（机械电子工程专业论文）现代cad技术研究及三维参数化图库的建立.pdf

独创1 生声明 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。具我所知，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，也不包含为获得电子科技大学或其它教 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学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秘后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 皇型垫查兰堡主兰些堡壅 堡垡鲤垫查堡窒垦三丝兰塑些堕壁塑堡皇 摘要 参数化造型和变量化造型都是基于约束的造型技术，本文对这两种现代 c a d 技术中的主流造型技术进行了比较，讨论了基于约束的造型技术的基本特 点。在此基础上，深入研究了i - d e a s 系统的结构和特点，提出了在i - d e a s 平 台下建立三维装配实体以及相关三维参数化零件图库的方法。提出了在i - d e a s 平台下进行装配干涉分析和尺寸链精度分析的方法和意义。研究了在现代c a d 技术及网络技术支持下的并行工程的运行模式和体系结构，提供了在i - d e a s 系统支持下的并行工程实例。为推动企业由二维c a d 系统向三维c a d 系统的 转换提供了理论和实践依据。 关键词：i d e a 影特征逮垂，约束，变量砣兹；，并存兰程 电子科技大学硕士毕业论文 现代c d 技术研究及三维参数化冒库的建立 a b s t r a c t p a r a m e t r i c d e s i g n a n dv a r i a b l e d e s i g n a r eb o t h f e a t u r e b a s e d m o d e l i n g t e c h n i q u e s ，t h i sp a p e rc o m p a r e dt h e s et w om a i nt e c h n i q u e so fm o d e mm o d e l i n g t e c h n i q u e s ，d i s c u s s e dt h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r so ff e a t u r e b a s e dd e s i g nt e c h n i q h e o nt h i sb a s i s ，s t u d i e dt h es y s t e ms t r u c t u r ea n ds p e c i a lc h a r a c t e r i s to f t h ei - d e a s s u b m i t t e di n t e r f e r e n c ea n a l y s i sa n dt o l e r a n c e sa n a l y s i sm e t h o d s a n dc o n n o t a t i o nf b r a s s e m b l ym o d e li ni - d e a s s t u d i e dt h er u n n i n gm o d e la n ds y s t e ms t r u c t u r eo f c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gs u p p o r t e db ym o d e m c a d t e c h n i q u e sa n dw e bt e c h n i q u e s 。 p r o v i d e da l l i n s t a n c eo fc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n gs u p p o r t e db yi - d e a ss y s t e m p r o v i d e dt h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c ef o u n d a t i o n sf o r t h e e n t e r p r i s e ，t oi m p r o v et h e i r c a d s y s t e mf r o m2 d t o3 d k q w o r d s ：i - d e a s ，f e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g t e c h n i q u e ，c o n s t r a i n ，v a r i a b l ed e s i g n c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g 2 皇三壁垫查兰堕主生些笙室 型垡塑! 堇查堡塞垦三塞! 塾丝璺曼堕墨! ! 