时间：2023-09-20 12:24:05
关键词参数化；逆向设计；建模
中图分类号：H：文献标识码：A：文章编号：1673-9671-(2012)022-0196-01
当前，缩短产品开发周期，不断推陈出新，才能适应市场需求。更有迅捷的产品设计方法的应用势在必行。但是大多数工业类的零部件具有功能多样化、外观造型复杂化等特点。对于传统开发流程而言，由于正向设计产品周期长、成本高的缺点不断突出，这些显然它已经很难适应。本文针对机械产品中普遍的零部件逆向设计，提出了一种有效快捷的参数化设计方法和及其流程，以实例设计进行详细介绍，是零部件高效设计新理念。
1参数化逆向设计介绍
逆向设计是产品设计的逆向工程，是先有通过一些有效的方法得到产品的外观模型，然后利用外观扫描数据快速建模，以缩短产品在正向设计阶段对外观设计的时间。这是相对传统设计而言的，传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，称其正向设计。而逆向参数设计能快速建立新产品的数据化模型，在参数化的基础上，快速修改优化结构尺寸等，可以大大缩短新产品研发周期，提高设计效率。整个参数化逆向设计工程一般包括数据采集点云、数据处理和参数化建模。
2参数化建模过程
参数化建模是要求所建模型的外观特征，几何尺寸具有可修改、可优化的功能的三维模型。参数化后的模型能修改方便，使得用户对模型进行优化时无需重新建模，只需对必要的参数，包括特征的尺寸，角度等，进行修改就可以自动生成零件模型。
1）参数化模板。CATIA参数化的模板是通过零部件设计过程中得一个参考点来控制，这个点是原点坐标系里面的一个确定的点，所有设计的点、线、面都必须相对于该点来确定。根据零件设计的一般过程，提出了一个合理的参数化模板。
根据零件结构特征，不同的软件的建模方法大致相同，因此，可以将参数化模板分为：扫面数据、原点坐标系、零件设计过程和最终结果四大部分。整体模板结构形式如图1所示。
通过原点坐标系和扫描数据，确定一个参考点，并给出其坐标（可以是零件孔位的中心点）。然后分析零件，确定建模思路，在不考虑各类特征的情况下利用参考点建好基础面，形成零件的主干，然后根据参考点将特征建好，最后完成零件的建模，整体数据与参考点具有尺寸相关性，所有基础点线面的尺寸可修改。
2）实例设计过程。通过三维激光扫描仪采集了某钣金件的数据。由于环境及仪器本身震动等因素的影响，会出现一部分误差较大的数据，所以在进行建模之前，先在软件中对数据处理，先定位好坐标系；然后去杂、光顺和三角化，最后数据优化，由于扫描的点是非常多而且密集的，通过压缩不必要的数据，这样可以提高计算机运行速度。数据导入catia中如图2所示。
必须根据上面的数据判断出每个特征具体是什么（如：平面、圆柱面、球面等），只有这样才能用明确的方法来进行设计，当然有些地方变化太小了，不可能看出来的，就可以根据作出来的面和点云的精度来判断，精度达不到要求就要考虑其他的特征，或者通过几个面来完成。在实际的设计中不能只看它的精度，要从零件制造的变形等多方面考虑，所以有些不足的地方须要补上，搞清楚工艺变形以便逆向设计出的零件达到要求。
根据参数化模板进行设计；第一步，导入零件扫描数据。第二步，原点坐标系，是该零件在整个产品中的参考坐标系，用于装配或者导入其他软件进行分析。第三步，若是对于一些对称或旋转零件，可以考虑过设计一半或一部分，这样加快建模速度。第四步是整个零件的建模过程，首先取好参考点，一般以特殊的点，如孔的中心点。然后是分析零件，确定大面设计，然后是特征包括凸凹台，翻边，切边，孔，按步骤依次完成。第五步是生成零件实体，这便是最终模型。
整个参数化设计的核心在于建模的时候都是通过一个点来形成参数关联，通过控制点的位置就可以控制零件特征的位置，通过基础点线面征的尺寸来控制所绘制的图形的尺寸。一般情况下，零件件是由主干模型和特征组成的，而主干模型一般是规则简单的几何体，这样分解零件就可以在建模时，按照上述步骤进行都是可以实现，而对于过度复杂的个别零件不适用。
从上面的整个设计过程可以看出，零件的结构逆向设计主要就是想
办法怎么在固定的坐标系中，从点云中提取对工程化设计有用的信息（点、线、面），再结合设计零件的要求和生产工艺，再按照参数化的设计流程就可以实现整个逆向工程化了。其难点是思考零件的建模思路，分解好主干和特征，这样才能有效的利用参数化来后期改进和
优化。
3结论
综上所述，零部件相互间有着紧密的联系和协调性，应用参数化设计在现代机械产品开发中具有重要的意义，可以大大提高零件开发设计的工作效率，适合系列产品的演变，大大缩短产品开发周期。自定义参数化模板在零件设计过程中可以很好的体现参数化设计优势，培养了零件开发设计中的整体设计理念，通过对零件结构特征的分析理解，可以很好把握零件的要素特征和关键结构形式，便于优化设计零件，从而提高零件件设计质量。
参考文献
[1]王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2004.
[2]金涛,陈建良,童水光.逆向工程技术研究进[J].中国机械工程,2001,27(3):1430-1436.
关键词:UG; 参数化; 注塑模; 车载箱
中图分类号:TG76;TP391 文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)12-0053-02
Parametrization Design of Bicycle-bone Case
XIE Fang1, JIA Yi-chao2, LIU Xing-gang1
(1.Zhangjiakou Vocational and Technical College, Zhangjiakou 075000, China;
2.School of Material Science and Technology, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)
Abstract:According to the bicycle-bone cases that can be quickly installed on the bicycles made in other countries, the product shaping and mold design are performed with the function of the parametrization design of UG. All the design parameters of the product are stored in the database, and the relations of all size data are set up with the expresions when the product shaping and mold design are carried out. As any dimension is changed, the overall size of the product model is variated with the change and the parametrization drive is realized. The mold design was implemented with UG Mold Wizard module. The practical design proves that the parameterization design is helpful for the improvement of design speed and work efficiency.
