石海波

SHI Hai-bo

（江蘇大學(xué) 附屬醫(yī)院，鎮(zhèn)江 212001）

0 引言

參數(shù)化方法是產(chǎn)品模型修改和變形設(shè)計(jì)的需要，是設(shè)計(jì)自動(dòng)化所采用的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。目前，許多CAD建模軟件提供了參數(shù)化設(shè)計(jì)能力，通過(guò)參數(shù)尺寸驅(qū)動(dòng)，甚至是拓樸結(jié)構(gòu)的變化改變零件的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，便捷地生成一系列相似零件的三維實(shí)體，這種通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已經(jīng)占有重要的地位[2,3]。在設(shè)計(jì)的初始階段，有許多設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于產(chǎn)品形狀模型而言，沒(méi)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，必須在設(shè)計(jì)模型中被有效地定義和表達(dá)，以便后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程得以正常進(jìn)行，而且從部件層、零件層，再到特征層對(duì)各個(gè)層次參數(shù)的逐步細(xì)化設(shè)計(jì)模型的定義過(guò)程，正好體現(xiàn)了自頂向下的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[4,5]。然而，在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，更多的是產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)，相對(duì)于產(chǎn)品的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者更多的關(guān)注產(chǎn)品的整體功能，這種自頂向下的設(shè)計(jì)模式就不能很好地將設(shè)計(jì)者從煩瑣的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。另外，企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)大都是一種淺層次的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，對(duì)于某一成熟企業(yè)，對(duì)特定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已基本趨于穩(wěn)定，設(shè)計(jì)者大都是進(jìn)行重復(fù)性的幾何設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率較低，為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)，主要有兩種途徑：一種是開發(fā)各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的專用知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)庫(kù)等，另一種是開發(fā)各種專用的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)[6]?；诖?，本文將提出一種分層參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，并將該方法應(yīng)用于產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。

1 分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，若采用單層的方式描述，不僅會(huì)加大參數(shù)化設(shè)計(jì)的難度，使得參數(shù)約束難以求解，而且在處理部件/產(chǎn)品的三維參數(shù)化問(wèn)題時(shí)，主要是引入全局變量，并通過(guò)尺寸鏈關(guān)系同時(shí)作用于產(chǎn)品的部件和零件，這種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法具有簡(jiǎn)潔、方便的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)具有連續(xù)變化的關(guān)系，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中很難找到簡(jiǎn)潔的尺寸鏈關(guān)系，且不能實(shí)現(xiàn)類似標(biāo)準(zhǔn)件的具有離散變化特性的關(guān)系。

企業(yè)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)常常將復(fù)雜的產(chǎn)品劃分為多層次的部件、小部件或者零件，這樣更便于產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理。本文將從尺寸的變化特性將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為連續(xù)變化特性的結(jié)構(gòu)和離散變化特性的結(jié)構(gòu)。對(duì)于連續(xù)變化特性的結(jié)構(gòu)根據(jù)其參數(shù)化的程度，將結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)分為四個(gè)層次：部件層參數(shù)化、零件層參數(shù)化、特征層參數(shù)化以及草圖層參數(shù)化，如圖1所示；部件層參數(shù)作用與產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，是與產(chǎn)品功能相關(guān)的尺寸參數(shù)，表征產(chǎn)品的功能屬性，是設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中最終關(guān)注的尺寸，屬于高層次的抽象的設(shè)計(jì)參數(shù)，一般較容易從產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求中得出；零件層參數(shù)作用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期，是表征產(chǎn)品幾何屬性的參數(shù)，是由上一層參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得來(lái)的；特征參數(shù)是定義零件各形狀特征位置與大小的各種數(shù)據(jù)，是由零件層參數(shù)計(jì)算得來(lái)；特征層參數(shù)是用于計(jì)算產(chǎn)品各結(jié)構(gòu)的拓樸形狀與大小的參數(shù)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)最終作用參數(shù)，直接用于各結(jié)構(gòu)尺寸的求解。

圖1 連續(xù)變化特性的結(jié)構(gòu)分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法示意圖

對(duì)于具有離散化特性的結(jié)構(gòu)，如標(biāo)準(zhǔn)件、常用的典型結(jié)構(gòu)件等利用離散數(shù)據(jù)表的形式進(jìn)行管理，通過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化。如圖2所示為某型剛結(jié)構(gòu)的輪廓尺寸，對(duì)于不同作用的型鋼，其截面形狀和參數(shù)不同，如矩形、正方形、操場(chǎng)形等，本文通過(guò)圖3所示為X截面的統(tǒng)一參數(shù)化模型來(lái)驅(qū)動(dòng)方剛的截面形狀。另外，對(duì)于型剛的輪廓尺寸以及截面尺寸已經(jīng)形成一定的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者只需通過(guò)選擇系列參數(shù)的形式進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

圖2 方鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

圖3 X截面的統(tǒng)一參數(shù)化模型

表1 部分型鋼結(jié)構(gòu)離散參數(shù)化結(jié)構(gòu)表

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者首先對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行分析，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)件或者常用結(jié)構(gòu)件作為具有離散化的特性的結(jié)構(gòu)單獨(dú)建立其參數(shù)化數(shù)據(jù)表，并通過(guò)現(xiàn)有的三維CAD軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化；對(duì)于其他的尺寸具有連續(xù)變化特性的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行層次化劃分，根據(jù)功能設(shè)計(jì)其部件層參數(shù)，根據(jù)部件層參數(shù)求解零件參數(shù)，根據(jù)零件層參數(shù)求解特征層參數(shù)，最終確定結(jié)構(gòu)的拓樸形狀和大小。通過(guò)這種對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的層次劃分，可以有效的將復(fù)雜的多層次產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)化為單一零件的參數(shù)化問(wèn)題，能將產(chǎn)品的參數(shù)信息較完備的表達(dá)。