一 第一章现代c a d 技术 1 1c a d 技术发展概况 计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术在国外出现于6 0 年 代，作为电子信息技术的一个重要组成部分，c a d 技术是促进科研成果的开发 和转化，实现设计自动化，增强企业创新能力和竞争能力的关键高新技术；也 是进一步向现代集成制造系统( c i m s ：c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 发展的重要技术基础。c a d 技术将计算机高速的数据处理和海量存储 能力与人的逻辑判断、综合分析和创造性思维能力结合起来，对加速新产品开 发，缩短设计制造周期，提高产品质量，节约成本，增强市场竞争能力和企业 创新能力发挥了重要作用。现在越来越多的行业都离不开c a d 技术。c a d 技 术已经成为企业争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。 从广义上说，c a d 技术以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二 维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析( f e a ) 及优化设计、数控加工 ( n c ) 、仿真模拟及产品数据管理等内容。随着i n t e m e t 、i n t r a n e t 和并行、高性 能计算及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到了广泛的 应用。 c a d 技术产生于6 0 年代初期，在短短几十年内，经历了突飞猛进的发展， 目前，c a d 系统正处于开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期。 由于微机加w i n d o w s 9 5 9 8 n t 操作系统和工作站加u n i x 操作系统在以太网 的环境下构成了c a d 系统的主流工作平台，因此，现在的c a d 技术和系统都 具有良好的开放性。 图形接口、图形功能日趋标准化。从1 9 7 7 年至今，相继出现了计算机图形 接口c g i ，计算机图形文件标准c g m ，计算机图形核心系统g k s ，面向程序 员的层次交互式图形标准p h i g s ，基本图形转换规范i g e s 和产品数据转换规 范s t e p 等。这些标准有些是面向图形设备的驱动程序包，有些是面向用户的 图形用户接口程序包，有些是面向不同c a d 系统的文档规范。这些由国际标准 电早科技大学硕士毕业论文 现代g a d 技术研究及- _ - - 维参数化图库的建立 化组织( i s o ) 指定的标准为c a d 技术的推广、移植和信息资源共享起到了重 要的作用。 c a d 技术的集成化体现在四个方面：第一，系统构造由过去的单一功能变 为集成功能，出现由c a d c a m c a e c a p p p d m 等功能模块构成的计算机集成 制造系统( c i m s ) ；第二，c a d 技术中的有关软件和算法不断固化，用即用集 成电路及其功能块来实现有关软件和算法的功能；第三，多处理机、并行处理 技术用于c a d 中，使工作速度成数量级的提高；第四，网络技术在c a d 中被 普遍采用，使信息的共享突破了空间的限制，实现异地、协同、虚拟设计和制 造。 在c a d 系统中综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、 专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能c a d 的新学科。 1 2 国内c a d 系统研究状况 近1 0 年来我国的c a d 技术的开发和推广应用取得了很大的成果。形成了 一支c a d 开发队伍，开发了一批商品化的2 dc a d 系统。这些系统普遍采用了 动态导航和面向对象技术，系统操作简捷方便；具备了参数化变量化设计能力， 特别是采用了欠约束处理的技术，引入了“特征”的概念，具备特征处理的能 力，具有比较强大的编辑功能，具有运动仿真功能，很多都提供了符合国家标 准的标准件库、全参数化零件库、丰富的图形符号库；具备明细表自动生成能 力以及其他一些辅助设计手段。 与常见的国外2 dc a d 系统相比，国产软件基本具备了国外系统的编辑和 图形处理技术，其优势在于，国产2 dc a d 系统基于我国的现行规范，提供了 符合我国生产实际的设计环境，无论是在标准件的生成、标注尺寸格式、公差 标注、明细表的生成等等方面都比外国的系统能更好满足国内生产的需求。 国内2 dc a d 系统最大的不足在于系统开放性差，在行业c a d 系统的快速 生成和设计上与国外软件相比具有很大的差距，这也是国产c a d 系统很难在国 内大面积推广应用的原因所在。与之相比，国外的c a d 系统大都提供了很好的 应用程序接口，可以通过很多高级语言很方便的调用c a d 系统的内部命令和函 数，从而能更好更方便的在此基础上开发出适合某行业的专业c a d 系统。 4 皇王型丝查兰堕主兰些堡壅 堡垡塑垫查堡壅垦三丝竺墼堡璺堕竺塞皇一 从3 dc a d 系统来看，近几年来以大学为主力的开发队伍开发出了一批3 d c a d 系统，并已经开始以公司的机制将这些系统推向市场。