（机械电子工程专业论文）基于ug的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，由于计算机硬件和软件技术的迅速发展，c a d 技术在许多方面已经越来越 成熟。汽车工业是c a d 技术应用最早的行业之一，目前，它的应用已相当普及，成为国 内外汽车工业开发新产品、组织规模生产、加强市场竞争的重要手段。特别是在缩短产 品开发周期，提高产品性能、质量、可靠性和降低成本等方面，起着非常重要的作用。 离合器是汽车传动系中直接与发动机相连接的总成，对汽车总体性能具有较大的影 响，在汽车总体设计中占有重要的地位。汽车离合器本身的结构复杂、种类繁多，设计 时需要考虑的因素较多，从而导致其设计难度较大。而且针对不同的车型，需要设计不 同规格的离合器。根据离合器产品的工程需要，本文基于u g 三维c a d 平台，开发研制 了汽车离合器参数化设计系统。 美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g 是一个优秀的机械c a d c a e c a m 一体化软 件。它基于完全的三维实体复合造型、特征建模和装配建模技术，能设计出复杂的产品 模型。此外，它还具有良好的开放性，可进行不同层次的二次开发。 课题中，作者主要进行了如下研究工作： 深入研究u g 二次开发方法，获取u g 二次开发的完整实施进程。包括：基于v c + + 6 0 开发平台的u gn x 3 0 应用程序接口、主菜单m e n u s c r i p t 及工具菜单u s e rt o o l s 用户 定制、对话框u g o p e n u i s t y l e r 可视化设计应用、实现多种用户界面接口、u g o p e n a p i 程序和三维造型应用研究等。 在u g 二次开发研究的基础上，运用软件工程方法，根据离合器设计理论以及运用 参数设计及特征造型的基本原理，开发研制了汽车离合器参数化设计系统。系统共包括 六大模块：设计要求模块、结构选择模块、参数选择模块、结构设计模块、装配设计模 块和工程图绘制模块。 系统的使用不需u g 操作专门知识，适合产品系列化设计。系统的研制与应用大大 提高了离合器的设计效率和设计质量，并将为基于u g 的产品c a d c a e c a m 并行化设计 打下良好的基础。该系统界面简洁直观、操作方便、具有良好的人机交互可扩充性和移 植性。 关键词：离合器设计；u g ；参数化设计；二次开发 基于u g 的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究 d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h o ns y s t e mo fp a r a m e t r i cd e s i g nf o r a u t o m o t i v ec l u t c hb a s e do nu g a b s t r a c t r e c e n t l y ，b e c a u s eo fc o m p u t e rh a r d w a r e sa n dc o m p u t e rs o f t w a r e sd e v e l o p m e 鸲c a d g r o wu pm o r ea n dm o r ei nm a n yf a c e t s a u t o m o b i l ei n d u s t r yw h i c ha p p l i e sc a d i so n eo f t h ee a r l i e s ti n d u s t r y a tp r e s e n t , c a d sa p p l i c a t i o ni sv e r yp o p u l a r i z a t i o na n di m p o r t a n tw a y w h i c hi sd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t sa n do r g a n i z i n gp r o d u c t i o na n ds t r e n g t h e n i n gm a r k e t s c o m p e t i t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rs h o r t e n i n gd e v e l o p m e n t sp e r i o d sa n de n h a n c i n g p r o d u c t sc a p a b i l i t y ，q u a l i t ya n dd e p e n d a b i l i t ya n dr e d u c i n gc o s t s c l u t c hw h i c hc o n n e c t sw i t he n g i n ed i r e c t l yi n f l u e n c e sh i g h l yo na u t o m o t i v ec a p a b i l i t i e s a n di sv e r yi m p o r t a n tf o