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具有自适应功能的机械零件库c a d 系统的研究与应用 摘要 随着商品经济的发展，产品的竞争越来越激烈，多品种短周期成为竞争的 主要手段。飞速发展的制造业要求传统c a d 系统不再仅仅作为绘图工具，而 需要形成一种智能化的融合设计、绘图、装配与图档管理为一体的c a d 系统。 本文正是在此背景下设计开发了机械零件自适应c a d 系统。 文章介绍了运用v is u a lc + + 、o b j e c ta r x 和s q ls e r v e r 对a u t o c a d 进行 二次开发的基本原理和特点。详细阐述了机械零件自适应c a d 系统的功能、结 构、设计校核流程及参数化绘图的过程，对实现系统功能模块的功能嵌入技术、 数据库存取技术、人机界面友好技术和参数化技术等若干关键实现技术进行了 探讨。 本文采用知识工程( k b e ) 技术，根据机械设计的知识构成和特点，针对于 不同类型的图库模块，设计开发了融合标准件库、常用机械零部件库和一般零 件库三类图库的全方位的集成零件库。深入研究了事物特性表、自适应衍生和 常用机械零部件的设计准则和经验等等相关的机械设计知识，并将知识其应用 到系统开发中。首先建立基于事物特性表的标准件库。实现标准件库的标准化 且易于扩充，利用扩展实体数据功能为标准件加载信息，从而能够实现装配设 计中对标准件的整体识别。然后，设计开发了智能化的常用机械零部件图库， 实现带、齿轮、轴承传动装置的智能化设计、校核与绘图，缩短了设计的生命 周期，提高产品竞争力。最后引入自适应衍生技术，开发了一个自适应图形数 据库管理系统，建立了相应的图元库、约束库和菜单节点库，方便快捷的对图 块进行合理化的管理、扩充和复用。 关键词：o b j e c t a r x ；k b e ；零件库；事物特性表；自适应 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc a ds y s t e mf o rm a c h i n ep a r t s l i b r a r yw i t ht h es e l f - a d a p t a b l ef u n c t i o n a bs t r a c t w i t ht h ec o m m o d i t ye c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h ei n t e n s e l yc o m p e t i t i o no f p r o d u c t s ，t h em o r em u l t i v a r i e t i e sa n d t h es h o r t e r c y c l eb e c o m et h em a i n c o m p e t i t i v em e t h o d s t h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yr e q u e s tt h a t t r a d i t i o n a lc a d s y s t e mi sn ol o n g e ram e r e l yc a r t o g r a p h yt o o l ，b u tn e e d s t ob eas y s t e mi n t e g r a t i n g i n t e l l e c t u a l i z e dt h ef u s i o no fd e s i g n ，c a r t o g r a p h y , a s s e m b l ya n df i l e m a n a g e m e n t t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e dt h ec a ds y s t e mf o rm a c h i n ep a r t sl i b r a r yw i t ht h e s e l f - a d a p t a b l ef u n c t i o nu n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fa u t o c a db a s e do nv i s u a lc + + ，s q ls e r v e r a n do b j e c ta r x e l a b o r a t e di nd e t a i lt h es t r u c t u r eo ft h ed e s i g nv e r i f i c a t i o na n dp a r a m e t e r i z a t i o n c a r t o g r a p h ys y s t e m ，t h ed e s i g na n dt h ev e r i f i c a t i o nf l o wa sw e l la st h ep r o c e s so f t h ep a r a m e t e r i z a t i o nc a r t o g