（机械电子工程专业论文）基于proengineer常用机构库的研究与开发.pdf

摘要传统的机构设计需要工程师查阅大量的机构手册和图册，并结合自己的实际经验，确定机构方案，想象具体的结构，计算各个构件的尺寸和参数，然后通过进一步改进设计出机构。这种设计方法效率低，而且设计质量很大程度上取决于工程师的经验。因此应改变传统的机构设计方法，采用先进的设计手段，缩短机构设计周期并提高其设计质量，以增强产品对市场的快速响应能力。本文以p r o e n g i n n e rw i l d f i r e4 0 为开发平台，利用其自带的p r o t o o l k i t二次开发工具，结合s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库，用v i s u a lc 抖2 0 0 5 n e t 开发了常用机构库系统。首先对机构手册及相关文献进行了研读，对机构的分类方式进一步研究，新增了一种分类方式；进而对p r o e 的开发机制进行深入研究，从而确定系统的总体方案和各个模块的实现方法，进一步完善系统的功能：最后用v i s u a lc + + 2 0 0 5 n e t 编程实现，开发出友好的人机界面。本文开发的常用机构库系统由以下八个模块组成：数据库模块、机构库模块、机构检索模块、运动仿真模块、运动曲线模块、快速设计模块、输出接口模块及帮助模块。应用本系统可以方便直观地查看机构的具体结构、了解机构的运动形态、观察机构运动曲线的变化趋势，在设计初期就能快速地判断所选机构是否满足设计要求，从而可以显著提高机构设计的效率和质量。关键词：p r o e ；常用机构库；二次开发；p r o t o o l k i t ；s q ls e r v e ra b s t r a c tl i i ii i ii l li iii ii lll liy 2 0 8 8 4 18t h et r a d i t i o n a ld e s i g no fm e c h a n i s mn e e d se n g i n e e r sc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fm e c h a n i s mm a n u a l sa n dp i c t u r e s ，a n du s i n gt h e i ra c t u a le x p e r i e n c e ，t oc o n f i r mt h es c h e m eo fm e c h a n i s m , i m a e 豇et h ec o n c r e t es t r u c t u r eo fm e c h a n i s m ，c a l c u l a t et h ed i m e n s i o n sa n dp a r a m e t e r so fi t sc o m p o n e n t s ，f i n a l l ys t r i k eo u tt h em e c h a n i s mt h r o u g hf u r t h e ri m p r o v e m e n t t h i sm e t h o di sn o to n l yi n e f f i c i e n t ，b u ta l s op o o r - q u a l i t y t os o m ee x t e n t , i t sq u a l i t yl a r g e l yd e p e n d so nt h ee x p e r i e n c eo ft h ee n g i n e e r s ow es h o u l dc h a n g et h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do fm e c h a n i s m ，u s et h ea d v a n c e dm e a s u r e m e n t s ，t os h o r t e nt h ec y c l eo fm e c h a n i s md e s i g na n di m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t y a n dt h e ne n h a n c et h ef a s tr e s p o n s ea b i l i t yo fp r o d u c tt om a r k e t o nt h ep r o e n g i n e e rw i l d f i r e4 0p l a t f o r m , as e to fd a t a b a s eo fm e c h a n i s ms y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db yv i s u a lc + + 2 0 0 5 n e tp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，s q ls e r v e r2 0 0 5d a t a b a s ea n ds e c o n d a r yd e v e l o p