（机械设计及理论专业论文）行星锥盘无级变速器参数化设计系统的开发和热场分析.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 行星锥盘无级变速器参数化设计系统的开发和热场分析 机械设计及理论 程伟华 签名：歪量鱼堡 周春国副教授 签名：虱盎! 塾 摘要 封闭式差动无级变速器是一种应用广泛，具有较好性能的新型无级变速器。目前我国 对封闭式差动无级变速器的设计基本还停留在传统的c a d 技术上，开发一套参数化的设 计系统对于提高无级变速器的设计效率和缩短开发周期有着非常重要的现实意义。另外， 无级变速器在运行过程中的发热问题也不容忽视，因此有必要对无级变速器的关键零部件 进行热分析。 本文在封闭式行星锥盘无级变速器的基础上，以s o l i d w o r k s 和v b 为主要开发工具， 开发了封闭式行星锥盘无级变速器参数化设计系统，并对无级变速器行星锥盘传动组件进 行了热分析。本文主要内容如下： 首先，以封闭式行星锥盘无级变速器二维零件图为基础，建立了三维实体零件的模版 及工程图。 其次，开发了封闭式行星锥盘无级变速器的参数化设计系统，包括文件浏览、零件参 数化设计、无级变速器设计计算、数据库管理、装配和在线帮助模块，其中在零件参数化 设计模块中还包括工程图的属性修改功能。最后利用c o s m o s w b r k s 有限元分析工具对 无级变速器的行星锥盘传动组件进行了有限元分析，可验证零件的设计是否符合要求。 最后，在对无级变速器行星锥盘传动组件进行理论热分析的同时，利用a n s y s 有限 元分析软件分析了组件的热场分布情况。 本文对类似设备的参数化设计系统的开发以及利用a n s y s 进行热分析也有一定的参 考价值。 关键词：行星锥盘式无级变速器；参数化设计；a n s y s ；热场分析 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ed e v e l o p me n to fp a r a me t r i cd e s l g ns y s t e m0 f t h ep l a n e 。r a r yb e v e l t y p ec v ta n dt h e r m a lf i e l d a n a l - y s i s m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：w e i h u ac h e n g s u p e r v i s o r = a s s o c i a t ep r o f c h u n g u oz h o u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：逊生赵竺坠g e n & s i g n a t u r e ：丛幽g 幽2 h a v t h ec l o s e dd i f f e r e n t i a lc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) i san e wc v tw h i c h h a sb r o a da p p l i c a t i o na n d p r e f e r a b l ep e r f o r m a n c e s a tp r e s e n t ，t h ed e s i g nt e c h n o l o g yo f c l o s e d d i f f e r e n t i a lc v ti ss t i l lt h et r a d i t i o n a lm o d ei no u rc o u n t r y , s oas e to fp a r a m e t r i cd e s i g n s y s t e mw h i c hd e v e l o p e df o rc l o s e dd i f f e r e n t i a lc v t h a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o ri m p r o v i n gt h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n ds h o r t e n i n gt h ep e r i o do fd e v e l o p m e n to ft h ec v t i n a d d i t i o n ，t h ec a l o r i f a c i e n tp r o b l e mi nt h ec o u r s eo fw o r ko fc v t c a l ln o tb en e g l e c t e d ，s oi ti s n e c e s s a r y t od ot h e r m a la n a l y s i st ot h ek e yp a r t so fc v t b a s e do nt h ec l o s e dp l a n e t a r yb e v e l t y p ec v t , t h et h e s i su s e st h es o