第4章-参数化设计课件

第四章参数化设计主要内容：参数化的基本思想，包括轮廓、草绘、尺寸驱动、变量驱动、合理性检查等；SolidWorks软件的基本知识；4.1参数化设计的基本概念自从有了计算机以来，机械设计师就梦想着实现机械设计的自动化。

到了20世纪60～70年代，计算机开始协助机械设计师完成复杂的计算，或者绘制规则的工程图纸。但是通过计算机将产品的设计要求和工程师的设计思想直接变成可用的工程图纸或者数控加工指令在当时是不可能办到的。机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计自动化必须走参数化的路子。自从以Pro／Engineer、SolidWorks、UG、CATIA等为代表的基于特征造型的参数化设计系统问世以来，在此基础上实现机械设计的自动化已经变得切实可行。参数化设计技术是计算机辅助设计技术的一次巨大的飞跃，目前先进的CAD软件大部分实现了参数化。4.1参数化设计的基本概念参数化：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(parametricdesign)是一种设计方法，采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型。4.1参数化设计几何约束是指：结构约束(也称拓扑约束)。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。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。4.1参数化设计

参数化技术出现的时间还不太长，目前正处于不断发展和完善的时期，新的思想和方法还在实践中不断出现。本章主要介绍参数化设计系统中所涉及到的一些技术和思想，如轮廓、草绘、尺寸驱动、变量驱动、设计合理性检查、动态导航等。此外还简单介绍两种概念化设计，即结构规划和机构原理设计。4.1.1用轮廓体现设计思想在一般的非参数化的计算机辅助绘图系统中，所有的线条，如直线、圆弧等各不相干。计算机中的任何线条仅仅代表其本身的大小、位置、颜色和线型。系统除了帮助设计人员绘制外观漂亮的图形线条以外，丝毫不关心图形(图纸)所表达的真正意义。

从这一点上讲，计算机辅助绘图系统远不如工厂描图员在设计工作中所起的作用，因为具备一定制图知识的描图员在描图的同时至少可以帮助设计师改正违反机械制图规则的错误，而一般的计算机辅助绘图系统却做不到这一点。4.1.1用轮廓体现设计思想

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(section)或扫描路径(trajectory)。轮廓上的线段(直线或曲线)不能断外、错位或者交叉。整个轮廓可以是封闭的，但也可以不封闭，如图4.1所示。正确轮廓不能交叉不能断开不正确轮廓图4.1正确和错误的轮廓4.1.1用轮廓体现设计思想

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被拆散和移走。这些原始线条与通常的二维绘图系统中的线条本质上是一样的，如图4.2所示。

4.1.2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地控制轮廓是参数化的一个技术关键。所谓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，如图4.3所示。

4.1.2尺寸驱动实现尺寸驱动的意义：尺寸驱动把设计图形的直观性和设计尺寸的精确性有机地统一起来。如果设汁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。4.1.3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。变量化建模技术为CAD软件带来了空前的适应性和易用性。4.1.3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，当改变螺钉的数月时．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，如图4.4所示。

4.1.4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。如图4.6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。4.1.5合理性检查

在传统的人工设计过程中，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，如图4.7所示。4.1.6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，如图4.8所示。4.1.7结构规划在进行产品的设计前，根据产品的设计要求，对产品的整个设计首先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，这样可以从总体上保证设计的一致性。图4.9为一种车载卫星跟踪天线产品的结构规划。4.1.8机构原理设计机构设计在机械产品开发中经常会遇到，以前设计师使用作图法或者解析法来设计或分析机构，这种工作方式相当费时费力。参数化设汁系统问世以后，机构的设计变得相当容易。一般的连杆机构，在原理上不外是保持一定关系的线段，可以将复杂的连杆机构用具有一定长度和相互位置关系的线段确定。改变代表机构输入的参数，机构的其他部分将随之运动。图4.10是利用草绘功能进行的机构设计。参数化设计的应用和意义

