（机械设计及理论专业论文）三环减速器参数化cad图形系统开发.pdf

摘要 三环减速器是中国科技人员发明的一种少齿差行星传动装置，其传动原理新 颖，具有传动比大、承载能力强、结构紧凑、成本低廉和适应性广等诸多优点， 在很多领域已得到广泛应用。目前天津大学设计的三环减速器新产品已经形成了 2 0 种中心距、1 9 种传动比共3 8 0 种系列。 本文的主要目的在于运用计算机辅助设计功能来完成这3 8 0 种不同规格新 产品系列工程图形的参数化自动绘制。有关资料表明，在常规产品设计过程中， 绘图时间占总设计时间的3 4 ，图纸修改时间约占8 v 9 ，编写零部件明细表时 间约占5 ，也就是说图纸上的作业时间占总设计时间的一半左右。在三环减速 器系列化设计中，不同型号零件和装配组件的结构和设计模式相似性程度较高， 如果一一地去设计，重复工作量大，尤其是图纸的绘制方面将会浪费极大的人力 物力。 针对上述情况开发的三环减速器参数化c a d 图形系统是基于a u t o c a d 设 计平台，应用l i s p 和v b a 交叉编程的方法实现。该系统利用v b a 在界面设计 方面的优势制作有易于人机交流的个性化用户界面，又利用了l i s p 强大的图形 绘制功能完成了零部件图形的自动绘制，同时还能自动进行各种尺寸标注，自动 生成标题栏和明细表并进行零件序号标注等。只要用户在界面参数匹配的前提下 输入必要的设计参数，就能立即自动生成相应的零件图形和装配图形，实现绘图 的参数化，避免了系列化设计中繁琐的重复性劳动，提高了设计效率和工作质量。 关键词：三环减速器参数化设计 a u t o c a dv b al i s p a b s t r a c t t h et h r e e r i n gg e a rr e d u c e r , i n v e n t e db yac h i n e s ee n g i n e e ri n1 9 8 5 ，i san o v e l t y p eo fp l a n e t a r yt r a n s m i s s i o nd e v i c e sw i t ls m a l lt o o t hd i f f e r e n c e s i th a sm a n y a d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a lr e d u c e r s ，s u c h 雒l a r g et r a n s m i s s i o nr a t i o ，h i 【g hl o a d i n g e n p a c i t y ，c o m p a c t n e s s ，l o wc o s ta n d 谢d ea d a p t a b i l i t y s oi th a sb e e n 嘶d e l yu s e di n m a n yf i e l d s n o w a d a y s3 8 0t y p e so ft h en e wp r o d u c ts e r i e sh a v eb e e nd e s i g n e db y n a n j i nu n i v e r s i t y t h i st h e s i si sa i m e dt oa p p l yp a r a m e t r i cd e s i g nt ot h en e wp r o d u c ts e r i e so f t h r e e - r i n gg e a rr e d u c e r i nu s u a ld e s i g n i n go fp r o d u c t , t h ew o r k i n g so nt h ed r a w i n g t a k ea l m o s th a l fo ft h et o t a lt i m e f u r t h e r m o r e ，t h ep a r t sa n dt h ea s s e m b l i e sa l e s i m i l a ri nm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dd e s i g nm o d ei nt h es e r i a l i z a t i o nd e v e l o p m e n t i f w em a k ei to n e b yo b e ，t h er e p e a t e dw o r kw i l lw a s t e al o t i nt h i ss i t u a t i o n ，ap a r a m e t r i cd r a w i n gs y s t e mo f t h r e e r i n gg e a rr e d u c e rh a sb e e n b u i l t t h es y s t e md e v e l o p e dw i t hl i s pa n dv b a , i sb a s e do na u t o c a d t h e