（电气工程专业论文）异步牵引电动机零部件图参数化绘图系统的研究.pdf

e 京交通人学顺 研究生学世论文牵引电动机零部件圈参数化绘图系统的研究 摘要 本文评述了c a d 技术的发展趋势与应用以及参数化设计方法的特点。在 对系统参数模型和实体进行分析的基础上，运用v b a 编程语言研制开发了异 步牵引电动机j d l 0 6 零部件图一体化参数化设计系统m c a d 2 0 0 0 参数化 系统。 在基于尺寸驱动的零件图参数化设计中，分析了电动机的图形特点，该 种方法改变了传统c a d 制图带来的不便。采用面向对象的设计方法，这样大 大方便了零件的参数设计和修改，提高了设计的效率和准确性。 论文在零件图的参数化设计基础上，进一步提出了基于约束分析的装配 蚓换型。采用零件图拼裟和零部件图一体化可逆向修改的设计方法，也就是 酋先绘制其零件图形库，建立图库和工程数据库，再根据零件与零件之m 的 约束关系，利用裁剪，覆盖等技术，拼装得到装配图。 参数化系统m c a d 2 0 0 0 与a u t o c a d 2 0 0 0 的强大图形处理功能结合在一起， 为电动机计算机辅助设计开辟了一条智能化设计的新途径。 关键词：参数化设计异步牵引电动机零件图装配图尺寸驱动约束分 析裁剪 北京交通人学顾i ：t o f 究生学位论文 牵引电动机零部件圈参数化绘图系统的研究 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sc o m m e n t e do na d v a n c ei nt h ec a dt e c h n i c a la n dt h ea p p l i c a t i o n ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fp a r a m e t e r i z e dd e s i g nm e t h o d b a s e do nt h ep a r a m e t e r i z e dm o d e la n d a n a l y z et h eo b j e c t ，u s e dv b ap r o g r a m m ew er e s e a r c ha n do p e nu pt h ei n t e g r a t i v ea n d p a r a m e t e r i z e dd e s i g ns y s t e mo fj d l 0 6a s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o rp i e c e s ，m c a d 2 0 0 ( 卜- p a r a m e t e r i z e ds y s t e m b a s e do nt h ep a r a m e t e rd r i v i n gt r a c t i o nm o t o rp i e c e sd r a w i n g ，a n a l y z e dc h a r a c t e r i s t i c o ft h et r a d i t i o n a la s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o rd r a w i n g ，p u tf o r w a r dn e wp a r a m e t e r i z e d d e s i g nm e t h o d ，o v e r c o m et h ed i s c o m m o d i t yo ft h et r a d i t i o n a ld r a w i n g a d o p t l o o ko n o b j e c t ”m e t h o d ，i nt h i sw a y ，g r e a t l yf a c i l i t yt h ep i e c ed e s i g na n dr e w o r k ，i si n c r e a s e d e f f i c i e n c ya n de x a c t i t u d eo fa s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o rd e s i g n t h i sp a p e ri sb a s e do i lt h ep i e c eo f p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，m o f ep u tf o r w a r db a s e do nt h e r e s t r i c t e da n a l y z e dp i e c e sm o d e lo fa s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r a d o p ts o m ep i e c ed r a w i n g ss p e l l i n ga n dt h ed e s i g nm e t h o dt h a tc a nc o n v e r s e