参数化建模范文第1篇

关键词：轨道交通；综合管网；三维辅助设计；参数化建模

中图分类号：F49

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）02017703

1引言

目前我国轨道交通车站综合管网设计过程中大都面临设计周期短、任务重、多专业独立工作等问题，给车站管网综合设计带来极大难度，为了提高车站综合管网设计质量与效率，以虚拟仿真为特点的三维辅助设计越来越多地应用到优化设计中。通过可视化的三维辅助设计，可以对车站管网系统进行优化，从而实现缩短周期、减少任务量、多专业协同的目标。现阶段三维辅助设计主要是基于三维实体模型，即建立在实体模型基础上的虚拟仿真。通常制作三维实体模型或按需要修改三维实体模型都需要大量的时间，繁琐的建模工作使三维辅助设计的效率大打折扣。参数化建模技术可以很好地解决上述问题，所谓参数化建模就是将管线的尺寸、形状、空间位置、材质属性等以现三维信息公司研发的MicroStation等，深圳地铁3号线车站采用了Mircostation建模辅助地参数的形式来表示，通过调用管线的参数实铁车站综合管网设计，虽然取得了很好的效果，但由于该软件涵模型创建，从而显著地提高建模的效率。目前国内外有众多学者在从事参数化建模的研究，且取得了很多成果。目前比较常用的参数化建模软件有AutoDesk公司开发的Revit，Bentley盖整个建筑工程各个方面，成本较高，针对性不强，仅用于综合管网设计投入成本较大。本文主要研究面向轨道交通车站综合管网三维辅助设计的参数化建模技术，针对综合管网设计特点提出了车站综合管网的参数化模型的构建方法以及应用流程，并将此方法应用于宁波轨道交通车站综合管网设计中。

2地铁车站管网参数化建模

2.1参数化建模与三维辅助设计关系

参数化建模是三维辅助设计的基础，参数化建模为可视化辅助设计提供带属性信息的三维实体模型。三维信息模型才可以实现实时修改、二三维一体化联动、属性信息浏览与编辑等辅助设计功能，只有构建了参数化的管网三维模型才能真正实现地铁车站管网可视化的三维辅助设计。

2.2轨道交通车站综合管网特点分析

轨道交通车站综合管网参数化建模前，首先根据车站管网综合图纸，对管网特点进行分析。车站综合管网一般分为风、水、电三部分，即暖通空调专业、给排水专业、强弱电专业，各专业内又有大小排风系统、冷冻水管、冷凝水管、消防水管、给水管、污水管、动照桥架、通信桥架等管线，对于众多类型的管线，在建模时根据管线名称设定不同的ID，并按管线形状分为圆管与方管。把水管、排气管等归为圆管，桥架、通风系统等管线划分为方管。为确保模型真实性，在建模前重点研究设计说明与相关规范，充分考虑到管线保温层厚度、实际尺寸以及维修空间等参数。同时，管网综合图纸中管线属性信息大多以图形标注的形式来展示，并未赋予在管线轮廓线上，因此图形标注信息以及其他相关信息参数化需要依附在指定的载体上。

2.3轨道交通车站综合管网参数化建模方法

通过对轨道交通车站综合管网系统分析，将综合管网三维信息模型构建主要分为三部分来实现，第一部分创建数据仓库，第二部分二维CAD图纸参数化处理与入库，第三部分为数据库信息转化为三维信息模型（见图1）。

（1）数据仓库能储存大量的管网属性信息与位置信息，是对管网数字化信息储存与管理的重要工具，是实现二维图形向三维模型转换的重要组成部分。

（2）基于AutoCAD平台的二次开发，将数据库与AutoCAD平台关联，在管网综合图上绘制管线中心线，将图形信息以参数化的形式赋予中心线上，并将中心线上所有属性信息全部转入数据库中储存和管理。

（3）基于ArcGIS平台与OpenGL建模技术结合，通过调用数据库信息，以参数驱动集成图形模块实现三维信息模型生成。

3轨道交通车站综合管网参数化建模工具

3.1数据库构建

轨道交通车站综合管网参数化建模选用PostgreSQL数据库管理系统作为储存参数化信息的数据库系统。PostgreSQL是面向目标的关系数据库系统，具有传统商业数据库系统的所有功能，同时又具有下一代数据库系统的使用增强功能，为数据存储与调用提供了坚实的基础。

根据轨道交通车站综合管网特点，对数据库表进行设计。其中包括设备中心线要素表、管线材质库表、地铁线路表、地铁车站表、站内分层表、车站轴线表、支吊架表、管线弯头表、管线中心线要素表、管线碰撞记录表，通过数据录入插件，将获取的参数化信息录入到对应的表格中储存与管理。

3.2数据录入插件

数据录入插件是参数化建模中重要组成部分，是关联AutoCAD与prostgreSQL，实现图形数据向参数化数据转换的重要工具。该插件以VS2008软件对AutoCAD二次开发，插件功能如下：（1）赋予载体属性信息。管线信息以中心线为载体，点击中心线可弹出属性录入框，可将CAD图纸中地铁车站管线的长、宽、直径、高程、材质以及维修空间等信息赋予在中心线上（见图2）。

（2）生成带属性的弯头中心线。管线弯头部分，通过点击弯头相关联的直管中心线，弹出对话框来选择弯头的连接方式如变弯、变径和变高，从而自动生成带有关联属性的弯头中心线（见图3）。

（3）提取属性信息。将CAD图纸中赋予中心线的属性信息与线段原始的信息如X、Y坐标、长度等进行提取，通过与数据库关联将提取的全部信息储存在数据库对应的表格中（见图4）。

