产品级参数化设计.docx
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产品级参数化设计
第三章产品级参数化设计
本章所研究的是关于产品级的参数化设计问题，为此，拟订“产品模块化、模块参数化”的技术思路来对小型热风微波耦合干燥设备模块化设计进行研究。
3.1参数化设计概述
传统的CAD设计主要针对零件级别的建模，对产品设计本身缺乏有效的支撑，只有最后的结果，不注重整个设计过程，有输入数据量大，操作难度大，无参数设计功能，不能自动更新现有模型，设计周期长，效率低，工作量重复等缺点。
参数化设计过程中，RevitBuilding是一中重要思想，它在保证参数化模型约束不变的的条件下，通过修改模型的基本尺寸参数来驱动参数化模型，完成模型更新从而获得新模型的现代化设计方法。
模型的设计不是一蹴而就的，往往经过一个复杂的过程，在设计初期，设计人员对产品的认识较浅，不能完全确定设计其边界条件，并不能一次性设计出满足产品要求的所有条件。
随着时间的推移，研究的深入，设计人员通过不断的修改模型的尺寸和造型，摸索研究之后，一步一步设计出满足所有条件的产品。
由此可知，设计是一个不断修改，不断更新数据并且不断满足模型约束条件的过程，这种精益求精，追求完美的过程促进了CAD系统中参数化设计的产生华和发展。
参数化设计大大提高了设计的效率，缩短了设计周期的同时大大减少了设计人员的工作强度和工作压力。
目前，参数化设计已经实际运用并且不断的发展壮大，已经成为现代设计与制造，机械设计系统等方向的研究热点，与之相关的各种CAD软件系统也不断的设计完善自己的参数化设计系统和功能，满足未来设计发展的需要。
另外，对于标准化，系列化产品，参数化设计尤为重要，对于此次热风微波耦合干燥系列产品，采用参数化设计技术是非常好的选择。
3.1.1参数化设计定义
参数化设计是机械CAD系统的一项非常关键技术，从最初的概念设计到详细设计，到最后形成产品，它贯穿产品设计的全过程。
参数化设计是将参数化的产品模型用数学中一一对应关系来表示，而不是确定其数值，当某些参数变化时，与之相关的其他参数也将随之改变，达到几何更改控制几何形状的目的。
这种快速反应的尺寸驱动，高效的图形修改功能，为产品设计、产品造型、产品更新修改，产品系列化设计等提供了有效的手段。
其核心是通过产品约束的表达方式，使用设计好的一组尺寸参数和约束来描述产品模型的几个图形，能够充分满足相同或者相近几何拓扑关系的设计需求，充分体现设计者的设计思想。
根据参数化设计对象不同，可以将参数化设计分成两种：
零件级参数化设计和产品级参数化设计。
目前，广泛应用于实践的是零件级参数化设计方法，主要是指在单个零部件的内部通过尺寸参数和约束控制零件的参数化模型，当尺寸参数和约束发生变化时，参数化零件模型自动更新。
相对于零件级参数化设计，产品级参数化设计是一种更加高级的参数化设计方法，它更加注重零部件之间的相互关联关系，当某一个零件的参数修改后，与该零件相关的其他零部件也将完成同步更新，这种更新包括形状的更新和尺寸的更新。
由此可知，产品级参数化设计技术更加适合产品的设计和开发，在产品设计过程中占有更重要的地位，不仅能减少对零部件的更改次数，提高产品设计效率的同时节约了人力成本，也可避免设计过程中不必要的失误。
产品级三维参数化技术能够实现自顶向下（TopDown）的驱动设计，这种驱动设计包括产品的几何形状和尺寸参数的关联驱动。
目前，世面上使用各种商用CAD软件，如UG、SolidWorks、Pro／Engineer等都能方便快捷地实现零件级参数化设计，但对于产品级参数化设计并不能直接实现。
由于产品是不同的零件或部件通过装配组建而成，特别是对较复杂的产品，如飞机、汽车等可先对其进行模块划分，并让其内部模块实现产品间的关联驱动从而实现整个产品的更新，这种思想不仅可以实现产品级参数化设计模型，而且有利于产品资源配置设计和产品变形设计。
