（机械制造及其自动化专业论文）基于mdt的装配尺寸链生成与公差分析系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文结合国家自然科学基金项目“综合公差计算机辅助设计系统研究” ( 5 9 7 0 5 0 2 2 ) ，研究了基于m d 丁的装配尺寸链自动生成与公差分析技术，开发了 计算机辅助公差分析系统的原型系统。论文的主要研究内容如下： 第章：本章在分析尺寸链自动生成技术、计算机辅助公差分析与设计系统 的研究现状的基础上，提出了本论文研究的主要内容和结构安排。 第二章：研究了m d t 的约束机制，分析了m d t 支持的三种约束5 f 尺寸约 束、几何约束和装配约束的特点。结合i s o 厂r c 2 1 3 的特征类型研究了各实际特征 和拟合派生特征，从而将变动几何约束分为自参考、互参考和配合变动几何约束 三类。) ， 第三章：在研究机械装配关系信息要求基础上，分析了几种常用的装配信息 模型；引入了对象的概念，采用了自上而下的装配数据库方式，结合公差系统的 特点对装配信息模型加以改进，提出了面向尺寸链的装配数据库这一概念，并软 件实现之，最后给出了该数据库中的零件类、装配类和约束链类的定义。 第四章：提出了基于装配图约束关系的尺寸链自动生成原理其原理为在装 配图上指定封闭环后，系统在该装配图中提取该次装配的装配约束，并自动查找 与该封闭环属于同一装配尺寸链的各零件，获得它们的相关尺寸信息，从而迸 步自动生成尺寸链。装配尺寸链的自动生成是后续公差分析和公差综合的基础。夕矿7 第五章：研究了尺寸链组成环和封闭环的尺寸分布模型，提出依据不同装配 特点可将封闭环尺寸模型分为正态分布和分布两种，最后应用分布模型进行 了尺寸公差分析研究。 第六章：开发了基于m d t 的三维公差分析系统的原型系统。 ( 第七章：对全文进行总结；对计算机辅助公差分析系统需进一步开展的工作 进行了探讨和展望。卢”毋 关键词：装配尺寸链，自动生成，特霍变动几何约束，公差分析，m d t a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h e “s t u d yo nc o m p u t e ra i d e d t o l e r a n c i n gs y s t e m ”r n a t i o n a ln a t u r e s c i e n c ef u n dp r o j e c t ，n o ：5 9 7 0 5 0 2 2 ) ，t h et e c h n o l o g yo f t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no f a s s e m b l yd i m e n s i o nc h a i na n dt o l e r a n c ea n a l y s i sb a s e do nm d t i sp r e s e n t e d t h e p r o t o t y p es y s t e mf o rc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c ea n a l y s i si sd e v e l o p e da n dp r o v e db y e x a m p l e s ， i nt h ef i r s t c h a p t e r , s t a t e - o f - t h e a r t s o fc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g ( c a t l s y s t e ma th o m ea n d a b r o a da r es u m m a r i z e d t h et e c h n o l o g yo ft h ea u t o m a t i c g e n e r a t i o no fa s s e m b l yd i m e n s i o n c h a i ni sa l s oa n a l y z e d m a i nc o n t e n t sa n dg e n e r a l s t r u c t u r es c h e m eo f t h i sd i s s e r t a t i o na r e p r e s e n t ， l nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ec o n s t r a i n t sm e c h a n i s mo fm d ti ss t u d i e d d i m e n s i o n c o n s t r a i n t s g e o m e t r i cc o n s t r a i n t sa n da s s e m b l yc o n s t r a i n i so fm d t a r ea n a l y z e d c o m b i n e dw i t hn e wf e a t u r et y p ed e f m e db yi