参数化设计——课程展示

1、 参数化设计参数化设计 目录目录前言前言1概念概念2参考文献参考文献8研究方向研究方向7参数化设计特点参数化设计特点3参数化设计技术参数化设计技术4应用领域应用领域5研究难点研究难点61.前言前言 CAD技术目前在机械、电子、航空、建筑等领域都获得了成功的应用。这对于提高产品性能和质量、缩短产品开发周期、降低成本和增强市场竞争力起了巨大的作用。传统CAD方法的有以下不足： （1）不能支持设计过程的完整阶段 （2）无法支持快速的设计修改和有效地利用以前 的设计结果 （3）无法很好地支持设计的一致性维护工作 （4）不符合工程设计人员的习惯 （5）无法支持并行设计过程参数化设计技术就在这样的背景下应

2、运而生。参数化设计技术就在这样的背景下应运而生。参数化技术的应用使设计师可以根据自己的意图很方便地勾出设计草图，系统同时自动建立设计对象内部各种元素之间的约束关系，以便设计者更新草图尺寸时，系统通过推理机能自动更新校正草图的几何形状并获得几何特征点的正确位置分布。 2.概念概念 参数化：将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便在人机交互的过程中根据实际情况随时加以更改。 参数化设计(parametric design)是一种设计方法，采用尺寸驱动的方式改变几何约束几何约束构成的几何模型。 通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形

3、中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。几何约束：几何约束： 尺寸约束。指图中标注的尺寸，如距离，角度等。 参数约束。指尺寸参数之间的关系，用表达式表示。 结构约束。指构成图形各几何元素间的相对位置和连接方式，属性值在参数化设计过程中保持不变。在工程图中，此类约束往往是隐含的，并不明确给出，如平行、垂直、相切、对称等。 2.概念概念 参数化设计不仅记录了必要的几何信息，而且还保留了图形的拓扑结构以及各种设计知识、设计约束等信息。 对结构相同而尺寸不同的产品， 就可用同一参数化模型描述其几何形状。 便于用户修改和设计。 设计人员在更新或修改图形时，无需再为保持约束条件而操心，可以真正按照自己的意

4、愿动态地、创造性地进行新产品设计。 用户在设计轮廓时无需准确地定位和定形，只需勾画出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或者只需将零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实 现对产品的设计和优化。参数化设计优点参数化设计优点:3.参数化设计特点参数化设计特点4.参数化设计的一些技术参数化设计的一些技术尺寸驱动尺寸驱动变量驱动变量驱动原理设计原理设计相互制约相互制约合理性检查合理性检查动态导航动态导航结构规划结构规划参数化设计参数化设计尺寸驱动就是指当设计人员改变了轮廓尺寸数值的大小时，轮廓将随之发生相应的变化，如下图。4.1 尺寸驱动尺寸驱动尺寸驱动的意义：尺寸驱动的意义

5、： 如果设计人员明确了设计尺寸，计算机就把这个尺寸所体现的大小和位置信息直观地反馈给设计人员，设计人员可以迅速地发现不合理的尺寸。 另一方面，在结构设计中设计人员可以在屏幕上大致勾勒设计要素的位置和大小，计算机自动将位置和大小尺寸化，供设计人员参考，设计人员可以在适当的时候修改这些尺寸。 由此可以看出，尺寸驱动可以大大提高设计的效率和质量大大提高设计的效率和质量。4.1 尺寸驱动尺寸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

6、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。4.2 变量驱动变量驱动 例如在部件的一个圆周上均匀分布着若干紧固螺钉，变量化设计允许把螺钉的数目当作设计变量，当改变螺钉的数目时，螺钉之间的夹角将通过一个预先输入的简单表达式计算得到，计算机会正确处理这种设计上的变化，如下图所示。4.2 变量驱动变量驱动 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。 如图所示，齿轮的轴孔直径和键槽宽度可以根据轴上的相应尺寸参数来确定。4.3 相互制约相互制约 在传统的人工

7、设计过程中，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，计算机会在恰当的时候向设计人员提出忠告，如下图所示。4.4 合理性检查合理性检查 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，如下图所示。4.5 动态导航动态导航 在进行产品的设计前，根据产品的设计要求，对产品的整个设计首先需要进行大概的勾勒。主要是确定产品的重要参数，而不涉及具体细节，属于概念设计的范畴，称为结构规划

8、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，这样可以从总体上保证设计的一致性。右图为一种车载卫星跟踪天线产品的结构规划。4.6 结构规划结构规划5.应用应用 参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性。在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价值。 在CAD软件开发中，参数化设计方法的研究已成为研究和开发的热点。 目前常用的参数化设计CAD软件中，主流的应用软件有Pro/E、UG、CATIA和Solidworks四大软件，四大软件各有特点并在不同的领域分别占据一定的市场份额。

