曲面參數(shù)化設(shè)計(jì)

1、參數(shù)化設(shè)計(jì)——曲面設(shè)計(jì) 姓名：胡豹 專 業(yè)：機(jī)械工程 學(xué) 號：21525167,目錄,1.前言,CAD技術(shù)目前在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強(qiáng)市場競爭力起了巨大的作用。傳統(tǒng)CAD方法的有以下不足： （1）不能支持設(shè)計(jì)過程的完整階段 （2）無法支持快速的設(shè)計(jì)修改和有效地利用以前 的設(shè)計(jì)結(jié)果 （3）無法很好地支持設(shè)計(jì)的一致

2、性維護(hù)工作 （4）不符合工程設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣 （5）無法支持并行設(shè)計(jì)過程參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)就在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用使設(shè)計(jì)師可以根據(jù)自己的意圖很方便地勾出設(shè)計(jì)草圖，系統(tǒng)同時(shí)自動建立設(shè)計(jì)對象內(nèi)部各種元素之間的約束關(guān)系，以便設(shè)計(jì)者更新草圖尺寸時(shí)，系統(tǒng)通過推理機(jī)能自動更新校正草圖的幾何形狀并獲得幾何特征點(diǎn)的正確位置分布。,2.概念,參數(shù)化：將設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果用靈活可變的參數(shù)來表示，以便在

3、人機(jī)交互的過程中根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)加以更改。參數(shù)化設(shè)計(jì)(parametric design)是一種設(shè)計(jì)方法，采用尺寸驅(qū)動的方式改變幾何約束構(gòu)成的幾何模型。 通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸或修改已定義好的零件參數(shù)，自動完成對圖形中相關(guān)部分的改動，從而實(shí)現(xiàn)對圖形的驅(qū)動。,幾何約束：尺寸約束。指圖中標(biāo)注的尺寸，如距離，角度等。參數(shù)約束。指尺寸參數(shù)之間的關(guān)系，用表達(dá)式表示。 結(jié)構(gòu)約束。指構(gòu)成圖形各幾何元素間的相對位置和連接方式

4、，屬性值在參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中保持不變。在工程圖中，此類約束往往是隱含的，并不明確給出，如平行、垂直、相切、對稱等。,2.概念,① 參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅記錄了必要的幾何信息，而且還保留了圖形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種設(shè)計(jì)知識、設(shè)計(jì)約束等信息。② 對結(jié)構(gòu)相同而尺寸不同的產(chǎn)品， 就可用同一參數(shù)化模型描述其幾何形狀。③ 便于用戶修改和設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)人員在更新或修改圖形時(shí)，無需再為保持約束條件而操心，可以真正按照自己的意愿動態(tài)地、創(chuàng)造性地進(jìn)行新產(chǎn)

5、品設(shè)計(jì)。④ 用戶在設(shè)計(jì)輪廓時(shí)無需準(zhǔn)確地定位和定形，只需勾畫出大致輪廓，然后通過修改標(biāo)注的尺寸值來達(dá)到最終的形狀，或者只需將零件的關(guān)鍵部分定義為某個(gè)參數(shù)，通過對參數(shù)的修改實(shí) 現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。,參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn):,3.參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn),4.參數(shù)化設(shè)計(jì)的一些技術(shù),尺寸驅(qū)動,變量驅(qū)動,原理設(shè)計(jì),相互制約,合理性檢查,動態(tài)導(dǎo)航,結(jié)構(gòu)規(guī)劃,,參數(shù)化設(shè)計(jì),尺寸驅(qū)動就是指當(dāng)設(shè)計(jì)人員改變了輪廓尺寸數(shù)值的大小時(shí)，輪廓將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，如下圖。,4

6、.1 尺寸驅(qū)動,,,尺寸驅(qū)動的意義： 如果設(shè)計(jì)人員明確了設(shè)計(jì)尺寸，計(jì)算機(jī)就把這個(gè)尺寸所體現(xiàn)的大小和位置信息直觀地反饋給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員可以迅速地發(fā)現(xiàn)不合理的尺寸。 另一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員可以在屏幕上大致勾勒設(shè)計(jì)要素的位置和大小，計(jì)算機(jī)自動將位置和大小尺寸化，供設(shè)計(jì)人員參考，設(shè)計(jì)人員可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候修改這些尺寸。 由此可以看出，尺寸驅(qū)動可以大大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。,4.1 尺

