（电机与电器专业论文）基于solidworks的电机三维cad系统研究与开发.pdf

塑坚查堂堕主堂篁堡茎 r e s e a r c h d e v e l o p m e n t o nm o t o rt h r e e - d i m e n s i o n a lc a d s y s t e m b a s e d u p o n s o l i d w o r k s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a d c a mt e c h n o l o g y ，m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh a da d o p t e d c a d c a ms o f t w a r ew i d e l y t h ea p p l i c a t i o no fc a d c a mt e c h n o l o g yt om a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yc a ni n c r e a s ee f f i c i e n c y , o p t i m i z eb l u ep r i n t ，l e s s e nd e s i g n e r so p p r e s s i v e n e s sa n d s h o r t e n p r o j e c t sp e r i o d t h e s ey e a r s ，i no r d e rt og a i nm o r ee c o n o m i c a lb e n e f i t ，s o m e c o r p o r a t i o n s a r e g o i n gt oa d o p tt h r e e d i m e n s i o n a l c a ds o f t w a r ea f t e r a p p l i c a t i o n o f t w o d i m e n s i o n a lc a d t e c h n o l o g y i t sp r o v e dt h a t t om a k ec a ds o f t w a r ew o r k sm o r e e f f e c t i v e l y , s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f t h e m i sn e c e s s a r y t oa c h i e v et h eg o a lo f a p p r o v i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fm o t o rd e s i g n ，w o r km a n n e r s a b o u tt h ec a ds o f t w a r es u s t a i n i n gm o t o rs t r u c t u r a ld e s i g na r ed i s c u s s e d 。t h e c o r r e s p o n d i n g t h e o r ya n dm e t h o do fc a d a f ea l s os t u d i e d ，b l u e p r i n ta n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f d e v e l o p i n gm o t o r t h r e e d i m e n s i o n a lc a d s y s t e mb a s e du p o ns o l i d w o r k sa r ep u tf o r w a r d i nt h i sp a p e r , a n da l lt h e s ea r eb a s e du p o n b e i n gf a m i l i a rw i t ht h em o d u l e sa n df u n c t i o n so f s o l i d w o r k s 2 0 0 4 t h eg u i d i n gt h o u g h ta b o u td e v e l o p i n gm o t o rt h r e e d i m e n s i o n a lc a d s y s t e m i st h a ta l lm e d e v e l o p m e n t i sb a s e do nt h ea c t u a lw o r km a n n e r sa n d w o r kc o n t e n t s t h em o t o rt h r e e - d h n e n s i o n a lc a d s y s t e m i n c l u d e sf o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s ： p a r a m e t r i c a l f e a t u r e l i b r a r y , p a