（机械电子工程专业论文）基于ug二次开发的零件设计可重用技术研究.pdf

摘要 2 l 世纪，市场竞争同益激烈、客户对商品的需求快速多变，促使产品更新越来 越快，这就对企业的产品开发提出了更高的要求。企业为提高自身的竞争能力和发 展水平，纷纷采用大规模定制的生产模式。在这一生产模式下，企业要想在竞争中 处于领先地位，必须快速开发出新产品，充分利用企业已有资源j 下在成为企业获取 竞争优势的一种必然选择。产品设计重用技术是产品快速开发的有效途径。本文基 于u g 环境开发了零件设计可重用系统。 第一章主要分析了大规模定制生产模式下零件设计重用技术的研究内容及该 领域国内外研究的状况及趋势；介绍了论文的研究内容。 第二章简要介绍了u g o p e nm e n u s c r i p t 、u g o p e nu i s t y l e r 、u g o p e na p i 等 应用开发工具，讨论了u g 二次开发方法，介绍了u g o p e n a p i 函数。 第三章针对设计可重用零件库的组织形式，提出了“类型层+ 实例层”的层次 式索引结构，建立了类型层编码体系；介绍了零件分类编码系统的作用及典型系统， 以o p i t z 系统为基础，针对实例零件分层建库提出了零件分类编码系统。 第四章首先介绍了零件信息描述与分类；给出了一种相似矩阵、相似性系数确 定方法；提出了分层匹配的零件实例检索算法。 第五章在基于u g 二次开发理论及相关技术的研究基础上，介绍所开发的零件 设计重用系统，给出了系统的框架结构、主要模块，以及系统实现的情况。 第六章总结了本文的研究工作，同时对进一步的研究方向提出了展望。 关键词：u g ；编码；相似性；实例检索；二次开发 a b s t r a c t i nt h e21 c e n t u r y , t h em a r k e tc o m p e t i t o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ev e h e m e n c e ，a n d t h ec h a n g eo fc u s t o m e r s n e e dt ot h em e r c h a n d i s ec h a n g e sm u c hf a s t e r a l lt h e s ef o r c e p r o d u c t s r e n e w a lm o r ea n dm o r eq u i c k s oh i g h e rr e q u e s ti sp u tf o r w a r dt ot h ep r o d u c t d e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e t oi m p r o v et h ec o m p e t i t i o na n dd e v e l o p m e n t , m o r ea n dm o r e e n t e r p r i s e sa d o p tt h em a s sc u s t o m i z a t i o np r o d u c t i o nm o d e i nt h em a s sc u s t o m i z a t i o n , w h i c h e v e rc o m p a n yw a n tt ow i n ，i tm u s tb ef a s ti nd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t s t oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，w em u s tr e u s et h er i p ep r o d u c t s i nt h i sp a p e r , w eb u i l tar e c y c l i n gd e s i g ns y s t e mf o rm e c h a n i c a lp a r t s n em a i nw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： c h a p t e rlg i v e sar e v i e wa n dh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h er e u s eo f p a r t s d e s i g n i tg i v e sa na r r a n g e m e n tt ot h et h e s i sc o n t e n t s c h a p t e r2g i v e s ar e v i e wo ft h ea p p l i c a t i o nt o o l sa n dm e t h o d s ，s u c ha s u g m e n u s c r i p t , o l s t y l e r , u c o p e na p ia n ds oo n i ta l s oi n t