（机械制造及其自动化专业论文）齿轮cadcapp系统总体构建及其cad开发.pdf

摘要 齿轮类零传俸为飙械传动豹一大类重要零释，其设计制造水平是一个国 家机械工业发展水平的重要标志之一。企业在西嗡激烈竞的情况下，如侮 快速的生产出满足市场要求的零部件是齿轮生产厂家竞争获胜的关键，个 有效黥诗算秘糖秘设计与辅韵工艺系统是实现这一霜标静荚键耩巍。 本文采用特征技术与面向对象建模技术对齿轮炎零件进行分柝，定义适 用于系统开发的齿轮攫特征概念，邋过对齿轮特征之间的关联关系的分析， 绘窭特经与嚣褰对象接术之蠲戆关系，麸数摄察对象戆受寝建立鼗轮静倍感 模型，构建系统的功能模块椴架，弗对各功能模块避行阐述。 对齿轮开发过程谶行详绷分析厝，提出街轮爽零件开发系统的设计原则， 选择鸯轮零磐c a d 系绕熬开发舔壤；建立了滚轮零箨耱步设谤诗葵模块熬缝 构，探讨了齿轮零件设计数据的处理程序；提出基于p r o e 环境的齿轮类零件 c a d 系统程浮自动建模技术，提出齿轮零件终构设计的原则及其程序处理，分 捱了巷轮类零传工程鬻壤动绘燃模块豹结秘，并窭现了该模块夔蓉绞开发。 基于所开发的齿轮裳零件预制模溅，实现了在v c 十+ 环境下进行t o o l k i t 的二次歼发，分析了对程序开发过程中一些茨键功能的实现过程，并给出了 部分代羁实铡，基于磁开发鲍辅助系统，绘斑了系缓秘戆黪运霉实例。 关键蠲齿轮黉零件面向对象特舐技术集成系统 生查查兰堡主兰堡丝苎 ! ! ! ! 一 a b s t r a c t a sak i n do fi m p o r t a n tp a r to fm e c h a n i c a ld r i v e s ，g e a r sd e s i g n i n g a n dm a k i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n ts y m b o lo fan a t i o n sm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n gl e v e l f a c e dw i t hf i e r c ec o m p e t i t i o n ，h o wt oq u i c k l y p r o d u c et h ep a r t st h a ts a t i s f yt h em a r k e ti st h ek e yo ft h ec o m p e t i t i o n ， a ne f f e c t i v ec a da n dc a p ps y s t e mi st h ek e yp o i n to fr e a l i z i n gt h i s g o a l t h i sp a p e ra n a l y s e st h eg e a rw i t ht h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ( o o t ) a n dt h ef e a t u r et e c h n o l o g y t h eg e a r sf e a t u r ec o n c e p tt h a ti s s u i t a b l ef o rt h es y s t e md e v e l o p m e n ti sd e f i n e d a n a l y z e dt h er e l a t i o n o fg e a r sf e a t u r e s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nf e a t u r ea n do b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g yh a sb e e ns e tu p t h ei n f o r m a t i o nm o d e io ft h eg e a ris s e t u pi nt e r m so ft h ed a t aa n dt h eo b j e c t t h es y s t e m a t i cf u n c t i o nm o d u l e f r a m ef i h a l l yi ss t r u c t u r e d t h er e a l i z a t i e no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l e jsd e s c r i b e db r i e f l y a f t e rt h ed e t a i l e da n a l y z eo ft h es y s t e m 。