（材料加工工程专业论文）热推弯管工艺参数辅助设计系统开发.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 本文对国内外三维c a d 设计软件的发展状况和基于三维c a d 开发实体造型设计 软件的现状进行了介绍，对牛角芯棒的参数设计和参数化造型进行了比较深入的探讨， 并在此研究的基础上，实现了牛角芯棒参数化设计造型一体化。 本课题的研究重点分为两大部分：牛角芯棒参数设计与牛角芯棒三维造型。牛角芯 棒设计可以作为牛角芯棒造型过程的前导，主要作用是对牛角芯棒的各个尺寸参数进 行计算和校核，使各个参数满足所给定的条件，同时，在计算牛角芯棒的过程中，可 以将管坯的尺寸和加工现场的一些参数传递给技术人员。实现这一部分功能主要使用 可视化编程语言v i s u a lb a s i c 6 。0 编制而成。首先将需要制造的弯头设计参数录入数据 库，再把传统的手工计算过程用计算机进行处理后，使原来比较烦琐复杂的设计计算 变的简单可行。牛角芯棒造型部分主要完成了单半径牛角芯棒实体造型软件的开发， 主要使用v i s u a lb a s i c 6 0 ，并借助三维c a d 设计软件s o l i d w o r k s 为平台进行二次开发。 该部分主要由系统界面模块、形状计算模块、结构实体生成模块及牛角芯棒生成模块 组成。利用c o m 技术实现了v i s u a lb a s i c 和s o l i d w o r k s 之间能够相互调用，并使用 s o l i d w o r k s 所提供的核函数结合单半径牛角芯棒外形计算公式对牛角芯棒进行了比较 精确的绘制。 在牛角芯棒造型过程利用了牛角芯棒设计软件模块计算出的牛角芯棒基本几何参 数，在s o l i d w o r k s 环境下得到所需要的单半径牛角芯棒实体模型。牛角芯棒参数化设 计与造型软件的开发实现了牛角芯棒参数化设计与三维实体造型的结合合，缩短了产 品设计时间，有利于提高产品质量。 关键词：三维c a d ，s o l i d w o r k s ，牛角芯棒，二次开发，对话界面 山东建筑大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r a i d e d d e s i g nf o rt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e ro fh e a t e dp u s h i n ge l b o w l id o n g ( m a t e r i a lf o r m a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yl ux i a o y a n g a b s t r a c t 1 1 1 ea c h i e v e m e n ta n dp r o g r e s sm a d ei nd e v e l o p i n go x h o r e n e dc o r eb a ro nt h ep l a t f o r mo f3 - d i m e n s i o nc a dw e r ei n t r o d u c e db r i e f l ya n dp a r a m e t r i cd e s i g na n d3 dm o d e l i n g w e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n t e g r a t i o no fo x h o r e n e dc o r eb a rd e s i g na n dm o d e l i n gi sa p r e c e d e n ti ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e rp l a y e dm o r ee m p h a s i so no x h o r e n e dc o r eb a rd e s i g na n do x - h o r e n e d c o r eb a rm o d e l i n g 1 1 1 ep o r t i o no fo x h o r e n e dc o r eb a rw a st h el e a d e ro fm o d e l i n ga n d w a sm a d eb yv i s u a lb a s i c6 0 t 1 1 i sm a k e st h ec a l c u l a t i n gb e c o m es i m p l ea n dp o s s i b l e t h e p r o c e s so fc a l c u l a t i n gb e c o m e ss i m p l yb yu s i n gt h i ss o f t w a r e a tt h es a m et i m e ，i tc a n c a l c u l a t et h es i z eo fc a n n u l a rr a na n ds e n dt h ed a t ao fm a n u f a c t u r i n gt ot h