m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e sa l ed e s i g n e dw i t hv b a , w h i c hh a sg r e a ta d v a n t a g ei n i n t e r f a c e - m a k i n g a s s e m b l i n gd r a w i n g sa n dp a r td r a w i n g sa r ec o m p l e t e dw i t hl i s p a u t o m a t i c a l l y u s e r si n p u ta p p r o p r i a t ep a r a m e t e r si nt h ei n t e r f a c e ，a n dt h e ni tc o m e s w i t l lc o r r e s p o n d i n gd r a w i n g ss u b s e q u e n t l y t h es y s t e mr e a l i z e sp a r a m e t r i cd r a w i n g a n di th a sa v o i d e df u z z yw o r ka v a l l a b l y , e n h a n c e de f f i c i e n c yg r e a t ly k e y w o r d s ：t h r e e - r i n gg e a rr e d u c e r p a r a m e t r i cd e s i g n a u t o c a dv b a l i s p n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘茔或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：花暖萍 签字日期：即护6 年7 月，- 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘望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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 菇i 爱羊 导师签名： 廖辜 签字日期：珈d 锌f 月7 _ 日签字日期刎午、月。一日 天津大学硕士学位论文 1 1 三环传动概述 第一章绪论 随着现代化工业技术的高速发展，机械化水平的不断提高，对齿轮传动 装置的技术及经济性能提出了越来越高的要求。在传统的卤轮传动装置中， 普通的定轴圆柱齿轮传动传动比小、体积大、结构笨重；普通蜗杆传动效率 低。而行星齿轮传动具有体积小、重量轻、速比范围宽、功率范围广、承载能 力大、传动效率高、可靠性高等一系列优点脱颖而出，受到各国学者和企业界的 高度关注，而逐渐成为现代机械产品中应用最多的一种传动形式。行星传动作为 减速器、增速器、差速器和换向机构等装置已经被广泛应用于航空、运输、化工、 冶金、纺织等领域，并成为国际学术界在机械传动方面的重点研究方向。 渐开线少齿差内啮合行星齿轮传动是行星齿轮传动的一种，其结构简单紧 凑、体积小、承载能力大、效率较高，而且能利用普通刀具和机床进行加工，制 造成本低。我国关于对这种传动的研究始于5 0 年代，工业化生产开始于6 0 年。 三环传动是在普通少齿差行星传动基础上开发的一种新型传动装置。它是由 我国重庆钢铁设计研究院的陈宗源高级工程师于1 9 8 5 年提出的l ij 。 1 1 1 三环传动的原理及结构形式 以机构学的观点分析，三环传动属于 平行四边形机构与齿轮机构的串联组 合。其传动原理如图1 1 所示。有动力 输入的高速轴称为输入轴，无动力输入 的高速轴称为支承轴。其中输入轴和支 承轴充当平行四边形机构的曲柄轴；内 齿轮作为平行四边形机构的连杆；运行 时，由输入轴带动内齿轮作平动，再通 过内、外齿轮啮合，由输出轴输出动力。 图1 1 三环传动的基本原理 当平行四边形机构的连杆运动到与曲柄共线的两个位置( o 。和1 8 0 。) 时， 天津大学硕士学位论文 机构处于运动不确定状态，一般把这种运动不确定位置称为死点位置。为了克服 机构在死点位置的运动不确定，常采用三相平行四边形机构并列布置的方式，各 相机构之间互成1 2 0 。的相位角，如图1 2 所示。这样当某一相平行四边形机构 运动到死点位置时，由其它两相机构传递动力，克服死点。为了减少振动和噪声， 一般将输入轴和支承轴相对于输出轴对称布置。采用这种方式，不但可以确保机 构连续、正常运转，同时还可以实现功率分流与机构惯性力的完全平衡。 图i - 2 对称型三环传动图1 3 三环减速器实物模 根据这种传动原理设计的三环减速器实物模型如图1 3 所示。其中作为平行 四边形机构的曲柄一般制成轴上带有偏心套的结构形式，其偏心套结构如图 i - 4 所示。而作为平行四边形机构的连杆的内齿轮做成如图1 5 所示的环板形 式，输出轴和外齿轮固接或制成一体。 图l - 4 偏心套图图1 - 5 内齿板图形 i i 2 三环减速器的优点及现存的主要问题 与普通齿轮减速器及行星齿轮减速器相比，三环减速器具有一系列的优点。 