ZWCAD《參數(shù)化設(shè)計》項目綜述
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1、ZWCAD 參數(shù)化設(shè)計綜述 1 傳統(tǒng) CAD 繪圖技術(shù)的不足 傳統(tǒng)的 CAD 繪圖技術(shù)用固定的尺寸值定義幾何元素,輸入的每一條線都有 確定的位置,在修改和編輯已有圖形時,只能一個圖元一個圖元地修改,反復(fù)進 行大量的刪除和重畫操作。因此,從某種意義上說,一般的 CAD 系統(tǒng)只是做到 了將制圖員的工作環(huán)境從圖板上移到了計算機上。傳統(tǒng)的 CAD 技術(shù)在幾何造型 和工程圖的發(fā)展中起了相當大的作用,但在實際應(yīng)用中,人們逐漸發(fā)現(xiàn)它們存在 著某些嚴重不足,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 1、 無法支持快速的設(shè)計修改和有效地利用以前的設(shè)計結(jié)果。傳統(tǒng)的CAD只 記錄了產(chǎn)品的形狀坐標信息,這樣一來,即使一個很小的
2、設(shè)計修改也往往會導(dǎo)致 對以前大量設(shè)計努力的放棄。 2、 無法很好地支持設(shè)計的一致性維護工作。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)沒有記錄下設(shè) 計對象內(nèi)部元素相互之間的關(guān)系,在設(shè)計修改時,某一局部的改動不能自動反映 到相關(guān)部分的變動,需要設(shè)計人員手工修改,這樣往往不能保證設(shè)計要求在設(shè)計 反復(fù)時得到可靠的保證。 3、 不符合工程設(shè)計人員的習慣。工程設(shè)計往往是通過定義一個結(jié)構(gòu)草圖作 為原型,通過一些高層次的設(shè)計指令不斷定義約束和調(diào)整參數(shù)值,逐步細化以達 到最佳的設(shè)計結(jié)果。而傳統(tǒng) CAD 系統(tǒng)面向具體幾何形狀,所能處理的只是圖形 元素的幾何信息,僅僅記錄了幾何形體的精確坐標信息,而大量豐富的具有實際 工程意義的幾何拓
3、撲、尺寸約束信息和功能要求信息均被丟棄,其應(yīng)用僅局限于 產(chǎn)品的詳細設(shè)計階段。 4、 無法支持并行設(shè)計過程。一個復(fù)雜的設(shè)計對象,需要多個設(shè)計人員多方 面、多層次和多階段設(shè)計活動的參與,這就要求從一開始就考慮到產(chǎn)品從設(shè)計到 最終消亡的整個生命周期的所有因素,強調(diào)設(shè)計過程的并行協(xié)調(diào)。傳統(tǒng) CAD 系 統(tǒng)支持的只是順序的設(shè)計方法,無法支持并行的設(shè)計過程。在 CAD 系統(tǒng)中采用 參數(shù)化設(shè)計技術(shù)可以克服以上四個方面的不足。 2 二維參數(shù)化設(shè)計簡介 一個完整的CAD系統(tǒng),應(yīng)由科學(xué)計算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫等組成。若 加入人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù),可大大提高設(shè)計的自動化水平,可對產(chǎn)品進行總 體方案設(shè) 計,
4、實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計的全過程提供支持??茖W(xué)計算包括有限元分析、 可靠性分析、動態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計和優(yōu) 化設(shè)計等;圖形系統(tǒng)包括幾何(特征) 造型、自動繪圖(二維工程圖、三維實體圖)、動態(tài)仿真等;工程數(shù)據(jù)庫對 設(shè)計過 程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進行存貯和管理。 傳統(tǒng)意義上的CAD系統(tǒng)(軟件)技術(shù)已進入了成熟的發(fā)展時期,今后CAD技術(shù) 的總體發(fā)展趨勢是不斷地向設(shè)計、產(chǎn) 品、開發(fā)和應(yīng)用的全過程拓展其內(nèi)涵,在 更高的層次上、更廣泛的范圍內(nèi),向智能化與一體化、集成化與并行工程 、通 用化與標準化以及商品化與實用化等方向發(fā)展。 目前CAD軟件一般分為三維造型設(shè)計軟件和二維工程設(shè)計(或繪圖)軟件
5、,它 們的參數(shù)化設(shè)計方法也不同。三維造 型設(shè)計軟件用于產(chǎn)品的實體造型,其主要 技術(shù)為參數(shù)化特征造型(構(gòu)造三維模型)技術(shù),代表產(chǎn)品為 Por/Engineer 、 I-Deas、 CADDS-5、GS-CAD2000等等。二維工程設(shè)計(繪圖)軟件用于產(chǎn)品的工程圖(二維平 面)設(shè)計, 其主要技術(shù)為構(gòu)造幾何約束以實現(xiàn)尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計和繪圖,代 表產(chǎn)品為 Sigraph-desghn、 AutoCAD Designer、 GS-ZDDS 等等。 在二維CAD系統(tǒng)中,系統(tǒng)參數(shù)化技術(shù)分為參數(shù)化設(shè)計(Parameric Design)和參 數(shù)化繪圖(Parameric Drawi ng )兩種。該兩種
