1、二維 CAD 中參數化設計的應用一個完整的 CAD 系統，應由科學計算、圖形系統和工程數據庫等組成。若加入人工智能和專家系統技術，可大大提高設計的自動化水平，可對產品進行總體方案設 計，實現對產品 設計的全過程提供支持。 科學計算包括有限元分析、可靠性分析、 動態分析、 產品的常規設 計和優 化設計等 ;圖形系統包括幾何 （特征）造型、 自動繪圖 （二維工程圖、 三維實體圖 ）、動態 仿真等 ;工程數據庫對 設計過程中需要使用和產生的數據、圖形、文檔等進行存貯和管理。傳統意義上的 CAD 系統 （軟件）技術已進入了成熟的發展時期，今后CAD 技術的總體發展趨勢是不斷地向設計、產 品、開發和應用

2、的全過程拓展其內涵，在更高的層次上、更廣 泛的范圍內，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 化等方向發展。目前 CAD 軟件一般分為三維造型設計軟件和二維工程設計（或繪圖 ）軟件，它們的參數化設計方法也不同。三維造 型設計軟件用于產品的實體造型，其主要技術為參數化特征造型 （構造三維模型 ）技術，代表產品為 Por/Engineer 、 I-Deas、 CADDS-5、GS-CAD2000 等等。二 維工程設計 （繪圖 ）軟件用于產品的工程圖 （二維平面 ）設計， 其主要技術為構造幾何約束以實 現尺寸驅動的參數化設計和繪圖，代表產品為Sigraph-desghn

3、、 AutoCAD Designer、 GS-ZDDS在二維CAD系統中，系統參數化技術分為參數化設計 （Parameric Design）和參數化繪圖 （Parameric Drawing ） 兩種。該兩種技術所代表的設計思路不同，即參數化設計以設定驅動參 數和尺寸驅動為主要技術原理，而參數化 繪圖則以計算機高級語言編程使具體圖形實現參 數化為主要技術原理。一. 參數化設計概述參數化設計的主體思想是用幾何約束、 工程方程與關系來說明產品模型的形狀特征， 從 而達到設計一簇在形狀或功 能上具有相似性的設計方案。目前，能處理的幾何約束類型基 本上是組成產品形體的幾何實體公稱尺寸關系和尺寸 之間的

4、工程關系，因此，參數化造型 技術又稱初次驅動幾何技術。參數化實體造型中的關鍵是幾何約束關系的提取和表達、幾何約束的求解以及參數化幾何模型的構造。 目前二維參數化技術已發展得較為成熟， 在參數 化設計與繪 圖方面已得到了廣泛應用。1何謂參數化設計參數化設計（Parameric Desig n）也稱變量化設計 （Variati on al Desig n）是美國麻省理工學院 Gossard教授提出 的，它是CAD領域里的一大研究熱點。近十幾年來，國內外從事CAD研究的專家學者之所對其投入極大的精力和熱 情進行研究，是因為參數化設計在工程實際中 有廣泛的應用價值。在有關 CAD 的科技書刊或論文中經

5、常出現下列術語：參數化設計、草圖設計、參數化 繪圖、圖形參數化等。 何謂參 數化設計 ?為了回答這個問題， 首先要搞清參數化設計的目的。 軟件設計者無論采用何種方法，基于何種環境開發 參數化設計系統，其目的都是通過圖形 驅動 （或尺寸驅動 ）方式在設計繪圖狀態下修改圖形。參數化設計通常是指軟件設計者為繪圖及修改圖形提供一個軟件環境， 工程技術人員在這個環境下所繪制的任意圖形均可以被參 數化， 修改圖中的任一尺寸，均可實現尺寸驅動，引起相關圖形的改變。草圖設計是近十年出現的新提法， 具有草圖設計功能的系統， 允許用戶在設計繪圖中首 先進行草圖設計，即不必關 心線段連續是否準確，線段是否水平或垂直

6、，在草圖上標出重 要的尺寸，系統會自動使線段連接準確及位置準確，從而實現尺寸驅動。草圖設計與參數化設計的目的是相同的，盡管草圖設計的設計階段有一定的靈活性，但有些CAD 系統已具 備正交功能和目標捕捉功能，因此，草圖設計實質上也可以統一到參數化設計上來。2參數化設計的實現方法近十幾年來， 國內外學者對參數化設計， 從方法上做了大量的研究和嘗試， 取得了重大 成果，目前參數化設計方法 主要有以下幾種：基于幾何約束的數學方式利用尺寸約束建立方程組，將幾何約束轉變為一系列以特征點為變元的非線性方程組， 對于給定的約束，通過數值 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。采用該

7、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。基于幾何推理的人工智能方法人工智能的發展， 促進了參數化設計方法的發展， 產生了幾何推理法。 這種方法又有兩 個方面：一是建立在專家系 統的基礎上，采用謂語表示幾何約束，通過推理機制導出幾何 細節。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，但系統龐大，對遞歸約束無法處理。二是擴展現有的數據結構，使其包含拓撲信息，并通過程序實現從幾何約束到幾何細節的推理。.基于特征的實體造型方法特征是作為捕捉設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構，而

8、且能始終 記憶自己的功能屬性和與其它相關實體的適應關系。 修改某一特征實體，會自動引起整個 設計模型的相關變化， 其中包括實體本身的物理量 （如質心和慣性矩等數據 ） 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計意圖， 使設計變得容易。.基于關系的建模方法 以關系型數據結構構造參數化模型是德國西門子公司首先提出來的。 在系統內， 關系可 建立在所在系統能識別的對 象之間，也可在任意大的模型中建立任意復雜的關系模型，這 種關系的建立過程是以符合設計師設計習慣的、非常 簡便自

