（机械电子工程专业论文）基于三维cad模型的机构运动简图抽取研究.pdf

i-、，i01 -1 j 穗 ，l 、 i c ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h ee x t r a c t i n go fm e c h a n i s m i c k i n e t i cd i a g r a m b a s i n go n t h r e e - d i m e n s i o n a l c a dm o d e l b yw a n gj i a n w e i s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o rs u it i a n z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 分 f j 、 、， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得 i 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 。夕 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：正 思o 学位论文作者签名：互l 耸 日 期：2 0 。7 ，27 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：三斟 签字日期：2 0 。罗，厶27 导师签名： 签字日期： ， 节；， f 东北大学硕士学位论文 摘要 基于三维c a d 模型的机构运动简图抽取研究 摘要 随着科技的进步和社会的发展，复杂机械在各个领域的运用越来越多，为了简明地 表达一部复杂机械产品的传动原理，无论在工程设计过程中还是在一些机械类课程教学 中经常要绘制机构运动简图。而机构运动简图的手工绘制，特别是复杂机械产品机构简 图的手工绘制对很多设计人员来说是困难的，并需要花费很大的工作量。为了减少设计 人员的工作量，缩短产品的研发周期，降低产品开发成本，加速产品的更新换代，很多 课题对机械运动简图的绘制进行了多方面的研究。本课题研究的重点是从现有三维c a d 模型中提取机构运动简图。 本文以三维软件s o l i d w o r k s 为平台，对三维装配体的设计树进行了深入的研究与分 析，在此基础上选择提取装配特征中有意义的信息，并将其读取到数据库中。同时以运 动副为单位建立了机构运动简图图元库，通过识别和匹配信息，正确提取机构简图并由 图元绘图模块绘制出机构运动结构简图。 对此论文主要进行了如下的研究工作：针对不同的三维机械产品模型添加了不同的 二维结构简图图元，进一步完善了机构简图图元库；在已有绘制机构运动简图的基础上， 完善了提取机构运动简图的功能可构建三维机构运动简图，使得对复杂机械产品的 表达更为生动和直观；建立了与提取三维机构简图相对应的移动副、旋转副、多副构件、 固定件等三维机构运动简图图元模块；根据多齿轮副传动系统实现了与此相匹配的齿轮 系传动机构展开简图：并且在已有的基础上对机构运动简图图元模块的绘制进行了规范 化。 本文以三个简单机构为例，对其机构运动简图进行了抽取，从装配信息的读取、识 别与匹配、图元的绘制以及测试系统对位置的纠正，到多副构件的识别及剩余旋转副的 连接，验证了机构简图抽取系统的可行性和合理性。论述以减速器为实例对其机构运动 简图进行展开，验证了系统对齿轮系简图展开的功能。 关键词：装配特征信息；装配体设计树；信息匹配与识别；图元基类；测试系统 ， 认 _ 、 ! | t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho i lt h ee x t r a c t i n go fm e c h a n i s m i c k i n e t i c d i a g r a mb a s i n go i lt h r e e - - d i m e n s i o n a l c a dm o d e l a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , c o m p l e xm a c h i n ei sm o r e a n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s i no r d e rt ob r i e f l ye x p r e s sd r i v i n gp r i n c i p l eo fa c o m p l e xm a c h i n ep r o d u c t ，w eo f t e nh a v et od r a wm e c h a n i s mm o t i o ns k e t c h ，n om a t t e ri n e n g i n e e rd e s i g np r o c e s so rc o u r s et e a c h i n gr e l a t i n gt om a c h i n e t h em a n u a ld r a w i n go f m e c h a n i s mm o t i o ns k e t c hi s v e r yd i f f i c u l tf o rm