3.3模型生成模块

三维信息模型的自动生成是基于ARCGIS平台二次开发来实现的。ARCGIS平台二次开发是将ARCGIS平台中三维分析模块与OpenGL建模的集成。根据地铁车站管网特点，ARCGIS平台中三维分析模块用于标准直管的参数化模型构建，OpenGL建模用于弯头连接部分的参数化模型构建。

（1）ARCGIS三维分析模块。通过读取数据库中标准直管的属性信息，通过参数约束驱动模块从而实现标准直管的三维信息模型的生成，方管以底边中心线位置、宽和高等参数，将一个矩形框按长度参数界定的范围形成方管模型，圆管以轴线点位为圆心，将一个圆圈按长度参数界定的范围形成圆管模型。

（2）OpenGL建模。通过在OpenGL建模中创建矢量变弯、变径、变高的弯头参数化模型。将弯头参数化模型嵌入ARCGIS平台中，同时通过ARCGIS的SDK模块的软件程序编写，读取数据库中弯头的属性信息，生成相应的弯头模型（见图5）。

通过数据库中弯头表格中中心线的关联信息，将生成的弯头模型与将方管、圆管模型合成，从而构成完整的管网参数化模型。

4轨道交通车站综合管网参数化建模流程设计

通过对轨道交通车站综合管网图纸特点分析，为实现车站管网三维信息模型构建设计了相应的应用流程。

（1）参数分析。参数分析包括车站管线类别、管线保温层、管线最大外径、管线维修空间等参数，通过对图纸说明与规范的分析，制作材质属性表（见图6），并录入数据库中，当录入图纸信息时可以将公称值换算成实际值。更能反映现场管网状况，提高图纸的精确度。

（2）图纸标准化。在收集地铁车站管网图纸前，由于各设计人员习惯不同，车站管网图纸颜色各异，图层名各不相同，因此制定一份制图规范，统一制图格式和标准，既能加强对图纸管理工作，又能为录入数据时提供标准图纸便于识别与录入。

（3）管网二维图形的参数化处理。在CAD图中创建对应图层，绘制对应管网中心线，其中绘制管网中心线分为两个部分，一是标准直线段管网中心线绘制，绘制该段管线的中心线，将管线的属性信息包括长、宽（直径）、高程、材质等填入对应的属性框中，二是弯头部分中心线绘制，点击弯头两端的管线中心线，会弹出对话框，根据实际图纸情况选择对应的变高、变径、变弯选项，自动生成弯头中心线。

（4）参数化信息导入数据库。对绘制好的中心线的地铁车站管网综合图纸按建筑层（站厅层、站台层、站台板下层）分别导入到数据库中。

（5）三维信息模型生成。通过读取关联数据库中的管线属性信息和弯头属性信息，自动生成管网三维信息模型。

5实例研究

该参数化建模方法已成功应用在对宁波轨道交通1号线19个车站以及2号线部分车站管网三维信息模型构建中。以下介绍福明路站构建管网三维信息模型流程（见图7）。

（1）统一制图规范。在建模前，与参与设计院设计人员协商，制定了一份共同认可的制图规定，统一了管网综合图纸的各管线颜色与名称、管线所在的图层名称等（见图8）。

（2）属性信息输入。将福明路站综合管线按不同专业管线进行分类，分别在各个专业图上绘制中心线，使用数据录入插件数据录入功能，将管线属性信息输入到属性录入框中。

（3）信息入库。将完成属性录入的图纸整合在一起，使用数据录入插件导入功能，将车站所有管线的信息储存在数据库中。

（4）综合管网模型生成。模型生成模块通过读取数据库中管线的信息，生成了福明路站综合管网模型（见图9），在属性框中每根管线都有对应的名称、ID、长、宽、高、高程、空间位置、材质、实际尺寸、保温层、维修空间等参数信息，在三维环境中可任意管线的参数信息进行浏览与编辑，同时编辑内容保存在数据库中。

6结论

本文针对轨道交通车站综合管网特点提出了综合管网三维信息模型构建方法，研发了基于AutoCAD平台的属性录入插件以及三维GIS技术与OpenGL建模技术相结合的三维模型生成模块，实现了车站各专业管线的参数化建模。该模型在设计阶段为设计人员提供了一个可修改的三维信息实体模型辅助设计，同时在施工阶段直观反映图纸信息为施工人员提供三维施工指导，并且在运行维护阶段还可以为管理者提供管线设备检修、三维资产管理等，在整个轨道交通车站建设中都能发挥其作用，具有重要的现实意义。

参考文献

[1]王淑嫱，王乾坤.地铁车站三维辅助建设与管理系统的构建[J].武汉理工大学学报，2012，34（3）：289292.

[2]王乾坤，王淑嫱.地铁工程施工安全监控管理信息系统的构建[J].武汉理工大学学报，2009，31（23）：7276.

[3]梅小宁，杨树兴.基于UG二次开发的参数化建模方法在优化设计中的应用[J].科技导报，2010，28（3）：2932.

[4]李军.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].国防科技大学，2000.

[5]陈靖芯，徐晶.基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用[J].机械设计，2003，20（8）：4850.

[6]孙伟，马辉.面向机械产品可视化设计的参数化建模[J].东北大学学报，2009，30（11）：16321635.

