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摘要 p d m 平台下齿轮零件c a d 系统的研究与开发 摘要 齿轮类零件作为机械传动的一大类重要零件，其设计制造水平是一个国家机械工 业发展水平的重要标志之一。企业在面临激烈竞争的情况下，如何快速的生产出满足 市场要求的零部件是齿轮生产厂家竞争获胜的关键。一个有效的计算机辅助设计系统 是实现这一目标的关键所在。 本文采用特征技术与面向对象建模技术对齿轮类零件进行分析，定义了适用于系 统开发的齿轮类特征概念，通过对齿轮特征之间的关联关系的分析，从数据和对象的 角度建立了齿轮的信息模型，构建了系统的功能模块和框架，并对各功能模块进行阐 述。在齿轮零件c a d 系统开发过程中，结合专家系统，将专家知识融入在齿轮零件c a d 过程中，实现了设计过程、强度分析的智能化。通过对c a d 系统的接口开发和p d m 系 统的客户化，实现了c a d 系统和p d m 系统的集成，从而完成了基于p d m 的齿轮零 件c a d 系统的产品信息和文档的管理。 然后介绍系统的核心功能的具体实现方案。并通过实例对开发出的基于p d m 的齿 轮零件c a d 系统进行了说明 关键词：齿轮、c a d 、特征、专家系统、p d m r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta b o u tc a ds y s t e mo f g e a rb a s e d o n p l a t f o r mo fp d m a b s t r a c t a sak i n do f i m p o r t a n tp a r to fm e c h a n i c a l d r i v e s ，g e a r sd e s i g n i n ga n dm a k i n g t e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n ts y m b o lo fan a t i o n sm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gl e v e l f a c e dw i t h f i e r c ec o m p e t i t i o n ，h o wt oq u i c k l yp r o d u c et h ep a r t st h a ts a t i s f yt h em a r k e ti st h ek e vo f t h e c o m p e t i t i o n ，a ne f f e c t i v ec a ds y s t e mi st h ek e yp o i n to f r e a l i z i n gt h i sg o a l t h i sp a p e ra n a l y s e st h e g e a rw i t ht h ef e a t u r et e c h n o l o g ya n dt h eo b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y t h eg e a r sf e a t u r ec o n c e p tt h a ti ss u i t a b l ef o rt h es y s t e md e v e l o p m e n ti sd e f m e d ： a n a l y z e dt h er e l a t i o no fg e a r sf e a t u r e s ，t h ei n f o r m a t i o nm o d e lo ft h eg e a ri ss e t u pi nt e r m s o ft h ed a t aa n dt h eo b j e c t t h es y s t e m a t i cf u n c t i o nm o d u l ef r a m e f i n a l l yi ss t r u c t u r e da i l dt 1 1 e r e a l i z a t i o no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l ei sd e s c r i b e db r i e f l y d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e c a d s y s t e mo fg e a r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e se x p e r tk n o w l e d g ei n t op r o c e d u r eo fc a da n d a c t u a l i z e st h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o ni n d e s i g np r o c e s s ，s t r e