ZWCAD《参数化设计》项目综述
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ZWCAD参数化设计综述1传统CAD绘图技术的不足传统的CAD绘图技术用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有确定的位置，在修改和编辑已有图形时，只能一个图元一个图元地修改，反复进行大量的删除和重画操作。
因此，从某种意义上说，一般的CAD系统只是做到了将制图员的工作环境从图板上移到了计算机上。
传统的CAD技术在几何造型和工程图的发展中起了相当大的作用，但在实际应用中，人们逐渐发现它们存在着某些严重不足，主要表现在以下几个方面。
1、无法支持快速的设计修改和有效地利用以前的设计结果。
传统的CAD只记录了产品的形状坐标信息，这样一来，即使一个很小的设计修改也往往会导致对以前大量设计努力的放弃。
2、无法很好地支持设计的一致性维护工作。
传统的CAD系统没有记录下设计对象内部元素相互之间的关系，在设计修改时，某一局部的改动不能自动反映到相关部分的变动，需要设计人员手工修改，这样往往不能保证设计要求在设计反复时得到可靠的保证。
3、不符合工程设计人员的习惯。
工程设计往往是通过定义一个结构草图作为原型，通过一些高层次的设计指令不断定义约束和调整参数值，逐步细化以达到最佳的设计结果。
而传统CAD系统面向具体几何形状，所能处理的只是图形元素的几何信息，仅仅记录了几何形体的精确坐标信息，而大量丰富的具有实际工程意义的几何拓扑、尺寸约束信息和功能要求信息均被丢弃，其应用仅局限于产品的详细设计阶段。
4、无法支持并行设计过程。
一个复杂的设计对象，需要多个设计人员多方面、多层次和多阶段设计活动的参与，这就要求从一开始就考虑到产品从设计到最终消亡的整个生命周期的所有因素，强调设计过程的并行协调。
传统CAD系统支持的只是顺序的设计方法，无法支持并行的设计过程。
在CAD系统中采用参数化设计技术可以克服以上四个方面的不足。
2二维参数化设计简介一个完整的CAD系统，应由科学计算、图形系统和工程数据库等组成。
若加入人工智能和专家系统技术，可大大提高设计的自动化水平，可对产品进行总体方案设计，实现对产品设计的全过程提供支持。
科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等;图形系统包括几何(特征)造型、自动绘图(二维工程图、三维实体图)、动态仿真等;工程数据库对设计过程中需要使用和产生的数据、图形、文档等进行存贮和管理。
传统意义上的CAD系统(软件)技术已进入了成熟的发展时期，今后CAD技术的总体发展趋势是不断地向设计、产品、开发和应用的全过程拓展其内涵，在更高的层次上、更广泛的范围内，向智能化与一体化、集成化与并行工程、通用化与标准化以及商品化与实用化等方向发展。
目前CAD软件一般分为三维造型设计软件和二维工程设计(或绘图)软件，它们的参数化设计方法也不同。
三维造型设计软件用于产品的实体造型，其主要技术为参数化特征造型(构造三维模型)技术，代表产品为Por/Engineer 、I-Deas、CADDS-5、GS-CAD2000等等。
二维工程设计(绘图)软件用于产品的工程图(二维平面)设计，其主要技术为构造几何约束以实现尺寸驱动的参数化设计和绘图，代表产品为Sigraph-desghn、AutoCAD Designer、GS-ZDDS等等。
在二维CAD系统中，系统参数化技术分为参数化设计(Parameric Design)和参数化绘图(Parameric Drawing )两种。
该两种技术所代表的设计思路不同，即参数化设计以设定驱动参数和尺寸驱动为主要技术原理，而参数化绘图则以计算机高级语言编程使具体图形实现参数化为主要技术原理。
参数化设计的主体思想是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。
目前，能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系，因此，参数化造型技术又称初次驱动几何技术。
参数化实体造型中的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。
目前二维参数化技术已发展得较为成熟，在参数化设计与绘图方面已得到了广泛应用。
2.1何谓参数化设计参数化设计(Parameric Design)也称变量化设计(Variational Design)是美国麻省理工学院Gossard教授提出的，它是CAD领域里的一大研究热点。
近十几年来，国内外从事CAD研究的专家学者之所对其投入极大的精力和热情进行研究，是因为参数化设计在工程实际中有广泛的应用价值。
在有关CAD的科技书刊或论文中经常出现下列术语：参数化设计、草图设计、参数化绘图、图形参数化等。
何谓参数化设计?为了回答这个问题，首先要搞清参数化设计的目的。
软件设计者无论采用何种方法，基于何种环境开发参数化设计系统，其目的都是通过图形驱动(或尺寸驱动)方式在设计绘图状态下修改图形。
参数化设计通常是指软件设计者为绘图及修改图形提供一个软件环境，工程技术人员在这个环境下所绘制的任意图形均可以被参数化，修改图中的任一尺寸，均可实现尺寸驱动，引起相关图形的改变。
参数化的设计方法正是解决这一问题的有效途径。
参数化设计(Parametric Design)，就是根据产品零部件的性能参数，确定其几何形状或结构尺寸的一种设计方法。
