重树信心，破解二维参数化设计的普遍性难题

—通用参数化技术-天河SPB系列化零件设计思想及实现—
发表时间：2007-3-3 天河公司CAD项目组 马瑞云 来源：e-works

基于THSPB思想的系列化零件参数化方案更为可贵之处是它完全符合普通设计人员思维和过程，数学模型简单明了，易于理解和掌握，也更加易学易用，使得参数化技术不再是少数专家学者或程序员的专利，而是真正面向懂得专业需求的设计者，服务于设计工程师，不需要专门学习，通过简单的定制可以快速产生系列化零件，能够发挥每一个设计人员的专业优势，减少他们在设计工作中的简单重复劳动，帮助他们把头脑中产生的设计形象迅速准确地用计算机反映出来，使其将注意力集中于富有创造性的设计活动中，从而提高设计的效率和质量。

天河系列化零件设计开发系统THsPartBuilder是天河公司在二维CAD参数化技术开发方面的里程碑式的新产品，它突破了传统的基于几何约束、尺寸驱动和拓扑算法的传统参数化技术模式的桎梏，采用面向对象的思想，创造性地提出以控制点和结构参数的关联驱动图形实体对象，内置工程公式计算器和脚本语言解释程序，模拟真实设计过程，从而解决各种复杂零件入库、变量化驱动和出库过程，彻底解决了传统的参数化技术无法解决的难题。

基于THSPB思想的系列化零件参数化方案更为可贵之处是它完全符合普通设计人员思维和过程，数学模型简单明了，易于理解和掌握，也更加易学易用，使得参数化技术不再是少数专家学者或程序员的专利，而是真正面向懂得专业需求的设计者，服务于设计工程师，不需要专门学习，通过简单的定制可以快速产生系列化零件，能够发挥每一个设计人员的专业优势，减少他们在设计工作中的简单重复劳动，帮助他们把头脑中产生的设计形象迅速准确地用计算机反映出来，使其将注意力集中于富有创造性的设计活动中，从而提高设计的效率和质量。

SPB的参数化思想简介

在介绍SPB参数化之前，有必要回顾一下目前我们在传统参数化技术中遇到的几个问题，了解一下这种方式解决零件参数化方面存在瓶颈。

过去十几年来，国内外对参数化设计做了大量的研究，一般有基于几何约束、几何原理或者特征模型等几类方法，目前在二维CAD上形成商品化的软件大多数基于采用了几何约束的数学方法，参数驱动机制是基于对图形数据的操作。通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改，并且在修改的同时，还要满足图形的约束条件，需要约束间关联性的驱动手段即约束联动，约束联动是通过约束间的关系实现的驱动方法。一般情况下，根据主从关系，又将几何约束划分为主约束和次约束。二维参数化过程首先要对已经存在的图形进行参数化处理，以获得主从约束等参数化信息，叫做参数化预处理，这种识别算法非常复杂，所以有些软件是通过人工一一指定约束关系来实现，而大多数的软件是通过自动识别方式实现参数化预处理。

在天河PCCAD中的参数化图库是基于几何约束自动识别的数学模型，通过对图形中的几何关系和约束进行理解，形成结果文件存储在数据库，形成包含大量零件图形参数化结果的零件图库，在调用的时候对参数化结果进行参数驱动，得到不同尺寸的零件，使设计者从繁琐的绘图中解脱出来。但是在长期的用户化使用过程中发现，利用此种参数化技术在以下几个方面下却无能为力。

1、不能解决复杂图形的参数化需求

由于在进行参数化时候需要图形中的几何关系和约束进行理解，并且存储其几何原理。对于简单图形，如螺栓、垫圈等还能能够进行处理，但是对于电机、减速机等功能、结构日趋复杂的图形，可能的约束十分复杂，而且数量很大，这种情况下根本无法进行参数化处理进行识别，或者驱动后产生图形失真、错误的结果。PCCAD的参数化零件库中一般避免这种复杂零件，或者进行图形的简化，不能满足图形准确性完整性要求。

2、不能解决零件变形设计需求

传统参数化驱动图形时候必须保证在图形拓补关系不变的情况下，对几何约束进行驱动，亦即保证连续、相切、垂直、平行等关系不变。所以无法处理工程中常见的变形设计，如常见的连接孔要随着尺寸变化而进行个数和形状的调整的情况。

3、不能生成包含图框、粗糙度、形位公差、尺寸公差等任意符号标注的图形

各类符号标注是一个完整零件不可或缺的内容，基于这种参数化技术由于只能做到识别几何图形，无法处理图形的标注等功能信息图元，使得通用零件库出库的零件没有包含所有加工、工艺要求的各类标注的完整信息，通常只是图元或者仅附带尺寸标注，从而也无法形成具有完整意义的系列化零件设计系统。

4、不能自动产生零件附属的各类参数表格

很多零件还要求出库后需要生成各类表示性能参数、材料、规格尺寸、种类系列、标题栏等参数表格，这些表格内的数据还需要根据不同参数系列进行动态求解变化而来，显然传统技术没有也无法满足此要求。

