（机械制造及其自动化专业论文）基于ug的注塑机模板参数化cad系统的研究和实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文围绕浙江大学生产工程研究所与宁波海天机械有限公司的合作项目基于u g 的 注塑机模板智能化设计软件开发及其应用而展开，主要研究了面向工程应用的、支持全过程的参 数化设计理论和方法，并将这些理论和方法应用到海天公司的注塑机模板的设计当中。全文内容 如下： 第一章：绪论。简述了机械设计及其c a d 系统以及参数化技术的概况。在此基础上对课题的 背景意义进行了论述最后给出了论文的主要内容。 第二章：参数化技术理论基础。介绍了参数化技术的一些基础理论，主要分析了目前应用比 较广泛的变量几何法、人工智能法和基于构造过程法等三种参数化方法的理论原理。 第三章：面向工程的参数化c a d 系统，在分析目前参数化方法不足的基础上，研究了实现面 向工程应用、支持全过程的参数化c a d 的方法：基于特征的参数化建模技术和设计约束的分层 和映射技术。利用这些方法建立了面向工程应用的专用产品参数化c a d 系统的模型。 第四章：实现专用产品参数化c a d 系统的关键技术。针对实现专用产品参数化c a d 的两 大关键问题构造设计对象的参数化模型和确定参数驱动机制一提出了解决的方法：特征 模型的建立、特征模型和尺寸模型的相互转换技术，参数映射关系的公式化和离散化方法以及 关系的计算机实现技术。 第五章：u g 二次开发技术。介绍了u g 二次开发工具主要讨论了在u g 上进行二次开发所必 须解决的一些关键技术：开发环境的设置，界面开发技术，内部应用程序开发技术，g r i p 程 序开发技术，程序之间的相互通讯等。 第六章：注塑机模板参数化设计的实现。分析了注塑机棋板的结构、技术要求和模板的设计 过程，结合前几章的技术方法建立了h t f x 系列模板的参数化模型和参数驱动机制。 第七章：基于u 6 的注塑机模板参数化c a d 软件的开发。以海天公司h t f x 系列模板为例，采 用基于u g 平台，把模板的参数化设计程序作为u g 的一个内部应用程序( d l l ) 集成到u g 上之中的 技术方案，进 亍了软件的系统设计和模块设计，编制了软件；对软件运行结果进行比较。 第八章：总结和展望。对全文进行了总结，对论文的主要成果进行了概括总结指出了研究 工作中存在的不足之处，并在此基础上对进一步的工作及研究方向进行了展望。 模板 关键词：参数化设计，c a d ，参数化模型，参数驱动机制，特征模型，二次开发，注塑机 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a m m e t r i cd e s i g ni so f l eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n si nc a d s y s t e m s i n0 r d e rt o e x t e n du s u a lp a r a m e t r i cd e s i g nt oe n t i r ed e s i g n p r o c e s s ，ap a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o db a s e d o f ff u n c t i o n c o n s t r a i n t si s p r e s e n t t h em e t h o di sa l s oa p p l i e dt oi m p l e m e n tm o u l d i n gb o a r dp a r a m e t r i cd e s i g n t h e p a p e ri sd i v i d e di n t oe i g h tc h a p t e r s ： c h a p t e ro n ei s t h ee x o r d i u m b a s e do na n a l y s i sa n di n t r o d u c t i o no fm a c h i n ed e s i g n 、c a d s y s t e ma n dp a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ；t h eb a c k g r o u n do f r e s e a r c hp r o j e c ta n dc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n a r ea d d r e s s e d 。 