（机械制造及其自动化专业论文）m730铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制.pdf

硕士论文 y 58 0 05 3 m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 摘要 参数化设计是计算机辅助设计领域内一个重要的研究内容，其技术发展到今天已 走向成熟并在当前主流的三维机械c a d 软件中得到了充分的应用。但是，由于这些 c a d 软件面向的是大众，是通用性的软件，而不是面向具体产品的，因此这种应用只 是参数化设计技术的底层应用。而在这些参数化c a d 平台上实现具体产品的参数化设 计，是人们研究参数化技术的最终目标，也是参数化设计技术的最顶层的应用。本论 文研究的内容就是如何在三维机械c a d 软件平台上进行具体产品的参数化设计的问 题。 具体来说，就是在充分研究了参数化设计的基本方法和主流c p d 3 软件的参数化 功能的基础上，提出了基于s o l i d w o r k s 软件平台的产品的三维建模与编程相结合的 产品参数化复合设计方法，在产品结构尺寸的分析上独创性地提出了约束分析方法， 在建模中创新性地应用了自上而下建模为主、自下而上建模为辅的建模手段，通过应 用s o l i d w o r k s 的a p i 函数及v b a 编制了相应的控制程序，完成了铁路客车塞拉门产 品的三维参数化c a d 系统的开发，并在企业实际应用，取得了良好的应用效果。 关键词：c a d ，参数化设计，s o l i d w o r k s ，塞拉门，铁路客车 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 a b s t r a c t p a r a m e t r i cd e s i g ni sa l li m p o r t a n ta s p e c to f c o m p u t e r a i d e d d e s i g nf i e l d ，a n di t s t e c h n o l o g y h a sd e v e l o p e d c o m p l e t e l yn o w a d a y s i t h a saw i d e u s a g ei np o p u l a r 3 dc a d s o f t w a r e h o w e v e r ，b e c a u s eo f i t sg e n e r a l i t yn o tf a c i n gm a t e r i a ip r o d u c t ，t h i si so n l ya n a p p l i c a t i o n a tt h eb o r o m o f p a r a m e t r i cd e s i g n p a r a m e t r i cd e s i g no f m a t e r i a lp r o d u c t i n c a di sn o to n l yt h ef i n a lg o a l ，b u ta l s oa n a p p l i c a t i o n a tt h e t o po f i t st e c h n o l o g y t h i si s j u s tt h ec o n t e n to ft h i sp a p e r f i r s t l y , o nt h e b a s i so ff u n d e m e n t a lm e t h o do fp a r a m e t r i cd e s i g na n dp a r a m e t r i c f u n c t i o ni np o p u l a rc a d s y s t e m ，t h ep a r a m e t r i cc o m p o u n dm e t h o di sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r , w h i c h c o m b i n e s3 d m o d e l i n g w i t hp r o g r a m m i n gi ns o l i d w o r k s p l a t f o r m s s e c o n d l y t h em o d e l i n gm e a n su s i n gm a i n l yt o p d o w nm o d e l i n ga n ds u b s i d i a r i l y d o w n t o pm o d e l i n gi sa p p l i e dc r e a t i v e l y , a n dc o n t r o l l i n gc o d e sa l ep r o g r a m m e dt h r o u g h a p p l y i n g a p ia n dv b ai ns o l i d w o r k s f i n a l l y , 3 dp a r a m e t r i cc a ds y s t e mi sd e v e l o p e df o rs l i d i n g - p l u