9、 Pro/E是参数化设计的鼻祖，参数化设计的实现最先就是由Pro/E实现，而Pro/E也因为参数化的特点在横空出世后迅速抢占了传统CAD软件巨头UG和CATIA的部分市场份额，目前主要应用于消费电子、小家电和日用品、发动机设计等行业；UG和CATIA两个传统的软件巨头也不甘落后，紧随Pro/Engineer之后加入了参数化设计的功能，目前在传统的制造行业比如汽车、航空航天等行业上两个软件占据绝对的市场份额。5.应用应用 在以往的空间设计中，软件仅仅是作为展现最终设计成果的绘图工具，并未真正地参与到设计过程中去。面对复杂的造型设计，可视化建模工作量过大，调整和比较方案需要耗费大量的时间，有价值的

10、数据和随机变量也无法直接参与到造型生成的过程中，已经成为限制造型设计的最主要因素。而参数化设计的应用，能够取代以往基于纯视觉的非理性设计，通过简单元素的逻辑组合，创造出复杂的几何形态，同时也为设计提供了可适应性的调整空间。 如今，世界著名建筑事务所都已经建立了自己的参数化设计研究部门，为建筑师们开拓了数字设计的新领域。参数化已经全面渗透到他们的作品中，其中不乏一些重大项目。例如：正在建造中的高达632米的上海中心大厦、国家体育场“鸟巢都是通过参数化设计手段予以实现的。6.研究难点研究难点参数化设计存在难点有：参数化设计存在难点有：（1）参数化能处理的图形比较简单，难以处理如剖面线、粗糙度等复杂

11、的工艺标注与约束。对三视图联动缺乏有效的处理方法。多解问题与拓扑变异没有很好地解决。（2）对二维图形的参数化研究仍停留在低层次简单线素如点、线、圆、圆弧上，因此，参数化技术面向高层次图素如由子图形集构成的关联图形发展是一个必然的趋势。（3）把传统针对点、线、圆、圆弧的二维图形参数化技术推广到由曲线、曲面构成的二维或三维几何图形上去，这既是参数化发展的一个必然结果，也是一个令人感兴趣的崭新课题。7.研究方向研究方向参数化设计作为机械CAD 的一项关键技术, 它贯穿于从概念设计到详细设计的全部过程, 今后这方面的研究可在以下几个方面展开:（1） 欠约束问题的有效处理欠约束问题的有效处理 欠约束在产

12、品的概念设计，如草图设计阶段非常多见， 有人曾试图通过对隐式约束优先级的划分， 将优先级高的隐式约束强制成显式约束，来表达图变参后的设计意图，但尽管这样还是存在多解的可能， 因此，如何有效解决欠约束图的参数化还有待于进一步探索。（2） 参数化设计应当与产品功能设计联系在一起参数化设计应当与产品功能设计联系在一起 产品的功能是和其特定的结构联系在一起的，不同行业的产品又有其特定的设计要求， 而现有参数化方法都是针对通用领域的。 因此，如何将参数化设计与每个特定的领域联系起来就有重要意义， 一方面要开发一些面向不同行业的参数化图形库, 另一方面要将不同领域的设计知识与参数化过程联系起来.（3）研究

13、协同设计环境下基于约束的参数化设计模型）研究协同设计环境下基于约束的参数化设计模型 现有参数化方法中，约束模型的建立与求解都是基于单用户环境，是一种集中式的约束管理，它仅支持“人-机” 交互，远未实现设计者之间的交互。 尽管Pro/ E 采用全关联、单一的数据结构，实现了零件、部件和产品的双向关联，但不同的设计者之间却是相互独立的，不能完成多用户之间的协同设计。 在复杂产品的参数化设计中，还有一系列问题， 有待于进一步研究： 各种设计任务在不同的设计者之间如何分配； 零件、部件、装配体中存在的局部约束和整体约束如何进行协同求解； 各种设计进程如何管理； 约束信息在网- 络系统中如何存放等。 7

14、.研究方向研究方向8.参考文献参考文献1 纪丰伟陈恳，张保根二维参数化技术的发展趋势及现状 J：机械设计与制造工程，2000，(7)2 普建诗王华昌，王耕耘，等几何约束系统求解策略研究与宴践J 博机辅助设计与制造，1999，(5)3 吴害，划华明任秉银基于约束分离的参数化设计技术研究机械设计，1999(12)4 余晶，余霖基于CAD模型的特征参数化定义的方法 J：计算机辅助设计与制造，1998，(10)5 孙正兴、张福炎，蔡士杰基于特征参数化设计中的尺寸约束及其表示J机械设计、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