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CAD开发中图形参数化的实现途径探

  摘要:CAD是一种具有强大功能的计算机辅助设计技术的统称,其技术的核心就是利用计算机的硬件功能对产品进行高速度的设计,在设计的过程中为了提高设计效率,技术人员引入了参数化的模式,即在产品形状相对固定的情况下,特定参数的变化来完成某些设计内容,简单的看就是改变参数而产品的几何尺寸就会随之改变,而达到设计新产品的目的。参数化的实现途径主要是利用数据库和相应的模型建立来达成,即通过数据库和CAD之间的连接来构建参数化的途径。
  关键词:CAD;参数化;开发思路;数据库;特征模型
  中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)20-5007-02
  1 CAD参数化概述
  CAD是一种计算机辅助设计的技术,是借助计算机的系统在工程和产品设计的过程中提供快速、有效的技术算计辅助手段,帮助设计人员快速的完成设计和优化的操作,已到达高效而准确的设计效果的技术。CAD将计算机的能力发挥出来,利用高速度高精确的计算能力,大容量存储和数据处理能力与设计者的主观分析和逻辑判断能力结合起来,将思维落实在人机交互的界面上,上设计达到可视的效果,由此简化了设计的过程,缩短了设计的周期,提高了设计质量。
  CAD技术本身就是一种综合性的系统工程,一个完整的CAD软件系统实际上包括了多个学科的研究成果,如:计算机工程、工程学、数据库技术、数据结构、仿真技术、设计和制造等相关的专业知识的汇集和综合。实际上就是以计算机辅助设计为核心,综合了多个学科知识和技术的辅助设计系统。此项技术的形成是在上个世纪的60年代开始的。目前,现代的设计技术是更加的市场化、规模化,因此在实际的应用过程中,软件技术逐步和制造技术结合起来,利用自动化控制技术实现了自动加工和生产技术,此种技术是建立在设计软件的基础上的,因此CAD也就进入到了自动化的领域中。
  CAD参数化设计实际上就是在产品开发和设计时,零件设计模型的建立速度是影响整个产品设计周期的重要基础。产品设计开发的初期零件的形状和尺寸往往都还停留在设计者的头脑中,即是以一种模糊的概念存在,要装配验证、性能分析、数控编程后才能进入到试制阶段。此种设计流程希望零件的模型应当容易修改,即具备一定的灵活性。参数化设计的思路就是将模型中一些定量的信息变得具体起来,并使得参数可随意的更,并在更改后有系统自动生成相关的数值,以此形成不同形状的和尺寸的零件模型。在CAD系统中要实现参数化设计,建立参数化模型是最关键的。参数化模型主要体现的是零件的图像几何限定和工程限定。几何限定主要就是指零件的尺寸,即结构上的要素和尺寸上的要素。工程约束则是零件尺寸之间的逻辑关系。
  2 CAD参数化开发思路
  2.1 CAD系统的开发
  现代的CAD系统并不是一个固定模式的软件系统,而是一个可以就进行开发的软件系统,因此其功能的开发应建立在软件工程的思路上,以此为指导。主要是为了减少开发过程中的失误,提高开发的效率和系统质量。软件从开始设计、开发、运行为周期进行展开,通常的开发流程是分析需求、总体设计规划、详细结构设计、代码编写、测试、运行等阶段 。每个阶段都有自身的特定功能和内容。在实现参数化的过程中应当按照这样的思路来进行开发。
  1)参数化需求分析,确定软件开发目标,包括了软件期望功能、软件的可靠性、稳定性要求,软运行的硬件环境设定等;2)总体规划,即明确软件的系统结构,模块划分、模块通信、数据库功能等;3)具体设计实施,将总体规划的模块进行细化,即对模块进行分解并设计程序模块;4)代码编写,按照程序模块编写源代码;5)软件测试,对软件的各个功能模块进行测试,检测功能和结构方面的缺陷,并进行调整;6)软件运行和维护,在软件投入运行后对其运行情况进行反馈和收集,对其进行纠错和完善、扩充。
  2.2 参数化开发的思路
  目前采用的CAD参数化设计软件中,主要的有有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和Solidworks四种,这四种软件在不同的领域发挥着不同的作用。其中Pro/Engineer是最早进行参数化设计的,参数化的实现也由其首先完成的,目前主要的领域是电子、小家电、日用品等,而其他的三个软件主要是应用在制作业。在研究参数化实现的过程中,本文以Pro/E为例进行分析,以某个公司的机械制产品的参数化设计为例进行阐述。该公司所采用的是在Pro/E平台上基于知识机械常用件为基础完成的CAD开发,在此过程中将行业标准、企业标准等设计融入到了系统中,并实现了资源的共享。采用参数驱动技术实现了常用软件快速设计的流程。开发思路是将一个零件为设计对象,以结构设计数据库、零件模型数据库为核心,基于C/S模式,以零件结构参数定义和交互设计为基础,融合了设计经验、设计规则来实现参数化的开发,具体过程如图1。