i 传动比大三环减速器中，内外齿轮的齿数差很小( 一般为l 4 ) ，故 单级传动的传动比一般可达1 1 9 9 ，二级传动的传动比一般可达1 0 0 0 0 a 2 承载能力高三环减速器是一种少齿差内啮合行星传动装置，齿面接触 2 天津大学硕士学位论文 应力小，同时存在多齿弹性啮合效应，具有很高承载能力。研究表明，三环减速 器中单相内齿板的同时承载轮齿对数可达3 5 对 2 】o 3 结构紧凑三环减速器的体积和重量比相同功率的齿轮减速器减小了 1 3 甚至更多。与其他少齿差行星减速器相比，三环减速器轴向尺寸较小，省略 了复杂的输出机构，因而结构简单、紧凑。 4 制造成本低廉三环减速器的关键零部件可采用普通钢材制造，齿轮不 需淬火、磨削，各轴平行布置，易损件少，因而制造简单、成本低廉。 5 适应性广根据不同的应用场合，三环减速器可制成卧式、立式、法兰 联结式等多种结构形式，还可与普通齿轮传动组合使用，适应范围较广。 三环减速器已成功应用于一些工业领域，如冶金、矿山、石油、化工、起重、 运输等。尽管它已得到了若干工业应用，但因其研发时间较短，迄今尚无较为系 统的设计理论与方法。由于理论研究不够深入，致使实际应用中出现了一些问题， 在一定程度上制约了这种新型传动装置的进一步推广。 综上所述，为了进一步推广这种原理新颖、优点突出的少齿差行星传动装置， 必须对三环减速器的设计理论与方法进行系统、深入的研究，充分挖掘其承载能 力方面的巨大潜力，并降低振动与噪声。 1 1 3 三环减速器研究现状综述 由于三环传动问世时间不长，加之学术界与工业界的宣传力度不够，故关于 其研究目前还仅局限在国内，迄今尚未发现国外的相关文献。 1 受力分析三环减速器受力情况直接影响着它的性能，许多学者对其受 力状态进行了研究。应海燕和杨锡和【3 】率先对三环传动进行了受力分析，但是他 们的研究模型停留在静力分析的范畴，故其基本假设与实际情况相去甚远。此后， 文献【4 】、【5 】采用动态静力分析的方法，对三环减速器的受力与变形状况进行了 研究。文献 6 在振动方面进行了开创性的研究，建立了三环减速器的弹性动力 学方程，分析了系统的固有频率与振动模态，并利用封闭解法求解了系统的稳态 动力学响应。 2 振动与噪声控制机构惯性力矩不平衡是造成三环减速器振动的主要原 因。为实现机构的完全平衡，文献 5 】利用1 8 0 。的相位差，调整环板厚度解决平衡。 文献【7 】的研究表明，安装聚四氟乙烯衬套可显著改善三相机构间的载荷分配不 均匀程度，三环减速器振动较小、传动更加平稳。文献 8 】研究了完全平衡、两 级三环减速器的油膜浮动均载问题。 3 多齿弹性啮合效应多齿弹性啮合效应是少齿差行星传动装置所特有的 天津大学硕士学位论文 一种多齿啮合、同时承载的现象。文献c 9 i 最早预言它的存在并研究了工作齿廓 法向间隙的计算方法。文献 1 0 1 的张力标尺实验迸一步证明了多齿啮合现象的存 在。文献 1 1 】在考虑轮齿刚度、工作齿廓间隙及齿轮制造误差的基础上，计算了 同时承载的轮齿对数及各齿对间的载荷分配系数。文献 2 】的研究表明，在轮齿 弯曲疲劳强度的制约下，三环减速器中每相机构的同时承载齿对数一般为3 对。 4 新产品系列设计国内生产企业大多都沿用重庆钢铁设计研究院所研制 的产品系列表1 1 2 j 。南京高精齿轮股份有限公司等企业的生产实践表明，三环减 速器的实际承载能力比该产品系列表所列数据大很多。为充分挖掘三环减速器的 承载能力，推动其在更多的应用领域、在更大的规模上替代传统类型的减速器， 天津大学对三环减速器的设计理论与方法进行了系统深入的研究。在考虑工作齿 廓的法向间隙与轮齿弹性变形的基础上，应广驰【2 】建立了三环减速器多齿弹性啮 合的理论分析模型，计算了同时承载的轮齿对数与工作齿对间的载荷分配系数。 余跃海 1 3 】研制了三环减速器齿轮几何参数计算的c a d 系统，实现了齿轮变位系 数的自动选择。在计入多齿弹性啮合效应的基础上，张俊【1 4 】集成了这些研究成 果并建立了三环减速器的弹性静力学方程，建立了三环减速器的新产品系列数据 库，其承载能力较原产品系列提高了6 0 8 0 ，实验样机顺利通过了疲劳负荷 实验与短期过载实验。 5 设计系统软件的开发在已经完成的新产品系列设计的基础上，建立 实用的参数化c a d 图形系统，使三环减速器从参数选择计算到数据库的形 成，乃至最后的生成工程图样形成套完善的计算机设计系统。适应目前对 三环减速器单件或批量生产的需求，从而避免重复性的设计工作，缩短设计 周期，提高设计效率。 1 2 机械c a d 概述 1 2 1c a d 发展简介 计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 是随着计算机、外围设备及其软件 的发展而形成的一门新技术。c a d 技术思想起源于2 0 世纪5 0 年代末美国麻省 理工学院s u t h e r l a n d 博士的研究工作；经过三十多年的发展，c a d 技术得到了 迅速普及，已经成为电子信息技术的重要组成部分。c a d 技术使产品设计工作 的内容和工作方式发生了根本性变革，它已成为工业发达国家保持竞争优势，开 拓市场的主要技术手段。