综上所述，UG软件中的UG／WAVE技术和部件间表达式建模技术为实现产品级参数化设计提供了较好的支持。
3.1.2参数化设计方法
近年来，参数化设计技术应用的领域越来越广泛，国内外专家学者对参数化设计方法进行了深入探讨与研究并取得了重要进展与成果。
主要有基于几何约束的数学变量法、基于几何推理的人工智能法、基于特征的实体造型法、基于辅助线的参数化法、基于生成历程的过程构造法以及编程求解法等。
（1）基于几何约束的数学变量法
该方法通过建立约束方程来确定模型的形状和位置，将几何形状，尺寸约束关系转换成一组特征点为变元的非线性方程组，然后通过多次迭代求解，解出所有特征点的坐标值，确定几何细节。
该方法逻辑性强，思路清晰但求解效率较低，稳定性较差。
（2）基于几何推理的人工智能方法
该方法是基于既定事实的尺寸约束和选用一定的规则来推理出几何形体的细节，从而构建出完整的几何模型，是目前应用最多的方法。
该方法将作图过程分解成最基础的作图规则，表达简洁直观，同时避免了变量几何法的不稳定性，但由于整个系统过于庞大导致效率低下，计算速度较慢且无法处理循环约束。
（3）基于特征的实体造型方法
特征是作为捕捉设计者意图的方式而提出的，用来取代用直线、圆弧、圆等几何元素构图的方式，不但具有明确的工艺特征结构，而且能记忆自己的功能属性以及与其它相关实体的适应关系。
当修改某一特征实体时，所有与之相关的设计模型都能够自动变化。
（4）基于辅助线的参数化方法
该方法是将几何图形轮廓线建立在辅助线的基础上，而辅助线的求解条件在作图过程中已定规则，通过辅助线管理图形的约束，根据图形中搜索和检查要求，简化约束的表达，从而减少约束方程的求解规模。
当图较简单时，该方法的求解速度较快，但当几何图形比较复杂时，作辅助线会增加作图操作，从而影响作图的速度。
（5）基于生成历程的过程构造法
该方法采用参数化履历（ParametricHistory）机制，在画图过程中，系统自动记录模型生成过程中几何体的生成顺序和相互关系，捕捉设计者的画图思路，并将这些量化信息定性处理形成驱动参数，当参数赋予不同值时得到不同的几何模型。
此方法可以处理很复杂的产品模型，经常用于三维实体或曲面的参数化建模，但一般只适于结构相同而尺寸不同的零件设计，设计的柔性有欠缺。
（6）编程求解法
该方法使用编程语言在CAD软件中实现以尺寸为变量，通过各尺寸变量之间的数学关系，输入数值确定变量值，实现约束求解。
该方法特别适用于拓扑关系明确的几何图形，一旦拓扑关系发生变化则需要重新编程，灵活性较低，且面对复杂程序时编程难度较大一般情况下，此方法会用于CAD的二次开发中。
在实际应用中，现今几乎所有的著名CAD软件，如PRO／E、UG、SolidWorks等都采用变量几何技术。
这主要有两方面原因：
一是变量几何技术可以求解所有的几何约束，不存在不能求解的约束模式，并且可以和工程约束一起联立求解，适应面极为广泛；另一方面，变量几何技术可以应用于如参数化绘图、参数化特征建模等机械CAD的众多领域。
3.1.3参数化系统开发的关键技术
在进行参数化系统开发研究中，需要解决一些关键技术，主要包括CAD软件、MFC的接口技术、MFC对话框调用、CAD系统中参数的获取与修改以及实现MFC与ACCESS数据库的链接等。
（1）CAD软件与MFC的接口技术
CAD软件与MFC的接口链接技术是参数化系统开发的基础。
Internal环境和External环境是CAD软件为用户提供的最主要两种不同的运行环境。
这两种运行环境有着完全不同的应用程序、编程方法和运行方式，Internal环境模式的应用程序是一个动态链接库，是dll文件，只有被加载到软件的环境中才能运行，而External环境的应用程序是一个独立的可执行程序，不能在CAD软件的环境中运行。
因此，在进行参数化开发前，需要选择合适的运行模式，从而开发相应的接口链接程序。
（2）MFC对话框调用
对话框界面设计是实现CAD软件与用户交互设计的重要手段。
