（机械工程专业论文）复合轮齿空气压缩机cad.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 c a d c a m 是一门跨多学科的技术，是计算机科学、信息技术与现代制造 技术相结合的产物，是当代先进的牛产力，在提升设计制造信息化、自动化 水平，加速新产品开发，缩短设计制造周期，保证产品质量，提高牛产管理 水平，节约成本，增强市场竞争能力和企业创新能力等方面发挥了重要作用。 木文研究复合轮齿空气压缩机c a d c a m 系统三大模块中的两个：复合轮 齿机构参数化设计和压缩机典型零件c a d 模块。 复合轮齿机构参数化设计模块以s o l i d w o r k s2 0 0 1 和v i s u a b a s i c6 0 为开发平台，结合特征建模技术、可视化仿真技术一体，用于复合齿轮副设 计，并进行特征参数化造型；压缩机典型零件c a d 模块包括典型零件的特征 参数化造型，由下向上的装配设计过程，装配动画及干涉检查，工作过程仿 真，箱体装配体的爆炸视图，自动工程图纸的生成以及捕捉a v i 动画、生成 工作仿真轨迹等； 这两个模块的开发对于复合轮齿空气压缩机产品用户化、系列化、标准 化开发具有较强的实用价值和指导意义。同时为后续的典型零件c a m 模块的 开发提供了数据源泉。 关键词参数化，特征建模、动画、仿真 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s tr a c t c a d c a ma sam u l t i d is c i p l i n a r y t e c h n o l o g y ，c o m b i n e dw i t h c o m p u t e rs c i e n c e ，i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，m o d e r nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ，p l a ya ni m p o r t a n tr o l e i np r o m o t i n gt h el e v e lo fd e s i g n m a n u f a c t u r i n ga n dt h el e v e lo fa u t o m a t i o n ，a c c e l e r a t i n gn e wp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，s h o r t e n i n gd e s i g n a n dm a k e c y c l e ，g u a r a n t e e i n g p r o d u c tq u a l i t y ，i m p r o v i n gp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tl e v e l ，e c o n o m i z i n g c o s t ，s t r e n g t h e n i n g m a r k e t c o m p e t i t i r ep o w e r a n d e n t e r p r i s i n g i n n o v a t i o na b i l i t ye t c i nt h i s p a p e r ，t h er e s e a r c ht oc o m p o u n dg e a ra i r c o m p r e s s o r c a d c a ms y s t e mt w oo ft h r e e m a j o rm o d u l e s ，c o m p o u n dg e a rc o u p l e p a r a m e t e rd e s i g na n dt y p i c a lp a r tc a dm o d u l eo fc o m p r e s s o r t h ec a d c a mo fc o m p o u n dg e a ra irc o m p r e s s o risb a s e do ns o 1idw o r k s 2 0 0 1a n dv i s u a lb a s i c6 0 p l a t f o r m ，c o m b i n e dw i t hf e a t u r em o d e li n g t e c h n o l o g y ，v i s u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y h a v eb e e nu s e di nv o l u t e c o m p o u n dg e a rc o u p l ed e s i g n c o m p o u n dg e a ra i rc o m p r e s s o rp a r a m e t e r sd e s i g nm o d u l ei su s e d t om a k ef e a t u r eb o d y t y p i c a lp a r tc a dm o d u l ei n c l u d e st y p i c a lp a r t