(论文)真空淬火炉参数化模块设计技术的研究与应用(2013年优秀毕业设计论文)

真空淬火炉参数化模块设计技术的研究与应用 摘要 摘要 随着社会的发展、技术的进步和经济的日益繁荣，使得人们的观念也随之发 生变化。人们不再满足于市场上已有的产品，尤其是不再仅仅以使用和廉价做为 唯一指标来购置物品，而是在要求实用性、可靠性、耐久性和经济性的同时，还 要求生产单位提供的产品具有更多的品种、规格、式样和档次。因此以缩短产品 开发周期为目的的快速设计方法和技术日益受到人们的重视。而结合了模块化设 计与参数化设计各自优点的参数模块化设计则是实现产品快速设计的有效途径。 本文以真空淬火炉炉体为研究对象，研究了用于真空淬火炉产品快速设计的参数 化模块设计理论与方法。论文主要研究工作如下： 首先介绍了模块化设计技术、S o l i d W o r k s 二次开发技术和真空淬火炉的结构 与工作原理。并且基于模块化设计技术的理论上，对真空淬火炉的模块化设计过 程进行详细介绍，分析利用谱系聚类法对功能模块库进行分组归类，并进一步说 明谱系聚类法在优化功能模块库的管理效果。 然后研究分析了模块化设计、参数化设计和特征造型设计相结合的参数化模 块设计技术，并以真空淬火炉炉体为开发对象、S o l i d W o r k s 2 0 0 8 三维建模软件 为开发平台、S Q Ls e r v e r 2 0 0 0 为参数存储的数据库、V i s u a lB a s i c6 0 为开发工具， 开发了真空淬火炉参数化模块设计系统。 最后，本文利用开发的真空淬火炉参数化模块设计系统，对真空淬火炉进行 了变参设计，模块的结构尺寸可根据用户的需求灵活变化，快速生成真空淬火炉 产品的设计方案，该系统具有很强的适应性和灵活性，大大减轻了设计工作量， 提高设计效率，快速响应客户要求。 关键词：真空淬火炉；模块化设计；参数模块化设计；S o l i d W o r k s 二次开发 广东工业大学硕士学位论文 A bs t r a c t W i t ht h es o c i a l d e v e l o p m e n t ，t e c h n o l o g i c a la d v a n c e sa n dt h eg r o w i n ge c o n o m i c p r o s p e r i t y , p e o p l e Sc o n c e p tc h a n g e s p e o p l ea r en ol o n g e rs a t i s f i e dw i t hp r o d u c t sw h i c ha r e a l r e a d yo nt h em a r k e t I np a r t i c u l a r , t h e yn o to n l ym a k et h eu s ea n dc h e a p n e s sa st h eo n l y i n d i c a t o r st oa c q u i r eg o o d s ，b u tr e q u i r et h ep r a c t i c a l i t y , r e l i a b i l i t y , d u r a b i l i t ya n de c o n o m ya t t h es a m et i m e ，a l s oa s kt h em a n u f a c t u r e r st op r o v i d et h ep r o d u c t sw i t hm o r ev a r i e t i e s ， s p e c i f i c a t i o n s ，s t y l ea n dg r a d e S or a p i dd e s i g na n dt e c h n i q u e sa r et o o km o r ea t t e n t i o nf o rt h e p u r p o s et os h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e T h em o d u l a rd e s i g no fp r o d u c t s ，t h a t c o m b i n e st h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e so fm o d u l a rd e s i g na n dp a r a m e t r i cd e s i g n , i sa ne f f e c t i v e w a yt oq u i c k l yd e s i g n I nt h i sp a p e r , t h et h e o r ya n dm e t h o do fp r o d u c tr a p i dd e s i g na r e s t u d i e do nt h eb a s i so fav a c u u mf u r n a c ef o rq u e n c h i n gf u r n a c e M a j o rr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： M o d u