参数化技术与变量化技术的造型技术

mr.shang

1. 参数化造型技术的主要特点
  
在上一期本文已初步论及参数化造型技术的产生及发展过程。相对于在此之前的造型理论，参数化造型技术无疑是极大的进步。参数化造型是如何定义的呢？
  
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（Engineering Relationship）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。
  
2. 变量化造型技术的主要特点
  
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（Geometry Constrain）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。
  
3. 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。
  
4. 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？"
  
5. 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。
  
6. 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。
  
7. VGX技术──设计就是修改
  
谈到变量化技术，就不能不提及到SDRC的VGX技术。VGX是Variational Geometry Extended（超变量化几何）的缩写，是变量化技术发展的一个里程碑。它的思想最早体现在I-DEAS Master Series第一版的变量化构图中，历经变量化整形、变量化方程、变量化扫掠几个发展阶段后，引申应用到具有复杂表面的三维变量化特征之中。
  
设计过程，从来都是一个不断改进、不断完善的过程。也可以说设计就是修改，或更进一步说，设计就是灵活的修改。VGX正是充分利用了形状约束和尺寸约束分开处理、无需全约束的灵活性，让设计者可以针对零件上的任意特征直接以拖动方式非常直观地、实时地进行图示化编辑修改，在操作上特别简单方便，最直接地体现出设计者的创作意图，给设计者带来了空前的易用性。
  
VGX克服了参数化技术中几个重要缺陷。国际著名咨询公司D.H. Brown评价到 "VGX将直接几何描述和历史树描述这两种目前最好的造型技术创造性地结合起来，这意味着用户只需在一个主模型中，就可以动态地捕捉设计、分析和制造的意图并一气呵成地进行操作。显然，VGX极大地改进了交互操作的直观性及可靠性，从而更易于使用，使设计更富有效率。"
  
如仔细归纳，VGX对设计有如下明显的好处：  
不要求"全尺寸约束"，在全约束及欠约束的情况下均可顺利完成造型 ；  
模型修改可以基于造型历史树亦可以超越造型历史树，例如不同"树干"上的特征可以直接建立约束关系；  
可直接编辑3D实体特征，无需回到生成此特征的2D线框初始状态；  
可就地以拖动方式修改3D实体模型，而不是仅用尺寸驱动一种修改方式 ；  
拖动时（Drag）显现任意多种设计方案，而不是尺寸驱动一次仅得到一个方案；放下时（Drop）即完成形状修改，尺寸随之自动更改；  
以拖动方式编辑3D实体模型时，可以直观地预测与其它特征的关系，控制模型形状按需要的方向改变，不象尺寸驱动那样无法准确预估驱动后的结果；  
模型修改许可形状及拓扑关系发生变化，而并非仅是尺寸的数据发生变化。  
8. 变量化技术的其它特点──动态引导器
  
动态引导器（Dynamic Navigator）是SDRC为实现变量化技术，很早就提供使用的一个辅助工具。它是一个智能化的操作参谋，以直观的交互形式与用户同步思考。在光标所指之处，它自动拾取、判断所有的模型元素的种类及相对空间位置，自动增加有利约束，理解设计者的设计意图，记忆常用的步骤，并预计下一步要做的工作，大量节省了设计时间。没有动态引导器，VGX的实现是极其困难的。
  
动态引导器的另一个更具前景的应用是实现"拖放式造型"（Drag-and-Drop Modeling），分得细一点是：  
"拖放式线框造型"（Drag-and-Drop Wireframe Modeling）  
"拖放式零件造型"（Drag-and-Drop Part Modeling）  
"拖放式装配造型"（Drag-and-Drop Assembly Modeling）  
以后更进一步达到智能化造型系统。SDRC的I-DEAS目前已部分实现了上述功能。而参数化系统由于不具备动态引导器以及自身的理论限制，使得它还无法去开发这些功能。限于篇幅，这里不再展开论述。
  
9. 变量化技术的其它特点──主模型
  
SDRC在I-DEAS Master Series首创了主模型技术。主模型技术是变量化技术的基础，是完整的产品定义。它包括如下内容：
  
几何信息、形状特征、变量化尺寸、拓扑关系、几何约束、装配顺序、装配、设计历史树、工程方程、性能描述、尺寸及形位公差、表面粗糙度、应用知识、绘图、样件及刀具设计、卡具及工装设置、加工参数、运动关系、设计规则、仿真分析结果、数控加工走刀路径、工艺信息描述等等。
  
由此可见，主模型所包含的内容是非常丰富的。它不仅统一了软件数据结构，还提供了有关产品设计的更全面的定义，如工艺信息等。
  
主模型技术彻底突破了以往CAD技术的局限，成功地将曲面和实体表达方式融为一体，即，曲面是零厚度的实体，当一组曲面封闭以后，就形成实体；实体上的任何一个平面亦可以随时按需求"一点一拖"而拉成一张曲面，曲面与实体有机地结合起来，其间并不受制于尺寸约束；这样在整个产品设计全过程中，数据结构完全一致，为协同设计和并行工程打下了良好的基础，也使得在参数化技术中长期悬而未决的曲面问题得以较好地解决，为变量化系统在汽车和航太工业的大规模应用铺平了道路。
  
10. 小结
  
综上所述，可以看出，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。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。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。九十年代的CAD大舞台一直是这两种技术在唱主角。但是明显看得出，参数化技术的回旋余地已越来越小，而变量化技术的发展空间却还十分广阔。笔者相信，从现在起到进入21世纪初的数年内，将一定是变量化技术大发展的时期。
  
下期将介绍对CAD技术发展有重大影响的汽车业CAD系统选型案例

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