ra u t o m o t i v ec o l l e c t i v i t yd e s i g n b e c a u s ec l u t c h ss t r u c t u r ei sv e r y c o m p l e xa n dc l u t c h sv a r i e t yi sv e r yp l e n t y ，d u t c h sd e s i g ni sv e r yd i f f i c u l ta n di st h o u g h t o v e rl o t so ff a c t o r sa n dt h e r ea r ea l lk i n d so fc l u t c hf o rd i f f e r e n tt y p eo fa u t o b a s e do n d e m a n do fc l u t c hp r o d u c t i o n se n g i n e e r i n g ，i nt h ep a p e r ，s y s t e mo fp a r a m e t r i cd e s i g nf o r a u t o m o t i v ec l u t c hh a sb e e nr e s e a r c h e d0 nt h eu gs o t b w a r e u g ，c o p y r i g h tr e s e r v e db yu n i g r a p h i c ss o l u t i o n sc o r p o r a t i o n , i sa l le x c e l l e n ts o f t w a r e i n t e g r a t e dm a c h i n e r yc k 鼢c k e | c 心 i t i sb a s e do nc o m p o s i t em o d e l i n g f e a t u r em o d e l i n g a n da s s e m b l em o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dc a nb eu s e df o rd e s i g n i n gc o m p l i c a t e dp r o d u c t f u r t h e r m o r e ，u gw h i c hi sa l lo p e n i n g ss o f t w a r ec a nb eu s e dt od e v e l o pav a r i e t yo f a p p l i c a t i o np r o g r a m s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sm a d ea sf o l l o w s ： s t u d yd e v e l o p m e n tm e t h o do fu gt h o r o u g h l y ，a n dr e a l i z et h ew h o l ep r o c e s so f d e v e l o p m e n t , i n c l u d i n g ：a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e o fu gn x 3 0b a s e dv c 十嗡0 c u s t o m i z a t i o no fm e n u s c r i p ta n du s e rt o o l so fu gn x 3 0 ，v i s i b l ed e s i g na p p l i c a t i o no f u g o p e nu i s t y l e ro fu gn x 3 0 ，s t u d y i n gt h er e l a t i o no f d i f f e r e n tc u s t o m e ri n t e r f a c eo fu g n x 3 0a n d3 dm o d e l i n ga p p l i c a t i o nu s i n gu g o p e na p i o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c h ，b r i n g sf o r w a r dt h es y s t e mo fp a r a m e t r i cd e s i g nf o r a u t o m o t i v ec l u t c ht h r o u g hu s i n gs o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o da n dd e s i g nc l u t c h st h e o r ya n d f e a t u r em o d e l i n gm e t h o d i ti si n c l u d i n gs i xm o d u l e s ：m o d u l eo fd e s i g nr e q u i r e m e n t , m o d u l e o