（机械制造及其自动化专业论文）面向起重机联轴器的广义参数化设计系统研究.pdf

摘要 摘要 在产品开发过程中存在大量的专家知识、领域知识、背景知识以及用户知 识，如何有效的管理、共享和利用这些设计知识成为企业实际产品开发中的瓶 颈。若能将零件参数化设计的思想扩展到部件产品这一级，实现部件产品的 广义参数化设计，无疑会更加有利于企业的创新设计和快速设计。 为了更好的支持并行设计、协同设计等先进技术，需要将c a d 设计技术提 高一个层次，即参数对象不仅仅是几何元素，而是应该包括产品设计要求、安 全系数等确定性或非确定性的设计元素，更重要的是支持产品级的参数化设计。 本文在分析传统参数化设计的基础上，旨在利用广义参数化的方法支持产 品的整个设计周期，通过对产品设计中的知识管理和设计重用方法提高产品设 计能力，从而缩短产品开发周期，节约开发成本。 首先，分析和总结目前对产品级参数化设计技术的研究现状，探讨将设计 重用技术应用到产品广义参数化设计中的可行性。其次，使用产品广义参数化 设计的理论方法，建立实例产品广义参数化信息模型。以起重机中联轴器部件 为例，对几何尺寸、功率、转速、扭矩等方面进行实例分析，并且分析研究系 统实施过程中所涉及到的一系列关键性技术。再次，通过分析基于起重机联轴 器部件实例和规则的产品设计方法，建立面向起重机联轴器部件的广义参数化 设计系统。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：广义参数化，并行设计，协同设计，设计重用 a b s t r a c t a b s t r a c t i np r a c t i c a ld e v c l o p i n g , t h e r ea r em a n ye x p e r tk n o w l e d g e ，d o m a i nk n o w l e d g e ， b a c k g r o u n dk n o w l e d g ea n dc o n s u m e rk n o w l e d g e h o wt om a n a g e ，s h a r ea n dm a k e u o ft h e s ed e s i g nf c s o u r & , s e f f e c t i v e l yj s t h ec h o k ep o i n to fd e s i g n e x p a n d p a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o dt oa s s e m b l ya n dp r o d u c ta n da c h i e v eg e n e r a l i z e d p a r a m e t r i cd e s i g no na s s e m b l yo rp r o d u c tw i l lb ep r o p i t i o u st oc o r p o r a t i o n s i n n o v a t i o na n dr a p i dd e s i g n i no r d e rt os u s t a i na d v a n c e d t e c h n o l o g ys u c h a sc o n c u r r e n td e s i g na n d c o o p e r a t i v ea s s e m b l yd e s i g ni t sn e c e s s a r yt oe n h a n c ec a dd e s i g nt e c h n i q u e p a r a m e t r i c d e s i g n i sn o t o n l ya g a i 璐tg e o m e 仃y e l e m e n tb u ta l s oi n c l u d e n o n g e o m e t r ye l e m e n ts u c ha sp r o d u c td e s i g nr e q u e s ta n ds a f e t yf a c t o r a n dm o r e i m p o r t a n ti st ou s ep a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o do ne n t i r ep r o d u c td e s i g n t h i sp a p e ra n a l y z e st r a d i t i o n a lp a r a n _ l e t r i cd e s i g na n dp u q x mt ou s c g e n e r a l i z e d p a r a m e t r i cd e s i g nd u r i n ge n t i r ep r o d u c td e s i g n u s ek n o w l e d g em a n a g e m e n ta n d d e s i g nr e u s em e t h o dt oi m p r o v ep r o d u c td e s i g na b i l i t y i tw i l ls h o r t e nt h et i m eo f p r o d u c td e v e l o pc y c l ea n d r e d u c ei n n o v a t i o nc o s t f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds u m m a r i z e sp r e s e n t l yr e s e a r c hs t a t u so fp r o d u c t p a r a m e t r i cd e s i g n n e x td i s c u s st h ef e a s i b i l i t y a b o u tt ou s cd e s i g ni 嚣u s 4 9i n g e n e r a l i z e dp a r a m e t r i cd e s i g n s e c o n d l y , u s eg e n e r a l i z e dp a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d b u i l da ni n s t a n c eo fg e n e r a l i z e dp a r a m e t r i cm o d e l t a k es h a f tc o u p l i n gf o re x a m p l e a n da n a l y s e si t s g e o m e t r yd i m e n s i o n , p o w e r , r o t a t es p e e da n dt o r q u e t h i r d l y , c o n s t r u es h a f t - c o u p l i n gp r o d u c ti n n o v a t i o nm e t h o da n dh a sf i n i s h e dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ed e s i g ns y s t e mu s i n gg e n e r a l i z e dp a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d i nt h ef i n a l i t y , t h e p r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：g e n e r a l i z e dp a r a m e t r i cd e s i g n ，c o n c u r r e n td e s i g n ，c o o p e r a t i v ea s s e m b l y d e s i g n ，d e s i g nr e u s e n 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 随着经济全球化、市场全球化趋势的形成，各项技术变革的加速，围绕新 产品的市场竞争日益激烈。在保证产品质量、产品服务的前提下，如何应对产 品交货期的缩短以及苛刻的客户化定制要求，成为企业能否强劲地占领市场、 保持自身核心竞争力的关键n ，。在产品开发过程中存在大量的专家知识、领域知 识，背景知识以及用户知识，如何有效的管理、共享和利用这些设计知识成为 企业实际产品开发中的瓶颈。同时新产品开发中也存在大量的重复劳动，这些 重复劳动一方面来自标准件和外购件、通用件和相似件的重复开发，另一方面 来自产品设计( 概念设计、详细设计、工艺设计) 及围绕该产品的各种工作的 重复。在新产品的开发过程中，应该尽量利用企业已有的设计资源，减少开发 工作中的重复劳动。若能将零件参数化设计的思想扩展到部件产品这一级，实 现部件产品的广义参数化设计，无疑会更加有利于企业的创新设计和快速设 计。所以，有必要对产品参数化设计的设计对象进行拓展，即广义参数化产品 设计方法。 1 2 课题的来源及研究的目的和意义 该课题来源于西门子信息技术实验室自主研究项目：上海港机重工有限公 司“产品数字化开发三维c a d p 咖应用”项目“港机产品参数化、模块化 设计”子课题。 目前港口机械计算机辅助技术在国内正逐步得到应用，但大多数的产品开 发却仍受到传统设计方法的制约。港机产品局部设计虽已采用c a d 方法，但其 总体布局优化、整机性能分析、运动约束分析、结构强度和刚度优化设计与计 算、可靠性分析与计算、人机工程及模型试验等问题，由于各过程之间缺少统 一的模型作为基础，计算机辅助技术的总体应用受到了很大的限制。 另一方面，机械c a d f 经历从：维到三维设计的转变，可以说这是机械设 第1 章引言 计上的一次革命。在我国二维c a d 已得到普遍应用，三维c a d 在企业中的实施 正处于发展阶段嗍。由于我国制造业信息化总体水平较低，尤其在港口机械行业， 很多企业实施三维c a d 后的效果并不理想。 创新是一个企业持续发展的灵魂，客户是一个可以得以生存的依赖，但创 新的产品只有快速设计和制造出来，去满足客户，才能去占领市场，为企业获 取最大的利润，参数化设计技术是实现快速产品设计的常用有效手段啊。它极大 地改善了图形的修改手段，提高设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造 型、装配、公差分析和综合、机构仿真、优化设计等c a i ) 、c a e 领域发挥着很大 的作用。因为大多数的产品设计都是在原来产品设计的基础上的变形设计，通 过参数化技术的应用，系统可以根据设计人员的意图快速勾画出设计意图。 从一定意义上讲，产品实际上是各部分零件，模块的组合体、装配体，产 品的变化是由于某些零件或模块的变动而驱动的。因为产品更新速度加快，同 时市场出现用户需求多样化和个性化的发展趋势，模块化设计使得解决这一问 题成为可能。