（计算机应用技术专业论文）基于装配模板的叉车门架cad系统研究.pdf

基于装配模板的叉车门架c a d 系统研究 摘要 文章首先综述了国内外工程c a d 现状和发展趋势。在研究模板技术的基础 上，提出基于装配模板的设计方法。将其应用于叉车门架c a d 系统中，并探讨了 该系统实用化的一般特征。 针对传统叉车门架c a d 系统面向零件设计的不足，提出了基于装配设计的 产品模型，对面向装配的c a d 系统进行了概述，提出了门架的零件信息模型和装 配信息模型。 基于模板的c a d 系统是种全新的c a d 方法与技术。它可以根据特殊应用 领域的需求与特点而定义，灵活采用各种知识表示和获取方式，很适合设计工程 师的思维模式。文章给出了门架模板的形式化定义，总结具体的门架设计过程中 的设计知识、经验，结合装配约束求解、装配序列规划、装配路径规划算法，建 立了基于装配模板的叉车门架c a d 系统框架。 关键词：c a d 门架装配模板 r e s e a r c ho ft h ef o r k l i f t t r u c km a s tc a d s y s t e m b a s e do na s s e m b l e t e m p l a t e a b s t r a c t ab i r e fa c c o u n to ft h ea c t u a l i t ya n d d e v e l o p m e n to fc a d a th o m ea n da b r o a di s g i v e ni nt h i sa r t i c l e t h ed e s i g nm e t h o db a s e do na s s e m b l et e m p l a t ew a sp r e s e n t e d a f t e rs t u d y i n gt e m p l a t et e c h n o l o g y i tw i l lb ea p p l i e dt ot h es y s t e mo f m a s tc a d i t d i s c u s s e st h eg e n e r a lf e a t u r e so f t h e p r a c t i c a lc a ds y s t e mi nt h i sa r t i c l e i t p o i n t st ot h el a c k so ft h ed e s i g nf a c e dp a r t si nt r a d i t i o n a lm a s tc a d s y s t e m t h i sa r t i c a l g i v e st h ep r o d u c tm o d e l sb a s e do na s s e m b l ed e s i g na n di n t r o d u c e st h e a s s e m b l y - o r i e n t e dp r o d u c tc a ds y s t e m i td i s c u s s e st h ea s s e m b l e i n f o r m a t i o n m o d e l a n d g i v e st h em o d e l so f p a r ta n da s s e m b l ei n f o r m a t i o n m o d e l t h ec a d s y s t e m b a s e do n t e m p l a t e i sas o r to fb r a n - n e wm e t h o da n d t e c h n i q u ei n c a df i e l d i t sd e f i n i t i o ni sb a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n f i e l d ，a d o p t i n g a l lk i n d so fm e a n sf o r k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n a n d r e p r e s e n t a t i o nn e a t l y , a n di sv e r ys e a s o n e dw i t ht h et h i n k i n gm o d eo f e n g i n e e r i nt h i s a r t i c l e ，t h e c o n c e p to ft h em a s tt e m p l a t ei sg i v e ni nt h ew a yo ff o r m a l i z a t i o n i t s u m m a r i z e s i d i o g r a p h i cd e s i g nk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e s i tb u i l d sf r a m eo f t h ec