基于特征的汽车同步器的参数化设计 - 文章

基于特征的汽车同步器的参数化设计

作者：哈尔滨工业大学姜立标赵立军

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[摘要] 对同步器的实体造型主要采用了基于特征的参数化设计方法。通过对汽车同步器中各零部件结构形式的总结，建立了各零部件的参数化特征类模型；同时通过采用零件中特征取舍及零件尺寸的参数化方法可方便地实现零件结构的改变，然后以Pro/E 软件为基础实现了同步器设计中零件参数化图形的自动生成。
关键词：汽车同步器特征参数化实体造型

1 前言

随着工业生产的不断发展，工业部门对CAD 的智能化和集成化有了越来越迫切的要求，而传统的基于实体造型CAD 的技术已无法满足其需求，因此促使人们致力于研究新一代智能化、集成化的CAD 系统，其中关键技术是基于约束的参数化设计和基于特征的设计[1][2]。

基于参数化的设计就是实现计算与零件图形生成间的数据双向交换的有效机制[3]。参数化设计是一种使用参数快速构造和修改几何模型的造型方法[4][5]。目前，计算机辅助设计的参数化方法有许多，如基于数值的参数化方法、基于约束的参数化方法等[5][6]。

特征是20 世纪80 年代中、后期为了表达产品的完整信息而提出的一个新概念。在引入了特征的概念后，以实体造型为核心的计算机辅助设计系统可以用一个特征库来支持产品开发的全过程，解决了产品设计和制造过程中信息量大、数据大量重复的弊端。使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条，而是功能要素，体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为人理解和组织生产，设计的图样容易修改[7]。

在汽车同步器计算机辅助设计系统的造型设计过程中，主要应用基于特征的参数化设计方法。通过特征的引入解决了几何模型无法表达非几何的工程信息的缺点。并且为汽车同步器中各种复杂的相似零件的实体模型的计算机辅助生成和信息的复用提供了基础。

2 同步器零件模型的建立过程

同步器中零件繁多，各零件又具有多种具体的形式。为了实现这些零件的参数化造型，需要将这些零件分类，为每一类零件建立组合零件模型。组合零件模型就是为了进行参数化实体造型而采用的具有该类零件的所有特征的虚构的实体模型，从这个组应能派生出该类零件的所有结构形式。

图1 是基于特征的参数化同步器零件模型的建立过程。首先建立零件的实体模型并从中提取特征组成特征库，即描述零件由哪些布置形式，每种布置形式可以由哪几种特征表达并拼合而成；然后通过对零件布置形式的选取，决定模型中各特征存在性的参数，以达到对特征库中的特征的选取工作；接着对所选特征中的定形尺寸参数及定位尺寸参数赋值，新建特征实例；最后以新建的特征实例替换标准零件模型中相应特征，生成零件模型。从同步器零件模型的建立过程中知道，可以从零件的标准设计模型中派生出实际的零件模型来，而这一过程的关键在于如何实现零件中特征定形尺寸、定位尺寸及零件中包含特征的参数化。

图1 同步器零件模型构造过程

3 同步器零件特征的参数化实现方法

3.1 由特征拼合的零件表达

在建立完特征后，可以进一步将特征拼合成零件，在零件模型中定义了零件标识、零件名、由所有组成零件的特征构成的特征链、描述特征间关系的特征关系树以及材料信息等，其结构如下：

PART {
PART_ID /* 零件标识 */
PART_NAME /* 零件名 */
FEATURE_LIST /* 形状特征链 */
FEATURE_RELATION /* 特征关系树 */
PART_MATERIAL /* 零件材料信息 */
}

其中，最为重要的即为形状特征链及特征关系树，它们记录了组成零件的特征及表示其间关系的数据结构。由零件模型的描述可知零件模型的建立过程实质上是根据零件的实际结构形状而在特征关系树中添加删除特征，并对其尺寸参数赋值的过程，即特征的参数化过程。

3.2 特征形位尺寸参数化驱动

零件定形尺寸和定位尺寸的变化将引起零件中对应于该尺寸的特征的变化，并引起相关特征的变化。尺寸参数化方法如下：当发生尺寸变化时，系统根据尺寸节点找到与尺寸对应的特征以及与尺寸节点相关的特征；然后系统遍历特征关系树，根据尺寸参数顺序修改以上各特征的尺寸，实现模型的尺寸驱动。

