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自动精密校直液压机系列化产品c a d 集成系统 摘要 本文对系列化设计的基础知识进行了研究，并将其应用在校直液压机的系列 化设计过程中。分析了单柱式、半框架式和全框架式三种机身类型校直液压机的 主要组成部分，并根据校直液压机的组成对其系列化过程具体如何实现作了分析 介绍。利用软件工程中的模块化思想对自动精密校直液压机系列化产品c a d 集 成系统进行了设计，将系统分为校直液压机吨位确定模块、机身有限元分析模块、 系列化模型和工程图创建模块。 具体操作是用高级可视化编程语言d e l p h i 7 0 设计出系统的界面，并在各功 能模块中添加相应的程序。利用a c c e s s 数据库管理系统建立校直液压机的结构 特征尺寸参数，并将建立的数据库同主界面进行链接。用户可直接调用数据库中 的参数创建出不同床身类型和吨位的校直液压机。通过利用a n s y s 的a p d l 和 d e l p h i 7 0 相结合，可以应用数据库和有限元分析界面中设定的数据对不同机身 类型和吨位的校直液压机机身进行分析。通过对s o l i d w o r k s2 0 0 5 进行二次开发， 建立机床的零件模型，利用创建的零件模型进行装配创建出机床的床身、工作台 等模块，最终利用创建出的实体模块生成机床的零件和装配体工程图。 关键字：系列化校直液压机c a d 系统 t h es e r i a lp r o d u c t si n t e g r a t ec a d s y s t e mo f a o u t o m a t i ch y d r a u l i c p r e c i s es t r a i g h t e n i n gp r e s s a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo fs e r i a l i z a t i o nd e s i g nh a sb e e ns t u d i e da n d i t sa p p l i c a t i o n si ns e r i a l i z a t i o no ft h ea u t o m a t i ch y d r a u l i cp r e c i s es t r a i g h t e n i n gp r e s s p r o c e s s a n a l y s i so fas i n g l ec o l u n m , h a l f - f r a m ea n dt h ee n t i r ef r a m e w o r ko ft h e f u s e l a g eo f t h r e et y p e so f h y d r a u l i cs t r a i g h t e n i n gt h em a i nc o m p o n e n to f t h em a c h i n e ， a n di na c c o r d a n c ew i t hs t r a i g h t e n i n gt h ec o m p o s i t i o no fi t sh y d r a u l i cm a c h i n e s e r i a l i z a t i o np r o c e s sm a d eas p e c i f i ca n a l y s i so i lh o wt oa c h i e v e t h eu s eo fm o d u l a r s o f t w a r ee n g i n e e r i n gi d e a sf o rt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t o s t r a i g h t e n i n gh y d r a u l i cm a c h i n et o n n a g ed e t e r m i n em o d u l e ，t h ef u s e l a g ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm o d u l e ，s e r i a l i z a t i o nm o d e la n de n g i n e e r i n gd r a w i n g st oc r e a t e m o d u l e s h i g hc o n c r e t eo p e r a t i o nu s i n gv i s u a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ed e l p h i 7 0d e s i g na s y s t e mi n t e r f a c ea n dt h ea d d i t i o no ff u n c t i o n a lm o d u l e sc o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r e s u s i n ga