r o d u c e st h ea p if u n c t i o n s c h a p t e r3p u t sf o r w a r dt h em o d e l - c a t e g o r ym e t h o da n das e to fe x p r e s s i o n so f d a t a s t r u c t u r ed e s c r i p t i o ni nt h ec a t e g o r yl a y e r , a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o no ft h e r e c y c l i n g - p a r t sd a t a b a s e i ti n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dt h er e p r e s e n t a t i v es y s t e mo fp a r t s c a t e g o r ya n dc o d i n gs y s t e m b a s e do nt h e o p i t zs y s t e m , as y s t e mw h i c hs u p p o r t b u i l d i n gt h ep a r t s d a t a b a s el a y e rb yl a y e r i sb u i l t c h a p t e r4 i n t r o d u c e st h ed e s c r i p t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fp a r t s ，g i v e saw a yt of i xo i l t h es i m i l a rm a t r i xa n dq u o t i e t y , a n dp u t sf o r w a r das e a r c h i n gw a yo fs i m i l a rp a r t so n d i f f e r e n tl a y e r c h a p t e r5b u i l d sar e c y c l i n gd e s i g ns y s t e mf o rm e c h a n i c a lp a r t sw i t hu n i g r a p h i e sa s t h ep l a t f o r m a n di t sf r a m e ，m a i nm o d u l e sa n dr e a l i z a t i o na g oa l s oe x p l a i n e d f i n a l l y , c o n c l u s i o n sa r eg i v e na l o n gw i t hr e c o m m e n d a t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c hi n c h a p t e r6 k e yw o r d s ：u g ；c o d i n g ；s i m i l a r i t y ；i n s t a n c e - s e a r c h i n g ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 乡缪甬礁 学位论文知识产权权属声明 日期：聊舒, e lj ，加 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密 不保 年解密后适用于本声明。 ( 请在以上方框内打。4 ) 糍：皆巍 日期劣诒年月，石日 第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】在分析大规模定制生产模式的基础上，介绍了设计重用技 术的研究现状以及存在的不足同时在介绍u g 二次开发技术及应用现状的 基础上，给出了本文的主要工作和结构框架 1 1 引言 二十一世纪的企业所面临的市场环境是动态的、突变的、非平稳的和全球化的， 消费者的需求是多样化和个性化的i i 】。随着现代市场全球化竞争程度的不断加剧， 企业之间的竞争开始转向基于时问的竞争和基于客户需求的竞争【2 】。飞速发展的经 济使产品由卖方市场转变为买方市场；收入的分化带来了阶层的分化、需求的分化 带来了消费的个性化和多样化。用户需求的快速多变，使得产品品种急剧增多、产 品结构同趋复杂、产品更新更加频繁，从而使产品寿命r 趋缩短，也必然要求产品 缩短开发周期，降低开发成本。原有的大批量生产模式已越来越不适应企业的竞争一 与发展，以低成本、高效率为特点的大规模定制生产模式逐渐成为企业赢得市场， 满足不同用户需求的有效途径。 什么是大规模定制? 在新的市场环境中，企业迫切需要一种新的生产模式，大，- 规模定带a ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 由此产生。