基于三维模型的广义参数化设计技术研究图文精.docx
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基于三维模型的广义参数化设计技术研究图文精
文章编号:
1001-2265（200805-0030-04
收稿日期:
2007-11-26
作者简介:
翟耕耘（1981—,女,河南遂平人,北京理工大学机械与车辆工程学院硕士,研究方向为数字化产品开发集成技术,（E-mail
zhaigengyun@。
基于三维模型的广义参数化设计技术研究
翟耕耘
1,2
赵博2,宁汝新2,张旭
2
（1.中船重工第七一三研究所,郑州 450052;2.北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081
摘要:
在介绍、分析Pro/Engineer,参数化设计方法。
（,之后添加尺寸约束、关系。
通过该方法,,提高了建模速度。
关键词:
;Pro/Engineer中图分类号:
TG65; 文献标识码:
A
GeneralizedParametricDesignMethodBasedon3DModelZHAIGeng2yun
1,2
ZHAOBo2,NINGRu2xin2,ZHANGXu
2
（1.InstituteNo.713,ChinaShipIndustryCorporation,Zhengzhou450052;2.SchoolofMechanicalandVe2hicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,ChinaAbstract:
/
2
2
2
’
2
Keywords:
/
0 引言
在机械设计过程中,经常会用到标准件、系列件,这些零件或是结构相同而尺寸不同,或是有些零件多一些特征,有些零件少一些特征。
模型的参数化设计技术为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段。
利用参数化技术,设计者可以方便地对已有模型进行重建,并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型,生成系列产品,从而大大提高生产效率。
参数化概念的引入代表了设计思想上的一次变革。
从1963年Sutherland在其开发的Sketchpad系统中提出利用几何约束进行图形修改的思想
[1]
以来,参
数化设计已经经历了40多年的发展。
现在基于约束
的设计系统能够记录下定义约束等式的几何元素,设计人员也可以方便地修改约束,这些约束会在设计修改后自动应用[2]
。
参数化设计在CAD系统中也叫尺
寸驱动（Dimension2Driven,是零部件模型修改和变型设计的需要。
它的驱动机制为参数,提供修改参数,可以对图形和几何数据进行修改。
与此同时,作为参数化技术的核心技术的几何约束求解方法也趋于成熟,其中较为典型的有变分几何法、基于人工智能的几何推理法、过程记录法、辅助线法等。
参数化设计是目前CAD应用技术中最重要的技术之一。
它的主要特点是全尺寸约束、全数据相关和尺寸驱动设计修改。
要实现参数化设计,首先必须建立零件的参数化模型。
参数化模型是指有参数名的零件图。
一般情况下,参数模型的结构（拓扑信息不变,
・
03・・设计与研究・
组合机床与自动化加工技术
但各个参数值是可变的（在某些情况下,拓扑结构也是可变的。
目前,较为成熟的参数化设计方法是基于约束的尺寸驱动法与基于特征的参数化建模方法。
本文在介绍、分析Pro/E中参数化实现的各种方法的基础上,提出了一种基于三维模型的广义参数化设计方法。
1 Pro/E中参数化设计方法分析
111 Pro/E中参数化设计方法介绍
在Pro/Engineer系统中,有三种方法可以实现模型的参数化设计,分别是特征元素树、（ily2ble和程序（Program
特征元素树
特征元素树是用树状结构的形式来描述或定义Pro/E的一个特定特征,与交互操作时的模型树不是同一个概念,它用来代表定义特征时所有信息的结构体类型数据的一种直观的表示形式。