c c e s sd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fs t r a i i g h t e n i n g h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r es i z ep a r a m e t e r s ，a n de s t a b l i s had a t a b a s eo f l i n k sw i t l lt h em a i ni n t e r f a c e u s e r sc a l ld i r e c t l yc a l lt h ep a r a m e t e r so ft h ed a t a b a s et o c r e a t ed i f f e r e n tb e dt y p ea n dt o n n a g eo fs t r a i g h t e n i n gh y d r a u l i cm a c h i n e t h l o u g h t h eu s eo ft h ea n s y sa p d la n d d e l p h i 7 0c o m b i n a t i o no ft h ed a t a b a s ea n dc a nb e u s e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ed a t as e ti nt h ei n t e r f a c ef o rd i f f e r e n tb o d yt y p e sa n d t o n n a g es t r a i g h t e n i n gh y d r a u l i ca n a l y s i so ft h ef u s e l a g e t h es o l i d w o r k s2 0 0 5f o r s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，t h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e lm a c h i n ep a r t s ，t h ep a r t su s e dt o c r e a t et h em o d e lo ft h em a c h i n et o o la s s e m b l yt oc r e a t eab e d ，t a b l e ，a n do t h e r m o d u l e s ，a n du l t i m a t e l yc r e a t ee n t i t i e su s i n gm o d u l e sg e n e r a t i n gm a c h i n ep a r t sa n d a s s e m b l ye n g i n e e r i n gd r a w i n g s k e yw o r d s ：s e r i a l i z a t i o n ；h y d r a u l i cs t r a i g h t e n i n gp r e s s ：c a d ；s y s t e m 插图清单 1 单柱式自动精密校直液压机1 0 2 半框架式自动精密校直液压机1 0 3 全框架式自动精密校直液压机1 0 4 自动精密校直液压机系列化设计的流程框图1 2 1 系统的逻辑框图1 7 2 系统的模块构成框图1 8 1 自动精密校直液压机系列化产品c a d 集成系统主界面2 0 2 系统有限元分析模块流程图2 5 3 单柱式校直液压机强度分析界面2 6 4 机身应力云图的查看2 7 5s o l i d w o r k s 开发系统图2 8 6 螺杆二维图和三维图3 0 7 支撑腿装配图3 1 1 单柱式、半框架式和全框架式床身3 4 2 单柱式床身的主要结构组成3 6 3 单柱式校直液压机床三维图3 6 4 单柱式校直液压机工作台平面图3 7 5 单柱式校直液压机工作台的结构组成3 8 6 单柱式校直液压机的工作台三维图3 9 7 校直辅具4 l 8 单柱式和半框架式校直液压机校直辅具结构组成4 2 9 单柱式校直液压机校直辅具在移动工作台上布置4 3 1 0 单柱式和半框架式校直液压机中的机械手平面图4 4 1 l 机械手模块结构三维图4 5 1 2 单柱式和半框架式校直液压机送料机构平面图4 5 1 3 单柱式和半框架式校直液压机上料器三维图4 6 1 4 全框架式校直液压机中的送料机构平面图4 6 1 5 全框架校直液压机送料机构三维图4 7 1 6 废料剔除机构平面图4 7 1 7 废料剔除机构三维图4 8 色色互互置置t乱乱t屯屯毛曩豇曩豇重量置量曩重量曩置重量曩置 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据 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 盒蟹王些叁堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文储躲杨d 眵莎 签字日期：2 叼年朔厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁 王些塞堂可以将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 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：杨渺移 导师签名 签字日期：夕面7 年月f j 日 学位论文作者毕业后去向 t 作单位： 通讯地址： 柳期：垆7 确船 电话 邮编 致谢 在此论文完成之际，谨向我的导师柯尊忠教授表示最真诚的感谢。