i n gt o o l 一一p r o 厂r o o l k 【t f i r s t l y , an e wc l a s s i f i c a t i o nm e t h o dh a sb e e na d d e db ys t u d y i n ga l lo ft h em e c h a n i s mm a n u a l sa n dr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n df u r t h e rr e s e a r c h i n gt h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o do fm e c h a n i s m s e c o n d l y , t h ed e v e l o p m e n tm e c h a n i s mo fp r o eh a sb e e ns t u d i e d ，s ot h eo v e r a l ld e s i g np l a na n dr e a l i z a t i o no fe v e r ym o d u l eh a sb e e nd e t e r m i n e d a n dt h ef u n c t i o no fs y s t e mi sf l k r t h e ri m p r o v e d f i n a l l y , t h ef u n c t i o n sh a sb e e nr e a l i z e db yv i s u a lc + + 2 0 0 5 n e t , a n dg o o dh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e sh a sb e e nr e a l i z e d t h ed a t a b a s eo fm e c h a n i s mh a sb e e nd e v i d e di n t oe i g h tp a r t s ，d a t a b a s em o d u l e ，m e c h a n i s ml i b r a r ym o d u l e ，m e c h a n i s mr e t r i e v a lm o d u l e ，m o t i o ns i m u l a t i o nm o d u l e ，m o v e m e n tc u r v em o d u l e ，r a p i dd e s i g nm o d u l e ，o u t p u tm o d u l ea n dh e l pm o d u l e u s i n gt h i ss y s t e mc a l lc o n v e n i e n t l ya n di n t u i t i v e l yc h e c kt h ec o n c r e t es t r u c t u r eo fm e c h a n i s m ，k n o wa b o u tt h em o v e m e n ts t a t eo ft h em e c h a n i s m ，a n do b s e r v et h ec h a n g et e n d e n c yo ft h em e c h a n i s mm o t i o nc u r v e c o n s e q u e n t l y , i tc a nm a k ear a p i dj u d g r n e n tw h e t h e rm e c h a n i s mm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t si nt h ee a r l yd e s i g ns t a g e t h u sc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y k e y w o r d s ：p r o e ；d a t a b a s eo fm e c h a n i s m ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；p r o t o o l k i t ；s q ls e r v e r第一章绪论1 1 选题的目的和意义第一章绪论在人类社会的发展进程中，制造业始终是国家经济实力的脊梁，直接体现了一个国家的生产力水平，它的发展水平直接决定了一个国家的国际竞争力和在世界经济中的地位。随着世界经济的全球化，各国的综合国力和竞争能力最终体现在机械产品的设计能力。因为制造业的灵魂是设计，而制造和被机械制造的灵魂是机构，所以现代机构的设计研究是制造业的基础，是现代机械产品发明的源泉，是提高国家制造业水平和国际竞争力的关键l l j 。机构是用来传递与变换运动和力的可动装置，是机器的重要组成部分，也是机械的灵魂。机构的应用比较广泛，在我们日常生活中随处可见，小到简单的儿童玩具，大到复杂的产业机器人；从海洋深水勘探机械到太空探测机械，也都要用到各式各样的机构。