（机械制造及其自动化专业论文）基于proe的端面传动蜗轮副的计算机辅助设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 端面传动蜗轮副，一种新型的蜗杆传动形式，由普通的圆柱蜗杆和端面 蜗轮组成。开展对端面传动蜗轮副的研究对开发研制出啮合性能优良的新型 传动装置具有重要的理论意义和实用价值。本论文从啮合理论和三维参数化 c a d 两个方面对端面传动蜗轮副展开了研究。主要的研究内容如下： 依据微分几何和齿轮啮合原理建立了端面传动蜗轮副的通用数学模型， 并以左旋阿基米德蜗杆为例在该啮合理论体系中对瞬时接触线、一类界限线、 润滑角、诱导法曲率等影响啮合性能的几个基本参数进行了理论分析和计算 公式的推导，为啮合性能的分析提供了理论依据。 在p r o e 中建立了端面传动蜗轮副的三维参数化模型。并以v c + + 6 0 为 开发平台，结合p r o e 的二次开发工具包p r o t o o l k i t 完成了对模型的可视 化计算机辅助设计。最后在p r o e 的仿真模块中对模型进行了啮合运动仿真 分析，即对啮合齿面进行了干涉检验。 关键词：端面传动蜗轮副啮合性能p r o f ec a d 参数化 西南科技大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t f a c e w o r mg e a r i n g ，an e wk i n do fw o r mg e a r i n g ，c o n s i s t so fc o m m o n c o l u m nw o r ma n df a c e w o r n lg e a r as t u d y0 1 1f a c e - w o r n lg e a r i n gi ss i g n i f i c a n t i nt h e o r ya n dv a l u a b l ei n p r a c t i c ef o rd e v e l o p i n gak i n d o fw o r mg e a r i n g e q u i p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dm e s h i n gp e r f o r m a n c e t h e d i s s e r t a t i o n m a i n l yi n v e s t i g a t e s f a c e - w o r m g e a r i n gb a s e do nm e s h i n gt h e o r y a n d3 d p a r a m e t r i cc a d n e c o n t e n to ft h er e s e a r c hi sa sf e l l o w s ： a c c o r d i n gt od i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n tt h e o r ya n dm e s h i n gp r i n c i p l e ，w e e s t a b l i s ht h eg e n e r a lm a t h m o d e lo ft h e f a c e - w o r mg e a r i n g a n dm a k et h el e f t a r c h i m e d e sw o r ma sa ne x a m p l e ，w ea n a l y s es e v e r a lb a s i cp a r a m e t e r si nt h e m e s h i n gp r o c e s s ，w h i c hi n f l u e n c et h em e s h i n gp e r f o r m a n c en o t a b l y s u c ha s i n s t a n t a n e o u sc o n t a c t i n gl i n e s ，f i r s tk i n dl i m i tl i n e s ，l u b r i c a t ea n g l e ，e t c a n dt h e nw ee s t a b l i s ht h e3 dp a r a m e t r i cm o d e lo ft h ef a c e - w o r mg e a r i n gi n p r o e b a s e do nv c + + 6 0a n dp r o t o o l k i t t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l o fp r o e ，w eb u i l tt h ev i s u a ls y s t e mo ff a c e w o r mg e a r i n gd e s i g n i n g a tl a s t ，w e i m i t a t et h em e s h i n gm o v e m e n to ft h ew o r mg e a r i n g ，c h e c ko u ti ft h e r eh a sa n y i n t e r f e ，r e n c eo ft h ec o n t a c ts u f a c