基於上述應用背景,國內外對參數化設計進行了大量的研究。目前參數化技術大致可以分為以下三種方法:(1)基於幾何約束的數學方法;(2)基於幾何原理的人工智能方法;(3)基於特征模型的建模方法。其中,數學方法分為初等方法和代數方法。初等方法使用預設的算法來解決壹些特定的幾何約束。這種方法簡單易行,但只適用於只有水平和垂直約束的情況;代數定律將幾何約束轉化為代數方程,形成非線性方程組。由於方程組求解困難,其實際應用受到限制。人工智能方法是利用專家系統理解圖形中的幾何關系和約束,並利用幾何原理推導出新的約束。這種方法速度慢且交互。特征建模方法是三維實體建模技術的發展,目前正在討論中。
參數化設計有壹個驅動機制,就是基於圖形數據的操作。通過參數驅動機制,可以對圖形的幾何數據進行參數化修改,但同時必須滿足圖形的約束條件,約束之間關聯的驅動手段是約束聯動,通過約束之間的關系來實現。對於壹個圖,可能的約束是非常復雜和眾多的。但只有少數參數是用戶實際控制的,即可以獨立改變的,稱為主參數或主約束;其他約束可以由圖的結構特征決定,或者與主約束有確定的關系,它們被稱為次約束。壹級約束不能簡化,二級約束可以通過圖形特征聯動和相關參數聯動兩種方式簡化。
所謂圖形特征聯動,就是保證在圖形延伸關系不變的情況下驅動二次約束,即保證連續性、相切性、垂直度和平行度不變。體現在參數驅動過程中就是根據各種幾何關聯準則,識別出與被動點有上述延伸關系的實體及其幾何數據,在保證原有關系不變的前提下,算出新的幾何數據。這些幾何數據稱為驅動點。這樣,驅動點的約束與驅動參數相關。根據這種關系,驅動點驅動被驅動點,驅動機構擴大了作用範圍。
所謂相關參數聯動,就是建立二級約束和壹級約束之間的數值和邏輯關系。在參數驅動的過程中,要始終保持這種關系不變。相關參數的聯動方式,使壹些無法通過可拓關系判斷的驅動點和被驅動點建立了聯系。在使用這種方法時,往往引入驅動樹,建立驅動點與被驅動點之間約束關系的樹形表示,便於直觀判斷圖的驅動和約束情況。
因為參數驅動是基於圖形數據的操作,所以畫壹個圖的過程就是建立壹個參數模型。繪圖系統將圖形映射到圖形數據庫,建立圖形實體的數據結構,並在驅動參數生成所需圖形時用不同的內容填充這些結構。
參數驅動可以看作是沿著驅動樹操作數據庫內容,不同的驅動樹決定了參數驅動的不同操作。由於驅動樹是根據參數化模型的圖形特征和相關參數構建的,所以在繪制參數化模型時,我們可以有意識地利用圖形特征,根據實際需要標註相關參數,以便在驅動參數時,掌握對數據庫的操作,控制圖形的變化。繪圖儀不僅可以定義圖形結構,還可以控制參數化過程,就像用計算機語言編程壹樣,定義數據,控制程序流程。這種建立圖形模型、定義圖形結構、控制程序流程的手段稱為圖形編程。
在圖形參數化中,圖形編程基於參數驅動機制、約束聯動和驅動樹。參數驅動機制用於操作圖形數據,驅動機制的操作由約束連桿和驅動樹控制。這與之前的參數化方法不同,它不會將圖形轉化為其他表達式,如方程、符號等。不要問畫的過程,而要著眼於理解畫本身,把畫當成壹個模型,壹個參數化的基礎,壹個和畫者“交流”信息的媒介。繪圖儀通過圖形把自己的意圖“告訴”給參數化程序,參數化程序返回繪圖儀需要的圖形。它關註的是圖形,也就是圖形數據庫的內容,同時理解和操作,所以運行起來簡單明了;實現起來也很方便。
參數驅動是壹種新的參數化方法,其基本特點是直接操作數據庫。因此具有良好的交互性,用戶可以使用繪圖系統的所有交互功能來修改圖形及其屬性,進而控制參數化過程;與其他參數化方法相比,參數驅動方法簡單、方便、易於開發和使用,並且可以在現有繪圖系統的基礎上進行二次開發。也適用於三維問題。
可變方法
長期以來,變量法只能在二維上實現,而三維變量技術由於技術復雜、進展緩慢,壹直困擾著CAD廠商和用戶。
在首屆全國CAD應用工程博覽會上,壹項新技術引起了與會者的廣泛關註。這項被業界稱為21世紀CAD領域革命性突破的新技術,就是VGX。它是變量法的代表。
VGX的全稱是可變幾何擴展,即超變幾何,是SDRC公司獨家推出的壹款CAD軟件的核心技術。在機械設計和工藝設計中,我們總是希望零件可以隨意建造和拆卸,可以在平面顯示器上構建三維設計作品,希望保留每壹個中間結果,用於重復設計和優化設計。VGX意識到了這樣壹個想法。VGX技術擴展了可變的產品結構,允許用戶直接實時操作完整的3D數字產品,從幾何建模、設計過程、特征到設計約束。對於設計師來說,使用VGX就像拿著壹個真實的零件面團,可以隨意塑造,而且隨著設計的深入,VGX可以保留每壹個中間設計過程的產品信息。美國著名專業咨詢評估公司D.H.Brown對VGX的評價是:“自從10年前首次使用基於參數化特征的實體建模技術以來,VGX可能是最引人註目的革命。”。VGX為用戶提供了壹個三維環境的交互式操作模型。設計師在定義零件上的關系時不再關心二維設計信息如何變成三維,從而簡化了設計建模的過程。使用VGX的好處是原有的參數化特征實體模型在可編輯性和易編輯性方面有了很大的提高。當用戶準備進行預期的模型修改時,不需要深入理解和查詢設計過程。與傳統的二維可變技術相比,VGX的技術突破主要表現在以下兩個方面。
首先,VGX提供了前所未有的三維可變控制技術。這項技術有望成為解決長期以來尺寸標註難題的首選。因為傳統的面向設計的實體建模軟件,無論是變量化的、參數化的、基於特征的還是尺寸驅動的,其尺寸標註方法通常不是根據實際加工需要來設定的,而往往是根據軟件的規則來確定的。顯然,這在用戶主導技術的時代,必然會讓用戶不滿意。利用VGX的三維變量控制技術,可以隨意改變三維尺寸標註方法,而不必重新生成幾何模型,這也為尋求DFM的求解提供了有效的途徑。
其次,VGX結合了直接幾何描述和歷史樹描述這兩種最好的建模技術,從而提供了壹個更加易學易用的特性。設計師可以直接編輯和修改零件上的任何特征,這使得三維產品的設計更加直觀和實時。用戶可以在主模型中動態捕捉設計、分析和制造的意圖。
該技術已在SDRC公司6月20日公布的新版軟件I-DEAS大師系列5中使用,1997。而且這款產品自美國公布以來,在北美、歐洲、亞太都引起了不小的沖擊波。福特汽車公司決定將I-DEAS Master Series 5軟件應用於開發完整數字原型的各個方面,認為這種包含許多新技術的產品是實現公司“福特2000”目標的關鍵。同年7月,在北京展覽館的首屆全國CAD應用工程博覽會上,I-Deamaster系列5再次掀起熱浪,其VGX技術已初顯鋒芒。