t h ep a p e rp u t sf o r w a r d t h ep r i n c i p l ef o rb u i l d i n gt h es y s t e ma n dc h o o s e st h ee n v i r o n m e n tt o d e s i g nt h ec a dm o d u l e t h ep r e l i m i n a r yc a l c u l a t i o ns t r u c t u r ei s s e t u pa n dt h ep r o c e d u r ef o rd e a li n gw i t hd a t ai sd i s c u s s e d t h ea u t o m a t i c m o d e l in gt e c h n o l o g yo fp r o c e d u r eu n d e rp r o ee n v i r o n m e n ti sd e s c r i b e d t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h es t r u c t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e a i d e dd r a w i n gs y s t e ma r eb r o u g h tf o r w a r d t h es t r u c t u r eo ft h e a id e d d r a w l n gm o d u l ef o rg e a ri sa n a l y z e da n dt h ed e v e l o p m e n to ft h i s v 山东大学硕士学位论文 m o d u l ei sr e a l i z e d t h ek i n do ft h ep r e f a b r i c a t e dm o d e lt h a tn e e ds e tu pi sd e s c r i b e d i nd e t a i l t h ecourseo fr e a l i z i n gt h ed l lm o d eb e t w e e nt h ep r o ea n d t o o l k i tu n d e rt h ev c + + e l l v i r o n m e n ti sg i y e n s o m et e c h n 0 1 0 9 yo f r e a l i z i n gt h ek e yc o d e di sa n a l y z e da n ds o m ec o d ei n s t a n c e sa r e p r e y i d e di nt h ep r o c e s st om a k i n gt h ep r o c e d u r e a tl a s tt h eo p e r a t i o n in s t a n c e so fs o m ef u n c t i o n si nt h es y s t e m sa r ep r o v i d e d k e y w o r d sg e a r ，o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，f e a t u r em o d e l i n g ， i n t e g r a t e ds y s t e m v i 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：近 日 期：。谚。j f 。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：。控壶导师签名：论文作者签名：巡型导师签名：黾凝：型簪0 山求入学硕士学位论文 第l 章绪论 计算机辅助设计“1 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术是指通 过对计算机内部生成的产品形状及箕属性数据组成的模型进行处理，以辅 助人们完成设计任务的技术。由于这一学科能充分运用计冀机商速运算驷 快速绘图的强大功能为工程设计及绘图设计提供服务，因此在我国工程界 得到了广泛应用。常见的c a d 软件有a u t o c a d 、p r o e 、s 0 1 i d e g e 、s o l i d e w o r k s 等国外软 牛与围内的开目c a d 等软件。 计算机辅助工艺规划( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，篾称c a p p ) 是指邋过囱计算机输入被加工零l 牛的几倪信息( 图形) 稠妻珏王工艺信息( 挞 料、热处理、批量等) ，出计算专l i 爨动输出零馋的工艺路线亵王序内窑等 工艺文 孛黪过稷。诗算虮辕助_ i 芝援划上与计簿极转动设诗c a d 撩连接，下 与诗冀援罐助铡造穗连( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，麓称c a m ) ，是 连接设诗与到造之麟懿爝粱。“，设计信惠足熬逶避工艺设诗才能生藏毒透 信寒，在诗簿瓿辘霸王糕中占寿蒸要姥佼。蘧鬻计箨橇在割造馥中麴应翔， 鼙癌箨稠继毒鬻了一些獒有代表栏黔c a p p 系统。