（机械制造及其自动化专业论文）面向装配的cad系统标准件建库工具.pdf

中文摘要 本论文以“新州三维”s o l i d 2 0 0 0 系统中的标准件库开发为 背景，在分析参数化、变量化、特征造型的理论基础上，从建立 标准件的形状约束模型入手，分析了零件及装配体形状约束类 型，提出了开发面向装配的三维c a d 标准件建库工具过程中的约 束求解技术、约束驱动技术、混合几何模型消隐技术等关键技术。 同时，本论文研究了将装配体的三维模型制成标准件的技术，并 给出了实现方法。该标准件库建库工具的设计充分考虑了集标准 件三维模型与二维国标规定画法于一体的建模方式，研究工作为 产品建库技术的发展与应用做了有益尝试与探索。论文总结了标 准件建库技术的发展现状，详细比较了国内外商品化系统在零件 建库方面的功能，提出在不需要专用开发环境下，建立标准件库 的通用方法。同时在分析有关标准件国家标准的有关规定，以及 用户建库需求的基础上，建立了标准件的分类和分层体系，使标 准件库的层次更加分明、管理更加方便。在标准件库的管理系统 设计了标准件的建立、删除、修改、查询等功能，同时对于标准 件规格中数据的编辑、修改以及系列尺寸的输入提供了处理方 案，使标准件建库工具操作简单易用。针对某些标准件( 如：轴 承) 在工程图的剖切视图中需采用国标规定画法的要求，提出了 利用草图特征的方式将标准件国标规定画法绘制在标准件三维 模型的特定位置上，剖切时通过位置判断决定是否使用标准件国 标规定画法。这样使得标准件的设计与应用更加符合国家标准的 要求，充分满足了国内用户的需求。 关键词：三维c a d 标准件库面向装配的设计参数化设计 a b s t r a c t a ns e r i e so fk e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gc o n s t r a i n t ss o l v i n g c o n s t r a i n t s d r i v i n g a n dh i d d e n 一1i n e s u p p r e s s i n g f o r h y b r i d m o d e l s ，w e r ep r o p o s e d ，f o rt h es t a n d a r dp a r tl i b r a r yo f u r s o f t s s o l i d 2 0 0 0 ， o nt h et h e o r e t i c a lb a s i so fo f p a r a m e t e r i z a t i o na n a l y s i s ， v a r i a t i o n a la n df e a t u r eb a s e d m o d e l i n g m e a n w h i l e ，t h et e c h n o l o g yo fc r e a t i n gs t a n d a r dp a r t f r o ma s s e m b l ym o d e l w e r es t u d i e da n di m p l e m e n t e d i nt h e d e s i g no fs t a n d a r d p a r t li b r a r yt o o l k i t ，i tw a sf u ll yt a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o no ft h e i n t e g r a t i o no f 3 d m o d e l l i n ga n d n a t i o n a ls t a n d a r d so n2 dd r a w i n g t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h e h is t o r yo f d e v e l o p m e n t a n d t h ec u r r e n ts t a t u so fs t a n d a r d 1i b r a r y t e c h n o l o g y ，a n dp e r f o r m e d ad e t a i1 c o m p a r i s o no f d o m e s t i cc o m m e r c i a ls o f t w a r ew i t hf o r e i g ns o f t w a r ei na r e ao f f u n c t i o n a l i t yo fp a r tl i b r a r yc o n s t r u c t 主o n t h e n ag e n e r a l m e t h o do fs t a n d a r dp a r t1i b r a r yc o n s t r u c t i o nw i t h o u td e v o t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，w a sp r o p o s e d a n d f u n c t i