（机械设计及理论专业论文）三维凸轮机构cad系统二次开发的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 随着信息时代和全球一体化进程的到来，我国的机械制造企业要在激烈的市场竞争中生 存和发展，就必须具备产品的快速开发、研制及创新能力。 凸轮机构因其独特的功能特性，在工业工程的各个领域得到极为广泛的应用。由凸轮机 构特性决定，针对不同应用环境下凸轮机构都不相同。因此对单个凸轮机构进行重复设计与 计算为设计人员增加大量重复性工作，使得产品设计周期延长、增加产品设计成本、降低企 业竞争力。实践证明，三维c a d 技术对加速产品开发、缩短产品设计周期、提高产品质量、 降低成本起着关键作用，是支持企业增强创新设计，提高市场竞争力的强有力手段。为满足 业界需求，通过利用s o l i d w o r k s 的二次开发接口，建立符合中国设计人员习惯的基于 s o l i d w o r k s 的三维凸轮机构c a d 系统。 本文论述了凸轮机构的应用及发展趋势，讲述了目前国内夕b c a d 技术的发展现状；对 s o l i d w o r l s 软件功能进行描述，指出了对s o l i d w o r k s 进行二次开发的必要性和二次开发方 法。文章对三维建模技术进行详细论述，明确了基于特征的参数化实体建模技术为系统的设 计思想。 本文着重介绍了基于w i n d o w s 平台在v b 环境下创建s o l i d w o r k sa p i 的应用程序的关键技 术，并详细介绍了c a d 系统开发的相关过程和内容，并成功利用v i s u a lb a s i c 开发工具开发 了基于s o l i d w o r k s 的三维盘型凸轮机构c a d 系统，成功地实现了凸轮机构的三维建模、实体 装配、运动模拟以及机构参数输出。 在三维建模模块中特别创新地提出凸轮轮廓的自定义运动规律模块和离散点输入模块， 解决了任意运动规律公式和无规律复杂轮廓凸轮的凸轮轮廓转化与凸轮实体生成。给相关机 构领域研究带来了新的设计思想与理念，也必将对凸轮机构的设计和生产领域带来影响。 本文旨在对s o l i d w o r k s - 二次开发技术进行深入研究与探讨，特别对相关机构的c a d 系统 设计提供参考，同时其理论也适用于其他c a d 软件二次开发。本文将会是c a d c a m 从业技术人 员的一本很好的参考资料。 关键词：凸轮机构计算机辅助设计s o l i d w o r k s 应用程序接口二次开发 中图分类号：t h l 2 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n f o r m a t i o ne r aa n dt h ea d v e n to ft h eg l o b a li n t e g r a t i o np r o c e s s ， c h i n a sm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sm u s tt op o s s e s st h ec a p a b i l i t i e so ft h e r a p i dd e v e l o p m e n tp r o d u c t s ，d e v e l o p m e n ta n dt h ei n n o v a t i o ni no r d e rt os u r v i v a la n d t od e v e l o p m e n ti n t h ef i e r c ec o m p e t i t i o nm a r k e t d u et oc a m su n i q u ef e a t u r e s ，i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nv a r i o u s f i e l d so ft h ei n d u s t r i a le n g i n e e r i n g t h ec a mm e c h a n i s m sa r en o tt h es a m ei nt h e d i f f e r e n ta p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t sw h i c hi sd e c i d e db yt h ef e a t u r eo ft h ec a m m e c h a n i s m t h e r e f o r ei t sw i l ll e n g t h e nt h ep r o d u c td e s i g nc y c l e ，d e s i g nc o s ta n d r e d u c et h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v ep o w e ri fw ec a r r yo nt h er e d u n d a n td e s i g na n dt h e c o m p u t a ti o nt oas i