6、技術(shù)所代表的設(shè)計思路不同,即參數(shù) 化設(shè)計以設(shè)定驅(qū)動參數(shù)和尺寸驅(qū)動為主要技術(shù)原理,而參數(shù)化 繪圖則以計算機 高級語言編程使具體圖形實現(xiàn)參數(shù)化為主要技術(shù)原理。 參數(shù)化設(shè)計的主體思想是用幾何約束、工程方程與關(guān)系來說明產(chǎn)品模型的形 狀特征,從而達到設(shè)計一簇在形狀或功 能上具有相似性的設(shè)計方案。目前,能 處理的幾何約束類型基本上是組成產(chǎn)品形體的幾何實體公稱尺寸關(guān)系和尺寸 之 間的工程關(guān)系,因此,參數(shù)化造型技術(shù)又稱初次驅(qū)動幾何技術(shù)。參數(shù)化實體造型 中的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取 和表達、幾何約束的求解以及參數(shù)化幾何模型 的構(gòu)造。目前二維參數(shù)化技術(shù)已發(fā)展得較為成熟,在參數(shù)化設(shè)計與繪圖方面已得 到了廣泛應(yīng)用。
7、 2.1 何謂參數(shù)化設(shè)計 參數(shù)化設(shè)計(Parameric Design)也稱變量化設(shè)計(Variational Design)是美國麻 省理工學(xué)院 Gossard 教授提出 的,它是 CAD 領(lǐng)域里的一大研究熱點。近十幾年 來,國內(nèi)外從事CAD研究的專家學(xué)者之所對其投入極大的精力和熱 情進行研究, 是因為參數(shù)化設(shè)計在工程實際中有廣泛的應(yīng)用價值。 在有關(guān) CAD 的科技書刊或論文中經(jīng)常出現(xiàn)下列術(shù)語:參數(shù)化設(shè)計、草圖設(shè)計、 參數(shù)化繪圖、圖形參數(shù)化等。何謂參 數(shù)化設(shè)計?為了回答這個問題,首先要搞清 參數(shù)化設(shè)計的目的。軟件設(shè)計者無論采用何種方法,基于何種環(huán)境開發(fā) 參數(shù)化 設(shè)計系統(tǒng),其目的都是通過
8、圖形驅(qū)動(或尺寸驅(qū)動)方式在設(shè)計繪圖狀態(tài)下修改圖 形。參數(shù)化設(shè)計通常是指 軟件設(shè)計者為繪圖及修改圖形提供一個軟件環(huán)境,工 程技術(shù)人員在這個環(huán)境下所繪制的任意圖形均可以被參數(shù)化, 修改圖中的任一 尺寸,均可實現(xiàn)尺寸驅(qū)動,引起相關(guān)圖形的改變。參數(shù)化的設(shè)計方法正是解決這 一問題的有效途徑。 參數(shù)化設(shè)計(Parametric Design),就是根據(jù)產(chǎn)品零部件的性能參數(shù),確定其幾 何形狀或結(jié)構(gòu)尺寸的一種設(shè)計方法。也就是說把這些尺寸看成是“設(shè)計條件”的函 數(shù),當設(shè)計條件改變時,零、部件圖形的尺寸可以隨時得到相應(yīng)改變。 參數(shù)化設(shè)計有兩種涵義: 1、 繪圖軟件本身具有參數(shù)化功能。 任何交互式的尺寸改動
9、都會導(dǎo)致整個模型的改變,也就是說,只要修改了模 型中的某一個尺寸,則整個圖形中與此相關(guān)的尺寸都會自動更新。這種方法主要 適用與結(jié)構(gòu)不是太復(fù)雜的圖形。 2、 應(yīng)用程序具有參數(shù)化功能。 通常由用戶或第三方開發(fā)出的一些應(yīng)用程序,主要針對某一領(lǐng)域具體問題, 進行參數(shù)化設(shè)計。即該應(yīng)用程序負責與用戶交互,當需要修改某一尺寸時,應(yīng)用 程序負責更新該尺寸及與之相關(guān)的其他尺寸。這種方法的編程量很大,另外,要 修改圖形時,需要重新運行程序。 草圖設(shè)計是近十年出現(xiàn)的新提法,具有草圖設(shè)計功能的系統(tǒng),允許用戶在設(shè) 計繪圖中首先進行草圖設(shè)計,即不必關(guān) 心線段連續(xù)是否準確,線段是否水平或 垂直,在草圖上標出重要的尺寸
10、,系統(tǒng)會自動使線段連接準確及位置準確, 從 而實現(xiàn)尺寸驅(qū)動。草圖設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計的目的是相同的,盡管草圖設(shè)計的設(shè)計 階段有一定的靈活性,但有些 CAD 系統(tǒng)已具備正交功能和目標捕捉功能,因此, 草圖設(shè)計實質(zhì)上也可以統(tǒng)一到參數(shù)化設(shè)計上來。 2.2 參數(shù)化設(shè)計的基本思想 參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)中涉及到的基本技術(shù)和思想主要有:輪廓(Profile)、草繪 (Sketching)、尺寸驅(qū)動(Dimension Drive)、變量驅(qū)動、設(shè)計合理性檢查和動態(tài)導(dǎo)航 (Dyn amic Navigator)等。 1、 用輪廓法體現(xiàn)設(shè)計思想 參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)引入了輪廓的概念,輪廓由若干首尾相接的直線或曲線組 成,