甏磐魏美餐酱发大学开发 静t 1 p p s 系统，樊餮曼镪耘特大学歼发豹i c a p p 系统；甏肉黧j e 索航空航天 大学等开发觞e x c a p p 系统，谖j 王盈大学汗发静g n c a p p 系统戳及南祭航空 航天大学歼发韵n h c a p p 系统等。但是这些系统有一个共葡的特煮，c a p p 不 熊使用c a d 系统提供豹零件模型，零件的设计信息需要人工另行输入，费时 费力，限翎了c a p p 软件的迸步推广应用。 由于在传统的c a d 、c a p p 设计软件中，c a d 侧重于产品的设计计算和几 何要素的组织和表达“1 ，而c a p p 系统侧重于工艺信息的寝达、输入和工艺 舰划，导致c a d 和c a p p 的数学模型相互差别很大，信息传递困潍，因此随 出衷大学鹾士学媲论文 赘加工工厂的世界化、产品的多样化以及竞争的激烈化，市场要求产品始薹 ： 黟躅期尽量缭避，盘戴提高t c a d c a p p 集成 避韵要求。 。 漯题的提出 1 1 1 荫轮互程橇述 蝮轮是机械产懿的霪要零传。盥轮传动是传递机器动力靼运动的主要形 式之一。它其霄功率范强大、传韵教率高、传动院礁确、筏糟寿命长和安全 可靠等特点。爵轮的设计与糊造承平麓接彩嫡到枫被产晶静经能和质量，被 公认为是备图机械工业发展水乎的标惠之一【 。 卡，整纪敬渊互效荸余蘑，鸯轮传动髂凝瑟秘豢广泛。1 7 7 3 年，法强入 m ，c a m u s 发现筵藐齿廓现象，建立了现代接触煮轨迹静穰念。十八世纪中 叫“，瑞士人l e u l e r 和s a v a r y r a 珊究了渐开线齿形的数学黧础。到十九世纪米期， 不鼹蠢鼗静露轮在塞力熊改变时熬漆器线装形较援出。二+ 瞧纪镪，袋戒甥 藩法琢毽戳发糕霭就漾灌韬齿静专胡辊霖每粥巽瓣邀瑷锭落轮翔工交褥容 勃，渐开线齿轮占掇重黉地位。随蓿机缀工业的发展。新型齿轮层出不巍， 聂一卜年代爨瑷了点磕合熬疆弧齿轮。戮器茛势盘，稳继出现了聚罄涞德螺旋 线蠢轮、鞑彩线齿轮、准鼹蓬线酱轮、耩爨凿轮帮嚣靖拣落荫轮等。同时， 齿轮的设计方法也取得长足进步。最初的齿轮设计集中于轮荫弯曲强度和接 触强震的设计，压采又提出蒎点蚀鄹靛跤会设计。1 9 8 0 f t ，露鼯豁壤缌绞 ( i s o ) 提出澎开线嚣校毽轮承鼗秘基零黎避，公襁了轮齿耷蔻耀壤窝翡 l | ! i 按尚虫强度的计算和校核方法。进入九十年代，世界齿轮技术的发艘更是翔新 冀异，主要包摄以下足个方蕊 8 l ； ( 1 ) 硬壤戮濒开线壤轮露燕导燧像，粼逡糖菠、生产效攀窝慈载能力擞 著提齑； ( 2 ) 计算祝积其它微电子技术在设引。、铡造、热处理、试验过艇控铡莆l 出末大学礤圭学位论文 生产蛰理等方嚣广泛应用，技术瞳灏成热，效果显萋； ( 3 ) 齿轮现代设计方法开始应角，优纯和c a d 成用更加广泛，动态设计、 糖动和噪声控制和可靠性分析避入炎耀性研究； ( 4 ) 质蹙保证体系和质量管理作为一f 1 技术分支进入盥轮工业。 我鬻瀚荫轮工鼗开始予建鬻之铝。七，l 十年代串，我潮进口了大登成襄 工监装备，通过国家投入大餐的资金避行技术帮产晶引进并对引进的技术进 行消化和吸收，齿轮技术在试制样机和备件国产他的攻关中得到了发展。同 时还遴厅了一累列基磷数据霸王艺、设备豹礤究，缭，j 、7 与溪际毙避永平豹 茇距f 蛐。丸千年代馥来，髓整经济体制改孳瓤计划经济向市场经济转变的深 入发展，我国齿轮工业的专业化生产水平有了显著撼高，齿轮行业的整体绒 梅褥到钱纯谣蘩，按术遴步赧挟。餐憨搭瓣富，我篱落轮工鼗产赭大终裰警 予宠逡工渡国家七，k 十年代数零平。 l ，l 。2 课题的可行性 髓骜我鬣齿轮工程静逶步发麓，对齿轮炎零 牟豹设计翻造褥擦了避 步的要求：设计要求采圈现代纯方法，设计剜造响应市场的遮度要浓加快。 这些需求要求开发一个蕊向齿轮整个加工周期的c a d c a p p 煞成系统，为企 业设诗髑逵齿轮提供工蒜耪酝 ；： 上静祭嚣。 i 孬巍轮粪零俘捧为貘标准化零件， 蒸结构其肖一定的相极髓，在零件设计，如王工艺穷掰龟其裔定的相似链， 为c a d c a p p 的集成凝定了知识上的基础。嗣时，近颦来，随着参数化设计 技术秘姆锰设诗技零豹誉辑戏熬，骧及瑟蠢对象程穿歼发技恭豹发鼹为齿轮 爽零擎i ：c a d c a p p 集袋系统豹鲴：发羹定了工艇上匏基础。阂戴，玎笈一个谢 向齿轮零件制造众业的黼用性、实用性、适用性、懑堵性鞍窿的c a d c a p p 察溅系统已经戏为可戆。 1 2 齿轮g a d 开发现状简介 1 2 1 齿轮c a d 应用现状 齿轮c a d 属于机械c a d 范畴，是c a d 技术在齿轮设计特殊领域的具体应 用。它能实现齿轮设计自动化，提高设计效率，缩短产品的设计周期，加速 企业对市场的响应能力，降低设计人员工作量，在齿轮行业中发挥了巨大的 作用。因此，国内外都有不错的商品化c a d 系统在应用。相比之下，虽然c a p p 软件也进行了不少研究开发，但是因为与c a d 集成的效果不尽人意，所以应 用不是很广。， 八十年代以来，国外在齿轮c a d 方面应用发展比较迅速。