c a d 技术之所以能在短时间内迅速发展，是因为它几 乎推动了一切领域的设计革命，这一新技术的应用将使人类的聪明才智和创造能 天津大学硕士学位论文 力与计算机高速而精确的计算能力、大容量的存储和数据处理功能结合起来，使 两者相得益彰。它的发展与应用水平已成为衡量一个国家的科学技术现代化和工 业现代化的重要标志之一。 c a d 技术在机械领域内应用最广，约占5 0 ，在机械生产中，c a d 技术不是 单独存在的，而是与c a m ( c o m p u t e r - a i d e d m a n u f a c t u r e ) 。c a p p ( c o m p u t e r - a i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ) 等技术相联系的。它充分运用计算机高速运算和快速绘图的强 大功能为产品设计服务，极大的提高了产品开发的速度和质量，降低生产成本。 1 2 2 机械c a d 研究现状与发展趋势 c a d 技术标志着机器的智能化和脑力劳动的自动化，因此各国政府在制订 新技术发展规划时都x 寸c a d 技术及计算机集成制造系统( c d 以s ) 予以极大的重 视，并加强对它们的研究工作。当前，机械c a d 技术中的几个最重要的研究领 域和研究内容1 1 5 , 1 6 是：基于特征的产品信息建模技术、c a d 的参数化技术和c a d 的智能化技术。 1 基于特征的产品信息建模技术 几何造型技术一直是机械c a d 中的主要研究领域，传统的几何造型分为有 线框造型、曲面造型和实体造型。虽然这三种几何造型技术在图形显示、物性计 算等方面得到了很好的应用，但它们所建立的模型只产生层次较低的几何信息如 点、线、面和基本体素，而没有高层次的信息，如尺寸、公差、材料特性及装配 要求，因此在这种纯几何造型数据库的基础上难以实现零件分类编码的自动生 成，不能满足生产各阶段自动化的要求，更难以实现c a d c a p p c a m 的集成以 及产品的并行设计。进入八十年代中期，国际上开始研究基于特征的设计，而建 立基于特征的产品信息模型则是行之有效的方法。特征是一个高层次的设计概 念，内部包含了设计人员的设计意图及与后继工作有关的各种信息。对于具体的 机械产品而言，特征是一组与产品描述相关的信息集合，产品特征信息模型包括 管理特征模型、形状特征模型和技术特征模型。而形状特征模型又包括几何结构 模型、精度特征模型、材料特征模型和装配特征模型。产品的形状特征建模是产 品特征信息建模的主要内容，也是产品定义的核心内容，它是产生其它信息的基 础。基于特征的产品信息建模需要考虑利用特征可以设计复杂程度的产品模型， 要研究基于特征设计系统提供给用户设计产品的三种手段之间的相互关系。这三 种手段是：形状特征库、用户自定义特征、形状特征的组合与修改。由于三种手 段各有其优缺点，要充分发挥特征造型的作用，需要在三者之间进行综合平衡， 天津大学硕士学位论文 深入研究这三种手段的建立过程，正确处理好三者之间的关系，是今后主要的研 究方向。 2 c a d 的参数化设计 参数化设计技术是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定 尺寸的关系。参数与设计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受到尺 寸驱动，所以也称为参数化尺寸驱动。参数化设计技术以其强有力的草图设计、 尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品建模及修改系列化设计，多方案 比较和动态设计的有效手段。近几年参数化技术已有不少种方法，如变动几何法、 几何推理法及参数化操作法等。变动几何法将几何约束转变为一系列以特征点为 变元的非线性方程组，通过数值法解非线性方程组确定出几何细节，该方法必须 由用户输入充分且一致的几何约束才能求出约束方程的解，对不一致的约束模型 则以进行有效的判断与处理，也难以有效地将局部变动限制在局部范围内求解： 几何推理法是建立在专家系统的基础上，采用谓词表示几何约束，通过推理机导 出几何细节，这种方法可以检查约束模型的有效性，并具有局部修改功能，但存 在着推理速度慢、系统庞大等问题：参数化操作法采用参数化操作表示与处理几 何约束，并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何模型，此 法简单、实用，但难以表示与处理复杂的几何约束。参数化技术发展很快，一旦 工程设计能以参数化方式进行，设计人员就可以不再关心设计的具体过程，从而 集中主要精力去创意，同时计算机与具体设计的信息交换也变彳导更加简化，电脑 得以在更高层次上模拟人脑工作。广义参数化设计是对事物的本质性认识，而通 常人们所说的参数化技术实际上是一种约束模型，这种模型包括图形的几何约束 和拓扑关系约束。实现这些约束可通过解约束方程组或通过几何推理，当前大多 数参数化设计系统并没有很好地解决这一问题，对复杂的图形便无法正确完成尺 寸驱动。欲解决该问题，应进一步从两个方面来研究。