s f e a t u r ep a r a m e t e r s ，t h ea s s e m b l y - p r o c e s sf r o mb o t t o mt ot o p ，v i s u a l a s s e m b l y - p r o c e s sa n di n s p e c t i o n ，w h o l ep r o c e s ss i m u l a t i o n ，e x p l o s i o n v i e wo fa s s e m b l y b o d y ，a u t o m a t i ce n g i n e e r i n gf o r m u l a t i o no fd r a w i n g ， c a t c h i n ga v ia n i m a t o r ，a n dw o r k i n gs i m u l a t i o no r b i t t h e s y s t e m h a s p r a c t i c a l a n di n s t r u c t i v ee f f e c to nt h e d e v e l o p m e n to fp e r s o n a li z a t i o n ，s t r i a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o nf o r c o m p o u n dg e a ra i rc o m p r e s s o r a n di tw i 1i s u p p l yd a t at ot y p i c a lp a r t c a dm o d t l 】e k e y w o r d s ：c o m p o u n d g e a rp a r a m e t e r i z e 、f e a t u r e m o d e l i n g 、a n i m a t o r 、 s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 c a d 技术发展简史与应用现状 自1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国出现后，人们就不断地将计 算机技术引入机械设计，制造领域，早在2 0 世纪5 0 年代便首次成功研制数 控机床，通过数控程序就可以实现对零件的加工，随后，麻省珲工学院的伺 服机构实验室研究成功用计算机控制数控纸带，实现了n c 编程的自动化， 在此基础上，人们提出了如下设想：a p t 程序系统是通过描述刀具轨迹的方 法实现计算机辅助数控编程，那么能不能不描述刀具轨迹，而在于直接描述 零件本身，由此产生了c a d 的最初概念。 1 9 6 3 年，美国麻省理工学院的i e 萨瑟兰德( i e s u t h e r l a n d ) 在 他发表的博士论文中提出了二维图形系统s k e t c h p a d ，尽管该系统还是较原 始的，但其基木理论和技术思想至今仍是c a d 技术的理论基础。 交互式图形生成技术的出现，促使了c a d 技术的迅速发展，2 0 世纪6 0 年代中期后，美国的一些大公司都十分重视这一技术，并投入相当资金对 c a d 技术进行研究和开发，这一时期的c a d 系统的特点是：规模庞大，价格 昂贵。所以只有经济实力雄厚的、技术力量较强的大型企业和研究单位才能 研究和应用c a d 技术。 从2 0 世纪6 0 年代末期至7 0 年代中期，以小型和超级小型计算机为丰 机的c a d 系统进入市场并形成丰流。c a d 系统的特点是硬件和软件配套齐全， 因此人们称它为“交钥匙”系统，与大型的c a d 系统相比，其价格相对便宜， 使用和维护也相对简单一些，这也是c a d 技术得到进一步发展和扩大应用范 固的原因之。在这一时期内，对三维几何造型技术也开始了研究。 2 0 世纪7 0 年代以后，3 2 位工作站和微型计算机的出现对c a d 技术的发 展起r 极大的推动作用，3 2 位工作站是属单用户的计算机系统，具有较高 的响应速度，它特别适用于c a d 系统。而且3 2 位工作站之间可通过联网达 到共享系统内资源，发挥各台计算机特点的目的。因此可以根据工作需要和 经济条件以及c a d 技术的发展等逐步投资，逐步发展c a d 系统的功能与规模。 2 0 世纪8 0 年代是c a d 技术迅速发展的时期，超大规模的集成电路的出 西南交通大学硕士学位论文第2 页 现，使计算机硬件成本大幅度下降，计算机外网设备己成系列产品，为推进 c a d 技术向高水平发展提供了必要的条件。同时相应的软件技术如数据库管 碑技术，有呲元分析，优化设计等技术也迅速提高。这些商品化的软件的出 现，促进了c a d 技术的推广及应用，使其从大中型企业向小企业发展，从发 达国家向发展中围家发展，从用于产品设计发展到用于工程设计。在这期间 还相应发展了一些与制造过程相关的计算机辅助技术。例如计算机辅助工艺 规程设计，计算机辅助生产管理，计算机辅助工装设计，计算机辅助质量控 制等，然而以上技术作为单项技术只能带来局部效益，进入2 0 世纪8 0 年代 以后，人们在上述计算机辅助技术的基础上，致力于计算机集成制造系统的 研究，这是种总体高效益，高柔性的智能化制造系统。 