参数化造型概念

1．1 参数化造型概念
参数化造型是在20世纪80年代末得到显著发展的一种计算机辅助设计方法。

CAD的用户通常认为所有的CAD系统都有相似的造型技术。

有这种观念的用户觉得学习不同CAD 系统的关键就是适应相似的CAD命令。

这种说法在二维CAD用户首次学习参数化造型应用软件时就不完全正确了，虽然在参数化造型系统中也可以发现在一般二维CAD软件里使用的相似命令，而且这些命令在参数化造型系统里也会像二维CAD软件那样使用。

下面是普通二维CAD软件和Pro／ENGINEER通用的部分命令的列表。

●直线
(直线)选项只在Pro／ENGINEER的草绘模块(或环境)里作为截面绘图工具。

在二维的CAD软件里，可以通过使用坐标(如绝对坐标、相对坐标和极坐标)来得到精确长度和角度的直线。

Pro／ENGINEER不需要输入物体的精确尺寸，可以在完成特征的几何图形布局后定义特征的尺寸。

●圆
和(直线)选项一样，（圆）选项也只能在Pro／ENGINEER的绘制环境里使用。

绘制草绘时精确的圆的尺寸是不重要的。

●圆弧
和[直线]及[圆]选项一样，[圆弧]选项只能用在Pro／ENGINEER的绘制环境里。

Pro ／ENGINEER的[圆弧]命令包括了[圆角]命令，用来在两个几何图元间产生圆形过渡。

●删除
[删除]命令可以用在Pro／ENGINEER的各个模块里。

在绘制环境里，[删除]命令用来删除几何图元，如直线、圆弧和圆等。

在零件模块里，[删除]命令用来删除零件的特征。

在组件模块中，[删除]命令可以用来删除零件上的特征和装配体中的零件。

●偏距
[偏距]选项可以在Pro／ENGINEER的各个模块里找到。

在绘制环境里，可以将存在的零件特征偏距生成几何图形。

另外，零件模块和组件模块里的平面也可以偏距生成新的基准面。

●裁剪
[裁剪]命令用在Pro／ENGINEER的绘制环境里。

相交的几何图元体可以在相交处修剪。

●镜像
[镜像]选项可用在Pro／ENGINEER的草绘和零件模块里。

草绘模块中创建的几何图形可以通过中心线做镜像。

同样，零件的特征也通过执行[复制]选项被镜像。

●复制
[复制]选项在Pro／ENGINEER的零件模块中，可用来复制存在的特征，特征可以线性复制、跨平面镜像和绕轴线旋转复制。

在组件模块中，零件可被复制以创建新的零件。

●阵列
圆周和矩形阵列命令在二维CAD软件里是常见的。

Pro／ENGINEER的[阵列]命令有类似的功能，特征可以使用已有的尺寸来做出阵列，选择旋转角度可以做出圆阵列。

参数化造型代表了一种不同的CAD方法，特别是与二维绘图和基于布尔运算的三维造型比较起来。

通常，有经验的CAD用户在学习参数化造型软件时都会遇到麻烦，特别是在把参数化造型的方法看作布尔实体造型方法来用时。

他们使用相似的概念，但实际上方法已经不同了。

1．1．1 基子特征的造型
参数化造型系统通常也称为基于特征的造型系统。

在参数化造型环境里，零件是由特征组成的(如图1．4所示)。

特征可以由正空间或负空间构成。

正空间特征是指真实存在的块，
比如突出的凸台，负空间特征是切减或缩进的部分，比如孔。

图1．4模型上的特征
参数化造型系统，如Pro／ENGINEER，可以把结构特征直观地表达出来。

通常，都是先画出特征的二维草绘，再通过拉伸、旋转或扫描来形成三维目标。

绘制特征的草绘时，可以通过对草绘增加尺寸和约束条件来在模型中实现设计意图。

特征可以预先定义或者绘出草绘。

预先定义特征的例子有孔、圆角和倒角。

许多参数化造型软件都集成了造型孔的高级方式。

在参数化造型软件里，预先定义的孑乙可以是简单孔、镗孔、沉头孔和钻孔。