fm a c h i n e r ys e l e c t i o n , m o d u l eo fp a r a m e t r i cs e l e c t i o n , m o d u l eo fm a c h i n e r yd e s i g n , m o d u l e o f a s s e m b l yd e s i g na n dm o d u l eo f e n g i n e e r i n gd r a w i n g sd e s i g n n es y s t e mc a nb eu s e dw i t h o n ts p e c i a lk n o w l e d g eo fu ga n ds u i t a b l et o “n & e dp r o d u c t d e s i g n i n g i ti m p r o v e st h ec l u t c hd e s i g n i n ga n dp r e p a r e st h eg r o u n df o ri n t e g r a t e dd e s i g no f 大连理工大学硕士学位论文 c a d c a e c a m t h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：s i m p l ei n t e r f a c e ，e a s yt o l l s e ， f a v o r a b l em a n - m a c h i n e c o n v e r s a t i o n ，e x p a n d a b i l i t yt r a n s p l a n t a t i o n , a n ds oo n k e yw o r d s ：c l u t c hd e s i g n ；u g ；p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盎拯兰 日期： 2 乳6 | 2 s 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：萄3 晚兰作者签名：子1 ) 忱之 引币监也麦岛二话 导师签名：2 1 垒 2 ，切槽宽约为3 5 m ，半径l o n n 。 支承环平均半径t 和膜片弹簧与压盘接触半径l ：。和l 的大小将影响膜片弹簧 的刚度，t 值应尽量接近r 而略大于r ，l 接近r 而略小于r 。 ( 2 ) 膜片弹簧的材料及制造工艺1 1 4 】 一般材料是硅锰钢6 0 s i 2 m n a 。具有较高的弹性极限及屈服极限、较高的静力强度 及疲劳强度、较高的冲击强度、足够大的塑性变形性能。 制造工艺膜片弹簧尺寸要求较严，除冲制成型外，还要采用磨削加工。 基于u g 的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究 3 汽车离合器参数化设计系统开发总体方案 汽车离合器参数化设计系统是以大型c a d c a e c 枷软件u n i g r a p h i c s 为平台二次开 发得出的，集设计要求、结构选择、参数选择、结构设计、装配设计、工程图绘制的生 成及管理于一体，以规范离合器的主要零件参数化设计及面向离合器设计工艺工装 c a d c a e 集成为主要目标。本章将对汽车离合器参数化设计系统的功能需求、系统开发 设计流程等进行详细介绍。 3 1 系统需求分析 软件开发是一项复杂的系统工程，为保证系统组成的合理性与完整性，以及系统的 可靠性与有效性，必须用软件工程学方法指导系统的开发，以减少和避免开发中的失误， 提高效率、保证质量。需要对系统各组成部分的功能关系、总体结构、系统开发的各个 阶段工作进行分析和设计。 从软件工程的角度来看，软件需求分析是软件生存期中最重要的一步，也是决定性 的一步。只有通过软件需求分析，才能把软件功能和性能的总体概念描述为具体的软件 需求规格说明，从而奠定软件开发的基础。简单来讲，软件需求分析的任务就是借助于 当前系统的逻辑模型导出目标系统的逻辑模型，解决目标系统“做什么”的问题f 。 离合器参数化设计系统是一个基于知识的系统。其目的是将离合器的设计理论、设 计准则、设计经验等程序化，使得离合器参数化设计在一定程度上智能化、自动化。本 课题开发同样遵循软件工程的原则，首先从工厂的实际需要入手，确定系统所需要完成 的功能。 3 2 系统设计思想及设计流程 3 2 1 设计思想 首先是了解用户要求，即用户期望系统应具有的全部性能和限制。它主要包括：功 能要求、性能要求、可靠性要求、开发费用和时间、以及可使用的资源等方面的限制。 满足用户需求是系统最主要的目标，为此，系统的设计应首先了解用户的要求，进而确 定系统的基本目标和逻辑功能。 离合器参数化设计系统涵盖整个工艺设计流程。对于这样一个复杂的系统，有必要 将其划分为一定的功能模块进行开发。系统共开发了六个功能模块：设计要求、结构选 择、参数选择、结构设计、装配设计和工程图绘制。系统所要实现的目标是：根据离合 大连理工大学硕士学位论文 器设计要求，选择合适的零部件结构，确定离合器的基本参数，实现各个零部件的参数 化设计，并进行离合器的整体装配和通过工程图绘制模块生成各零部件工程图。 