l a rd e s i g nt e c h n i q u e s ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fS o l i d W o r k s ，a n dt h e s t r u c t u r ed e s i g no ft h ev a c u u mq u e n c h i n gf u r n a c ea r ei n t r o d u c e d B a s e do nt h es t u d yo f m o d u l a rd e s i g nt e c h n o l o g y , t h ep r o c e d u r eo fm o d u l a rd e s i g no nv a c u u mq u e n c h i n gf u r n a c ei s d e s c r i b e di n d e t a i l p e d i g r e ec l u s t e r i n gi su s e df o rc l a s s i f y i n gf u n c t i o n a lm o d u l el i b r a r y , p e d i g r e ec l u s t e r i n gm e t h o di se f f e c t i v et oo p t i m i z ef u n c t i o n a lm o d u l el i b r a r y S e c o n d l y , p a r a m e t e r i z e dm o d u l a rd e s i g nt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gm o d u l a rd e s i g na n d p a r a m e t r i cd e s i g na n df e a t u r e - b a s e dm o d e l i n gt e c h n o l o g y , i sa n a l y z e d t h eb o d yo fv a c u u m h a r d e n i n g f u r n a c ei st h e d e v e l o p m e n tt a r g e t ，t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g s o f t w a r eo f S o l i d W o r k s2 0 0 8i sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m , S Q Ls e r v e r 2 0 0 0i sd a t a b a s eo f s t o r a g ef o rt h e p a r a m e t e r s ，V i s u a lB a s i c6 0i sd e v e l o p m e n tt o o l s t h ep a r a m e t e r i z e dm o d u l a rd e s i g ns y s t e m i sd e v e l o p p e df o rav a c u u mf u r n a c eq u e n c h i n g F i n a l l y , t h es y s t e md e v e l o p p e di nt h ep a p e ri sa p p l i e do nt h ev a r i a b l ep a r a m e t e r sd e s i g n o fav a c u u mq u e n c h i n gf u r n a c e t h es t r u c t u r es i z eo fm o d u l ec a nh ef l e x i b l ea c c o r d i n gt o c h a n g e si nu s e r s d e m a n d D e s i g np r o p o s a li sg e n e r a t e dr a p i d l yf o rt h ev a c u u mq u e n c h i n g f u r n a c e T h es y s t m eh a ss t r o n ga d a p t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y , r e d u c e st h ew o r k l o a da n di m p r o v e d e s i g ne f f i c i e n c y , a n dh a sa b i l i t yt or a p i dr e s p o n s et oc u s t o m e rr e q u i r e m e n t s A b s t r a c t K e y w o r d s ：v a c u u mq u e n c h i n gf u r n a c e ；m o d u l a rd e s i g n ；m o d u l a rd e s i g np a r a m e t e r s ； S o l i d W o r k ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t I 第一章绪论 第一章绪论 当前，随着科学技术的不断发展、市场竞争的日益激烈以及用户需求的多样化，产 品的技术含量越来越高，生命周期日趋缩短，从而导致产品设计的复杂性加大，而要求 的设计开发时间却越来越短。