o n a li t i e s o f c r e a t i o n ，r e m o v i n g ，e d i t i n g ，i n q u i r y w e r e p r o v i d e d f o rt h e m a n a g m e n to fs t a n d a r dp a r tl i b r a r y a l lt h e s ef u n e t i o n a l i t i e s a n dt e c h n o l o g i e s ，f u l f i l l e dt h es p e c i f i c a t i o no fo fr e l a v a n t n a t i o n a ls t a n d a r da n dt h er e q u i r e m e n t so fc h i n e s eu s e r s i i k e y w o r d s ：3 dc a d ，s t a n d a r dp a r tli b r a r y ，d e s i g nf o ra s s e m b l y ， p a r a m e t e r d r i v e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 一爹海可 签字日期：，阳弘年f 月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 1 钥暮丁 签字日期：加湃，月孑日 聊躲兹 签字日期：碰事，月廖日 第一章绪论 1 1 研究背景 11 1 c a d 技术的发展概况 第一章绪论 c a d 技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生 产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，当前国内外c a d 技 术的发展趋势主要围绕在开放式、集成化、智能化、标准化四方面“1 。 1 开放性 c a d 系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口9 5 9 8 n t 和u n i x 平台上， 在j a v al i n u x 平台上也有c a d 产品，此外c a d 系统都为最终用户提供二次开发 环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自己的c a d 系统。现在的 c a d 技术和系统都具有良好的开放性，图形接口、图形功能目趋标准化。c a d 系统 的开放性主要表现为系统的应用平台、人机交互界面、应用开发环境等方面。 随着计算机性能的不断提高，以及计算机价格的大幅降低，以微机为主流平台的 c a d 系统被我国大多数企业所接受。并且随着参数化设计与多媒体技术的深入开 发，以及自适应智能界面的应用，大大缩短了初学者学习c a d 应用软件的时间； 动态导航、约束驱动等功能也使得产品设计的速度和精度等到明显的提高； 面向对象技术( o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o o g y ) 和软件组件技术( s o f t w a r e c o m p o n e n tt e c h n o l o g y ) 的应用使c a d 系统结构更为紧凑、各模块的独立性增强， 并且也为二次开发创造了更好的环境。 2 集成化 c a d 技术的集成化体现在四个层次上：其一是广义c a d 功能 c a d c a e c a p p c a m c a q p d m e r p 经过多种集成形式成为企业一体化解决方案， 推动企业信息化进程。目前创新设计能力( c a d ) 与现代企业管理能力( e r p 、p d m ) 的集成，已成为企业信息化的重点0 1 ；其二，通过数据文件转换器实现不同系统 间的信息共享。例如目前广泛适用的d x f 文件转换。其三，是将c a d 技术能采用 的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高c a d 系统的效率和可维护 性；其四，是c a d 面向网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运 而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。 第一章绪论 3 智能化 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 新学科。智能 c a d 把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系 统集于一体，形成如图卜l 所示的结构。 图卜i 智能c a d 系统 现在的许多商业化的c a d 系统中，都已体现了智能化的技术，如体素和特征 的“动态捕捉”、“零件草图尺寸的自动标注”、“草图约束的自动添加”等，随着 多媒体技术的广泛应用，智能c a d 技术将得到进一步的发展。 