e k e yw o r d ：f a c e w o r mg e a rd r i v e s ；m e s h i n gp e r f o r m a n c e ；p r o e ；c a d ； p a r a m e t r i c ； 独创性- 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得西南科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用和授权的说明 日期： 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布 该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名；日期： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 下面主要从端面传动蜗轮副和计算机辅助设计系统两个方面阐述该课题 的意义。 蜗杆传动是机械传动的一种重要的传动方式，以传动比大、承载能力高、 冲击载荷小、传动平稳、易实现自锁等优点，在国防、冶金、造船、建筑、 化工等行业得到大量的使用。但由于其相对滑动速度较大，摩擦因数高，从 而使传动效率低下。如何探索新的蜗杆传动型式，以克服传统蜗杆传动的不 足并拓展其优势，成为相关领域科技工作者面临的新课题。同时，随着现代 工业技术的发展，各机械行业也对机械传动装置提出了新的要求，特别是在 国民经济所必需的大型成套设备中，要求蜗杆传动装置能适应更高速度更高 载荷并有较高传动效率，具体而言就是具有：( 1 ) 优良的传动性能：承载能力 大，传动效率高，使用寿命长，高平稳性和低噪声等；( 2 ) 良好的工艺性能： 易于加工、装配及加工精度高等；( 3 ) 良好的经济性能：节省贵重有色金属、 较低的制造成本。 1 9 7 9 年蒙特利尔第五届国际机器及机构理论联合会上，学者及研究人员 指出：今后应将特殊蜗杆传动型式的发展作为重点研究方向。此后，各种各 样新型蜗杆传动不断涌现并被深入研究。该课题研究的端面传动蜗轮副就是 一种特殊的蜗杆传动，由圆柱蜗杆和端面蜗轮组成。初步理论研究表明，端 面传动蜗轮副具有承载能力大、传动效率高、制造较为容易等优良性能。如 果能将它成功地用于机械工业中将有广泛的应用前景。所以开展该类蜗杆传 动的研究对开发研制高效、重载蜗杆传动类机械具有重要的理论意义和实用 价值。 端面蜗轮传动形式是一种有前途的新型传动形式，2 0 0 0 年被科技部列为 国家重点新产品计划项目。由贵州群建齿轮有限公司设计制造的“多头端面 传动蜗轮副”获2 0 0 1 年度中国齿轮专业协会“优秀新产品”优秀奖。在国外 端面蜗轮传动也得到了很大关注，在c o m p u t m e t h o d s a p p l m e c h e n g r g 1 8 9 ( 2 0 0 0 ) 上，由美国f - l l i t v i n ，ga r g e n t i e r i 等人撰写的c o m p u t e r i z e dd e s i g n ， g e n e r a t i o na n ds i m u l a t i o no fm e s h i n ga n dc o n t a c to ff a c ew o r m - g e a rd r i v e s 论 文中也对端面蜗轮传动形式作了讨论，但是作为一种新的传动形式，端面传 动蜗轮副还没有形成成熟的设计方法。由于端面蜗轮传动重合度大，啮合平 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 稳，噪声小等一系列优点，必将得到广泛应用。 而在机械设计过程中，将大量复杂而繁琐的设计计算、图表查询等任务 交给计算机去完成是机械c a d 系统要完成的主要工作之一。过去，这种c a d 系统的开发采用面向过程的建模方法，传统的面向过程的系统建模过程是一 种顺序的线性过程，这种模型强调开发中的每一过程的完整性和独立性，后 一过程必须在前一过程之后才能进行，这显然不符合人们认识世界是一个渐 进往复的过程这一客观规律。 在蜗杆传动的传统设计中，原有的几何模型是设计者利用固定的尺寸值 得到的，零件的结构形状不能灵活的改变，一旦零件尺寸发生变化，必须重 新绘制其对应的几何模型。为了能够更直观、更全面地反映设计意图，可借 助p r o e n g i n e e r 建立相应的端面传动蜗轮副的三维参数化实体模型。用 p r o e n g i n e e r 自带的二次开发工具包p r o t o o l k i t 在三维模型的基础上进行 参数传递，关系修改，零件装配、干涉检查以及后续的有限元分析等高级的 计算机辅助设计及制造工作。 在这种背景下，本论文将以端面传动蜗轮副为契机，开展基于p r o e 的端面传动蜗轮副的计算机辅助设计的学位论文研究：运用微分几何和齿 轮啮合理论建立端面传动蜗轮副的通用数学模型，对其齿面接触线、润滑角、 根切界限函数、诱导法曲率等基本的啮合性能参数的计算进行分析，为端面 传动蜗轮副在实际生产中得到应用打好理论基础；并在v c + + 6 0 的集成开 发环境下实现端面传动蜗轮副结构设计的程序化，通过利用p r o e n g i n e e r 自带的开发工具p r o t o o l k i t 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发，并在 p r o e n g i n e e r 环境下进行零件结构的三维参数化设计。