s o ，t c2 1 3a n db a s e do nt h ef e a t u r eo f s p a c i a lm o v e m e n t - p a i r , s e v e nf e a t u r e sa r ea n a l y z e d v a r i a t i o n a lg e o m e t r i cc o n s t r a i n t s g c ) a r ec l a s s i f i e d a ss e l f - r e f e r e n t e dv g c ，c r o s s r e f e r e n c e dv g ca n dm a t i n g v g c s e v e nk i n d so fs e l f - r e f e r e n c e dv g c 。a n ds i xk i n d sl o w e r - p a i rm a t i n gv g ca r e c l a s s i f i e d ht h et h i r dc h a p t e r , t h er e l a t i o n s h i po fm e c h a n i c a la s s e m b l ya n di n f o r m a t i o n r c q u e s ti ss t u d i e d s e v e r a ic o l m n o na s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e l sa r ea n a l y z e d t h e c o n c e d ta n df e a t u r eo fo b j e c ta r ei m p o r t e d t o p - d o w na s s e m b l yd a t a b a s ew a yi s a d o p t e da n dt h ea s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e li si m p r o v e dw i t ht h ec o n c e mo ft h e c h a r a c t e ro ft h ec a t t h ec o n c e p to fa s s e m b l yd a t a b a s ef a c e dt od i m e n s i o nc h a i ni s p u tf o r w a r da n dr e a l i z e d a tl a s t , t h ed e f i n i t i o no f t h ep a r tc l a s s a s s e m b l yc l a s sa n d c o n s t r a i n tc l a s so f t h ea s s e m b l ed a t a b a s ea r eg i y e n ht h ef o u r t he h n p t e r , t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o nt h e o r yo ft h ed i m e n s i o nc h a i n b a s e do na s s e m b l ed r a w i n gi sp u tf o r w a r d f i r s t , t h ec l o s i n gl o o pi ss p e c i f i e di nt h e a s s e m b l yd r a w i n gb y t h el l s e r t h e ns y s t e mc a n g e tt h ea s s e m b l yc o n s t r a i n t sf r o m t h e d r a w i n ga n df i n da l lt h ep a r t si o i n e di nt h i sa s s e m b l er e l a t i o n t h ep a r i s r e l a t e d d i m e n s i o ni n f o r m a t i o ni sa l s oo b t a i n e d t h ed i m e n s i o nc h a i ni sg e n e r a t e dl a t e r i nt h ef i f u lc h a p t e r , t h ed i m e n s i o nd i s t r i b u t i 雌m o d e l so ft h eb u i l d u pl o o pa n d c l o s i n gl o o pa l es t u d i e d p u t t i n gf o r w a r d t h a tc l o s i n g l o o pc a nb ed i v i d e di n t on o r m a l d i s t r i b u t i o nm o d e la n db