针对港机产品设计和生产的特点，本系统提出了将参数化技术与 模块化设计方法相结合的手段，通过参数化驱动模块的生成以及变型，从而通 过可变模型的基础上配置满足不同客户需求的产品。 目前关于产品单个零件参数化设计技术的研究已经较为成熟，并应用到大 型的c a d 软件平台之中瑚，如c a t i a 、p r o e n g i n e e r 、u g 等平台，但传统的参数 化设计的研究对象只是针对点、线、曲线、曲面等一般几何体素，大多只能支 持产品的详细零件设计，缺少对概念设计等上游设计阶段的支持和管理。 为了更好的支持并行设计、协同设计等先进技术，需要将c a d 设计技术提 高一个层次，即设计对象不仅仅是几何元素，而是应该包括产品设计要求、用 户需求等确定性或非确定性的设计元素，更重要的是支持产品级的参数化设计。 所以，有必要对产品参数化设计的设计对象进行拓展，将其扩展到产品、部件 级的参数化建模，同时，参数化处理的对象不仅仅是几何参数，而是包括功能 参数、设计参数等工程参数。 1 3 计算机辅助设计研究现状综述 1 3 1 国外c 加参数化的研究现状 2 第1 章引言 在国外，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得参数化造型模块，他们分别采 用不同的技术，各有所长，展开了激烈的竞争。国外的主要参数化设计软件有 p t c 公司的p r o e ，u g 公司的u n i g r a p h i c s ，法国达索公司c a t i a ，s o l i dw o r k s 公司的s o l i dw o r k s ，美国c o m p u t e rv e r s i o n 公司的c a d d s 5 ，德国西门子利多 富公司的s i g r a p h d e s i g n ，俄罗斯t o ps y s t e m 公司的t f l e x c a d ，a u t o d e s k 公司 的m d t 。 1 3 2 国内c a d 参数化的研究现状 国内从事参数化技术设计的研究起步较晚，八十年代多采用程序参数化方 法进行机械零件的设计计算和出图，以及建立标准零件库”。随后，交互式参数 化设计方法迅速得到应有的重视，国内一些大学和科研机构( 如浙江大学国家 c a d & c g 重点试验室、华中理工大学c a d 中心、上海交通大学、西安交通大学、 吉林大学、中国科技大学，北京中科院软件工程中心等) 跟踪国际先进水平的研 究成果，做出了许多创造性的工作。目前，人们对c a d 技术的要求不仅仅是能 够设计产品或零部件的几何模型，而是逐渐关心产品设计能否真正的反映设计 者的意图，是否能够根据设计者的要求在进行大改动的情况下进行模型的快速 生成，以及能否支持产品的概念设计、结构设计、详细设计等产品整个设计周 期，同时还要考虑在设计条件发生变更的情况下如何根据原有设计来进行创新 设计或适应性设计旧。目前，对这方面的研究大多集中在国内。 1 3 3c a d 技术的发展进程 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 是用计算机系统协助产 生、修改、分析和优化设计的技术“1 。随着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和并行、高 性能计算及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到了广泛 应用嗍。 c a d 作为信息技术的一个重要组成部分，将计算机高速、海量数据存储及处 理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来，对加速工程和产品 的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强介业市场竞争能力与 创新能力发挥着重要作用。如果从美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号所配的图 3 第1 章引言 形系统算起，c a d 迄今已有5 0 年历史；若以m i t 林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 发表的人机通信的图形系统博士论文为开始，也有3 6 年的历史了。 计算机辅助设计发展至今已经大致经历了四次技术革命，分别是曲面造型 系统、实体造型技术、参数化技术和变量化技术革命。 6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统，它只能表达基本 的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。进入7 0 年代，正值飞机和 汽车工业的蓬勃发展时期。此时法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算 机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，改变了以往只能借助油泥模型来近似 准确表达曲面的落后的工作方式。曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发 手段比旧的模式有了质的飞跃，汽车工业开始大量采用c a d 技术。 7 0 年代末到8 0 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，c a e 、c a m 技术也 开始有了较大发展。