（机械制造及其自动化专业论文）气门参数化设计关键技术研究.pdf

武汉理工大学硕1 ：学位论文 摘要 为了降低产品成本并提高开发速度，企业应该最大程度地重用现有资源， 提高产品的设计效率，解决c a d 与c a p p 之间的信息交换存在着产品数据不统 一性和保证工艺设计的规范性和准确性。采用三维c a d 和基于三维c a d 的 c a p p 系统能够很好地解决出现的问题。本文在己有的特征建模理论基础上， 对气门进行参数化设计研究，并对零件特征信息提取、工艺卡片自动生成、工 艺模板管理等工艺设计关键技术进行了深入地分析和研究。采用现代设计方法、 三维实体建模、c a d 参数化等技术方法开发了基于s o l i d w o r k s 的气门参数化设 计原型系统。具体研究内容如下： 1 ) 深入研究特征造型技术。把特征造型应用于气门的设计过程，在设计时， 利用特征的可拆分性，将气门拆分为五个特征，针对每个特征进行参数化设计， 提高了气门参数化设计的实用性和适用性，提高设计的效率减短开发周期。 2 ) 实现c a p p 系统与c a d 模型之间的信息交换。基于三维c a p p 系统与 传统的c a p p 系统相比，它与c a d 之间的关系更密切，使得工艺设计和结构设 计相互影响，相互促进。通过对s o l i d w o r k s 二次开发技术的深入研究，成功地 实现了c a p p 系统对c a d 零件模型的特征信息的提取。 3 ) 实现了工艺卡片的自动生成。工艺卡片的生成是工艺设计的最后步， ：【艺卡片能否快速准确地生成直接关系到c a p p 系统的高效性和适用性。而工 艺卡片中的关键又是工艺简图的设计。将工艺卡片设计为s o l i d w o r k s 工程图格 式，利用s o l i d w o k s 工程图能够与三维模型相关联的特点，使得工艺卡片中的 工艺简图随着三维模型的改变而自动更新，为参数化工艺设计提供了可能性。 4 ) 利用面向对象技术，对设计对象、设计参数进行分类，利用s o l i d w o r k s 三维参数化设计平台建立了气门特征库，以s o l i d w o r k s 为平台，v c # 为开发工 具开发气门参数化设计原型系统。 关键词：特征造型，参数化设计，c a p p ，特征信息提取，c a d ，气门 茎堡矍三查堂堡主兰垡丝壅 a b s t r a c t t h ee f f e c t i v em e t h o dt h a ts o l v e st h i sp r o b l e m ，w h i c hr e d u c et h ec o s t ，i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g n ，r e s o l v et h ed i s a c c o r db e t w e e nt h ep r o d u c t sd a t a e x i s ti nt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o nb e t w e e nc a da n dc a f pa n de n s u r e s t a n d a r d i z a t i o na n da c c u r a t e n e s so fp r o c e s sp l a n n i n g , i st oa d o p tt h r e e d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r i z e df e a t u r em o d e l i n ga n dc a p pb a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lc a d t h i s p a p e rd e e p l ys t u d i e sp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n go ft h ev a l v eb a s e do nt h ee x i s tf e a t u r e m o d e l i n gt h e o r ya n df u r t h e rr e s e a r c h e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fp r o c e s sp l a n n i n g ， s u c ha s e x t r a c t i n g g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o no fp a r t f e a t u r e s ，a u t o m a t i c a l l y g e n e r a t i n gp r o c e s sc a r d ，m a n a g e m e n to ft h et e m p l a t eo fp r o c e s sc a r d b ya d o p t i n g t h em o d e md e s i g nt e c h n o l o g y , t h r e e d i m e n s i o n a lf e a t u r e m o d