et e c h n i c i a n s p r e c i s eo x - h o r e n e dc o r eb a rw a sp r o d u c e di nt h es e c o n dp a r t i tw a sd e v e l o p e db y v i s u a lb a s i c6 0b a s e do n3 dc a ds o f t w a r es o l i d w o r k s t 1 1 i sp a r to ft h es o f t w a r ei n c l u d e s s y s t e mi n t e r f a c em o d u l a r ，o x h o r e n e dc o r eb a rp r o f i l ec a l c u l a t i n gm o d u l a r ，s t r u c t u r es o l i d g e n e r a t i n gm o d u l a ra n do x h o r e n e dc o r eb a rp r o f i l eg e n e r a t i n gm o d u l a r v i s u a lb a s i cc a n e o m m u n i c a t ew i t hs o l i d w o r k sb yt h et e c h n o l o g yo fc o m o x - h o r e n e dc o r eb a rp r o f i l ew a s d r a w na c c u r a t e l ya c c o r d i n gt ot h es i n g l er a d i u so x h o r e n e dc o r eb a rm o d e l b yu s i n g g e o m e t r yp a r a m e t e r so f f e r e db yo x - h o r e n e dc o r eb a rd e s i g n ， o x - h o r e n e dc o r eb a rs o l i d c a nb em o d e 】e di ns o l i d w o r k s k e yw o r d s ：3 d c a d ，s o l i d w o r k s ，o x h o r e n e dc o r eb a r ，d e v e l o p m e n t ，i n t e r f a c e i l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 孝扯日期尘挚 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学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、缩印或其它手段保存、 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：毋，侮、 日期。塑1 f f p 一各防嘲4 扯 第1 章绪论 1 1 选题依据 在现代加工工艺中，有大量以管材为毛坯，通过采用控制其塑性变形的方法，形成制 造管材零件的工艺称为管材塑性加工。由于这种工艺方法易于实现产品的轻量化、强 韧化和满足低耗高效、精确制造等方面的要求，并能获得形状复杂的制品，因此管材塑性 加工已成为先进塑性加工技术的一个重要方向。管材弯曲成形是管材塑性加工的重要 组成部分。用管材制造的弯曲零件，无论是平面弯曲件，还是空间弯曲件，除大量应用于气 体、液体的输送管路外，在金属结构件中的应用也十分广泛。因此管材弯曲成形研究是 其中备受关注并得到迅速发展的重要领域之一【1 】。 在管材弯曲过程中，外侧壁的减薄、破裂，内侧壁的增厚、起皱和横截面畸变及其演 化过程，以及卸载后的回弹及其控制，一直是包括管材弯曲成形在内的工程界未能有效 解决的技术难题，也是当今国内外塑性加工学科研究的难点和热点。牛角芯棒热推弯管 工艺是目前各种弯管工艺中最为经济有效的一种。它采用中频感应加热，在牛角芯棒上 连续推制成形的方法加工弯管，避免了传统弯管工艺成形时弯管凸边管壁受拉减薄、凹 边管壁受压增厚而造成的弯管壁厚不均匀现象【2 1 。然而，现行工艺中的牛角芯棒必须经 过不断的试推打磨，才能正式的应用于生产。由于大型有限元分析软件的出现，可以 通过计算机进行辅助分析，但是在有限元软件中进行牛角芯棒模型建立的困难很大， 所以必须借助三维设计软件来生成该模型【3 5 】。再者在科学技术日益发展的今天，虽然 c a d 技术已被企业重视，但通用c a d 支撑软件对大多数用户来说，只是绘图工具， 只能使所绘图便于保存，便于修改，并没有真正实现通过计算机进行参数化设计的目 的，不能解决设计自动化问题，其实质仍是手工设计，它不仅设计效率低，同时对使 用者的要求也较高，因使用者要直接使用图形支撑软件的命令去构造图形，这就要求 其对各种命令的功能及其使用方法十分了解，从而限制了对这些命令不熟悉但精通产 品设计的人员有效地使用计算机进行辅助设计，使硬件和软件得不到充分利用。