a d s y s t e mo f m a s tb a s e do na s s e m b l et e m p l a t ew i t ht h ea r i t h m e t i co fa s s e m b l ec o n s t r a i n t s o l v i n g ，a s s e m b l es e q u e n c ep r o g r a m m i n ga n da s s e m b l ep a t hp r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：c a d ，m a s t ，a s s e m b l e ，t e m p l a t e 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 金月b 王些盔堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 汕糍婿猎蝴蚴吩厶月嘶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月g 王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留井 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。本人授权佥月b 互 些太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，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) 躲闺卉击 签字日期：加鸪年占月坶日 导师签名 留为砒 蝴期：鹕年7 月6 日 电话：d 岁3 - 1 多占；z ”岁 邮编：2 弓o o 倪团瓣 致谢 本文是在尊敬的导师张佑生教授的精心指导下完成的。感谢导师两年来在论 文上的谆谆教诲。从论文的选题到一些具体细节问题的探讨，导师都给予了许多 精辟的指导。在研究生班学习期间。导师正直诚实的为人，严谨求实的治学态度， 积极迸取的科研作风和敏锐的学术思想，给作者留下了深刻的印象。在导师的指 导下，顺利地通过了国家的学位课程考试，在此谨向导师致以衷心的感谢和崇高 的敬意! 今后将加倍努力，不断进取，以不负导师的指导和帮助。 本文引用了有关文献和相关的论述、图表和数据，在此向所有作者表示感谢。 在攻读硕士学位期间，安徽叉车集团公司的领导和班主任章昌时老师在学习 和生活上给予了大力的关心和帮助，给作者提出了很多有益的建议，谨向这些领 导和老师表示诚挚的谢意。还要感谢合肥工业大学研究生部的各位老师提供的支 持和帮助。 最后特别感谢爱人张咏梅及亲人们，正是由于他们的帮助才使本论文得阻 顺利完成。 作者：周齐齐 2 0 0 3 年5 月3 0 日 日u舌 随着计算机技术的迅猛发展，c a d 作为- f 7 新技术已广泛应用于机械、电 子、纺织、化工和环境保护等行业，并己成为提高产品与工程设计水平，降低 消耗，缩短产品开发周期，提高劳动生产率和产品质量的重要手段。c a d 在工 程设计当中应用非常广泛，在工业发达国家中，不仅c a d 的普及率高，而且重 视c a d 基础软件的商品化工作。近几年来，国产化c a d 软件在开发方面也取 得了新的发展，这对进一步促进c a d 技术在我国企业中的应用起到了很大的作 用。但是与工业发达国家相比，在机械工程c a d 技术的研究、开发和在企业推 广应用方面，在应用或开发的广度和深度上，还存在着很大的差距。 叉车是一种工程机械在铁路、邮政、化工、港口等都大量使用。在叉车 门架系统设计中，零件图形较为复杂、参数较多且设计中要考虑的因素也多。 根据叉车门架设计的具体情况，对那些大量重复性劳动，可考虑用计算机来实 现。对于工程设计过程中存在的固定模式可用模板来代替。研究基于装配模板 的叉车门架c a d 系统并将其付诸使用，必将节约大量的人力，产生巨大的经济 效益。并有一定的理论意义。目前，国内外c a d 领域中已有模板概念及其综述， 但在叉车门架c a d 领域还没有相关研究成果。 本文所作的工作是将专家的知识转换为模板，建立门架的装配模型与装配 模板的适当形式，准确表示设计约束，给出模板在工程设计中的应用准则，将 门架中的装配模板定制在二级部件( 组件) 上，并以此为基础构建门架c a d 系 统，使系统达到一定的通用性与实用性，提高了设计效率，缩短了设计周期。 基于装配模板的门架c a d 系统以a u t o c a d 2 0 0 0 为平台，利用其提供的二次开 发工具v b a 编程实现。 第一章绪论 1 1 c a d 技术研究与应用的现状 目前，c a d 技术在一些先进的工业国家中已经得到了广泛的应用，在日本 有8 0 以上的公司已不同程度地应用了c a d 技术。在美国，c a d c a m 公司已 超过3 0 0 家，c a d 的应用领域已从早期的电子电路计算机辅助设计、印制电路 板设计，逐步扩展到超大规模集成电路设计、机械设计、服装与花样设计、管 道布局设计等方面，从大规模生产企业，发展到广泛应用于中、小型企业。 