gd o o ro fr a i l w a y v e h i c l e s ，a n di th a sg o ta ne f f e c t i v ea p p l i c a t i o ni ne n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：c a d ，p a r a m e t r i c d e s i g n ，s o l i d w o r k s ，s l i d i n g p l u gd o o r , r a i l w a y v e h i c l e 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 1 绪论 1 1 参数化设计概述 所谓参数化设计就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的 参数来表示，根据参数来调整相关尺寸变量，实现尺寸对图形的驱动，以便在人机交 互过程中随时对设计对象加以更改。参数化设计促进了设计手段的更新，提高了设计 柔性，在现代产品设计中发挥着越来越大的作用。 参数化设计思想自产生以来，得到了迅速地发展，其发展历程大致分为以下几个 阶段： 技术萌芽期( 2 0 世纪6 0 - 7 0 年代) ：1 9 6 3 年，s u t h e r l a n d 在s k e t e h p a d 系统中 提出了两个重要的概念：交互式图形系统和基于约束的设计。这两个概念对后来以几 何造型为核心的传统c a d 理论及应用产生了重要影响，可认为是参数化发展的起源。 但是交互式图形系统和基于约束的设计仅仅是利用约束生成零件模型，而对生成后的 模型无法进行修改，是一种单向的过程； 技术确立期( 2 0 世纪7 0 一8 0 年代) ：1 9 7 8 年，以r c h i l l y a r d 为代表把尺寸和 公差视为特征点间的约束，通过尺寸和视图指定零部件的形状，利用给定的尺寸方案 来判定零件图是欠约束、过约束或是完全约束。在此基础上提出了变量几何和几何约 束思想，并经由美国麻省理工学院计算机辅助实验室d c g o s s a r d 及其研究小组的进 一步完善而确立了参数化设计的基本思想和理论： 技术发展期( 2 0 世纪8 0 一9 0 年代) ：这一时期是以b a l d e f e l d 、s u z u k i 、 a v e r r o u s t 提出的基于专家系统的方法为主要代表。在这一时期中，人们分别将几 何推理、神经网络等人工智能方法应用到设计中去，同时将参数化技术应用到实体造 型中，形成了基于特征的造型技术。这一时期是参数化技术发展的高速时期，提出了 很多的参数化设计思想和参数化设计方法，比较著名的有：b h l d e f e l d 于1 9 8 8 年提 出的基于符号操作和推理机处理一般几何模型的方法：1 9 9 0 年日本东京大学s u z u k i 提出的用规则来表示二维尺寸约束，用约束传递等技术进行模型的参数化，并给出了 几何模型和约束的逻辑框架及几何推理机制；1 9 9 4 年y a a c o vh e l o r 提出了利用 k a l m a n 滤波器的松弛参数化方法等等。 技术实用期( 2 0 世纪9 0 年代至今) ：基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化 方法在实践中得到广泛的应用。这一阶段以 a ey e o ll e e 提出的利用图表示的基于 知识的几何推理法和x i a o s h a hg a o 提出的约束传播法为主要代表。出现了更多的参 数化理论及方法，尤其可喜的是我国在这方面的研究也取得了很大的进展，如：浙江 堕主笙奎! 翌! ! 堡堕查圭窒垫塑兰曼童塑些塑笪墨竺塑堕型 大学的董金祥教授和葛建新博士提出的变参绘图系统中一种快速约束求解方法，采用 这种方法既可通过分解和排序来提高求解速度，而且可通过快速指出约束不足和约束 过载来提高灵活性和可靠性：浙江大学谭建荣教授提出的模型建立和求解相分离的参 数化方法等。 参数化技术的出现是c a d 技术的一次重大革命，在此之前的造型技术都属于约 束自由造型。据统计，一个新产品的成本约7 0 一8 0 是在设计阶段确定的，因此，采 用先进的设计方法和工具以提高产品设计效率是十分必要的。随着计算机的诞生， 机械设计师就梦想着实现机械设计的自动化，以将设计人员从繁琐复杂的传统设计 中解脱出来。c a d 技术一直沿着这条主脉发展，参数化设计技术是追寻梦想的必然产 物。对于结构比较定形的产品，在建立参数化模型的基础上，通过调整参数可修改 和控制几何形状，自动实现产品的精确造型，由此大大提高产品的设计效率和设计 质量。参数化设计技术出现的时间还不太长，目前仍处在不断发展和完善时期。早 期的参数化设计方法主要应用于二维图形，由于二维图形在直观性、干涉检查、模 拟装配等方面存在着先天不足，其推广应用受到局限。随着参数化设计技术的发展， 出现了一批三维造型功能强大的c a d 软件，如p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、s d r c 公司 的卜d e a s 、e d s 公司的u g 等高端c a d 系统，以及诸如s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 等中 端c a d 系统等，它们都具备了较强的三维特征参数化造型功能，不仅能够进行零部 件的三维参数化设计并关联生成二维工程图，还具有干涉检查、运动仿真、虚拟装 配等功能，使设计者在计算机上能直观地感受到虚拟世界的冲击，进行产品的交互 设计。