e t ad i s t r i b u t i o nm o d e l a tt h ee n d ，t o l e r a n c ea n a l y s i si s s t u d i e db a s e do nt h eb e t ad i s t r i b u t i o nm o d e l i nt h es i x t hc h a p t e r , t h e p r o t o t y p es y s t e m f o rt h r e e d i m e n s i o n a lt o l e r a n c ed e s i g n b a s e do nm d ti ss t u d i e d i nt h es e v e n t hc h a p t e r , a l 】o ft h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a f i o nj ss u m m e du d n e f u t u r er e s e a r c ho f c o m p u t e r - a i d e dt o l e r a n c i n gi sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：a s s e m b l yd i m e n s i o nc h a i n ，a u t o m a t i cg e n e r a t i o n ，f e a t u r e ，v a r i a t i o n a l g e o m e t r i cc o n s t r a i n t s ，t o l e r a n c ea n a l y s i s ，m d t i i - 第一章绪论 第一章绪论 内容提要 在分析计算机辅助公差设计系统的研究现状和亟待解决的关键技术的基础 上，提出了本课题的研究内容及论文的总体框架 1 1 引言 计算机辅助公差设计( c o m p u t e r a i d e dt o l e r a n t m g - c a t ) 指在机械产品的 设计、加工、装配、检测等过程中，利用计算机对产品及其零部件的尺寸和公差 进行并行优化和监控，力图用最低的成本，设计并制造出满足用户精度要求的产 品的过程。计算机辅助公差设计是c a d c a m 集成中的关键技术之一【l 吲，它不 仅影响产品的质量，且对制造成本起着决定性影响。随着c a d c a m 集成技术 的发展，计算机辅助公差设计系统的研究的重要性日渐突出，国内外众多学者从 事该领域的理论研究和软件开发，取得了显著的成果。 然而，目前c a t 的研究仍落后于c a d 、c a p p 、c a m 自身的研究，使其无 法与c a d c a m 集成、c i m s 的发展相适应，从而已成为制约它们进一步发展的 一大关键所在。因此，计算机辅助公差设计( c a t ) 已成为c a d c a m 集成的瓶 颈技术，亟待解决。本章在总结了计算机辅助公差设计系统的研究现状、研究成 果和亟待解决的关键技术的前提下，提出了本课题的研究内容及总体框架。 1 2 计算机辅助公差设计的提出和发展 1 9 7 8 年，b j o r k e 教授在其专著 ( c o m p u t e r a i d e d t o l e r a n c i n g ) ) 中提出利用计 算机进行尺寸公差设计( 该书的第二版于1 9 8 9 年由a s m e 出版1 7 1 ) ，这标志着 c a t 技术发展的开端。 】9 8 8 年，以色列学者w e i l l 发表了( t o l e r a n c i n gf o r f u n c t i o n ) ) 滞j 一文，这是 c a t 研究的另一个重要的转折点，掀起了世界范围内的c a t 研究热潮。国际生 产工程协会c i r p 于1 9 8 9 年召开的首届计算机辅助公差设计专题学术国际会议 在以色列的海法召开，并规定从此每隔一年召开一次国际c a t 学术会议。 1 9 9 1 、1 9 9 3 和1 9 9 5 年，分别在美国、法国和日本召开了第二、三和四届国 际c a t 会议b 9 】，这段时间是计算机辅助公差设计理论研究的发展期。c l e m e n t f 4 】 等提出了t t r s 理论奠定了在c a d 系统中建模尺寸和形位公差的基础；美国机 械工程师学会于1 9 9 4 年颁布了最新的尺寸和公差标准( a n s iy 1 4 5 m ，1 9 9 4 i l o j ) ； 誊。： 第一章绪论 在1 9 9 4 年1 月的佛罗里达会议上，i s o 联合协调小组( j o i n th a r m o n i z a t i o n g r o u p f 1 ) 批准组建统计公差工作小组，1 9 9 5 年i s o 建立了以s r i n v a s a n 教授为 首的统计公差工作小组着手统计公差标准的研究和准备工作。1 9 9 6 年6 月1 4 日， i s o 成立技术委员会2 1 3 ( i s o t c2 1 3 t 1 2 】) ，其主要致力于“尺寸和几何产品规 范和检测”标准的制定。 