Pro／ENGINEER的(孔)命令可以让用户有机会去画一个独特的孔截面，例如镗孔。

绘出的特征是通过绘制融入设计意图的一个截面来创建的，截面可以被挤出、旋转或者扫描来增加一个正或者负空间的特征。

与布尔造型相比，基于特征的造型是更为直观的方法。

在布尔造型里，构建一个孔通常是先构建一个实体圆柱体，然后从这个父特征里切除。

在参数化设计环境里，用户可以使用预先定义的(孔)命令或者用圆去切零件，以在零件上放置一个孔。

在绝大多数基于布尔的造型软件里，如果用户必须要改变孔的参数，例如位置或者尺寸，那么就必须堵上原先的孔，然后切第2个实体圆柱体。

而调整一个基于特征的孔，用户可以通过修改与孔相关的尺寸和参数来改变孔。

相似地，特征的草绘可以被重新定义或者修改。

]．1．2 绘制草绘
如前所述，零件是由特征构成的。

如图1．5所示，特征一般是通过先绘制特征轮廓的截面草绘来创建的。

草绘的绘制技术与二维CAD绘图方法相近。

在二维CAD里绘制设计图，用户需要用精确的CAD方法绘制实体。

参数化造型的绘制环境不需要这样，参数化设计系统的草绘部件允许用户很快地创建设计特征，而不必关心耗时的精确度问题。

例如，当用户想在二维CAD软件里画一个16平方英寸的多边形时，可能是画4条互相垂直的、都刚好是4英寸长的直线。

使用参数化设计系统，用户可以画4条粗略构成四边形的直线。

如果要做出精确的16平方英寸的目标，可以给物体标注尺寸，限制每条直线垂直于另一条，并将其长度修改为4英寸。

在参数化设计系统里，修改特征(或者草绘)的大小就如同修改尺寸值和更新造型那么简单。

图1．5 在绘制环境中创建的截面图
1．1．3 约束造型
设计意图是通过把尺寸标注和约束集成到特征里来体现的。

如果设计意图是造一个距离基准边线2英寸的孔，用户可以在造型或者绘制环境里通过标注到想要边线的尺寸来达到放置一个孔的目的。

约束是进一步增强设计意图的要素，表1．1是一些常见参数化约束条件的列表。

一旦这些要素受约束，它们将一直作用，直到用户删除它们或者尺寸标注取代它们。

表．1 常见参数化约束条件
一些参数化造型软件，如Pro／ENGINEER，在拉伸成一个特征前，要对草绘施加完全的约束，另一些软件并不需要这样。

要求完全约束草绘有好处，也有不利之处。

一个好处是完全约束的草绘把必需的设计意图都加入到模型中了，另外，完全约束的草绘不会在后面零件的造型中产生很多意想不到的情况。

很多时候，当草绘不是完全约束时，造型可能是以CAD用户意想不到的方式来重建的。

但不完全约束的草绘也有好处，复杂的草绘往往很难进行完全的约束，另外，完全约束一个草绘会限制设计方法。

通常设计人员也不希望完全地定义一个特征。

1．1。

4 尺寸关系
设计意图可以通过建立尺寸标注间的关系来集成到模型中。

可以约束一个尺寸标注等于另一个尺寸标注(例如，长度二宽度)。

另外，在尺寸间可以设置数学关系式，例如，特征的长度可以设置成其宽度的两倍(长度二宽度X2)，或者特征的宽度可以设置为其长度的一半(宽度二长度／2)。

很多代数方程式都可以用来定义尺寸间的关系，例如，可以定义一个特
征的长度等于另一个特征的宽度和高度之和的一半(长度二(宽度+高度)／2)。

1．2．5 特征参照元素
在一个零件中，特征之间在一个分层结构关系里是相关的。

零件的第一个特征是基础特征，并且是它下面所有特征的父特征。

建构基础特征以后，子特征就可以被添加上去。

子特征可以是正空间的，也可以是负空间的。

一个零件可以有详细的、复杂的关系树，关系树在Pro ／ENGINEER里是作为图形显示出来的，称为模型树(如图1．6所示)。

理解父特征和子特征之间的关系是很重要的。