2 0 世纪9 0 年代以来，微机性能的大幅度提高，微机已具有较强的图形 处王q ! ，支持多c p u 及并行处理的能力，其性能逐步接近工作站，从2 0 世纪 8 ( ) 年代后期开始，以i d e a s 、u g 、p r o e n g i n e e r 等为代表的以工程工作站 为平台的c a d c a m 软件纷纷向微机平台移植，而基于微机平台的c a d 、c a m 软件则不断推出更为优秀的新一代产品如s o l i d w o r k s 、i n v e n t o r 、m d t 、 m a s t e r c a m 等。 目前c a d 技术已不再停留在过去的单一模式，单一功能，单一领域的水 甲，而向着集成化，智能化，网络化，可视化，并行化，标准化方向发展， 为了实现系统的集成，实现资源的共享和产品牛产与组织管理的高度自动 化，提高产品的竞争能力，需在企业，集团内的c a d c a m 系统之间或各个子 系统之问进行统一的数据交换，为此，一些工业先进的国家和国际标准化组 织都在从事标准化接口的开发工作，与此同时，面向对象技术，并行工程思 想分布式环境技术及人工智能技术的研究，都有利于c a d c a m 技术向高水平 发展。 我国c a d 技术的开发及研究是从2 0 世纪7 0 年代初期开始的，通过引进 或自丰开发，现己初步形成了实用的、功能集成化的c a d c a m 支撑软件。c a d 技术的推广及应用越来越得到政府、企业领导和工程技术人员的重视和支 持，取得了良好的经济效益，重点行业和地区的c a d 典型示范工作已初见成 效。据统计，c a d c a m 技术在机械产品设计制造中的应用，可以使产品设计 周期缩短i 3 一i 2 ，工效提高3 5 倍，产品设计的一次成功率达9 0 以上。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 1 2 计算机辅助设计研究的热点 为了适应2 1 世纪的制造模式，c a d 集成系统关键技术主要有： 1 集成化技术 在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的，现在更强调技术、 人和管理的集成。在开发制造系统时强调多集成的概念，即信息集成，智能 集成，串并行工作机制集成，资源集成，过程集成，技术集成及人员集成， 这更适合未来制造系统的需求。 2 智能化技术 应用人工智能技术实现产品生命周期( 包括产品设计、制造、发货、支 持用户到产品报废) 各个环节的智能化，支持牛产过程( 包括组织、管理、 计划、调度、控制等) 各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合及 人在其中的智能的充分发挥。 3 网络技术 网络技术包括硬件与软件的实现，各种通信协议及制造自动化协议，信 息通信接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础，特 别是在当前情况下要实现基于i n t e r n e t 的t e l e d e s i g n 和 t e l e m a n u f a c t u r i n g ( 异地设计与异地制造) 技术基础。 4 分布式并行处理智能协同求解技术 该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解， 实现系统的最优决策。 5 多学科多功能综合产品设计技术 机电产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识( 力学、材料、工 艺等) ，而且还用到电磁学、光学、控制理论等，不仅要考虑技术因素，还 要考虑经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行 多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静热特性、效率、精度、使用 寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合，研究重点是：并行工程及 西南交通大学硕士学位论文第4 页 c a d c a p p c a m c a e 一体化设计技术。面向制造装配市场销售的并行设计 和“鲁棒性”设计技术，产品效益及风险的并行评估技术等。 6 综合可视化技术 是利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术实现产品设计制造 过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真。采用多种介 质来存储、表达、处理多种信息，融文字，语音、图像、动画于一体，给人 一种真实感及身临其境感。 7 人机环境系统技术 将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的 重点是：人机环境的体系统结构及集成技术。人在系统中的作用及发挥，人 机柔性交互式技术、人机智能接口技术，清洁制造等。 这些丰要关键技术随着2 l 世纪先进制造技术的发展及新的牛产模式的 出现，会不断地对c a d c a m 集成系统提出新的要求，其关键技术内容会产生 某些变化，t 日集成化，智能化、网络化及可视化仍然为c a d c a m 系统的发展 的丰要方向。 