该系统不仅可以提高 设计效率和质量，缩短产品的开发周期，而且对产品的有限元分析及后续加 工具有一定的实用价值和参考意义，同时也符合现代技术的发展要求。 1 2c a d 技术概述 1 2 1c a d 技术基本概念 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 简称c a d ) 是指工程技术人员以 计算机为工具进行设计活动的全过程：包括资料检索、方案构思、分析计算、 工程绘图和编制技术文件等，是随着计算机、外围设备及软件的发展而形成 的一门综合性很高的新技术【1 1 。广义的c a d 包括设计和分析两个方面。设计 是指构造零件的几何形状、选择零件的材料，以及为保证整个设计的统一性 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 而对零件提出的功能要求等。分析是指运用数学造型技术，如有限元分析法、 优化设计方法等，从理论上对产品的性能进行模拟、分析和测试，以保证产 品设计的可靠性i l j l 4 j 。 c a d 技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领 域，如计算机科学和工程、计算数学、几何造型、计算机图形显示、数据结 构和数据库、仿真、数控、机器人和人工智能学科和技术以及与产品设计和 制造有关的专业知识等。c a d 技术可以承担产品设计中的零件设计、装配设 计、模具设计、机构设计与分析、有限元分析、数控加工与仿真等环节的关 键工作，与传统的设计内容和方式相比产生了根本性的变革。 如今，c a d 技术已广泛应用于航空航天、电子、机械、建筑、轻纺、化工、 交通、影视、教育等各个领域，并取得了明显的经济效益和社会效益。 i 2 2c a d 技术在机械工业中的应用 c a d 技术在机械工业中的主要应用有以下几方面： 1 二维绘图这是最普遍最广泛的一种应用，用来代替传统的手工绘图； 2 图形及符号库将复杂图形分解成许多简单图形及符号，先存入库中， 需要时调出，经编辑修改后插入到另一图形中去，从而使图形设计工作更加 方便； 3 参数化设计标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改 变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋以一组新的尺寸参数 就能生成一个新的图形； 4 三维造型采用实体造型设计零部件结构，经消隐及着色等处理后显示 物体的真实形状，还可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉等； 5 工程分析常见的有有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等。 此外针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分析问题，如注塑模设计中 要进行塑流分析、冷却分析、变形分析等； 6 设计文档或生成报表许多技术属性需要制成文档说明或输出报表，有 些设计参数需要用直方图、饼图或曲线图等来表达。 1 2 3c a d 技术发展状况 c a d 概念是5 0 年代末由麻省理工学院首次明确提出的，6 0 年代研制成功 试验c a d 系统。7 0 年代，c a d 开始实用化，从二维的电路设计发展到三维的 飞机、造船、汽车等设计。8 0 年代，由于解决了三维几何造型、仿真等问题， 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 应用范围不断扩大，大中型系统向微型化发展，出现了应用极广的微机c a d 系统和性能优良的工作站c a d 系统。9 0 年代后随着c a d 技术的发展，其系统 性能提高，价格降低，c a d 开始在设计领域全面普及，成为必不可少的设计 工具1 4 1 。c a d 之所以在短短的3 0 年内发展如此迅速，是因为它是人类在2 0 世纪取得的重大科技成就之一，它几乎推动了一切领域的设计革命，彻底改 变了传统的手工设计绘图方式，极大的提高了产品开发的速度和精度，使得 科技人员的智慧和能力得到了延伸。应用c a d 技术来进行产品设计，能使设 计、生产、维修工作快速而高效地进行，所带来的经济效益是十分明显的。 c a d 技术的发展与应用水平己成为和衡量一个国家的科学技术现代化和工业 现代化的重要标志。 近几年来，随着计算机技术的坛速发展，c a d 技术己经由发达国家向发 展中国家扩展，而且发展的势头非常迅猛。因为当今世界工业产品的市场竞 争，归根结底是设计手段和设计水平的竞争，发展中国家的工业产品要在世 界市场占有一席之地，就必须采用c a d 技术。 我国c a d 技术的研究和开发工作起步相对较晚，自8 0 年代开始，c a d 技 术应用工作才逐步得到了开展。国家逐步认识到开展c a d 应用工程的必要性 和可靠性，并在全国各个行业大力推广c a d 技术，同时展开c a d 技术的开发 和研制工作，如清华大学和华中理工大学共同开发的高华c a d ，中科院软件 工程研制中心的p i c a d 等。 