n g t ha n a l y s i s b yd e v e l o p i n gt h e i n t e r f a c et ot h ec a ds y s t e ma n dc u s t o m i z i n gt h ep d m s y s t e m ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h e i n t e g r a t i o no ft h ec a ds y s t e ma n dt h ep d ms y s t e m ，s ot h ep r o d u c ti n f o r m a t i o na n d d o c u m e n tm a n a g e m e n th a v e b e e na c c o m p l i s h e d a n dt h e nt h ed e t a i l e di m p l e m e n tm e t h o di sd i s c u s s e da n ds o m ee x a m p l e sa r eg i v e nt o e x p l a i nt h ec a ds y s t e mo fg e a rb a s e d o np d m s y s t e m f i n a l l y , as u m m a r yo ft h i sp a p e ri sg i v e na n dt h ep r o s p e c tf o rt h ed e e p l y d e v e l o p i n go f c a da n dt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nb e t w e e nt h ec a d s y s t e ma n dt h ep d ms v s t e mi s d e s c r i b e d k e yw o r d s g e a rc a dc h a r a c t e r i s t i c e x p e r ts y s t e mp d m 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌文学或其他教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文作者签名- 沙淤签字日期以年钼f ，扫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌土学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌太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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：讲江 签字日期：1 荡年月角 学位论文作者毕业后去向 导师签名：f 弛 签字日期：肼年钥2 ，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 齿轮工程概述 齿轮是机械产品的重要零件。齿轮传动是传递机器动力和运动的主要形式之一。 它具有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长和安全可靠等特点。齿轮 的设计与制造水平直接影响到机械产品的性能和质量，被公认为是各国机械工业发展 水平的标志之一。 二十世纪初，展成切齿法原理以及利用此原理切齿的专用机床与刀具的出现使齿 轮加工变得容易，渐开线齿轮占据重要地位。随着机械工业的发展，新型齿轮层出不 穷，相继出现了阿基米德螺旋线齿轮、抛物线齿轮、准双曲线齿轮、椭圆齿轮和非对 称齿齿轮等。同时，齿轮的设计方法也取得长足进步。最初的齿轮设计集中于轮齿弯 曲强度和接触强度的设计，后来又提出抗点蚀和抗胶合设计。1 9 8 0 年，国际标准组织 ( i s o ) 提出渐开线圆柱齿轮承载的基本原理，公布了轮齿弯曲强度和齿面接触强度的 计算和校核方法1 1 】。进入九十年代，世界齿轮技术的发展更是日新月异，主要包括以下 几个方面： ( 1 ) 计算机和其它微电子技术在设计、制造、热处理、试验过程控制和生产管理 等方面广泛应用，技术日渐成熟，效果显著； ( 2 ) 齿轮现代设计方法开始应用，优化和c a d 应用更加广泛，动态设计、振动 和噪声控制和可靠性分析进入实用性研究； ( 3 ) 质量保证体系和质量管理作为一门技术分支进入齿轮工业。 1 2c a d 技术的发展历程 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是先进制造技术的重要组成部 分，是计算机在工程上最有影响的应用技术之一。它作为一种实用性强、发展迅速的 科学技术，己成为改造传统工业和提高劳动生产率的有效手段。目前，c a d 在工业生 产中的应用水平已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。