11、用來表達實體模型的截面形狀或掃描路徑。輪廓上的線段(直線或曲線)不能 斷開、錯位或者交叉。整個輪廓可以是封閉的,但也可以是不封閉。 雖然輪廓與生成輪廓的原始線條看上去幾乎一模一樣,但是它們有本質(zhì)的區(qū) 別。輪廓上的線段不能隨便被移到別處,而生成輪廓的原始線條可以隨便地拆散 和移走。這些原始線條與通常的二維繪圖中的線條本質(zhì)上是一樣的。 2、 尺寸驅(qū)動 如果給輪廓加上尺寸,同時明確線段之間的約束,計算機就可以根據(jù)這些尺 寸和約束控制輪廓的位置、形狀和大小。計算機如何根據(jù)尺寸和約束正確的控制 輪廓是參數(shù)化的一個技術(shù)關(guān)鍵。 所謂尺寸驅(qū)動就是當設(shè)計人員改變了輪廓尺寸數(shù)值大小時,輪廓將隨之發(fā)生 相應(yīng)
12、的變化。 3、 變量驅(qū)動 變量驅(qū)動也叫做變量化建模技術(shù)。變量驅(qū)動將所有的設(shè)計要素如尺寸、約束 條件、工程計算條件甚至名稱都視為設(shè)計變量,同時允許用戶定義這些變量之間 的關(guān)系式以及程序邏輯,從而使設(shè)計的自動化程度大大提高。變量驅(qū)動進一步擴 展了尺寸驅(qū)動這一技術(shù),給設(shè)計對象的修改增加了更大的自由度。 4、 相互制約 所有的零件在裝配中都不是孤立存在的,在參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)中,一個零件的 尺寸可以用其他零件上的尺寸和位置參數(shù)來確定,這樣做可以保證這些零件裝配 后自動具有相吻合的尺寸,從而減少人為的疏忽。 5、合理性檢查 在傳統(tǒng)的人工設(shè)計工程中,尺寸不足、多余和相互矛盾是很難避免的,然而 在參
13、數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)中,計算機能夠幫助設(shè)計人員正確地標注尺寸,過多和過少的 尺寸都能被計算機發(fā)覺,計算機會在適當?shù)臅r候向設(shè)計人員顯示提示信息。 6、動態(tài)導(dǎo)航 動態(tài)導(dǎo)航提供了一種指導(dǎo)性的參數(shù)化作圖手段,與設(shè)計人員達成某種默契, 從而提高設(shè)計效率。根據(jù)當前光標位置,動態(tài)導(dǎo)航能猜測用戶意圖,然后用直觀 的圖標將所猜測的約束顯示在相關(guān)圖形的附近。 7、結(jié)構(gòu)規(guī)劃 在進行產(chǎn)品的設(shè)計前,根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求,對產(chǎn)品的整個設(shè)計需要進行大 概的勾勒。這種前瞻性的勾勒主要是確定產(chǎn)品的重要參數(shù),而不涉及產(chǎn)品的具體 細節(jié),屬于概念設(shè)計的范疇,這被稱為結(jié)構(gòu)規(guī)劃。在以后的設(shè)計中,產(chǎn)品的裝配 和零件設(shè)計可以引用結(jié)構(gòu)規(guī)劃中定義
14、的參數(shù),這樣從總體上保持設(shè)計的一致性。 2.3 參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)方法 近十幾年來,國內(nèi)外學(xué)者對參數(shù)化設(shè)計,從方法上做了大量的研究和嘗試, 取得了重大成果,目前參數(shù)化設(shè)計方法 主要有以下幾種: 2.3.1 基于幾何約束的數(shù)學(xué)方式 利用尺寸約束建立方程組,將幾何約束轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c為變元的非線 性方程組,對于給定的約束,通過數(shù)值 方法解非線性方程組,一次解出所有特 征點的坐標值,確定出幾何細節(jié)。采用該方法必須輸入充分且一致的尺寸約 束, 才能求解約束方程組。 2.3.2 基于幾何推理的人工智能方法 人工智能的發(fā)展,促進了參數(shù)化設(shè)計方法的發(fā)展,產(chǎn)生了幾何推理法。這種 方法又有兩個方面
15、:一是建立在專家系 統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用謂語表示幾何約束, 通過推理機制導(dǎo)出幾何細節(jié)。這種方法可檢驗幾何約束模型的合理性并能處 理 局部修改,但系統(tǒng)龐大,對遞歸約束無法處理。二是擴展現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),使其 包含拓撲信息,并通過程序?qū)崿F(xiàn) 從幾何約束到幾何細節(jié)的推理。 2.3.3 基于特征的實體造型方法 特征是作為捕捉設(shè)計者意圖的方式而提出的,以取代用直線、圓弧、圓等基 本幾何元素構(gòu)圖的方式。特征實體具有 一定的智慧,它們不但具有明確的工藝 特征結(jié)構(gòu),而且能始終記憶自己的功能屬性和與其它相關(guān)實體的適應(yīng)關(guān)系。 修 改某一特征實體,會自動引起整個設(shè)計模型的相關(guān)變化,其中包括實體本身的物 理量(如質(zhì)心和慣
16、性矩等數(shù)據(jù)) 的變化。例如,孔特征會始終記憶自己當前的形狀、 位置和負體積特征,機械設(shè)計師能利用自己熟悉的工藝特征( 如孔、倒角、倒圓 等),而非純幾何意義上的體素來組織設(shè)計意圖,使設(shè)計變得容易。 2.3.4 基于關(guān)系的建模方法 以關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)化模型是德國西門子公司首先提出來的。在系統(tǒng) 內(nèi),關(guān)系可建立在所在系統(tǒng)能識別的對 象之間,也可在任意大的模型中建立任 意復(fù)雜的關(guān)系模型,這種關(guān)系的建立過程是以符合設(shè)計師設(shè)計習慣的、非常 簡 便自然的方式進行的。關(guān)系模型的建立能方便地進行修改以適應(yīng)不同用戶的特殊 要求,從而大大提高設(shè)計速度。⑸.基于作圖輔助線法 工程設(shè)計人員在設(shè)計繪圖時,往往