如何提高产品设计开发的质量和效率，已成为企业面临的 一个十分迫切的问题。本课题以真空淬火炉为开发为对象，将参数化C A D 技术与模块化 设计技术相结合，分析研究了参数化模块的思想并应用于真空淬火炉设计实践，收到了 较好的效果。本章主要介绍本课题的背景、与课题有关的国内外研究现状及本论文各章 的主要内容。 1 1 课题研究背景 目前，我国已由计划经济转向社会主义市场经济，制造业正从计划型生产方式被推 向以合同型生产为主的方式。在这种生产方式下，由于必须满足不同用户的要求，产品 的个性化、多样化特点越来越明显。如仍按传统的设计制造方式必然会产生如下的问题： ( 1 ) 设计制造周期难以跟上市场需求；( 2 ) 用户对产品性能和工艺水平要求日益提高， 但由于时间的紧迫导致产品技术含量难以提高，甚至质量难以保证：( 3 ) 合同产品由于 数量不多，生产效率不高而使成本提高。另外，国外许多制造企业也纷纷在我国投资办 厂，他们凭借雄厚的资本，先进的技术和管理优势，抢占市场，对国内的制造业企业形 成了巨大的冲击。因此，国内的制造业企业普遍迫切需要用先进、有效、快捷的产品设 计方法来提高产品开发的速度和质量。 根据美国金属学会热处理学会、美国金属处理研究院、美国能源部工业技术厅对美 国热处理工业2 0 2 0 年发展远景的预测，未来的热处理工业要有一流的质量，生产具有 零变化率的产品零件，在整个工艺中，零分散度是典型的，能量利用率提高到8 0 ，工 作环境良好，清洁无污染，生产中采用标准的闭环控制系统、智能系统。在美国当前的 热处理生产中，真空热处理占1 5 ，这一发展趋势今后将进一步增长【1 1 。我国真空热处 理技术的发展趋势和国际热处理工业的发展趋势基本同步，我国热处理行业九五规划和 2 0 1 0 年设想提出；2 0 0 0 年以前我国需制造9 0 0 台真空热处理设备投入生产运行，如果 2 0 1 0 年基本上完成以无氧化热处理技术为中心的技术改造，则至少需要5 0 0 0 台8 0 0 0 台先进真空热处理设备。真空淬火炉是进行真空淬火处理的设备，它为真空淬火处理提 广东T 业大学硕士学位论文 供所需的压力温度。但传统真空淬火炉设计过程中重复劳动占用的时间比例越来越大， 如：出零件图纸和手工设计计算的时间占到整个设计时间的六成之多，产品开发的时间 被压缩到不足三成，虽然也开发了一些基于二维C A D 的设计系统，但由于种种原因，效 果并不是特别理想，不能真正把以前的工作成果和知识经验有效地运用到新的产品设计 中去，这不仅延缓了产品出厂的时间，而且由于重复劳动占用了大量的设计时间，使得 设计人员不能把主要精力投入到新产品的开发中去，并且前辈工程师的知识经验也不能 得到很好的继承。每设计一套产品都要绘制一套新的工程图，所以绘制工程图占用了设 计的大部分时间，造成人力、物力的大量浪费。 基于以上原因，本文将参数化C A D 技术与模块化设计技术相结合，利用系统支撑平 台的功能，实现真空淬火炉的快速设计。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 模块化设计国内外研究现状 本小节主要介绍了产品的模块化设计和模块化设计理论研究的国内外研究现状，并 详细的阐述了模块化设计的现实意义和发展趋势。 ( 1 ) 产品的模块化设计 模块化设计尽管早己由欧美一些国家提出并应用，但当时主要局限于机床行业中。 随着科学技术的不断完善和发展，以及市场日渐需要短周期交货、低成本高性能产品的 发展要求，模块化设计才开始在其他行业应用与发展起来，并日益显示出其巨大的优越 性。 a 国外研究现状 模块化思想本身来源比较早早在1 9 0 0 年，德国一家具公司就用模块化原理设计出 一款所谓的“理想书架“ ，该设计将书架划分为底座、架体和顶板三种模块，其中架体 具有几种不同的尺寸，用户可根据需要选择不同的架体组成合乎自己要求的“理想书 架”。这是现在知道的最早按照模块化原理设计的产品之一。此后，模块化这种设计思 想和理论还得到各行业专家学者进一步的研究和应用，进行了概括和总结，并正在逐步 形成“模块化设计理论“ 【2 1 。 1 9 2 0 年左右，在欧洲，尤其是德国，模块化原理开始应用于机械产品的设计中。德 2 第一章绪论 国的氟里茨一韦尔纳( F r i t z W e n x e ) 公司设计的铣床，就是把铣床上的一些部件按功能 划分成模块而进行设计和制造的，可以很方便的组装成符合客户需求的产品【2 1 。 到2 0 世纪5 0 年代，经过大量的摸索和实践，欧美专家正式地，系统地把模块化设 计作为一种先进的设计方法提出来。这种设计方法由此开始逐渐得到重视，随着各行业 专家学者的研究，其理论和应用技术得到不断的发展和完善，模块化设计成为了各类机 械产品研发中普遍采用的一种设计方法。比如：德尔福系统公司就相继推出了座舱、接 口盘制动、车门、前端、集成空气燃油等模块。