i nc h a p t e rt w o ，t h eb a s i ct h e o r yo f p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yi ss t u d i e d ，a n dt h r e em a i np a r a m e t r i c m e t h o d s - - v a r i a t i o n a lg e o m e t r ym e t h o d 、g e o m e t r i c r e a s o n i n gm e t h o d 、c o n s t r u c t i n g _ p r o c e d u r e - b a s e d m e t h o d a r ed e s e r i b e d i nc h a p t e rt h r e e ，a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g eo f e x i s t i n gp a r a m e t r i cm e t h o d ，t h et e c h n o l o g i e so f e n g i n e e r i n g o r i e n t e d 、f u n c t i o nc o n s l r e d n tb a s e d p a r a m e t r i cd e s i g n a r e p r e s e n t , f e a t u r e 、b a s e d p a r a m e t r i cm o d e l l i n ga n dt h ea p p r o a c ht oc l a s s i f y i n ga n dm a p p i n gd e s i g nc o n s t r a i n t s a tl a s ta n e n g i n e e r i n gb a s e dp r o t o t y p es y s t e mi se s t a b l i s h e d i nc h a p t e rf o u r , a i m i n ga tt h et w ok e yt e c h n o l o g yp r o b l e m so f r e a l i z i n gf u n c t i o nc o n s t r a i n t s b a s e dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m 。t h es o l v i n ga p p r o a c h e sa r ep u tf o r w a r d ：t h ed e f i n i n go ff e a t u r e m o d e l 、t h ec o n v e r s i o nt e c h n i q u eb e t w e e nf e a t o r em o d e ja n dd i m e n s i o nm o d e l f o r m u l a t i o na n d d i s p e r s i n gd i s p o s a lo f c o n s t r a i n t sr e l a t i o n s i n c h a p t e rf i v e , u gc u s t o md e v e l o p m e n tt o o l sa r eo u t l i n e d ，t h ea r i t i c a i c u s t o md e v e l o p m e n t t e c h n i q u e ss u c ha ss e t u po fd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , i n t e r f a c ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , i n t e r n a l p r o g r a m sd e v e l o p m e n t , g r i pp r o g r a m sd e v e l o p m e n la n dc o m m u n i c a t i o np r o b l e mb e t w e e nt w o d m r e n tp r o g r a m sa r ed i s c u s s e d i nc h a p t e rs i x , t h es t r u c t u r ea n d t e c h n o l o g yr e q u i r e m e n to f i n j e c t i o nm a c h i n em o u l d i n gb o a r d a r e a n a l y z e da n dt h ed e s i g np r o c e s so fm o u l d i n gb o a r di se x p r e s s e d ；c o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g y a p p r o a c h e sw h i c ha r es h o w ni nt h ef r o n t a lc h a p t e r s , t h ep a r a m e t r i cm o d e la n dp a r a m e t e rd r i v e n m e c h a n i s mo f h t f xs e r i e sm o u l d i n gb o a r d sa r ei m p l e m e n t e d i n c h a p t e rs e v e n ，b