台的核心技术并不具有参数化设计技术，导致AutoCADDesigner二维参数化设计软件在应用上存在着种种影响绘图速度的因素，同时，建立参数化标准零件库方面需要使用者熟练掌握有关AutoCAD基础软件的编程语言和技巧，妨碍该软件的普及。
AutoCADDesigner会按照设计者的需要由三维特征实体自动生成各向二维视图及全部尺寸标注，在任一视图中修改尺寸，均会自动更新特征实体的形状及物理属性，而对特征实体的修改也会自动传给各向视图及其尺寸标注。
AutoCADDesigner的最新版本提供了更为强劲的设计功能，如具有尺寸约束的装配特征造型、干涉检查、明细表生成、装配模型关联变化、产品结构和零部件关系的全面管理等。
这些先进的参数化特征实体结构及其简明的生成和修改方法，使AutoCADDesigner成为PC平台上用于工程设计方面最富竞争力的CAD软件。
3.2Sigraph-desghn
Sigraph-desghn二维参数化设计软件是德国西门子（Siemens）公司推出的基于智能关系型的参数化设计系统。
该系统核心数据结构是关系型数据结构，关系可在系统能识别所有对象之间建立，如图素之间的联系，视图之间的对应关系，设计公式与设计表达式的相互对应关系，装配图与零件图之间的对应关系，零件间的运动联系。
为表达这些关系，Sigraph-desghn提供了设计师非常熟悉的几何联系变量与分式、表格等工具，通过综合应用这些工具，设计所需的知识与约束可在计算机内获得充分的表达和处理。
Sigraph-desghn是专门的机械设计CAD系统，为用户提供了建立常用件和标准件参数化图库功能，支持从概念设计到结构设计，从部件设计到零件设计。
它还包含以下功能：
图形与尺寸的双向驱动、可参数化的用户元素、分级式层功能、可见性优先级控制和面向对象的结构化图标界面等。
Sigraph-desghn充分体现了“合理化工程”的思想。
3.3GS-iCAD
GS-iCAD参数化二维绘图系统是浙大大天信息有限公司推出的基于作图辅助线方法并结合几何约束、实体造型、关系型数据结构以及人工智能等部分理论的参数化设计系统，它运行在Windows9x/NT基础平台上，采用图标化、指令全汉化和在线帮助，使设计命令结构简单、智能化程度高、操作自然流畅、界面友好、整体结构美观大方，便于用户学习、掌握与操作。
设计者在设计（勾画）二维工程草图时，可不拘于图形的尺寸精确性，利用系统的导航功能，快速、准确地进行产品零部件的功能与结构设计，最后以尺寸约束的原理来对草图规范草图，形成全参数化二维工程设计图和不同的设计方案。
是企业实现或体现“合理化工程”思想的主要工具之一。
GS-iCAD是一套专业机械设计CAD系统，它向用户提供了参数化标准件图库和各种符号库，并向用户开放建库功能，支持从产品概念设计到具体结构设计，从部件设计到零件设计。
4参数化绘图技术
在工程设计中，一方面，进行新产品设计时不可避免地需要多次反复修改，需要进行零件结构和尺寸的综合协调、优化。
另一方面，从大量机械、电子等系列产品的图纸中可以发现，同一种基本结构形式的零部件，其图形结构具有一定的相似性，往往只是尺寸的大小不同，其图形随尺寸参数的变化而相应变化。
特别是对于结构定型的产品设计，需要针对用户的需求提供不同吨位、功率、规格的产品型号进行设计，以便形成系列。
因此，希望有一种比交互式绘图更方便、更高效、更适合结构相似图形绘制的方法。
参数化方法比较好的解决了这一问题，在实际工程设计中得到了非常广泛的应用。
4.1参数化编程原理及步骤
图形的描述可以分为三部分：
图形的拓扑关系，图形的几何参数（如点的坐标）以及这些几何参数与图形结构参数（如图形的长和宽等）之间的联系。
参数化编程方法的实质，就是将图形信息记录在程序中。
它用一组变量记录图形的几何参数，用一些类似上述关系的赋值语句表达这些几何参数与结构参数之间的关系，然后再调用一系列绘图语句来描述图形的拓扑关系。
这种方法的优点是程序一旦编制完毕，操作非常方便，用户不需要调用交互绘图命令逐条地绘制图形，只需向程序提供绘图所要求的一些参数，并且尺寸参数也可直接从其他分析、设计程序获得。
但它也有局限性。
第一，编程调试过程比较美满;第二，程序完成，图形的结构也就固定，若想改变结构，只能修改程序。
所以，这种方法特别适用于结构固定的系列化产品，如标准零件和结构不便的常用零件。
图形参数化程序编写步骤如下：
1、分析图形的拓扑关系及其变化规律，提炼出图形结构参数;
2、建立图形结构参数与几何参数之间的关系，构建图形的参数化模型;
3、编制、调试图形程序。
4.2图形参数的确定
通常，图形参数化程序的控制参数有四类：
（1）位置参数：
确定图形位于零件图上的定位基点坐标;
（2）方位参数：
确定图形的方位;（3）结构参数：
确定图形的结构形状;（4）控制参数：
控制图形的结构或视图的方向。
在确定具体图形参数时，需要根据图形的具体情况，通常可以从以下几方面综合考虑：
1、要保证图形参数可以唯一地确定图形。
对于抽象的几何图形，一般用几何尺寸作为图形参数。
为保证图形参数唯一地确定图形，可事先对图形进行尺寸试标注，或者用一组参数试画图形。
2、机械图中的图形已不再是抽象的几何图形，而是表示具体零件的结构，因此参数的名称和定义应尽量结合工程实际。
3、优先考虑将描述零件规格、性能的参数作为图形参数。