r a p h yu s i n gt h ed e s i g nr e s u l t a n dd i s c u s s e d s e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e st or e a l i z et h es y s t e mf u n c t i o n e s t a b l i s h m e n to fs t a n d a r dp a r t sl i b r a r yb a s e do nt a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c si sd e s c r i b e di nt h i sp a p e rf i r s t l y t h e1i b r a r yise a s yt oe x p a n da n d s u p p o r t sp a r t sg l o b a lr e c o g n i t i o ni na s s e m b l yd e s i g n t h e nb a s e do nt h ek n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ( k b e ) t e c h n o l o g y ，d e v e l o p e da n i n t e l l e c t u a l i z e dg r a p hl i b r a r y ，w h i c hr e a l i z e st h ei n t e l l e c t u a l i z e dd e s i g n ，e x a m i n a t i o n a n dp a r a m e t e r i z a t i o nc a r t o g r a p h yf o rb e l t ，g e a ra n db e a rt r a n s m i s s i o n t h es y s t e m c o u l dr e d u c et h ed e s i g nl i f ec y c l e ，a n de n h a n c et h ep r o d u c tc o m p e t i t i v ea b i l i t y f i n a l l yb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fs e l f - a d a p t a b l e ，a na d a p t i v ep a r a m e t r i cc a d g r a p h i cd a t a b a s es y s t e mi sd e s i g n e d ，t h eg r a p h i cu n i td a t a b a s e 、c o n s t r a i n td a t a b a s e a n dm e n ud a t a b a s ew a se s t a b l i s h e dt oh e l pt h ed e s i g n e rr e u s et h ep r e v i o u sg r a p h ， a n de x t e n dt h ep r e v i o u sg r a p hq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：0 b j e c t a r x a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ： ；k b e ；m a c h i n ep a r t sl i b r a r y ；t a b u l a rl a y o u t so f s e l f - a d a p t a b l e 插图清单 图2 一lk b e 技术设计流程图1 1 图2 2机械零件自适应c a d 系统功能框架图1 4 图2 3零件图形结构单元分类1 4 图2 4标准件库功能流程图15 图2 5常用机械零部件库功能流程图1 6 图2 - 6一般零件库功能图1 7 图3 - i四种开发工具的比较2 2 图4 - 1菜单加载3 0 图4 - 2有a u t o c a d 风格的界面实例3 4 图4 - 3a d o 对象模型结构图3 6 图5 - 1螺栓a 类构件与k 类关系实例图4 6 图5 - 2标准件库运行框架图4 7 图5 - 3螺栓选型界面4 9 图5 - 4螺栓参数确定界面5 0 图5 - 5基于事物特性表便准件库的部分图形实例5 1 图5 - 6齿轮设计模块流程图”5 4 图5 - 7齿轮选型界面5 5 图5 - 8齿轮初始参数输入界面5 6 图5 - 9齿轮齿面接触疲劳强度校核界面5 7 图5 - 1 0齿轮齿根弯曲疲劳强度校核界面5 8 图5 - 1 l绘图参数设置界面5 9 图5 - 1 2齿轮二维图绘制实例6 0 图5 - 13树形管理菜单和图库的交互关系6 0 图5 - 1 4树形图库管理对话框6 3 图5 15新建图库文件界面6 4 图5 1 6图库文件插入界面6 5 图5 一l7新建图库文件流程图6 