8 海量信息的存储，管理和检索技术 随着c a d 技术应用的深入，所涉及的各种信息越来越多，如何快速，有 效地对海量信息进行存储，管理和检索，成为人们关注的焦点，传统的关系 型数据库已难以适应日益增长的数据管理的要求； 9 计算机安全技术 计算机已渗透到产品开发的各个环节，人们对计算机的依赖性也越来越 大，可以说，计算机内设计结果和数据已成为企业的宝贵财富。一旦企业的 计算机系统遭遇到破坏，就可能导致企业或行业的瘫痪甚至会影响到整个社 会，随着市场竞争的激烈和知识产权意识的增强，使产品的设计信息具有保 密性，因此，如何保证计算机以及其中产品数据的安全，是c a d 技术应用中 日益被人们所关注的重要问题。 西南交通大学硕士学位论文第5 页 1 3 论文研究背景及意义 复合轮齿机构是奥神科技有限公司( 四川省信息化示范企业) 的专利技 术，该发明已获得国家专利，并已取得p c t 国际专利，具有自丰知识产权， 复合轮齿机构是一种新型的实现容积变化的啮合传动机构，由满足定传动 比，至少一对相互啮合的大小轮齿构成，每个齿轮上均布有小齿，大齿( 或 齿槽) 利用齿廓曲线的特殊设计和组合，以达到各瞬时传动比相等，实现传 递高速可靠的转动和对流体的抽吸、压排。该项技术应用前景广阔，利用这 项原理可以开发成空气压缩机、空调压缩机、液压马达、旋转式发动机、汽 车刹车泵、计量泵和真空泵等多种新型产品，可实现产品的更新换代。 公司利用这一发明专利技术成功开发出的复合轮齿空气压缩机属国家 首创，其结构新颖独特，具有零件少，体积小，重量轻，振动小，噪音低， 效率高，能耗少，运行可靠，寿命长，基本免维修，输气连续平稳，气源清 洁等优点，可广泛用于工业生产、市政建设，交通运输等国民经济各部门。 表1 - 1 复合轮齿空气压缩机对照表 复合轮齿空气压缩机螺杆式空气压缩机活塞式空气压缩机 轴i qj t 寸小、径向尺寸略人轴向j t 寸人，径| ；= uj t 寸小轴向、径向尺寸均人 转子仪受径向力不承受轴 转子既承受释向力，还需承受力复杂，需解决惯性力和 j q 力，采用轴q 动结构无需 受轴向力，必须轴向定位惯性力矩r 衡问题 辅f 定位 结构简单，丁岂性好，造价结构简单，工艺性著，造价结构复杂，1 二艺性散，造 低高价较高 能用于微犁场合难用于微型场合能用于微型场合 零件数帚少，重晕轻，易于 零件数罱较少，重最较轻， 零件数罩多，重最重，易损 易损件少。寿命长，可靠性 损件少，寿命长，可靠性高件多可靠性蔗 高 动力、f 衡性好，运行，f 稳，动力一f 衡性好，运行s 卜稳，动力、卜衡性筹，运行较r 振动小振动小稳，振动大 难用于高压场合难用于高压场合可用于高压场合 西南交通大学硕士学位论文第6 页 是气动工具，风动机械获取高品质压缩气体的理想气源。 表卜1 为复合轮齿空气压缩机与当今世界最为成熟的活塞式空气压机 以及代表先进技术水平的螺杆式空气压缩机的对照表： 从表中发现：该产品与同规格型号的螺杆和涡旋式压缩机相比，性能相 当，各项技术参数接近，但制造相对简单，成本低( 3 0 ) ，价格便宜。与活 塞式压缩机相比，运动部件大大减少，重量轻，效率高，能耗低，振动小， 噪音低，性能稳定，可靠性高，基本免维修，与同种规格的活塞式压缩机成 本相当，但性价比更高。 复合轮齿式空气压缩机己准备向标准化、系列化方向发展，但各项技术 参数，性能指标及产品结构还有待于进一步的优化和完善，传统的产品开发 模式很难准确、及时地了解零件的机械性能，机构的运动及干涉状况，产品 一旦制造或装配后又很难进行设计修改或优化，从而导致开发周期长，费用 高，产品质量不高等缺点，已不再能适应企业的牛存和发展。根据c a d c a m 集成技术的优点和最新发展动态，结合企业的实际需求和产品特点，奥神科 技有限责任公司同四川工程职业技术学院协议，拟共同开发复合轮齿空气压 缩机c a d c a m 集成软件，以利用c a d c a m 集成技术来完成产品开发的全过程， 实现数据和信息的共享，提高产品质量，优化产品结构，缩短产品开发周期， 提高经济效益，尽可能地满足用户个性化的需求，最大限度地挖掘复合轮齿 机构专利技术的潜力，激发新的经济增长点，为振兴民族工业发挥积极作用。 1 4 硬件及软件平台选择 本研究所选取p e n t i u m4 微机作为硬件平台，以w i n d o w s 2 0 0 0 作为系统， 这样选择丰要考虑到： ( 1 ) 目前高档p e n t i u m4 微机系统的综合性能已基本达到甲些时候牛产的 中档工作台的水平，而硬件成本却只有性能相当的工作站的4 0 一6 0 ； ( 2 ) 相当一部分中档次的应用程序是微机版的，同时微机版的应用程序易 于推广应用。 零件特征建模、装配、动画及仿真等工作由s o l i d w o r k s 2 0 0 1 来完成。 西南交通大学硕士学位论文第7 页 s o id w o r k s 是一套基于w i n d o w s 的c a d c a e c a m p d m 桌面集成系统， 是美国s o l i d w o r k s 公司于1 9 9 5 年1 1 月研制成功的，该软件可以最大限度 地满足设计者的设计意图，操作简单，功能强大，容易上手，可以完成复杂 的产品设计，高效能的大型装配，高级曲面造型，设计修改，显示动态装配 关系，集设计，分析，加工和数据管理于一体：动态模拟装配过程；计算质 量特征，如质心，惯性矩等，将二维绘图与三维造型技术融于一体，将三维 实体图形自动转换成二维平面图，此外它具有较好的开发性接口和功能扩充 性，可以把其它c a d c a m 软件系统中的图形文件转到s o l i d w o r k s 中，也能 把s o l i d w o r k s 中的图形文件转到另外的c a d c a m 软件系统，是工程设计的 一个好工具。 