可以把设计对象分解为一 些简单实体，这些实体具有三种基本信息，即形状信息、定位信息和属性信息， 而所有这些基本信息都可由数学定义的变量表示，赋于这些变量一定的工程意义 或工艺意义，即形成设计参数，通过改变这些参数，便得到不同的设计结果：也 可以考虑把面向对象的思想与参数化技术中的约束模型的建立及推理求解结合 起来，克服一般尺寸驱动系统的不足，从而能够准确和完整地描述复杂图形的几 何信息，快速完成推理求解。 3 c a d 的智能化技术 机械产品设计不但涉及到一系列的计算公式、众多的设计标准和规范以及制 6 天津大学硕士学位论文 图技术，而且还要用到许多非数值的经验性知识，如开始的概念设计和产品的初 步设计则要求设计专家凭借知识和经验来思考、推理和判断。而设计过程是一个 从设计、评价、再设计直到产生最优结果的反复过程，这就更需要设计专家具有 一定的知识和经验。概念设计是整个设计过程中最重要的一个阶段，也是设计创 造性最为集中的部分，它与问题的表达和理解的正确与否，所提方案的优劣以及 评价和决策的适当与否等有关，它决定了最终设计的特色、水平和效益。智能化 是机械c a d 中极有前途的研究领域。目前，机械c a d 的智能化正朝向专家系统、 数值计算、数据库系统和图形系统的集成程序设计环境方向发展。 机械c a d 技术已经向智能化、参数化及基于特征的产品信息建模方向发展， 而且这几个研究领域和研究内容之间的界限已不再分明，而是相互融合、相互促 进、协调发展。c a d 技术作为多学科高度集合的- - f 新技术，推动了工业设计 中脑力劳动的技术革命，c a d c a m 的一体化则能够更有效地控制、管理复杂的 现代化生产作业，提高产业的竞争能力，使生产技术得到巨大发展。 1 3 三环减速器c a d 图形系统开发的意义和内容 1 研究意义 三环减速器虽然结构简单，组成零件不是很多，但系列设计以2 0 种不同 中心距a 和1 9 种不同传动比i 为参数进行设计的型号多达3 8 0 种。而且系列 化设计中零件和装配组件的结构和设计模式相似性程度较高，如果一一的去设 计，重复工作量很大，因此开发三环减速器参数化图形设计系统是完全可行的， 也是十分必要的。 在已经完成的三环减速器参数计算模块和数据库的基础上，建立其参数化 c a d 图形系统，可以形成一套完善的三环减速器系列化设计软件系统。省去 了繁琐的重复性劳动，提高设计效率，缩短设计周期，避免人力物力资源的浪 费。 2 研究内容 本课题研究对象是三环减速器装置。根据已有的三环减速器的机构理论及发 展状况，g 羁l i s p ( l i s tp r o c e s s i n gl a i l g u a g e ) 语言在a u t o c a d 2 0 0 4 平台下对三环 减速器的各零件及装配件进行自动绘制，提供v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) 开发的友好界面。以利于人机交互。 本次设计的对话框部分是输入用户提供的要求参数给系统，然后生成三环减 7 天津大学硕士学位论文 速器的结构尺寸，传输给参数化绘图模块，参数化绘图模块以来自对话框的数据 为依据，进行参数化绘图程序的编制工作。整个的工作结果以一个程序包的形式 链接在机械设计模块的a u t o c a d 的平台下。这样就可以完成自动绘图。 本论文的具体内容安排如下： 第一章介绍了三环减速器的基本传动原理、结构型式及诸多优点，回顾了 三环减速器的研究现状。概述了机械c a d 的发展情况、研究现状及其在信息时 代发展的趋势。最后介绍了三环减速器参数化c a d 系统研究的意义和主要的研 究内容。 第二章介绍了a u t o c a d 一- - 次开发常用的四种语言工具，在相互比较后选 择v b a 和l i s p 交叉编程的开发平台。概述了交叉平台的优势，并简介了交叉编 程的相关软件，最后介绍 v b a 通过t h i s d r a w i n g 对象和l i s p 图形建立连接，并通 过s e n d c o m m a n d 方法实现两平台的数据传输。 第三章概述了三环减速器设计系统总体设计的模块，重点阐述了参数化图 形c a d 模块中结构的总体设计以及程序的模块化思想，最后介绍了利用v b a 制 作用户界面和对话框界面的设计。 第四章介绍了图形初始化的重要意义、主要内容及其实现。结合内齿环板 的实例叙述了零件图参数化的绘制流程与执行步骤。最后概述了整体制图法和子 图组合拼凑制图法在装配图参数化中的综合应用。 第五章概述了标注类开发的主要内容及其在参数化图形中的重要意义。然 后分别叙述了图形的尺寸和公差标注、工程标注、图面文字书写和装配图形的标 注的开发函数和流程。最后结合实例介绍了标注类函数开发的综合应用。 第六章应用具体实例验证了三环减速器参数化c a d 图形系统的可行性与 可靠性。 第七章全文的总结与展望。 天津大学硕士论文 第二章开发工具的选择 随着计算机软件在各种工程设计和制造部门的广泛应用，各种适应于各单位 生产实际的专用c a d c a m 软件的需求与日俱增。专用性c a d 软件开发一般有 两种途径：一种是在高级程序设计平台上运用多种开发工具进行自主开发，它需 要大量人力物力的投入；另外一种经济便捷的方法是在已有的通用c a d 系统软 件基础上，针对具体机械产品进行二次开发。 