1 2 4现代c a d 技术发展趋势 1 、集成化 在生产制造型企业中，设计、工艺编制、制造与管理构成了主要的生产 活动，c a d 技术是企业采用先进制造技术的基础，所以，建立在开放性、分 布式工作站网络上的c a d 集成化系统是c a d 技术发展的主要趋势之一，集成 化是多角度、多层次的。它可以是个c a d 系统内部各模块之间的集成；也可 以是工程设计领域中c a d 与c a p p 、c a e 、c a m 之间的集成。 2 、标准化 由于历史上c a d 、c a m 软件最初开发过程中的孤岛效应，导致了它们数据 表示格式的不统一，使用不同系统、不同模块间的数据交换难于进行，影响 了c a d c a m 的集成。因此国际上提出了通用的数据交换规范，使c a d 软件建 立在这些标准上以实现系统的开放性、可移植性、可互连性。主要有i g e s 标准和s t e p 标准。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 3 、智能化 1 ) 专家系统。专家系统从某种意义上说，方案构思设计是产品设计中最 重要的方面，对设计结果的优劣具有决定性影响。因此，对c a d 系统而言， 不仅要能很好地处理数据信息，而且要能处理知识信息，人工智能的一个分支 专家系统，为在计算机上实现上述非数值计算的智能行为提供了有力的 手段。将专家系统的技术与传统c a d 技术结合起来，形成智能化c a d 系统， 这是c a d 系统发展的必然趋势。 2 ) 人工神经网络( a n n ) 。人工神经网络( a n n ) 是一个由大量的简单处理单 元( 神经元) 互联组成的大规模分布式并行信息处理系统。将a n n 用于智能 c a d ，为概念设计、设计思维过程中的形象思维模拟、设计知识的自动获取和 经验知识的表示以及回溯问题的模拟提供了一条新的途径，从而可提高系统 的智能水平和设计水平。 4 、参数化 随着计算机软硬件技术的飞速发展，c a d 技术从二维平面绘图发展到三 维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。 如今参数化及变量化设计思想和特征造型代表了当今c a d 技术的发展方向。 新的c a d 系统增加了参数化和变量化设计模块，使得产品的设计图可以随着 某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形，这可以减少大量的 重复劳动，减轻设计工作量。 参数化设计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 约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应 关系，设计结果的修改受尺寸驱动。 变量化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 是指设计对象的修改需要更大的自由 度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何 关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动，变量化 设计允许尺寸欠约束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方 式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过 程相对宽松。变量化设计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初 步方案设计选型等，尤其在做概念设计时更显得得心应手。 特征造型是c a d 建模方法的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发展 和应用达到一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的 历史进程中孕育成长起来的。特征造型着眼于更好地表达产品完整的功能和 生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征( f e a t u r e ) 兼有形状和 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 功能两种属性，包括产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示 方法、制造技术和公差要求。特征造型技术使得产品的设计工作在更高的层 次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能 要素。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理 解和组织生产，为开发新一代的基于统一产品信息模型的c a d c a p p c a m 集成系统创造了前提。 5 、网络化 网络技术是计算机技术和通讯技术相互渗透而又紧密结合的产物。c a d 技术作为计算机应用的一个重要方面，同样离不开网络技术。当前基于w e b 的c a d 技术是c a d 技术研究领域的又一热点。 c a d 技术的发展目标不是实现“完全的设计自动化”，而是更好的帮助完 成设计工作，提高产品开发的创新能力，缩短设计周期，降低成木，提升企 业竞争力。机械c a d 技术的发展，关系到中国机械制造业的成败，是提高中 国核心竞争力的重要环节。