Keywords: UG; parametrization; injection mould; bicycle-bone case
0 引 言
模具工业已成为国际经济的重要基础工业,地位无可替代。随着我国逐步成为全球制造业的基地,模具行业得到了迅速的发展[1]。在如此激烈的竞争中,如何缩短制造周期、提高模具质量、降低模具成本,成为了模具企业的一项挑战。随着模具CAD/CAM技术的不断发展,掌握CAD/CAM 软件的使用,并用于模具的数字化设计与制造是其中的关键。为提高产品设计的开发效率,零件参数化设计方法被越来越多的设计人员掌握与使用,与其他设计方法相比,参数驱动方法具有简单、方便和易开发使用等特点,同时CAD技术的发展也为参数化设计提供了有力的方法和工具[2-5]。
1 产品介绍
该产品主要在国外自行车上使用,其特点是能够通过专用卡具与自行车迅速装卡。产品特设提手功能,方便携带,合叶盖设计,方便整理。车载箱在使用中需要有一定得强度和硬度要求,选用了ABS塑料。其成型性能好、流动性好、成型收缩率小,在模具中凝固也较快,模塑周期短;但吸水性大,成型前必须使原材料充分干燥[6]。
利用UG软件对形状相似的产品进行模具设计时,产品及模具的所有尺寸都存在数据库中,生产需要某种规格的产品时,只需要修改三维模型的某一尺寸改变后,相应的三维模型、二维工程图、组建及模具等都随尺寸发生了改变,实现了参数化驱动[7-8]。
2 车载箱参数化建模
所谓参数化,是指对零件的各种特征施加各种约束形式,各个特征的几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示。参数化设计的主要特点是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
参数化建模有以下3种方法:一种是在建模时,模型的几何尺寸由其中某个尺寸值决定,适合于形状规则、截面简单的零件;另一种是先绘制模型草图,将模型中的几何尺寸改为取某个尺寸值,适用于截面复杂的零件;第三种是基于装配的参数化设计建模方式是将装配关系引入参数化设计中,可以解决复杂模型某个部分无法定位的难题,同时可以进行部件的整体参数化设计[3,9-10]。参数化建模的首要步骤是对产品进行形体分析,从而确定设计变量和建模策略,然后进行参数化建模以及参数提取,最后进行模型的验证[3]。如图1(a)所示,该产品设计时,为满足外观要求,其长宽高尺寸比采用黄金分割比例,比例系数取0.618。黄金比具有严格的比例性、艺术性、和谐性,蕴藏着丰富的美学价值。根据车载箱的用途还可以设计成其他样式,如图1(b)这款车载箱可作为装载宠物的工具。
图1 车载箱模型
利用UG中的参数化功能,可以实现尺寸驱动。对于车载箱的箱体部分,如图2所示,圈内的结构是与自行车快速卡具连接部分的尺寸为固定值,其余箱体外形尺寸在建模后,在UG的表达式窗口中将其数值修改为公式,来完成尺寸驱动的参数化设计,还需要将零件鞲霆尺寸的名称改变一下并统一管理,以便在实现参数化驱动,改变某一尺寸时,能够及时找到相应的变量名称,图3列出了箱体主要参数的表达式关系。产品造型完成后生成一份产品数据的Excel表格。设计者可以在表达式窗口中或Excel工作表中修改箱体长度(length)的值产生所需尺寸规格的产品模型。
图2 车载箱箱体三维造型
使用同样的方法创建箱盖和提手的三维造型,每个三维模型都附带一个参数表达式的Excel表格,用户可将产品的各部分表达式数据统一管理起来,通过改变或添加参数表达式就可以方便地改变已存在产品的形状或生成不同规格的零件,不再需要重新建模。将上面3个部件导入UG中,并选择合适的装配关系完成产品的装配。产品造型的系列化效果如图4所示。
图3 车载箱箱体尺寸的表达式
图4 系列产品示意图
3 模具设计流程
利用UG MoldWizard进行模具设计的流程如下: 加载产品和项目初始化;定义模具坐标系统和材料收缩率;定义分型线和创建分型面;创建型心、型腔、顶出系统、浇注系统、冷却系统和排溢系统;加入模架和标准件,最终设计结果如图5所示。
图5 模具装配图
4 结 语
大地电磁法（MT）已广泛应用于地球物理探测各个领域．我国的山区面积比较大，在起伏地形条件下开展MT工作时，地形的影响产生电磁场畸变，这给资料处理和解释工作带来很大困难，因此有必要研究带地形的MT数值模拟算法．目前，在二维起伏地形和地电模型条件下，国内外学者采用过多种有限元剖分方式的二维MT有限元数值模拟．在有限元电性参数（如电导率、传播系数等）分块均匀的前提下，Wannamaker［1］、Mauriello等［2］采用矩形三角网格剖分、双线性插值有限元进行数值模拟，陈小斌［3－4］、谢飞［5］用自适应地形三角网格剖分、双线性插值有限元数值模拟，周熙襄［6］、王绪本［7］、刘云等［8］采用自适应地形四边形网格剖分、双二次插值有限元数值模拟，对斜坡型地形产生的地形影响做模拟和分析；认为电性参数分块均匀的模拟方式，在单元块内的电性参数分布是均匀的，单元块与单元块之间的电性参数分布则不一定是连续的．但是在野外实际中，岩石、矿物的电性参数往往是变化的，因此采用电性参数分块连续变化的数值模拟方法，更符合野外实际．徐世浙、李予国等［9－10］采用矩形网格剖分，进行电性参数分块连续变化、双线性插值、双二次插值等有限元数值模拟；对于矩形网格剖分，如果在有限元矩形单元块内或单元节点处填入空气介质，从而形成台阶型地形模拟地形影响［11－12］，是有其局限性的［4，13］．阮百尧［14］在起伏地形二维直流电阻率法正演数值模拟中，采用矩形内三角网格剖分、电导率分块连续变化、双线性插值有限元数值模拟．本文在此基础上，导出了起伏地形三角单元网格剖分电性参数分块连续变化的二维MT有限元数值模拟方法．
