分層參數化設計方法及其在產品快速設計系統中的應用

石海波

SHI Hai-bo

（江蘇大學 附屬醫院，鎮江 212001）

0 引言

參數化方法是產品模型修改和變形設計的需要，是設計自動化所采用的關鍵技術之一[1]。目前，許多CAD建模軟件提供了參數化設計能力，通過參數尺寸驅動，甚至是拓樸結構的變化改變零件的結構形式和尺寸，便捷地生成一系列相似零件的三維實體，這種通過參數化設計方法在產品設計中已經占有重要的地位[2,3]。在設計的初始階段，有許多設計參數對于產品形狀模型而言，沒有具體的幾何意義，只有一些工程上的意義，但是它們往往是設計的關鍵參數，必須在設計模型中被有效地定義和表達，以便后續設計過程得以正常進行，而且從部件層、零件層，再到特征層對各個層次參數的逐步細化設計模型的定義過程，正好體現了自頂向下的設計特點[4,5]。然而，在實際的產品設計過程中，更多的是產品的改型設計，相對于產品的細節設計，設計者更多的關注產品的整體功能，這種自頂向下的設計模式就不能很好地將設計者從煩瑣的細節設計中解放出來，提高產品的設計效率。另外，企業現有的設計大都是一種淺層次的計算機輔助設計，對于某一成熟企業，對特定產品的設計已基本趨于穩定，設計者大都是進行重復性的幾何設計，設計效率較低，為了提高產品的設計效率，實現產品快速設計，主要有兩種途徑：一種是開發各種產品設計的專用知識庫系統，如標準件庫、典型結構庫等，另一種是開發各種專用的產品快速設計系統[6]。基于此，本文將提出一種分層參數化的設計方法，并將該方法應用于產品快速設計系統中。

1 分層參數化設計方法

對于復雜的產品，在進行參數化設計時，若采用單層的方式描述，不僅會加大參數化設計的難度，使得參數約束難以求解，而且在處理部件/產品的三維參數化問題時，主要是引入全局變量，并通過尺寸鏈關系同時作用于產品的部件和零件，這種參數化設計方法具有簡潔、方便的優點，能實現具有連續變化的關系，但在實際設計過程中很難找到簡潔的尺寸鏈關系，且不能實現類似標準件的具有離散變化特性的關系。

企業在設計和生產時常常將復雜的產品劃分為多層次的部件、小部件或者零件，這樣更便于產品的生產和管理。本文將從尺寸的變化特性將產品結構分為連續變化特性的結構和離散變化特性的結構。對于連續變化特性的結構根據其參數化的程度，將結構的參數化設計分為四個層次：部件層參數化、零件層參數化、特征層參數化以及草圖層參數化，如圖1所示；部件層參數作用與產品概念設計階段，是與產品功能相關的尺寸參數，表征產品的功能屬性，是設計者在設計過程中最終關注的尺寸，屬于高層次的抽象的設計參數，一般較容易從產品設計要求中得出；零件層參數作用與產品設計的后期，是表征產品幾何屬性的參數，是由上一層參數經過計算得來的；特征參數是定義零件各形狀特征位置與大小的各種數據，是由零件層參數計算得來；特征層參數是用于計算產品各結構的拓樸形狀與大小的參數，是產品設計結構參數最終作用參數，直接用于各結構尺寸的求解。

圖1 連續變化特性的結構分層參數化設計方法示意圖

對于具有離散化特性的結構，如標準件、常用的典型結構件等利用離散數據表的形式進行管理，通過設計標準參數庫實現結構的參數化。如圖2所示為某型剛結構的輪廓尺寸，對于不同作用的型鋼，其截面形狀和參數不同，如矩形、正方形、操場形等，本文通過圖3所示為X截面的統一參數化模型來驅動方剛的截面形狀。另外，對于型剛的輪廓尺寸以及截面尺寸已經形成一定的標準，在實際設計過程中，設計者只需通過選擇系列參數的形式進行產品的設計。

圖2 方鋼結構參數化模型

圖3 X截面的統一參數化模型

表1 部分型鋼結構離散參數化結構表

在產品設計階段，設計者首先對產品的功能進行分析，將產品結構中的標準件或者常用結構件作為具有離散化的特性的結構單獨建立其參數化數據表，并通過現有的三維CAD軟件實現結構的參數化；對于其他的尺寸具有連續變化特性的結構對其進行層次化劃分，根據功能設計其部件層參數，根據部件層參數求解零件參數，根據零件層參數求解特征層參數，最終確定結構的拓樸形狀和大小。通過這種對復雜產品的層次劃分，可以有效的將復雜的多層次產品模型轉化為單一零件的參數化問題，能將產品的參數信息較完備的表達。