解决 此问题的办法是由少数既掌握计算机应用技术又懂产品设计的人员开发出某一产品的 c a d 应用软件，使其具有良好的人机界面，并融入大量专业设计人员的经验，从而使 一般设计人员能够使用计算机应用软件进行产品的设计，提高设计效率与质量。本课 题从牛角芯棒设计出发，以传统的单半径牛角芯棒的三维精确造型为重点，开发了基 于s o l i d w o r k s 弯管成型辅助设计系统。 1 2 相关领域的发展现状 1 2 1c a d 技术的发展概述8 】 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术是电子信息技术的一个重 要组成部分；是促成科研成果开发和转化、实现设计自动化、加快国民经济发展和国防 现代化的一项关键技术；是提高产品和工程设计水平、降低消耗、缩短科研和新产品开 发周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段；是科研单位提高自主研究与开发能力，提 高企业创新能力和管理水平，参与国际竞争的重要条件，也是进一步向计算机辅助制 造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，简称c m a ) 、计算机集成制造系统( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，简称c n v i s ) 发展的重要基础。c a d 技术开发与应用水 平已经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化程度的重要标志之一。 ( 1 ) c a d 技术的发展历史 c a d 自6 0 年代中期产生以来，至今己有3 0 多年的历史。1 9 6 5 年发表在m t i 的 i v n a e s u t h e r n a l d 的博士论文“s k e t c h p a d ：个个人通信图形”被公认为是计算机图形 学与c a d 的开创性工作。 c a d 工作经历了以下的几个时期。在6 0 年代，限于计算机硬件与软件发展的水 平，发展的是二维的图形系统。c a d 工作也局限在计算机辅助制图( c o m p u t e r - a i d e d d r a f t i n g 简称c a d r ) 与计算机辅助几何设计( c o m p u t e r - a i d e dg e o m e t r i e sd e s i g n ，简称 c a g d ) ；在7 0 年代，由于大规模集成电路进入实用阶段，随着计算机硬件的发展，c a d 技术初次进入工业领域。由于当时的硬件和软件的费用昂贵，c a d 主要用于大型企业， 如美国的波音飞机公司、通用汽车公司等。除了出品a u t o c a d 系统的a u t o d e s k 公司 以外，约有1 7 家公司从事c a d 技术开发工作。在8 0 年代，由于3 2 位工作站进入市 场，新的图形处理设备不断涌现，c a d 进入了大发展的时期。根据国外的资料，自1 9 8 2 年以来，c a d 硬件和软件的销售额每年均以超过1 的速度在增长。 在我国，6 0 年代开始利用计算机在产品开发中进行数值型分析计算工作，c a d 技 术的研究从7 0 年代初期开始的，重要的研究内容是计算机辅助几何设计( c a g d ) 和计 算机辅助绘图( c a d r ) ，重要应用是船体的放样。进入8 0 年代后，这一领域得到了很 快的发展，机械制造、船舶、航空、电力、电子、建筑等领域开展了c a d 应用工作， 实现了各行业的c a d 系统。例如机电部所属机械自动化研究所开发了p c m e c a d s 微型机械c a d 集成软件系统，包括常用机械零部件设计系统，用于设计传动件、连接 件、轴承、弹簧等1 7 种通用零件。还有常用机械零件有限元分析、边界元分析软件包， 2 山东建筑大学硕士学位论文 并能对杆、板、梁、壳与体等1 6 种元进行静力、振动特性、稳定性、动力响应与温度 场等的计算。进入9 0 年代后，随着计算机技术在我国的蓬勃发展，许多高校和一些计 算机软件公司根据我国的国家标准进行了大量的二次开发工作，开发出了适于我国国 情的c a d 软件。如北京航空航天大学开发的“c a x a ”系统，北京宇思机电公司开发 的工程化机械c a d 系统y s m c a d 等，为我国c a d 技术的推广使用起到了很大的作 用。 ( 2 ) c a d 技术的发展趋势 新一代c a d 技术的发展主要体现在以下几方面： 1 ) 规范化( 标准化) 数据模型的规范化( 标准化) 、数据交换格式的标准化和c a d 资源的规范化等。数 据模型应采用s t e p 标准体系。随着s t e p 标准体系的逐步完善，它提出的几何数据、 工程数据模型的思想将作为新一代c a d 系统的开发指南。靠以前的一些标准接口已经 无法完全满足c a d 数据交换的要求。虽然目前参数化特征模型的传输还是一个世界难 题，在s t e p 标准基础上，相信这一点能有所突破。这里所说的c a d 资源主要是指各 种标准符号库等。它是各国标准和国家标准规定的，是工程设计中的重要依据。 2 ) 智能化 特征造型和参数化设计的采用即是智能化方面的进步。软件不仅仅是提供一些绘 图的工具由人们去使用。也不再仅仅将点线面数据存储在一起，而忽略其内在联系。 