参数化建模范文第2篇

【关键词】动力机械；螺旋桨；自动建模；参数化；Pro/ToolKit

螺旋桨是船用推进器中应用最广的一种，它主要由轮毂和叶片两部分组成，桨叶叶面呈螺旋曲面形，叶片薄厚不均。其曲面形状通常由上百个用于控制其空间形状的形值点的三维坐标来确定，桨叶的几何形状特点使其成为典型性的具有复杂曲面的物体。国内不少学者对螺旋桨的三维造型方法进行了深入的研究。一般情况下主要通过图谱设计法或者环流理论设计法，在建模过程中采用坐标转换的形式实现。

Pro/ToolKit是PTC公司为Pro/ENGINEER软件提供的一个底层的API二次开发接口。通过它可以直接访问Pro/ENGINEER 软件的最底层数据库资源，通过Pro/ENGINEER集成的内部程序（Dll）或外部应用程序（Exe）可以为造型用户提供自定义的应用程序、设计规划和绘图自动化。

1. 螺旋桨三维建模原理概述

根据螺旋桨叶片形值表，可查出在每一个r/R的参数下对应的桨叶切面的最

4. 基于Pro/ToolKit的螺旋桨自动参数化建模实现

根据上面的自动化生成方案，对于螺旋桨自动参数化建模需要基于Pro/ToolKit的开发主要包括以下两个方面的内容。

4.1基于异步模式的API调用实现对Pro/E零件Parameter表的调用读写功。

能，以及基本的模型载入、重构与保存等功能。将API函数读出的Pro/E零件参数写到方便编辑操作的软件（如Excel表格）或者用户自定义的软件GUI上。这里我们采用后者。

6. 结语

（1）在Pro/ENGINEER环境下实现螺旋桨的自动三维建模，首先要对螺旋桨建模流程进行分析，然后通过Pro/ToolKit调用Pro/ENGINEER的三维建模功能，实现螺旋桨自动建模应用软件的开发。

（2）在Pro/ENGINEER环境下，输入桨毂组件基本构形参数和《桨叶形值参数表》即可实现螺旋桨的自动化参数建模。这种设计模式大大提高了螺旋桨的设计质量和效率，并为后续的结构、流体分析以及数控加工刀具轨迹的生成等奠定了基础。

参考文献

[1]陈艳锋，吴新跃.螺旋桨桨叶计算机实体造型方法研究[J].海军工程大学学报，2005，17（4）：104～107.

参数化建模范文第3篇

关键词：通用性；整机参数化；建模系统；自适应；调控方法

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-8122（2014）12-0163-03

参数化建模技术作为最有效的快速建模手段，长期以来一直是国内外计算机辅助设计领域的研究热点。PTC公司在20世纪90年代将零部件级的通用参数化技术应用在其Pro/E软件中，使得三维设计系统建模效率大大提高[1]。在此基础上，很多学者开展了产品整机的参数化建模技术研究，也出现了一些相关产品。目前国内外进行参数化设计的研究有很多。这些参数化设计研究已经突破了传统参数化设计中结构参数定义自下而上的设计理念，提出了自上而下的总体参数控制方法，并提出了提取设计人员的设计思路，固化设计规则，从而实现自动化的参数设计方法。但是这种参数化设计方法还有很大的局限性，其总体参数控制受预定的参数结构约束，无法进行实时地改变；而固化的设计规则限制系统只能适用于某特定类型的产品，不具有通用性和可拓展性。

本研究提出了一种通用性整机参数化建模系统自适应调控方法。在产品设计过程中对其设计参数进行层次划分，并建立设计参数之间的联动关系；通过主参数控制整个产品模型的建立和修改，系统根据设计规则完成主参数与其它设计参数的转换，生成产品装配约束模型，并自动更新产品的数字模型：系统将设计规则与系统框架相分离，设计规则可以通过简单的语法用脚本文件描述，可以方便地添加和修改。与之前的研究相比，设计规则不再固化，系统根据需要可进行自适应调控，使系统的通用性大大增加，不再局限于某特定的产品设计。

一、技术原理

所谓“整机参数化”，是指在零件参数化技术的基础上，针对某类产品整机建模的特点，总结其建模规律，并依据规则由程序自动完成产品整机建模的一系列操作，从而大大降低设计者劳动强度，提高建模效率的一种快速建模技术[2]。

参数化技术是实现快速建模的主要手段之一。传统的参数化技术只能处理零件级的几何模型，不能满足产品整机模型的快速建模需求。应用传统的参数化建模技术，设计者需完成一系列复杂而又烦琐的工作，并且很容易出现错误。现有整机参数化技术的主要问题是自适应性差：建模规则往往被固化在程序中。工程中影响产品几何形状的因素非常多，建模规则是琐碎而又多变的。而固化在程序中的规则往往只能满足一种情况的需要，花费了大量时间和精力开发的整机参数化系统只能满足特定产品的快速建模需求，难以推广应用到其它类似的设计中。

实际上，对于某类产品而言，建模规则总是有一定规律可循的。如果将建模规则引入到程序中，由程序代替人工完成以上工作，就可以大大减少设计者的劳动强度，提高建模效率。本研究提出的通用性整机参数化建模系统自适应调控方法：将建模规则与系统框架相分离，建模规则可由最终用户通过简单的语法用脚本文件描述，可以方便地添加和修改。从而极大地提高了系统的自适应性。通过定制零部件库及其建模规则，可以快速生成满足不同产品建模需求的整机参数化程序。

二、自适应调控结构

通用性整机参数化建模系统自适应调控结构如图1所示：整个系统由“建模规则维护”、“框架模型库维护”、“基于规则的整机参数化建模”和“CAD模型生成引擎”四个部分组成。其中：“建模规则维护”模块主要用于向产品框架模型添加建模规则；“框架模型库维护”模块主要用于对常见产品、零部件及特征的框架模型进行分类存储；“基于规则的整机参数化建模”模块则负责读取并解析产品的框架模型和建模规则，生成用于选取零部件实例、特征实例和输入主控参数的用户界面，并根据输入的主参数、零部件类型和特征类型，确定整个产品的零部件及特征的数量、类型和参数，并将其输出到CAD系统下，自动建立产品零部件及其装配模型，实现产品整机的参数化建模；“CAD模型生成引擎”用于向常见的CAD软件（例如PRO/E和UG）输出整机参数化系统生成产品三维模型。

