第6讲 参数化特征化造型方法

机械参数化设计方法概述摘要：首先介绍了参数化的发展及技术现状，然后分别介绍了零件参数化和部件参数化的基本方法，零件参数化主要是尺寸驱动和程序驱动两种方法，部件参数化主要是自顶向下和自底向上两种设计方法，并且介绍了各种力法的优缺点，为机械参数化设计打下理论基础。

关键词：参数化设计;零件参数化;方法参数化方法的本质即是基于约束的产品描述力法，这是由于产品的整个设计过程就是约束规定，约束变换求解以及约束评估的逐步求精过程、因此与传统设计力法的最大区别在于，参数化设计方法通过基于约束的产品描述方法实际上存储了产品的设计过程，因而它设计出一族而小是某个单一的产品、另外参数化设计能够使工程设计人员在产品设计初期无需考虑具体细节而能够尽快草拟零件形状和轮廓草图，并可以通过局部修改和变动某些约束参数而不必对产品设计的过程进行重新设计。

目前，参数化技术大致可以分为直接式和非直接式两种、非直接式参数化技术有：编程法和基于三维参数化的形体投影法、直接式参数化技术则是指设计者通过用户界面直接对图形进行操作，而不必理会计算机内部的处理力式，这是当前使用最为广泛的一种力法，也称人机交互法。

人机交互法参数化设计是目前参数化设计领域发展得较快的一个方向，也是应用最为广泛的一种方法、这种力法已经成为目前参数化设计的主要技术路线。

从实现参数化的原理上分，人机交方法主要有：①基于几何约束的变量几何法，这是一种基于约束的数学力法，它将图形的儿何模型分解为一系列特征点，以特征点坐标为变量形成了一个非线性力程组，当约束发生变化时，利用Newton-Raphson法迭代求解方程组，就可以求出这此特征点的新坐标，从而形成了新的图形;②基于几何推理的人工智能法，这种力法是用幕于规则的推理力法来确定用一组约束描述的几何模型、在推理过程中，利用专家系统将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓词描述，存入事实库中。

推理机把从规则库中提取出来的规则用于当前的事实集中，然后推理出几何形体的细}兄推理过程输出的是山一系列推理出的规则组成的一个几何形体的构造计划，参数化的模型也因此由在构造计划中顺序算出的规则所决定;③基于构造过程方法，这种方法在交互造型过程中的每一步操作，采用了一种称为“参数化履历”的机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作过程的程序化描述，将记录的定量信息作为变量化参数，当赋予参数小同的值时，更新模型生成历程，就会得到不同大小或形状的几何模型。

参数化设计的汽车造型设计应用如果设计本身在设计之初出现了之前始料未及的问题，返回上一级进行修改就会带来很大很繁琐的工作量，而接下来的设计很可能和之前的设计从根本上会有区别。

在实际的设计创作过程中，设计师运用简单的绘图工具在纸质媒介上进行造型的推敲，其中主要的创作思路都是感性的、无序而混沌的，也包括了设计师本身对灵感的把握和理解上的差异，在绘制过程中加入了很多主观因素，比如联想、比拟等的主观思维，在这个层面需要占用大量的时间进行思考和想象，再加上本身绘制过程所占用的时间，很难真正在短时间内生成大量的概念方案供评估选择，因此在方案的可选择性上有很大的局限性。

参数化设计在设计方法和思维上的优势首先，参数化设计最重要的一个优势在于它依托逻辑规则构建模型方案，在可控的范围内能够快速生成大量备选方案。

传统的方案设计推敲过程在相同的时间内所能积累的预选方案十分有限，原因在于传统的设计方法人为手工操作的成分占主要方面，效率上绝对不及数字化的操作方式，仅仅靠修改参数和逻辑关系的方式即可在单位时间内生成的设计方案在传统手工式的设计操作看来是不可及的。

一旦规则生效，便可以在短时间内生成许多相似而多样的比较方案，此模式不仅提高了速度，而且提供了多种可能性，开拓了设计思路。

其次，参数化设计在设计流程上具有逆向可调节性。

传统的设计流程中，各个设计阶段是线性发生的，前一设计阶段一旦定案，如若后期设计不尽如人意，想推翻重来难度很大。

参数化设计流程上在各个阶段都建立了参数规则，规则和规则间有着相互驱动的连带关系，如果设计方案在后一阶段被否定，只需修改之前设计阶段的参数和参数关系，那么随着规则驱动，后一阶段的设计方案立刻得到全新的反馈，随后生成全新的一系列设计结果。

再次，参数化设计终归是建立在数字化的平台技术之上，所以从方案设计前期到实体化整个流程都可以实现数字化衔接，其中软件之间接口的互通可以方便的将数据生成图纸，然后进行数字加工成型。

关于参数化造型方法与变量化造型方法的对比一：参数化造型1）概述：参数化设计（Parametric）设计（也叫尺寸驱动Dimension-Driven）是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。

目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。

利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。

2）基本特点：参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用。

与一个几何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何。

其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。

基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造；全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。

造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)；尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变；全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。

采用这种技术的理由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制住。

如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。

尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。

尺寸驱动在道理上容易理解，尤其对于那些习惯看图纸、以尺寸来描述零件的设计者是十分对路的。

工程关系（Engineering Relationship）如：重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，在参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要另外的处理手段二：变量化造型1）概述：长期以来，变量化方法只能在二维上实现，三维变量化技术由于技术较复杂，进展缓慢，一直困扰着CAD厂商和用户。