8 图5 - 1 8图库文件复用流程图6 9 表格清单 事物特性表结构表4 3 螺栓特性代码名称对应表4 4 螺栓特性表4 5 g b 5 7 8 0 系列特性尺寸对应表4 5 齿轮设计系统输入项对应表5 6 齿轮设计系统输出项对应表5 8 动态树状图形管理菜单数据库设计表6 0 点的数据存储表6 6 线的数据存储表6 6 圆的数据存储表6 6 常见的求解方法以及对应的约束表6 7 约束库的设计表6 8 o 1 2 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l l l 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 表表表表表表表表表表表表 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志和致谢的地方外，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 金胆兰些太堂 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已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：才蕾五签字日期：九部年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目曼王些太堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：安 签- 7 - ：日期：词年月歹f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：谚 签字日期： 彩年f 月2 i e l 电话：。玎。占口厶勰多。 邮编：- o - - 。 研 矸 雾泐 雒峄 艄彤 嗲p削畸 、泵氰 两劫 致谢 首先衷心的感谢我的导师赵韩教授在我硕士研究生两年多来对我在学习方 面的信心指导和在生活上面的关怀照顾。 “学高为师，身正为范 。赵老师严谨的治学态度、求实创新的开拓精神、 忘我的敬业精神，渊博的学识、开阔的视野、敏锐的洞察力和宽以待人、诲人 不倦的高尚品质给我留下深刻的印象，并时刻激励着我奋发向上。赵老师不仅 仅教会了我如何在科研的道路上取得进步，更重要的是教会了我如何做人，如 何真正实现自己的人生价值。这一切都将对我今后的学习和生活巨大的影响， 令我终生受益。再次对恩师表示我衷心地谢意! 同时衷心的感谢我的师母张辉 老师在生活上、学习上的关怀、指导和帮助! 衷心感谢实验室的董玉德、陈科、曹文钢、姜康多位老师给予我工作和学习 上的无私指导和帮助l 衷心感谢实验室的陈兴玉、武照云、许肇云等师兄师姐和刘孙、何亮、许辉 等同学在我学习、工作生活上的帮助。 衷心感谢我的室友张少静、张艳和臧娈，她们陪我走过了从本科到研究生六 年半的学生生涯。 衷心感谢我的父母家人，没有他们的鼓励和支持，我不可能完成我的学业。 感谢文中引用文献的作者们。 感谢我有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 谢谢大家! 作者：杜立 2 0 0 8 年1 月 1 1 研究背景 第一章绪论 随着商品经济的发展，产品的竞争越来越激烈，多品种短周期成为竞争的 主要手段。过去那种手工设计计算、手工作图的传统设计方式，早己成为缩短 产品开发周期的严重障碍，工程设计人员迫切需要采用先进的设计技术，特别 是计算机技术，把自己从繁琐的工作中解脱出来。 于是计算机辅助设计( c a d ) 技术迅速发展起来，它把工程设计人员的设计经 验和先进的计算机技术结合起来，成为替代传统设计方式的重要手段。伴随着制 造业的快速进步，工程设计领域将面临巨大的挑战，手工设计方法将被计算机 辅助设计( c a d ) 所替代，逐渐统帅整个工程设计领域。 而现行的c a d 软件，多数仍缺乏设计理论方法与管理思想的统帅，仅仅作 为一种绘图工具使用。如何运用基于知识库的k b e 技术，将设计理论、设计方 法与管理的新理念引入到c a d 软件当中去，形成全套的面向企业的智能化集 成设计系统，是实现企业信息化生产的核心课题，是我国制造业刻不容缓的重 要任务。 1 1 1 c a d 发展的历史 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后期，是一种用计算机硬、软件系统辅助 人们对产品或工程进行设计的方法和技术，是一门多学科综合应用的新技术。 到目前为止计算机应用己经渗透到了机械产品生产的各个环节。利用计算机可 以进行产品的计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 、计算机辅助绘图 ( c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工程分析 ( c a e ) 、计算机辅助工艺规划( c a p p ) 、产品数据管理( p d m ) 、企业资源计 划( e r p ) 等。 这些技术一开始是各自独立、平行地开发应用的，因而被称为孤岛技术。 由于在技术上和应用上都密切相关，后来在工程实践中这些技术逐渐结合在一 起，为企业带来了更大的经济效益。