计算机辅助参数化设计方法

西南交通大学

本科毕业设计（论文）

轴系零部件CAD系统开发

CAD SYSTEM DEVELOPMENT FOR THE

SHAFT PARTS

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2014年6月

计算机辅助参数化设计方法

在计算机辅助设计系统的参数化模型生成中提出了一种先进的方法。该方法在设计输入中利用了几何约束自动存储和拓扑参数技术的支持，将设计的顺序记录、设计者意图中的重要信息和全面的描述综合起来，从而实现设计。这是一种根据实际尺寸和结构参数用于执行评估模型的形状变种处理方式，它是基于存储的通用模型。

关键词：CAD 参数化建模变型设计几何约束

当代的参数化设计系统处理尺寸为设计参数。在本文中，他们被称为尺寸驱动的CAD系统。根据一个或多个维度的尺寸变化对几何模型进行高层次的调整为CAD系统关键的所在。在设计模型相同仅有尺寸不同的零件时只需改变不同尺寸即可得到相关模型，这种功能明显提高了设计效率。同时，通常需要的更新设计到设计制造的周期通常可以容易和快速地完成。此外，在概念设计阶段，尺寸在开始时并不总是已知的。在CAD中已有许多不同的技术已经发展到可以解决这个问题了。参考文献1就涉及到了这种技术。下面是两种主要的方法加以区分：

?利用高级编程语言进行尺寸参数化编程设计（例如利用宏语言）

?主模型图形交互设计，随后在主模型的基础上自动生成变种模型

第一种方法较明显需要系统用户具备特定的编程知识。因此，它只适用于特定的情况下，比如说有正当的额外培训费用。

图形交互式参数化设计方法在另一个方面有一些缺点：隐式约束的处理，如相切，直角，平行线等，没有得到圆满解决的。一个正确的集合在一个后处理隐式约束的手动分配是容易出错的。如果应用了隐式约束的自动识别方法，那么为了防止产生意外的约束，耗时的手动检查是必要的。在下一节中，介绍了一种利用设计命令的方法，克服了这个问题。

在CAD系统的设计方法的最新进展的参数设计中创造了一个进一步的主题。未来的CAD系统将在设计过程中支持高级形态特征如孔模式、铰链，复杂的通孔等与相对简单的几何图元，如点，线，面和小体结合。这些类型的系统通常被称为“基于特征的CAD系统。显然，这对于形状特征的三维变量生成又是至

关重要的。然而，在这种情况下，不仅是尺寸的改变，而且对结构的设计都用产生影响，如在一个孔图案中孔的数目。

以前大多数的尺寸驱动的CAD系统只能处理相对于主模型的拓扑结构尺寸值不发生变化的情况。拓扑结构在这一背景下代表了几何元素的邻接关系。参考文献14介绍了一种允许拓扑结构变化的不同维度模型的生成方法。参考文献11中，罗勒展示了可以用来显示错误的约束条件的尺寸是怎样导致拓扑结构的变化。然而，这两种方法都还不支持拓扑参数控制的设计。图1说明了维度变化是如何涉及到目前系统的拓扑结构。

一般来说，一个重要的目标就是使CAD系统中的设计决策智能化。在下一节中，介绍的方法将会使另外的尺寸参数和结构参数设计交互式生成。这一结果使CAD系统的交互设计的有效性大幅增加，可以从一个主模型中生成更多的设计。

本文提出的方法在休利特帕卡德的机械工程CAD系统的变化系列10设计模块的基础上（ME10）发展。在本文中，所有的数据已经在ME10中体现。

图1 尺寸变化的拓扑的后果。（a）不变的拓扑结构，但实际配置不当，（b）拓扑结构的变化–尺寸不当使孔H在F外，（C）隐式约束和尺寸值指定的拓扑矛盾

图2 尺寸和结构参数的设计原理示意图

具有尺寸和结构参数设计的交互式方法

正如上面所讨论的，在许多的设计中功能要求不仅需要确定几何尺寸，而且还需确定结构设计。在这些情况下，可以利用结构及尺寸参数来描述设计。以下是在这种情况下的一些例子：

?板（夹具）中通孔的数量和位置取决于板的大小

?弹簧的绕组匝数取决于据负荷要求，

?齿轮箱中的圆套孔螺纹取决于装配紧固结构

交互式CAD系统中尺寸驱动只尴尬地支持二维参数等设计任务而使用，且只能用在一些特殊的情况下。它要求主模型覆盖最复杂的结构配置。对于变种的产生，不需要的结构元素的尺寸必须设置为零。很明显，在最复杂的情况下明确的设计是相当费时的。然而，事实上一个更大的问题是最主要的结构通常在开始时是不知道。

本节所述方法支持设计尺寸以及结构在图形交互方式的变异。图2显示了所

提出的设计原理示意图。

此方法使用的两种主要设计命令：

?初步设计的命令

?复制设计命令

初步设计的命令

初步设计的命令支持几何元素的最初设计。这些指令与指令的设计在参考文献11中介绍比较。他们可以分为两类：一是隐式的空间约束（例如水平、垂直、平行等）的命令，而另一个则是通过使用一个命令不包含任何隐含尺寸约束（如两点之间连线）的指令。