特征和参数的引入将使得软件成为人类( 用户) 一个更聪明的助手。c a d 软件将成为真 正的“傻瓜型”软件。应该更大限度地将工程数据概念集成到数据模型中，例如目前， c a d 软件的特征模型主要是解决零件几何造型的问题，而对于后续分析、以即和a n t _ 的需要还考虑得不够。智能化的结果也使得计算机更具人性化。 3 ) 集成化 集成化是当今c a d 技术发展的又一大趋势。c a d 技术不是孤立的。首先，它集 成了计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用领域的技术。同时， 它又不断和c a m ( 计算机辅助制造) 、c a p p ( 计算机辅助工艺流程规划) 以及m i s ( 管理 信息系统) 、p d m ( 产品数据管理) 、m r p ( n 造资源管理) 等系统相集成。由于i n t e r n e t 的发展，使得这些设想得以实现。如何构造在i n t e m e t 体系上的c a d c a m 集成化系统 将会是人们追踪的热点。特别是在全球经济一体化的背景下，并行工程、异地设计制 造等概念的发展和应用，基于网络、基于w e b 的协同设计制造系统大受青睐。现在已 山东建筑大学硕士学位论文 有一些标准，如解决异构系统平台的x l m 和x l m 3 d ，以及解决三维图形、图像在互 联网上传输共享的v r m l 标准相继出台，已经为我们在互联网的构架下，为建立协同 设计和协同工作环境打下基础。 4 ) 可视化 可视化技术在c a d 中的应用是设计虚拟产品。虚拟产品是一种数字产品模型，它 具有所代表的对象所具有的各种性能和特征。这些虚拟产品在它投入生产以前已存在， 具有明显的可视性，可进行并行设计和分析，可与供应商、合作者交换信息，客户可 进行评估并作出反应。虚拟产品的开发需要的技术主要包括：产品建模技术、产品信息 及其存储管理技术、计算机网络和通信技术。c a d 虚拟环境使设计者处在自己想象的 设计空间，亲临现场似地对产品和工程进行设计和布置，这样能够充分发挥设计者的 聪明智慧，使设计进行的尽善尽美。可视化研究的关键技术问题是：( a ) 可视化理论模型 的建模方法；( b ) 可视化并行处理和分布式处理的方法；( c ) 可视化智能辅助技术；( d ) 建立基 于规则的r l 维虚拟的可视化系统；( e ) 可视化网络环境等。 5 ) 并行化 新一代c a d c a m 系统的核心是并行产品设计新技术环境( c o n c u r r e m ta r tt o p r o d u c te n v i r o n m e n t ，简称c a p e ) 。c a p e 的定义是在计算机网络环境内对产品开发的 整个设计和管理过程进行描述建模，强调并行工程和面向制造，采用p d m ( 产品数据管 理) 技术，从软件结构、产品数据、面向目标的开发技术j 产品。建模和智能设计、质 量控制等方面有所突破，为实现并行工程提供更完美的环境。在实施中，p d m 致力于 处理产品开发和制造环境中的所有数字信息，将工程设计、制造、生产、后勤、计划 等信息、连成一体。生产中各部门产生的数据都能用p d m 进行控制。 6 ) 网络化 随着计算机网络的飞速发展，计算机辅助设计系统的网络化已经是不可阻挡的历 史潮流。网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设备，节省投资。借助现 有的网络，用户可以用高性能的p c 机代替昂贵的工作站，不同设计人员可以在网络上 方便的进行交流，这种交流可以理解为是一种全球性的交流。只需企业的网络与i n t e r n e t 相连，这样与世界上任何一个角落上的人员的交流与隔壁办公室人员的交流几乎一样 方便。在未来的设计活动中，很多所需要的软件并不需要一定安装在计算机中，只需 要在i n t m e e t 上找到它，然后在浏览器上运行就可以了，可以按利用的时间长短付费。 有任何问题都可以立即与开发商联系求助，设计会变得轻松而快捷。 4 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) 应用c a d 的意义 应用c a d 技术主要有以下几方面主要效果： 1 ) 增强企业的产品设计开发能力 由于受计算能力的限制，以前设计人员只能用一些由传统数学、逐次逼近方法得 来的经验公式进行工作。因而，所设计的产品存在着材料消耗过多，结构布置不合理 等弊病，采用c a d 系统后，设计者就可以利用强有力的工具来改进设计工作。例如应 用有限元法、最优化设计等方法改进设计，从而可以对过去许多只能定性判断的内容 做出精确的定量分析。 2 ) 提高产品设计质量，缩短产品研制周期 据调查，在一般的机械工业企业中，设计人员中占全人员总数的1 0 1 5 是绘图， 采用c a d 后，通过计算机辅助绘图，可节省设计人员大量宝贵时间。此外，c a d 的 最大特点是使设计人员在c a d 辅助下，可以充分发挥自己的联想和创造力，集中精力 提高设计质量。当产品设计完成后，又由c a d 系统自动输出各类图纸、文件。因此， 采用c a d 技术不仅提高了设计质量，而且大大缩短了产品的设计周期，带来了无法估 算的经济效益。 