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CAD中的参数化设计

2020/4/30    来源:百度文库    作者:姚美琴      
关键字:参数化设计  CAD  结构约束  尺寸约束  
文章讨论了参数化二维图形的组成及其关联关系,研究了图形结构约束模型和尺寸约束模型的建立方法和驱动求解等关键技术,为CAD中系列化产品设计提供了一种有效手段。
1 引言
 
       AutoCAD因其本身的许多优点,得到了工程技术人员的广泛使用。但它处理的只是图形几何信息,真正具有工程实际意义的图形拓扑信息和参数约束信息均被舍弃了。因此,它保存的图形信息是不完整的,对计算机辅助设计来说是不够用的。在二次开发过程中引入新一代产品建模技术——参数化设计技术,可弥补这一缺憾。
 
       参数化设计作为新一代CAD系统一个最突出的特点,是当前CAD领域的一个研究热点。该技术是一种基于约束的产品建模方法,它用约束来描述产品的形状特征,通过改变约束来获取不同的设计方案,成为初始设计、多方案比较和动态设计的有效手段。
 
       在煤矿开采设计中,有些内容如井巷断面设计,其几何元素的相对位置(即图形结构)是不变的,对这些内容的设计可以使用参数化技术。在参数化设计方式下,用户的工作只是向程序提供必要的参数,或对某些参数提出修改意见,剩下的工作便由计算机去完成了。采用参数化设计既减少了用户的工作量,又提高了设计质量和速度,这对经常从事同一系列产品设计的用户和方案比选具有重要意义。
 
2 参数化二维图形的组成及其关联关系
 
       2.1 参数化二维图形的组成
 
       用同样的基本几何元素可通过不同的结构约束和尺寸约束形成基于不同约束的二维图形。例如,用线段既可以构成图1a所示的硐室设计方案,也可以构成图1b所示的图表,还可以构成于这二者截然不同的其它图形。因此,在参数化设计中,组成二维图形的要素不仅仅是基本几何元素,还应该包括图形结构约束和尺寸约束。
 
       1)基本几何元素。包含点、线段、圆、圆弧、多段线、多边形、文字等图形要素,其中每一个基本几何元素都包含一个或一个以上的特征点,如圆以圆心点为其特征点,而线段以起点和终点作为其特征点,这些特征点是定义二维图形拓扑结构的重要基础。
 
       2)图形结构约束。包括非关系约束和关系约束,是构成二维图形基本几何元素之间关系的集合。其中非关系约束包括自身铅直、自身水平等特定约束;而关系约束则包括平行约束、垂直约束、共线约束、相切约束、同心约束和对称约束等。关系约束在实际操作时有主体与从体之分,从体随主体的变化而变化,但出图时这种主从关系就没有意义了。如图1a中尺寸6、9所表示的线段与尺寸1所表示的线段之间是垂直关系约束,其中1是主体,当它的角度发生变化时,6、9将随之而变化。正是这些约束描述了各图形元素之间在结构上的关系,在修改图形时,它们将限制各图元按已有的结构进行变化。结构约束决定图形结构,它表达图形元素之间的连接关系以及相互位置关系。

尺寸链及其构成

图1 尺寸链及其构成
 
       3)尺寸约束。分为关系尺寸约束和非关系尺寸约束,用于描述几何元素的大小及几何元素之间相对位置大小。关系尺寸约束包括两平行线之间的距离(如图1a中的尺寸2、5、7)、两直线间的夹角、定位尺寸等;非关系尺寸约束有直线长度(如图1a中的1、2、6等)、园的直径、园弧半径等。
 
       正是相同的基本几何元素基于不同的结构约束和尺寸约束,带来了丰富多彩的设计方案和系列化的设计成果。
 
       2.2 图形要素在参数化设计中的关联关系
 
       在参数化设计中,基本几何元素、图形结构约束和尺寸约束必须满足两种关联关系:
 
       1)基本几何元素间的拓扑关系(如图1a中6与1垂直、9与1垂直、2与1平行等),在参数化设中是不变的,即图形元素间始终保持拓扑关系的关联,图形元素与图形元素间的平行、垂直、对称、同心和相切等约束关系在参数化前后保持一致。需要注意的是,某些基本几何元素及其组合成的具有工程实际意义的图形,可能在某些设计中出现,而在另一些设计中则不出现,这要由工程设计的实际需要来确定。例如,有些巷道中需要设置水沟,有些则不需要;某些运输巷道中需设置皮带,而轨道巷道中断然不应该出现皮带。这些图形元素不出现时,它们应该不影响其它图形元素间的拓扑结构;而当它们在图形中出现时,它们应该遵循与其它图形即定的拓扑关系。事实上,某些图形元素不出现的情况可以作为出现的一个特例来考虑,即这时有关的图形元素尺寸退化为零。
 