1 9 7 0 年美国未来学家阿尔文托夫 ( a l v i n t o f f l a ) 在 f u t u r e s h o c k ) 一书中提出了一种全新的生产方式的设想：以类似 于标准化和大规模生产的成本和时间，提供客户特定需求的产品和服务。1 9 8 7 年，厶。 斯坦戴维斯( s t a r t d a v i s ) 在 f u t u r e p e r f e c t 一书中首次将这种生产方式称为“m a s s c u s t o m i z a t i o n ，即大规模定制( m c ) 。1 9 9 3 年b 约瑟夫派恩( b j o s e p hp i n e l l ) 在 大 规模定制：企业竞争的新前沿一书中写到：“大规模定制的核心是产品品种的多样 化和定制化急剧增加，而不相应增加成本；满足个性化定制产品的大规模生产，其 最大优点是提供战略优势和经济价值。一 我国学者祁国宁教授认为，大规模定制是一种集企业、客户、供应商、员工和 环境于一体，在系统思想指导下，用整体优化的观点。充分利用企业已有的各种资 源，在标准技术、现代设计方法、信息技术和先进制造技术的支持下，根据客户的 个性化需求，以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的生产 方式。m c 的基本思路是基于产品族零部件和产品结构的相似性、通用性，利用标 准化、模块化等方法降低产品的内部多样性。增加顾客可感知的外部多样性，通过 产品和过程重组将产品定制生产转化或部分转化为零部件的批量生产，从而迅速向 顾客提供低成本、高质量的定制产品。 在大规模定制的生产模式下，企业之间的竞争开始转向基于时间的竞争和基于 青岛人学硕+ 学位论文 客户需求的竞争。为顾客提供定制化的产品，全面提高顾客的满意度，已经成为现 代企业追求新的竞争优势的一种必然趋势。 1 2 大规模定制生产模式 大规模定制生产方式包括了诸如时臼】的竞争、精益生产和微观销售等管理思想 的精华。其方法模式得到了现代生产、管理、组织、信息、营销等技术平台的支持， 因而就有超过以往生产模式的优势，更能适应网络经济和经济技术国际一体化的竞 争局面。 2 0 0 1 年a p e c 在上海的会议上，各国领导人身着唐装的亮相令全世界为之耳目 一新。这唐装就是一种“定制”的商品，唐装上的图案是为a p e c 专门设计的，面 料是特制的，颜色是各国领导人亲自挑选的，尺寸是按照领导人各自的体型度身定 制的f 3 】o 大规模定制生产模式结合了定制生产和大规模生产两种生产方式的优势，在满 足客户个性化需求的同时，保持较低的生产成本和较短的交货提前期。大规模定制 以其独特的优势，引起了制造业的关注，在国外得到了迅速发展。丰田汽车公司在 交易商的展厅中设置c a d 系统，顾客可以根据所提供的各种模块设计自己的汽车。 另外，还有许多企业通过实施大规模定制而获得了巨大的竞争优势，例如生产牛仔 裤的李维斯( l e v is t r a u s s & c o ) 、日本松下自行车公司、摩托罗拉、戴尔公司( d e l l ) 以及定制窗户的安盛公司( a n d e r s e n ) 等等。大规模定制生产模式将逐步替代统治了制 造业近一个世纪的大规模生产方式，成为2 l 世纪的主流生产模式【4 】。 迈克戴尔是计算机行业成功实施大规模定制的典范【3 l 。我们不妨观察一下戴尔 公司是怎样向福特汽车公司提供服务的。戴尔公司为福特公司不同部门的员工设计 了各种不同配置的计算机。当通过福特公司内联网接到订货时，戴尔公司马上就知 道订货的是哪个工种的员工，他需要哪种计算机。戴尔公司由此便组装合适的硬件， 甚至安装适当的软件。戴尔公司的这种实践已经使其进入了一个崭新的阶段负 周转资本时代，它在投入生产以前，业已收到客户的货款，公司不用筹资就能发展。 即使日常的利润是零，也会像一个能在水下摒气的游泳健将那样，维持较长时间的 企业运行。 ：大规模定制的作者约瑟夫潘恩说：“任何能够进行数字化处理的东西都能 定制【3 l 。”如：每个人的头发都可以测出其油性酸性的数值，所以美国宝洁公司只 要顾客拿出头发的油性酸性指标，就可以按通常价格迅速给你定制专用洗发剂；娃 娃的肤色、眼睛的颜色、发型、服饰等特征可以用编号来表示，所以生产芭比娃娃 的马特尔公司【5 】，在网站上提供了至少6 0 0 0 种组合可供选择；原先只有那么几种颜 色出售的杜邦漆，现在客户可以利用红黄蓝三原色，调出自己喜欢的任何一种颜色， 2 第一章绪论 交给杜邦并在几天内就可以拿到货等等。 我国有一些企业也已经这么做了。海尔推出了“定制冰箱 在不到一个月的时 间景就收到1 0 0 多万台订单，创造了行业奇迹【6 】。目前，海尔冰箱生产线上有一半 以上是按照全国各大商场要求专门定制的。 在大规模定制的生产模式下，企业要想在竞争中处于领先地位，必须对市场的 需求变化快速响应，即把握市场机遇，快速开发出新产品。产品的快速开发，必然 要求重用那些成熟的零件设计结果。零件设计可重用技术基于实例，在设计中直接 调用实例，简化了设计过程。零件设计可重用技术的推广，可以提高新产品开发的 效率及其可靠性，为新产品的快速开发提供有力的技术支持。 1 3 设计重用的发展现状 1 3 1 设计重用的意义 在大规模定制的生产模式下，企业之间的竞争开始转向基于时间的竞争和基于 客户需求的竞争。