计算机辅助绘图主要解决机械制图问题是 计算机辅助设计的一个组成部分，也是计算机辅助设计的一个重要的应用领域。 c a d 系统准确地讲是指计算机辅助设计系统，其内容涵盖产品设计的各个方 面。把计算机辅助设计和计算机辅助制造集成在一起，称为c a d c a m 系统由 于机械设计、制造和分析的密切相关，很多c a d 系统逐渐添加c a m 和c a e 的功能，所以习惯上工程界把c a d c a m 系统或者c a d c a m c a e 系统仍然叫 做c a d 系统，这样就扩大了c a d 系统的内涵。企业资源计划erp 在制定生 产计划、销售计划和采购计划时，需要从c a d 系统获得产品结构，从计算机 辅助工艺规划c a p p 系统获得制造每个零件的工时和材料定额等基础数据，同 时需要产品数据管理p d m 系统作为集成的桥梁。因此出现 c a d c a m c a p p e r p p d m 的集成。这些技术不同程度的集成，可以满足从构 建中小规模c a d c a m 系统，到建立企业级c i m s ，实施并行工程等各个层次 的需求。 1 1 2 c a d 技术的功用 c a d 技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机 及其它领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提 高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。 c a d 能够提高产品的设计质量，缩短科研和新产品开发周期，降低消耗， 提高新产品的可信度，大幅度提高劳动生产率，实现脑力劳动自动化。总体来 讲，c a d 系统具有以下优点： 1 使传统的设计计算程序化，减轻工程设计人员的计算强度合重复性工作， 提高设计的正确率，提高设计工作效率，缩短设计周期，加速产品的更新换代。 2 用计算机来表示产品的模型，使物理模型可视化、数字化、参数化和变量 化，设计人员可以在设计过程中观察到设计的对象，并作必要的修改；特别使 对系列化的产品设计，只需在原有的设计基础上作少量的修改，就可成为新的 产品设计方案。 3 利于产品的标准化、通用化、系列化，且有利于与计算机辅助制造、计算 机辅助管理技术相结合。 采用c a d 技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板 ，更新传统 的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上 的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全 新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今 世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用c a d c a m 技术进行产 品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行c a d c a m 软件的开发，以保持 自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。总的来说，c a d 技术具有以下特 点： 1 缩短产品开发周期：由于计算机运算速度及数据查询速度极快，用户根 据设计目标向计算机发出指令，计算机则根据人的意图做出反应。对特定的产 品，利用专门品，利用专门的软件或程序，设计速度可以提高几十倍。由于计 算机能够直观地将设计结果展示出来，设计者根据计算机的显示可以做出快速 的反应。在计算机上修改设计比在图纸上修改要容易得多，而且计算机能提供 复制、查询等功能。因此采用c a d 系统能够极大地提高设计效率。 2 提高产品设计质量：由于计算精度高和便于优化设计，设计人员在具备 2 专业知识的基础上，利用c a d 手段可以完成更高质量的设计。设计人员利用 实体造型可以直观地在计算机中将产品制作出来。采用先进的参数化设计、全 相关数据库技术可以最大限度地避免设计上的疏忽。 3 降低生产成本：由于c a d 能够缩短设计、加工和装配的时间，降低废品 率，减少库存，所以将大大降低企业的生产成本。 4 提高管理水平：c a d 系统所生成的设计结果主要是计算机数据，保存和 检索都比较容易。在已经建立企业内部网的前提下，采用产品数据管理技术易 于实现全局性的管理，提高企业的管理水平。 1 。2 国内外研究动态 1 2 1 国内外现状 1 国外发展现状 自6 0 年代中期到7 0 年代中期，针对某个特定问题的c a d 系统蓬勃发展， 出现了以自动绘图为目的的配套c a d 系统，与此同时，为适应设计、加工任 务的要求，三维几何处理软件也相继出现，并得到了迅速发展，例如英国的 b u i l d 系统、日本的t i p s l 和g e o m a p 系统、美国的c a d d 系统等相继出 现。目前c a d 技术日趋成熟，应用日益广泛，有力的促进了全球高新技术的 发展和产品的迅速更新换代。美国、日本及西欧等工业发达国家的飞机、汽车、 机床等设计制造业几乎都应用了c a d 技术，c a d 在机械制造业中已达到了很 高的应用普及率。