在我研究 生学习期间，得到导师各方面的关怀和照顾。从学习课程的选择到研究方向的确 定，从论文的选题到论文的修改和定稿的全过程，导师都倾注了大量的心血和汗 水。在论文撰写过程中，导师一直给予悉心指导，提出了大量宝贵的修改意见。 他那严谨的学风、渊博的知识、敬业的精神和平易近人的作风，是我永远学习的 榜样。 还要特别感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院设计教研室的翟华老师和 胡兆稳老师，在课题研究过程中，他们给予了很多帮助。 在论文完成过程中，始终得到了合肥工业大学机械与汽车工程学院设计教研 室的高荣慧老师、丁曙光老师、黄康老师以及全体同志的关心和支持，在此表示 衷心的感谢。 最后，衷心地感谢我的父母和两位姐姐! 作者：杨兆忠 2 0 0 7 年1 2 月 第一章概论 1 1 轴类零件的校直工艺及校直设备概述 自动冷校直技术是综合多学科领域的一项先进制造技术，包括自动冷校直工 艺理论、在线检测理论、行程控制型自动校直设备研究开发等诸多理论和实践 问题【1 1 。其中自动冷校直工艺理论是该项技术中重要理论基础，主要研究通过 何种工艺方法，使轴类零件产生弹塑性变形，消除或减少零件弯曲变形，保证 零件最终满足设计精度要求。 轴类零件的制造精度直接影响到机械运行的平稳性。常见的轴类零部件包 括：常用的光轴1 2 】、麻花钻1 3 , 4 1 、超高速主轴阴、汽轮机转轴1 6 ，7 1 、船舶尾轴 8 1 、汽 车变速器第一轴 9 1 、曲轴1 0 1 、泵轴 1 1 】等。轴类零件冷校直是一种受材料特性、 几何尺寸、加工精度和加工工艺等多因素影响的微小弹塑性变形过程。实践表 明，上述因素中即使存在细微差别，都将会导致轴类零件初始变形的差异和具 体冷校直工艺的不尽相同，因此每种轴类零件均有其相应的冷校直工艺。 据不完全统计。我国年产轴类零件的总量约在1 0 亿件左右，需要经过校直 工艺的约占7 0 。目前绝大多数企业仍采用手工校直方法实施校直工艺。校 直质量完全依靠工人经验，生产效率低、劳动强度大。用传统的手工校直方法 已不能满足生产需要，迫切需要自动校直设备替代手工校直。虽然少数大型汽 车制造企业已引进国外自动校直设备，但其核一t l , 技术仍未完全掌握。大多数中 小型机械加工企业由于经费原因，更希望拥有具有国内自主知识产权的自动校 直设备。 自动校直设备研究现状： 国际上，由于自动校直设备能有效提高产品质量。发达国家十分重视此项 技术的研究，并投入大量的人力、物力开展此项技术的研究工作，意大利、美 国、德国和日本先后开发出具有本国特色的自动校直设备产品。其中意大利 g a l d a b i n i 公司的自动校直设备具有最高的技术水平。g a l d a b i n i 公司从 1 9 4 0 年开始向世界各主要汽车制造商提供手动校直机，1 9 7 0 年研制出世界上第 一台自动精校机，主要向菲亚特、福特、雷诺、克莱斯勒、标致、雪铁龙、沃 尔沃等汽车制造商供货。同时还向纺织企业和有关机电企业提供相应的校直设 备。 国外发展趋势： 上世纪八十年代末，发达国家先后研制出本国的自动精密校直液压机，技术 水平提高很快。总的发展趋势如下： 1 1 系列完善，品种规格齐全德国d u n k e s 公司、m u l l e r 公司和m a e 公司以及 日本东和精机株式会彬”。4 】的产品系列划分基本一致，即从6 0 k n 到2 5 0 0 k n 共1 0 个规格。 2 ) 行程精度高，检测、显示手段完善、校直滑块定位精度可达0 0 1 r a m ，可满足 精密校直工艺的要求。轴心线粗测可用百分表、光柱，也有用计算机系统对工 件进行在线检测、记录，并进行质量分析。测量结果在视屏上显示，不仅能反 映零件弯曲状况，还能以灯光表示工件的“好”、“坏”、“需要修正”等信号。 测量结果能自动保存，满足多点校直工艺的所有要求。有的自动校直机上配有 裂纹检测装置，可及时发现加工过程中工件产生的裂纹，并能显示和自动停机。 3 ) 附件齐全，校直工艺范围不断扩大品种多样的附件与校直机配合可满足任何 轴类零件校直工作的需要。目前开发出的附件不仅可满足光轴、台阶轴、齿轮 轴、花键轴、凸轮轴和曲轴的校直工艺需要，而且还可以对板料进行扭曲校直。 由于新的附件不断出现，校直工艺范围也在不断扩大。 4 ) 向数控化、柔性化、自动化方向发展。上述生产自动校直机的公司都发展了 适应大、中批量生产的全自动校直机。这些设备均配备有专用数控系统、校直 工艺决策系统、轴类零件数据库、自动检测系统和质量分析系统，有良好的人 机对话功能和故障检测功能等。 