（机械设计及理论专业论文）基于ug的油缸参数化设计.pdf

摘要 摘要 传统机械设计是一个复杂而又艰辛的过程，设计者从产生设计灵感开始不断反复和 循环设计，由于没有较为人性化的设计系统，设计过程不仅辛苦，而且效率极低。随着 设计软件以及c a d 技术的不断发展，设计系统的开发者通过编写程序将设计活动中最通 用、最规范和最抽象等部分提取并使用户能根据实际的设计情况进行各项功能的组合， 即实现参数化的c a d 交互系统。 模型的建立可以通过程序方式实现，也是目前比较通用的建模方式，但程序语言复 杂，带来建模过程的复杂，另外，大量的程序语言占用系统内存空间，而且不能自动更 新二维图，因此本文提出基于三维软件建立模型。 利用三维软件建模方法多样，建模方式也因人而异，但最终都必须实现参数化设计 目的，在建模过程中结合特征种类和特征数量来规划建模过程很好的实现了参数化目 的，并且缩短了建模时间，提高设计效率。 在整套零件的建模过程中，由于零件之间的装配关系等条件约束，有些零件与零件 之间的尺寸关系是固定的，因此在零件建模过程中加入尺寸关联技术，基于二次开发技 术的c a d 系统设计通常采用程序语言实现尺寸关联，本文在建模过程加入表达式尺寸关 联，即基于三维软件，将尺寸关联关系结合在建模过程中，这样可以保证零件之间尺寸 的关联性不会出错，避免了自定义编程过程中可能出现的错误，无法实现尺寸关联而使 得设计出现错误。 一套人性化的c a d 交互系统必须有人性化的交互界面与之匹配，本课题根据油缸设 计具体情况，设计出一套友好的人机交互界面，满足设计人员的设计习惯与设计要求。 本文以参数化技术为理论基础，研究了在参数化设计过程中建立零件尺寸关联等系 统理论，最后利用u n i g r a p h i c sn x 及v i s u a lc + + 等三维软件和编程软件实现油缸参数化 c a d 系统的完整建立。 关键词：c a d 系统；参数化设计；二次开发；约束；表达式；尺寸关联 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld e s i g ni sac o m p l e xa n dd i f f i c u l tp r o c e s s ，d e s i g n e r sh a v eac y c l e o fc o n s t a n t l yr e c u r r i n gf r o mt h eb e g i n n i n go ft h ed e s i g n ，i nt h ea b s e n c eo fam o r e u s e r - f r i e n d l yd e s i g no fs y s t e m s ，t h ed e s i g np r o c e s si s n o to n l yd i f f i c u l t ，b u to fv e r yl o w e f f i c i e n c y w i t ht h ed e s i g no fs o f t w a r e a s w e l la st h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc a d t e c h n o l o g y , t h ed e s i g n e r se x t r a c tt h em o s tc o m m o n ，t h em o s ta b s t r a c t ，s u c ha sn o r m sa n dt h e m o s tp a r to fu s e r sb a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ec o m b i n a t i o no fv a r i o u sf u n c t i o n s ，t h a ti s ， t h er e a l i z a t i o no fh u m a ni n t e r a c t i v ec a d s y s t e m m o d e lc a nb er e a l i z e d t h r o u g hap r o g r a m ，a n d a l s ot h ew a yi sc o m m o n ，b u t p r o g r a m m i n gm a k e st h em o d e l i n gp r o c e s sc o m p l e x ，i na d d i t i o n ，l o t so fp r o g r a m m i n g l a n g u a g eo c c u p ym e m o r ys p a c eo ft h es y s t e ma n dc a n tu p d a t e2 df i g u r ea u t o m a t i c a l l y ， t h e r e f o r et h i sp a p e rb a s e do nt h e3 ds o f t w a r em o d e l i n g u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r em o d e l i n gm e t