（材料加工工程专业论文）壳类件砂型铸造工艺cad系统开发及快速制模实验.pdf

摘要 随着计算机的普遍应用，c a d 技术也在各行业中普及并迅速转化成现实生 产力。它在企业中的应用大大缩短了产品的设计周期，提高了企业的市场竞争 力。然而目前国内采用c a d 技术的厂家比例仍只占很小的一部分，并且对应的 二次开发又面临严重滞后的问题。针对这一现状，本文开发了一种壳体类零件砂 型铸造工艺c a d 系统。 根据c a d 二次开发的特点，对参数化设计的原理和方法、c a d 设计过程中 知识的表示和运用、开发工具的选择以及系统的集成开发平台进行了深入的探讨 和研究。在此基础上，运用设计参数化、功能模块化技术，提出了以u g0 p e n a p i ，v c + + ，m i c r o s o f ia c c e s s 2 0 0 0 为主要开发工具的二次集成开发平台的总体 结构。 通过对壳体类零件砂型铸造成型工艺其特点的研究与分析，制定了壳体类零 件砂型铸造工艺c a d 系统的主要处理过程以及本系统的总体结构，并结合实际 需要，阐述了各分系统的功能及其之间的相互关系，对全面完成本系统具有指导 意义。 在分析壳体类零件砂型铸造工艺特点的基础上，采用软件模块化、参数化的 开发方法，完成了包括铸造工艺c a d 系统菜单的开发，灰铸铁等相关数据库的 开发，壳体类零件砂型铸造工艺的计算机辅助设计的开发。 本系统采用了u g 0 p e na p i 与u g ，o p e n + + 结合的开发工具，以u g 0 p e n u i s t y k r 进行交互界面开发，并将结果通过u g o p e nm e n u s c r i p t 与u g 系统无 缝集成，保证了系统具有较强的数据、图形处理功能以及良好的人机交互界面。 另外，在对零件消防栓盖完成铸造工艺后，对后续的快速原型技术也做了初 步的实验，对c a d c a e ，c a m r p m 一体化的进程进行了摸索。 具有通用性和一定智能性的特点，整个系统涵盖了壳体类零件砂型铸造工艺 设计的主要内容；面向铸造工程师的开发思路和大量铸造知识的有机融入，大大 方便了铸造技术人员的操作和使用，也使系统具有专业化、实用化和用户化的鲜 明特点，这些特点在实际的设计和分析过程中得到了验证。 关键词：铸造工艺c a d ；消防栓盖；u g 二次开发；参数化设计；v i s l l a lc 广东工业大学工学硕士学位论文 + + 6 0 u 一 a b s t r a c t w i t ht h ee ) ( t e n s i v eu s eo fc 0 i n p u t e r c a dt e c h l l o l o g y1 l a sb e e nw i d e l yu s c da i l d 协v e n e di m op r o d u c t i v ef o r c e si 1 1a l li l l d u s t r i e s i t s 印p l i c a t i o ni ne m 唧r i s e ss h o r t e n s t h cd e s i g c y c l eo f p m d u c t sa l l di m p m v c se m e 8 0 r p r i s e s c o m p e t i t i v ep o w e ri i lm 材k e t h o w e v e ft h es c c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc a dh g g c ds e v c r e l yi t se 砒e n s i v eu s e a g a i n s tt h o s ea b n o r 1 a lp h c n o m e n a b a s e do nr a p i dn l o l d i i l g ，ac a d s y s t e mo nw o r k p i c c ew “hs h c l lc o n f i g u r a t i o ns a n dc a s t i i 培m o u l d w a s e x p l o i t e d a c c o r d i l l gt ot b ec h 盯a c t e r i s t i c so ff i i r t h e rd e v e l o p i n g ，t h et h e o r ym e t h o d o f p a r 锄e t c r i z 砒i o nd e s i g na n da p p l i c a t i o no fk n o w l e d g e 山l r i n gc a dd e s i g nw e r e i n t e n s i v e l ys t l l d i c d ，a l s ot h es e l e c t i o no fe 冲l o i t a t i o nt o o l sa n di f i t e g r a t e de x p l o i t a t i o n d 1 a t 南m sw a sd i s c u s s e da i l dr