l yr e w o r k ，t h a tf i r s t ，d r a wt h e s t o r e r o o mo rsg r a p h ，e s t a b l i s hg r a p h ss t o r e r o o ma n dt h ee n g i n e e r i n g sd a t a a g a i nb a s e t h er e s t r i c t e dr e l a t i o nb e t w e e np i e c ea n dp i e c e ，u s e dc u to n ，c o v e ra n ds oo n ，p u tt o g e t h e r t h e s ep i e c e sg e tt h ea s s e m b l e dd r a w i n g t o g e t h e rw i t ht i l ep a r a m e t e r i z e dd r a w i n gs y s t e mm c a d 2 0 0 0a n da u t o c a d 2 0 0 0 m i g h t ym a n a g ea b o u tf i g u r ef u n c t i o n ，i no r d e rt oc a d o fa s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o ri s i n a u g u r a t e dan e wp a s so f i n t e l l i g e n td e s i g n k e yw o r d s ：p a r a m e t r i cd e s i g n ，a s y n c h r o n o u sa n dt r a c t i v ee l e c t r o m o t o r ，p a r td r a w i n g a s s e m b l yd r a w i n g ，i n c hd r i v e ，c o n s t r a i n ta n a l y s i s a c to u t 北京交通人学硕1 研究生学世论文 异步乖引电动机零部件参数化绘图系统的研究 第一章c a d 技术发展与应用 1 1c a d 技术的发展状况 1 1 - 1c a d 技术国外发展状况“1 c a d 的产生与计算机绘图密切相关的。早在5 0 年代初期，当第一台平 扳式绘图机在美国由奥地利人h j o s e p hg e r b e r 研制成功后，计算机绘图及 c a d 便山此丌始。 7 0 年代，随着小型计算机的问世，c a d 技术开始了大规模的发展，尤其 足当美国g m 公司丌发了计算机设计扩展系统d a c i 并用于汽车车身及表面 设计、美国l o o k h e e d 公司与i b m 公司联合玎发了著名豹c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 系统计算机图形增强 设计与制造软件包c a d a m 并成功地用于飞机设计制造之后，美国各大公司开 始竞相研制交互式计算机辅助设计及绘图软件包并几乎遍及航空、航天、汽 车船舶、电力等领域：由于从某种意义上讲，c a m 比c a d 更能直接产生经济 利益，因此，c a d ( 计算机辅助设计) 和c a m ( 计算机辅助制造) 己成为一 个不可分割的整体而在各领域发挥着作用。 8 0 年代，随着计算机相关技术的进一步发展，应用计算机先进技术较 多，更新频繁的c a d 工作站其性能价格比将大幅度提高，其强化的图形功 能及软件的进一步集成，使c a d c a m 的技术和应用都在向广度、深度和综合 化方面迅速推进并取得重大进展。 至于异步牵引电动机的c a d 技术，在国外以各大公司各自为政，正在向 中国高价出售，在当前引进谈判中，有的欧洲大公司甚至于扬言不能轻易进 1 北京交通人学硕l 研究生学位论文异步牵引电动机零部件参数化绘图系统的研究 1 1 2c a d 技术国内发展状况 国内目前在c a d c a m 的许多方面与国外尚有一定差距，从8 0 年代初期， c a d 首先在国内的一部分研究所及大专院校悄然兴起并主要集中在图形处 理技术方面，经过几年的努力，已开发不少有使用价值的中、小型c a d 系统 如汽车行业计算机辅助车身外表面交互设计系统s u m s a w ，机械行业的三元 叶轮c a d c a m 一体化软件及冲裁模、弯曲成型级进模、注塑模c a d c a m 系统、 中小型电机交互式c a d 系统等。 至j ：国内的异步牵引电动机c a d 技术1 9 9 9 年首次在北京交大开此课题。 初步编制了有关先锋号异步牵引电动机的参数化的绘图工作。目前牵引电动 机制造工厂迫切期待一套完整的系统化的c a d 技术的设计平台。 1 2c a d 技术的应用 1 2 1c a d 技术的应用状况 计算机辅助设计是用计算机硬件、软件系统辅助人们对产品或工程进行 设计、修改及显示输出的一种设计方法。同时它也是- - i 7 多学科的综合性应 用新技术。从方法学角度看，在c a d 中，人与计算机密切合作，在决定设计 策略、信息处理、修改设计及分析与计算等方面充分发挥各自的特长。