h o di sd i v e r s i f o r m ，m o d e l i n gm e t h o d a l s ov a r y ，b u tu l t i m a t e l ym u s ta c h i e v ei np a r a m e t r i cd e s i g np u r p o s e ，p l a n n i n gt h em o d e l i n g p r o c e s sb yc o n s i d e r i n gt h et y p e sa n dn u m b e ro ff e a t u r ec a nr e a l i z et h ep u r p o s eo fp a r a m e t r i c d e s i g n ，a n dt h ep a r a m e t r i cs h o r t e n e dm o d e l i n gt i m e ，i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y w i t h i nt h ew h o l ep r o c e s s ，b e c a u s eo ft h ea s s e m b l yr e l a t i o nb e t w e e nt h ep a r t s ，t h e r ea r e f i x e ds i z eb e t w e e nt h e m ，t h e r e f o r ei nt h ec o u r s eo fm o d e l i n gp a r t sr e l a t e dt e c h n o l o g yi sa d d e d ， p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei su s u a l l yu s e db a s e do nt h et e c h n o l o g yo ff u r t h e rd e v e l o p m e n t ，i n t h i sp a p e rw es e tt h er e l a t i o n s h i pw i t h i nt h em o d e l i n gp r o c e s sw h i c hc a ng u a r a n t e et h e r e l a t i o n s h i pa n da v o i dt h ee r r o r as e to fh u m a n i z e dc a ds y s t e mm u s th a v eh u m a n i z e di n t e r a c t i o ni n t e r f a c e a c c o r d i n g t ot h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so fc y l i n d e rd e s i g naf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e d w h i c hc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dd e s i g nd e m a n d t h i sp a p e rt a k e st h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa st h e o r e t i c a lb a s i s ，r e s e a r c h i n go nt h e p a r a m e t r i cd e s i g ns i z ea s s o c i a t e dp a r t sa n do t h e rs y s t e m st h e o r y ，a n df i n a l l yu s eu n i g r a p h i c s n x 4 0a n dv i s u a lc + + a n do t h e rp r o g r a m m i n go ft h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ea n ds o f t w a r e p a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e ro fac o m p l e t ec a ds y s t e me s t a b l i s h m e n t k e yw o r d s ：c a ds y s t e m ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；f u r t h e rd e v e l o p m e n t ；b o u n d ；e x p r e s s i o n ； s i z ea s s o c i a t e d 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及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人为获得江南 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： 日飙孕m 一 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，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， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名。