17、先畫一些基準線,稱為輔助線,由輔助線 出發(fā)一步步繪圖,先勾畫總體輪廓,然 后再作細化處理完成圖紙的繪制。系統(tǒng) 把幾何約束及矢量圖等方法,交互地建立工程圖紙的參數(shù)化模型上,實現(xiàn)對 任 意尺寸的參數(shù)化設(shè)計。 3 典型的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng) 七十年代末,美國麻省理工學(xué)院 Gossard 教授提出了他的參數(shù)化設(shè)計思想, 但他的倡導(dǎo)在當時 CAD 領(lǐng)域并未引起重視 ,直到 1987 年底美國 PTC 公司 (Parametric Tech no logy Corporati on)推出了以參數(shù)化、特征設(shè)計為基礎(chǔ)的新一代 實體造型軟件Pro/Engineer后,CAD領(lǐng)域才真正認識到參數(shù)化設(shè)計的巨大威力。
18、而德國西門子公司提出把初次設(shè) 計從生產(chǎn)過程中分離出去,通過標準化、系列 化來減少產(chǎn)品零件數(shù)量的“合理化工程”思想,使具有參數(shù)化設(shè)計功能 的 CAD 系 統(tǒng),進一步把初次設(shè)計從生產(chǎn)過程中分離出來,有效地縮短設(shè)計周期,提高生產(chǎn) 效率和經(jīng)濟效益。 現(xiàn)在許多著名的 CAD 系統(tǒng)(如 UG-II、 I-DEAS, Applicon, CV, Euclid 等)均已 增加了參數(shù)化設(shè)計功能。應(yīng)用 于PC機上典型的參數(shù)化系統(tǒng)是AutoCAD Designer、 Sigraph-desghn 和 GS-ZDDS 等。 3.1 AutoCAD Designer 美國Autodesk公司的AutoCAD De
19、signer二維參數(shù)化設(shè)計軟件是基于特征的 參數(shù)化設(shè)計軟件,它運行于 AutoCAD 平 臺之中,采用與其一致的交互界面,以 便于用戶學(xué)習和掌握。它使機械設(shè)計師能草繪出具有完整尺寸約束的二維圖 形。 在勾畫二維草圖時,設(shè)計者不必拘于精確的尺寸數(shù)值,以便能先著力于零部件的 功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計,而后可利用尺寸約束的機制來規(guī)范草圖。但由于AutoCAD平 臺的核心技術(shù)并不具有參數(shù)化設(shè)計技術(shù),導(dǎo)致 AutoCAD Designer 二維參數(shù)化設(shè) 計軟件在應(yīng)用上存在著種種影響繪圖速度的因素,同時,建立參數(shù)化標準零件庫 方面需要使用者熟練 掌握有關(guān)AutoCAD基礎(chǔ)軟件的編程語言和技巧,妨礙該軟 件的普及。
20、 AutoCAD Designer 會按照設(shè)計者的需要由三維特征實體自動生成各向二維 視圖及全部尺寸標注,在任一視圖中修 改尺寸,均會自動更新特征實體的形狀 及物理屬性,而對特征實體的修改也會自動傳給各向視圖及其尺寸標注。 AutoCAD Designer 的最新版本提供了更為強勁的設(shè)計功能,如具有尺寸約束的裝 配特征造型、干涉檢查、明細表 生成、裝配模型關(guān)聯(lián)變化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零部件 關(guān)系的全面管理等。這些先進的參數(shù)化特征實體結(jié)構(gòu)及其簡明的生成 和修改方 法,使AutoCAD Designer成為PC平臺上用于工程設(shè)計方面最富競爭力的CAD軟 件。 3.2 Sigraph-desghn S
21、igraph-desghn二維參數(shù)化設(shè)計軟件是德國西門子(Siemens)公司推出的基于 智能關(guān)系型的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。 該系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),關(guān)系 可在系統(tǒng)能識別所有對象之間建立,如圖素之間的聯(lián)系,視圖之間的 對應(yīng)關(guān)系, 設(shè)計公式與設(shè)計表達式的相互對應(yīng)關(guān)系,裝配圖與零件圖之間的對應(yīng)關(guān)系,零件 間的運動聯(lián)系。為表達 這些關(guān)系, Sigraph-desghn 提供了設(shè)計師非常熟悉的幾何 聯(lián)系變量與分式、表格等工具,通過綜合應(yīng)用這些工具 ,設(shè)計所需的知識與約 束可在計算機內(nèi)獲得充分的表達和處理。 Sigraph-desghn是專門的機械設(shè)計CAD系統(tǒng),為用戶提供了建立常用件和標 準件