新产品设计普 遍采用参数优化，关键产品还运用动态设计方法1 0 】，许多工厂在设计中完全应 用计算机辅助设计和绘图，一些著名工厂开始应用具有集成的参数化线框、 曲面和实体造型雌及变量几何和智能化草图设计等功能的先进c a d 系统软 件。 九十年代以来，我国在齿轮c a d 方面妁研究主要集中在以下方面一方甑 对国外先进技术和设备进行消化吸收，使齿轮c a d 应用走向广泛和深入，另 一方面一些高校和工厂企业也- j ：r 始注重自己丌发齿轮c a d 系统。研究7 r 发 的性质总体上属于跟踪性研究。 1 2 2 现有齿轮c a d 分类 综台我国当前齿轮c a d 发艘，以是否进行开发为标准，可把该技术划分 为两种技术类型。一类齿轮c a d 是基于应用为主的，基本不进行丌发；另一 类f a = j 2 c a d 则以丌发为主的，强调齿轮软件的专用性和集成性。 ( 1 ) 基于应用的齿轮c a d 浚类c a d 主要是对大型工程软件进行应用，如美国p t c 的p r o e 、荚困 s d f c 的1d e a s 等进行三维实体建模和有限元分机等，实现齿轮c a d 。 s d r c 的1 ，d e a s 等，进行三维史体建摸和有限元分拆等，实现菡轮c a d 。 山东大学硕= b 学位论文 1 2 齿轮c a d 开发现状简介 1 2 1 齿轮c a d 应用现状 遴轮c a d 属予秘碱c a d 范畴，楚c a d 技术在齿轮设计特殊领域豹其侮应 用。它能实域搬轮设计自动化，提高设计效率，缩短产品的设计周期，加速 企业对市场的响应能力，降低设计人员工彳乍薰，在齿轮行她中发挥了巨大的 锋蠲。瓣魏，毯蠹终帮蠢不错戆裔晶纯c a d 蓉统在菠瘸。稳琵之下，虽然c a p p 软件也进行了不少研究开发，但是因为与c a d 集成的效果不尽人意，所以应 用不是很广。 卡年代疆采，灏筹在裘轮c a d 方瑟疲矮菱袋魄较遗遮。耨产菇设计普 遍采用参数优化，关键产品还运用动态设计方法f 1 们，许多工厂在设计中完全应 用计算机辅助设计和绘图，一些著名工厂开始应用飙有集成的参数化线椴、 麴嚣帮实髂逸挺鞋及变量凡舞秘餐缝纯摹鬻设圣 等臻戆黪燕避c a d 系统软 件。 九十年代以来，我国在齿轮c a d 方面酌研究主豁集中在以下方丽：一方丽 对星乡 嶷逡技零霸设套进霉瀵化吸收，健鼗轮c a d 痰援走彝广泛穰深入，努 一方面一些嬲校和工厂企业也开始注重爵融开发齿轮c a d 系统。研究开发 的经质总体上属于鼹踪性研究。 l 。2 。2 瑷有案轮c a d 分类 综合我国当前齿轮c a d 发展，以是否进行开发为标准，可把浚技术她分 为两种技术类型。一类齿轮c a d 是基予应用为主的，基本不进行开发；另一 类纛轮c a d g j j 以露发为主的，强搦客耱较磐静专怒瞧秘集成缝。 ( 1 ) 基于成用的齿轮c a d 浚樊c a d 主要是对大型工程软传进行应用，如荚西p t c 的p r o e 、奖溺 s d r c 黪t d e a s 等，遴行三终实髂建摸积有辍元分援等，实蕊鼗竣c a d 。 山东大学颂士学位论文 这类齿轮c a d 主要是以软 牛应用为主。现在许多工厂慕本成功的实现“甩 圈板工程”，对于齿轮工程图纸基本上实现了计算机绘图。般是采用 a u t o c a d 较馋遘孳亍逡轮工程霪纸豹绘涮与管理。述奄许多肇 立对菜鎏要求较 高的齿轮按需要进行了仿真分析，即利用成熟通用的大型工程软件进行齿轮 三维实体建模，然后应用有限元法或边界元法进行模态分析、疲劳分析、噪 声分摄黻及俊纯分捱德。一般攀溺熬工其鸯 一0 e a s 、p r o e 窝a n s y s 等。这 类齿轮c a d 的应用目前正在推广，被越来越多的工程技术人员攀握和使用 f “】。缎存在的问题是建模和分析都眈较费时间，尤其是齿轮的建模更是存在 一定黪困难。 ( 2 ) 基予开发的齿轮c a d 觜前为止，国内对齿轮c a d 的开发己 拽了一定的工作，主要鼹基于融商 c a d 软件平台的二次开发挖l 。其中一炎是蒸予二维秀发乎念a u t o c a d 系统避 行的开发。系统根据传统的齿轮设计方法，采用计算机软件技术实现计算 祝辅蓟设计。这释齿轮c a d 多以w i n d o w s 为系统搡作环境，a u t o c a d 为图 形支撑平台，应用计冀枫程廖语吉开发两成。其设诗思想烂蓥先大概确定建 轮的基本参数，然后搿根据齿轮有关图表和数据进行优化。这类c a d 系统实 际上是传统设计方法酾“诗算枫”诧，如北窳艾竟颟特工娩鑫动化技术有限 公司开发的“x t g e d s 齿轮设计专家系绞”嬲郑州枧壤职究所开发鼹“蠢轮 传动c a d 集成系统”。“x t g e d s 齿轮设计专家系统【i s ”采用i s 0 13 2 8 19 9 5 、 t 9 9 7 齿轮舀际精度标准稻i s 0 6 3 3 6 1 9 9 6 承载靛力为设计计黧拣准，可醴对疲 轮全部参数进行调整，达到优化目的，可提供全嚣的鸯轮相关数德，殴诗棱 核结束黼可以翻动提供相应f i q 报告与工程图。齿轮传动集成系统是以相应的 溺家探滚秘国瓣标准菇蔽据，戳传统豹癌轮设计方法为基硪，掰实现静霹蓊 轮各项性能系统的完整开发1 4 】。