e s e a r c h e d 0 nt h e s eb a s e s ，u s m gt h et e c h n o l o g yo f d e s 适np a r a m e t e r i z a t i o n 、 血n c t i o n a lr n o d u l a r 吼i o mas e c o n d a r yi n t e f a t e d d e v e l o p i i l gp h t 向r mw h i c hw a sd e v e l o p e db y u g0 p e n 、v c + + 、m i c r o s o 住 a c c e s s 2 0 0 0s c r v e rw a sp u t 白n v 龇d b yt l l es t l l d ya n da i i a l y s i so ns 卸dc a s t i i l g 瑚u l dd e s i g nc h a r a c t e r i s t i co f 、v o r k p i e c ew i t hs l e l lc o n f i g u r a t b l l 血em i nt r e a t m c mp r o c e s sa n do v e m l ls t r i l c t u r eo f c a ds y s t e ma b o u tw o r kp i c c ew 曲s h e ns a n dc a s t i l l gm o u l dd e s i g nw e r es e t c o m b i n i n gp r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s ，t h et h e s i si m m d u c e st h ef i l n c t i o n so fa l lb r a n c h s y s t e m s 甜l dt h er e l a t | 0 i l sb e t w e e nt h e m ，w i l i c hh a sg l i i d i i 唱s i 鲫f i c 蛐c et oa c c o m p l i s h t h ec a d s y s t e m 0 nt h eb a s eo fa n a l y z i n gs a n dc a s t i i l gr n o u l dd e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so fw o r kp i e c e w i t hs h e uc o i g l l r a t i o i l ，w n ht h ed e v e l o p m e n tm e t h o do f s o f l w a r e 1 0 d u l a r i z a t i o na n d p a r a m e t e r i z a t i o 坞t h et h e s i s f m i s h e dt h ee ) 中l o i t a t i o n so nc a s t i r 培t e c h n i q u ec a d s y s t e mm e n u d a t a b a s ea b o u tg r a yi r o n 柚dw o r kp i e c ew 曲s h e l lc o n f i g l l r “o n c a s t i n gt e c l l i l i q u ec a ds y s t e 札 u s i n gt h ec o m b i n a t i o no fu g ，o p e na p ia n du g ，o p e i l 斗+ a sd c v e l o p m e n tt o o l s w i t ht h ei n t e r a c t i v ei m e r 最m eo fu g o p e nu i s t y l e r ，t h e 印p l i c a t i o np r o g r a mi sc 1 0 s e l y i n t e g r a t e dw i t hu gs y s t e mb yu g o p e nm e 咖s c r i p t t h es y s t e mc o n s i s t so fa na s p e c t so fw o r kp i e c ew i t hs h c l l s a i l dc a s t i l l gm o u l d - d e s i g n t h ea p p l i c a t i o no f e x p l o i t a t i o nt h o u g h tt oc a s t i n ge n g i i l e e r sa i l dt h eu o f c a s t k n o w l e d g e i l o to n l yi sc o n v e n i e mf o rt h eo p e r a t i o na n du t i l i z a t i o no