3 2 2 设计流程图 数据流程图是系统的逻辑模型，是便于用户理解数据流程的图形表示，也是系统设 计的出发点。确定数据的流动是系统分析任务之一，根据离合器各个零部件的设计过程， 确定系统的数据流程如图3 1 所示。 图3 1 系统数据流程图 f i g 3 1d a t as t r e a mo f s y s t e m 3 3 系统的开发环境 离合器参数化设计系统的开发研制以及运行必须有一定的软、硬件作为环境支撑。 本节主要介绍其软、硬件配置。 3 3 1 系统的硬件配置 鉴于p c 机较高的性价比，系统的硬件平台选用高档微机。具体要求如下： c p u ：奔腾4 ，2 8 g c 或以上： r a m ：1 g 或以上； 硬盘：8 0 g 或以上； 基于u g 的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究 3 3 2 系统的软件配置 系统支撑软件要有理想的二次开发功能。二次开发不同于一般的软件开发，主要在 于它不是从底层开始的软件设计，而是在已有的软件上进行的开发，所以二次开发最大 的特点就是继承性。二次开发后的软件功能和性能在很大程度上取决于支撑软件本身的 功能性能和开发程度。因此，二次开发的首要任务就是选择优良的支撑软件。选择支撑 软件必须考虑以下几个方面l l 州。 ( i ) 通用系统的功能：一个好的c a d c a e c a m 系统应该是在工程设计数据库的基 础上，集各种应用如二维工程绘图、三维实体造型、高级曲面造型、有限元分析、机构 分析、优化设计、数据库加工等一体化的综合应用软件系统，能够满足用户使用要求。 以此为基础的二次开发才能最大限度的发挥其效用。 ( 2 ) 是否有广泛的用户群体：广泛的用户群体一方面有利于通用系统的升级、完 善，另一方面有利于二次开发成果的推广以及进行更深层次的开发。 ( 3 ) 通用系统对二次开发的支持：通用系统是否提供开放的二次开发环境以及强 有力开发工具，这制约二次开发所能达到的水平。具有良好的二次开发环境。 ( 4 ) 在不同硬件平台上的通用情况；通用系统作为二次开发基础，其在不同硬件 平台上的通用性同样限制着二次开发成果应用范围，对于具体企业而言，则存在在通用 系统硬件平台变更的情况下，二次开发成果能否顺利移植的问题。 综合上述几方面的原因，并且考虑到u g 软件在汽车行业c a d 领域已得到广泛应用， 在此基础上可以建立专用的c a d 系统，使其方便地与企业的应用程序接口，故选择u g 软件作为离合器参数化设计系统的支撑软件( 版本为u n g r a p h i c sn x 3 o ) ，其编译环境 为m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 。 3 4u n i g r a p h i c sn x 软件概述 u g 软件起源于美国麦道飞机公司，后于1 9 9 1 年1 1 月并入世界上最大的软件公司一 美国电子资讯系统公司( e l e c t r o n i cd a t as y s t e m sc o r p ：e d s ) 。如今，u g 软件已 经成为世界上一流的集成化c a d c a e c 瑚软件，广泛应用于航空、航天、汽车、通用机 械、模具和家用电器领域。许多著名公司均选用u g 作为企业计算机辅助设计、分析和 制造的标准。如美国通用汽车公司、波音飞机公司、贝尔直升机公司、英国宇航公司、 惠普发动机公司等均以u g 作为企业产品开发的软件平台。美国通用汽车公司是u g 软件 的最大用户。自1 9 9 0 年入中国市场以来，u g 软件在我国得到了越来越广泛的应用，已 成为我国工业界主要的大型c a d c a e c a m 软件之一。 大连理工大学硕士学位论文 u g 为制造行业产品开发的全过程提供解决方案，功能包括概念设计、工程设计、性 能分析和制造。具体来说，该软件具有以下主要技术特点【l 刀： ( 1 ) 集成的产品开发：u g 是一个完全集成的c a d c a e c a m 软件集，它致力于从概 念设计到工程分析及数字制造的整个产品开发过程。 ( 2 ) 相关性：通过应用主模型方法，使得从设计到制造所有应用相关联。 ( 3 ) 并行协作：通过使用主模型、产品数据管理p d m ( i m a n ) 、产品可视化 ( p r o d u c t v i s i o n ) 以及应用i n t e r n e t 技术，支持扩展企业范围的并行协作。 ( 4 ) 基于知识的工程：作为知识驱动自动化，u g 解决了怎样捕捉、在使用和运用 积累在制造产品的人和过程的知识问题。知识通常包括“业界标准”知识和“公司独特” 知识。针对“业界标准”知识，知识驱动自动化提供了过程向导和助理，这些解决方案 适用业界知识到专门的任务，建立集成的解决方案，他们有更强的功能，更易于使用和 更高的生产率，比如u g 模具向导( m o l dw i z a r d ) 、u g 齿轮工程向导( g e a re n g i n e e r i n g w i z a r d ) 和u g 冲模工程向导( d i ee n g i n e e r i n gw i z a r d ) 。