靴皿别俗三： e l 期： 第一章绪论 第一章绪论 从产品设计到制造的整个过程中，尤其在产品设计的初步阶段，产品的几何形状和尺 寸不可避免地要反复修改，协调和优化。如果利用c a d 软件进行非参数化建模，那么哪 怕要改变图形的一个尺寸和结构，也需要修改原型，甚至重新建模。能否利用数值驱动 零件和部件的特征尺寸，在进行产品系列设计时，只需要添加多组数据；另外，若要进 行重新设计，只需要修改部分数据即可呢? 其实，这就是参数化设计的思想。 参数化设计可以大大提高产品设计的效率，同时可以有效保证产品模型的安全可靠 性。尤其对于形状比较定型的零部件，用一组参数约束该几何图形的一组尺寸序列，参 数与设计对象的控制尺寸对应显示。当赋予不同的参数序列时，就可驱动原有几何模型 达到新的目标几何图形，可以完成高效建模和模型修改。正如本课题中的油缸，一套完 整的油缸一般包括缸简，活塞，耳环等八个零件，零件形状基本相同，只是尺寸不尽相 同，但是设计人员在设计每套新油缸的时候，必需重新绘制一整套油缸的全部零件，这 样设计工作就显得比较繁琐，当进行参数化设计以后，设计人员只需改动约束尺寸，就 可以自动生成新的零件，减少了绘图时间，提高了工作效率。 1 1 课题开发背景及研究现状 u g ( u n i g r a p h i c s ) 是美国e d s 公司推出的当今世界上最先进的c a d c a m c a e 高端 软件平台之一，广泛应用于航空、航天、机械、汽车、船舶、模具和家用电器等领域。 许多世界著名公司均选用u g 作为企业计算机辅助设计、制造和分析的平台，如：美国通 用汽车公司、波音飞机公司、贝尔直升机公司、英国宇航公司和惠普发动机公司等都以 u g 作为企业产品开发的软件平台。自从1 9 9 0 年u g 进入中国市场以来，在我国得到了越 来越广泛的应用，目前已成为我国主要使用的高端c a d c 。6 删c a e 软件之一。 u g 是c a d 、c a m 和c a e 一体化的软件系统，可应用于整个产品从概念设计到实际产 品的开发全过程，包括产品的概念设计、建模、分析和加工。该软件具有实体建模模块、 特征建模模块、曲线曲面建模模块、工程制图模块、装配模块、分析模块、加工模块、 知识工程模块和二次开发模块。不仅可以完成建模、装配、工程出图、数控加工等功能， 还可以对建立的模型进行运动学、动力学仿真及有限元分析等操作，其操作界面如图1 1 所 示。具体来说u g 软件具有以下特点【l 】： 具有统一的数据库，真正实现了c a d c a m c a e 等各模块之间的无数据交换的自 由切换，可实施并行工程。 采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数 化建模融为一体。 用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程师传 统的设计方法，并能用参数驱动。 出图能力强可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。 m 人# 坝1 4 t 位论上 以p a r a s o l i d 为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。 提供了界面良好的二次丌发工具g r i p ( g r a p h i c a l i n t e r a c t i v e p r o g r a m i n g ) 和u f u n c ( u s e rf u n c t i o n ) ，并能通过高级语占接ii ，使u o 的图形 功能与高级语言的计算功能紧密结合起来，具有良好的用户界面。 囤1 1u c 操作界面 f i g 卜1o p e r a t i o n a li n t e r f a c eo fu g 1 12 参数化设计压其相关概念 参数化设计( p a r a m e t r i c d e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n 甄o n d d v e n ) 。是通过改动图 形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动完成对图形中相关 部分的改动，从而实现对图形的驱动，参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题。 在参数化设计技术出现以前，传统的c a d 使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽 象几何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。