2 基于分層參數(shù)化設(shè)計(jì)各層級(jí)間約束的求解

對(duì)于如上提出的分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，要使得復(fù)雜產(chǎn)品能通過(guò)各層參數(shù)較完備的表達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，其關(guān)鍵在實(shí)現(xiàn)各層間以及各層內(nèi)約束的求解。

對(duì)于連續(xù)變化特性結(jié)構(gòu)約束可分為兩種：具體的尺寸約束和抽象的約束。對(duì)尺寸的約束求解可通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表達(dá)為一定的過(guò)程和函數(shù)，設(shè)計(jì)者通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)的部件層參數(shù)時(shí)，經(jīng)過(guò)函數(shù)表達(dá)式或者過(guò)程函數(shù)的計(jì)算，部件層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)被求出，作為新的參數(shù)輸入零件層的參數(shù)，通過(guò)函數(shù)表達(dá)式或者過(guò)程函數(shù)計(jì)算出特征層結(jié)構(gòu)的參數(shù)，同樣可以通過(guò)層間結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)表達(dá)式，求解草圖層的結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)于抽象的約束（如垂直、貼合等），設(shè)計(jì)規(guī)則等不易通過(guò)表達(dá)式的形式進(jìn)行表達(dá)，則通過(guò)產(chǎn)生式規(guī)則的形式進(jìn)行描述，在具體計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用如下的規(guī)則結(jié)構(gòu)：

對(duì)離散化的特性結(jié)構(gòu)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表的形式支持該結(jié)構(gòu)的參數(shù)化的，如表1所示為型鋼結(jié)構(gòu)的參數(shù)表結(jié)構(gòu)。對(duì)于某個(gè)公稱參數(shù)，可能存在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件類型可供選擇，參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)列出所有復(fù)合要求的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)參數(shù)供設(shè)計(jì)者選取，且在公稱參數(shù)修改時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件的類型和尺寸應(yīng)能協(xié)調(diào)修改。

3 基于分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

以上提出的分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)詳細(xì)信息的封裝，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要關(guān)注設(shè)計(jì)的主要尺寸，將設(shè)計(jì)者從煩瑣的產(chǎn)品細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，更多的關(guān)注產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)理念在針對(duì)特定的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，能較快的提高設(shè)計(jì)效率。以下以某飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)成型模具快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程來(lái)說(shuō)明本文提出的分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)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(shuō)明分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。成型模具體支撐結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定，實(shí)際生產(chǎn)中是由金屬管材或角材組成的框架，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，支撐結(jié)構(gòu)的截面相對(duì)固定，便于參數(shù)化設(shè)計(jì)，參數(shù)化模型如圖2和圖3所示。對(duì)于模具托架的設(shè)計(jì)的上一級(jí)輸入尺寸是模具結(jié)構(gòu)的外形輪廓參數(shù)，即部件級(jí)參數(shù)，設(shè)為數(shù)集合L；根據(jù)部件參數(shù)集合L可計(jì)算得到具體的零件層參數(shù)集合B，叉車結(jié)構(gòu)、型架板結(jié)構(gòu)以及方鋼結(jié)構(gòu)尺寸等，記為結(jié)構(gòu)參數(shù)集合根據(jù)集合B可計(jì)算得到特征層參數(shù)X，特征參數(shù)可表示為集合，根據(jù)特征層的參數(shù)設(shè)計(jì)可計(jì)算得到草圖層參數(shù)記為。對(duì)成型模具分層參數(shù)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生式規(guī)則描述如下（圖中各參數(shù)的含義為標(biāo)記）：

根據(jù)模具的輪廓尺寸通過(guò)函數(shù)表達(dá)式的形式計(jì)算型架板的間距和個(gè)數(shù)

通過(guò)零件層的參數(shù)計(jì)算通氣孔的數(shù)量和間距

通過(guò)零件層的參數(shù)計(jì)算特征尺寸

根據(jù)特征層尺寸建立計(jì)算草圖尺寸

據(jù)如上的分層參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，用戶僅需要輸入模具的外形的結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)函數(shù)表達(dá)式和規(guī)則的推理計(jì)算出各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和草圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)（截面參數(shù)），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(shí)體模型，完成支撐部分的快速設(shè)計(jì)?；贑ATIA/CAA開發(fā)了工裝結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。某成型模具分層參數(shù)化設(shè)計(jì)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)部分界面如圖所示。

圖4 成型模具分層參數(shù)化設(shè)計(jì)界面及其設(shè)計(jì)結(jié)果

[1]潘雙夏,張帥,馮培恩. 基于工程約束的產(chǎn)品參數(shù)化建模策略研究[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào).2001,9,13(9)：840-845.

[2]伊國(guó)棟,譚建榮,馮毅雄,紀(jì)楊建.基于關(guān)聯(lián)約束的單元建模技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào).2003, 12,15(12)：1490-1496.

[3]王峰,俞新陸.產(chǎn)品三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào).2001,11,13(11)：1013-1018.

[4]劉文劍,金天國(guó).產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng).2001,1,8(1)：1-7.

[5]劉厚泉,李毅,劉方鑫.參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的約束的層次結(jié)構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)工程.2000,3,26(3)：

[6]李桂東,周來(lái)水.復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計(jì)方法[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).200941(6)：777-782.