美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司都有自己的c a d 系统；美国波音公司在7 3 7 的生产过程中，实现了1 0 0 无图纸生产；日本丰 田汽车公司轿车车身的设计、制造，由于采用了c a d c a m 集成系统，新型车 身的开发生产周期缩短了4 5 。 c a d 技术的发展至今己有4 0 多年的历史。c a d 技术的发展与工业实际应 用和需求密切相关，随着实际应用需要，一些计算机应用的新技术和一些新的 算法在c a d 中不断出现和发展，主要表现在：建模技术的研究和发展：数据 管理技术的研究和发展；标准化技术的研究和发展三方面。 2 国内发展现状 进入9 0 年代，我国机械c a d 软件取得了长足的进步，国内自主版权的c a d 软件走向成熟，以高性价比和优质服务在国内赢得了一定的市场占有率，为企 业的技术进步发挥了重要作用。 ( 1 ) 逐步向专业型c a d 软件发展 一方面，在a u t o c a d 等国外通用c a d 软件平台上出现了众多面向各行业 的二次开发软件，典型的有国内的大恒c a d 、天正c a d 等。另一方面，产生 了不少主要适用于机械行业的c a d 软件，独立开发的有开目c a d 、天喻c a d 等。这些软件主要提供绘图、标准、图形库、输出等功能，也有板金下料等辅 助功能。 ( 2 ) 操作方式趋于智能化 智能化的目的是不断提高计算机辅助的水平，减少用户的信息输入量和记 忆量，提高工作效率。 ( 3 ) 提供参数化设计功能 目前，国内的c a d 系统，不同程度的提供了参数化设计功能，但大多数 c a d 软件只能进行单视图图形的参数化。 ( 4 ) 提供工程图形库和建库工具 为了降低机械产品的制造成本，在设计中要大量选用标准件。由于在各行 业中使用的标准件不尽相同，c a d 软件还应提供标准件的建库工具。 ( 5 ) 提供图纸管理和查询功能 在用c a d 软件绘制了大量图纸后，如何进行图纸的管理，方便的调用和查 询所需的图纸是十分重要的。目前许多c a d 软件都不同程度的提供了图纸管 理模块。基本的功能包括根据图纸的名称、图号等参数和图纸的幻灯片等进行 搜索和图纸的调用，还提供了根据零件类别、材料进行分类和查询统计的功能。 ( 6 ) 方便装配图的设计 为方便装配图的设计，许多软件都提供了由零件图拼装成装配图的功能， 有的软件还可同时编辑多张图纸。一些先进的c a d 系统还可以自动生成零件 明细表和整个产品的b o m 表，并可生成d x f 文件，与数据库软件集成。 1 2 2 国内外差距 ( 1 ) 目前我国c a d 系统缺乏设计方法和设计理论的指导 我国c a d 软件开发虽然已经形成了几个系统，但在技术上创新少，缺乏设 计方法和设计理论上的研究。只将设计过程的最后阶段一绘图阶搬到计算机上， 而设计过程仍然在设计师的头脑中完成，这样设计效率并没有太大的提高。很 多企业也只是把c a d 作为个绘图工具，缺乏对产品设计理论和设计方法的 研究，创新产品较少，在市场上缺乏竞争力。 ( 2 ) 我国三维c a d 软件还不成熟 真正解决产品设计问题的是三维c a d 系统，而目前我国自主开发的三维 c a d 系统还未真正形成商品软件。在2 0 0 0 年8 月份国家8 6 3 c i m s 项目“基 于线框、曲面、实体和特征表示的产品造型和设计系统 的招标中，有五家参 加了招标，都开发了原型系统，但其功能、成熟性都不理想。而这类c a d 系 统国外软件早己占领了中国市场，除了三维工作站c a d 系统外，近几年来p c 机w i n d o w s 环境下的三维c a d 系统也进入了中国市场。如s o l i dw o k s ，p r o e ， m d t ，u g 和c a t i a 等等。 4 ( 3 ) 信息集成技术落后 信息技术的广泛集成是以产品数据管理( p d m ) 和过程管理( p m ) 为集成，实 现c a d c a e c a p p p d m 的有机集成，在并行工程中，p d m 也是重要的集成。 而我国在这方面的研究仅仅开始，至今也没有一个在国内市场上成熟的数据库 管理系统( d b m s ) 。因此，这类基础性软件也被国外的系统占领了市场，我们的 c a d c a e c a m 集成技术又建立在国外基础系统上。 ( 4 ) c a d 中的数据交换格式和标准化落后 在c a d 技术的标准化方面，我国由于技术落后，资金投入不足，对此重视 不够，至今未提出一个有关c a d 方面的标准，完全是采用国外的一些标准， 如i g e s ，s t e p 等，另外由于种种因素，也跟不上国外标准的更新和发展，因此 造成国内c a d 软件系统在数据交换、标准化等方面存在不少问题。 1 2 3c a d 发展趋势 c a d 是2 0 世纪全球最杰出的工程技术成果之一，是跨世纪的国家关键技 术。因此c a d 技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要 标志，在一定程度上反映出一个国家的综合实力。 c a d 技术涉及面广而复杂、技术变化快，新的理论、技术和方法的研究， 从未停止过。