a n yd e s i g ns t a f f s ，a n di t r e q u i r e sah i g h w o r k l o a d a n dm a c h i n em o t i o ns k e t c hp r o v i d i n gw i t hi d e a lf u n c t i o n sn e e d sm o r et i m ea n d e n e r g y i no r d e rt or e d u c ew o r k l o a do ft h ed e s i g ns t a f f , l i b e r a t et h e mf r o mc o m p l e xm a c h i n e m o t i o ns k e t c hd r a w i n g , s h o r t e np r o d u c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp e r i o da n da c c e l e r a t e p r o d u c tu p d a t e ，m a n ys t u d i e sd ov a r i o u sr e s e a r c ho nm a c h i n em o t i o ns k e t c hd r a w i n g t h i s t h e s i sc o n c e n t r a t e so nr e s e a r c ho fe x t r a c t i n gm a c h i n em o t i o ns k e t c hf r o mt h r e e d i m e n s i o n a l c a dm o d e l b a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r es o l i d w o r k s ，t h i st h e s i sd o e s i n d e p t hr e s e a r c ha n d a n a l y s i so nd e s i g nt r e eo ft h r e e - d i m e n s i o n a la s s e m b l y , m e a n i n g f u lm e s s a g e si n a s s e m b l y c h a r a c t e r i s t i ca r es e l e c t i v e l ye x t r a c t e d ，a n dt h em e s s a g e sa r er e a da n ds t o r e di n d a t a b a s e t a k i n gp a i ra su n i t ，m a c h i n em o t i o ns k e t c hg r a p h i ce l e m e n t sa n dg r a p h i cd a t a b a s ea r e e s t a b l i s h e d ，s t r u c t u r es k e t c hg r a p h i ce l e m e n td r a w i n gm o d u l ei s p r o p e r l ye x t r a c t e da n d m a c h i n em o t i o ns t r u c t u r es k e t c hi sd r a w n t h r o u g hi d e n t i f y i n ga n dm a t c h i n gm e s s a g e s t h i st h e s i sm a i n l yd o e sr e s e a r c ha sf o l l o w ：a d d sd i f f e r e n tt w o d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e s k e t c hg r a p h i ce l e m e n t sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tt h r e e d i m e n s i o n a lm a c h i n ep r o d u c tm o d e l ， f u r t h e rp e r f e c t ss t r u c t u r es k e t c hg r a p h i ce l e m e n t sa n dg r a p h i cd a t a b a s e ；p e r f e c t se x t r a c t i n g m e c h a n i s mm o t i o ns k e t c h f u n c t i o n ，n a m e l ye s t a b l i s h i n ge x t r a c t i n gt h r e e d i m e n s i o n a l m e c h a n i s ms k e t c h ，a n de x p r e s s i o no fc o m p l e xm a c h i n ep r o d u c