例如 计算机在信息存储与检索、分析与计算、图形作图与文字处理、以及代替人 作大量重复枯燥工作等方面有特殊优点；但在设计策略、逻辑控制、信息组 织及发挥经验和创造性方面，人将起主导作用。因此二者的有机结合必然能 2 北京交迎大学烦 ： j j f 究生学生论文异步牵引电动机零部件参数化绘圈系统的研咒 提高设计质量、缩短设计周期、降低设计费用。 机械设计c a d 是c a d 技术的重要领域。目前，机械c a d 过程是，把人的 主导性和创造性放在首位，同时充分发挥计算机的优势，把二者结合起来， 实行人机交互工作方式。机械设计过程是一个复杂的综合、分析和反复修改 的过程，更是一项创造性的活动，尤其是在方案设计阶段，在方案的构思和 评价中，很多工作是很难量化进行计算的，只能通过思考、推理、判断来解 决，设计者经验的多少和专业知识的深浅起着决定性的作用。c a d 技术只是 设计过程中的先进手段和工具，它不能代替人的思维。只能起到辅助作用。 c a d 技术只有为具有专业知识、有丰富工作经验、有丰富创造力和科学的思 维方法的技术人员所掌握，才能发挥作用。 c a d 已是改造传统过程的必由之路，同时也是衡量一个国家科学技术现 代化和工业现代化水平的重要标志。世界各国都把发展c a d 技术作为战略目 标，制订了很多由政府或工业界支持的发展规划。 对我国异步牵引电动机这个领域来讲正需要这项新技术来改造传统的 设计理念。为交流传动的核心技术提供智能化和机电一体化的设计方法，来 推动我困的交流传动核心技术的深入发展。 1 2 2c a d 技术在机械行业的应用 1 ) 二维绘图。 这是目前牵引电动机制造厂最普遍最广泛采用的一种应用，集中了大量 的技术人员进行产品的计算机绘图用来代替传统的手工绘图。 2 ) 图形及符号库。 将复杂图形分解成许多简单图形及符号，先存入库中，需要时调出，经 过编辑修改后插入到另一图形中去，从而使图形设计工作更加方便。 北京交通人学硕j 二研究生学位论文异步牵引电动机零部件参数化绘图系统的研究 3 ) 参数化设计。 标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变，采用参数 化设计的方法建立图形程序库，调出后，赋以一组新的尺寸参数就能生成一 个新的图形。 4 ) 三维造型。 采用实体造型设计零部件结构，经消隐及着色等处理后显示物体的真实 现状，还可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉等。 在异步电动机设计完成以后，我们往往采用三维造型的办法检验各零部 件在装配过程中有无干涉。解决二维绘图不能解决的空间干涉问题。 5 ) 工程分析 常见的有有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等。此外针对某 个具体驶计对象还有它们自己的工程分析问题，如铸件设计中要进行铸造分 析、冷却分析、变形分析等。 6 )设计文档或生成报表。 r i ：多设计属性需要制成文档说明或输出报表，有些设计参数需要用直方 图、饼图或曲线图等来表达。上述这些工作常由一些专门的软件来完成，如 文档制作软件及数据库软件等。 1 2 3c a d 在电动机上的应用乜1 计算机绘图在异步牵引电机的设计、电动机牵引和制动特性的计算，新 系统的设计开发，与逆变器及其控制系统的信息交换，系统的计算机仿真、 实验数值处理与电磁场的前后置处理等方面都得到了应用。通过这些应用， 使得异步牵引电机的计算机辅助设计、制造和测试系统更紧密的联系在一 起，从而提高异步牵引电机设计的效率和质量，设计出结构更合理、性能更 好的产品，甚至还可以省去样机的制造，大大缩短设计制造周期，获得更大 的经济效益。 北京变通人学顾l 研究生学位论文异步军引电动dl 事部件参数化绘图系统的母f ， 国外电机c a d 系统中，日本东洋电机公司的中小型赢流电机自动设计系 统，是一个输入技术数据、输出计算单和主要图纸的完整系统。美国西屋公 司在电机的计算机辅助设计中，也有一套较完整系统。该系统可以绘制和设 计总图、装配图、零部件图、外形图和接线图等：它还可以在工模具设计方 面，提供工模具总图、工模具加工图、可以提供电机的特性曲线、接线原理 图、极限尺寸外形图、自由尺寸校核以及制造管理方面的工厂平面图等。 在我国，计算机绘图在电机的c a d c a m 中也得到了应用。例如，电机 实验数据的计算机图形处理，交流电机特性的计算绘图软件包，磁力线和等 位线的绘制，电机的定、转子冲片及轴、端盖等零部件图和总装图的绘制， 绕组的接线图和大型线圈的几何图形的绘制，变压器的工作图绘制等。 1 3 c a d 技术的发展趋势 目前c a d 应用软件的主要发展趋势是集成化、图视化、智能化、并行化 和标准化。 ( 1 ) 集成化 集成化有两个方面的含义：一是集成度，即要求在整个设计过程中的各 个设计阶段，每一设计步骤都能有效地使用c a d 技术。因而要求系统的功能 应该是齐全和强有力的：另一个是信息流的集成，要求设计的各个阶段包括 从设计数据的输入，各部分生成数据结果直到与c a m 的接口、生产管理等等， 能构成一个完整的信息流通过程，只有这样的系统才能真正达到高效率、高 质量、高水平，才可用来进行复杂的设计工作。 ( 2 ) 图视化 由于图形直观，易于为人们接受，因此c a d 应用软件对图形的要求越来 北京趸迎人掌坝l ：耐f 究生学逝论文异步牵引电动d 【零部件参数化绘图系统的研究 越多，也越来越高。不但要求能产生和绘制生产用的各类设计图纸，还要求 应用软件的处理过程和结果达到可视性，不但要求图形表达具有真实感，还 要求能实时动态地显示图形。 ( 3 ) 智能化 现有c a d 系统所应用的解题方法，提高解题能力的潜力有限，难以有 重大突破。须寻找新的方法和途径。为此，人们把人工智能技术引进c a d 领域中，近些年来已有突破。以电子c a d 为例，国外在电路分析、逻辑正确 性验证、布局、布线、测试、诊断等方面已研制出一些基于人工智能的c a d 系统。如麻省理工学院、斯坦福大学、东京大学、n e c 公司等单位都发表过 有关文章，介绍其研制的系统，尽管这些系统还处于实验阶段，但已获得明 显的应用效果。这样不但不再需要有经验的技术人员来操作节省机时，减 轻人的劳动，而且也能避免由于人机交互造成的人为错误。综上所述， 把人工智能技术引进c a d 系统，在不久的将来完全可以达到使用的水平。不 过近期基于知识的系统并不能完全代替传统的基于算法的系统，两者各有其 优缺点。对于纯粹的智能c a d 来说，一方面在决策，评价上还不成熟，另一 方面，由于过于庞大，影响处理速度。而基于算法的c a d 比较简单，处理的 费用也比较低，但处理能力和局限性较大，因此最好的办法是集两者的优点， 建立基于算法和知识的混合c a d 系统。 ( 4 ) 并行化 并行技术可使处理速度提高几个数量级，近年来这一技术在c a d 中的 应用已有突破，但要达到广泛的应用，其关键是对各具体的应用对象研究出 显影的并行算法，这样才能真正发挥并行处理的作用，达到提高几个数量 级处理速度的指标。 ( 5 ) 标准化 随着c a d 和c a m 的广泛应用，c a d 系统和c a m 系统的品牌日益增多，为 了便于c a d 系统产生的结果传送并提供给c a m 系统使用，或者是组合使用不 6 苎曼茎望叁兰竺! 型! 垄兰兰竺笙兰墨兰至! ! 皇塑塑至堑堡茎茎些兰望至堑塑竺壅 同c a d 系统以及共享一些资源等，都要求不同系统之间能方便地交换有关 数据。为了解决这个问题，不同系统的数据格式必须遵守统一的数据交换标 准。 北京交通人学坝j 研究生学位论文异步牵引i 担动机零部件参数化绘图系统的研究 第二章参数化设计的发展和现状 2 1 参数化设计的发展曲 在c a d 技术发展的第三阶段( 8 0 年代初期) 出现了变量化设计技术和参 数化设计技术。变量化设计一词是美国麻省理工学院g o s s a r d 教授于1 9 8 0 年 提出的。g o s s a r d 的倡导在当时c a d 界并未引起重视，直至1 j 1 9 8 7 年底 p a r a m e t r i ct e c t l n o l o g y 公司推出以参数化、变量化、特征设计为基础的新 - t 实体造型软件p r o e n g i n e e r 后，c a d 界才真正认识到参数化、变量化设 汁的潜能。之后，参数化和变量化设计引起国内夕k c a d 软件界的极大关注并 成为c a d 界的研究热点。 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 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。参数的求解较简单，参数与设计对 象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动。生产中最 常见的系列标准件就是属于这一类型。应用参数化设计系统进行机械产品设 计，其系统操作与运行比较简单，并能将已有的某种机械产品设计的经验和 知识继承下来。 变量化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 是指设计对象的修改需要最大的自 由度通过求解一组约束方程组来确定产品的尺寸和形状。约束方程驱动可 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。 变量化设计可以应用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计 选型等。从设计方法学的角度考虑，变量化设计c a d 系统的体系结构还有很 多问题有待探讨和解决。 北京交通人学坝f 。研究生学( 芷论文异步牵弓f 也动机零部件参毅化绘图系统的研究 尽管变量化采用并行求解策略，功能显得更加强大，但其体系结构不 完善，存在很多i b 前还无法解决的问题。而参数化设计的方法则已经相当地 成熟，目前使用的c a d 系统大多数属于参数化设计的方法。从参数化技术能 够处理的图形的复杂程度上来看，参数化设计的发展经历以下几个阶段： 1 单个视图平面图形的处理 这一时期参数化设计的求解方法主要局限于代数法，即通过一系列特征 点来定义实体的几何形状，所有几何约束转化为以这些点坐标为未知量的方 程组，通过求解方程组确定这些特征点。按这种求解方法要完成多视图的参 数化求解困难很大。 