4 组件化 自8 0 年代以来，软件开发的思想就有很大的转变，应用了组件的概念，利 用其他成熟的算法、成熟的商品化模块来搭建自己的软件。所有的软件都是面向 需求的，在充分满足市场和用户需求的前提下，采用组件的概念使我们能够快速 完成软件的开发，二开发出的软件功能稳定，由很好的开放性、可扩展性、可移 植性。 5 标准化 除了c a d 支撑软件逐步实现i s o 标准和工业标准外，面向应用的标准构件( 零 部件库) 、标准化方法也己成为c a d 系统中的必备内容，且向着合理化产品设计 的应用方向发展。 从8 0 年代中期起，i s o 国际标准化组织着手酝酿制订这类标准，称作 i s 0 1 0 3 0 3 产品数据表达与交换标准，简称s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g e o fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 。作为一种产品信息建模技术，s t e p 规定了从产品设 2 第章绪论 计、开发、制造以至于全生命周期中包括产品形状、解析模型、材料教工方法、 组装分解顺序、管理数据等方面的必要信息定义和数据交换的外部描述，从而为 企业内外数据交换和信息继承、发展新一代产品数据管理系统等等开创了新局 面，它是制造业具有划时代意义的举措。 1 1 2 目前用于机械产品设计的c a d 系统研究的热点问题 随着科学技术的发展和生活水平的提高，顾客对产品的复杂程度和交货期的 要求越来越高，只有借助于现代化的设计手段和先进的设计方法才能满足这些要 求。因此，面向机械产品设计的c a d 系统研究的热点问题主要是： 1 支持的协同设计的c a d 系统 设计工作是一个典型的群体工作，群体成员既有分工，又有合作。因此群体 的工作由两个部分组成：一是个体工作，群体成员应完成的各自分工的任务；另 一是协同工作，因为群体工作不可能分解为互相独立的个体工作，群体成员之间 存在相互关联的问题。因此，改变传统的作业方式，在并行工程方法指导下，采 用以i n t r a n e t 为基础、面向项目组的分布式协同工作方式，促进企业内部和企 业间的合作，加速产品开发过程中复杂信息的传递，缩短产品开发周期。 2 面向产品创新设计的g a d 技术 创新是产品设计的灵魂，如何利用c a d 技术来支持创新，以成为c a d 、c i m s 领域的一个研究焦点。目前只能提供一些启迪方法，如存入大量多媒体设计数据， 并通过网络方便地供设计人员查询，从而可能引导出意想不到的富有创新的设 计。又如利用c s c w 工具，通过直接讨论方式来相互启发，产生新的设计思想， 促进创新设计。提高企业创新能力。但需要强调的是：在产品设计过程中的创新， 不是源源不断地创造出新的零部件，而是如何利用现有的资源，创造出新的原理 和新的方法，实现新的功能。 3 提供建库工具 实践表明：尽管面向顾客的产品变化较快，但构成产品的零部件相对稳定。 据我国有关统计资料表明，每增加一个新零件，年平均费用增加2 0 0 0 - - 4 0 0 0 元 人民币；而另一份资料也显示，机械企业中按其零部件特性分类，约5 0 的零 部件属于标准件和外购件，其成本占1 0 ；通用件和相似件占4 0 ，成本占2 0 ：而根据顾客要求设计的特殊零部件只占1 0 ，成本却占了7 0 。因此，对 零部件数量的控制，其意义不只是少出几张工程图，它节省了大量的费用，所以， 在产品设计中应尽量采用标准件和外购件。 第一章绪论 较为先进的c a d 系统应提供标准件和常用件的建库工具，用户可以利用交互 方式输入零件图形，然后由c a d 系统进行参数化设计完成建库工作。同时，图库 管理应利用成组技术和相似性原理，采用标准化技术、模块化技术，建立标准化、 模块化和系列化设计体系，改变传统产品结构，充分利用现有的标准件和已有的 零部件，进行新产品的设计，快速响应市场需求，降低成本，提高质量。 1 2 课题研究背景与问题提出 12 1 课题研究背景 现代技术的飞速发展，使得产品设计方法发生了根本的变化。c a d c a m 技术的应用水平已成为一个国家现代化水平的重要标志，特别是c a d 三维设计 技术与c a m 技术的集成，极大地促进了产品设计理念和方式的变革。产品设计 过程是制造型企业立足市场，参与市场竞争的核心过程。随着经济一体化与产品 市场竞争全球化的的推进，制造业竞争已经走过了以价格、质量为主的时期，进 八了对商业机遇快速响应的时代，传统产品设计过程已经无法快速适应市场的变 化和客户的需求，正逐步被先进的产品设计方法所取代。 参数化设计( p a r a m e t r i c ) ，也称作尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i y e n ) 是c a d 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具 有自动绘图的功能。目前它是c a d 技术应用领域内的一个重要的应用技术之一， 能否实现参数化已成为评价c a d 系统优劣的重要技术参数“1 。