n g l ec a mg e a rw h i c hw illi n c r e a s e st h em a s s i v ed u p li c a t e dw o r k f o rt h ed e s i g n e r s p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a t3 dc a dt e c h n o l o g yp l a y e dak e yr o l et o s p e e du pt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，t os h o r t e nt h ep r o d u c td e s i g nc y c l e s ，t oi m p r o v e t h ep r o d u c tq u a l i t ya n dt or e d u c et h e c o s t s a l la b o v e di sap o w e r f u lm e t h o dw h i c h w il ls u p p o r te n t e r p r i s e st oe n h a n c et h e i ri n n o v a t i r ed e s i g na n dt oi m p r o v et h e i r m a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n d u s t r ya n d a c c o r d i n gt ot h eh a b i t so ft h ec h i n e s ed e s i g n e r ，w ee s t a b li s ht h e3 dc a ds y s t e mo f c a mw h i c hi sb a s e do nt h es o li d w o r k sa n dt h r o u g ht h eu s eo ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t o fs o l i d w o r k si n t e r f a c e t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ea p p li c a t i o no ft h ec a m ，t h et r e n do fi t sd e v e l o p m e n t ， d e v e l o p m e n to f t h ec a dt e c h n o l o g y ，d e s c r i b et h ef u n c t i o n o ft h es o l i d w o r k s s o f t w a r e ，p o i n to u tt h en e c e s s i t yo ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o li d w o r k sa n dt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tm e t h o d s t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li n g t e c h n i q u e si nd e t a ila n dd e f i n e dt h es y s t e m sd e s i g np h il o s o p h yb yt h ep a r a m e t e r s o ft h ef e a t u r e b a s e dm o d e li n gt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l e f o c u s e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ec r e a t e ds 0 1 i d w o r k sa p i a p p l i c a t i o nw h i c hi sb a s eo nt h ew i n d o w sp l a t f o r mi nt h ev be n v i r o n m e n t ，3 dc a dd i s c c a ms y s t e mi sd e v e l o p m e n tb yt h ev i s u a lb a s i cw h i c hi sb a s e do nt h es o l i d w o r k sa n d i n t r o d u c et h es y s t e md e v e l o p m e n to f t h er e l e v a n tc o n t e n t t h i sa r t i c l es e e k st or e s e r a c ha n dd i s c u s st h et e c h n o l o g