到目前从总体上讲，c a d 技术的发展趋势是参数化、智能化、集 成化、标准化和协同化。 1 参数化：传统的c a d 绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素，要进 行图面修改只有删除原有的线条后重画，而新产品的打样设计不可避免的要进 行多次的修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化，而且大多数设计工作 都是在原有设计基础上的改进。 参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约 定尺寸关系，设计结果的修改受尺寸驱动。生产中最常用的系列化标准件就是 属于这一类型。变量化设计是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解 一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是 工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。变量化设计允许尺寸欠约 束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求 的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。变量化设 计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等，尤其 在做概念设计时更显得得心应手。 2 智能化：现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操 作逐渐由计算机智能化地进行处理。如图纸尺寸标注，原来每增加一个尺寸都 要作很多操作现在用户只要指明要标注的对象，尺寸就能在图上适当的位置 标注出来。甚至对整个设计对象自动标注尺寸。图形的修改更加方便了。用户 5 只需要很少的操作就能把图形作合理的修改。在图形的绘制方面，很多系统增 加智能导引的机制。系统始终猜测用户的设计意图，并根据当时的设计环境提 供不同的人机交互工具，使用户感觉非常顺手。 人工智能是计算机几大功能之一，将人工智能引入c a d 系统，使其具有专 家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，以及智能化的视觉、 听觉、语言的处理能力，从而达到设计自动化的目的。 要真正使产品的质量好、成本低、市场竞争能力强，就需要采用最好的设 计、最好的加工和最好的管理，就需要总结国内外相关产品的设计制造经验和 教训，把成功的设计制造经验做成智能设计、智能制造系统去指导新产品的设 计制造，才能使企业的产品具有创造性。 3 集成化：它的内涵是借助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地 集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。这个概念强调了两个方面：一 方面是企业的各个生产环节不可分割，需要统一安排组织；另一方面是产品制 造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程。 集成化主要包含信息集成、过程集成和企业集成： a 信息集成主要是指在企业内部实现信息正确、高速的共享和交换，是 改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。 b 过程集成是指把产品设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行工 程，在设计时考虑到下面工序中的可制造性、可装配性，则可以减少反复，缩 短开发时间。并行工程便是基于这一思想的一种先进制造模式。 c 企业集成是指为提高自身的市场竞争力，企业必须面对全球制造的新 形势，充分利用全球的制造资源，以便更好、更快、更节省地响应市场。 4 标准化：随着c a d 技术的不断发展和日益成熟以及各行业c a d 应用的不断 深入，c a d 标准化工作越来越显示出了它的重要性。标准化的发展不仅避免了 因地区或行业之间的差异所产生的资源和产品浪费，同时大大提高了劳动生产 率、缩短了开发周期，促进了制造行业的各个设计领域与整个产业的协调发展。 5 协同化：全球计算机网络，特别是i n t e r n e t 的发展使得实时交互协调设计 成为可能。不同的设计人员之间，不同的设计组织之间，不同的部门工作人员， 不同地域的设计者之间均可实现资源共享，实时交互协调参与、合作设计。c a d 设计向着协同化的方向发展，有助于发挥员工的创造精神和主动性，形成以人 为核心的企业内部计算机辅助工程协同系统，从而提高设计质量、缩短设计开 发周期、降低设计开发成本。 6 1 3 课题来源与研究意义 1 3 1 课题来源 课题来源于对北京标准化研究所“多c a d 平台通用零部件智能化设计系统 项目中a u t o c a d 平台下通用零部件智能开发系统部分的深入研究。在原项目基 础之上又融合了标准件库以及自适应零件库，最终形成本文中的机械零件自适 应c a d 系统。