a s e do nu g t h es o f t w a r eo fh t f xs e r i e sm o u l db o a r d sp a r a m e t r i cd e s i g n s y s t e mi sd e v e l o p e da n d t h er e s u l to f t h es o f t w a r ej sa n a l y z e d t h el a s t c h a p t e r i sc o n c l u s i o na n d e x p e c t a t i o n t h ea c h i e v e m e n t s a n d s h o r t c o m i n g s o f d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ，t h e f o l l o w i n g r e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：p a r a m e t r i cd e s i g n ，c a d , p a r a m e t r i cm o d e l ，p a r a m e t e r - d r i v e nm e c h a n i s m ，f e a t u r e m o d e l ，u gc u s t o md e v e l o p m e n t i n j e c t i o nm a c h i n e m o u l d i n g b o a r d i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 机械设计及其c a d 1 1 i1 机械设计 产品的开发通常由方案设计，技术( 结构) 设计，加工制造等阶段组成，各阶段之间是层 次细化，互相影响，互相叠加的关系，其中结构设计阶段是连接方案设计与加工制造的桥梁。 结构设计的过程与结果，一方面要考虑与满足在方案设计中提出的对产品功能与性能的设计需 要，另一方面要考虑与满足加工的低成本与高质量的生产制造要求。所以产品结构与产品的功 能的关系是手段和目的的关系。结构是产品功能与原理的载体，它的首要的作用是满足产品及 其零部件在功能与原理上的需要，是实现产品性能指标的基础。 按照机械产品的开发任务的差异，机械设计有如下四种类型【】： 开发性设计：按照需求目标设计创新机型。 适应性设计：在原有的原理方案基础上，为适应变化的工作要求对产品的局部作适当的 变更，或增加某种新部件，使产品扩大功能而满足新的使用要求。 变型设计：保持已有的工作原理和功能结构不变，仅改变结构配置和尺寸，按新的需要作 新的布局或变更尺寸参数。 组合造型设计：根据原理方案要求，或在已有的部分结构基础上，按市场或企业现有的零 部件作选取，进行有效的组合从而得到新的组合结构形式。 以上四种类型设计中，开发性设计难度最大，设计周期较长，其他三种设计类型周期较短， 四种类型各有优缺点，因此需要根据实际情况，灵活选择设计类型。 机械设计具体过程如下：根据使用的功a 要求，经过对机械的工作原理，机构和结构的确 定；运动和能量的计算：驱动装置的选取；材料的选取；形状和尺寸的确定，对相关因素和相 互影响的周密分析与核算等，最终将构思的方案转化为具体的图文描述并形成设计文件，以作 为制造的技术依据。该过程大致可以分为四个阶段”： 可行性研究阶段：对产品的预期需要，工作条件和关键技术进行详尽分析明确任务要求， 提出功能性设计的主要设计参数，并提出可行性方案。此阶段对后面的设计过程起着指导 性作用。 初步设计阶段：在确定了设计任务后，根据任务要求寻求功能元理解，并作原理方案的构 思。此过程往往通过问题的抽象化寻求出功能关系，拟定功能结构，确定解决的途径。 此阶段应从各种可行性方案中选取晟住方案。 技术设计阶段：在设计方案的目标下，完成总体设计及零部件的结构设计即方案的结构 化。 改进设计阶段：根据加工制造，样机试验，技术检测，使用操作鉴定分析和市场反馈信 息等各个环节所反映出的问题，进一步对产品作技术改进或技术处理蚍确保产品质量与 完善前期设计的不足； 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 国内外c a d 系统的现状 现代的计算机技术已经渗透到工业产品开发的每一个阶段( c a d c a p p c a m c a e ) ，这使得 传统的设计方法发生了巨大的变化，计算机辅助设计( c a d ) 将计算机高速而精确的运算功能， 大容量的存储与数据处理能力，灵活的图形及文字处理功能与工程技术人员的创造性思维能力 及分析判断能力结合起来，大大改善了设计的质量加快了设计绘图过程缩短了设计的周期。 经过三十多年的努力，c a d 技术的广泛应用已经引起了一场工程设计领域的技术革命，特 别是近二十年来，由于计算机硬件性能的不断提高，c a d 技术有了大规模的发展。目前c a d 技 术己经应用于许多行业，在机械类产品设计中常用的c a d 软件大致可以分为二类”1 ： 1 ) 工作站c a d 系统。