f c a s t 、v o r k c r s ，b u t a 1 s om a k et h cs y s t e mh a v et h ec h a m c t e r i s t i c so fp r o f e s s i o n 、p r a c t i c a l i t y a n d c u s t o m i z a t i o nw 1 1 i c hw e r ea p p r o v e di nt h ep r a c t i c e s k e y w o r d sc a s t 啦t e c l l i l i q u ec a d ；f i r ec o t r o lb o hc o v e r i n g ；u g 胁h e r d e v e l o p i n g ；p a r a m e t e r i z a t i o n d e s i g n ；s u a lc + + 6 0 第一章绪论 第一章绪论 铸造业这一在我国有着四千年文明历史的传统产业，今天日益面临着新技术 革命的挑战。众所周知，铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济的发展 起着重要的作用。我国铸件年产量超过1 0 0 0 万吨，位居世界第二，是世界铸造 生产大国。但我们决不能满足现状，这是因为随着我国经济的发展，我国经济与 世界经济关系越来越来紧密，使我国铸造企业面临着更激烈的国际市场竞争，为 了在国际铸造行业中有较强的竞争力，我们必须在铸造产量大国的基础上，进一 步提高我国铸造企业的产品质量和劳动生产率，同时降低生产成本，从而使我国 铸造企业的国际市场竞争力进一步提高，实现我国从铸造产量大国转变为铸造强 国的目标。 铸造业是产品质量不易保证，废品率较高的产业。要使我国铸造企业进步发 展和提高市场竞争力，就必须对铸件生产实现科学化控制，确保铸件质量，缩短 试制周期，降低铸件成本，提高经济效益，加速产品更新和技术换代。而我国铸 造企业的进一步发展和市场竞争力的增强，对于促进我国传统工业的技术改造和 国民经济向质量效益型健康发展有着非常重要的现实意义。 1 1 铸造工艺工装c a d 概述 c a d ( c o 叫，u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 是指工程技术人员以计算 机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析以及编写技术 文档等设计活动的总称。c a d 技术最早产生于2 0 世纪6 0 年代，经过近4 0 年的研究开发和应用，技术日趋成熟，大量优秀的商品化软件投入市场，广泛应 用于机械、电子、航空航天、汽车、建筑等领域，使产品设计和工程设计的工作 内容和方式发生了根本性的变化，并由此产生了巨大的经济效益【1 l 。 c a d 技术在铸造领域内的应用也同样取得了长足的进步，其中一个重要方 面就是针对铸造工艺以及工艺装备进行的计算机辅助设计，人们习惯称之为“铸 造工艺工装c a d ”。广义的铸造工艺工装c a d 包括“工艺设计”和“凝固 过程数值模拟”两部分 2 】【3 】；相对而言，人们通常将“工艺设计”部分称为狭义 的铸造工艺c a d ，简称“铸造工艺c a d ”，本文的工作主要针对这部分开展， 广东工业大学工学硕士学位论文 下文中提到的“铸造工艺c a d ”若无特殊说明都是此含义。 目前国内外研制开发的铸造工艺c a d 系统，概括起来可以分为通用和专用 铸造工艺c a d 通用铸造c a d 系统：主要用于普通砂型铸造工艺的设计，又分为铸钢、灰 铸铁、球铁及有色等种类。功能包括浇注系统设计，补缩系统设计，分型面、拔 模斜度、加工余量的确定，尺寸标注以及工艺图及工艺卡的输出。 专用铸造c a d 系统：主要用于某些特定范围和特定目的的铸造工艺设计， 如压铸型c a d ，齿轮类c a d ，阀体类c a d 、曲轴类c a d 、机架类c a d 、缸体 类c a d 、叶片类c a d 等。 1 2 铸造工艺c a d 的发展历史及当前应用 铸造工艺c a d 的研究开发始于2 0 世纪6 0 年代。早期的铸造工艺c a d 是 以二维图形系统为支撑平台，直接在零件的二维矢量图形上进行铸造工艺设计， 绘制并输出二维图。工艺装备的设计同样也基于二维图形系统。2 0 世纪7 0 年代 末，光栅矢量技术的出现使得铸造工艺c a d 领域出现一个新的发展方向基 于工程图纸扫描输入的铸造工艺c a d 系统。该系统是利用扫描和光栅矢量混合 编辑技术使工程图纸快速输入计算机，克服了以图纸为处理对象的铸造工艺 c a d 图纸输入问题。但是无论纯粹的二维矢量图形设计还是光栅矢量混合编 辑，都是在二维图形系统的平台上进行，只是实现了由手工绘图向计算机绘图的 转化。随着技术进步和生产发展要求的提高，这样的c a d 系统逐渐显露出识图 和审图工作量大、设计不直观、工艺参数提取困难等缺点【4 1 。从严格意义上讲， 这类的c a d 系统只能称之为“计算机辅助绘图”系统，无法胜任设计计算的工 作，因此限制了自身的推广和发展【5 】【们。 