这种设计系统不支持初步 设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地自动处理对已有图形的修改，不能有效地 支持变型化、系列化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计巾存在火量重复劳 动严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。 在这种情况下参数化设计方法应运而生。参数化设计以约束造型为核心、以尺寸 驱动为特征。在参散化设计中采用参数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制 几何形状实现产品的精确造型，而不必在设计时专注于产品的具体尺寸；参数化设计 第一章绪论 方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型；对己有设计的修改， 只需变动相应的参数，而无需运行产品设计的全过程。与传统的自由约束的设计方法相 比，参数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期， 减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场竞争力。参 数化技术经过十多年来的发展，已经成为c a d 技术的重要分支，也成为c a d 技术研究和 产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。 研究参数化设计涉及以下几个基本概念，包括几何特征参数、定位参数和形体自由 度吐 ( i ) 几何特征参数 几何特征参数是指描述基本几何形体的尺寸参数，即特征( 圆柱、圆锥、长方体、 球体等) 的大小值，例如图1 - 2 中所标示的l 1 、l 2 、d 1 、d 2 等尺寸数据为特征的长度， 高度，孔的直径等特征值。几何形体其形状大小便被唯一确定。 一 图1 - 2 实体几何特征参数和定位参数 f i g 1 2g e o m e tr yp a r a m e t e ro fs o l i da n do r i c n t a t i o np a r a m e t e ro fs o l i d ( 2 ) 定位参数 定位参数是指几何形体之间的相对位置参数，设置定位参数是进行复杂形体建模的 必要途径。当特征参数确定后，其形状大小被确定，但还需要另外的参数定义其位置， 如图1 - 2 所示，在不规则实体上有三个特征，包括两个孔和一个键槽，其中的l l b ，l c 尺寸是为了定位这些特征而建立的，即为定位参数。 ( 3 ) 形体自由度 形体自由度是指几何形体( 点、线、面、体) 在空间中可以自由变化的位置参数的 数目，例如一个点在二维空间中的自由度为2 ( x 轴和y 轴上的自由度) ；三维实体在三 维空间中有6 个自由度，分别为沿x 轴的平动，沿y 轴的平动，沿z 轴的平动，绕x 轴 的转动，绕y 轴的转动和绕z 轴的转动，如下图1 - 3 所示为一复杂实体在空叫的六个自 由度。 7j 南人 顺l 学位论史 x 图卜3 枷体室问自由度 f i gl 一3d e g r e eo ff r e e d o mint h es p a c e 1 1 3 参数化系统设计研究现状 参数化系统设计思想自产生以来，得到了迅速地发展，其发展历程大致分为以下几 个阶段| z j = 技术萌芽期( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) ：1 9 6 3 年，s u t h e r l a n d 在s k e t e h p a d 系统中提出了两个重 要的概念i 。i ：交互式图形系统和基于约束的设计。这两个概念对后来以几何造型为核心的 传统c a d 理论及应用产生了重要影响，可认为是参数化发展的起源。但是交互式图形系 统和基于约束的设计仅仅是利用约束生成零件模型，而对生成后的模型无法进行修改， 是一种单向的过程。 技术确立期( 2 0 世纪7 0 8 0 年代) ：1 9 7 8 年，以r c h i l l y a r d l 3 为代裘把尺寸和公差视为 特征点目j 的约束，通过尺寸和视图指定零部件的形状，利用给定的尺寸方案来判定零件 图是欠约束、过约束或是完全约束。在此基础上提出了变晕几何和几何约束思想，并经 由美国麻省理t 学院计算机辅助实验室d c o o s s a r d 及其研究小组| 4 1 的进一步完善而确立 了参数化设计的基本思想和理论。 技术发展期( 2 0 世纪8 0 9 0 年代) ：这一时期是以b a l d e f e l d 提出的基于专家系统的方 法为主要代表。在这一时期中，人们分g 将几何推理、神经阀络等人工智能方法应用到 设计中去，同时将参数化技术应用到实体造型中，形成了基于特征的造型技术。这一时 期是参数化技术发展的高速时期，提出了很多的参数化设计思想和参数化设计方法，比 较著名的有ba l d e f e l d 于1 9 8 8 1 6 1 年提出的基于符号操作和推珊机处理一般几何模型的方 法。 技求实用期( 2 0 世纪9 0 年代至今) ：基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化方法在实 践中得到广泛的应用。