目前比较流行的有：p t c 公司的p r o e n g i n e e r 软件，s d r c 公司的i d e a s 软件，e d s 公司的u g i i 软件，c v 公司的c a d d s 5 软件以色列c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n 软件，m a t r ad a t a v i s i o n 公司的e u c l i d 3 软件，i b m d a s s u a l t 公司的c a t i a 软件，日本株 式会社的g r a d e c u b e _ n c 软件。其中基于特征的参数化功能较强的软件是： p r o e n g i n e e r ，u g i i 与i d r a s 软件；c a m 较强的是c i m a t r o n , e u c l i d 与c a t i a 软件；c a d d s 5 软件的强项是企业产品数据管理与并行装配模型应用，而g r a d e c u b e - n c 软件则具有丰富 的实用化曲面造型和加工编程能力。 2 )微机的c a d 系统。目前国际上晟为流行的有：s o li d w o r k s 公司的s o li d w o r k s 软件，u g 公 司s o l i d e d g e 软件和a u t o d e s k 公司的m d i 软件等。国内比较流行的有：华软的i n t e s o l i d ， 清华c a d 工程中心的g f j f 既，浙大大天公司的g s - m c a d ，北京巨龙腾公司的龙腾c a d ，广州 红地公司的金银花系统，j e 京爱宜特公司的m i c r os o l i d ，江苏杰必克超人公司的超人 c a d c a m 以及华正公司的c a x a - m e 。 一般说来，国外的软件侧重于几何建模，装配，运动学与动力学仿真等的集成，国内软件 则侧重于面向加工的曲面造型，集成功能相对较弱。 1 1 3 现有c a d 系统的主要不足 现在一些著名公司的产品比如u g i i p r o e 等已在国内得到广泛的应用。每个公司在引进 c a d c 埘之后，都非常希望用好自己的软件。他们在工作中发现，通用的c a d c a m 软件的功能 虽然解决了他们的大部分需求。但由于商业化c a d 是通用性的平台，专业针对性差，而机械企 业的产品又千差万别，c a d 技术实际应用的领域还很有限，还没有形成市场规模，而且低水平 的重复现象也比较严重，很多企业只是简单地采用c a d 绘图，不能满足企业设计绘图的实际需 要。 应用c a d 技术，可以通过人机交互方式完成图形绘制和尺寸标注。但是传统的方法是先绘 制图形再从中抽象出几何关系，因此设计只存储最后的结果，而将设计的过程丢失。这样的 系统存在如下显著的问题： ( i ) 系统无法支持初步设计过程。在实际设计初期，设计人员关心的往往是零部件的大 小、形状以及标注要求对尺寸的精度不十分关心，而传统设计绘图系统始终是以 精确形状和尺寸为基础的。 2 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 在实际设计过程中，大量的设计是通过修改已有的图形而产生的。由于传统的设计 绘图系统缺乏变更参数功能，因而不能有效地处理因图形尺寸变化而引起图形相关 变化的自动处理。 ( 3 ) 对于各种不同的产品模型只要稍有变化都必需重新设计和造型，从而无法较好地 支持系列产品的设计工作，导致产品的设计费用高、设计时间长，无法满足快速变 化的现代化大生产的需求。 为了缩短产品开发周期提高设计效率，减少重复劳动，诞生了参数化技术。参数化设计 不仅可使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图功能。利用参数化设计手段开发的专 用产品设计系统，可使设计人员从大量繁琐的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计效率， 并减少信息的存储量。 1 2 参数化技术概况 参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不用确定的数值。变化一个参数 值，将自动改变所有与它相关的尺寸。也就是采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几 何形状自动实现产品的精确造型。参数化设计方法与传统方法相比，其最大的不同在于它存 储了设计的整个过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型。参数化设计以其能够使得工程 设计人员不需考虑细节而能尽快草拟零件图，并可以通过变动某些约束参数而不必运行产品设 计的全过程来更新设计。它成为进行初始设计、产品模型的编辑修改、多种方案的设计和比较 的有效手段，深受工程设计人员的欢迎。该领域的研究工作正在不断深入与发展，新的设计系 统都引进了参数化功能，原有的c a d 系统也纷纷增加参数化设计功能参数化设计系统的功能 主要有1 ： ( 1 ) 从参数化模型而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，标注一些几何元素的约束，然后通过改变约束条件来自动地导出精确的几何 模型。 ( 2 ) 通过修改局部参数来达到自动修改几何模型的目的。这对于大致形状相似的一系列 零件，只需修改一下参数，即可生成新的零件，这在成组技术中将是非常有益的手 段之一。 