比较具有代表性的 有清华同方的g e m s5 0 、华中天喻信息公司的i n t es o l i d 、广州红地公司的金银 花3 dc a d 、浙江大学大天公司的g s m c a d 等。从3 dc a d 系统的特点来看， 普遍采用了特征造型技术代替传统以集合设计为主的造型技术、从而提高了设 计效率；普遍具有较高的曲面造型能力，为解决复杂曲面的零件设计提供了手 段；采用了三维参数化、变量化设计，修改方便，易于用户使用；具有装配设 计能力，可提供装配树，为其他应用提供了基础；具备了2 d 3 d 相关联设计的 功能，可高效生成符合国家标准的工程图纸；提供了丰富的标准件库和方便的 查询、搜索添加和预览功能：具有较完善的渲染功能，可产生具有真实感的产 品效果图；系统使用了当前流行的开发工具，开放性好。 从国产3 dc a d 系统来看，就设计功能来说，已基本具备了国外大型c a d 系统的功能，采用了国际主流的造型技术，系统也具备了较强的开放能力。加 上系统同我国国家标准的结合，使国产c a d 系统在国内具有了更广阔的市场。 同时也标志着国产c a d 系统正在逐步与国际同步，不断成熟。 不过与外国大型软件公司的c a d 系统相比，国产c a d 系统还存在如下的 弱点： 开发规模小，技术水平较落后。国产c a d 系统一般由小型的工作组的方式 进行开发，而国外的c a d 系统一般是公司按照比较科学的软件工程的方式投入 更大的人力物力来进行开发，使开发的系统在规模和技术质量上还有着很大的 区别。 系统基本局限于设计部分，还没有较成熟的c a e 、c a p p 、c a m 系统。国 外制造行业，尤其是一些比较著名的企业，很多已经具有一套比较成熟的c i m s 系统，使整个产品生产效率和质量得到很大提高。 由于技术上还存在差距，国产c a d 系统市场占有率较低，国外c a d 系统 仍占统治地位。 皇至型垫盔兰曼圭望些堡壅 堡垡! 些茎查堕窒垦三丝皇塑! 兰里曼墅墨皇一 1 3 国内c a d 系统应用状况及发展趋势 在“八五”、“九五”期问，国内开展了c i m s 应用示范工程和c a d 应用工 程，目前已基本实现了甩掉图板的目标，c i m s 应用示范也遍及了包括航天航空 等国家重点行业在内的十几个行业，产生了明显的效果，新产品设计能力显著 提高，生产周期明显缩短，管理水平明显提高。 目前国内企业应用c a d 技术的特点是多数企业采用2 d c a d 解决了设计绘 图问题实现了甩掉图板的目标；很多企业正在逐步尝试建立p d m 进行图文档的 管理；部分企业开展了3 dc a d 的应用，利用3 dc a d 进行产品模型的设计、 动态仿真和机构模拟等，提高了设计水平和设计质量。 但即使如此，目前我国企业在国际国内激烈的市场竞争中面临巨大压力， 主要表现在知识更新、产品更新周期长，产品创新能力很弱，对快速变化的市 场反应能力差，参与全球市场竞争的力量很弱。 从我国c a d 系统应用状况与国外c a d 发展状况来看，我国近期c a d 系 统的研究主要应围绕以下几个方面： 进一步进行3 dc a d 系统的研发，应用先进的主流造型技术，开发更加完 善、高效、开放的3 d c a d 平台。 开发以p d m 系统为核心的集成系统，通过应用p d m 系统解决工程设计中 的大量文档、数字化产品模型、产品明细表与工程更改等信息的组织、管理和 控制。 解决c a d c a e c a p p c a m 各分系统之间的信息交换和数据共享问题，以 及各c a x 系统与e r p m r p i i 之间的信息集成问题。 集中进行c a p p 系统的基础理论和引用研究。由于c a p p 涉及范围广，因 此一直是c i m s 系统最薄弱的环节。国外已有一些商品化的c a p p 系统，国内 由于缺乏c a p p 系统的理论基础和应用基础，大多数国产c a p p 系统还仅仅停 留在“工艺卡片生成系统”的层次，很难发挥其应有的作用。 从企业的c a d 应用来说，应该围绕以下方面： 深化3 dc a d 系统的应用，提高产品创新能力。由于2 dc a d 仅仅用于绘 制工程图纸，支持的并非产品的设计，要解决产品设计，提高产品创新能力， 必须开展3 dc a d 的应用。因为3 dc a d 系统提供完整的三维产品模型数据， 6 皇三壁垫查堂塑主兰些堡窭 望垡塑! 垫查堡窒墨兰鲞竺塑些堕堡塑苎! l 可适应不同应用的需要，比如利用三维模型进行深入的有限元分析计算，以解 决产品的受力、受压、电磁场、应力应变等关键问题。推导和改进产品设计的 数据模型，以解决产品的设计理论问题，进行运动仿真和机构模拟，以提高和 改善产品的质量和产品结构。 深化c a d c a m 技术的应用，摆脱长期依靠引进的影响，走自己新产品开 发的道路。长期的引进、仿制，使企业技术、产品创新能力低下，缺乏具有市 场竞争力的产品，导致企业生存困难。目前大多数应用c a d 的企业，都是应用 2 dc a d 绘制引进产品的图纸进行生产，很难开创自己的产品。应该充分利用 3 dc a d 的手段，深化应用，开创自己新产品。 利用三维设计实现多企业合作联盟。国内企业普遍规模小、技术种类单一， 水平不高，因此企业发展，要走多企业联合的道路。充分发挥三维c a d 系统和 网络技术的优势，联合该行业各级企业，建立一条业务关系紧密、经济利益相 连的多企业合作联盟。为了将产品设计思想及时准确的传递给各个企业，必须 依靠三维产品模型才能达到。 