图1 通用性整机参数化建模系统自适应调控框图

由图1可以看出，系统的基本工作流程如下：a.由结构设计人员建立常见产品、零部件和特征的“框架模型”；b.由负责系统维护的管理员按照建模规则的脚本语义，应用“建模规则维护”模块，在框架模型上添加建模规则，并通过“框架模型库维护”按照一定层次结构分类存储；c.用户则调用模块“基于规则的快速建模”，生成产品模型实例。

与一般的整机参数化系统相比，图1所示的方案的主要特点是将具体的建模规则与整机参数化系统相分离。最终用户可以通过“建模规则维护”界面对产品的建模规则进行扩充和修改，从而使得“整机参数化建模”系统具有良好的可调控性，可以适应不同产品快速建模的需求。理论上讲，整机参数化技术建模系统可以适应所有产品的快速建模需求。

“基于规则的整机参数化建模”负责对“框架模型”进行参数化，其主要功能包括：a.解析指定的“框架模型”的规则语义，将其用直观的产品树的形式显示；b.接受用户的“虚零部件”实例选择、“虚特征”实例选择、参数输入等信息；c.根据用户输入的信息和建模规则，对框架模型进行实例化，生成模型生成脚本，进而得到模型。

三、实例分析

（一）框架模型库维护

所谓框架模型，是指在对某一类相似结构的产品模型进行抽象、归纳的基础上，利用“虚零件”和“虚特征”的概念，建立的简要结构模型，其本质是一种可视化的整机参数化框架表达。框架模型分为“装配框架”和“零件框架”两种。其中“装配框架”是一种加入了“虚组件”的装配模型，“零件框架”是一种加入了“虚特征”的组件模型。“虚组件”是一种只定义装配位置（用一个局部坐标系完成）和基本尺寸，没有具体结构的组件模型。用户在设计过程中选择具体的组件实例，赋予其具体参数后，系统自动用组件实例替换“虚组件”形成实际的装配；“虚特征”是一种只定义位置和方位（用一个局部坐标系完成），没有具体结构的特征表示。用户在设计过程中选择具体的特征实例，赋予具体参数后，系统自动用特征实例替代虚特征形成实际的组件。

框架模型库用于存储产品、零部件和特征的框架模型。框架模型库维护模块的主要作用是对各种框架模型进行分类管理，包括：模型分类、模型对应的CAD文件和建模规则等信息的存储。框架模型库维护的界面（如图2所示）。

图2 框架模型库维护主界面

（二）建模规则及其维护

通过对大量产品整机参数化规律的总结和提炼，建立了一种能够满足绝大部分产品建模需求的建模规则描述语义。建模规则从形式上看是一套具有一定格式的脚本语言，其基本语义包括对产品的零部件装配关系、主参数定义、参数关联关系、特征定义、特征关联、零部件约束、系列特征等信息的描述[3]。通过这套语言，可以方便地对整机参数化的建模规则进行定义。建模规则的可视化定义方法，用户可以在CAD软件下，面向产品及其零部件的实体模型，通过专用工具，对建模规则进行维护，如图3所示。

图3 建模规则维护窗口

（三）基于规则的整机参数化

这部分是本文的核心研究内容，其工作流程如图4所示。从工作流程可以看出，该部分的主要工作包括：

图4 基于规则的整机参数化工作流程

1.装载产品框架模型库结构

读取存储产品框架模型库的数据库表，以树形结构显示产品、零部件和特征的分类层次关系，如图5所示。

图5 基于规则的整机参数化主界面―框架模型树

2.产品框架模型的装载和交互

读取产品及零部件的框架模型，对其建模规则进行解析，将产品零部件处理成树形结构（产品装配树）。同时，建立零部件、特征、参数之间的复杂关联关系，以直观的方式进行显示（如图6所示）。接受用户的参数输入、零部件类型选择和特征选择，期间对产品结构树及零部件/特征和参数关系进行实时调整。

图6 基于规则的整机参数化主界面―产品装配树

3.CAD模型生成

首先，遍历产品装配树，根据整机参数化算法，生成创建当前产品的三维模型的过程语句，包括：零部件及其特征实例的创建、零部件及其特征参数更新、零部件装配约束添加等[4]。

然后，启动CAD模型生成引擎，依次执行模型生成描述语句，生成当前产品的三维几何模型。

（四）CAD模型生成引擎

建立常见CAD软件（PRO/E和UG）与整机参数化系统的接口程序。该程序读取整机参数化模块输出的产品模型描述语句，对其进行解析并最终实现三维模型的生成。

四、结 语

传统的整机参数化建模技术存在的主要问题是适用面窄，自适应性差。传统整机参数化建模系统的基本结构：软件设计者首先对需要建模的产品对象进行需求分析，总结其建模的基本规律，包括产品的零部件组成、主要零部件的特征结构、主要的控制参数（主参数）、主参数与其它细节参数之间的约束关系、零部件的装配关系等等；然后程序员编写整机参数化人机界面，界面的主要功能是接受用户的主参数输入；再以主参数作为程序入口，将之前总结的建模规律编写成程序代码；最后调用商品化CAD软件的相关接口函数，建立零部件实例，对其进行尺寸驱动，并进行零部件的装配约束，完成整机模型。上述整机参数化建模技术的最大问题，在于建模规则的不可调控性。建模规则以程序代码（条件、公式、循环等语句）的形式被固化在软件程序代码中，一旦投入使用，最终用户就无法修改建模规则。而实际工程中，尽管统一企业生产的产品之间存在很多相似之处，但是不同型号产品的建模规则仍然存在很多不同之处。完全“刚性”的整机参数化软件很难适应工程的实际需求，这是目前整机参数化技术无法普及的主要原因。