汽车厂商方面则以全球范围作为空间， 进行汽车模块设计的选择和匹配，优化汽车设计方案，将汽车装配生产线上的部分装配 劳动转移到装配生产线以外的地方去进行【2 】。 模块化设计首先是针对机床产品设计所提出来的，因此模块化机床产品在工业发达 国家己经十分普遍，诸如模块化车床、铣床、钻床、惶床和磨床等等。除此之外，模块 化设计思想也被应用到其它领域。 7 0 年代，瑞典的L i n d e n 公司首先将模块化设计的方法应用到塔机产品的开发过程 中，用有限的模块有机组合成适合用于各种具体施工需要的塔机。他们采用6 1 个标准 模块和一些非模块零部件配件，经过选择理论上可组成4 万多种不同性能的上回转塔机， 它们的起重力矩从1 0 0 吨米到8 0 0 0 吨米，臂头吊重从1 吨到7 0 吨，幅度最多达1 0 米，固定式高度最高达1 4 5 米【3 1 。 此外，在2 0 0 5 年，西门子公司还采用模块化设计思想推出一款最新模块化驱动系 统：S i n a m i c s S l 2 0 。S i n a m i c s S l 2 0 不但整体系统采用模块化设计，所有的功能部件均充分 体现了模块化，而且各功能模块十分丰富和全面，其中包括电源模块、电机模块、制动 模块、电容模块、控制模块、通讯模块、传感器模块等，从根本上满足了多电机变频条 速驱动应用的需要1 4 1 。 b 国内研究现状 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，模块化设计开始在我国受到重视，并逐步得到应用。 早在7 0 年代后期，杭州汽轮机厂就通过引进S i e m e m 公司的模块化工业汽轮机系 列的整套技术，将汽轮机划分为三个区段：前区段、中区段和后区段，为适应不同的蒸 汽参数、数量、转速和功率等的要求，各区段又分别形成尺寸不同的分档( 模块) ，各尺 寸分档按一定规律可以相互拼接组合，以满足不同用户的要求。根据用户的多少来决定 各模块的尺寸分档。形成了具有不同的功率参数的纵向系列模块化产品，以及不同进汽 广东工业大学硕士学位论文 参数和转速等的横向系列模块化产品【5 1 。 北京第一机床厂也于1 9 8 1 年对龙门铣床进行了模块化设计，在缩短设计周期和制 造周期上取得了明显的效梨引。 另外在8 0 年代中期，我国上海市机床研究所、上海仪表机床厂和上海1 2 机床厂还 联合组成了“小型精密机床模块化技术研究课题组，在调查研究的基础上进行了仪表 车床的模块化设计。他们把回转直径为2 0 0 毫米的工具型、精密型和六角型仪表车床统 一规划进行设计，基本上以部件为单位划分模块，共完成了9 9 个模块的设计，仅其中 5 4 个基本模块，就至少可以组装成1 9 4 种产品，取得了很好的经济效益和社会效益。另 外，他们还不断把最新技术应用于模块的设计中，代替那些结构上或技术上陈旧的模块， 在不变更其它模块的基础上，组成先进的产品，使广品不断保持先进性【6 】。 2 0 0 1 年，春兰集团把模块化设计应用到摩托车发动机上。春兰电子模块化摩托车发 动机将根据摩托车行驶速度的不同，将机体内燃油的喷射做相应调节，以使气缸的混合 气分配均匀且与车的转速、负荷相匹配，从而使加速十分流畅、强劲。另外，春兰还把 模块化设计思想应用到卡车的设计中，不仅使众多用户“选装”、“点配”卡车的愿望得 以实现，而且大大加快了新车的开发速度，提高了整车质量，使其市场竞争力进一步增 强【7 1 。 除此之外，湖南大学在此方面也有所研究。2 0 0 5 年末，他们研制了基于模块化设计 制造技术的电动车。将车的结构按照不同功能分成若干不同模块，主要功能结构模块包 括外观特征模块、运动控制模块、动力驱动模块、碰撞安全模块、乘员空间模块、内饰 与环境模块等，轿车不同性能的优化主要通过优化相应的结构模块来实现，不同功能结 构模块既相对独立，又相互匹配，便于汽车改型与功能升级，使同系列多品种新产品的 研发周期更短、成本更低、品质更高：车身零件冲压模具的设计制造也采用模块化设计 制造技术，一方面实现同一产品模具数量的显著减少，另一方面还可实现不同产品模具 的部分共用，并为整车设计制造和车身模具设计制造的并行工程技术提供了条件，从而 实现车身冲压模具开发在给定品质要求下的更短周期和更低成本的目标【8 】。 总之，国内在机床行业应用模块化设计己取得许多成果，在发动机的系列产品开发 过程中，也大量应用了模块化结构，在其它机械产品开发上也有应用。总体来说，模块 化设计技术在机械制造领域还有很大的发展空间和潜力，特别是随着C A D 技术的发展， 将其与参数化C A D 技术相结合，必将成为机械产品设计的重要技术之一。 4 第一章绪论 ( 2 ) 模块化设计理论研究 在理论研究方面，国内外的许多大学，学术机构都在对模块化设计理论和实际应用 做进一步的研究，不断完普其理论体系随着新的设计理论和方法的不断出现，模块化 设计理论也得到进一步的充实。 台湾学者黄俊哲、梁文耀以及美国学者产习A n d r e wK u s i a k 正在研究面向对象的模 块化设计技术，应用到电子产品、机电结合的设计，取得了一定的成果9 。3 1 。韩国学者 H a k S c o M o k 等也对产品的模块化进行了一系列的研究，并在学术刊物上发表了研究成 果【1 4 1 。加拿大学者E G u 则结合全生命周期理论对产品的模块化设计进行了一系列的研 究【15 1 。 