1 9 9 7 年第五届国际c a t 会议在加拿大温索尔大学召开i l ”，这次会议的主题 是形位公差设计的研究和实用性公差设计软件的开发。该校的n a s s e f 于1 9 9 7 年 撰写的博士论文 1 4 1 开始了计算机辅助形位公差设计理论研究；同年，中国学者张 洪潮教授主编了 a d v a n c e dt o l e r a n c i n gt e c h n i q u e s i l 副一书。 1 9 9 9 年第六届公差会议在荷兰t w e n t e 大学召开i l “，开发实用的三维c a t 系 统成为这次会议的主题。s a l o m o n s 博士自1 9 9 5 年完成其博士论文f 6 】以来，一直 致力于实用性c a t 系统的开发，其研究小组开发的f r o o m 系统可实现二维的 公差分析。 2 0 0 0 年8 月，国内首届计算机辅助公差设计专题会议在浙江大学召开，会议 录上共收录了1 0 2 篇论文【1 7 】，这是国内c a t 研究者的一次学术盛会。 2 0 0 1 年第七届国际公差会议再次在法国举行【l ”，这次会议的主题是i s o t c 2 1 3 制定的g p s 系统。 从8 0 年代至今，c a t 的理论研究和标准制定越来越成熟，同时c a t 的软件 开发方兴未艾。目前国外有关计算机辅助公差设计系统的研究现状为： 以c l e m e n t 、b o u r d e t 等为代表的法国公差研究团体从8 0 年代起就一直致力 于公差理论研究和软件的开发，发表了大量博士论文【1 8 】和学术论文1 4 , 8 , 9 ，c l e m e n t 的t t r s 理论是法国流派的理论核心。美国b r i g h a my o u n g 大学的c h a s e 教授及 其领导的a d c a t s 协会( a s s o c i a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra i d e d t o l e r a n c i n gs y s t e m ) 对二维和三维公差分析的理论研究和软件开发独树一帜 i ”- 2 2 。自1 9 8 4 年召开了第一届年会以来，该协会一直致力于基于c a d 系统的公 差分析软件的开发，成果显著。荷兰t w e n t e 大学的一批研究人员，如s a l o m o n s 等将研究重点放在实用化c a t 软件的研究上 2 3 - 2 5 ，其f r o o m 系统旨在实现 c a d c a p p 集成环境的公差表示和分析，其实质上是1 v r r s 理论的实用化；该系 统和法国流派的理论研究相得益彰。加拿大w i n d o r 大学的e 1 m a r a g h y 教授【2 6 】领 导的研究团体主要从事形位公差设计、检测等领域的研究。南洋理工大学的n g o i 教授2 7 瑚】一直从事于c a p p 系统中的自动公差图技术以及工序公差的最优分配。 美国德克萨斯技术大学的张洪潮教授1 2 9 椰1 一直致力于c a p p 系统中公差分析技 术的研究。加拿大v i c t o f i a 大学的董佐民教授 3 1 - 3 3 】最早系统地研究公差的成本模 型的建立。 目前国内有关计算机辅助公差设计系统的研究现状为：浙江大学1 3 4 - 3 6 的吴昭 第一章绪论 同教授、杨将新教授及其计算机辅助公差设计课题组从1 9 9 3 年起连续获得“计 算机辅助公差设计”、“设计和制造公差并行优化设计的研究”、“综合公差计算机 辅助设计系统的研究”三个国家自然科学基金资助项目，并出版了国内首本c a t 专著计算机辅助公差优化设计【2 】o 重庆大学t ”3 8 】的张根保教授等一批学 者一直从事c a t 的研究，并在公差并行设计、分形公差理论等领域取得了成果。 华中科技大学f 3 9 】的李柱教授、徐振高教授等很早就从事互换性与测量技术研究， 并对中国的c a t 研究投入了极大的热情，在统计公差及其误差评定等领域的研 究成果显著。另外，哈尔滨工业大学4 0 4 ”、北京理工大学4 2 。43 1 、上海交通大学“4 5 1 、 西安交通大学、合肥工业大学等高校都有专门从事c a t 技术的研究团体，进行 了不少工作，在国内外发表了很多学术论文。 综上所述，目前c a t 系统领域每隔一年召开c a t 国际会议，每次会议都有 其主题，代表了当前c a t 研究的最新发展方向。虽然c a t 系统的研究取得了一 定的成果，但还是不能适应c a d c a p p c a m 集成的研究和发展，并且商业化 c a t 软件的开发和推广仍举步维艰，c a t 系统的研究机遇与挑战并存。 1 3 计算机辅助公差设计的关键技术 1 3 1 并行公差设计理论1 5 舯 传统公差设计的研究集中在四个阶段：在产品设计阶段，设计者根据产品的 精度指标和产品结构确定和分析设计公差，很少考虑加工和制造问题，在公差分 配时所用的成本模型不能反映实际加工工艺的因素，因此所确定的公差往往不能 达到最低加工成本；在工艺设计阶段，工艺师根据设计公差确定加工工艺路线、 加工方法、加工余量和加工公差，目的是满足零件的设计公差要求，基本上不考 虑产品的功能要求和结构设计，工艺人员的工作仅仅是把不合理的设计信息反馈 给设计人员；在加工制造阶段，操作工人只须按工艺规程调整和操作机床，目的 是保证零件的实际误差小于或等于工艺设计中确定的加工公差；在质量检验阶 段，检验师只考虑已加工零件的检验问题，并与设计公差相比看它是否满足设计 公差要求，也不需要考虑产品的功能要求、设计结构和加工方式。 