2二维MT变分问题
如图1所示，假设三维地质模型的电、磁等参数沿构造方向（x方向）上无变化，这时可将三维模型问题转化为二维模型问题进行处理．此时，与二维MT边值问题相应的变分问题［13］是其中，σ和μ分别为介质电导率和磁导率，ω为圆频率，ε为介电常数．下边界CD处离目标区域足够远，这时σ为CD处均匀介质电导率；左、右边界AC、BD离目标区域足够远．3有限单元法用有限单元法求解式（1）的二维MT变分问题，具体步骤如下：
3．1网格剖分对于TE模式，在高频时，空气介质中位移电流的影响不可忽略［3］，因此研究区域为空气和地下；对于TM模式，场值Hx在空气中近似为常数（在y和z方向的偏导数近似为零），即不考虑空气介质中位移电流的影响，此时AB边界设在地面上，研究区域为地下．如图1所示，研究区域Ω用三角单元进行网格剖分．如图1a所示，当模拟水平地形时，考虑到地下介质体形状的任意性，首先对研究区域进行矩形网格剖分，再在每一个矩形网格内剖分出4个三角单元网格．这样，一方面，避免了三角网格过于尖锐的情况；另一方面，可利用三角形的斜边模拟地形线和任意介质体倾斜的界面；如图1b所示，当模拟起伏地形时，在图1a网格剖分的基础上，地空边界采用沿实际地形线进行网格剖分．
3．2线性插值如图2所示，假设三角单元e内电磁场u和电性参数τ，λ，k呈线性变化，则在每一个单元中：
3．3单元分析在整个研究区域Ω中，将泛函（1）式离散化，表示为所有三角单元e的线性组合，即
3．3．1单元分析1u对y求偏导数，有
3．3．2单元分
线积分∫lNa1Nb2dΓ＝a！b！（a＋b＋1）！l，其中a，b为非负整数，l为单元底边的长度［13］．对于（2）式中第三个积分项只对CD边界进行．当单元的23边落在CD边界上时，线积分
3．4系数矩阵总体合成及求变分将研究区域Ω内每个单元系数矩阵ke按照总体节点号进行扩展，得到ke，相加得到总体系数矩阵K，即如图3所示，采用矩形内三角网格剖分方式，比较矩形网格剖分来说，增加了一个中间节点5，大大增加了计算量．但是节点5只与该矩形内4个角点有关系，而与其它不相邻的矩形网格没有任何直接联系，所以在单元分析中，运用高斯消元法事先可消去这个节点．节点5只是一个虚设的节点，并不包含在总体节点数中．到解方程结束后，亦可根据矩形网格内4个角点的已知场值和节点系数之间的关系，直接计算出节点5的场值．这样，一方面不增加节点总数，节省了计算量，另一方面每个三角单元仍具有
4辅助场、视电阻率和阻抗相位的计算
4．1辅助场的计算辅助场是通过计算主场值沿某方向的方向导数得到的［17－19］．当各节点主场值求出后，由3．2节可知，单元内场值u可表示为u＝∑3i＝1Niui，则u对y求偏导数，得元边上任意点或三角单元的节点为实际测量点，此时要考虑到相邻单元间场值偏导数的不连续性问题［13］．对于彼此相邻的单元、相同单元边或节点上场值的偏导数，可以在所属不同单元中予以分别计算，再取平均值．本文以地面三角单元的节点为实际测量点．不难发现，对于TE模式，需要计算同一测点的地表和地表上一空气层所有单元的场值偏导数，再取平均值；而对于TM模式，则只需求出同一测点的地表所有单元的场值偏导数，再取平均值即可．
4．2视电阻率定义和阻抗相位的计算对于TE模式：u＝Ex，辅助场Hy＝τExz．在二维起伏地形条件下，Ex、Hy在野外实际中均可测5模型计算为验证本文正演算法的有效性，首先与水平层状一维连续介质理论模型的解析法、以及前人已有地形模型做计算分析，之后用该算法对倾斜界面异常体模型做计算分析．在以下所有模型的计算中，有限元网格的剖分方法如下：如图1所示，在横向网格中，目标区域采用等间隔网格，间隔距等于点距．左、右稀疏网格数各为18个，网格大小等于点距乘以系数，其中18个系数依次分别为1，1，1，1，1，2，2，2，2，4，4，4，8，8，16，32，64，128；在纵向网格中，空气稀疏网格坐标（TM模式无空气网格，单位为m）14个，依次分别为100000，50000，10000，5000，1000，500，200，100，55，35，25，15，10，5．地下网格的剖分，从1～10层的网格大小（单位为m）依次分别为5，5，5，5，10，10，10，15，15，20，第1层网格大小的默认值为5m．当然，也可以任意设置第1层网格大小，这样，从1～10层的网格大小则相应地等比例放大或缩小．从11层及以下的网格剖分为等比网格，该层的网格大小等于上一层网格大小乘以等比系数，等比系数一般为1．1或1．2．这样，横向网格数则取决于测点数的多少，纵向网格数则取决于探测深度的选择；当模拟起伏地形时，上、下地表附近还要加上地形网格，地形网格数等于所有测点的高程数（对于重复的高程，只计1个），地形网格大小等于相邻高程之差．
