产品级参数化设计

第三章产品级参数化设计

本章所研究的是关于产品级的参数化设计问题，为此，拟订“产品模块化、模块参数化”的技术思路来对小型热风微波耦合干燥设备模块化设计进行研究。

3.1参数化设计概述

传统的CAD设计主要针对零件级别的建模，对产品设计本身缺乏有效的支撑，只有最后的结果，不注重整个设计过程，有输入数据量大，操作难度大，无参数设计功能，不能自动更新现有模型，设计周期长，效率低，工作量重复等缺点。

参数化设计过程中，Revit Building是一中重要思想，它在保证参数化模型约束不变的的条件下，通过修改模型的基本尺寸参数来驱动参数化模型，完成模型更新从而获得新模型的现代化设计方法。模型的设计不是一蹴而就的，往往经过一个复杂的过程，在设计初期，设计人员对产品的认识较浅，不能完全确定设计其边界条件，并不能一次性设计出满足产品要求的所有条件。随着时间的推移，研究的深入，设计人员通过不断的修改模型的尺寸和造型，摸索研究之后，一步一步设计出满足所有条件的产品。由此可知，设计是一个不断修改，不断更新数据并且不断满足模型约束条件的过程，这种精益求精，追求完美的过程促进了CAD系统中参数化设计的产生华和发展。参数化设计大大提高了设计的效率，缩短了设计周期的同时大大减少了设计人员的工作强度和工作压力。

目前，参数化设计已经实际运用并且不断的发展壮大，已经成为现代设计与制造，机械设计系统等方向的研究热点，与之相关的各种CAD软件系统也不断的设计完善自己的参数化设计系统和功能，满足未来设计发展的需要。另外，对于标准化，系列化产品，参数化设计尤为重要，对于此次热风微波耦合干燥系列产品，采用参数化设计技术是非常好的选择。

3.1.1 参数化设计定义

参数化设计是机械CAD系统的一项非常关键技术，从最初的概念设计到详细设计，到最后形成产品，它贯穿产品设计的全过程。参数化设计是将参数化的产品模型用数学中一一对应关系来表示，而不是确定其数值，当某些参数变化时，与之相关的其他参数也将随之改变，达到几何更改控制几何形状的目的。这种快速反应的尺寸驱动，高效的图形修改功能，为产品设计、产品造型、产品更新修改，产品系列化设计等提供了有效的手段。其核心是通过产品约束的表达方式，使用设计好的一组尺寸参数和约束来描述产品模型的几个图形，能够充分满足相同或者相近几何拓扑关系的设计需求，充分体现设计者的设计思想。

根据参数化设计对象不同，可以将参数化设计分成两种：零件级参数化设计和产品级参数化设计。目前，广泛应用于实践的是零件级参数化设计方法，主要是指在单个零部件的内部通过尺寸参数和约束控制零件的参数化模型，当尺寸参数和约束发生变化时，参数化零件模型自动更新。相对于零件级参数化设计，产品级参数化设计是一种更加高级的参数化设计方法，它更加注重零部件之间的相互关联关系，当某一个零件的参数修改后，与该零件相关的其他零部件也将完成同步更新，这种更新包括形状的更新和尺寸的更新。由此可知，产品

级参数化设计技术更加适合产品的设计和开发，在产品设计过程中占有更重要的地位，不仅能减少对零部件的更改次数，提高产品设计效率的同时节约了人力成本，也可避免设计过程中不必要的失误。

产品级三维参数化技术能够实现自顶向下（Top Down）的驱动设计，这种驱动设计包括产品的几何形状和尺寸参数的关联驱动。目前，世面上使用各种商用CAD软件，如UG、Solid Works、Pro／Engineer等都能方便快捷地实现零件级参数化设计，但对于产品级参数化设计并不能直接实现。由于产品是不同的零件或部件通过装配组建而成，特别是对较复杂的产品，如飞机、汽车等可先对其进行模块划分，并让其内部模块实现产品间的关联驱动从而实现整个产品的更新，这种思想不仅可以实现产品级参数化设计模型，而且有利于产品资源配置设计和产品变形设计。综上所述，UG软件中的UG／WAVE技术和部件间表达式建模技术为实现产品级参数化设计提供了较好的支持。

3.1.2参数化设计方法

近年来，参数化设计技术应用的领域越来越广泛，国内外专家学者对参数化设计方法进行了深入探讨与研究并取得了重要进展与成果。主要有基于几何约束的数学变量法、基于几何推理的人工智能法、基于特征的实体造型法、基于辅助线的参数化法、基于生成历程的过程构造法以及编程求解法等。