三环减速器参数化c a d 图形系统是在通用的a u t o c a d 软件上，选择适当 的开发工具进行二次开发，实现其零部件参数化的智能绘图的。 2 1 a u t o c a d 二次开发工具的选择 目前常用的a u t o c a d 的各版本提供了4 种二次开发工具：l i s p 、a d s 、v b a 和o b j e e ta r x ，我们可以方便地利用这些开发工具，按照需要对其进行二次开 发。这四种开发工具各自具有自身的特点。 1 l i s p 自从a u t o c a dr 2 1 开始，a u t o l i s p l 城被作为应用程序的主要编程接口内 嵌在a u t o c a d 中，成为a u t o c a d 中的第一个用户专业程序开发工具。从 a u t o c a d r l 4 开始出现了v i s u a l l i s p 1 8 】，这是a u t o d e s k 公司为了增强a u t o l i s p 的程序开发能力而设计的软件工具。l i s p 语言是一种表处理语言，适合描述人 机交互操作的过程、善于编写模拟设计师思路的专业设计程序。对于各种用户输 入的接收、错误识别与恢复等操作具有相当优秀的功能，尤其是善于充分发挥计 算机辅助几何设计( c a g d ) 功能的巨大作用。过去的a u t ol i s p 最大的不足是 不能编译，现在已经被v l i s p 圆满解决了。a u t ol i s p 程序由于不能直接操作 a u t o c a d 对象，运行效率低于v b a 和a r x ，如果使用a e t i v e x 技术编写v i s u a l l i s p 程序，其运行效率提高了5 8 倍，与v b a 和a r x 接近。 2 a d s ( a c a dd e v e l o ps y s t e m ) a d s 0 9 i 是继a u t o l i s p 之后的一种用户程序，是在a u t o c a dr 1 0 中开始增 加的c 语言编程接口。它作为外部函数加载到a u t o c a d 需要由a u t ol i s p 解释 9 天津大学硕士论文 器来调用。因此r 1 4 之前的a u t ol i s p 程序虽然是解释运行仍比a d s 程序的速 度快一些，自从a u t o c a dr 1 4 已经不再支持a d s 的程序设计模式。 3 v b a v b a l 2 0 】是自r 1 4 开始嵌套在a u t o c a d 之中的程序设计方法，v b a 是根据 微软公司的规则，在每一个w i n d o w s 下的应用软件都必须具有的功能。其优点 是可以很容易地使用g r m d o w s 系统资源，使a u t o c a d 能容易地与其他w i n d o w s 下的应用软件交互。v b a 对话框设计能力比d c l 好得多，多图档环境下的应用 程序也比l i s p 提供了更多的支持。由于它是使用a c t i v e x 与a u t o c a d 交互，程 序设计比较复杂。会成为与l i s p 并列的另一神专业用户程序设计语言，不太容 易学会。 v b a 比较明显的几个缺憾是：v b a 中不能像l i s p 那样几乎随心所欲地使 用a u t o c a d 命令，只能像脚本文件的模式，以字串方式向a u t o c a d 命令行发 送一串响应，这个字串的内容也只好在自己的程序中生成和进行数据转换。另外， 由于v b a 是以对象作为数据处理的基本单元，在v l i s p 中堪称特色的c a g d 程序编法，v b a 则很难实现。因此像t r i m 、e x t e n d 、d i m d i a m e t e r 之类的命令 都不能真正实施，要想完成这样的操作，相关数据只能在程序中自己计算。这样， 程序设计就不能充分利用a u t o c a d 的操作技巧。放着a u t o c a d 优秀的数据库， 却不能充分发挥它的作用，本来能用a u t o c a d 完成的动作，却要自己编程实现， 这就是v b a 的几个缺憾。v b a 另外的问题是不能编译，源程序始终以相当容易 接近的方式，暴露在最终用户面前。 4 o b j e e ta r x ( a c a dr u n t i m ee x t e n d ) o b j e c t a r x ( 2 1 j 一般是在a u t o d e s k 内部或增值软件开发商中使用。由于a r x 是使用v i s u a lc + + 作为基本程序设计语言，无论其效率、数据处理和软硬件的控 制能力都是最好的，是唯一圆满地针对多图档环境的程序设计方法。是从根本上 扩展u s p 、v b a 的程序设计方法。 但是，与a u t o c a d 命令交互的功能，a r x 与v b a 并没有实质性的区别， 就是说，同样很难借用a u t o c a d 强大的c a g d 功能。另外，要想真正发挥这种 开发模式的作用，对于程序设计者的要求( 计算机专业知识、软件专业知识等等) 也较高，而且程序运行风险较大。