这一阶段以j a e y e o l l e e i t 提出的利用图表示的基于知识的几何推理 法和x i a o s h a ho a o “悭出的约束传播法为主要代表。并出现了更多的参数化理论及方法， 第一章绪论 尤其可喜的是我国在这方面的研究也取得了很大的进展，如：浙江大学的董金祥教授和葛 建新博士【9 】提出的变参绘图系统中一种快速约束求解方法；浙江大学谭建荣教授【1o 】提出 的模型建立和求解相分离的参数化方法等。 目前，基于三维软件和二维软件的参数化系统开发比较流行，其中，对于三维软件的 参数化系统开发随着三维软件的不断被普遍使用而增加，目前主流的三维软件包括有 u g 、c a t i a 、p r o e 、s o l i d w o r k s 、i n v e n t o r 等。在这些三维软件中p r o e 和s o l i d w o r k s 是最 常用来进行参数化系统开发设计的，而基于u g 环境的开发却比较少，产生这种情况的原 因是：u g 的函数开放程度不高：接口开发困难：与外部开发程序的数据不能直接相互传递 以及不能充分利用开发语言的成熟控件等。因此，国内外对于基于u g 环境的开发多数都 是停留在理论研究上。 对于参数化c a d 系统的开发应用目前较为广泛的涉及建筑行业和机械行业等，系统 设计主要包括两个方面，一部分是基于标准零件库的不断开发和扩充，另外一部分是基 于装配体的参数化智能系统设计，其中一些研究结果如下： 武汉理工大学的景仁坤基于p r o e n g i n e e r 开发了一套齿轮零件的标注库【1 1 1 ，该系统 内容全面，包括三维模块和二维模块的参数化开发，但是该系统基于零件开发，未涉及 装配关系，因此对于理论研究意义不大。 西北工业大学的朱晓婵等基于u g 软件对航空发动机零件夹具进行二次开发，并在此 基础上设计了一个基于u g 软件的夹具c a d 系统【l2 。，为航空发动机工装设计c a d 的研究和 应用奠定了基础，但该系统主要部分是基于标准零件库的开发，不能实现智能设计的目 的。 浙江大学金吴炫等人基于面向工程应用的、支持全过程的参数化设计理论和方法开 发并建立了一套基于u g 的注塑机模板智能化设计软件，实现三维空间拓补结构形状相同， 尺寸不同的多种模板的快速建模，该智能系统加入了软件分析模块，但缺点是没有实现 高精度的设计，设计误差偏大【1 3 j 。 华中科技大学开发了齿轮零件设计的c a d 标准零件库。该零件库包含齿轮传动设计 时所用的各种零部件，在用户输入必要的功能参数后，该系统根据优化设计理论自动生 成符合设计要求的齿轮传动系统，包括装配图和零件图，目前该系统已经正式用于生产。 投入市场。 另外有些参数化系统设计加入专家系统，智能设计，文建锋，黄少东等从数据结构、 推理流程、应用要求等方面全面验证了c b r 与r b r 集成推理机制，并结合工程实际，开 发了基于实例和规则集成推理的薄壁圆筒件挤压工艺智能设计系统，系统大大提高了知 识的重用程度，提高了设计效率【1 4 】。 在参数化系统设计开发中，对于夹具体的参数化设计即夹具辅助设计( c a f ) 也是很 重要的一个领域，国内外对于夹具辅助设计的主要研究成果包括如下： g r i p p o p m ，t h o m p s o n b s 早在1 9 8 7 年研制成个夹具设计系统c a d m f s ，并将其 用于生产实践【l5 1 。该系统采用下拉式菜单进行夹具元件的选择和组装。但此系统的不足 是不支持网络化管理、不能在夹具的设计阶段对夹具进行误差检查并且没有实现夹具零 江南人学硕十学位论文 件的参数化。 江南大学的高礼凯等人研究并设计了一套汽轮机直型榫齿形叶片夹具自动化设计系 统【l6 1 ，该系统根据叶片型号，智能生成整套夹具体装置，另外，该系统首次采用了g r i p 语言程序和m f c 对话框相结合的设计方法，对参数化系统开发研究提供了一种新的开发 手段。 近年来，国内外对于机械零件和装配体进行参数化系统开发迅速发展，从最初的简 单零件库的开发到后来的复杂系统开发，如今在开发过程中已经加入了越来越多新的知 识和理论，如智能专家系统等，另外，对于开发对象也越来越广泛，包括零件体，装配 体，夹具体，甚至模具的智能参数化c a d 系统开发近年来也不断发展。 1 2 课题开发意义 传统的造型方法都只是几何图素的简单堆叠，仅描述了产品的可视形状，而不包含 产品的设计思想( 即产品的几何图素间的扑拓关系和约束关系) ，也不具备由于几何尺寸 变化而使图形变换的尺寸驱动功能。这样一来，哪怕使要改变复杂模型的一个尺寸，也 需要擦掉原有图形，重新构建一个新的图形，这种简单的重复工作严重影响设计效率。 参数化设计通过建立图形几何尺寸与尺寸数据的关联后，更改数据实现几何模型的变化， 新一代的三维造型系统都支持先进的参数化设计功能。 在产品研制开发过程中，当设计者按照自顶向下的设计思想进行产品设计时，为了 更好地进行参数化设计，设计者不仅要考虑每个零件内部的参数化设计，还要考虑不同 零件、不同部件之间的参数化关联设计。因此，设计者除了了解每一个零件、部件的设 计意图之外，还应从整个产品设计的高度出发，了解相关零件的尺寸关系、装配( 约束) 关系以及不同零件、部件之间对应特征的相互关系。