分层参数化设计方法及其在产品快速设计系统中的应用

石海波

SHI Hai-bo

（江苏大学 附属医院，镇江 212001）

0 引言

参数化方法是产品模型修改和变形设计的需要，是设计自动化所采用的关键技术之一[1]。目前，许多CAD建模软件提供了参数化设计能力，通过参数尺寸驱动，甚至是拓朴结构的变化改变零件的结构形式和尺寸，便捷地生成一系列相似零件的三维实体，这种通过参数化设计方法在产品设计中已经占有重要的地位[2,3]。在设计的初始阶段，有许多设计参数对于产品形状模型而言，没有具体的几何意义，只有一些工程上的意义，但是它们往往是设计的关键参数，必须在设计模型中被有效地定义和表达，以便后续设计过程得以正常进行，而且从部件层、零件层，再到特征层对各个层次参数的逐步细化设计模型的定义过程，正好体现了自顶向下的设计特点[4,5]。然而，在实际的产品设计过程中，更多的是产品的改型设计，相对于产品的细节设计，设计者更多的关注产品的整体功能，这种自顶向下的设计模式就不能很好地将设计者从烦琐的细节设计中解放出来，提高产品的设计效率。另外，企业现有的设计大都是一种浅层次的计算机辅助设计，对于某一成熟企业，对特定产品的设计已基本趋于稳定，设计者大都是进行重复性的几何设计，设计效率较低，为了提高产品的设计效率，实现产品快速设计，主要有两种途径：一种是开发各种产品设计的专用知识库系统，如标准件库、典型结构库等，另一种是开发各种专用的产品快速设计系统[6]。基于此，本文将提出一种分层参数化的设计方法，并将该方法应用于产品快速设计系统中。

1 分层参数化设计方法

对于复杂的产品，在进行参数化设计时，若采用单层的方式描述，不仅会加大参数化设计的难度，使得参数约束难以求解，而且在处理部件/产品的三维参数化问题时，主要是引入全局变量，并通过尺寸链关系同时作用于产品的部件和零件，这种参数化设计方法具有简洁、方便的优点，能实现具有连续变化的关系，但在实际设计过程中很难找到简洁的尺寸链关系，且不能实现类似标准件的具有离散变化特性的关系。

企业在设计和生产时常常将复杂的产品划分为多层次的部件、小部件或者零件，这样更便于产品的生产和管理。本文将从尺寸的变化特性将产品结构分为连续变化特性的结构和离散变化特性的结构。对于连续变化特性的结构根据其参数化的程度，将结构的参数化设计分为四个层次：部件层参数化、零件层参数化、特征层参数化以及草图层参数化，如图1所示；部件层参数作用与产品概念设计阶段，是与产品功能相关的尺寸参数，表征产品的功能属性，是设计者在设计过程中最终关注的尺寸，属于高层次的抽象的设计参数，一般较容易从产品设计要求中得出；零件层参数作用与产品设计的后期，是表征产品几何属性的参数，是由上一层参数经过计算得来的；特征参数是定义零件各形状特征位置与大小的各种数据，是由零件层参数计算得来；特征层参数是用于计算产品各结构的拓朴形状与大小的参数，是产品设计结构参数最终作用参数，直接用于各结构尺寸的求解。

图1 连续变化特性的结构分层参数化设计方法示意图

对于具有离散化特性的结构，如标准件、常用的典型结构件等利用离散数据表的形式进行管理，通过设计标准参数库实现结构的参数化。如图2所示为某型刚结构的轮廓尺寸，对于不同作用的型钢，其截面形状和参数不同，如矩形、正方形、操场形等，本文通过图3所示为X截面的统一参数化模型来驱动方刚的截面形状。另外，对于型刚的轮廓尺寸以及截面尺寸已经形成一定的标准，在实际设计过程中，设计者只需通过选择系列参数的形式进行产品的设计。

图2 方钢结构参数化模型

图3 X截面的统一参数化模型

表1 部分型钢结构离散参数化结构表

在产品设计阶段，设计者首先对产品的功能进行分析，将产品结构中的标准件或者常用结构件作为具有离散化的特性的结构单独建立其参数化数据表，并通过现有的三维CAD软件实现结构的参数化；对于其他的尺寸具有连续变化特性的结构对其进行层次化划分，根据功能设计其部件层参数，根据部件层参数求解零件参数，根据零件层参数求解特征层参数，最终确定结构的拓朴形状和大小。通过这种对复杂产品的层次划分，可以有效的将复杂的多层次产品模型转化为单一零件的参数化问题，能将产品的参数信息较完备的表达。