c a d 技术的发 展大致经历了以下几个时期： ( 1 ) 准备和酝酿时期( 2 0 世纪5 0 6 0 年代初) c a d 技术处于被动式的图形处理 ( 1 ) 基于应用的齿轮c a d 该类c a d 主要是应用大型工程软件进行三维实体建模和有限元分析等，实现齿轮 c a d 。这类齿轮c a d 主要是以软件应用为主，一般是进行齿轮工程图纸的绘制。这类 齿轮c a d 的应用目前正在推广，被越来越多的工程技术人员掌握和使用。但存在的问 题是建模和分析都比较费时间，尤其是齿轮的建模更是存在一定的困难。 ( 2 ) 基于开发的齿轮c a d 目前为止，国内对齿轮c a d 的开发主要是基于己有c a d 软件平台的二次开发。 其中一类是基于二维开发平台a u t o c a d 系统进行的开发。系统根据传统的齿轮设计方 法，采用计算机软件技术，实现计算机辅助设计。这种齿轮c a d 多以w i n d o w s 为 系统操作环境，a u t o c a d 为图形支撑平台，应用计算机程序语言开发而成。其设计思 第一章绪论 想是首先大概确定齿轮的基本参数，然后再根据齿轮有关图表和数据进行优化。这类 c a d 系统实际上是传统设计方法的“计算机”化。这类c a d 的不足之处是齿轮的三维造 型功能较弱并且所有优化选择的计算公式全部基于传统经验公式。另一类是基于三维 c a d 软件开发的齿轮c a d 。目前，许多科技人人员开始对具有空间几何复杂性的齿轮 造型进行研究。三维齿轮c a d 关键问题如下：一是齿轮的几何造型，因为优良的实体 模型是进一步分析处理的前提。由于齿轮的空间结构比较复杂，存在有超越曲面，因 此在满足精度情况下探索一套可行的造型模式是研究重点。二是齿轮c a d 的系统集成， 由于三维齿轮c a d 需要图形平台支撑，并且采用现代设计方法，如有限元法、优化和 刚体动力学等进行设计，一般要采用软件技术进行二次开发，因此研究如何在平台下 进行齿轮c a d 集成是研究的重点之一。 1 3 2 现有齿轮c a d 系统的缺点 1 、就机械类产品设计而言，当今的c a d c a m 软件在具体产品建模中，特别是 对于造型相对复杂的齿轮类零件来说，其设计过程以及制造方案的确定仍然是复杂而 费时的重复劳动过程。齿轮类产品作为大量机械产品的基础组成部分，在敏捷化、智 能化设计方面提出了更高的要求，而国内外还没有此针对性的软件； 2 、现有的c a d c a p p c a m 软件的集成性不高，信息共享度低。 1 4 论文的主要内容及研究重点 1 4 1 论文的主要内容 本论文的主要内容包括： 1 通过建立齿轮零件的特征模型，在u g 软件平台上开发并实现了齿轮c a d 系统。 系统可以实现通过齿轮的设计参数的改变对齿轮进行重新设计和修改，并自动生成 齿轮模型。 2 确定齿轮零件设计专家系统的总体结构，采用产生式规则表示法建立齿轮零件设计 的专家系统。 3 实现齿轮零件设计c a d 系统与p d m 系统的集成：运用c a d 与p d m 集成技术， 实现c a d 与p d m 间的数据交换与共享。齿轮的加工工艺规划过程中所需的基本加工 参数( 如齿轮的模数、齿数、螺旋角和齿轮的形位公差值等) 储存在企业p d m 产品数 第一章绪论 据库中，并且p d m 产品数据库中的齿轮参数与c a d 系统中的相应参数能始终保持一 致，为齿轮的加工工艺规划过程自动化和c a p p 与p d m 的集成打下良好的基础。 1 4 2 论文的研究重点 本课题的研究重点是解决现有齿轮c a d 系统的两方面的问题： l 、如何在现有的c a d 软件平台上进行二次开发。通过开发新的功能模块，增强 此类软件的c a d 功能，减少在设计过程中不必要的人机交互操作，从而提高该软件 在一些特殊场合的智能化设计能力；增强特定产品的参数化自动建模功能，使复杂产 品的设计建模方便快捷。 2 、将原有离散孤立的c a d 系统与p d m 系统进行集成，达到设计过程中的信息 共享与交互。 4 第二章齿轮的特征建模 第二章齿轮的特征建模 2 1 齿轮类零件的设计特点 齿轮类零件的设计与制造过程是一个烦杂的过程，涉及到不同学科的专家知识体 系。它不仅包括齿轮的结构设计、强度校核和齿轮的优化设计，还涉及到齿轮材料的 选择、齿轮加工的热处理方式等。整个齿轮的设计不仅要满足基本的强度条件还要考 虑结构合理、制造方便、成本低廉等因素。这就要求在齿轮设计的同时，要综合考虑 齿轮的工艺规划、制造、装配及维修等因素。因此本文选择齿轮对象为机械产品的代 表，研究建立一个与p d m 系统集成的齿轮类零件c a d 系统。 2 2 基于特征的齿轮c a d 系统的必要性 目前，在齿轮的设计与加工过程中主要存在这样一些问题： 1 、对于每一个不同载荷、不同使用环境下的齿轮零件，每一次都要进行全新的从 设计到建模再到加工的重复设计过程； 2 、齿轮基本参数设计与强度校核过程烦杂，工程设计人员需要查阅大量的设计手 册才能获得参数，这给工程设计人员带来了巨大的工作量。 3 、当齿轮设计参数给定以后，需要进行齿轮的3 d 建模，齿轮三维模型建立困难， 其中渐开线的参数方程的建立也比较复杂，这对于不能熟练使用c a d 软件的设计人员 来说，无疑又是设计过程中的一大难题。 