e l i n ga n dc a d p a r a m e t e r i z e dt e c h n o l o g y , t h es y s t e mo fp a r a m e t e r i z e dd e s i g no ft h ev a l v ei s d e v e l o p e dw i t ht h ev i s u a l 饼a n dt h ep l a t f o r mo ft h es o l i d w o r k s c o n c r e t ec o n t e n t s o ft h ep a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 ) d e e p l ys t u d yt h et e c h n o l o g yo ff e a t u r em o d e l i n g a p p l yt h e t h et e c h n o l o g yo f f e a t u r e m o d e l i n g t ot h ep r o c e s so ft h ev a l v ed e s i g n u s i n gt h ed i v i d a b l e c h a r a c t e r i s t i co ff e a t u r e s ，t h ev a l v ec a nb ed i v i d e di n t o f i v ef e a t u r e s t h e n p a r a m e t e r i z e d l yd e s i g ne v e r yf e a t u r e ，i nt h i sw a yt h ep r a c t i c a l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo f t h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g no ft h ev a l v ec a nb eg r e a ti m p r o v e d m o r e o v e ri m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ed e s i g na n ds h o r t e nt h ec y c l e 。 2 1r e s o l v et h ee x c h a n go ft h ei n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ec a p pa n dt h ec a d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i o n a lc a p p , t h ec a p pb a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lc a d h a v em o r ec l o s er e l a t i o n sw i t hc a d i tm a k e sp r o c e s sp l a n n i n ga n ds t r u c t u r ed e s i g n i n f l u e n c ee a c ho t h e r lb yd e e p l y s t u d y i n gs e c o n d a r yd e v e l o p i n gs o l i d w o r k s ， s u c c e s s f u l l ya c h i e v ee x t r a c t i n gg e o m e t r i c a li n f o r m a t i o no fp a r tf e a t u r e sf r o mc a d m o d e l si nt h ec a p ps y s t e m 3 ) i m p l e m e n ta u t o m a t i c a lb u i l d i n gt h ep r o c e s sc a r d s b u i l d i n gt h ep r o c e s sc a r d s i st h el a s t s t e p i nt h e p r o c e s sp l a n n i n g ，t h e ni t i n f l u e n c e st h ee f f i c i e n c ya n d a p p l i c a b i l i t yo fc a p p t h ef o r m a to ft h ec a r di sd e s i g n e dt h ef o r m a to fs o l i d w o r k s d r a w i n g d o c u s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h es o l i d w o r k sd r a w i n g d o ci sa b l et oi s r e l a t e dt ot h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，t