2 基于分层参数化设计各层级间约束的求解

对于如上提出的分层参数化设计方法，要使得复杂产品能通过各层参数较完备的表达设计者的设计意图，其关键在实现各层间以及各层内约束的求解。

对于连续变化特性结构约束可分为两种：具体的尺寸约束和抽象的约束。对尺寸的约束求解可通过计算机语言表达为一定的过程和函数，设计者通过输入结构的部件层参数时，经过函数表达式或者过程函数的计算，部件层结构的详细参数被求出，作为新的参数输入零件层的参数，通过函数表达式或者过程函数计算出特征层结构的参数，同样可以通过层间结构尺寸的函数表达式，求解草图层的结构尺寸。对于抽象的约束（如垂直、贴合等），设计规则等不易通过表达式的形式进行表达，则通过产生式规则的形式进行描述，在具体计算机实现过程中采用如下的规则结构：

对离散化的特性结构是通过标准参数表的形式支持该结构的参数化的，如表1所示为型钢结构的参数表结构。对于某个公称参数，可能存在多个标准结构件类型可供选择，参数化设计系统应列出所有复合要求的标准结构参数供设计者选取，且在公称参数修改时，标准件的类型和尺寸应能协调修改。

3 基于分层参数化设计方法的快速设计系统的实现

以上提出的分层参数化设计方法，较好的实现了对产品结构详细信息的封装，设计者在设计过程中只需要关注设计的主要尺寸，将设计者从烦琐的产品细节设计中解放出来，更多的关注产品的功能设计，这种设计理念在针对特定的产品的设计，能较快的提高设计效率。以下以某飞机蒙皮结构成型模具快速设计系统的开发过程来说明本文提出的分层参数化设计方法的应用。

成型模具支架包括型架板、底座以及叉车口组成，这里以成型模具托架为例，说明分层参数化设计方法。成型模具体支撑结构形式相对固定，实际生产中是由金属管材或角材组成的框架，在进行设计过程中，支撑结构的截面相对固定，便于参数化设计，参数化模型如图2和图3所示。对于模具托架的设计的上一级输入尺寸是模具结构的外形轮廓参数，即部件级参数，设为数集合L；根据部件参数集合L可计算得到具体的零件层参数集合B，叉车结构、型架板结构以及方钢结构尺寸等，记为结构参数集合根据集合B可计算得到特征层参数X，特征参数可表示为集合，根据特征层的参数设计可计算得到草图层参数记为。对成型模具分层参数化设计产生式规则描述如下（图中各参数的含义为标记）：

根据模具的轮廓尺寸通过函数表达式的形式计算型架板的间距和个数

通过零件层的参数计算通气孔的数量和间距

通过零件层的参数计算特征尺寸

根据特征层尺寸建立计算草图尺寸

据如上的分层参数化设计方法，用户仅需要输入模具的外形的结构尺寸，通过函数表达式和规则的推理计算出各构件的结构参数和草图的详细设计参数（截面参数），将该功能集成于通用的商用软件CAD（如CATIA 等），利用软件的扫掠功能生成最终的实体模型，完成支撑部分的快速设计。基于CATIA/CAA开发了工装结构的快速设计系统。某成型模具分层参数化设计快速设计系统部分界面如图所示。

图4 成型模具分层参数化设计界面及其设计结果

[1]潘双夏,张帅,冯培恩. 基于工程约束的产品参数化建模策略研究[J].计算机辅助设计与图形学报.2001,9,13(9)：840-845.

[2]伊国栋,谭建荣,冯毅雄,纪杨建.基于关联约束的单元建模技术研究[J].计算机辅助设计与图形学报.2003, 12,15(12)：1490-1496.

[3]王峰,俞新陆.产品三维参数化设计系统的研究与开发[J].计算机辅助设计与图形学报.2001,11,13(11)：1013-1018.

[4]刘文剑,金天国.产品自顶向下设计的研究现状及发展方向[J].计算机集成制造系统.2001,1,8(1)：1-7.

[5]刘厚泉,李毅,刘方鑫.参数化设计系统中的约束的层次结构[J].计算机工程.2000,3,26(3)：

[6]李桂东,周来水.复合材料构件成型模具设计方法[J].南京航空航天大学学报.200941(6)：777-782.