对于任何特征，如果父特征被改动了，则它可能对其子特征有破坏作用。

同样，如果父特征被删除了，子特征也会被删除。

用户建构特征时要注意这一点。

图1．6 Pro／ENGINEER的模型树
1．1．6 模型树
参数化造型软件使用图示的模型(或者历史)树来列出构成零件或者装配体的所有特征的时间顺序。

然而，这种模型树不仅仅是列出特征。

下面就是Pro／ENGINEER模型树的些用途。

●删除特征
通过在工作区选择特征，可以删除或者重定义一个特征，但有时候零件太复杂了，用这种方式选择特征就有点困难。

要保证正确地删除特征，可以在模型树上选择特征。

●插入特征
通常，新的特征会按照时间顺序放在模型树的最后面，但有时候可能需要在已存在的特征前面放置新的特征。

使用插入特征的命令，Pro／ENGINEER可以在模型树已存在的特征前面或者后面插入特征。

●重定义特征
在模型树上选择特征，可以修改它的定义。

用重定义命令可以修改下面的定义：
》截面特征的截面可以修改。

》放置参照元素特征的放置平面和参照元素可以修改。

》深度特征的挤出高度可以修改。

》孔属性与孔相关的属性，如直径和方向，可以修改。

●重新排序特征
造型过程中依赖于其他特征的特征被称为子特征。

在重建顺序中，子特征必须跟在其父特征后面，通常这意味着模型树上子特征要在其父特征的后面。

但有时可能需要重新排序模型树上的特征，以将这个子特征放置在可能的父特征的后面。

●压缩特征
从模型树上删除特征是一种有用的工具，而压缩选项可以在使用重建模型命令时
将特征暂时删除。

]．1．7 集成性
Pro／ENGINEER的模块是完全集成的，它们共用一个公共数据库，通常叫做相关。

它可以让在某一模块(比如零件模块)中的修改和重定义能够作用到另外的模块(比如工程图和制造模块)中。

例如，可以在零件模块里面创建目标，然后这个模型就可以在绘图模块里面直接用来创建正交的工程图，该模型创建时使用的尺寸标注也可以在绘图模块中显示出来，如果在零件模块里的尺寸标注值被改动了，在绘图模块里同样的尺寸和特征也会改变。

另外，在绘图模块中改变的尺寸标注值也会在零件模块中反映出来。

1．1．8 基准特征
在工程设计里基准不是个新概念，基准面是一个理论上纯平的表面，它通常用在质量控制中检测零件。

几何尺寸标注和公差都用基准面来控制特征的大小、位置和方向。

许多(但不是全部)参数化造型系统使用基准表面(或者基准面)来建造特征。

在Pro／ENGINEER里，基准面通常是零件所有几何特征的父特征。

基准面可用来绘制物体表面的草绘，特别是在绘制零件的第一个特征的草绘时。

在参数化造型软件中，基准面还用来定位特征或者创建新的特征。

例如，在Pro／ENGINEER中，可以关于一个基准面做特征的镜像来创建一个新特征(如图1．7所示)。

在这种情况下，新的特征既是原特征的子特征，也是基准面的子特征。

下面是Pro／ENGINEER中可以用到的基准种类的详述。

图1．7 特征通过基准面做镜像
●基准平面
基准面是理论上纯平的表面。

在Pro／ENGINEER里是作为草绘平面和参照元素使用的，特征可以在任意平面上绘制出来。

通常，合适的零件平面是不存在的，而创建的基准面就可以担当这个任务。

许多特征的创建和建构过程都需要用到平面。

在创建或建构一个特征时，可以创建一个基准面作为参照元素。

例如径向孔选项需要把孔定位于与一个存在的平面成一定夹角的位置上，这时可以通过创建基准面宋起到这个作用。

另一个例子是绕一根轴宋做一个特征阵列，这种建构技术需要用到一个角度尺寸标注，创建基准面时可以使它与一个现存的平面成一定夹角，新的基准面可以与特征组合起来，这个特征就是要用(组)选项做阵列的。