这些问题的存在一方面延长了产品的设计周期，导致企业的生产率低下，使企业 在竞争中处于劣势；另方面也制约了c a d 软件功能的充分发挥。 通过对齿轮类零件设计特点的分析，可知齿轮零件c a d 系统应满足如下特点 3 1 ： 1 、参数化 在进行一次齿轮的建模后，通过系统的参数设定或参数约束，齿轮的3 d 模型能 够从系统中自动调出。 2 、智能化 系统根据齿轮的设计步骤提供了设计向导，设计人员只要按照设计向导的提示选 择合适的条件与参数，若输入了不合适的或者是错误的数据，系统能拒绝接受并作出 第二章齿轮的特征建模 警告提示。系统根据输入的数据，查询后台信息数据库，可自动定出齿轮的基本参数， 并能对其参数进行优化设计。 3 、集成化 在产品的设计与制造过程中，不同的设计过程具有不同的设计信息，为了使各设 计过程能够及时反馈设计意图与设计约束，需要有一个共享的信息平台。因此需要将 各设计过程的信息进行集成，使设计者在设计过程中可以随时获取所需要的信息，减 少返工与修改以缩短产品生产周期。 为了满足上述要求，齿轮c a d 系统必须基于特征模型。 2 3 齿轮类零件的特征模型 解决c a d 与c a p p 之间的信息集成的难点在于如何准确、有效地从c a d 系统中 获取c a p p 系统所需要的各种工艺信息。特征技术使几何设计数据与制造数据相关 联，并且允许用一个数据结构同时满足设计和制造的需要，从而可以容易地实现计算 机辅助编制工艺规程，真正地实现c a d 与c a p p 的一体化。 2 3 1 产品信息模型及特征技术 2 3 1 1 产品信息模型 产品信息是用于描述或表示与产品有关的属性对象( 如物料编号、产品名称、型号、 产品结构等) 符号的集合，是连接c a d 与c a p p 的纽带1 4 。在由p d m 统一管理产品 数据的情况下，c a p p 系统则应尽量多的从c a d 中获取工艺设计所需的产品信息。可 以说，在整个面向产品的制造过程中，产品信息模型占据着基础的地位。 不论是在p d m 中，还是在c a d c a p p 系统中，产品信息模型的构建成为了集成 系统的关键。并且在集成化情况下，应该使产品信息模型在c a d 和p d m 系统中的数 据有唯一和相同的解释，数据模型全局一致，这样在数据交换过程中可以避免各自解 释数据，消除误解和分歧，避免数据的冗余和不一致，尽量为动态数据的管理成为可 能。产品信息模型是产品数据的核心内容，要实现产品数据的交换和共享，必须以产 品信息模型为出发点。产品数据模型表达的是产品信息和产品开发过程各种活动的核 心数据。产品数据模型的表达是否完善是决定各种产品开发活动成功的关键因素。 目前常用的产品数据模型的描述有以下几种方式1 5 1 ： 6 第二章齿轮的特征建模 ( 1 ) 面向结构的产品数据模型：以产品结构为核心表达产品数据模型。 ( 2 ) 面向几何的产品数据模型：主要由线框、曲面、实体和混合模型来表示。目 前的c a d 系统主要采用这种方法。 ( 3 ) 面向特征的产品数据模型：在产品几何模型的基础上，以带应用语义信息的 特征来表示零件和产品数据模型。 ( 4 ) 基于知识的产品数据模型：应用人工智能技术将设计经验、设计过程和环境 资源的信息用于产品建模。 2 3 1 2 特征技术产生的背景 现代c a d 系统的发展趋势是集成化、智能化、网络化。实现上述目标的基础是给 系统的各个环节提供能够交互共享的产品定义。现有的c a d c a p p c a m 系统因不能 用一个完整的产品模型来支持各工程应用活动，在设计、制造及装配的各个环节中， 设计者需要重复地输入和识别产品信息，人为干预量大，数据大量重复，不利于企业 并行工程的实施，给产品设计带来了许多局限。归其主要原因是作为当时c a d 系统的 核心实体造型存在以下不足【5 】： 1 、产品信息定义不完备：实体造型是用来描述产品几何形状的，而许多反映设计 意图和工艺要求的信息( 如尺寸公差、材料性质等) 难以在实体造型中一起表达出来。 2 、产品数据的抽象层次低：实体造型技术只能以低级的几何、拓扑信息来描述几 何形状，而并行环境下的信息交互需要高层的概念实体。 针对以上问题，必须开发一个取代实体造型的系统，为c a d c a p p c a m 系统提 供完备的多层次的产品信息。这些信息能在无人干预的条件下，为各设计活动所接受， 且能在各应用子系统间自动变换，使c a d c a p p c a m 中的信息能集成共享，在此情 况下特征技术应运而生。由于用特征技术所表达的产品信息完备，且含有丰富的语义 信息，为c a d c a p p c a m 集成提供了有力的基础。 2 3 1 3 特征的定义与分类 1 、特征的定义【4 】： 特征的定义：特征是产品形状和功能属性的统一，它包含产品的几何形状、拓扑 关系、典型功能、表示方法、物流信息、几何特性等信息。 2 、特征的分类 按照产品的特征信息在产品描述中所起的作用，特征可分为功能特征、形状特征、 第二章齿轮的特征建模 工艺特征、材料特征、精度特征、几何特性特征和管理特征。 功能特征：描述零件的用途和功用。 形状特征：描述零件的几何形状信息和构造零件形状的基本要素。 工艺特征：描述与零件制造、装配过程有关的几何信息，包括加工方法、零部件 配合关系、装配关系等。 材料特征：用于描述与零件的材料和热处理有关的信息。 