在工业发达国家中，不仅c a d 的普及率高，而且重视c a d 基础软件的商 品化工作，如在图形系统方面，美国a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 图形软件 包已由1 6 版本发展到1 4 0 版本，并进而推出a u t o c a d 2 0 0 0 ，已成为微机绘图 的主要基础软件。此外，如s d r c 公司的i d e a s 、e d s 公司的u n i g r a p h i c s 、i b m 公司的c a d a m 以及p t c 公司的p r o e n g i n e e r i n g 等都是在工程工作站上应用的 具有很强绘图功能的图形基础软件。除此之外，在有限元分析、优化设计等方 面，近年来，也相继推出了许多很实用的商品化软件。由于这些商品软件大量 投入市场，极大地促进了c a d 技术在企业中的应用。 我国c a d 技术起步较晚。“六五”和“七五”期间，我国在c a d 技术的各 个方面，开展了许多研究、开发和推广应用工作，所取得的成果为生产力的 发展注入了技术进步的因素，起到了可喜的促进作用。“八五”期间，根据抓应 用、促发展的方针。又重点抓了c a d 技术的推广应用工作。近几年来，在国产 化c a d 软件的开发方面也取得了新的发展，这对进一步促进c a d 技术在我国 企业中的应用起到了很大的作用。 尽管我国在c a d 技术的研究、开发和在企业推广应用方面，取得了很大成 绩，但与工业发达国家相比，在应用或开发的广度和深度上，还存在着很大的 差距，主要表现在：我国自主版权的软件少且其商品化程度低、可靠性较 差、功能单一、集成化程度低，难以进入市场：国内c a d 技术的推广应用还 很不普遍。据统计，在制造业领域，真正用c a d 技术进行产品设计的，其覆盖 率还不足5 ：虽然引进了许多c a d 软件，但其功能都没有充分利用。而且 c a d 软件的引用和应用，行业之问，地区之间的发展也很不平衡。因此，进 步开展c a d 技术的研究、开发和在企业中推广应用，仍是一项繁重而又十分迫 切的任务。 1 2c a d 技术在叉车设计中的应用现状 很多著名c a d 系统软件，在叉车设计中发挥了重要的作用，它们既有优点 也有缺陷，其中最显著特点是：工程师无需掌握编程技术，就可以在图形设 计过程中利用设计和计算机理论建立设计模型，完成最优化设计；建立的参 数化模型渗透到所有的图索，所绘图形可以方便地修改；可以通过属性参数 将图形和有关文档资料直接联系起来，从而为机械设计和管理提供了很好的条 件。 目前在设计时存在着较多缺陷，如查阅数据表格需要花费较多的时间和 大量的重复劳动，影响设计速度。对人的设计经验有较大的依赖性，这对于 经验不足的人会带来定的困难。即使是经验丰富的设计人员，在设计时也 不可能进行大量方案的详细计算、分析和比较。所以有时设计结果也不能达到 最佳效果。基于实体造型的机械c a d 系统仅能描述零件结构的几何与属性信 息。对于设计意图、功能要求、装配关系等非几何信息则无法表达，这就带来 两个问题：设计参数与几何模型分离。不能通过修改设计参数自动修改相关 几何模型。难以适应部门间频繁调整设计参数的要求，零件之间缺乏内在的 联系和装配约束，设计过程中难以保证设计的完整陆和一致性。 机械制造自动化的最后阶段通常是装配自动化，各种零部件( 包括自制的， 外购的，外协的) 需经过正确的装配，才能形成最终产品。设计时在计算机上 进行的产品装配是利用计算机模拟装配的过程。它主要用于在研制过程中及时 进行静动态界面设计和干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查 等。进行计算机模拟装配可以有效地评价产品的可装配性，减少因设计原因造 成的更改或返工，缩短研制周期、降低产品成本、提高竞争能力。这个过程以 设计共享为基础，通过产品模拟装配来协调结构设计、系统设计，检查零件安 装和拆卸情况。装配自动化的主要目的在于：提高生产效率、降低成本，保证 机械产品的装配质量和稳定性，并力求避免装配过程中受到人为因素的影响而 造成质量缺陷，减轻或取代特殊条件下的人工装配劳动，降低劳动强度，保证 操作安全。自动装配是全面实现制造自动化的“瓶颈”。究其原因，一是自动 装配作业具有很强的智能性和高度的复杂性：二是以往的装配自动化研究被局 限在“设计一制造( 装配) 一评价”和“实物验证”的封闭时空模式中。 机械产品是由具有层次关系的零部件组成的系统，产品装配模型主要描述 产品零、部件之间的层次关系、装配关系以及不同层次的装配体中的装配设计 参数的约束和传递关系。一个产品可以分解成若干部件和若干零件，个部件 又可以分解成若干部件和零件。表现在装配次序上就是先由零件组装成装配体， 再参与整机的装配。而装配关系是建立零部件之间内在约束的关键。装配模型 的建模质量将直接影响到产品的结构特征、功能特征和整个装配过程的装配质 量、装配效率和装配成本。现在的机械设计要求从设计一开始就有明确的全局 定位，综合考虑制造、装配、维护等产品生命周期中的诸因素，交互频繁、数 据关系复杂是其重要特点。为满足这些要求，需要对c a d 技术的研发与应用作 更大的努力。 l 。2 1 叉车c a d 的技术关键 解决上述问题的关键技术是： ( 1 ) 设计过程的规范化 需提高软件的通用性，排错及查错能力。