把基准面和特征组合起来使用时，创建基准面的角度也可以在(组)一(阵列)选项中使用。

●基准轴
基准轴与正交工程图中孔和圆柱体的中心线相似。

Pro／ENGINEER提供了一个选项来创建基准轴。

选择(插入)一(基准)一(轴)选项创建基准轴时，该基准轴在模型树里作为一个特征显示出来。

Pro／ENGINEER里也可以在旋转特征、孔和挤出圆的中心创建基准轴，这些基准轴不被视为零件特征。

基准轴是个有用的造型工具，例如(孔)命令的半径选项要求用户选择一条轴线以确定该孔的位置。

另一个例子是(复制)命令下的(移动]一(旋转)选项。

一个特征可以绕轴线或者坐标系旋转。

●基准曲线
在创建高级实体和曲面特征时，基准曲线是很有用的。

基准曲线被认为是零件特征，并且可以在绘制环境里引用。

在创建曲面造型中，基准曲线可以用来做一般的或者高级的扫描轨迹或者边。

有多种创建基准曲线的方法，一种是使用一般的草绘绘制方法绘制曲线，另一种是选择两个曲面的交线。

●基准点
基准点可以用于建构一个曲面造型、放置一个孔以及加入基准目标符号和注释，这些可能在创建管特征时都需要用到。

基准点也被认为是零件特征，在Pro／ENGINEER里将第一个创建的基准点标为PNTO，以后创建的基准点依次用递增l的数值表示。

●坐标系
Pro／ENGINEER并没有像大多数中档计算机辅助设计软件那样使用笛卡尔坐标系，中档的二维绘图和基于布尔的三维造型应用软件都是基于笛卡尔坐标系的。

绝大多数参数化造型软件(包括Pro／ENGINEER)都不是基于这种坐标系的。

正因为这个原因，许多用户都不明白建立一个基；准坐标系的重要性。

坐标系在Pro／ENGINEER中有很多用途，许多分析任务，例如质量属性和有限元分析，都要用到坐标系。

坐标系也使用在造型应用中，例如，(复制-旋转)命令有一个选项用来选择围绕旋转的坐标系。

坐标系也常用在组件模块和制造模块里。

1.2 协作工程
以前的工程设计方法是线性的和分散的，现代工程哲学则采用集中小组的方法来设计产品。

如图1．8所示，小组成员可以来自很多领域，小组用CAD模型集中交流设计意图，促成了一种非线性的设计方法。

图1．8 协作工程成员
与传统的设计过程相比，协作工程有很多优势。

在产品开发中，设计个人和小组都向产品开发投入大量的精力和时间，每个设计人员和小组都有最终设计方案必须满足的需求。

例如产品维护部门需要一个产品能够方便地维护，而销售部门则希望设计出的产品很好卖。

协作工程就可以让每个对该设计有兴趣的人提出他们的想法。

现代工程和通讯技术可以让设计小组中每个成员都共享一个设计方案。

CAD三维模型通过图形显示设计，可以让没有受过蓝图基础培训的人理解，因此CAD系统成为许多产品数据管理系统的核心。

Intemet技术可以让设计在很远的距离间共享，绝大多数CAD软件都有Intemet工具，以方便设计数据的共享。

Parametric Technology Corporation(PTC)的Pro ／Web-Publish就是一个可以让CAD数据通过Intemet发布的工具。

另一个是PTC的Pro／Fly-Through应用程序，它可以显示虚拟现实造型语言(V irtual-Reality-Modeling·Language，VRML)模型，并且可以让模型通过Intemet或者Intranet(内部网)进行标注和直观显示。