在设计时，把这些对应的尺寸关系、 特征关系关联起来；同时，确定不同零件、不同部件的主次关系，把重要的复杂的零件 作为“父”零件，次要的简单的零件作为“子”零件，实现不同零件、不同部件之间的 参数化。当设计者需要修改设计方案时，只需要修改“父零件的相关尺寸，“子 零 件的相关尺寸、特征也跟着作相应的变化。这样，设计者只通过对“父”零件作很少量 的修改，便可以达到修改大部分“子”零件的目的，从而完成对整个产品设计的修改； 而不需要修改产品中的每一个零件的设计，为设计者节省大量宝贵的时间，缩短设计周 期，节省开发经费。 油缸作为现代工业最常用的传动部件，被广泛应用于各大场合，包括普通工程场合， 包括冶金行业，还包括汽车工业场合，由于需求量比较大，因此生产油缸的企业也众多， 以无锡地区为例，就有油缸生产企业上百家，其中大多为中小型乡镇企业。在这些企业， 对于油缸的设计和生产已经达到成熟，但是其设计方法和设计工具相对落后，以软件为 例，大多油缸生产企业所采用的还是二维软件a u t o c a d ，在设计完一套油缸后，设计资料 只有保存和参考价值，如果要重新设计一套油缸，只能重新建立图纸。由于二维软件的 设计效率本身就比三维软件低，因此在一定程度上浪费了大量资源，增加单位的资金成 本，降低了设计效率。 6 第章绪沦 参数化设计技术发展到今天理论上已经比较成熟，从应用而言应用最多的还是一些 通用的机械c a d 软件。而人们研究参数化设计技术的最终目的还是希望能够通过参数化技 术最大限度地减轻人们在设计系列产品的设计压力，能以最小限度的工作量取得最优最 快的设计结果。参数化设计技术在目前一些主流的机械c a d 软件中已经得到了较好地应 用，但这仅仅是一种初步的底层的应用，而要实现面向具体产品的参数化，还需要在这 些软件的基础上进一步的努力，达到对参数化设计技术的顶层的也是最终的应用。因此， 面向具体产品的参数化设计技术的研究还是具有重要的实践意义的。 因此，设计一套基于三维软件和参数化技术的油缸参数化c a d 系统显得尤为重要， 这样不仅可以实现设计的自动化，智能化，缩短设计周期，提高设计效率，通过此次参 数化设计可以大大缩短设计周期，因为在设计过程中，设计人员只需通过已有条件计算 并设计出相应类型，尺寸的油缸，就能得到整套油缸的三维模型并能得到对应的二维工 程图，而且通过运动仿真等的功能，可以对设计人员的设计结果进行检验，大大提高设 计效率。 1 3 课题主要研究内容 本课题基于油缸生产企业的设计习惯和设计需求，在系统设计中结合考虑企业的使 用因素，设计油缸的参数化c a d 系统，主要研究内容如下： ( 1 ) 建立整套油缸参数化模板部件； 包括油缸零件模型与装配体模型，通过研究各种建模方法，建立能实现参数 化目标的模型。 ( 2 ) 设计零件间尺寸关联； 将整套油缸零件的所有相关尺寸关联起来，达到通过修改主参数，更新与之 关联的副参数的参数值，以驱动零件形状更新。即整套装配体可以实现尺寸关联。 ( 3 ) 人机交互界面设计； 通过研究油缸设计中的关键参数，以及设计需求，设计人性化的交互界面， 包括菜单和对话框等。 ( 4 ) 编写开发程序； 应用m e n us c r i p t 和u g o p e na p i 等二次开发工具，将对话框功能通过程序语 言驱动，实现系统设计功能。 7 江南大! 学硕十学位论文 第二章油缸参数化c a d 系统总体方案设计 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 臣d 计算机辅助设计，是指使用计算机系统统一支持设 计工作的各项技术活动。c a d 技术是目前计算机应用中最活跃的领域。一般的设计业务 主要包括研究开发设想、产品基本设计、成本估算、设计制图以及为设计而进行的辅助 工作等。 基于参数化的c a d 系统设计建立部件的参数化模型，让用户在设计过程中通过调用 模板并修改更新数据，设计自定义部件，快速实现设计目的，完成设计任务。 2 1 系统分析 在进行系统设计之前往往要对所设计的系统进行整体分析，以便后续的设计工作顺 利展开。 基于本课题，通过一套油缸参数化c a d 系统，用户在操作过程中简单输入主要参数， 得到相关尺寸数据以及相关三维零件模型及其装配体，这样的一套系统集成了快速化， 智能化的特点，简便了设计过程。 2 1 1 用户需求分析 本系统的使用对象是中小型的油缸生产企业，这些企业的设计手段和设计方法均较 为成熟，只是设计工具比较简单，大多数企业目前运用的软件还停留在二维的a u t oc a d ， 而且由于没有一套良好的设计系统，用户每修改一个零件的尺寸都需要将原有的图推翻 而重新建立二维图。 在此基础上分析用户的需求有以下几个方面： ( 1 ) 建立统一类型整套油缸体的模型库，通过建立模型库，使得设计者避免了繁 琐的设计任务，无须进行建模。 ( 2 ) 当设计尺寸有所修改的时候，设计者可以无须重新建模，利用参数化的结果， 实现模型的驱动与更新。 ( 3 ) 自动实现的二维工程图，当三维环境下部件的尺寸值修改后，在二维环境下 的零件的标注尺寸自动更新。 2 1 2 系统功能与目标 系统开发是一项复杂的工程，为保证系统组成的合理性与完整性，以及系统的可靠 性与有效性，必须用软件工程学方法指导系统的开发，以减少和避免丌发中的失误，提 高效率、保证质量，还需要对系统各组成部分的功能关系、总体结构、系统开发的各个 阶段工作进行分析和设计。 