为顾客提供定制化的产品，全面提高顾客的满意度，已经成为珊 代企业追求新的竞争优势的一种必然趋势【7 1 。产品设计以满足需求为目的，从需求 的提出到满足需求要经过设计、制造、销售、售后服务、改进设计等等环节，设计 是第一个也是最基本的环节。机械产品的质量、性能和成本，在很大程度上是由设哆 计阶段的工作决定的。 根据德国工程师协会的研究报告【8 】，产品设计开发工作在生产中所占的成本只 有6 ，但对产品总成本的影响却占6 0 以上。在机械工厂的产品零部件中，标准7 1 件、外购件、外协件占零部件总数的5 0 ，成本的1 0 ；企业通用件占零部件总 数的4 0 ，成本的2 0 ；特殊的零部件占总数的l o ，而占成本的7 0 。因此， 尽量采用标准件、外购件、外协件、通用件以及已有产品设计中的可重用件是加速 产品快速设计、降低成本、保证产品质量的有效手段。 机械产品设计归纳为创新设计、变形设计和适应性设计。研究表明，占8 0 左 右的产品设计是基于事例的变形设计和适应性设计【9 】。从设计的过程来看，产品设 计是从设计需求到方案设计，再进行构形设计，最后形成详细设计，是一个反复交 叉重叠的技术活动。在这个设计过程中，能否很好地借鉴过去的成功经验，是缩短 设计时间的根本保证，也是提高设计效率的有效措施。 在新产品开发中，约4 0 是重用过去的零部件设计，另外4 0 是对已有的部件 设计稍作修改，而只有约2 0 是全新的设计0 0 1 。即：在新产品开发中，很大部分是 属于将过去的设计知识、成功经验和成熟的零件设计结果，用于当前设计中的变形 设计，即设计重用。由此可见，机械产品设计的本质特征及市场竞争，决定了设计 重用在产品开发中的重要作用。 3 青岛人学硕十学位论文 设计重用可充分利用企业的设计资源：可有效保护企业的设计知识，使知识与 经验得以继承，防止因人员流失等原因而造成知识资源的流失；设计重用具有教育 示范作用，有利于培养新人，使新手迅速成长为领域专家；设计重用可以有效缩短 产品的设计周期，降低生产成本，提高设计质量和可靠性，从而实现快速响应设计 与制造，提高企业的竞争能力。 ， 有经验的设计人员总是善于利用过去成功的设计经验，吸取失败的教训。设计 重用可以有效缩短产品的设计周期，降低生产成本，提高设计质量和可靠性，从而 实现快速设计与制造，提高企业的竞争能力。英国s t r a t h c l y d e 大学就工业界对设计 重用的态度做了调查，得出如下结论：重用是非常有意义的设计活动，但目前设计 重用还是非结构化的，缺乏有效的支持方法和手段【l l 】。 1 3 2 设计重用的概念 设计重用，简单地说，就是将过去的设计及设计知识应用到当前的设计活动中。 从广义上说，设计重用技术就是在产品整个生命周期中避免重复劳动的所有技术的 总称。这里的设计也是广义的设计，包括概念设计、详细设计、工艺设计及围绕该 产品的各种设计活动。从狭义上说，设计重用技术是指对设计过程所形成的设计结 果本身的重用。广义设计重用包含狭义设计重用，因此设计重用研究一般指广义设 计重用。 英国学者d u 何等人【1 2 】提出了设计重用的过程模型，较全面地描述了设计重用 过程中的各个关键要素( 见图1 1 ) 。该模型包括三个主要过程和六个知识部件。各 自的含义为： 领域知识( d o m a i nk n o w l e d g e ) ：关于过去知识的知识源。 领域模型( d o m a i nm o d e l ) ：对设计领域的概念化描述。 重用库( r e u s el i b r a r y ) ：重用知识的结构化存储。 设计需求( d e s i g nr e q u i r e m e n t ) ：对设计需求的描述。 进化设计模型( e v o l v e dd e s i g n m o d e l ) ：一个不完整的、建议的以及最终设计在 任何抽象层次上的描述。 完整设计模型( c o m p l e t e dd e s i g nm o d e l ) ：一个新设计完整而详细的定义。 基于重用的设计( d e s i g nb yr e u s e ) ：在新的设计环境中对以前获得的概念的重 用。 面向重用的设计( d e s i g n f o rr e u s e ) ：重用知识的识别、提取以及知识的升华， 包括记录设计候选方案以及与设计决策相关的推理等。 领域探索( d o m a me x p l o r a t i o n ) ：设计领域的探索，以识别、提取、理性化和存 储重用知识用于新设计的开发。 4 第一章绪论 图1 1 设计重用过程模型 设计重用过程模型实际上构成了一个进化循环：从一个新设计中抽象出来的知 识，用以构造和改善领域模型，通过领域探索( 对知识进行识别、提取和理性化) ， 将知识加入到重用库。领域模型和重用库在“d e s i g n b y r e u s e ”这一过程中得到应用， 从而获得一个完整的新设计模型以及相关的知识，这些知识又在将来的设计中得到 重用。 1 3 3 设计重用的层次 根据广义与狭义设计重用的含义，可将工程产品设计重用层次分为实体层、混 合层和抽象层( 见图1 2 ) 。