r a m e t r i c a lf e a t u r e d e s i g nt o o l s ，p a r tl i b r a r ya n da i d e d g b - d r a w i n g d e s i g nt 0 0 1 p a r a m e t r i c a lf e a t u r el i b r a r yi sd e v e l o p e dw i t hc h a r a c t e 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 nt e c h n o l o g y ，a n di t c a np r o v i d eu s e rw i t hw e l ld e f i n e df e a t u r et oc o m p l e t e t h ed e s i g no f p a r t a n di f n e e db e ，t h el i b r a r yc a nb ee x t e n d e d b y u s e ri nf u t u r e p a r a m e t r i c a l f e a t u r e d e s i g nt o o l sa r ed e v e l o p e df o r t h ec o m p l i c a t e df e a t u r ew h i c hc a n tb ed e s i g n e dw i t h p a r a m e t r i c a lm e t h o d ，a n dt h e s et o o l sc a nr e a l i z ep a r a m e t r i c a ld e s i g no ft h ec o m p l i c a t e d f e a t u r ei n d i r e c t l y p a r tl i b r a r yi sc l a s s i f i e da ss t a n d a r dp a r t l i b r a r ya n du s e rd e f i n e dp a r t l i b r a r y , a n dt h et w op a r tl i b r a r ya r e d e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y f o rs t a n d a r d p a r t s a n d c o m p l i c a t e dp a r t s ，g b - d r a w i n g d e s i g nt o o li st or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h er u l e so f d r a w i n gm a d eb ys o l i d w o r k sa r eo u ta c c o r dw i t ho u rn a t i o n a ls t a n d a r d 。a n di tc a ns w i t c b t h er u l e so f d r a w i n g b e t w e e no u rn a t i o n a ls t a n d a r da n di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i 【 浙江大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：m o o rc a ds o l i d w o r k sa p f b a t l i r e l i b r a r y p a r tl i b r a r y n a t i o n a l - s t a n d a r d d r a w i n g i i i 浙江大学硕士学位论文 1 1c a d 技术概述 第1 章绪论 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 技术以计算机、外围设备及其系统 软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析( f e a ) 及优化设计、 数控加工编程( n c p ) 、仿真模拟及产品数据管理等内容。 1 1 1c a d 技术的发展 1 准备和酝酿时期( 5 0 一6 0 年代初) 。 c a d 技术处于被动式的图形处理阶段。 2 蓬勃发展和进入应用时期( 6 0 年代) 。 提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为c a d 技术的发展和应用打下了理论基础。6 0 年代中期出现了许多商品化的c a d 设备。 3 广泛使用的时期( 7 0 年代) 。 1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推出完整的c a d 系统。出现了面向中小企业的 c a d c a m 商品化系统。7 0 年代末，美国c a d 工作站安装数量超过1 2 0 0 0 台，使用 人数超过2 5 万。 