所有的参数都需要通过对话框来输入或输出到系统中，从而完成系统参数化设计。
与此同时，用户可以按照自己的需求通过对话框读取系统信息，帮助用户了解信息，方便进行下一步的操作。
MFC对话框属于VC++的一个重要组成部分，它为设计者提供了风格迥异的对话框样式和造型，弥补了CAD软件在用户界面设计方面的不足。
因此，实现在CAD软件中调用MFC对话框是参数化设计系统中需要解决的关键技术之一。
（3）CAD系统中参数的获取与修改
用户定义参数和CAD系统交互是在参数化设计系统中经常遇到的问题，CAD系统需要获取用户输入参数的时，必须经过对话框或信息栏，通过修改参数更新几何模型。
在这个CAD系统中，对关键参数获取与修改需要开发相应的应用程序，从而生成新的几何模型。
（4）实现MFC与ACCESS数据库的链接
设计人员在进行参数化系统开发时会涉及到大量的数据，为了方便数据管理，用户操作，需要把数据整理成数据库，用户通过MFC对话框来调用数据库中的相关数据。
因此，数据库是参数化系统开发过程中必不可少的重要工具，把MFC与数据库进行链接，通过应用程序与数据库之间的中间件来实现系统数据的查询【11】。
【11]侯永涛，丁向阳．UG／OPEN二次开发与实例精解[M]．北京：
化学工业出版社，2007
3.2模块化设计技术
纵观人类历史文明发展史，无处不体现模块化的思想，例如语言、文字、音乐、印刷等，人类对不用的语音、图形、文字等组件通过不同的排列组合，组成各种复杂的内容和信息，极大的促进了人类的发展、进化和变迁。
“模块化”和“模块化设计”作为清晰的概念和理论是近代发展起来的一种标准化方法，其思想始于二战时期的美国，它总结了欧洲早期的模块化设计基础，确立了模块化的具体理论框架，在上世纪60年代日本造船业将模块化框架发展为模块化设计体系。
近50余年来，美、德、日、英等发达国家在产品模块化方面取得了傲人的成绩。
现如今的新兴市场对产品的种类、性能和质量提出了更高的要求，传统的设计方法已经远远不能满足这些需求，模块化设计则从不同角度解决了这些矛盾。
模块化设计的主要思想是将整个复杂产品的模型通过某种方式划分成多个功能或结构相对独立的模块，模块作为一个单元，其内部数据封装，只通过接口与其他模块进行链接。
每个模块都可以设计出不同的样式形成系列模块，但接口都是一致的。
根据市场需求，将模块重组更新，调整产品造型和功能，形成新的产品。
这种模块化的思想反应出该思维和运作方法的合理性，通过多年的理论研究和总结归纳，模块化设计作为一种先进的设计方法有着许许多多的优点，它降低了生产成本，缩短了设计周期，扩充了产品品种，解决了与大规模生产之间的矛盾，优化产品设计过程的同时大大俭省了开支。
3.2.1模块与模块化
模块和模块化是现代化产品设计过程中经常使用的概念。
（1）模块
模块（Module）是模块化产品设计中最基础单元。
我们将模块划分成两类，专有模块和通用模块，并通过“搭积木”的方式组成系列化的标准化产品，也可以私人订制组成结构性能与标准产品有较大差别的非标准化产品。
例如，热风微波耦合干燥设备的微波搅拌棒，电机等作为通用模块，箱体作为专有模块。
一般地说，模块应具有以下特征。
首先是模块的相对的独立性，这里的独立主要是指各个模块之间的功能是相互独立的，因此无论是设计制造还是组织生产都是相互独立，彼此没有依赖关系，有利于企业的专业化生产。
其次，模块具有良好的互换性，模块的接口结构都进行标准化处理，通过简单而可靠的接口链接实现模块间的组合优化与互换，满足市场的各类需求。
最后是模块的通用性，可以根据需要组成新的功能或结构单元，实现产品多角度，跨系列产品间的模块通用。
（2）模块化与标准化
标准化的形式和方法主要是：
简化、统一化、通用化、组合化和系列化。
通过循环的优化设计，选择合适的系列功能和结构单元组成特定的标准件。
这些具有通用性和互换性的标准件通过组合形成各种各样的产品，解决人们个性化，多样化需求与大规模生产之间的冲突，同时产品的可靠性、可维修性和可升级性也大大提高。