1 2 1 参数化技术发展过程 参数化是在实际应用当中提出的技术。参数化技术的研究工作可以追溯到s u t h e r l a a d 在 6 0 年代开发的s k e t c h p a d 系统，在此软件系统中，s u t h e r l a n d 提出了利用几何约束来进行图形 修改的思想。根据参数化设计方法在不同时期的主要特点，可以将参数化的研究分为以下几个 阶段： ( 1 ) 6 0 一7 0 年代中的萌芽期 这一阶段以s u t h e r l a n d 为代表，他在s k e t e h p a d ( 1 9 6 3 ) 系统中提出利用约束作为辅助手 段进行零件的生成，但没有使用约束定义和修改几何模型，对模型的修改只是一个单向过程， 一旦模型生成后约束不能反过来限制模型。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 7 0 年代后一8 0 年代初的开创时期 提出了一些参数化设计的基本思想和理论，并逐渐形成了不同的参数化方法以h i l l y a r d 提出变量几何和几何约束思想，并由o o s s a r d 及其研究小组进一步发展和完善了这一方法为标 志。 美国的r o b e r tl i g h t 和d a v i dg o s s a r d ( 1 9 8 2 ) 提出修改实体的变量几何法，将尺寸约束等 式划分为水平距离、垂直距离、线性距离、点线距离和角度尺寸等多种类型利用一柔性过程 来定义和修改几何模型，尺寸变量决定几何模型的形状和大小，通过修改尺寸变量来修改模型， 并将该方法应用于草图和系列化零件的设计”1 。 ( 3 ) 8 0 年代中期一9 0 年代初的发展时期 这一时期的一个重要特征是将a 工技术引人参数化设计中，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，形成了特征造型技术， 以a l d e f e l d 、s u z u k i 、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。 a l d e f e l d ( 1 9 8 8 ) 提出了一种基于符号操作和推理机处理一般几何模型的方法，二维几何模 型被表示成一系列几何元素集和定义约束计划的规则集，他将约束分为结构约束与公制约束， 并用一阶谓词表示这些约束通过构造计划、规则库与推理机进行求解”0 1 。 k o n d o ( 1 9 9 0 ) 将约束与对模型盼操作联系起来，几何关系是由对模型的操作顺序确定的，能 够根据尺寸的变化对模型进行修改。基于这种构造过程的几何造型系统p i g m o d 可应用于线框、 曲面和实体模型“。 日本东京大学s u z u k i ( 1 9 9 0 ) 用规则来表示二维尺寸约束，用约束传播等技术进行模型参数 化，给出了几何模型和约束的逻辑框架，以及几何推理机制 1 2 o 西班牙c a t a l u n y a 工业大学s o l a n o ( 1 9 9 4 ) 提出一种基于约束的构造过程的参数化设计方 法，它不仅可以支持多维设计，而且还可以支持变拓扑结构设计“，同时给出了模型的定义语 言、系统的结构和模型的内部表示。 ( 4 ) 9 0 年代中期至今 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应用这一阶段以利用图 表示的基于知识的几何推理法和g a ox i a o - s h a n 提出的约束传播法为主要代表。 韩国p o h a n g 大学l e ej a ey e o l ( 1 9 9 6 ) 提出利用图表示基于知识的几何推理方法，将完备 的约束设计模型和几何规则表示成图，从设计图选择出适当的子图以得到新的事实，并在规则 图中搜索子规则图去匹配模型中的子图”“，目的是改善推理过程，节省推理时间。 西班牙c a t a l u n y a 大学5 0 a n - a r i n y or ( 1 9 9 7 ) 等提出了一个基于规则的几何约束求解器 应用对象为二维几何体求解过程分为两个阶段，第一阶段为建立构造步骤序列；第二阶段则 是根据当前尺寸值和构造步骤生成几何对象的实例“。该方法实质上是一种基于图和规则的构 造过程方法，原型系统通过p r o l o g 语言实现，分析器采用前向推理，而构造器则是一个简单的 函数语言解释器。 中科院系统所高小山和美国w i c h i t a 国立大学c h o us h a n g c h i n g ( 1 9 9 8 ) 在几何约束求解系 4 浙江大学硕士学位论文 统中，提出了一种全局传播法和代码计算法，该方法对局部传播方法进行扩展，全局传播法在 确定一个几何元素对象的位置时是从几何元素集中的已知元素推理而来的推理过程中不仅使 用了显式约束，而且还有约束信息中的隐含约束并且能判定一几何对象是过约束，还是欠约 束。 l e ej a ey e o l 给出一种基于自由度分析( d e g r e eo ff r e e d o ma n a l y s i s ) 的约束分析与求解 方法。，构造与约束分析同步进行，求解算法稳定，并且己运用于机构的运动模拟。 国内近年来对参数化的研究也显示出较高的热情，相继开发出一些具有较高技术水平的商 品化软件，在几何约束的表示和求解方面，提出了新方法和思路。 