在未来的几十年里，c a d 技术将在集成化、智能 化、参数化、网络化等方面进一步发展，因而也必将在工程设计的各个领域 发挥更大的作用。 1 3 端面传动蜗轮副简介 端面传动蜗轮副是新型的蜗杆传动副，它是把普通圆柱蜗杆的工作螺旋 面置于蜗轮一侧的蜗杆传动，属于偏置蜗杆传动的一种特殊形式1 2 5 】【3 6 1 。该种 传动副与锥蜗杆传动在传动性质上有相似之处，但结构更简单，加工方法也 相对容易。 初步理论研究表明该蜗杆传动的主要特点和优点有：重合度大，由于 采用端面传动增加了蜗杆与蜗轮接触的齿宽，故同时进入啮合的齿数增加； 速度与瞬时接触线的法线所夹锐角较小，甚至接近零度，有利于齿面间形 成液体动力润滑；通过轴向移动蜗杆，可以调节齿侧间隙而不破坏齿面的 共轭；可以作离合器使用，结合和脱离都十分灵活，脱离时中心距保持不 变；传动平稳，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，在与蜗轮啮合时是逐渐 进入啮合和逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，所以传动平稳、冲击 载荷小；由于该传动采用的是普通圆柱蜗杆，应此与环面蜗杆传动相比有 加工简单的优点。因此，端面传动蜗轮副具有传动平稳、承载能力大、效率 高等优势。主要可用于高精度的机械、仪表中。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 在国内，由于长期以来偏置圆柱蜗杆在实际工业生产中没有得到广泛的 应用，所以相对于其它齿轮传动，人们对此种蜗杆传动副的理论研究不充分， 还没有形成一套成熟的理论基础。理论的不成熟也反过了制约了新型传动副 在实际工业生产中的应用和发展。但是随着科学技术的不断进步，特别是计 算机技术的飞速发展使机械设计行业有的质的飞跃。越来越多的人把目光投 向了新型的传动副的研究，端面传动蜗轮副作为其中的一种也必然越来越受 到人们的关注。 1 4 论文主要工作 本论文的主要工作有： 1 系统总体分析和设计：根据端面传动蜗轮副的特点和三维参数化设计 的要求，确定系统的开发方法，选择系统开发的软硬件环境。对系统进行任 务分解，确定系统总体结构，进行合理的模块划分； 2 数学模型：分析端面传动蜗轮副的特点，依据微分几何和齿轮啮合理 论建立它的通用数学模型及理想状态下的啮合理论体系，对影响其啮合性能 的基本参数进行分析； 3 结构设计：根据蜗杆传动的强度、刚度、寿命要求以及蜗轮蜗杆之间 的相互关系，应用相应的计算公式和经验公式，计算出端面传动蜗轮副的结 构尺寸； 4 建立参数化模型：在p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 环境下建立端面传动蜗 轮副的三维参数化模型。 5 编写v c 和p r o e 接口程序：以v c + + 6 0 集成开发环境下编写调用p r o e 的接口程序，调用p r o e 中的p r o t o o l k i t 开发工具添加用户菜单来实现系 统的参数传递，实现模型的参数化显示、修改和装配。 6 用p r o e n g i n e e r 的二次开发工具p r o t o o l k i t 和v c 设计一个友好的 用户交互界面。 1 5 本章小结 本章主要介绍了选题的背景和意义以及计算机辅助设计( c a d ) 的概念和 在机械设计方面的应用和发展趋势。介绍了端面传动蜗轮副的特点和发展现 状和趋势。最后介绍了本文需要完成的主要工作。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 系统开发工具及运行环境 2 1p r o e n g i n e e r 简介 随着计算机应用技术的普及，c a d 技术在世界范围内得到广泛的应用， 先进的工具提高了人们的工作效率和工作质量。目前，较为先进的机械c a d 软有：a u t o c a d ，p r o e n g i n e e r ， ug ，i d e a s 等。随着面向对象技术 及特征建模技术的发展，c a d c a e c a m 技术已紧密相连，c a d 已从单纯模仿 二维工程图样飞跃到三维实体造型，同时，当今虚拟现实技术的发展，使 得c a d 技术在工程设计中呈现越来越重要的地位。 p r o e n g i n e e r 软件是美国p t c 公司( p a r a m e t r ict e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 的产品，是一种单一数据库结构、标准的基于特征的建模技 术以及独特的全相关技术的机械设计自动化软件【剐。 p r o e n g i n e e r 是建立在一个统一的能在系统内部引起变化的数据结 构的基础上，因此开发过程中某一处所发生的变化能够很快传遍整个设计 制造过程，以确保所有的零件和各个环节保持一致性和协调性。 p r o e n g i n e e r 的零件设计功能是一些和系统内部蕴藏的知识、智能相 联结的过程，可以画出非常复杂的几何外形。p r o e n g i n e e r 设计的零件不 仅包含制造工艺和成本等一些非几何的信息，而且还包括零件的位置信息 以及它们之间的相互联系。这意味着对零件进行布置时，并不需要一个坐 标系，零件自身知道它们是任何和模型的其余部分相联系的。这就使得对 模型的改动非常迅速，并且最最终和最初的设计意图相一致。 