精度特征：描述零件的几何形状和尺寸的许可变动量或误差，包括尺寸公差、形 状公差、位置公差和表面粗糙度等信息。 几何特性特征：描述零件的质量、密度、体积等信息。 管理特征：描述零件的管理信息，如设计者、设计日期、修改日期等。 2 3 2 齿轮类零件特征的定义与分类 2 3 2 1 齿轮零件特征的定义 齿轮的特征是指设计者在齿轮的设计制造和加工工艺制定过程中进行通讯和交流 时所用的信息传递的载体【6 1 。 2 3 2 2 齿轮零件特征的分类 本文以齿轮特征的定义为基础，将齿轮类零件特征分为形状特征，精度特征，装 配特征和总体特征 6j 。 1 、齿轮类零件形状特征： 齿轮类零件形状特征是齿轮零件上一系列几何元素按照一定的拓扑关系形成的具 有特定几何形状，特定功能的基本形体单元。形状特征是零件最主要的特征，是精度 特征和附加特征的载体，是构造零件几何形状的直接决定因素，是系统所要处理信息 的基础。从构造零件几何形状，满足零件功能要求起的作用不同，可将齿轮类零件形 状特征又分为主要特征，次要特征，辅助特征。 ( 1 ) 齿轮类零件主要特征分析： 齿轮类零件的主要特征指用于描述零件的基本几何形体，并相应对零件的工艺路 线起主要作用的特征。它是一个独立的几何形状描述，由几何要素按一定的拓扑信息 构成，如圆柱体，圆锥体等简单的几何形体。因此主要特征的描述利用构成它的基本 几何要素来实现。 第二章齿轮的特征建模 ( 2 ) 齿轮类零件次要特征分析： 次要特征是指那些在位置上从属于某一主要特征，并具有特殊加工要求的形状特 征。次要特征是零件完成其他特定功能的必不可少的一部分，如齿轮上的键槽。 ( 3 ) 齿轮类零件辅助特征分析： 辅助特征主要是对其所从属的主要特征，次要特征进行局部修饰和说明，起辅助 作用的特征。它可以附加于主要特征或次要特征。如轮齿特征中，齿廓曲线和齿形就 是附加的辅助特征。 2 、齿轮类零件精度特征分析： 齿轮类零件精度特征是用于描述齿轮的尺寸公差，形位公差和表面粗糙度的信息 集合。精度特征是工艺信息的主要内容。它的描述要与主要特征，次要特征和辅助特 征的相关几何要素联系起来，不能离开几何要素而独立存在。 3 、齿轮类零件装配特征分析 齿轮类零件装配特征是指描述某一齿轮零件与其它零件进行配合安装的信息。 4 、齿轮类零件总体特征分析： 齿轮类零件总体特征是对齿轮零件整体特点进行描述的一组信息，包括零件号， 零件名称，毛坯型式，总体尺寸，材料热处理等信息，其中零件号是零件信息和工艺 信息管理的关键；毛坯型式，总体尺寸，材料热处理等对工艺路线都有不同程度的影 响。总体特征是产品进行信息管理的主要对象，总体特征的设置有利于产品的管理， 并且对系统中各分系统间接口的实现有重要意义。 5 、齿轮类零件特征之间的关系： 零件特征间的关系简称特征关系，是指零件特征间或者零件特征与构成零件特征 的几何要素间的相互关系。特征关系与特征相互结合在一起共同描述与零件有关的工 程数据，二者缺一不可。齿轮零件特征具有如下几种关系： ( 1 ) 邻接关系：反映主形状特征间空间相互位置，表示两个主形状特征相互邻接。 邻接关系的两个主要特征间没有主次之分，是相互独立的，但是两者间始终有固定的 相互位置和连接定位点。 ( 2 ) 从属关系：从属关系描述次要特征或辅助特征对主要特征的附属关系，并对 其进行局部修饰，具有从属关系的两个特征见有主次之分。次要特征或辅助特征对主 要特征具有依赖性，离开主要特征，次要特征或辅助特征无意义。 9 第二章齿轮的特征建模 ( 3 ) 包含关系：包含关系是指一个特征与该特征内部的各要素间的关系，即常见 的i s p a r t o f 关系。具有包含关系的特征与各要素间是组成与被组成的关系，各个 要素是该特征的组成部分，是局部与整体的关系。 包含 一 j i 摄|l 辅 倒鬯 精僦 譬il 毽 零l 图2 2 齿轮类零件特征之间的关系 由图可看出，通过上述特征关系使齿轮零件之间，以及特征与构成特征的几何要素 间相互关联，成为一个复杂的网状结构。只要知道零件名称就能找到响应的总体特征和 形状特征，通过形状特征就能找到各个主要特征。由主要特征就能找到相应的几何要素， 次要特征或辅助特征以及次要特征的几何要素。通过几何要素就能找到相应的精度特征。 由此可以看出整个齿轮的所有信息都能通过这些特征和特征关系进行描述。 2 3 3 齿轮类零件特征的表示方法 2 3 3 1 常用的特征的表示方法主要有四种【7 】： ( 1 ) 基于边界的表示法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，b r e p ) 1 0 习 fi上凝龃一 第二章齿轮的特征建模 这是一种广泛应用的特征表达法，它包括的特征信息有：特征元素，如点，边， 面等；特征元素的拓扑关系和邻接关系等；特征元素间的几何约束关系，如平行，垂 直的相对位置与方向等。在b r e p 的点，边，面等几何实体上能方便地附加各种非几何 信息，如尺寸、公差、表面粗糙度等，所有的几何拓扑信息显式地表达在面边点图中。 b r e p 方法的缺点是它与特征体素和体积没有直接的联系，特征操作( 如删除特征) 难 于进行。 ( 2 ) 基于构造实体几何法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，c s g ) 基于构造实体几何法是指将特征用构成它的封闭体积来表达。