利用参数化设计手 段开发的专用产品设计系统，因为它符合现代c a d 中概念设计以及并行设计的思 想，设计开始工程设计人员会快捷草拟产品的零件图，通过对产品的形状及大小 的约束后精确工成图，同一系列产品的第二次设计可以直接修改第一次设计来实 现，设计参数不仅可以驱动设计结果，并且影响产品的整个开发周期，这样可使 设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并 减少信息的存储量。除此以外，参数化设计还能使设计人员在设计的同时实现参 数化建库，为后续设计和新产品开发提供了极大的方便。有资料表明：目前我国 所有得航空设计所以及飞机主机生产厂均采用了先进的c a d 技术进行产品设 计，在新产品的开发与设计中，有8 0 的零、部件采用已有的设计模块，使得 设计时间、设计成本减少了5 0 ，分立零件、备件数量减少5 0 。 为用户提供预定义的标准件建库工具，使得用户可以根据实际需要方便地建 立和调用标准件，以加快产品设计的速度，缩短产品设计的周期。据统计表明， 在一个产品中，已有零部件、标准件的数量占6 0 以上，电子、航空航天和机 4 第一章绪论 械制造等行业，其比例更高，因而零部件库和标准件库的建立被认为是一个国家 制造业中最重要的信息基础设施之一【6 】。 北京新州协同软件技术有限公司多年以来致力于对制造系统中的产品设计相关 技术的研究，试图结合工程应用背景建立新一代计算机辅助设计技术系统，由他 们开发设计的“新州三维”s o l i d 2 0 0 0 就是有我国自主版权的三维c a d 系统，采 用当今世界最流行的实体造型工具p r a s o l i d 作为几何内核。2 0 0 2 年2 月该系统 于通过中国机械工程学会的鉴定，鉴定结论是：国内自主版权的三维软件中处于 领先，具有国际同类软件先进水平。2 0 0 2 年7 月通过国家制造业信息化三维c a d 软件评测以及中国计算机软件评测中心测评，“新州三维”s o l i d 2 0 0 0 项目获得 科技部2 0 0 2 年创新基金的支持。该产品主要用于机械产品从设计到制造的全过 程，以制造业的最新国际标准i s 0 - - 1 0 3 0 3 ( s t e p ) 为系统设计的依据；采用面 向对象的技术；使用行业先进的实体建模、参数化特征造型、二维三维双向关 联技术、具有多种的标准数据接口：s t e p ，d x f ，s a t 等。“新州三维”系统的 组成模块包括：参数化草图设计模块、三维特征设计模块、基于特征的装配设计 模块、工程设计模块、曲线曲面模块、钣金设计模块、标准件库等模块。本文 的工作正是在“新州三维”s o li d 2 0 0 0 标准件模块的基础上展开的。 1 22 国内外标准件库的研究现状及问题的提出 国外的c a d 技术发展较早，技术日趋成熟，应用日益广泛。在特征造型的基 础上，国外商品化c a d 系统以及提供用户自定义特征库( u d f ) 功能，这些均是 针对单个零件设计而言，以基本特征为元特征构建常用的面向应用领域特征。对 部件乃至整个产品设计而言，大量使用标准件和典型零件，因此产品零件建库显 得非常重要，是评价c a d 系统的重要技术指标。世界各机械零件的标准均有差异， 目前国外c a d 系统还未有直接提供符合我国标准的产品标准件库系统。 国内的c a d 系统大都是二维系统，部分系统提供- - 维标准件库，部分软件商基 于国外的系统开发三维标准件库，由于系统开放程度不够，没有形成完整的 技术体系。 国外商品化c a d 系统的标准件建库功能分析： 1u g - i i u g i i 是u g s 公司的一个通用的c a d c a e c a m 软件，系统没有标准件模块， 但为用户提供了二次开发的工具。提供专用的g r i p 语言、由于c 语言兼容的u s e r f u n c r i o n 、与集成界面完全统一的u s e rt o o l 等。利用这些工具，用户可以开发 第一章绪论 出自己需要的应用模块。 2 m d t 美国a u t o d e s k 公司m d t 系统是微机平台参数化特征造型软件，是二维绘图 和三维造型一体化系统。系统没有提供常用的标准件和通用件模块。但m d t 的三 维参数化实体造型功能为用户进行二次开发提供了条件。目前部分用户已在m d t 进行开发图形库功能模块。 3 i v e n t o r i v e n t o r 是美国a u t o d e s k 公司推出的自适应设计系统。与其它的基于特征 造型软件借助于脚本开发语言和“用户定义特征”的定制方法实现设计知识重用 不同，i v e n t o r 软件利用“设计元素( d e s i g ne l e m e n t ) ”，而不需开发定制软件 就可以实现用户化和知识重用。比脚本或宏定义更好的是，设计元素是自定义对 象，可以被任何用户定义。由于自动生成向导驱动式的界面，所以用户只需要定 义特定的尺寸和参数：规定有关的数值定义范围和输入类型，就可以实现知识重 用。 4 s o ii d e d g e s o l i d e d g e 作为u g 公司的中档产品，提供了简单的建立图形库的工具，建 立特征库的能力较弱，库管理功能十分欠缺，只有简单的文件管理功能。 5 s o ii d w o r k s o l i d w o r k 作为新一代基于w i n d o w s 平台的中档c a d 系统，系统提供库特征 创建功能，不需要专用的开发语言，同时能对库进行创建、修改、删除等编辑功 能。