浙江大学董金祥教授，葛建新博士提出了变参绘图系统中的一种约束求解新方法1 1 9 ，采 用该方法，不但可以通过分解和排序来提高求解速度，而且可以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。 山东大学孟祥旭教授采用扩展的有向超图结构( e x t e n d e dd i r e c t e dh y p e r g r a p h ) 建立了支 持尺寸约束、几何约束和拓扑结构约束的参数化图形表示模型【2 ”利用交互构造的图形对象的 依赖关系建立参数化图形约束关系的求解次序，在超图中采用有向边依次连接图形对象构成求 解次序，由于图形构造的每一步都保证约束的一致性，因此不会出现过约束或欠约束的情况。 同时，针对约束耦台程度高的循环约束情况，采用约束关系白定义机制和约束模型的递归求解 机制，支持变结构参数化模型。 清华大学张国伟等提出了一种基于自由度分析的约束传播算法口i ，求解二维参数化设计 中所建立的几何约束模型用约束图表示几何元素及它们之间的约束关系，用规则图来表示求 解推理的过程，采用了基于规则的推理与数值计算相结合，基于自由度分析的约束求解策略。 浙江大学谭建柴教授等针对现有在线参数化方法的不足，提出了模型建立和求解相分离的 离线式参数化方法口2 】口”基本思路是根据工程制图规则和尺寸与图形的本质联系，自动建立尺 寸与图形的约束关系，并探讨了工程图约束信息自组织原理和方法。 1 2 2 现有参数化技术的主要问题 经过3 0 多年的发展，参数化技术趴无到有，从简单到复杂，从单一到混合，并在实践中得 到了卓有成效的应用，参数化设计的理论和方法都得到较大的发展和完善。但从目前国内外发 表的文献来看，还没有哪一种方法已经完全实现了r o ll e r 当初提出的一个理想的基于约束参数 化系统应具备的7 个要素【2 4 】现有参数化方法存在的问题主要表现在以下几个方面【2 5 】： ( 1 ) 在约束求解方法上，由于每种求解原理本身的局限性，导致了各种方法都有其本身无法克 服的困难： 变量几何法难以避免数值法求解稳定性差的缺点，方程组整体求解的规模和速度难阻得到 控制，且叠代初值的选取在很大程度上也会影响算法的成败，当图中的实体和变量个数很大时， 求解的效率难以提高。由于该方法将几何形状看作是一系列：特征点，约束关系转换成以特征 点坐标为变元的非线性方程组时将一些隐含的约束信息丢失，从而导致无法处理几何约束的 二义性问题。 5 浙江大学硕士学位论文 几何推理法能有效处理欠约束和过约束，但无法适应交互作图过程，基于专家系统的推理 方法由于系统本身的庞大更不适应于交互作图，对于复杂约束问题一般仍需要辅毗必要的数 值求解手段。当图形中要处理的几何元素过多时，用户输入的命令得不到及时的响应，应用该 方法的有效性还取决于系统中知识库的完备性；约束传播法对约束方程十分敏感，同样的约束 集以不同的次序传播，可能会产生不同的图形，甚至无解当存在多解时，输出结果难以预料。 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，而且难以用于早期c a d 系统生成的图形，同时，无法处理约束锅台程度高的 循环约束。 基于神经网络的自学习模式的参数化方法对训练样本的数量有一定的要求，同时当图形 较为复杂时，如何控制网络的层数和隐层中神经元的个数还有待于进一步研究。 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一步探索。 ( 2 ) 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，同时，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就具有重要意义。 ( 3 ) 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 品的功能时，相应的结构也能随之变化。 1 2 3 参数化技术的发展趋势 参数化设计作为机械c a d 的一项关键技术， 目前主要在以下几个方面进行深入研究”： 还能进行变结构产品的参数化设计，当改变产 它贯穿于从概念设计到详细设计的全部过程 ( 1 ) 欠约束问题的有效处理欠约束在产品的概念设计，如草图设计阶段普遍存在，文献 2 6 试图通过对隐式约束优先级的划分，将优先级高的隐式约束强制成显式约束，来表达变参后的 设计意图，但尽管这样还是存在多解的可能，因此如何有效解决欠约束图的参数化还有待于 进一步探索。 ( 2 ) 参数化设计应当与产品功能设计联系在一起产品设计本身就是一个创新过程，为实现 特定功能的机械产品多样性，产品的功能是和其特定的结构联系在一起的，不同行业的产品又 有其特定的设计要求，而现有参数化方法都是针对通用领域的，因此。如何将参数化设计与每 个特定的领域联系起来就有重要意义，一方面要开发一些面向不同行业的参数化图形库，另一 方面要将不同领域的设计知识与参数化过程联系起来。 ( 3 ) 参数化设计要向系统集成化方向发展以关系数据库为驱动源的参数化设计为零件、组 件、装配件以及产品管理信息的一体化设计提供了信息基础，随着数据库技术的发展，尤其是 c s 数据库技术的成熟，其为同一产品在不同地点、不同时间的并行设计提供了保障 ( 4 ) 研究协同设计环境下基于约束的参数化设计模型现有参数化方法中，约束模型的建立 与求解都是基于单用户环境是一种集中式的约束管理，它仅支持“人一机”交互- 远未实现 6 浙江大学顶士学位论文 设计者之间的交互，尽管p r o e n g i n e e r 采用全关联、单一的数据结构，实现零件、部件和产 品的双向关联，但不同的设计者之间却是相互独立的，不能完成多用户之间的协同设计在复杂 产品的参数化设计中，各种设计任务在不同的设计者之间如何分配；零件、部件、装配体中存 在的局部约束和整体约束如何进行协同求解；各种设计进程如何管理：约束信息在网络系统中 如何存放等一系列问题，都有待于进一步研究。 1 3 课题的意义和论文的主要内容 1 3 1 课题的研究意义 本课题作为浙江大学生产工程研究所与宁波海天机械有限公司的合作项目“基于u g 的注塑 机智能化设计软件开发及其应用”的一部分。主要研究了面向工程应用的、支持全过程的参数 化设计理论和方法，并将这些理论和方法结合海天公司的模板设计开发注塑机模板的参数化 c a d 系统。通过本课题的研究希望达到以下两个目的： 1 使得参数化设计和产品的功能设计联系起来，贯串整个设计过程 设计过程可视为约柬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。可以大致上将设计活动中的约束分为工程约束和几何约束，工程约束 作用于产品设计的前期，所关注的对象是产品的功能属性：几何约束作用于产品设计的后期， 所关注的对象是几何图形的属性。它们之间相对独立，存在信息流动的非连续性。 机械产品的设计过程多是从工程约束的求解开始，而且对产品修改的要求也往往是针对工 程约束提出的这就要求参数化设计系统应能直接处理工程约束的参数变化，并将这种变化自 动反映到设计图上来，以提高设计效率。而如前所述，现有的参数化设计研究大多是针对几何约 束的处理对于具体的工程约束必须先由人工转换成几何约束才能进行约束求解也就是说不 能支持产品设计全过程的参数化设计。 2 提高海天公司注塑机模板的设计效率，加强其注塑机产品在国内外市场的竞争力 塑料工业是一个新兴的、重要的、前景广阔的工业部门。随着塑料工业的发展，注塑机( 如 图1 - 1 ) 己经得到了越来越广泛的应用，国产塑料机械年产值达到8 0 亿人民币左右。 图卜1 注塑机示意图 7 浙江大学硕士学位论文 模板系统是注塑机中的关键部件直接决定了注塑机的性能，模板系统是由三块模板( 图 卜2 ) 组成的。现代企业生产的特点是小批量、多品种、设计新、变化快，在实际的生产过程当 中，发现客户对模板的要求是千变万化的，并不是根据厂家的标准固定的，每一次客户的对原有 设计要求的变动，这种改动虽然是对原有设计的非常微小的改动，都将导致整个设计过程的重 新进行。这种重复的设计过程浪费了大量的人力和物力。 ( a ) 定模板( b ) 动模板 图卜2 模板示意图 海天机械有限公司是国内最大的注塑机制造公司，年产值超过2 0 亿人民币。开发注塑机模 板参数化c h d 系统，实现三维空间拓扑结构形状相同，尺寸不同的多种模板的快速建模。可以 避免重复建模，减少设计工作量，缩短产品开发周期和降低成本。该项目的成功开发将极大的 提高海天公司注塑机的设计水平，扩大注塑机产品在国内外市场的竞争力，从而产生重大的经 济和社会效益。 本课题采用的技术方案如下： 主要的技术方法：采用基于特征的参数化建模策略，层次化定义设计参数；约束分层： 工程约束和几何约束分开求解，通过适配约束在工程约束与几何约束间建立映射关系。 使得参数化设计系统既可以受几何参数的驱动，又可以受工程参数的驱动，从而扩大 了c a d 技术对设计过程支持的范围。同时由于可将约束关系分层求解降低了约 束求解的难度，提高了约束求解的稳定性。 系统实现的平台：u g i i 。 将我们开发的系统作为u g 的内部程序集成到u g 系统。采用u g 作为系统实现的平台主 要有以下几点考虑： 1 u g 用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程 师传统的设计方法，并能用参数驱动。 2 u g 提供了界面良好地二次开发工具g r i p ( g r a p h l c a li n t e r a c t i v e 8 浙江大学硕士学位论文 p r o g r a m i n g ) 和u f u n c ( u s e rf u n c t i o n ) ，并能通过高级语言接口，使u g 的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 3 u g 已经在海天公司得到广泛的应用，在i j g 上开发可以使设计人员容易掌握。 二次开发的工具：u g 0 p e l l ，v c 。 u g 提供了一整套用于二次开发的软件工具包u g o p e nk i t ，它们提供了从界面制作 到程序编写的全套工具。利用这些二次开发工具可以实现在u g 环境下手工操作的几乎所 有功能。 1 3 2 论文的主要内容 本文是依托上面所述课题而展开，围绕实际的工程问题，研究了参数化技术的理论和方法， 并在这些基础上实现了课题的一些相关任务。论文大致上可以分为两个部分( 如图卜3 所示) ： 孽。1 醉 西；型i 第一部分 j 图l _ 3 论文结构图 1 第一个部分主要研究了实现专用参数化设计系统的理论和方法，包括第二章，第三章和第四 童。 