三维实体参数化方法不但弥补了二维设计的局限性，而且其设计思想符合人 类的形象思维逻辑和抽象思维表达习惯。因为设计者设计产品时，头脑中总是先形 成空间立体模型，描述空间立体的三维实体建立好以后，才将其转化为二维平面工 程图。 传统的几何造型系统是针对事先已确定了的几何形状和具体尺寸来建立几何模 型，称之为静态造型系统。使用这种系统，从一开始设计，就要确定最终的几何模型， 很难进行修改。而实际产品的设计过程要历经概念设计、草图设计、详细设计等多个 过程，在这些过程中，产品的模型要被反复地修改优化直至形成满足各方面要求的几 何模型，因此是一个动态的过程。显然，静态的几何造型系统根本无法适应产品开发 的动态过程。另外，一个产品的更新、改型，都具有一定的继承性，应充分利用原有 产品的几何模型，经适当修改，即可很快生成新的几何模型。还有，很多系列化的标 准件或零件，其形状几乎相同，只是具体尺寸不周，如果这些只需要修改尺寸大小的 几何模型都要重新建立，将浪费很多人力并延长产品开发周期。 参数化设计过程可视为约束满足的过程，设计活动本质上是通过提取产品有效 的约束来建立其约束模型并进行约束求解。参数化设计的主体思想是用几何约束说 2 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇形状或功能上具有相似性的设计方案， 并获得支持c a d 各种决策和分析活动的能力。设计活动中的约束主要来自功能、结 构和制造三个方面：功能约束是对产品所能完成的功能的描述；结构约束是对产品 结构强度、刚度等的表示；制造约束是对制造资源环境和加工方法的表达。在产品 设计过程中将这些约束综合成设计目标，并将它们映射成为特定的几何拓扑结构， 从而转化为几何约束。所谓几何约束就是要求几何元素之间必须满足某种特定的关 系。将几何约束作为构成几何拓扑结构的几何基准要素和表面轮廓要素，可以导 出各种形状结构的估计和形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。参数化设计方 法与传统设计方法相比较，最大的不同在于它存储了设计的全过程，类比设计出一 簇而不是单一的产品模型。它使设计人员不需要考虑细节而尽快草拟零件图，并可 以通过变动某些约束参数来更新设计，而无须从头经历产品设计的整个过程。参数 化技术避免了重复劳动，避免了资源的浪费。 目前，基于约束的参数化设计主要应用在相似零件的快速生成和修改，机构分析， 公差分析和设计优化等方面。在已有的参数化造型系统中，允许的几何约束类型基本 上是组成产品形体的几何实体之间的公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系。因此，参 数化设计技术又称为尺寸驱动技术( d i m e n s i o n - d r i v e ng e o m e t r y ) 。各种参数化设计 技术也主要因几何约束关系的表达方式、允许或能够处理的约束类型、约束求解方式 以及几何的构造方式的处理方法不同而异。 1 2 参数化设计的基本方法分析 1 2 1 编程参数化方法 在各种参数化方法中，编程参数化方法是最早且又最常用的一种方法。这种方法 通过分析模型的特点，确定样板各尺寸之间的数字关系，给定输入参数，然后确定其 它参数的值，并用高级语言或采用系统提供的内嵌编程语言异或二次开发语言接口来 定义及驱动产品的参数化模型，达到参数化设计的目的。这种方法主要适用于结构较 稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合，多用于在通用c a d 软件上 进行二次开发，比如进行标准件和常用件的建库工作，这种方法对弥补一些通用的 c a d 软件在专用性方面的不足很有效，对系统的个性化和用户化有重要的意义。 1 2 2 人工交互参数化方法 人工交互参数化方法模型的生成和约束的施加是交互进行的，重要特点是约束随 着模型的产生而形成，模型又跟着约束的改变而变化。约束可以在模型的生成过程中 由用户指定，也可以隐含在模型中。根据约束求解方式的不同，又可将其分为初等方 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 法、变量几何法、人工智能法、构造过程法。 l 、初等方法7 1 初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束，求解的灵活性比程序 参数化方法有所改进，但在理论和应用方法上都很不完善。这种方法简单、易于实现， 最初，这种方法仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合，经过1 0 多年的发展，该 方法已吸收其他求解方法的优点，应用范围也得到了很大的拓宽。 2 ) 变量几何法( 代数法) 1 6 1 这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法，最早是由英国剑桥大学的 h i l l y a r d 提出，美国麻省理工学院的g o s s a r d 研究小组发展并完善了这一理论。