国内在校直工艺现阶段仍以手工校直为主，主要设备是手动校直液压机或 简易螺旋压力机，校直质量主要取决于工人经验，校直效率低，工人劳动强度 大。自动校直设备的研究方面落后于发达国家。最早研究自动校直技术的单位 是合肥工业大学自动校直技术研究所。该所自上世纪八十年代末期开始跟踪国 外自动校直技术的发展趋势，于九十年代初期，成功研究开发出手动系列伺服 校直液压机，为研究开发自动精密校直液压机作好了理论和实践的准备，并于 2 0 0 1 年成功研制出国内首台具有自主知识产权的自动精密校直设备 y h 4 0 2 5 精密校直液压机。该设备已通过鉴定，达到国外九十年代水平，可替 代进口。该机主要特点是： 1 ) 采用全框架型机身配以贯通式送料系统结构设计形式。使校直机具有良好的 操作性和自动生产线布置的灵活性。使用多压头和多铁砧自动组合工作，实现 高速校直。校直工艺范围大，校直精度高，可满足不同零件的校直工艺要求。 2 ) 控制系统采用主从式c p u 开放式结构。主c p u 通过与p l c 、液压伺服系统、 自动检测系统之间实时数据交换，完成多智能模块之间的协调动作，系统的维 护与升级简便容易。 3 1 自动检测系统结构设计合理，设定基准方便，具有快速灵敏地调整特性。检 测算法程序正确、实用，能精确测出被校轴各截面不含有零件几何尺寸及形状 误差的轴向弯曲跳动，检测系统可配有多组传感器( 最多6 路) ，能按需求适应各 种轴类零件的检测工作。 4 ) 电液伺服控制系统可在弹性负载、冲击负载或负载刚度变动的情况下稳定地 工作，控制精度高。 该机目前能完成简单轴类零件的校直任务，对复杂零件的校直加工效率有待 进一步提高。 1 2 自动精密校直液压机系列化设计 1 2 1 系列化设计的意义 随着全球化和竞争的加剧，企业之间的竞争开始转向基于时间的竞争和基 于顾客需求的竞争。为顾客提供定制化的产品，全面提高顾客的满意度和企业 的服务水平，已经成为现代企业追求新的竞争优势的一种必然趋势【1 5 1 。因此， 出现了大规模定胄o ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 生产模式。大规模定制生产模式旨 在以大批量生产的成本和速度，向客户提供个性化的产品【l “。文献 1 7 1 指出通 过从两个不同的角度进行分析，会促进对大规模定制的理解。一个角度站在客 户的立场上：在客户希望的时间、希望的地点，以客户希望的方式提供任何定 制商品( 服务) 的能力；另一个角度站在企业的立场：通过快速的进行个性设计、 柔性的组织、设备和过程，快速地以大批量生产的成本制造多品种产品。从企 业的角度看，大规模定制对传统的大批量生产企业的产品生产流程提出了挑战： 根据变化的需求和市场机遇快速进行产品生产流程的重组【1 8 】。从产品制造的方 面来说，这种重组主要通过制造系统的模块化、动态布局等技术来实现；而从 产品设计的方面来说这种重组则主要通过对原有产品进行快速变型设计，也就 是系列化设计来完成。【19 】系列化设计技术源于对设计技术的一种分类定义，是 指对已存在的设计或设计计划进行提取，在此基础上加以特定的修改工作以产 生一个和原设计产品相似的新产品，实现这个过程中所采用的技术就称之为系 列化设计技术。系列化设计技术不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是 一种参数的修改，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变 化的市场的要求。 p a h l 和b e i t z 最早提出了系列化设计的概念并同时指出，一种新产品的成本 中，超过8 0 的部分是取决于产品的设计过程的；而当前，新产品的实际设计 工作中大约7 0 属于系列化设计工作1 2 “。通过对产品系列化设计技术进行研究， 可以对产品系列化设计技术本身进行改进，强化产品系列化设计的能力，提高 了设计效率，减少了设计时间，从而大大降低设计成本，使企业在激烈的竞争 环境下立于不败之地，这无论是对于提高企业本身的市场竞争能力，还是对于 满足市场对企业的要求，都具有极为重大的意义。 1 2 2 自动精密校直液压机的系列化概述 由于用户对自动精密校直液压机的性能、吨位和使用方式各不相同，为满 足个性化市场要求。对自动精密校直液压机进行系列化设计能有效提高设计效 率与质量，快速完成设计任务。以三维c a d 特征造型软件为平台，采用模块化、 参数化的设计思想研究开发了自动精密校直机系列化集成产品c a d 系统。 参数化设计是规格化、系列化产品设计的种简单高效优质的设计方法。 它一般是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数和几何约束该模型的结构 尺寸与拓扑关系；参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，当赋予不同的 参数序列值时，就可驱动典型模块，达到满足设计要求的零件模型。 自动精密校直液压机的参数化设计是基于机械结构模块的参数化设计，它以 机械结构模块为设计的基本单元。机械结构模块是指具有尺寸互换性的机械结 构部件，其安装连接部分的几何参数满足某种规定的要求，并能保证通用互换 或兼容。模块化产品的构成分为通用模块( 不变部分) 和专用模块( 可变部分) 1 2 2 1 。