随着计算机软硬件技术的迅速发展以及三维造型理论的逐步完善，许多优秀 的三维c a d c a e c a m 商品化软件系统开始出现。利用三维c a d 系统可以直 接建立产品的三维模型，反映产品真实的几何形状，使得设计直观：同时可以根 据三维模型进行产品的物性分析，如重量、体积、旋转惯量等，以及提供更多的 设计信剧”。由于三维模型所提供的丰富信息能够最大程度地满足工程实际的需 要，所以三维c a d c a e c a m 软件系统得到迅速的推广应用。依托这些系统， 铸造工艺工装c a d 开始由二维向三维转化。相对于二维c a d 来讲，三维的铸 第一章绪论 造工艺工装c a d 具有明显的优越性：设计人员直接在三维零件造型上进行工艺 工装设计，设计过程直观，设计效率高并且计算结果准确：设计结果的三维造型 包含完整的几何信息，可为有限元分析、装配模拟、机构分析及数控加工提供数 据信息，为实现铸造工艺工装的c a d ，c a e ，c 舢讧集成奠定基础。可见，三维的 铸造工艺工装c a d 系统实现了真正意义上的“计算机辅助设计”，才是铸造工 艺工装c a d 发展的主流。 国外的铸造工艺c a d 从2 0 世纪6 0 年代发展至今，在技术和经济效益上都 已经取得了很大的进步，从单纯的数值求解发展到现在的比较完善的c a d 系 统。工艺方面可以利用计算机进行冒口模数以及浇注系统阻流截面的计算，提供 分型面或分型线的参考方案，绘制工艺工装图纸等。例如：美国铸造协会( a f s ) 的a f s s o f l w 缸e 软件，可用于铸钢铸铁件的浇冒口设计：英国f o s e c 0 公司推出 的f e e d e r c a l c 软件可以计算铸钢件的浇冒口设计尺寸、补缩距离以及选择保 温冒口套等：英国剑桥大学开发的d u c t 软件目前己用于英、德、瑞典、瑞士 等国，可用于汽车发动机类铸件的工艺设计及工艺图的绘制。工装方面通常各公 司开发自己公司专用的c a d ，c 伽一体化软件，进行模板、芯盒、砂箱等的设 计和加工。例如：德国的n a s e o n o r r m l i e n 公司开发的压铸型设计与制造专用软 件，其中包括3 0 ，o o o 个压铸型标准零件的图形库，实现了压铸型零部件的标准 化；日本日立金属( 株) 开发的软件包括功能有：工艺设计、金属型主形状定义、 从属形状定义、加工工具运动轨迹及干涉检验、n c 数据变换，可实现金属型的 快速设计与制造【8 】 国内自2 0 世纪7 0 年代开始出现多种铸造工艺c a d 的软件。目前国内铸造 工艺c a d 的研究己从早期的独立开发逐渐向与大型商品化软件( 如p r o e ， a n s y s ，u g l 相结合，进行二次开发的趋势发展。其方向可分为三维和二维两 个分支。三维的铸造工艺c a d 的铸件及浇注、补缩系统等均以实体模型表示， 具有严密的几何拓扑结构。在赋予实体对应的物理性质后，结合大型软件中的有 限元分析等功能，可对铸件的充型和凝固过程进行数值模拟仿真，实现铸件的缺 陷预测和工艺优化，是铸造工艺c a d 的发展方向。 铸造工艺c a d 的开发平 台研究人员研究单位材料 c a x a张士彦凹沈阳铸造研究所铸钢 廖敦明【1 们、商飞鹏 s 0 1 i d w o r k s 【l l l 华中科技大学铸钢 s 0 1 i d w o r k s廖敦明【1 2 】华中科技大学镁合金 a u t o c a d 吴小娟【1 3 】浙江大学 p r o e宋永恒【1 4 】 清华大学 a n s y s周丹晨、蒋玉明1 5 】四川大学 u g 刘智光【1 6 】华中科技大学 u g 罗兰【1 7 l 清华大学 许小1 8 】 太原机械学院 铝 柳百成1 9 1 、董树勇 f 2 0 】 清华大学铸钢 周舰、柳百成2 ” 清华大学球墨铸铁 赵浩峰f 2 2 】太原工业大学球墨铸铁 除了表中的状况以外，从铸造类型看，有砂铸、精铸、压铸、低压铸造， 如：淮阴工学院的杨大春2 3 1 在研究精铸件的铸造工艺c a d ，华中科技大学的万 里【2 4 1 在研究压铸的铸造工艺c a d ；华中科技大学的颜建军【2 5 】在研究低压铸造的 铸造工艺c a d 。 由以上情况可看出，铸造工艺c a d 的开发基本上涉及所有的c a d 软件， 包括各种材料，各种铸造类型、数据库等，可以说是全方位立体式发展。目前， 清华大学的f t s t a r 与华中科技大学的华铸c a d ( 二维) 软件系统己经进入了实 用阶段，取得了一定的经济效益，且形成了以柳百成院士，荆涛教授为首的学术 梯队和刘瑞样、陈立亮为首的学术梯队，有利于铸造c a d 技术的进一步深入研 究。但是，目前国内采用铸造c a d 技术的企业占所有铸造厂家的5 左右，与 西方工业发达国家( 1 0 左右) 差距不小2 6 1 ，且基于三维c a d 软件的铸造工艺 c a d 的研究还很不成熟，有待进一步的发展，它的发展将直接影响 c a d c a e c a m ，r p m 一体化的进程。 1 3 快速原型技术快速发展推动砂型铸造c a d 开发 1 3 1 快速原型技术发展概述 快速原型制造技术，又称快速成型技术，r a p i d p r o t o t y p i n g ( 简称r p 技术) 。 