企业在应用c a x 各单向技术的基础上，有计划、有步骤的向集成化发展。 逐步建立以p d m 为基础的集成化技术的应用系统。企业应充分考虑不同部门、 不同专业人员利用不同的系统之间以及p d m 、c a x 系统之间的数据交换和共 享，充分分析企业的实际需要和各部门对各种c a x 、m r p i i e r p 、p d m 的应用 情况。用p d m 实现企业信息集成问题是当前企业深化应用c a d 系统最主要的 问题之一。 1 4 c a d c a e c a p p c a m 集成开发应用课题 1 c a d c a e 领域新课题 我国c a d 技术在二维方面已经较成熟，但在3 dc a d 系统开发还有很多课 题需要解决或完善，c a e 技术还很不成熟。在这个领域的研究主要包括以下内 容。 曲面技术：曲面造型技术中，曲面方程的参数计算速度和弹性调整的最佳 化技术；曲面修改技术的设定限制的弹性修改；参数化曲面技术的曲面化参数 7 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化图库的建立 调整；实体特征曲面化技术以及补面技术等。 曲面与实体集成的核心技术：曲面特征化及其管理，在实体模型上做实体 表面的修改与调整，曲面与实体参数的修改与几何重建技术。 实体技术：实体特征设计技术、实体参数化设计技术、实体参数化组装技 术、布尔运算技术等关键技术。 各种分析技术，包括有限元分析、干涉分析、公差分析等等的数学基础研 究和应用研究。 2 c a p p 领域课题 目前c a p p 系统大体分为以下几种： 一是结合具体企业应用开发的变异式c a p p 系统。采用检索式生成工艺， 按零件或部件图实行一对一的检索生成工艺和相关工艺文件，这对企业的工艺 标准要求较高，无法在多个企业推广应用。 二是派生式c a p p 系统，是根据被加工零件的工艺特征编工艺码，查询对 应零件族的样件工艺，再加以修订来生成工艺和工艺文件，这种方法适于相似 件的工艺生成。这种方法要求有优良的编辑工具软件、方便用户使用；适用的 工艺数据库的建库、维护等。 此外还有创成式和半创成式的研究也是c a p p 开发者应突破的问题。其核 心技术是专家数据库的搜集、整理、检索和建立。 3 p d m 与c a d a p p c a e c a m 、m r p i i e r p 的集成 进一步开发和完善p d m 应有的功能，国内的p d m 很多具有了比较丰富的 功能，但具体功能与国外著名p d m 系统相比还有不少差距，其功能多处在图文 档管理的级别，这是很普遍的问题。加强产品结构配置的管理，目前国内p d m 大都按c a d 生成的产品结构树进行管理。应开发以电子仓库为底层支持，以 b o m 为组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，实现产品 数据的组织和管理的更强大的p d m 。 p d m 与c a d c a m p p c a e c a m 等系统的集成是当前最热门，也未解决好 的问题。集成方法主要有封装、集成、接i ：1 - - - 种方式。 封装是把对象的属性和操作方法封装在定义对象中。封装方式相比之下容 易实现，但只能提供较少的功能，p d m 系统无法管理c a d c a p p c a e c a m 等 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化图库的建立 应用系统文件中的数据。 接口是通过p d m 与各应用c a x 系统的a p i 借口程序，提取部分重要信息， 实现p d m 和c a x 系统的部分信息交换，可单向交换信息。 集成方式是真正了解p d m 和各c a x 系统的底层数据结构，通过编程来实 现二者库中的数据访问，集成方式具有双向交换所有相关信息的能力。集成方 式应该作为研究的重点和最终的目标。其实现主要通过与软件开发商的联合来 实施，另外，利用软件构件工具如c o m 、d c o m 、o l e 和c o r b a 等工具开发 软件，可为集成提供更加方便的手段。 9 电子科技大学硕士毕业论文现代c d 技术研究及三维参数化图库的建立 第二章现代主流三维造型技术 2 1 基于约束的三维造型技术 计算机辅助设计( c a d ) 自6 0 年代出现以来得到了广泛的应用，已经能够较 好地解决产品的应力分析、计算校核、绘制图纸等工作，提高了设计效率和产 品质量，给社会带来了很大的经济效益。c a d 技术的发展趋势之一是c a d 与 c a m 系统集成与一体化。 传统的c a d 系统是基于几何造型基础上的，例如基于边界描述( b r e p ) 和构 造几何法( c s o ) 的实体造型( s o l i dm o d e l i n g ) ，这些造型方法只是记录了零件的 点、线、面、体以及它们之间的拓扑关系，这些只是低层次的几何信息，后续 的c a p p 、c a m 系统需要的是零件的结构形状、材料、精度要求等工艺信息， 这是一种高层次的信息。 基于约束的c a d 系统不是传统c a d 系统的简单扩展，而是以一种全新的 思维和方式来进行产品的创新和修改设计。它用约束来表达产品模型的形状特 征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型， 并能方便的创建一系列在形状或功能上相似的设计方案。