自动精密校直液压机的通用模块为校直辅具部件，专用模块为机身和工作 台。自动精密校直液压机的参数化设计过程主要解决的是专用模块设计。 1 3 论文的主要研究内容 本文就对自动精密校直液压机系列化、参数化设计以及系列化产品c a d 集 成系统如何开发进行了研究。主要内容如下： 1 ) 针对自动精密校直液压机系列化的实现和系统的开发，对软件工程思 想进行了学习和研究。并利用模块化、参数化的设计方法确定出自动精密校直 液压机系列化产品c a d 集成系统的总体开发方案。 2 ) 针对一个软件系统必须要拥有独立的操作界面，且为保证系统的友好 性，需要设计出既美观又使用方便的系统界面，研究了如何通过现在流行的可 视化编程软件来实现界面的设计，并设计开发了全自动精密校直液压机系列化 产品c a d 集成系统的界面。 3 ) 针对机床的系列化设计需要对大量的尺寸参数进行管理和调用，研究了 如何应用一个数据库管理系统来建立数据库。数据库的建立是系统设计的基础， 全自动精密校直液压机的参数化设计就是通过调用建立好的数据库中数据实现 的。通过选用m i c r o s o f to 硒c e a c c e s s 数据库管理系统，建立了液压校直机的尺 寸参数数据库。 4 ) 为对机身的受力情况进行分析检验机身结构是否能够满足要求，研究 了有限元软件a n s y s 及其在全自动精密校直液压机机身分析中的应用。为保 证系统操作的方便，对机身有限元分析的实现是通过d e l p h i 对a n s y s 的二次 丌发来实现的。 5 ) 针对机床的设计过程中需要创建机床的三维模型，并通过三维模型生 成二维图。本系统中选用s o l i d w o r k s 为参数化设计的平台，利用s o l i d w o r k s 提 供的a p i 接口调用其内部函数，对s o l i d w o r k s 进行二次开发来实现三维图和二 维图的生成。 6 ) 对精密校直液压机的机械内部结构模块的组成和功用作了进一步的分 析介绍。 第二章系列化技术基础及校直液压机的系列化过程 2 1 系列化设计技术基础 2 1 1 参数化设计技术 在机械领域中，系列定型产品占有相当比例，系列中的绝大多数零件或部 件，都具有相似的外形轮廓特征。所谓参数化设计就是将一组约定的数值，与 零件或部件特征几何尺寸建立起联系，在进行产品系列设计时，只需添加多组 数据，若要设计新规格零件或部件，只修改其部分数据。在新一代的c a d 系统 中，都引进了参数化设计功能，使得产品几何图形随着其结构数据的调整而自 动修改图形。 参数化设计一般是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该几何 图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不 同的参数序列值时，就可驱动原几何图形达到新的目标几何图形。不难预料， 机械产品中常用系列化标准件和常用件大都可以采用此种高效设计方法。 一般来说，实现参数化设计，必须具备如下几个条件： 1 ) 在设计产品的模型中，包含有拓扑关系和约束关系。 2 ) 几何图形应能由尺寸驱动。 3 ) 参数序列与几何图形尺寸序列数据结构具有对应关系。 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题，是系列化设计的基础之 一。应用参数化设计技术开发出的系列化设计系统，可以使设计人员从大量繁 重而琐碎的建模工作中解脱出来，大大提高产品的设计速度，并减少了产品信 息的冗余。由于具有上述应用背景，国内外对参数化设计技术做了大量的研究， 目前参数化技术大致可分为如下三种方法田j ： 1 ) 基于几何约束的数学方法 数学方法分为初等方法( p r i m a r ya p p r o a c h ) 和代数方法( a l g e b r a i c a p p r o a c h ) 。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方 法思路简单，易于实现，但仅适用于只存在水平方向约束和垂直方向约束的场 合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组，该方程组求 解较困难，因此实际应用常常受到限制。 2 ) 基于几何原理的人工智能方法 人工智能方法是利用专家系统，对模型中的几何关系和约束进行理解，运 用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性较差。 3 ) 基于特征模型的造型方法。 特征造型方法是三维实体造型技术的发展，在下一小节中将作详细说明。 参数化设计利用一种驱动机制来进行参数驱动，这种参数驱动机制是以对 模型数据的操作为基础的。通过参数驱动机制，可以对模型的几何数据进行参 数化修改，但是，在修改的同时，还要满足图形的约束条件，需要通过约束间 关联性的驱动手段使约束联动，而约束联动则是通过约束间的关系实现的驱动 方法。对于一个模型来说，可能的约束十分复杂，而且数量巨大，但由用户控 制的，能够独立变化的参数一般只有几个，称之为主参数或主约束；其他约束均 可由模型结构特征确定或通过与主约束的关系确定，称它们为次约束。