天津大学徐燕申教授在数控机床的结构模块化设计、模块选择算法以及应用方面开 展了研究，研究的重点主要是广义模块化、柔性模块化系【l q ；浙江大学与青海大学联合 开发了基于模块化设计思想的加工中心【1 7 1 ；重庆工学院应用模块化设计理论开发了数控 加工中心主传动系统【1 3 J ；清华大学王爱民教授在将模块化设计方法应用于产品族设计方 面展开了研究【1 9 】。专家们在充分研究之后出版了很多专著，专门介绍模块化设计理论体 系和应用方面的工作。所有这些工作的开展，都在不断地完善、拓展模块化设计的理论 内容和应用深度，更大地发展模块化设计的技术价值和经济价值。 除此，德国、英国、法国、美国和日本也对模块化的理论研究做出了自己的贡献。 美国I o w a 大学的P e t e rG r a d y 和W e n - Y a nL i a n g 博士采用面向对象的模块化设计方法应 用于计算机配置行业，取得了显著的效益【2 0 】。T s a i 通过考虑制造和装配过程中功能设 计的复杂性得出模块形成的最优方式，并且对模块的设计、制造顺序进行了排列【2 1 1 。 K u s i a k 提出了一种启发式的图解法来分析产品模块化结构，以辨别组件互换型模块化、 总线型模块化与组件共享型模块化1 2 2 。E r i c s s o n 给出了一种模块功能配置 ( M o d u l a r F u n c t i o nD e p l o y m e n t ) 方法，通过分析产品全生命周期的属性归纳出了模块驱 动因素( M o d u l eD r i v e r s ) ，并利用质量屋( H o u s eo f Q u a l i t y ，H O Q ) 来分析客户需求与 产品工程设计特征的关系，进而规划模块形式与装配设计【2 3 1 。 ( 3 ) 模块化设计的现实意义 模块化设计技术经过几十年的发展，已广泛地应用于机床、家用电器、减速机、汽 车等行业，取得了巨大的社会经济效益。在当前的形势下，我国的制造业要继续生存和 发展，提高对市场变化的适应能力，采用模块化设计技术仍然具有现实意义，主要表现 广东工业大学硕十学位论文 在以下几方面【2 4 1 ； a 互换性强，便于维修。 模块化机械产品是由些具有互换特性的标准化模块集合而成的，可直接更换模 块，大大简化产品的维护和修理，可提高产品的维修速度、节约修理费用、提高效率。 b 质量高、成本低，能解决多品种、小批量和大批量加工之间的矛盾。 在模块化产品中，模块是具有特定功能的标准化部件单元，可安排专人负责设计， 在专门工厂进行专业化加工( 将本厂单件小批量生产变为专业厂的批量规模生产) ，并 通过对模块进行专门试验研究，不断完善模块的性能和提高模块的质量，从而提高产品 的质量。同时，由于模块化产品的设计周期短，设计成本也大大降低。 c 有利于企业采用先进技术改造旧产品，开发新产品。 随着竞争的日益加剧，企业需要不断增强对市场需求的快速应变能力，靠传统的设 计与制造方法显然是困难的。利用模块化设计制造方法，可以不断地采用新技术，革新 那些在结构上或技术上已经陈旧的模块，并在不改变其他模块的基础上集合成先进的产 品，使产品不断保持先进性，从而增强企业对市场变化的适应能力。 d 有利于缩短产品的设计、制造和供货期限。 不同用途的机械，是通过相应层次和功能的模块集合而成的，而非各个单一零件的 组合装配，因此产品的更新周期短，导致其供货周期缩短，从而满足市场的要求。 ( 4 ) 模块化设计发展趋势 模块化设计在设计思想上是对传统设计的一种创新，早期模块化设计多采用手工操 作管理，缺乏现代化的设计和管理手段，不能充分发挥模块化设计的优越性。随着计算 机应用技术向各行各业的渗透及以计算机辅助设计为主体的现化设计技术的发展，模块 化设计从设计手段上己有了极大的不同，形成了以计算机为工具、以模块化设计为目标 的各种学科交叉融合的新型技术领域，如计算机辅助模块化设计、模糊模块化设计、智 能模块化设计、优化模块化设计等等，这些手段反过来又促进了模块化设计思想的发展。 例如，早期的模块化设计主要追求功能的实现，现在则要求模块化产品生命周期全过程 多目标的权衡、分配及综合决策，如开发周期短，易于回收、装配、维修，产品报废后 某些模块仍可再利用，模块可以升级、重新设置等。综合起来，现代模块化设计呈现以 下几种趋势【2 5 】： a 各种数学方法( 模糊数学、优化等) 引入模块化设计各个环节，如模块的划分、 6 第一章绪论 结构设计、模块评价、结构参数优化等。 b 不同层次计算机软件平台的渗透，如二维绘图、实体造型、特征建模、概念设计、 曲面设计、装配模拟等软件均可用于模块化设计之中。 c 数据库技术及成组技术的应用。产品系列型谱确定之后，在系列功能模块设计时， 采用数据库技术及成组技术，首先对一系列模块的功能、结构特征、方位、接合面的形 状、形式、尺寸、精度、特性、定位方式进行分类编码，以模块为基本单元进行设计， 存储在模块数据库中。具体设计某个产品时，首先据功能及结构要求形成编码，据编码 在数据库中查询，若查出满足要求的模块，则进行组合，联接：否则，则调出功能和结 构相似的模块进行修改。组合联接好之后，与相应的图形库连接，形成整机。分类编码 识别从技术上容易实现一些，另有一些研究者正在研究更为直观的图形识别。 d 模块化产品建模技术。与产品建模技术同步，模块化产品模型有其自身的特点。 