变量 几何法把几何形状定义成一系列的特征点，约束则表示成以特征点坐标为变元的非线 性方程组，通过n e w t o n - - r a p h s o n 迭代求解非线性方程组，从而确定出几何细节。 将非线性方程组表示成： f ( x ) = 0 式中x = ( x ，) 。 f = ( f 1 ) 。； 对于初值xo ，第n + 1 次迭代的x ”1 值由以下迭代公式得到 x ”1 - - - - x “- f 。( x “) 】一1 f ”) 式中 f ( x ”) = ( 罢( x ”) ) j , j ；m 嬲 令a x = x ”1 一x “ 贝4 有广f ( x ”) = 一f ( x ”) j l x ”1 = 趟+ x ” 得3 蚁= f 式中 a t , a e奶 籼彘2缸。 峨 赢l ： ： 8 f m8 f 。 缸l玉。 4 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 a x = 越l ，缸2 ，缸。j 1 f = 卜f ，一r ，一f ) 卜3 a c o b i a n 矩阵。 x 各个变量的微小位移 厂方程组的残差 经过反复迭代，直至l a x l e ，就得到了方程组的解。变量几何法的主要优点在 于能适应很大范围的约束类型，而且循环约束可以通过约束方程组的联立求解得到处 理。但它难以避免数值方法求解稳定性差的问题，方程组整体求解的规模和速度较难 得到有效的控制。迭代初值与步长的选取也会影响算法的成败。 3 ) 人工智能法1 4 1 a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 杂志曾于1 9 9 2 年出版了一期约束满足问题的专辑， 全面展现a i 研究领域的发展。人工智能法的主要特点就是将a i 技术引入参数化设计 中，采用a i 的符号处理、知识表示、几何推理等手段。从几何约束集得到最终图形， 进一步提高对模型求解的智能化程度。根据推理方法的不同又可将其分为基于知识的 几何推理法、基于自由度分析的约束传播法、基于神经网络的自学习方法等。 4 1 基于构造过程法 这种方法记录了用户在交互造型过程中的每一步操作，基本思想是造型操作与几 何约束有着对应的关系。按照系统记录用户操作的方式可以分为两类：交互过程产 生造型操作的程序化描述；设计步骤用来管理反映几何元素约束关系的数据结构。 基于构造过程的方法，对于结构相同尺寸不同的零件设计是十分有效的。但是由于必 须严格遵循构造过程，灵活性和柔性不足。对于那些设计要求不断变化的设计环境则 不太适用而且难以利用传统c a d 系统生成的图形。另外，无法处理约束耦合程度高 的循环约束情形。 1 2 3 基于自组织方式的离线参数化方法 基于自组织方式的离线参数化方法最重要的特征是参数化过程与图形初始的生 成过程无关，作图过程与对图的理解是相分离的，本质是通过对图形约束信息的自动 组织，识别和理解尺寸对图形的约束关系，从而进行参数化联动。这种方法的最大优 点是大大减少了设计者的参与程度，操作过程简单，对设计者要求不高。 1 3 参数化设计方法的比较及存在的问题 参数化技术经过4 0 年的发展，理论和方法都得到较大的发展和完善，但仍然有 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 许多不足，主要表现在： ( 1 ) 约束求解方法上，由于每种求解原理本身的局限性，造成每种方法中都有一 些不足，比如：程序参数化方法对用户编程水平要求较高，交互功能差，无法有效地 用尺寸对模型进行实时驱动，不能即时地修改模型；变量几何法优点是统一简捷的几 何约束表达与求解，可覆盖任何约束集，不足之处在于难以快速地进行求解以及约束 一致性判断，无法处理多解的情况，在图中实体及变量个数较多时，求解的效率太低； 构造过程法必须严格遵循构造过程，灵活性和柔性不足，对于那些设计要求不断变化 的情形，则不大适用，无法处理约束耦合程度高的循环约束；离线参数化方法尽管实 现了模型建立和求解过程的分离，但由于采用的是全约束识别方法，当模型较复杂时， 约束识别的难度大，因此如何提高识别和理解的层次，还有待于进步探索。 ( 2 ) 在线交互参数化是在模型建立的过程中同步施加约束。生成图形时，用户必 须按照一定的规则顺序进行输入，即图的有序性必须通过用户操作的有序性来保证， 这样导致了操作过程繁琐，对用户要求高。同时，由于参数化原理和实现方法的不同， 导致了不同c a d 系统中参数化功能的通用性和兼容性差。 ( 3 ) 目前国内外研究主要集中于图满足约束完备条件下的约束求解方法，而对约 束奇异、欠约束和过约束问题，尤其是欠约束问题讨论较少，而欠约束情形在产品的 早期设计阶段( 如概念设计阶段) 普遍存在。因此，如何在欠约束情形下进行参数化 设计意义重大。1 7 1 ( 4 ) 如何将参数化设计贯穿于设计过程，并和产品的功能设计联系在一起，使设 计者有更大的修改自由度，不仅可以进行系列化产品的设计，还能进行变结构产品的 参数化设计，当改变产品的功能时，相应的结构也能随之变化。 1 4 目前主要商品化c a d 系统的参数化技术特点 自从p t c 公司于1 9 8 8 年推出参数化造型系统p r o e n g i n e e r 以来，各大c a d c a m 公司纷纷推出了自己的基于约束的参数化造型模块，他们分别采用不同的技术， 各有所长。 ( 1 j a p p l i c o i l 公司的b r a v o b r a v o 的技术基础是自由度分析理论，这种理论很好地避免了在复杂模型情况下 人工智能或变量几何方法所引起的速度显著下降的问题。b r a v o 系统与变量几何系统 类似，能以任何顺序对约束进行求解，用户可以自由调整设计参数的顺序。它能允许 过约束和欠约束的情形，并可提示给用户，系统还提供双向数据关联的能力。1 4 1 ( 2 ) d a s s a u l ts y s t e m s 公司的c a t i a c a t i a 是一个大型的机械设计软件，具有非常强大的曲面造型能力。它具有一个 独特的装配草图生成工具，支持欠约束的装配草图绘制。系统的机构设计软件能快速 硕士论文 m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 地创建、修改和分析装配草图，可以进行非常快速的概念分析。c a t i a 能够对现有的 实体和曲面模型施加约束，模型不必被完全约束；除了参数化造型能力，c a t i a 还提 供了布尔操作等其他造型手段；它还支持与绘图和n c 的双向数据关联。 ( 3 ) e d s 公司的u n i g r a p h i e s u n i g r a p h i c s 简称u g 是c a d c a m c a e 一体化的高端软件，其功能涉及概念设计、 工程设计、性能分析和制造。u g 功能强大，能使复杂产品的设计简化，能更快地将 产品推向市场，减少产品成本和增加企业的竞争力。它已经成为世界上许多大公司如 通用汽车、波音飞机、松下等首选的软件。u g 自1 9 9 0 年进入中国市场以来，迅速发 展，已成为中国航天航空、汽车、机械等部门的主流设计软件之一。u g 在草图绘制 的过程中自动生成约束，由于几何和尺寸约束在造型的过程中被捕捉，生成的几何体 总是完全约束的。除了提供参数化的特征造型手段，系统还在基于约束的造型环境中 支持各种传统的造型方式( 布尔操作、平扫、曲面缝合等) 。用户可以查询、显示并能 修改所有类型的约束。主要缺点是不允许在零件之间定义约束，数据关联是从设计模 型单向地传到其他应用中。 ( 4 ) s d r c 公司的i d e a sm a s t e rs e r i e s i d e a sm a s t e rs e r i e s 支持所有类型的约束造型功能，包括支持特征、曲线、曲 面等；它还支持3 d 约束以及装配体中零件之间的约束：系统允许创建欠约束的草图， 并能提示欠约束和过约束的位置；它支持布尔操作等造型手段。数值和几何约束通过 尺寸和符号的形式在屏幕上作出标记，以方便用户判断当前的约束状态；能对读入的 几何体自动施加约束；用户可以控制系统的双向数据关联性，在其工作模型发生修改 时，用户可以延迟关联修改发生的时间；系统还提供了登录、核对和版本控制的功能。 ( 5 ) p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc r o p 公司的p r o e n g i n e e r p r o e n g i n e e r 简称p r o e ，通过记录设计历史来捕捉设计意图，设计历史的操作 顺序可以被修改。p r o e 不支持布尔以及其他局部造型操作，但它引入全局设计参 数。全局设计参数定义了基本的设计要求和特性，由于很多其他参数可能定义为与这 些全局参数相关，所以可以用它们来实现整体的设计修改。p r o e 的参数化特征造 型功能贯穿于整个产品，包括特征、曲面、曲线以及线框模型等。所有几何体都必须 被完全约束，不支持欠约束的几何体。系统经过十多年的努力，已经把参数化造型技 术应用到工程设计的各个方面：绘图、工程分析、数控编程、布线设计、钣金件设计 等领域。p r o e 提供双向数据关联的能力，这样设计的修改能自动地更新到出图、 分析、制造以及其他c a d c a m 领域。系统支持装配体中各零件之间的约束。 1 5 本论文主要研究的内容、所面临的困难及研究意义 本课题是为南京康尼机电新技术有限公司( 以下简称康尼公司) 研制开发的m 7 3 0 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 系列铁路客车塞拉门的参数化设计系统。 康尼公司是江苏省和南京市高新技术企业，也是“江苏省轨道车辆现代化装备工 程研究中心”。1 9 9 9 年通过i s o 质量体系认证，2 0 0 1 年被国家计委授予“高技术产业 化示范工程”称号。其主要产品为轨道车辆现代化装备如各种高档车门系统、大容量 电力连接器及各种高性能电力连接器等，主要产品分别获得法国阿尔斯通、加拿大庞 巴迪等轨道车辆跨国公司的认可，产品分别出口法国、德国、西班牙、比利时等国家 和地区。m 7 3 0 系列铁路客车塞拉门于1 9 9 7 年通过部级鉴定，鉴定结论是“该产品属 国内首创，填补了国内铁路客车行业的空白，其性能达到了国际同类产品水平”。现 已在我国铁路客车上推广使用。 康尼公司产品的特点为：多品种，中小批量，面向订单，产品非标及变型较多，客 户定制要求变化较大。企业原有的产品设计方法主要是沿用以前的二维计算机绘图的 思想，无论对新产品的开发还是对旧产品的改进，都是一切从零开始重新设计，设计 重用性极低，设计成本相对较高。 