2 多视图平面图形的处理 随着人工智能技术的发展，产生了基于几何推理的参数化设计方法。在 基于儿何推理的求解方法中，与纯代数求解法相比有以下两点不同之处： a 将几何求解引入参数化设计。一般来说，对于以直线和圆弧为主体的 纯几何问题，代数方程的联立求解不如集合求解方便，几何求解可以利用图 形间的相切、平行、垂直等语义做出汁算误差修正，因此算法往往比单纯的 代数求解可靠，速度更快。 b 将传统的画法几何中的视图投影原理引入参数化设计。 这样一来，不仅对解读产品图纸，而且对于产品的改进、改型，产品的 派生非常方便。特别对系列化、规范化和标准化产品的设计具有迅速、快捷、 正确的特点，使参数化设计更贴近生产实际。 3 二维装配图的处理 随着面向装配的设计( d f a ，d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 和面向制造的设计 ( d 姒，d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ) 等现代设计理论的提出，人们也将参数 化对象从二维零件图逐步转移到平面装配图上来。实现装配图参数化的关键 是装配模型的建立，而建立装配模型的关键是设计装配模型的数据结构和确 定装配件间的定位关系。美国学者l i e b e r m a n 和w e s l e y 在几何造型a t u 0 p a s s s o 一 北京变通大学颂i j 研究生学位论文异步牵引电动嚣【零部件参数化绘圈系统的研咒 中利用图结构来描述装配关系和数据结构。e a s t m a n 利用树形结构建立了零 件之间的定位图( l o c a t i o ng r a p h ) ，树的结点对应固定的变换矩阵。k u n w o o l l e e 引入虚拟链( v i r t u a l l i n k ) 的概念，将虚拟链与树形结构相结合来 存储装配模型信息，通过虚拟链信息建立装配层次关系和联接相互配合的零 件。 将参数化设计方法从零件图扩展到装配图，国内也有一些初步成果。如 华中理工大学的贺培成针对模具装配图的设计提出了一种装配图参数化设 计方法：在零件图参数化基础上，通过装配模型记录零件间的装配尺寸、零 件配合尺寸、零件尺寸及零件详细设计信息分级处理，来保证零件图和装配 图的一致性以及在装配图设计的同时生成零件图。 4 三维图形的处理 实现三维图形的参数化一般从两个角度进行研究： 第一，从二维平面模型到三维立体模型的三维重建技术。由三视图自动 尘成轴测图是许多c a d 软件工程师梦寐以求的愿望。自从1 9 7 3 年提出三维重 建课题以来，虽经近三十年的研究但进展不大，究其原因主要是没有从工程 图样的角度出发来考虑和解决问题。如传统的三维重建基本上是从数学和逻 辑推理的特点考虑问题，由于工程图样表达的积聚性和规则性等特性，若不 从图形角度花大量的时间去消除数学和逻辑推理产生的影响，往往又根本无 法消除或者无法正确地消除其影响。 第二，建立参数化的三维造型，从三维造型自动生成二维视图并与之相 对应，对其中一个视图的改变将立即引起其它视图相应的改变，如a u t o d e s k 公司开发的三维机械设计软件m d t ( m e c h a n i c a ld e s i g nd e s k t o p ) 。由于三 维参数化造型系统的设计参数和造型参数有很大区别，虽然许多系统都声称 是全双向可逆( f u l l yb i d i r e c t i o n ) 的，但实际上它们通过投影直接生成的 二维图形与最终需要的工程图形上的投影，但却无法对最终工程图的尺寸进 行真正的参数设计。 1 0 ! ! 皇奎婆叁兰堕! ：堕壅圭兰竺堡苎 墨垄至! ! 生垫! ! 至苎堡至鎏些釜鬯墨茎塑堕基 在以上四个发展阶段中，可处理的图形复杂程度是伴随着计算机技术的 不断发展而提高的。目前人们并不满足于纯粹意义上的图形参数化设计，一 般认为，传统的参数化c a d 仅仅是将设计结果参数化，而非设计过程参数化， 提出将图形参数化引入工程约束实现设计过程参数化。我校机电学院的宋永 增教授曾在j d l 0 6 异步牵引电动机参数化课题中提出过设想，广东工业大学 的胡京知和祝国旺已经在此方面作了一些有益的探索。其实目前国内外学术 界e 在研究的装配模型己不仅仅是装配图结构模型。而且是基于产品的装配 建模，是支持产品从设计、加工工艺到制造全过程的产品信息装配建模。当 然，产品信息装配建模的基础依然是基于装配图结构的装配模型。 2 2 参数化设计的基本形式及实现手段 在对“参数化设计”的理解和实现上，由于思考侧重及实现方法不同， 也就带来了参数化设计的不同表现形式按照参数化设计所采用的处理方法 可以将其分为两类： 一过程式参数化 这类方法把交互绘图的过程程序化，有一般编程人员利用高级语言( 如 l i s p 、b a s i c 、c 等) 编程的方式，建立图形与尺寸参数的约束关系，通过常 规c a d 系统提供的二次开发接口技术生成几何图形。具体可理解为图形的所 有尺寸都是参数化的，可以动态修改，但这一过程是借助应用程序来实现的。 即应用程序负责与用户交互。当用户修改图形的某一尺寸时，应用程序负责 更新这一尺寸及其相对应的图形。 过程式参数化主要针对某一特定结构形式零件的专用图形的参数化，具 体实现方法有程序驱动法和尺寸驱动法。