对主约 束是不能简化的，而对次约束可以通过模型特征联动和相关参数联动两种方式 进行简化。 所谓模型特征联动就是在保证模型拓扑关系不变的情况下，对次约束的驱 动。所谓相关参数联动就是建立次约束与主约束在数值上和逻辑上的关系。在 参数驱动过程中，始终要保持这种关系不变。相关参数的联动方法使某些不能 用拓补关系判断的从动点与驱动点建立了联系。由于参数驱动是基于对模型数 据的操作，因此绘制模型的过程，就是在建立参数模型。造型系统将模型映射 到模型数据库中，设置出模型实体的数据结构，参数驱动时给这些结构参数赋 值，以生成所需要的模型。 绘制参数模型时，有意识地利用模型特征，并根据实际需要标注相关参数， 就能在参数驱动时，把握对数据库的操作，以控制模型的变化。设计者不仅可 以定义模型结构，还能控制参数化过程，就同用计算机语言编程一样，定义数 据、控制程序流程。这种建立模型，定义模型结构，控制程序流程的手段称作 模型编程。模型编程是利用参数驱动机制对模型数据进行操作。这与以往的参 数化方法不同，它不把模型转化成其他表达形式，如方程，符号等；也不过问 造型过程，而是着重去理解模型本身，把模型看作是一个参数化的依据，作为 与设计者“交流”信息的媒介。设计者通过模型把自己的意图“告诉”参数化 程序，参数化程序返回绘图者所需要的模型。它关心的是模型，也就是模型数 据库的内容，边理解，边操作，因此运行起来简洁、明了；实现起来也较方便。 参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操作。 因此它具有很好的交互性能，用户可以利用造型系统全部的交互功能修改模型 及其属性，进而控制参数化的过程；与其他参数化方法相比较，参数驱动方法 具有简单、方便、易开发和使用的特点，能够在现有的特征造型软件的基础上 进行二次丌发，而且适用面广。 2 1 2 特征及特征建模方式 自8 0 年代以来，基于特征的设计方法己被广泛接受，也提出了不少特征的 定义， 由于特征源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，因此对特征的 认识也不尽相同，至今尚无统一的特征定义。目前较为通用的定义是1 9 9 2 年 b r o w n 所给出的：特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属 性，通过它们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。更为严格的定义也 被使用：特征就是一个包含工程含义或意义的几何原型外形。特征在此已不是 普通的体素，而是一种封装了各种属性和功能的功能要素。 实际上，特征的范畴是随着c a d 技术的发展而发展的。在早期的曲面建模 阶段，建立一个曲面要输入大量的参数，而如果建立多个曲面则其中常常会存 在大量的重复工作。为了解决这一问题，人们根据日常建模工作中积累的经验， 对曲面进行分类、抽象，这就是特征最初的雏形。随着c a d 平台建模功能的增 强，构建的模型结构越来越复杂，单纯的按照曲面形状进行特征划分已不能满 足工程实际的需求。人们将工程模型进行分解，抽象出基本的建模操作过程， 每个过程的操作结果就被定义为一个特征；同时为了能满足某些特殊要求用户 的需求，仍然保留了部分最初的曲面特征。这时特征的定义过程实际上是对特 定建模操作过程进行参数化的过程。 特征建模方式是以特征作为模型建立过程中的最小结构单元的建模方式， 实际上就是一种采用特征组合对模型进行的定义。按照这种方式建立的模型是 一组特征组合，采用的特征和组合方式由用户决定，同样的模型，可以由不同 的特征组合而成，取决于操作人员的意图和经验。特征建模方式可以方便的体 现设计意图，同时由于模型特征都是采用参数化的方式建立的，对模型进行修 改也十分方便，大大减少了建模过程的工作量。 特征之间由基准关系联系起来的，而基准关系是通过特征基准的选取来建 立的。所谓基准，指的是特征自身的独立坐标系统，通常通过模型中的图元间 接建立，基准关系则是基准之间的相对空间位置关系。举个例子来对基准进行 说明，特征的建立过程中，要进行从二维草图到三维实体的转化过程，则二维 草图所处于的平面就是特征建立的基准面，基准面内两条相互垂直的矢量与它 们的叉乘矢量就共同构成了该特征的基准。基准的选取方式并不是唯一的。 特征中图元的空间位置是在特征基准之上根据特征定义计算得出，使用已 有特征的图元建立新特征的基准，就可以完全确立这两个特征之间的基准关系， 进而可以确定两个特征图元之间的相对空间位置关系。将上述情况推广到多个 特征之间，就确定了整个模型的空间几何形状。一个特征基准可以通过不同特 征中的图元建立，而不同特征的基准也可能通过同一个特征中的图元建立，所 以整个模型的特征基准关系在理论上应该呈现一种网状结构：而在实际模型建 立过程中，为了减少模型建立的复杂性，通常只选取同一特征中的图元建立新 特征的基准，这样形成的模型基准关系呈现一种树形结构，树的根节点为模型 自身的基准。模型的特征组成结构与基准关系结构相同。 2 1 3 模型分类及信息组成 按照工程实践的需求和模型信息的类型，模型被分为零件模型、装配模型 和投影模型。零件模型表达单个零件的形体信息；装配模型表达多个零件进行 装配后的形体信息；投影模型表达实体模型在特定空间平面的二维投影信息。 