机构的类型、复杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等指标息息相关，并且机构的设计过程也比较复杂，牵涉到诸多因素，既受到科学、技术、经济等发展状况和水平的制约，也受到生产厂家所提出的设计要求的约束。而且对于同一运动要求，可能会有多种不同的机构运动方案符合要求，使得机构设计结果呈现多样化，这也就增加了机构设计过程的难度和复杂程度。传统机构的设计过程一般有以下几个步骤：( 1 ) 剖析所要设计机构的用途和功能要求，并结合实际设计、生产和使用条件，明确提出其所要实现的功能目标及限制因素；( 2 ) 考虑采用什么样的技术原理和手段去实现机构的这些功能；( 3 ) 根据机构手册或图册确定各种手段所采用机构方案的选型和构型，并进行机构的结构设计，如零部件的形状、材料、加工工艺等；( 4 ) 画出机构草图研究，从中选出几个方案进行优化，通过迸一步改进确定最终方案。传统机构的设计过程是从根据具体的设计要求确定机构的结构开始，直到最终生成完整的机械产品为止。它并不总是单方向、直线式地进行的，有时需要经过许多次循环，甚至还有可能重新返回到原点，以便能够找出最能满足设计要求的绝佳机构方案。这样就会存在以下几点不足：( 1 ) 设计周期变长，生产成本也随之变高：( 2 ) 整个过程需要专家、机械工程师和计算机工程师等多人的协同合作，这就使机构的进一步应用和发展受到限制；( 3 ) 手册不够直观，需要设计者自己想象具体的结构，计算各个参数和尺寸，在1青岛大学硕士学位论文设计的初期设计人员无法确定所设计的机构能否满足设计要求；( 4 ) 很难对机构进行运动曲线和运动仿真的分析，并以此作为依据判断所设计机构是否合理。在这种背景下，设计一个能够对机构进行分类、精选、自动检索并实现机构快速化设计的常用机构库就变得非常有意义。1 2 国内外研究动态随着科学技术的飞速发展，计算机在机械产品上得到广泛应用，正逐步成为现代信息处理和控制的手段，使得机构的概念发生深刻的变化。从1 7 世纪到现在，机构的设计方法大致经历了以下四个阶段：“直觉设计阶段、“经验设计阶段”、“传统设计阶段 和“现代设计阶段 。从上世纪6 0 年代，国外专家就开始投入非常大的人力、物力和财力来研究c a d 技术及其他现代设计方法在机构设计中的应用。我国在这方面的研究起步相对较晚，从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代开始，邀请国外机构学专家来华进行讲学交流，同时也派出一大批学者去国外学习。经过近3 0 年的发展，我国的机构设计取得了骄人的成绩，研究水平也跨入了世界先进行列，为世界各国所瞩卧z - 。信息技术的迅猛发展和各种先进制造理念的产生，使得基于知识、t r i z 理论、公理化的方法等创新设计逐渐成为机构设计研究的热点【3 】。其中r h o d e i s l a n d 大学y a n g b 博士的d o m e s 机构创新设计专家系统尤为突出，提出了基于知识的机构创新设计方法1 4 j 。墨西哥m o n t e r r e y 大学的l e o n - r o v i r a 教授利用遗传演算法实现了曲柄滑块机构的计算机辅助创新设计【5 j 。魏东等人在研究机构创新设计的通用数学模型的基础上，开发出机构创新设计的支撑系统m c d s s ，实现了机构获取、机构分析以及机构信息管理的自动化【6 】。浙江大学梁枫等开发了机构运动方案e g m ( e l e c t r o m o t e r - - - g e a r - - - s y s t e m ) 系统，建立起机构运动方案的多指标评价系统 7 1 。四川大学基于k b e ( k n o w l e d g eb a s e do ne n g i n e e r i n g ) 开发的计算机辅助机构设计专家系统，该系统建立了面向机构设计过程的智能化平台，具有广阔的应用前景【8 】。目前针对高端c a d 平台进行二次开发的研究工作有很多：( 1 ) 华中科技大学以a u t o c a d 软件包为图形支撑平台开发的h s c 2 0 注射模c a d c a m c a e 集成系统【刿；( 2 ) 清华天河研发的p c c a d 智能化机械绘图设计系统；( 3 ) 武汉汽车工业大学基于s o l i d w o r k s 开发的三维标准库3 d p a r t l i b 1 0 1 ；( 4 ) 武汉理工大学基于u g 开发了轴对称模锻c a 0 0 系统【l l 】；( 5 ) 青岛大学以a u t o c a d 为平台开发的机械设计辅助工具【1 2 】。第一章绪论基于p r o e n g i n e e r ( 以下简称为p r o e ) 平台进行的二次开发也有很多：( 1 ) 陕西科技大学开发的注射模标准件库【1 3 】；( 2 ) 中南林业科技大学开发的冲裁模c a d c a m 系统【1 4 1 ；( 3 ) 兰州理工大学开发的平面盘形凸轮c a d 系统【l5 】；( 4 ) 南京航空航天大学开发的轴类、齿轮零件生成模块【1 6 1 1 7 】；( 5 ) 华中科技大学开发的三维标准零件库【1 8 】【1 9 】；( 6 ) 天津大学开发的自行车参数化设计系统例；( 7 ) 台湾林清安教授带领的研发团队开发的p r o e 标准零件库【2 l j ；( 8 ) 北京空间技术研究院总体部5 0 1 所与青岛森科公司合作开发的s e d s 3 d 系统( 卫星三维设计专家系统) 。