模块化是在通用化、系列化、组合化等标准化基础上引入系统工程原理而发展起来的一种标准化的更高级形式，是标准化思想在产品设计划分的实际应用。
模块化是从系统的观点出发，采用分解和组合的方法，建立专业模块体系和通用模块体系的全过程，主要表现为特征尺寸模数化、结构典型化、部件通用化、参数系列化、组装积木化等。
模块化继承了标准化的基本属性，具有简洁化、组合化和通用性的基本特征。
图3-1为模块系统与产品族关系图。
图3-1模块系统和产品族关系图
Figure3-1TheModuleSystemandProductFamilyDiagram
3.2.2模块划分的原理与原则
产品的模块划分是产品模块化设计的重要基础。
模块划分结果是否合理，结构功能划分是否最优，将直接影响整个模块系统的性能、功能、可靠性和成本。
模块划分可以采用不同的划分方法和设置不同层次的划分。
一般情况下，其划分主要是从功能角度进行分析和研究。
根据功能分解的原理，对产品模型进行分析，然后合理分解成各种不同功能的模块系统，从而实现模块的合理划分，创建具有特定功能的独立的多种模块，以便利用不同的模块满足客户所提出的定制要求的产品总体设计方案。
在进行模块化产品开发时，一般需要遵循以下基本原理：
相似性原理、分解与结合原理、相对独立性原理、层次压缩原理以及模块优化原理等。
（1）相似性原理
相似性主要包括几何形状相似性、结构相似性、性能相似性和过程相似性四种基本形式。
通过对产品模型的研究分析，总结归纳对零部件几何形状之间、产品结构之间、部件或产品功能之间以及事物处理过程之间的相似性加以梳理归纳，形成标准的零部件模块、标准的产品结构、标准的产品功能和标准的事物处理过程，而这些对封存产品的内部多样化有非常重要的作用。
（2）分解与结合原理
模块化设计实质就是对产品模型按一定的规则分解，形成模块系统的分解与组合理论基础上的一种设计方法。
这个模块化系统既可以分解也可以组合，总系统可以分解为若干个总分成，总分成又可以分解为若干个具有独立功能的模块，模块单元还可以分解为一些基本的零件或别的构成要素。
总分成、独立功能模块单元、零件和基本构成要素构成了不同层次的模块，这些不同层次的模块具有不同的功能，通过组合形成产品。
（3）相对独立性原理
模块的独立性是模块划分的一个重要特征，相对独立性原则是指划分好的模块可以单独从整个产品模块中分离并且可以作为“黑箱”独立的流向市场形成产品。
任何一个模块都不能因为要与另外一个连接才能完成自己的功能，也不能成为其他模块的结构附属品，即保证每个模块的相对独立性且有良好的互换性和通用性；而且要便于单独组织生产、便于售后服务和升级更新等。
（4）层次压缩原理
产品的功能结构运用树状结构进行层次分析和描述，树状结构的层次直接反应了其功能组成，间接反映了产品的复杂程度及制造难度。
一般来说，产品功能的树桩结构图层次越多，产品的研发与制造周期就越长。
因此，合理的简化产品的树结构图，提高模块的“功能集成度”压缩产品的层次，可以缩短产品的研发与生产周期的同时还能适当简化产品研制过程。
（5）模块优化原理
研制产品模块化体系时，对产品模块的分离和优化是整个划分过程中非常重要的一步。
优化的最终目的是尽量使模块内的结构、信息和功能等的关联度达到最大；尽量使模块间的结构、信息和功能等的关联度最小。
模块优化后应具备较高的功能集成度和利于产品的结构的简化。
满足客户需求是模块划分的主要依据，客户需求的多样性表现为功能多样性和功能特征值的多样性。
对于新产品来说，模块划分通过将产品的总功能分解为子功能，将子功能再分解为功能元，明确总功能、子功能和功能元之间的相互关系，在此基础上进行模块划分。
新产品的模块划分侧重功能独立性，而已有产品的模块划分与新产品的模块划分不同，已经存在原型产品，模块划分时不仅考虑功能的独立性，也要考虑结构的独立性。