2 基于分層參數化設計各層級間約束的求解

對于如上提出的分層參數化設計方法，要使得復雜產品能通過各層參數較完備的表達設計者的設計意圖，其關鍵在實現各層間以及各層內約束的求解。

對于連續變化特性結構約束可分為兩種：具體的尺寸約束和抽象的約束。對尺寸的約束求解可通過計算機語言表達為一定的過程和函數，設計者通過輸入結構的部件層參數時，經過函數表達式或者過程函數的計算，部件層結構的詳細參數被求出，作為新的參數輸入零件層的參數，通過函數表達式或者過程函數計算出特征層結構的參數，同樣可以通過層間結構尺寸的函數表達式，求解草圖層的結構尺寸。對于抽象的約束（如垂直、貼合等），設計規則等不易通過表達式的形式進行表達，則通過產生式規則的形式進行描述，在具體計算機實現過程中采用如下的規則結構：

對離散化的特性結構是通過標準參數表的形式支持該結構的參數化的，如表1所示為型鋼結構的參數表結構。對于某個公稱參數，可能存在多個標準結構件類型可供選擇，參數化設計系統應列出所有復合要求的標準結構參數供設計者選取，且在公稱參數修改時，標準件的類型和尺寸應能協調修改。

3 基于分層參數化設計方法的快速設計系統的實現

以上提出的分層參數化設計方法，較好的實現了對產品結構詳細信息的封裝，設計者在設計過程中只需要關注設計的主要尺寸，將設計者從煩瑣的產品細節設計中解放出來，更多的關注產品的功能設計，這種設計理念在針對特定的產品的設計，能較快的提高設計效率。以下以某飛機蒙皮結構成型模具快速設計系統的開發過程來說明本文提出的分層參數化設計方法的應用。

成型模具支架包括型架板、底座以及叉車口組成，這里以成型模具托架為例，說明分層參數化設計方法。成型模具體支撐結構形式相對固定，實際生產中是由金屬管材或角材組成的框架，在進行設計過程中，支撐結構的截面相對固定，便于參數化設計，參數化模型如圖2和圖3所示。對于模具托架的設計的上一級輸入尺寸是模具結構的外形輪廓參數，即部件級參數，設為數集合L；根據部件參數集合L可計算得到具體的零件層參數集合B，叉車結構、型架板結構以及方鋼結構尺寸等，記為結構參數集合根據集合B可計算得到特征層參數X，特征參數可表示為集合，根據特征層的參數設計可計算得到草圖層參數記為。對成型模具分層參數化設計產生式規則描述如下（圖中各參數的含義為標記）：

根據模具的輪廓尺寸通過函數表達式的形式計算型架板的間距和個數

通過零件層的參數計算通氣孔的數量和間距

通過零件層的參數計算特征尺寸

根據特征層尺寸建立計算草圖尺寸

據如上的分層參數化設計方法，用戶僅需要輸入模具的外形的結構尺寸，通過函數表達式和規則的推理計算出各構件的結構參數和草圖的詳細設計參數（截面參數），將該功能集成于通用的商用軟件CAD（如CATIA 等），利用軟件的掃掠功能生成最終的實體模型，完成支撐部分的快速設計。基于CATIA/CAA開發了工裝結構的快速設計系統。某成型模具分層參數化設計快速設計系統部分界面如圖所示。

圖4 成型模具分層參數化設計界面及其設計結果

[1]潘雙夏,張帥,馮培恩. 基于工程約束的產品參數化建模策略研究[J].計算機輔助設計與圖形學報.2001,9,13(9)：840-845.

[2]伊國棟,譚建榮,馮毅雄,紀楊建.基于關聯約束的單元建模技術研究[J].計算機輔助設計與圖形學報.2003, 12,15(12)：1490-1496.

[3]王峰,俞新陸.產品三維參數化設計系統的研究與開發[J].計算機輔助設計與圖形學報.2001,11,13(11)：1013-1018.

[4]劉文劍,金天國.產品自頂向下設計的研究現狀及發展方向[J].計算機集成制造系統.2001,1,8(1)：1-7.

[5]劉厚泉,李毅,劉方鑫.參數化設計系統中的約束的層次結構[J].計算機工程.2000,3,26(3)：

[6]李桂東,周來水.復合材料構件成型模具設計方法[J].南京航空航天大學學報.200941(6)：777-782.