有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型 技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、 惯性矩等，对c a e 十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。由于实 体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着c 加技术的发展方向，实 体造型技术逐渐为众多c a d 系统所采用。 进入8 0 年代中期，由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若 采用参数化技术，必须将全部软件重新改写。8 0 年代末，计算机技术迅猛发展， 硬件成本大幅度下降，c a d 技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需 几万美元。一个更加广阔的c a d 市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力 使用c a d 技术。进入9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在 许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。 参数化技术的成功应用，使得它在9 0 年前后几乎成为c a d 业界的标准。开 发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处，并以参数化技术为蓝本，提出了 一种更为先进的实体造型技术变量化技术，作为今后的开发方向。现在的 c a d 技术和系统都具有良好的开放性，图形接口、图形功能日趋标准化。在c a d 系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系 统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能c a d 新学科。智能c a d 把 工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集 于一体。c a d 技术一直处于不断的发展与探索之中，正是这种此消彼长的互动与 4 第1 章引言 交替，造就了今天c a d 技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展“1 。 1 3 4c a d 系统的发展趋势 1 c a d 系统应用面向产品的整个生命周期 要求产品信息模型能够容易地在产品生命周期的不同环节( 从概念设计、 结构设计，详细设计到工艺设计和数控编程) 间进行转换。要求能支持集成地、 并行地设计产品及其相关的各种过程( 包括制造过程和支持过程) 帮助产品开 发人员在设计一开始就考虑产品从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括 质量、成本、进度计划和用户要求。而以往的c a d 系统主要面向产品生命周期 中的某个环节。 2 c a d 系统应充分考虑产品信息的继承性 要求能方便地获取全部历史数据，最充分地利用已经生产实践考验过的产 品信息。c a d 系统应具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新 的产品。 3 c a d 系统应满足并行设计的要求 产品可以容易地被分解为一些模块，通过计算机网络，组织分散在各地的 产品设计人员分工进行产品各零部件的设计和制造，然后进行组装和集成。 4 c a d 系统与产品信息标准化相结合 要求把产品信息标准化作为c a d 系统应用的基础和前提。产品信息标准化 后的结果将为c a d 系统提供配套的、实用的产品信息基因库( 数据库、知识库) ， 这样才能使c a d 系统发挥出巨大的作用。产品信息基因库的内容包括各种标准 化了的零件功能特征、典型零件、功能模块和典型产品信息。 5 产品模型的可转换性特别是二维和三维产品模型闻的互相转换可满足不同的需要 如在某种基于特征造型的c a d 系统中，当采用特征建模方法完成新零件设 计后，并当类似的零件变型不断出现时，应自动将零件功能特征模型转为典型 零件模型，利用变型设计功能较强的c a d 系统软件进行设计。 6 面向全国乃至全球的产品信息编码系统 第1 章引言 产品信息代码化可以方便地进行产品信息检索和利用，更方便地进行并行 设计和变型设计，并为敏捷制造创造必要的条件。 7 软件系统要具有很好的可移植性和自组织性 在c a d 系统中，用户可以根据自己的需要随时加入运行文件和模块，还可 重新装配各个模块中的子模块，或者按照自己的要求修改系统中的不足之处。 但是这种修改并不会影响这个c a d 系统。 8 增能化 未来的c a d 系统将引入知识工程，从而产生智能c a d 系统，这种智能性具 体表现为：( 1 ) 智能地支持设计人员，而且人机接口也是智能的。系统必须懂 得设计人员的意图，能够检测失误，回答问题，提出建议方案等；( 2 ) 具有推 理能力，使不熟练的设计人员也能做出好的设计来。 9 虚拟现实技术 设计人员在虚拟世界中创造新产品，可以从人机工程学角度检查设计效果、 设计人员可直接参与操作模拟，移动部件和进行各种试验，以确保设计的准确 性，这种技术的特点是：及早看到新产品的外形，以便从多方面观察和评审所 设计的产品；可以使用不同的虚拟工具来扭曲、挤压和拉伸物体；可以虚拟地 切削或挤压材料，无需耗费材料或占用宝贵的加工设备；及早发现产品结构空 间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题；直接观察数控加工中刀具的运动轨 迹是否正确。 