实体层包括数据层、特征层、零件层和装配层，属狭义设 计重用的范畴；抽象层包括过程层、方法层和知识层，是对实体层提炼与升华的结 果，属广义设计重用【1 3 1 。 图1 2 设计重用层次图 5 青岛人学硕十学位论文 王玉【1 4 】在这一方面进行了详细研究，给出了设计重用金字塔，认为设计重用的 最高层次是知识和方法的重用。其图如下： 实 体 重 用 图1 3 产品设计重用金字塔 知 识 重 用 1 4 设计重用的关键技术与相关技术 设计重用的关键技术包括：知识建模、知识检索、知识重用与修改三个方面。 知识建模和利用是设计重用的重要组成部分。d u t r y 提出y - - - 种知识建模方法【1 5 】：( 1 ) 基于事例的推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) ；( 2 ) 基于模型的推理( m o d e lb a s e d r e a s o n i n g , m b r ) ；( 3 ) 计划重用( p l a nr e u s e ) 。基于事例的推理涉及存储和重用过去 的设计事例，主要包括设计事例的表示、索引和组织、以及检索和修改所选事例的 过程。基于事例的推理将一个过去的设计作为新设计的起点，而不是从草图开始一 个新设计。基于模型的推理涉及知识模型的开发，在此基础上进行新的设计。模型 表示通用知识而事例则表示具体知识。计划重用涉及设计原理( d e s i g nr a t i o n a l e ) 的表示，以及在新的设计活动中重用适当的设计历史。计划重用通过辅助设计活动 中的一系列设计决策产生新的设计解。 很多技术都与设计重用有关，如下图1 4 【1 6 1 所示： 图1 4 设计重用相关技术 6 第一章绪论 c b r ：( c a s eb a s e dr e a s o n g i n g ) 基于事例的推理； w e b ：超文本信息系统； d m ：( d o m a i nm o d e l ) 领域模型； m b r ：( m o d e lb a s e dr e a s o n i n g ) 基于模型的推理； k m ：( k n o w l e d g em a n a g e m e n t ) 知识管理； k b e ：( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 基于知识的工程； a r ：( a n a l o g i c a lr e a s o n i n g ) 类比推理； g a ：( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 遗传算法。 1 5 设计重用技术在国内外的发展 设计重用的历史几乎和设计的历史一样久远，但绝大多数时间是以一种不自觉 的形式进行。例如：标准件、通用件的概念和模块化设计，已经部分体现了设计重 用的思想【1 7 l 。但由于缺乏系统的理论体系加以管理，它们并没有发挥其应有的作用 人们有意识地研究基于计算机技术的设计重用才刚刚开始，设计重用正在逐渐成为 c a d 领域一个新的研究热点。 1 9 9 8 年6 月在英国b r u n e l 大学首次召开了以设计重用为主题的国际工程设计会 议【1 4 1 。m 1 1 r ，s t a n f o r d 等著名大学都宣读了有关论文，他们从不同侧面对设计重用进 行了研究和探讨，主要包括设计重用的认知研究，新产品开发中的重用，设计重用 系统，设计重用的工具与方法，以及标准件的设计重用等等。从会议发表的论文可 以看出，设计重用的前景非常可观，但由于涉及的内容十分广泛，加之研究刚刚起 步，人们对设计重用中的许多问题的认识尚在进一步探索之中，目前尚未形成一致 的思想和理论体系。无论从研究对象还是研究方法上看，工程设计重用的研究目前 还处于一个非系统化的研究阶段，缺乏系统化的理论与方法。 英国s t r a t h c l y d e 大学就工业界对设计重用的态度做了调查，得出如下结论：重 用是非常有意义的设计活动，但目前设计重用还是非结构化的，缺乏有效的支持方 法和手段。 f i n g e r 1 8 】详细研究了设计过程，即设计者在设计过程中想要什么以及他们怎样 使用过去的信息。文中识别出了设计重用中的几个关键问题，即如何表示、获取、 组织和检索设计知识。设计者可能根据功能、行为、形状甚至环境( 上下文) 来检 索一个现有的设计，但针对这些属性的形式化表达还没有。f i n g e r 还做了设计重用 相关的实验观察研究，得出如下结论：( 1 ) 在所做的设计事例研究中，没有一例设 计者使用c a d 工具来帮助他们检索和组织设计信息；( 2 ) 设计信息是非结构化的， 它的获取还远未达到系统化的程度；( 3 ) 大多数设计事例中设计者只是在详细设计 阶段使用c a d 工具。关于设计者在一个过去设计中寻找什么的问题，f i n g e r 的结论 7 青岛人学硕+ 学位论文 是：( 1 ) 寻找回答具体问题的知识；( 2 ) 产品信息中的模式。从f i n g e r 的研究结论 可以推断，要开发支持设计重用的计算机环境，就必须研究对产品设计信息的计算 机表示 此外，国外有学者指出，设计重用将是未来c a d 软件的项重要功能。