总体来看，目前这些研发成果所应用的对象主要是螺栓、螺母、齿轮、轴等标准机械零件，所实现的功能也只是零件三维实体的造型设计，对产品的整体设计做得较少，对创建常用机构库、工艺特征库、运动仿真、有限元分析等方面的工作做得就更少。1 3 本课题研究的主要内容和需解决的主要问题本课题选用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e4 0 作为开发平台，选用面向对象的程序设计语言v i s u a lc h - 2 0 0 5 n e t 作为开发工具，结合s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库技术，基于p r o t o o l k i t 技术开发一套机械常用机构库系统。内容主要包括：( 1 ) 研究p r o e 二次开发技术，学会利用p r o t o o l k i t 工具进行开发，并结合m f c 设计出良好的人机交互界面。( 2 ) 研究机构的分类方法以及机构创新设计的方法。( 3 ) 研究机构库的建库方法、扩充方法以及机构的检索方式。( 4 ) 研究c a d 系统的常用数据接e l 以及不同c a d 系统之间数据交换的方法。本课题需要解决的主要问题：( 1 ) 进一步研究现有机构的分类方法，更新和完善系统所采用的分类方式。( 2 ) 逐步向机构库中添加更多机构，使其在数量上更加充实( 机构手册大约有2 0 0 0 多个机构实例，预期添加到机构库中的数量达几百个) 。( 3 ) 研究复杂机构的建模方式和系统添加方法。( 4 ) 编写模块程序，实现系统功能的改进。( 5 ) 实现本机构库与其他c a d 系统间的数据交换。3青岛大学硕士学位论文1 4 小结本章主要介绍了本课题的选题背景及意义，分析了国内外c a d 系统和机构库的研究动态，并着重介绍了本课题的主要研究内容和需解决的主要问题。常用机构库系统的开发，实现了机构自顶向下的集成化、可视化和参数化快速设计，必定缩短机构的设计周期，减少设计成本，从而提高企业的市场竞争力，实现较高的生产效益。4第二章常用机构库基础知识介绍第二章常用机构库基础知识介绍人类在长期的生产实践中创造了机器，并使其不断发展成当今多种多样的类型。在现代生产和日常生活中，机器已经成为减轻或代替人类劳动、提高劳动生产率的重要手段。机器的功能就是实现能量、物料、信息的变换与传递。机器中能实现机械运动传递的部分称为机构。2 1 机构的组成机构是用来传递与变换运动与力的可动装置，是机器的重要组成部分，具有以下两个基本特征陋】：( 1 ) 机构都是人为的实物组合体；( 2 ) 组成机构的各运动实体之间具有确定的相对运动。由以上定义可知，一部机器根据它的功能要求，可能是仅含有一个最简单的机构，例如我们日常生活中所熟悉的电动机，它就是只含有一个由定子和转子所组成的双杆回转机构；也可能是由若干个机构按照一定的规律相互协调配合而组成的组合体，通过有序的运动和动力的传递与变换来完成预期的功能，例如我们常见的汽车发动机，就是由齿轮机构、凸轮机构和连杆机构等多种机构组合而成。机构是具有确定运动的实物组合体，那些做无规则运动或不能产生运动的实物组合均不能成为机构。全面深入地了解机构的组成和结构特点，进而掌握机构组成的一般规律，对于设计者来说，无论是分析已有机构的特性，还是着手创新设计出新颖的机构，都具有十分重要的指导意义。2 1 1 构件从机械制造、加工的角度看，任何机械都是由若干个独立加工制造的单元体一一零件组装而成。但是，从机械实现所期望的运动和功能角度来看，并不是每个零件都能够独立起作用。每一个独立影响机械功能，并独立运动的单元体，我们称之为构件瞄】。构件是机构的基本运动单元，它既可以是刚性件，也可以是挠性件( 如链条、带、绳等) 和流体( 如液体、气体等) ；既可以是一个独立运动的零件，也可以是几个零件刚性联接在一起的组合体。2 1 2 运动副机构都是由构件组合而成的，其中每个构件都以一定的方式至少与另一个构件相联接，这种联接既使两个构件直接接触，又使两构件能产生一定的相对运动。每气青岛大学硕士学位论文两个构件间的这种直接接触所形成的可动联接称为运动副圈。如图2 1 所示的凸轮与滚子间的接触就构成了运动副。图2 - ! 凸轮与滚子形成的运动副根据不同的工作要求，运动副的结构也是多种多样的，但就其接触形式不外乎点、线、面三种形式。运动副可按以下几种分类方法进行分类瞄】：( 1 ) 按运动副的接触形式分类点、线接触，自由度较高的运动副称为高副，而面接触的称为低副。如图2 2滚动轴承中轴与轴承所形成的运动副就是低副：而图2 1 中凸轮与滚子的接触形式为线接触，所形成的运动副就是高副。与低副相比较，高副中接触部分的压强比较高，故易磨损。o图2 - 2 轴与轴承形成的运动副( 2 ) 按相对运动的形式分类可按两构件之间的相对运动关系分类，若为平面运动则称为平面运动副，若为空间运动则称为空间运动副；若两构件只作相对移动，则称为移动副；若两构件只作相对转动，则称为转动副或回转副。如图2 3 所示，构件1 与2 只能作相对移动，两者所形成的运动副为移动副；而图2 4 中构件1 与2 只能作相对转动，形成的运动副为转动副。6第二章常用机构库基础知识介绍图2 - 3 移动副图2 - 4 转动副( 3 ) 按运动副引入的约束数分类运动副常以所提供的约束数来分类。