由于塞拉门系统具有很大的相似性。产品系列化程度较高。如果能够建立该产品 的参数化设计系统，对减少设计人员的工作量、减少设计错误、提高设计效率都将具 有十分重大的意义。目前，康尼公司投入巨资进行企业的信息化工程建设，实现主导 产品的参数化设计是其中重要的组成部分。 针对康尼公司的这一需求，本论文主要研究m 7 3 0 系列铁路客车塞拉门的参数化 设计技术，其具体研究内容包括： 通过m 7 3 0 塞拉门产品的结构分析和各零部件的内在约束关系分析，利用三维 机械c a d 软件建立m 7 3 0 塞拉门产品的参数化模型： 关联绘制m 7 3 0 塞拉门产品装配图及全部零件的二维工程图并对其进行相应 的个性化处理： 实现m 7 3 0 塞拉门产品的运动仿真。 通过高级语言及机械设计软件的二次开发接口编制该模型的驱动程序，完成 塞拉门产品的三维参数化c a d 系统。 m 7 3 0 塞拉门产品是一个集机、电、气于一体，产品结构复杂，技术含量高的高 科技产品，包含的零件数量众多，内部的约束关系繁复。而前述当前主流的参数化 c a d 系统并没有提供产品级参数化手段，必须在m 7 3 0 塞拉门辩明产品的内部结构， 理清零部件间的各种约束关系的基础上，对目标c a d 系统经过合理的二次开发来解决 m 7 3 0 塞拉门系列产品的参数化设计问题。在较短的时间内，在没有任何实际塞拉门 产品设计经验的情况下，要生成m 7 3 0 塞拉门所有组件的三维模型、装配模型以及全 部的二维工程图，再建立各种参数化的约束关系并编制控制程序，生成m 7 3 0 塞拉门 系列产品的三维c a d 系统，无论是从难度上，还是从工作量上都是极具挑战性的。 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 虽然对参数化设计技术的研究多年来取得了重大的进展，好的方法层出不穷，但 是，这些方法的侧重点多是理论上的，强调的是一种理念，倾向于通用性和抽象性的 研究。而实际产品的参数化设计，则是具有特殊性和具体性的特点，其实质是对以上 参数化设计理论的具体应用。而事实上，目前流行的很多机械c a d 软件已经很好地汲 取了参数化设计技术的研究成果，较好地实现了软件的参数化设计功能，因此，在应 用这些软件进行参数化设计时，所应关心的是如何使用好这些设计工具的问题，而不 必再顾及底层的一些参数化技术，就如同我们使用w o r d 软件写文章，我们只需要输 入要写的内容并按需要排版，而不必关心w o r d 软件内部处理的机制。c a d 软件功能 确实是越来越强，但是这些c a d 软件设计的初衷是面向广大用户的通用性的商用软 件，而要将它们应用到具体产品参数化设计上还是有很长的路要走。总之，单就参数 化设计而言，机械c a d 软件是对参数化技术的最初的具体化或者称底层的应用，而在 此基础上的产品的参数化设计可以说是参数化技术的最终的具体化或者顶层的应用， 是理论应用于实践的具体体现。目前，国内类似康尼公司这样的企业很多，产品的设 计手段还停留在甩图板甚至手工设计的水平，这种“小作坊式”的设计手段显然难以 适应市场对企业高质快速低成本响应能力的要求。而进行产品级的参数化计算机辅助 设计系统的研究开发是解决这一难题的有效途径，因此，这方面的研究探索是十分必 要且具有重大的现实意义。 1 6 本章小结 参数化设计技术发展到今天从理论上讲已经比较成熟，从应用而言应用最多的述 是一些通用的机械c a d 软件。而人们研究参数化设计技术的最终目的还是希望能够 通过参数化技术最大限度地减轻人们在设计系列产品的设计压力，能以最小限度的工 作量取得最优最快的设计结果。本章就是在面向用户需求的基础上进行了广泛的参数 化设计方法的研究，结合参数化发展的历史及现状简要地概述了曾经出现的参数化设 计的一些主要方法，并研究了这些方法在目前商品化c a d 软件中的应用情况。最后 得出的结论是：参数化设计技术在目前一些主流的机械c a d 软件中已经得到了较好 地应用，但这仅仅是一种初步的底层的应用，而要实现面向具体产品的参数化，还需 要在这些软件的基础上进一步的努力，达到对参数化设计技术的顶层的也是最终的应 用。因此，面向具体产品的参数化设计技术的研究还是具有重要的实践意义的。 堡主笙奎坚! ! ! 箜堕查主塞垫旦主曼叁壑些堡盐至竺盟竺型 2 系统的总体设计 2 1m 7 3 0 铁路客车塞拉门简介 m 7 3 0 铁路客车塞拉门是一个集机、电、气于一体，产品结构复杂，技术含量高， 客户要求多变的产品。该产品的气动驱动机构采用先进的无杆气缸，运动平稳、可靠： 门板采用的是特种合金铝板及铝蜂窝复合结构，按飞机同类结构的工艺制造，重量轻， 强度高，刚性好。如图2 1 为公司m 7 3 0 塞拉门系列产品中的两种，产品的结构大致 相同，主要是尺寸上的差异。车门主要由门扇、承载部件、上下滑道、内外操纵装置、 翻转脚蹬等几大部件组成，每一种部件又包含若干小的部件或零件。 图2 1 康尼公司塞拉门系列产品示例 2 2 用户对系统的需求分析 康尼公司过去使用的软件设计平台是清华天河的p c c a d ，p c c a d 是个二维机械 设计软件，设计效率低，设计结果的信息容量小，信息的重用性差。在产品订单较少 行业竞争不大的时期内，二维软件能够满足一定的设计要求。但是，随着康尼公司轨 道车辆门业务的拓展。订单逐年增加，设计压力增大：另一方面，随着我国轨道交通 投资力度的不断加大，有越来越多的国内外企业参与了同类产品的市场竞争。