这就要求不同的零件要编制不同的 程序，对使用者的编程能力要求比较高，目前主要用于标准件的参数化。 1 1 垄塞奎望查兰竺主型壅竺兰竺笙兰墨生垩! ! 生苎! ! 量塑竺茎塑! ! 叁望墨竺塑塑壅 二智能参数化 这是当今c a d 的主题。现有的商品化绘图软件如典型的c a d 支撑软件 p r o e n g i n e e r 和a u t o c a dd e s i g n e r 等部属于这一类。我们可以方便地重定义 模型和更新显示结果，任何交互式的尺寸改动都会立刻导致这个模型的变 化。也就是说，修改一个尺寸以后，图形( 包括其它视图) 中的相关尺寸会 自动更新。这类参数化形式要完成计算机对工程图形约束关系自动识别，根 据图形的几何约束关系实现图形的参数化。就其实现参数化处理的具体方法 而占，主要概括如下几种： ( i ) 代数方程求解法 这种方法的优点是在于能适应较大范围的约束类型，且循环约束可通过 约束方程组的联立求解得到处理，但它难以避免数值方法求解稳定性差的缺 点，方程组整体求解的规梭和速度难以得到控制，且迭代初值的选取在很大 程度上也会影响算法的成败。1 9 8 9 年p r e m i s e 公司推出的商品化软件 d e s i g nv i e w 就是基于这种方法的求解。 ( 2 ) 基于几何约束的变量几何法”1 这是一种基予约束的数学方法，它将图形的几何模型分解为一系列特 征点，以特征点坐标为变量形成了一个非线性方程组，当约束发生变化时，利 用n e w t o n r a p h s o n 法迭代求解方程组就可以求出这些特征点的新坐标，从 而生成了新的图形非线性方程组的求解基于n e w t o n r a p h s o n 迭代法将 非线性方程组表示成： 设工程图为g ( f ) ，f ( x ) = 0 式中：x = ( x 。)i m ，f = ( f 。) i m 。 对于初值x 。，第n 十1 次迭代的x 。+ 。的值由以下迭代公式得到 x 。= x 。一( f7 ( x 。) ) 。f ( x ) 式中：f ，( x ) = 善rx n ) ，i ， 廊 - 1 2 j ! 皇奎望叁兰堡! 堕壅兰堂竺笙兰墨生主! l 里垫! ! 至苎堡茎塑! 兰竺笪墨竺堕竺垄 所谓变量几何法就是指一张工程图随尺寸参数而改变的图形。有如下两个性 质： a 当g ( f ) 中的某一尺寸调整时，仅与这一尺寸相关的图形改变其形状， 而与其他尺寸和图形均无关。 b 当尺寸参数和几何量均改变时，其拓扑性质不变。所以，几何变动后 的图和原图是同构的。 由于这种方法便于计算机处理，且简便实用，因此得到明显的发展和较 广泛的应用，也有不少研究正在寻求解决其求解稳定性差的途径。 ( 3 ) 几何推理法 这方法模拟人工读图论推理过程通过推理得到图形的几何细节，可以 检查约束模型的有效性，可作局部修改。这种方法按约束传播机制的不同分 为以下四种方法： o 图论方法。采用图论方法来描述约束式参数化设计的一种基本方法， 许多涉及有限约束类型和基于成熟算法的问题求解都用对应的图论方 法求解。 o 专家系统方法。将手工绘图的过程分解为一系列最基本的作图规则， 利用专家系统的符号处理、知识显示、集合推理将当前的作图步骤与基 本规则相匹配，从中求解未知数。作图规则匹配法和几何作图步骤求解 法属于此类方法。这种方法系统庞大，速度较慢。 o 基于构造过程的方法。这类方法突出几何建模的交互操作过程，包括 内容、次序、历史，并将它们对应到相应的约束和约束传播中去。这种 方法对于结构相同尺寸不同的零件设计是十分有效的。但是由于必须严 格遵循构造过程，灵活性和柔性不够，且难以利用传统c a d 系统生成的 图形。 。基于辅助线的参数化方法。该方法的主要特点是所有轮廓线都建立在 辅助线的基础上，而辅助线的求解条件在作图过程中已明确规定，不必 1 北京交通人学唢 ：研究生学世论文异步军引电动捌【岑部件参数化绘幽糸统的研咒 再作遍历搜索和检查求解条件是否充分，且求解速度较快，不足之处是 当图形比较复杂时，辅助线影响作图操作。 ( 4 ) 基于特征模型的造型方法 这种方法在交互造型过程中的每一步操作，采用了一种称为“参数化履 历”( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作 过程的程序化描述。将记录的定量信息作为变量化参数，当赋予参数不同的 值时更新模型生成历程，就会得到不同大小或形状的几何模型。这种方法较 适用于结构相同而尺寸不同的零件设计，但由于需要严格遵循某种构图顺序 故柔性和灵活性较差。 2 3 新一代c a d 系统中参数化设计的特点 现代新型设计方法对c a d 参数化设计提出了新的要求，新一代c a d 系统的 参数化、变量化功能应体现此要求，为此，参数化系统应具备以下特征： 1 全关联 对于大多数参数化系统，是在几何模型生成以后再将尺寸或者参数加入 模型中，不能达到全关联，且在后续的使用中会出现问题，不能实现并行化。 