h i sc h a r a c t e r i s t i cm a k et h es e c o n d - d i m e n s i o n a l d r a w i n gi nt h ec a r db eu p d a t e dw i t ht h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lc h a n g i n g i tm a k e s p a r a m e t e r i z e dp r o c e s sp l a n n i n gp o s s i b l e 4 1u s i n gt h eo b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g ya sat o o l ，c l a s s i f y i n gt h ed e s i g no b j e c t 武汉理工大学硕士学位论文 a n dd e s i g np a r a m e t e r sa n d b u i l d i n gt h ef e a t u r el i b r a r yo nt h ep l a t f o r mo fs o l i d w o r k s ， d e v e l o pt h es y s t e mo fp a r a m e t e r i z e dd e s i g no ft h ev a l v ew i t ht h ev i s u a lc 撑 k e y w o r d s ：f e a t u r em o d e l i n g ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，c a p p , e x t r a c ti n f o r m a t i o n o fp a r tf e a t u r e s ，c a d ，v a l v e m 独创性声明 、8 6 1 2 3 本人声明，所呈交的论文是本人在导师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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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井表示了谢意 签名：8 ，! 童8 期：迎垒璺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，印学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阒；学校可i ；乏公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印，塘印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期：塑：! ? 7 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c a d 发展概述及趋势 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 ，c a d 是工程技术人 员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设 计活动的总称i ”。其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各 自所长，从而使其工作优于每方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了 可能。c a d 技术从产生到现在，经历了准备、发展、应用和集成等阶段f 1 1 。 从5 0 年代开始到6 0 年代早期c a d 技术处于准备阶段，这时期计算机主要 用于科学计算，为之配置的图形系统仅具有输出功能，c a d 系统仅仅能绘制和 显示简单的二维图形，c a d 技术处于被动式的图形处理阶段。 6 0 年代中期到7 0 年代为c a d 技术发展和应用时期。这个时期出现了计算 机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等理论，为c a d 技术质的飞跃 打下了理论基础，是o 技术趋于成熟的阶段，此时，为了适应设计和加工的 要求，发展起来了三维几何处理软件并提出了实体造型思想 2 1 。c a d 系统开始 从大企业向中下企业扩展，从单纯的产品设计发展到工程设计。 实体造型是以立方体、圆柱体、锥体、环状体等多种基本体素为单位体素， 通过集合运算( 拼合或布尔运算1 ，生成所需要的集合形体。这些形体具有完整 的几何信息，是真实而难一的三维物体l lj 。实体造型包括两部分内容：即体素 定义和描述，以及体素间的布尔运算。目前常用的实体造型方法主要有：边界 表示法b r e p ( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n s ) 、构造实体几何法c s g ( c o n s t r u e t i v es o l i d g e o m e t r y ) 、c s g 与b - r e p 混合造型方法和扫描法。 