关于参数化造型方法与变量化造型方法的对比.doc

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关于参数化造型方法与变量化造型方法的对比

一：

参数化造型

1）概述：

参数化设计（Parametric）设计（也叫尺寸驱动Dimension-Driven）是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。

目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。

利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。

2）基本特点：

参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用。

与一个几何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何。

其主要技术特点是：

基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。

基于特征：

将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造；全尺寸约束：

将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。

造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏注尺寸（欠约束），不能多注尺寸（过约束）；尺寸驱动设计修改：

通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变；全数据相关：

尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。

采用这种技术的理由在于：

它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制住。

如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。

尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。

尺寸驱动在道理上容易理解，尤其对于那些习惯看图纸、以尺寸来描述零件的设计者是十分对路的。

工程关系（EngineeringRelationship）如：

重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，在参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要另外的处理手段

二：

变量化造型

1）概述：

长期以来，变量化方法只能在二维上实现，三维变量化技术由于技术较复杂，进展缓慢，一直困扰着CAD厂商和用户。

全国首届CAD应用工程博览会上，一种新兴技术引起了与会者的广泛关注。

这一被业界称为21世纪CAD领域具有革命性突破的新技术就是VGX。

它是变量化方法的代表。

2）基本特点：

变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。

变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。

变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸"参数"进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。

采用这种技术的理由在于：

在大量的新产品开发的概念设计阶段，设计者首先考虑的是设计思想及概念，并将其体现于某些几何形状之中。

这些几何形状的准确尺寸和各形状之间的严格的尺寸定位关系在设计的初始阶段还很难完全确定，所以自然希望在设计的初始阶段允许欠尺寸约束的存在。

此外在设计初始阶段，整个零件的尺寸基准及参数控制方式如何处理还很难决定，只有当获得更多具体概念时，一步步借助已知条件才能逐步确定怎样处理才是最佳方案。

除考虑几何约束（GeometryConstrain）之外，变量化设计还可以将工程关系作为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模型处理。

三：

二者的对比

1）两种造型技术之共同点：

两种技术都属于基于约束的实体造型系统，都强调基于特征的设计、全数据相关，并可实现尺寸驱动设计修改，也都提供方法与手段来解决设计时所必须考虑的几何约束和工程关系等问题。

由于这些内容大家比较容易理解，这里不再赘述。

以上这些表面上的共同点使得这两种系统看起来很类似，这也就导致了一般用户很难区分这两种系统，并经常将参数化及变量化技术混为一谈。

事实上，两者之间有着基本的差异，而这些差异对今后CAD技术的发展以及用户的选型应用至关重要。

这也正是本文论述试图所达到的目的。

2）两种造型技术之基本区别──约束的处理：

参数化技术在设计全过程中，将形状和尺寸联合起来一并考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制；变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理。

参数化技术在非全约束时，造型系统不许可执行后续操作；变量化技术由于可适应各种约束状况，操作者可以先决定所感兴趣的形状，然后再给一些必要的尺寸，尺寸是否注全并不影响后续操作。

参数化技术的工程关系不直接参与约束管理，而是另由单独的处理器外置处理；在变量化技术中，工程关系可以作为约束直接与几何方程耦合，最后再通过约束解算器统一解算。

由于参数化技术苛求全约束，每一个方程式必须是显函数，即所使用的变量必须在前面的方程式内已经定义过并赋值于某尺寸参数，其几何方程的求解只能是顺序求解；变量化技术为适应各种约束条件，采用联立求解的数学手段，方程求解顺序无所谓。

参数化技术解决的是特定情况（全约束）下的几何图形问题，表现形式是尺寸驱动几何形状修改；变量化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以做到尺寸驱动（Dimension-Driven），亦可以实现约束驱动（Constrain-Driven），即由工程关系来驱动几何形状的改变，这对产品结构优化是十分有意义的。

由此可见，是否要全约束以及以什么形式来施加约束恰恰是两种技术的分水岭。

也许这个立论可以很好地回答多年来很多CAD用户经常问的一个问题：

"参数化及变量化之间的区别究竟是什么？

"