目前研究的建模技术有三维实体建模、特征建模、基于S T E P 的建模等。 e 人工智能的渗透。模块的划分、创建、组合、评价过程，除用到数值计算和数据 处理外，更重要的是大量设计知识、经验和推理的综合运用。武汉理工大学硕士学位论 文因此，应用人工智能势在必行。 f 生命周期多目标综合。并行工程要求在设计阶段就考虑从概念形成到产品报废整 个生命周期的所有因素。在模块化设计中，不同目标导致模块化的方法与结果不同，各 种目标在对模块的要求方面相互冲突，在同一个产品中，不同模块对目标的追求也不一 致，这就需要对各目标综合考虑、权衡、合理分配，取得相对满意的结果。专家系统、 模糊数学、优化等手段都在这一领域获得了充分的发展空间。 g 上述各种研究综合应用，形成适用的单项或集成的商业化软件系统。 从总的产品设计份额来看，国内机械行业模块化设计应用并不是十分广泛。究其原 因，在于机械产品本身的复杂性及多样化，虽然有种种新的设计技术，但模块化设计还 需要做大量的基础工作，其中最主要的是对大量现有零部件结构、功能、接合部件作认 真的分析、规范化、分类，建立一系列一整套相关标准，吸取计算机软件行业的软件工 程规范、硬件行业的总线标准、各类图形图像处理软件之间的接口标准等成功的经验， 推动模块化设计的发展。当然，这是一项巨大的工程，也是模块化设计应用普及的必经 之路。 7 广东工业大学硕士学位论文 1 2 2 参数化设计国内外研究现状 计算机辅助设计( C o m p u t e rA i d e dD e s i g n ，简称C A D ) 技术发展可追溯到5 0 年代 中期，C A D 技术真正在设计中得到应用是6 0 年代，在7 0 年代初C A D 技术的应用有了 较大突破。此后，C A D 技术经历了几次技术革命，其中主要发展阶段和特点如下【2 6 1 。 6 0 年代，C A D 的主要特点是交互式二维绘图和三维线框模型。利用解析几何的方 法定义有关图素( 如点、线、圆) ，用来绘制或显示由直线、圆弧组成的图形。 7 0 年代，C A D 的主要技术特点是自由曲线曲面生成算法和表面造型理论。这是由 于汽车和飞机工业的发展促进了自由曲线曲面的研究，B e z i e r B 样条等算法应用于C A D 系统。在这期间逐渐形成了C A D 产业。 8 0 年代，C A D 的主要技术特征是实体造型理论和几何建模方法。由于设计制造对 C A D 提出了各种各样的要求，导致了新理论、新算法的不断涌现。实体建模的边界表 示法( B R e p ) 和构造实体造型几何数表示法( C G S ) 在软件开发商得到应用，实现了三维造 型、自由曲面设计、有限元分析等工程应用。与此同时，计算机硬件技术及输出设备也 有很大发展，工程工作站和微机的广泛应用。这种技术能够表达零件的全部形体信息， 有助于C A D 、C A M 、C A E 的集成，被认为是新一代C A D 系统在技术上的突破性进展。 9 0 年代，C A D 技术基础理论主要是以P T C 公司的P r o E N G I N E E R 为代表的参数化 造型理论和以S D R C 的I - D E A S 为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模 技术。 C A D 参数化设计是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形 中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动，其中进行驱动所需的几何信息和拓扑 信息由计算机自动提取。参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性， 在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领 域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价值，能否实现参数化目前己成为评价 C A D 系统优劣的重要技术指标。 目前，我国C A D 市场上有两大类参数化C A D 系统：国外开发的大型全参数化C A D 系统；国内的二维参数化C A D 系统【2 7 1 。 ( 1 ) 国外开发的参数化C A D 系统 a P r o E n g i n e e r 是美国参数技术公司的机械设计自动化软件产品。它是第一个具有 参数化功能的C A D 系统，通过记录设计历史来捕捉设计意图，设计历史的操作顺序可 3 第一章绪论 以修改，同时引入全局设计参数来实现整体的设计修改。P r o E n g i n e e r 具有在系统中作 动态修改的能力，是一个以功能为主的参数化实体造型系统，它提供双向数据关联，设 计的修改能自动更新到出图、分析、制造以及其它C A D C A M 领域，并具有强大的装配 功能【2 8 1 。 b U G 是目前市场上又一功能强大的产品设计工具它不但拥有现今C A D C A M 软体 中功能强大的P a r a s o l i d 实体建模核心技术，更提供高效能的曲面建构能力，能够完成复 杂的造型设计。其参数化功能的主要特点是：0 3 参数化设计与绘图功能；设计变量的方 程式管理；同时支持参数化与非参数化的混合建模能力；较强的草图设计能力【2 9 1 。 