利用实体造型软件，设计人员设计能够很方便地设计出产品的三维模型， 能够很直观地反映出设计者的思想，减轻大量简单烦琐的工作量。但是实体造 型也有自身的缺点，它仅提供了产品的几何信息，而不包括公差、材料等重要 的制造信息，不能完整地表达产品信息。实体模型与产品模型还有很大差距。 8 0 年代到9 0 年代初期是以c a d 技术迅速发展的阶段，此时为了克服实体 造型的不足，就出现基于实体模型上的特征模型和基于特征的设计思怒。 特征造型( f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ) 是以实体模型为基础用具有一定设计或 加工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型的造型方法1 2 】。这 种方法以形状特征为载体，加上精度、工艺、材料等信息进行造型，其优点是 能以工程师所熟悉的方式进行设计，因此比实体造型有更好的设计效率，更为 武汉理工大学硕士学位论文 重要的是由此所建立的几何模型不仅包括了几何信息，还包括了工艺加工等信 息，有助于加强设计、加工、检验等各个部门间的联系，为c a d c a p p c a m 集成系统创造了前提。 9 0 年代中后期以来c a d 技术向着标准化、集成化、智能化的方向发展。经 过几十年的研究，目前c a d 研究的热点集中在以下两个方面( 1 j ： 利用特征概念、约束条件和模型参数思想，为设计人员提供更直接和符 合工程设计习惯的造型方法； 把有关公差、装配关系、零件和装配件的机械特性等信息综合到系统中， 为分析和工艺计划的应用开发提供一个相应的产品数据库。 目前仍然集中在集成式和智能式方面的发展。国外现有的c a d 软件如 p r o e n g e c r , s o l i d w o r k s ，u g i i ，s o l i d e d g e ，a u t o c a d 等，它们具有强大的特征造 型、参数驱动和三维实体造型功能。但他们都是商品化的通用平台，覆盖的是 整个制造和机械行业。 1 2c a d 国内外发展状况及存在的问题 国外c a d 技术起步较早，其主要特点表现在： c a d 软件商品化程度高。国外一些c a d 公司，在软件商品化方面， 投入了很大精力，不断推出许多实用的商品化软件。由于这些c a d 软 件的投入市场，也相应地促进了c a d 技术的应用。 c a d 软件推广应用普遍化。由于国外硬件和软件技术不断发展和完善， 以及商品化软件不断推出，c a d 技术在国外应用十分普遍。 c a d 技术在向智能化、集成化方向快速发展。国外第三维软件，在目 前技术基础上，正积极引入人工智能技术，并把所有功能在单一的公 共数据库下集成起来，以实现c a d 系统的集成。 我国c a d 技术起步比较晚，在将近2 0 多年的发展与研究中，国产化c a d 软件取得了一定的发展，如华中科技大学的开目c a d 、清华大学清华c a d 和 c a x a 等。但是在以下几个方面仍有差距。 我国自主版权的软件，商品化程度低，可靠性差，功能单一，集成化程 度低。 特征造型、参数驱动和三维实体造型方面还不太成熟。 国内c a d 技术的推广应用还不普遍。三维c a d 覆盖率不高。 虽然引进了不少c a d 软件，但其功能没有得到充分利用，而且c a d 软件的引进和应用在行业之间、地区之问的发展不平衡。 2 一茎竖望三盔兰型主兰鱼堡奎 1 3 c a p p 系统目前研究的状况和存在的问题 1 3 1 c a p p 系统目前研究的状况 c a p p 的研究起始于2 0 世纪6 0 年代第一个c a p p 是挪威1 9 6 9 年推出的 a u t o p r o s 系统。表1 - 1 列出了国外比较著名的c a p p 系统。 表1 - 1 国外著名的c a p p 系统【1 】 使用零工艺过工序n c 代 系统名称 开发单位 件类型程设计图码 回转体 ( 、a p p 有 无无美国c a m 1 菱形体 美国普度大 a _ p ! a s 回转体有 无无 坐 回转体 m i p l a n有无有 荷兰 菱形体 英国曼彻斯 a u t o c a p回转体有 无无 特大学 柏林工业大 c a p s y 回转体 有 无有 学 美国普度大 t i p p s 菱形体有无有 学 我国对c a p p 的研究是从2 0 世纪8 0 年代初在推广应用成组技术的基础上 开始的。表1 - 2 列出了国内研制的部分系统。 表1 - 2 国内研制的部分系统1 1 】 使用零件 工艺过 工序n c 代 系统名称 开发单位 类型 程设计 图码 t o 儿c a p 回转体有无无t 0 儿( 弘_ p 北京航空 b h c a p p 回转体 有有无 航天大学 南京航空 n h c a p p 箱体有无 有 航天大学 s e c p 小r c箱体 有无有东南大学 上海交通 s i p箱体有无有 大学 3 武汉理工大学硕士学位论文 华中理工 r c a p 阐转体无 有有 大学 华中理工 g c a p 箱体无无 有 大学 从表1 1 和表1 - 2 的对比可以看出，目前国内外的各种c a p p 系统一般是 针对某类零件的专用c a p p 系统，但迄今为止己得到生产实际考验和令人满意 的系统还不多。我国对c a p p 的研究始于8 0 年代初，但与世界先进水平相距不 远。