要求程序自己做好各种数据的测试，自己设计 好各种条件下的出错处理和恢复，否则a r x 程序的崩溃常常会连带a u t o c a d 、 甚至w i n d o w s 一起崩溃。因此，这种开发模式不适于在专业设计工程师中普及。 综上可知；a r x 、v b a 的特点在于以对象为基本操作数据，适合于充当“编 l o 天津大学硕士论文 写”a c a d 的工具，而l i s p 则是灵活而充分地使用a u t o c a d 的现有功能，适 合于充当“使用”a c a d 的工具。通过综合分析上述四种开发工具，考虑三环减 速器参数化c a d 系统开发的具体特点，在本课题的研究过程中，拟采用v i s u a l l i s p 和v b a 交叉平台编程的方法进行开发。具体设计方案如下： 1 ，对于三环减速器主体设计的程序模块部分即自动绘图部分采用l i s p 语言 编制。l i s p 语言镶嵌于a u t o c a d 内部，同a u t o c a d 有机地结合成一体。它既 具有一般高级语言的基本结构和功能，又具有一般高级语言所没有的强大的图形 处理功能。通过它能建立图形库和数据库，并对当前图形进行直接访问和修改， 开发c a d 软件包等。采用l i s p 语言编程对于系统的维护，也比较方便。 2 由于在交互界面编程上，采用l i s p 语言中的d c l 界面比较单一，界面 也不能富有变化，所以根据软件的特点，在交互式界面设计上采用v b a 编程。 这样做有四个好处： ( 1 ) v i s u a lb a s i c 编程环境简单易学而且好用； ( 2 ) v b a 作为a u t o c a d 的一个过程运行，使程序执行速度变得非常快； ( 3 ) ，对话框结构快速有效，允许开发者在设计时启动应用程序并且能很快得 到反馈； “) 对象可以独立出来，也可嵌入a u t o c a d 图形，这样就为用户开发应用 程序提供了更多的灵活性。 3 程序与外界的接口主要采用a u t o c a da c t i v e x 软件技术。a u t o c a d a c t i v e x 提供在a u t o c a d 内或a u t o c a d 外控制编程的机制。它是通过使 a u t o c a d 对象开放到外部世界来实现的。a u t o c a d 对象被开发就可以通过多种 不同的编程语言环境和其他应用程序( 比如a c c e s sv b a 或e x c e lv b a ) 来访问 它们。采用a c t i v e x 界面有两个好处：一是对于a u t o c a d 绘图的编程可以对更 多的编程环境开放，而在此之前，这一类的开发一直都局限在l i s p 和c + + 的接 口上：二是和其它的w i n d o w s 应用程序共享数据变得意想不到的方便。 2 2 相关开发工具简介 根据选用的交叉平台，针对l i s p 在图形开发方面的强大功能和v b a 在界 面设计上的优势两个方面对相关的开发工具进行简介。 2 2 1l i s p 概述 a u t o c a d 的优点之一是它的可开发性。从a u t o c a d 图形编辑的外观乃至功 天津大学硕士论文 能各异的菜单，你几乎可以控制a u t o c a d 功能的各个方面。而这种可开发性得 以实现的最终要因素在于a u t o c a d 的嵌入式程序设计语言l i s p 。l i s p 语言 是一种计算机表处理语言，是迄今为止人工智能学科领域应用最为广泛的种程 序设计语言。它已有近4 0 年的历史。它的特点是程序和数据都取符号表达式的 形式，即一个l i s p 程序可以将另一个l i s p 程序作为其数据处理。 a u t ol i s p 语言是一种嵌入在a u t o c a d 内部的l i s p 语言，它是美国 a u t o d e s k 公司发行的，是l i s p 语言和a u t o c a d 有机结合的产物。a u t ol i s p 针对a u t o c a d 增加了很多功能借助它，你可以建立自己的命令，并重新定义 其他命令。例如可将a u t ol i s p 程序和a u t o c a d 的命令结合起来，使计算和绘 图完全融为一体。还可以利用a u t ol i s p 语言编写程序实现对a u t o c a d 当前数 据库的直接访问、修改，为屏幕图形的实时修改，实现交互设计以及在绘图领域 中应用人工智能提供了方便。a u t o l i s p 语言是开发a u t o c a d 图形软件的强有力 工具。a u t o d e s k 公司提供a u t o l i s p 的目的就是为了帮助用户充分利用a u t o c a d 的强大功能，从面节省时闻和提高效率。利用a u t ol i s p 开发a u t o c a d 的一个 最典型应用是实现参数化绘图程序的设计。参数化程序设计是关于一些特殊对象 怎样构成的基本规则集合。由于在实际工程设计中，6 0 8 0 的图形是通过修 改已有的设计而成的，而且多数是通过修改参数来完成的，利用参数化绘图方法 可以在比较短的时间里快速、高质量地完成多方案对比设计，也可以建立各种零 部件的图形库。仅给出一些必要的参数，就可以绘出图形。