载入库特征时，只需拖动特征到所需的大概位置，然后通过修改特征中的所 有定位尺寸来精确放置。 6 p r o e n g in e e r p r o e n g i n e e r 时p t c 公司推出的高档c a d c 脒系统，系统特征库分两类： 从属特征库直接从源模型中获得需要的数据，源模型中尺寸值的改变直接影响到 库的相关数据，而且要求库与源模型同时存在。优点在于节约磁盘存储空间： 独立特征库从源模型中拷贝需要的数据到库模型，源模型与库模型各自独立存 在，互不相关，改变其中一个，另一个并不随之变动。缺点是需要较多的存储空 间。而在特征的创建和在特征的载入时的定位方式方面，p r o e n g i n e e r 与 s o l i d w o r k 的思路大体一样，但是p r o e n g i n e e r 的缺点是可视性功能差，用户 界面操作繁琐。 6 第一章绪论 7 卜d e a sm a s t e rs e ri e s i - d e a sm a s t e rs e r i e s ( i d e a sm s ) 是s d r c 公司推出的机械工程c a d c a m 软 件，相对于参数化技术，s d r c 以变量化技术给设计者提供了更大的方便性和创 造空间。i d e a sm s 为用户提供了特征库与标准件库等建库工具。其中d e s i g n 模块中的c a t a l o g f e a t u r e 提供用户自定义特征库功能，利用c a t a l o g s e c t i o n 存取界面图形。i d e a s 软件中的c a t a l o g 模块为用户提供创建标准件零件库的 工具。利用i d e a s 软件中的l i b r a r y 存放非标零件库。利用i d e a sd r a f t i n g 模块中的s y m b o l 和p r o g r a m 语言编制工程图纸和2 d 机械标准零件库。利用 i d e a s 软件中的r e l a t i o nd a t am a n a g e m e n t 建立参数数据库。但各库之间的数 据传输、数据流向、双向关联则需要利用i - d e a sm a c r o 语言编写接口与管理程 序。 8 c a t l a c a t i a 软件是由法国d a s s a u l t 宇航公司从七十年代开始开发，c a t i a 在汽车 给汽车、航空航天领域的统治地位不断增强，同时，c a t i a 也大量进入其他行业， 如机车制造、通用机械、家电、船舶等。c a t i a 创建零件的方法与p r o e 类似， p r o e 提供库文件管理产品存放、检索和几何部件，以备在c a t i a 模型中的重复 使用。部件制造商可能希望与其他客户共享他们库的拷贝。此库的存在促使客户 在总装时使用制造商的部件。 将上述商品化系统在产品建库方面功能，进行分析、归纳、总结，见表卜1 。 表1 一l 国外c a d 软件标准件库功能比较 标准件库功能比较 系统名称 标准开发开发难易模型 件库工具语言程度 使用性库特征库管理 定义 无法定 u g i i无有c g r i p难较差无无义装配 件 无法定 m d t无有c较难差无无义装配 件 无法定 i v e n t o r 无有 c 较难差有无义装配 件 7 第一章绪论 无法定 s o l i d e d g e无有 c难差有无 义装配 件 无法定 s o l i d w o r k无有c较难差有无 义装配 件 无法定 li d e a s有有 p r o g r a m 难差有无义装配 件 无法定 p r o e无有 c难差有无义装配 件 无法定 c a t i a无有c难差有无义装配 件 1 3 选题的依据与意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于新一代的国产c a d c a m 软件“新州三维”s o l i d 2 0 0 0 的开 发需求。“新州三维”s o l i d 2 0 0 0 是面向机械结构设计和工业造型领域的机械设 计平台，是我国自主版权的中端三维c a d 系统。该系统采用当今世界最流行的实 体造型工具p r a s o l i d 作为几何内核，采用面向对象的技术，使用业内先进的实 体建模、参数化特征造型、二维三维双向关联绘图等技术。系统包括：参数化 草图设计模块、三维零件设计模块、装配设计模块、工程图模块、曲线曲面造型 模块、钣金设计模块、标准件库等模块。在设计与功能分析方面已具备了与国外 同类软件相抗衡的能力。 为了更好地满足国内机械制造行业的需求，使s o l i d 2 0 0 0 系统真正为我国企 业带来经济效益，必须使其国标化和专业化，其中标准件库项目是s o l i d 2 0 0 0 系 统的重要的组成部分，标准件库的建立和使用将提高设计效率和质量，是c a d 系 统走向实用化的必不可少的环节。