特别是在国家8 6 3 ( 2 i m s 计划的支助和推动下，近年来c a p p 技术已取得 很大的成绩。 在c a p p 的发展历程中，先后出现了在设计方式上不同的两类系统，即派 生式系统和创成式系统。派生式( v a r i a n t ) 系统已从单纯的检索式发展成为今 天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原 则和方法。创成式( g e n e r a t i v e ) 系统的研究与开发始于7 0 年代中期，它能结 合零件j i n x ：信息，自动地为一个新零件创造工艺规程。近年来，这两类系统都 在发展中不断改进提高和互相渗透。近年随着人工神经元网络技术的出现，有 人将之融入基于模糊推理以及基于实例的推理的c a p p 之中，提出了c a p p 系 统建造工具的思路，并迸行了卓有成效的实践。还有人将传统派生法、传统创 成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了所谓的混合式( h y b r i d ) c a p p 系统。但是由于工艺设计的复杂性和多样性，目前大多是工具化的c a p p 智能化和集成化程度仍很低。 1 3 2c a p p 系统存在的问匿 1 模板定制存在的问题 目前部分系统已经实现了工艺卡片模板的乘性定制。但从p d m 以及系统 集成的角度来看，还存在着以下几方面的问题需要进行研究： ( 1 1 目前的c a p p 系统及其工艺模板定制工具还无法支持典型零件的变形工 艺设计。 f 2 ) 由于工艺设计工作的个性化很强。不同用户对工艺文件的格式有不同的 要求。因此，在不同的企业这些工艺卡片的内容和格式都不尽相同，要开发通 用的、适合所有用户的卡片是不现实的。目前有些c a p p 系统提供给用户是周 定的模板，当格式发生变化时，就只能通过修改程序来实现，无法适用格式的 多样性。 f 3 1 许多c a p p 系统将工艺数据和工艺卡片作为一个文件来存储，用户通过 工艺文件对象整体访问工艺数据，文件中的工艺信息对外是封闭的，很难对工 艺文件中的_ 艺信息进行管理维护。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 信息集成方面存在的问题 ( 1 ) 目前主流三维c a d 系统软件都采用了特征造型这一技术，在零件模型上 附加了制造信息。工艺设计如何和三维c a d 系统产生的这些数据进行集成，如 何基于三维c a d 平台进行加工工艺设计和装配工艺设计等等，目前在很多企业 都有迫切的需求。在现阶段，c a p p 的应用基本上基于二维c a d 进行，与三维 c a d 的集成应用还处于起步阶段，有待于进一步研究和突破。 ( c a p p 系统与其他应用系统的集成问题。工艺是设计和制造的桥梁，工 艺数据是产品全生命周期中最重要的数据之一，工艺数据同时也是企业编排生 产计划、制订采购计划、生产调度的重要基础数据，在企业的整个产品开发及 生产中起着重要的作用。c a p p 系统需要与企业的各种应用系统进行集成，包 括c a d p d m e r p m r s 等等。由于不少企业c a d 、c a p p 、c a e 即的应用是 分阶段、不同时期应用的，目前还存在着信息的孤岛，工艺数据的价值还没有 得到有效的发挥和利用。 3 o k p p 系统功能的单一性 c a p p 技术从6 0 年代术诞生以来，尽管国内外在各种决策方式、各种机加 工艺c a p p 、以及智能化、集成化方面取得许多成绩，但是c a p p 研究与开发 的目标具有很大的片面性，过分追求c a p p 系统的自动化程度，忽视人在工艺 决策中的作用，以至停滞不前。同时c a p p 系统应用对象过于狭窄，大多数都 是针对某一类零件，不具有扩展性，系统没有再利用的价值。导致不断重复性 地劳动，极大地浪费了资源，阻碍了c a p p 的进一步发展。 4 工艺简图功能的欠缺 r 芝简图一直c a p p 系统的难题之一，从表1 - 1 和表1 2 可以看出，有不少 c a p p 系统不具备或者具备但功能有缺陷。工艺简图用于指导工序的加工，直 接关系到c a p p 系统的实用性。一些c a p p 具有工艺筒图的功能，但是工艺简 图被作为单纯的图片来处理，没有能和三维模型联系起来，这种局限性阻碍了 典型工艺的变形设计，影响了效率。 5 对c p p 的系统化、实用化、工程化研究不蟹重视 到目前为止，尽管各种新概念、新方法、新技术在c a p p 中不断获得 应用，但主要是针对各种决策功能，而始终缺乏对c a p p 的系统化、实用化、 工程化的研究，缺乏各种技术之间及技术与管理、人与技术之间的集成与 协调，使得这些新技术、新概念、新方法所起作用甚小，由于对企业c a p p 需求和功能要求了解不足，从纯科研角度去认识和开发c a 即系统，导致 c a p p 的整体发展缺乏坚实的实践基础和动力。 武汉理工大学硕士学位论文 1 。4c a p p 系统发展的趋势 由于制造业生产模式的转变以及信息化进程的推进，制造业对c a p p 系统 提出了更高的要求。c a p p 系统的发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 1 集成化的c a p p 系统 计算机集成制造是现代制造业的发展趋势，作为集成系统中的一个单元技 术c a p p 系统集成化也是必然的发展方向【3 】。