yo f s o l i d w o r k s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n td e e p l y i np a r t i c u l a rt op r o v i d et h er e f e r e n c eo ft h e c a d s y s t e md e s i g nf o rr e l a t e di n s t i t u t i o n i t st h e o r ya l s oa p p l i e st oo t h e rs e c o n d a r y d e v e l o p m e n to ft h ec a ds o f t w a r e t h i sa r t i c l ed ob eag o o dr e f e r e n c et ot h ec a d c a m p r a c t i t i o n e r sa n dt h et e c h n i c a lp e r s o n n e l k e yw o r d s ：c a mm e c h a n i s m s c a ds o l i d w o r k sa p i s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t c l cn u m b e r ：t h l 2 贵州大学硕士学位论文 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。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：型i 旺 e t期：上迦生生业 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、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；本人授权贵州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) 敝储戤：怔刷磴名缪曲辄龇啦 贵州大学硕士学位论文 1 1 凸轮机构概述 1 1 1 凸轮机构的应用 第一章绪论 凸轮机构是机械传动机构中不可或缺的一部分。现代机械中凸轮机构广泛运用于各种半 自动、自动设备。如图： 图1 - 1 发动机配气机构 1 凸轮2 弹簧3 气阀杆4 阀门 图卜2 车床进刀机构 1 刀架2 齿条3 从动杆4 凸轮 图1 - 1 所示为内燃机中控制气阀开闭的凸轮机构。它通过连续转动的凸轮的轮廓，驱动 气阀杆往复移动，从而按预定的时间打开或关闭气阀，完成配气要求。弹簧的作用是使气阀 组件紧贴凸轮的轮廓曲面。 图1 - 2 所示为自动车床刀架进给机构。当凸轮4 转动时，其轮廓迫使从动杆3 往复摆动， 通过固定在从动杆上的扇形齿轮2 、带动刀架下部的齿条，使刀架l 前、后移动，完成所需 要的进刀和退刀运动。 1 1 2 凸轮机构的功能特性 凸轮机构之所以能够得到如此广泛的应用，是因为它具有独有的传动，导向和控制功能 当它作为传动机构时候，可以产生复杂的运动规律：当它作为导向机构时，可以使工作机械 的执行端产生复杂的运动轨迹：当它作为控制机构时，可控制执行机构的工作循环。另外凸 轮机构还具有以下优点：高速时平稳性好，重复精度高，运动特性良好，机构的构件少，体 积小刚性大，周期控制简单，可靠性好，寿命长等有点。 1 1 3 凸轮的发展方向 尽管凸轮机构在现代工业中应用广泛，但还有有一些缺点和不足：1 ) 凸轮与从动件间 贵州大学硕士学位论文 为点或线接触，因而机构易磨损，只宜用于传力不大的场合；2 ) 凸轮轮廓精度要求较高， 从而对设计及加工精度要求相当严格，需用数控机床进行加工；3 ) 从动件的行程不能过大， 否则会使凸轮变得笨重：4 ) 设计复杂运动规律时设计过程也相当复杂繁琐。 针对凸轮机构的不足，工程技术人员对一些机构的构造改型，改进机构的设计方法和加 工方法。针对加工方法能做的更多一些。在概念设计中，要加强机构类型、机构创新设计方 法研究，进行机构系统设计理论与方法研究，建立功能结构表示库、执行机构库，研究机构 系统设计推理方法和评价方法，建立机构系统设计专家系统，逐步实现机构系统设计的智能 化、自动化和快速化。 随着计算机技术及应用的发展，在工程设计中广泛运用c a d 技术，借助一些大型的二维， 三维计算机绘图软件，技术人员设计效率得到了飞跃性的提高，设计精度也得到了明显改善。 尽管如此，在设计过程中依然有大量而繁琐的重复计算，于是在大型计算设计软件平台上进 行二次开发的技术应运而生 1 2 课题来源及应用前景 1 2 1 课题来源 在传统机械设计中，需要进行大量和繁琐的重要性计算，设计出来的机械图形绘制困难 或绘制不精确，并且设计周期长随着计算机的发展，为了解决设计效率低下的问题，出现 了许多c a d 软件，但其设计结果大多为二维，不直观，更无法模拟三维真实感的运动过程。 近年来随着c i m s 和信息技术的迅猛发展，c a d 技术已由初始的二维“甩掉图板”工程向标 准化、智能化和集成化发展，各式各样三维c a d 商业软件不断出现，功能也日趋完善。 