機械參數化設計方法概述

摘?要：首先介紹了參數化的發展及技術現狀，然后分別介紹了零件參數化和部件參數化的基本方法，零件參數化主要是尺寸驅動和程序驅動兩種方法，部件參數化主要是自頂向下和自底向上兩種設計方法，并且介紹了各種力法的優缺點，為機械參數化設計打下理論基礎。

關鍵詞：參數化設計;零件參數化;方法

參數化方法的本質即是基于約束的產品描述力法，這是由于產品的整個設計過程就是約束規定，約束變換求解以及約束評估的逐步求精過程、因此與傳統設計力法的最大區別在于，參數化設計方法通過基于約束的產品描述方法實際上存儲了產品的設計過程，因而它設計出一族而小是某個單一的產品、另外參數化設計能夠使工程設計人員在產品設計初期無需考慮具體細節而能夠盡快草擬零件形狀和輪廓草圖，并可以通過局部修改和變動某些約束參數而不必對產品設計的過程進行重新設計。目前，參數化技術大致可以分為直接式和非直接式兩種、非直接式參數化技術有：編程法和基于三維參數化的形體投影法、直接式參數化技術則是指設計者通過用戶界面直接對圖形進行操作，而不必理會計算機內部的處理力式，這是當前使用最為廣泛的一種力法，也稱人機交互法。

人機交互法參數化設計是目前參數化設計領域發展得較快的一個方向，也是應用最為廣泛的一種方法、這種力法已經成為目前參數化設計的主要技術路線。

從實現參數化的原理上分，人機交方法主要有：①基于幾何約束的變量幾何法，這是一種基于約束的數學力法，它將圖形的兒何模型分解為一系列特征點，以特征點坐標為變量形成了一個非線性力程組，當約束發生變化時，利用Newton-Raphson法迭代求解方程組，就可以求出這此特征點的新坐標，從而形成了新的圖形;②基于幾何推理的人工智能法，這種力法是用幕于規則的推理力法來確定用一組約束描述的幾何模型、在推理過程中，利用專家系統將幾何形體的約束關系用一階邏輯謂詞描述，存入事實庫中。推理機把從規則庫中提取出來的規則用于當前的事實集中，然后推理出幾何形體的細}兄推理過程輸出的是山一系列推理出的規則組成的一個幾何形體的構造計劃，參數化的模型也因此由在構造計劃中順序算出的規則所決定;③基于構造過程方法，這種方法在交互造型過程中的每一步操作，采用了一種稱為“參數化履歷”的機制，在設計過程中，系統自動記錄造型操作過程的程序化描述，將記錄的定量信息作為變量化參數，當賦予參數小同的值時，更新模型生成歷程，就會得到不同大小或形狀的幾何模型。這種方法較適用于結構相同而尺寸不同的零件設計，但由于需要嚴格遵循某種構圖順序，改柔性和靈活性較差;④基于輔助線的方法，這種方法是讓所有的幾何圖形的輪廓線都建立在輔助線的基礎上，輔助線的求解條件在作圖過程中已明確規定，由輔助線來管理圖形的幾何約束和結構約束，由輔助線來直接定義圖形的約束集，這樣就省去了在圖中遍歷搜索和檢查求解條件是否充分的工作，使約束的表達得以簡化，減小了約束力程的求解規模。

1.零件參數化設計

尺寸驅動法。它只考慮幾何寸及拓撲約束，不考慮工程約束、它采用預定義的辦法建立圖形的幾何約束集，并指定一組尺寸作為參數與幾何約束集相聯系、因此，改變尺寸值就能改變圖形、尺寸驅動的幾何模型由幾何元素，尺寸約束與拓撲約束三部分組成、此種方法，有兩個前提：模型己經存在：模型尺寸已經完成定義。

程序驅動，其實就是通過程序按照模型建模順序，驅動CAD軟件建模、它不僅考慮了尺寸約束及拓撲約束，還考慮了工程約束、它對設計人員的編程能力要求較高，需要對CAD二次開發和編程語言掌握到一定程度、與前者相比較，程序驅動對用戶CAD軟件使用能力較低，能提供友好的交互界面，三維建模不受參數輸入順序影響、但是它也有不足之處，在實現復雜零件參數化設計時，程序一般過于復雜，執行速度明顯小如尺寸驅動，對軟硬件要求較高、因此，我們建議采用第三種力法一二者的結合。

尺寸驅動與程序驅動結合。?該方法綜合了前面兩種方法的優點，能提供友好的人機交互界面，不受參數設置順序限制，響應速度快，目前的主流微機配置都能滿足、因此，此種力法在CAD二次開發得到了廣泛的應用。

2.部件參數化設計

2.1自底向上

該過程模仿實際機器的裝配，即把事先制造好的零件裝配成部件，再把零部件裝配成機器、自底向上設計過程也是這樣，先構造好所有的零件模型，再把零件模型裝配成子部件，然后再裝配成機器，產生最終的裝配模型、在自底向上的設計過程中，如果在裝配時發現某此零件不符合要求，諸如零件與零件之間產生干涉，某一零件根本無法進行安裝等，就要對零件進行重新設計，重新裝配，再發現問題，進行修改。從上述過程中可以看出，自底向上設計的優點是思路簡單，操作快捷、方便，容易被大多數設計人員所理解和接受、但底向上設計的缺點在于事先缺少一個很好的規劃和個局的考慮，設計階段的重復工作較多，會造成時間和人力資源的浪費，工作效率較低。

2.2自頂向下

自頂向下的設計過程是模仿實際產品的開發過程、首先進行功能分解，通過設計計算將總功能分解成一系列的子功能，確定每個子功能的參數;其次進行結構設計。根據總的功能及各個子功能的要求，設計出總體結構及確定各個子部件之間的位置關系，連接關系，配合關系，而各種關系及其參數通過幾何約束或功能的參數約束求解確定;然后分別對每個部件進行功能分解和結構設計。直到分解至零件、當各零件設計完成時，由于裝配模型約束求解機制的作用，整個機器的設計也就基本完成。自頂向下與自底向上兩種設計方法各有特點，分別適用于不同的場合。

3.結論

機械壓力機的生產屬于單件小批量生產，每位客戶根據自己企業需求的不同，對于每一臺鍛壓機都有自己的要求，因此對于每臺鍛壓機都必須重新設計。長期以來，這個工作有人工完成，浪費了大量的時間和人力、考慮到鍛壓機某些典型零件具有相似性，可以對這此零件進行參數化設計，從而達到加速設計。

參考文獻：

[1]孫正興.基于特征參數化設計中的尺寸約束及其表示[[J].機械設計，?2008?（s）：1-4.

[2]蘇春.數字化設計與制造[MJ.北京：機械工業出版社，2012.1：85-91.

作者簡介：竇瑋，男，碩士，廣東工業大學機電工程學院。