通用性整机参数化建模系统自适应调控方法的理论创新之处在于：整机产品的建模规则与整机参数化程序相分离。也就是说，一般的整机参数化系统，建模规则是以程序代码方式存储的；而在本文中，建模规则以脚本的方式存储在数据库中。这样存储的建模规则是可以调控的，用户可以根据其产品特点，通过建模管理模块对建模规则进行扩充和修改，从而极大的提高了整机参数化软件的自适应性。自适应调控的基本结构是用户指定需要创建的产品类型，整机参数化程序通过对该产品框架模型和建模规则的解析，动态建立该产品的产品结构树，并创建主参数的输入界面，包括零件类型的选取、特征类型的选取、主参数的数值确定等；用户输入参数后，系统自动完成产品建模的一系列工作。通用性整机参数化建模系统自适应调控方法的技术创新之处在于：建模规则的语义描述及其解析。通过对大量产品结构的分析和研究，提出并建立了一套由框架模型和脚本语言构成的建模规则描述与解析技术。

总之，通过应用创新的通用性整机参数化技术，可以极大地提高整机参数化建模系统自适应调控能力。可以将整机参数化技术的适用性从只适用于某类特定产品，扩展为适用于所有的相关产品。

参考文献：

[1]张峰，李兆前，黄传真.参数化设计的研究现状与发展趋势[J].机械工程师，2002（1）.

[2]A Verroust，F Schonek，D Roller.Rule-oriented method for parameterized computer-aided design [J].Computer- Aided Design， 1992（10）.

参数化建模范文第4篇

【关键词】Pro/TOOLKIT；参数化；筒形摇架

1.引言

摇架作为火炮的支撑部分，对火炮的准确度、火炮的稳定性有着重要的作用。

摇架对设计者提出了越来越高的要求，大量的设计图与修改需要设计者去完成，是否仍然要埋首于大堆的设计图中，为一个个的改动而焦心竭虑。Pro/E所具有的参数化建模能力将使设计者的工作大大简化。本文以某火炮筒形摇架为研究对象，使用Pro/E的二次开发功能对摇架进行三维参数化建模，使得摇架的设计直观、准确，便于用户的修改，大大提高了工作效率并减少了生产成本。因此，将火炮摇架的模型用参数化形式来表示调用为炮架的设计制造提供了方便，具有现实的研究意义。

2.参数化建模的技术

参数化功能是Pro/ENGINEER的核心部分。参数化设计方法可以分为程序驱动及尺寸驱动两种方法[1]。程序驱动方法是一种自下而上的建模方法，由点、边、面形成完整模型，一旦用户需要修改模型，必须重新指定尺寸，程序重新求解坐标，绘制草图，对于复杂零件来说，增大了工作量。

尺寸驱动方法是一种自上而下的建模方法，用轮廓体现设计思想。尺寸驱动是在轮廓上加上尺寸参数，并设置线段之间的约束关系后，根据尺寸参数和约束关系来控制轮廓的位置、形状和大小。当轮廓尺寸的数值大小改变时，轮廓上其他和此约束有关的部分也将随之发生相应的变化。尺寸驱动将设计图形的直观性和设计尺寸的精确性有效地统一起来，大大提高设计的效率和质量。

Pro/E软件在提供强大的设计、分析、制造功能的同时，也为用户提供了多种二次开发工具[2]。Pro/TOOLKIT是Pro/E软件提供的开发工具之一，它功能极其强大，库函数丰富，基本可以完成Pro/E所拥有的所有功能，是进行Pro/E二次开发最理想的工具。Pro/TOOLKIT支持完全面向对象的编程，利用Visual C++6.0语言的可视化界面设计技术进行环境设置，使用Visual C++语言编写程序、信息文件和注册文件实现了Visual C++与Pro/ENGINEER的连接，通过MFC应用程序可以设计出方便实用的人机交互界面。然后把三维模型样板，输入参数和提示图形放在同一个对话框中。这样就在Pro/E、Pro/TOOLKIT和VC++之间建立起连接，只要在对话框中输入要修改的参数，系统就会自动生成新的三维模型。系统设计的流程图如图1所示。

图1系统流程图

3.筒形摇架的三维参数化建模

3.1确定驱动参数和约束方程

筒形摇架是主筒剖面为圆筒形的摇架。主要由长筒形主筒、前后铜衬瓦、反后座装置支坐、耳轴、护筒、定向栓室与各种支臂组成。选取L0、L1、L2、L3、E、R1、R2为主设计尺寸，尤其是主体内圆半径L1和主筒壁厚R2决定着摇架的口径，L0反映的是摇架主体的长度，这七个尺寸对火炮摇架的设计有着重大的影响。根据尺寸关系选取E1、E2、E3、α、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、B1、A3、B4作为辅助设计尺寸。而其它尺寸在一般情况下不变，所以拟定为固定尺寸[3，4]。其结构用三视图表示，尺寸如图2所示。