设计重 用作为一个研究课题，来源于计算机科学和软件开发领域，因此大量的研究工作是 基于计算机的知识获取和重用。d u f f - y 等人将设计重用的问题归纳为三个方面：( 1 ) 索引及信息检索；( 2 ) 知识利用；( 3 ) 探索和修改。索引是对知识进行的结构化组 织与处理，以改善相关信息的检索。k i n g 和s i v a l o g a u t h a n t l 9 】描述了一个柔性设计系 统帮助企业从一个市场领域向相邻领域进行转移。其战略是通过对现有设计和其他 独立无关的设计进行整合，开发一个通用核( c o m m o nc o r e ) ，基于该通用核进行系 列新产品开发。 产品开发实际上是旧设计与新设计融合的混合产物。他们之间应有一个合理的 平衡点，过分强调某一方都会适得其反。m i t 的c l a u s i n g l 2 0 】认为新产品开发的原则 目标是，达到重用与创新的战略平衡。 a n d r e w s 2 1 1 和s i v a l o g o n a t h a n 提出用变量模型来存储机械设计。其基本原理是基 于特征建模和参数化设计思想，一组设计( 一个系列) 可以用一个虚拟主模型表示， 主模型是对不同特征的统一整合。s u 描述了存储和检索设计知识的两种方法，专家 系统和人工神经网络，两者都是存储设计知识的有力工具。 设计重用系统体现了在一种设计模型下存储、检索和重用过去设计知识的一种 方法。i n n s 2 2 j 和n e v i l l e 描述了企业级的设计过程的建立以促进设计重用。他们认为 工业产品开发是一个多领域的活动，因此来源于设计专家的设计模型将不同于来源 于市场的设计模型。其研究表明重用和模块化设计是开发设计模型的源动力。 t s e n g t 2 3 j 等人认为产品随市场需求变化，根据客户要求定制的生产模式是当今制 造业的发展趋势，企业生产产品就是为了满足客户的需求。t s e n g 提出了基于实例的 算法，以有效减少准确地设计一种新产品的时间和成本。事例重用技术的采用可方 便设计人员，在发现产品需求和提出设计方法方面节省很多时间。 c o s t a 2 4 】等人提出了产品周期模型支持设计重用的理论。他们认为，在再次设计 中原有信息可应用于新的环境之中，是已有信息技术可提供更大利益的一个设计领 域。设计重用是产品模型和制造模型的应有趋势。作者所提出的产品周期模型的目 的就是支持变形设计和敏捷设计。 m l h l o w 2 5 】等人利用设计重用的理论，设计了一个参数化的塑料喷射铸模设 计系统。他们认为市场竞争要求产品的生产时间越来越短，而采用设计重用的理论 可以满足企业和市场的这一需求。由于每个模型的设计是标准化的、重复的，因此 采用设计重用系统可以明显缩短设计时间、保障设计质量，并且这一系统可以方便 8 第一章绪论 地进行顾客化定制。 祁国宁【2 6 】等人根据批量定制的特点以及我国企业的实际情况，提出了合理化工 程的理论和方法，在“利用企业的设计业务流程重组，以适应产品的快速变形设计、 产品的标准化、产品建模、信息集成”等方面开展了较为深入的研究。 北京航空航天大学的赵晖 2 7 1 等人提出了设计知识的分层描述和集成建模方案， 以提升现有c a d 系统对设计知识重用的能力。他们将设计知识划分到构型层、设计 层和造型层3 个抽象层次，基于u g 平台的知识熔接语言和o p 翎h 实现了各层设计 知识的描述与集成。 南京航空航天大学的刘久富博士【2 8 】研究了在大规模定制的生产模式下的面向对 象的产品建模方法和参数化c a d 的概念，提出了对现有c a d 体系结构进行重构， 设计出定制c a d 软件新式体系结构，从而实现c a d 软件按需定制，以解决软件功 能冗余问题。 上海交通大学的王玉博士对产品设计重用技术支持体系进行了详细地研究【1 6 1 。 他从设计重用的技术需求分析入手，就c a d 、p d m 、a i 、k m 、w e b 技术等对产品 设计重用的支持性和相关性进行了详细深入的分析讨论，提出了产品设计重用的完 整技术体系及需要解决的关键技术。 华中科技大学的钱玲玲【2 9 1 等研究了特征重用、标准件重用、装配关系重用以及 设计过程重用的理论基础和实现方法，并实现了在u g 平台上的标准件设计过程的 自动化。 由此可见，设计重用在理论及技术方法上的研究已取得一定的进展，并产生了 不少算法和应用系统。 1 6u g 系统对设计重用的支持及二次开发技术应用现状 1 6 1u g 系统对设计重用的支持 u g ( u n i g r a p h i e s ) 是美国e d s 公司( 现已经被西门子公司收购) 开发的 c a d c a m c a e 系统，是当前国际流行的工业设计平台t 3 0 3 。u g 提供了自由的建模 功能和易于操作的编辑、分析工具，大大减轻了设计人员的工作量，让他们有更多 的精力用于创造性设计上。 u g 系统的基于特征的建模和参数化设计功能非产强大。u n i g r a p h i c s 建模技术 是一种基于特征的建模技术，其模块中提供各种标准设计特征，各标准特征突出关 键特征尺寸与定位尺寸，能很好地传达设计意图，并且易于调用和编辑，也能创建 特征集，对特征进行管理。