产品模型的修改通过 尺寸驱动或参数驱动来实现，给定几组参数值便可实现系列零件或部件的自动 生成。基于约束的变量化设计技术为初始设计、产品模型的修改、系列零件的 生成、多方案的比较、多人协同的并行设计等提供了强有力的手段，在工程绘 图、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计和数控加工等领 域发挥着越来越大的作用。 基于约束的设计方法最主要的特点就使能够处理用户对几何体施加的一系 列约束，而用户无需关心这些约束是如何被满足的。参数化设计( p a r a m e t r i c d e s i g n ) 和变量化设计( v a r i a b l ed e s i g n ) 是基于约束的设计方法中的两种主要形 式。它们都能解决设计时所必须考虑的集合图形约束和工程约束等问题，具有 在几何图形尺寸变动时自动更新图形的能力和尺寸驱动( d i m e n s i o nd r i v e n ) 功 能。无论参数化设计系统还是变量化设计系统，工程师都可用几何约束和工程 1 0 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化图库的建立 约束来设定产品设计上的要求。这些系统不仅是在初始的几何图形中要能满足 工程约束的设计要求，而且在图形参数变更时也要能保持整体工程关系不变， 这样工程师就不用考虑如何更新设计几何造型以符合设计上要求的几何图形约 束和工程约束关系，使c a d 系统能真正捕捉到设计者对产品的设计意图。参数 化设计系统和变量化设计系统从表面上看很相似，但它们技术上的差别主要体 现在约束方程的定义和求解上。 基于约束的特征造型( f e a t u r em o d e l i n g ) 的c a d 系统能从根本上解决二维 c a d 不能满足的需求。这种模型传递的信息是特征，它符合人们思维的高层次 工程描述信息，并反映设计和制造意图，为c a d c a m 信息的真正集成提供了 重要保障。 关于特征，有许多不同的定义，但是具有两个基本点： 1 、特征与零件的几何形状有关，是以有形的几何实体为依托的，借助形状 来存储和传递。 2 、含有大量相关信息，包括与分析和加工制造等各种过程有关的信息。例 如形状特征、辅助特征、精度特征、材料特征、加工特征、装配特征、总体特 征等等。 特征模型是由零件的总体特征、精度特征、形状特征、装配特征、几何拓 扑结构组成，以形状特征为主，其他特征与形状特征存在伴随关系，其结构如 图2 1 所示。 图2 - 1 零件特征模型结构 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化图库的建立 2 2 参数化造型技术 参数化设计系统所有约束方程的建立和求解依赖于创建它们的顺序，每个 几何元素根据先前已知的几何元素定位。编程人员预先设置一些几何图形约束， 然后供设计者在造型时使用。系统调用这些预设约束的组合，以确定各几何元 素的相关位置。参数求解采用顺序求解策略，后面的元素求解依赖于生成它的 几何元素。求解过程不能逆向进行。参数化方法注重于几何图形元素的邻域， 对设计模型的整体修改比较困难，难以调整约束依赖关系和求解顺序，因此最 适用于完全特性化的设计问题，即无需在设计方案上做重大改变的问题，如具 有明确层次依赖关系的装配体设计、系列标准件库设计等。 参数化造型技术具有如下的技术特点： 1 基于特征：参数化造型技术将某些具有代表性的平面集合形状定义为特 征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复 杂的几何形体的构造。 2 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何 形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) ，既不能漏注尺寸 ( 欠约束) ，也不能多注尺寸( 过约束) 。 3 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 4 全数据相关：一个尺寸参数的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸得 以全面更新。 从参数化造型技术的特点可以看出，相比于之前的造型技术参数化造型技 术无疑是c a d 技术上极大的进步。它彻底克服了自由造型的无约束状态，几何 形状均以尺寸的形式被控制。如果打算修改零件形状，只需要编辑尺寸数值即 可实现形状上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型技术的基本功能。 2 3 变量化造型技术 以s d r c i d e a s 为代表的变量化造型技术是在参数化的基础上又做了进 一步改进后提出的设计思想。变量化造型的技术特点保留了参数化技术基于特 征、全数据相关、尺寸驱动设计等优点，但在约束定义方面做了根本性的改变。 1 2 皇王壁垫查堂塑主兰些堡壅 型垡! 竺垫垄堡塞垦三丝苎墼些璺堡堕堡皇一 变量化设计系统针对设计对象的操作具有更好的灵活型和自由度，约束的 指定是陈述式的，即约束的指定没有先后顺序之分，约束依赖关系可以根据设 计者意图随意更改。