1 4 问题分析与主要研究内容 1 4 1 广义参数化设计问题的提出 上海港机重工有限公司现已购买美国参数技术公司( p t c ) 的三维产品设计 平台，该平台提出了单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利 用等思想，为产品设计人员提供了强大的产品设计手段，其功能模块包括零件 设计、装配设计、功能仿真、虚拟加工制造等方面，为用户提供全套方案。但 6 第1 章引言 正如我们所看到的，如果我们仅仅是在该通用平台上进行一般的零件设计，还 远远不能满足我们企业本身的需求。具体分析如下： 1 ) 参数化设计本身是一个很好的手段，但p r o e n g i n e e r 系统所提供的参 数化仅仅支持产品详细设计阶段的零件设计，通过零件几何参数的尺寸修改来 驱动模型的改变。这种只是针对单个零件的参数化方式降低了设计效率，使得 产品开发处于一种自发式的状态，而并没有充分利用历史的设计结果。 2 ) i r o e n g i n e e r 系统的参数化是狭义的参数化设计，即尺寸的参数化，其 提供的单一数据库也仅仅是对零件几何模型的管理，而对于有关零件材料、重 量、零件种类等非几何信息缺少有效的管理手段和方法。 3 ) p r o e n g i n e e r 系统提供了零部件装配的功能，是通过设计人员的手动操 作来拖动零件，通过施加装配约束进行装配。因为缺少必要的装配工艺规划。 使得设计人员在不断的装配调试过程中自白的浪费时间和精力。这是大多数通 用c a d 平台在解决产品装配问题的通病。 4 ) 对于设计生成的装配模型，当需要修改时，设计人员只能通过手动来尝 试，一旦一个零件发生变化( 包括尺寸、结构，大多数情况下是尺寸的改动) ， 先前装配所形成的装配约束和装配模型即遭到破坏，产生零件重叠或零件分离 的问题，这样的装配修改使得设计人员不得不放弃原来的装配结果，重新进行 零件的装配。 5 ) 大多数的c a d 设计系统，一般都没有提供相关的零部件数据管理的功能， 这里所说的零部件数据是零部件的非几何信息，因为他们觉得这是其它的系统 所应该提供的功能。但对于具体的企业用户来说，其产品开发过程中用到大量 的相似件、通用件、标准件，这些零件信息的管理当然离不开专业p d m 系统的 管理，但如果在c a d 系统中提供基本的零部件信息管理能力，相信是大多数产 品的设计人员愿意看到的。 以上所提出的几个问题，是我们在利用通用的产品开发平台进行产品设计、 部件装配等开发工作的过程中所经常遇到，如果能针对上述问题以及企业的具 体要求进行基于通用c a d 平台的二次开发，其应用前景将是相当可观的 1 4 2 问题分析 本文的主要工作围绕设计重用和广义参数化设计融合的思想，并重点讨论 7 第1 章引言 广义参数化方法的建模理论和关键技术，论述产品广义参数化设计的约束处理 原理，并提出通过广义参数化模型来实现产品设计的方法。最后，建立基于起 重机联轴器实例的产品广义参数化设计系统，提出该系统的体系框架和关键技 术，即产品实例的参数化建模与约束模型技术。 1 4 3 研究内容 本课题以起重机联轴器部件设计为例，主要着重研究基于通用c k d 软件的 产品广义参数化总体模型的建立、通过二次开发技术( 数据推理、菜单、对话 框技术等) 实现部件产品的广义参数化设计系统的开发 分析和总结目前对产品级参数化设计技术的研究现状，探讨将设计知识重 用技术应用到产品参数化设计中的可行性 使用产品广义参数化设计的理论方法，建立实例产品广义参数化信息模型。 以起重机中联轴器部件为例，对材料、功率、强度等方面进行实例分析， 解决设计中可能遇到的接口，数据传递等技术难题。 通过分析基于起重机联轴器部件实例和规则的产品设计方法，建立面向起 重机联轴器部件的广义参数化设计系统。 图1 1 基于约束的产品广义参数化进化过程 8 第1 章引言 1 5 本章小结 本章分析和总结目前对产品级参数化设计技术的研究现状和发展趋势，探 讨将设计重用技术应用到产品广义参数化设计中的可行性。根据项目课题阐述 了本论文研究的方向，并且通过分析提出了整个系统的大致构件方案。 9 第2 章广义参数化设计系统开发基础 第2 章广义参数化设计系统开发基础 2 1 系统开发平台简介 2 1 1 开发平台的选取 现今大型的c a d 软件平台，如c a t i a 、p r o e n g i n e e r 、u g 等平台，都已能 够支持零件的参数化设计。出于对系统功能进行分析后，同时从成本及通用性 方面考虑，本系统选用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 d 造型软件、o r a c l e 8 1 数据 库系统及v i s u a ls t a d i o n e t 开发系统。三个软件之间的接口交互型、易操作 性和稳定性都完全能够满足本设计平台开发的要求。 图2 1 系统各软件数据传输示意图 2 1 2 三维建模平台选用及分析 1 p r o e n g i n e e r 软件简介和主要模块 p r o e n g i n e e r 软件支持设计并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述 产品的外形、装配及其他功能“”。p r o e 能够让多个部门同时致力于单一的产品 模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等“”。