22、參數(shù)化圖庫功能,支持從概念設(shè) 計到結(jié)構(gòu)設(shè)計,從部件設(shè)計到零件設(shè)計。 它還包含以下功能:圖形與尺寸的雙向驅(qū)動、可參數(shù)化的用戶元素、分級 式層 功能、可見性優(yōu)先級控制和面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化圖標界面等。Sigraph-desghn充分 體現(xiàn)了“合理化工程”的思想 。 3.3 GS-iCAD GS-iCAD 參數(shù)化二維繪圖系統(tǒng)是浙大大天信息有限公司推出的基于作圖輔助 線方法并結(jié)合幾何 約束、實體造型、關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及人工智能等部分理論 的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng),它運行在Windows 9x/NT基礎(chǔ)平臺上,采用圖標化、指令 全漢化和在線幫助,使設(shè)計命令結(jié)構(gòu)簡單、智能化程度高、操作自然流暢、界面 友好、整 體
23、結(jié)構(gòu)美觀大方,便于用戶學(xué)習、掌握與操作。設(shè)計者在設(shè)計 (勾畫) 二維工程草圖時,可不拘于圖形的尺寸精確 性,利用系統(tǒng)的導(dǎo)航功能,快速、 準確地進行產(chǎn)品零部件的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計,最后以尺寸約束的原理來對草圖規(guī)范 草圖,形成全參數(shù)化二維工程設(shè)計圖和不同的設(shè)計方案。是企業(yè)實現(xiàn)或體現(xiàn)“合 理化工程”思想的主要工具之一。 GS-iCAD是一套專業(yè)機械設(shè)計CAD系統(tǒng),它向用戶提供了參數(shù)化標準件圖庫 和各種符號庫,并向用戶開放建庫功 能,支持從產(chǎn)品概念設(shè)計到具體結(jié)構(gòu)設(shè)計, 從部件設(shè)計到零件設(shè)計。 4 參數(shù)化繪圖技術(shù) 在工程設(shè)計中,一方面,進行新產(chǎn)品設(shè)計時不可避免地需要多次反復(fù)修改, 需要進行零件結(jié)構(gòu)和尺
24、寸的綜合協(xié)調(diào)、優(yōu)化。另一方面,從大量機械、電子等系 列產(chǎn)品的圖紙中可以發(fā)現(xiàn),同一種基本結(jié)構(gòu)形式的零部件,其圖形結(jié)構(gòu)具有一定 的相似性,往往只是尺寸的大小不同,其圖形隨尺寸參數(shù)的變化而相應(yīng)變化。特 別是對于結(jié)構(gòu)定型的產(chǎn)品設(shè)計,需要針對用戶的需求提供不同噸位、功率、規(guī)格 的產(chǎn)品型號進行設(shè)計,以便形成系列。因此,希望有一種比交互式繪圖更方便、 更高效、更適合結(jié)構(gòu)相似圖形繪制的方法。參數(shù)化方法比較好的解決了這一問題, 在實際工程設(shè)計中得到了非常廣泛的應(yīng)用。 4.1 參數(shù)化編程原理及步驟 圖形的描述可以分為三部分:圖形的拓撲關(guān)系,圖形的幾何參數(shù)(如點的坐 標)以及這些幾何參數(shù)與圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)(如圖形的
25、長和寬等)之間的聯(lián)系。 參數(shù)化編程方法的實質(zhì),就是將圖形信息記錄在程序中。它用一組變量記錄 圖形的幾何參數(shù),用一些類似上述關(guān)系的賦值語句表達這些幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù) 之間的關(guān)系,然后再調(diào)用一系列繪圖語句來描述圖形的拓撲關(guān)系。這種方法的優(yōu) 點是程序一旦編制完畢,操作非常方便,用戶不需要調(diào)用交互繪圖命令逐條地繪 制圖形,只需向程序提供繪圖所要求的一些參數(shù),并且尺寸參數(shù)也可直接從其他 分析、設(shè)計程序獲得。但它也有局限性。第一,編程調(diào)試過程比較美滿 ;第二, 程序完成,圖形的結(jié)構(gòu)也就固定,若想改變結(jié)構(gòu),只能修改程序。所以,這種方 法特別適用于結(jié)構(gòu)固定的系列化產(chǎn)品,如標準零件和結(jié)構(gòu)不便的常用零件。 圖形
26、參數(shù)化程序編寫步驟如下: 1、分析圖形的拓撲關(guān)系及其變化規(guī)律,提煉出圖形結(jié)構(gòu)參數(shù); 2、建立圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)與幾何參數(shù)之間的關(guān)系,構(gòu)建圖形的參數(shù)化模型; 3、編制、調(diào)試圖形程序。 4.2 圖形參數(shù)的確定 通常,圖形參數(shù)化程序的控制參數(shù)有四類: (1)位置參數(shù):確定圖形位于零 件圖上的定位基點坐標;(2)方位參數(shù):確定圖形的方位;(3)結(jié)構(gòu)參數(shù):確定圖形的 結(jié)構(gòu)形狀;(4)控制參數(shù):控制圖形的結(jié)構(gòu)或視圖的方向。 在確定具體圖形參數(shù)時,需要根據(jù)圖形的具體情況,通??梢詮囊韵聨追矫婢C合 考慮: 1、要保證圖形參數(shù)可以唯一地確定圖形。對于抽象的幾何圖形,一般用幾 何尺寸作為圖形參數(shù)。為保證圖形