特征参数与表达式之间能相互依赖，互相传递数据，提 高了表达式设计的层次，使实际信息可以用工程特征来定义。不同部件中的表达式 也可通过链接来协同工作，即一个部件中的某一表达式可通过链接其它部件中的另 9 青岛人学硕十学位论文 一表达式建立某种联系，当被引用部件中的表达式被更新时，与它链接的部件中的 相应表达式也被更新。 u g 具有完善的系统参数自动提取功能，它能在草图设计时，将输入的尺寸约 束作为特征参数保存起来，并且在此后的设计中进行可视化修改，从而达到最直接 的参数驱动建模的目的【3 。用系统参数驱动图形的关键在于，如何将从实物中提取 的参数转化到u g 中，用来控制三维模型的特征参数。尺寸驱动是参数驱动的基础， 尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。u g 的尺寸约束的特点是，将形状和尺寸联合起 来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。设计时必须以完整的尺寸参考为出 发点( 全约束) ，不能漏注尺寸或多注尺寸。尺寸驱动是在二维草图s k e t c h e r 罩面实 现的。当草图中的图形相对于坐标轴位置关系都确定，图形完全约束后，其尺寸和 位置关系能协同变化，系统将直接把尺寸约束转化为系统参数。 u g 的基于特征的设计和参数化建模，可使设计者方便地对现有设计的某些属 性进行修改以满足新的设计规范，尤其是系列产品的实例化。u g 的特征建模和参 数化设计有利于设计重用的实施。 1 6 2u g 二次开发技术 u n i g r a p h i c s 在c a d 上表现出了强大的功能，但u g 为通用支撑软件系统，仅 具有c a d 的基本功能，没有提供专用产品所需要的完整计算机辅助设计功能。 由于机械产品的千变万化，需要针对具体对象在选用的c a d 软件平台上进行 二次开发，来设计出界面友好、功能强大、使用方便的专用产品的c a d 系统。本 节介绍u g o p e nu i s t y l e r 、u g o p e ng r i p 和u g o p e n a p i 的二次开发技术。 u c a o p e n 二次开发模块为u g 软件的二次开发工具集，便于用户进行二次开 发工作，利用该模块可对u g 系统进行用户化剪裁和开发，满足用户的开发需求。 u g o w n 包括以下几个部分： ( 1 ) u g o p e nm e n u s c r i p t 开发工具，对u g 软件操作界面进行用户化开发，无须 编程 3 2 1 ，即可对u g 标准菜单进行添加、重组、剪裁或在u g 软件中集成用户自己 开发的软件功能； ( 2 ) u g o p e nu i s t y l e r 开发工具，是一个可视化编辑器，用于创建类似u g 的交 互界面。利用该工具，用户可为u g o p e l l 应用程序开发独立于硬件平台的交互界面； ( 3 ) u g o p e na p i 开发工具，是u g 的一个二次开发语言。它提供了u g 与外部 应用程序之间的接口，支持c 、c + + 、f o r t r a n 和j a v a 等主要高级语言。外部高 级开发语言可以直接调用a p i 函数，可以说u g o p e n a p i 是一系列函数和过程的集 合1 3 3 1 ； ( 4 ) u g o p e ng r i p 开发工具，是一种与u g 系统集成的类似于f o r t r a n 语言 l o 第一章绪论 的u g 内部开发语言f 3 4 1 。利用该工具用户可生成n c 自动化或自动建模等用户的特 殊应用。利用这种语言的程序，可以完成与u g 的各种交互操作。与一般通用语言 一样，g r i p 语言有其语法规则和程序结构等。通过编译、链接，可生成可执行文件。 ( 5 ) u g o p 锄+ + 提供了一个面向对象的u g 开发接口。使用这些接口可以通过 c 抖类的层次关系访问u g 的对象和功能。这个类层次结构提供了许多功能，如创 建、读取、修改u g 对象以及控制u g 的运行。此外，通过继承u g 标准类，用户 可以定义自己的新类，从而扩展了原来的类层次结构p 5 1 。 1 6 3u g 二次开发应用研究现状 u n i g r a p h i e s 是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的 c a i d c a d c a e c a m 高端软件，作为一个集成的全面产品工程解决方案，u g 软件 家族使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。u g 软件被当今许多世界领 先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化 制造等各个领域。 国内外有关u g 的应用研究资料表明，u g 应用包括两种类型：一是直接利用 u g 软件进行产品的建模、分析、制造；二是在u g 平台上进行二次开发。二次开发 的内容涉及标准零件库、行业产品特征库、零件的自动化生成、零件成型与分析自 动集成、典型产品的专家系统研究等。