其中 p r o ew i l d f i r e 更增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。 它可运行于w i n d o w sn t 和u n i x 平台上，共钉人大主模块。 l o 第2 章广义参数化设计系统开发基础 一、工业设计( c a i d ) 模块，二、机械设计( c a d ) 模块，三、功能仿真( c a e ) 模块，四、制造( c a i i ) 模块，五、数据管理( p d m ) 模块，六、数据交换( g e o m e t r y t r a n s l a t o r ) 模块 本系统主要使用其中的工业设计( c a i d ) 模块和机械设计( c a d ) 模块。 一、工业设计( c a i d ) 模块 工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时， 是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用3 d s 可以生 成实体模型，但用3 d s 生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用p r 0 e 生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，p r o e 后阶段的各个工作 数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。 包括：p r o 3 d p a i n t ( 3 d 建模) 、p r o a n i m a t e ( 动画模拟) 、p r o d e s i g n 职( 概 念设计) 、p r o n e t w o r k a n i m a t o r ( 网络动画合成) 、p r o p e r s p e c t a - s k e t c h ( 图 片转三维模型) 、p r o p h 0 r r 0 r e n d e r ( 图片渲染) 几个子模块。 二、机械设计( c a d ) 模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的 零件。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加用p r o e 生成曲面仅需2 步3 步操作。p r 0 e 生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、 扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此p r o e 可以迅速建立任 何复杂蓝面。 它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用， 它支持g b 、a n s i 、i s o 和j i s 等标准。包括：p r o a s s e m b l y ( 实体装配) 、 p r o c a b l i n g ( 电路设计) 、p r 0 p i p i n g ( 弯管铺设) 、p r 0 r e p o r t ( 应用数据图 形显示) 、p r o s c a n _ t 0 0 l s ( 物理模型数字化) 、p r 0 s u r f a c e ( 曲面设计) 、 p r o w e l d i n g ( 焊接设计) 。 2 p r o e n g i n r 基本特点及优势 p r o e n g i n e e r 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造 型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能“”。 1 ) 参数化设计和特征功能 p r o e n g i n e e r 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设 计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆 第2 章广义参数化设计系统开发基础 角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了 在设计上从未有过的简易和灵活。 2 ) 单一数据库 p r o e n g i n e e r 是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的c a d c a l i 系统建立在多个数据库上“”。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一 个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。 换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过 程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，n c ( 数控) 工具路径也会自动 更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独 特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一 优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便 宜。 