5、不能让使用者也做到方便灵活参数化建库以满足自身需求

虽然很多软件“宣传用户无需编程，即可把由ＣＡＤ系统生成的图形不加转换地定义为参数化原型图”，但是由于参数化概念复杂，交互操作繁琐，绘制图形进行参数化处理还需要不断调整图形，以便于自动识别约束，要摸索掌握很多技巧，这个过程即使是天河公司的专业入库人员也感到头痛，更不要说让普通设计师去完全掌握和完成建库了。

6、不支持用户进行更深层次的二次开发

许多企业已经形成了大量的通用件、专用件等定型零件，需要要一整套的参数化方案进行参数化处理，集中存储管理和调用，许多零件不是通过对参数值的修改就能得到，这些参数可能是经过复杂的计算或来自另一套计算软件，用户化开发的优势是他们精通专业知识而应避免在图形编程绘制方面浪费时间，在这些方面以往的参数化技术和图库管理系统都无法完整解决。

正是由于以上原因，经过长期的市场调研和开发，天河公司最新提出了THSPB参数化思想，目标就是为了解决传统二维参数化技术的不足而来的，简化了概念和操作，首要目标就是要实现参数化过程的傻瓜化、易用化，做到无论再复杂的图形，只要想得出便可以绘得出，要满足所有可能需求，满足从参数化处理、入库、零件库管理等全过程。

1.THSPB开发目的

1.1 现有参数化图库的补充；

1.2 能够完成任意复杂零件的参数化设计；

1.3 应当形成行业/专业CAD应用开发的基础；

1.4 任何人员都能够建立；如：实施人员、普通用户等；

1.5 支持一张图纸的完整信息，如：图形、各种标注、图框、表格等；

1.6 核心部分与CAD平台无关。

1.7 为用户提供完整的二次开发模型框架。

2.基本原理

零件类是由所有零件构成，零件反映不同视图构成，零件由所有不同类型的实体构成，视图引用零件内的实体，每种实体由组成实体的特征点和特征数据构成。特征点和特征数据经过一定顺序的计算获得，并且认为所有的特征数据、特征点可以互为表达式。下面以树形方式直观反映这种概念，

零件类 = 零件（Part）的集合

零件 =  视图（View）的集合

（零件属性 =  基点、属性、出图控制项……）

视图V = 实体（Entity ）的集合

（视图属性 =  基点、出图控制项……）

实体E =  f（点P ，结构参数S，零件属性T，条件Cond）

特征点P =  f（结构参数I）

结构参数S=  f（原始参数O，条件Cond）

原始参数O = O设计零件时由用户交互输入。

3.实体类型：

组成图形的实体有很多种，可以归纳为四个大类，为简单实体、复合实体、变换实体和子零件。简单实体是直接通过特征点和特征数据可以构造的实体，如线、圆、弧等，复合实体是构造依赖于其他实体的图元，如剖面线、引线标注、选择集等，而变换实体是对已经存在的实体进行几何变换的操作，为了简化概念，认为是一种特殊的实体类型，如旋转、拷贝、阵列等等。子零件即已经存在的零件，为了简化了大型复杂装配件参数化功能，认为零件也是图元，可以作为一个实体调用到当前零件的给定位置处。

3.1 简单实体

3.2  复合实体

3.3  变换实体

3.4  子零件实体

3.5 实体属性：过滤条件、图层（其它属性随层）

4. 特征参数：

特征参数根据在构造图元时的不同性质，分为原始参数和结构参数，结构参数直接参与图元的构建，属于图形的几何参数，如圆弧半径、偏移距离等，原始参数是产品设计初始参数，如设计减速机时的初始参数工作功率、传动比等等。在常用标准件中，原始参数一般与结构参数一一对应，原始参数根据用途，又可分为一级参数、二级参数……一级参数可以约束多个二级参数。从原始参数到结构参数，通过表达式进行关联，从而形成原始参数之间、原始参数与结构参数之间、以及结构参数之间在数值和逻辑上的关系，在参数驱动（变化）过程中，这种关系始终保持不变。相关参数的驱动使得特征点和基点建立了联系。

THSPB的参数化软件构成

SPB参数化软件分为维护端和出库端两大部分，维护端部分即参数化处理和入库工具，实现零件分类管理、图形的参数化处理等。出库端包含几何解释程序以及图形绘制程序。

1. THSPB维护入库程序

为一独立运行的可执行文件，采用数据库技术，完成零件的参数化开发设计、零件库管理工具。图1 所示。

图1  THSPB维护工具界面

    在维护程序中，将所有零件类、零件按照树形结构罗列出来，对于组成零件的所有实体信息、参数信息、几何信息通过最直观的方式呈现出来，从而提供了更为易学易用的特性。设计人员可以针对零件上的任意参数、实体直接进行编辑、修改。针对零件级的操作，提供了诸如拷贝、复制、支持跨库的零件复制等许多功能。