在程序中对特征元素树的全部变量赋值一次,便可产生一个特征,多个特征累加就形成了产品模型。
此种方法主要是利用Pro/Toolkit程序来建模,编程量大,比较繁琐。
故不采用这种方法创建单个特征,也不用来进行参数化设计。
族表（FamilyTable
通过族表可以方便地管理具有相同或相近结构的零件,特别适用于标准零件的管理。
族表通过建立通用零件为父零件,然后在其基础上对各参数加以控制生成派生零件。
整个族表通过电子表格来管理,所以又称为表格驱动。
将相异的尺寸、特征、参数等变化性项目填入族表内,系统就会自动读取族表内容一一产生每一个零件,它适用于结构简单、特征较少,特征之间的关系较明确的零件。
程序（Pro/Program
结构和特征之间关系较复杂且不同特征间几何关系不确定的零件可通过Pro/Program进行创建,用程序进行特征的产生和控制。
由以上三种方法的介绍可知:
实现参数化设计需要两个步骤,即构造设计对象的参数化模型和建立参数驱动机制。
目前在Pro/E系统中,关于参数化快速设计的研究有:
程序[325]、Pro/Toolkit[628]等等。
112 参数化设计分析与选择
特征元素树结构复杂,直接利用特征元素树来实现参数化非常艰难,这是因为三维模型的创建要涉及到草图、基准、曲面和实体等各类特征,且各个特征的树结构差异很大。
可见在零件的三维设计中,采用程序（即一般语言编写程序,非Pro/Program,以后表示Pro/Program会明确指出生成三维模型是非常困难的,参数化程序的设计必定十分繁琐。
因此放弃这种参数化设计方法。
此种方法主要是利用Pro/Toolkit程序来三维建模,但利用Pro/Toolkit进行二维参数化程序设计,自动生成工程图非常方便。
族表适用于结构简单、,特征之间的关系,但在规,故非常适,并不是适用于所,有一定的局限性。
以普通平键为例（不包括设计计算,仅详细三维建模:
定型尺寸有三个,分别为键宽、键高和键长,参数少、特征少、结构简单,但对应于固定的键宽、键高组合,键长有一系列的值,这样势必重复录入相同数据,增加劳动量,造成数据冗余。
除此之外,由于个人思维习惯的差异,会造成建模方式、截面布置、尺寸定位约束的不同,同样会对模型尺寸产生影响,使零件的可变参数尺寸与标准尺寸进行换算才能对应起来,尤其模型比较复杂时,影响更为明显。
故这种方法虽然有诸多优点,但适用范围较窄。
由于程序（Pro/Program是由零件参数和参数间关系的建立,可以很方便地生成一族外形类似的特征,大大提高了建模的速度。
可以通过提问的方式与用户交流,包括:
通过手动地删除、重排序、隐含特征、暂停再生过程和添加辅助特征等。
且设计出零件中的某些相关尺寸后,即时通过其他设计人员,也可以很方便地修改。
因此程序（Pro/Program适用于以下情况:
需要经常修改特征中的参数;组件中需要重复使用某个零件或子组件;组件中需要修改某些组件,以改变整个组件时。
由于程序（Pro/Program是记录文件,使其修改起来很方便,但也同时带来了局限性,即其只适用于特定的单个零件,针对性很强。
由此可见,特征元素树繁琐的特征创建细节限制了其实用性;族表与程序（Pro/Program是由两部分组成的:
利用Pro/Engineer交互建立三维模型和后期处理,其中后期处理是关键,但模型的建立过程对后期处理也有影响。
若模型建立过程不够巧妙,会加大后期工作量,对于族表来说,可能是数据录入量的增加,对于程序（Pro/Program来说,可能是交互参数和关系式的增加,违背提高效率、方便的初衷。
经过以上分析,从实际应用的角度出发,针对三种方案,扬长避短,本文建立了一种新的参数化设计方・13・
法。
该方法基本原理是采用三维模型与程序相结合的方式。
三维模型不是由程序创建,而是在Pro/Engineer的环境中交互方式生成。
在已建立的零件三维模型基础上,进一步根据零件的设计要求建立一组可以完全控制三维模型形状和大小的设计参数与关系。
参数化程序针对零件的设计参数、参数关系进行编程,实现设计参数的检索、修改、注释,关系的建立、修改、删除,和根据新的参数值生成新的三维模型的功能。