5．1一维连续介质模型如图4所示，三层一维连续介质地电断面模型，第一层电阻率为100Ωm、层厚度为1000m；第二层为连续介质层，介质电阻率随深度线性减小，其变化关系如图中所示，层厚度为1000m；第三层电阻率为1Ωm；测点区域为0～4km，点距为100m，共41个测点，频率范围为103～10－3Hz，以10为底的对数间隔采样，共51个频点．在一维层状介质的解析法中，将中间的连续介质层剖分为10层进行模拟．在二维有限元数值模拟中，取测线中心处第21号点测点为研究对象．则解析法与二维数值解法的结果对比如图5所示．在TE、TM视电阻率曲线图和阻抗相位曲线图上，解析法和数值解曲线形态、值的大小基本一致，这表明本文方法能够有效地模拟连续介质模型．正演结果的数据统计表明，视电阻率、阻抗相位的解析法结果和数值模拟结果均方根误差均小于1％．本文的数值模拟结果与解析法结果之间的误差分析主要为：一方面，与有限元数值模拟的网格剖分有关系，如高频网格和低频网格的剖分方式是不一样的；另一方面，解析法是基于电性参数分层均匀的计算方式，而本文的数值模拟方法是基于电性参数分块连续变化的模拟．
5．2地形模型如图6下部所示为圆柱凹陷地形模型，Wannamaker等［1］和徐世浙等［20］在文献中对这个模型做过模拟．测点区域为0～0．4km，点距为10m，共41个测点，圆半径为50m，频率为0．01Hz，计算TM模式下视电阻率．本文数值模拟结果如图6上部曲线图所示，对照文献［1，20］中模拟结果，在0．01Hz频点处，TM模式下，三种模拟方法与地形测点对应的视电阻率起伏形态和值的大小基本一致．图7所示为山脊地形模型，在文献［1，20］中对这个模型做过模拟．测点区域为0～4km，点距为50m，共81个测点，起伏落差为100m，山底宽度为2．4km，频率为10Hz．本文数值模拟结果如图8所示．对照文献［1，20］中的模拟结果，在10Hz频点处，TE、TM模式下，三种模拟方法与地形测点对应的视电阻率、阻抗相位起伏形态和值的大小基本一致．通过对以上两例均匀大地起伏地形模型的模拟，得到了与前人研究相符的结论．分块均匀法认为地面或地下单元内节点之间的电性参数是均匀分布的，而本文的分块连续法则认为地面或地下单元内节点之间的电性参数是连续变化的（空气介质除外）．显然，分块均匀法是分块连续法的特殊形表现形式，分块连续法更具有普遍性．用三角网格模拟起伏地形、分块连续变化的剖分方式且更加符合野外实际地质情况．
5．3倾斜界面异常体模型如图9所示为“W”字形倾斜界面异常体模型，背景电阻率为100Ωm，异常体电阻率为20Ωm，其上顶面距地面100m，下底面距地面500m，异常体上顶面外宽4800m，下底面外宽2400m．测点区域为0～8km，点距为100m，共81个测点，频率为103～10－1Hz，以10为底的对数间隔采样，共41个频点．有限元数值模拟网格剖分为：最大探测深度选择为10km，等比网格系数选择为1．1；TE模式，网格数为116×66（横向网格数为116，左、右稀疏网格数各为18；纵向网格数为66，其中包括空气稀疏网格数为14）；TM模式，网格数为116×52（横向网格数同TE模式；纵向网格数为52，没有空气网格）．大型稀疏矩阵的存储方式均按文献［13，15］中变带宽方式存储，用不带平方根的Cholesky分解法求解线性方程组［13，16］．本文数值模拟方法的结果剖面图如图10所示，计算每一个频点的时间为0．78s（TE和TM模式同时计算）．在TE、TM两种极化模式下，视电阻率、阻抗相位剖面上都出现明显低阻异常，“W”形异常形态清晰可见，表明采用三角网格模拟任意倾斜界面异常体的方法是有效的．
6结论
传统的数控加工参数是根据实际加工生产中得出的经验和数据，加上一些计算，所得出的结果。但是，由于受到了各种内外部原因的影响，所得到的数据始终无法达到最优。而加工参数的选择和优化不当，将会对加工生产活动造成很大的影响。
1.1加工结果不可控由于加工参数在优化过程中的局限性，使得其与加工结果之间的关系无法确定。这就导致了无法对加工生产的过程进行控制，使得所加工零件的质量难以得到保障。除此之外，对于加工生产的时间也无法进行控制，会对工时定额产生影响，使得对数控加工的管理水平无法进一步提升。
1.2生产成本不可控对于单件或小批量的加工生产，生产人员通常根据对加工手册或以往经验来确定加工参数。而对于大批量的加工，则还要根据实验结构来对加工参数进行修改和校正。这些问题都是由于数控加工参数的优化不当造成的，不仅增加了加工成本，拖延了加工进度，无法满足现代化工业生产的需求[2]。
1.3生产效率不可控在加工一些诸如自由曲面等特殊的零件时，数控加工参数是需要进行变化的。但是由于加工参数的优化不到位，在加工生产过程中，为了保险起见，大多根据以往的经验选择了比较保守的、保持不变的加工参数，使得加工效率大大降低。因此，应采取科学、有效的优化措施，对数控加工参数进行优化，以解决这些问题，提高生产效率。
2数控加工参数优化方案