3 ) 有利于实现产品标准化、系列化、通用化 机械设计的一些国家标准向国际标准靠拢时，考虑的影响因素比较全面，设计计 算的工作量较大，如不采用c a d 则很难贯彻。若有了相应的软件，只要根据屏幕提示 输入有关信息，就能获得符合标准要求的设计结果，因而推广起来就比较容易。由于 计算机对设计信息实行统一管理，因而也有利于推进产品的系列化和通用化。 4 ) 2 1 ：1 强现代化管理 几乎所有的工业技术，目前在交流、通信和存贮的手段上都极大地依赖于图纸等 技术文件。因而所有技术文件的产生、修改、管理、存贮以及随机检索等己成为企业 技术管理中占极大工作量的突出问题。单凭人工管理的方法难以满足现代企业对管理 的需要。采用c a d 技术，并建立功能完善的信息管理机制，就可以实现从市场信息、 经营管理信息及设计师的原始构思数据到各种图纸、技术文件、工艺资料、外购清单 等全部由计算机系统统一处理和存贮，并可供企业各部门共同分享。 5 ) 提高企业的经济效益 在设计阶段引入c a d 系统可大大提高设计人员的工作效率，节约手工设计所需的 大量工时和开销，并使过去积累的设计资源得到复用，从而降低设计成本。此外，由 山东建筑大学硕士学位论文 于设计阶段所做的决定对产品的总成本有很大的影响，所以通过c a d 所作的设计优化 可以大幅度地降低产品成本。 1 2 2 基于特征的参数化造型c a d 技术的发展及应用 特征是具有工程含义的几何实体，它表达的产品模型兼含语义和形状两方面的信 息，而特征语义包含设计和加工信息，它为设计者提供了符合人们思维的设计环境， 设计人员不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图的方式 来进行计。因此基于特征的设计越来越广泛地应用于参数化设计中。目前，参数化设 计己成为c a d 中最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计也成为评价c a d 系统 优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代c a d 中概念设计以及并行设计思 想，工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图，通过对产品形状及大小的 约束最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现， 设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的整个开发周期，设计参数可来自于 其他系统。参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的改动，从而实现对图 形的驱动。参数驱动的方式便于用户修改和设计。通过对参数的修改实现对产品的设 计和优化。总之，参数化设计极大地改善了绘制图形的质量和效率。基于特征的参数 化建模技术的意义在于将特征设计方法与参数化技术有机的结合起来，从而实现对多 种设计方式( 自顶而下或自底而上等) 和设计形式( 原始设计、相似设计和衍生设计等) 的 支持。这种理念的提出，改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零件几何图素的位置 这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单位的新语 义实体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。对于一个特征来说其构成的几何图 素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给特征指定不同的参数值来实 现。对零件的修改就可转化为对构成零件特征参数的修改，使得用户不用直接参与修 改零件几何图素位置关系的工作，大大方便了零件的设计与后期修改。 本文所涉及的牛角芯棒c a d 系统的三维建模主要采用特征参数化技术。系统首先 对牛角芯棒零件进行特征分析，确定特征建立的次序，将特征归纳为参数的表达形式； 然后利用s o l i d w o r k s 进行建模，在程序中进行参数设置，实现参数化驱动。 1 2 3 现有c a d 的牛角芯棒参数化设计系统的发展现状 有关牛角芯棒设计的理论己相当成熟，资料也比较完善，但其整个设计过程仍然 还是比较繁琐的。目前，针对这一情况，国内外将c a d 应用于牛角芯棒系统设计的己 经出现。诸如国内山东建筑大学鹿晓阳、张代理等研发的中频热推弯管成形工艺及其 6 山东建筑大学硕士学位论文 c a d 系统就是一种比较先进的设计系统，但是该系统并有真正的给出有效三维模型和 平面模型，该系统只是对工艺进行有序的分析。本文就是针对这一现状提出了相应的 解决方案，开发了牛角芯棒的设计与校核软件，并提供了单半径牛角芯棒的建模方法。 1 3 本课题基本概论 1 3 1 本课题主要的研究内容 本课题以w i n d o w s x p 中文版操作系统为支撑平台，利用中文版s o l i d w o r k s 2 0 0 7 结 合面向对象技术，开发单半径牛角芯棒三维c a d 设计系统，通过单半径牛角芯棒各参 数方程建立牛角芯棒的三维精确建模。整个软件包括两大模块：弯管管坯参数设计模块 和牛角芯棒设计及造型模块，并实现两大模块的一体化，即管坯主要参数被确定后， 可以根据所确定的参数生成牛角芯棒的三维实体模型。 