基于三维模型的广义参数化设计技术研究图文精Word格式.docx

1、 文献标识码 :AGenera li zed Param etr i c D esi gn M ethod Ba sed on 3D M odel ZHA I Geng 2yun, Z HAO Bo 2, N ING Ru 2xin 2, Z HANG Xu（1. I nstitute No . 713, China Shi p I ndustry Cor porati on, Zhengzhou 450052; 2. School of Mechanical and Ve 2hicular Engineering, Beijing I nstitute of Technol ogy, Bei

2、jing 100081, China Abstract:/Key words: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 Sutherl

3、and 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 （D i m ensi on 2D riven , 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

4、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 Pr o /E 中参数化实现的各种方法的基础 上 , 提出

5、了一种基于三维模型的广义参数化设计方法 。1 Pr o /E 中参数化设计方法分析111 Pr o /E中参数化设计方法介绍在 Pr o /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 、 （ily 2 ble 和程序 （Pr ogra m 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 Pr o /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

6、要是利用 Pr o / 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 （Fa m ily Table 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 （Pr

7、 o /Pr ogra m 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 Pr o /Pr ogra m 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 Pr o /E 系统中 , 关于参数化快速 设计的研究有 :程序 325、 Pr o /T oolkit 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

8、 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 Pr o /Pr ogra m , 以后表示 Pr o /Pr ogra m 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 Pr o /T oolkit 程 序来三维建模 , 但利用 Pr o /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

9、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 （Pr o /Pr ogra m 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

10、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 （Pr o /Progra m 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 （Pr o /Progra m 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 。

11、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 （Pr o /Progra m 是由两部分组 成的 :利用 Pr o /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 （Pr o /Pr ogra m 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 1

12、 3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 Pr o /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

13、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 Pr o /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

14、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

15、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

16、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23213 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 。

17、 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

18、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 M icr os oft V isual C +610, 在 Pr o /EngineerW ildfire 基础上利用其二次开发工具 Pr o 2 Toolkit 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 ORACLE 9i 。 系统在 Pr o /Enginee

19、r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 Pr o /Engi 2 neer 中三种参数化设计技术的基础上 , （下转第 36页 3 3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

20、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 TR I Z 理论与计算机辅

21、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 T R I Z 技术矛盾解 决矩阵和 TechOp ti m izer 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 T R I Z 理论和 TechOp ti m izer 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 . T R I Z 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

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23、技术 。1Sutherland I E . Sketchpad . . a man 2machine graphical commu 2nicati on syste m A.I n:Pr oceedings of the Sp ring Joint Com 2puter Conference, Detr oit . 1963:329-345.2R S Latha m. A E M iddleditch . Connectivity analysis:A t ool f orp r ocessing geometric constraintJ .Computer A ided Design .

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