在这种 情况下，康尼公司二维的设计平台已不能适应市场对企业快速响应能力的要求。康尼 公司的领导审时度势，作出了以三维参数化c a d 系统作为公司的主流设计平台的决 定，同时为大幅提高公司轨道车辆门系列产品的开发效率，决定从m 7 3 0 铁路客车塞 拉门着手进行公司产品的参数化设计技术的研究，力求开发出该产品的计算机辅助设 计系统，以大幅提高该产品的设计效率，缓解设计人员的设计压力，同时也为其它产 o 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 品的类似开发奠定必要的技术基础。 公司对塞拉门参数化设计系统的具体要求是： ( 1 ) 能根据不同的设计参数自动实现整个门产品的三维参数化设计，各零部件能 自动与总装配体关联变化； ( 2 ) 能自动生成产品的总装配体和主要部件的二维工程图以及全部零件的二维 工程图： ( 3 ) 用户参数输入界面应简洁友好； ( 4 ) 能实现产品的运动仿真、碰撞及干涉检查。 这些需求归结到一点就是要开发出基于产品的三维参数化计算机辅助设计系统。 2 。3 系统的总体方案设计 2 3 1 系统的总体方案 系统总体的设计目标是一个程序控制的基于装配体特征的三维参数化计算机辅 助设计系统。根据目前一些三维c a d 软件所具备的功能并参照国内利用c a d 软件进行 标准件及常用件开发的成熟技术，初步拟定的系统总体方案框架图如图2 2 所示。 厂面翮 标准件库 维c a d 环境 控制信息 用户界面 环境设置 调入 软体控制系统 参数输入 。；多；言爹i 二) _ 兰二恒 竺竺!兰竺一1- 生成j 零 件 三 维 模 型 图2 2 系统总体方案框架图 部 件 工 程 图 零 件 工 程 图 堕主堕壅 坚! ! ! 璧堕查兰壅垫塑兰曼叁垫垡塑盐至堑盟堕型 2 3 2 系统总体方案的实旖路线 根据系统总体方案，具体实施的步骤主要分为两大步，一是构建设计对象即m 7 3 0 铁路客车塞拉门的三维参数化模型；二是编制该参数化模型的软件控制程序。系统总 体方案的实旌路线及辅助软件如图2 3 所示。 图2 3 系统总体方案的实施路线图 产品的结构分析、约束及功能分析是参数化建模的基础，在这一步必须明晰产品 为满足功能要求应具备的基本尺寸关系，理清产品的部件之间、零件之间、以及零件 内部各特征之间的约束关联关系，并将各尺寸约束按照功能进行分类，找出主要参数 和次要参数，进而确定系统需要用户交互的参数。在产品结构、约束及功能关系理清 以后，接着就是如何构建出融合了这些约束关联关系的产品的装配体三维模型，这需 要三维的机械c a d 软件的支撑，好的三维c a d 软件对工作的进行能起到事半功倍的效 果。同时，计算机的操作系统也是一个需要重视的环节。建模完成后，第二步就是如 何建立用户与三维参数化模型的联系，实现人机交互，这就需要用高级编程语言来编 写控制程序及用户界面，此外，对于一些公差、粗糙度等信息还需要提供必要的数据 库，以实现这些信息的自动调用及更新。 2 3 3 相关工具的选型方案 一、建模工具的选取 由以上分析可知，系统设计对象的三维建模是一个至关重要的环节，而顺利的实 现这一步又是与建模工具的选取是分不开的。很显然，根据用户的需求及系统的总体 设计方案，建模工具软件只能锁定在三维建模能力较强的基于特征的商用机械c a d 软件上。按照软件的功能和应用领域，三维c a d 软件可以划分为高端与中端两个层次。 高端应用主要包括飞机、汽车等行业，这些产品往往具有复杂曲面，而且零部件数量 庞大。高端c a d 软件主要由各大制造厂商的技术部门发展而来，目前只有四种软件可 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 以称为高端，如表2 1 “所示。 软件名称厂商特 点 与i d m 紧密合作提供企业级的解决方案，主要 c a t i ad a s s a u l t s y s t e m ( 达索) 应用于飞机制造等大型企业 u ge d s 曲面和加工能力很强 i d e a s e d s ( 并购s d r c )有限元分析和变量化设计功能较强 p r o e n g i n e e r p t c参数化技术的创立者 表2 i 高端c a d 软件介绍 另外，c i m t r o n 、d e l c a m 等软件虽然也是高端应用，但这些软件的优势主要体现 在c a m 方面。 中端c a d 软件主要包括s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、i r o n c a d 、i n v e n t o r 和m d t 等， 其中影响较大的是s o l i d w o r k s 和s o l i d e d g e 。i r o n c a d 虽然在国外应用广泛，但在中 国才刚刚开始推广。i n v e n t o r 和m d t 都是a u t o d e s k 公司的产品，m d t 是从低端的 a u t o c a d 向中端机械类c a d 发展的一个过渡性产品，在国内具有一定的市场。i n v e n t o r 是a u t o d e s k 公司向中端c a d 方向发展的主要产品，但该软件的推广尚需时日。 