本课题主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 几何参数的设定 本部分主要利用面向对象技术的编程语言v i s u a lb a s i c ，通过调用s o l i d w o r k s 的a p i 函数，实现对实体特征地描述，开发了牛角芯棒的设计系统。主要是根据输入的弯管 参数，通过分析计算，求得管坯参数，然后确定出牛角芯棒的几何参数、特征参数建 模的控制参数等。在能完整表述牛角芯棒特征的条件下归纳出几何特征参数。 ( 2 ) 三维建模 以s o l i d w o r k s 三维造型软件为支撑软件( 由于s o l i d w o r k s 免费开放自己的接口) ，利 用v i s u a lb a s i c 和s o l i d w o r k s 的接口技术，实现对牛角芯棒的特征参数化三维实体建模。 1 3 2 具体要求 ( 1 ) 实现牛角芯棒设计过程的自动化。把各种图表输入数据库，以便在设计中查 用。 ( 2 ) 实现牛角芯棒的参数化三维实体精确造型。 ( 3 ) 实现两部分内容的结合，达到设计造型一体化。 1 3 3 本课题的意义 我国通过大力推广和应用二维c a d 技术后，使广大的企业设计水平显著提高，计 周期明显加快，产品性能普遍提高。随着基于三维的c a d 设计软件和平台技术日趋成 熟和其众所周知的强大的设计功能开发，基于3 d 技术的c a d 设计方法的推广应用同 基于网络的p d m 、e r p 技术一样，己成为我国机械制造企业赖以发展的必可少的先进 制造和管理技术之一。本课题以产品零件的三维参数化特征建模为题来作为本次论文 7 山东建筑大学硕士学位论文 的研究方向。目前任何一个三维设计软件要想实现对某一个产品的参数化设计( 因为只 有实现参数化设计，才能真正提高产品的设计速度，实现产品的虚拟装配和干涉检查， 大限度地缩短产品的开发周期) ，都是通过二次开发的手段实现的。 本文以单半径牛角芯棒为设计对象，提出将牛角芯棒的三维实体设计、弯管参数 校核等功能集成，并将二次开发好的s o l i d w o r k s 三维设计软件嵌入到设计好的弯管成 型辅助设计系统中去。以这次开发的全过程为指导，为今后全面开发建立标准、非标 准三维实体零件库做好铺垫，并为下一步牛角芯棒设计的有限元分析打好基础。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章s oi d w o r k s 简介及其二次开发的基本方法 2 1s o l i d w o r k s 系统简介 s o l i d w o r k s 是基于w i n d o w s 平台的三维设计软件，是由美国s o l i d w o r k s 公司研制 开发的。它具有基于特征的参数化实体造型、复杂曲面造型、实体与曲面融合、基于 约束的装配造型等一系列先进的三维设计功能及工具。它所具有的特征管理器，使复 杂零部件的细节和局部设计安排条理清晰，操作简单；它采用了自顶向下的设计方法， 设计数据1 0 0 可以编辑，尺寸、相互关系和几何轮廓形状可以随时修改；它的全相关 技术使得零部件之间和零部件与图纸之间的更新完全同步：它支持g i e s 、d x f 、s t e p 、 d w g 、a s c 等多种数据标准，可以很容易地将目前市场上几乎所有的机械c a d 软件 集成到设计环境中来：为了方便用户进行二次开发，s o l i d w o r k s 提供了大量的 a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) i 函数。目前，s o l i d w o r k s 已经成为微机平台上的主流 三维设计软件 1 9 3 们。 s o l i d w o r k s 的特点主要有： ( 1 ) 具有独特的特征管理器，特征管理器中设计历史树同具体的实体模型是实动态 连接。 ( 2 ) 具有强大的实体、曲面建模功能和直观的w i n d o w s 用户界面。 ( 3 ) 双向关联的尺寸驱动机制。 ( 4 ) 提供了可供v b 、v c 和其它支持o l e 和c o m 技术的开发语言接口。 2 2s oi - d w o r k s 软件二次开发基础 s o l i d w o r k s 的二次开发分为两种，一种是基于自动化技术的；另一种是基于c o m 的。因此任何支持o l e 或c o m 的编程语言均可作为s o l i d w o r k s 的开发工具，如v b a 、 v b 、v c 、d e l p h i 等。 o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 是指对象的链接与嵌入。利用o l e 技术，用户 可以通过使用来自两个或多个w i n d o w s 应用程序的资源来解决复杂的应用课题，它使 应用程序之间能够通过数据嵌入或链接的方式来共享数据。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是指组件对象模型。