l i d w o r k sa n dv ba s t h em a i nd e v e l o p m e n tt o o l s ，a n dd e v e l o p st h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo ft h ec l o s e dp l a n e t a r y b e v e l t y p ec v t a n dd o e st h e t h e r m a la n a l y s i so nt h ep l a n e t a r yb e v e l - p l a t et r a n s m i s s i o n m o d u l eo fc v t t h em a i np o i n t so ft h et h e s i sa r el i s t e db e l o w ： f i r s t l y , t h e3 dm o d e lp a t t e mp l a t e sf o rp a r t sa n de n g i n e e r i n gd r a w i n ga l es e tu pb a s e do n t h e2 dp a r t sf i g u r e so ft h ec l o s e dp l a n e t a r yb e v e l t y p ec v t s e c o n d l y , t h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo ft h ec l o s e dp l a n e t a r yb e v e l t y p ec v ti s d e v e l o p e d ，w h i c hi n c l u d e st h ef i l e sb r o w s e ，p a r a m e t r i cd e s i g no fp a r t s ，d e s i g na n dc a l c u l a t i o n o fc v t , m a n a g e m e n to fd a t a b a s e ，m a t ea n do n l i n eh e i pm o d u l e a n dt h e r ei sp r o p e r t y m o d i f i c a t i o nf u n c t i o ni nt h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l eo fp a r t s i nt h ee n d ，t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so nt h ep l a n e t a r yb e v e l - p l a t et r a n s m i s s i o nm o d u l eo fc v t i sd o n eb yu s i n gt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st o o lc o s m o s w o r k s ，a n di tc a nv a l i d a t ew h e t h e rt h ed e s i g no f p a r t si sc o r r e c t o r n o t a tl a s t ，a tt h es a m et i m eo fd o i n gt h e o r e t i c a lt h e r m a la n a l y s i so nt h ep l a n e t a r yb e v e l p l a t e t r a n s m i s s i o nm o d u l eo fc v t , t h es i t u a t i o no ft h em o d u l e sd i s t r i b u t i n go ft h e r m a lf i e l di s a n a l y z e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h et h e s i sp r o v i d e sr e f e r e n c ev a l u ef o r t h ed e v e l o p m e n to fp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo ft h e s i m i l a re q u i p m e n ta n dt h et h e r m a la n a l y s i sb yu s i n ga n s y ss o f t w a r e k e yw o r d s ：p l a n e t a r yb e v e l t y p ec v t ；p a r 锄e t r i cd e s i g n ；a n s y s ；t h e r m a lf i e l da n a l y s i s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：j 蜂口3 年 弓月f 中日 学位论文使用授权声明 本人箍垒! 