快速成型( r p ) 技术是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的一项先进制造技术，它可以 在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接根据产品设计( c a d ) 数 第一章绪论 据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，与传统的铸、锻、轧、焊、车、 铣、刨、磨等一系列加工过程相比，原型制造的加工过程大大缩短了加工周期并 降低了产品研制的成本，对促进企业产品创新、提高产品竞争力有积极的推动作 用。美国、欧洲及日本等发达国家已将快速成型技术应用于电子信息、汽车、通 讯、机械交通、轻工家电、航天航空、医疗器械、塑料、模具、建筑模型等众多 行业。国内北京隆源快速成型公司、清华大学、西安交通大学、南京航空航天大 学、华中科技大学、上海交通大学、华北大学、浙江大学、快速原型制造技术生 产力促进中心( 西安、天津、武汉、深圳、宁波1 等单位在成型理论、工艺、设 备、材料、软件开发等方面做了大量的研究工作，并已开发出商品化、能制造复 杂原型的r p 系统。 1 3 2 快速原型产品的成型过程 快速原型制造又称为层加工 ( l a y e r e dm a n u f a c t l l l 缸g ) ，它的基础是 计算机中零件的三维c a d 模型。零件 上三维空间实体，它可由在某个坐标方 向上的若干个“面”叠加而成，因此利 用离散、堆集成形概念，可以将一个三 维实体分解成若干个二维层面制造出 来，再经堆积而构成三维实体，这就是 快速原型制造的基本原理。c a d 的出 现使产品开发工作产生了革命性的变 化，设计人员可以在计算机上比较各种 设计方案，对方案进行优化，形成最终 的三维图像。计算机中的三维物体可以 取得每个薄层截面上的轮廓数据，自动 形成g 代码或s t l 信息文件，输出到 各类r p 系统中去。在r p 系统中通过 图1 1 快速原型产品的成型过程 两维数控形成每一层面的轮廓状，再将 f i g l l r e l ls h a p i n gp r o c e s so f r pp r o d u c t 各层轮廓叠加起来，形成三维产品。分层愈细，所形成产品的形状精度愈高。快 广东工业大学工学硕士学位论文 速成型过程可以由图1 1 所示。 1 3 3 砂型铸造工艺c a d 的必要性 从快速原型产品的成型过程流程图可以看出，三维c a d 模型构建是快速原 型的基础。而在砂型铸造工艺我们知道零件模型要经过工艺设计，冒口系统设 计，浇口系统设计才到得到铸造所需的模型，也就是一定要经过“模型修改修 复”这一环节才能继续“c a d 系统对三维模型切片”的处理。因此，只有通过 砂型铸造工艺c a d 系统，才可以为后续的快速原型制造模型添加配套的浇冒口 系统，实现由零件c a d 到铸件制造模型连接。 1 4 课题背景及研究内容 本课题来自广东工业大学茂名科学基金项目( m m 2 0 0 3 0 5 ) ，与广东省电白 县综合机械厂合作开发。主要对砂型铸造的工艺特点，建立一套基于u g 的三维 壳体类砂型铸造工艺c a d 专用系统，主要包括以下内容： 针对壳体类铸件的结构及工艺特点，开发一套砂型铸造工艺c a d 系统； 铸造工艺参数设计c a d 子系统的开发； 铸件冒口计算和设计c a d 子系统的开发； 铸件浇注系统计算和设计c a d 子系统的开发； 结合快速原型技术实现快速制模实验。 系统基本结构设计如图1 2 所示 产 品 模 型 的 输 入 壳体类零件砂型铸造工艺 c a d 系统 工 艺 参 数 设 计 模 块 冒 口 系 统 设 计 模 块 浇 注 系 统 设 计 模 块 图1 2 系统基本结构设计 第一章绪论 f 远l l r e l 2s y s t e mb a s i cs 打u c t u r ed e s 逗n 1 5 本章小结 本章详细介绍了三维铸造工艺c a d 系统的研究、应用状况，并进行了系 统分析。根据科研及生产实际的需要，本论文选择针对壳体类零件的砂型铸造工 艺c a d 作为研究内容。 第二章系统开发总体设计及关键技术 第二章系统开发总体设计及关键技术 2 1 系统开发平台 2 1 1 系统开发平台的选择 软件的二次开发，是指在现有的软件基础上，为提高和完善软件的性能使之 更加符合用户需要而做的软件开发工作，它可以扩展到专业领域的某一个具体问 题，为用户提供更为便利的解决方案。二次开发不同于一般的软件开发，主要在 于它不是从底层开始的软件设计，而是在已有的软件上进行的开发，所以二次开 发最大特点就是继承性。二次开发后的软件功能和性能在很大程度上取决于平台 软件本身的功能性能和开放程度。因此，二次开发的首要任务就是选择优良的平 台软件【2 7 1 。择平台软件必须考虑以下几个方面： 1 通用系统的功能。一个好的c a d c a e ，c a m 系统应该是在工程设计数 据库的基础上，集各种应用如二维工程绘图、三维实体造型、高级曲面造型、有 限元分析、机构运动分析、优化设计、数控加工等一体化的综合应用软件系统， 能够满足用户使用要求。以此为基础的二次开发才能最大限度的发挥其效用。 