在并行工程思想的指导下实现 c a d c a p p c a m 的全面集成，进一步的发挥c a p p 在整个生产活动中的信息 中枢和功能调节作用，这包括与产品设计实现双向的信息交换与传送1 4 】；与生 产计划调度系统实现有效集成；与质量控制系统建立内在联系。 但) 基于知识复用豹c a p p 系统 随着知识经济的到来，传统的大批量的生产模式已不能适应新的市场形势 的需要，在这种情况下，产品中所蕴合的知识量，以及对市场的快速反应能力 成为企业能否在市场竞争中胜出的标志。因此，探索在设计和制造的各个环节 中知识重复利用的理论、技术与方法，提高c a p p 的知识水平，将会是c a p p 应用和发展的重要方向。 r 3 ) 基于三维c a d 的c a p p 系统 随着企业三维c a d 的普及应用，基于二维c a d 的c a p p 无法与三维c a d 集成，而且不能满足工艺设计全过程管理的要求。迫切需要开发与之配套的 c a p p 系统。 “) 基于平台技术、开发式的c a p p 系统 开放性是衡量c a p p 的一个重要的因素【”。工艺的个性很强，同时企业的 工艺需求可能会有变化，c a p p 必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。 基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的c a p p 系统将是重要的发展方向。 会有变化，c a p p 必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。 1 5 课题研究的背景和意义 1 5 1 课题研究的背景 企业在利用计算机进行辅助设计和工艺设计方面面临一系列的问题。 f 1 1 一些企业很早就引入了计算机辅助工具进行产品的开发工作，主要使用 二维c a d 系统来进行产品设计，同时也开发了基于二维c a d 的辅助工艺设计 系统。企业为提高产品开发效率，引入了s o l i d w o r k s 等三维设计软件。但是基 于二维c a d 的c a p p 系统无法提取三维c a d 系统产生的产品数据，造成了工 艺数据与产品数据相分离，信息化孤岛问题并没有从根本上得到解决。 武汉理工人学硕七学位论文 ( 2 ) 基于二维c a d 的c a p p 系统的工序简图都是以二维图形存在，各个工序 简图之间彼此互不关联，工艺数据无法自动传递。工艺简图无法与产品模型文 件相关联，一旦产品模型发生变化，工艺简图不能自动更新，只能重新设计工 序图。 ( 3 ) 信息共享程度低，可复用程度差。一种好的己得到实践检验的工艺设计 方法不能推广使用；对同一个零件不同的工艺设计人员有不同的设计方案，不 同充分共享已有的设计成果。大量的精力浪费在重复工作上。 ( 4 ) 各应用系统之间无法实现集成。在各种文档中，最基本的信息往往重复 名次，不同格式的数据不能统一管理，无法有效的传递数据，工艺设计人员无 法共享方案和结构设计阶段产生的产品数据，更无法实现不同部分之间的并行 协同设计。 ( 5 ) 各种工艺卡片没有进行统一管理，通常存放在工艺人员各自的电脑中， 工艺数据难以管理、统计和汇总；随着企业的发展，产品类型的不断变化，工艺 文件的输出格式也在不断变化，迫切需要对工艺卡片进行柔性定制。通过对企 业在计算机辅助工艺设计方面存在的一系列问题进行实际调研和分析，本课题 选择了p d m 环境下基于s o l i d w o r k s 的三维c a p p 系统的研究。妖大批量定制 的思想出发，充分考虑资源重用，以期望不但能够实现产品数据的统一管理和 共享，解决资源重用问题，而且能够很好地将零件的几何信息和工艺信息进行 集成，解决基于二维c a d 的c a p p 系统无法集成的问题，实现参数化工艺变形 设计，同时解决工艺文档的管理问题。 1 5 2 课题的意义 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 即计算机辅助设计，在现代制造企业中得到 广泛应用。但是这些c a d 软件大多数都是国外的，而且它提供的也只是一个三 维或二维设计的平台，如果不对它进行本地化和二次开发，就不能最大程度地 利用它，给企业带来的效益会大大地打了折扣。当然设计的最终目的时加工出 合格的产品。所以设计的合理性和效率是生产出合格产品的基础。从c a d 到 c a m ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ) 还要经历生产工艺制定这一步。没有一个 好的工艺设计，同样不能提高企业产品的质量。传统工艺设计是由工艺人员手 工逐件设计的，因此工艺文件的内容、质量以及编制时间主要取决于工艺人员 的熟练程度。这也导致了工艺文件的多样性、设计时间长和质量不能保证等诸 多问题。c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp r o g r a m ) 计算机辅助工艺设计的出现 从很大程度上解决了这个问题。但是c a p p 也因为工艺的多样性而失去了通用 性，同时c a d 与c a p p 没有进行集成，也大大影响了整体的效率。本课题以气 门为研究对象，基于s o l i d w o r k s 平台致力于解决气门参数设计和工艺设计，意 武汉理丁大学硕士学位论文 义在于： 夺针对气门种类的多样性，以及结构上的相似性 高设计效率，产品开发周期。 