也就是说把这些尺寸看成是“设计条件”的函数，当设计条件改变时，零、部件图形的尺寸可以随时得到相应改变。
参数化设计有两种涵义：1、绘图软件本身具有参数化功能。
任何交互式的尺寸改动都会导致整个模型的改变，也就是说，只要修改了模型中的某一个尺寸，则整个图形中与此相关的尺寸都会自动更新。
这种方法主要适用与结构不是太复杂的图形。
2、应用程序具有参数化功能。
通常由用户或第三方开发出的一些应用程序，主要针对某一领域具体问题，进行参数化设计。
即该应用程序负责与用户交互，当需要修改某一尺寸时，应用程序负责更新该尺寸及与之相关的其他尺寸。
这种方法的编程量很大，另外，要修改图形时，需要重新运行程序。
草图设计是近十年出现的新提法，具有草图设计功能的系统，允许用户在设计绘图中首先进行草图设计，即不必关心线段连续是否准确，线段是否水平或垂直，在草图上标出重要的尺寸，系统会自动使线段连接准确及位置准确，从而实现尺寸驱动。
草图设计与参数化设计的目的是相同的，尽管草图设计的设计阶段有一定的灵活性，但有些CAD系统已具备正交功能和目标捕捉功能，因此，草图设计实质上也可以统一到参数化设计上来。
2.2参数化设计的基本思想参数化设计系统中涉及到的基本技术和思想主要有：轮廓(Profile)、草绘(Sketching)、尺寸驱动(Dimension Drive)、变量驱动、设计合理性检查和动态导航(Dynamic Navigator)等。
1、用轮廓法体现设计思想参数化设计系统引入了轮廓的概念，轮廓由若干首尾相接的直线或曲线组成，用来表达实体模型的截面形状或扫描路径。
轮廓上的线段(直线或曲线)不能断开、错位或者交叉。
整个轮廓可以是封闭的，但也可以是不封闭。
虽然轮廓与生成轮廓的原始线条看上去几乎一模一样，但是它们有本质的区别。
轮廓上的线段不能随便被移到别处，而生成轮廓的原始线条可以随便地拆散和移走。
这些原始线条与通常的二维绘图中的线条本质上是一样的。
2、尺寸驱动如果给轮廓加上尺寸，同时明确线段之间的约束，计算机就可以根据这些尺寸和约束控制轮廓的位置、形状和大小。
计算机如何根据尺寸和约束正确的控制轮廓是参数化的一个技术关键。
所谓尺寸驱动就是当设计人员改变了轮廓尺寸数值大小时，轮廓将随之发生相应的变化。
3、变量驱动变量驱动也叫做变量化建模技术。
变量驱动将所有的设计要素如尺寸、约束条件、工程计算条件甚至名称都视为设计变量，同时允许用户定义这些变量之间的关系式以及程序逻辑，从而使设计的自动化程度大大提高。
变量驱动进一步扩展了尺寸驱动这一技术，给设计对象的修改增加了更大的自由度。
4、相互制约所有的零件在装配中都不是孤立存在的，在参数化设计系统中，一个零件的尺寸可以用其他零件上的尺寸和位置参数来确定，这样做可以保证这些零件装配后自动具有相吻合的尺寸，从而减少人为的疏忽。
5、合理性检查在传统的人工设计工程中，尺寸不足、多余和相互矛盾是很难避免的，然而在参数化设计系统中，计算机能够帮助设计人员正确地标注尺寸，过多和过少的尺寸都能被计算机发觉，计算机会在适当的时候向设计人员显示提示信息。
6、动态导航动态导航提供了一种指导性的参数化作图手段，与设计人员达成某种默契，从而提高设计效率。
根据当前光标位置，动态导航能猜测用户意图，然后用直观的图标将所猜测的约束显示在相关图形的附近。
7、结构规划在进行产品的设计前，根据产品的设计要求，对产品的整个设计需要进行大概的勾勒。
这种前瞻性的勾勒主要是确定产品的重要参数，而不涉及产品的具体细节，属于概念设计的范畴，这被称为结构规划。
在以后的设计中，产品的装配和零件设计可以引用结构规划中定义的参数，这样从总体上保持设计的一致性。
2.3参数化设计的实现方法近十几年来，国内外学者对参数化设计，从方法上做了大量的研究和尝试，取得了重大成果，目前参数化设计方法主要有以下几种：2.3.1基于几何约束的数学方式利用尺寸约束建立方程组，将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组，对于给定的约束，通过数值方法解非线性方程组，一次解出所有特征点的坐标值，确定出几何细节。
采用该方法必须输入充分且一致的尺寸约束，才能求解约束方程组。
2.3.2基于几何推理的人工智能方法人工智能的发展，促进了参数化设计方法的发展，产生了几何推理法。
这种方法又有两个方面：一是建立在专家系统的基础上，采用谓语表示几何约束，通过推理机制导出几何细节。
这种方法可检验几何约束模型的合理性并能处理局部修改，但系统庞大，对递归约束无法处理。
二是扩展现有的数据结构，使其包含拓扑信息，并通过程序实现从几何约束到几何细节的推理。
2.3.3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，以取代用直线、圆弧、圆等基本几何元素构图的方式。
特征实体具有一定的智慧，它们不但具有明确的工艺特征结构，而且能始终记忆自己的功能属性和与其它相关实体的适应关系。
修改某一特征实体，会自动引起整个设计模型的相关变化，其中包括实体本身的物理量(如质心和惯性矩等数据) 的变化。
例如，孔特征会始终记忆自己当前的形状、位置和负体积特征，机械设计师能利用自己熟悉的工艺特征( 如孔、倒角、倒圆等)，而非纯几何意义上的体素来组织设计意图，使设计变得容易。
2.3.4基于关系的建模方法以关系型数据结构构造参数化模型是德国西门子公司首先提出来的。
在系统内，关系可建立在所在系统能识别的对象之间，也可在任意大的模型中建立任意复杂的关系模型，这种关系的建立过程是以符合设计师设计习惯的、非常简便自然的方式进行的。