基于c s g 的特征 表达方法将特征定义为体积元素，体积元素通过布尔运算操作构造出零件实体模型。 使用c s g 表示方法简捷、有效、易于编辑和操作体素，实现特征的各种操作，处理 特征间的关系。对于特征提取，c s g 模型的主要缺陷是其表示的不唯一性，缺少对底 层的构形元素的显式表达。 ( 3 ) 基于混合b r e p c s g 的方法 由于b r e p 和c s g 表示方法都有一定的缺陷，因此汲取二者优点的混合表示方 法便产生了。混合b r e p c s g 的方法是设计系统中表示特征的常用方法，这是因为它 同时兼有b r e p 模型及c s g 模型的优点，c s g 模型易于对高层元素操作，b r e p 模 型易于对低层元素( 点、线、面) 、附加尺寸、公差和其他属性操作。 ( 4 ) 面向对象的特征表达： 面向对象技术和特征技术分属软件工程和建模的范畴，但由于它们同属系统构建 的底层技术，相互之间有许多共性的因素 1 3 1 。 面向对象技术 特征技术 封装性：对象之间 独立性：特征之间定义明 不可见 确 技术 继承性：子类继承规定互不干涉 特性父类性质 层次性：特征之间有明确 多态性：用户同一 的层次关系 操作响应不同 明确性：对用户的操作响 应明确 发现对象一 定义特征一 设计 发现对象关系一 定义特征间的关联一建 过程 发现类 立特征库 单元 通过消息传递来达特征间通过用户的操作 之间 到对象间传递的目产生关联主要是几何拓 联系 的返回的是对象的扑关系返回的是与特征 方式 方法和属性结合在一起的整体信息 表2 1 特征技术和面向对象技术的关系对比。 正 多地引 可扩充 础提供 统的后 图 类，离 象或特 方法。 法。它 向反映 面 想，可将特征类信息或属性在不同层次上抽象化，以满足不同用户的需求或不同抽象 层次操作。在特征对象中封装特征的属性集和对该属性进行操作的方法集。对特征属 性集的访问只能由方法集中响应的方法完成，而方法的激活则通过消息完成。 2 3 3 2 齿轮类零件特征的对象化表示 面向对象技术在系统中应用的过程为：首先，对特征进行高度的抽象性描述，建 立特征超类一齿轮类，其次根据常用设计和制造环境设计出特征子类，如直齿轮类、锥 1 2 第二章齿轮的特征建模 齿轮类、涡轮类等子类，而一个子类又可以作为新的父类，并设计出它的子类，如直 齿轮类可以分为直齿圆柱齿轮类与直齿圆锥齿轮类等子类。可以将每一类的共性抽象 出来作为该类的公共属性，以减少对不同对象共性的说明，如直齿齿轮类可以把直齿 的加工方式作为类的公共属性，这样当制造环境出现新的加工方法或加工工艺时，面 向对象的分类方法可方便地进行类的扩充，而无需对系统的数据结构进行大的修改。 根据以上对齿轮类特征的定义、特征的分类以及特征与特征之间关系的分析，参 考所建立的齿轮类零件数据模型，将齿轮类零件分为如图2 4 所示的对象。图2 4 中几 何形状类对应于特征中的形状特征，齿轮类是基类，分为锥齿轮类、圆柱齿轮类、涡 轮类三个子类。几何形状类和齿轮类的定义在系统整个生命周期有效。总体特征和精 度特征可以设置单独的类来表示也可以作为几何形状类的属性来表示。 图2 4 齿轮类零件分类 2 3 4 齿轮类零件特征模型的建立方法 2 3 4 1 在几何造型环境下建立特征模型主要有三种方法i 】： 1 、特征识别 特征识别是以产品几何模型为基础，采用某种推理方法，从几何模型的点、线、 面信息中识别出满足c a p p 需要的特征信息。特征识别过程一般分为以下几个主要阶 段： ( 1 ) 根据产品几何模型构造辅助几何数据库，以加速特征搜索。 第二章齿轮的特征建模 ( 2 ) 搜索几何数据库，与预先给定的几何特征相匹配。 ( 3 ) 从数据库中提取已识别出的特征。 ( 4 ) 确定特征参数。 ( 5 ) 完善几何特征模型。 ( 6 ) 组合简单特征以形成复合特征。 2 、特征设计 特征设计又称为基于特征的设计或基于特征的建模。与特征识别不同，特征设计 是将特征融合到零件模型中，把特征作为零件设计的基础单元，并将产品描述成特征 信息的集合。按照建模方法可以将特征设计归为与实体模型无关的特征数据库建模、 特征分解建模、特征合成法建模三类。 3 、特征识别与特征设计相结合的建模方法 由上述可知，基于特征的设计以及特征识别，如果单独使用或者按顺序使用，并 不能完美地支持产品零件特征模型的构建。进行有效的基于特征的建模方法应当是以 上两种方法的结合。基于集成方法的系统应该提供以下功能：利用特征和几何体素生 成产品的特征模型，创建特定应用的特征类别，在不同的应用场合之间对特征集进行 映射。这样，用户可以直接使用特征，设计零件的一部分；同时还可以使用底层的实 体造型器，设计零件的其他部分。 2 3 4 2 特征与约束的关系1 1 3 1 1 、约束的定义： 约束反映了设计者为了实现其意图而对零件中各个特征施加不同的限制来满足设 计和制造过程中的条件与要求。约束在产品整个生命周期过程中发挥着重要作用。为 此本文将约束定义为：约束是在整个特征生命周期过程中，对特征的各种属性和行为 的限制。 2 、特征与约束的关系： 在对特征的研究过程中，将特征与约束之间有效地联系起来，才能形成满足产品 实际工程意义的统一体。