针对“公司独特”的知识， 知识驱动自动化提供了u gk n o w l e d g ef u s i o n ( 知识融接) ，这个新的产品使得公司能 够快速和方便地添加工程规则去驱动一个模型或者建立过程向导和助理，u gk n o w l e d g e f u s i o n 使基于知识工程的环境直接能进入u g 的核心。 ( 5 ) 客户化：u g 提供c a d c a e c a m 业界先进的编程工具集，对u g 进行定制或开发 以满足企业的需要。 3 4 1u g 主要功能模块 在u g 软件中包括很多应用模块，在这里主要介绍一下建模模块、用户自定义特征 模块、工程制图模块、装配建模模块和编程模块【m 。 ( 1 ) 建模模块( u g m o d e l i n g ) ：它将基于约束的特征建模和显示建模集成在一起， 提供强有力的复合建模能力，以设计各种复杂形状的实体模型，从而可以快速实现概念 设计和详细设计。该模块支持实体建模( s o l i dm o d e l i n g ) 、特征建模( f e a t u r e s m o d e l i n g ) 、自由形状建模( f r e e f o r mm o d e l i n g ) 等建模方式，该模块是其他应用模 块的基础。 ( 2 ) 用户自定义特征模块( u g u s e r - d e f i n e df e a t u r e s ) ：它提供交互式方法， 建立用户定义的特征( u d f ) 零件，包括捕捉已经建立的参数化实体模型，建立参数间 的关系，定义特征变量。用户可以在工程制图时调用该零件，也可以在u g 0 p e na p i 程 序中调用它 基于u g 的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究 ( 3 ) 工程制图模块( u g d r a f t i n g ) ：利用已经建立的参数化实体模型和装配模型 的信息，可以进行装配图、部件装配图、零件图的绘制。由于u g 采用相关主模型数据 库管理，图纸上的尺寸随着模型的改变而自动更新，确保了图纸尺寸和模型尺寸的致 性，从而极大地提高了工作效率。 ( 4 ) 装配建模模块( u g a s s e m b l ym o d e l i n g ) ：它支持“从上到下”和“从下到 上”的装配建模，支持上下文设计途径。当零件的尺寸和位置改交时，系统能自动地进 行重新装配，重新产生零件间的配合关系；而在装配的环境中工作时也可以对任何组件 的设计模型作改变，从而保证了装配模型的一致性。 ( 5 ) 计算机辅助制造模块( u 6 c a m ) ：提供交互式编程和后处理磨削、钻削、车 削、线切割等刀具路线的能力。如平面铣加工模块( u g p l a n em i l l i n g ) 提供对平面的 2 2 5 轴零件进行加工、型芯和型腔铣加工模块( u g c o r e dc a v i t ym i l l i n g ) 提供型 芯和型腔加工过程的完全自动化、固定轴铣加工模块( u g f i x e d - a x i sc o n t o u r m i l l i n g ) 提供任何表面或实体的3 轴联动加工、流通切削一半自动清根加工模块( u g f l 钾c u t ) 、 可变轴( u g v a r i a b l ea x i s 姒1 1 i n g ) 、切削仿真模块( v e r i c u t ) 提供模拟和显示n c 刀路，用于对n c 编程的校验。 3 4 2u g 二次开发工具 u g 应用开发( 又称u g 二次开发) 是指在u g 软件平台上，结合具体的应用要求，总结 行业的设计知识和经验，开发面向行业和设计流程的c a d 系统。u g 软件中的应用开发模 块提供了较为完整的应用开发工具集，利用该工具集可对u g 系统进行用户化裁剪和开 发，用以满足实际的应用需求。u g o p e n 是一系列u g 开发工具的总称，是u g 软件为用 户或第三开发人员提供的最主要的开发工具。如图3 2 所示，它主要由u g o p e na p i 、 u g o p e ng r i p 、u g o p o nm e n u s c r i p t 和u g o p e nu l s t y l e r4 个部分组成唧： ( 1 ) u g o p e na p i ( u s e rf u n c t i o n ) 是一个允许程序访问并改变u g 对象模型的程 序集。u g o p e na p i 封装了近2 0 0 0 个u g 操作的函数，可以方便地对u g 的图形终端、文 件管理系统和数据库进行操作，支持当前流行的多种编程语言，如c 、c + + 、j a v a 等。 绝大多数的u g 操作都可以用u g o p e na p i 函数实现。 ( 2 ) u g o p e ng r i p 是在u g o p e na p i 工具发布之前，u g 的应用开发工具。g r i p 是一种专用的图形交互编程语言，它与u 6 系统集成，可以实现u g 环境中的大部分应用 操作。但由于g r i p 语言完全包含在u g 系统之中，缺乏开发应用程序所需的高效的数据 处理能力、大型数据库的管理能力以及复杂算法的实现能力，这就大大限制了二次开发 应用软件的功能实现。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) u g o p e l m e n u s c r i p t 是创建用户化菜单的工具。