缘在导师的指导下创作完成荜业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：导师签名：! 虱查! 虱啡3 月，弘日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景 无级变速器是在1 9 世纪9 0 年代出现的，2 0 世纪5 0 年代以后，随着科技的发展，加 之大量的需求，无级变速器得到了很大的发展。无级变速器有多种传动方式：1 ) 利用柔 体介质传动，如利用液体做传动介质的液力传动；2 ) 以电磁流为介质的传动，该种变速 方式以电机调速为主体，有电磁滑差式、直流电动机式和交流电动机式；3 ) 脉动式无级 变速器；4 ) 摩擦传动。由于在摩擦传动中，主从动件之间的接触位置可以很容易地改变， 利用这一特点可以连续地改变传动比，所以摩擦式无级变速器是目前应用最为广泛的一种 无级变速器。 由于摩擦式无级变速器的传动几乎都是依靠摩擦力或油膜牵引力来传递动力的，在充 分润滑的条件下，用高硬度，高光洁表面的摩擦传动副来传动，摩擦系数约为0 0 2 - 乙0 0 6 ， 法向压紧力为高达其所传递的有效圆周力的2 0 7 5 倍，因而限制了其传动功率。 在摩擦式无级变速器发展过程中，先后出现了滚轮平盘式、锥盘环盘式、钢球平盘式 等多种型式的滚动体，但都没有改变依靠摩擦力来实现传动这一本质。鉴于行星齿轮传动 出现了以锥盘或环盘为太阳轮，中间滚动体为行星轮的行星式传动，在机构的组成上行星 式传动无疑向前迈进了一大步，其变速范围变大、输出特性好、承载能力高、结构紧凑、 加压装置或操纵机构都比较简单。 封闭式差动无级变速器是由基本型无级变速器、封闭差动轮系组成的一种比较新型的 无级变速器传动。封闭式差动无级变速器拓宽了基本型无级变速器的应用场合，通过对基 本型无级变速器和封闭差动轮系的不同组合及参数的不同选取，可以扩大传递功率或调速 范围，甚至实现过零调速，在工程机械、起重机械、建筑机械和现代兵器以及航空工业中 都获得了较好的应用，具有广泛的应用前景。 封闭式差动无级变速器具有变速范围广、结构紧凑、体积小和重量轻；运转平稳、噪 音低，传动比稳定，负载变化时速度变化很小；调速精度高，加压和调速操纵机构比较简 单以及使用范围广，可与各类减速器和电机配套组合，实现低速无级变速，也可与差动轮 系组合实现大功率或大调速范围传动等特点【1 】。 1 2 国内外研究现状 当前国内外学者对封闭式差动无级变速器作了大量的研究，其中有的采用各种方法分 别研究了传动比、变速范围、力矩关系、功率流、滑动率、啮合效率等，有的引入了虚拟 样机技术对封闭式差动无级变速器进行了一定的研究，有的则从接触力学、摩擦传动、有 限元理论等角度对无级变速器的摩擦传动进行了一定的分析。 随着现代计算机硬件和软件技术的发展，人们能够在基于虚拟现实的基础上，依据虚 拟样机仿真理论，借助于高速计算机与机械系统多体动力学、弹塑性力学、系统工程学、 西安理工大学硕士学位论文 计算机仿真、三维产品造型设计技术、有限元技术等相关科学技术的强强联姻，构建一个 能模拟现实系统的集成c a d c a e 仿真分析平台，从而站在系统的角度利用这个 c a d c a e 仿真分析平台对无级变速器进行研究，可以帮助设计人员完成以前需经数次物 理样机试验才能实现的研究工作1 2 j 。 但采用传统的c a d 技术仍存在一系列的问题，如当设计产品需要修改时，导致设计 模型及图纸需要进行反复修改，工作量增大，工作周期加长，降低了设计效率，而且也无 法满足日益增加的多品种、多规格的需求。由于这些问题的存在，大大制约了产品开发的 设计效率和开发周期。在三维设计同益发展的今天，已经使得更快、更高效设计多规格， 多品种的无级变速器成为可能，为了提高设计效率及解决传统c a d 技术应用的不足，对 系列化无级变速器的开发和设计引入参数化设计方法势在必行。 1 3c a d 技术的发展及应用 1 3 1 咖技术国内外发展现状 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术起源于1 9 4 6 年。2 0 世 纪6 0 年代开始，c a d 技术随着在计算机屏幕上绘图变为可行而迅速发展，人们借助此 项技术可以摆脱繁琐、费时、精度低的手工绘图。初期的c a d 技术仍然是用传统的三视 图方法来表达零件，以纸质为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术，此时期 c a d 的含义仅仅是图板的替代品。当时开始出现三维c a d 系统只是极为简单的线框系 统，这种系统只能表达基本的几何信息，不能表达几何数据的拓扑关系。由于缺乏形体表 面信息，c a m 及c a e 均无法实现。7 0 年代，飞机和汽车工业的蓬勃发展给三维c a d 发展带来良好的机遇，法国达索飞机公司在二维绘图系统c a d a m 的基础上推出三维曲 面造型系统c a t i a ，标志着计算机辅助设计从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出 来，首次实现用计算机描述零件产品的主要信息，同时也使得c a m 技术开发有了现实的 基础。