后者允许用户创建一个子类设计，包括无特定的隐式约束的零件。在这种情况下，创建的几何要素需要明确的约束尺寸。

初步设计的命令可以在三种不同的操作模式执行：

?固定

?变量

?灵活

在固定模式，命令将生成一个固定尺寸的几何元素。变量模式将创建的元素的尺寸设置为变量。连续指数变量可以在执行可变模式设计的主要命令时自动生成。具体的价值维度变量分配将决定一个特定的变体设计。通常，用户对一个几何元素的长度没有明确的设定，但它必须适应现有的两个点之间，如到其他线或点结束。在这些情况下，灵活的模式将被使用。在灵活模式中创建一条线则可以在其约束点之间像橡胶线一样进行延伸。用户在生产设计方案阶段选择适当的创建命令模式随之而来的就是减少在生产设计方案阶段的复杂性。

复制指令的设计

复制指令的设计可以用于几何元素设计或在设计中事件较多的元素组。以下是复制指令的设计实例：

?旋转：这个命令产生的一组选定的几何元素的多个副本，并将它们放置在一个特定的角度和距离，是以中心点的圆形结构。

?平移复制：这个命令产生的一组选定的与指定的距离沿水平方向的几何元素的多个副本。

?垂直复制：与水平复制类似，该命令在垂直方向产生的多个副本。

?缩放复制：执行选择指定地点产生多尺寸几何元素的副本。

复制指令的设计是用类似方式的设计命令在固定模式或变量模式下执行。在固定模式中，重复次数，以及创建元素位置的命令，都是为了设定当前的设计。在可变模式中，变量的生成和合并伴随着复制的次数以及位置参数。当然，混合模式也可以支持，但没有预期的优势。图3显示的复制命令的语法图旋转设计为例。固定或变量模式的选择也可以做到每条复制命令分别设计执行。执行类似的操作的复制设计命令在固定模式已经存在于传统的CAD系统命令。然而，他们在创建数据时不支持隐式约束，而且不能改变已经使用过的参数。因此，他们无法使用在互动结构和三维参数化的设计中。由于刚性设计中现有的命令与参数化系统的相似性，该方法很容易学习和使用，特别是对那些已经熟悉与等效的传统的CAD系统的用户。

图3用于复制设计命令的语法图

为了不断的反馈设计师提供生成的约束和变量，约束图标和标签已被开发。图4显示了这种约束图标和标签的例子。他们都是自动放置在所创建的几何元素处。为清晰起见，位置和尺寸约束图标和标签可以编辑。他们在屏幕上显示也可以打开和关闭。具有适当的用户界面包括菜单的例子这种类型的变量设计可以在参考文献11中可以发现进一步信息。

图4 部分约束图标和基于约束的反馈标签设计

创建方案生成器

创建方案生成器的任务是捕获用户输入的设计过程以及设计数据。汇集成表格，称为施工图，这是通过：

?所有的点的坐标，几何元素的特征变量的生成，如圆弧端点、圆点和中心点。这将在用户设计中输入一个新的几何元素命令时执行的。

?在固定、变量或灵活的模式中转换所有的设计命令为表达序列，包括：?坐标变量的定义通过正则表达式表示，也可以包括与其他已定义的点的坐标变量

?几何命令，只有坐标变量和/或类似参数的重复因素。

请注意，这是固定的模式输入命令也被转换成这样的表示。原因是：固定方式规定几何元素的固定尺寸，但没有固定的位置。

?将所有的指令结果转换后储存在创建方案表里。

图5显示了一个简单的创建方案作为建设规划发电机的使用和功能的一个例子。该示例标记包含两条约束线L1和L2，和两条构造线CL_1和CL_2。

在交互式图形环境，用户通常不在指定的点输入坐标值。用户使用的指向设备，如鼠标或手写笔，要么选择一个设计中存在的店，或指定的屏幕上的一个新的点的位置。在我们的例子中设计的点是由P1，P2和P3象征性的表示。用户在设计过程中设计的命令和设计参数的实例如下：

LINE_HORIZONTAL (start_point P1, length D1)

LINE_POINT_LENGTH_ANGLE (startpoint P1,

length D2, angle_to_horizontal A1)

C_LINEHORIZONTAL (level P~)

CLINE_VERTICAL (level P2)

这些输入指令创建方案转换成表达时序图：

X1 = start_point x coordinate

Y1 = start_point_y_coordinate

X 2 = X 1 Jr- D1

Y2 = Y1

LINE_BETWEEN_TWO_POINTS ((Xl, Y1), (X2, Y2))

X~ = X1 + (D2*cos(A1))

YJ = Y1 + (D2*sin(A1))

LINE_BETWEEN_TWO_POINTS ((Xl, Y1), (X~, Y~))

C_LINE_POINT_ANGLE (X~, Y~), 0)