4 突飞猛进的时期( 8 0 年代) 。 在这个时期，图形系统和c a d c a m 工作站的销售量与日俱增，美国实际安装c a d 系统至1 9 8 8 年发展到6 3 0 0 0 套。c a d c a m 技术从大中企业向小企业扩展；从发达国 家向发展中国家扩展。 5 开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期( 9 0 年代) 。 由于微机加w i n d o w s 9 5 ，9 8 n t 操作系统与工作站加u n i x 操作系统在以太网环境下 构成了c a d 系统的主流工作平台，现在的c a d 技术和系统都具有良好的开放性，图 形接口、图形功能日趋标准化。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，其结构如图1 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2c a d 系统的构成 圈11 智能c a d 系统 攀篓攀鬻籀戳l 攀鬟鋈隧藕豪巍。i 从其体系结构讲，c a d 系统可分为三个层次，如图1 2 所示。基础由计算机、外 围设备和系统软件组成。系统软件在工作站上流行u n i x 加m o t i f 操作系统，在微机上 流行w i n 9 5 9 8 n t 操作系统。系统软件还包括支撑软件、系统开发和维护的工具软件。 支撑层包含了图1 2 中部所示内容。随着网络的广泛使用，异地协同虚拟c a d 环境将 是c a d 支撑层的重要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求有各自的c a d 专用 软件来支持相应的c a d 工作。 1 1 3c a d 支撑软件 图1 ，2 c a d 系统的三层结构 浙汀大学硕士学位论文 2 设备驱动程序。如w i n d o w s 操作系统支持的设备驱动程序集、i s o 通过的标 准程序库( c o m p u t e rg r a p h i c si n t e r f a c e ，c g i ) ，又如h p 公司提供的绘图仪、 打印机设备驱动程序等。 窗口管理系统。工作站上流行m o t i f 窗口系统，微机上为w i n 9 5 9 8 n t 窗口系 统。微机。f = 的窗口系统已代替了过去的d o s 操作系统，成为最大众化的操作 系统。窗口系统中包含了丰富的图形用户接口( g u i ) 程序，多媒体用户接口程 序( m u i ) 和网络用户接口程序( n o i ) 。 汉字输入输出程序。 二维计算机辅助设计绘图系统。 三维线框、曲面、实体和特征统一表示的数字化建模系统。 三维真实图形实时显示系统。 产品数据管理系统( p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n ts y s t e m ，p d m ) 。 异地协同虚拟设计系统。 智能c a d 系统。 1 2 国内电机c a d 技术的现状与新情况 1 2 1c a d 技术在电机工程中的应用 c a d 技术在电机工程中的应用主要有以下几个方面： 1 计算机辅助电机电磁设计 利用计算机计算电机的最佳电气参数，是c a d 技术在电机工程中的一个重要应 用。 2 计算机辅助电机结构设计 利用计算机绘制电机零件的三维模型、绘制电机工程图以及模拟电机装配等，从 而使计算机辅助设计和计算机辅助制造这两个过程联系起来了。 3 计算机辅助电机电磁场、温度场和应力场的计算与分析 计算机和计算技术的发展为电机中复杂场问题的数值求解提供了条件，从而可以 将现代数学中的差分法、有限元法和边界元法等，在利用计算机的基础上去求解电机 中的各种线性和非线性的稳定场或瞬变场的问题，并获得较满意的结果。 4 电机的计算机仿真 3 4 5 6 7 8 9 浙江大学硕士学位论文 将电机或者包括控制的电机系统， 计算机上进行求解。通过计算机仿真 运行情况进行分析。 5 计算机辅助电机制造 用一个恰当的数学模型描述，再将数学模型在 我们可以对尚未投入运行的电机的静态和动态 它包括电机制造中计算机辅助数控机床加工程序的编写，计算机辅助制造工艺过 程的设计，计算机辅助检测与试验以及计算机集成制造系统等。 本文主要研究c a d 技术在电机结构设计中的应用，以下文章中所提电机c a d 均 指电机的计算机辅助结构设计。c a d 技术在电机其它方面的应用在后续文中不再作叙 述。 1 2 2 国内电机c a d 技术的现状 目前，广泛应用于电机设计的通用二维绘图软件有：a u t o c a d 、c a x a 电子图板、 开目c a d 等。其中，a u t o c a d 用户最多。a u t o c a d 有强大的二维绘图功能，如绘图、 编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维建模功能。 a u t o c a d 还提供a u t o l i s p 、a d s 、a r x 作为二次开发的工具，一些软件开发商在 a u t o c a d 的基础上已开发出了电机绘图软件包。 国内已有比较成熟的，针对电机行业开发的计算机绘图软件。例如，上海电器科 学研究所在引进国外软件的基础上，消化、吸收后开发的中小型异步电机零部件绘图 软件，浙江大学开发的e m c a g 绘图软件包等。