零件模型直接由形体特征，特征信息和基准关系信息组成；而装配模型和 投影模型在生成过程中则广泛采用了数据引用的技术手法。在装配模型中，并 不包括组成零件的具体数据信息，而代之以零件模型数据信息的引用信息，同 时采用装配约束信息确定所引用零件模型之间的空间相对位置。除了零件模型 引用信息和装配约束信息外，在装配模型中还包括了装配特征信息，但这种装 配特征对于装配体组成零件的影响只体现在装配模型之中，并不体现在单个的 零件之中。 在某种程度上，零件间的装配约束与特征间的基准关系十分相似，二者都 表达了不同坐标系统之间的相对空间位置关系，如果将装配模型中零件模型和 装配约束按照特征和基准关系来处理，则装配模型和零件模型能形成结构类似 的特征结构关系图。事实上，装配模型也可以直接由零件特征组合而成，但这 会造成极为复杂的特征结构关系，所以结合建模过程和实际生产实践对特征结 构关系进行简化，把特征分为相对独立的组，每一组特征就形成一个零件模型， 而那些无法与其它特征组合的特征保留为装配特征。这样在结构上无需处理所 有特征之间的关系，而只是处理特征组之间的关系，模型的结构将更为清晰， 可以大大减少模型计算的工作量。在新的模型结构中用一个结点代替特征组， 特征组之间的特征基准关系共同组成了装配关系，在需要进行特征组内部的运 算操作时，将特征组结点展开，展开的过程按照引用信息进行。 投影模型的生成采用类似的引用方法。所不同的是，在投影模型中，以投 影信息来取代装配信息。采用引用的方式，不必考虑所引用模型的内部结构， 而只需考虑对被引用模型的整体操作，这样大大简化了建模工作，提高了工作 效率。基准关系和引用关系，在本质上都是一种模型约束关系。 2 2 自动精密校直液压机的结构组成及其特点 自动精密校直液压机是用来实现自动校直的一种设备。根据机身机构的不 同分为单柱( c ) 式、半框架式和全框架( 龙门) 式三种结构。单柱式、半框架式 自动精密校直液压机的组成包括机身、工作台、校直辅具、机械手、上料机构 和下料机构。其外形结构如图2 1 、2 2 、2 3 所示。 | 玺i2 1 单柱式自动精密校直液压机图2 2 半框架式自动精密校直液压机 图2 3 全框架式自动精密校直液压机 单柱式校直液压机是采用开口机身结构，具有结构简单、制造加工容易， 但机身刚性差。一般多用于超长工件的人工上下料操作的半自动校直液压机。 半框架结构是结合单柱式结构和全框架结构的特点而产生的，具有结构简单、 制造加工容易、主机刚性较好等特点。单柱式和半框架式校直液压机选用机械 手和上下料机构可实现全自动校直。全框架式校直液压机采用封闭式框架结构， 具有外观匀称、结构紧凑、机身刚性好、占地面积小、易于安装于自动化流水 线等特点，选用上下料机构即可实现全自动校直【z 4 j 。 2 3 自动精密校直液压机系列化 2 3 1 机械中的系列化应用 在机械行业之中，系列化设计技术的应用主要是通过c a d 设计平台来实现 l o 的。系列化设计技术的发展伴随着c a d 技术的发展，主要经历了以下几个阶段： 1 2 0 世纪8 0 年代之前 在2 0 世纪8 0 年代之前，c a d 技术经历了简单原型阶段、曲面造型阶段和实 体造型阶段，但在这段时间内，机械产品的c a d 平台一直采用基于曲面组合的 设计方式，设计出产品模型的各个曲面相互独立，只是将它们按照一定的空间 位置进行排列而己，在这种情况下，进行系列化设计就是重新生成产品模型的所 有曲面，并排列在新的空间位置，整个过程实际上就是一个重新设计的过程。 系列化设计还只是一种概念而己，并没有被作为一种单独的设计方法。 2 起步阶段 2 0 世纪8 0 年代中期，美国c v 公司的部分研究人员提出了参数化实体造型方 法。它具有以下特点：基于特征的设计、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设 计修改。通过使用参数化的实体造型方法，设计人员可以方便的更改产品模型 的形体，快速进行标准件、通用件的设计。这时，系列化设计被正式作为一种 设计技术提了出来，并开始对其进行原理上和策略上的研究。 3 发展阶段 。 在参数化技术的开发研究过程中，研究人员发现参数化技术存在许多不足 之处，为了解决这些问题，研究人员在参数化技术的基础之上，提出了变量化 技术。变量化技术使工程设计人员能够更加随心所欲的构建零部件，大大提高 了产品模型的可编辑性，与之对应的系列化设计变得更为容易。目前，随着工 程应用实际对产品设计提出进一步的要求，系列化设计技术越来越受到重视， 己经成为整个c a d 技术中的一大研究热点。 目前，西方工业国家在机械产品系列化设计技术的研究上，处于领先地位。 欧美主流c a d 设计平台，在不同程度上，都嵌入了零部件系列化设计的功能， 如s o l i d w o r k s 的零件配置、s o l i d e d g 的零件系列和p r o e 的零件族等，实际上都是 进行零件系列化设计的工具。国外系列化设计技术的研究结果，一般都被做成 一种用户自定义库工具，同时也提供了部分通用件，这种方式，给了用户很大 的自由操作空间。国内对系列化设计技术进行的研究起步比较早，但发展一直 比较缓慢，国内对系列化设计技术所作的研究成果一般是以依托于成熟c a d 平 台的标准件库的形式加以体现的。 