  开发的CAD系统具备了以下功能:1)实现了机械常用零件的CAD标准化和参数化设计;2)针对零件的Pro/E设计进行了智能化拓展;3)实现了自动化和人机交互相结合的操作方式,使得设计的过程更加的高效而便捷;4)在网络技术的支持下,完成了网络和数据库技术、相关硬件的相互协调,为CAD和数据管理系统的数据连接和集成,为远程数据调用打下了基础;以上就是在CAD开发中实现阐述化的基本思路。
  3 CAD开发中图形参数化的实现途径
  3.1 数据库基础开发
  CAD的图形参数化是建立在工程数据库的基础上的,因此在开发的初期应建立起相应的工程用数据库,并使之可以与CAD向连接。
  1)工程数据
  在工程中应用的数据体现出来的是数量大、种类多、结构复杂等特点。从数据的性质上看,有图形数据和非图形数据;从应用上看有零件定义数据和设计控制设计两种。其中图形数据就是满足工程设计绘制图形的二维数据和产品图形中需要的三维数据。图形数据构成是以网络的形式出现,层次也不同。同一种实体可能在不同的应用阶段出现不同的表达方式,并且需要完成在不同表达方式之间的转换。工程应用中的非图形数据有三个主要部分:① 普通管理数据,主要负责对产品的情况进行说明,表达产品的性能、生产计划、报表等;② 属于标准数据,包括设计规范、公差数据、结构要素、材料性质、技术规范等;③ 是对零件的形状约束和设计过程中的语义条件等。
  3.2 CAD参数化的数据特征
  在参数化的过程中,相关的数据需要符合系统的需求,如:CAD数据需要包括产品设计数据、产品模型数据、产品材料数据、产品绘图数据、技术编码数据、测试数据、质量优化数据等。
  3.3 零件工程数据分类
  在图形参数化的过程中,主要涉及到以下几种数据类型如图2。
  1)标准数据:此类数据主要是来自国家或者行业标准、生产标准、设计手册、经验数据等构成,其特点就是在某段时间或者条件下表现为静态数据,设计的过程中将被反复的查询和调用,是设计的基础性数据。此类数据的代表是机械设计中的公差和配合、各种产品目录、样本技术参数等。另外一些经验公式和曲线规律或者图表所给定的特定数据也可以看做是标准数据。标准数据在设计系统的时候应当进行优先处理。
  2)设计和工艺的参数:此类数据主要是针对不同的产品而形成的设计数据和制造过程中所需要的工艺性参数构成,因为产品和工艺的差异,计算出来的数据也就有所差异,因此形成了设计和工艺数据。因为设计和工艺是多样化和随机的,以此此类数据往往是动态化的,需要在设计和生产中进行随机的读取和保存,同时相互之间的关系复杂,是参数化过程中的难点。
  3)几何参数:几何参数就是在设计中对零件的几何形状进行定义而形成的几何数据,以此数据是根据参数进行改变的,是动态模式。在实际的应用应具有可更改和适应性,以适应参数改变。
  3.4 建立工程数据库
  在分析基本数据构成后,就可以根据工程数据库的特点进行数据库的开发,因为工程数据库的复杂性突出,因此开发难度较大,开发具有独立性、共享性、集中管理和安全维护等,需要数据的高度一致和并发功能,工程数据的建立和系统调用是CAD参数化的重要环节。
  3.5 零件参数化的特征数据库建立
  零件是由一组相应的形状特征按一定的顺序拼合而成的如图3,基于特征的参数化模型应该能够充分表达各形状特征之间的确定位置关系,形状特征与形状特征之间存在的关系:附属关系与邻接关系。
  在零件的特征模型中,采用多层次地描述手段来满足对零件不同级别信息的要求。对特征参数赋值并确定特征均为后构成参数化常用零件特征模型,采用同一特征模型以不同参数驱动得到不同结构零件,从而适应大量零件图形的生成。这样做的优势明显:(1)实现常用零件的快速设计在采用基于知识的模型设计中,用户用直观的特征(如凸肩、凸缘、键槽)和熟悉的设计术语来构成常用零件模型,而不再采用原始的点、线和体素来构造设计对象,这样用户可以在更高层次上进行常用零件的设计。(2)实现设计模型的自动生成由于常用零件的特征模型直接体现了设计意图,采用基于特征的模型描述常用零件后可以实现零件实体的自动生成,实现设计过程中信息流的自动化。
  4 结束语
  通过前面的论述不难看出,CAD开发中的图形参数化,实际上就是建立以某些特征为基础的数据库,并实现在设计时CAD系统的共享和调用,在开发过程中为了实现这一途径就需要对整个系统进行重新构建,即利用工程数据库来建立参数比对样本,在设计中利用软件的模型化比对来完成参数化的设计实施。
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  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文


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