其特点是针对性和专业性很强，适合 专业工厂使用。 总体来说，电机c a d 技术还停留在计算机辅助二维绘图水平。 1 2 3 国内电机c a d 技术出现的新情况、新问题 传统的电机结构设计过程为：设计者先在自己的头脑里构思电机的三维结构；然 后把自己的设计意图以零件工程图、总装配工程图的方式表达出来，交付制造车间： 电机制造者根据工程图在头脑里构造零件的三维模型；最后送与制造加工。每个环节 都要耗费很多时间，产品的周期不可避免的会很长。这样的方法已不能适应激烈市场 竞争的需求。 微机平台上优秀三维c a d 软件的出现，为电机产品的生产革新创造了条件。部分 电机企业开始将三维c a d 技术引入电机设计。 目前，电机企业使用的三维机械软件几乎都为国外的软件，有s o l i d w o r k s 、m d t 、 p r o e 等，其中s o l i d w o r k s 应用最多。s o l i d w o r k s 是微机版参数化特征造型软件的新 秀，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的1 4 1 5 向广大机械设计人员提供用户 4 浙江大学硕士学位论文 界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。s o l i d w o r k s 可以十分方便地实 现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。该软件可阻应用于以规则几何 形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。 但是国内还没有专门用于电机三维造型的c a d 软件。通用的三维机械c a d 软件 用于电机结构设计有以下不足： 1 ，没有电机零件库。 2 没有用于电机零件特征的专业化设计工具，零件的三维造型效率低下。 3 工程图的规范不符合我国国家标准。 1 3 选题依据及意义 论文选题来源于浙江金龙电机股份有限公司引进三维造型软件s o l i d w o r k s 后的二 次开发课题。 国内电机厂家众多，要想在竞争中处于领先地位，必须不断在技术上革新，以提 高产品的生产效率，缩短产品的设计周期、提高产品的质量等。传统单纯的计算机辅 助绘图设计、制造电机过程，效率低、周期长，不能适应市场竞争的需要。企业只有 引进三维c a d 技术用于电机零件的三维建模和产品模拟装配，才可以根本的革新设 计过程，才能实现真正的c a d 技术应用，才可以大大缩短产品的周期，提高效率。 但是，通用的c a d 软件用于电机设计，存在重复劳动多，效率低下等问题。实践 证明，为了更有效地发挥c a d c a m 系统的作用，必须对系统进行二次开发，实现 c a d c a m 系统的专业化和用户化。 因此，针对目前市场上还没有专业的电机三维c a d 软件应用的情况，本文提出了 基于s o l i d w o r k s 平台，开发电机三维c a d 软件的思路和方法。 电机三维c a d 系统的研究与开发，对企业主要有两个方面的意义： 】企业电机结构设计方面 i 提高设计效率。这一点是通过c a d 系统代替人工来完成重复性的劳动来实 现的，例如标准件、通用件的三维造型绘制，非标准件的常用特征绘制， 相似结构绘制等工作。而且，c a d 系统的自动生成二维视图、打印输出等 功能，又可以减少设计的中间环节，达到提高设计效率的目的。 i i 提高设计质量。c a d 系统的干涉性检查功能，将有效降低因手工设计而在 此方面造成的失误；二一三维关联有效保证图纸规范性、一致性；基于实例 的典型机构使得设计经验再利用成为可能。通过电机c a d 系统的开发，总 5 浙汀大学硕士学位论文 结优秀设计人员的宝贵经验，并融合书本中的知识，建立一套实用而且规 范的设计方法，对于电机结构设计中一些标准结构进行经验性的总结，为 以后所用，可提高电机结构设计的规范化程度，减少不必要的人为失误， 从而提高设计质量。 2 企业c a d 技术发展方面 在企业中，深入推广c a d 技术应用一般应分三步进行。第一步：推广广义的“甩 图板”，即对不同行业，研制不同层次的应用软件，寻找应用c a d 的“突破口”；第 二步：在基本实现甩掉图板的企业，大力推广图文档案管理和产品数据管理技术；第 三步：努力实现真正意义上的产品c a d ，包括c a d c a e c a m 集成、虚拟制造、并 行工程、优化设计和智能设计等。 由上可见，开发专用c a d 系统将会有力推动工厂推广广义的“甩图板”工作。而 且，厂校联合，发挥各自所长，结合工厂实际的系统开发工作，将会有效地缩短专用 c a d 系统的开发使用周期。并且使开发工作更有针对性，切合实际。同时，对电机三 维c a d 系统开发的探索和研究，会为以后进行的其他产品c a d 系统开发做好技术上 的准备，其方法、思想和经验均可引申为其他系统所用! 因此，本课题的研究对推动企业的发展，有效地缩短本企业的c a d 技术与先进企 业的差距有重要意义。 1 4 本文研究目标及内容安排 本课题将针对金龙电机股份有限公司目前电机结构设计过程和设计步骤，在详细 分析电机结构设计具体内容基础上，结合三维造型软件s o l i d w o r k s 的具体功能，探讨 c a d 软件支持电机结构设计过程的工作方式；并研究相应辅助设计功能的原理和实现 方法，并以此为基础开发电机三维c a d 系统。