具体应用有以下几类i 3 c , - 3 9 。 ( 1 ) 开发用户自定义模块进行快速建模。 u g 现有的建模功能完全能够实现复杂零件的建模要求，快速建模的日的是提 高建模速度以缩短产品的整个研制周期。快速建模通常是针对某一复杂零件。这类 零件的特点是设计参数多，各参数满足一定的函数关系，从设计参数向结构参数转 化需要复杂的数学运算。通常的设计方法是：首先根据设计参数计算出结构参数， 然后用u g 软件建模。这种方法的缺点是：模型生成速度慢且不易修改设计。一旦 调整某一设计参数，则牵一动全身，模型所有结构参数均可能改变，建模就得从头 开始。如果利用u g o p e na p i 或u g o p e ng r i p 创立用户程序，使设计计算和u g 建模集成在一起，实现设计、建模的自动化，则建模速度将大大提高，改动设计也 十分方便，非常适合系列化零件的建模设计。有些模型的生成是以实测的数据为基 础，则可通过用户程序实现数据的自动采集、处理，最后建立模型。 ( 2 ) 建立用户参数图库。 u g 软件没有标准零件库，更没有具体行业的专用零件库，而具体行业的产品 设计总是经常会用到标准件、相似件。若每次设计对每一零件均从头开始建模，则 要做许多重复性的工作。建立用户参数图库，即是把常用的标准件、结构相似件建 成特征库，使用时只需输入确定参数，直接调用，提高建模速度。 青岛人学硕十学位论文 ( 3 ) 建模与分析的用户集成。 u g 软件本身带有建模和分析模块，若要对模型进行分析，通常先在建模模块 中建立模型，然后切换到分析模块中进行分析，如果模型需要不断改变，则设计过 程要在建模与分析模块之间反复切换。并且分析过程是固定的标准过程，用户无法 提取计算过程数据进行优化控制，用户的特殊要求没有途径实现。利用u g o p e na p i 或u g o p e ng r i p 可以实现建模与分析的用户集成，也可实现分析过程的用户化。 ( 4 ) c a d c a p p c a m 集成。 u g 软件不含零件的工艺设计功能。在c a d c a p p c a m 集成系统中，利用 u g m o d c l i n g 和u g m a n u f a c t u r i n g 功能实现零件建模和刀具轨迹生成，再利用 u g o p e na p i 功能增加工艺特征定义。c a p p 系统则利用u g o p c na p i 功能读取u g 模型数据进行工艺过程决策处理。集成系统以数据库为基础完成必要数据的传递及 工艺规程的保存、发送，为生产现场提供工艺准备数据。 ( 5 ) u g 的专家系统。 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是问题求解的智能软件系统。在某一专业领域内，把有 关专家的经验和知识，表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理 方法和控制策略，解决该领域中只有专家才能解决的问题并达到专家级水平 4 0 1 。 基于u g 的专家系统研究，利用u g o p e na p i 和u g o p e ng r i p 编程，针对具 体零件或简单系统，建立知识库、推理机、解释系统等专家系统的基本结构，把专 家系统和u g 结合起来，在建模、分析、制造过程中随时得到专家级的指导，提高 产品设计的质量【3 7 1 。 综上所述，作为通用c a d 软件，u g 功能非常强大，但缺乏通用标准件库以及 行业标准件库，而具体行业的产品设计总是会经常用到通用标准件和本行业标准件。 若每次设计对每一零件均从头开始建模，则要做大量重复性工作，因此，有必要开 发零件重用系统，建立通用标准件和本行业标准件库，以提高产品设计效率，缩短 设计周期。 基于u g 二次开发的零件设计可重用技术，可实现快速的零件变形设计、灵敏 的自动设计，使所设计的新零件有更可靠的质量保证，能最大限度地满足市场和用 户的需要。 1 7 论文主要工作及结构安排 本论文主要面向机械产品，研究基于u g 二次开发的零件可重用设计关键技术。 本文的主要工作有： ( 1 ) 根据零件相似性，建立零件分类编码系统； ( 2 ) 通过分析典型零件的结构特点，建立设计可重用零件库的结构模型； 1 2 第一章绪论 ( 3 ) 建立一种方便可行的零件实例库检索算法： ( 4 ) 基于u g 二次开发，建立零件设计可重用系统，并以轴类零件为例，介绍 系统功能和结构。 本文共分七章，组织结构如下图： 第一章绪论 县县县 ，、厂、厂、 第二二章第三章第四章 u g 二次开设计可重用零件零件实例库 发技术基础库构建检索算法 l lj 曼县县 第五章零件设计可重心系统的实现 d 结论与展望 图1 5 全文结构图 1 8 结语 设计重用是市场竞争和客户需求发生变化的产物，是适应时代发展的一个新的 基于计算机辅助设计的研究热点。设计重用必将成为未来c a d 领域的一项关键功 能。本章综述了设计重用的有关的文献资料，分别介绍了设计重用中的若干重要问 题，并对国内外学者的研究情况进行了总结。利用二次开发的参数驱动强大功能进 行产品的设计重用，是现在和将来的发展方向。结合实际应用