三维参数化设计探究（一） ——参数化方法论

只看该作者 · 发表于 2019-8-12 15:34:57

三维参数化设计探究（一）
——参数化方法论
摘要：如今企业开发新产品时，零件模型的建立及出图的速度是决定整个产品开发效率的关键。在企业的产品的开发到一定时期，很多的设计经过实际验证分析后，一些产品的大致特征已经确定，这时企业就希望能将该类产品系列化、参数化及标准化。于是，将模型设计中定量化的参数变量化就成了一个有效的方式，而这恰恰是参数化设计的本质意义。本文阐述了基于三维的参数化设计，所使用软件为SOLIDWORKS，介绍了SolidWorks参数化设计的两种类型，并且分析了二者的优缺点及所需技能，特别对通过软件功能实现参数化进行了详细介绍。让企业设计时能减少相应的时间提高效率。
关键词：三维模型、变量化、参数化设计、SolidWorks、南京东岱、效率。
参数化设计的概述
参数化造型技术又称初次驱动几何技术，是指用几何约束、工程约束关系来说明产品模型形状特征从而设计出所需形状或功能上具有相似性的设计方案。对于产品而言，无论多么复杂的模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。目前的主流三维软件均支持参数化设计。
参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有不变的参数。因此，建立在模型中的各种约束，体现的就是设计者的意图及思路。
参数化设计可以大大提高工程师的设计效率，加快产品更新速度，助力企业抢占先机。
参数化设计的关键
参数化实体造型关键是几何约束、工程约束及参数化几何模型的建立，其中最关键的是参数化几何模型的建立。此外，几何约束包括了结构约束和尺寸约束。结构约束指几何元素之间的相互约束关系，如平行、垂直、重合、相切、对称等；尺寸约束指通过标注尺寸进行约束，如标注距离尺寸、半径尺寸、角度尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。
参数化设计的类型
（a）直接式：人机交互法
（1）概念
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处理方式。
美国麻省理工学院Gossard教授提出：
a.这是一种基于约束的数学方法，他将几何模型分解成一系列特征点，以特征组坐标为变量形成一个非线性方程组，当约束发生变化时，利用牛顿-拉夫森迭代法求解方程组，就可以求出这些坐标点的新坐标，从而生成了新图形。
b.基于规则的推理方法来确定用一组约束描述的几何模型。
c.在交互造型中的每一个步骤，采用一种参数化历史的机制，在造型过程中，系统自动记录造型过程的程序化描述，将记录的定量信息作为变化的参数，当赋予参数不同值时，更新得到新的模型。
d.所有几何图形的轮廓线都建立在辅助线的基础之上，辅助线的求解条件在作图过程中已明确规定，由辅助线来管理模型的几何约束和结构约束，由辅助线来来直接定义图形的约束集。
（2）方法
人机交互法可通过多种方式实现参数化，如图 2 1所示
图 2 1 人机交互法方法
（B）非直接式：编程方法
概念: 编程方法指使用某种程序设计语言编写程序代码，以达到参数化设计的方式。
通过编写程序，由软件将你的程序解释或翻译成计算机能识别的计算机语言，然后计算机就能按照你的设定得出相应结果，能加快后期的工作效率。
参数化设计的常用软件
常用的参数化设计CAD软件中，主流的应用软件有美国参数技术公司（PTC)旗下的Pro/Engineer、Siemens PLM Software公司出品的UGNX、法国达索公司的CATIA和SolidWorks四大软件，四大软件各有特点并在不同的领域分别占据一定的市场份额。对于这些CAD的软件工具，本身就是参数化建模的工具，本文主要以SolidWorks 软件为依托，阐述三维设计中的参数化设计。
SolidWorks参数化的设计
SolidWorks参数化设计的介绍及类型
介绍：用于创建特征的尺寸与几何关系，可以被记录并保存于设计模型中。这不仅可以使模型能够充分体现设计者的设计意图，而且能够快速简单地修改模型。
其要素为驱动尺寸和几何关系。驱动尺寸是指创建特征时所用的尺寸，包括与绘制几何体相关的尺寸和与特征自身相关的尺寸。圆柱体凸台特征就是这样一个简单的例子。凸台的直径由草图中圆的直径来控制，凸台的高度由创建特征时拉伸的深度来决定。几何关系是指草图几何体之间的平行、相切和同心等信息。以前这类信息是通过特征控制符号在工程图中表示的。通过草图几何关系，SolidWorks可以在模型设计中完全体现设计意图。
对于SolidWorks参数化类型:软件功能实现参数化及二次开发实现参数化。
SolidWorks参数化设计两者比较
SolidWorks软件功能实现参数化相比于二次开发实现参数化，前者由于依靠软件自身功能或者相应的辅助插件来完成，无法做到后者可自己编程开发，故功能性方面没有后者丰富。但好处是便于工程师修改、维护及企业中，易于上手且对人的要求低于后者，并不需要使用者具备专业的编程语言能力，故推广性较后者好。由于后者需要对产品进行专属定制，故前者制作参数化的时间及费用低于后者，且针对的面更广。
关于如何使用solidworks的功能实现参数化方法，可以继续关注下期文章。