下边为本文的内容安排： 第l 章为绪论，主要介绍了电机c a d 技术应用现状和遇到的问题以及本课题的研 究背景。针对目前电机应用c a d 技术设计电机中存在的问题，作者提出了自己的想 法和理念，并通过实际课题加以实现，完成了系统的构架。 第2 章给出了系统的整体设计方案，首先分析了系统中用到的理论和方法，着重 介绍了特征造型方法和参数化技术，并且结合电机设计的特点，提出针对本系统的特 征造型的结构和实现方法。本章还简单介绍了s o l i d w o r k s 及其二次开发的思想和方法， 描述了在s o l i d w o r k s 下进行二次开发的优势所在。最后针对技术目标、功能目标和效 益目标，提出了本系统要达到的预期目标，给出了系统的设计方案，并分析了系统各 模块之间的关系和各自要实现的功能。 浙江大学硕士学位论文 第3 章分析了本系统中所用到的关键技术和系统各模块的实现方法，是本文的重 点章节，体现了作者所做的工作。首先介绍如何创建应用程序插件d l l ；接着介绍了 接口的原理和实现方法；然后介绍了系统各个功能模块的设计和实现方法。 第4 章通过一个设计实例说明运用本系统进行电机设计的一般过程和方法。 第5 章对所做的工作进行总结，得出一些结论，并提出了对以后开发工作的一些 构想。 塑翌查兰堡主堂垡笙苎一 第2 章系统总体设计方案 2 1系统二次开发方案及平台选择 2 1 1系统二次开发方案 所谓c a d 软件的二次开发，是指在通用c a d 软件的基础上，为提高和完善软件 的功能，使之更符合用户需要而做的开发工作。其根本目的是提高设计、制造质量， 缩短产品的生产周期，充分发挥c a d 软件的作用。 本文选择在成熟三维c a d 平台上进行二次开发，建立电机三维c a d 系统。此方 案具有以下两个突出的优点： 1 系统开发相对简单，工作量小，因此周期短，见效快。 由于二次开发是对已有软件的提高，许多复杂的内核已经由基础软件来完成。因 此，开发工作相对比较简单，工作量相对较小。从而开发可以由较少的人力在较短的 时间内完成，企业可以很快将开发应用于设计。 2 系统实用性强。 成熟的商业软件功能强大、稳定性强、市场占有范围大，使用这样的平台，设计 效率高，可以获得更好的产品性能。在其上进行二次开发，既不放弃原有资源，又扩 充了原软件的功能，满足了企业的特殊需要，充分的发挥了c a d 软件的效率。 但是，二次开发方案也存在着缺点。由于二次开发不是从底层开始的软件设计， 而是在已有软件基础上的完善和提高，所以二次开发有很强的继承性。二次开发后的 软件的性能在很大程度上依赖基础软件平台的性能和开放程度。 除了c a d 软件的二次开发方案外，还可以从基础内核开始，开发电机三维c a d 软件。但实际上，本文所选方案是电机企业在短期内实现电机三维c a d 技术应用唯 一可行和有效的办法，原因主要有以下两点： 1 从基础内核开发电机三维c a d 软件，对以前没有计算机图形积累的研究 所和企业来说，面临巨大的技术难题，在短时期内不可行。 2 从基础内核开发电机三维c a d 软件需要投入大量的人力和物力，其产出 和投入比远不如基于成熟的三维c a d 软件进行二次开发高。 2 1 2 平台选择 浙江大学硕士学位论文 前边讲到基于c a d 软件平台开发方案的一个缺点，就是它以已有c a d 软件为基 础进行开发，具有较强的继承性和依赖性。因此基础软件平台的功能、性能、适用范 围、可靠性、开放性以及是否有较好的二次开发接口，会在很大程度上影响到二次开 发系统的性能。因此，二次开发的首要任务是选择一个优良的c a d 软件作为基础支 撑平台。在选择时应着重考察以下儿个方面： 1 基础c a d 软件是一种通用的软件。通用软件提供的功能覆盖面广，能完 成多个行业所需的基本功能，且系统性能优良，功能齐全，具有很强的生 命力。 2 基础c a d 软件是开放的系统，具有良好的用户接口。开放体系是指系统 能向用户提供嵌入系统的语言或可使用高级语言以及二次开发工具f 二次 开发函数库) ，用户据此可以进行满足特殊需求的应用程序开发。 3 基本功能满足以下要求：图形生成和显示速度快、图形质量高、结构稳定 可靠、交互方式灵活多样、命令结构简单明了。 4 提供修改系统命令、系统界面和系统配置等系统资源的手段。这样的基础 软件平台才便于二次开发。 5 具有菜单、工具条、对话框、热键等组成的友好的人机界面，并提供相应 的实现工具。 6 提供通用的转化精度满足要求的数据交换接口。 根据二次开发的目的，对二次开发基础软件平台的要求，并结合工厂的实际情况， 本文选择了美国生信公司的s o l i d w o r k s 2 0 0 4 作为电机三维c a d 系统的基础软件平台。 2 2 系统开发的基本理论 2 2 1 特征造型技术 特征造型能提供产品定义的高层描述，使产品设计可在更高层次上进行，设计人 员的操作对象不再是原始的线条，而是产品的功能要素，直接体现了设计意图，使建 立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容易修改。 2 2 1 1 特征的定义 自从特征( f e a t u r e ) 的概念产生以来，特征技术的研究一直十分活跃，许多专家和学 者分别从不同的角度对特征进行了定义。