2 2v is u a ic + + 开发工具 v i s u a lc + + 是新一代面向对象的、可视化的程序设计工具。本系统用 户界面模块的设计选择v c + + 6 0 作为开发平台。v c + + 6 0 是运行于w i n d o w s 上的交互式可视化集成开发环境，是美国m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 的一 部分。像其它的可视化开发环境( 如v i s u a lb a s i c ) 一样，v c + + 6 0 集程序 的代码编辑、编译、连接、调试等于一体，给编程人员提供了一个完整而 又方便的开发界面和许多有效的辅助开发工具。v c + + 6 0 的a p p w i z a r d 可 以为很大一部分类型的程序提供框架代码，用户不需要书写代码，只需要 几个按钮就可以生成一个完整的可以运行的程序。利用v i s u a lc + + 开发基 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 于p r o e n g i n e e r 的程序编制一般需要两个步骤：一是可视化设计阶段，一 是代码编写阶段。在可视化设计阶段，编程者使用v i s u a lc + + 工具箱来定 制所需的用户界面；在代码编写阶段，编程者通过调用消息和事件函数实 现所需的功能。 由于在v i s u a lc + + 中可以方便使用对话框( d i a l o g ) 、位图( b i t m a p ) ，菜 单( m e n u ) 等工具箱，编程人员只需编写少量的代码就可以设计出界面友 好、方便用户使用的程序，因而可以大大提高系统开发的效率。 2 3p r o t o o l kit 二次开发介绍 p r o t o o l k i t 是p t c 提供专门用于对p r o e n g i n e e r 进行二次开发的软 件包【1 0 1 ，它为用户或软件第三方程序提供了与p r o e n g i n e e r 的无缝连接。 p r o t o o l k i t 软件包提供了大量的c 语言函数，使得我们利用c 语言编程 来增加p r o e n g i n e e r 的功能。可以说，p r o t o o l k i t 是p r o e n g i n e e r 的 应用程序接口( a p i ) 。 2 3 1p r o t o o l k i t 的特点 p r o t o o l k i t 应用程序具有面向对象的风格【1 1 】，它利用数据结构在 p r o e n g i n e e r 和应用程序之间进行信息的转换，而这些数据结构对于应用 程序来讲不是直接可见的，只能通过p r o t o o l k i t 函数来进行访问。下面 就p r o t o o l k i t 应用程序的几个主要特点分别作以介绍。 ( 1 ) 对象和动作( o b j e c t sa n da c t i o n s ) 在p r o t o o l k i t 中最基本的概 念就是对象和动作。p r o t o o l k i t 函数库中的任何一个函数的功能都是在 一个指定类型的对象上执行一个动作。p r o t o o l k i t 函数的命名规则是： 前缀”p r o + 对象的类型名+ 执行动作的名称。如： p r o m d l c o p y0 ，p r o s o lid c r e a t e0 。 p r o t o o l k i t 的对象是一个完整定义的c 结构。大多数对象是 p r o e n g i n e e r 数据库中的一个条目，如特征、面。每一类对象都有一个以 大写字母开头的标准名称，并且与p r o e n g i n e e r 中的名称相对应。如： f e a t u r e - - 特征 s u r f a c e 面 s o li d 实体 执行动作的名称指定了将要执行的动作类型，如： 西南科技大学硕士研究生学位论文 第10 页 g e t 一一从p r o e n g i n e e r 数据库中直接读取数据 e v a l 一一提供简单计算的结果 c o m d u t e 一一提供可能包含的几何模型数据分析的结果 ( 2 ) 函数原型( f u n c t i o np r o t o t y p i n g ) 每个p r o t o o l k i t 函数都有一个 a n s i 函数原型。一个特定p r o t o o l k i t 对象的所有函数都被放在以这个对 象为名称的头文件中。例如，函数p r o e d g e l e n g t h e v a l ( ) 的原型位于头文 件p r o e d g e h 中。 ( 3 ) 函数错误状态( f u n c t i o ne r r o rs t a t u s e s ) p r o t o o l k i t 函数库中 的大多数函数都有一个p r o e r r o r 类型的返回值。p r a e r r o r 是一个枚举类 型，包含了p r o t 0 0 l k i t 函数成功或失败时最常见的返回信息，对我们调 试程序很有帮助。 常见的返回值有： p r ot kn oe r r o r ：调用函数成功。 p r ot kb a di n p u t ：程序没有正确调用函数。 p r o t k o u t o f - m e m o r y 或p r o t k c o m m e r r o r ：系统错误。 