产品的模块划分标准不是零部件，而是以满足顾客需求为导向，实现所有产的功能作为划分依据，将总功能、子功能和功能元之间的关系明确且相匹配。
对于产品中不具有的功能，与之相对应的模块也不需要具有。
根据实际应用，本文将模块划分原则总结为以下几点：
（1）独立性原则。
这里的独立包括功能独立性和结构独立性，功能独立性是通过定义功能相关度，采用模糊数学的方法对模块进行聚类分析从而保证模块间的功能独立性；结构独立性是通过定义结构相关性，采用聚类分析的方式使模块内强耦合，外弱耦合。
这样划分的模块结构和功能可尽可能做到独立化，而无需通过依附其他模块。
便于排列组合形成多类型产品。
（2）典型性原则。
在模块划分时，将结构相对独立的部件作为一个单独的模块单元，但是有些结构虽然相对独立但内部结构复杂的可以进一步细化，将其内部的某些组件进行模块划分；而对于那些基础零部件，由于其结构简单，功能独立，可单独的模块单元考虑。
（3）模块粒度适中原则。
研究表明，产品模块越小，组合的方式越多，越容易满足顾客的各类需求；但另一方面，模块越小其相应的装配越繁琐，管理越复杂，成本也将大大提升。
因此，在模块划分过程中，必须控制模块的粒度适中。
3.2.3模块划分系统流程
模块划分的本质就是将整个产品系统分解为一系列关系较为简单的子模块系统，使传统的复杂产品总设计系统任务转化为相对简单的模块子系统设计任务。
在第3章3.2.2中，本文对模块划分的原则进行了简单阐述，但实际应用中模块划分并没有确定一致的划分原则，在上一节提到的原则只能作为基础性的指导原则。
当面对不同的研究对象，不同的侧重点其模块划分的原则和方法也是不同的。
一般来说，模块划分以功能划分为基础，结构划分为载体，保证模块内部强耦合，外部弱耦合进行模块划分，具体划分对模块的划分并没有完全统一的原则，前面提到的都是一些基础性的指导原则，在实际的模块划分中，研究对象不同，侧重点不同，划分的模块也不相同。
模块划分过程通常是以功能为基础，以结构为载体，兼顾模块内部的强、弱关联性而进行的，模块划分过程如图3-2所示。
图3-2模块划分过程
Figure3-2TheModuleDivisionProcess
模块划分的层次和规模是模块划分过程中非常最重要的组成部分。
模块划分越细，模块的数目越多，划分的层次也越多，级别越低，单个模块越简单且通用化程度越高，可以排列组合形成各类产品。
但是随着模块数量的增加，整个产品系统的管理、装配、制造、模块设计模块等的难度、复杂度和工作量将大大增加。
反之，若模块划分粗糙，模块的数量越少，单个模块的设计将越复杂同时也降低了模块的柔性。
因此，在对产品进行模块化设计时，必须理论结合实际，从不同的角度出发，应用不同的方法，以功能、结构的分析分解为基础进行划分，灵活运用模块化的原理和原则，达到模块划分的最好效果。
3.2.4模块的功能划分
在20世纪40年代，Miles作为美国通用电气公司工程师首先提出功能的概念，并把它作为产品工程研究的核心价值问题。
功能，指事物或方法所发挥的有利作用，是产品所具有的一种重要属性。
从使用角度上来说，功能是技术系统或各类产品所具有的特性和特定用途。
拿机械类产品举例，功能能为产品提供解决方案，它通过完成特定的动作发挥应有的作用。
而在机械设计领域，功能则提供了产品模型应该做什么，需要做什么，最终要达到怎样一个目的的设问并通过既定的方法解决问题。
功能在模块化设计中表现为产品（或模块）所具有的的特性满足顾客需求，具有既定的效能、用途和使用价值等，是产品结构树对节点组成和功能模块映射关系的基础。
不论在新产品的设计还是旧产品的再设计，分析产品功能，建立功能模型是模块划分过程中举足轻重的一步。
对产品进行的所有功能划分及建模都始于产品总功能的描述，再将总功能分解为总分成、子系统，简单的子功能单元，它们的出发点就是功能与功能以结构为载体的分解。
其功能分解的过程如下：
（1）确定产品模型的系统总功能；