第一章 参数化特征造型基础1.1 绪论UG NX软件是一个集成化的CAD/CAE/CAM系统软件，它为工程设计人员提供了非常强大的应用工具，这些工具可以对产品进行设计（包括零件设计和装配设计）、工程分析（有限元分析和运动机构分析等）、工程图绘制、数控加工程序编制等，同时还提供了很多面向专业的应用工具（例如注塑模、钣金设计等）。

随着UG NX版本的不断更新和功能的不断扩充，UGNX软件的集成化、可视化、网络化、智能化、专业化功能都得到了很大发展。

在集成化方面提高了CAD/CAE/CAM的集成度；在可视化方面为用户提供了更加方便的操作界面，使得用户能够快速掌握UG NX的使用；在网络化方面提供了支持协同设计的网络环境下的产品设计，例如基于WEB的Netmeeting（【工具】→【合作】→【连接到Netmeeting】）；在智能化方面提供了基于知识的设计语言和模块，例如KF编程；在专业化方面给用户提供了更多的面向专业应用领域的设计向导和工具，例如各种模具设计模块（冷冲模、注塑模等）、钣金加工模块等。

虽然UG NX在发展过程中不断推出新版本，功能也在不断增加和更加强大，但是由于企业的行业特点和专业不同，新的需求范围广，需要一些专业化、个性化的功能和工具，而UG NX是一个面向机械行业的通用CAD/CAE/CAM软件，因此需要在此基础上进行二次开发才能满足实际的需要。

UG NX每次的版本升级都代表了当时先进制造技术的发展前沿，很多新的设计方法和理念都能很快地在版本中反映出来。

例如在并行工程中强调的几何关联设计、在网络环境下的协同设计等都是这些先进方法的体现。

从二次开发的角度讲，新版本的API函数的变化不大，。

所以本书提供的说明仍然可以应用于以后的发展版本。

从企业应用的角度讲，应该遵从如下原则：应尽可能直接使用UG NX的已有功能，如不能满足要求，应首先选择定制开发的方式，只有在上述情况都不能满足的情况下才应进行二次开发，以减少企业专用软件的开发成本和以后的维护成本。

第一章现代设计学1.现代设计特征：(1)以计算机技术为核心：a)无纸化设计；b)三维“产品模型”表示；c)先进设计、分析方法；d)并行设计方式；e)CAD，CAPP，CAM，CAE一体化；f)企业管理水平提高；g)企业之间优势互补和资源共享。

(2)以设计理论为指导：以理论指导为主、经验为辅。

2.现代设计基本原则：功能满足原则、质量保障原则、工艺优良原则、经济合理原则、社会使用原则。

3.设计过程模型的支配因素：时间T、质量Q、成本C、环境E。

4.设计过程模型的分类：按支配因素分类有：顺序过程模型、设计为中心的模型、并行设计模型、动态过程模型。

5.现代设计方法分类：实名称谓法、计算机辅助设计法、分段设计法。

第二章逆工程设计方法1.逆工程设计：通过从各种方式获得的实物模型中抽取数据进行再设计的一种开发模式，包括现有产品的修改、破碎零件的重构和工业检测。

2.为何车身设计中较多使用逆工程设计：在自动化制造领域常涉及大量复杂曲面设计制造与检测，车身设计中也广泛采用从车身油泥模型中取三维数据并作为各车身片制作模具的原始加工依据的逆设计方法。

逆工程设计以三维表面测量和表面重构为核心，大幅提高产品数据建模效率，更准确快捷地用计算机模型反映设计师的设计意图。

3.逆工程设计基本步骤：数据采样、数据分析、数据恢复及修补、原始部件的分解、模型信息处理及CAD模型建立、部件装配、产品功能模拟、再设计。

4.坐标测量机的分类：接触式：机械手、坐标测量机；非接触式：光学测量机、声学测量机、磁学测量机。

5.逆工程曲面建模的两种方法：a)按照NURBS曲面建模要求精心规划测量方案及数据预处理工作，采用通用CAD/CAM系统完成；b)采用专用CAD逆工程CAD软件完成初步建模，再交给CAD/CAM系统完成后续设计与建模工作。

6.逆工程软件有：SDRC系列中的Imageware Surface和Imageware Verdict。

7.点处理过程：读入点阵数据；将分离的点云对齐；去除噪点；规划如何创建曲面；曲面检查与光顺。

试述非参数化设计与参数化特征造型设计的区别
非参数化设计和参数化特征造型设计是两种不同的设计方法。

非参数化设计是指在设计过程中不使用具体数值或参数进行设计，而是依靠设计师的直觉和经验进行设计。

在非参数化设计中，设计师主要借助感性的思维和创造力来创造独特的设计。

参数化特征造型设计是指在设计过程中使用具体的数值或参数进行设计。

在参数化特征造型设计中，设计师通过设置参数和限制条件来进行设计，通过不同的参数值和条件来生成不同的设计方案。

设计师可以根据需求对参数进行调整，从而实现设计的可变性和灵活性。

总的来说，非参数化设计注重设计师的直觉和创造力，适用于需要创新和独特性的设计任务；而参数化特征造型设计注重数值和参数的设定，适用于需要灵活性和可变性的设计任务。

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。