为此，新州三维协同软件技术有限公司提出课 题需求，希望以灵活快捷、以易学易用为设计宗旨，严格遵守标准件国家标准规 第一章绪论 定，在满足通用机械行业的专业要求的同时，兼顾国内不同行业的特殊需要，建 立一个可以灵活建库、修改方便、符合制图国标规定的实用并有特色的三维标 准件库，为国内用户提供丰富的国标化标准件库和标准件建库工具。 1 3 2 选题的意义 c a d 系统不可能，也不必要为用户提供涵盖所有可能应用的，包罗万象的预 定义标准件库，而应提供满足最终用户需求的零件或组件定义的通用机制标 准件建库工具。其次，标准件建库工具应是能够充分面向机械设计领域中设计人 员的工作需求，成为产品的信息载体，允许用户应用标准件建库工具自定义零件 或组件，并应能充分表达所定义零件或组件在功能和装配等方面相关的约束关 系。同时，应用标准件建库工具还能对用户定义的零件或组件库进行有效的管理。 目前的一些国外商用c a d 系统，如：s o l i d w o r k s 等，提供了用户定义特征的功 能，但未提供完善的约束定义机制，用以表达用户定义特征内部及用户定义特征 之间的约束关系，也未提供对用户定义的特征进行有效管理的方法，所以在标准 件建库功能上受到一定的限制。 机械产品面向装配的标准件建库工具在产品设计中具有重要的意义，主要体 现在以下方面： 1 进行产品设计的必要工具 当今世界的市场动态多变；产品生命周期缩短、产品品种增加、产品批量减 少、顾客对产品交货期、价格和质量的要求日益增高。市场竞争主要围绕着新产 品的竞争而展开，企业依靠独占技术构成的新产品获得高额利润。企业是否根据 用户的需求，提供用户需要的“个性化产品”，已成为企业是否赢得竞争、不断 发展的关键。机械产品的设计离不开各种标准件的使用，在一个机械产品的设计 过程中，标准件和通用件的数量占很大比重，据研究表明，8 0 是在原有的基础 上进行改进和创新，开发出实用的符合国家标准要求的标准件建库工具是简化设 计工作，提高设计效率的有效保证，也是评价c a d 系统的一个重要指标。 标准件建库工具是进行产品设计的必要工具。设计人员在产品造型过程中， 可以通过调用系统预定义的标准件或用户自定义的零件及组件，避免设计中的重 复劳动，大大缩短了设计周期，提高了设计效率。标准件建库工具可以将各种规 格的标准件、非标件以及用户定义件创建入库，需要时从库中提取安装至指定位 置，为产品的设计提供了极大的方便。 9 第一章绪论 2 降低产品的成本，保证产品的质量和性能 r 在对现有的机械工厂的所有零件调查统计中，标准件约占零件总数5 0 ， 典型零件的变形零件占4 0 ，在产品的开发设计中尽可能采用标准件和典型零 件的变形零件，不仅可以降低成本，而且经生产实践证实这类零件具有良好的工 艺性和质量性能，采用这些零件能较好地保证产品地质量和性能。 3 实现虚拟企业设计重用 有效利用合作企业已有的设计、制造资源是虚拟企业产品设计的核心。在产 品设计过程中最大限度地利用合作企业已有的设计、制造资源，不仅可以减少大 量的零件设计、绘图、工艺设计、夹具设计与制造等生产准备工作，缩短生产准 备周期，而且由于新的零件种类的减少，控制了工艺装备的多样性，降低了产品 成本，提高了产品设计的可靠性和敏捷性。网络化的标准件建库工具就能实现虚 拟企业设计重用。 1 4 本文研究内容 面向装配的三维c a d 标准件库建库能填补c a d 系统在我国应用领域中产品建 库方面的不足，据了解，目前的一些商用c a d 系统都不具有这项功能。本文将对 以下内容作研究与开发：如何定义装配标准件；标准件库的组成、分类；标准件 库管理和维护；如何生成符合国标制图要求的二维标准件简化画法。以常见的推 力球轴承为例，建立轴承的三维c a d 标准库，对系统的功能进行设计与实现。 1 5 本章小结 本章从产品设计的角度出发，综述了国内外c a d 技术的发展趋势，以及国外 c a d 产品标准件库实施简况，在分析c a d 系统标准件库建库工具研究现状的基础 上，引出论文的研究背景和选题的意义。最后介绍了全文研究的思路，内容和论 文结构。 l o 第二章关键技术及基本原理 第二章关键技术及基本原理 2 1 参数化特征造型技术 机械产品几何造型技术经历了线框造型、表面造型、实体造型三个阶段，目 前正向着特征造型、参数化和变量化方向发展。利用参数化设计手段开发的产品 设计系统，可使设计人员从大量繁琐的绘图工作中解脱出来，从而大大提高了设 计效率。 2 1 1 参数化设计 参数化设计( p a r a m e t r i c d e s i g n ) 也称为尺寸驱动设计( d i m e n s i o n d r i v e l l d e s i g n ) ，是在维持给定约束条件和拓扑结构的前提下，按用户输入的参数生成 新图。参数化设计系统与传统的c a d 系统的根本区别在于该类系统除了保存图形 的几何信息和拓扑信息以外，还能够表达与处理几何元素之间的各种约束关系。 所以，参数化设计的技术非常适于结构形式基本固定而机构尺寸参数变化的图形 的输入与绘制。参数化是图形软件的重要发展方向”1 。 原理参数化设计是通过参数驱动机制完成的。参数驱动机制可以满足图形 的约束条件下对几何数据进行修改，通过约束键关联性的实现约束联动。对一个 图形，约束可能十分复杂，而且约束数目很大，而实际有用户控制的，即能够独 立变化的参数一般只有几个，称之为主参数或主约束；其他约束可由图形结构特 征确定的约束，称它们为次约束。