而后典型造型系统带来第一次c a d 技术革命，改变了以往只能借助于油泥模型来 表达曲面的落后方式，但它只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如 质量、重心、惯性矩等，对c a e 未予考虑。基于对c a d c a e 一体化技术的探索，s d r c 公司1 9 7 9 年推出世界上第一个完全基于实体造型的c a d c a e 软件卜- d e a s 。8 0 年代 c v 公司提出一种比无约束自由曲面更新颖的算法“参数化实体造型方法”，p r o e 是第一 个采用参数化的c a d 软件，第一次实现尺寸驱动零件。进入9 0 年代参数化变得比较成 熟起来，才充分体现其在许多通用零、部件设计时存在简便易行的优势。由于c a t i a 、 c v 、u g 都是在原来非参数化模型上开发和集成的许多应用程序，重新开发一套完全参 数化造型系统十分困难，于是后来推出的版本都在自己参数化基础上实现复合建模技术。 正是经过这样的发展过程，他们的产品p r o e 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 、u g 、i - d e a s 占领 着全球制造业c a d 软件市场。国外的汽车、航空航天、造船和机床等行业已全面采用三 维c a d 软件进行产品虚拟设计和制造，有的企业能实现无图纸加工。 2 l 绪论 我国的发展情况是：“九五”期间二维c a d 应用工程在制造业中的普及，使大多数 企业甩掉了图板。9 0 年代后期我国的c a d 软件产业已从无到有初具雏形，出现了清华 英泰、北航海尔、浙大大天、武汉天喻、武汉丌目等c a d 软件企业，丌发出一批具有自 主知识产权，商品化的二维c a d 软件，打破了国外产品一统天下的局面，而且取得了国 内市场8 0 的占有率；而三维c a d 软件尽管有北航海尔“c a x a 实体设计”、“三维 c a x a 电子图板”、广州红地技术公司“金银花机械设计m d a ”、北京新洲“s o l i d 2 0 0 0 ”、 武汉开目的“开目c a d ”、武汉天喻的“三维参数化c a d c a m 系统”、清华英泰的 “g e m c ，但是目前任何一家的三维c a d 软件与国外的如p r o e 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 、 u g 、i - d e a s 、s o l i de d g e 等相比，无论从功能、稳定性还是界面都差距很大，除了核心 技术未掌握外，商品化开发程度不够、工程研究尚欠深入。为了解决这一问题，作为8 6 3 计划的“面向行业典型产品的三维数字化设计系统”这一项目已于2 0 0 3 年1 月立项。 前面是从科研的理论水平上讲的，从实际应用来讲，国内有代表性的制造企业如航空航天、 汽车摩托车、机械、仪表家电等，已开始引进先进的三维c a d 技术来改造原来的二维辅 助设计系统。在新产品的设计中广泛采用三维实体、曲面、实体曲面建模技术，建立零件 的三维数字化模型，并逐步向全数子化虚拟样机c a d 方向发展；c a e 技术的应用也从关 键部件的强度、刚度、模态分析，向整机的有限元发展，并在c a e 的分析方法中，结合 多领域的专家系统，形成专业化的c a e 分析评估系统。c a m 技术从简单的零件、工模 具的辅助制造，向复杂曲面零件、大型复杂模具三维型面的n c 加工和加工过程的仿真发 展，d n c 技术得到普及。现代c a m 技术为新产品的试制、工艺工装制造提供先进的数 字化加工手段l 引。 1 3 2c 、i ) 技术的发展趋势 ( 1 ) 微机化c a d 技术发展经过几十年的发展，先后走过大型机时代、小型机时 代、工作站时代、微机时代。现在工作站和微机平台c a d 软件已占据主导地位，特别是 微机平台越来越受到人们的重视。主要原因是：1 、微机性能的显著提高，硬盘容量大、 主频速率高、图形处理能力强、显示精度高；2 、微机同小型机、工作站比较价格便宜， 普通用户和中小企业都能接受。3 、微机操作方便、开发容易，支持其开发工具和应用软 件比比皆是，具有最大的用户群。 ( 2 ) 三维立体化随着二维c a d 的技术普及，三维软件也越来越多如u g 公司 的s o l i d e g d e 软件推出1 9 0 版，s o l i d w o r k s 公司的推出了新版和p l u s 版，p t c 公司i - d e a s 等老牌公司也纷纷推出n t 平台软件，a u t o d e s k 推出了m d t 9 0 。国内高华、大天等自主 开发的三维造型软件也上市。 ( 3 ) 集成化随着c a d 技术的推广和普及，制造企业已不满足于简单的“甩图 板”的工作，力图实现工艺部门的现代化，由此形成了对c a p p ( 辅助工艺的规划) 的需 求；c a d 技术的应用使得以前用仓库来存放的图纸技术资料变成了电子文档既节约空间 又便于查询、统计、汇总，这样就造就了p d m ( 产品数据管理) 软件的巨大需求；当c a d 西安理工大学硕士学位论文 技术在企业中大力推广的同时，企业为了提高效率、降低成本也越来越重视在企业中推广 应用e r p ( 企业资源计划) 系统。