2.1试验对数控加工参数的优化试验是以最优化思想为指导，以具体加工实验为基础，来实现加工参数的优化[3]。将优化思想贯穿于整个试验过程中，合理的运用概率论和数理统计。在众多的试验方法中，最常用的是田口方法，将方差分析、正交试验设计、信噪比分析等技术手段综合运用。在实际应用中，它具有信息丰富、次数少、效果显著等优点。不过，这种试验方法需要进行一定数量的试验和长期实践经验的积累，对于人力、物力、时间的消耗较大。因此，在采用这种方法的时候，一定要慎重的选择。
2.2数值模拟由于计算机技术的发展和应用，数值模拟的方法在数控加工参数的优化当中应用的越来越广泛。随着CAD、CAM、CAE等技术日益普遍的应用，计算机数值模拟也变得越来越常用。在具体的实践当中，首先要对成形过程进行模拟和分析，从而能够正确的对目标函数、约束条件、进行正确的优化，并选择适合的设计变量。利用数值模拟的方法对数控加工参数进行优化，可以将时间大大缩短，提高工作效率，还能够对加工生产的质量进行有效的控制。
2.3专家知识在计算机网络应用当中，有将人类专家的知识和经验进行归纳和总结，建立知识库的专家系统[4]。它能够模拟人类专家的思维方式进行问题的解答，利用知识库当中的知识和经验，对现实中存在的问题进行判断和解决。在数控加工参数优化方面，专家系统能够利用知识库中的知识和经验，来进行试验、数值模拟、结果解释的工作，选择最为合适的优化方案。从而达到减少试验次数，提高精确度，降低优化成本等目的。因此，建立和完善一个科学、合理的数控加工专家系统对于数控加工参数优化乃至加工生产事业的发展都具有十分重要的意义。一旦成功，通过互联网就能实现数据和资料的共享，以轻易获取各种所需要的加工参数。
3总结
数控加工参数是影响数控加工的效率和质量的关键性因素，科学、合理的加工参数能够保证数控加工产品的质量，提高加工效率，还能够有效的降低加工成本。因此，对于数控加工参数的优化具有十分重要的意义。针对当前数控加工参数优化和选择过程中存在的一些问题，本文提出了几点解决方案和优化措施。这些方法由于技术特点的不同，各有利弊。因此在具体的加工参数优化实践当中，要根据实际情况，选择合适的优化方案，以达到最好的优化目的。
本文试图探讨借助智能化工程设计软件Bentley Generative Components（GC）和集成的土木设计和工程软件Bentley Geopak结合起来形成参数化的建筑布置方案。
第一步：建筑群布局设计
本部分内容以八卦布局为例说明。八卦起源于人文始祖伏羲，八卦表示事物自身变化的阴阳系统。在城市规划设计中，八卦布局常常被应用，具有代表性的有新疆特克斯县八卦城和杭州八卦田。新疆特克斯县堪称世界最大、最完整的八卦城，八卦城呈放射状圆形，街道布局如神奇迷宫般，路路相通、街街相连。杭州八卦田位于杭州西湖风景区东南侧的玉皇山南麓，又称“八丘田”，上面种着八种不同的庄稼，一年四季，八种庄稼呈现出不同的颜色。在八卦田中心，有个圆圆的土墩，那就是太极图。
在城市建筑群布局设计中，首先要应用GC创建八卦布局。八卦布局创建过程主要分成四步：第一步，构建参数化同心圆，将圆n1等分，并按对应关系连接各点，n1大小可调；第二步，将两圆中间的直线n2等分，n2大小可调；第三步，按对应关系连接两圆中间的各个点；第四步，尝试不同参数下的组合方案。
对称是同形、同量的形态。在建筑区域设计中，使用对称能表达出秩序、稳定与庄重的感觉，并能给人以美感。在八卦平面布局的基础上，创建简单的三维圆柱体示意建筑以占位，设置干扰因子，随机调整圆柱体大小和位置，尝试可控随机布置方案，在不规则布局中需找部分对称布局平衡点，以获得最佳布置。GC在设计对象和元素之间建立起强大的逻辑关系，通过界面图形操作和脚步编程的混合方法，能够模拟出各类形态，并记录各类对象的创建过程，从而获得无与伦比的创造性，能够更加灵活地发挥主观能动性进行创作。
接下来，形成建筑物示意布置方案。由测绘专业提供的等高线在Geopak软件中生成地面模型，将八卦布局设计应用于地面模型中，自动生成开挖与回填需求，以及分析各剖面和开挖回填工程量，优化布置方案。Geopak中Site模块在处理导入三维图形、开挖回填和放坡方面十分高效，这样我们可以前期创建任意复杂的场平图形，然后导入Geopak自动生成开挖模型。
最后，进行场地平整分析。为寻求最佳布置方案，调整八卦布局方位，重新切出剖面和计算，做好方案对比分析，选择最佳场地平整方案；在Geopak中设置好图形与地面模型关联后，即可实现方案的参数化调整。
第二步：单一建筑形体优化
参数化建筑形体创建过程要通过七步来完成：第一步，构建参数化椭圆截面；第二步，以层高N米，在Z方向上递增复制多层；第三步，创建一个与椭圆集合对应的旋转角度的数据集合，并赋予椭圆；第四步，由椭圆集合加厚生成楼板；第五步，由椭圆集合放样生成外墙轮廓；第六步，对外墙轮廓进行曲面划分；第七步，根据曲面上的线条特征生成外立面柱。
带参数按逻辑创建建筑模型的优势在于整个过程可以记录，在方案设计初期阶段，将椭圆截面大小、层高、层数、旋转角度、外轮廓柱数量、外轮廓柱直径设计为可调节参数。在方案调整阶段，调节参数、模型能迅速响应并更新。
第三步：复杂建筑模型布局
随着单一建筑形体优化工作的不断深入，会积累越来越多的参数化方案和复杂的建筑模型。这些模型可通过参数化调整得到不同的造型，为后续的城市建筑群的形成提供有力的支撑。具体的做法是，先将建筑模型库应用到八卦平面布局中，然后对整个区域中的某一建筑形体单独调整。