p r a t t & w i l s o n 对特征的定义是：特征是一个零 件表面上有意义的区域，共分为六类特征：通道特征、凹陷特征、凸起特征、过渡特 征、域特征、变形特征。这种特征的定义和分类方法后来被s t e p 标准采用。s h a h 对 9 浙江大学硕士学位论文 特征的定义是：特征是产品信息传递的载体，它能够帮助设计、制造或其它工程任务 之间的通讯与交流。产品信息分为五类特征：形状特征、精度特征、技术特征、材料 特征和装配特征。这些定义主要是基于零件进行描述的。 2 2 1 2特征造型方法 特征造型经常分为两种方法：自动特征识别和基于特征的设计。 1 自动特征识9 1 ( a u t o m a t i c f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 基于商用c a d 软件的特征造型功能进行产品详细设计，通过自动特征提取和特征 识别，提取产品几何和拓扑信息，然后再补充非几何信息。由于商用c a d 系统特征 表示的不唯一性，对简单形状特征的识别较为有效，当特征形状复杂时，难以进行识 别。而且当特征之间的相互关系定义较复杂时，识别难度大大增加。因此应用上受到 很大限制。 2 基于特征的设计( f e a t u r e b a s e dd e s i g n ) 基于特征设计的方法力求从一开始就把特征融合到产品模型中，并试图提供更丰 富的产品信息，与后续过程实现信息共享和集成。基于特征设计的方法首先建立用户 定义的特征库u d f l ( u s e r d e f i n ef e a t u r el i b r a r y ) 。它在特征库中特征的基础上进行产品 设计，是特征库中特征实例化的过程。它以实例的特征为基本单元，建立产品信息模 型。 本系统在参考以上两种特征造型方法的基础上，以第二种方法为主，建立用户定 义的特征库，尽可能地利用特征库中定义的特征来设计零件。 2 2 2 参数化技术 参数化技术是当前c a d 技术重要的研究领域之一。它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的关系，参数与设计对象的控制尺寸有明显的对 应关系，设计结果的修改受尺寸驱动的影响，所以也称为参数化尺寸驱动。参数化技 术从基于约束的参数化技术实施机理来看，目前主要有两大类型：人工交互参数化和 编程参数化。 2 2 2 1 人工交互参数化 1 基于几何约束的变量几何法。 这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法。它将集合形状看作为一系列特 征点，将约束关系转换成以特征点为变化的非线性方程组，通过迭代求解，从而确定 出集合细节。这种方法适用于很大范围约束类型，且循环约束可通过约束方程组的联 浙江大学硕士学位论文 立求解得到处理，但它难以避免数值求解稳定性差的缺点，方程组整体求解的规模和速 度难以控制，且迭代初值的选取在很大程度上也影响算法的成功。 2 基于几何推理的人工智能方法。 该方法的基本思想是将约束关系用一阶逻辑谓词来描述并存入事实库，通过推理 机的作用，从规则库中选规则并应用于现有事实、推理的结论作为新的事实、推理， 记录所有成功的规则应用并提供重构过程，从而构造出整个几何体。这种方法表达简 洁、直观，且可以避免变量几何法的不稳定性；但系统庞大，速度慢，无法处理循环 约束。 3 基于构造过程的参数化方法。 此方法采用一种参数化履历的机制，通过记录构图过程中体素生成过程的先后顺 序及连接关系捕捉设计者的意图。这种方法适用于结构相同而尺寸不同的零件设计， 但由于需严格遵守某种顺序，柔性和灵活性不足。 4 基于辅助线的参数化方法。 主要特点是所有轮廓均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，不必再作遍历搜索和检索求解条件是否充分。这种方法求解速度快， 不足之处是：当图形比较复杂时，辅助线会影响作图操作。 5 基于图形的参数化方法。 此方法直接操纵图形数据库，把图形数据库的数据交换结构略作修改，用图形来 描述实体的相应约束。这种方法不要求用户用系统特定模块的步骤构造原型图，算法 效率高，实现简单，程序量不太大，可移植性强。 2 2 2 2 编程参数化 这种方法通过分析模型的特点，确定样板各尺寸之间的数字关系，给定输入参数， 然后确定其它参数的值，并用高级语言在c a d 系统中加以实现。这种方法主要适用 于结构较稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合，常见于在通用商品 c a d 软件上进行二次开发，如进行标准件和常用件的建库工作等。 应用编程方法实现的参数化，能将表格约束的数据、参数间的关系、计算公式等 写入程序，且参数化图形可以任意复杂，还具有运行可靠、速度快的特点，但一般编 程实现的参数化需要用户掌握相应高级语言知识和编程技巧。 用编程的方法不仅能实现标准件的参数化绘制，而且也可以实现非标准件的参数 化绘制。对于标准件来说，一般是建立标准零件库，严格按照国标来限制零件尺寸的 大小。所有标准件的尺寸全部存放在数据库的表中，表中的数据一般是与机械手册上 塑垩查堂堡主堂篁堡苎 的表格相对应的。当用户选择了一组参数时，这些参数就会被用来作为绘制零件的基 本参数在高级语言中使用，最终这些参数作为a p i 函数中的形参来绘制图形。