ti sm o r ea n dm o r ev i v i da n d i l l u s t r a t i v e ；t h r e e - d i m e n s i o n a lm e c h a n i s mm o t i o ns k e t c h g r a p h i ce l e m e n tm o d u l e c o r r e s p o n d i n gt oe x t r a c t i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm e c h a n i s m ，s u c ha sm o v i n gp a i r , r o t a t i n gp a i r , m u l t i p a i rc o m p o n e n t sa n db u i l t - i nf i t t i n ge t c ，a r ea l s oe s t a b l i s h e d ；g e a rs y s t e md r i v e m e c h a n i s ms k e t c h e x p a n s i o ns y s t e mm a t c h i n gm u l t i p l eg e a rc o u n t e rd r i v es y s t e mi s d e v e l o p e da c c o r d i n gt om u l t i p l eg e a rc o u n t e rd r i v es y s t e m ；t h ed r a w i n go fm e c h a n i s mm o t i o n s k e t c hg r a p h i cm o d u l ei sa l s on o r m a l i z e do nf o r m e rf o u n d a t i o n t a k i n gt h r e es i m p l em e c h a n i s m sa se x a m p l e s ，t h i st h e s i se x t r a c t st h e i rm e c h a n i s m m o t i o ns k e t c h ，t e s t sf e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fm e c h a n i s ms k e t c he x t r a c t i n gs y s t e mf r o m i i i r e a d i n g ，i d e n t i f i c a t i o n a n dm a t c h i n g a s s e m b l ym e s s a g e s ，g r a p h i ce l e m e n td r a w i n ga n d p o s i t i o nr e c t i f i c a t i o nt oi d e n t i f i c a t i o n o f m u l t i - p a i rc o m p o n e n ta n ds u r p l u sr o t a t i n gp a i r c o n n e c t i o n t a k i n gs p e e dr e d u c e ra sa ne x a m p l e ，i t sm e c h a n i s mm o t i o ns k e t c hi se x p a n d e d ， a n dt h es y s t e m sf u n c t i o nt og e a rs y s t e ms k e t c he x p a n s i o ni st e s t e d k e yw o r d s ：a s s e m b l yc h a r a c t e rm e s s a g e ；a s s e m b l yd e s i g nt r e e ；m e s s a g em a t c h i n ga n d i d e n t i f i c a t i o n ；g r a p h i ce l e m e n tb a s ec l a s s ；t e s t i n gs y s t e m i v r 、 _ 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明l 摘要i l a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 机构运动简图绘制系统的特点和发展现状1 1 1 1 机构运动简图绘制系统的特点1 1 1 2 简图抽取系统在国内外研究现状2 1 2 课题研究内容及意义5 1 2 1 研究目的5 1 2 2 研究意义。6 1 2 3 研究内容6 第2 章机构运动简图抽取系统的建立7 2 1 机构运动简图抽取系统的原理7 2 2 机构运动简图抽取的技术路线7 2 3 机构运动简图抽取的关键技术8 2 3 1 装配体信息的读取技术一8 2 - 3 2 与数据库的连接技术一1 0 2 3 3 装配体信息的匹配。1 2 2 3 4 简图图元类模块的建立1 3 2 4 本章小结1 5 第3 章平面机构运动简图的抽取1 6 3 1 简图图元的分类1 6 3 1 1 图元定义及其类型选择。