7、寸驅(qū)動,變量驅(qū)動也叫做變量化建模技術(shù)。變量驅(qū)動將所有的設(shè)計(jì)要素如尺寸、約束條件、工程計(jì)算條件甚至名稱都視為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)允許用戶定義這些變量之間的關(guān)系式以及程序邏輯，從而使設(shè)計(jì)的自動化程度大大提高。變量驅(qū)動進(jìn)一步擴(kuò)展了尺寸驅(qū)動這一技術(shù)，給設(shè)計(jì)對象的修改增加了更大的自由度。,4.2 變量驅(qū)動,例如在部件的一個(gè)圓周上均勻分布著若干緊固螺釘，變量化設(shè)計(jì)允許把螺釘?shù)臄?shù)目當(dāng)作設(shè)計(jì)變量，當(dāng)改變螺釘?shù)臄?shù)目時(shí)，螺釘之間的夾角將通過一個(gè)預(yù)先輸入的

8、簡單表達(dá)式計(jì)算得到，計(jì)算機(jī)會正確處理這種設(shè)計(jì)上的變化，如下圖所示。,4.2 變量驅(qū)動,所有的零件在裝配中都不是孤立存在的，在參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，一個(gè)零件的尺寸可以用其他零件上的尺寸和位置參數(shù)來確定，這樣做可以保證這些零件裝配后自動具有相吻合的尺寸，從而減少人為的疏忽。 如圖所示，齒輪的軸孔直徑和鍵槽寬度可以根據(jù)軸上的相應(yīng)尺寸參數(shù)來確定。,4.3 相互制約,在傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)過程中，尺寸不足、多余和相互矛盾是很難避免的，然而在參

9、數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)能夠幫助設(shè)計(jì)人員正確地標(biāo)注尺寸，過多和過少的尺寸都能被計(jì)算機(jī)發(fā)覺，計(jì)算機(jī)會在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候向設(shè)計(jì)人員提出忠告，如下圖所示。,4.4 合理性檢查,動態(tài)導(dǎo)航提供了一種指導(dǎo)性的參數(shù)化作圖手段，與設(shè)計(jì)人員達(dá)成某種默契，從而提高設(shè)計(jì)效率。根據(jù)當(dāng)前光標(biāo)位置，動態(tài)導(dǎo)航能猜測用戶意圖，然后用直觀的圖標(biāo)將所猜測的約束顯示在相關(guān)圖形的附近，如下圖所示。,4.5 動態(tài)導(dǎo)航,在進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)前，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，對產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行

10、大概的勾勒。主要是確定產(chǎn)品的重要參數(shù)，而不涉及具體細(xì)節(jié)，屬于概念設(shè)計(jì)的范疇，稱為結(jié)構(gòu)規(guī)劃。在以后的設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的裝配和零件設(shè)計(jì)可以引用結(jié)構(gòu)規(guī)劃中定義的參數(shù)，這樣可以從總體上保證設(shè)計(jì)的一致性。右圖為一種車載衛(wèi)星跟蹤天線產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)規(guī)劃。,4.6 結(jié)構(gòu)規(guī)劃,5.應(yīng)用,參數(shù)化設(shè)計(jì)極大地改善了圖形的修改手段，提高了設(shè)計(jì)的柔性。在概念設(shè)計(jì)、動態(tài)設(shè)計(jì)、實(shí)體造型、裝配、公差分析與綜合、機(jī)構(gòu)仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，體現(xiàn)出很高的應(yīng)

11、用價(jià)值。,在CAD軟件開發(fā)中，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究已成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。 目前常用的參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD軟件中，主流的應(yīng)用軟件有Pro/E、UG、CATIA和Solidworks四大軟件，四大軟件各有特點(diǎn)并在不同的領(lǐng)域分別占據(jù)一定的市場份額。 Pro/E是參數(shù)化設(shè)計(jì)的鼻祖，參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)最先就是由Pro/E實(shí)現(xiàn)，而Pro/E也因?yàn)閰?shù)化的特點(diǎn)在橫空出世后迅速搶占了傳統(tǒng)CAD軟件巨頭UG和CATIA的部分

12、市場份額，目前主要應(yīng)用于消費(fèi)電子、小家電和日用品、發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)等行業(yè)；UG和CATIA兩個(gè)傳統(tǒng)的軟件巨頭也不甘落后，緊隨Pro/Engineer之后加入了參數(shù)化設(shè)計(jì)的功能，目前在傳統(tǒng)的制造行業(yè)比如汽車、航空航天等行業(yè)上兩個(gè)軟件占據(jù)絕對的市場份額。,在模具設(shè)計(jì)中，有許多零部件的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，只是外形和尺寸略有差別。通過對這些零部件進(jìn)行規(guī)格、系列化的整理和分類，分別輸入到參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員只要在屏幕上輸入相應(yīng)的參數(shù)，計(jì)算機(jī)就可以自