约束数为1 的称为l 级副，约束数为2 的称为2 级副依次类推，共有5 级。图2 - 4 中所示的转动副属于5 级副，图2 3中所示的移动副也属于5 级副。( 4 ) 按接触部分的几何形状分类根据组成运动副的两构件在接触部分的几何形状，可分为圆柱副、球面副、平面高副、螺旋副掣捌。如图2 5 所示的齿轮副，属于平面高副。n图2 - 5 齿轮副2 1 3 运动链两个以上构件通过运动副的联接而构成的系统称为运动链瞄】。它可以分为开式运动链和闭式运动链两种。如图2 - 6 所示，组成运动链的各个构件能够构成首尾封闭的系统，这样的运动链称为闭式运动链，简称闭链。图2 - 6 闭式运动链7青岛大学硕士学位论文而图2 7 中，组成运动链的各个构件未能构成首尾封闭的系统，这样的运动链则称为开式运动链，简称开链。图2 7 开式运动链我们传统的机构中以闭链居多，而在生产线中，机械手和机器人多为开式运动链。在运动链中，将某一构件加以固定，使其固定不动，而让另一个( 几个) 构件相对该固定构件作运动，若运动链中其余各构件都能得到确定的相对运动，则此运动链称为机构。2 2 机构的图示方法机构的形状是千变万化的，对于同一机构可能有不同的外形和构造结构。因此，在工程技术实践中，为了更好地说明机构的工作原理、运动形式和构造情况，以便于机构的制造、使用和维修，就要用一种最清晰、简洁明了的“语言”来表示，这种语言称之为工程图形【2 4 j 。在我们生产实践中，表示机械运动和工作原理的图形，通常有机构构造图、机构运动简图、机构轴测构造示意图、机构轴测简图四种【2 5 】【2 6 1 。( 1 ) 机构构造图或半构造示意图如图2 8 所示，这种图形实际上就是我们工程上用的装配图，或者是将一些不重要的细节简化以后得到的图形。这种图形能够表达出机构的具体构造以及各构件位置的安排。在对机构进行构造设计时，有很好的参考价值。一般来说，由于这种图形中混杂了不少与本机构运动无关的线条，因而不易清楚地查看各构件之间的运动关系。8第二章常用机构库基础知识介绍图2 - 8 蜗轮蜗杆减速器构造图( 2 ) 机构运动简图机构的运动仅取决于运动副的类型和位置，而与构件的形状无关，所以描述机构运动原理的图形，可以用表征运动副类型( 运动副元素形状) 和位置的简单符号以及代表构件的简单线条来画出。如果要准确地反映机构运动空间的大小或要用几何作图法求解机构的运动参数，则运动副的位置要与实际机构中的位置相同或成比例关系，这样画出的图形称为机构运动简图。图2 - 9 为曲柄摇杆机构的机构运动简图。设计机构，就是要确定机构的方案和与机构运动有关的尺寸，即设计机构的运动简图。1ad图2 - 9 曲柄摇杆机构的机构运动简图( 3 ) 机构轴测构造示意图、按照机械制图的标准规定，用三维轴测投影方法画出的构造( 装配) 图，通常称为机构轴测构造示意图。这种图形能够比较直观、形象地描绘出机构的真实形象。特别是对于空间机构和各个平面机构在空间布置的情况，能够很清楚地表达出来。但是这类图形也存在不足：难于完全表达清楚构件正确的尺寸关系，而且有些遮挡部分没有画出，这就使得细节无法清晰地表达，必须辅助以文字说明。图2 1 0为封闭行星轮系圆柱齿轮凸轮机构的轴测构造示意图。9青岛大学硕士学位论文图2 1 0 封闭行星轮系圆柱齿轮凸轮机构的轴测构造示意图( 4 ) 机构轴测简图机构轴测简图与机构轴测构造示意图相比较，它能更清楚地表示出机构构件或运动副所在的运动平面，但是由于各轴上的尺寸与真实尺寸有差异。因此，这种简图主要是用来简明地表示机构各构件间的空间位置关系和运动关系，也就是主要起到机构简图的作用。图2 1 1 为变导程螺旋送进机构的轴测简图。z夕-or。_刁巨：、图2 - 1 1 可变导程螺旋送进机构的轴测简图2 3 现代机构设计的特点随着工业化水平的逐步提高，人们对产品的多样化、个性化提出了越来越高的要求，从而对产品的创新程度要求越来越高，同时产品也是越来越复杂，产品设计过程中所涉及的技术和科学领域也越来越广。现代机构设计已经从传统的刚性构件的机构学发展成为与多种学科交叉、融会形成新的学科分支的现代机构学，因此现代机构设计除了具有传统机构设计的特点之外，还具备以下几个特点【2 7 1 2 引，如图2 1 2 所示。l o第二章常用机构库基础知识介绍图2 - 1 2 现代机构特点( 1 ) 机构的广义化，即将构件与运动副的定义广义化，把弹性构件、挠性构件、微小构件等概念引入机构之中；并对运动副广义化，除原有的运动副外，还引入柔性铰链；同时，还对机构的组成广义化，把机构系统与驱动元件集成和融合起来，构成一种与传统机构不同的“有源”机构，扩展了机构的内涵；( 2 ) 跨越多学科，与多种学科交叉、融合、贯通，如计算机技术、传感器技术、材料科学、生物技术、现代控制理论、机电一体化技术等，促成仿生机构学、可控机构学、微机构学等新的学科分支的出现：( 3 ) 需要满足多功能输出特性，如柔性化、智能化和系统化的输出特性；( 4 ) 还要满足高承载能力、高精度、高性能、微结构等特殊性能要求；( 5 】在机构分析和综合过程中，采用了大量的现代数学工具和计算机辅助设计技术，使机构分析和综合方法得到了更加深入、广泛的发展。2 4 机构设计的发展趋势随着科学技术的进步，机械设备正逐步向集成化、高效化、精密化、智能化、柔性化、数字化的方向发展，同样对机构的设计质量也提出了越来越高的要求例。