2 是否有广泛的用户群体：广泛的用户群体一方面有利于通用系统的升 级、完善，另一方面有利于二次开发成果的推广以及进行更深层次的开发。 3 通用系统对二次开发的支持。通用系统是否提供开放的二次开发环境以 及强有力开发工具，这制约着二次开发所能达到的水平。具有良好使用性能的通 用系统不一定能为软件的专门化、用户化提供良好的二次开发环境。 4 平台软件是否具有微机w i n d o w sn t 版、n d 0 w 9 8 版及工作站版 等多种版，做到在工作站和微机平台上实现功能完全一样，并在网络和数据上达 到无缝集成。 基于上述几个方面的原因，考虑到u g 是一个集世界一流的设计、分析、 制造系统于一体的c a d ，c a e c a m 软件系统，具有强大的建模、装配、有限元 分析、加工制造等功能，能够满足广泛用户群体的使用要求。此外，u g 本身提 供了开放的二次开发环境，用户可以使用u g 提供的开发工具u f u n c 或 g p 进行深层次、客户化的二次开发。综合以上因素，故而选择u g 软件作为 广东工业大学工学硕士学位论文 壳体类砂型铸造模具c a d 系统的平台软件( 版本为u i l i g m p h i c sn x 3 0 ) ，其编译 环境为m i c r o s o n s u a lc + + 6 0 。 2 1 2u n i g m p h i c s 简介 u g 软件起源于美国麦道飞机公司，是当前世界上最先进和紧密集成的、面 向制造行业的c a d c a e c a m 高端软件【2 8 】。它基于完全的三维实体复合造型、 特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再加上技术上处于领 先地位的c a m 模块、内嵌的c a e 模块，使c a d 、c a e 和c 伽“技术有机集 成，使产品的设计、分析和制造能够一次完成。u g 作为制造领域的一种高端软 件，在复杂零件造型特别是曲线曲面方面具有较大优势。其核心的复合建模功能 揉合了传统的曲面、实体和基于特征的参数化造型功能，使用者可根据自己的需 要灵活地选择不同的造型方法。 目前该软件在航天航空、汽车制造、模具加工、通用机械等领域具有很高的 知名度，并得到了广泛的应用。u g 软件在功能强大的同时，为用户提供了丰富 的a p i 用户化接口函数，并以开放性架构面向不同的软件平台提供了包括：( 1 ) u g o p e na p i ：( 2 ) u g 0 p e nu i s t y l e r ；( 3 ) u g 0 p e nm e n u s c r i p ；( 4 ) u g 0 p e ng 邱 等灵活的开发支持【2 9 1 。用户可以用v c + + ，c ，c + + 等高级语言进行用户化开 发，可以实现与运行于微机平台m s w i n d o w s 上的其他软件无缝连接，使u g 的 图形功能和高级语言的计算功能很好的结合起来。 2 1 3 系统开发环境 系统开发基于w m d o w sx pp r o f e s s i o n a l 操作系统，主要采用可视化编程工具 s m lc + + 6 0 对现有c a d 软件u gn ) ( 2 0 进行二次开发。 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f i 公司提供的图形界面可视化集成开发工具，是目前 最流行的软件开发工具之一，非常适合开发大型应用系统。具有以下特点： 1 高性能的编译技术。不但可以支持a n s ic + + 标准，而且支持布尔类型。 同时，它与s u a lb a s i c 不同的是具有很高的代码效率。 2 面向对象设计方法。基于类库的程序设计方法使编写面向对象的程序变 得十分简单。 3 高性能，高集成的可视化开发环境，使得用户能比以前更快、更方便地 创建和调试w i i l d o w s 的应用程序。它通过给用户提供具有丰富功能的软件设计 第二章系统开发总体设计及关键技术 工具，使整个工作变得更加简单，编写w i i l d o w s 程序就更加容易了。 4 完美的w i n d o w s 系统接口。易于进行硬件访问，非常适合开发大型应用 程序。 2 2 系统的需求分析 从软件工程的角度来看，软件需求分析是软件生存期中重要的一步，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 的“做什么”的问题【3 0 】【3 l 】。 本课题的开发同样遵循软件工程的原则，首先从工厂的实际需要入手，确定 系统所需完成的功能。 在传统的铸造工艺设计过程中3 2 】【3 3 】【3 4 1 ，铸造生产是一个工艺流程长、工艺 过程复杂、影响因素多的生产过程。获得一个铸件要经历一系列的过程，包括工 艺设计、各种原材料的准备、造型、制芯、合箱、浇注、落砂清理等。在整个生 产流程中，铸件的工艺设计占有重要的地位，高质量的工艺设计可以保证整个工 艺过程的顺利进行，是获得优质的铸件的必要条件。 1 ) 传统的铸造工艺设计方法表现为“零件图纸一一工艺设计一一工艺文 件”，通常包括以下的设计内容：根据铸件要求、生产批量和生产条件，进行零 件结构的铸造工艺分析，选择造型、制芯方法，确定铸造工艺方案。 