13、動進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)生成零件圖和裝配圖。 人工設(shè)計(jì)需要幾天的時(shí)間，現(xiàn)在只要幾分種，所以模具行業(yè)采用參數(shù)化技術(shù)后能夠大大提高工作效率和設(shè)計(jì)的正確性。一般企業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品只要充分利用參數(shù)化系統(tǒng)，都可以實(shí)現(xiàn)快速的多品種設(shè)計(jì)。,5.應(yīng)用,6.研究難點(diǎn),參數(shù)化設(shè)計(jì)存在難點(diǎn)有：（1）參數(shù)化能處理的圖形比較簡單，難以處理如剖面線、粗糙度等復(fù)雜的工藝標(biāo)注與約束。對三視圖聯(lián)動缺乏有效的處理方法。多解問題與拓?fù)渥儺悰]有很好地解決。（2）對

14、二維圖形的參數(shù)化研究仍停留在低層次簡單線素如點(diǎn)、線、圓、圓弧上，因此，參數(shù)化技術(shù)面向高層次圖素如由子圖形集構(gòu)成的關(guān)聯(lián)圖形發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢。（3）把傳統(tǒng)針對點(diǎn)、線、圓、圓弧的二維圖形參數(shù)化技術(shù)推廣到由曲線、曲面構(gòu)成的二維或三維幾何圖形上去，這既是參數(shù)化發(fā)展的一個(gè)必然結(jié)果，也是一個(gè)令人感興趣的嶄新課題。,7.研究方向,參數(shù)化設(shè)計(jì)作為機(jī)械CAD 的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 它貫穿于從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的全部過程, 今后這方面的研究可在以下幾個(gè)方面

15、展開:,（1） 欠約束問題的有效處理 欠約束在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，如草圖設(shè)計(jì)階段非常多見， 有人曾試圖通過對隱式約束優(yōu)先級的劃分， 將優(yōu)先級高的隱式約束強(qiáng)制成顯式約束，來表達(dá)圖變參后的設(shè)計(jì)意圖，但盡管這樣還是存在多解的可能， 因此，如何有效解決欠約束圖的參數(shù)化還有待于進(jìn)一步探索。,（2） 參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起 產(chǎn)品的功能是和其特定的結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起的，不同行業(yè)的產(chǎn)品又有其特定的設(shè)計(jì)要求， 而現(xiàn)有

16、參數(shù)化方法都是針對通用領(lǐng)域的。 因此，如何將參數(shù)化設(shè)計(jì)與每個(gè)特定的領(lǐng)域聯(lián)系起來就有重要意義， 一方面要開發(fā)一些面向不同行業(yè)的參數(shù)化圖形庫, 另一方面要將不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)知識與參數(shù)化過程聯(lián)系起來.,（3）研究協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下基于約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型􀀁 現(xiàn)有參數(shù)化方法中，約束模型的建立與求解都是基于單用戶環(huán)境，是一種集中式的約束管理，它僅支持“人-機(jī)” 交互，遠(yuǎn)未

17、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者之間的交互。 盡管Pro/ E 采用全關(guān)聯(lián)、單一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了零件、部件和產(chǎn)品的雙向關(guān)聯(lián)，但不同的設(shè)計(jì)者之間卻是相互獨(dú)立的，不能完成多用戶之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。 在復(fù)雜產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)中，還有一系列問題， 有待于進(jìn)一步研究： 各種設(shè)計(jì)任務(wù)在不同的設(shè)計(jì)者之間如何分配； 零件、部件、裝配體中存在的局部約束和整體約

18、束如何進(jìn)行協(xié)同求解； 各種設(shè)計(jì)進(jìn)程如何管理； 約束信息在網(wǎng)- 絡(luò)系統(tǒng)中如何存放等。,7.研究方向,8.參考文獻(xiàn),[1] 紀(jì)豐偉．陳懇，張保根二維參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀 J：．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2000，(7)[2] 普建詩．王華昌，王耕耘，等．幾何約束系統(tǒng)求解策略研究與宴踐[J] 博機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1999，(5)[3] 吳害，劃華明．任秉銀．基于約束分離的參數(shù)

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