图2 筒形摇架尺寸标注图

设置筒形摇架模型的参数和关系，如图3所示。

图3 关系设置

根据摇架的实际设计经验，得出下列的约束条件：

2E1>L3；

H2

B2

H5

E1>E3>E2；

E2

L1>H7。

根据这些条件添加尺寸的约束语句。部分判断语句代码如下：

if（m_2E1

if（m_H2>=0.5*（m_E1） AfxMessageBox（"H2必须小于0.5倍的E1，请重新输入"）；

if（m_B2>m_B1>m_E） AfxMessageBox（"B2必须小于等于B1小于等于E，请重新输入"）；

……

3.2设置连接环境

新建一个项目，并且设置开发环境。进入Visual C++6.0集成开发环境，对VC++的编译连接环境进行设置。

A 设置Selecting对话框：在Tools/Option/Directories中添加包含文件和库文件，如下：

包含文件

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE2.0＼PROTOOLKIT＼INCLUDES

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE2.0＼PRODEVELOP＼INCLUDES

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PRODEVELOP＼PRODEV_APPLS＼INCLUDES

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PROTOOLKIT＼PROTK_APPLS＼INCLUDES

库文件

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PROTOOLKIT＼I486_NT＼OBJ

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PRODEVELOP＼I486_NT＼OBJ

B 设置Project Setting对话框各项更改工程设置如下：

C/C++/常规：勾选“产生浏览信息”

C/C++/Code Generation/Use run-time library：Multithreaded DLL

连接/自定义：勾选“强制文件输出”

连接/常规/对象/库模块：mpr.lib protk_dll.lib wsock32.lib

3.3生成模型

在对话框中输入修改参数，系统就会产生新的模型。假如修改摇架主筒长度，摇架主筒长L0从1500毫米修改为1520毫米，模型更新前如图4所示，模型更新成功后如图5。在修改一个尺寸后，参数化模型中的相关尺寸就会自动更新。但前提是尺寸输入正确，若尺寸参数改动为不符合约束条件的值，这时运行程序，会弹出一个如图6所示的对话框提示尺寸错误。

图4 模型更新前

图5 模型更新后

图6 尺寸错误时的提示对话框

4.结论

使用Pro/ENGINEER软件的Pro/TOOLKIT功能，结合Visual C++6.0编程软件进行二次开发。以某口径火炮筒形摇架为例，确定各参数关系和约束方程，开发了参数化建模的程序，实现了对筒型摇架模型的参数化驱动，完成了对火炮摇架的快速设计，提高了工作效率。

参考文献：

[1] P rashant Banerjee，D an Ze tu.虚拟制造[M].张伟，译.北京：清华大学出版社，2005.2

[2] 王晓丽，季忠.Pro/ENGINEER的二次开发方法比较[M].现代制造技术与装备，2006：133-134

参数化建模范文第5篇

关键词:RF电感;PDK;研发;难点;解决

1引言

1.1 射频电感和PDK定制的需求

随着集成电路与通信技术的发展,射频收发机系统的CMOS全集成已经成为发展趋势,并且已经被广泛应用于手机、射频芯片(RFID)、测试设备、导航系统(GPS)、雷达、终端无线方式互相连接的技术(Wi-Fi)以及卫星无线电等应用的高频模拟电路和信号处理中。而其中,电感作为最重要的无源组件之一,承担着射频电路中的几项主要功能,包括:电路调谐、阻抗匹配、高通和低通滤波器,以及RF扼流圈等。RF电感的性能,将直接影响到射频电路甚至是电子产品的质量。基于RF全定制芯片设计流程的参数化设计套件(Process Design Kit,PDK)――工艺设计套件提供了完整的解决方案。

1.2 华润上华0.18 微米 模拟/射频 工艺介绍

华润上华模拟/射频 工艺CMOS 0.18um MS/RF是晶圆代工厂基于客户对于数模混合、射频开发兼容的需求而开发的可广泛应用的新工艺,能够提供1.8V电压内部器件、3.3V或者5V 电压接口器件,同时提供Native VT、Medium low VT器件、高性能电容、高精度硅电阻、可变电容器、射频电感等可供选择的特殊器件,可方便客户大规模,数模/射频集成的电路设计。

1.3本文研究内容

本文中,主要基于CSMC 0.18um MS/RF工艺,研究解决射频电感参数化设计套件实现中,准确反映工艺模型特征参数、各种参数之间的参数传递及其作用所出现的难点和处理方法。

本文将具体介绍参数化设计套件(PDK)的设计流程和图形技术编辑器(GTE)的实现方式,并重点介绍难点的解决方法学和质量保证(QA),最后是结束语。

2 射频参数化设计套件的

实现流程和方式

参数化设计套件(PDK) 是为模拟/射频混合信号IC设计而提供的完整工艺文件集合,是连接IC设计和IC工艺制造的数据完整平台。作为面向特定工艺的设计包,PDK支持的IC工艺包括:CMOS、双极、BiCMOS、SOI和GaAs,RF等。图1很好地说明了PDK所含内容和设计流程及设计工具之间的关系。

2.1 传统参数化设计套件开发流程介绍

PDK的参数化单元(PCell)和CDF(相同格式定义)和反馈程序控制(Callback)都是由SKILL语言开发的。SKILL编程语言是一种高级的交互式语言。目前,SKILL是一种开发PCell的主流解释性语言,能在Cadence Virtuoso环境中被立即执行。其特有的面向对象设计(ROD)命名方式,可以简化寻找对象标志(ID),特别在开发层级PCell时底层对象的寻找和调用。更重要的是,它允许用户访问和控制所有工具环境中的组件:用户接口管理系统、设计数据库和设计工具的命令库[1,2]。

面向对象设计(ROD)是一套高级的SKILL函数的集合,并且被广泛地应用于从简单到复杂的版图对象以及这些对象之间的空间关系。

比如描述MOS的折叠栅极(fingers)最大最小值的控制与返回,以及与其它参数w,fw的关系:

( fingers

min = ST18_hvmosValue(param ?dpt dpt ?type 'min)

max = ST18_hvmosValue(param ?dpt dpt ?type 'max)