2 ) 工艺参数设计，包括铸件尺寸公差、铸件的重量公差、机械加工余量、铸 造收缩率、拔模斜度、不铸出孔槽等。 3 ) 浇注系统设计，冒口设计，冷铁设计。 4 ) 模样、模板、芯盒、砂箱等工艺装备的设计。 5 ) 铸造工艺装图、卡的绘制。 传统的铸造工艺设计流程如图2 1 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 1 传统砂型铸造工艺设计流程及c a d 基本内容 f i g u r e 2 1t h en o w o f t r a d i t i o n a ls a n dc a s t i i l gt e c l l l l i q u e d e s i g na n d b a s i cc a dc o n t e n t s 2 3 系统设计 在完成系统的需求分析之后，就进入了系统开发阶段。开发阶段首要进行的 是系统设计，即根据功能需求设计系统体系结构的过程。 本系统采用了模块化的体系结构，针对铸造工艺设计任务设置相应的功能模 第二章系统开发总体设计及关键技术 块，各模块之间主要以数据耦合方式相关联，通过数据参数交换输入输出信息。 系统具体的模块设置如图2 2 所示。模块化的体系结构有效地减少了程序设计的 壳体类零件砂型铸造工艺 c a d 系统 产 品 模 型 的 输 入 系 统 初 始 化 模 块 工 艺 参 数 设 计 模 块 冒 口 系 统 设 计 模 块 浇 注 系 统 设 计 模 块 复杂性，同时增加了系统的可重用性。 图2 2 铸造工艺系统模块 f i g i l r e 2 - 2s y s t e mm o d u ko f c a s t i n gt e c l l n i q u e 针对广东省电白县综合机械厂的情况，本系统没有开发砂箱设计功能模块； 由于模块化的系统结构具有开放性，所以在生产情况改变而扩展系统应用时可以 方便地加入砂箱设计功能。 系统没有设置专门的数据库管理模块，以上各功能模块都是通过数据库接口 函数实现对数据库的读写操作。 2 4 系统开发的关键技术 在完成了系统的需求分析、总体设计并确定了开发环境之后，需要进行系统 开发时的开发工具以及关键技术的准备工作。 2 4 1 系统的开发工具 开发工具包含两个层次：底层是通用c a d 系统提供的二次开发工具，可 以理解为通用系统向外提供的接口函数集合：较高层次的是可以调用这些接口函 数的高级编程语言。 u g 系统为用户提供了两种不同形式的二次开发工具：一种是g r i p 语言 【3 5 】【3 6 】【3 7 】，其形式类似于f o r t r a n ，使用编译和解释语言，在交互或批处理的 方式下运行，能完成u g 以及与u g 相关联的其他辅助程序的大部分图形操 作。但由于g i u p 语言完全包含在u g 系统之中，缺乏开发应用程序所需的高 广东工业大学工学硕士学位论文 效的数据处理能力、大型数据库的管理能力以及复杂算法的实现能力，这就大大 限制了二次开发应用软件的功能实现。 另一种是u f l n c ，它是一种最全面、综合的u g 开发工具。u f u n c 的 核心思想是把u g 进行的所有操作以核心函数库的形式推出，供用户调用。例 如推出较早的供c 语言调用的u g o p e na p i ，包含了u g 对其内部对象及事 件的处理函数，u g 在交互方式可以进行造型、分析、加工等操作，都可以通过 在c 语言编制的程序中调用这些函数来实现。随着面向对象方法的广泛应用， u f u n c 推出了供c + + 语言调用的u g o p e n + + 。u g o p e n 斗斗采用面向对象的方 法与技术，将u g 内部不同类型的对象及与这些对象相关的操作封装在一起， 以类库的形式供用户调用，并允许用户根据需要创建新类。u g 幻p e n 抖与c + + 语言的结合，使得用户可以利用面向对象方法的一切先进机制，充分调用u g 内部功能，编制出功能强大并易于扩充和维护的二次开发程序。此外，u f u n c 提供了u g 0 p e n + + 与u g 0 p e n a p i 各自创建的对象之间的转化机制，所以用户 可以将二者结合使用，使程序编制更加便捷。通过以上g 砒p 与u f u n c 二者 的对比不难看出，u f u n c 更加灵活、易用且功能强大，更适合本课题的二次开 发任务，所以本课题选择u f u n c 作为开发工具，采用u g o p e na p l 与 u g ，o d e n + + 结合使用的方式进行u g 的二次开发【3 8 】。 2 4 2 系统对三维造型功能的实现 三维铸造工艺c a d 系统的操作对象是零件产品的三维造型，系统在设计 过程中除了要求完成计算、选择等任务外，还需要在原零件三维造型的基础上进 行修改或增加新的造型以体现设计结果。所以，系统如何让用户将工艺设计结果 方便快捷地转换为三维造型而避免重复琐碎的绘图工作，是二次开发的重要研究 内容，同时也是体现系统效率的重要方面。 在系统的开发中，根据几何特征的不同，将工艺设计中所要进行的三维造型 任务进行分类，并根据各类型的特点，采用不同的处理方法实现造型： 1 ) 修改三维造型：这类造型任务集中在从工艺参数设计阶段，通过对零件 造型的修改产生铸件造型。