对主约束是不能简化的，对次约束的简化可以 有图形特征联动和相关参数联动两种方式。 图形特征联动就是保证在图形拓扑关系不变的情况下，对次约束的驱动，亦 即保证连续、相切、垂直、平行等关系不变。反映到参数驱动过程就是要根据各 种几何相关性准则去判识与被动点有上述拓扑关系的实体及其几何数据，在保证 原关系不变的前提下，求出新的几何数据，称这些几何数据为从动点。这样，从 动点的约束就与驱动参数有了联系。依靠这一联系，实现从动点的驱动。 所谓相关参数联动就是建立次约束在数值上和逻辑上的关系。在参数驱动过 程中，始终要保持这种关系不变。相关参数的联动方法使某些不能用拓扑关系判 断的从动点与驱动点建立了联系。使用这种方式时，通常引入驱动树，以建立主 动点、从动点等之间的约束关系的树形表示，便于直观地判断图形的驱动与约束 情猊。 第二章关键技术及基本原理 参数驱动可以被看作是沿驱动树操作模型数据，不同的驱动树，决定了参数 驱动不同的操作。由于驱动树是根据参数模型的图形特征和相关参数构成的，所 以绘制参数模型时，有意识地利用图形特征，并根据实际需要标注相关参数，就 能在参数驱动时，把握对模型数据的操作，阻控制图形的变化。 用参数化造型进行设计，最大的优点是系统自动记录建立几何的整个历程。 换句话说，系统不仅记录了建立的几何，同时也记录了设计意图，即几何间的关 系，当你改变参数时，几何间的关系保持不变。 例如，如果一个圆的圆心位于一直线的端点，那么，无论直线和圆的大小怎 样变化，其圆心始终位于直线的端点上。为此，在产品造型需要给出图形位置时， 要使用相应的定位关系选项，以便充分发挥参数化造型的优越性。如果，按传统 的c a d 系统那样，使用绝对坐标控制图形的位置，系统便不能记录几何间的位置 关系，当改变参数化尺寸时，几何间的位置关系将发生变化。 2 t 2 特征造型技术 为实现c a d 、c a p p 、c a m 、工程管理系统及经营管理系统之间的信息交换与 共享，在进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的要求下，特征造型技术应 运而生。特征的使用使产品模型不仅包含由c a d 的几何、拓扑信息，更重要的是 包含了特定的工程信息，使产品模型可以满足设计、制造活动中各个阶段和各种 应用的要求。特征技术是c a d c a m 集成的核心技术，特征是集成中的信息传递媒 介。 1 特征造型的内容 机械产品几何建模方法都是面向计算机图形学的，它们对物体的几何形状进 行描述，生成所需的零件图形。特征的内容归纳起来有： 1 ) 零件的几何形状信息； 2 ) 作为加工对象的孔、沟槽及面等形面特征； 3 ) 有关形面特征的位置、尺寸； 4 ) 形面特征之间的关联等。 2 特征模型 特征模型的表示模式必须满足各种技术人员同时定义信息的需要。形状信息 与工艺信息不但能共同存在于同一模型中，而且能够支持不同终端对不同信息的 并行定义。特征模型的表示模式中，应该能同时反映模型底层的几何数据、各种 设计特征、工艺特征及其相互关系。 第二章关键技术及基本原理 特征造型技术是c a d 建模方法的一个里程碑，美国p t c 公司率先推出了直接 用特征进行设计的商品化系统。与传统的几何造型相比，特征造型有十分显著的 优点： 1 ) 特征造型着眼更好表达产品的完整技术和生产信息，为建立产品的集成 信息模型服务； 2 ) 使产品的设计工作在更高层次上进行，设计人员的操作对象是产品的功 能要素，可以将更多的精力用于创造构思上： 3 ) 有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系， 为开发新一代基于统一产品信息模型的c a d c a p p c a m 集成系统创造前提”1 。“。 2 1 ，3 几何约束的求解技术 产品设计阶段蕴含着一系列不同特点的问题求解活动，设计问题本质上是一 个约束满足问题，即给定功能、结构、材料、制造等方面的约束描述，求得满足 设计要求的设计对象的细节，并在设计的修改过程中保证设计约束的一致性。设 计约束管理技术作为智能c a d 系统关键技术之一，以设计过程中各种对象( 符号、 几何) 之间的相互关联的表达、维护、运行为研究目的，已经成为当今c a d 理论 研究的热点之一。国际上一些著名大学和研究机构，如：麻省理工大学、卡内 基梅隆大学、东京大学等，均有专门的小组和实验室从事设计约束技术的研究。 基于约束的c a d 系统有两种主要形式，基于参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 和变量化设计( v a r i a t i o nd e s i g n ) ，它们在技术上的差别体现在约束方程的定义 和求解方式上。参数化设计系统所有约束方程的建立和求解依赖于图素和约束的 输入顺序，参数求解采用顺序求解策略，求解过程不能逆向进行，即求解是过程 式的( p r o c e d u r a l ) ，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。变量化设计系统对设计对象的操作具有更好的灵活性和自由度，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的意图随意修改，通 过采用联立求解约束方程来确定产品的形状和尺寸，同时几何约束和尺寸约束可 以整体求解，模型的驱动尺寸用复杂的方程来表达，求解的结果与设计过程无关。 