e r p 系统制定生产计划、销售计划和采购计划时，必 须从c a d 系统获得产品结构，从c a p p 系统获得每个零件的工时和材料定额等基础数据。 因此客观需要c a d 、c a p p 和e r p 系统集成，及c i m s ( 计算机集成制造系统) 的开发 无疑是c a d 技术发展的必然趋势。 ( 4 ) 智能化现有的c a d 技术在机械设计中已经发展为处理数值型的工作，如计 算、分析与绘图。然而工程设计中存在另一类推理型工作，包括方案的构思与拟定、结构 的选择与优化、参数的选择和方案的评定等。这些工作需要知识、经验和推理，将与专家 系统技术与c a d 技术结合起来，形成智能化的c a d 系统是c a d 的发展必然趋势。 ( 5 ) 网络化网络技术是计算机技术与通信技术结合的产物。c a d 系统只有通过 网络互连起来，才能达到资源共享和协调工作，发挥更大的效益。近年来，计算机支持的 协同设计环境的研究是c a d 技术发展方向之一。多媒体技术、分布人工智能、面向对象 和数据库的结合应用将为协同设计环境提供开发平台。网络c a d 技术的发展，有助于提 高和改善设计的工作效率和质量，充分体现团队的作用，这可以使工作人员不受地理位置 的限制，就能进行方案的讨论和产品设计。 ( 6 ) 标准化c a d 标准体系是开发应用c a d 软件的基础，也是促进c a d 技术普 及与应用的约束手段。通过c a d 的数据模型、数据交换格式和c a d 资源等方面的标准 的制定，使得不同c a d 系统间进行数据交换和数据共享更加容易，从而减二不必要的重 复劳动。目前已制定了不少的标准，如面向图形设备的标准c g i 、面向用户图形标准g k s 和p h i g s ，面向不同c a d 系统的数据交换标准i g e s 和s t e p 等，基于这些标准开发的 c a d 软件必将更加受用户的喜爱和推荐。 1 4 本课题的研究对象、意义及内容 1 4 1 本课题的研究对象 本文研究的封闭式行星锥盘无级变速器是用行星锥盘无级变速器( d i s c o ) 封闭 2 k - h 差动轮系的两个基本构件而组成的。封闭式行星锥盘无级变速器是至少有一个作行 星运动的中间滚动体、依靠滚动副的摩擦力来传递动力，通过改变太阳轮或行星轮的工作 半径来实现变速的无级变速器。其传动原理与一般锥齿轮行星轮系相似，但因没有轮齿因 而工作半径在运行过程中可以调整【。 图1 - 1 是封闭式行星锥盘无级变速器的结构简图，1 - - - , 9 构成基本型无级变速器，1 0 - - - , 1 3 构成封闭式差动轮系。 1 4 2 本课题的研究意义 目前我国对无级变速器基本上还停留在传统c a d 技术上，不能满足产品的高效系列 化设计的要求，因此对于企业来讲，改变设计方法，引入三维设计软件迫在眉睫。三维软 4 1 绪论 l 动盘2 弹簧3 定盘4 行星锥盈5 定环6 功环7 调速装置8 , 9 构成加k 装置 1 0 内齿轮1 1 行星齿轮1 2 输 t i 系杆1 3 太阳轮f 转臂 图1 - 1 封闭式行星锥盘无级变速器结构简图 f i 9 1 1s t r u c t u r es k e t c ho fc l o s e dp l a n e t a r yb e v e l t y p ec v t 件在可视化设计、装配设计、设计分析、加工仿真等方面具有传统c a d 技术遥不可及的 优越性；通过三维c a d 技术可以方便地完成产品设计方案的改进，可以提高产品一次性 试制成功率，同时在企业中引入通用的三维c a d 软件也不一定符合特定产品的设计要求， 因此结合特定的产品对三维c a d 软件进行二次开发是解决这类问题的快捷途径，尤其是 系列化的产品设计。 关于封闭式行星锥盘无级变速器的参数化设计目前还未见相关报道，这对于产品的创 新设计、提高产品的整体设计质量、设计效率难以起到根本性的作用，因此研究开发出以 三维软件为基础的一套参数化设计系统对于提高企业的设计水平、设计效率和缩短开发周 期有着非常重要的现实意义。 另外，封闭式无级变速器在实际工作过程中零部件的发热问题也是一个不容忽视的问 题，有时会出现由于接触区过热而产生的胶合与烧伤破坏，因此有必要对无级变速器的关 键部件进行相关的热分析。 1 4 3 本课题的研究内容 为了解决上述封闭式无级变速器存在的问题，本课题拟以s o l i d w o r k s 2 0 0 7 为支撑软 件，以v i s u a lb a s i c 6 0 、a c c e s s 2 0 0 7 为工具开发其三维参数化设计软件，并利用a n s y s i o 0 有限元分析软件对行星锥盘传动组件有限元模型建立热一结构耦合场进行热分析。 课题的主要内容包括： ( 1 ) 建立零件的三维实体模版及工程图； ( 2 ) 利用a c c e s s 工具建立零件标准尺寸数据库( 键、螺纹等) ； ( 3 ) 利用v i s u a lb a s i c 6 0 调用s o l i d w o r k sa p i 函数进行零件的参数化设计； ( 4 ) 应用v i s u a lb a s i c 6 0 编写相关的应用程序及界面： ( 5 ) 应用c o s m o s w b r k s 对无级变速器行星锥盘传动组件进行有限元分析； 西安理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 对行星锥盘传动组件进行热的理论分析并利用a n s y s 建立有限元模型进行热 场分析。 