c o m 是一种强有力的集成技 术，它可以在运行程序时把各种毫不相关的软件部分混合在一起，利用c o m 技术可以 将一个软件模块同另一个模块连接起来，而不再参与其余的事务，连接建立后，两个 模块可以通过接口结构进行通信。 9 山东建筑大学硕士学位论文 s o l i d w o r k s 支持c o m 技术标准，同时也支持o l e 标准，完全实现了o l e 自动化。 它通过c o m 和o l e 为用户提供了大量的二次开发接口a p i 函数和对象( 如图2 1 ) ，这 些对象涵盖了全部的s o l i d w o r k s 的数据模型，通过对这些对象属性的设置和方法的调 用，就可以在用户自己开发的d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y 动态链接库) 中实现与 s o l i d w o r k s 相同的功能。调用s o l i d w o r k s 中的a p i 函数，可以完成零件的建造和修改： 零件各特征的建立、修改、删除和压缩等各项控制；零件特征信息的提取( 如特征尺寸的 设置与提取，特征所在面的信息提取及各种几何拓扑信息) ；零件的装配信息；零件工程 图纸中的各项信息等。这些a p i 接口分为两种，即o l ea u t o m a t i o n 的i d i s p a t c h 和作 为w i n d o w s 基础的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 组件对象模型) 。作为系统开发， c o m 是更合适的选择。与其它开发语言相比，v i s u a lb a s i c 语言规则简单，容易上手，功能 强大，同时考虑到s o l i d w o r k s 提供的宏录制功能为v b a 环境，与v i s u a lb a s i c 语法规则完 全致，因而对非计算机专业的工程技术人员来说，v i s u a lb a s i c 更适于作为开发工具。 sl d w o r k s ( s o li d w o r k s ) 程序 ii 等等 e n v i r o n m e n t ( 环境定义) f r a m e ( 主屏框架) a t t r i b u t e d e f ( 文件属性) m o d e l e r ( 横梗管珲) s w p r o d e r t v s h e e t ( 属十阜百) f r a m e ( 主屏框架) s k e t c h ( 草图) d e si c n t a b l e ( 设计表) d i m e n ti o n ( 尺寸标注) f e a t m g r v i e w ( 特征树) f e at u r e s ( 特征) m o d e l d o c 2 ( 文件娄犁) p a r d o c ( 零件)a s s e m b l v d o c ( 葬配) 图2 1 s o li d w o r k s a p i 对象的关系层次图 d r a w i n 2 d o c ( 工程图) 下面介绍二次开发的几个关键技术： ( 1 ) 资源管理 为了避免用户化的s o l i d w o r k s 应用程序的资源( 包括对话框、字符串、位图等) 与平 台本身或其他第三方开发的应用程序的资源发生冲突，必须对应用程序的资源进行管 理。解决资源冲突的方法是调用a f x g e t r e s o u r c e h a n d l e 和a f x s e r e s o u r c e h a n d l e 这两个 l o 山东建筑大学硕士学位论文 函数。在使用新的资源前调用a f x g e t r e s o u r c e h a n d l e 函数来保存当前资源，然后调用 a f x s e r e s o u r c e h a n d l e 函数把当前资源设置成新的资源，当使用完毕后，再调用 a f x s e r e s o u r c e h a n d l e 函数恢复先前保存的资源。 在向导生成的d l l 中，s e t r e s o u r c e s 0 和r e s e t r e s o u r c e s o i 函数封装了上述功能。下 面以加载工具条图表资源为例，说明资源管理的过程： l o c a lf u n c t i o nt om a k es u r ew ea r eu s i n gt h ea d d - i nr e s o u r c e s s e t r e s o u r c e s ( ) | | 乙。蕊t h et o o l b a rb i t m a p s m _ s m a l l t o o l b a r l o a d m a p p e d b i t m a p ( i d r t o o l b a r _ s m a l l ) ； h b i t m a p h b m s m a l l i m a g e w e l l = ( h b i t m a p ) m _ s m a l l t o o l b a r g e t s a f e h a n d l e ( ) ； m _ l a r g e t o o l b a r l o a d m a p p e d b i t m a p ( i d r _ t o o l b a _ r _ l a r g e ) ： h b i t m a p h b m l a r g e i m a g e w e l l = ( h b i t m a p ) m _ l a r g e t o o l b a r g e t s a f e h a n d l e ( ) ： l o c a lf i m c t i o nt or e s e tr e s o u r c e st os o l i d w o r k s r e s e t r e s o u r c e s ( ) ： ( 2 ) d l l 中导出函数的管理 动态链接库d l l 中包含一个导出函数表，可以通过函数的符号化的名字和序号来 识别这些函数。