为了顺应这样的潮流，在机构设计中，要不断融合现代新设计方法和技术，使机构设计与机构学概念、知识、理论、方法和专家经验与计算机系统的逻辑推理、分析判断、数优处理、图形显示等功能密切结合，以简单、直观、快速、最优的形式完成设计任务，并产生了一些大型机构设计应用软件【2 羽。机构设计正朝着以下几个方向发展：青岛大学硕士学位论文( 1 ) 面向全生命周期的机构自动化设计机构的c a d 设计大多是面向机构的几何结构，但是在概念设计阶段，由于对人类思维认知计算机化和对知识处理技术的限制等因素，一直很难实现，但随着现代技术的不断发展，机构研究的不断深入，实现机构设计全生命周期的自动化设计将变得越来越可行【3 0 1 。( 2 ) 智能化智能化是现代制造系统的主要发展趋势，机构的智能化设计也是必然的，即采用智能化的方法进行设计，这种智能性具体体现在【3 l 】：a ) 智能地支持设计者，并且人机接1 ：3 也须是智能的。也就是说，设计系统必须能够读懂设计人员的意图，能够检测无误、回答问题并能提出相应的解决方案等；b ) 具有良好的推理能力，对于不熟练的设计者而言，可以引导设计者一步步进行设计，能在较短的时间内设计出满足要求的机构方案。根据智能化要求所设计的专家系统，应与c a d 技术结合起来，根据具体的设计方法、技术及经验，在处理数值性的工作基础上，能够实现机构方案的构思与拟定、具体结构设计、机构的评价决策、参数的选择以及最佳方案选择等工作，从而达到设计自动化的目的。( 3 ) 创新性产品创新设计无疑是2 l 世纪制造业发展的主旋律，而机构设计的创新程度决定了机械设计能否创新。机构创新设计的实现是以知识、创新设计方法和计算机技术相融合，辅助机构方案设计创新3 2 1 。( 4 ) 集成化集成化是c a d c a m 技术发展的一个最为显著的趋势，可以实现数据的共享，能够把设计、分析、工艺、加工、管理等各个环节的各种功能软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织机构设计过程中各种信息的提取、交换以及处理，保证各功能软件的有效运行d 3 1 。只有这样才能缩短机构的研制开发周期，进而提高生产效率，增强企业的市场竞争力。( 5 ) 网络化计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。网络的最大作用就是能够实现资源的共享，从而节约投资。机构设计系统只有与网络技术结合起来，才能实现资源的共享，才能发挥更大的经济效益。( 6 ) 高精度在传统机构设计中，有些设计参数往往需要根据工程师的经验而定，主观性比较强，因此精度比较低。而现如今可以采用技术预测、信号分析法、相关分析及谱1 2第二章常用机构库基础知识介绍分析等系列现代方法来处理信息，这样就可以科学地获得必要的设计参数。此外，机构设计中还引入了大量的近代数学、力学和各种工程技术的研究成果，广泛采用有限元素法、概率统计、数值微分等方法来分析机械及零部件的可靠性，使设计的精确度和可靠性大大提高，随着计算机处理数学模型能力的提高，机构设计精度也会进一步提高【2 8 1 。2 5 常用机构分类随着机构的不断发展，现代机构学已经与各学科交叉、融合并形成许多新的分支，如可控机构、仿生机构、微型机构等。目前大多数机构手册或者图册中机构实例众多，种类多样，但是分类比较复杂，都有自己特定的分类方式。为了更好的应用本机构库，在查阅大量手册、图册的基础上，将机构分为以下五种1 2 5 1 【2 6 1 ，如图2 1 3 所示。：；翎黼定雌缄曩鼍嚣恸鼢袭i 僦燃三按机黼定用蝴分度脚新意五连珊毋0 融i ：鍪三爱! 薰酞糟一雾蕾州；黝拇飘缝电器升降+ ：i 萎零黧。玛鲁爿谴坶，t耋羹计数墨墨：剪、切；菇霉揣一箍骥。一调节暑黝薹菇本磊辐；：；“、2 5 1 按机构运动形态分类机构的运动形态主要是指输入构件的运动形态。输入构件的运动形态主要有直线运动、圆周运动、合成运动、轨迹运动和数学曲线，如图2 1 4 所示。1 3一蚴一一蝴一一蝴一一一蚴一一粼|毳黜一捌爱：三三= ，l i 青岛大学硕士学位论文图2 1 4 按机构运动形态分类2 5 2 按机构动作方式分类按照机构动作方式，也称按照作业方式，共分为分度、超越、换向、离合等2 2类，见表2 1 。这一分类方式并没有包含所有的动作方式，用户可根据需要自行添加。表2 1 按机构动作方式分类2 5 3 按机构特定用途分类在系统开发阶段，按此分类方式暂将机构分为称、锁、虎钳、放大仪等2 0 类，1 4第二章常用机构库基础知识介绍称锁虎钳放大仪键盘包馅( 饮食)抓片( 电影机)转向( 车辆)活塞运动( 发动机)起落架( 飞机)履带( 挠性件支持轮轴线可动)送布( 缝纫机)阀泵继电器指示、计数器调节器机械手行走机构多工序系统2 5 4 按机构构造分类这种分类方式是按照机构的构造元件进行分类的，可分为平面连杆、槽轮、凸轮、齿轮、摩擦轮等1 5 类，如图2 1 5 所示。图2 1 5 按机构构造分类2 5 5 按机构功能分类机构的“功能”属性，是指机构的输入输出间的运动形态、变换以及特性。按照这种方法分类，可将设计对象的用途和要求与机构功能直接联系起来，而且同一1 5n他bhb坞侈加l23456789“青岛大学硕士学位论文运动功能的机器可以有不同技术原理、不同构造的机构来实现。它有利于扩展设计思路，形成新的机构方案。如图2 1 6 所示。2 6 小结。!