6 2 三维c a d 造型及参数化技术 2 三维( i a d 造型及参数化技术 2 1 三维几何造型的方法及优势 2 1 1 三维几何造型的方法 几何造型是指一种技术，它能将物体的形状及其属性( 如颜色、纹理等) 存储在计算 机内，形成该物体的三维几何模型。这个模型是对原物体的确切的数学描述或是对原物体 某种状态的真实模拟。这个模型将为各种不同的后续应用提供信息，例如由模型产生有限 元网格，由模型编制数控加工刀具轨迹，由模型进行碰撞、干涉检查等。很显然，用计算 机对模型进行分析或模拟比对实物进行制作或处理要容易得多。通常把能够定义、描述、 生成几何模型，并能交互地进行编辑的系统称为几何造型系统。 几何造型技术经历了线框造型、表面造型、实体造型和特征造型等发展阶段，其造型 理论和方法不断得到充实和完善。这几种模式实质上代表了形体在计算机内三种不同的存 储方式。 ( 1 ) 线框模型( w i r e f r a m em o d e l )线框模型是利用对象形体的棱边和顶点来表 示其几何形状的一种模型，它的主要特点是结构简单，易于处理，其输入可通过键盘输入 线段两端点坐标来实现。线框模型完全适用于从任何方向输出三视图和透视图等。由于线 框模型是用棱边来代表形体的形状，因此它只反映出三维形体的一部分形状信息，难以用 线框模型输出物体的剖面图、消除隐藏线及画出两个面的交线或轮廓线等。目前线框模型 主要用于二维绘图或作为其他造型方法的一种辅助手段。 ( 2 ) 表面模型( s u r f a c em o d e l ) 表面模型是在线框模型的基础上发展起来的。 它把线框模型中棱线所包围的部分定义成形体的表面，增加了面的有关信息及连接指针， 然后利用形体表面的集合来描述形体的形状。由于表面模型描述了形体的各个面，故可处 理与图形有关的大多数问题。在表面模型中发展得较快的是自由曲面造型。但由于表面模 型仍不能完整全面地描述物体形状，因而表面模型难以直接用于物性计算，并难以保证形 体描述的一致性和有效性。 ( 3 ) 实体模型( s o l i dm o d e l )若要完整描述一形体，除了应描述其几何信息外， 还应说明它的各部分之间的联系信息以及表面的那一侧存在实体等信息，实体模型就是基 于这一思想发展起来的。实体模型是由许多具有一定形状和体积的基本体素通过布尔运算 组合而成。基本体素是由表面来定义，并说明了表面的那一侧存在实体。实体模型可全面 完整地描述形体，可自动地计算物性，检测干涉，消除隐藏线和剖切形体等，因而能较好 地满足c a d 的要求，得到了广泛的应用。 在c a d 造型时，常采用实体模型，但也不能一概而论，在某些应用领域用表面模型 要比实体模型更合适。而在有限元分析时，经常采用线框模型。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 1 2 三维几何造型的优点 三维造型是c a d 系统的核心，它可使设计人员迅速而有效地修改、测试和处理设计 信息。主要优点有： ( 1 ) 能较快地造型和进行设计分析，包括干涉检查、物性计算等； ( 2 ) 模型生成时间大为减少，通过三维图形的硬拷贝，各种建议和说明等都能有效 地送交相关部门的人员和用户； ( 3 ) 产品外观成形方法的改进，能有效地促进销售； ( 4 ) 零部件几何数据的完整定义为c a d 、c a p p 和c a m 集成提供了重要基础； ( 5 ) 所有的设计修改、详细设计和零部件分析都可在三维造型支持下，通过计算机 模拟来实现，从而大大减少了样机试制、试验的工作量，能节省时间，降低成本； ( 6 ) 数控机床加工时刀位轨迹仿真可节省n c 加工时刀具调整、试切时间，消除刀 具和机床碰撞的可能性。 2 2 特征建模技术 由于实体造型存在缺乏产品开发全生命周期所需的信息，以及其提供的构形手段不符 合工程师的习惯等缺点，作为实体造型的发展，提出了特征建模( f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ) 的思想。特征指的是反映零件特点的，可按一定原则加以分类的产品描述信息，引入特征 概念的目的在于增加c a d 系统中几何实体的工程意义。基于特征的造型把特征作为产品 零件定义的基本单元，如利用孔、槽、凸台等来描述形体的形状，将产品零件描述为特征 的集合，包括形状特征( 具有一定工程意义的形状) 、精度特征( 尺寸公差、表面精度等) 、 材料特征和其他工艺特征( 材料类型、材料性能、表面处理、工艺要求等) ，从而为工艺 设计和制造过程的各个环节提供充分的信息。迄今为止复杂零件的特征识别仍很困难，因 此采用特征直接进行设计成为当前主流。 目前特征的分类方法很多，主要有按几何形状分类、按功能分类、按制造方法分类和 按产品定义数据的性质分类。在特征模型中，形状特征是其他非几何特征信息的载体，非 几何特征信息一般是作为属性或约束附加在形状特征上。 2 3 参数化绘图与尺寸驱动开发技术 早期c a d 系统不具备模型的尺寸驱动功能，如有尺寸改变则必须重绘图形，几何模 型也不能与工程计算相联系，设计者必须反复进行计算一绘图的循环。