它通常采用并行求解的策略，通过同时求解一组约束方程 来确定产品的形状和尺寸。另外，几何约束和工程约束可以联立整体求解，因 而功能更为强大；但是大型约束方程组整体求解的效率和稳定性显然不如参数 化设计。 在设计初期，设计者首先考虑的是设计思想及概念，并将其体现于某些几 何形状之中。这些几何形状的准确尺寸和各形状之问的严格尺寸定位关系在设 计初始阶段很难完全确定，所以在设计初始阶段允许欠尺寸约束的存在。此外， 在设计初始阶段，整体零件尺寸基准及参数控制方式如何处理往往还很难确定， 只有当获得更多具体概念时，一步步借助已知条件才能逐步确定怎样处理才是 最佳方案。这时变量化设计技术就比参数化技术具有更大的优势。 2 4 两种造型技术的基本差异 参数化造型技术及变量化造型技术都属于基于约束的实体造型系统，都强 调基于特征的设计、全数据相关、并可实现尺寸驱动( d i m e n s i o n d d v e n ) 设计， 也都提供方法与手段来解决设计时所必须考虑的几何约束和工程关系等问题。 由于这些共同点使两种造型技术看起来非常类似，但了解两者之间的基本差异 对了解c a d 技术的发展以及针对不同应用时c a d 系统的选型至关重要。 参数化技术在设计全过程中，都将形状和尺寸联合起来一并考虑，通过尺 寸约束来实现对几何形状的控制，在非全约束时，造型系统不许可执行后续操 作。参数化技术的工程关系如重量、载荷、力等关键设计参数不能直接参与约 束管理，而需要另建工程模型进行处理。 从内部计算方法来看，参数化技术要求满足全约束，每一个方程式都是显 函数，即所使用的变量必须在前面的方程式内已经定义过并赋值于某尺寸参数， 其几何方程的求解过程是顺序求解。其内在限定是求解特殊情况。因此系统内 部尽可能将所有可能发生的特殊情况以程序全盘描述，设计者只需要按照系统 规定方式去操作，系统保证设计的正确性及效率性。 这种思路的负作用在于，使用者必须遵循软件内在使用机制，决不允许欠 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化图库的建立 尺寸约束、不可逆序求解。当零件截面形状比较复杂时，参数化系统规定所有 尺寸表达出来的要求使设计具有较大的难度，另外，当某些尺寸或约束暂时无 法确定时，该设计方法也具有很大的局限性。 因此根据参数化系统的特点，从应用上来看，适用于那些技术已相当稳定 成熟的零配件行业，这类行业中，零件的形状改变很少，一般只需采用类比设 计，只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。 图2 - 2 参数化设计系统模型原理框图 变量化设计技术采用联立求解的数学手段，可更好的满足各种约束条件的 计算，可以解决任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以做到尺寸驱动 ( d i m e n s i o n - d r i v e n ) ，也可实现约束驱动( c o n s t r a i n - d r i v e n ) ，这对产品的结构优 化是十分有意义的。在变量化技术中，工程关系可以作为约束直接与几何方程 耦合，最后统一解算。变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理，这种思想 使设计过程能以欠约束的方式进行，操作者可先决定所感兴趣的形状，然后给 一些必要尺寸，尺寸是否不全不影响后续操作。可在设计的中后期再完成对形 状尺寸的全约束。 变量化系统的指导思想是：设计者可以采用先形状后尺寸的设计方法，允 许采用不完全的尺寸约束，只给出必要的设计条件。这种设计思想给了设计者 更加灵活的设计空间，使设计者在设计初期不必过多考虑尺寸因素，而是先从 全局形状进行考虑，再慢慢完善细节尺寸，从设计上更加贴近设计者的创造性 思维过程。由于变量化系统的特点，使变量化系统的应用领域也更为广阔。除 了一般的系列化零件设计，此系统在做概念设计时也能发挥很大的作用，比较 适于新产品开发、老产品改形等创新式设计。其弱点在于大型方程组解算的效 率和稳定性上。 1 4 电子科技大学硕士毕业论文 现代g a d 技术研究及三维参数化圈库的建立 图2 - 3 变量化设计系统模型原理框图 参数化设计方法和变量化设计方法具有各自的适用范围，用户可根据自己 特定的设计要求进行取舍。当前基于约束的设计方法研究趋向于将两者有机结 合起来，以发挥更大的效益。一般情况下，把基于约束的设计方法简称为参数 化设计。 皇王登垫查兰婴主兰些堡塞望垡! 竺夔查堡室墨三丝童翌些堕曼塑! ! j ! 一 第三章基于变量化设计的电机参数化零件图库开发 3 1 课题来源与意义 成都机车车辆工厂在前期的c a d 建设工作中，已经比较成熟的运用了二维 c a d 设计，实现了甩掉图板的目标。但根据新的发展趋势，仅仅依靠二维c a d 已很难推动企业的进一步发展，因此该公司正处于由二维设计向三维设计转型 的过渡时期，希望最终建立完善的企业级的p d m 系统a 在向三维c a d 系统转型过程中，选择哪种三维c a d 平台是一个重要的因 素，三维c a d 平台的选择是否恰当，将直接影响企业今后p d m 系统建设的效 率与质量，对p d m 之间的数据交换、各个部门之间的工作联系与并行设计都有 至关重大的影响，对提高企业的生产效率和质量，缩短设计周期，增强企业在 国内国际的市场竞争力具有十分重大的意义。 