夺实现c a p p 系统从c a d 模型中获取零件信息， 成奠定了基础。 实现参数化设计，以提 为e a p p 和c a d 的集 夺实现卡片的自动生成，提高了c a p p 系统的实用性。 夺实现工艺简图的自动生成，并与三维模型关联，为典型工艺的变形设计 提供了可能性。 1 6 本文研究的主要内容 通过对相关企业的需求进行分析，在研究、分析国内外c a d 、c a p p 软件 的技术和功能的基础上，设计并开发了基于s o l i d w o r k s 气门参数化设计系统。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) n 用s o l i d w o r k s 特征库思想，将气门整体拆分为多个库特征，建立特征 库，针对每个库特征进行参数化设计，然后组合库特征，形成气门整体模型， 实现气门的参数化设计。 ( 2 ) 在c a p p 系统中，根据工艺设计的需要，提取三维模型的特征信息。 ( 3 ) 采用面向对象的分析方法，对工艺资源、工艺卡片模板、三维a 廿 ；系 统进行模型分析，实现工艺卡片模板进行柔性定制。将非工艺类数据定义为 s o l i d w o r k s 模型文件的属性，通过属性链按的方式将工艺卡片编辑区域与资源 库进行链接。 f 4 ) 在模型分析的基础上进行数据库设计，完善底层的数据支持系统。 f 5 1 实现工艺卡片与工艺简图的自动生成。 1 7 本章小结 本章分析了c a d c a p p 技术的国内外发展概况，它们在制造业中出现的问 题，以及c a d c a p p 技术的发展趋势。结合课题的研究背景，确立了本文研究 的内容和意义。 武汉理工人学硕士学位论文 第二章系统的体系结构与功能需求分析 2 1 气门设计需求分析 2 1 1 气门结构设计需求分析 按照传统的设计方式，气门设计首先根据厂家的要求或者草图，来构思出 气门的结构并选择好气门的材料。根据构思的结构，利用c a d 软件绘制出气门 的三维模型，最后生成二维的工程图。由于气门的种类繁多，结构相似，按照 传统设计方式，远远没有发挥出c a d 系统的参数化特征造型技术的作用。 参数化造型就是建立起零件各个部分之间的几何约束，改变尺寸约束来实 现尺寸驱动图形。对于结构相似的零件来说，通过利用该技术，可以大大缩短 设计的时间，提高设计的效率。 要实现气门参数化建模，就需要深入地研究各类气门的结构，找出相似的 特征，建立几何约束关系。对于s o l i d w o r k s 来说，几何约束关系可以通过建立 尺寸之间的方程来实现。 2 1 2 气门工艺设计需求分析 在工艺设计阶段由于企业采用的c a p p 技术大部分都是基于二维c a d ，但 随着三维c a d 系统的广泛采用，在产品数据和工艺数据管理、集成等方面存在 着较多的问题需要解决。 1 三维模型的特征信息提取 不管是派生式还是创成式的c a p p 系统，它的工艺决策模块都是通过获取 c a d 模型的零件信息，来设计零件的工艺。而目前企业中的基于二维c a d 的 c a p p 系统无法处理三维产品模型的信息和图形数据，使得c a p p 系统的工艺 决策功能无法实现，影响了c a p p 系统的效率。 2 产品结构管理 c a p p 系统的产品结构管理按照产品零部件的装配关系进行展开形成了产 品结构树。基于二维c a d 的c a p p 系统只有在产品图纸设计完成后，才能形成 产品结构树，因为如果产品设计进于亍更改，产品结构树无法实现自动更新，无 法保证产品数据的一致性。 3 工艺结构管理 随着现代制造业生产的产品类形由品种少、批量大的生产模式到多品种变 批量的转变，企业产生了大量的电子图纸和电子文档，通常就存放在设计人员 9 武汉理工大学硕士学位论文 的电脑中，没有系统地管理，可能存在数据过期、版本不统一、数据不一致等 问题，而且数据信息查询难、利用难，同时由于产品之间零部件的相互借用关 系复杂，使得传统的工艺管理方法已经无法适用当前机械制造行业发展的要求。 而工艺。 4 工艺资源管理 由于制造业信息化的建设过程中不同子系统都会用到工艺资源，不同子系 统间会出现工艺资源管理功能重叠和互不兼容等问题，例如大多数c a p p 中的 工艺设计资源与e r p 即中的制造工艺资源有较大的重叠。同时由于工艺资源需 要随着企业资源的不断扩充而随时更新，因此工艺资源管理系统应该具有开放 式的框架。虽然目前一部分系统的工艺资源管理子系统为开放式的架构，但无 法满足不同“项目”间集成的要求。 5 工艺模板定制 工艺文件的多样性，导致工艺卡片格式不能由一种固定的结构来描述。目 前有许多c a p p 系统把工艺卡片作为一个对象进行存储。用户通过工艺文件对 象整体访问工艺数据，而文件中的工艺数据对外是封闭的。很难对工艺文件中 的工艺数据进行管理维护。 6 卡片编辑器 卡片编辑器被误认为是填写表格，而卡片的自动生成也就是通过程序把编 辑好数据填写写到表格中。而工艺规程中的工艺简图彼此彼此不相关联，下一 步工序图的信息无法自动继承上一工序图的信息，需要重新输入。这样容易造 成工艺数据的不一致。工序中所需要的工装夹具、刀具、量具和机床都采用工 艺设计的文字属性进行描述，无法用三维实体的装配形式阐述它们之间的关系。 而基于s o l i d w o r k s 的三维c a p p 系统，可以充分利用三维c a d 在工艺建模、 参数化工艺设计等方面的优势。 