这种处理公差的方式不符合并行公差的原理，从而带来很多问题，会使制造 成本增加，设计和制造周期变长。由此可见，大力加强并行公差设计理论的研究， 在设计阶段就直接求出满足设计要求的加工公差和检验规程是一个重要的任务。 1 3 2 动态公差控制i “l 传统的公差控制是一级一级向后“保障”的，即产品设计阶段产生的设计公 差应保障产品规划阶段所确定的产品精度指标；在工艺设计阶段所确定的加工公 差应保障设计公差：在加工阶段所得到的零件误差应小于或等于加工公差；在装 # ：l j 。； 第一章绪论 配后所得到的产品实际精度应小于或等于产品的精度指标。这种逐级向后保障的 体系具有逐级紧缩公差的倾向，事实上增加了制造成本。 在动态公差控制( 国外有文献称为顺序公差控制) 中，公差数值并不是固定 不变的，每加工完一个零件后，即对该零件进行测量，得到实际的误差值后，再 把该值带入加工方程重新进行计算，得到未加工的零件的公差值。这种动态公差 控制系统可以使加工成本最小化，所存在的问题是，测量成本增加，同一装配中 的零件必须按顺序进行加工，零件的互换性变差。 1 3 3 公差成本模型1 4 “w 为了实现合理的公差分配，建立一个实用性的成本模型是非常重要的。目前 国内外提出的成本模型主要归纳起来有八种：指数模型、幂指数模型、负平方模 型、多项式模型、指数和幂指数组合模型、线性和指数组合模型、指数和分式组 合模型、指数和倒指数组合模型。这些模型都有一个共同的特点，即它们都是基 于“公差越小、成本越高”这样一个观察事实的。在实际应用中，实现选择一个 适当的模型，然后根据收集到的公差成本数据采用曲线拟合的方式确定模型中的 各个系数。用这种方法建立的成本模型没有与具体实现公差的加工工艺过程联系 起来，因而无法确切反映公差和成本之间的真实关系。另一方面，全面收集这些 公差成本数据也是很不现实的。所以，上述公差成本模型基本上无法在实际中应 用。所以，应彻底抛弃现行成本模型的建立方法，开发出一个与工艺过程相联系 的、以数据库为支持的、实用性强的、面向并行公差设计的成本模型。 1 3 4 功能尺寸的智能和自动化标注p i 驯 在c a d t 中，如何根据产品的功能要求确定最佳尺寸标注模式是一个很重 要且复杂的问题。通常要花费设计人员很多的时间和精力。解决这一问题的可行 方法是采用尺寸链技术，首先识别一个装配中的所有尺寸链，再根据通过每个零 件的尺寸链数目确定功能尺寸的标注模式。在确定所有功能尺寸的标注后，再根 据加工和读图的方便性等因素确定j e 功能尺寸的标注模型。在传统的方式中，一 般是首先确定尺寸的标注模式，然后再形成尺寸链。此外，在传统的设计过程中， 尺寸标注都局限在零件的水平上，根本无法找出符合功能要求的尺寸标注模式。 除了确定尺寸标注模式外，尺寸在图纸上的自动标注( 主要是布局问题) 也是个 复杂问题，需要借助于人工智能技术。 1 3 5 形位公差的确定 s 0 s 3 i 一直到目前，公差设计的大部分研究工作都集中在尺寸公差方面，对形位公 差则涉及得极少，但实际上，形位公差与尺寸公差具有同等的重要性。事实上， 形位公差比尺寸公差要复杂得多。尺寸公差一般可采用尺寸链技术来解决，但形 位公差还没有成熟的技术。形位公差问题一般包括形位公差类型的确定和公差值 的确定两部分内容。在确定形位公差的类型时，应首先建立形位误差传递链，用 4 第一章绪论 来表示形位误差对功能的定量影响关系。有了误差传递链后，就可以容易地进行 公差的分配和分析了。在进行公差的分配和分析时，还应充分考虑形位误差之间 以及形位误差和尺寸误差之间的非线性叠加问题。在制造工艺方面，应研究形位 误差与加工设备。加工工艺之间的关系，应能根据加工设备和已确定的工艺过程 确定所能产生的最大形位误差，并由此来确定设计要求是否能够被保障。 1 3 6 功能方程和加工方程的自动生成1 9 , 1 3 , 1 6 】 功能方程建立了产品精度指标与零部件误差之间的关系式，借助于功能方程 实现设计阶段公差的分配和分析。进行尺寸公差设计时，功能方程可利用尺寸链 来建立。在进行形位公差设计时，功能方程的建立需要搜索装配模型数据库。加 工方程建立了零部件公差与加工误差之间的关系式，借助于加工方程实现工艺设 计阶段公差的分配和分析。功能方程和加工方程的建立在c a d t 中是一项及其 重要而且是及其困难的工作。为了建立功能方程，可以利用c a d 中的装配模型， 对于比较复杂的装配结构，就需要借助于网络图来表达装配，利用计算机对网络 图进行处理，可以方便地生成功能方程，并获取公差设计所需的全部信息。 1 3 7 公差信息在计算机中的表示l g , e , 4 j 为了使公差设计与产品设计真正集成在一起，并实现设计与制造信息的集 成，需要在c a d 中完整、准确、方便地表达公差信息。但目前的c a d 系统普 遍缺乏这一功能，从而制约了c a d t 的进一步发展。