27、參數(shù)唯一地確定圖形,可事先對圖形進行尺寸 試標注,或者用一組參數(shù)試畫圖形。 2、機械圖中的圖形已不再是抽象的幾何圖形,而是表示具體零件的結(jié)構(gòu), 因此參數(shù)的名稱和定義應(yīng)盡量結(jié)合工程實際。 3、優(yōu)先考慮將描述零件規(guī)格、性能的參數(shù)作為圖形參數(shù)。 4、為便于用戶操作,參數(shù)的個數(shù)應(yīng)盡量少。 5、在不影響對零件表達的情況下,圖形的某些部分可采用簡化畫法,或使 其與某些參數(shù)建立一定關(guān)系,從而省去一些參數(shù)。 6、為便于參數(shù)輸入操作,在程序編制時可采取不同的輸入方式。參數(shù)較少 時可以用交互輸入方法,參數(shù)較多時可以采用數(shù)據(jù)文件方式。 5 AUTOCAD2010 參數(shù)化功能介紹 參數(shù)化特性是Auto
28、CAD 2010中新增的功能,這個功能能夠使AutoCAD對象 變得比以往更加智能!參數(shù)化繪圖的兩個重要組成部分幾何約束和尺寸現(xiàn)在都已 經(jīng)集成在AutoCAD2010中。 5.1 基本概念 5.1.1 參數(shù)化約束概念 在工程的設(shè)計階段,通過約束,可以在試驗各種設(shè)計或進行更改時強制執(zhí)行 要求。對對象所做的更改可能會自動調(diào)整其他對象,并將更改限制為距離和角度 值 通過約束,用戶可以: ?通過約束圖形中的幾何圖形來保持設(shè)計規(guī)范和要求 ?立即將多個幾何約束應(yīng)用于對象 ? 在標注約束中包括公式和方程式 ? 通過修改變量值可快速進行設(shè)計修改 有兩種常用的約束類型: 幾何約束:控制對象相
29、對于彼此的關(guān)系 尺寸(標注)約束:控制對象的距離、長度、角度和半徑值 最佳經(jīng)驗:建議首先在設(shè)計中應(yīng)用幾何約束以確定設(shè)計的形狀,然后應(yīng)用標 注約束以確定對象的大小。 5.1.2 使用約束進行設(shè)計 創(chuàng)建或更改設(shè)計時,圖形會處于以下三種狀態(tài)之一: ? 未約束:未將約束應(yīng)用于任何幾何圖形。 ? 欠約束:將某些約束應(yīng)用于幾何圖形。 ? 完全約束:將所有相關(guān)幾何約束和標注約束應(yīng)用于幾何圖形。完全約束 的一組對象還需要包括至少一個固定約束,以鎖定幾何圖形的位置。 因此,有兩種方法可以通過約束進行設(shè)計: ? 可以在欠約束圖形中進行操作,同時進行更改,方法是:使用編輯命令 和夾點的組合,添加或
30、更改約束。 可以先創(chuàng)建一個圖形,并對其進行完全約束,然后以獨占方式對設(shè)計進 行控制,方法是:釋放并替換幾何約束,更改標注約束中的值。 5.2 參數(shù)化:幾何約束 幾何約束支持對象或關(guān)鍵點之間建立關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)的對象捕捉是暫時性的,而 現(xiàn)在,約束被永久保存在對象中,以能夠更加精確的實現(xiàn)設(shè)計意圖。例如,您可 能希望兩條線段始終保持垂直狀態(tài),或使一個弧形和一個圓形始終保持同心狀 態(tài)。我們可以利用“參數(shù)化”選項卡添加和控制幾何約束。同時也可以使用“ 幾何 約束”命令進行。添加幾何約束時只需選擇一個幾何約束工具(例如 “平行”), 然后選擇兩個我們希望保持平行關(guān)系的對象。選擇的第一個對象非常重要,因為
31、第二個對象將根據(jù)第一個對象的位置進行平行調(diào)整。所有的幾何約束都遵循這個 規(guī)則。 約束特性快速入門: -重合+確保兩個對象在一個持宦點上重合」此特定點.也可以位于經(jīng)過延畏的對象之上.4 y共線:使第二個對象和第一飾寸象位于同一牛直線上.* 日心1使兩個弧形、園形氏瞞凰形?(莎三肴中的任意兩個)?諜持同心關(guān)系-* ?固定:將對象上的一點固宦在世界坐標系的某一坐標上.亠 "平行:使兩條竝段或多段線段保持平行關(guān)系.(垂直:使兩條線段或多段線段保持垂直關(guān)系。\ R水平:使—奈線段或一個對象上的兩仝點保持水平.f平行于X軸)° 4 !豎直:使一條線段或一H寸象上的兩個點保持豎直為平
32、行于Y軸)° * 正切:使兩個對象(例如一于弧■形和一條直線》保持正切關(guān)系.* 卞相連:將一條樣條線連接到另一祭直綣弧線、多線段或樣條線上,同時4呆持G2連綻性.* [口對稱:相當于—沖鏡像命年若干對象在此項操作后-始線保持對稱關(guān)系.* =相等:一種實時的保存工具,因?qū)澘偰軌蚴谷斡齼蓷l直線始銭保持等長,或使兩個圓形具有相等的 半徑.修改其中「亍對象右,另一年對象將自動更新!此處還包含一亍毬夫的多功能選項.* 對象上的幾何圖標表示所附加的約束??梢詫⑦@些約束欄拖動到屏幕的任意 位置,也可以通過選擇 ribbon 界面上的“隱藏全部”或“顯示全部”功能將其隱藏或 恢復(fù)?!帮@示”選項選擇希
33、望顯示約束欄的對象。還可以利用“約束設(shè)置管理器”對 多個約束欄選項進行管理。 自動約束這是一款有史以來最棒的工具!選定一組之前繪制的對象后, AutoCAD 將自動根據(jù)我們的需求對其進行約束。利用“約束設(shè)置管理器”中的“自 動約束”選項卡,能夠設(shè)置優(yōu)先級和容差等參數(shù),同時如果我們不想使用 ribbon 界面,“約束設(shè)置”命令也可以實現(xiàn)相同的效果。 5.3 參數(shù)化:尺寸約束 AutoCAD 中的幾何體和尺寸參數(shù)之間始終保持一種驅(qū)動的關(guān)系。我們繪制一 條長度適當?shù)木€段,然后修改它的尺寸參數(shù)。根據(jù)尺寸對幾何體進行驅(qū)動意味著 什么?當我們改變尺寸參數(shù)值時,幾何體將自動進行相應(yīng)更新!