在导师杜平安老师的指导下，我承担了在i - d e a s 平台下建立电机三维参 数化零件图库的课题，课题内容是在i - d e a s 平台下对该厂的t q f r - 3 0 0 0 和 z q d r 4 10 c 两个型号的电机共约4 0 0 多个零件进行三维造型，建立零件实体和 装配模型，对部分厂标件和系列件建立参数化零件库，进行干涉分析和尺寸链 分析的实验性工作。i - d e a s 是美国s d r c 公司推出的基于变量化设计方法的三 维c a d 系统，包含了十分强大的造型、分析、装配和数控加工功能，同时能按 照c a d 的国际标准与其它c a d 平台进行数据交换。 3 2 i - d e a s 系统结构 i - d e a s 系统结构如图3 1 所示。在i - d e a s 系统中，p e a r l 数据库是各模块 之间数据交换的基础，p e a r l 数据库是一个关系型数据库管理系统，操作简便。 内部的几何实体模型由许多张二维表组成，它的形成是由i - d e a s 系统内部决 定的，用户可以在i - d e a s 平台下建立自己需要的特征库。系统与外部通过 i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es t a n d a r d 基本图形转换规范) 接口和其他数据接 口进行数据交换。 1 6 皇登垫查兰堡圭兰些堡壅 里燮竺皇堕翌苎墨三丝皇塑竺里堕堕! 堕! 一 图3 - 1i - d e a s 结构框图 - d e a s 采用主模型技术( m a s t e rm o d e l ) ，将设计的过程及其相关的支持过 程相联系，在产品的主模型及共享的库( l i b m r y ) 中，包含了整个设计及相关过程 所需要的数据，诸如几何特征、工程特征、管理特征等等，整个产品开发小组 可以在网络支持下，开展并行的设计工作，大大提高设计效率和质量，缩短设 计周期。 3 3 约束的表示与分类 基于约束的产品描述方法将产品的功能、特性、形状等属性通过约束的形 式表示出来，然后采用某种算法使这些约束同时得到满足，并在设计的整个过 程中得到一致的维护。基于约束的产品设计过程，就是约束指定和约束满足的 过程，它们不断循环求精，直到所有设计要求得到满足。 约束是特定元素之间必须满足的一组关系。对于一般的参数化c a d 系统， 约束主要分为几何约束和工程约束。 工程约束是产品在功能上需要满足的约束，反映了产品在工程语义上的设 计要求，一般以几何设计参数为变量的约束方程式的形式提供。例如某杆件传 递功率为p ，其直径d 由杆件传递功率来确定，可定义工程约束d = 盯p ) ，因此可 根据传递功率确定杆件直径。工程约束的引入使设计者可以直接关注设计的功 能要求，从而为主设计提供了强有力的支持。 几何约束包含两种类型：结构约束和尺寸约束。结构约束指几何元素之间 的拓扑结构关系，描述几何元素的空间相对位置和连接方式，其属性值在参数 化设计过程中保持不变，在工程图中往往是隐含的，并不明确给出，如平行、 垂直、相切等等。尺寸约束是通过图上的尺寸标注表示的约束，如距离、角度 等。几何约束在c a d 系统中用以下形式表示： 电子科技大学硕士毕业论文 现代g a d 技术研究及三维参数化图库的建立 c 。( i ：o j ，0 2 ，v ) 其中，c 表示约束；t 表示约束类型；o 表示约束的对象，v 表示约束值。 通过这样的公式实现尺寸驱动和约束驱动，其目的在于根据尺寸标注值和 约束的变化来修改图形，并保持图形变化前后的拓扑结构关系不变。 i - d e a s 平台中，对几何约束系统的建立主要有三种方式：第一种是在作图 过程中记录下该操作对应产生的约束。在制图过程完成后，几何约束系统就建 立起来了；第二种是按照已经画好的草图，用手工的方式指定约束；第三种是 由系统根据草图自动找出隐含的约束，再由人工进行修改。通过这三种方式的 结合，可以准确快速的捕捉设计者的设计意图，建立完备的几何约束系统。 3 4i d e a s 提供的约束工具 1 - d e a s 系统为设计者提供了完善的约束建立和检查机制。图3 2 是i - d e a s 中提供的几何约束，包括平行约束、垂直约束、相切约束和相交约束。 图3 - 2i - d e a s 中的几何约束工具 图3 - 3 是i - d e a s 提供的尺寸约束工具，包括直线距离约束、角度约束、弧 线半径约束和曲线长度约束。 阔3 _ 3i d e a s 中的尺寸约束工具 i - d e a s 除提供了以上约束建立工具以外，还提供了一套约束检查工具，如 皇王壁蔓查兰堡主兰些堡壅 婴垡璺旦垫查堡壅墨三丝篁墼些里墨堕! ! ! ! 一 图3 4 。分别为自由度检查、显示原因、显示效果、显示约束和动态显示几个工 具，通过这些工具，可以检查欠约束的图形元素、图形元素的自由度、导致欠 约束或过约束的原因，可以动态显示图形元素的活动范围、显示图形元素的相 关约束条件。 图3 - 4 约束检查工具 图3 5 是通过约束检查工具检查图形元素的右边框所得到的结果，可以看 出右边框上端点的左右方向和长度未约束，线条具有沿长度方向伸展和绕z 轴 摆动的自由度。 、(， 1、 厂 一也 ， 图3 - 5 约束检查结果 1 9 皇型垫查兰堡圭兰些笙奎 堡垡坠! 垫查堡塞垦三堂堂塑丝里堕苎堡i ! 