公差信息的表示方法一般 可分为实体特征表示法、变量几何表示法和i s o 公差带法。在实体特征表示法中， 公差一般使作为构成特征的元素的附属信息。在变量几何表示法中，公差被看作 尺寸参数的微小变化，作为尺寸参数的附属信息。在i s o 公差带表示法中，用表 示特征变化的公差带和表示特征位置和方向公差基准的参考框架来表示公差信 息。 1 3 8 公差的数学化表示m ”1 i s o 公差系统已在实践中应用多年，很适合手工设计环境。但随着计算机技 术在设计和制造中的推广应用，i s o 公差系统已越来越显示出它的不足，最突出 的缺陷在于i s o 公差很不适合计算机的表达、处理以及在各个阶段的数据传递。 所以，以美国机械工程师学会和美国国家标准研究所为首的学术组织和一些专家 学者正在加紧研究适合于计算机处理的公差信息的表示方法，i s o 的s t e p 行动 组也在研究s t e p 标准中公差信息的表示方法，也取得了一定的效果。 一个新的公差系统应满足以下条件： 1 ) 能够确切反映产品的功能要求： 2 ) 能够使加工中的误差补偿； 3 ) 便于用三坐标测量机进行测量和数据处理； 4 ) 使计算机处理公差信息变得更加容易、更加直观，特别要便于用计算机表 漱蕊：泓 第一章绪论 达和处理公差信息，便于公差信息在设计、工艺、加工和检测各阶段中传 递。 5 ) 应具备表达i s o 公差的能力，因为经过多年的实际应用，i s o 公差已在广 大技术人员中深深地扎下了根，从i s o 公差向新公差系统地过渡将是个漫 长的过程，需要两种公差系统之间能够实现相互表达和换算。 1 3 9 尺寸链技术的应用i 硎 尺寸链技术在c a d t 中是一种重要的技术。在产品设计中，需要借助于装 配尺寸链技术确定最佳功能尺寸标注模式，也需要借助于装配尺寸链技术获得设 计函数，从而实现公差的分配和分析。在建立尺寸链方程时，可以采用变量几何 方法，也可以采用对装配模型进行搜索的方法。采用变量几何方法生成尺寸链时， 可以采用“睹箱”操作的方式，借用现成c a d 软件进行公差的分配和分析。在 工艺设计中，需要借助于工艺尺寸链技术生成加工方程。 1 4 尺寸链生成方法研究现状 1 4 1 国内外传统的尺寸链生成方法 自从b i o r k e 教授在其专著( c o m p u t e r a i d e dt o l e r a n c i n g ) ) 【_ 中提出计算机辅 助公差设计这一概念以来，经国内外专家的努力，己出现了多种公差设计系统。 从功能实现的角度而亩，现在的公差系统着重于利用计算机计算的功能，通过设 计算法，用户在该公差系统中输入零件的各个尺寸信息后，系统可以实现尺寸链 的搜索和生成，进行公差的分析。例如d a s s a u l ts y s t e m s 的c a t i a 3 df d t t m 、 t e x a s 公司的t i 厂r o l3 d + t m 、v s a 公司的v s a g d t 和v s a 3 d ，德国 h e x a g o n 的t o l 等。国内的有同济大学i s 6 机械工程系开发的利用f o x p r o 数据 库的公差系统，这个系统利用了数据库技术，编制了标准公差等常用数据库，用 户在选定公差精度后可直接查询，以减少设计人员的输入工作量和出错的可能 性。华中理工大学 5 8 i c a d 中心对基于特征的装配尺寸链自动生成进行了研究， 通过一个二维整数数组来形成零件邻接矩阵来表示装配体中各零件之间的装配 关系，在分析零件邻接矩阵后得到装配信息，从而形成装配信息数据库。清华大 学 5 9 】机械设计研究室开发的公差系统使用“零件配合关系图”和“零件配合关系 矢量矩阵”来自动获取装配体配合零件链。 上面这些系统大都可以实现尺寸链的生成和公差的分析，但有个共同的不足 之处是在集成三维c a d 系统方面做的不够，并且这些系统都独立于c a d 系统， 不能做到从c a d 系统中提取信息，其思路都是通过手工生成装配信息数据库后 再利用计算机的计算功能生成尺寸链。而一般的使用者习惯的是通过c a d 系统 来进行图纸的管理，需要使用者在使用管理图纸的c a d 系统外还要使用公差系 ，；麓强，；池 6 第一章绪 论 统，而且需要将图纸信息重新输入到公差系统中，这样给使用带来了较大的不方 便，没有实现基于c a d 系统的自动生成。 1 4 2 重庆大学基于c a d 软件的尺寸链生成方法岬1 重庆大学开发的公差系统较好的结合了c a d 软件，利用现有的c a d 软件 来建立产品的装配模型。他们用v b 作开发语言，采用s o l i d e d g e 作为实现过程 中的c a d 支持软件，借助o l e 技术，将s o l i d e d g e 作为服务器应用程序使用， 提供它的内部函数作为可被访问的对象。而把v b 应用程序作为容器应用程序来 操作。较好的利用了s o l i d e d g e 提供的对象层次结构关系，对最终使用者而言， 开发出来的公差系统被表现为在原有c a d 系统内部增加了一些命令，充分的利 用了已有的c a d 系统，是在集成c a d 系统方面跨出了重要的一步。 这个系统的实现原理是在v b 应用程序中，对驱动尺寸集采用遍历算法，找 出所有与特定封闭环尺寸值相关的尺寸，从而把这些尺寸作为该封闭环相对应的 组成环。