该图库系统已经推广到广州万喜电器燃气具有限公司使用，反映 良好。 1 3 2 课题的研究意义 进入2 1 世纪以来，随着中国制造行业的崛起与发展，中国将逐渐成为世界 上的制造业大国。a u t o c a d 作为p c 上最为流行的c a d 软件，在我国制造业 有着非常广泛的应用。经调查显示超过半数以上的中小型企业在使用a u t o c a d 进行工程图纸的绘制。a u t o c a d 因其易于掌握、使用方便、体系结构开放的优 点，广泛应用于机械、建筑、电子、航天、造船、石油化工、土木工程、冶金、 地质、气象、纺织、轻工、商业等领域。 在三维c a d 软件大行其道的今天，a u t o c a d 从r 1 4 ，到a u t o c a d 2 0 0 0 ， a u t o c a d 2 0 0 4 一直到最新版的a u t o c a d 2 0 0 7 ，历经3 0 多年年发展历史昌盛不 衰，活跃在各大工矿企业和学校中，并呈现勃勃发展生机。究其根本原因是因 为在企业中，在生产线上，用于投入生产的图纸仍然是二维工程图，a u t o c a d 在二维图绘制上的强大功能，是其他三维软件望尘莫及的。 那么为了适应企业生产的需要，充分发挥a u t o c a d 的强大设计建模功能以 满足工程设计领域日益增长的需求，对其进行二次开发设计出能适合某一特定 领域中的c a d 系统，是一项十分重要而紧迫的任务。我国自“七五 计划开 始有计划有组织的引进和应用c a d c a m 技术，但因价格昂贵，难以推广。“八 五 期间对软件进行一系列的二次开发，但进展缓慢。2 0 世纪9 0 年代，为响 应国家开发自主知识产权的c a d c a m 的号召，开始了自行研制c a d c a m 软 件。清华大学、浙江大学、华中科技大学等各大高校纷纷与企业合作，开发具 有自主版权的c a d 系统。本文正是在这样的环境需求下产生的。 机械零件库并不是一个新的概念，零件库概念的明确是在计算机辅助设计 ( c a d ) 之后。随着信息技术的不断发展以及市场竞争对零件提出愿来越高的 要求，零件库的概念和内涵发生了很大的变化，并处于不断的发展之中。 对于a u t o c a d 环境下的机械零件库，我们首先应认识到a u t o c a d 的自身 缺点，比如不支持草图设计，不能添加或删除图形约束，不能对现有图形进行 自适应扩展等等，而这些功能在三维c a d 软件中已经发展成熟。如何博采众 家之长? 如何在a u t o c a d 强大的二维绘图功能的基础上增加三维软件中的自 7 适应功能? 也是一个非常具有研究意义的课题。因此本文所述的a u t o c a d 环 境下机械零件自适应c a d 系统的研究具有很大的现实意义。 ( 1 ) 有助于缩短机械类产品的设计和生产周期，降低产品成本，提高产品质 量和产品生产率，大大增强产品和企业的竞争力。 ( 2 ) 有助于推进机械产品生产的标准化、参数化、智能化和协同化发展趋势； 促进了制造行业在各个地区、各个设计领域和整个产业的协调发展。 ( 3 ) 有助于增强高校与企业的合作，开发自主知识产权的c a d 系统，同时也 为我国应用软件的设计开发事业提供一个良好的发展机遇。 1 3 3 研究内容 要在a u t o c a d 系统环境下开发出一个面向机械零件库的具有自适应功能的 零件图形库系统来，必须围绕以下工作展开。 ( 1 ) 运行环境的深入了解 利用a u t o c a d 第三代二次开发工具0 b j e c t a r x 进行进行系统开发，要充分了解 0 b j e c t a r x 的运行环境，实现a u t o c a d 和m f c 之间的衔接。深入了解a u t o c a d 内部 数据库，以及0 b j e t a r x 所提供的基础类和扩展类。灵活的实现a u t o c a d 功能的自 定义添加。同时研究0 b j e c t a r x 在m f c 下与外部数据库s q ls e r v e r 的连接，包括 0 d b c 、a d o 和d a 0 等的连接，以实现a u t o c a d 数据的外部存储功能，可以利用外部 数据库使管理更加简洁高效。 ( 2 ) 模块化设计程序 程序中模块的划分是很重要的一步。因为它影响到将来模块的可变性、模块 接口的设计，影响到以后的功能扩充。将系统划分为功能嵌入、交互界面等等 多个模块，对各功能模块实施各个击破，最后将所有的功能模块进行系统的结 合，最终实现自适应机械零件库系统的总体功能。 ( 3 ) 分类建立各种应用类别零件库 企业在设计生产过程中主要用到的零件图形单元有标准件、常用机械零部 件和企业自制的一般类零件。针对这三类零件模块，分别建立： 标准件模块，我们根据国家标准，建立基于事物特性表原理的标准件库。 只要用户已知标准件类型，并选择其规格和公称尺寸，即可在绘图区任意一点， 以任意一个角度插入所需要的标准件图像单元，方便快捷。 常用机械零部件模块，采用现行制造行业标准通用的设计与校核准则建立 相应得知识库，将繁琐复杂的图表查询、设计、计算与校核过程融入到用户友 好型界面当中去。设计者只需要做简单的点击动作，即可得到符合设计要求的 传动零件，并快速生成包含了零件各类尺寸和制造信息的二维工程图纸，大大 缩减了设计周期，提高了生产效率。 