约束对特征的作用主要表现在： ( 1 ) 约束是特征信息描述的有效组织形式。在特征设计的过程中，产品和特征的 信息是通过对约束的一步步求解而得到的，也就是说每条产品和特征的信息的形成都 是以满足一定约束条件为前提的。因此。约束不但对特征的参数化设计起作用，而且 1 4 第二章齿轮的特征建模 对非几何信息的形成同样起作用。 ( 2 ) 没有约束作用的特征表达不能形成有效的特征信息。因而无法完成特征作为 产品生命周期内的信息载体的功能。 综上所述：在特征设计过程中，特征是作为约束的对象而存在的，约束是建立在具 体特征之上的属性和行为的描述，是对特征有效性的认识：在特征建模的过程中，特征 的建立与约束关系的建立是同步进行的：没有特征的约束和没有约束的特征是没有存 在意义的，特征与约束是紧密联系，密不可分的。 2 343 齿轮的特征模型的建立 结合前面所述的特征、约束的定义首先从功能和制造两个方面对齿轮进行了基于 特征的结构分析。 1 、基于功能特征的齿轮的结构分析 齿轮传动主要用于传递运动和动力。因而依据功能可将齿轮分为不同类型，而这 种划分在传递运动时表现为齿轮传动时两轴的相对位置不同。为此我们根据齿轮两轴 的相对位置，将齿轮分为三类： 一类：圆柱齿轮传动，主要用于两轴平行的齿轮传动。 二类：圆锥齿轮传动，主要用于两轴相交的齿轮传动。 三类：螺旋齿轮传动和蜗杆传动，主要用于两轴交错的齿轮传动。 2 、基于制造特征的齿轮的结构分析 工艺人员在编制工艺时主要根据齿轮的结构形式和技术要求，而齿轮的结构形式 在图形中表现为轮幅、轮毂、轮齿这三部分的不同组合。不同的组合对应了不同的加 工方式。为此我们依据制造特征，将齿轮主要分为三种类型：整体式齿轮、腹板式齿 轮和轮辐式齿轮。 3 、基于约束的齿轮的特征模型的结构分为三层结构来描述： 1 零件层 零件层主要描述了齿轮的一般信息，根据齿轮的功能特征、管理特征、结构特征 和组合特征来描述齿轮的一般信息。 ( 1 ) 功能特征 ( a ) 用于平行轴传动的圆柱齿轮：直齿轮，斜齿轮，圆弧齿轮。 ( b ) 用于相交轴传动的圆锥齿轮：直锥齿轮，斜锥齿轮。 第二章齿轮的特征建模 ( c ) 用于交错轴传动的齿轮：螺旋齿轮，蜗杆。 ( 2 ) 结构特征：整体式，轮辐式，腹板式。 ( 3 ) 管理特征：零件名称，设计者，设计时期，材料，批量。 ( 4 ) 组合特征：轮毂，轮幅，轮齿的组合方式。 ( 5 ) 特征定位约束关系：齿宽，轮幅宽，轮毂宽。 2 特征层 特征层是构成零件的特征。它包含了许多的信息，这些信息包括：特征的组成元 素，特征的拓扑关系信息，特征的尺寸信息，特征的3 n - v 信息等。具体地讲，它主要 指：精度特征，形状特征等。而精度特征中又包含了工艺特征，形状特征中又包含了结 构特征和尺寸特征。结构特征又包含了主特征和辅特征。 ( 1 ) 精度特征：粗糙度，精度等级。 ( 2 ) 工艺特征：热处理特征：调质，淬火；齿面探伤要求：有要求，无要求； 形位公差特征：对称度，径向圆跳动； 材料特征：3 5 ，：4 5 ，4 0 c r ； ( 3 ) 形状特征： ( a ) 轮齿：主特征：模数，齿数，齿顶高系数，齿顶隙系数，螺旋角，齿宽 辅特征：圆角，倒角，各项公差值 ( b ) 轮毂：主特征：孔直径，轮毂槽的尺寸，宽度 辅特征：圆角，倒角，公差 ( c ) 轮幅：主特征：宽度，大直径，小直径 辅特征：倒角，圆角，公差 3 约束层 约束层主要包括设计约束和工艺约束，它作用在特征层上，对特征层的特征构成 零件模型起约束作用。因为在整个零件模型的建立过程中，特征约束总是在零件建模 的过程中起作用，所以本文称之为基于约束的建模。 约束和特征是相互对应的，设计约束形成了齿轮的形状特征，工艺约束形成了齿 轮的工艺特征。 ( 1 ) 设计约束，它包括定形尺寸约束和结构约束。 ( a ) 轮齿：定形尺寸约束：它通过对齿轮几何特征施加一定的约束求解形成了齿 第二章齿轮的特征建模 轮的形状，如分度圆直径等于模数与齿数的乘积。同时还对它的几何尺寸施加公差约 束，如齿顶圆直径值，上偏差，下偏差。 ( b ) 轮毂：定形尺寸约束：孔直径值的约束，轮毂槽尺寸的约束，宽度值约束。 结构约束：有无倒角，圆角。 ( c ) 轮幅：定形尺寸约束：宽度值约束，大直径值约束，小直径值约束等。结构 约束：有无倒角，圆角。 ( 2 ) 工艺约束： ( a ) 形位公差约束： 对称度：公差等级和公差值根据国标来确定。 齿圈径向跳动：精度等级和公差值根据国标来确定。 ( b ) 粗糙度约束：粗糙度值根据国标来确定。 2 344 构造齿轮零件参数化的特征库 目前的c a d 软件( p r o e 、u g 等) ，特征模型的建立是在三维造型基础上实现 的。其特征造型的出发点是几何模型，特征本身不携带加工工艺信息( 例如尺寸精度， 形位精度，表面粗糙度等) ，这给零件的后道工序提供的信息量很有限，不利于并行环 境下的产品设计；同时如果用这种特征造型方法所获得的c a d 文件与c a p p 系统进 行信息集成时，会造成某些工艺信息不能提取，这样也不能实现真正的c a d 与c a p p 系统的信息集成 1 7 1 。本论文中的齿轮c a d 系统，针对参数化设计软件u g ，提出将 参数化与特征映射相结合的集成方法来实现c a d 与c a p p 的系统集成。