34、“尺寸約束”位于 ribbon 界面中“參數(shù)化”選項卡的中部。同樣我們也可以使用“尺寸約束”命令。 arame^ric Hide All Oimensiarial Show Dynamic Constraints Lin 亡前 Aligrwd View Manage Output Express TddI AutoCAD 2010 我們可以在這里找到標準類型的尺寸,而且這些尺寸能夠?qū)缀误w進行驅(qū) 動。例如,我們使用“半徑”選項改變一個圓形的尺寸,然后通過簡單地改變尺寸 參數(shù)值對該圓形進行控制。如此,對幾何體進行尺寸約束、尺寸變更和尺寸限定 就變得容易很多了。當兩個孔需要
35、始終保持3mm的間距時,就可以通過尺寸約 束強制 保持此距離,而幾何體其它部分發(fā)生的任何變化都不會對其產(chǎn)生影響。 同時,我們還可以使用"尺寸約束(DIMCONSTRAINT)”命令將傳統(tǒng)的尺寸轉(zhuǎn)化為 新的約束尺寸。 Exp... Constraints Name :-■ Dtmenseonal :' di日 1 S radl fiSangl Value bolt_hole/2 0.50 .5 0.50 120 120 Arm2;l 4.00 5 5.00 “鎖定”圖標能有效區(qū)分約束尺寸和傳統(tǒng)尺寸。它們的尺寸是恒定縮放的(始 終保持同一尺寸),幾何約束尺寸不可
36、變更。每個圖標都指定一個名稱,例如 D1或Ang1。可以通過參數(shù)管理器對這些名稱進行全面定制,此外,我們還能創(chuàng) 建我們自己的用戶參數(shù)。同時可以根據(jù)其它參數(shù)值對表達式進行設(shè)置。 aVdrml 宜 arm2 User Variables 1.00 bolt_hole 6 of 6 parameter^displayed 約束設(shè)置管理器能夠?qū)Τ叽缂s束的顯示進行控制??梢岳闷渲伙@示參數(shù)值 而不顯示表達式,或關(guān)閉“鎖定” 圖標。 通過雙擊尺寸文本或在參數(shù)管理器中改變參數(shù)值,對尺寸約束進行編輯也會 變得非常簡單快捷。還可以將約束更名為我們更喜歡或者更恰當?shù)拿Q。變更為 尺寸約束可以打
37、印嗎?一般來說都會產(chǎn)生疑問,但是只需選定希望打印的尺寸, 然后使用“特性管理器”將其 轉(zhuǎn)化為標注尺寸即可。您還可以控制樣式和大小。 而且令人高興的是,它們?nèi)詾闃俗⒅悄軒缀渭s束,這意味著我們依舊可以簡 單方便地通過雙擊改變這些參數(shù)值! 同時要提醒大家,如果您希望從一開始就使用標注尺寸,請將 "CCONSTRAINTFORM”系統(tǒng)變量設(shè)為“1”或在"尺寸約束”命令中選擇"形狀”選項。 上面只是對 AUTOCAD2010 所提供的參數(shù)化功能進行了簡單的介紹,如果想 詳細里了解此功能,最好的方法還是自己試用 AUTOCAD2010 的參數(shù)化功能,此 處不再進行詳細的介紹。 6 Z
38、WCAD 參數(shù)化設(shè)計愿景與范疇定義 2009年,Autodesk發(fā)布了AutoCAD 2010,其中最顯著的新功能是提供了通用的2D參數(shù) 化設(shè)計功能。該功能和專業(yè)的二次開發(fā)商提供的參數(shù)化功能相比,雖然沒有提供豐富的行業(yè) 相關(guān)的參數(shù)化庫和更加細致化的功能,但是卻為實現(xiàn)這些功能提供了堅實的基礎(chǔ),大大降低 了開發(fā)參數(shù)化尺寸驅(qū)動類型的二次開發(fā)應(yīng)用的門檻。同時Aut oCAD2010的2D參數(shù)化設(shè)計在功 能的交互上非常人性化,提供了值得贊許的可視化約束關(guān)系和界面編輯,在命令行和鼠標操 作兩種方式上都做到很精致,是其他參數(shù)化二次開發(fā)軟件無法比擬的。 AutoCAD 2010的發(fā)布,在功能上又拉大了和Z
39、WCAD的差距,一些客戶立即做出反應(yīng)要求 我們兼容Auto CAD的參數(shù)化功能,這個壓力隨著時間推移只會越來越大 于此同時,王清輝教授的參數(shù)化項目正是在ZWCAD上提供類似AutoCAD的參數(shù)化功能。我 們希望在王教授的配合下,最終的ZWCAD上的參數(shù)化功能是商業(yè)級別的產(chǎn)品,同時滿足ZWCAD 發(fā)展本身和王教授方項目的要求。 基于以上狀況,我們需要對ZWCAD參數(shù)化項目的前景做一個展望,對整體進行一個規(guī)劃 和協(xié)調(diào)。 6.1 愿景描述 該項目完成后將為 ZWCAD 提供一個基礎(chǔ)性的通用的 2D 參數(shù)化設(shè)計功能。 其中包括8個最基本的幾何約束和7種尺寸約束(acad里稱為動態(tài)約束或標注
40、約束)。 項目提供的參數(shù)化功能在使用上和理解上和文件保存格式上和 AutoCAD 2010 保持高度的兼容性。 使用該參數(shù)化約束功能,用戶能夠在工程的設(shè)計階段,以人性化的交互在 ZWCAD 上進行各種實驗或草圖設(shè)計,在設(shè)計發(fā)生變更或者修改時強制執(zhí)行約束 來保持設(shè)計規(guī)范和要求。同時,對對象所做的更改能夠自動更新其相關(guān)聯(lián)對象。 在尺寸約束中還可以設(shè)計包括公式和方程式的參數(shù),通過統(tǒng)一的界面可以對參數(shù) 值進行修改,實時反應(yīng)到圖形中。 參數(shù)化約束功能將通過命令行以及方便的類 acad 用戶交互方式呈現(xiàn)出來, 二次開發(fā)商在這些平臺功能的基礎(chǔ)上開發(fā)專業(yè)的參數(shù)化工具的門檻大大降低。一 些行業(yè)相關(guān)的制造