开发工具采用v i s u a lb a s i c6 0 。 v i s u a lb a s i c6 0 是m i s c r o s o f t 公司于1 9 9 1 年推出的w i n d o w s 应用 程序开发工具，v i s u a b a s i c 是在原来的b a s i c 语言基础上进一步发展而 来的，是运行在w i n d o w s 环境下的个可视化编程语言，提供了开发w i n d o w s 应用程序的编程环境，v i s u a lb a s i c 语言规则简单，不象其它的高级语言 那么复杂，但它的功能很全，使用简捷，用户只需掌握几个关键词就可以开 始建立实用的应用程序，使用v i s u a lb a s i c ，用户不需要编写大量的代码 去描述界面元素的外观和位置，只要预先建立的对象拖放到屏幕上即可，利 用v i s u a lb a s i c 即使是初学者，也可以编写出漂亮的应用程序。 西南交通大学硕士学位论文第8 页 第二章复合轮齿空气压缩机 c a d c a p p c a m 系统总体设计 2 1 渐开线复合轮齿机构 2 1 1 复合轮齿机构设计原理 根据渐开线成形原婵，当基圆直径相等时，仪管齿轮的齿数或模数不相 同但渐开线轮齿的齿廓曲线是相同的。如图2 - 1 所示：牙齿一、二、三、四、 五的模数不同，齿形大小不同，分布在同一基圆圆周匕的齿数也不相同，但 齿廓曲线却是相同的。 当分布在同一基圆上牙 齿数比为 ： 互：型( n ，) z ，2 m 一1 、 。 时，齿厚比正好是： 旦：箬( n ，m ) 。 ：2 万i 艇) 。 如图2 一l 所示： z 。z ：- 3 1 则，s s ：1 3 ： z z ：；：5 1 ，则，s ，s ；：1 5 ； 图2 一l 渐开线复合轮齿机 根据上述理论，将同一基圆上理论齿数成一定比例的大小齿均匀分布， 同时将与之配对的齿轮用轮齿与齿槽也按一定的规律均匀分布，仍然能够正 确的啮合，同时保证渐开线齿廓啮合的特性( 传动比恒定，传动中心距可分， 传递压力的方向不变) 。 如图2 2 所示：这种将大小齿按一定规律均匀分布在同一基圆上形成的 齿轮与将小齿与大齿槽按一定规律均匀分布在另一基圆上的齿轮所形成的 西南交通大学硕士学位论文第9 页 能正确啮合的齿轮副称为复合轮齿机构。它是一种新型的实现容积变化的啮 合传动机构，它至少由一对满足定传动比能相互啮合的复合齿轮所构成，每 一个齿轮上均布有小齿、大齿( 或大齿槽) ，利用渐开线齿轮的特点达到各 瞬时传动比相等，从而既能传递高效可靠的转动，又能实现对流体的抽吸、 输送、压排功能。 2 1 2 复合轮齿机构特性 1 处在基圆相同的同一轮齿上的大小齿，理论齿数之比为： 妻= 筹帅) ，模数批为暑= 筹( 一，m ) 。 2 处在同一轮齿上的大小齿的压力角相同； 3 大小齿分度圆直径均为：d = 。z l = m 2 z 2 = d b c o s ( a ) 其忆d ， 为基圆直径，a 为压力角： 4 分布在复合轮齿副中两大齿间的小齿数与两大齿槽间的小齿槽数 应用相同( 导坠堕= 等处坠) 。 厶1 人实际厶m 丰! ! f 赏际 图2 - 2 复合轮齿机构 西南交通大学硕士学位论文第l o 页 2 2 复合轮齿空气压缩机 工作原理如图2 3 所示：一对复合轮齿副上有三种齿形，即大齿、小齿、 和大齿槽。将对复合轮齿副组装在一个腔体内，腔体壁便与齿轮a 的小齿 之问形成了一个较大区域的环形空间，且被大齿和两齿啮合点分隔成上下几 个部分，当a 齿轮在b 齿轮的带动下沿顺时针 方向旋转时，上部形成一 个逐渐扩张的低压区，从 而实现流体的抽吸功能， 而下部则形成一个压缩 变小的高压区，从而实现 流体的压缩与排放功能。 在一对复合轮齿副 中，大齿承受压力的推动 实现能量的转换，大齿槽图2 - 3 复合轮齿空气压缩机原理 同大齿是对共轭齿廓， 既起到传递运动及动力的作用，又能实现密封作用，小齿既保证等速比传动 作用，也实现高低压区的分隔作用。复合轮齿副中三种齿形的有机结合，严 密分工，是复合轮齿副区别于其它机构的根本特征。 复合轮齿式空气压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩 机械，总体结构由前后盖、机体和一对转子组成。气体的压缩依靠容积的变 化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来 达到。转子与机体形成的工作容积呈周期性扩大和缩小，只要在机体或端盖 上合理地配置吸、排气孔口( 无需设置吸、排气阀等易损件) ，就能实现压 缩机的基木工作过程吸气、压缩以及排气。 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 2 3 总体设计 2 3 1压缩机c a d c a p p c a m 集成软件系统功能 本文研究的丰要内容是“复合轮齿空气压缩机c a d c a m 集成系统”，丰 要包括以下几方面： 1 压缩机的参数化设计及优化设计； 2 压缩机的装配及干涉分析； 3 动态模拟分析机构运动与仿真； 4 自动牛成明细表： 5 主要零件的计算机辅助工艺设计； 6 丰要零件的数控加工程序的自动生成及动态仿真： 其丰要创新内容是如何实现产品特征建模，参数化驱动。