应用程序对p r o t o o l k i t 的返回状态应做出反应，不同类型的成功和 失败信息需要用不同的方法处理。 ( 4 ) 对象句柄( o b j e c th a n d l e s ) 在p r o t o o l k i t 中，每一个对象都有一 个对应的c 类型定义，叫做“柄( h a n d l e ) ”，它的名字是由对象本身的名字 加前缀“p r o ”构成的。句柄常用来作为指向某一类型对象的所有变量和参 数的类型，例如，对一个实体s o l i d 执行一个动作的任何p r o t o o l k i t 函 数都有一个p r o s o l i d 类型的输入参数。根据句柄定义和使用的方法，句柄 可分为两种类型：不透明旬柄( o p a q u eh a n d l e ) 和数据库句柄( d a t a b a s e h a n d l e ) ，简称o h a n d l e 和d h a n d l e 。 2 3 2 创建p r o t o o l k i t 应用程序的基本模式 p r o t o o l k i t 提供多种创建应用程序的模式，主要分为两大类：同步 模式和异步模式。 ( 1 ) 同步模式( s y n c h r o n o u sm o d e ) 同步模式是指应用程序进程和p r o e n g i n e e r 系统进程不能同时操作， 并且应用程序只能在p r o e n g i n e e r 系统启动时或启动后通过辅助应用程 序注册来调用。同步模式又分为动态链接库模式( d l l s ) 和多进程模式 ( m u l t ip r o c e s s ) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 动态链接库模式是标准的应用程序创建模式，用户程序通过c 编译器 和链接器的处理生成文件扩展名为d l l 的动态链接库文件。在动态链接模 式中，应用程序与p r o e n g i n e e r 之间的交互通过函数的直接调用来实现， 而且进程单一，所以应用程序的运行直观明了，容易检查错误。本论文有 关实例程序都是通过动态链接库模式创建。 在多进程模式下，应用程序被编译、链接形成一个单独的文件扩展名 为e x e 的可执行文件，应用程序不但有通过函数的直接调用与 p r o e n g i n e e r 系统进行交互，而且可以通过消息传递实现进程间的交互。 但无疑增加了程序的复杂性，并且排除错误比较麻烦。 ( 2 ) 异步模式( a s y n c h r o n o u sm o d e ) 在异步模式下应用程序进程和p r o e n g i n e e r 系统进程可以同时操作。 不同于同步模式，异步模式可以使用远程程序调用命令( r p c ) ( u s e rr e m o t e p r o c e d u r ec a l i s ) 作为应用程序同p r o e n g i n e e r 交互的方法，并且异步模 式创建的应用程序不显示在p r o e n g i n e e r 的辅助程序对话框中。同步模式 和异步模式另一个重要的不同点在于p r o t o o l k i t 应用程序的启动方式不 同。在同步模式下，p r o t o o l k i t 程序通过p r o e n g i n e e r 启动，这种启动 基于注册文件包含的信息。在异步模式下，p r o t o o l k i t 应用程序( 包含这 个程序自己的主函数) 的启动独立于p r o e n g i n e e r 。因为异步模式下使用 r p c 远程程序调用命令，将会导致此种模式的操作比同步模式慢很多，并 且应用程序的创建和调用都很复杂，所以，用户尽量不要使用异步模式。 2 3 3 在v o 环境下创建p r o t o o l k i t 应用程序的过程 所谓的p r o t o o l k i t 应用程序是指利用p r o e n g i n e e r 系统提供的 p r o t o o l k i t 工具包的支持，用c 语言进行程序设计，采用c 编译器和连 接器创建能够在p r o e n g i n e e r 环境运行的可执行程序( 文件后缀为e x e ) 或动态连接库( 文件后缀为d l l ) 形式的程序。对于不同的操作平台，在 编译和连接生成p r o t o o l k i t 应用程序时，编译器选项和所需的系统库文 件通常是不同的。要使p r o t o o l k i t 应用程序在p r o e n g i n e e r 环境正常运 行，必须正确设置编译和连接选项。p r o t o o l k i t 给用户提供了利用m a k e 文件创建应用程序和利用v c 向导创建p r o t o o l k i t 应用程序两种方法。 利用m a k e 文件创建应用程序时，用户可以修改模板m a k e 文件创建自 己需要的m a k e 文件。模板m a k e 文件在p r o t o o l k i t i 4 8 6 一n t o b j 文件夹， 文件名前缀为m a k e 一，将其扩展名修改为m a k ，然后在v c + + 6 0 环境打开 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 该文件，便可以修改内容，然后直接创建应用程序。