（2）声明划分过程中系统需要完成特定的动作和应发挥的作用及与之关联的客体；
（3）根据各类动作及其作用完成子功能的初步划分；
（4）完成整个产品模型的系统功能分解并构建功能模型。
此流程参见图3.3。
图3-3功能分解流程
Figure3-3TheProcessofFunctionDivision
将复杂问题简单化是功能分解的重要目的，产品的功能结构通常有两种表达方式：
功能结构树和功能结构图（图3-4）。
如图3-4（a）所示，功能结构树是一种按层次走的结构，每一层都描述了产品系统功能的组成，上下相邻两层次间的功能父功能系统与子功能系统的关系。
在功能结构树的最上层是产品的整体功能或总功能，然后将总功能分解为一级子功能，将功能划分以层的方式向下逐步推进式进行，依次可得到二级子功能、三级子功能等等。
功能结构图，如图3-4b所示，是用带单箭头的有向图来表达产品模型的系统功能结构。
图中的结点代表构成产品系统的某个结构要素，也称为结构组件，若对组件的内部结构不清楚时，可将该类组件描述为具有某项特定功能的结构载体，说明这是系统中一种不可缺少的结构需求。
在实际的机械产品中，该结构构造可以是一个连接件、一个零件，一个部件、一个组件、一个模块甚至是一个零件的某一部分。
功能结构图明确的描述了产品模型系统内部的组件构成和各组件之问的功能相关联性。
a结构功能树
aStructureFunctionTree
b结构功能图
bStructureFunctionDiagram
图3-4功能分解的结构模型
Figure3-4TheStructureModelofFunctionDivision
3.3热风微波耦合干燥设备结构的模块划分
3.3.1热风微波耦合干燥设备的模块化实施策略
模块化设备主要表现为箱体以及其他零部件结构典型化、特征尺寸参数化、特征参数系列化和系列产品模块化。
根据模块化技术的特点和理论方法，加上几十年国内外的应用实践，热风微波耦合干燥设备的模块化设计可以通过以下几个方面逐步实施。
[39][美]UnigraphicsSolutionsInc．UGWAVE产品设计技术培训教程[M]．北京：
清华大学出版社，2002．
（1）设备箱体型谱分析和主参数确定。
箱体作为热风微波耦合干燥设备的重要组成部分，基本确定了设备的整个构架，通过对箱体的型谱的分析，合理确定箱体的主要参数及参数范围是模块化设计的重中之重，这过程涉及到设备性能、设备应用、设备与箱体要求和各类规范等诸方面因素。
本论文选择表征箱体主要尺寸规格的参数作为其主参数，如箱体断面尺寸、箱体内腔尺寸、箱体高度尺寸、箱体与内腔之间的距离尺寸等作为箱体设计的主要技术参数，然后根据市场需求和客户反馈及相关标准在技术所允许的范围内确定具体的参数值。
当箱体的主参数确定后，就可以自顶向下确定其他各个模块的主要技术参数。
（2）模块库设计。
在完成上述所说的对设备箱体型谱、结构总功能分析和主参数确定的基础上，对功能结构进行分解，构建功能结构模型，并创建箱体标准模块作为模块化设计的基本模块。
为了方便管理各类模块，更好的实施UG的二次开发及计算机辅助模块化设计，按照模块功能、规格、结构及层次等特征建立数字化模块库，并对这些模块进行归类、编码，并按照编码规则建立相应的数据库管理系统。
（3）模块库的更新
根据市场或顾客新的需求，模块库现有的模块所组合出的产品已经不能满足其要求时必须对模块库进行更新，设计开发新的标准模块，修改部分不能适应市场的模块，删除已经被市场淘汰的模块，促进新技术的应用。
（4）模块化CAD集成系统的开发。
先进的信息技术是实现现代产品模块化设计的一项重要技术。
在信息技术的支持下，可以进行有效的模块库、参数化软件库、产品数据库管理和过程管理等信息的同步管理，然后通过人机交互主控程序予以实施。
3.3.2热风微波耦合干燥设备的模块划分结果
按照模块划分的原则，并依据该
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