1.4设计意图
与其他类型的CAD软件相比，参数化造型软件技术的独特之处在于它能把设计意图集成到模型中。

大多数计算机辅助设计软件都可以显示出一个设计，但是模型或者几何图形并没有包含超出建构中所需的实际向量数据以外的设计信息，二维软件显示图形交流设计的对象，但这个几何模型不是设计实际模型的虚拟图像。

传统的三维模型，特别是实体模型，显示了设计实际模型的原型。

与基于实体的布尔模型相关的问题是与设计意图有关的参数并没有包含进去。

在布尔操作里，当一个草绘被拉伸成为一个模型，或者当一个已存在的圆柱体切除部分以形成一个孔时，与这个零件或者特征的建构相关的数据并不可用。

在Pro／ENGmEER里，特征被建构以后，与特征相关的参数是存在的，孔就是一个例
子。

在Pro／ENGINEER里造一个直孔的典型方法是根据两条线定位一个孔。

定位完这个孔
以后，孔的直径和深度也就生成了。

用来定义孔的尺寸标注值是可以得到的，并且可以在以后进行修改。

另外，与特征相关的参数值，如孔的直径，可以用来控制与其他尺寸相关的参数。

在绝大多数布尔操作中，模型建构的最终结果是最主要的。

在孔造型中重要的不是定位这个孔的参数，而是这个孔最终在哪里构造出来。

使用切除方法以后，圆柱体定位的数据就丢失了。

使用参数化的孔建造方法，参数还可以保留到后面使用。

创建一个特征的尺寸标注方案，例如孔，捕捉设计意图是很重要的。

图1．9显示了定位一对孔的两种不同方法，这两个例子在标注尺寸和定位孔时都是有效的方法，但哪种方法更好呢?答案要依据零件和特征的设计意图来定。

是否设计要求每个孔都放置在距离一个普通基准面一定距离的地方?如果是，那么第2个例子可能是比较适合设计意图的造型方案。

但如果设计要求两个孔的间距可以准确控制，第1个例子就会更好。

图1．9 尺寸标注方案的差异
设计都是用来达到一个目的的。

设计意图是装配体、零件、特征和尺寸标注的智能组合，用以解决设计问题。

大多数设计方案是由零件的装配体组成的。

设计方案中的每一个零件都由大量特征组成，设计意图要管理每个装配体中各个零件之间的关系，以及每个零件特征之间的关系。

如图1．10所示，可以用等级顺序的方式创建设计意图，在设计意图树的最上层是设计的总体意图，在总体意图以下是部件设计意图，部件设计意图是由零件和子装配体组成的。

设计的每一部件的意图是和其他部分的设计意图协作解决设计问题的。

特征一定要适合由它们组成的零件的设计意图。

图1．10 设计意图的等级顺序
参数化造型软件提供了很多集成设计意图的工具，下面就是这些工具的列表。

●尺寸标注方案
在把设计意图加入到模型中时，尺寸的标注位置尤其重要。

在Pro／ENGINEER的草绘绘制过程中，尺寸是自动标注(当目的管理器启动的时候)的，用来完全定义一个特征。

但这些尺寸可能并不适合设计意图，图中的或者创建特征的尺寸标注一定要适合设计意图。

●特征约束
约束是一个集成设计意图的强有力的工具。

如果一个设计要求某个特征元素垂直于另一个元素，就可以用到垂直约束。

同理，设计意图也可以通过另外的约束条件，如平行、相切或等长，来加入到特征里。

●装配约束
装配约束用来建立一个设计方案不同部分之间的关系。

如果同一个装配体中一个零件的表面和另一个零件的表面接合，就应该使用配合约束。

一般的装配约束还包括对齐、嵌入和定向。

●尺寸关系
尺寸关系可以用来在零件模块中捕捉特征中和特征之间的设计意图，在组件模块中捕捉零件之间的设计意图。

在一个设计里，尺寸关系是把特征联系起来的有效方法，数学方程可以用来把尺寸联系起来。

尺寸关系的一个例子，是使两个尺寸等于一个数值。

例如在Pro／ENGINEER里面，最开始的尺寸可以驱动第2个尺寸，大多数代数和三角公式都可以用来定义关系，另外，简单的位置状态也可以加进去。

●参照元素
特征的参照元素可以在Pro／ENGINEER的零件和组件模块中创建。