从软件工程的角度来看，软件需求分析是软件生存期中最重要的一步，也是决定性 的一步。只有通过软件需求分析，才能把软件功能和性能的总体概念描述为具体的软件 需求规格说明，从而奠定软件开发的基础。简单来讲，软件需求分析的任务就是借助于 当前系统的逻辑模型导出目标系统的逻辑模型，解决目标系统“做什么”的问题。 第二章油缸参数化c a d 系统总体方案设i f 通过分析，油缸参数化c a d 系统具体功能目标如下： ( 1 ) 用户进入系统，通过选择所需类型的油缸，自动打开对应类型油缸模板文件 以及装配体，显示装配体。 ( 2 ) 通过主界面输入设计主参数，计算得到与之关联参数值，包括严格按照设计 计算规范所得值和推荐可修改值，提示用户。 ( 3 ) 单一零件设计通过选择零件名进入对应零件设计环节，并且设计零件每个尺 寸值为可变，通过修改任一尺寸值驱动更新零件形状。 ( 4 ) 实现零件间尺寸关联，保证当修改某一主尺寸时，与其相关联尺寸值对应更 新，保证设计的可靠性与准确性。 ( 5 ) 支持用户自定义保存部件，以“另存为 形式保存设计零件，以实现保护模 型文件的作用。 2 1 3 系统主要构成 一套参数化c a d 系统可以通过人工智能设计，在一定程度上改变原有的设计习惯 和设计方法，实现产品设计的快速、准确，提高设计效率。如图2 1 所示，一套完整的 参数化c a d 系统包括三维软件模块、参数化模型模块、应用程序模块和参数化的设计界 面四大模块，从模板部件到部件更新至最后保存部件，系统的主要组成部分和数据流程 如下图2 - 2 所示： 三维软件 零件模型 参 兼b 装配体模型 取 化 j - 模 _r一 工程幽模板 型 应用程序 数据传递 设 计 参数输入界面 界 而 叫 图2 - 1 系统组成 f i g 2 - 1c o n s t i t u t i o no f t h es y s t e m 2 2 系统工作流程分析 ， 、 ( 设计人员 ) 上 参数驱动机制转换参数 模型自动更新 1 l 显示新图形 图2 - 2 参数化系统数据流程 f i g 2 - 2d a t af l o wo ft h ep a r a m e t r i cs y s t e m 根据系统功能目标的需求以及数据的传输流程，初步设想用户最先选择油缸类型， 9 江l 订人- = 蛳 学似论文 撤掘所选择的油缸类型，系统打丌对应的模型文件，其中包括零件模型装配体模型以 及二维图，在打开模型后，系统弹出设计主界面，主界面中包括输入参数和输出参数， 为了用户计算方便，根据用户需求，设计附加计算功能，主界面设计完成后进入详细设 计环节，通过设计零件尺寸来将整套油缸体设计成形，设计完成后为保护模板文件的数 据等，将设计结果白定义保存，通过建立保存对话框，将文件保存在用户自定义目录f ， 整个设计系统的工作流程阻及初步设计工作界面流程如下图2 - 3 所示： 墨珏曩i 焉暑= 墨暑量蔫一 图2 - 3 系统工作漶程图 f i g2 3 f l o w o f t h ep a r a m e t r i cs y s t e m 2 3i j 6 ：次开发技术 2 3 1u g 二次开发工具选择 l 2 一 贬； 盈 = ：_ f 。r m m i i r i 一 呲碡勇一h ，麓岫面# 高 目c 目d ：目 u g z 次开发，是指在u g 软件平台上，结合企业或用户的具体需求，为实现某种特 定的功能，开发面向企业或用户的纠 j 软件。u g o p e n 是系：，o u g 开发工具的总称， 是u g 软件为用户或第三方开发人员提供的最主要的开发工具。u g o p e n 开发工具主要 包括如下【1 7 1 ： ( 1 ) u g o p e n a p i u g o p e n a p i 是u g 与外部应用程序之玎j 的接r i ：硅u g o p e n 提供的一系列函数和 驾 第二章油缸参数化c a d 系统总体方案设计 过程的集合。用户可以通过c 语言编程来调用这些函数和过程，并且几乎可以实现u g 系 统的所有功能，这是u g o p e n 最常用的开发工具。 ( 2 ) u g o p e nm e n u s c r i p t u g o p e nm e n u s c r i p t 是u g o p e n q b 来定制菜单的专用模块。它允许用户使用 a s c i i 文件方便灵活地来编辑u g 系统的菜单，或为用户创建的应用程序定义自己的菜 单。 由于在二次开发中的自定义菜单设计工具只有u g o p e nm e n u s c r i p t ，因此，要设计 一套完整的人机交互系统，u g o p e nm e n u s c r i p t 是开发必用工具，本课题利用u g o p e n m e n u s c r i p t 开发了自定义的菜单，与u g 原有菜单结合，供用户使用。 ( 3 ) u g o p e nu i s t y l e u g o p e nu i s t y l e 是u g o p e n 中用来创建对话框的专用模块。使h u g o p e nu i s t y l e 可以非常方便的快捷的创建与u g 风格完全一致的对话框。u i s t y l e 模块所支持的控件种 类丰富，且在存储对话框文件的同时，会自动生成与该对话框相对应的c 文件和h 文件， 大大节省了用户的开发时间。 