函数表也包含了函数在d l l 中的地址。当s o l i d w o r k s 加载d l l 时， 它并不知道将要调用的d l l 地址，但它知道符号名和序号。通过动态链接的进程将建 立一个表，把s o l i d w o r k s 的调用与d l l 中函数的地址连接起来。 在d l l 中，声明导出函数的方法有两种： 1 ) 用关键字声明，j t l ：e x t e m ”c v o i dd l l e x p o r t a n a l y z e p ( v o i d ) ： 2 ) 在模块定义文件( 木d e f ) 声明。模块定义文件声明的导出函数清晰，并为用户提 供了更多的控制，其典型的模块为： l i b r a r y “f a n g z h e n d e s c r i p t i o nf e a t u r e w i n d o w sd y n a m i cl i n kl i b r a r y e x p o r t s ；i n i t u s e r d l l 3 1 ；a n a l y z e p 2 山东建筑大学硕士学位论文 ；s a v e a s c b ；t o o l b a r c b 0 ；t o o l b a r c b l ；t o o l b a r c b 2 ；u p d a t e b u t t o n ；d l l r e g i s t e r s e r v e r ；d l l u n r e g i s t e r s e r v e r ( 3 ) d l l 的链接方式 ( 硝 、_ 4 国5 、 6 7 8p r i v a t e 9p r i v a t e 链接d l l 到可执行程序有两种方式：隐式链接和显式链接。隐式链接是指使用d l l 的应用程序先链接到编译d l l 时生成的导入库l i b 文件，在执行这个应用程序时，系 统也装载它的d l l 。采用此方式在应用程序退出之前，d l l 一直存在于该程序运行进 程的地址空间内。显式链接是指应用程序在运行时通过函数调用来显式装载和卸载 d l l ，并通过函数指针来调用d l l 的导出函数。使用显式链接可以不必输入文件，而 是调用l o a d l i b r a r y 函数，指定d l l 的路径作为参数。 2 3 利用v is u a ib a s i c 对s o i d w o r k s 进行二次开发 s o l i d w o r k s 的宏功能是一种简单的二次开发接口，利用宏，可以很方便的进行自主 编程，通过宏的录制，可以节省编写代码的时间 3 8 1 。不过，宏代码的操作比较麻烦， 。能实现的功能有限，所以在商业上更多的二次开发成果是使用其他的程序开发平台， 最终编译成为独立e x e 或者d l l 格式的二进制文件发布。 要做二次开发，必须了解s o l i d w o r k s 系统的结构，了解它的运行原理。s o l i d w o r k s 的对象结构模型如图2 1 所示。这是s o l i d w o r k sa p i 对象的一个详细梗概，它并不代表 对象的起源层次或唯一的来去途径。从图中可以看到s o l i d w o r k sa p 的对象分为若干 层次，每一层又包括若干对象，每个对象又都有自己的属性、方法和事件。一般而言， 想要掌握每个对象的用法不太现实，因为这些对象的数量比较庞大复杂，往往是通过 了解s o l i d w o r k sa p i ，在开发过程中再去查找a p i 帮助文件。 可以从图2 1 看到，s o l i d w o r k s 模型对象的层次分类清晰，最顶层的结构是 s o l i d w o r k s 的对象，它是应用程序对象，其他所有的对象都是这一层次结构所衍生出来 的。例如，s l d w o r k s 对象包括m o d e l d o c ( 文件类型) 、e n v i r o n m e n t ( 环境定义) 、f r a m e ( 主屏框架) 、a t t r i b u t e d e f ( 文件属性) 、m o d e l e r ( 模板管理) 、s w p r o p e r t y s h e e t ( 属 性页) 以及一些其他的对象。s o l i d w o r k s 对象是s o l i d w o r k sa p i 中的最高层的对象。它 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 能够直接或间接地访问s l