2 3 2 自动精密校直液压机系列化过程 根据机身结构的不同，全自动精密校直液压机的系列化可视为分别对单柱 式、半框架式和全框架式校直液压机进行系列化设计。系列化设计的流程框图 如图2 4 所示。每种机床结构下各包括1 0 0 k n 、2 5 0 k n 、4 0 0 k n 、6 3 0 k n 、1 0 0 0 k n 和1 6 0 0 k n 六个吨位系列，根据吨位的不同校直液压机的结构尺寸参数将发生 变化。校直液压机的系列化采用模块化、参数化的设计思想，即将机床分成床 身、工作台和校直辅具等模块。床身模块下包括机身、伺服油缸和压头等。工 作台模块下包括固定工作台、移动工作台、导轨、支撑腿、行程控制装置和移 动工作台驱动装置等，校直辅具模块下包括左右顶尖座、砧座和检测机构等。 模块化产品的构成分为通用模块( 不变部分) 和专用模块( 可变部分) 。自动精 密校直液压机的通用模块为校直辅具部件，专用模块为机身和工作台。 参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单高效优质的设计方法。 它一般是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数和几何约束该模型的结构 尺寸与拓扑关系；参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，当赋予不同的 参数序列值时，就可驱动典型模块，达到满足设计要求的零件模型。自动精密 校直液压机的参数化设计过程主要解决的是专用模块设计。机床的每个模块有 许多零部件组成，将通过对这些零部件的参数化和模块结构的参数来实现模块 的参数化。然后通用模块和专用模块间的装配组成机床，实现自动精密校直机 的参数化和系列化设计。 图2 4 自动精密校直液压机系列化设计的流程框图 2 4 本章小结 本章为实现对校直液压机的系列化设计，介绍了系列化过程的一些技术基 础。讨论了自动精密校直液压机可根据机身结构的不同分为单柱式、半框架式 和全框架式三种结构，并给出了每种结构机床的结构组成。跟据校直液压机的 结构将其进行了系列化处理，每种不同结构的机床都包括有1 0 0 k n 、2 5 0 k n 、 4 0 0 k n 、6 3 0 k n 、1 0 0 0 k n 和1 6 0 0 k n 六个吨位系列，为系统的开发确定基础。 第三章校直液压机系列化产品c a d 集成系统的研究 3 1 校直液压机c a d 系统的可行性研究 只要资源和时间不加以限制，所有的项目都是可行的。然而，由于资源缺 乏和交付时间限制的困扰，使得基于计算机系统的开发变得比较困难。因此， 尽早对软件项目的可行性做出细致而谨慎的评估是十分必要的。如果在定义阶 段及早发现将来可能在开发过程中遇到的问题，及早做出决定，可以避免大量 的人力、财力、时间上的浪费。因此，在开发校直液压机系列化产品c a d 系统 之前，首先要研究是否行得通，或者从几个方案中找出可行的方案。校直液压 机c a d 系统的可行性研究就是了解校直液压机c a d 系统所要实现的要求及现 实环境，从技术、经济和社会因素等三个方面论证项目的可行性。在本课题中， 校直液压机c a d 系统主要实现以下功能： 1 ) 机床的系列化设计需要对大量的尺寸数据进行管理和调用，所以要选择 一个数据库管理系统来建立数据库。然后通过对建立好的数据库中的尺寸参数 的调用，来对机床进行参数化设计。 2 ) 为对机身的受力情况进行分析，检验机身结构是否能够满足要求，所以 要选择有限元软件对其进行应力分析。 3 ) 在机床的设计过程中需要创建机床的三维模型，并通过三维模型生成二 维工程图，所以要选择三维c a d 软件平台。 从以上分析来看，以上功能无论是从环境、经济上还是从技术上来说都是 能够实现的，只要必备数据库管理系统软件、三维c a d 软件平台、可视化编程 软件及有限元分析软件和可以提供这些软件运行的电脑，以及对校直液压机结 构构成的了解，此课题是可行的。 3 2 校直液压机c a d 系统的需求分析 需求分析1 25 j 的核心任务是准确、完整、具体地回答“系统必须做什么? ” 这个问题，也就是确定被开发软件的运行环境，对它提出功能、性能等方面的 要求。软件丌发的需求包括很多方面：环境需求、性能需求、可靠性需求、安 全保密性需求、用户界面需求、资源使用需求、软件的成本消耗与开发进度需 求等。 环境需求是指软件运行所处环境的要求，例如：在硬件方面采用什么机型、 还需要什么外部设备、数据通信接口等；在软件方面，采用什么支持软件( 指操 作系统、网络软件、数据库管理系统等) ；在使用方面需要操作人员具备怎样的 技术条件等。该二次丌发软件以s o l i d w o r k s 2 0 0 5 为基础，利用d e l p h i 7 0 可视化 编程软件对其进行二次开发，并应用软件a n s y s i o 0 对校直液压机机身进行有 限元分析。在硬件方面需要达到s o l i d w o r k s 2 0 0 5 、d e l p h i 7 0 和a n s y s l 0 0 版本 的运行要求；在软件方面也以s o l i d w o r k s 2 0 0 5 和d e l p h i 7 0 和a n s y s l 0 0 版本 的需要为基础，例