2 1 3 系统数据库的选用及分析 1 o r a c l e 软件的简介 o r a c l e 公司是全球最大的信息管理软件及服务供应商，服务遍及全球1 4 5 个国家。在全世界1 4 5 个国家为客户提供数据库系统、工具、应用产品以及相 关的咨询、培训和支持服务是第一家软件公司可开发和交付1 0 0 9 6 的基于互联网 的数据库、企业业务应用、应用开发和决策支持工具等企业级软件；o r a c l e 也 是唯一一家公司可全面完整地实施从前台办公的客户关系管理应用到后台办公 管理应用及平台基础结构，为用户提供最完整先进的电子商务解决方案。 o r a c l e 的软件可运行在p c 、工作站、小型机、主机、大规模的并行计算机，以 及p d a 等各种计算设备上，随着越来越多的企业将自己转向电子商务，o r a c l e 的具有强大的电子商务能力的解决方案，为企业提供高效率的扩展市场的手段， 并提高工作效率和吸引更多的客户“”。 o r a c l e 提供的完整的电子商务产品和服务包括：用于建立和交付基于w e b 的i n t e r n e t 平台；综合、全面的具有i n t e r n e t 能力的商业应用：强大的专 业服务，帮助用户实施电子商务战略，以及设计、定制和实施各种电子商务解 决方案。 o r a c l e 公司于1 9 8 9 年f 式进入中国市场，是第一家进入中国的世界软件巨 1 2 第2 章广义参数化设计系统开发基础 头。o r a c l e 公司是目前业界唯一有能力提供应用软件、数据库产品、开发工具 和专业服务的集成化供应商，并在每一领域都处于领先地位。先进的科技，杰 出的品质和不断创新的承诺是o r a c l e 公司居于世界领先地位的基础，o r a c l e 公 司提供数据库、开发工具、全套企业资源规划( e r p ) 和客户关系管理( c 跚) 应用 产品、决策支持( ，电子商务应用产品( e - b u s i n e s s ) ，并提供全球化的技 术支持，培训和咨询顾问服务。 2 o r m c l e 软件的优势 开发数据库应用，选择一个好的数据库是非常重要的。下表比较了s q l s e r v e r 与o r a c l e 两种数据库在开放性、可伸缩性及并行性、安全性、使用风 险等各项指标。 表2 1s q ls e r v e r 与o r a c l e 各项指标对比表 o r a c l e s q ls e r v e r 开放性能在所有主流平台上运行只能在w i n d o w s 上运行， ( 包括w i n d o w s ) 。完全支持所没有丝毫的开放性，操作系统的 有的工业标准。采用完全开放策系统的稳定对数据库是十分重 略。可以使客户选择最适合的解要的。w i n d o w s g x 系列产品是 决方案。对开发商全力支持。偏重于桌面应用，n ts e r v e r 只 适合中小型企业。而且w i n d o w s 平台的可靠性，安全性和伸缩性 是非常有限的。它不象u n i x 那 样久经考验，尤其是在处理大数 据量的关键业务时。 可伸缩性及平行服务器通过使一组结并行实施和共存模型并不 并行性点共享同一簇中的工作来扩展成熟。很难处理日益增多的用户 w i n d o wn t 的能力。提供高可 数和数据卷。伸缩性有限。 用性和高伸缩性的簇的解决方 案。如果w i n d o w sn t 不能满足 需要，用户可以把数据库移到 u n i x 中。 1 3 第2 章广义参数化设计系统开发基础 安全性获得最高认证级别的i s o 没有获得任何安全证书 标准认证。 使用风险 长时间的开发经验，完全向完全重写的代码，经历了长 下兼容。得到广泛的应用。完全期的测试，不断延迟，许多功能 没有风险。需要时问来证明。并不十分兼容 早期产品。使用需要冒一定风 险。 由于表格上所分析的各种优势，本系统最终决定采用o r a c l e 数据库。 2 1 4 应用程序编写平台选用及分析 1 v i s u a l 蚰耐j 啾简介 v i s u a ls t u d i o 是一套完整的开发工具集，用于生成a s p n e tw e b 应用程 序、x m lw e bs e r v i c e s 、桌面应用程序和移动应用程序“”。v i s u a lb a s i c 、v is u m c + + 、v i s u a lc # 和v i s u a lj # 全都使用相同的集成开发环境( i d e ) ，利用此 i d e 可以共享工具且有助于创建混合语言解决方案。另外，这些语言利用 了n e tf r a m e w o r k 的功能，通过此框架可使用简化a s pw e b 应用程序和x m l w e bs e r v i c e s 开发的关键技术。 v i s u a ls t u d i o n e t 是n e t 平台下最为强大的开发工具，无论是软件服务 商，还是企业应用程序的部署与发布，v i s u a ls t u d i o n e t 都可以提供近乎完美 的解决方案。v i s u a ls t u d i o n e t 提供了包括设计、编码、编译调试、数据库联 接操作等基本功能和基于开放架构的服务器组件开发平台、企业开发工具和应 用程序重新发布工具以及性能评测报告等高级功能。 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 提供了强大和灵活的开发环境，可用于创建基于 m i c r o s o f tw i n d o w s 和基于m i c r o s o f t n e t 的应用程序。