       2)图形元素与图形尺寸之间相关联,即在参数化设计中图形元素与图形尺寸、图形元素之间与图形尺寸之间的约束关系保持不变,而且图形尺寸在驱动后应能随之自动更新。
 
       为了保持这两个关联,必须通过提取和处理图形的几何信息和尺寸信息,来建立图形元素之间的拓扑约束关系以及图形元素与图形尺寸之间的尺寸约束关系。
 
3 结构约束模型的建立与驱动
 
       要确定图形的结构约束模型,要从连接关系和相互位置关系两方面着手。几何元素间的连接关系可采用多叉树来记录,而相互位置关系可采用单向链表结构来建立。约束完成以后,约束信息建立在约束关系表中,从而保证图形驱动过程中拓扑关系的一致性。
 
       结构约束的驱动是在保证原图拓扑关系不变的前提下,更改原图形几何元素之间的相对位置关系,其驱动过程分两步进行:首先是图形移动或旋转,这是位置或方向的变化;其次是图形数据更新,这要通过几何元素之间的求交运算进行。
 
4 尺寸约束模型的建立与驱动
 
       4.1 尺寸约束模型的建立
 
       尺寸约束模型由各个方向的尺寸链组成,包括水平、铅垂、径向、角度等尺寸链。
 
       在建立尺寸约束模型之前,首先要确定图形的参照点,这个参照点是图形的基准定位点,所有尺寸链都以该点为起点开始建立,其位置将会影响到整个尺寸约束模型的精练性。参照点位置要根据全图的几何特性进行确定,在本文图1中用□表示。
 
       参照点确定之后,按以下步骤建立各尺寸链:
 
       1)确定尺寸约束域。分析在尺寸方向上的基本几何元素,其集合构成该方向上的尺寸约束域。
 
       2)建立尺寸矩阵及其链表。图1b的稀疏矩阵反映了图1a在水平方向的尺寸链。由于该尺寸链矩阵是一稀疏矩阵,因此采用稀疏矩阵的双向十字链表存储结构,稀疏矩阵中每一项都是二维的,每一项中左下表示某一尺寸左端连接的另一尺寸之端,右上表示某一尺寸右端连接的另一尺寸之端,L表示左端,R表示右端。
 
       3)确定某一尺寸的相对基点。这是某一驱动尺寸的相对不变点,其位置通过对该尺寸进行双向尺寸链检测来确定,在尺寸驱动中这一步是十分关键的。如果从驱动尺寸某一端通过尺寸链的遍历能找到绝对基点,则这一端为某一尺寸的相对基点。
 
       4)进行过约束与欠约束检测。这种检测是参数化设计技术中不可忽视的重要问题。如若对图形的约束不恰当,就有可能引起参数化结果的歧义。对于约束的检测可按以下方式进行:遍历尺寸链稀疏矩阵的双向十字链表,如沿尺寸某一端遍历形成封闭环(或又返回尺寸那一端),则这一闭环的尺寸链为过约束;如分别沿尺寸两端遍历都不能找到图形的绝对基点,则说明此处欠约束。分析图1c所示的尺寸链树,可知图1a的水平尺寸不存在过约束与欠约束问题。
 
       4.2 尺寸约束驱动
 
       约束驱动是参数化设计的最终目的,其中尺寸驱动占有极其重要的地位。尺寸约束驱动首先建立约束尺寸集,确定尺寸约束域及尺寸驱动量,然后遍历尺寸稀疏矩阵的双向十字链表和约束关系表,通过特征点逐个驱动各几何元素,从而实现整个或局部图形的驱动。
 
5 结论
 
       在参数化设计中,组成二维图形的要素包括基本几何元素、图形结构约束和尺寸约束。图形元素间始终要保持拓扑关系的关联,图形元素与图形尺寸间也始终保持相关联。结构约束模型采用多叉树和单向链表结构来建立,其驱动包括图形移动或旋转以及图形数据更新。
 
       尺寸约束模型的建立首先要确定图形的参照点,并以其为基准定位点,建立各尺寸链。尺寸链的建立采用稀疏矩阵的双向十字链表存储结构,并要进行过约束与欠约束检测。尺寸驱动要通过特征点逐个驱动各几何元素。
 
       参数化设计技术能够保存图形拓扑信息和参数约束信息,用约束来描述产品的形状特征,通过改变约束来获取不同设计方案,是初始设计、多方案比较和动态设计的有效手段。
责任编辑:程玥
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