一 3 5 基于特征的三维造型基本过程 图3 - 6 是z q d r 4 1 0 c 电机的前端盖模型，下面以此模型的建立过程为例说 明基于特征的三维造型的基本过程。 图3 - 6 前端盖模型 在i - d e a s 中，零件的造型过程可以看做是各个特征的定义过程。零件的 几何信息包含各特征及特征之间的拓扑关系，这种关系是以二叉树的方式存储 的，即i - d e a s 中的历程树。图3 7 是i - d e a s 中生成前端盖模型的历程树。 图3 7 前端盖的历程树 由图3 7 可以看出前端盖的整个生成历程，前端盖各个特征之间的拓扑关 系，可以通过对该历程树的各节点的操作来完成不同特征及前端盖的增加、删 除和修改操作。这种结构充分体现了基于特征造型的特点。 下面是造型的主要过程。 2 0 皇王壁垫查兰塑主兰、业笙壅 一墅兰塑旦垫查堡壅墨三丝兰塑丝里堕苎! 塾一 1 首先建立截面线框图( w i r em i i i l e ) 如图3 8 ，旋加适当的约束，选择有用 的线框图部分建立截面区域( s e c t i o n ) ，将截面区域旋转( r e v o l v e ) ，生成 前端盖主体如图3 - 9 。 图3 - 8 端盖主体截面线框图 图3 - 9 前端盖主体 2 建立一个肋板实体，用环形阵列方式生成所有肋板如图3 - 1 0 。 皇三型垫查兰塑主兰些堡壅 婴垡! 竺垫查堡壅墨三整苎塾坐里里塑堡兰一 图3 1 0 建立肋板实体 3 通过布尔运算，将前端盖实体和肋板连接起来。如图3 - 1 1 。 图3 1 1 连接肋板后的前端盖实体 4 最后，在适当位置打孔，倒圆，生成完整的前端盖模型如图3 1 2 。 图3 1 2 前端盖模型 要对模型某一特征进行修改，只需在历程树中找到特征的相关节点，修改 节点特征参数，便可进行相关修改。这是一个典型的回转体的造型实例。下面 再以电动机刷盒为例简要说明一个壳体零件的建立过程。 图3 1 3 为刷盒模型，对复杂壳体零件的造型，最重要的是准确的把握壳体 皇王塾垫查兰堡主望、业堡奎 銎垡! 竺垫查堡壅垦三丝兰墼些里堡塑壁皇一 零件的基本特征，排除次要特征对壳体零件复杂外形的影响。 图3 一1 3 刷盒实体模型 通过仔细的分析，刷盒实体可划分为前部的电刷盒部分，中部的立方体部 分盒后部的连接部分。实体造型从这三个基本部分开始。 1 首先建立刷盒主体如图3 1 4 ，将刷盒主体部分通过抽壳操作，形成刷盒 外壳。如图3 1 5 。 图3 1 4 电刷盒主体形状图3 1 5 抽壳后的刷盒壳体 2 由于刷盒基本是左右对称，因此，将壳体从中部切开后进行一半的造型。 添加中后部的主体形状和对称的特征部分。如图3 1 6 。 图3 - 1 6 一半刷盒实体 3 最后将半个刷盒通过镜像操作和布尔加法运算，生成完整的刷盒实体， 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化图库的建立 添加不对称的特征部分。完成的刷盒造型如图3 - 1 7 。 图3 1 7 完成的刷盒实体 图3 1 8 零件基本实体图3 1 9 零件线框图及尺寸约束 将图3 1 9 的线框图拉伸2 0 m m 后生成零件实体。在显示设置中选择“显示 标注尺寸”，得到零件实体图如图3 2 0 。 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化圈库的建立 影 黔 y 图3 2 0 包含标注尺寸的零件实体 图3 2 0 中的三个尺寸是该零件建立系列化参数图库的基本参数项，通过对 三个尺寸的调整，便可控制整个零件实体形状。对于复杂的零件，可能会有更 多的尺寸作为参数化图库的参数项。在建立了基本的零件实体以后，可选择几 种不同的方法来建立相应的参数化图库。选择哪种方法，取决于该系列零件的 变化方式。 选择修改命令，修改零件的尺寸名称，尺寸编号及名称如图3 2 1 。 l d i m e n s i o nn a m e i 1 ( i n n e rd i a m e t e r ) i d i 2 ( o m e rd i a m e t e r ) o d l 3 ( t h i c k n e s s ) t 图3 2 1 尺寸编号及名称 第一种方式，零件基本形状固定，各尺寸自由变化。在这种情况下，可简 单的将零件加入到参数化特征库中，便可完成参数化图库的建立。在调用该特 征零件时，需要指定内径( i d ) 、外径( o d ) 和厚度( t ) 三个参数来确定零件的实体 模型。图3 2 2 是通过该参数化图库建立的一个内外径和厚度分别为2 0 、1 0 0 和 l o m m 的零件实体。 电子科技大学硕士毕业论文 现代c a d 技术研究及三维参数化图库的建立 图3 2 2 通过参数化图库建立的一个零件实体 第二种方式，该零件只有一个或几个尺寸是变化的，其他尺寸的大小通过 变化的参数项，由一定的公式推算得出。这种方式主要用于建立部分形状和比 例不变化或按一定规律变化的参数化零件库。选择编辑命令，在子菜单中选择 尺寸列表项。进入该零件所有相关尺寸列表，进行编辑。例如内径作为参数尺 寸，外径为内径的2 倍，厚度为0 4 倍内径，则可编辑图2 0 中的尺寸列表，设 定o d = 2 * i d ，t = 0 4 * i d 。从参数化图库中调用该零件时，只需输入内径，外径和 厚度根据设定的公式自动生成。如图3 2 3 便是内径为5 0 时的零件实体，在零 件图的尺寸标注中，外径