但由于商业化c a d c a m 软件在使用时，通用性有余而专一性不足，对有些复杂实体不能 直接进行建模。以这些软件为平台进行二次开发，已成为c a d c a m 软件在实施应用中的一项 重要工作。在导师的悉心指导与帮助下，我们确立了以s o l i d w o r k s2 0 0 6 为系统平台，研发 盘形凸轮机构设计c a d 系统。根据推程、回程运动的函数表达式，后台t l 动生成相应的凸轮， 并根据要求输出从动件的速度、位移、加速度运动矢量图。并将在三维c a d 软件中函数表达 式曲线的建模方法，推广到自由曲面的建模；为较复杂的机构运动模拟，有限元分析提供基 础，提供更加接近现实的虚拟样机，近步完善虚拟现实技术。 2 贵州大学硕士学位论文 1 2 2 继承性与拓展空间 结合企业特性对商业c a d 软件进行二次开发已成为企业研发新产品的必由之路。把行业 的行标，企业宝贵的产品设计经验融入到软件系统中，使基础数据实现资源共享，并将设计 过程中的大量查表，计算工作实现自动化，提高设计效率，从而使设计人员将更多的精力投 入到创造中。使整个系统既有针对性、实用性，又有通用性。基于s o li d w o r k s 的凸轮机构 c a d 系统二次开发，降低了产品的设计和开发成本，缩短了开发周期，使整个开发过程完全 在零风险下进行。越来越多的厂家利用虚拟样机技术来研发新产品。 复杂盘形凸轮的三维建模，解决了在商业化c a d c a m 软件中不能直接建模的瓶颈问题。 将生成的高精度模型导入动态仿真软件，有限元软件中进行分析。通过仿真分析提高了设计 的可行性，具有一定的应用前景。 1 3c a d 技术发展概况 1 3 1c a d 技术发展状况 c a d 技术即计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是以计算机系统为支持，进行产 品的方案设计、解析计算、判断优化、分析评估和详细设计的- - f l 技术，通过结构设计。以 数据文件和工程数据库定义产品信息，其根本任务是为产品的开发与生产建立一个全局信息 模型。这项技术的开发与应用彻底的改变了传统的设计方法，大大促进科科研成果的开展和 转化，提高了工程和产品的设计质量和设计水平，既降低了成本又缩短了产品开发周期。 1 3 1 1 机械c a d 的发展简史 在过去四十多年中，c a d 技术总体经历了五个主要发展阶段n 刀： i ) 初始准备阶段( 2 0 世纪5 0 年代末) 。c a d 技术概念于1 9 5 9 年1 2 月在m i t 召开的一次计划 会议上被提出，它的提出对以后c a d 技术发展起了很大的推动作用，这一阶段主要是提出了 c a d 技术设想，为c a d 研制试验提供了硬件，软件的准备工作。 2 ) 研制试验阶段( 2 0 世纪6 0 年代) 。在此期间m i t 林肯试验室的博士研究生i e s u t h e r l a n d 发表的博士论文“s k e t c h p a d - - 人机交互的图形系统”，首次提出了计算机图形学，交互技 术，分层存储的数据结果等思想，从而为c a d 技术打下了理论基础。1 9 6 4 年美国通用汽车公 司和i b m 公司成功开发了用于汽车前玻璃线性设计的d a c i 系统，这是c a d 最早用于具体对象 的系统。此后c a d 技术在世界范围内得剑迅速全面的发展 3 贵州大学硕士学位论文 3 ) 技术商业化阶段( 2 0 世纪7 0 年代) 。在此阶段c a d 技术开始适用化，从二维的线路设 计到三维的飞机，汽车等设计，出现了很多开发c a d 系统软件的公司。这个年代末，c a d 技术 进入了大多数工程和产品设计的领域。 4 ) 高速发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代) 这阶段c a d 技术的发展的到了全面发展并趋于成 熟。 5 ) 全面普及阶段( 2 0 世纪9 0 年代) 。随着计算机应用技术的发展，c a d 技术性能提高， 价格降低，c a d 开始在设计领域全面普及，成为工程界必不可少的设计工具 1 3 1 2 我国的c a d 技术研究与应用 1 ) 7 0 年代初，当时主要的研究内容是计算机的数学理论、工程图的绘制方法及布局、布 线的算法，主要研究单位是为数不多的几个大型企业和高等院校。 2 ) 8 0 年代初有些大型企业和设计院成套地引c a d 系统( 主要是t u r n k e ys y s t e m ) ，在此 基础上进行开发和应用，取得一些成果。到8 0 年代中后期，我国的c a d 技术有了较大的发展， c a d 技术的优点开始被人们所注意。 3 ) 9 0 年代，各部门纷纷提出了开发应用c a d 技术的计划，到2 0 0 0 年工作站c a d 系统要普及， 并建立起我国的c a d 产业并加强人才的培养。努力提高现有技术人员的c a d 水平外，“八五” 期间，全国重点工科院校基本上进c a d 基础的教育；到2 0 0 0 年，全国主要工科院校要基本普 及c a d 技术基础教育，从2 0 0 1 年多 2 0 0 6 间更加深入推广c a d 的技术教育，至今我国的科研院、 所、市场取得了空前的进步和发展。 