同样地,模型的生成过程也会对后继参数和关系产生影响,因为特征,模型,,型的广义参数化设计。
为了与一般三维模型相区别,将参数化设计程序要使用的三维模型称之为三维模型样板。
该模型样板中不但包含了设计参数,而且包含参数关系,其中参数关系可以根据需要或不同的约束要求进行修改。
实现过程如下图1所示
。
图1 基于三维模型的广义参数化设计实现过程
2 关键技术
在参数化设计中,关键参数的提取,约束、关系的建立是决定参数化实施好坏的决定性因素,且只有三者均积极地发挥作用时,才能最大限度地提高建模速度。
211 参数的提取
参数是用不同的参数符号来表示模型尺寸,在Pro/E中,系统会自动为各个尺寸分配名称,不会出现
重复。
根据参数使用方式的不同,分为驱动尺寸与被驱动尺寸;驱动尺寸可由用户改变,被驱动尺寸不能直接改变,只能由相关驱动尺寸间接根据关系计算得出。
正是由于驱动尺寸与被驱动尺寸的这种关系,使得参数化设计时只需输入驱动参数数值,相应新的模型会自动生成。
例如:
关系式d1=23d2,可以看出d2是驱动尺寸,d1为被驱动尺寸,若改变d2值,则d1的值会自动改变,且d1尺寸只能由d2驱动,用户不能修改。
驱动尺寸的提取需要考虑到与其它尺寸的关系,能驱动越
多尺寸的尺寸,越要优先考虑,同时也要考虑设计者的习惯。
如d1与d2能相互驱动,但假如d1与d3也能互相驱动,则选取d1为驱动尺寸。
212 约束的建立
约束包括尺寸约束,拓扑约束和工程约束（如应
力、性能等,这些约束反映了设计时要考虑的因素。
,而当输入该组,,并获得了一个这里主要讲拓扑约束,主要有垂直、平行、对称、等长等尺寸间约束,在草绘时或草绘后,在草图上添加相应的约束,可以简化尺寸,提高设计速度。
由图4图5图6可以看出,确定等边六边形的尺寸依次为8个（4个120100为固定定形尺寸、5个（2个120100为固定定形尺寸、2个（1个120100为固定定形尺寸。
对比图2与图4可知,同一个图形,通过添加约束使驱动尺寸的个数由8个减少到2个。
在参数化设计中,约束的作用就显现出来,以等六边体为例,若没有约束,则在生成新的模型时,需要输入4个参数（其它4个定形尺寸为固定值,没有必要重新输入,当添加合理恰当的约束时,只需输入1个参数值（另外一个为定形尺寸,这将极大地提高设计速度
。
・
23・
213 关系的建立
参数关系（可简称关系是用户定义符号尺寸和参数之间的数学表达式。
关系捕捉特征之间、参数之间或装配元件之间的设计联系,是捕捉设计意图的一种方式。
用户可用它驱动模型———改变关系也就改变了模型。
关系的应用范围非常广泛,可以添加到特征的截面草图、特征、零件、装配。
关系类型有两种:
等式与比较。
等式即使等式左边的一个参数等于右边的表达式,
寸和参数赋值,
式只有一个数值,
计算与函数。
一般
。
图4 添加了对称、等长约束的等边六边形
在设计中,根据模型的外形尺寸,同时明确尺寸之
间的约束与关系,计算机就可以根据这些尺寸和约束
来控制轮廓的位置、形状和大小。
在图5中,d1为长方
体的长,d2为大孔的直径,d4与d5为孔的定位尺寸,
通过建立关系,在模型重新生成时,只需修改孔径d2
即可。
类似地添加其它关系,则零件模型的更新有固
定的几个尺寸来约束、驱动
。
图5 一个简单零件及其尺寸间关系
由此可见,约束减少了参数个数;关系则通过等式
来减少驱动尺寸,通过不等式来约束驱动尺寸的取值
范围;在约束与关系的建立过程中,关键参数的提取与
确定也是其中非常重要的部分。
3 系统实现
基于上述分析,采用MicrosoftVisualC++610,在Pro/EngineerWildfire基础上利用其二次开发工具Pro2Toolkit开发原型系统。
系统采用同步模式中的DLL模式,底层数据库利用ORACLE9i。
系统在Pro/Engineer系统中注册了下拉菜单,
互。
、添
6所示。
图6 参数化设计———参数列表与尺寸关系
4 结论
参数化设计技术为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段。