2 1 3 气门产品开发流程 1 气门结构设计流程 通过深入地分析各类气门的结构，根据影响气门形状的重要程度，将气门 分为五个部分。利用s o l i d w o r k s 的特征库技术，构建气门特征库。气门的五个 部分可以设计成五类库特征。首先，根据设计要求，分别对每个库特征进行参 数化设计，形成符合设计要求的特征库；然后对特征痒中的每个库特征进行组 合形成气门零件。整体流程如图2 - 1 所示。 气门库特征参数化设计，首先输入该库特征定义好的形状参数，根据形状 参数在气门特征库中检索该库特征。如果存在，提取库特征的关键尺寸信息， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 修改关键尺寸，更新模型；如果不存在，就在s o l i d w o r k s 环境中设计该库特征， 设计完成后，将此库特征存入气门特征库中，同时设计它的关键尺寸。 图2 一l 气门参数化建模 2 气门工艺设计流程 经过气门参数化建模后，得到了气门完整的零件模型，通过对气门零件模 型的信息提取与识别，由工艺决策结合典型工艺库，工艺资源库，工艺知识库 来生成气门初步的工艺流程。然后经过工艺设计人员编辑修改，得到完整的气 门工艺流程，最后等待工艺审核人员的审核。在审核通过后，通过s o l i d w o r k s 提供的接口，自动生成工艺卡片( 包括工艺数据和工艺简图) 。过程如图2 2 所 示。 武汉理t 大学硕士学位论文 u g _ 锰* o 7 开始 l 一_ _ i 一 f 结束 j 图2 - 2 气门工艺设计流程 2 2 气门参数化设计软件体系结构 本系统主要采用基于c s 架构的三层体系结构。数据库服务器采用 s q l s e r v e r ，功能层和客户端采用基于n e t 平台的v i s u a l 雠进行开发。 系统支持层以企业中分布硬件平台和局域网络为硬件基础，采用基于c s 架构的三层体系结构，实现异构环境下的网络传输。通过关系数据库系统提供 的数据操作功能支持系统对象在底层数据库的管理。基于c s 架构的网络数据 库管理系统为c a p p 系统提供了动态、丌放的数据管理与访问机制。实现了数 据的集中控制、结构化表示及共享垆j 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 功 能 层 疰浔嚣纛h i 罢 广 i 广磉獗环g 丌 i 粤粤 卫 s 0 1 i 胡o r k s p d 唧o r k 8 王 逻辑层 操作系统，哭系数据库，网络 # 硬件平台， 二 系统支持培 图2 - 3 气门参数化设计系统结构豳 逻辑层提供了描述气门参数化建模和基于三维c a p p 系统对象模型的支持。 系统采用面向对象技术对气门参数化建模和基于三维c a p p 系统进行了分析， 建立系统数据模型。通过该层实现对用户操作的响应，返回用户需要的数据。 功能层是整个系统的核心，以气门参数化建模和三维c a p p 为核心将其他 功能模块组织起来。利用这些功能组件，可以快速实现气门参数化建模和参数 化：e 艺变形设计等，搭建适应企业个性化需求的参数化工艺设计平台。 系统的最顶层是用户工具层和用户操作界面，用户操作界面作为应用软件 系统人机交互的接口，其设计结果的优劣直接影响着软件的使用。系统提供了 各种菜单、对话框等，便于人机交互。不同的用户可以在不同的计算机上根据 需要定制系统功能，执行相应的操作，系统提供友好的人机界面。 2 3 气门参数化设计软件功能分解 气门参数化设计系统包括两个部分：气门参数化建模和气1 9 1 艺设计，分 别完成气门的结构和工艺设计。气门参数化建模以s o l i d w o r k s 插件形式存在， 武汉理工大学硕士学位论文 气门工艺设计是一个独立运行的应用程序。 2 3 1 气门参数化建模 在s o l i d w o r k s 环境里，利用s o l i d w o r k s 参数化特征造型技术、特征库技术 实现气门的参数化。该系统可以分为两部分：气门特征库模块和气门库特征参 数化设计模块。 1 气门特征库 气门由五个特征组成，将这五个特征设计成s o l i d w o r k 的库特征，通过气门 特征库来管理。气门特征库存储了库特征的模型和该库特征的关键尺寸信息， 为气门库特征参数化设计提供基础数据支持。 2 气门库特征参数化设计 该模块实现气门的参数化设计。它包括两个功能：气门库特征设计和气门 库特征的组合。 ( 1 ) 气门库特征设计。根据库特征的形状参数，从气门特征库中检索出符合 要求的库特征，读取关键尺寸，然后根据设计要求，重新设置尺寸，最后驱动 库特征模型，形成符合要求的库特征。依次设计好每个库特征。 ( 2 汽门库特征的组合。乖j 用s o l i d w o r k s 库特征技术，把设计好的库特征依 次组合一起来生成气门整体模型。 2 3 2 气门工艺设计 气门工艺设计是基于s o l i d w o r k s 的c a p p 系统，实现了气门的工艺设计、 ：l 艺文档管理、工艺卡片生成、工艺资源管理、工艺模板管理和工艺流程管理。 该系统可以分为三个模块：集成环境、工艺模板管理、卡片编辑器和工艺资源 管理。 1 集成环境 集成环境包括产品结构管理、工艺结构管理、零件编码、典型工艺维护、 工艺流程管理。 产品结构管理：基于三维装配体建立产品结构树，以产品结构树来形成 产品结构的有效组织形