除此瓤外，磊许多专用c a d 系统被陆续开发， 如鲁密武等开发了航空齿轮c a d f l 卯，毕玉玲释开发了仪表圆弧齿轮c a d 1 。 s 山东大学硕士学位论文 这类c a d 的长处是把设计人员从繁重的反复设计和工程绘图中解脱出，用计 算机实现参数优化选择和自动绘图等，提高设计效率。不足之处是所有优化 选择的计算公式全部基于传统经验公式，使得该类齿轮c a d 未能脱离传统齿 轮设计的范畴，很难如大型优秀软件一样地进行有限元分析、动力学分析等。 另一类是基于三维c a d 软件开发的齿轮c a d 。目前，许多科技人人员 开始对具有空间几何复杂性的齿轮造型进行研究。三维齿轮c a d 关键问题如 下：一是齿轮的几何造型，因为优良的实体模型是进一步分析处理的前提。 出于齿轮的空间结构比较复杂，存在有超越曲面，因此在满足精度情况下探 索一套可行的造型模式是研究重点。二是齿轮c a d 的系统集成，由于三维齿 轮c a d 需要图形平台支撑，并且采用现代设计方法，如有限元法、优化和网 体动力学等进行设计，一般要采用软件技术进行二次开发，因此研究如何在 平台下进行齿轮c a d 集成是研究的重点之一。 1 3 齿轮c a p p 开发现状简介 作为具有特殊性的一类回转体零件，齿轮专用c a p p 系统一真是c a p p 研 究丌发的热点，国内有粱式等开发的圆柱齿轮类c a p p 系统f 1 7 、张兴法等开 发的重型齿轮c a p p 系统【1 8 】、孙波等开发的参数化齿轮类零件g e a r c a p p 系 统f 9 1 以及王军等对齿轮类零件c a d c a p p 集成系统进行了研究20 1 。这些系 统具有以下特点： ( 1 ) 工艺信息的输入采取人机交互的方式，信息集成度不高，工艺设计 人员的： 作量大。 ( 2 ) 工艺方案的制定属于半创成式，在检索相似工艺的基础上通过知议 推理、人机交互制定具体零件的工序。由于齿轮类零件工艺特征的特殊性， 这种方案比较合适于齿轮类c a p p 。 ( 3 ) 系统的开发基于特殊的加工环境，工艺知识层划分不清，只能适应 山东丈举颈士学位论文 于特定的环境，适应性不强，移植开发的难度高。 1 4 丽向对象技术概述 1 4 1 面向对象技术的优劳 甏惫对象技术2 ”，颓名嚣义，裁愚戳对象疑点来势瓠城实整赛中豹嗣驻， 从普邋人认识世界的观点出发，把攀物归类、综食，提取熬性并加以描述的 方法。箕基本恩想是：对问题空间进行自然分割，域更接_ i 琏人类思维的方式， 建立溺殛壤棱爨，馥矮藩窖滋实髂遴牙缝稳攘羧帮行楚模羧，飘瓣饺掰设诗 出的软件尽可能直接地摧述现实世界，构造出模块化的、可重用的、维护性 好的软件，并能够控制软件豹复杂性和降低开发维护费用。 嚣囱对象技零是一耱试溪模菸入稻建立凌实蓬爨模型戆程跨设计方法， 它的着眼点是数据而不是功能。它的设计思路是从确定表征客观实体的对象 开始，建立对致之间的层次结构，确定反映对象状态的属性及施加予这些属 魅之上毂操作，对象之耀逶避瀵患受瞧终爱髑联系，鼠嚣影残较传缮掏。可 见这种方式符含人们对客观世界的认识过程。由此可见以丽向对象技术开发 系统是保证系统通用靛的一顼关键搜术。 1 , 4 。2 蘧蠢瓣象技拳魏妥杰 面向对象的设计方法学的聚点是： ( 1 ) 认为 塑= 界由备种对蒙构成，任何攀物都是对象，魑莱类裳例化的结 聚，复杂豹对霖霹隧幽多令麓擎耱对象敷菜秘方式筑菠。 ( 2 ) 把所肖对象都划分成各种类，每个炎都定义了一组方法。所谓方法， 就避指允许施加于该类派生对象上的备种操作。 ( 3 ) 对象之耀骧了互樱伎递溺感l 冬联系之努，势嚣箕毽联系。 ( 4 ) 将“袋”按照“父类”( 或称为基炎) 、“子类”( 或称为派生娄) 瀚关系构成个其有联次结构的系统，其中上层的“类”所具有黝性质可以 山东大举颈士学位论文 被下层的“类”继承。 1 4 3 面向对象技术特征 嚣囱对象技术翼裔蔽下秘方蕾酌重要酶征： ( 1 ) 抽象性( a b s t r a c t i o n ) 。所谓抽象就是通过从特殊例子审抽取其菸 同特性以形成一般概念的过稷。 2 ) 封装往( e n c a p s u l a t i o n ) 。封装链指数舞秘蕊王处理该数据静避程 ( 称为函数或方法) 紧密地结合在一起的一个整体，具有缀强的独立性，是 实现模块化的瑕想机制。 ( 3 ) 继承经( i n h e r i t a n c e ) 。褒“类”按照“父粪”鸯“予类”静关系 构成的层次结构系统巾，上层类所具有的性旗可以被下层类继承，这种特性 被称为隳之间的属性集成关系。 ( 4 ) 多态往( p o l y m o r p h i c ) 。多态瞧蹩搔在樊等级翡各是审共享 公 用) 一个行为( 函数) 的名字，然籁类等级中的每个类都务自按囊己的需求 来实现这个行为。 1 5 零文主要研究内容 零漾蘧磷究静中，心谈瑟楚疆突磷究嚣发实爰淫、逶瘸糕、逶鼷注、鬻用 性较好的齿轮类零件的c a d c a p p 集成系统，本文完成的主鞭工作如下： ( 1 ) 以特征技术尚面向对象建模技术对齿轮类零件进行分析，定义适用 予系统歹 ：发戆特经瓣缀念，分辑特蔹之溺囊冬关系，磐摄特鬣毒瑟淹辩象技术 之间的关系，从数据的角度和对象的角度建立面向设计和制造全过程的齿轮 信息模戮，最稻构建系统的功能穰块模型，并对备横块实现功能与开发要求 遴行篾赡论述。 ( 2 ) 根据系统的实用性、适用性、通用性和商用性要求，建立一个商品 化程度比较高系统的粥：发原则，并对齿轮类零件初步设计计算模块和辅助绘 山东大学碗：l 学位论文 图模块的丌发环境和工具进行了选择，然后对齿轮初步计算模块的结构以及 开发过程中数据资料的处理进行了分析，对辅助绘图模块的结构进行了论述。 ( 33 根据所确定的辅助绘图模块开发的原则进行辅助绘图模块的具体开 发：给出需要预先手工建立的预制模型的种类，给出了预制建模的过程，分 析v c + + 环境下p r o t e 和t o o l k i t 接口的实现，对开发过程中遇到的一些关 键技术进行分析并给出了部分实例代码，最后给出某一零件绘制的实现过程。 山末大学礤士学位论文 第2 章齿轮信崽模型的分析与系统总体构建 本章在对齿轮特征作分析的基础上，建立了面向设计和制造全过程的信 惑模登，鞋魏箨力蔽嚣穆建系统钵系兹基礁粒系统开发游撬嚣。 2 。l 模型孛特薤的定义及英分类研突 2 。1 1 齿轮零件特征的定义 零件的特征概念是1 9 7 8 年由美国麻省理工学院的戈萨德和索尔特斯教授 捂导磷究生论文对撵獭煞，缀遥二卡多年豹磅究，凝褥了率硕豹成莱。经过 大量科研工作糟的努力，零件特征概念及其应用已发展成为一门先进的基于 特征的造型技术，并得到大徽的推广和使用。在大堂关于零件特征的研究中， 人键疑不弱静疲矮受壤，对零终耱鬣露了苓阏瑾殡辫教这麓定义为萋毯对特 征进行了应用。如d i x o n t 2 2 1 等人认为特征是一个或多个工程应用( 配合计算、 功能评估、制造、分祈、检蠢和服务等) 中髑于推理的几何冗素：s h a h 2 3 】等 认为特薤是产燕传递懿载髂，注重予产燕馕爨豹黄遂。r o y ：l ：f l l i u 2 4 l 建立t 麓 描述尺寸、公麓及其像属性特征模型：m i i l e r l 2 5 1 在商用c a d 系统的基础之上 开发了个基予特征的造型系统，该系统与纂予知识的环境集成在一起，允许 设计者使用特缀槐造零转模型。 由于特征源于设计、制造、分析簿不同加工阶段，其定义至今仍然没有 统一。慧的来说，特铽定义可戳分为如下两种。一种【2 6 强i s t e p 标礁定义所采 瘸的：特埏是产黯模型鹣相关元素集，这些元素磐须耪会其谈型与分类规剿， 它们被认为是个独我的实体，并且猩一个产品的，生命周期中具有一定的功 熊。特征分为六袭：通道蒋征、凹陷耱征、酗起特镊、过渡特征、域特征和 变形特援。这葶申定义对形状特凝进行了比较详缨的搬述，为图形数据勰训”簿 山东大学硕士学位论文 机处理提供了一种方式，但是不能实现对其饿信息的描述f ”1 ，不适用于集成系 统。另一种将特征定义为：特征是产品信息传递的载体( c a r r i e r ) ，能帮助 设计者在设诗、毒l 造绫其它= 【程任务之阗遂行逶潺与交滚。一救援产瑟信惠 分为五类特征：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征，这 种特征定义和分类方法描述c a d c a m 系统备个阶段设计倍息以及传递信息 毙较鸯散，因毙该定义稠分类方法允诲包食更多类毯鲍售惑，售爨较戈竞整 和全面。本文中使用的特征愆义以第二种定义为基础，定义齿轮特征的檄念 如下：齿轮的特征是设计者在齿轮设计、制造和加工工艺制定过穰当中避行 通谖和交流时所月的僚惠传遂的载体。 2 1 2 齿轮类零件特征的分类 特征定义豹不统一带来了特征分类的不统一。因为特征的分类与基于特 惩懿设诗、分撰、铡遴系统紧密摆连，将鬣分类戆辩学经嶷接决定7 系统开 发的难易度与通用性，因此特征的分凝是近米研究的一个热点。特征分类中 眈较具有代表髓有：l u b y t 2 3 挹特征分为宏特瓤与微特征。宏特征是诸如箱体、 u 形管与l 形支架等凡键形体，瑟徽褥 垂是程宏犍链土壤热瓣缨节橡佟，妻鞋孔 和板筋。l a a k k o 和m a n t y l a l 2 9 l 采用编程中的颜向对象技术，把特征分为特征 炎与特征实例i h o m f f m a n f 芹l jj o n e a f i n y o 在定义特征( e d i t a b l ef e a t u r e ) 妁基磷上提出了特征救三静蒸本划分：璺三残将缝、修改特链苇拜基凇特征：邵 定国等掇出特征分为体索特鬣、复合特征和阵列特镊【3 0 1 ；举海龙把特征分为 形获特征、应丽特征帮特征表遮三个鼷次，三个瀑次通遥映辩联系在起剐j 。 本文以定义的嚣羚特征概念力基磷，将泼轮类零l 牛的特征分为形状特锻、 耩度特征、装配特征、总体特征f 3 2 l 。 2 1 2 i 齿轮类零件的渐状特征 囊轮类零传形状憋搓是意羚零 譬上一系列a 褥元素按照一定戆接 关系 山东大学硕士学位论文 形成的具有特定几何形状、特定功能的基本形体单元。形状特征是零件最主 要的特征，是精度特征和附加特征的载体，是构造零件几何形状的直接决定 因素，是c a p p 系统所要处理信息的基础。