第四步：模型整合
将建筑布局场平、城市建筑群模型和周边建筑模型整合，可以综合反映建筑群在整个城市规划中的位置和相互影响关系。
此外，还要动态调整建筑群的位置。经过多次调整，可以得到更合理的布置方案。有时候甚至可以将多种布置方案叠加到地形图上来辅助决策。
实现四类参数化
总而言之，在城市建筑群布局设计中将GC和Geopak结合起来应用可以实现四类参数化：
第一， 应用GC实现建筑群场地平面布局的参数化；
第二， 应用Geopak平台中的自动开挖和放坡功能对建筑群场平进行动态调整分析；
第三， 应用GC实现建筑群整体的参数化；
第四，应用GC实现建筑群中所有单体建筑的参数化。
这四大参数化有机结合起来，形成了一种全新的建筑群布置设计方法。
关键词：NGW型；行星减速器；参数化设计
NGW型行星减速器参数化设计的基本原理在于，通过程序控制与三维模型的结合，以已有的Pro/E 零件模型为基础，按照系统的实际运行需要，对完全控制模型的大小和形状进行参数化设计。NGW型行星减速器参数化设计有助于这一模型的参数化编程，进而实现参数设计的修改和检索功能，并依据全新的参数值建立新的模型[1]。
1. NGW型行星减速器参数化设计的主要内容
第一，主程序的编写。将零件模型中已经预先设计好的相关参数与减速器设计方案中的输入参数相互联系起来，实施数据通信，从而达到自动更新装配模型和减速器零件的目标，若现有的设计不符合设计规定，可以实施重新设计[2]。第二，建设SQL 数据库、装配体库及减速器零件库，为设计时调用做好相关数据准备。第三，编写Pro/E和VC的接口程序，并将减速器设计菜单项增加到Pro/E 主菜单栏中，从而实现参数化设计程序界面的启动功能。
2. NGW型行星减速器参数化设计的流程和结构
2.1. 设计流程
在开始运行程序前，程序设计人员应输入使用寿命、行星轮数目、减速器输出转速、额定转速和电动机额定功率等参数。按照系统设计输入相关数据，按照综合优化设计的基本原则，设计齿轮传动情况，同时，设计太阳轮轴、行星轮轴、行星架等减速器零件。根据模块参数化设计的计算结果，对现有三维零件模型进行系统更新，如果无需修改零件参数值，则可将零件模型直接保存，同时建立设计文档。模型更新完成后，系统可校核相应的刚度和强度，如果未达到设计条件，需要重新进行设计，并保证其满足系统运行需要[3]。
2.2 .系统结构
本文所进行的NGW型行星减速器参数化设计，指的是以VC集成开发环境为基础，通过Pro/E与MFC二次开发工具包Pro/TOOLKIT对NGW型行星减速器进行参数化设计与开发。这一设计有助于行星架等零部件参数化设计、齿轮强度校核以及齿轮机构优化设计等目标的实现，根据模块化设计的基本思路，该系统还涉及设计文档数据库、模型库、模型更新、零件强度校核与设计计算及用户参数输入等五大基本模块[4]。
五大模块的基本功能在于：第一，设计文档数据库。其主要作用在于存储减速器设计时，应用更新完成的零件尺寸设计数据，以及动载系数VK、使用系数AK等参数相关的图表，以备后续使用。第二，模型更新。利用强度校核、设计计算和修改参数，能够实现零件结构尺寸的更新，利用更新的模型，能够形成满足设计需要的新的零件模型，最终进行零件的参数化设计[5]。第三，模型库。因为类型相同的零件结构与减速器结构之间仅仅存在尺寸上的差别，所以，应建立相应的模型库，主要设计装配体库与零件库两个方面。在参数化设计过程中，仅仅需要更改现有的模型，从而实现了设计人员工作量的大大减少。第四，零件强度校核与设计计算。按照参数输入的不同，设计齿轮传动，同时，设计计算行星轮轴和行星架等零部件，以计算结果为依据，对轴和齿轮等部件进行强度校核，从而对设计的合理性进行初步检查。第五，参数输入。人机交互接口，用户需要将初始的设计参数输入，以此作为设计计算的基础。
3. 总结
本文对以Pro/Toolkit和MFC开发包为基础的Pro/E二次开发方法进行了分析，主要涉及Pro/E与VC的应用程序注册运行、编写资源文件、对话框技术、菜单技术、程序接口等。同时，建立了NGW 型行星减速器参数化设计系统，通过MFC建立了界面对话框，从而为显示设计结果与输入设计参数提供了方便。通过SQL Server2008 软件设计了零件数据库，并依据ODBC数据访问技术进行零件库的删除、添加和查询，对数据库交互技术进行了研究分析。通过Pro/E参数化模块设计了装配体库和零件库，同时涉及了相关的关系式与尺寸参数。创建了零件校核模块与设计计算方法。
参考文献：
[1]赵丽娟，张双，伍正军.基于MFC和Pro/TOOLKIT的NGW型行星减速器参数化设计[J].机械传动，2012，1（1）：58-60.
[2]李哲羽，王伟，高永顺.NGW型行星减速器可靠性优化设计[J].吉林工学院学报，1999，20（2）：58-59.
[3]江家伍，印松.NGW型行星减速器的模糊可靠性优化设计[J].合肥工业大学学报，2002，25（3）：472-474.
[4]王伟，高永顺.NGW型行星减速器的CAD系统[J].吉林工学院学报，1997，18（1）：18-20.
齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置，具有传动平稳，承载能力强等优点，有着非常广泛的应用前景。但其结构复杂，设计计算困难，为了提高设计效率，增加竞争优势，实现齿轮的三维参数化精确建模显得尤为重要。
[关键词]直齿轮 参数化 Pro/E
中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）07-0044-01
1、引言
渐开线齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置，具有传动比大、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长等优点，广泛应用于机械、船舶、航空、电力领域[1]。随着大批优秀的三维CAD软件纷纷涌现，一般机械零件的三维设计对普通工程师来说已经不再是困难的工作。但是对于渐开线齿轮，由于其齿廓的复杂性，一般设计者在CAD中很难精确造型，继而影响到后续齿轮加工的操作。CAD参数化设计的理念正式解决这一问题的有效途径。计算机辅助设计的广泛应用以及计算机硬件和软件技术大大提高了模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发反面都具有较大的应用价值。
2、国内外研究进展
目前采用CAD进行3D设计已达到了70%～89%，Pro/E、UG、Catia，I-Deas等软件的应用很普通。应用这些软件可完成3D设计，还可以进行转配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。近几年来国内外先进工业国家对CAD/CAM技术的开发非常重视，在其开发上投入了很大的人力和物力。目前国际上流行的三维CAD软件如下：Pro/E系统是美国PTC公司推出的三维CAD/CAM软件；Catia系统是法国达索飞机公司与美国IBM公司合作开发的CAD系统；UGNX是美国UGS公司的CAD产品，该软件首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供了一个全方面的产品建模系统，它优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表卖弄功能结合在仪器，几乎是CAD/CAM用户的首选软件。
我国在软件和设备方面的发展一直比较缓慢，直到进入21世纪以来，我国的计算机行业有了突飞猛进的发展，正是因为这样，我国的CAD技术才有了进一步发展的空间。在现代制造业舞台上，生产效率、成本、规划管理无不和生产技术相关，因此，CAD技术的开发直接关系到产品的设计、生产、维修等工作的速度和效率，显得尤为重要。在产品的设计和装配阶段，一般采用二维制图和三维造型。尤其是三维造型，以其直观、能直接转化成二维工程图和模拟装配等优势在现代工程设备的设计方面有着绝对的优势。
参数化设计是近几年发展起来的先进造型技术，它是CAD技术应用领域内的一个重要的、需要进一步研究的课题。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，来对产品进行合理的设计，从而大大提高设计速度，并减少信息的存储量，而且有助于减轻设计人员的工作强度。参数化建模技术是CAD的核心技术，是新一代继承化CAD系统应用研究的热点理论，也是齿轮参数化造型的基础理论依据，对齿轮建模和系统设计起着指导性作用。另外，研究国内外齿轮CAD参数化设计的发展状况，可以借鉴前人的研究成果，对齿轮的参数化研究有一定的指导意义。
3、Pro/E参数化建模思想
3.1 Pro/E概述
Pro/E引入了参数化设计思想，大大提高了设计灵活性。根据参数化设计原理，绘图时设计者可以暂时舍弃大多数繁琐的设计限制，只需抓住某一个典型特点绘出图形，然后通过向图形添加适当的约束条件来规范其形状，然后修改尺寸数值，经过系统再生成后即可获得理想的图形，这就是重要的“尺寸驱动”理论。
用Pro/E进行参数化设计，主要是用到Pro/E中的程序（Program），这种程序不同于我们一般计算机程序（如C语言程序、BASIC语言程序）。它是一种相对非常简单的程序，它只是用一些简单的input、if -else等少数语句，对在零件或组件设计过程中Pro/E系统自动产生的信息进行编辑。Program是自动化设计的一项重要工具，使用者可以通过非常简单的程序语言来控制特征的生成与否、尺寸的大小、零组件的生成与否、零组件的显示、零组件的个数等。可以利用问答式的方式输入参数等信息从而得到不同的几何尺寸或几何形状，以完成产品设计的要求。Pro/E软件是比较理想的参数化造型软件。
3.2 基于Pro/E三维模型的参数化设计原理
在零件的三维设计中，由于三维模型的创建要涉及到草图、基准、曲面和实体等各类特征，直接用程序生成三维模型十分困难，参数化程序的设计必定十分繁琐和复杂。基本原理就是采用三维模型与程序相结合的方法，三维模型不是由程序创建，而是利用交互方式生成，在已创建的零件三维模型的基础上，进一步根据零件的设计要求，建立一组可以完全控制三维模型和大小的设计参数。其原理主要包含了2个部分：参数化三维模型的建立和参数化程序设计。建立零件的三维参数化模型是实现二次开发的关键，参数化程序在已创建的零件三维模型的基础上，针对该零件的设计参数进行编程，实现设计参数的检索、修改，然后根据新的参数值生成新的模型。
3.3 交互式三维模型样板的建立方法
在Pro/E环境中用人机交互的方式建立三维模型样板。模型样板的创建方法与一般的三维模型相同，只是在建立模型的过程中，要加入外部设计参数和约束关系。设计参数分为2种情况：（1）与其他参数无关的独立参数；（2）与其他参数有关的非独立参数。前者用来控制三维模型的几何尺寸和拓扑关系，后者可以用独立参数为自变量的关系式表示。所以建立普通模型以后首先使用“Parameters”命令添加参数，然后利用“relations”关系式功能创建新的关系式，使Pro/E自动创建的约束参数名与设计参数关联。系统的约束参数命名是由Pro/E系统自动创建的，其值控制三维模型的几何尺寸与拓扑关系，与用户建立的参数无关。要使用户建立的设计参数能够控制三维模型，必须使二者关联。主要有2种方法：（1）在创建或修改特征需要输入数值时，直接输入参数名。如在草图中标注或修改尺寸值时用参数名代替具体数值。（2）利用Pro/E的关系式功能创建新的关系式，使Pro/E系统自动创建的约束参数名与设计参数关联。