m e n u s c r i p t 支持u g 主菜单 和快速弹出式菜单的设计和修改，通过它可以改变u g 菜单的布局，添加新的菜单项以 执行用户应用开发程序、u s e rt o o l 文件和操作系统命令等。 ( 4 ) u g o p e nu i s t y l e r 是开发u g 对话框的可视化工具，其生成的对话框与u g 集 成，用户可以方便、高效地与u g 进行交互操作。该工具的使用避免了复杂的图形用户 接口g u i 编程，直接将对话框的基本控件进行组合和布局，可以创建满足不同功能需求 的u g 风格对话框。 图3 2u g 二次开发工具 f i g 3 2d e v e l o p m e n tt o o l so f u g 3 5 参数化与特征建模理论 三维c a d 技术有三大理论：实体造型、参数化造型与特征造型，其中实体造型是基 础。早期实体造型属于无约束自由造型，后来向基于约束的实体造型发展，产生了参数 化造型理论。参数化造型分为全约束与非全约束，分别以p t c 的p r o e n g i n e e r 和s d r c 的i d e a s 为代表。特征造型是参数化造型理论的深化与拓展。特征面向制造加工，不 仅包含参数信息，还包含各种物理信息及加工信息，有利于实现c a d c a e c a p p c a m 集 成。u g 是大型三维c a d 软件，离不开c a d 软件的基本理论，而参数化建模与特征建模也 是目前c a d 应用研究的热点，课题也将具体应用其原理及方法。所以有必要对它们作简 要介绍。 3 5 1 几何模型 ( 1 ) 概述 基于u g 的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究 几何模型是由几何信息组成的模型，这个模型是对原物体的确切的数学描述或对原 物体某种状态的真实模拟。这个模型将为各种不同的后续应用提供信息，例如由模型产 生有限元网络，由模型编程数控加工刀具轨迹，由模型进行物体间碰撞、干涉检查等捌。 根据模型的基本构形和描述方法不同可以将几何模型分为三种类型：线框模型、表 面模型、和实体模型”。不同的几何模型采用的数学描述方法不同，数据结构的复杂程 度也不同，每种方法都有其特点。 线框模型依赖于顶点及其棱边，其数据结构反映的是边表与点表。它与表面模型和 实体模型的数据结构相比，所含的数据量最少，数据结构和算法的处理最方便，所以线 框模型简单、快速的优越性是其它模型无法比拟的。但是，线框模型的几何描述能力差， 只能提供轮廓的框架，缺乏物体各面的信息，人们从线框模型中一般很难对图形做出唯 一的解释。由于缺乏面的信息，所以不能对此类模型的图形进行消隐处理，不能直接自 动产生剖视图，也不能计算物体的重量、体积等特性，更不能进行复杂曲面数控加工程 序计算。 表面模型与线框模型相比，多了一个面表，记录了边与面的拓扑关系，可以实现以 下功能：消隐、着色，表面积计算、两个曲面求交、数控刀具轨迹生成、有限元网格划 分等。此外擅长于构造复杂的曲面物体，如模具、汽车、飞机等表面。但是它只能表示 物体的表面及其边界，还不是实体模型。因此，不能实行剖切，不能计算物体的重量、 体积等特性，不能检查物体间碰撞和干涉【3 l 。 实体模型可以把三维物体的几何和拓扑信息较完整地存储在计算机中。能生成真实 感很强的图形，并能进行干涉检查，还可以从中提取、分析计算信息，实现零件的体积 和质量计算、有限元分析、数控编程等。 ( 2 ) 几何模型的不足 上面介绍的三种几何模型虽然获得了广泛的应用，但从c a d 软件集成的角度来看， 它更侧重于几何信息的描述，而缺乏对产品零件信息的完整描述，从工程应用角度来看， 上述几种模型缺乏高层语义的定义和处理。例如在零件上设计通孔，孔是由圆柱定义的， 需要给出圆柱的参数( 直径、高以及圆柱在零件上的定位尺寸) ，然后选择布尔差操作， 系统进行集合运算，得到设计的孔工程设计中，孔是工程语义，而不是几何语义【嘲， 技术人员习惯于直接定义孔，而不是圆柱以及布尔差操作。高层语义将孔定义为一个特 征，而属于这个特征的参数数据和操作则是由低层来定义的，这样设计人员面对的就是 特征讯，而不是几何表示的圆柱 由此可见，设计过程中产品信息的表达方式与计算机产品建模技术紧密相关。实体 模型虽然存储了产品的三维几何与拓扑信息，正确地描述了零件的实体几何模型，可以 大连理工大学硕士学位论文 完成模型体积、面积、重心、惯性矩等自动计算，隐藏线、隐藏面的消除，有限元网格 的自动划分，模型截切及碰撞干涉检查，动画模拟以及真实图形显示等操作，但是仍存 在一些不足： 实体模型方法属于固定静态模型，模型一旦产生，每当修改时往往需要重新建模。 用传统的集合运算和曲面技术定义零件十分不方便，这些方法只能构造产品零 件，不能进一步提高建模技术的时间和空间效率。 模型信息不完备，只包含几何拓扑信息，没有清晰地抽象出形状的几何特性，得 不到明确的特征信息，除了几何形状尺寸信息外，其它信息如工艺信息、公差信息、材 料信息等必须另外描述，不利于c a d c a e c a p p c a m 的集成。 克服上述问题的有效途径就是采用参数化特征造型方法。