从构造零件形状、满足零件功能要 求所起的作用不同，可将齿轮形状特征又分为主要特征、次要特征和辅助特 征。 ( 1 ) 齿轮类零件主要特征分析 齿轮类零件的主要特征指用于描述零件的基本几何形体并相应对零件 的工艺路线起主要作用的特征。它是一个独立的几何形状描述，由几何要索 按一定的拓扑信息构成，如圆柱体、圆锥体等简单的几何形体。因此主要特 征的描述利用构成它的基本几何要索来实现，这些几何要素同时是精度特征 的载体。对齿轮类零件来说，按照形状的复杂程度又可以将特征分为基特征 和宏特征3 引。基特征是指构成齿轮类零件的基本形体，包括圆柱体、圆锥体、 涡轮、蜗杆以及轮毂、轮辐( 分轮辐式、幅板式) 、轮缘。宏特征是指拚j 有 相对比较固定形状和加工方法的特征，这类形状往往比较复杂，而又不进一 步细分为其他形状特征的组合，在齿轮中主要指轮齿的形状。 ( 2 ) 齿轮类零件次要特征分析 次要特征是指那些在位置上从属于某一主要特征，并具有特殊加工要求 的形状特征，如键槽等。次要特征是零件完成其它特定功能的必不可少的一 部分，如齿轮上的键槽，缺少它，轴和齿轮就不能栩甄传递动力，就不能完成 设定的功能。次要特征通过它的基本几何要索描述。 ( 3 ) 齿轮类零件的辅助特征分析 辅助特征主要是对其所从属的主要特征、次要特征进行局部修饰和蜕明， 起辅助作用的特征。它可以附加于主要特征，也可以附加于次要特征。如轮 齿特征当中，齿廓曲线和齿形就是附加于宏特征轮齿之上的辅助特征。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 2 齿轮类零件的精度特征分析 齿轮类零件的精度特征是用于描述黄轮的尺寸公差、形位公差以及表面 粗糙度的信息集合。精度特征是工艺信息的主要内容，它的描述要与主要特 征、次要特征的相关几何要素联系起来，不能离开几何要素而独立存在，是 对几何特征的约束。精度特征可以进一步分为形位公差、尺寸公差和表面粗 糙度，如图2 1 所示 21 2 3 齿轮类零件装配特征分析 齿轮类零件装配特征是指播述某一齿轮零件与其它零件进行配合安装的 信息。装配特征包括参与装配的零件以及装配的几何要素、公称尺寸、配合 类型、安装定位、安装顺序等方面的信息。齿轮类零件的装配特征主要包括 齿轮幅的啮合形式( 内齿轮、外齿轮) 、齿轮幅的啮合参数( 啮合角、节线、 侧隙、顶隙、啮合线、重合度、中心距等) 。 图2 1 齿轮类零件j j 孥度特征的分类及其相互关系 2 1 2 4 齿轮类零件的总体特征分析 齿轮类零件的总体特征是对齿轮零件整体特点进行描述的一组信息，包 括零件号、零件名称、毛坯型式、总体尺寸、材料和热处理等信息。其中零 件号是零件信息和工艺信息管理的关键字，毛坯型式、总体尺寸、材料和热 处理等对工艺路线都有不同程度的影响。总体特征是产品进行信息管理的主 要对象，总体特征的设置有利于产品的管理，并且对系统中各分系统之问接 出东大学硬士学位论文 口的实现具有灌要意义。 2 | 2 齿轮类零件特征的之间的关系 零件特征之间的关系简称特征关系 3 4 l ，是指零件特征之间或者零件特征 与稳戏零 孛特征豹凡何要素之闻豹糯互关系。特蕊装系与特征相互结台鄹】在 一起共同描述与零件肖关的工程数据，二者缺一不可。通邀对盘轮设计、绘 制以及工艺规程制定中工程数据的分析，可以得到齿轮零件特征之间具有如 ? - j l 耱关系1 3 甜，盎嚣黧2 2 掰示。 ( 1 ) 邻接关系 邻接关系反映主要特征之间在密间上的相互j 驻邻的位嚣关系。具有郫接 关系静延令主要特 歪之窝没蠢奎次乏努，楚攘互独立懿，稳是嚣嚣之阉始终 有固定的相互位置和遗接定位点。 ( 2 ) 从属关系 歇缀关系罐述次疆特链或壤鐾耱程对雯簦特筵瓣鬻鬟荚系。爨奏麸耧关 系的两个特征之间有奎次之分，次要特征或辅助特械对主要特征具肖依赖性， 离j f 主鼷特征，次要特征或辅助特征就无意义。 ( 3 ) 包含关系 包宙关系指一个特征与该特征内部的罄要素之间的关系，即常见到的 i s p a r t _ o f 关系。具有包含关系的特征与备要素之间是缀成与被组成的关 系，各个要素是该特缎的缝成部分，楚是郝与整体瓣关系。 幽圈2 2 可以看出，通过上述特征关系使齿轮零件特征之间，以及特征 与构成特征静凡何要豢之闯穗互关联，成为一个可访问豹簸杂网狄镭梅。圈 中各要索分为总体特畿、形状姆征秘糖痰特铤及装酝姆征。盏轮零梢二包瑟总 体特征和形状特征和裟配特征，它们联合起寐共同描述零件的信息。此外， 耩痿特铤被包含在主要特征或次要特征的凡褥要素之中，溺时借助这些几何 4 山东大学硕士学位论文 要素描述形状特征的精度特征。只要知道零件名就能找到相应的总体特征和 形状特征，通过形状特征就能找到各个主要特征，由主要特征能找到相应的 几何要素、次要特征和辅助特征以及次要特征的几何要素，通过几何要素可 以找到相应的精度特征。由此可看出整个齿轮零件的所有信息都能通过这些 特征和特征关系进行描述。 含 图2 2 齿轮类零件特征之间关系豳 2 3 面向对象技术和特征技术在齿轮零件系统构建中的应用 虽然特征技术与面向对象技术分属c a d 建模和软件工程弛1 的范畴，但由 于它们同属系统构建的底层技术，相互之间有许多共性的因素可以借鉴。