_ = 二一if _ _ 1 7 丐l o o本章主要介绍了常用机构库系统开发所需的专业基础知识，主要包括机构组成、图示方法、现代机构的特点及发展趋势，并对机构进行了五种分类，为机构库的开发奠定理论基础。1 6= l第三章常用机构库方案设计第三章常用机构库方案设计3 1p r o e 软件简介p r o e 是美国p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o p o r a t i o n ) 公司于19 8 8 年开发的集c a d c a m c a e 一体化的三维软件。它以参数化设计著称，是参数化技术的最早应用者。p r o e 作为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准而得到业界的认可和推广，在国内产品设计领域占据重要的位置，广泛应用于机械、汽车、电子、船舶、航空航天等领域3 4 1 。p r o e 软件具有基于特征、单一数据库、参数化、全相关性等特性，如表3 1所示。表3 - 1p r o e 软件特性p r o e 是基于特征的实体模型化系统，工作设计人员采用具有智能特性的功基于特征建模能区生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易更改模型。这一功能特性给工程设计这提供了在设计上从未有过的简易和灵活。根据参数化设计原理，用户在设计时不必准确地定形和定位组成模型的图参数化设计元，只需勾画出大致轮廓，然后修改各图元的定性和定位尺寸值，系统根据尺寸再生模型后即可获得理想的模型形状。p r 0 e 软件的所有模块使用同一个数据库，所有模型都是全相关的，这就意味着产品开发过程中对模型任意一处作的修改都将写入公共数据库，系统单一数据库将自动更新所有工程文档中的相关数据，包括装配图、设计图纸、以及制造数据等，大大缩短了修改的时间。将特征的形状与尺寸结合起来，通过尺寸约束实现几何形状的控制，造型全尺寸相关必须以完整的尺寸参数为出发点，不能漏标尺寸( 欠约束) ，也不能多标尺寸( 过约束) 。工程数据再利用就是为了达到大幅度提高生产力、降低成本的目的，而以数据再利用标准、公认的设计作为新产品设计的基础，能够让用户快速开发整个产品系列。p r o e 可以完成从产品设计到制造的全过程，为工业产品设计提供了一套完整的机械产品解决方案，包括机械设计、工业设计、模具设计、钣金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据管理，甚至包括产品生命周期的管理，它使产品的设计效率大大提高，使产品在设计初期具有更多的灵活性【3 5 1 。3 2p r o e 二次开发技术虽然p r o e 的功能强大并且通用性好，但是在具体使用过程中不可能满足各种1 7青岛大学硕士学位论文各样的设计要求，也不能直接处理某一特定的产品，再加上国外c a d c a e c a m 系统在设计标准、规范及标准件库等方面和国内存在比较大的差异，这就使得国内设计者在进行具体的产品设计时常常感觉到不方便【3 6 】。另外，p r o e 的建模基本上都是从点、线、面开始，然后再生成实体特征。每一个企业在一定时期内的产品大都是同类产品或者系列化产品，在产品的设计过程中，人们所作的大部分工作是重复性的【3 4 1 ：( 1 ) 对于同类产品，往往一两个性能参数值发生变化引起整个产品图纸联动修改，其工作量非常大，重复性工作多；( 2 ) 对于系列化产品，由于相应的设计规范已经比较成熟，通过抽取关键的参数值，再依设计规范计算出各尺寸值并传递给下级零件和子装配，自动的将模型建造出来。( 3 ) 在同类产品或者系列化产品的设计过程中，标准件和通用件的重复使用使得设计更为繁琐。为了使p r o e 软件能在特定的企业单位的特定产品设计中，最大限度的发挥潜能，提高设计效率，创造最大效益，必须对p r o e 进行功能扩展，加入特定产品的设计模块【3 6 】。因此，对p r o e 进行二次开发具有非常重要的实际意义。3 2 1p r o e 二次开发的现状针对不同的应用目的，国内对p r o e 的二次开发主要集中体现在以下几个方面：( 1 ) 符合我国标准的p r o e 运行环境的系统自动定制，主要是通过自动修改或加载p r o e 工作环境配置文件，使p r o e 的单位、尺寸标注、工程图配置符合我国国标的规定【3 7 】【3 引。( 2 ) 符合国标的标准件库的开发与应用，其中以台湾林清安教授开发的标准件库最为突出【3 9 1 。( 3 ) 基于p r o e 典型零部件设计系统的研究与开发，如兰州理工大学基于p r o e开发的平面盘形凸轮c a d 系统【4 们，大连理工大学的减速器参数化设计系统1 4 。( 4 ) 基于p r o e 的c a d c a p p c a m 集成系统的开发，主要是针对某一类具体零件并结合关数据库技术的研究，如中北大学开发的压铸模c a d c a m 系纠4 2 1 。( 5 ) 基于特征关联及约束定义的自动装配系统的开发，侧重于零件外部相互关系及关联的研究，而对零件本身结构形状的造型涉及较少【4 3 】。