C_LINE_POINT_ANGLE ((X 2, Y2), 90)

图5 使用几何约束包括构造线的创建范例

变量处理器

对于主体设计，根据特定的尺寸值和出发点，获取创建方案的信息，可以生成变量模型。变量处理器是完善的工具。它的功能是执行以下步骤：?在一个窗口中显示原始的设计，包括约束图标和尺寸变量，。

?要求用户输入的变体的位置（起点）。

?指定起始点坐标变量x 1和Y1。

?提示用户按照388计算机辅助设计需求更改尺寸值为和更新所需尺寸变量的赋值。

?把尺寸变量的赋值和创建方案，作为一个输入流传输到传统的CAD系统。

很明显，使用施工图CAD系统需要支持赋值到变量的表达式。此外，几何命令必须接受变量作为参数。同样，如果施工图进行预处理，没有这些功能的CAD系统也可以使用。在这种情况下，表达式需要在预处理器中评估，结果作为参数值被存储在设计指令中。

因为创建方案里包含了完整的操作顺序，所以使用所描述产生变量的方法是非常快的。事实上，一个变量模型在用户会输入设计时的产生是非常快的。

模型设计

利用所提出的方法在轮的实例设计过程中的步骤，如图9所示。首先，是在可变模式中采用中心孔和车轮的外轮廓的同心圆的初步设计命令（见图6）。相应的可变尺寸R ~ D ~。R 1表示的中心孔的半径，D1指定外圆轮廓距中心孔是一个距离D ~。在接下来的步骤中，是设计轮偏心间隙。完整的设计将包括任意数量的偏心间隙，放置在与一个给定的偏移中心位置。然而，只有第一个间隙明确的设计，然后复制旋转设计命令在一个位置参数定义的位置创建一个重复的变量。

为第一个间隙创建几何元素的准备，创建的圆圈为距离D2半径为R1的同心圆。创建的几何元素是未绑定的线，创建的初步设计使用的是特定的命令。见图6中的虚线表示。然后，输入角度A1和A1+ A_DEL指令使两个构造线相对于水平对称。现在，创建的圆圈支持可变圆角半径R2和R3（见图7）。这些创建出的圆圈与先前创建的几何元素相切。放置创建元素的命令后，基于构造线的绘出偏心间隙轮廓的透支命令将被使用（见图8）。这条线将会伴随着透支命令的使用确定在构造线的交点。这意味着透支命令可以被看作是在灵活模式的命令的一个推广。它产生的元素，如直线和圆弧柔性长度，使得它们在两点之间适应。

在接下来的步骤中，执行复制命令旋转。更详细地说，这个命令是伴随着以下输入执行（参见图3）：

?复制?

?变量

?旋转（重复因素）

?中心（固定点，角度）

?选择（元素）

图6 第一步：创建同心圆图

图7 用建筑几何设计间隙

图8 透支结构几何

大写字母的表达式表示按键命令，而附加括号中的属性是额外的输入，需要特殊的操作。对于重复因子变量的值已被选定在原设计3中显示。该设计已经完成，结果如图9所示。已创建在上面介绍的交互式会话的设计参数?尺寸参数：R1，R2，R 3，D1，D2，A1，A_DEL

?结构参数：N1，RA 1

图9 间隙的复制

图10显示了对于给定的一组参数设计的两个变型体。很明显，设计过程描述的是简洁易懂的。下面会解释用先前的方法是怎么样实现和完成的：

图10 样品模型变形体

在高级语言程序实现这个例子中，一个有经验的用户通常需要大约4小时。交互式的参数化CAD系统仅支持尺寸参数，不能实现上述这个例子的所有过程，因为通用设计中的偏心孔的最大数量在后来实践中是不知道的。然而，举个例子来说，孔的最大数目是36，这36个偏心孔在设计中必须明确不同的尺寸变量。然后，设计偏心间隙尺寸参数的任意数量设置为零，这样，它们可以与不同的数量差距产生变量。在这种情况下，设计时限制间隙变量的灵活性，时间大约是3小时。用这种设计方法，完成整个设计只需约10分钟。可以看出，该方法可以

将参数化设计系统的效率提高一个量级，从而在设计阶段节省大量的成本。

结论

介绍了在CAD系统的参数化模型的交互式生成的方法。此方法支持的尺寸以及结构参数设计，例如，涵盖了广泛的参数化设计问题。特别是在概念设计阶段，在设计的结构是不固定的，这无疑是一种新的重大贡献。一种自动捕获的尺寸约束和结构参数的技术也被描述了。这导致使用参数化设计系统的效率显著提高。

第一个实施这一概念的系统是基于休利特帕卡德机械工程系列CAD系统。此实现表明，变体的生成可以几乎立即执行。用户熟悉此参数化设计方法的时间明显短于常规参数系统。

参考文献

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14 Gossard, D, Zuffante, R and Sakurai, H 'Representing dimensions, tolerances and features in MCAE systems' IEEE Comput. Graph. Applic. (1988) pp51-59