3）不同的技术导致截然不同的应用：

由于参数化系统的内在限定是求解特殊情况，因此系统内部必须将所有可能发生的特殊情况以程序全盘描述，这样，设计者就被系统寻求特殊情况解的技术限制了设计方法。

因此，参数化系统的指导思想是：

你只要按照系统规定的方式去操作，系统保证你生成的设计的正确性及效率性，否则拒绝操作。

造型过程是一个类似模拟工程师读图纸的过程，由关键尺寸、形体尺寸、定位尺寸一直到参考尺寸，待无一遗漏全部看懂（输入计算机）后，形体自然在脑海中（在屏幕上）形成。

造型必须按部就班，过程必须严格。

这种思路及苛刻规定带来了相当的副作用。

一是使用者必须遵循软件内在使用机制，如决不允许欠尺寸约束、不可以逆序求解等；二是当零件截面形状比较复杂时，参数化系统规定将所有尺寸表达出来的要求让设计者有点儿勉为其难，满屏幕的尺寸易让人有无从下手之感；三是由于只有尺寸驱动这一种修改手段，那么究竟改变哪一个（或哪几个）尺寸会导致形状朝着自己满意方向改变呢？

这并非容易判断；另外，尺寸驱动的范围亦是有限制的，使用者要经常留神。

如果给出了一个极不合理的尺寸参数，致使某特征变形过分，与其它特征相干涉，从而引起拓扑关系的改变，那仍然是有问题的。

因此从应用上来说，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业。

这样的行业，零件的形状改变很少，经常只需采用类比设计，即形状基本固定，只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。

再者就是由二维到三维的抄图式设计，图纸往往是绝对符合全约束条件的。

变量化系统的指导思想是：

设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式，允许采用不完全尺寸约束，只给出必要的设计条件，这种情况下仍能保证设计的正确性及效率性，因为系统分担了很多繁杂的工作。

造型过程是一个类似工程师在脑海里思考设计方案的过程，满足设计要求的几何形状是第一位的，尺寸细节是后来才逐步精确完善的。

设计过程相对自由宽松，设计者可以有更多的时间和精力去考虑设计方案，而无须过多关心软件的内在机制和设计规则限制，这符合工程师的创造性思维规律，所以变量化系统的应用领域也更广阔一些。

除了一般的系列化零件设计，变量化系统在做概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产品改形设计这类创新式设计。

4）其它技术差异──特征的管理：

参数化技术在整个造型过程中，将所构造的形体中用到的全部特征按先后顺序串联式排列，这主要是检索方便。

在特征序列中，每一个特征与前一个特征都建立了明确的依附关系。

但是，当有时因设计要求需要修改或去掉前一个特征时，则其子特征被架空，这样极易引起数据库混乱，导致与其相关的后续特征受损失。

如深究其原因，还是由于全尺寸约束的条件不满足及特征管理不完善所致。

这是参数化技术目前存在的比较大的缺陷。

变量化技术突破了这种限制。

它采用历史树表达方式，各特征以树状结构挂在零件的"根"上，每特征除了与前面特征保持关联外，同时与系统全局坐标系建立联系。

前一特征更改时，后面特征会自动更改，保持全过程相关性。

同时，一旦发生前一特征被删除，后面特征失去定位基准时，两特征之间的约束随之自动解除，系统会通过联立求解方程式自动在全局坐标系下给它确定位置，后面特征不会受任何影响。

这是针对参数化技术的缺陷进行深入研究后提出的更好的解决方案。

树状结构还许可将复杂零件拆分成数个零件然后合并到一起。

它清楚地记录了设计过程，便于进行修改，有利于多人的协同设计。

四：

小结

简而言之，参数化技术是一种建摸技术，应用于非耦合的几何图形和简易方程式的顺序求解，用特殊情况找寻原理和解释技术，为设计者提供尺寸驱动能力。

变量化技术是一种设计方法。

它将几何图形约束与工程方程耦合在一起联立求解，以图形学理论和强大的计算机数值解析技术为设计者提供约束驱动能力。

从技术的理论深度上来说，变量化技术要比参数化技术高一个档次。

两种技术的最根本的区别在于是否要全约束以及以什么形式来施加约束。

两种技术的应用领域亦由于技术上的差异而不同。

除去双方重叠的常规用户外，参数化技术的主要用户多集中于零配件和系列化产品行业；变量化技术主要用户多集中在整机、整车行业，侧重产品系统级的设计开发。

目前，变量化技术和参数化技术还都在不断地丰富和完善自身。