为了克服这些缺点， 基于约束的参数化的c a d 系统应运而生。目前流行的c a d 技术基础理论主要是以p r o e 为代表的参数化造型理论和以s d r c i d e a s 为代表的变量化造型理论两大流派，它们都 属于基于约束的实体造型技术。 参数化设计技术是目前广泛应用的一项设计技术。对于结构形式基本固定而结构参数 变化的产品，利用参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 可以极大地提高产品的设计效率，减 8 2 三维c a p 造型及参数化技术 少重复劳动。 2 3 1 参数化设计 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是指参数化模型的尺寸用对应的关系描述，而不需 用确定的数值，变化一个参数值，其设计模型将自动改变与其相关的尺寸。通过改变参数 化模型的约束条件，就可自动地导出精确的几何模型，对系列零件，通过修改局部参数就 可生成新的零件。 参数化模型在设计中常用到的是几何模型。 ( 1 ) 几何模型描述的是几何实体的几何关系和拓扑关系，有的图形几何关系相同， 而拓扑关系不同，有些图形几何信息不同而拓扑关系相同： ( 2 ) 参数化模型就是带有参数名的草图，用户修改参数名，零件几何模型的拓扑信 息不变，而尺寸自动改变； ( 3 ) 约束就是对几何元素的大小、位置和方向的限制，简单地可理解为图形的定形 尺寸和定位尺寸。 2 3 2 参数化设计的几种方法 ( 1 ) 变量几何法 将几何形状定义为一系列的特征点，将几何元素间的约束关系转换成以特征点坐标为 变量的非线性约束方程组。当约束变化时，解出方程组，得到一系列新的特征点，从而生 成新的几何模型。 这种方法要求用户输入充分且一致的尺寸约束才能求解约束方程的解，当模型越复 杂，约束越多，解线性方程的规模越大，构造方程唯一解的约束也越不容易，求解方程也 越困难，故该法应用于较简单的平面模型。变量几何法是一种整体求解的方法，通用性好， 但局部修改性能差，牵一发而动全身，效率很低。 ( 2 ) 尺寸驱动法 在工程图中，图元的形、位是由尺寸标注确定的，通过变动所标注的尺寸就能自动地 得到几何图形的相应变化。要修改图形，并不是直接修改图形实体特征点( 如直线段的起 始点、终点) 的坐标，而是修改图形实体的尺寸( 参变量) 。尺寸标注线可以认为是一个 向量，如下图，上面标注的内容就是参变量的现值，反映了图形的尺寸大小，其方向反映 了几何数据的变化趋势，终点坐标就是要修改的几何数据，其终点称为该尺寸线的驱动点。 被驱动实体所对应的点为被动点。当要改变参数值时，就可以根据尺寸线向量计算出新的 终点坐标，以此来修改数据库中被动点的几何数据，使它们得到新的坐标值。 2 3 3 参数化造型技术的特点 参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用，与 一个几何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何。其主要技术特点是：基于特征、 全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。 9 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 基于特征将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，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) ，不能漏注尺寸( 欠约束) ，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 ) 全数据相关尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。 采用这种技术的理由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸 的形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状 上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。 工程关系( e n g i n e e r i n gr e l a t i o n s h i p ) 如：重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，在 参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要另外的处理手段。 从应用上来说，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业系列化 产品设计及标准件库的建立等。这样的行业，零件的形状改变很少，经常只需采用类比设 计，即形状基本固定，只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。再者就是 由二维到三维的抄图式设计，图纸往往是绝对符合全约束条件的1 4 】。 