3 2 2p r o m 二次开发工具p r o e 软件在提供强大的设计分析与制造功能的同时，也为用户提供了多种二次开发工具，常用的二次开发工具有族表( f a m i l yt a b l e ) 、p r o p r o g r a m 、用户自定1 8第三章常用机构库方案设计义特征( u d f ) 、j - l i n k 、a u t o m a t i o ng a t e w a y 和p r o t o o l k i t 等【4 4 j 【4 5 j 。( 1 ) 族表( f a m i l yt a b l e )族表( f a m i l yt a b l e ) 是p r o e 自带的一种表格驱动模型的工具，用来实现产品模型设计标准化和系列化。它可以方便的管理具有相同或相近结构的零件，尤其适用于标准零件的管理。如图3 1 所示，这是一螺钉族，最上方的是普通模型，下方的三个是它的实例，普通模型为父项。族表实际上是通过将通用零件作为父项，然后在此基础上对父项的各种参数加以控制，所有不同系列的尺寸均以数据的形式存储于数据表中。若想生成新的零件只需将父项按照新的尺寸更新一下即可，而不需要重新建模，从而缩短了产品的设计周期。图3 - 1 父项零件与派生零件图3 2 是族表的具体结构，由简单的行和列组成。图3 - 2 族衰编辑界面族表具有以下几个特性：a 可以产生和存储大量简单而细致的对象：b 把零件的生成标准化，既省时又省力而且无需重新构造；c 可以对零件产生细小的变化而无需用关系改变模型；d 产生可以存储到打印文件并包含在零件目录中的零件表。( 2 ) p r o p r o g r a m 程序p r o e 软件对于每一个模型都有一个p r o p r o g r a m ，用来记录模型的主要设计步骤和参数列表。如图3 3 所示，这是利用p r o p r o g r a m 来设计直齿齿轮的程序界面，可以看出p r o p r o g r a m 的语言结构类似于b a s i c 高级语言。1 9青岛大学硕士学位论文圈3 - 3p r o p r o g r a m 编辑界面用户可以根据模型的设计要求来编辑该模型的程序( p r o g r a m ) ，使其作为一个程序来工作。通过运行该程序，系统可以通过良好的人机交互的方法来控制系统参数、特征是否显示、特征尺寸的大小等1 4 5 1 。实际应用过程中，多用p r o p r o g r a m 来开发齿轮、链轮、蜗杆蜗轮等复杂的零件。( 3 ) 用户自定义特征( u d f )用户自定义特征类似于a u t o c a d 中的动态块，是将若干个系统特征融合为一个自定义特征，并保存在u d f 库中，使用时作为一个整体出现，可以随时调用。如图3 - 4 所示，它适用于特定产品中的某一特定结构，有利于设计人员根据产品特征快速地生成几何模型，但是应用场合受到限制。l 元素l 特征 参考提示不日元素 可变尺寸可变参数嫉表p r p r o t r w外部符号圈网僵己定义提示参鳟可造禹冉可豳9可黼9可糊g可酗可选的圈3 4i j d f 编辑界面( 4 ) j - l i n kj - l i n k 是p r o e 软件自带的基于j a 、，a 语言的二次开发工具，是一种面向对象设计( o o p ，o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 、独立于操作系统平台的应用程序接口，它封装了许多针对p r o e 底层资源调用的类库和程序包，借助于这些类库和包，用户可以扩展p r o e 功能、访问p r o e 数据、实现用户化的菜单、对话框等i 删。( 5 ) a u t o m a t i o ng a t e w a y2 0第三章常用机构库方案设计a u t o m a t i o ng a t e w a y 是美国r a n d 公司开发的针对p r o e 软件的二次开发工具，可以让用户直接利用v i s u a lb a s i c 语言对p r o e 进行二次开发工作，具有简单易用的优点【4 刀。应用此工具可以实现以下功能 4 7 1 ：( 1 ) 可以自动地实现p r o e 任务、创建用户界面；( 2 ) 还可以在所有支持a c t i v e x 的应用程序和p r o e 之间建立起直接的联系：( 3 ) 还可以使m i c r o s o f to f f i c e 产品( 如e x p l o r e r 、e x c e l 和w o r d 等) 和p r o e对象进行数据交换。由于a u t o m a t i o ng a t e w a y 是第三方开发的接口程序，它不能访问p r o e 所有的底层资源，这就使其应用受到限制，所以对于初学者，特别是那些对于c 语言一窍不通的用户，利用v i s u a lb a s i c 语言，在a u t o m a t i o ng a t e w a y 的基础上进行p r o e的二次开发工作，比较适用一些【47 。( 6 ) p r o t o o l k i tp r 0 厂r 0 0 l t 同j - l i n k 一样，也是p r 0 e 软件自带的二次开发工具。在其内部，提供了大量的c 语言函数库，并采用面向对象的设计风格，其主要目的是让用户或者第三方通过c 程序代码扩充p r o e 系统的功能，能够开发基于p r o e 系统的应用模块，从而满足用户的特殊要求【矧。不仅如此，还可以利用p r o t o o l k i t 提供的u i 对话框、菜单以及v c 的可视化界面技术，