3.3 特征存在性的参数化驱动

同步器零件模型中采用比尺寸参数和位置参数更抽象的参数化，即特征组成参数化。此时以外部参数控制向零件模型中加入或删除特征。

（1）特征的添加。当加入特征时，首先通过遍历特征关系二叉树结构，找出该特征定位基准属于哪一特征，然后以此节点为父节点插入所要添加的特征。在加入新特征节点之后，由于有多于一个特征依赖于父特征，则改变了二叉树的结构，变为森林结构。但是二叉树结构只允许每个节点至多有两个子节点，所以要把森林结构转换为二叉树。

（2）特征的删除。特征的删除算法为：系统首先从零件形状特征链中删除该特征，然后从特征关系树中删除相应的节点，若被删除节点为叶节点，可直接删除；若删除节点为中间节点，且其右子树为空，则删除该节点及相应的左子树；若其右子树不为空，则删除该节点及其左子树后，以右子节点代替之。在特征删除后，零件的特征关系树发生变化，形成新的零件模型。

4 同步器零件基于特征的参数化模型的建立

基于特征的设计要求从各种具体零件中总结出共性的信息进行描述，以利于设计的标准化及设计自动化[8]，本文采用成组技术中复合零件法的思想[9]，从各种不同结构形式的同步器产品中，总结出同步器零件特征类。以上面对零件构造、描述及参数化方法的分析为基础对同步器零件进行详细的描述，并建立同步器各零部件的参数化特征模型。当在设计过程中欲建立零件时，只需通过参数控制特征的存在性与特征的形状位置尺寸，即可由特征拼合出相应的零件。

以同步环的参数化特征模型的建立过程为例，通过对现有同步器的同步环结构的总结建立出同步环的参数化特征模型，如图2 和图3 所示，其特征组成及特征尺寸参数如表1 所示。

图2 同步环的参数化特征模型一

图3 同步环的参数化特征模型二

表1 同步环参数化特征模型的特征组成及特征尺寸参数

对图2 和图3 所示的同步环参数化特征模型中的特征进行不同的取舍以及对特征尺寸的不同赋值，便可生成不同结构形式和尺寸的同步环零件。图4 a)显示了具有滑块槽、外花键齿、内摩擦锥面，花键齿数为33 的同步环实例一。而通过改变结构形式，又可以生成图4 b)所示的具有凸块、内花键齿、外摩擦锥面，花键齿数为30 的同步环实例二，图4 c)所示的无花键齿、外摩擦锥面的同步环实例三。

a）同步环实例一 b）同步环实例二 c）同步环实例三
图4 同步环实例

5 结论

本文首先讨论了基于特征的参数化实体模型的建立过程及特征参数化的实现方法；然后针对同步器零部件的形状结构特点，分别建立了各零部件的参数化特征模型。并利用设计参数控制参数化的特征模型来生成各种不同结构形式和尺寸的同步器零部件图形。本系统采用基于特征的参数化信息模型，有利于CIMS系统的进一步开发集成。

参考文献
1 余晶，余淼．基于CAD 模型的特征参数化定义的方法. 计算机辅助设计与制造．1998，(10): 34～38
2 叶德亮，陆志强，戴开宇，蔡建国．基于约束的三维特征可变零件模型的研究．机械设计与研究．1999,1:36～37
3 D．Qiu．A Study of Parametric Design on Sub Assembly Module in Modular Fixture CAD．Journal of China Textile University．1996, 22(1): 52～57
4 R．Anderl，R．Mendgen．Modeling with Constrains Theoretical Foundation and Application．Computer Aided Design．1996, 28(3): 155～168
5 I．Fudos，C．M．Hoffmann．Constraint Based Parametric Conics for CAD．Computer Aided Design．1996, 28(2): 91～100
6 R．Light，D．Gossard．Modification of Geometric Models through Variational Geometry．Computer Aided Design．1982,14(4):209～214
7 A．Verroust，F．Schonek and D．Roller． Rule-oriented Method for Parameterized Computer Aided Design．Computer Aided Design．1992, 24(10): 531 ～540
8 C．A．McMahon，K．Lehane，J．H．Sims Williams．Observations on the Application and Development of parametric-programming Techniques Computer-aided Design．1992, 24(10): 541～546
9 谭柏珠，叶邦彦，陈澄洲．基于成组技术的面向对象CAD 系统的研究．计算机辅助设计与图形学学报．1999, 11(5): 437～440(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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