优化设计，运 动仿真，加工仿真，数据交换和信息集成，计算机辅助设计及数控加工程序 的自动生成。 23 2 总体框架结构 系统的总体结构图如图2 4 所示 整个系统由三大模块构成：复合轮齿机构参数化设计模块、压缩机典型 零件c a d 模块、压缩机典型零件c a m 模块。 复合轮齿机构参数化设计模块是用v i s u a l b a s i c6 0 综合利用 s 0 1 i d w o r k s 软件开发的，用于设计渐开线复合齿轮副，并进行特征造型。 压缩机典型零件c a d 模块是在s o l i d w o r k s 软件中开发的，包括典型零 件的特征参数化造型，由下向上的装配设计过程，装配动画及干涉检查，工 作过程仿真，箱体装配体的爆炸视图，自动工程图纸的生成模块还包括捕捉 a v i 动画、生成工作仿真轨迹等。 压缩机典型零件c a m 模块是在u n i g r a p h i c s 软件中交 可- 方式完成的、丰 要包括数据格式的转换，数控加工工艺设计，数控加工工艺参数的设置，刀 具轨迹的自动生成，数控加工仿真，刀具路径的后置处理，联机在线加工等。 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 图2 - 4 系统总体结构图 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 第三章复合轮齿空气压缩机参数化设计 3 1 1 特征及分类 3 1 特征造型 特征是以c s g 和b - r e p 表示为基础，源于产品模块化设计思想，由面、 边、点、线等几何要素组成的参数化的几何体。通过改变特征的尺寸，可以 用有限的特征构造出无限的零部件形状，且具有定的工程语义。 不同的应用领域和不同的工厂，特征的抽象和分类方法有所不同。通过 分析机械产品大量的零件图样信息和加工工艺信息，可将构成零件的特征分 为五大类： ( 1 ) 管理特征与零件管理有关的信息集合，包括标题栏信息( 如零件 名、图号、设计者、设计日期等) ，零件材料，未注粗糙度等信息； ( 2 ) 技术特征描述零件的性能和技术要求的信息集合： ( 3 ) 材料热处理特征描述零件材料、热处理和条件有关的信息集合，如 材料性能、热处理方式、硬度值等。 ( 4 ) 精度特征描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，包括 公差( 尺寸公差和形位公差) 和表面粗糙度； ( 5 ) 形状特征描述零件几何形状、尺寸相关的信息体集合，包括功能 形状、加工工艺形状、装配辅助形状。形状特征是描述零件或产品的最丰要 的特征，根据其在构造零件中所起作用的不同，可分为基本特征和附加特征 两类。 基本特征基本特征用来构造零件的基本几何形体，是最先构造的那 个特征，也是后续特征的基础。它反映了零件的丰要形状，体积( 或质量) 。 附加特征附加特征是依附于基本特征之上的几何形状特征，是对基 本特征的局部修饰，反映了零件几何形状的细微结构。附加特征依附于基本 特征，也可依附于另一附加特征。 3 1 2 形状特征生成方法 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 1 基本特征 基本特征是将个封闭或开放的二维轮廓( 草图或截面图形) 通过几何 变换牛成三维特征的方法，丰要种类包括拉伸、旋转、扫插、放样等。 2 附加特征 附加特征是依附在基本特征之上的特征，它是在基本特征上利用圆角、 倒角、置孔、阵列等功能导出的特征。附加特征必须依附于基本特征而存在， 它们之间的位置不能随意移动，模型建立时必须保持这种父子关系。 3 辅助特征 为了造型方便，c a d c a m 系统还设计了一类辅助特征：基准面、基准轴 和基准点。这些特征不具备体积、质量等，不能直接构成零件的几何结构， 它们仪仪是为了构造其它特征的方便而专门设计的。例如在建立特征时有时 需要知道轴的轴线信息或轴端面的圆心信息，可以依次把它们认定成基准轴 和基准点，有时需要在一个过轴线的平面上绘制特征草图，这时可以事先建 立一一个过辅线的基准面。辅助特征中包含了一系列几何约束或尺寸约束，所 以这类特征也是参数化的。如果基准面的参考几何要素发牛了变化，或对基 准面的有关数据作了修改，那么基准面也将随之而修改。 4 高级特征 ( 1 ) 曲面切割特征 曲面是曲面模型，不是实体模型，但是可以利用事先生成的曲面去切割 一个实体，得到曲面切割特征，以便实现复杂形状零件的构造。曲面也是参 数化的，无论零件实体或曲面数据中的哪一个被修改了，它们之间的参数化 联系都会保留下来，因此用户可以构造带有曲面的复杂零件。 ( 2 ) 加料特征 可采用曲面造型技术先构造零件的外表面模型，然后采用在零件内部添 加材料的方式生成实体模型，添加材料的方式非常灵活，可以是完全填充成 实心零件，也可以在曲面上加上一层均匀的壁厚。 ( 3 ) 抽壳( 或除料) 和加料特征相反，为了提供薄壁类零件的建模，在事先建立的实体零件 基础上，自动挖去中心部位的材料，并实现规定的壁厚。 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 当向零件添加抽壳特征时，系统会自动使零件的各个表面向内或向外同 时偏移一定距离，牛成新的表面，并在两层表面之间加入材料，同时去掉附 近中心部位的材料。 ( 4 ) 布尔运算特征 布尔运算是特征之间的逻辑运算，包括求交、求并、求差，可以两个独 立的零件之间采用布尔运算方法牛成一个新的零件，即把一个零件通过布尔 运算加入到另外一个零件上去，这个加进去的零件就成为了被加入零件的一 个组成部分，而不是一个单独的零件了，这样牛成的特征称为布尔运算特征。 3 1 3 特征参数化设计 1 参数化设计方法 参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需用确定的 数值，通过调整模型参数将自动改变所有与它相关的尺寸及位置，自动实现 产品的精确造型。参数化的本质是加约束和约束满足。参数化设计的过程可 以认为是改变模型参数值后，对约束进行求解的过程。例如：在几何参数化 模型中，必须是尺寸约束参数和几何约束参数都同时满足，并求解，才能获 得准确的几何形状。 2 几何参数模型约束种类 几何参数模型是由图形和尺寸两大部分组成的，它们之间是相可- 关联 的，图形通过尺寸和几何形状来加以约束。 ( 1 ) 尺寸约束规定线段长度或两非平行线段间夹角大小的约束。有水 平、垂直、角度、平行等约束形式。 ( 2 ) 几何约束规定几何对象之间的相互位置关系的约束。有水平、 铅垂、垂直、相切、同心、共线、平行、中心、重合、对称、固定、全等、 融合、相等、穿透等约束形式。 3 特征参数化设计 零件的几何特征用参数来加以描述，只要改变截面形状和尺寸或重新定 义各种参数就可以改变特征的形状。 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 3 1 4 特征建模过程 零件的几何模型可以看成是由一系列的特征堆积而成，改变特征的形状 或位置，就可以改变零件的几何模型。因此，一个特征建模过程可以形象地 比喻为一个由粗到精的泥塑过程，即在一个初始泥胚( 基本特征) 的基础上， 通过不断增加胶泥材料( 加上附加特征) 或去除胶泥( 减去附加特征) ，逐 步获得一个精美的雕塑( 几何模型) 的过程。 特征建模是个过程，分先后顺序把特征一一加到形体上，后续特征依 附于前面的特征，前面特征的变化将影响后续特征的变化。为了正确记录特 征的建模历程，采用了“特征树”的概念，特征建模的历程就象一棵树的生 长过程，从树根开始( 基木特征) 逐步长出树枝( 附加特征) 。零件结构复 杂程度的不同，特征树的复杂程度也不同，一个零件由许许多多的特征构成， 特征之间有复杂的依赖关系。 特征既可以集合到已存在的实体上，也可以从实体上把某特征删除掉。 删除特征的同时会删除掉从属于该特征的后续特征。另外还可以修改构造好 的特征，例如改变特征的形状、尺寸或位置，或改变特征的从属关系。 3 1 5 特征管理 如图3 一l 所示，c a d 系统会自动记录特征的构造顺序，并以特征树的方 式加以表达。特征树不仪可以表达特征及其构造过程，还可以通过特征树对 模型进行灵活的管理和编辑。c a d 系统一般都提供专门窗口显示特征树，俗 称特征树管理器，在特征树管理器中容许用户进行如下操作： ( 1 ) 选取特征利用特征树管理器来选取特征 ( 2 ) 删除特征在特征树管理器中可以删除选中的特征。 ( 3 ) 重新命名在构造特征时系统会自动对特征进行命名，但是该特征 名可以随意更改，以便更容易与其它设计人员时行交流。 ( 4 ) 移动特征可以直接在特征树管理器中拖动选中的特征，改变其在 特征树中的位置，从而改变特征形成的先后顺序，但是必须注意两点：一是 特征先后顺序的改变有时会改变零件的结构，二是子特征不能拖到父特征之 前的位置，例如圆角特征必须在基木特征的后面。 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 ( 5 ) 抑制特征和非抑制特征当特征非常多而且复杂时，可以采用特征 抑制功能暂时冻结不需要的特征，这时所选中的特征及辅助特征不显示，不 参与运算。非抑制特征就是解除己经被抑制的特征。 ( 6 ) 特征复制在零件特征树上可以选中一个已知的特征，并把它拷贝 到特征树的其它位置上，也可以把另一个零件上的特征，拷贝到当前零件上 的某一个位置上。 ( 7 ) 编辑特征和尺寸修改由于所有特征都是参数化的，所以在特征造 型过程中的任何时候，都可以通过编辑特征操作来修改特征的所有参数( 包 括草图及特征的定义) 。 ( 8 ) 特征回放，特征回放是指按照特征造型的顺序，逐一把特征的造 型过程连续地显示来出来，这样可以形象地观看一个零件模型从无到有的构 造过程，特征回放由专门的命令来实现( 很多c a d 系统中称之为宏功能) ， 该命令类似一个播放机的功能，提供了播放、暂停、后退和前进等播放工具， 还可选定一个回放速度，指明特征播放的时间间隔等。 图3 1 特征管理树 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 3 2s o iid w o r k s 开发理论 3 2 1s o li d w o r k sa p l 概述 s o l i d w o r k sa p i 是s o l i d w o r k s 的o l e 应用程序开发接口，用户可以利 用它并通过支持o l e 编程的开发工具，如v i s u mb a s i c 、v b a ( e x c e l ， a c c e s s ) 、c 、v i s u a lc h 、c + + 等对s o l i d w o r k s 进行二次开发，建立适合用 户需要的、专用的s o l i d w o r k s 功能模块。 