计算机辅助参数化设计方法

西南交通大学

本科毕业设计（论文）

轴系零部件CAD系统开发

CAD SYSTEM DEVELOPMENT FOR THE

SHAFT PARTS

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2014年6月

计算机辅助参数化设计方法

在计算机辅助设计系统的参数化模型生成中提出了一种先进的方法。该方法在设计输入中利用了几何约束自动存储和拓扑参数技术的支持，将设计的顺序记录、设计者意图中的重要信息和全面的描述综合起来，从而实现设计。这是一种根据实际尺寸和结构参数用于执行评估模型的形状变种处理方式，它是基于存储的通用模型。

关键词：CAD 参数化建模变型设计几何约束

当代的参数化设计系统处理尺寸为设计参数。在本文中，他们被称为尺寸驱动的CAD系统。根据一个或多个维度的尺寸变化对几何模型进行高层次的调整为CAD系统关键的所在。在设计模型相同仅有尺寸不同的零件时只需改变不同尺寸即可得到相关模型，这种功能明显提高了设计效率。同时，通常需要的更新设计到设计制造的周期通常可以容易和快速地完成。此外，在概念设计阶段，尺寸在开始时并不总是已知的。在CAD中已有许多不同的技术已经发展到可以解决这个问题了。参考文献1就涉及到了这种技术。下面是两种主要的方法加以区分：

•利用高级编程语言进行尺寸参数化编程设计（例如利用宏语言）

•主模型图形交互设计，随后在主模型的基础上自动生成变种模型

第一种方法较明显需要系统用户具备特定的编程知识。因此，它只适用于特定的情况下，比如说有正当的额外培训费用。

图形交互式参数化设计方法在另一个方面有一些缺点：隐式约束的处理，如相切，直角，平行线等，没有得到圆满解决的。一个正确的集合在一个后处理隐式约束的手动分配是容易出错的。如果应用了隐式约束的自动识别方法，那么为了防止产生意外的约束，耗时的手动检查是必要的。在下一节中，介绍了一种利用设计命令的方法，克服了这个问题。

在CAD系统的设计方法的最新进展的参数设计中创造了一个进一步的主题。未来的CAD系统将在设计过程中支持高级形态特征如孔模式、铰链，复杂的通孔等与相对简单的几何图元，如点，线，面和小体结合。这些类型的系统通常被称为“基于特征的CAD系统。显然，这对于形状特征的三维变量生成又是至

关重要的。然而，在这种情况下，不仅是尺寸的改变，而且对结构的设计都用产生影响，如在一个孔图案中孔的数目。

以前大多数的尺寸驱动的CAD系统只能处理相对于主模型的拓扑结构尺寸值不发生变化的情况。拓扑结构在这一背景下代表了几何元素的邻接关系。参考文献14介绍了一种允许拓扑结构变化的不同维度模型的生成方法。参考文献11中，罗勒展示了可以用来显示错误的约束条件的尺寸是怎样导致拓扑结构的变化。然而，这两种方法都还不支持拓扑参数控制的设计。图1说明了维度变化是如何涉及到目前系统的拓扑结构。

一般来说，一个重要的目标就是使CAD系统中的设计决策智能化。在下一节中，介绍的方法将会使另外的尺寸参数和结构参数设计交互式生成。这一结果使CAD系统的交互设计的有效性大幅增加，可以从一个主模型中生成更多的设计。

本文提出的方法在休利特帕卡德的机械工程CAD系统的变化系列10设计模块的基础上（ME10）发展。在本文中，所有的数据已经在ME10中体现。

图1 尺寸变化的拓扑的后果。（a）不变的拓扑结构，但实际配置不当，（b）拓扑结构的变化–尺寸不当使孔H在F外，（C）隐式约束和尺寸值指定的拓扑矛盾

图2 尺寸和结构参数的设计原理示意图

具有尺寸和结构参数设计的交互式方法

正如上面所讨论的，在许多的设计中功能要求不仅需要确定几何尺寸，而且还需确定结构设计。在这些情况下，可以利用结构及尺寸参数来描述设计。以下是在这种情况下的一些例子：

•板（夹具）中通孔的数量和位置取决于板的大小

•弹簧的绕组匝数取决于据负荷要求，

•齿轮箱中的圆套孔螺纹取决于装配紧固结构

交互式CAD系统中尺寸驱动只尴尬地支持二维参数等设计任务而使用，且只能用在一些特殊的情况下。它要求主模型覆盖最复杂的结构配置。对于变种的产生，不需要的结构元素的尺寸必须设置为零。很明显，在最复杂的情况下明确的设计是相当费时的。然而，事实上一个更大的问题是最主要的结构通常在开始时是不知道。

本节所述方法支持设计尺寸以及结构在图形交互方式的变异。图2显示了所

提出的设计原理示意图。

此方法使用的两种主要设计命令：

•初步设计的命令

•复制设计命令

初步设计的命令

初步设计的命令支持几何元素的最初设计。这些指令与指令的设计在参考文献11中介绍比较。他们可以分为两类：一是隐式的空间约束（例如水平、垂直、平行等）的命令，而另一个则是通过使用一个命令不包含任何隐含尺寸约束（如两点之间连线）的指令。

后者允许用户创建一个子类设计，包括无特定的隐式约束的零件。在这种情况下，创建的几何要素需要明确的约束尺寸。

初步设计的命令可以在三种不同的操作模式执行：

•固定

•变量

•灵活

在固定模式，命令将生成一个固定尺寸的几何元素。变量模式将创建的元素的尺寸设置为变量。连续指数变量可以在执行可变模式设计的主要命令时自动生成。具体的价值维度变量分配将决定一个特定的变体设计。通常，用户对一个几何元素的长度没有明确的设定，但它必须适应现有的两个点之间，如到其他线或点结束。在这些情况下，灵活的模式将被使用。在灵活模式中创建一条线则可以在其约束点之间像橡胶线一样进行延伸。用户在生产设计方案阶段选择适当的创建命令模式随之而来的就是减少在生产设计方案阶段的复杂性。

复制指令的设计

复制指令的设计可以用于几何元素设计或在设计中事件较多的元素组。以下是复制指令的设计实例：

•旋转：这个命令产生的一组选定的几何元素的多个副本，并将它们放置在一个特定的角度和距离，是以中心点的圆形结构。

•平移复制：这个命令产生的一组选定的与指定的距离沿水平方向的几何元素的多个副本。

•垂直复制：与水平复制类似，该命令在垂直方向产生的多个副本。