41、約束和符號約束甚至參數(shù)化零件庫等可以方便通過二次開發(fā) 創(chuàng)建出來。 參數(shù)化功能和平臺的其他的很多命令會發(fā)生關(guān)系,屬于對全局有影響的功 能。一些命令如 MOVE/COPY 和夾點編輯約束不會丟失,另一些命令如 TRIM、 EXTEND 等命令會導(dǎo)致約束刪除,而不會妨礙該命令執(zhí)行,約束處于被動狀態(tài)。 總的來說應(yīng)不會影響用戶使用體驗。目前暫以 AutoCAD 的實現(xiàn)為參考,但未來 ZWCAD 可以考慮在所有命令中都堅持盡量不要刪除約束原則。 6.2 特性列表 1. 提供 2D 的參數(shù)化設(shè)計的功能。只有在同一平面內(nèi)的實體之間才有參數(shù) 化約束關(guān)系,若帶約束的實體轉(zhuǎn)換到另一平面,則原平面內(nèi)的和其有關(guān)
42、的所有約束關(guān)系自動刪除。 2. 提供幾何約束功能。共有 8 種幾何約束提供。還可以使用自動約束,按 設(shè)置可選擇的、可變優(yōu)先順序的應(yīng)用于選擇對象集合。這8 個幾何約束 是重合、共線、同心、平行、垂直、相切、水平、豎直。另外提供顯示 或隱藏幾何約束表示的切換功能。 3. 提供尺寸約束。包括線性、水平、垂直、對齊、角度、半徑、直徑 7 種 尺寸約束,能夠?qū)⒁话銟俗嶓w轉(zhuǎn)換成尺寸約束,對尺寸約束值的更改 能驅(qū)動改變所標注的對象尺寸。 4. 提供命令行和鼠標兩種輸入方式。所有參數(shù)化約束關(guān)系的建立刪除操作 必須都能夠讓用戶從命令行和鼠標兩種不同的輸入方式進行操作確認。 5. 能建立約束的實體可以是
43、本數(shù)據(jù)庫的 Entity 也可以是 Insert 或者 LWPOLYLINE 中的子實體。這種約束關(guān)系可以是單個的幾何或者尺寸約 束,也可以是多個不同約束的復(fù)合。 6. 可以在塊編輯中使用約束來設(shè)計當前文檔的塊。(注意外部參照不要求也 不能要求使用約束)。 7. 提供一個自動約束的功能,能夠按照設(shè)置自動給選擇實體完成添加約束。 8. 通過編輯(包括夾點拖動和拉伸等)有約束的實體可以實時更新與其有 約束關(guān)系的實體幾何尺寸但不包括約束標注,被編輯實體應(yīng)首先滿足尺 寸約束。通過修改約束標注和修改約束標注尺寸,可以更新該約束標注 所標注的實體幾何尺寸。 9. 提供約束參數(shù)管理。刪除約束:刪除
44、選定對象相關(guān)聯(lián)的所有約束。參數(shù) 管理器:列出標注變量和自定義變量??梢栽O(shè)計用戶自定義的公式求值。 并且可以應(yīng)用于約束標注中。約束標注的尺寸值可以用常量表示也可以 使用變量表示。這些常量和變量都可以在一個參數(shù)管理器里面進行管 理。在參數(shù)管理器中還可以添加用戶變量,在定義變量時還可以使用一 些簡單的公式和函數(shù)。 10. 能夠在受約束實體被編輯過后,能夠有效的自動更新相關(guān)聯(lián)的其他實體。 包括夾點拖動或者拉伸等操作的過程中,也要能實時體現(xiàn)約束求解后的 表現(xiàn)。 11. 在人機交互上,提供可視的約束關(guān)系表示,以一個或多個小工具欄(稱 之為約束欄)進行表示,對于每一個受約束實體的一個約束都有一個獨 立的
45、表示。例如兩個平行約束關(guān)系的直線對,在界面上能看到兩個指向 同一個約束的表示。通過右鍵點擊該工具欄能夠彈出菜單進行編輯???以按照設(shè)置顯示或者隱藏該表示。 12. 提供一個參數(shù)化功能的設(shè)置界面。以對幾何約束表示,尺寸約束表示和 自動約束的屬性進行設(shè)置。 13. 對于不能求解的約束和變量要能夠反饋給用戶。 14.可以使用編輯命令(例如MOVE、COPY、ROTATE和SCALE)和夾點編 輯修改受約束的幾何圖形。結(jié)果應(yīng)用于對象的約束會保留。而 TRIM、 EXTEND、 BREAK 和 JOIN 命令可以刪除約束。 15. 該項目的最終版本,將能夠使保存的文件格式兼容 ACAD 2010。 16. 相關(guān)設(shè)計文檔齊全。項目文檔和幫助文檔等應(yīng)配置整齊。 6.3 開發(fā)人員要求 開發(fā)團隊至少應(yīng)有具備以下知識的成員: 1) 需要理解 DWG 圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其使用。 2) 熟悉 ODA3.2 的源代碼(特別是參數(shù)化部分)。 3) 會使用 D-CUBE 求解器。 4) 對DXF中的詞典和反應(yīng)器特別是永久反應(yīng)器的使用應(yīng)有了解。 5) 對夾點拖拽過程機制比較熟悉,特別是對臨時對象的替換應(yīng)有足夠了解 6) 對捕捉處理機制應(yīng)足夠了解。 7) 掌握字符串表達式解析方法,并能夠解析成內(nèi)部對象。 8) 掌握自定顯示對象的實現(xiàn)。 9) 具備一定的反匯編能力。
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