对于非 标准件来说，参数化的思想与标准件是一样的，只是没有大量的参数数据存放在数据 库中，而是提供给用户一个输入参数的界面来限制零件的形状。 2 2 3标准件库 2 2 3 1标准件库在设计中的应用 电机，特别是中小型电机，它是一种量大面广、通用配套的机电产品，最终要向 通用化、系列化、标准化方向发展，现在已形成1 0 0 多个系列，几千个规格。在电机 设计中，经常要用到一些由工厂标准化组织确定的标准件。这里所说的标准件除了用 于电机设计中的紧固件、连接件等，还包括一些尚未由标准化组织确定，但在电机实 际设计中常用的零件，例如：垫圈、油管、甩油盘等。电机常用标准件有的是单个零 件，有的是由多个零件组装的组件。 电机结构的通用化与零件的标准化主要有以下优点： 1 能极大地提高电机设计效率 在实际的c a d 技术支持下的标准件、通用零件使用时，只是选用的过程，一般不 需要设计人员再手工地进行其模型设计，因此，可有效地提高设计效率。 2 能提高电机设计的可靠性和规范化程度 由于在建立电机标准化结构时，须对电机结构的要求进行认真细致的分析，并考 虑一些专家意见，因而具有一定的权威性和合理性。 3 便于电机的生产和制造 设计的标准化程度高，可缩短零件制造时间，缩短生产周期，降低制造成本。 在设计过程中，要求设计人员尽可能采用标准件，这也是一条设计原则。因此， 零件库将是许多专用c a d 系统的重要和必要组成部分。在本系统中，建立零件库的 目的是为设计人员在设计过程中提供标准件的参数化实体模型，给新零件的设计提供 参考或用于电机装配设计。 2 2 3 2 标准件库的开发要求 根据国家标准中关于建立标准件的要求，以及在机械设计中标准件的使用要求、 设计人员的思维习惯及使用习惯，开发出的零件库应满足如下要求： 1 系统稳定可靠，具有开放性。系统必须稳定可靠，具有健壮性和一定的宽 容性，同时系统应具有一定的开放性。 浙江大学硕士学位论文 2 具备良好的数据管理功能。由于标准件种类繁多，每一类的标准件均包含 系统的大量数据信息。如何提高数据的共享，减少数据冗余，同时提供完 善数据查询，将是数据管理的主要任务。 3 与c a d 系统紧密结合。参数化标准件库的建立是为c a d 系统服务的，只 能是为设计过程提供标准的零件。因此，建立参数化标准件库的环境必须 与c a d 系统的实现环境相适应。 4 具备良好的人机交互界面及交互功能。 遵循上述开发要求，结合电机设计中的标准件库的规模及使用特点，总结出如下 开发要求： 1 系统的开放性 在电机的设计过程中，其标准件库中零件的数量和种类是相对稳定的，其内容除 标准零件号随国标的更新而改变外，其组成的零件更新较少，因此对系统的开放性要 求不高。 2 数据管理良好 标准件的零件参数除作为生成零件的模型约束参数之外，还有两个重要功能： 3 设计员在进行设计时的选择参考依据 由于电机的设计是以经验为主的设计，因此，在进行标准件选择时，往往要根据 设计的总体形式及标准件的参数值来综合考虑，确定所选规格。 4 参数系列的值是生成与标准件相似专用零件的参考依据 在设计与标准零件相似的零件时，对某个参数的修改一般会习惯参考其相邻规格 的参数值。 由上述两点可以看出，在组织电机标准零件的参数时，应当注意数据共享，减少 冗余等。 2 2 4 s o l i d w o r k s 及其二次开发 2 2 4 1 s o l i d w o r k s 简介 由于作者是在三维c a d 软件s o l i d w o r k s 平台下进行二次开发工作的，所以有必要 简单的介绍一下该软件的大致情况。 三维c a d 软件s o l i d w o r k s 由美国生信公司开发制作，目前其版本已经达到 s o l i d w o r k s2 0 0 5 。在功能上，整个s o l i d w o r k s 系统主要分为机械设计( c a d ) 、工程分 析( c a e ) 、数控加工( c a m ) 、产品数据管理( p d m ) 、产品交互动画( i p a ) 等部分。 浙江大学硕士学位论文 1 机械设计( c a d ) 机械设计主要由三大模块构成，即零件设计模块、装配设计模块和工程图绘制模 块。 零件设计模块用于设计单个零件的三维模型。系统采用了特征造型技术和参数化 驱动技术。每个零件由拉伸、旋转、扫描、倒角、抽壳等基本特征组合而成，直接体 现了设计者的意图。任何一个特征都是先绘制二维草图，然后执行拉伸、旋转等实体 特征造型命令而生成。通过改变尺寸可以实时的改变三维实体的大小。图2 1 为 s o l i d w o r k s 零件设计的运行界面。 围21 s o l i d w o r k s 零件设计运行界面 装配设计模块用于设计含有多个零件的装配体，支持自底向上、自顶向下和混合 式的装配方式。在装配环境下组装零件就有如搭积木一样方便。 工程图绘制模块采用了三维_ 二维关联技术。用户选定已有的零件，通过视图布局、 调整尺寸位置、填写标题栏等就能完成零件工程图的绘制。 另外，系统还提供了顶尖的钣金设计功能；提供了先进的设计工具3 dm e e t i n 2 ， 可以使用户通过互联网进行实时的协同工作；p h o t o w o r k s 的高级渲染功能可使三维模 浙江大学硕士学位论文 型得到高品质的视觉效果；a n i m a t o r 能从s o l i d w o r k s 零件和装配体中生成引人入胜的 a v i 动画，方便地演示新产品的外观和性能，减少新产品投放市场的时间。 