3.4 齿轮参数化的实现
通过这种方法建立的渐开线直齿轮模型，既可以保证渐开线齿廓的正确形状又可以使齿轮的尺寸、形状根据输入参数的改变而发生相应的变化。当齿轮的参数化造型完成后，一旦改变齿轮的驱动参数后，所设计的齿轮将按照新的驱动参数立即发生相应改变，即再生出新的齿轮模型。所建立的参数化直齿轮模型，只需输入一些关键的参数（如齿数、模数、压力角等齿轮基本参数）。根据这些参数就可以自动生成新的齿轮模型。利用此参数化齿轮模型处理建模的重复性工作，因而可极大地提高分析效率，降低成本。
4、总结与展望
利用大型软件Pro/E Wildfire 3.0来实现圆柱直齿轮的三维参数化造型，可通过改变齿轮的一些基本参数，生成相应的齿轮，达到设计要求。具体章节安排如下：
1.渐开线齿轮数学模型。深入讨论了渐开线成型原理，主要包括渐开线方程及特性以及直齿圆柱齿轮的几何尺寸的计算。这是Pro/E参数化建模的理论基础。2.渐开线直齿轮的参数化造型。介绍了Pro/E参数化建模思想，利用方程输入对齿轮渐开线进行设计。3.通过程序中的关系对参数进行限制，使得个参数之间相互联系，完成齿轮参数化建模设计。
现在，中国的计算机辅助设计和制造正不断走向成熟，以CAD/CAM核心技术为基础，完成产品的虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造、仿真分析等各环节，最大程度的发挥工业软件的作用，我们相信，在不久的将来，制造业将会在信息时代迎来新的辉煌。
参考文献
[1] 姜北北.基于全三维模型工艺设计技术[D]. 沈阳理工大学 2013
在实际的设计创作过程中，设计师运用简单的绘图工具在纸质媒介上进行造型的推敲，其中主要的创作思路都是感性的、无序而混沌的，也包括了设计师本身对灵感的把握和理解上的差异，在绘制过程中加入了很多主观因素，比如联想、比拟等的主观思维，在这个层面需要占用大量的时间进行思考和想象，再加上本身绘制过程所占用的时间，很难真正在短时间内生成大量的概念方案供评估选择，因此在方案的可选择性上有很大的局限性。
二、参数化设计在设计方法和思维上的优势
首先，参数化设计最重要的一个优势在于它依托逻辑规则构建模型方案，在可控的范围内能够快速生成大量备选方案。传统的方案设计推敲过程在相同的时间内所能积累的预选方案十分有限，原因在于传统的设计方法人为手工操作的成分占主要方面，效率上绝对不及数字化的操作方式，仅仅靠修改参数和逻辑关系的方式即可在单位时间内生成的设计方案在传统手工式的设计操作看来是不可及的。一旦规则生效，便可以在短时间内生成许多相似而多样的比较方案，此模式不仅提高了速度，而且提供了多种可能性，开拓了设计思路。其次，参数化设计在设计流程上具有逆向可调节性。传统的设计流程中，各个设计阶段是线性发生的，前一设计阶段一旦定案，如若后期设计不尽如人意，想重来难度很大。参数化设计流程上在各个阶段都建立了参数规则，规则和规则间有着相互驱动的连带关系，如果设计方案在后一阶段被否定，只需修改之前设计阶段的参数和参数关系，那么随着规则驱动，后一阶段的设计方案立刻得到全新的反馈，随后生成全新的一系列设计结果。再次，参数化设计终归是建立在数字化的平台技术之上，所以从方案设计前期到实体化整个流程都可以实现数字化衔接，其中软件之间接口的互通可以方便的将数据生成图纸，然后进行数字加工成型。参数化设计体现了信息时代的快速、多变、复杂的特征，它适应这个时代的需求和技术特征。
三、参数化设计在造型上的革新
参数化设计本身在造型层面追求的是迭代、递归、分形等生成性造型语言，这主要是因为其参数化在本质上是数字逻辑，数字的生成过程映射到逻辑里便成为3D模型的生成过程。在参数化设计过程中，规则制定的基本方法就是找出某些影响输出结果的各类因素，找到其中的约束条件并将其转换成参数，然后借助算法链接参数，使得参数与参数之间有着紧密的逻辑关系，例如在曲面找形的过程中应用几何算法链接点、线、面参数和其他各个向量参数以及变形算法（如移动、缩放、旋转等）制定的几何规则。目前参数化设计在建筑设计领域的蓬勃发展引发了一场被称之为参数化主义的设计思潮。它基于参数化设计范式，避免相似的原型，避免明确定义的封闭的物体，避免便捷明确的领域，避免重复、避免直线、避免转角。提倡因素之间的联系、杂合化、变异、解除疆域、变形、迭代、用Nurbs曲面、生成性、编程、建立规则而不是手工建模等等，这些参数化因素在建筑设计中的应用主要还是在于赋形，即赋予建筑以参数化形态。从赋形的角度上讲，建筑设计与汽车造型设计之间有着一系列相似和有趣的联系。仔细分析产品设计和建筑设计的密切联系、汽车造型设计风格和建筑设计风格的演变的内在联系可以让我们得到非同寻常的启示。
四、理性与感性的跨界
参数化设计在实际过程中是理性与感性相互协调的，以感性为源，以理性为思，在设计过程中以理性严谨的工作方法和工作思维进行具体设计，使得设计有章可循。基于几何规则的形态通过参数关系的建立是客观生成的，因为其形式输出取决于运算法则的制定和输入的参数，而非个人审美等主观偏好。但它又不排斥主观能动性，因为参数规则的制定以及从生成的结果中选择仍然需要主观感性层面的参与。这样整个设计过程因为主观层面与客观层面的集合而得到了优化。
五、结束语
参数化设计的优势性集中对应了目前汽车造型设计所遇到的瓶颈，应用参数化设计方法进行汽车造型设计，其最重要的意义就在于提高效率、节约成本上。参数化设计本质上将人脑的思考和构思途径放进了计算机中，来帮助设计师进行方案的生成，而灵感也在生成的过程中随机产生，其重复可调节性很好，给设计师在评审方案时提供了很大的选择性。而造型上可能也会不同以往，可能会朝着秩序感和韵律感的参数化造型语言上突破汽车造型现有的局面。