在模具设计中，有许多零部件的基本结构是一样的，只是外形和尺寸略有差别。通过对这些零部件进行规格、系列化的整理和分类，分别输入到参数化设计系统中，设计人员只要在屏幕上输入相应的参数，计算机就可以自动进行设计，同时生成零件图和装配图。人工设计需要几天的时间，现在只要几分种，所以模具行业采用参数化技术后能够大大提高工作效率和设计的正确性。一般企业的主导产品只要充分利用参数化系统，都可以实现快速的多品种设计。4.2轮廓的草绘4.2.1轮廓的分类和作用轮廓一般分为开口和闭口两类，闭口轮廓是由首尾相接的一系列的线段组成的曲线环，而开口轮廓的首尾不相接，如图4.11所示。通常情况下无论是开口还是闭口，轮廓线都不允许在中间相交。图4.11开口轮廓和闭口轮廓4.2.1轮廓的分类和作用根据轮廓在实体造型中的作用，轮廓主要分为以下两种：1.截面形状闭口轮廓可用来定义实体的截面或剖面的形状；开口轮廓通常不仅与相邻的实体轮廓线共同形成截面，而且也能定义均匀壁厚零件截面的中线，或者用来定义空间的曲面。2.路径路径主要用来描述扫描实体中截面上一点所扫过的轨迹，路径也有开口和闭口两种，开口路径也可以用来定义剖切路径。

截面允许有两个以上的闭合轮廓，这时又进一步分为两种情况：（1）各个闭合轮廓相互独立，不存在嵌套，进行直线扫描时这些曲线扫描成高度相同的实体，如图4.12所示。4.2.1轮廓的分类和作用

(2)存在一个闭口轮廓包围其他所有闭口轮廓，且其他曲线之间不存在嵌套。生成实体时，外围闭口轮廓生成实体外部形状，内部闭口轮廓生成孔，如图4.13所示。一般情况下，闭口轮廓的嵌套最多—重。4.2.1轮廓的分类和作用4.2.2轮廓的草绘轮廓的草绘是指参数化设计中定义轮廓的绘图方法，草绘是参数化设计系统的一个重要模块。所有的参数化设计系统都提供草绘功能。一般情况下草绘是在一个预先设定的平面上进行的，这个平面叫做草绘面。草绘面可以是实体上的一个平面，也可以是非实体的几何平面。草绘在特殊情况下也可以在三维空间进行。4.2.2轮廓的草绘

轮廓的草绘过程有两种风格：(1)首先绘制轮廓线图，然后添加约束和尺寸，最后利用计算机检验，各步骤之间允许反复，这是最早出现的草绘方法。现在即使是具备自动添加约束和尺寸功能的软件，也保留了这种最早出现的草绘方法。(2)计算机在绘图过程中自动添加约束和尺寸，作为默认的参数。用户过后随时可以修改和删除这些尺寸，这是较先进的动态导航的方法。4.2.2轮廓的草绘草绘方法是在二维绘图方法的基础上发展起来的，所以草绘方法与二维作图方法有很多相似之处。但是由于草绘的目的是建立参数化设计所需要的轮廓或者路径，而二维绘图多半是完成传统的工程制图，所以二者之间还是存在差异的。具体来讲，其差异有以下4个方面：草绘所提供的图形编辑方法比二维绘图方法少，如不提供阵列；草给不提供二维绘图中的很多细节标注方法，如形位公差、标题栏；草绘一般不提供二维绘图中的辅助手段，如层、块；二维绘图方法不能添加尺寸名称、约束、关系式等参数化内容。4.2.3草绘轮廓线图；4.2.4编辑轮廓图形；参照课本P76－86页4.3尺寸、约束和关系式

尺寸、约束和关系式是设计参数的三种主要类型。尺寸用来注明轮廓中元素的长度、距离、半径、直径、角度等。约束则限定各个元素之间的特殊关系，如平行、垂直、水平、竖直、相切、共线、同心、固定等。关系式则是表明参数之间的数学关系。