1 6 3 1 2 图元的分类1 7 3 1 3 图元类成员数据设计1 8 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 机构运动简图图元的识别2 0 3 2 1 基本运动副的识别2 0 3 2 2 多副杆件运动副的识别2 0 3 3 简图图元的建立2 3 3 3 1 基本图元的建立2 3 3 3 2 扩展图元的建立2 3 3 3 3 辅助图元的建立2 6 3 4 本章小结2 6 第4 章空间机构运动简图抽取研究2 7 4 1 空间机构运动简图概述2 7 4 2 装配体空间信息的提取2 7 4 3 空间坐标与平面坐标之间的相互转化2 8 4 3 1 投影变换概述。2 9 4 3 2 坐标投影变换原理3 0 4 3 3 向量投影原理3 4 4 4 空间机构运动简图图元的识别及建立3 4 4 4 1 空间转动副抽取及简图建立。3 5 4 4 2 空间移动副抽取及简图建立3 5 4 4 3 空问r p 杆件识别及简图建立3 8 4 4 4 空间r p r 杆件识别及简图建立4 0 4 4 5 空间r r p 杆件识别及简图建立。4 2 4 4 6 空间r r r 杆件识别及简图建立4 4 4 4 7 空间p r p 杆件识别及简图建立。4 4 4 4 8 空间p p r 杆件识别及简图建立4 6 4 5 运动副之间的连接4 7 4 5 1 运动副关联关系搜索4 7 4 5 2 运动副关联关系在简图绘制中的运用4 9 4 6 本章小结4 9 第5 章齿轮系装置的简图抽取5 0 v i 东北大学硕士学位论文目录 5 1 多齿轮副机构简图抽取原理5 0 5 1 1 齿轮装配信息读取。5 1 5 1 2 齿轮装配信息分析5 1 5 2 齿轮系展开图图元的建立5 3 5 2 1 齿轮副图元的建立5 3 5 2 2 齿轮轴固定符号图元的建立5 4 5 2 3 齿轮和齿轮轴的匹配与连接一5 4 5 3 齿轮系简图展开实例5 6 5 4 本章小结5 9 第6 章机构运动简图抽取实例6 0 6 1 实例一6 0 6 2 实例二6 2 6 3 实例三6 5 第7 章结论与展望6 9 参考文献7 1 致谢7 4 。 v i l ，气 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着各种新兴学科的兴起，为了满足各行各业和广大人民群众的r 益增长的新需 求，机械工业也向着更高的阶段发展。为了设计一个机械产品特别是复杂的机械产品， 设计人员需要对机械产品进行机构的运动分析、动力分析以及研究机构的组成原理，这 样绘制机构运动简图就是设计人员必备的一项基本技能。用手工绘制机构简图具有一定 的复杂性，特别是绘制一个能满足要求的简图则更是困难【。如果针对每个三维产品都 能自动创建一幅机构运动简图，那么上述工作就不会显得很困难。如今，计算机技术日 新月异，机械产品的开发与设计都已经通过计算机来完成，因此，为了得到机构的组成， 再采用传统的手工绘制机构简图，难免感到力不从心也显得太不现实1 2 1 。基于以上问题， 本文提出了对机构运动简图绘制系统方面的研究。 1 1 机构运动简图绘制系统的特点和发展现状 1 1 1 机构运动简图绘制系统的特点 机构运动简图绘制系统，实际上是一个以机械产品三维模型为基础，以嵌入式软件 为载体，在可视化界面上绘制机械产品机构运动简图，表达一部机械产品传动原理的机 构运动简图绘制系统。机构运动简图绘制系统是一种没有真实机械产品实体，但却有实 际实体感觉的简图绘制软件，它不需要用户对简图做任何绘制和修改，包括基本图元点、 直线、曲线、圆等，也不需要用户对参数的输入，它是一个完全智能化的简图绘制系统。 机构运动简图绘制系统集合了机构设计理论、计算机辅助设计、计算机建模和仿真 为一体，是专用的机构运动简图绘制系统。它主要由装配体信息读取、信息存储、装配 体信息匹配和信息识别、简图图元库、图元协调推理机等模块、以及用户可视化界面和 各部分的程序接口等部分组成。机构运动简图绘制系统主要是以机构的组成要素杆 组为基本图元和以机构的基本运动要素构件与运动副为基本图元组成，通过统一的 绘图原则完成与机械产品相对应的机构运动简副3 1 。机构运动简图绘制系统是通过对装 配体在三维软件中建立模型，根据三维模型的装配信息判断和识别出各个零部件之间形 成运动副的类型，然后以位置坐标为图员参数传递给图元绘制函数，并调用绘图模块绘 制出简图的初步形态，根据装配体中零部件识别出复杂机构杆件并纠j 下原始机构简图的 绘制。一个完整的机构运动简图绘制系统，应具有各功能模块的自定义性、规范化、图 元的独立性、图元库的可扩展性、高程度的模块化设计程序、很强的封装性、设计代码 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 可重复利用性以及编程简单等特点【4 1 0 1 1 2 简图抽取系统在国内外研究现状 由于这一课题的提出对目前来说还比较新颖，国内外在这方面还没有做过工作，可 以用来借鉴和参考的资料和文献非常有限。以本课题的不同侧面为背景，我们可以看到， 研发人员已经把越来越多的关注投入到机构运动简图的智能绘制上，这可以把有关工程 技术人员、教师、出版社或印刷人员等，从繁杂的机构运动简图绘制中解脱出来，不仅 提高了效率，而且更加规范化，体现了绘图的智能化1 5 j ；基本图元的定位和存储是要解 决的关键技术，目前在这一方面的研究虽然不是很多，但也进行了初步的探索，基本图 元主要由机构和运动副来表示。