由于驱动尺寸是实体在图纸中形成后由用户在图上一个个标注的，因此 驱动尺寸标全与否和正确与否对尺寸链能否正确生成有决定性的影响。从现有 c a d 系统的约束的特点来看，c a d 系统提供的约束包括尺寸约束、几何约束和 装配约束，装配约束是主要为装配设计的，几何约束则包含了大量的几何图形元 素的约束信息，因此仅靠尺寸约束没有充分利用c a d 系统提供的约束，用尺寸 约束来实现尺寸链的搜索对复杂的装配体很难做到，而且仅利用驱动尺寸对于系 统以后进行形位公差的相关开发工作无能为力。 1 5 本课题研究内容及总体框架 1 5 1 开发平台的选择1 6 1 删 从开发c a d 软件的方法来看有两条途径：一条是利用众多的技术人员开发 自主版权的c a d 软件，如华中理工大学开发的开目c a d ；另一条是在已有的软 件基础上进行二次开发，如北京大恒公司的h m c a d 、清华大学艾克斯特、天河 公司的c a d 等。任何一个比较成功的自主版权的c a d 软件，都不是少数人能 够在短时间内完成的，这必然要耗费大量的人力和物力。而采用二次开发技术开 发软件则是一种简捷的途径。所谓二次开发，就是在已有软件的基础上，由少数 既掌握计算机又懂得产品设计的人员针对某一领域或某一产品而开发的应用软 件。这种开发方法具有开发周期短、投资少、效率高和实用等特点。本论文基于 的系统就属于二次开发。 本文所开发的计算机辅助形位公差设计系统是以m e c h a n i c a ld e s k t o p5 0 ( 英 文版) 为开发平台( m e c h a n i c a ld e s k t o p 简称m d t ) ，采用的开发工具是m c a d a p i 、o b j e c t a r x 2 0 0 0 和v c + + 6 0 。 | 童矗e 第一章绪论 m d t ( m e c h a n i c a ld e s k t o p ) 是基于特征的参数化三维实体造型软件，是目前 运行于微机上的优秀机械c a d 软件。m d t 包含两个功能模块：实体造型功能模 块( d e s i g n e r ) 和曲面造型功能模块( a u t o s u r 0 。其中实体造型又包含零件造型和装 配造型。使用m d t ，不仅可以进行产品的三维设计，而且可以根据三维实体模 型自动生成与实体模型双向关联的二维工程视图。并且可以通过i g e s 实现与 c a m 的完美结合。 m d t 以a c i s5 为建模核心，与a u t o c a d2 0 0 0 和g e n i u sd e s k t o p 有机地结 合在起，再加上其它诸多方面的改进，使这一世界上最为畅销的基于w i n d o w s 平台的三维设计软件，在性能上得到了全方位的提升。 本文之所以选择m d t 为开发平台进行c a t 系统的开发，主要原因有： 首先，它包含了a u t o c a d2 0 0 0 的全部功能，而a u t o c a d2 0 0 0 作为世界上 最畅销的二维设计软件的最新版本，不但增加或增强了4 0 0 多个新特性，而且成 为了a u t o d e s k d e s i g n 2 0 0 0 系列软件产品的基础核心技术。现在已经在全世界范 围内被广泛使用。从m d t4 0 平台起，其内部还集成了大量专门针对机械工程 设计的强大工具，其中包括g e n i u sd e s k t o p3 的主要功能和a u t o c a dm e c h a n i c a l r 1 4 5 的二维绘图工具集。此外，该版本的m d t 采用了a c i s5 建模核心，这 意味着可以使用它构建比以前更复杂的几何模型，建模速度更快，已经在三维机 械绘图领域得到了广泛的使用。 其次，m d t 内部带有一个i g e s ( i n i t i a lg r a p h i ce x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 文件 转换器，即a u t o c a di g e st r a n s l a t o r ，简称a j t 。i g e s 作为可以在很多c a d 系统之间进行数据交换的标准，得到大多数c a d 销售商的支持。因此，基于 m d t 开发c a t 系统具有和其它c a d 系统的兼容性，为c a t 系统最终具有广泛 应用价值的商业化奠定了基础。 第三，m d t 开发性的结构使其具有了良好的二次开发能力。a u t o d e s k 公司 为m d t 开发的m a p i 函数库和为a u t o c a d 开发的o b j e c t a r x 函数库都可以在 m d t 中作为二次开发工具。这些为研究开发工作提供了很大的便利。使公差思 想能够比较方便的用计算机语言来实现。 1 5 2 开发工具的特点1 6 堋】 本论文所基于的系统使用的开发平台是开发工具主要有a u t o d e s k 公司提供 的a r x 开发环境下的m c a d a p i 、o b j e c t a r x2 0 0 0 和微软公司的m f c 类库。