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参数化设计的历史和现状

2012-01-11 19:54:00   来源:   
 

机械产品的设计、绘图涉及各种类型的图,有零件图、装配图、剖面图、局部剖视图以及轴测图等。工程人员利用这些图表达他们所设计的零件、部件的几何形状和尺寸,同时还提供其它许多信息,如为制造该零件所需的标准说明、材料表、特种加工符号、标准件号等。所有这些图纸包括两类基本信息:几何坐标数据和有关说明信息。几何坐标表达了所设计零件的几何形状,为第一类数据;有关说明信息提供所设计零件的尺寸标注、各种符号和图注,为第二类数据。目前在工程产品设计中广泛应用CAD绘图系统来处理这些信息,CAD绘图系统实质卜是一种数字化系统,它将图形的几何形状信息和有关说明信息数字化,利用计算机系统的数据存储、传输、管理和对数据的强大加工处理能力来减轻设计人员繁重的劳动,使之从繁琐的手工操作中解脱出来。

我们知道,在新产品的方案设计中不可避免地要多次反复修改,进行零件形状和尺寸的综合协调、优化,对于定型的产品设计,需要形成系列,以便针对用户的要求提供不同吨位、功率、规格的产品型号,因此图形的易修改性非常重要。传统的CAD绘图系统本质上仅模仿了现在的人工作图方法,只能表达设计人员的最终思想,它用固定的尺寸值定义几何元素,输入的每一个实体都有确定的位置,要想修改图面内容,只有删除原有实体后重画。从设计角度看,它仅是作图工具的改进,而未能从根本上改变现有的设计方法。对于设计工作来说,它还存在严重的不足:它所描述产品模型的不同视图是孤立的,彼此没有关系,即在一个视图上作修改,其它视图不能作相应变化。因此,参数化的设计思想作为突破这种缺陷的方案之一被提了出来。灵活的参数化设计可使修改零件模型十分容易。因为参数化系统中的零件模型不仅仅储存了最终几何体,还储存了“设计意图”,也就是修改几何体时控制其变化的规则,这些规则常被称作“约束”。

参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型,可以用一组参数来约定尺寸关系,参数的求解较简单。参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应,设计结果的修改受到尺寸的驱动。生产中常用系列化标准件就属于这一类型。与参数化设计相关的概念有变量化设计(VariationDesign),两者又有区别,前者设计对象的形状一般不变,尺寸可以变化,而后者是指设计对象的修改需要更大的自由度,设计对象的尺寸和形状都可能发生变化,通过求解一组约束方程组来确定产品的尺寸和形状。变量化设计的约束驱动可以是几何关系,也可以是工程计算条件,约束结果的修改受到约束方程驱动。

参数化设计的早期历史

参数化设计是在变量化设计思想产生以后出现的,要了解参数化设计的历史必须追溯变量化设计的由来。变量化设计一词是美国麻省理工学院Gossard教授提出的,他采用非线性约束方程组的联立求解,设定初值后用牛顿迭代法精化,这种方法的最大优点在于通用性强,约束方程的内容不限,除了几何约束以外还可以引入力学、运动学、动力学等关系,但其存在一个不可逾越的障碍:非线性方程组的行秩有可能不等于列秩,从而导致方程组无解(需要说明的是:在将来这个障碍可能随着数学方法的改进而消失)。这种方法过早地把几何约束映射为代数方程组,使问题求解的规模和速度难以得到有效控制。英国剑桥大学Johnson1990年起着手研究机械结构的功能建模时同样联立求解一组线性方程组,从多个可行解中寻求最优解。所不同的是,他尝试了遗传算法和模拟退火算法,认为后者的效果更好。