利用参数化技术,设计者可以方便地对已有模型进行重建,并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型,生成系列产品,大大提高了生产效率。
本文在分析三维建模软件Pro/Engi2neer中三种参数化设计技术的基础上,（下转第36页
・33・
子5与主轴2一体,定子绕组4与外壳一体。
主轴2的高速旋转功能,通过定子绕组4与转子5的作用来实现,而其上下浮动功能,则与方案1相同,仍由“气浮”来实现。
对于轴承,仍选用径向空气轴承。
其结构更简单、紧凑,便于维护
。
以上两方案共同的特点是将主轴的高速旋转功能与主轴的上下移动功能进行了分离,且主轴自由悬浮,对主轴顶端刀具受力的变化能产生快速响应,从而较好地解决了主轴既要高速旋转又必须具有自适应性的技术难题。
事实上,还可以提出其它解决方案,例如,将方案2的气体润滑轴承改为电磁轴承,轴和轴承之间甚至可没有摩擦力的作用,但其结构较复杂,成本也较高。
此外,对主,而且具有一定危险性。
3 结论
本文针对TRIZ理论与计算机辅助创新集成方法进行了初步探讨,并通过玻璃加工机床浮动主轴的两种创新方案的寻求过程,实践了应用TRIZ技术矛盾解决矩阵和TechOptimizer技术创新软件,解决产品创新过程中技术难题,进行机械产品创新方案设计的方法。
表明应用TRIZ理论和TechOptimizer技术创新软件,确实可以有效地解决技术创新、产品创新中的技术难题。
[参考文献]
[1]刘鸿恩,张列平.TRIZ———问题解决的创造性理论和方法
[J].上海质量,2000（2:
30-32.
[2]牛占文,徐燕申,林岳,等.发明创造的科学方法论———
TRIZ[J].中国机械工程,1999,10（1,84-89.
[3]牛占文.萃智（TRIZ及计算机辅助创新（CAI技术[M].
天津:
天津大学CAI技术支持中心出版,2000.
[4]候智,邢预恩,等.基于TRIZ的计算机辅助矛盾解决系统
[J].计算机应用,2002,22（12:
71-34.（编辑 李秀敏
（上接第33页提出了一种广义参数化建模方法。
该
方法建立三维模型样板,通过修改设计参数派生新的三维模型,且适用于多个三维模型,而不再是针对单个模型,有效地提高了建模速度与准确性。
最后通过系统的开发验证了该技术。
[参考文献]
[1]SutherlandIE.Sketchpad..aman2machinegraphicalcommu2
nicationsystem[A].In:
ProceedingsoftheSpringJointCom2puterConference,Detroit.1963:
329-345.
[2]RSLatham.AEMiddleditch.Connectivityanalysis:
Atoolfor
processinggeometricconstraint[J].ComputerAidedDesign.1994,28（11:
917-928.
[3]王三武,刘坤,马书恒.Pro/Engineer组件建模中的参数化
方法[J].机械工程与自动化,2006（1:
94-95.
[4]刘颖,彭雪鹏.Pro/E二次开发技术在圆柱齿轮减速器建模
中的应用[J].机械设计与制造,2006（3:
86-88.
[5]余志伟,李学东,杨明忠.基于Pro/E野火版的蜗杆三维参
数化造型程序设计[J].机械研究与应用,2005,18（4:
112
-113.
[6]白贺斌,徐燕申,曹克伟.基于特征的CAD参数化建模技
术及其应用[J].机械设计,2005,22（2:
14-15.
[7]沈斌,倪媛,宫大,等.Pro/E技术在零件参数化设计系统中
的应用[J].机电产品开发与创新,2006,19（1:
73-74.
[8]李世国,宋娥.Pro/E环境下通用零件族功能模块的研究与
开发[J].现代制造工程,2004（11:
37-39.
（编辑 李秀敏
・
63・
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