（1）基于几何约束的数学变量法

该方法通过建立约束方程来确定模型的形状和位置，将几何形状，尺寸约束关系转换成一组特征点为变元的非线性方程组，然后通过多次迭代求解，解出所有特征点的坐标值，确定几何细节。该方法逻辑性强，思路清晰但求解效率较低，稳定性较差。

（2）基于几何推理的人工智能方法

该方法是基于既定事实的尺寸约束和选用一定的规则来推理出几何形体的细节，从而构建出完整的几何模型，是目前应用最多的方法。该方法将作图过程分解成最基础的作图规则，表达简洁直观，同时避免了变量几何法的不稳定性，但由于整个系统过于庞大导致效率低下，计算速度较慢且无法处理循环约束。

（3）基于特征的实体造型方法

特征是作为捕捉设计者意图的方式而提出的，用来取代用直线、圆弧、圆等几何元素构图的方式，不但具有明确的工艺特征结构，而且能记忆自己的功能属性以及与其它相关实体的适应关系。当修改某一特征实体时，所有与之相关的设计模型都能够自动变化。

（4）基于辅助线的参数化方法

该方法是将几何图形轮廓线建立在辅助线的基础上，而辅助线的求解条件在作图过程中已定规则，通过辅助线管理图形的约束，根据图形中搜索和检查要求，简化约束的表达，从而减少约束方程的求解规模。当图较简单时，该方法的求解速度较快，但当几何图形比较复杂时，作辅助线会增加作图操作，从而影响作图的速度。

（5）基于生成历程的过程构造法

该方法采用参数化履历(Parametric History)机制，在画图过程中，系统自动记录模型

生成过程中几何体的生成顺序和相互关系，捕捉设计者的画图思路，并将这些量化信息定性处理形成驱动参数，当参数赋予不同值时得到不同的几何模型。此方法可以处理很复杂的产品模型，经常用于三维实体或曲面的参数化建模，但一般只适于结构相同而尺寸不同的零件设计，设计的柔性有欠缺。

（6）编程求解法

该方法使用编程语言在CAD软件中实现以尺寸为变量，通过各尺寸变量之间的数学关系，输入数值确定变量值，实现约束求解。该方法特别适用于拓扑关系明确的几何图形，一旦拓扑关系发生变化则需要重新编程，灵活性较低，且面对复杂程序时编程难度较大一般情况下，此方法会用于CAD的二次开发中。

在实际应用中，现今几乎所有的著名CAD软件，如PRO／E、UG、SolidWorks等都采用变量几何技术。这主要有两方面原因：一是变量几何技术可以求解所有的几何约束，不存在不能求解的约束模式，并且可以和工程约束一起联立求解，适应面极为广泛；另一方面，变量几何技术可以应用于如参数化绘图、参数化特征建模等机械CAD的众多领域。

3.1.3参数化系统开发的关键技术

在进行参数化系统开发研究中，需要解决一些关键技术，主要包括CAD软件、MFC的接口技术、MFC对话框调用、CAD系统中参数的获取与修改以及实现MFC与ACCESS数据库的链接等。

(1)CAD软件与MFC的接口技术

CAD软件与MFC的接口链接技术是参数化系统开发的基础。Internal环境和External 环境是CAD软件为用户提供的最主要两种不同的运行环境。这两种运行环境有着完全不同的应用程序、编程方法和运行方式，Internal环境模式的应用程序是一个动态链接库，是dll 文件，只有被加载到软件的环境中才能运行，而External环境的应用程序是一个独立的可执行程序，不能在CAD软件的环境中运行。因此，在进行参数化开发前，需要选择合适的运行模式，从而开发相应的接口链接程序。

(2)MFC对话框调用

对话框界面设计是实现CAD软件与用户交互设计的重要手段。所有的参数都需要通过对话框来输入或输出到系统中，从而完成系统参数化设计。与此同时，用户可以按照自己的需求通过对话框读取系统信息，帮助用户了解信息，方便进行下一步的操作。MFC对话框属于VC++的一个重要组成部分，它为设计者提供了风格迥异的对话框样式和造型，弥补了CAD 软件在用户界面设计方面的不足。因此，实现在CAD软件中调用MFC对话框是参数化设计系统中需要解决的关键技术之一。

(3)CAD系统中参数的获取与修改

用户定义参数和CAD系统交互是在参数化设计系统中经常遇到的问题，CAD系统需要获取用户输入参数的时，必须经过对话框或信息栏，通过修改参数更新几何模型。在这个CAD 系统中，对关键参数获取与修改需要开发相应的应用程序，从而生成新的几何模型。