Gossard的倡导在当时CAD界并未引起重视,直到1987年底PARAMETRIC-TECHNOLOGY公司推出了以参数化、变最化、特征设计为基础的新一代实体造型软件PRO/ENGINEER后,CAD界才真正认识到变量化设计的真正威力,纷纷仿效。变量设计成了新的CAD标准。同年,从麻省理工学院毕业的几位博士创办了Premise公司,认真实现Gossard的理论思想,形成了微机和Windows环境下的商品软件,称作DesignView1989年秋进入市场,随后CV公司吸收了DesignView,成为CV的系列产品。80年代初,针对CAD/CAM集成的需要,人们开始了对特征和特征造型的研究。由于各种特征是从具体应用中抽象、总结出来的,有先天的家族性,所以参数化设计是特征应用的一个重要前提。80年代中后期,PARAMETRICTECHNOLOGYSDRC等公司都开发出了以特征为对象的特征造型系统(PRO/ENGINEERI-DEAS)。这些系统都能在一定范围内实现对特征的参数设计。

SDRC公司在1991年,其I-DEAS第六版的DRAFT模块中提出了一项新的交互作用技术:“动态导航技术”,该技术利用从工程制图标准抽象出来的规则预测下一步操作的可能,大大方便了操作。动态导航技术和参数化技术目前己成为大多数CAD系统的主要功能和目标。在现有的三维CAD系统中,他们大致是这样实现的:利用动态导航技术或其它草图技术迅速生成用以构造三维特征的二维轮廓(PROFILE),这个轮廓准确的位置和尺寸都不必在草图输入时给出,而可以在以后的参数设计过程中得到。再利用系统的拉深或回转等其它手段来生成三维特征。有了这个基础,再加上一棵记录造型过程的CSG树,就可完成对最后模型的“参数”设计。但值得强调的是,这里的参数并不是最后模型的设计参数,而是完成造型过程的造型参数。

正是由于三维参数化特征造型系统的设计参数和造型参数有很大的不同,虽然很多系统都声称是全双向可逆(FULLYBIDIRECTION)的,但实际上它们通过投影直接生成的二维图距离最终的工程图纸要求还差得很远。特别是尺寸标注,它可以通过投影控制特征参数在二维图形上的投影,但却无法对最终工程图的尺寸进行真正的参数设计。在三维CAD系统中,动态导航仅被用来生成二维轮廓。这里论述的参数设计也主要是针对这个二维轮廓进行的。由于这个二维轮廓只是用来生成三维特征,它远比我们在二维CAD系统中要处理的工程图简单得多。

实践证明,无论是动态导航还是参数设计要用来处理工程图都要复杂得多。这是因为下面几个主要原因:

  1. 用以生成三维特征的二维轮廓一般只是一个简单的单连通域而工程图则要复杂得多。
  2. 用以生成三维特征的几维轮廓一定在一个平而内,所以不存在多视图问题,而绝大多数工程图必须处理多视图问题。
  3. 由于第二条原因,所有标注在用以生成三维特征的二维轮廓的尺寸只与组成该轮廓的儿何元素有关。而绝大多数工程图由于必须处理多视图情况,标注在其上的尺寸就必须能对其它视图的相关儿何元素进行约束控制。
  4. 工程图中有许多特殊画法和习惯画法需特殊处理(如剖面线、截断线等)
  5. 工程图上还有许多几何元素的形状和位置是由其它元素的形状和位置根据一定的规则来确定(如相贯线)

显然,要实现对二维工祝图的参数化设计/绘图工作从一定意义上讲比在三维环境下更为困难。近年来,许多CAD工作者围绕如何将概念设计和参数设计引进传统的二维CAD系统进行了大量的研究。

参数化设计的技术要求

CAD软件的市场竞争推动了参数化技术的学术研究。Roller认为,一个理想的参数化方法至少应能满足以下重点要求:

  • 能够检查出约束条件不一致,即是否有过约束和欠约束情况出现。
  • 算法可靠,即当给定一组约束和物体的拓扑描述后能够解出存在的一个解,而当用户需要时可以给出所有可行解。
  • 交互操作,即求解速度要快,使得用户的每一步设计操作都能得到及时的适当响应。
  • 在构造物体的过程中允许修改约束,而且修改的效果应与先期的约束设定次序无关。
  • 应能容许广泛的约束类型并几容易为某些特殊应用加入新的约束类型。
  • 应能通用于二维和三维。
  • 应能处理常规CAD数据库中的图样,必要时允许人工干预.

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