1 3 1 3 现代c a d 技术的发展趋势 未来c a d 技术将向以下几个方向发展： i ) c a d c a m c a e p d m 集成技术 计算机集成制造系统( c i i s ) 是c a d c a m 发展趋势的必然，它是将c a d c a m c a e p 删 集成起来，建立一种新的设计、生产、分析、技术管理一体化的方法。c a d 系统用于产品的 设计，c a e 系统用于产品的分析，c a p p c a m 系统用于产品的加工生产，p d g 系统用于管理与产 品有关的数据和过程。集成系统的核心问题是保证产品数据的完整性、唯一性、最新性和共 享性。设计者必须从概念设计时就考虑到集成问题。 2 ) 协同工作模式并行工程 在当今日益激烈的市场竞争环境下，传统的以单一串行工作模式为主的设计模式由于设 计工作不能有效的协调，设计周期过长等原因，已不能满足设计要求。即要求效率高的生产 模式，就必然要求将现有的串行工作模式改为并联 作模式，如图所示： 4 贵州大学硕士学位论文 人机接口 工工? 。l 知 解 推 识释 理 获 取 模 机 模块 制 块 王工：、r 知识库数据库 图1 3 串行工作模式图1 - 4 并行工作模式 并行工作模式要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，其 中涵盖质量、进度、用户要求等，以便大限度地提高产品开发效率及一次成功率。 3 ) 与知识工程的融合智能化 随着c a d c a m 技术的发展，将人工智能技术，专家系统运用于系统中，行程智能化的 c a d c a m 系统，使其具有人类专家的知识与经验，具有学习、推理、联想和判断功能及智能 化的视觉、听觉。语言能力。以知识和知识工程为基础的专家系统的出现推动了c a d 系统的 智能化，如图所示。基于知识的设计仓库能及时准确地向设计人员提供产品开发所需要的信 息与帮助，解决产品设计中对知识的需求问题。同时利用动态导航技术实现c a d 系统操作的 人性化、智能化，如自动对图形进行捕捉、提示、直动标注尺寸关系，自动检查图形的过约 束和欠约束，使用户有更多的精力和时间投入到创造性的工作中。 4 ) 与i n t e r n e t 和电子商务的紧密结合实现c a d 网络化 如今很多跨地区，跨行业的项目往往需要多个人，多个企业在多台计算机上协同完成。 i n t e r n e t 技术和电子商务的迅猛发展，为这种基于网络的协作模式的实现成为可能。这种网 络化协作事实通过计算机将各个子系统连接在一起，实现数据交换，共享和集成，减少中间 数据的重复输入，输出过程，从而大大提高了整个系统从订单、备料、设计工艺到生产销售 全过程的效率，加速新产品的开发，降低成本缩短交货期，提高企业的市场竞争力。 1 2 2 主流c a d 软件简介 1 2 2 1 当前国际主流的c a d 软件有啪1 ： 1 ) i d e a s 美国s d r c 公司研发的高度集成的c a d c a m c a e 系统，尤其是c a d c a e 一体化技 术方面一直雄居世界榜首。它具有完整的机械设计软件，其中包括零件分析特征定义、曲面 5 贵州大学硕士学位论文 实体设计、装配设计、误差分析、运动机构设计、图形布置和工程图绘制等主要模块。 2 ) p r o e n g i n e e r 美国p t c 公司产品，是一套参数化，基于特征的实体造型系统。它采用 的是单一数据库、参数化、基于特征、全相关的设计理念。各模块之间具有真正的相关性， 可建立产品协同商务环境，实现共同管理。 3 ) u g 美国e d s 公司旗下u n i g r a p h i c s 公司的产品，为机械制造企业提供了满足从设计，分 析到制造应用的软件系统。它主要通过虚拟产品开发的理念为客户提供多极化的、集成的、 企业级的，包括软件产品与服务在内的完整的m c a d 解决方案。 4 ) s o l i d w o r k s 美国s o l i d w o r k s 公司推出的机械设计软件，包括功能强大的参数化设计、 运动分析、结构分析、工程数据管理和数控加工等多个模块。由于其性价比相对较高，目前 已经成为市场份额增长最快、发展前景最好的软件之一。 5 ) a u t o c a dm a u t o d e s k 公司出品，它在2 d 市场上占有绝对的优势，是最早一种介绍到我 国的c a d 软件，自1 9 8 2 年推出第一代a u t o c a d 以来，经过十几次的升级，现在最新版本已经是 a u t o c a d2 0 0 9 了。该软件广泛用于机械、电子、建筑、航天、造船等行业，使数以万计的工 程技术人员从繁重的手工绘图中解脱出来，大大提高了工作效率。 此外还有i n v e n t o r 和c a t i a 都是当前国际主流c a d 软件 1 2 2 2 国内主要的c a d 软件是 1 ) c a x a 由北航海尔软件有限公司开发的一种面向我国工业界的高效，方便，智能化的通 用中文绘图软件，该产品具有低成本运行环境，高速度图形显示，全中文人机界面，开放的 开发平台，快捷的交互式及动态导航定位等特点。其产品有c a x ac a x a e b v 2 、c a x a 三维电 子图板c a x a - e b 3 d v 2 、c a x a 制造工程师c a x a - m e 2 0 0 0 等 2 ) 高华c a d 此外还有由清华大学开发的，基于参数化设计的c a d c a i i c a e 集成系统。 