所以，参数化绘图程 序设计具有广阔的应用领域。 在很长的时间中，a u t ol i s p 都被定制a u t o c a d 的标准。而现在v i s u a ll i s p 取代了a u t ol i s p 而成为a u t o c a d 中新代的l i s p 语言。它显著地扩充a u t o l i s p 的容量。同时，作为一种开发工具，v l i s p 提供了全面、集开发环境 d e ( i n t e r a c t i v ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) ，包括：编辑器、调试器和其他工具。 它作为新开发出的一种软件工具。加速了a u t ol i s p 的编程过程，集成_ 开发环境 i d e 提供了新的特性帮助，简化了源代码的创建、修改，程序测试，编译、调试。 v l i s p 提供了独立的源代码编辑器。而在过去，编写a u t ol i s p 代码时需要使用 其他文本编辑器编辑，再切换到a u t o c a d 环境中加载并运行。当进行调试时， 用户必须在程序中间反复输出变量的值；而当调试结束时，又必须将这些代码注 释掉，确实又费时、又费力。 虽然v l i s p 有自主的窗口和操作界面，但它并不与a u t o c a d 相独立。当 v l i s p 运行时，a u t o c a d 必须同时运行。在v l i s p 集成编辑环境中运行程序时， 用户经常需要与a m o c a d 图形和命令窗口交换信息。当a u t o c a d 最小化时， v l i s p 接管了控制，用户必须手工恢复并激活a u t o c a d 窗口。 天律大学硕士论文 2 2 2a h t o c a dv b a 在界面开发中的优势 自1 9 8 7 年a u t o c a dr 9 版本首次引入对话框这一高级用户界面后随着版 本的升级，大量的对话框界面出现在a u t o c a d 的使用中。在a u t o c a d2 0 0 0 舨 本或2 0 0 0 以上版本中，对话框界面更是随处可见对话框界面的引入，不仅使 人机交互界面焕然一新，而且对于控制输入数据的类型及范围，提高稳定性，降 低对软件操作人员的计算机水平要求，都十分有益。对话框已经被大家公认为当 今最先进，最流行的人机交互界面。 在三环减速器参数化c a d 系统的零件和装配件的设计过程中有许多需要 输入的参数和选项。为了方便用户输入，在系统设计时需要编制入机交互界面。 l i s p 和v b a 均可实现这些界面的设计，但方法有所不同： 1 l i s p 提供了用d c l 对话框设计语言来编写界面，我们需要在文本编辑器 中编写d c l 文件，编辑存盘后，才能再回到a u t o c a d 环境下加载和显示对话框。 因此，不能在编写d c l 文件时看到所编界面的状况。这就需在a u t o c a d 和文本 编辑器之阊反复窃换，既降低了编程速度，又给编程者造成了许多不侄。 2 v b a 设计输入界面是继承了v b 面向对象设计的特点，提供了包含许多 类型控件的工具箱。在屏幕上添加一个用户窗体，在对应的属性窗口中将标识名 称改为三环减速器图形系统设计过程中的参数菜单，然后从工具箱中选择相应的 控件。例如选择标签图标，将光标移至窗体适当位置，然后在属性窗口中设定属 性。控传的宠度和高度可利用鼠标拖动来完成，虹此便实现了该控传懿设计。以 此方法，可以很快就设计完成理想的界面。 由上述分析可知，二者有一定的类似，都需选定控件和设置属性，但v b a 无须在文本编辑器中编写文件。它只需拖曳相应控件安放到窗体中的适当位置， 在属性窗口中设定所选控件的相关属性即可完成界面设计。因此在设计时即可 看到所设计窗口状态，可随时修改。无须切换编程环境。实现“所见即所得”。 而且，v b a 提供的控件类型要比l i s p 多，可完成更加复杂的界面设计。所以， 虽然d c l 语言和v b a 均可以完成交互界面的设计，但在繁简程度上却相差甚 远。对于d c l 文件，还必须编写相应的驱动程序，而在v b a 中，只需向相应 控件的过程框架添加代码即可。 v b a 所采用的面向对象的编程技术，是建立在控件、类和实例之上的。控 件是一个可视化的对象，而类不是。由于控件可见，所以它主要用于入杌交互的 环境，这也是控件总是依附于窗体运行的原因。类是不可见的，它是一个可重用 的组件，必须先声明后引用。用基于控件、类之上的v b a 进行界面设计及计算 工作，而用l i s p 来完成图形绘制，这一模式正为越来越多的设计人员所认可。 天津大学硕士论文 2 3v b a 与l i s p 的交互方式 课题研究多平台交叉编程方法的关键就是要实现两平台之间数据的存储、传 递和提取 2 2 3 。三环减速器参数化c a d 图形两开发平台之间的调用关系如图2 1 所示。 三环减速器图形系统 丽雾0 ：衫订! 竺! 垡竺鲤杰堡l i s p 参数 交互界面r 戛不硒瓦面前舀矗丐 圈丝丝剑 图2 - 1 参数化系统的两大模块 1 v b a 对l i s p 的调用 v b a 通过a u t o c a d 的a c t i v e x 自动化技术发消息给a u t o c a