4、为便于用户操作，参数的个数应尽量少。
5、在不影响对零件表达的情况下，图形的某些部分可采用简化画法，或使其与某些参数建立一定关系，从而省去一些参数。
6、为便于参数输入操作，在程序编制时可采取不同的输入方式。
参数较少时可以用交互输入方法，参数较多时可以采用数据文件方式。
5AUTOCAD2010参数化功能介绍
参数化特性是AutoCAD2010中新增的功能，这个功能能够使AutoCAD对象变得比以往更加智能！
参数化绘图的两个重要组成部分几何约束和尺寸现在都已经集成在AutoCAD2010中。
5.1基本概念
5.1.1参数化约束概念
在工程的设计阶段，通过约束，可以在试验各种设计或进行更改时强制执行要求。
对对象所做的更改可能会自动调整其他对象，并将更改限制为距离和角度值
通过约束，用户可以:
●通过约束图形中的几何图形来保持设计规范和要求
●立即将多个几何约束应用于对象
●在标注约束中包括公式和方程式
●通过修改变量值可快速进行设计修改
有两种常用的约束类型：
几何约束：
控制对象相对于彼此的关系
尺寸（标注）约束：
控制对象的距离、长度、角度和半径值
最佳经验：
建议首先在设计中应用几何约束以确定设计的形状，然后应用标注约束以确定对象的大小。
5.1.2使用约束进行设计
创建或更改设计时，图形会处于以下三种状态之一：
●未约束：
未将约束应用于任何几何图形。
●欠约束：
将某些约束应用于几何图形。
●完全约束：
将所有相关几何约束和标注约束应用于几何图形。
完全约束的一组对象还需要包括至少一个固定约束，以锁定几何图形的位置。
因此，有两种方法可以通过约束进行设计：
●可以在欠约束图形中进行操作，同时进行更改，方法是：
使用编辑命令和夹点的组合，添加或更改约束。
●可以先创建一个图形，并对其进行完全约束，然后以独占方式对设计进行控制，方法是：
释放并替换几何约束，更改标注约束中的值。
5.2参数化：
几何约束
几何约束支持对象或关键点之间建立关联。
传统的对象捕捉是暂时性的，而现在，约束被永久保存在对象中，以能够更加精确的实现设计意图。
例如，您可能希望两条线段始终保持垂直状态，或使一个弧形和一个圆形始终保持同心状态。
我们可以利用“参数化”选项卡添加和控制几何约束。
同时也可以使用“几何约束”命令进行。
添加几何约束时只需选择一个几何约束工具（例如“平行”），然后选择两个我们希望保持平行关系的对象。
选择的第一个对象非常重要，因为第二个对象将根据第一个对象的位置进行平行调整。
所有的几何约束都遵循这个规则。
约束特性快速入门：
对象上的几何图标表示所附加的约束。
可以将这些约束栏拖动到屏幕的任意位置，也可以通过选择ribbon界面上的“隐藏全部”或“显示全部”功能将其隐藏或恢复。
“显示”选项选择希望显示约束栏的对象。
还可以利用“约束设置管理器”对多个约束栏选项进行管理。
自动约束这是一款有史以来最棒的工具！
选定一组之前绘制的对象后，AutoCAD将自动根据我们的需求对其进行约束。
利用“约束设置管理器”中的“自动约束”选项卡，能够设置优先级和容差等参数，同时如果我们不想使用ribbon界面，“约束设置”命令也可以实现相同的效果。
5.3参数化：
尺寸约束
AutoCAD中的几何体和尺寸参数之间始终保持一种驱动的关系。
我们绘制一条长度适当的线段，然后修改它的尺寸参数。
根据尺寸对几何体进行驱动意味着什么？
当我们改变尺寸参数值时，几何体将自动进行相应更新！
“尺寸约束”位于ribbon界面中“参数化”选项卡的中部。
同样我们也可以使用“尺寸约束”命令。
我们可以在这里找到标准类型的尺寸，而且这些尺寸能够对几何体进行驱动。
例如，我们使用“半径”选项改变一个圆形的尺寸，然后通过简单地改变尺寸参数值对该圆形进行控制。
如此，对几何体进行尺寸约束、尺寸变更和尺寸限定就变得容易很多了。
当两个孔需要始终保持3mm的间距时，就可以通过尺寸约束强制保持此距离，而几何体其它部分发生的任何变化都不会对其产生影响。
同时，我们还可以使用“尺寸约束（DIMCONSTRAINT）”命令将传统的尺寸转化为新的约束尺寸。
“锁定”图标能有效区分约束尺寸和传统尺寸。
它们的尺寸是恒定缩放的（始终保持同一尺寸），几何约束尺寸不可变更。
每个图标都指定一个名称，例如D1或Ang1。
可以通过参数管理器对这些名称进行全面定制，此外，我们还能创建我们自己的用户参数。
同时可以根据其它参数值对表达式进行设置。
约束设置管理器能够对尺寸约束的显示进行控制。
可以利用其只显示参数值而不显示表达式，或关闭“锁定”图标。
通过双击尺寸文本或在参数管理器中改变参数值，对尺寸约束进行编辑也会变得非常简单快捷。
还可以将约束更名为我们更喜欢或者更恰当的名称。
变更为尺寸约束可以打印吗？
一般来说都会产生疑问，但是只需选定希望打印的尺寸，然后使用“特性管理器”将其转化为标注尺寸即可。
您还可以控制样式和大小。
而且令人高兴的是，它们仍为标注智能几何约束，这意味着我们依旧可以简单方便地通过双击改变这些参数值！
同时要提醒大家，如果您希望从一开始就使用标注尺寸，请将“CCONSTRAINTFORM”系统变量设为“1”或在“尺寸约束”命令中选择“形状”选项。
上面只是对AUTOCAD2010所
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