c I - D E A S 是美国S D R C 公司开发的一套完整的C A D C A M 系统，其侧重点是工程 分析和产品建模。它采用开放型的数据结构，把实体建模、有限元模型与分析、计算机 绘图、实验数据分析与综合、数控编程以及文件管理等集成为一体，因而可以在设计过 程中较好地实现计算机辅助机械设计。 d C A T I A 是法国达索飞机公司开发的高档C A D C A M 软件，目前在中国由I B M 公 司代理销售。C A T I A 不仅提供了广泛的基于约束的造型功能，包括支持零件之间的约束、 曲面参数约束、代数约束的逻辑分支以及欠约束模型，还具有强大的曲面设计功能，因 而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。 e 美国S o l i d W o r k s 公司研制的S o l i d W o r k s 是一套基于W m d o w s 的C A D 桌面集成系 统，该软件不仅可以完成复杂产品的设计、高性能的大型装配、高级曲面造型和设计修 改，还可以显示动态装配关系、模拟动态装配过程，并可以实现工程约束与几何约束融 合起来联立求解。另外该软件界面友好，采用一个灵巧光标动态捕捉图中约束，能够很 方便地显示、增加和删除约束，是一个优秀的参数化绘图工具【2 9 1 。 ( 2 ) 国内开发的参数化C A D 系统 a C A X A 制造工程师是北京北航海尔软件有限公司开发的C A D C A M 软件。主要是 面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂型面的C A D C A M 软件。它不仅利 用灵活、强大的实体曲面混合造型功能和丰富的数据接口，可以实现产品复杂的三维造 型设计：并且通过加工工艺参数和机床设置的设定，选取需加工的部分，可以自动生成 适合于任何数控系统的加工代码；通过直观的加工仿真和代码反读来检验加工工艺和代 码质量。 b G H I n t e C A D 是高华计算机公司开发的集成智能化微机机械C A D 系统，其参数 9 广东工业大学硕士学位论文 化功能主要体现在自动参数化设计和参数化图素拼装上。它采用基于人工智能的几何推 理参数化设计方法。系统具有草图规整功能，并可识别多视图联动，对于标准件、常用 件可通过参数化图库中的图素进行拼装【3 0 l 。 c P I C A D 2 D 是中科院北京软件工程研制中心开发的微机参数化集成工程设计系 统。其参数化功能的主要特点是提供了交互式参量图符设计功能，能进行固定图符和可 变图符的嵌套【2 引。 d 开目C A D 是由华中理工大学开发的。它采用局部求解的参数化设计方法实现参 数化设计，在用户绘图过程中自动记录约束关系，可以通过约束管理器显示、增加和删 除约束。其驱动过程明了、速度快、能驱动较为复杂的图形，同时可以方便地指示出过 约束、欠约束情形，给用户明确的指示，且在此情况下仍能正确驱动【2 9 1 。 另外还有西湖电子信息工程公司的Z D D S ，浙江大学的基于结构化变分几何的 H v C A D 变参设计系统等。这些国内的参数化C A D 系统硬件要求低，适合我国国情，但 其参数化功能尚有不足：参数化速度慢，效率低，复杂图形难以有效处理。参数化 系统的柔性和灵活性有待提高。无法利用现有的非参数化系统的图形。无参数化建 库和参数化图形管理功能四。 ( 3 ) 参数化C A D 设计的研究和应用 传统的C A D 软件都用固定的尺寸值定义几何元素，输入每条线都用固定的位置和 长度要进行图形内容的修改，只有删除原有的线条后重画。但是新产品的设计不可避免 地要经过多次反复修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化。对于定型产品，要形 成系列，以便针对不同用户提供不同规格的产品。 不仅如此在新一代C A D C A E C A M 系统中，C A D 系统不再是一个孤立的单元，它 负责为后续的C A E 、C A M 提供有效的数学模型。对于C A E 来说，由于计算机速度、存 储量的限制，数学模型需要适当的简化；而对于C A M 系统则希望数学模型十分精确。为 解决这两者之间的矛盾，C A D 系统必须能同时提供这两种模型。 因此，新的C A D 系统都增加了参数化和变量化设计的模块，使得产品的数学模型 可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改，从而解决了产品系列化问 题。当然，通过参数化技术也可实现产品数学模型在精确模型和简化模型之问的转换， 以满足C A D C A E C A M 信息集成系统的要求； 现代参数化设计己经成为新二代智能化、集成化C A D 核心技术之一，成为C A D 技 1 0 第一章绪论 术的研究热点，己经形成了诸如变量几何和几何推理等多种方法。参数化设计方法己经 形成了较深的理论基础，也能很好的解决二维参数化设计问题。 随着计算机软件技术特别是C A D 软件的发展，参数化设计技术有了进一步的发展： 参数化系统的智能性进一步加强。过去由于各种限制，许多设计中为实现参数化，仅仅 是建立了一些零件、部件库，在设计中调用。现在几乎所有C A D 系统都可以进行二次 开发，而且开发语言的功能很强大。设计中不必再建立庞大的库，依靠二次开发的参数 化系统，可以方便地实现设计模型的更改。 