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CAD中参数化设计子系统的研究和实现

2020/4/22    来源:百度文库    作者:金昊炫  应济      
关键字:参数化设计  CAD  驱动机制  
该文研究了参数化设计的理论原理,建立了参数化设计子系统的系统模型,并在此基础上明确了实现该系统的关键技术:参数化模型和驱动机制,最后提供了实现这些技术的方法。
1 前言
 
       当今CAD技术正在向集成化、网络化、智能化、参数化发展。参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题,它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能,还具有自动绘图的功能。基于参数化设计开发的专用产品设计系统,可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来,提高设计效益和质量,缩短产品开发周期,实现设计的自动化。
 
       参数化CAD系统的设计自动化是建立在特定的参数化设计子系统上的,参数化设计子系统的优劣决定了参数化CAD系统能不能有效地发挥作用。
 
2 参数化设计的理论原理
 
       参数化技术是用一组参数来约定设计对象的信息模型,通过参数之间的关系与参数和设计对象的信息模型的关系,部分参数的修改可以直接导致设计结果的自动修改。
 
       参数作为设计对象信息的描述,其内涵是非常广泛的,对于一个机械产品的零部件而言,参数可以是:
 
       (1)基本形状特征,尺寸、公差、粗糙度等。
 
       (2)装配信息。装配基准、装配尺寸、装配精度等。
 
       (3)制造信息。材料信息、加工工序、加工时间、实用机床与工卡量具等。
 
       对于一个设计对象,参数十分复杂,而且数量很大。而独立变化的参数一般只有几个,称之为主参数或者主约束,其它可以由图形结构特征确定或者与主参数有确定关系的参数称为次约束。
 
       参数化设计的核心是一种驱动机制即参数驱动,参数驱动机制是基于对图形数据的操作。通过参数驱动机制,可以对图形的几何数据进行参数化修改,但是在修改的同时,还要满足图形的约束条件,需要约束间关联性的驱动手段来约束联动,约束联动是约束间关系实现的驱动方法。约束联动分为图形特征联动和相关参数联动两种方式。
 
       所谓图形特征联动就是通过在图形的拓扑关系条件来决定次约束,反应到参数驱动过程就是根据各种几何相关性准则去判识与被动点有上述拓扑关系的实体及其几何数据,在保证原关系不变的前提下,求出新的几何数据,这些几何数据称作从动点。这样从动点就与驱动参数有了联系,依靠这种联系,从动点得到了驱动点的驱动。
 
       所谓相关参数联动就是建立次约束和主约束在数值上和逻辑上的关系。在参数驱动过程中,始终保持这种关系不变。
 
3 参数化设计子系统的系统模型
 
       参数化设计子系统是设计者设计思想的一个模拟机,系统的目标是根据少数几个界面参数的输入来控制整个设计对象的设计信息的输出。为了实现这个目标,系统应包括以下几个相互依赖的功能模块。
 
       (1)输入接口模块
 
       参数化设计系统中,对输入的数据有一定的要求,有的输入数据必须先进行前处理,以满足下一个环节的要求。
 
       (2)系统输出模块
 
       参数化设计系统是CAD系统的一个子系统,它的输出信息必须可以被CAD系统中其它子系统共享,比如绘图和显示子系统。不同的CAD系统采用不同的造型系统,信息的数据格式有可能不同。对参数化设计系统的输出必须进行处理,以符合CAD系统的要求。
 
       (3)参数化模型模块
 
       特征实体是设计过程中操作的基本对象。设计对象的几何信息、拓扑信息以及其它各类信息都可以通过特征约束来描述。当这些特征信息都确定以后,设计也就完成了。但是一般设计对象的特征信息是散乱的,而且在计算机上实现时都是抽象的数据结构。因此有必要在这些底层的特征信息中抽象出一个更加易于控制,并且能满足所需各类控制的接口模型,我们把它称为参数化模型,参数化模型中的各类参数称为底层参数或者约束。参数化模型是实现参数化设计的基础,它决定了参数化设计子系统能对那些项目进行参数化。
 
       (4)参数驱动机制模块
 
       当把参数化模型确定下来以后也就实现了设计要求。但是为了实现界面关键参数(主参数)对参数化模型的控制,必须建立界面参数和参数化模型中的底层参数之间逻辑上或者数值上的关系,称为参数驱动机制。参数驱动机制模块是参数化设计子系统的支柱,决定了参数化设计子系统的灵活性。
 
       整个系统的结构,如图1所示。

参数化设计子系统的系统结构

图1 参数化设计子系统的系统结构
 
4 系统关键技术的实现
 
       从上面的分析可得出实现这个参数化设计子系统的核心技术:(1)构造设计对象的参数化模型,即必须确定能够完整的描述设计对象的所有约束以及这些约束与底层数据的关系。(2)建立主约束和次约束之间的关系,即确定参数驱动机制。
 