9、然的方式進行的。關系模型的 建立能方便地進行修改以適應不同用戶的特殊要求，從而大大提高設計速度。.基于作圖輔助線法工程設計人員在設計繪圖時， 往往先畫一些基準線， 稱為輔助線， 由輔助線出發一步步 繪圖，先勾畫總體輪廓，然 后再作細化處理完成圖紙的繪制。系統把幾何約束及矢量圖等 方法，交互地建立工程圖紙的參數化模型上，實現對 任意尺寸的參數化設計。二. 參數化繪圖概述帶有參數化設計功能的 CAD 系統固然在設計繪圖上有某些顯著特點，如不需要編程就 可實現圖形的參數化，修改圖 形及其方便，工作量小，且可由草圖生成正式圖。然而，當 零件結構非常復雜及形狀極不規則時，參數化設計就顯得力不從心。為了區

10、別于參數化設計，把應用高級語言編程使具體圖形實現參數化稱為參數化繪圖（Parameric Drawing）,在參數化繪圖中，圖中的部分尺寸 （或全部尺寸 ）被事項定義為參數尺寸，當交互輸入參數值后， 即 可畫出圖形。參數化繪圖是通過編程實現具體圖形參數化的, 因此要求設計者具備編程能力, 存在工 作量大,修改圖形不方便等 問題。但它應用靈活,適應面廣。對某些應用參數化設計系統 解決不了的問題，通常可采用參數化繪圖的方法加以解決，例如在開發某些機器的 CAD系統時, 要求設計、 計算、查表、繪圖一體化時, 顯然適合采用參數化繪圖的方 法加以解決。通過編程實現參數化繪圖, 其程序設計的總體思路是：

11、 將設計計算的關系式融入程序中, 在程序的控制下,執行計 算及交互輸入主要參數,程序應能對參數輸入進行有效性檢驗, 根據用戶的交互輸入完成視圖的繪制。三. 典型的參數化設計系統 七十年代末，美國麻省理工學院Gossard 教授提出了他的參數化設計思想，但他的倡導在當時 CAD 領域并未引起重視 ，直到 1987 年底美國 PTC 公司 (Parametric Technology Corporation)推出了以參數化、 特征設計為基礎的新一代實體造型軟件 Pro/Engineer后，CAD領域才真正認識到參數化設計的巨大威力。而德國西門子公司提出把初次設計從生產過程中分離出去，通過標準化、系

12、列化來減少產品零件數量的“合理化工程”思想，使具有參數 化設計功能 的CAD系統，進一步把初次設計從生產過程中分離出來，有效地縮短設計周期，提高生產效率和經濟效益。現在許多著名的 CAD系統(如UGII、I-DEAS Applicon，CV，Euclid等)均已增加了參數 化設計功能。應用 于 PC 機上典型的參數化系統是 AutoCAD Designer、 Sigraph-desghn 和 GS-ZDDS 等。1. AutoCAD Designer美國 Autodesk 公司的 AutoCAD Designer 二維參數化設計軟件是基于特征的參數化設計 軟件，它運行于 AutoCAD 平 臺

13、之中，采用與其一致的交互界面，以便于用戶學習和掌握。 它使機械設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，設計者不必 拘于精確的尺寸數值，以便能先著力于零部件的功能和結構設計，而后可利用尺寸約束的機制來規范草圖。 但由于 AutoCAD 平臺的核心技術并不具有參數化設計技術， 導致 AutoCAD Designer 二維參數化設計軟件在應用上存在著種種影響繪圖速度的因素，同時，建立參數 化標準零件庫方面需要使用者熟練 掌握有關 AutoCAD 基礎軟件的編程語言和技巧， 妨礙該 軟件的普及。AutoCAD Designer 會按照設計者的需要由三維特征實體自動生成各向二維視圖

14、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、裝配模型關聯變化、 產品結構和零部件關系的全面管理等。 這些先進的參數化特征實體結構及其簡明 的生成 和修改方法，使 AutoCAD Designer成為PC平臺上用于工程設計方面最富競爭力的 CAD軟件。2. Sigraph-desghnSigraph-desghn二維參數化設計軟件是德國西門子(Siemens)公司推出的基于智能關系型的參

15、數化設計系統。 該系統核心數據結構是關系型數據結構，關系可在系統能識別所有對 象之間建立，如圖素之間的聯系，視圖之間的 對應關系，設計公式與設計表達式的相互對 應關系，裝配圖與零件圖之間的對應關系，零件間的運動聯系。為表達這些關系，Sigraph-desghn 提供了設計師非常熟悉的幾何聯系變量與分式、表格等工具，通過綜合應用 這些工具 ，設計所需的知識與約束可在計算機內獲得充分的表達和處理。Sigraph-desghn是專門的機械設計 CAD系統，為用戶提供了建立常用件和標準件參數化 圖庫功能，支持從概念設 計到結構設計，從部件設計到零件設計。它還包含以下功能：圖 形與尺寸的雙向驅動、可參數化的用戶元素、分級 式層功能、可見性優先級控制和面向對 象的結構化圖標界面等。 Sigraph-desghn 充分體現了“合理化工程”的思想 。3. GSiCADGSiCAD參數化二維繪圖系統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 合幾何 約束、實體造型、關系型數據結構以及人工智能等部分理論的參數化設計系統，它 運行在 Windows 9x/NT 基礎平 臺上，采用圖標化、指令全漢化和在線幫助，使設計命令結 構簡單、智能化程度高、操作自然流暢、界