s o li d w o r k sa p i 由大量的对象、方法、属性、事件组成。s o l jd w o r k s 支持o l e 标准，完全实现了o l e 自动化，作为一个o l e 服务器，s o l i d w o r k s 提供了大量的o l e 对象，以及这些对象所拥有的方法和属性，用户通过在客 广应用程序中对这些o l e 对象及其方法和属性的操作，可以在自己开发的应 用软件中实现诸如生成直线、构造实体、检查曲面参数等几乎所有的 s o l i d w o r k s 软件的功能。 1 s ld w o r k 对象 s l d w o r k s 对象包括m o d e l d o c 、e n v i r o n m e n t 、f r a m e 、a t t r i b u t e d e f 、 m o d e l e r 、s w p r o p e r t y s h e e t 以及一些其它的对象。s i d w o r k s 对象是 s o l i d w o r k sa p i 中的最高层的对象，它能够直接或间接地访问s l d w o r k s a p i 中的所有其它对象，利用它，可以实现应用程序的最基本操作，如生成、 打开、关闭、结束、重排图标和窗口、设置当前的激活文件、生成属性定义， 也可以对s o li d w o r k s 和系统环境进行设置。 应用程序( v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、d i s p a t c h ) 可以使用 c r e a t e o b j e c t 、g e t o b j e c t 或类似的功能来获得s l d w o r k s 对象，当d l l 加 载后，c o m 能够使用传递给i n i t u s e r d l l 3 功能的s l d w o r k s 指针。 2e n v ir o n m e n t 对象 e n v i r o n m e n t 对象可分析文本和几何关系，该几何关系用于生成符号， 如：有一个包含了符号的注释，想重新生成注释时可用e n v i r o n m e n t 对象。 3 f r a m e 对象 f r a m e 对象可以修改、检查、添加s o l i d w o r k s 的下拉菜单和弹出菜单。 4 a t t ri b u t e d e f 对象 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 应用程序能够在s o l i d w o r k s 文件中生成附加于实体上的属性数据，这 个属性是特殊的应用数据包，它将自动地存储s o l i d w o r k s 文件，并在文件打 开时自动重载数据。 5 m o id e ie r 对象 m o d e l e f 对象为管理t e m p o r t a r yb o d y ( 临时体) 对象提供了种界面。 临时体对象用于显示。用c r e a t e b o d y f r o m f a c e s 等方法能产牛临时体，这个 对象的返回值可见s l d w o r k s ：g e t m o d e l e r 6s w p r o p e r t y s h e e t 对象 s w p r o p e r t y s h e e t 对象允许应用程序增加记录到某些由s o l i d w o r k s 输 出的属性表中。可以在s w c o n s t h 定义的s w p r o p s h e e t y p e e 列表中找到支 持这种功能的属性表。 7m o d i ie d o c 对象 m o d i 】e d o c 对象属于模型层，是s o l i d w o r k s 的子对象。用m o d i l e d o c 对象可以实现视图设置、轮廓线修改、参数控制、对象选择、打开和保存文 档、牛成编辑特征参量、牛成框架等与实体模型相关的各类操作。m o d i l e d o c 对象包括p a r t d o c 、a s s e m b l y d o c 、d r a w i n g d o c 、f e a t u r e 、a n n o t a i o n 、 f e a t m g v i e w 、m o d e l v i e w ，s k e t c h ，d e s i g n t a b l e ，a t t r i b u t e ，s e l e t i o n m g r ， l a y e r m g r 、c o n f i g u r a t i o n 、m o d e l d o c e x t e n s i o n 、c o n f i g u r a t i o n m a n a g e r 、 m o d e l v i e w m a n a g e r 等对象。 在s o i d w o r k s 中，有三种主要的文件类型：零件、工程图和装配件。 每种文件类型有它自己的a p i 对象( p a r t d o e 、d r a w i n g d o c 和a s s e m b l y d o c ) 及相关的一套功能。例如，a d d c o m p o n e n t 仅存在于a s s e m b l y d o c 对象中， 因为只有装配文件才