       4.1 参数化模型的构造
 
       从简化问题的角度出发,只考虑设计对象的形体信息。在逻辑上可以用图形层、描述层和应用层的三层体系结构来构建所需的信息模型。
 
       4.1.1 图形层的边界表示
 
       设计信息在计算机上都是通过数据来表达的,考虑到和CAD系统中的其它子系统的数据共享问题,在图形层可采用边界表示法(Brep)来实现。Brep用特定的数据结构来表示基本的面、环、边、点等几何元素的几何信息和拓扑信息,然后详细记录构成形体的所有几何元素的几何信息及拓扑信息。
 
       4.1.2 描述层的扩展CSG结构
 
       Brep表示的形体的数据是抽象和凌乱的,不适于用户的直接操作,为了数据管理和应用上的方便,在图形层上需搭建一个描述层作为描述设计对象的平台。规则实体的大小、形状、位置和方向都可以通过实体的形体特征约束来描述,当所有的这些约束都确定下来以后,实体也就被唯一地确定下来了,而复杂的实体可由简单、规则的实体来组合。对于这种组合可以采用扩展CSG结构来实现。扩展CSG的结构,如图2所示。

描述层的扩展CSG的结构

图2 描述层的扩展CSG的结构
 
       4.1.3 应用层的参数化模型
 
       参数化模型是一个应用层次的接口模型,向上要提供可驱动的参数,向下要对底层的数据结构进行有效的驱动。用面向对象的方法,在描述层的基础上,选择合适的参数封装形成参数化模型。
 
       数据信息模型从底层的图形层到应用层的参数化模型抽象的整个过程,如图3所示。

参数化模型的抽象

图3 参数化模型的抽象
 
       4.2 界面参数的确定
 
       实现参数驱动机制必须首先确定合适的主参数,并将它作为界面参数。在确定界面参数时面临着两个问题,即需要几个主参数和选择哪几个参数作为主参数。一般可以由以下两条规则来解决:
 
       (1)确定界面参数数目时,必须保证参数化模型的所有底层参数都可以直接或间接地和界面参数发生联系。
 
       (2)由于设计活动采用的是自上而下(top-down)的顺序,设计的第一步都是从产品的功能要求分析开始的,因为产品的参数化模型中的大部分参数可能都和产品的功能要求具有某种直接或间接的关系。因此,一般来说设计的目标要求以及决定设计的一些关键参数可以作为界面参数。
 
       4.3 参数驱动机制的实现
 
       为了在计算机上实现驱动机制,必须将主约束和次约束直接或者间接的关系以程序可调用或计算机可以检索查询的形式来表示。
 
       4.3.1 关系的来源
 
       考虑设计过程,可以发现次约束与主约束之间的关系主要来源于以下的一些资料:
 
       (1)国家标准和工程设计准则
 
       在设计过程中,可以从各种国家标准和工程设计规范等资料中查取有关设计数据。工程设计中的这些资料通常表现为公式和图表。通过关键参数可以由这些资料得到很多设计数据。
 
       (2)企业标准和经验
 
       除了国家的标准和设计准则外,企业通过自己大量的实践和积累已形成了许多自己的标准和经验。这类数据也大都以图表或者公式的形式来表示。
 
       (3)分析计算结果
 
       有许多参数都是可以先完成产品的几何造型,然后再对模型进行各种分析计算,比如有限元分析和优化计算,然后再优化其中的部分参数。这些分析计算的结果通常都是离散的数据。
 
       4.3.2 资料的处理
 
       通常对设计资料进行处理的方法有以下两种:
 
       (1)数据离散化。将图表中的数据经离散化后存入数组或者数据库,然后用固化的插值方法检索所需的数据。
 
       (2)数据程序化。将图表中的数据通过拉格朗日拟合法、最小二乘法等方法拟合成曲线,然后将描述曲线的公式固化成程序。
 
       4.3.3 关系的实现
 
       根据不同的关系的来源,在计算机上用不同的方法来实现这个关系:
 
       (1)对于公式以及图表中本来就有精确的理论计算公式或者经验公式的,可以直接编制函数,进行调用。
 
       (2)对于图表中的数据彼此之间不存在一定的函数关系或者是由实验获得的离散数据,可以编制一定的插值函数进行插值获得。
 
       (3)对于必须进行分析计算的数据,可以直接调用分析程序或者计算程序,获得分析计算的结果,然后把结果直接赋给参数化模型中的各个参数。
 
5 总结
 
       本文研究了参数化的理论原理,建立了参数化子系统的系统模型,在这个基础上明确了实现参数化设计子系统的关键技术问题:参数化模型的构造和参数化驱动机制的建立;并提供了实现这些关键技术的方法,这些方法可以指导CAD系统的二次参数化开发。
责任编辑:程玥
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