参数化特征造型方法是一 种新型现代化的造型方法，它以上述三类几何造型方法为基础，从工程应用的高层次来 定义产品模型，从产品整个生命周期各个阶段的不同要求来描述产品，完整地、全面地 提供产品的信息，使各应用系统可以直接从产品模型中抽取所需的信息。 3 5 2 特征造型技术 特征造型技术是几何造型技术的自然延伸，是在c a d c a e c a p p c 删技术及计算机 软、硬件发展到一定水平后，随着生产组织集成化、自动化程度增强而逐渐发展起来的。 它对形体的组成及所描述的信息更具工程含义【l9 】。 ( 1 ) 特征概念及定义方法 特征是8 0 年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念，它是对诸如零 件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映零件特点的可按一 定规则分类的产品描述信息1 2 0 1 。这表明：特征不是体素，不是某个或几个加工表面；不 是完整的零件：对于制造特征，其分类与其加工工艺规程密切相关，用不同的加工方法 加工实现的表面或零件，要定义不同的特征，例如，直径较小的孔可以通过一次加工完 成，而直径较大的孔，当加工精度相同时，由于毛坯上可能带有预铸孔，或需要经过多 次加工，用不同的加工方法实现，这时就要定义为两种以上不同的特征；描述特征的信 息中，除表达形状的几何信息及约束信息外，还包括材料、精度等制造信息；通过定义 的特征还可以生成组合特征。 特征定义的实现方式有两种【3 j ：一种为预定义方式，称为基于特征的设计系统，即在 造型系统中将经过分类的特征图谱建在系统内，以菜单或图标方式提供给用户进行零、部 件拼合，由此设计零、部件，并获得相应的基于特征的数字化产品模型。第二种方式为 后定义方式，即在原实体造型系统获得的几何模型上进行特征识别与提取，有交互和自 基于u o 的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究 动识别两种方式，人们在这方面己做了许多工作，但均不满意，迄今为止简单的特征识 别与提取尚能成功，而复杂零件的特征识别仍很困难。因此，采用特征直接进行设计已 成为当前主流。 ( 2 ) 特征分类i z ” 特征分类的目的在于特征的组织和表达，以实现对特征的重复利用。特征可以有不 同的分类方式，比如按几何形状分类、按产品开发过程分类、按制造方法分类、按产品 定义数据的性质分类等。特征一般可以分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、 装配特征、有限元特征、制造特征等。其中最重要的是形状特征，其它特征通常作为一 种产品的定义的数据和操作方法附加到形状特征之上，作为形状特征的属性和映射。从 c a d c a l j 集成的角度出发，特征可以划分为以下几类： 形状特征用于描述产品、零件上有一定拓扑关系的一组几何元素构成的几何 形状信息。形状特征可分为主要形状和辅助形状特征，其中主要形状特征用于构造零件 基本形状，辅助形状特征用于对主要形状特征的补充( 如螺纹孔、倒角和拨锥等) 。辅 助形状特征附加于主要形状特征之上或附加于另一辅助特征之上。形状特征又可分为正 特征和负特征。 精度特征用于描述产品、零件的几何形状和尺寸的误差信息。精度特征可分 为尺寸公差、几何公差和表面粗糙度。尺寸公差可分为定形尺寸公差和定位尺寸公差， 几何公差可分为形状公差和位置公差。 材料特征用于描述产品、零件材料的成分，物理化学指标、热处理方法与条 件及加工工艺性等。 技术特征用于描述产品、零件和特征的性能、工艺要求、功能等信息。 管理特征用于描述产品、零件和特征的管理信息，例如标题栏中的零件名称、 图号，设计者、日期、批量和质量等信息。 ( 3 ) 特征联系叫 产品零件是由若干个特征连接构成的，特征之间存在着各种各样的联系。为了描 述和特征建模的方便，可以将特征之间的联系分为以下几类： 继承联系构成特征之闻的层次联系，位于上级的叫超类特征，位于层次下级的 叫亚类特征。亚类特征可以继承超类特征的属性和方法，这种继承联系称为h k o ( h - k i n d o f ) 联系，亚类特征是超类特征的一个成员，超类特征是亚类特征的抽象， 如特征与精度特征之间的联系。另一种继承联系反映的是特征类于该特征对象之间的联 系，或是特征与值的联系，这种联系称为i n s ( i n s t a n c e ) 联系。亚类特征是超类特征 大连理工大学硕士学位论文 的一个实例或对象，超类特征是所有亚类特征的概括。例如某一具体的孔是孔类特征的 一个实例，它们之间是i n s 关系。 邻接联系邻接联系反映主要形状特征之间的相互位置关系，用c o n t ( c o n n e c t t o ) 表示。构成邻接联系的特征之问的共有量的状态可以共享，例如一根阶 梯轴，每相邻轴段之间的关系是邻接联系，其中每一个邻接面的状态可以共享。 从属联系描述形状特征类中形状特征之间的依从或附属关系用i s t ( i s s u b o r d i n a t e - t o ) 表示。从属的形状特征依赖于被从属的形状特征而存在，并对 被从属的形状特征进行局部的修饰，如倒角附属于圆柱体。 引用联系描述特征类之间作为关联属性而相互引用的联系，用r e f ( r e f e r e n c e ) 表示。引用关系主要存在于形状特征对精度特征以及材料特征之间。此时形状特征是其 他被引用的非形状特征的载体。 ( 4 ) 基于特征的产品信息模型 一个完整的产品模型不仅仅是产品数据的集合，还反映出各类数据的表达方法以及 相互之间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的产品模型，才能有效地为各应用系 统所接受和处理。作为完整表达产品信息的产品信息模型应包括表达各类特征的模型， 即管理特征、形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征圆。 。 t s t - - 从晨联象i t e l f f i - - l 用联系 图3 3 基于特征的产品信息模型的总体结构 f i g 3 3g e n e r a ls t r u c t u r eo f p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e lb a s e d0 nf e a t u m 一2 5 基于u g 的汽车离合器参数化设计系统的开发与研究 基于特征的产品信息模型的总体结构如图3 3 所示，它表示产品信息模型的分层结 构，即装配层、零件层、特征层和几何层四个层次。装配层主要反映产品的总体信息， 装配模型通过地址指针指向零件模型对象，包含了所有组成该装配模型的零件模型的实 例；零件层主要反映零件信息，是关于零件子模型的索引指针或地址；特征层是一系列 的特征子模型及其相互关系；几何层反映零件的点、线、面的几何拓扑信息。从这个 模型结构图可以看出，零件的几何拓扑信息是整个模型的基础，同时也是零件图绘制、 有限元分析等应用系统关系的对象。而特征层则是零件模型的核心，特征层中各特征子 模型之间的相互关系反映了特征间语义关系，使特征成为构造零件的基本单元，具有高 层次的工程含义，该模型可以方便地通过高层次的产品信息，从而支持集成的 c a d c a e c a p p c a m 应用系统对产品数据的需求。 3 5 3 参数化造型技术 ( 1 ) 参数化造型概念 参数化设计是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心内容，也是当前c a d 技术的研 究热点。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始 设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段1 2 3 。 参数化实体造型方法是在8 0 年代中期由c v 公司提出的，其特点是基于特征的全尺 寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。9 0 年代初，s d r c 公司的开发人员经过几年 摸索后。发现参数化设计尚存在许多不足。首先，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰 和制约着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中， 必须将形状和尺寸联系起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱 动形状的改变，一切以尺寸( 即参数) 为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂。面 对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；再者，如果在设 计中关键形状的拓扑关系发生改变，失去某些特征后也会造成系统数据的混乱。为此， s d r c 的开发者提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术1 2 4 。 变量化技术和参数化技术是两种不同的解决设计约束问题的数学方法。变量化方法 是同步地解决所有问题，而参数化方法是顺序地解决问题。参数化技术一般是指设计对 象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系。参数的求解较简单，参数 化设计对象的控制尺寸有显示的对应，设计结果的修改受到约束方程的驱动。事实上， 我们现在所用的参数化技术就是改造后的变量化技术。 ( 2 ) 参数化造型技术的主要功用【2 5 】 大连理工大学硕士学位论文 由参数化模型自动导出精确的几何模型。它不要求输入精确图形，只要输入一个 草图，标注一些几何元素约束，然后通过改变约束条件来自动地导出精确的几何模型。 通过修改局部参数来表达并自动修改几何模型。对于形状相似的系列零件，只需 修改有关参数，即可生成新的零件，这是构建标准件库和通用件库非常有用的手段之一。 ( 3 ) 参数化造型的主要技术特点1 2 4 1 基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸保存 为可调参数，形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。 全数据相关：所有模块都是全相关的。即在产品开发过程中某一处进行的修改， 能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸以及制 造数据等。 尺寸驱动设计修改