支持变型设计的cad理论和方法的分析与研究

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1、支持变型设计的CAD理论和方法的分析与研究

2、第1　　摘要：分析了变型设计对CAD系统的要求，探讨了目前常用的支持变型设计的CAD理论和方法及存在的缺陷，提出了一种基于装配模型的智能变型设计系统框架。　　关键词：变型设计，装配模型，产品建模　　　变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计或设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。这种修改一般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场的要求，Pahl和Beitz最早将设计分为初次设计(origin

3、aldesign)、适应设计（adaptivedesign）、变型设计（variantdesign)，并指出在实际的设计工作中大约70％属于适应性设计和变型设计。变型设计是如此重要和存在如此广泛，这在客观上要求CAD系统能够支持这种设计方法，但目前存在的CAD系统对这种设计方法的支持程度十分有限，因而使有关变型设计的理论和方法成为当今CAD研究的—个重点。　　本文分析了目前存在的支持变型设计的CAD理论、方法及它们的缺陷，提出了一种基于装配模型的智能变型设计系统框架。1、变型设计对CAD系统的要求　　变型设计是对已存在的设计的结构的局部调整和参数的修改，CAD系统要支持这种设计方

4、法必需满足以下要求：　　(1)提供维持原有产品功能、原理的方法和工具；　　(2)提供对已存在的设计的有效管理和组织的手段，方便对设计的检索和存取；　　(3)提供对已存在的设计的快速修改的方法和工具。2、目前存在的变型设计的理论和方法2．1　基于装配模型的变型设计理论　　目前的CAD系统建立了产品的完整的几何模型，这种建模方法是从零件的建模开始的，以完成零件的拼装形成整个产品几何设计为最终目标。这种方法一方面是一种自底向上的建模方法，同时也难以表达产品的功能信息、装配信息等设计者的设计意图，因为产品的功能不是由单个零件表现出来的，而是由不同零件的组合即装配体实现的。因此装配模型是提

5、供和维护产品功能设计意图的关键。装配建模即是装配模型的建立过程，旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模型，以期不仅可以表达零件的几何模型，而且可以通过表达零件之间的装配关系反映整个产品的功能要求和设计者的设计意图。　　常用的描述零件及零件之间装配关系的数据模型有两种：　　关系模型：主要用联接图方式来表现零件之间装配关系，在联接图中，节点表示零件，联接弧表示零件间的装配关系（主要是坐标变换）。　　层次模型：以关系模型为基础，增加零件的安装顺序约束，可得到装配层次模型，零件子装配体和装配体之间形成层次关系，装配分析和设计分析以子装配体为研究对象。　　但这两种数据模型表达的设计信息仍然

6、十分有限，只表达了零件之间的装配位置关系，无法从这些关系中获取更多的产品的功能要求和设计者的设计意图。　　装配模型是人们为了提高CAD的智能水平和为支持设计过程的较高层次而提出的，它比较符合人们的自然设计过程，同时也是一种良好的变型设计方法，近年来国内外对装配模型及建模方法进行了深入的研究，但至今仍未形成完整的理论体系和实用的建摸手段，目前的CAD系统也无法支持装配建模。2.2　模块化变型设计　　模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而性能用途不同的各模块的互联组合而实现各种基型产品和变型产品。　　模块化设计包括模块的创建和模块的综合两个过程。模块创建包括功能模块的划分过程和

7、功能模块的结构设计过程；模块综合则是根据具体设计要求，进行功能分解，并从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将分功能模块组合形成产品。　　模块化设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短，降低成本且提高产品的质量，并可使产品具有很大的灵活性和适应性；能快速响应用户的多品种、小批量的需求，使产品具有很强的市场竞争力。　　模块化设计是建立在模块的定义和组织管理基础之上的，其对特定产品的模块的划分不是随意的，而且一模块与另一模块之间的装配关系是预先确定的，也不能随意改变，因而这也就限制了其使用范围。它适用于机床等行业中产品功能基本相同，但多品种的产品设计。使用这种设计方法不可能建立一

8、种通用统一的设计环境或适应于较大范围的产品设计。2．3　基于特征的变型设计理论　　特征技术是为克服传统CAD系统的缺陷，为了CAD／CAM集成的需要提出的。　　传统的CAD系统的产品建模方法是几何建型，是基于形体的几何尺寸的造型方法，它们的模型都不包括诸如定位基准、公差、表面粗糙度、加工装配精度及材料等工程信息，因而只是产品的几何表达，不能满足产品设计及加工的要求。　　特征设计是面向设计和制造的全过程，它是以几何模型为基础并包括零件设计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。