它既可以用作集成 开发系统，也可以用作一组独立的工具。v i s u a lc + + 包含下列组件； v i s u a lc + + 编译器工具。该编译器包含一些新功能，支持面向虚拟计算机 平台( 如公共语言运行库( c l r ) ) 的开发人员。现在已经有面向x 6 4 和i t a n i u m 的编译器。该编译器仍支持直接面向x 8 6 计算机，优化了针对这两种平台的性 能。 v is u mc + + 库。其中包括行业标准活动模板库( a t l ) 、m i c r o s o f t 基础类 1 4 第2 章广义参数化设计系统开发基础 ( m f c ) 库，以及各种标准库，如标准c + + 库和c 运行库( c r t ) ( 该库已得到 扩展，可以向引起安全问题的已知函数提供安全增强替代项) 。新增的库是c + + 支持库，其设计意图在于简化面向c l r 的程序。 v i s u a lc + + 开发环境。虽然可以从命令行使用c + + 编译器工具和库，但开 发环境却提供了对项目管理与配置( 包括对大型项目的更好支持) 、源代码编辑、 源代码浏览和调试工具的强大支持。该环境还支持i n t e l l i s e n s e ，在编写代码 时，该功能可以提供智能化且相关于上下文的建议。 除常规的图形用户界面应用程序外，v i s u a lc 抖还允许开发人员生成w e b 应用程序、基于w i n d o w s 的智能客户端应用程序以及智能客户端移动设备的解 决方案。c + + 是世界上最流行的系统级语言，而v i s u a lc + + 则为开发人员提 供了生成软件的世界级工具。 2 v 妇i 矗lc + + 软件的优点 c + + 的主要优点有：封装性，继承性，多态性。封装是把数据与操作结合成 一体，使程序结构更加紧凑，同时避免了数据紊乱带来的调试与维护困难；继 承增强了软件的可扩充性 并为代码重用提供了强有力的手段；多态性使程序员在设计程序时，对问 题进行更好的抽象，以设计出重用性和维护性具佳的程序。 封装性 将数据与操作数据的函数衔接在一起构成一个具有类的对象的描述称为封 装。 继承性 在面向对象的语言中，可以从一个类派生另一个类。派生类( 也称为子类) 继承了其父类和祖先类的数据成员和函数。 多态性 简单地说，多态性是“一个函数名，不同的功能”。多态性的实现一般是 通过在派生类中重定义基类的函数来实现的。 由于m i c r o s o f tv i s u a lc + + 提供的强大和灵活的开发环境，可用于创建基 于p r o e 平台的应用程序。同时由于m i c r o s o f tv i s u a lc 十+ 对各平台之间数据接 口的便捷性，该系统选用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 作为应用程序的编写平台。 1 5 第2 章广义参数化设计系统开发基础 2 2 系统技术要求及技术指标 该系统针对客户的需求，在p r o e n g i n e e r 设计平台的基础上进行相关的二 次开发和功能拓展，围绕企业的需求进行开发和配置。目的是为产品设计人员 提供一个功能全面的参数化设计环境和解决典型装配件快速生成的能力，同时， 根据需要设计一个功能适当的零部件数据管理模块，该模块有利于设计人员进 行产品、部件以及零件的信息发布和查询。 实现模块化的三维参数化模型创建的主要过程如下： 1 ) 确定联轴器部件装配体中的独立可变参数。利用p r o t o o l k i t 提供的函 数来接受用户输入的各个独立可变参数的参数值 在确定独立可变参数时，应该保证这些参数所含有的信息是充分的，即它 们能足够表示整个模块装配体的尺寸变化情况，且使各参数之间相互独立，以 尽量避免或减少各参数间产生耦合的可能。 2 ) 根据模块的功能、原理及结构组成，分析各子模块之间的装配关系，得 到总模块及各个子模块间的参数协调关系，并按照这些参数协调关系，通过程 序得到各个子模块中所需的可变参数的参数值，然后将这些参数值传递到各个 子模块，而且这些参数值的传递只能在具有相邻装配关系的装配体和子模块间 进行。 3 ) 在最底一层的子模块中，确定各零件间的参数协调关系。根据协调关系， 将子模块接受到的可变参数的参数值转化为各个零件所需的可变参数值及各零 件间装配位置尺寸值，通过程序将各个零件所需的可变参数值传递到相应的零 件中。 4 ) 在零件中接受到其父模块传递来的可变参数，根据零件的装配关系、功 能和结构的需要，将所接收的各可变转化为自身的各可变尺寸值，从而来驱动 参数化模板来生成该零件，实现参数化模块模型。 在这个自上而下的可变参数传递过程中，要对模块中的每个零件、子模块 的装配关系有个很清楚的认识，因为只有明确了每个零部件在装配中所处的位 置，才能实现从模块装配体到零件的参数传递过程，才能够实现对整个模块模 型的参数化造型。 以广义参数化产品设计方法的提出实现为线索，以起重机机械产品为背景， 在总结目前国内外知识管理和知识重用研究现状的基础上，对基于设计重用的 1 6 第2 章广义参数化设计系统开发基础 广义参数化产品设计方法的核心问题：参数建模和约束满足进行研究，并建立 面向起重机联轴器部件的产品广义参数化设计系统。该系统能够快速建立起联 轴器装配部件，传递相关参数，提供设计师检索修改经验数据，并且给设计师 提出适当的设计建议。帮助用户快速正确地建立起联轴器部件，提高设计者的 工作效率。 2 3 本章小结 本章分析了广义参数化系统的性能要求，选择了三维建模平台、数据库平 台和应用程序编写平台，并且分析了所选择的软件的特点及优势。最后提出了 本设计系统所要达到的技术要求和技术指标。 1 7