对图元的描述也是根据具体系统，主要从“功能 和“机 构 两个角度进行描述，主要包括机构的运动特性、机构运动间的连接关系、图元的特 征等几个方面【6 】：然而无论从哪个方面或哪些方面入手，其目的都是为了使每一图元的 信息特征更加鲜明，以使问题的识别和匹配更智能、更准确，提高搜索效率【7 】：实例的 推理与检索策略有多种，主要包括最近相邻策略、归纳检索法和知识引导法。根据文献 可知最近相邻策略和归纳检索法，虽各有定的缺点，但总体来说比较适合此类系统【8 1 。 现将已有的研究成果简介如下： ( 1 ) 在陕西科技大学机电工程学院的文怀兴教授等人的创新方案设计机构运动简 图符号库的建立中，提出了基于数据模块图结构的符号库的建立【9 1 。提到机构运动简图 是进行机械产品开发的第一步，主要用于方案的讨论与制定。一个创新、合理的设计方 案往往需要不断的优化、反复修正，在整个设计过程中简图符号的使用非常频繁，所以 开发随时可供调用、使用方便的符号库非常有意义，因此作者提出建立开发工程实用的 机构简图符号库【l o l 。作者并通过对符号库的分类( 分为运动副符号、杆机构符号、摩擦 机构和齿轮机构符号、凸轮机构符号、联轴器离合器及制动器符号和其他机构及其组件 符号) 如图1 1 所示，建立了常用零件机构简图符号库，设计了符号库调用与输入的可 视化环境。以及采用d c l 语言设计的交互式对话窗口，缩短了建库时间，简化了程序 设计，方便了用户使用。这一思想的提出为本系统图元库的建立提供了参考价值，其系 统的建立加快了机构简图的绘制速度，减轻了设计人员的工作量。 这一项研究对简图基本图元的设计与分类进行了一定的探讨，并提出了一些图元的 定位问题，其系统的实现不仅为有关技术人员减轻了由复杂机构运动简图的绘制所带来 的工作负担，而且为准确的绘图提供了保斟1 1 j 。 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 蠢i 机械简图符号库l 譬 压 动 副 符 号 库 机 构 符 号 齿 轮 机 构 符 号 凸 轮 机 构 符 号 制 动 器 符 号 号 图1 1 简图符号模块分类【1 1 1 f i g 1 1t h ec l a s s i f i c a t i o n so fs y m b o lm o d u l eo fd i a g r a m 1 1 1 ( 2 ) 陕西理工学院的何宁、白海清在基于v b 开发s o l i d w o r k s 标准件库一文以及 大庆石油学院机械科学与工程学院的常玉连教授、边城、赵明泉等人的基于v b 的 s o l i d w o r k s 标准件库的二次开发一文中提到s o l i d w o r k s 作为三维c a d 软件，专业针对 性差，缺少标准件库，不能完全满足不同专业领域的设计需求【1 2 1 。故提出以v i s u a l b a s i c 在s o l i d w o r k s 平台上开发标准件库，介绍了二次开发的机理，提出了s o l i d w o r k s 标准 件库的二次开发的一些方法。介绍了利用v b 调用s o l i d w o r k s a p i 函数开发标准件的方 法，利用m i c r o s o f ta c c e s s 为每一种标准件建立了数据库，并利用宏录制s o l i d w o r k s 建 模过程提出参数化模型，建立了适合用户需要的，专用的s o l i d w o r k s 功能模块，大量节 省了设计人员在建模装配时花费的时间及精力，有助于c a d 技术的推广和应用。 ( 3 ) 李卫民、刘淑芬的基于s o l i d w o r k s 平台的二次开发技术介绍了三维实体造型 软件s o l i d w o r k s 的特点及二次开发接口1 1 3 】；详细讲述基于a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术，采 用面向对象的编程语言v i s u a l b a s i c 6 0 开发s o l i d w o r k s 的原理和方法。该方法说明如何 利用v b 对s o l i d w o r k s 进行二次开发，其中主要是利用尺寸驱动原理，用v b 驱动 s o l i d w o r k s 根据用户输入的参数重新动态生成零件模型；并对s o l i d w o r k s 的对象层次结 构进行了描述，如图1 2 所示。 以上两项研究都对s o l i d w o r k s 的开发进行了一定的探讨，特别的基于v b 的 s o l i d w o r k s 标准件库的二次开发一文中介绍了利用v b 调用s o l i d w o r k sa p i 函数的方法 以及介绍的对s o l i d w o r k s 开发的方法为对其它复杂的开发s o l i d w o r k s 提供了很有价值 的参考；在基于s o l i d w o r k s 平台的二次开发技术一文中介绍的s o l i d w o r k s a p i 模块为本 文对s o l i d w o r k s a p i 接口函数的调用提供了有价值的参考。