3 ) 开目c a d 华中科技大学开发的基于微机平台的c a d 和图像管理软件，具有局部参数化功能， 支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，并可对设计中过约束和欠约束进行处理，开目也 实现了c a d c a l i c a p p 的集成 此外国内还有中望c a d 等软件，在国内工程运用中也有一定的市场。 6 贵州大学硕士学位论文 第二章二次开发基础理论 2 1 三维建模理论 2 1 1 机械产品的三维建模 随着软件工程技术的发展，在应用日益广泛的机械三维c a d c a m c 肛商用软件的推动 下，三维建模技术从根本上改变了机械产品的设计理念，把工程设计人员从传统的二维设计 空间带到了三维设计空问，实现了机械设计领域的革新口 机械产品设计不仅仅包括单个零件的设计，也包括将所有零件总装成一个整体的设计过 程。设计人员通过构思、创作想象和发明，对产品的外型、结构进行实体造型，并对其进行 布局与总体装配。 产品的设计与制造涉及许多有关产品几何形状的描述、结构分析、工艺设计、加工、仿 真等方面的技术，其中几何形状的定义与描述就成为其核心部分，因为它为结构分析、工艺 规程的生成以及加工制造提供基本数据。在早期的常规设计中，只能得到机械产品的三维投 影图，没有产品的三维模型。因此，无法预知产品设计中的潜在错误与不合理机构，也无法 分析产品的装配性能、结构性能和动力学性能，致使设计周期延长，效率降低。 在设计机械产品过程中，可以通过三维建模技术获得产品的立体模型，并结合各种分析 软件对其进行虚拟的监测与校核。在三维建模技术的支持下，产品设计己由产品的二维平面 设计转向三维模型设计。结合三维建模技术，可以采用自顶向下和自底向上的设计方法来建 立机械产品的三维模型。在构建了产品的三维模型后，可以进行结构的有限元分析、运动学 和动力学仿真等多方位的综合分析设计 2 1 2 三维实体建模方法 在表达与描述三维实体时，如何对几何实体进行精确、完整和唯一的定义，如何选择数 据结构描述有关数据，使其存取方便自如，这就涉及到几何建模的方法问题惜1 。所谓几何建 模的方法，就是将实体的描述和表达建立在几何信息和拓扑信息处理基础上。几何信息是指 物体在空间的形状、尺寸和位置的描述；拓扑信息构成物体的各个分量的数目及相互之间的 连接关系。按照对这两方面信息的描述及存储方法的不同，三维建模可分为线框建模、表面 建模、实体建模、特征建模和参数化建模，其中特征建模和参数化建模将在下面作详细介绍。 2 1 2 1 线框建模 线框建模是c a d c a m 发展过程中应用最早、最简单的一种建模方法。它利用基本线来定 7 贵州大学硕士学位论文 义设计目的棱线部分而构成的立体框架图。产品的轮廓外型由一系列直线、圆弧、点及自由 曲线组成。线框建模的数据结构是表结构，实体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在顶 点表及边表中。采用线框建模的描述方法所需信息量少，数据运算简单，占用存储空间小， 但缺陷是无法准确表示面，而且在物体形状的判断中会产生多义性，以至于难以准确确定实 体的真实形状。 2 1 2 2 表面建模 表面建模是通过对实体的各个表面或曲面进行描述而构造实体模型的一种建模方法。它 所构造的模型由许多块定义好的基本面素连接而成。基本面素可以是平面或二次曲面，如圆 柱面、圆锥面、圆环面、回转面等。表面建模的数据结构仍然是表结构，但除了顶点表及边 表之外，还提供了面表。表面建模能够比较完整的定义三维立体的表面，而且利用表面建模 能在图形终端上生成逼真的彩色图像，以便用户直观地从事产品的外形设计，从而避免表面 形状设计的缺陷。但表面建模也有缺陷，由于仅描述实体的外表面，没有展示出实体的内部 结构，因此无法表示出零件的立体属性，这给实体的质量特性分析带来了问题。 2 1 2 3 实体建模 实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现的，它能够定 义三维物体的内部结构形状，因此能完整地描述物体的所有几何信息，实体建模的方法主要 有体素法、扫描法等几种。由于三维实体建模能唯一、准确、完整地表达物体的形状，因而 在设计与制造中广为应用，尤其是对产品的描述、特性分析、运动分析、干涉检验以及有限 元分析，加工过程的模拟仿真方面，已成为不可缺少的前提条件。 2 1 3 特征技术与特征建模 2 1 3 1 特征定义与分类 1 9 7 8 年，m i t 的g o s s a r d 首次提出了“特征”一词，特征的研究源自于零件几何模型中 获得零件的几何形状，以便于工艺编程、g t ( g r o u pt e c h n i q u e ) 编码和n c 编程等旺引。针对于 不同的应用领域，许多专家对特征概念的定义也有所不同。