2 4 本课题采用的基于三维c a d 系统的参数化设计策略 机械零部件三维模型的构建是实现虚拟设计和虚拟制造的基础。采用三维c a d 造型 系统是实现产品三维设计的有效途径，而提高三维模型设计效率的最好方法之一是参数化 设计。参数化设计主要体现在两个方面：一是用程序实现参数化设计，即利用参数化绘图 程序生成图形；二是利用c a d 系统提供的参数化功能实现模型的设计变量驱动，即在模 型构建过程中用变量来控制模型的几何尺寸和约束关系。前者是完全的程序驱动，一个专 用程序可以生成一系列形状相似的模型。这种方法的不足之处是：编程量大，程序设计效 率低，灵活性和扩充性差。后者主要是利用c a d 系统的全参数化功能，无须用户编程， 利用设计变量控制模型的形状和大小，即用户通过直接修改变量表中的数值实现对模型的 编辑。这种方法较之前者要先进和实用得多，但要求用户必须掌握c a d 系统的造型方法 和一定的使用技巧。本课题在讨论基于三维c a d 系统参数化设计策略的基础上，提出一 种利用三维参数化特征造型模型的设计变量与编程技术相结合的三维模型参数化设计方 法，并以典型的s o l i d w o r k s 软件为支撑环境，进行参数化设计系统的开剔5 1 。 a 用设计变量表实现三维模型的参数化设计 三维c a d 系统通常具有强大的特征构造功能。在s o l i d w o r k s 系统中，以生成的二维轮 廓为基础，通过构建拉伸、旋转、放样、扫描等填料、除料、抽壳等特征构建三维模型， 并自动生成设计变量表。用户通过设计变量表中的数据进行修改，以设计变量作为三维模 型的参数，从而实现用户交互操作层次上参数化设计。对于具有全参数化功能的三维c a d 系统均可以采用这种方法，如在m d t 中通过用户建立的一组设计变量或表格方式来控制 l o 2 三维c a d 造型及参数化技术 模型的几何尺寸及约束关系。这种参数化设计策略的优点是不通过编程手段来实现机械零 部件的三维参数化设计，简单实用。缺点是操作较复杂、设计效率不高。 b 用编程技术实现三维模型的参数化设计 利用三维c a d 系统本身提供的开发环境应用程序接口，用编程方法生成三维模型的参 数化设计。模型二维轮廓的生成、各种特征的构建及编辑等均由程序控制。在s o l i d w o r k s 环境，可利用系统提供的a p i 应用编程接口，用v b 或v c 语言实现参数设计。其优点是三 维模型完全实现了程序驱动，但不足之处是编程工作量大、丌发效率低、适用面窄。 c 用设计变量与编程技术相结合的方式实现三维模型的参数化设计 综合前两种策略的优点，可采用设计变量与编程技术相结合的三维模型的参数化设计 方法。其实现原理是以三维参数化特征造型技术生成的模型为基础，用设计变量作为参数 化程序与三维模型的联系纽带。其主要设计思路为： ( 1 ) 建立三维模型样板。先对零件进行分类，用反映该类零件所有特征的复合零件 作为三维模型样板。然后根据复合零件用人机交互的形式直接在三维c a d 环境建立模型， 确定和创建设计变量。 ( 2 ) 设计参数化程度。从已构建的模型样板中获取设计变量，采用图形用户界面对 设计变量进行查询或修改，或根据设计计算所确定的设计参数修改零件模型的设计变量。 最后生成新的三维模型。 2 5 小- 结 本章系统的介绍了三维c a d 造型技术以及参数化设计的概念和方法，并通过比较几 种不同的参数化设计方法，提出了采用设计变量与编程技术相结合的三维模型的参数化设 计方法是一种比较好的选择。 西安理工大学硕士学位论文 3 参数化设计系统的开发 3 1 系统开发平台及开发工具的选择 3 1 1 三维c a d 软件的选择 目前市场上有很多的c a d ( 造型) 软件，如e d s 的i - d e a s 软件、e d s 的u g 软件、 p t c 的p r o e n g i n e e r 软件、d a s s a u1t 的c a t i a 软件、s o l i d w o r k s 的s o l i d w o r k s 软件等。 而s o l i d w o r k s 是一套基于w i n d o w s 的c a d c a e c a m p d m 桌面集成系统，具有造型、 绘图、装配、二次开发、有限元分析等功能。功能强大、易学易用和技术创新是s o l i d w o r k s 的三大特点，使得s o l i d w o r k s 成为领先的、主流的三维c a d 解决方案。s o l i d w o r k s 能 够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。s o l i d w o r k s 不仅提 供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。在无与 伦比的设计功能和易学易用的操作( 包括w i n d o w s 风格的拖放、点击、剪切粘帖) 下 使用s o l i d w o r k s ，整个产品设计是百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之 间的是全相关的。 s o l i d w o r k s 具有如下主要的功能【6 】【7 j ： ( 1 ) 零件建模s o l i d w o