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 2s o l i d w o r k sa p i 对象模型 f i g 1 2s o l i d w o r k sa p io b j e c tm o d e l ( 4 ) 集美大学机械工程学院的王成志、黄凯旋、陈飞燕在以运动要素为图元的机 构简图组构式绘图系统一文中提出以机构基本运动要素作为基本图元【1 4 】，并辅以可视化 的图元绘制、编程和定位技术等设计的机构运动简图计算机组构式绘图系统，有效地提 高了机构运动简图的绘制效率。如图1 3 指出了其信息流或操作指令的走向。同时，作 者对基本图元的选择及其类的层次模型做了详细的介绍，作者在选择图元时考虑了快速 性、可视性( 或直观性) 、可扩展性和方便性等几个方面，即在绘图操作中绘制的是相 图1 3 系统主要结构【1 4 j f i g 1 3t h em a i ns t r u c t u r eo ft h es y s t e mf i g u r e p 4 1 对复杂的，但又相对独立的、与机构简图符号相关的图元；该方法可视化程度及绘制效 率高，又不致编程复杂或影响其今后的机构识别能力【1 5 1 。提出满足这几个原则的机构运 动简图图元主要有两种：以机构的组成要素杆组为基本图元和以机构的基本运动要 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 素构件与运动副为基本瞬元。在绘制操作中，。根据机构运动规律与机构运动尺寸 密切相关的特点，选择机构运动尺寸作为图元的主要几何参数并通过窗口直接显示图元 的参数信息，方便了用户对机构运动尺寸的查询。在文中作者通过把各个简图建立在不 同的图层上，建立了一个虚拟的图元基类如图1 4 所示。 ( 回转剁机絮) ( 移动氍机搬) ( 两瞧转趸j 拇) ( 1 瞄转别i 移动副杆 ( 嚣移动赘j 轷) ( 3 隧转尉佟) 图1 4 基本图元类层次关系图【1 6 1 f i g 1 4t h er e l a t i o ng r a p ho fe l e m e n tf i g u r ec l a s s 【1 6 l 虽然上述对机构简图方面的研究对计算机辅助运动方案设计起到了较大的推动作 用，但对运动方案设计支持的主要弱处表现在以下两个方面： 一 一 一 一 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 研究意义 随着技术的进步和社会的发展，产品的功能越来越完善，而产品结构也越来越复杂。 因此对于工程技术人员来说简明地表达一部复杂机器的传动原理或者在工程设计过程 中为现有机械或新机械绘制机构运动简图，也显得越来越困难【1 9 1 。目前针对上述两个问 题，后者的智能绘制已基本解决【2 0 】；本系统要解决的是表达一部复杂机器的传动原理。 利用本系统，技术人员可以先通过交互式对话窗口先指定机械产品模型中的零件为简图 机架部分，然后，系统利用设计树读取的信息，与图元库中图元信息进行匹配，进而识 别出运动副类型并抽取出相应图元，通过对图元组合协调搜索匹配后，绘制出用户所需 要的机构运动简图。 这一探讨旨在研究实现由三维c a d 模型分析抽取机构运动简图的通用方法，该项 研究涉及到许多理论方面的问题，例如：系统与三维造型软件的接口问题、模型信息读 取问题、图元的分类及其表达问题、图元的定位问题、复杂构件的识别以及重新定位问 题、装置的组合协调推理等等，每一方面的问题都很值得仔细研究。 系统的实现与应用，将把相关技术人员从绘制复杂的机构运动简图这一工作中解放 出来，减少技术人员的工作量，将有助于新的研发模式的产生，缩短产品的研发周期，提 高企业核心竞争优势，降低产品开发成本，有利于加速产品的更新换代，有助于机械工 业向着更高的阶段发展，使机械工业跟上并满足人类进步和社会发展的步伐【2 1 1 。 1 2 3 研究内容 根据目前的研究情况，本课题拟以三维造型软件s o l i d w o r k s 为平台，针对三维c a d 模型进行信息读取识别、信息提取以及分类、运动副的提取、多副杆件的提取，基本图 元的抽取、定位、连接及显示，最终在屏幕上显示三维实体模型的机构运动简图。其要 做的主要工作如下： ( 1 ) 对读取机械产品装配模型相对应的空间信息并提取出有用信息进行研究，以 及空间信息和观察平面信息之间转化的相关问题进行研究； ( 2 ) 建立空间机构运动简图图元基类： ( 3 ) 对齿轮系传动系统机械模型信息读取、匹配、识别，并建立齿轮系机构运动 简图图元基类以及进行机构运动简图展开方面进行研究； ( 4 ) 建立完善的典型机构杆件识别体系，给出合理定位原则，完善对应的机构简 图图元库，逐步使机构运动简图抽取系统具有一定的实用功能。 6 东北大学硕士学位论文 第2 章机构运动简图抽取系统的建立 第2 章机构运动简图抽取系统的建立 机构运动简图抽取系统是以三维造型软件s o l i d w o r k s 为平台，对三维c a d 装配模 型的相关信息进行读取，并记录该产品设计的整个过程，按照特征的设计顺序和相互关 系显示组成零件、装配体的每个特征信息和配合关系，根据信息抽取出相对应的机构运 动简图。所以三维模型的建立是机构简图抽取系统的基础。本章首先简要介绍了简图抽 取系统的抽取原理、主要组成等，然后介绍了所开发的机构简图抽取系统的技术路线， 最后对在机构运动简图抽取系统中的关键技术进行了论述。 