p r a t t w i l s o n 定义为：特征 是一个零件上有意义的区域，共分通道( p a s s a g e ) 、凹陷( d e p r e s s i o n s ) 、凸起( p r o t r u s i o n ) 、 过渡( t r a n s i t i o n s ) 、域( a r e af e a t u r e s ) 和变形( d e f o r m a t i o n ) 等六大类特征( 前三类与实体 体积相关，后三类与面相关) ，它是基于形状对特征进行分类，己经为s t e p ( 产品数据表达 与交换标准：s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 所采用。s h a h 定义特 征为产品信息传递的载体( c a r r i e r ) ，能帮助设计、制造和其他工程任务之间的通讯与交流， 8 贵州大学硕士学位论文 共分形状特征( f o r mf e a t u r e s ) 、技术特征( t e c h n o l o g i c a lf e a t u r e s ) 、精度特征( p r e c i s i o n f e a t u r e s ) 、材料特征( m a t e r i a lf e a t u r e s ) 和装配特征( a s s e m b l yf e a t u r e s ) 等。有些学者 从设计分析方面将特征定义为一个或多个工程应用工程计算、功能评估、分析制造、检查和 服务等) 中用于推理的几何元素集；从加工或工艺规划方面将特征定义为表示与制造工具和 操作有关的形状和技术属性。由以上关于特征的定义可以看出，由于应用领域不同，视角不 同，对象不同，特征的认定相应的也就不同。 特征是产品信息的集合，不仅是一组相互关联的几何实体及其属性所构成的特定形状， 而且具有一定的设计和制造含义瞵。特征兼有形状和功能两种属性，为了对零件信息做进一 步的抽象化和形式化，以便灵活、有效地组织和处理零件的有关信息，有必要将特征进行分 类。从c a d c a m 集成的角度出发，特征可分为：形状特征、精度特征、材料特征、技术特征、 管理特征、装配特征等。形状特征可分为主要形状特征和辅助形状特征；主要形状特征用于 构造零件的基本形状，辅助形状特征用于对主要形状特征进行补充( 如螺纹孔、倒角和中心 孔等) ，其分类详图如图2 - 1 所示。 形 状 特 征 精 度 特 征 材 料 特 征 技 术 特 征 管 理 特 征 装 配 特 征 圆圆回 柱锥转 体体体霾 薯 筋 袭 孔 图2 - 1 形状特征分类 2 1 3 2 特征模型的表示 特征的模型表示包括特征自身信息的表示、特征之间约束关系信息的表示和特征造型历 史的表示。 1 ) 特征自身信息的表示 特征自身信息在表示方法上有隐式( i m p l i c i t ) 和显式( e x p l i c i t ) 两种表达形式。特征自 身信息的隐式表达提供了对形状特征的隐性描述，包括形状特征的平面草图轮廓、几何生成 9 贵州大学硕士学位论文 语义以及形状特征的生成参数。形状特征的儿何生成语义包括两个方面： 1 反映特征的类 型，即该特征是正特征还是负特征； 2 反映特征实例化手段，包括由平面草图轮廓生成形 状特征和实例化一个预定义的形状特征。平面草图轮廓生成形状特征有拉伸、扫描和旋转三 种生成语义，实例化一个预定义的形状特征可以转化为这三种语义。形状特征的生成参数为 由平面草图轮廓生成形状特征的参数，如拉伸高度等。隐式表示可用最少的参数定义形状特 征，表示格式紧凑，表达明确并可通过计算转化为显式表示，隐式表示为基于特征的参数化 设计奠定了基础。 特征自身信息的显式表达是指用b r e p ( 边界表示) 描述特征。边界表示详细记录了构 成特征形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接关系信息，以便直接存取构成形体的各 个面、面的边界以及各个顶点的定义参数。显式表示有利于以面、边、点为基础的各种几何 运算和操作。 2 ) 特征之间的约束关系 特征模型中主特征与子特征是依照各特征的定义顺序划分的，先定义的特征为主特征， 后定义的特征为子特征。特征之间的约束关系分为两种：一种是主子特征之间的定位尺寸约 束关系，特征模型中有两个坐标系即基于基特征的全局坐标系和基于子特征的局部坐标系。 两坐标系之间存在着坐标变换。子特征的定位参数记录着子特征的定位点、定位参考点定位 点与局部坐标系原点的偏移量以及定位点与参考点之间的偏移量。参考点一般选取主特征的 某一点。另一种是主子特征之间的位置拓扑结构约束关系。其中包括主子特征之间相互位置 的贴合关系和主子特征相交产生的交合关系，贴合关系又可以进一步分为存在依赖、拓扑依 赖以及尺寸依赖关系。 3 ) 特征造型历史表示 在表达零件的参数化特征模型时，除了表达特征自身信息以及特征之间的约束关系之 外，还必须表达设计过程中特征的添加次序，即特征的造型历史。在零件的特征模型的实现 以及修改中，保存特征的造型历史是十分重要的。对设计历程的记录，一个有效的手段是采 用c s g 树，树的终端结点为基本特征体素，而中间结点为正则集合运算结点，正则运算包括 并、差和交等运算形式。 2 1 3 3 特征建模 根据特征的应用领域的不同，特征建模一般有三种方法乜副：交互式特征定义 ( i n t e r a c t i v ef e a t u r ed e f i n i t i o n ) 、自动特征识别( a u t o m a t i cf e a t u r er e c o g n it i o n ) 和基于特征的设计( d e s i g nb yf e a t u r e ) 。 