新一代c a d 系统不但要实现几何信息问的关联，还要实现几何信息和非集合 信息问的关联，如图素间的关联、视图间的关联、装配体与零件部件问的关 系、公式间的关联以及计算结果与图形间的关联： 2 设计过程参数化 要求参数变量化设计系统能够提供参数化和变量化技术相结合的复合 建模技术，而且参数变量化手段应具有多样性，至少包括图形、尺寸双向驱 动和表格驱动等： 3 支持基于事物特征表的变型设计 北京交通人学硕i 研究生学位论文异步牵引电动dl 车部1 牛参效化绘圈系统的研艽 基于事物特征表的变型设计是在原有零部件的基础上，通过改变事物特 征表中的特征值，从而得到相似零件的设计方法。这种方法要求参数化系统 具有表格驱动的功能： 4 支持自顶向下的设计方法 c a d 系统完全支持“方案设计装配设计详细设计”的全过程设 计，并可以建立全过程完整的关系链，保证整个设计过程的一致性，使设计 师在设计的概念阶段就可以使用c a d 系统，并准确记录和再现全部设计过程。 异步牵引电动机的技术设计和施工设计，实际上是首先按系统要求进 行电动机的牵引和制动特性计算，完成电动机与逆变器的参数交换结构 设计关系尺寸图设计外形图设计总装配设计装配设计一 一详细设计。 2 4 装配设计的研究 有关异步牵引电动机装配设计的研究涉及很多方面。其中包括装配体的 装配序列的自动规划、装配体模型表示、装配体的干涉检查、装配体的公差 与配合以及装配体的参数化等。 目前国内外除异步牵引电动机以外的装配技术的研究取得很多成果，但 从目前掌握的一些资料来看，却很少设计装配图的生成技术。这主要有两个 方面的原因：一是先进发达国家生产自动化水平较高，他们的研究重点已不 再是通过图纸装配而是由计算机生成装配模型，经过一系列处理后直接 生成机器人装配指令来完成装配的：另一方面，要从t o p d o w n 方式的创造性 的高效的装配结构设计决非易事。根据我国目前的实际情况，要达到这一步， 也还有不少工作要做。 八十年代，专家们对装配设计的研究主要停留在从下到上的阶段， 北京交通人学坝 ：研究生学位论文异步犟引咀动d 【岑部件参数化绘幽系统的研冗 s a k a g i 把装配体表达成一个二叉树或多叉树，假想各树根节点零、部件己 固定的情况下，记录叶子的平移、旋转等操作，并求出相对根节点的变换矩 阵。这样做，确定表达了装配体的部分自然属性，装配体内各部分是相互参 考的。参考基准发生变化，其他参考零件也应该同样变化。但也忽略了装配 体的另一部分属性，即装配体内的各种配合关系是无法用有向树来表达的。 九十年代初期，m m a n t y l a 在i b mj r e s 提出了自上到下( t o p d o w n ) 的产品设计思想。它将产品设计过程分为三个阶段：功能设计( f u n c t i o n a l d e s i g n ) 、概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ) 、和详细设计( d e t a i ld e s i g n ) ， 并提出了支持以上三阶段设计的c a d 系统原形。但是，其原型系统要实现实 用化，还有很大的难度“。 目前我国异步牵引电动机的一般设计方法是自上到下的产品设计思 想，首先提出机车或动车的总体设计概念，与电动机相关的是电传动系统的 功能设计和机械传动系统的结构设计，由电传动系统功能设计完成的电动机 电磁设计和机械传动结构系统完成的异步牵引电动机关系尺寸图( 如图 2 - 1 ) 齿轮箱和转向架接口的电动机外形图( 如图2 2 ) 。 图2 - 1关系尺寸图2 2外形图 由这两张图纸再进一步完成部件的装配图和详细的零件图。由于目前 参数化绘图研究水平的限制，只能先从零部件图参数化绘图出发，逐步完善 j ! 皇奎望叁堂堕：! ! ! 壅竺兰竺笙三墨生至! ! 皇垫! ! 至整堡茎鍪些竺堕至堑塑旦垄 电动机参数化绘图系统的研究。再逐步去完成异步牵引电动机电传动系统和 机械传动系统的综合设计的智能化软件平台的研究。 r a j n e e ts e d h i 和j o s h u aut u r n e r 对从上到下的设计方法也做过一些 研究。他们认为从支持产品的功能和设计者意图的角度来说，整个产品的设 计过程必须加强和支持装配设计。产品的功能不是由单个零件来实现的，而 是出所有零件协同工作来实现。这就意味着装配模型是整个集成设计环境的 关键，产品功能从这里产生，个别设计者从这里得到产品功能信息。装配模 型表达的是产品的高层结构，而零件则是这个高层结构里的几何和材料等实 体细节。作者认为他们阐述这种从上到下的设计过程基本上是科学合理可行 的，其中用c a d 系统进行功能描述是装配设计面临的主要任务之一。 根掘美国普渡大学w y n n eh s n 和g e o r g el e e 等的调查和总结，目前有三 种流行的装配图模型表示方法：图 、关系数据库、面向对象的数据库。他 们认为面向对象的数据库是最好的表示方法。面向对象数据库模型的封装 性使得f i ：多细节问题被隐蔽，所以可以得到一个简洁的界面。另一方面， l h 于邑具有集成性，语义层的一致性能够得到良好的保持，这是因为在父层 发生的变化能够自动地反映到子层。 2 。5 课题的提出 2 0 0 0 年北方交通大学和株洲电力机车研究所合作开发异步牵引电动 机智能化软件平台。要求达到： 1 以w i n d o w s 9 8 ( 2 0 0 0 ) 为操作系统下拉式菜单选择模式。 2 模块化式软件结构。 3 电磁计算优化设计。 4 二维有限元分析。 5 电机牵引计算。 