利用u g 参 数化功能构造用户自定义特征，用户可以根据自己的需要将某些模型特征和工艺信息 集成到参数化零件中，从而构造出一个用户自定义特征，将构造的特征按类别存放在 图库中，就构成了一个特征库。 根据对齿轮类零件的分析可知，对于同一类齿轮来说，只是个别参数的调整和特征 变换，这就为建立齿轮类零件图库创立了条件。我们把齿轮依据一定的原则分解为若 干个图形单元，并将与此图形单元有关的设计知识附加在图形单元上，形成一种以图 形单元为载体并附加了特征参数及专家知识的c a d 信息模型。 1 特征单元库的建立 特征单元是从设计和制造经验中抽象出来的具有几何、属性、制造三方面的信息 的参数化形状单元。特征单元的划分应满足几何上的可分性，工艺上的相对独立性， 第二章齿轮的特征建模 功能上的相对完整性1 1 8 1 。我们把齿轮中频繁使用的结构件建成图形库，用户能对图形 库中的构件进行检索、绘制、修改、删除等操作，从而使得设计人员从繁琐的绘图中 解脱出来。依据上述原则建立了齿轮最常用的特征图形单元库： 图2 5轮毂图形单元 图2 - 6 轮辐图形单元 厂_ 、 1 一一l 图2 7轮齿图形单元 2 特征单元的自组织规则 关于c a d 系统的专家知识库将在下一章中介绍。在这里我们只介绍与特征单元有 关的推理知识。 ( 1 ) 齿轮特征单元的自组织算法： s t e p l ：选取轮毂图形单元，输入特征参数，系统自动进行约束求解，输入基点， 绘制出轮毂。 s t e p 2 ：选取轮齿图形单元，系统以轮毂基准点为基准，参数之间协调运算，在相 应的位置绘制轮齿。 殇二豳励 入 ， ， ，。 一 第二章齿轮的特征建模 s t e p 3 ：选取轮辐图形单元，系统以轮毂基准点为基准，以轮毂和轮齿的外拼接点 为连接点，自动协调参数，拼接出拓扑结构协调一致的齿轮。 s t e p 4 ：如果拼接的齿轮满足要求，则转到s t e p 9 ；否则继续。 s t e p 5 ：如果结构需要互换，则选取被互换的图形单元和互换的图形单元，系统自 动获取被互换图形单元的外拼接点坐标，自动互换图形单元。在互换时，根据外拼接 点坐标自动调整其大小保持原有的约束关系；通过图形单元的调整( 改变模数、齿数等 主参数) 改变齿轮的形状大小，并实现图形单元间的参数化联动。 s t e p 6 ：如果结构满足要求，则转到s t e p9 ：否则s t e p5 s t e p 7 ：如果参数需要修改，则选取需要修改的图形单元，系统显示原参数，当设 计者输入新的参数后，齿轮的结构和参数会根据结构和参数约束关系自组织其形状和 大小。 s t e p 8 ：如果参数满足要求，则转到s t e p9 ：否则转到s t e p7 s t e p 9 ：齿轮满足要求，系统可停止运行 ( 2 ) 特征单元的拼合知识 知识1 ：正拼接的是第一个图形单元 t h e n 第一个图形单元是基准单元，并且为轮毂图形单元 知识2 ：i f 拼接的是第二个图形单元 t h e n 第二个图形单元为轮齿图形单元 知识3 ：i f 拼接的是第三个图形单元 t h e n 第三个图形单元为轮幅图形单元，并且以轮毂和轮齿图形单元为基准点形成 连接 知识4 ：i f 轮齿和轮毂是等宽图形单元 t h e n 轮辐选择与轮齿等宽的图形单元 知识5 ：i f 轮齿和轮毅是不等宽图形单元 t h e n 轮辐选择不等宽的图形单元 2 3 4 5 齿轮类零件的参数化特征设计： 1 参数化设计是机械零件设计的一个重要方法。参数化造型使用几何约束来定义 和修改几何模型，约束包括尺寸约束、拓扑约束和工程约束，这些约束反应了设计时 要考虑的因素1 4 1 。 1 9 第二章齿轮的特征建模 参数化造型系统分为两种：尺寸驱动系统和变量设计系统。 ( 1 ) 尺寸驱动系统：只考虑几何约束( 尺寸约束和拓扑约束) 。它采用预定义的 办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集相联系，因此改变 尺寸值就能改变图形。尺寸驱动系统的几何模型由几何元素、尺寸约束和拓扑约束三 部分构成。修改某一尺寸时，系统先修改尺寸联系的几何元素，接着检查所有的几何 元素是否满足约束，如果不满足，则让拓扑约束不变，按尺寸约束递归修改几何模型， 直到满足所有的约束条件为止【4 】。因此尺寸驱动对系列化、标准化零件设计以及对原 有设计做继承性修改则十分有效。 ( 2 ) 变量设计系统：一种约束驱动的系统，它不仅考虑了图形变动而且考虑了工 程应用的有关约束，从而可以标识更广泛的工程设计情况。这种系统更适合设计人员 考虑更高级的设计特征，做出不同的设计方案，因此可用于方案设计。 2 参数化特征库构造完成后，就可以以此为基础进行特征参数化的设计。特征参 数化设计使设计者所使用的对象不再是简单的几何图素，而是具有功能要素和携带工 艺信息的特征。如果设计者希望在设计过程中为产品添加一个特征，首先应该打开参 数化特征库，从特征库中选取要添加的特征，这时系统弹出特征参数表，设计者在参 数表中填入相关尺寸和工艺信息之后，将特征插入到相应的图形位置上。这时，c a d 文 件中不仅添加了一个特征的图形表示，而且将相关的工艺信息也添加到文件中，并以 特征码参数的形式集中存放。 图2 9 参数化特征建模过