图2  表达式生成器

由于零件定义中涉及到大量表达式定义的操作，为了简化输入，在所有表达式输入的地方都可以调用以得到表达式生成器。

    由于引进了子零件的概念，大大简化了零件处理的复杂性，系统提供了大量的基础图形库，如矩形、三角形、梯形、扇形等，用户也可以将大量使用的类似结构的图形定义为子零件便于调用，子零件的嵌套使用在出库时还可以根据定义做到灵活处理零件间的相互遮挡和裁剪的要求，这样使得参数化设计跟搭积木一样，层层逐级完善，完成任意复杂程度的图形的参数化过程。

系统提供一个零件完整的视图定义功能，通过视图定义，THSPB不仅能处理单个视图，同样也可以两视图或三视图、多视图表达的图形。另外，在入库时候，用户还可以指定尺寸公差等标准信息，出库后系统会自动根据真实尺寸更新标注内容。

2.THSPB出库调用程序

出库解析模块是THSPB的核心，为了便于用户进行二次开发，维护和系统升级的需要，根据功能采用多层结构的封装划分，分为数据库读取组件，数据缓存组件，几何解析组件以及辅助功能组件等几大模块，图3是模块功能层次结构示意图。

图3  THSPB模块功能层次结构图

    可以看到，出库核心部分完全与具体CAD平台无关，目前已经在ACAD中实现了绘制程序THsPartDraw，以下是具体模块功能的详细说明。

1、  主程序THsPartOut.ARX，在AutoCAD中加载运行，采用无模悬浮对话框形式，THdbServer对象作为全局对象存在，可以实现连续出库；

2、  THsPartDBEngine COM对象，负责数据库的读(以及将基本信息写到THsPartServer结构中去)、封装了所有对零件库操作的底层实现；

3、  THsPartServer，存储从数据库得到的零件的所有信息，以存储零件的实体数据；

4、  THsPartTransfer ，从THsPartServer对象中获取数据，进行处理后填充THdbServer对象中去，封装了几何解析实现的细节；

5、  THdbsPartCalc表达式计算引擎，通过 THsPartServer 对象传递数据；

6、  THdbsPartScript 脚本计算引擎，通过 THsPartServer 对象传递数据；

7、  THsPartShow出库界面程序OCX，负责数据库的选择，数据的显示，接受一THsPartServer对象，并根据用户选择向外抛出事件；

8、  THdbServer，存储一个零件解析后的所有信息，绘图程序可以从中得到所有的实体信息用于绘制。

基于以上功能完整，相互独立的可编程组件，可以快速实现针对不同CAD平台的绘制程序，图4是THSPB在ACAD中实现的出库界面的实现。

图4  THSPB参数化出库端调用界面

     此外，THSPB还提供了可支持VB和LISP等语言的另外一套二次开发接口，用户据此进行符合设计习惯和专业特性的界面设计、零件参数专业化计算，将计算后的参数值传给接口程序，即可实现精确的绘制，提供VB和LISP的源代码示例，其根本目的就是为了保证企业现存的有关产品设计、计算方法、算法实现等已有代码可以方便的与天河系列化零件设计平台嫁接，更好的利用企业资源，提高设计效率，以此实现利用企业产品设计优势，形成产品自动化、零件系列化、参数化出图的基础平台。

THSPB的参数化的现实意义

 与传统二维参数化技术相比，THSPB的技术突破主要表现在以下几个方面。
首先，THSPB提供了前所未有的二维参数化控制技术。这一技术可望成为解决长期悬而未决的企业系列化产品参数化的首选技术。因为传统参数化技术，无论是变量化的、参数化的，还是基于几何约束的或尺寸驱动的，其根本出发点是为了处理图形而非零件，所以参数化驱动的方式通常用基于样板图而随参数变化的图形表示，用户很难有机会去控制其中的每一个细节，所以也只能做到处理简单图形，不能完成相对复杂装配件的设计功能。

另外，即使是处理简单图形，其结果往往是根据软件的要求来确定，图形必须先要做到适合软件的要求，这在使用者主宰技术的时代势必不能令用户满意。采用THSPB的二维参数化技术，在不必了解过多技术细节的前提下，能够任意掌控参数化处理方式，得到丝毫不差的结果。

设计的质量和效率是影响产品经济性和技术指标的关键，设计过程的效率对于生产系统的整个生产率起着举足轻重的作用。研究、开发和利用先进的设计方法和工具以提高产品设计的效率就显得至关重要。而THSPB参数化设计系统则对解决这个问题作出了成功的回答。相对于以前 的PCCAD 系统，我们把具有THSPB 参数化设计功能的ＣＡＤ系统称为新一代自动化的ＣＡＤ系统。随着新一代ＣＡＤ系统的进一步发展，基于THSPB的参数化设计技术为初始设计、产品模型的修改、系列零件的生成、多方案比较等提供了强大的手段，在建立通用标准件库平台、企业产品系列化产品规范及管理、常用结构的参数化设计、产品优化设计、专业CAD软件系统的快速开发等领域发挥着越来越大的作用。