s o l i d w o r k s 公司属于d a s s a u l ts y s t e m 公司的一个子公司，而s o l i d e d g e 属于e d s 。 表2 2 1 2 d 所示是四个公司的产品线。 公司名称高端c a d中端c a d低端c a d ( 二维) d a s s a u l ts y s t e mc a t i as o li d w o r k s e d su g 、i i ) e a ss o l i d e d g e p t c p r o e n g i n e e rp r o d e s k t o p a u r o d e s ki n v e n t o r 、m d ta u t o c a d 表2 2 中端c a d 软件介绍 如何在这些高端c a d 与中端c a d 里做一个合理的选择呢? 本系统选择的原则是： 既注重实用性又兼顾经济性，同时考虑企业的应用能力。 从实用性上考虑，首先是能够实现系统方案所确定的若干功能。高端c a d 软件不 仅在特征参数化建模方面功能较强，而且均提供了十分全面的工程支持，如逆向工程、 数控加工、产品数据的控制管理等，满足系统建模功能绰绰有余。中端三维c a d 软件 的发展历史普遍较短，主要提供造型功能，而在工程应用方面需要其他模块的支持， 但其三维特征造型功能均采用了高端c a d 软件的技术，其三维建模功能同样可以满足 硕士论文 m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 需要。相对而言，高端c a d 系统功能全面，但命令复杂，较难掌握。中端c a d 软件相 对简单直观，但功能多少有些欠缺。但是对于康尼公司这样一个中小型企业，仅仅需 要依靠c a d 软件进行基本的产品设计，而在工程方面的应用比如c a m 要求不高，因此 中端c a d 基本上可以满足用户的所有需求。此外，即使将来企业有这方面的要求，由 于中端c a d 软件都提供了与其它工程软件的接口，很容易获得其它模块的支持，以增 强其功能。 从经济上考虑，通常高端c a d 软件的售价往往远远高于中端c a d ，而且高端c a d 软件对计算机的硬件配置也提出了较高的要求，这势必会增加企业的设计成本。 从企业的应用能力上考虑，由于高端c a d 的应用难度较大，对其的二次开发更不 容易，而产品三维参数化c a d 系统开发完毕后并不是一劳永逸的，肯定要随着条件的 变化而做进一步地更新也即系统的二次开发，这一步往往需要企业内部人员来完成。 此外，企业的产品可能有多种，每种产品的辅助设计系统不可能全由企业外部人员开 发，而应该由企业内部人员举一反三地仿照进行。 综合以上理由，系统选择的建模软件应集中在中端c a d 方面。在项目的进行中， 康尼公司购买了s o l i d w o r k s2 0 0 3 作为企业的设计平台，为了与企业接轨我们的系统 也选择s o l i d w o r k s 作为建模工具。 二、编程工具及数据库工具的选取 编程工具的选择也关系到系统开发的成败。实现对s o l i d w o r k s 所建模型的程序 控制，类似于对s o l i d w o r k s 的二次开发。s o l i d w o r k s 支持采用高级语言对其进行二 次开发及建模的编程控制。任何支持o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，对象的 链接与嵌入) 和c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 的编程语言都可以作 为s o l i d w o r k s 的开发工具。因此s o l i d w o r k s 的二次开发工具较多，主要的有： ( 1 ) d e l p h i d e l p h i 是b o r l a n d 公司的产品，是一个基于w i n d o w s 的可视化编程环境。其第 一个版本d e l p h il 0 是1 9 9 5 年2 月推出的。它提供给用户一种全新的可视化环境， 用于快速开发w i n d o w s 的应用程序。之后又陆续推出了d e l p h i 2 0 ，d e l p h i3 0 ， 1 9 9 8 年8 月，b o r l a n d 公司更名为i n p r i s e 公司，之后又陆续推出了d e l p h i 4 0 ， d e l p h i5 0 ，d e l p h i6 0 ，目前最新版本是d e l p h i 7 0 。 d e l p h i 是基于o b j e c tp a s c a l 的开发工具，它具有高性能的3 2 位本地优化代 码编译器。其应用程序像用c 十十语言编写的应用程序一样，可直接运行，能够最终生 成可单独执行的d l l 与e k e 文件。d e l p h i 作为一种面向对象的可视化开发工具，其 主要特点有：能快速开发应用程序，具有高效的可视化构件库与面向对象的架构；具 有集成的快速报表生成工具和集成的图表构件，能将企业数据转换成决策信息；能 可视化地创建构件，并能通过鼠标拖放生成构件模板；具有多种操作向导，可加速程 硕士论文m 7 3 0 铁路客车塞拉门产品参数化设计系统的研制 序编写和减少语法错误：具有开放式数据库架构，能够轻松连接企业内的各式数据库 结构：具有集成的数据库开发工具、强大的客户机服务器运算开发功能以及可伸缩