PasCdfValidateInt(paramId ?min min ?max max ?mode mode)

PasCdfCommitValue(paramId)

w = cdfParseFloatString(cdfId->w->value)

fw = cdfParseFloatString(cdfId->fw->value)

if( stringp(w) && stringp(fw) then

if( rexMatchp("iPar( *\"w\" *)" fw) then

tconc(doList 'fw)

else

tconc(doList 'w)

)

else

tconc(doList 'w)

) ; ** if stringp **

fingers = cdfParseFloatString(paramId ->value)

when( numberp(fingers) &&fingers < 2

when( cdfId->connectSD

cdfId->connectSD->value = "None"

)

)

然而随着模拟混合信号设计要求不断提高,使用器件的种类越来越多,对PCell的功能和参数要求也越趋复杂和完善,但使用传统的开发方式将很难保证PDK开发的时间和质量。对于开发者来说,基于0.18um MS/RF工艺研发一个MOS器件,通常这个器件需要有上百个变量赋值,上千个ROD图形对象坐标校准以及上万行SKILL代码编程与排错。难以想象,如果用这种SKILL开发方式,能有效的完成所有的参数化单元库。

2.2图形技术编辑实现优化的参数化设计套件开发方式

基于用SKILLl编程式开发PDK的困难,经过多年的反复摸索,目前我们采用了图形技术编辑(GTE)的方式来优化开发,在本次研究中,我们使用PDK开发设计工具GTE。它是一款为使用者设计的图形化界面的编辑工具,可以通过图形化的方式定义、编辑模型、工艺规则等,并且以文档的方式将这些信息保存起来。通过使用GTE,我们可以实现对RF Pcells、CDF 参数等模块的定义和编辑。根据积累的开发经验,我们可以总结出PDK开发的设计流程如下。

Pcells(Parameterized Cells参数化单元):它由SKILL语言编写,同时其对应的版图通过了DRC和LVS验证,加速设计周期,方便设计人员进行原理图驱动的版图(Schematic Driven Layout)设计流程。器件的属性描述文件 (Component Description Format,CDF)定义了器件类型、器件名称、器件参数及参数调用关系函数集Callback、器件模型、器件的各种视图格式等。

3射频电感PDK开发的难点和处理

3.1射频电感的参数控制

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射频电感器件的仿真特性需要包含仿真时所需的参数:r―电感半径,tn―电感圈数,w―电感线圈宽度,s―电感线圈间距; 顶层铝(Topmetal)控制等。 这些参数在RF PDK中都需要准确反映出华润上华的工艺要求和模型测试的范围。

3.1.1 准确反映工艺参数

华润上华电感模型要求网表格式:

X_ind_spi_rf (1 2 0) ind_spi_rfr=30u t=2.5 s=2u w=8u

X_ind_dif_rf (1 2 0) ind_dir_rf_w8s1d5r60n3d5 r=60u t=3.5 s=1.5u w=8u

其规定了RF电感的模型名称(model name),以及在hspiceD,Spectre网表中必须包含的参数和调用方法等,所以我们在GTE中首先要定义例如:

如图3所示,我们在GTE中首先对射频 器件仿真当中所使用到的参数进行定义。其中w代表了环形铝的宽度,r代表了最内圈铝的半径,turns代表了射频电感中环形铝的圈数。它使得网表可以正确的产生,如图4。

3.1.2 CDF参数的定义和程序的控制

射频电感包含所需要的所有的参数,CDF参数中都要定义。

图5为对CDF参数的定义,radius代表了最内圈铝的半径,turns代表了射频电感中环形铝的圈数。根据华润上华0.18umMS/RF工艺和模型中对射频电感的要求,为了保证射频电感仿真和工艺生产更大的一致性,间距(space)、宽度(width)、半径(radius)、圈数( turns)只能在相对固定的几个参数之间选择,并不能任意的选择。在single-end inductor(单端电感)CDF器件参数中,对“个数(multiplier)”,“间距(space)”,“width(宽度)”,“radius(半径)”,“turns(圈数)”的范围进行了定义,

其中规定space的选择为:1.2um,2um,4um;

width为:8um,12um,16um;

radius为:30um,45um,60um,90um;

turns为:2.5,3.5,4.5,5.5,6.5,7.5。

这个难点就需要用callback程序来实现控制[4]:

procedure( st18_checkIndParam( cdfId dpt "oo" )

let((grid allGroups thisGroup value)

grid = dpt->grid

allGroups=list(dpt->validGroup1 dpt->validGroup2 dpt->validGroup3 dpt->validGroup4 。。。。)

thisGroup=list(cdfId->width->value cdfId-> space->value cdfId->radius->value cdfId-> turns-> value)

member(thisGroup allGroups)

) ; ** let **

)

其中validGroup1 (1.2um, 8um, 30um, 3.5)…

或者是实现Differential Inductor时,通过:

case(cdfId->model->value

("ind_dif_rf_w8s1d5r60n3d5" cdlModel="IA" width="8" space="1.5" radius="60" turns="3.5")

("ind_dif_rf_w8s1d5r60n5d5" cdlModel="IB" width="8" space="1.5" radius="60" turns="5.5")

("ind_dif_rf_w8s1d5r60n7d5" cdlModel="IC" width="8" space="1.5" radius="60" turns="7.5")

("ind_dif_rf_w8s1d5r120n3d5" cdlModel="ID" width="8" space="1.5" radius="120" turns="3.5")

(t cdlModel="IA" width="8" space="1.5" radius="60" turns="3.5")

)