参数化设计从二维逐渐向三维发展。现代机械设计中越来越多地使用三维设计软 件，而且三维设计软件的功能也增强很快，这促使参数化设计在三维图层次上实现。参 数化设计理论更加贴近工程实际。以前，参数化研究过多地集中在对基本几何元素的约 束建模，或片面地强调理论的完整性，从而忽略了对适应实际应用需求的约束高层次表 示的深入研究。基于特征参数化设计、基于对象封装的参数引用技术等为约束的表示和 求解更适应实际应用。 参数化设计的应用领域不断扩大。传统的参数化系统仅仅限于结构定型产品设计 中，现代提出的基于特征的参数化方法能应用于变结构问题研究。参数化技术也已经突 破机械设计领域，包装容器设计、产品造型等也应用了参数化设计方法【3 1 。3 3 1 。 1 2 3 真空淬火炉设计国内外研究现状 ( 1 ) 国外真空淬火炉设计发展现状 目前，在国外真空淬火炉，欧洲、美国和日本处于领先地位。随着世界销售市场对 真空淬火炉需求量的不断增加，国外各种真空淬火炉制造企业在生产中不断地采用优化 设计、机械自动化和自动化设备以提高劳动生产率，这对世界销售市场、制造商和用户 都产生了巨大的影响。有关调查资料表明，5 0 的真空淬火炉械用户主要是为了提高生 产率、减少劳动工资，因而要求采用先进的真空淬火炉设备的用户便越来越多。国外起 重运输机械发展到今天，已经到了相当成熟的地步，其结构形式基本上都是经反复优化 设计，并经实践检验的。随着计算机技术的广泛应用，许多国外真空淬火炉制造商从应 用计算机辅助设计系统( C A D ) ，提高到应用计算机进行真空淬火炉的模块化设计。尽 量使用标准件设备迅速组合和安装，减少标准件外组合部分的加工制造。组合构件的使 用对生产非标准件真空淬火炉来讲，有助于减少成本。总的来说，国外真空淬火炉现行 广东T 业大学硕士学位论文 发展有以下特征： a 简化设备结构，减轻自重，降低生产成本； b 更新零部件，提高整机性能； c 广泛采用C A D C A M 系统设计制造； d 设备标准化、系列化、模块化； e 机械化运输系统的组合运用。 ( 2 ) 国内真空淬火炉设计发展现状 近几年来，由于国家实行积极的财政政策，增加固定资产和社会发展投资，拉动内 需，国内经济形势良好，对于真空淬火炉的需求也在不断的提高。与此同时j 国内的许 多科研院所以及大中小企业也都十分关注此方面的发展，不同层次地对真空淬火炉结 构、材料、生产制造、装配等各个方面进行了研究。一些研究单位也开展了真空淬火炉 的模块化、参数化、标准化、智能化设计研究，开发了一些基于二维或三维C A D 的设 计系统。 虽然国内真空淬火炉发展前景一片光明，但是仍然存在一些问题。主要表现在以下 几点：首先，设计手段不完善、工艺水平较低；长期以来，利用图板手工设计制图，需要 较长的设计周期。其次，虽然C A D 技术在国内真空淬火炉行业得到广泛的作用，但应 用水平却参差不齐，关键问题是由于“设计“ 上的差异。国内一些应用水平较高的部门 已真正做到了计算机辅助设计，而还有相当一部分用户仍停留在传统型C A D 应用系统 上，对一些重大非标准真空淬火炉产品设计，通常的设计都是在设计人员的头脑中完成， 然后利用计算机实现几何信息的处理，把C A D 技术仅仅作为一种绘图、描图的工具。 再次，国内企业普遍缺乏生产技术，工艺水平较低，一些真空淬火炉生产企业的工装设 备、装配及检测手段比较落后，严重影响了真空淬火炉的质量。为了快速改善这些不良 因素，快速提高真空淬火炉的设计效率，简短设计周期，满足现有市场的不断需求，必 须提出一种崭新的、高速快捷的、有效的设计方法。综上所述，在我国的真空淬火炉行 业，采用模块化设计与参数化C A D 相结合，将会使起重机产品的设计、制造、装配的 自动化程度不断提高，不但有利于市场的需求，满足用户的要求；还有利于此行业的技术 创新、产品创新，对全面提高真空淬火炉在国内外市场的竞争力有着极其重要的推动作 用。 1 2 第一章绪论 1 3 课题研究意义 随着社会的发展、技术的进步和经验的日益繁荣，使得人们的观念也随之发生变化。 人们不再满足于市场上已有的产品，尤其是不再仅仅以使用和廉价做为唯一指标来购置 物品，而是在要求实用性、可靠性、耐久性和经济性的同时，还要求生产单位提供的产 品具有更多的品种、规格、式样和档次，市场更青睐那些操作简单、省力、舒适和美观 等好产品。真空热处理炉用户的需求也不断的向多样化、多层化方向的发展，极大地冲 击了真空热处理炉制造业的旧的生产观念。多品种少批量的市场需求特点，给传统观念 下真空热处理炉制造业的生产和管理带来了许多困难，同时也波及到了真空热处理炉的 科研和设计部门。真空热处理炉的传统设计即单击( 一个规格型号) 设计法，应变能力 很差。在用户的需求与原有设计存在一定差异时，只能重新设计，造成了设计周期过长， 同时产品零部件的通用性和互换性也较差。因此真空热处理炉设备应该走开开发新型的 路子，以便向用户提供多功能的系列化产品。 采用传统的模块化设计可以缩短产品的设计和制作周期，有利于产品的更新换代和 新产品的开发。但随着市场的不断发展，各种不同的用户提出的要求都不尽相同，对于 同一产品而言，虽然结构相似，但是尺寸大小都各有差异。为了满足各种不同用户的要 求，这就要求把原有的功能模块变“活“ 变“异”。 鉴于以上原因，我们将参数化技术结合到模块化技术中，对真空淬火炉进行参数化 模块设计，即将