约束可以看作是尺寸在特殊的情况下转化而来的。例如，如果两个圆的圆心距离逐渐变为零，这时就可以认为是重合约束。有些约束也可以看作是不同元素尺寸之间的关系式，如直线与圆相切可以认为是直线到圆心的距离等于该圆的半径。一般情况下，能够用约束表达时，尽量不要使用尺寸和关系式。约束对设计来讲具有更明确的意义，取消和增加一个约束将意味着设计思想的变更。约束的变更往往引起轮廓的质变，尺寸则引起轮廓的量变。4.3尺寸、约束和关系式

在轮廓没有建立起来之前，所绘制的各个图形元素是相对独立的，它们之间没有制约关系。用户可以随意地移动任何图形元素。根据轮廓的定义，给所有的图形元素加上端点重合约束，图形链将变成轮廓。尽管移动轮廓上的图形元素时将牵连其他的图形元素，但是这些图形元素在图面上的相对位置仍然是不确定的。也可以说，这些图形元素具有一定的自由度。在轮廓上每添加一条直线，将增加两个自由度（末端的横、纵坐标)。在轮廓上每添加一条圆弧，将增加3个自由度(圆弧的半径和末端的横、纵坐标)。所以包含n条直线的轮廓，具有2n＋2个自由度；包含n条圆弧的轮廓，具有3n＋2个自由度。4.3.1尺寸

在轮廓上每增加一个有效尺寸，将减少轮廓的一个自由度，足够多的尺寸将完全确定整个轮廓。所以尺寸的作用就是限定组成轮廓的各个图形元素的位置和形状。一个确定的轮廓需要若干尺寸，多一个尺寸将引起矛盾，少一个尺寸则轮廓无法确定，所以要在轮廓上标注正好所需要数目的尺寸。要确定一个轮廓一般有多种尺寸标注方案。如图4.34所示，即使是一个简单的梯形，也存在3种以上的尺寸标注方案。4.3.1尺寸4.3.1尺寸标注尺寸时要注意工程上的习惯，一定要有尺寸基准的思想。在参数化设计系统中，每个尺寸都有一个唯一的识别号。可以设定尺寸的精度，工程上一般要求尺寸保留到小数点后两位，但在CAD系统中用户可以设定多达14位的小数精度。4.3.1尺寸常用的尺寸标注类型有：(1)沿水平方向的线性尺寸；(2)沿竖直方向的线性尺寸；(3)沿倾斜方向的线性尺寸；(4)直径；(5)半径；(6)角度；(7)坐标；(8)参考尺寸。4.3.2约束所谓的约束是指构成图形的各个元素之间的特殊关系。如平行、垂直、水平、竖直、相切、共线、同心等。约束保证了图形元素尺寸改变后图形能大致保持原来的形状，以及保证了尺寸链的完整件。约束是重要的参数类型之一。常见的约束类型如下：(1)水平线；(2)竖直线；(3)平行线；(4)垂直线；(5)等半径和等直径；(6)90°和180°圆弧；(7)相切；(8)对称；(9)共线；(10)等长度线；(11)中心在同一水平线上；(12)中心在同一竖直线上；(13)点在其他元素上；(14)固定，图形在x或Y方向上不能移动；(15)图形元素的关键点重合。4.3.2.1约束的类型4.3.2.2约束的添加方法约束的添加常见有以下方法：动态导航；自动识别；手工添加。4.3.2.3增加约束

通过尺寸数值的标定和修改可以给轮廓增加约束。4.3.2.4解除约束

图4.43显示了一个垂直约束被角度尺寸所解除的过程。4.3.3关系式所谓关系式是指由用户建立的数学表达式，用来反映尺寸或参数之间的数学关系，这种数学关系本质上反映了专业知识和设计意图。关系式像尺寸和约束一样，可以驱动设计模型，关系式发生变化以后，模型也将跟着发生变化(主要是质变)。关系式是尺寸和约束的重要补充，利用约束只能建立两个长度相等的边，而使用关系式则可以使得两个边保持特定的函数关系。4.3.3