2 工程分析( c a e ) c o s m o s w o r k s 工程师设计分析工具为设计工程师在s o l i d w o r k s 环境下，提供比较 完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术( f f e ) ，工程师能非常迅速地实现对大规 模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。在几何模型 上，可以直接定义载荷和边界条件，如果生成几何特征，设计的数据库也会相应地自 动更新。计算结果也可以直观地显示在s o l i d w o r k s 精确的设计模型上。 3 数控j j n i ( c a m ) c a m w o r k s 实体数控加工使设计和加工完全在s o l i d w o r k s 的环境中进行，高效地 完成高质量的零件加工任务，更及时地把产品投入市场、可以在s o l i d w o r k s 菜单中选 取二轴和三轴加工的模拟功能；刀具库和切削参数库的选择对话框也直接在 s o l i d w o r k s 环境中调用；所有的功能经实际的车间加工验证，算法和专业的数控加工 一致；直接对设计的实体模型进行切削，实体模型仍然是完全可编辑的。 4 产品数据管理( p d m ) s m a r t e x p r e s s ( p d mf o rs o l i d w o r k s ) 是专门为s o l i d w o r k s 的用户提供的完全集成的、 使用方便的工程文档管理工具。s m a r t e x p r e s s 同s m a r t t e a m 完全兼容，因此企业很容 易升档成为企业级的产品数据管理和企业协同工作解决方案。s m a r t e x p r e s s 能实现如 下功能：管理装配结构，管理零件、装配体和工程图，查询功能，存储以前的设计结 构、并行工程，提取和映射制造信息，方便地进行生命周期管理。 5 产品交互动画( i p a ) 产品设计和工程项目的信息交换，传统的方式是静态的图纸或几何模型。产品交 互动画将s o l i d w o r k s 的三维设计实现动态的可视化，摄制产品装配的模拟装配、模拟 拆卸过程和产品的摸拟运行过程，从而实现动态的设计，标准的动画图像格式输出， 可在所有的计算机和网络上浏览。 本文主要讨论应用s o l i d w o r k s 的机械设计部分进行电机设计，所开发的电机三维 c a d 系统也是基于机械设计模块。 2 2 4 2 s o h d w o r k s 二次开发技术 为了方便用户进行二次开发，s o l i d w j r k s 提供了几百个应用程序接口( a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) 函数，图2 2 所示为主要a p i 对象的层次结构图表。这些a p i 函数是s o l i d w o r k s 的o l e 或c o m 接口。这些接口涵盖了草图绘制、实体造型、尺寸、 浙江大学硕士学位论文 属性配置等s o l i d w o r k s 软件里几乎所有的操作。要在s o l i d w o r k s 平台上进行二次开发 必须要非常熟悉a p i 对象之间的关系，以及每个对象所包含的方法和属性。 图2 2s o l i d w o r k sa p i 层次结构图表 用户可以在所有支持c o m 的语言开发环境下调用a p i 编程，开发可执行程序 ( + e x e 文件) 或者动态链接库( + d l l 文件) 。 s o l i d w o r k s2 0 0 4 还提供了软件开发工具包( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，s d k ) ，通 过安装它，可以在不同开发工具环境下创建应用程序开发向导。根据应用向导的提示 操作可以生成具有基本框架的应用程序。向导生成的程序已经帮开发人员做了很多初 始工作，包括注册d l l 、建立与s o l i d w o r k s 的连接、添加菜单和工具栏等。开发人员 可以把主要精力放在编写应用代码上。 浙江大学硕士学位论文 2 3系统开发目标 1 技术目标 通过参数化设计、特征设计、特征库和零件库的使用实现零件的高效率设计。实 现工程图纸规范的国标化。 2 功能目标 ( 1 )便捷的操作界面。 整个系统对用户的要求都很低，没有难以操作或难以理解的地方；二次开发的系 统界面和s o l i d w o r k s 界面保持风格一致。 ( 2 )最精简参数的人机交互。 作者曾使用过一个界面布满参数输入编辑框的冲片设计软件，发现了一些问题： 在输入参数时不知道该输入多少；觉得不管怎么调整参数，总提示输入参数错误；即 使知道具体的每个参数该写多少，也得花好一会时间。本系统无论是特征库还是零件 库，都使用户调用时只需选择或输入尽可能少的参数。对于一般常用特征或零件，库 中提供模型样本，用户调用后，在软件编辑环境内直接、可视化的修改特征或零件的 尺寸。对于标准件，系统提供主要参数选项供用户选择，用户调用后，系统直接调用 数据库