但是采用m a k e 文件的 方法创建应用程序必须手工修改m a k e 文件，程序的设计和调试均不方便。 另外，由于这种方式无法使用m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 类库， 因而不能充分利用v c 的资源。特别是在人机交互界面设计时不能进行对话 框的可视化设计。因而直接利用v c 的应用程序设计向导( a p p w i z a r d ) 和类 向导( c l a s sw i z a r d ) 来进行p r o t o o l k i t 应用程序的设计、创建和调试， 无疑是一种更佳选择。本论文的应用程序都采用这种方法创建。 1 、用v c 创建p f o t 0 0 u 5 【i t 应用程序基本框架 v c 的集成开发环境是采用工程( p r o j e c t ) 来管理所有的c + + 源程序、头 文件、库文件和对话框等各种资源的，程序的设计、编译、连接和调试均 十分方便。利用v c 的应用程序设计向导可以方便、快捷地创建p r o t o o l k i t 应用程序的基本框架。创建的步骤为： ( 1 ) 启动v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境，选择“f i l e n e w ”，在“n e w ” 对话框中选工程“p r o j e c t s ”选项卡，选择m f ca p p w i z a r d ( d 1 1 ) 项。在工 程名“p r o j e c tn a m e ”输入框中输入用户的工程文件名，在位置“l o c a t i o n ” 输入框中输入目标路径。单击0 k 按钮。 ( 2 ) 在“m f ca p p w i z a r d ”对话框中选择“r e g u l a rd l lu s i n gs h a r e dm f c d l l ”单选框，使p r o t o o l k i t 应用程序使用共享的m f c 。单击“f i n i s h ” 按钮，进入新建工程信息“n e wp r o j e c ti n f o r m a t i o n ”窗口后，单击o k 按钮，完成工程文件框架的建立。 ( 3 ) 选择f i l e v i e w ，打开v c 应用程序向导自动生成的程序文件。 v c 应用程序向导在f i l e v i e w 中自动加入r e a d m e t x t 、s t d a f x c p p 和 以工程文件名为前缀的c p p 源文件和头文件，d e f 模块定义文件以及r c 资源文件等。 2 、创建p r o t 0 0 l k i t 应用程序主体部分 p r o t o o l k i t 应用程序在p r o e n g i n e e r 环境中运行的接口程序和应用 程序运行结束的终止程序通过p r o t o o l k i t 的两个核心函数 u s e ri n i t i a l i z e 0 和u s e rt e r m i n a t e 0 来控制。 u s e ri n i t i a l i z e0 是同步模式下创建的p r o t o o l k i t 应用程序的初 始化函数，任何同步模式的应用程序要在p r o e n g i n e e r 系统中加载都必须 包含该函数，其作用相当于c 程序中的m a i n 0 函数。在该函数中设置用户 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 的交互接口，如设置菜单、调用对话框或直接所需的命令等。在 p r o e n g i n e e r 环境加载p r o t o o l k i t 应用程序时，首先调用 u s e r i n i t i a l i z e 0 函数。典型的定义格式为： e x t e r n ”c ”i n tu s e r i n i t i a l i z e ( i n ta r g c ，c h a r * a r g v ，c h a r * v e r s i o n ，c h a r * b u l i d ，w c h a r te r r b u f ) p r o e r r o r s t a t u s ； 用户添加的接口程序部分 r e t u r ns t a t u s ： 函数的参数解释： 输入参数： i n ta r g o 表示在参数a r g v 中的参数个数； c h a r* a r g v 表示命令行变量列表； c h a r * v e r s i o n 正在使用的p r o e n g i n e e r 版本号( 如：2 0 0 1 ) ； c h a r* b u i l d 正在使用的p r o e n g i n e e r 构建代码( 如：2 0 0 1 1 8 0 ) 。 输出参数： w c h a r t e r r b u f f 8 0 存放p r o t 0 0 l k i t 应用程序初始化失败错误信 息，将错误信息的文本传给p r o e n g i n e e r ，p r o e n g i n e e r 通过显示这些文 本的方式报告p r o t o o l k i t 应用程序初始化失败。 这些参数是为了完整表达p r o t o o l k i t 应用程序的信息而进行设定 的，并不影响应用程序的运行，用户可以根据需要在定义该函数时决定这 5 个参数的定义与否。