变量化设计允许用户不必关心约束的设置顺序，用户不必按固定的顺序设置关 系，只需赋予一些必要的参数即可。 可见参数化设计只是变量化设计的初级阶段，变量化系统是对逐渐用属性进 行约束的自由轮廓进行求解，而不是对造型步骤进行记录，因而功能更为强大 t a 一1 j 】 1 4 第二章关键技术及基本原理 2 ，2 机械零件或装配体形状约束模型 使零件和装配体具有动态可修改也是c a d c a m 领域的重要研究方向，其主要 目的是提高设计的自动化程度。基于约束的参数化、变量化方法是目前位置提出 的解决这一问题最有效的方法，关于设计过程中约束的定义、表示求解已经有了 有效的研究成果。 2 2 1 零件模型定义过程 在特征造型系统中，零件的形状通过定义特征来完成的，草图模块产生特征 轮廓，采用拉伸、旋转、扫描、放样等基本形体生成方法定义复杂形状特征，特 征分为： 辅助特征：基准平面、基准线、基准点、基准曲线、参考坐标系统等。 基本特征：孔、凸台、壳等。 草图特征：拉伸、旋转、扫描、放样等 高级特征：倒角、抽壳、阵列、镜像、拔模等。 零件的设计过程采用树状结构来表述描述，树型结构记录设计历程的每一步 操作，通过便利结构树，可以查询、显示特征间的相互关系，可对特征的状态( 是 否抑制) 和创建顺序进行修改，可以将设计过程回溯( r o l l b a c k ) 到某一特征，然 后继续造型。 系统既可以通过尺寸来驱动形状，又可以通过参数和约束进行变量化设计。 一个装配体的所有零件尺寸、草图尺寸、装配约束关系尺寸均可参与方程的定义， 建立尺寸间的关系。 2 2 2 装配体模型的定义过程 装配设计是产品设计过程的一个重要阶段，零件要靠装配设计来组成最终的 产品，而产品的功能需求也要靠装配设计得到实现，可以说在c a d 中装配设计占 有举足轻重的作用。目前国内外关于装配设计和实现的研究可以划分为两种不同 的方法，即自底向上( b o t t o m - u p ) 设计方法和自顶向下( t o p d o w m ) 设计方法“。 自底向上的设计方法是在产品整体设计方案已经确定的情况下进行的，设 计人员首先利用c a d 系统分别对各个零件进行详细设计，然后根据整体设计方案 确定这些零件之间的装配关系，形成产品模型。早期的几何造型系统是自底向上 建模的基础，在这些系统中设计人员可以用基本体素通过布尔运算来建立零件的 第二章关键技术及基本原理 几何结构，但这些体素与设计人员的设计概念还有很大差别，其模型并未直接包 含产品功能和语义信息，因此基于几何模型的设计方法很难维持几何元素之间的 功能关系，它所建立的产品模型是不完善的。基于特征的零件设计设计系统为自 底向上的设计方法提供了新的基础“。“1 ，这些系统提供了一个特征库，而特征可 以包含比几何更为丰富的功能语义信息，设计者通过选取适当的特征来建立产品 模型，然而基于特征的系统在应用中仍然存在局限性。首先，特征库所能表达的 信息是有限的，设计者的设计意图难以充分体现，其次，系统提供的特征主要还 是面向加工制造的，从设计的角度出发，构造产品模型的特征应该是产品的功能 特征。后来出现了设计阶段的集成化研究，但这种集成还主要是产品的几何、精 度、材料等实体信息，还没有产品的功能信息。总之，自底向上的设计方法并不 能完全表达产品的功能语义，从根本上来说，它只是一种产品的表达，而并非真 正的产品设计。 自顶向下的设计方法是首先建立产品的功能表达，这种表达可以是系统的 约束表达式或与功能对应的设计隐式表达，然后对这种表达进行分析，检查是否 满足产品设计要求，在此基础上设计者利用c a d 系统不断细化零件的几何结构， 从而保证零件结构满足产品的功能要求，形成产品模型。 总之，由于自顶向下的设计方法更符合产品从功能到结构的设计过程要求， 近年来成为产品装配设计的研究热点之一。 国内对装配建模和装配设计的研究目前尚处于起步和探索阶段，主要集中 在华中理工大学1 9 1 、清华大学2 0 2 1 、上海交通大学圈、北京航空航天大学【2 3 1 、 浙江大学州等。 2 2 3 零件形状的约束 1 零件形状约束 基于约束的参数化设计、产品模型的修改、多方案比较和动态设计提供了强 大的手段。如何有效地表示与建立几何约束，是建立参数化模型的关键。 几何约束的表示与建立参数化建库工具主要针对几何拓扑关系保持相对 不变的图形进行变参设计的，基于约束的三维图形是由三部分组成的。 1 ) 基本几何元素集合：指构成模型的基本要素诸如点、线、面等； 2 ) 结构约束集合：指基本几何元素之间的关系集合，此关系为一矛中隐式关系， 包含连接关系及相互位置关系，后者如平行、垂直、共线等。结构约束不是参数 化设计的变动对象，它们在模型的修改过程中将限制元素之间的相对位置及相互 连接关系。结构约束按性质可分为关系约束和非关系约束。关系约束包括平行约 1 6 第二章关键技术及基本原理 束、垂直约束、共线约束、相切约束、同心约束和对称约束。非关系约束包括自 身铅垂和自身水平等。关系约束在操作实现中有主体与从体区分，从体是变化的 对象，主体不是，但最终生成的图形数据不反映主从关系。 3 ) 尺寸约束集合：用来确立几何元素