第二章详细介绍了参数化技术的一些基础理论，主要分析了目前比较成熟的变量几何法、 人工智能法和基于构造过程法等三种参数化方法的理论原理。 第三幸，在分析目前参数化方法的缺点的基础上，研究了实现面向工程应用、支持全过程 的参数化c a d 的方法：基于特征的参数化建模和对设计约束进行分层和映射。并提出应用 这些方法实现专用产品参数化c a d 系统的结构。 第四章，针对实现专用产品参数化c a d 的两大关键问题：构造设计对象的参数化模型和确 定参数驱动机制，提供了解决的方法：特征模型的构建、特征模型和尺寸模型的相互转换 技术，参数映射关系的公式化和离散化方法以及关系的计算机实现技术。 9 新江大学硕士学位论文 2 第二部分是在第一部分的理论和方法的基础上针对注塑机模板的参数化软件开发而进行，包 括第五章第六章和第七章。 第五章简要介绍了u g 及其二次开发工具和方法，主要讨论了在u g 上进行二次开发必须 解决的一些关键技术：开发环境的设置，界面开发技术内部应用程序，g r i p 程序开发技 术，两种程序的相互通讯等。 第六章，可以说是第四章的一个实例，分析了注塑机模板的结构特征和技术要求，根据模 扳的设计过程，结合第四章的技术方法实现了h t f x 模板的参数化模型和参数驱动机制。 在实现过程中用到了a n s y s 软件分析模板的结构得出了模板的优化结构和模板的厚度和 合模力的映射关系，用m a t l a b 软件对一些关系进行了公式化处理 第七章，以海天公司h t f x 系列模板为例，采用了基于u g 平台，把模板的参数化设计程序 作为u g 的一个内部应用程序( d l l ) 集成到u g 上之中的技术方案；进行了系统设计，把软件 分为界面模块、参数驱动模块、参数化模型控制模块、自动建模模块等模块；并对各模块 进行了模块设计采用c 语言编写界面模块、参数驱动模块、参数化模型控制模块，采用 g r i p 语言编写自动建模模块；晟后对软件运行结果进行比较。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章参数化技术理论基础 2 1 几何约束及其特性 2 1 1 约束的表示及其分类 从人工智能学角度看，设计问题是约束满足问题( c s p ：c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ) ，即给 定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。由此产生的参数化设计 就是用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇在形状或功 能上具有相似性的设计方案。因此参数化设计的关键是约束关系的提取和表达、约束的求解以 及参数化模型的构造。 对于一般的参数化c a d 系统，其中的约束分为几何约束和工程约束。几何约束是 ( g e o m e ec o n s t r a i n t s ) 指几何约束系统中几何元素之阅圆有的约束关系，它反映了产品在工程语 义上的设计要求，一般以几何设计参数为变元的约束方程式的形式提供口”。工程约束的引入使 得设计者可以直接关注设计的功能要求，从而为主设计提供了强有力的支持本节主要讨论几何 约束的分类和描述。 几何约束关系可分为以下三大类8 8 1 ： ( a ) 结构约束 结构约束是指几何元素之间的拓扑结构关系，描述了几何元素之间的空间相对位置和连接 方式，如直线水平、铅垂、两线平行或垂直、相切、对称等图形元素的特性或图形元素之间的 位置关系。其属性值在参数化设计过程中保持不变。在参数化设计中往往表现为隐含约束。 ( b ) 尺寸约束 尺寸约束是通过图上的尺寸标注表示的约束。如：点点距离、点线距离、线线夹角、圆弧 半径、起始角度等。非几何属性的重量、粗糙度、公差等也是以数值形式表现的，但不在图形 元素的约束之列。根据设计要求这些尺寸之间相互依赖，相互联系。根据设计和标注原则， 图纸的各尺寸之间不应出现循环依赖，对局部小规模的相互依赖关系应把他们看作是一整体， 作为一新的约束类型对待。因此，尺寸的依赖关系呈层状结构当某一尺寸发生变化时，所有 直接或间接依赖它的尺寸需依次计算。 ( c )自定义约束 没计人员出于设计需要。在给尺寸参量取名的基础上，自行定义的一些约束方程式或约柬不 等式称为自定义约束。例如图2 - l ( a ) 中因结构需要而要求凸台的半径是通孔半径的2 倍“d 2 = 2 d l ”；图2 - 1 ( b ) 中为了留下足够的扳手空间而定义的“l d 2 + 1 0 ”等。 以上三类几何约束可以统一表示为： c = ( r ，0 j ，q ，y ) ( 2 1 ) 其中：c 表示约束；丁表示约束类型；q ，0 2 表示约束对象；v 表示约束值 浙旺大学硕士学位论文 d 2 ( q )( b ) 图2 - i 自定义约束图例 2 1 2 约束的特性 为了在参数化设计中充分发挥约束的作用，直观、清晰、明了地把各图形元素的约束关系 寻找出来，有必要分析约束的特性。约束的特性可表示如下： 1 约束的蕴涵等价 约束的蕴涵等价是指约束集内的某一约柬可以由该约束集内其它几个约束通过欧几里德的 几何公理系统、代数的等式变换规则等推导求得。约束的蕴涵等价在实际中根常见，如图2 - 2 所示，它包含三条约束，其中任