其 中m c a d a p i 和o b j e c t a r x2 0 0 0 是a u t o d e s k 公司提供的特定对该公司产品使用 的二次开发工具。 1 9 9 6 年8 月，a u t o d e s k 公司推出了a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n 实时扩展( 简 称a r x ) ，这一全新的a u t o c a d 和m d t 下的开发环境，利用了v c + 十的强大功 能，使c a d 产品的开发变得更容易，功能更强大。 。i 瓿藩；越 第一章绪论 a r x 开发环境提供了一个面向对象的c + + 应用程序接口，开发人员可以利 用接口使用、修改和扩展a u t o c a d 和m d t 。用v c 十+ 语言编写的程序经过编译、 链接，最后生成a r x 应用程序。a r x 应用程序是一个分享a u t o c a d 的地址空 间、并可对a u t o c a d 直接调用的动态链接库，采用可扩展性思想设计出的a r x 库，库中包含了用于定义新类的宏，提供了对已存在库中的类进行实时添加新功 能的能力，此外，为了使开发者能根据自己的需要和能力选择开发工具，a r x 库提供了与a d s 及a u t ol i s p 应用程序相链接的接口。a i l y 库中有各种各样的 系列工具，开发人员可以通过a u t o c a d 的开放结构，直接对a u t o c a d 的数据 结构、图形系统和内部命令进行操作。 m c a d a p i 作为a u t o d e s k 公司第一套机械应用程序初始化软件产品f m a i ) ， 实质上是以类对象为参数的函数集，因而它又被称为函数化的c 十十接口。通 过它不仅可以访问各种二维、三维模型，还可以访问所绘模型中的各个几何要素。 “钥匙k e y ”是m c a d a p i 工具的最大特色，也是贯穿于m c a d a p i 始终 的一大概念。大部分a p i 函数的参数都包含k e y 的对象，因此可以说理解了 k e y 就等于抓住了m c a da p i 的内涵。在m c a da p i 中，k e y 是引用各种实 体的对象，它只储存对象的引用信息，并不储存实体；不同类型的k e y 所存储 的信息各不相同。k e y 的另一特点是它的稳定性。即使它所指向的对象的属性 已经改变，k e y 也不会变，就像房间里的东西有了改动，甚至房主易人了，钥 匙也不会变。例如，某个几何k e y 指向零件的某个面，由于约束参数变动引起 该面的外形改变，k e y 的指向也是不会改变的。m c a d a p i 中的k e y 也分不同 类型，如几何k e y 、草图k e y 、约束k e y 、参数k e y 、特征k e y 等。它具有 树状相互继承的结构，基类为a m i o b j e c t k e y 。m c a da p i 开发工具不提倡过多 深入对k e y 类进行操作。一般地使用k e y 对象只在a p i 函数的参数中。 “属性”是贯穿于m c a d a p i 始终的另一主要概念，它的基类a m i a t 【r i b u t e 提供了查询属性的各种方法。开发者可从包含属性对象的图形文件中获得属性， 或从属性定义文件中获得属性，或派生所需的属性类。m c a d a p i 的属性类使用 方法与a r _ x 中的属性类使用类似。 a r x 库包括下面几个子库： a c r x 库：提供了一系列的类，用来进行动态链接库d l l 的初始化、链接和 实时类定义与识别，这个库的基类是a c r x o b j e c t 。 a c e d 库：提供了用来定义、登记新的a u t o c a d 命令的类，定义后的新命 令和a u t o c a d 内部命令一样，并且由于它们有与内部命令一样的结构，被称为 n a t i v e 命令。在a c e d 库中一个重要的类是a c e d i t o r r e a c t o r ，它用来监视a u t o c a d 的状态，并报告应用程序事件的发生，如命令的开始、结束和中止。 a c d b 库：提供了用来使用a u t o c a d 内部的数据结构的类，这些资料一部 o i 蔓。：，：? 9 第一章绪论 分是存贮图形物体的所有信息，被称为实体：另一部分是存贮a u t o c a d 中非图 形的组成部分，如层、线型、文本方式。开发者可以使用a c d b 库来查询和处理 存在的a u t o c a d 实体，并可创建新的数据实体。 a c g i 库：提供了绘制a u t o c a d 实体的图形接口。 a c g e 库：通常被a c d b 库使用，提供了实用类，如向量、点等，还提供了 一些简单的几何物体如曲面、平面等。a c g e 库中的类主要由两个集合组成：2 d 几何体类和3 d 几何体类，主要的基类是a c g e e n t i t y 2 d 和a c g e e n t i t y 3 d 。 a d s 库：建立a u t o c a d 应用的c 语言库，a r x 应用程序使用这个库进行 一些操作，如实体的选择、数据查询等。 1 5 3 本文的研究内容 综合以上分析，国内外计算机辅助