u g o p e nu i s t y l e 最大的优点在于开发的对话框风格与u g 一致，因此不仅美观，而 且方便用户使用。 ( 4 ) u g o p e ng r i p g r i p 是g r a p h i c si n t e r a c t i v ep r o g r a m m i n g 取首字母的缩写词。g r i p 是一种解释性 的编程语言，在很多方面类似于b a s i c 和f o r t r a n 。使用g r i p 几乎可以执行u g 交互 界面下可以完成的所有功能，如模型建立，装配创建和工程图绘制等功能。在一些情况 下。g r i p 可以执行高级的自定义操作，而这些操作的执行效率要比单纯使用u g 交互界 面的效率高很多。 u g o p e ng r i p 最大的功能在于将程序语言渗入建模过程，以编程的形式建模，另 外，它不需要使用附加的编程软件进行编程，使用方便，但最大的缺点在于可实现的功 能单一，而且只能实现工具条功能，无法与菜单设计相关联等。 u g o p e ng r i p 的应用范围一般有以下几个方面： 同类零件编程； 特有的几何功能； 计算和分析； 绘图； 零件标准化； 文件管理； 数据访问； ( 5 ) u g o p e ng r i pn c u g o p e ng r i pn c 允许用户不通过交互式的对话框设置，而是通过编程的方式创 建u g j i 工工具的路径。用户可以使用g r i pn cs t a t e m e n t s ，g l o b a lp a r a m e t e ra c c e s s s y m b o l s ( g p a s ) 以及e n t i t yd a t aa c c e s ss y m b o l s ( e d a s ) 来创建g r i pn c 程序。 江南人学硕士学化论文 u g o p e ng r i pn c 将设计与加工联系起来，方便设计人员与加工人员之间的沟 通。避免了协作生产中会产生的误差与分歧。在本例中未涉及到加工编程，因此没有用 至t j u g o p e ng r i pn c 开发工具。 ( 6 ) u g o p e nc + + u g o p e nc + + 允许用户使用c + + 类来操作u g 的对象，实现u g 的功能。u g o p e n c + + 是u g 面向对象的编程接口。使用类层次中的方法，用户可以创建，读取和修改u g 的内部对象以及操作u g 系统本身。用户可以通过继承u g 的基础类来定义新的类来扩展 类的层次结构。由于u g o p e nc + + 使用的是标准c + + 语法，所以使用该模块编写的代码 更加简洁，可读性更强。 u g 软件为用户提供的二次开发工具不但可以独立使用，而且可以相互调用其它工 具开发的结果，这就大大扩展了工具本身所具有的功能，方便用户进行二次开发。它们 之间的关系如下图2 4 所示：m e n u s c r i p t 所开发的菜单可以与u s e rt o o l s 开发的对话框相 互调用；m e n u s c r i p t 所开发的菜单与u s e rt o o l s 开发的对话框可以调用u l s t y l e 开发的对话 框；m e n u s c r i p t 、u s e rt o o l s 和u l s t y l e 开发的对话框均可以调用g r i p 程序和a p i 程序。 g r i p 程序和a p i 程序之间也可以相互调用。另外，使用u g - - 次开发工具必须要设置相 应的环境变量，这样系统才能找到这些开发文件，执行相应的程序。 图2 - 4 二次开发工具关系图 f i g 2 - 4r e a l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e nt o o ls 对u g 进 t c a d 系统的二次开发通常包括两部分：应用程序和界面程序。其中应用 程序的编写方法有两种：u g o p e na p i 和u g o p e ng r i p 。 界面程序即建立交互界面的方法也有两种：u g 自带的专用模块u g o p e nu i s t y l e 和 c 抖自带的m f c 对话框。 目前对u g 二次开发的主要方法有以下几种： ( 1 ) u g o p e ng r i p u g o p e ng r i p 是一种解释性的编程语言，使用g r i p 几乎可以执行u g 交互截面 下可以完成的所有功能，但其没有后续开发的可能性，不能与u i s t y l e r 或者m f c 对 话框联合使用，可视性，交互操作性较差。 ( 2 ) u g o p e na p i 与u i s t y l e r 联合开发 u i s t y l e r 程序是用来定制u g 风格对话框的一种工具。我们把u i s t y l e r 对话框和 u g o p e n a p i 有机地结合起来，就可以编写出具有图形界面的二次开发程序。它的主要 第二章汕缸参数化c a d 系统总体方案设计 特点有：可视化编程，方便快捷；保存后能自动生成u i s t y l e r 文件和c 代码，从而减少 了二次开发时间；可修改和设置控件的属性，生成的对话框可以被m e n u s c