完成这类任务的方法是在参数的驱动下完成对相应对 象的修改。例如：对加工余量的添加，用户选择加工面后，系统对该面进行分析 并给出加工余量数值，通过确定后即可沿着该面的法线方向( 或沿着用户指定的 方向) 产生该数值的增量。 第二章系统开发总体设计及关键技术 2 ) 简单形体的全约束式三维造型：也是全部尺寸驱动的三维造型。这类造 型任务主要是向已有的造型中添加新的三维造型，新造型的所有约束尺寸都由系 统提供，由用户确认。例如：用户自定义冒口、浇注系统各组元等造型。处理方 法是在编程时将系统提供的尺寸参数传入一系列的造型函数，逐步绘制，最终完 成实体造型任务。由于受三维造型的尺寸自由度数目的限制，这类造型方法只适 用于约束尺寸少的简单形体的三维造型。 3 ) 复杂形体的三维造型：这类形体的特点是约束尺寸极多，而且各尺寸问 的相关性很强，例如：包含大量复杂曲面的球形冒口。这类造型如果完全由编程 绘制则带来大量的编程工作并导致系统负担过重、程序运行缓慢。系统对这类造 型任务的处理是通过建立图形库，由程序从图形库中调用的方式完成。由于系统 中这类的造型任务不多，所以不会造成冗大的图库。 4 ) 标准零件的三维造型：这类造型集中在工装设计阶段，例如芯盒中的导 杆、定位销、射砂口及其衬套等的三维造型。此类零件通常具有一个或几个特征 尺寸，并由此产生标准系列。在设计过程中，用户对这类零件的要求是某些尺寸 保留标准，某些尺寸自己定制。例如：用户使用导杆时，有标准直径可供选择， 但是导杆长度则由芯盒内表面与固定板的间距决定，无标准可言。因此，单纯依 靠图形库无法满足用户的使用要求。系统对这类零件的造型采用零件图库与程序 设置综合运用的方法：在建立零件图库时为每个零件设置特征尺寸，当程序在从 库中调用图形时，根据使用条件自动修改其特征尺寸，添加到当前的u g 环 境。 2 4 3 交互式界面开发技术 用户界面是应用程序和其使用者之间的进行交流的界面，直接影响用户使用 该软件的效率和满意程度，因此成为评价软件优劣的一个重要指标。通常来讲， 一个良好的用户界面应该满足以下几方面的要求： 1 ) 使用方便：提供的用户界面以方便使用为原则，无需对用户作过多的专门 训练工作就可以自如地使用该软件。 2 1 记忆最少：一个好的应用软件应使用户尽量少记忆各种操作规则。在铸 造工艺c a d 系统的界面设置上，应尽量使用生产实践中普遍使用的专有名词 和符号，设计过程也应尽量符合设计人员的设计习惯。 3 ) 灵活的提示：应用软件运行时，应能给出简单明了的提示信息，使用户 广东工业大学工学硕士学位论文 的工作能够顺利进行。所以在系统开发中，除了软件主体的设计外，还要重视并 且做好提示及帮助信息的设计。 4 、良好的交互方式：保证用户与计算机进行的信息交换方便、自然，符合 人们的日常工作习惯。 5 1 良好的出错处理：能及时给出出错信息并提出纠正建议。本系统的界面 设计本着以上原则进行。 u g 系统为用户提供了一个直观、易用的交互式对话框构造器u g 0 p e n u s t y l c r 。作为可视化的编辑工具，该对话框构造器提供丰富的界面操作对象 ( 如：命令按钮、单选按钮、文本框、列表框等等) ，允许用户构造u n i 孕a p h i c s 样式对话框。用户构造的对话框以u i s t y k r 对话框文件格式( 以d l g 结尾) 保 存，同时生成基于此对话框的模板文件( 以c 结尾) 和头文件( 以h 结尾) 。 用户可以以这三个文件为基础方便地编写应用程序，无需图形用户界面( g u i ) 的基础知识。 在如何操作u i s t y l e r 对话框方面，u g o p e n + + 将各类对象的属性以及操作 封装起来，以u i s t y l e r 类库的形式提供给用户，用户在编程时可根据需要设 置、获取每个对象的属性或状态，并且可以为每个对象构造操作函数以完成相应 功能。 2 4 4 集成式菜单开发技术【3 9 】 作为二次开发结果的铸造工艺c a d 系统，离不开通用系统的基础功能的 支持，也就是说，用户在应用铸造工艺c a d 系统的同时，需要自如地应用作 为其开发基础的通用c a d 系统。因此，二次开发的c a d 系统必须无缝地集 成在通用系统之中。 u g 系统通过u g ，0 p e nm e n u s c r i p t 模块为用户提供其用户化程序与u g 自身功能相结合的工具。m e n u s c r i d t 是一种具有一定语法规则的描述性语句， 用户可以按照其语法规则对u g 的菜单文件一种以“m e n ”为后缀的纯文 本文件进行用户化的定制，包括添加或移去菜单中的项目、重新排序、加入完整 的第三方应用等。在本套铸造工艺c a d 系统的开发中，采用m e 伽s c r i p t 技术 来完成系统的菜单设计，既保证了铸造工艺c a d 系统的独立性，又使其能较 好地镶嵌在u g 系统之中。 第二章系统开发总体设计及关键技术 2 4 5 数据库及其接口技术 根据上节所设计的铸造工艺数据库，利用v c h 6 0 和d a 0r d a t aa c c e s s o b i e c t ) 开发了铸造工艺数据库的数据库。 u g 调用对话框的技术主要有两种：用u g 调用自身的对话框和用d l l 技 术