1 0 贵州大学硕士学位论文 1 ) 交互式特征定义 应用这种方法是首先由c a d 系统创立几何模型，然后由用户根据c a d 系统的数据结构和 几何模型来拾取实体进行特征的手工定义。在定义过程中数据结构是一主要方面，常采用 b r 和c s g 结构。 2 ) 自动特征识别 从6 0 年代i v a ns u t h e r l a n d 开发的s k e t c h r i a d 系统后，c a d 技术的发展就已经开始了。 早期的c a d 是基于二维的，实体建模技术的出现使产品无二义性的二维描述成为可能。此外 伴随着n c 机床在5 0 年代的出现，c a m 开始蓬勃发展起来。工程师使用c a d 、c a m 分别用于 设计和制造，但是c a d 、c a m 之间的通讯、联系机制几乎没有，c a d ，c a m 是两套彼此独立的 系统。c a p p 的出现成为c a d 、c a m 之间联系的纽带。c a p p 从c a d 接收数据，转换为特定产品 的加工结构描述。c a p p 必须从c a d 中提取零件的制造特征。 c a p p 在制定加工方案中，由于工序和视角的不同，存在多种方案，如果在系统中要求 对各种方案进行优化是很困难的，也是没有必要的，因为无论是设计还是制造都离不开人的 因素。一种可行的方案是满意设计或优势设计，即由c a p p 产生一种加工方案，由加工者予 以确认，如果加工者不满意所定方案，则系统重新产生另外一种方案，直至用户满意为止， 此即所谓的满意设计油1 。 自动特征识别这一方法在c m ： p 、n c 、g t 中应用较广泛。首先由c a d 系统创立几何模型， 由计算机程序自动识别数据库中的数据来提取和发现特征，以便用于c a m 的自动加工、制造。 这些方法都是基于加工约束来识别特征的，即假定识别出来的所有特征都能加工出来，一般 包括加工域的识别和基于加工的特征识别。基于加工的特征识别即将提取的几何模型与特征 库中预定义的特征进行匹配以确定特征类型。 3 ) 基于特征的设计 特征是构造几何模型的基本元素，许多基本特征( 类) 存放于特征库中，通过确定特征 的尺寸、位置参数和各种属性而生成零件实体模型。解构法是特征的构造用的最多的方法， 其原理是先选择基本块，后对其进行布尔减操作，一步步形成零件所需的形状。 基于特征的设计有利于将设计结果直接用于下游系统( c a p p n c ) ，有利于产品数据结构标准 化，有利于将设计功能意图包含在特征的表达之中；设计的产品是由一系列设计特征来表达， 设计通过对特征执行操作来完成，设计简单、自动化程度高。但是基于特征的设计由于特征 具有领域相关性，故基于特征的设计都是针对某一领域、甚至某一类产品，而不是通用的设 计系统，系统不容易泛化。另外，虽然可以用基于特征的体素通过布尔运算来构造实体，但 贵州大学硕士学位论文 由于系统不可能包括每一领域所有的实体体素，所以对某一特殊领域用户必须定义新的特有 的特征，即交互式特征定义。所以基于特征的设计必须有原有的特征库，还必须有用户可扩 充的特征库和特征选择优化模块。为了能够进行特征的识别和转换h 3 1 ，专家提出了交互式的 产品设计和基于约束的产品设计，设计者根据设计特征来进行产品设计，约束库对设计特征 进行约束检验，以使其设计满足产品装配和功能要求。 2 1 4 参数化技术与参数化建模 2 1 - 4 1 参数化设计技术 在c a d 技术发展早期，设计人员在绘制产品图形时，往往采用人机交互标注尺寸的方式， 其尺寸标注值都是固定的，所生成的图形只有图素本身的几何信息，而设计过程中的设计知 识、设计约束、功能条件等并没有保留下来1 。此外产品内部组件之间没有约束关系，设计 大多为改进型设计，不能实现尺寸变动与系列化设计。为了克服这些特点，研究人员提出了 参数化设计的方法。 ， 参数化设计就是采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几 何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，然后采用人机交互方式通过对话框 修改参数尺寸，最终由程序根据这些参数顺序地执行表达式来实现的方法。参数化设计极大 的改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、装配、 公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价 值。 1 ) 参数化设计的发展历程 参数化技术发展至今己有四十多年的历史了，在这期间众多学者对其进行了不懈的研究 与探索。 参数化研究工作最早可追溯到6 0 年代早期，这一阶段以s u t b e r l a n d 为代表，他在 s k e t e h p a d ( 1 9 6 3 ) 系统m 1 中提出利用约束作为辅助手段进行零件的生成，其对模型的修改只 是一个单向过程，没有使用约束定义和修改儿何模型，一旦模型生成后约束不能反过来限制 模型。 7 0 年代末，h i l l y a r d 提出变量几何和几