北京交通人学顾卜研究生学位论文异步牵引电动机零部件参数化绘图系统的研究 6 电机机械计算。 7 以现有工程图库为基础( 自行编制，以利保密) 。 8 参数化绘图，参数给定自动生成样图。 9 智能化图纸修改，精度、公差、规则等自动提示。 1 0 三维显示，尺寸、空间检验，错误提示。 1 1 自动出图，数据库存档，数控加工数据接口。 经过三年的努力，北京交大就y d 2 5 一个规格的异步牵引电机的图纸的零 部件图初步画成自下而上的参数化绘图。还需要进一步整理，完成系统变量 的设置，这些工作等待在新产品设计中解决。由于3 0 0 k m h 异步牵引电动机 的课题暂仃，本课题也就没有进一步进行下去。 从目i j 国内大多数企事业单位c a d 的工程状况来看，投资c a d 系统的目的 是： o 减少手工绘图时问，提高绘图效率，缩短产品设计周期 。提高分析计算速度，解决复杂汁箅问题 。提高设计质量，优化产品结构 。减轻设计人员工作强度 。提高设计人员设计水平，加强市场竞争力 。促进设计工作的规范化，系列化和标准化 发展c a d 技术的目的决不仅仅是为了“甩掉图版”，更重要的是要尽可能 省时省力，而且使工程技术人员能更集中精力去做那些有创意的设计工作。 近年来，参数化设计以其强有力的草图设计，尺寸驱动修改图形等功能成为 初始设计，产品建模及修改、多方案比较和动态设计的有效手段，越来越受 到人们的重视。 异步牵引电动机和其它电动机图纸绘制的传统方法是先将技术设计的 图形参数的输出文件绘制成施工设计必须的关系尺寸图形，再从中分解出各 个小系统的几何关系，因此设计只存储最后结果，而忽视设计的过程。在绘 1g 北吊爻通人掌坝i 研冗生学位论文异步牵引电动d l 零部件参数化绘图汞统的研究 圈过程中只要少数人直接和技术设计工作衔接，尤其是在2 个设计小组同时 承担技术设计和施工设计任务的时候，很可能导致衔接错误。参与的设计人 员越多，衔接错误就越多，而且有些错误很难发现，这样增加了主管设计的 工作量，给产品造成一定的隐患。又因传统设计绘图系统缺乏可变参数设计 功能，更不能自动有效地处理因尺寸变化而引起的图形变化，所以产品一旦 发生较大的变化就必须重新设计，尤其在反复设计阶段，图形的不断变化， 有可能由于图纸版本的不同，使图纸出现不同版本之间的混用，发生管理中 的错误，使产品设计周期加长，设计费用增高。 2 6 作者的主要研究工作 产品的设计是一项高度复杂的智能活动，这种复杂性体现在产品设计 的各个阶段，涉及到概念设计、详细设计和分析校核等各阶段。这就要求新 的c a d 系统在最高的层次上支持产品设计的各个环节，而装配模型是产品设 计功能的体现和载体，装配设计是产品功能要求向产品设计的转换过程。所 以，研制完整的装配模型的定义模式和装配图的快速生成方法，是c a d 系统 丌发的关键。 本文首先对参数化方法进行分析和研究。并相应提出装配图参数化设 计的方法，开发出一种基于v b a 的异步牵引电动机参数化设计c a d 系统。 本人的主要工作是将部分产品图纸转化为参数化绘图的图纸。通过这种 转化来学习和掌握和熟悉参数化绘图的方法。 北京交通人学颤l 研究生学位论文异步牵引电动机零部件参数化绘图系统的研究 第三章系统总体设计 本文定义的系统是专指参数化绘图系统，不是指异步牵引电动机的所隶 属的交流传动的电传动系统，或装配在转向架上的机械传动系统。 总体设计过程通常由两个主要阶段组成：系统设计，确定系统的具体实 现方案；结构设计，确定软件结构，也就是确定程序由哪些模块组成以及模 块间的关系。 3 1 确定系统方案 本参数化系统主要是通过已有的产品图纸和工程分析建立异步牵引电 动机二维零件图的参数化设计模型，然后通过零件图拼装法将参数化零件图 拼装成装配图从而实现了零件图与装配图参数化设计的一体化。其设计过 程采用的是种从下到上的设计思想( 如图3 一1 ) ，确定好各零、部件位置， 通过各种配合关系正确地装配产品。 北京交通人学碰l 研究生学位论文异步帝引f 乜动机零部件参数化绘蚓系统的研究 3 2 异步牵引电动机功能模块的组成 圄3 - 1 设计过程 异步牵引电动机智能化设计平台由7 个子系统组成：即零件参数化设计 予系统部件设计子系统，装配子系统，干涉检查子系统，c a d 工具子系统， 有限元分析予系统以及结构优化设计子系统。现分述如下： 3 2 1 零件图参数化设计 我们以“先锋”号2 0 0 k m h 高速动车组异步牵引电动机为参照物，其 型号为j d l 0 6 按照计划首先把该图纸的零部件图转化为参数化绘图系统的 图纸， 对调用出的电机部分零件进行参数化设计，通过输入某一零件的设计参 数即可绘出零件图。参数化设计根据用户提供相应的特征参数，交互输入参 数后，自动绘出所需零件。 对需要进行产品改型或只需生成一部分产品图形时使用。可生成单件图 形，也可供设计时调用装配。包括以下子模块： 苎叠至望查兰堡：! ：翌垄兰兰竺笙茎 墨生至! ! ! ! 望塑量墅堡至垫些叁望墨篁塑堕壅 a 牵引电动机零件子模块：可调用图形库中j d l 0 6 牵引电动机零件。 b 参数化子模块：可对调用出的牵引电动机零件进行装配，得到所需 装配图。 圈3 - 2 传动端端盏 以传动端端盖( 如图3 - 2 ) 为例，它有端盖、罩版等1 1 个零件组成， 把这“个零件进行参数化设计，生成后进入图库。再调出11 个