例如，在零件模块中使用存在的特征边线来在绘制环境中创建新的几何图形，两个特征之间的父子关系就建立起来了。

如果参照边线修改了，子特征也相应被修改。

在组件模块中，可以在两个不同零件的特征之间建立外部参照元素。

Pro／ENGINEER可以在组件模块中创建零件和部件。

用这种办法创建部件，可以在两个零件之间建立关系。

修改父零件的参照元素，也会修改子零件的参照元素。

1．5 PrO／ENGlNEER的应用模块
Pro／ENGINEER是个集成的并且完全相关的软件。

像Pro／ENGINEER这样的集成参数化设计包与它的其他不同的操作模块共享数据。

Pro／ENGINEER是强大的适合于集成和协作环境的最基本的应用软件，在Pro／ENGINEER中创建的目标可以被其他的应用软件使用。

由于零件的参数是相关联的，所以在一个模块中对对象的修改会在另一个模块里反映出来。

例如，一个零件可以在零件模块里造型，在这种造型方法里，可以在绘图模块中创建正交工程图。

另外，这个零件可以在组件模块中和其他零件一起装配。

在零件、绘图或者组件模块中，零件的参数都可以修改，经过重建，这个修改可以在显示这个零件的其模块中反映出来。

下面是Pro／ENGINEER基本模块的介绍，这些模块包括在Pro／ENGINEER的基本软件包里。

这些基本模块以外的模块，如Pro／Designer、Pro／NC、Pro／Mechanica、Pro／Fly-Through和Pro／Layout也可以得到。

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●草绘模块
大多数参数化造型软件的基本技术是绘制草绘图元，然后调用三维造型操作，如挤出、旋转和延展。

绝大多数用草绘方法绘制的特征可以在零件和组件模块中创建。

草绘可以不用零件和组件模块，而只用草绘模块来创建。

这样做，草绘就可以保存起来，以便在以后的造型环境中使用。

●零件模块
零件模块是实体和曲面造型的主要环境。

对许多制造企业来说，零件模块是设计和制造环境的中心。

零件模块里创建的对象，可以在下游应用软件里使用，如Pro／ENGINEER的绘图和制造模块里。

此外，零件设计意图可以通过Pro／Fly·Throuh和(或)Pro／Web-Publish 在Intemet或者Intranet上共享。

●绘图模块
绘图模块是Pro／ENGINEER中构造文档工程图的主要方法。

尽管技术性的工程图一度被认为是工程制图的主要工具，但现在它只是参数化造型设计方法的下游应用。

在一个真正的无纸制造环境里，已经不再需要正交工程图了。

一个设计可以在零件和组件模块里完成，在Pro／Mechanica里进行分析，并在Pro／NC里生成制造代码。

但在这种集成制造方法之外，很多公司还是需要文档图纸的。

绘图模块可以把已有的零件或者装配体生成正交工程图，它有生成具有大量截面图和辅助视图的详细视图的能力。

尺寸标注工具，包括几何公差，都可以得到。

另外，用Pro／Detail可以得到工程图和建构工具。

图1．11显示了一个用绘图模块生成的详细工程图的例子。

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图1．11 一张Pro／ENGlNEER的工程图
组件模块
组件模块可以把设计部件组合，加入到最终的设计方案里。

很多工具都可以集成设计意图，当零件放置到装配体中后，已有零件、特征和部件之R间的关系就可以建立起来。

零件可以在组件模块中创建，或者从先前存在的零件上建构。

Pro／ENGmEER允许自底向上或自顶向下的装配设计。

自底向上的装配设计需要在零件模块中创建部件并在组件模块中装配。

自顶向下的装配设计，模型框架是通过从总体设计意图水平一直到单个零件来创建装配体的。

在自顶向下的设计里，零件可以在组件模块中创建。