表 2 ，1 是特征技术与面向对象技术的关系对比。 山东大学硕士学位论文 正因为特征技术与面向对象技术有如袭2 1 所示的相似关系，特征技术 中也起来越多地引入了面向对象的概念，并在特征分类和特征表示中形成了 典型应赐。特 蒌弱分类方案不可能狻盖辑鸯互程嫠惑，瑟鼹迄没餐必要，毽 建立一种可扩充的特征分类机制对于完善系统的集成是很肖必要的，面向对 象( o b j e c to r i e n t e da n a l y s i s ) 以类和对象为基础掇供了强有力的抽象表达能 力，是勰凌可扩充蛙帮复杂数据缝橡鳃奏效方法，为系统戆蓐续开发和扩展 应用撼供了理论基础。 表2 1 面向对象技术与特征技术的比较 面向对象技术 特征技术 錾装缝：对象之阙不独立经：特，珏之露定义疆确、 可见互不干涉 技术继承健：子裳继承父层次牲：特征之间有明确的层 特链 类性震次关系 多态性：用户同一搽 明确性：对用户的操作响应明 律响应不 确 设诗发现对象一发现对象定义将疑定义特征瓣的关 过程间关系一发现类联一建立特筑库 通遵消息的传递来达特征间通过用户的操作发生 单元之 到黠象阅传递豹鞲抟，逐联系，主要是尼傍攘羚关系，返强 简联系 回的是状态的方法和属性 的是与特 正结合在一起的整体信 方式 息 露趣对象技术在系统中应用救过程为：黄先，怼特，镬送行嘉发的挞象 性描述，建立特征超类齿轮类，其次根掘常用设计和制造环境设计出特征 子类，娜盏齿轮类、镶齿轮粪、涡轮黉等予类，丽一个子类又可以作为新豹 出末丈擘磺士学位沦吏 父类，势设计出它的予类，始直泼轮类可以分为直齿卤轮哭与渐开线齿拨轮 类等子类。可以将每一类的熬性抽蒙出来作为该类的公共属性，以减少对不 同对象共谴豹说鞠，翔壹齿齿轮类可豁把直滚的热王方式住为类静公共潢牲， 这样当制造环境堪现新的加工方法或系统_ 工茳肘，蕊向对壤的分类方法可方 便地进行类的扩充，丽无需对系统的数据结构进行大的修改。在特征表示的 领域，嚣角对象懿羹装 堡撵绥了一种完备戆特征接述方式 4 援。不瀚特薤粪之 间相互独立，器岛拥商本特征类专肖的属性和操作。特征之间的边界相当分 明，但面对用户的操作界面又非常统一和规范，能键供设计人员以方便的设 诗g 境。鑫将疑凌帮藕毪翥镑佟翡宠义缨繁穗对箕它特薤爨不可凳蕊，这样 一种封装性很好地处避了特征的独立性和特征间的相互联系性，比较真实地 描述了客观世界。因此，可阻用类来表示特征豹分炎，当然要注意的是类与 特征毂骧辩关蓉莠不是一对一戆。 2 齿轮类零, r e c a d i c a p p 系统审数据既对象横型 齿轮类零 牛c a d c a p p 繁成系统中所要处理的数据可以划分为三个对象 类： ( 1 ) 数豢对象类，它是瑟统瑟鲶建数豢瓣接象表示； ( 2 ) 数攒表达对象类，宅是数掇表达方式的抽象表示； ( 3 ) 知识对象类，它是系统决策知识的抽象袭示。 依摆划分瓣数攥辩象分类，弓| 髑露囊对蒙数豢建模方法，采怒瑟爨对象 环境的“对象一关系圈”，作为建立顽向对象的概念数据模型的工具。 对象一关系蠲1 中包含的对象之间的三种语义关系为：内联关系i 、聚 合关系a f - u 弓l 孀关系鼗；其中，肉联荧系反淤对象之阕糖曩薅爆稳互佼存瓣 功能关系；聚合关系反映对象类之间的组成涨属关系：引用关系表示一个埘 琢粪引桶另一个对象癸的属性。 山东大学域士学位论文 邋过引用特征参数类和特征要索类，提出了可以抽象地摧述齿轮零件特 征的巅向信息集成的针对具体齿轮的特征粪，建立了面向对象的齿轮零件定 义模墅，鲡图2 3 螽示，零 孛定义模墅是按爨系统熟嚣求黯畿轮零件辑涉及数 据的完整描述，它包括特征要素、特征信息、工艺处理信息、基准和公差鼯。 圈2 3 齿轮类零件的数据模型缩构图 2 5 齿轮类零件特征的对象能表示 校撬以上x 尊齿轮类蒋征戆定义、特征匏分类、褥薤之润的关系强及特征 与特征之间关系的分折，参考所建立的齿轮类零件数据模型，将齿轮类零件 分为如图2 4 所示的对象。图2 4 中几何形状类对威于特征中的形状特征， 逸轮类楚基类，分为锻凌轮类、嚣技鼗轮类、满轮类三个予类。死侮形状类 和齿轮类的定义在系统摧个生玲周期肖效。总体特征和精度特征可以设霹单 独的类来表示也可以伟为几何影状类的属性采表示。 2 6 系统的总体功麓结构构建 率交谈为一个满足实掰经、逡擂瞧、通臻搂、囊晶纯程霾较高的 c a d c a p p 系缀具有以f 特点： ( 1 ) 面向普通用户快速的初步设计。对于加工精度要求不高、不需要进行 魏纯竣诗巍可攥燕分褥数瘸户来说，要求蠢耱酶设计速度裂茯。 ( 2 ) 工艺系统必须舆有可移植性 4 2 1 ；即不经过二次开发或者经过少量二次 开发就可以适用于不闻的工慧具体环境f 4 引。因此，工艺开发必须怒属于渐进 屡次式秀发f 4 4 渺皴。 ( 3 ) 可选的优化分析模块，为了邋应现代设计方法，系统应该提供齿轮优 化设计的功能。 筵2 - - 4 惹转零掺粪矮次缝搦粼 毽戴，掇搬戬上磁分孛厅落耱斡倍息模型以及设诗要求，绩舍下步的王 艺设计集成化袋求，确定系统的总体功能框架如图2 5 所示，其模块主要包 括： 山东大学蠖士学位论文 ( 1 ) 齿轮初步设计计算模块。根据齿轮的初始条件，交互完成齿轮的设