来实现“Fix layout” ---固定版图的控制。

使用反馈程序(callback)的确认,帮助我们确认了电感的4个参数的工艺实现的准确要求,与模型的测量范围达到一致。解决了电感图形超过模型要求的难题。

3.2 射频电感的后端参数化单元难点与解决

3.2.1图形参数的可迁移性

研发射频参数化单元时,需要使用大量的参数运算,我们可以在GTE中定义全局变量,在工艺发生改变或者参数需要调整时,能达到方便的管理和更新,如图6。

3.2.28角形射频电感参数化单元版图

在开发8角形参数化单元版图时,面对图形复杂,需要准确对应每段线圈坐标的难点。我们首先要对开发参数化单元版图时所需要的CDF参数进行定义,如:

然后在GTE中对所使用的全局变量(global parameter)和本身CDF定义进行调用如[5]:

dpt = PasGetDeviceProps( cv )

W=float(evalstring(width))

S=float(evalstring(space))

p=PasCeiling((S+W)/4 grid t)

r=PasCeiling(float(evalstring(radius)) grid)

R=PasCeiling((r-p/2) grid)

NT=evalstring(turns)

NR=pcFix(evalstring(turns))

NQ=pcFix((NT-NR)/0.5 + 1e-6)

msCont=if(nContRing

wM1=max(mwM1 nContRing*msCont+(nCont Ring-1)*msCont+2*meM1Cont)

…

在GTE中开始对8角形参数化单元进行图形化编辑:

在图7中,可以看到我们定义出了a[1][0][1], a[1][1][1], a[1][2][1], a[1][4][1],一共4块铝的形状、尺寸,以及它们之间的相对位置关系。同时,a[1][0][1], a[1][1][1], a[1][2][1], a[1][4][1]构成了射频电感中最内圈的铝。射频电感的其余部分将以这4块铝为基础,确定它们各自的尺寸和相对位置关系。

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图8中,以图7中定义的a[1][3][1]为基础,开始定义射频电感中其余圈的铝的形状、尺寸,以及它们之间的相对位置关系。

图9中,以a[1][3][1]为基础,定义了从a[1][3][1]引出的铝(metal),同时定义从a[1][3][1]引出的铝(metal)为电感的”负(minus)”端。

图10中,以电感最外圈的末端铝(metal),即在图7中的a[i][1][1]为基础,引出电感的另外一端,同时命名为”正(plus)”端。

图11中,以电感最外圈的铝为基础,定义了非工艺层次INDUM_mark的尺寸和位置,来区分铝的用途――在INDUM_mark中的metal,作为电感。INDUM_mark层次是为了在后端物理验证中与一般器件区分,属于设计用途的层次。8角形的电感图形就基本实现。

3.2.38角形射频电感参数化单元顶层铝选择

怎样通过反馈程序(callback) 的定义在参数化单元中实现顶层铝的选择?我们需要解决不同客户对电感的工艺选择的需求,可以把顶层铝一直定义为厚铝,而底层铝通过以下函数传递:

case(cdfId->topMetal->value

("thickmetal4" underPass="A3" layTap="A2")

("thickmetal5" underPass="A4" layTap="A3")

("thickmetal6" underPass="A5" layTap="A4")

(t underPass="A5" layTap="A4")

)

3.3 射频电感参数化设计套件的质量保证

当我们分别在GTE[6]流程设计完成RF电感的前端参数和后端版图之后,接下来在进行相应的质量保证(QA)检查中检查确认参数化单元中的建模没有违反CSMC 0.18微米 MS/RF 工艺的设计规则要求,以及满足各种仿真参数的传递。(需要强调的是,在QA 图形的建立中需要建立大量的数据库,涵盖所有的设计规则需要检查的内容,以及对应器件参数的匹配和一致性,我们在这方面也积累了多年有效的方式方法,形成了一套完整的检查体系和流程,这里不一一赘述。

4结束语

本文采用了实事求是、严谨、贴近实际的基本思想和方法,对射频电感实现难点和解决进行了分析,确定了射频电感的各项主要参数,以及参数化单元的具体图形化结构,并且对其进行了QA验证。

另外,由于篇幅关系以及技术保密的原则,本文中只对射频电感参数化设计套件的开发过程中的难点进行了剖析,并未对细节上的处理进行说明。但是本次研究对如何利用参数化设计套件对射频电感实现参数化和建模进行的分析和说明,分享了关于研发基于CSMC 射频工艺的参数化设计套件有效的方式和方法。

CSMC设计服务中心密切配合华润上华模拟代工厂的发展方向,在建设配套工艺设计平台的参数化设计套件中,采用了各种优化的设计开发方法,也为客户高效的高质量的提供了套件库,帮助更多的客户成功开发模拟和混合信号产品。用射频参数化设计套件库去开发设计产品将成为芯片设计的主流。

参考文献

[1] Ming Yu, XiaoBo Zhu ,Yu Peng “Speed up MS/RF PDK development in PAS”

[2] Cadence Design Systems, Inc., "SKILL Language User Guide Ver 06.30”,sourcelink.省略, Sep. 2004,pp. 31-50.

[3] Cadence Design Systems, Inc., "Virtuoso Parameterized Cell Reference Ver 5.0”,sourcelink.省略, Aug. 2004,pp. 15

[4] Cadence Design Systems, Inc., “Virtuoso Schematic Composer SKILL Functions Reference “

[5] Cadence Design Systems, Inc.,” Interprocess Communication SKILL Functions Reference “

[6] Cadence Design Systems, Inc.,” Cadence PAS GTE Verification Reference

Manual, Product Version 03.02, March 2008”

作者简介

王浩,华润上华设计服务中心设计二处设计一部,资深经理;

黄勇,华润上华设计服务中心设计二处设计一部,课长;