2 1 机构运动简图抽取系统的原理 机构运动简图抽取系统的基本原理是对要抽取机构运动简图的机械产品三维c a d 模型装配信息进行读取，从读取的信息中选择对抽取机构运动简图有价值的信息。从机 械产品三维c a d 模型相关信息中进行信息匹配并识别出运动副类型，从被提取对象模 型装配信息中获得各个配合所对应的位置坐标参数以及方向向量参数，根据这些点的坐 标参数和装配体模型中的配合信息，经过计算求出在机构运动简图中对应的运动副和运 动副的位置。 简图抽取系统主要是通过对装配体信息的识别和判断，以零件对为单位，根据系统 提供的信息找到与其相对应的运动副图元，并根据判断结果在简图绘制界面找到相应的 简图位置坐标。通过参数传递，根据运动副位置坐标值调用相应的图元函数，最后连接 各个运动副图元完成机构简图的绘制。本系统的建立主要包括对三维造型软件 s o l i d w o r k s 的连接、装配信息的存储、数据库的动态访问、相关信息的提取、信息的重 新匹配和识别、简图图元子程序的建立、图元搜索、图元调用和它们之问的关联表达、 特殊杆件的识别以及对图元位置坐标的重新赋值等等。 2 2 机构运动简图抽取的技术路线 机构运动简图抽取技术路线如图2 1 所示，它从对三维机械产品的装配信息的读取 开始，s o l i d w o r k s 的f e a t u r e m a n a g c r 设计树提供了激活的零件、装配体或工程图的大纲 视图，从而可以很方便地查看模型或装配体的构造情况，或者查看工程图纸和视图【2 2 1 。 另外f e a t u r e m a n a g e r 设计树可以显示特征说明、零部件说明、零部件配置名称、零部件 配置说明等信息【2 3 1 。 7 东北大 由技术路线流程图系统读取f e a t u r e m a n a g e r 设计树中装配体各个零件对之间的配 合关系( 重合、平行、垂直、相切、同轴等) 以及各个零件对配合时的坐标值，并把读 取的信息存储到临时数据库中。然后系统以零件对为单位对配合信息进行重新表达，根 据读取的装配体配合特征，判断识别与零件对相对应的运动副类型。以运动副图元位置 的坐标为基础从图元实例库中提取结构简图图元符号，再通过装置实例库、装置组合协 调推理、测试等一系列过程最后绘制出正确的机构运动简图。 2 。3 机构运动简图抽取的关键技术 机构运动简图抽取与绘制系统实现的关键技术有装配体信息的读取、数据库接口技 术研究、信息的表达与信息的重新搭配、机构简图图元库的建立以及各个运动副简图之 间的连接问题。下面对各个关键技术问题进行详细的论述。 2 3 1 装配体信息的读取技术 本系统对三维机械产品模型信息的读取是通过s o l i d w o r k sa p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用程序接口) 函数实现的，首先本文对s o l i d w o r k sa p i 作简 8 东北大学硕士学位论文 第2 章机构运动简图抽取系统的建立 单介绍。n 蕊。 2 3 1 1s o l i d w o r k s 应用程序设计界面( a p i ) 简介 s o l i d w o r k s 的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 是s o l i d w o r k s 软件基于 a c t i v e xa u t o m a t i o n 的应用编程接口，包含了数以百计的功能函数，这些函数对用户来 说是自由、开放、功能完整的开发工具【2 4 1 。它通过0 6 e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g 对象链接与嵌入) 技术为用户提供了大量的可供c 、c + + 、v i s u a lb a s i c ( ) 、v i s u a lb a s i c f o r a p p l i c a t i o n s b a ) 、v b n e t 或s o l i d w o r k s 宏文件调用的功能函数，所有的函数都 是有关对象的方法或属性。这些函数使程序设计员有直接使用s o l i d w o r k s 的功能。用户 通过对这些对象属性的设置和方法的调用，可以在自己开发的程序中对s o l i d w o r k s 进行 各种操作控制，完成零件各种特征的建立和修改，零件的特征信息、装配体信息及工程 图纸信息的提取等工作1 2 - q 。s o l i d w o r k s 开发接口具有以下特点： ( 1 ) 直接利用s o l i d w o r k s 内核代码； ( 2 ) 直接访问s o l i d w o r k s 数据库、图形系统、几何造型核心； ( 3 ) 充分利用v b 、v c + + 等可视化编程工具： ( 4 ) 充分利用w i n d o w s 资源。 利用s o l i d w o r k sa p i 可以方便高效地设计具有w i n d o w s 风格的、与s o l i d w o r k s 无 缝集成的应用程序。 图2 2s o l i d w o r k sa p i 基本对象梗概 f i g 2 2t h eb a s i co b j e c ti nt h es o l i d w o r k sa p i 9 东北大学硕士学位论文第2 章机构运动简图抽取系统的建立 如图2 2 所示s