一般形状零部件模块，设计一个智能化的树形图档管理模块。用户将初次 绘制好的零件图纸进行归档，在图形管理树中任意插入管理节点，保存相应的 零件图纸。在下次调用时，只需点击对应的图形管理节点，点击图形文件，系 统自动调出零件图纸，以供用户查阅、使用、修改或再保存。 ( 4 ) 自适应c a d 图库管理模块 充分了解图形的内在数据构造和组成形式，以及图形内部各个图元间的约束 关系，建立起一个能够完备表达图形信息的数据库系统，同时在原图的基础上， 能够根据初始模型，提取出一些特殊图元的约束关系，并且入库保存，最终能 够实现原图形的再现和自适应的扩展。 1 4 论文章节安排 根据研究内容，本文主要章节安排如下： 第二章介绍系统的总体设计思想是建立一个基于知识的机械零件自适应 c a d 系统。分析了k b e 技术的设计步骤，根据机械零件库的知识构成和特点 设计了系统的功能框架。并根据零件图形单元的分类，将系统分为标准件库、 常用机械零部件库和一般零件库三个结构单元。针对于每个结构单元的工程应 用特点提出各个模块的实现功能和流程。 第三章详细介绍了机械零件c a d 系统的编程实现环境。选择基于v i s u a l c + + 的编程语言o b j e c ta r x 作为a u t o c a d 的二次开发工具；选用s q ls e r v e r 为数据库的开发平台。o b j e c ta r x 、v i s u a lc + + 与s q ls e r v e r 构成了本系统完 整的编程环境。 第四章详细介绍了实现系统总体功能框架的若干关键技术。从系统功能嵌 入、人机交互界面，数据库存储和接口，参数化绘图四个方面所涉及的多种技 术，全面解析了系统的功能实现。 第五章详细介绍了系统的标准件库、常用机械零部件库和一般零件库设计 的关联知识。根据各类零件的设计知识设计出不同的开发模块，以实现各类零 件在工程中的自动、快速、合理的管理与应用。着重介绍了自适应衍生技术的 原理、设计流程和应用。 第六章总结本文的主要工作和系统的设计创新点，提出系统有待于进一步 解决的问题和研究展望。 9 第二章系统总体设计 2 1 系统总体设计思想 开发一个全面的集成的机械零件库自适应c a d 系统必定要运用到各类机 械产品相关的设计规则、工业标准和经验准则等等，这些都属于知识的范畴。 那么本文所研究的机械零件自适应c a d 系统，其总体设计思想就是建立一个 基于知识的具有自适应功能的c a d 系统。 2 1 1 基于知识的c a d 系统 基于知识的c a d 系统是将知识工程( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，简称 k b e ) 技术和计算机辅助设计理论相结合的综合性技术，它使c a d 系统利用 计算机延伸以创造性思维为核心的人类专家的设计能力，尽可能地实现设计过 程的自动化。 与传统c a d 系统不同，基于知识的c a d 系统是面向整个设计过程的开 放式体系结构，它不局限于某些设计环节的自动化。基于知识的产品模型包含 了从需求定义、设计、分析到制造所需要的所有信息，并集成多种知识表达动 态性、层次性、上下文相关的领域深层知识。系统的推理机制与问题求解方法 紧密结合，体现出高度集成的智能化设计环境，能适应工程设计的数值计算和 知识推理交替进行的需求。基于知识的c a d 系统能够对设计任务和设计过程 进行恰当的分解，以适应设计任务的多层次，设计过程多阶段性的特点。 2 1 2k b e 技术及设计过程 k b e 的概念最早是由美国1 9 7 8 年提出，它是k n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g 的缩写，中文就是知识工程的概念，在c a x p d m ( x 为d 、e 、m 、p p 等软件公 司和其他很多公司得到了广泛应用。尤其是全球软件10 强之一的美国 c a x p d m 软件公司u g s 公司，首先进行了开发和研究，从而推出了 u o k n o w l e d g e p i p e l i n e 等模块，并成立了全美k b 研究开发项目组。 知识工程的应用非常广泛，在工业领域主要体现在航空、汽车、船舶、桥 梁、机床等。而在这些领域中的产品开发的软件和计算机平台有所不同。在产 c a d 、c a e 和c a m 开发和设计方面主要有u g p r o e 、c a t i a 、a d a m s 、 m a s t r a n 、a n s y s 、a s k a 等软件和平台。计算机平台则有w 1 n d o w s x n t 、 u n i x 和l i n i x 等几种平台。为了将知识工程应用到各种计算机平台和c a x 平 台上，更好的为工业各领域服务，开发的知识工程系统应该具有跨越多平台性 和兼容性。 k b e 技术的内涵为： l o 1 k b e 是关于设计制造和工程的处理过程。 2 k b e 是关于的领域的专家知识的总结和集成的过程。 3 k b e 是c a d c a m c a e 技术和a i 技术的综合和集成过程。 根据k b e 技术的特点与内涵，我们来设计一个基于知识的c a d 系统。 图2 1k b e 技