人工进行门架设计时，虽然也按 照一定的程序进行，如先了解总体功能要求，再作各部件构思，最后设计出各 零部件图纸，但具体执行时灵活性很大。而c a d 则要求必须按照一定的步骤进 行，以保证内部“数据流”的连续性。在编制软件前必须考虑到所有可能遇到 的“意外”问题。所以设计过程的“规范化”是关系到软件水平和成败的关键 问题。但要事先考虑到一切问题是相当困难的这是造成c a d 软件适应性差的 主要原因。如何解决好这一问题是机械设计c a d 的研究方向之一。 ( 2 ) 设计方法的算法化。 如何将每个设计问题抽象为数学模型，如何将设计准则以及数表、线圈 转化为计算机能够处理的表达形式，即如何设计出这些算法是机械设计c a d 的 技术关键之一。 要使计算机具有“形象思维”的能力，必须把图形处理数模化，即将零 件或部件用数学方式加以描述等，也需要设计有关算法。图形处理是机械设计 c a d 中难度最大、工作最多的一部分。 在机械设计过程中会遇到各种方案、结构、参数等的逻辑决策问题，一 般情况下它们大多是由经验决定的。但许多经验公式中的系数及表格中查取的 参数都不是单值的，也需凭经验选取。在这些问题中，很多无固定规律，也无 固定模式可借鉴，因此数模化很难。这些都将影响到软件的可靠性。 ( 3 ) 数据结构 软件的基本组成可认为是算法和数据结构两大部分。在机械设计c a d 过程 中，从初始的机械零件到部件，所有的对象和问题都是用数据来表示和传递的， 整个c a d 过程也就是数据的流动和处理过程。因此，如何把数据很好地组织起 来，以确切、方便、精炼的方式表示出各个对象和问题是至关重要的。 1 2 2 叉车门架c a d 的实用化分析 目前，国内有不少叉车厂在叉车设计中开展了叉车设计c a d 技术与应用的 研究，但是能取得理想应用效果的并不多，设计效率的提高也不明显a 传统的c a d 系统起源于计算机图形学，其定位于图样绘制，没有从设计本 身的需求来考虑，大多停留在电子图扳的水平。设计活动一般在设计者的脑海 中进行，c a d 系统作为他们的设计工具，其不足之处主要表现在： ( 1 ) 不能帮助设计者定义设计关系和设计约束。更不能储存和保持设计关系。 ( 2 ) 没有可变型的产品模型。 ( 3 ) 不支持设计全过程，只能完成绘图等工作。 ( 4 ) 缺乏智能性，缺乏工程语义信息，不能有效表达设计意图。 ( 5 ) 对产品缺乏完善的分类系统和检索机制。 几何造型是一个c a d 系统所必需的功能，人们在设计时需要将高层的功能 需求转换为低层的几何数据，在转换的过程中，大量的语义信息丢失了。目前 c a d 技术已被广泛应用于机械行业，但传统c a d 系统只注重表达几何信息， 不能满足设计中知识表达和关系表示等要求。仅仅使用计算机来辅助完成图样 绘制、零部件造型等工作，已不能满足设计需要，方便设计者表达设计知识的 新一代c a d 系统成为发展的必然。 设计者应用c a d 的基本过程是，对基本对象进行构思，产生设计约束，再 把这些设计构思、设计约束进行抽象，把高层的工程语义信息转变为计算机能 够理解的低层的几何信息，建立计算机内部模型，然后在内部模型的基础上进 行各种分析，如公差分析、运动模拟、装配分析等。 前文已说明叉车门架系统是叉车的重要组成部件，为叙述简便，本文着重 论述基于装配模板的叉车门架系统，简称门架系统。实践表明实用型门架c a d 系统除要遵循机械c a d 的一般规范外，还应具有以下几个特征。 ( 1 ) 支持叉车门架设计的全过程 与传统的单个零件的设计不同，门架是多个零部件的装配总成，其设计是 一个复杂的过程，它包括建模、工艺性分析、方案设计、各类结构设计等部分， 最终生成门架零件图、部件图以及装配图。门架c a d 系统应支持从建模到图形 输出的整个过程，支持零件设计与装配设计。在设计中，系统应能结合具体的 设计实例，在适当的约束条件与优化信息的基础上，提供系列化的零件或结构， 供用户选择。用户只需交互选择具体的参数系列，就能自动生成图形并维护， 用户可以方便检索与调出所需的图形。 ( 2 ) 具有良好的开放式结构 c a d 系统的开放性是决定其能否真正达到实用化，能否真正使之转化为现 实生产力的基础。通常，门架的高度是系列化的，叉车不同的起升高度对应着 不同的门架，但其中有许多零部件是通用件，这些零部件的选择是门架c a d 系 统中的重要模块，直接影响到整个系统的实用性。门架c a d 系统应提供强有力 的参数化建库工具，能够引导用户交互建立实际使用的标准零件与部件，从而 迅速改造成适合企业专用的门架设计系统。 c a d 系统的开放性还体现在系统工作平台、用户接e l 、应用开发环境以及 与其它系统的信息交换等方面。交互工作方式的改进、参数化设计与多媒体技 术、自适应智能界面的应用以及超文本性质的在线帮助等都能使系统的开放性 更加良好。良好的开放式结构，用户定制化工作很方便完成，从而减小软件开 发工作量。 ( 3 ) 实用的门架系统结构计算与校核工具 在门架的设计过程中，要进行许多有关结构的计算与校核工作，如强度、 刚度、工作尺寸等。这些计算工作不仅数据量大，而且往往十分繁琐，将它们 交给计算机去完成，可减少工程师的劳动强度，提高设计质量。将与门架设计 有关的经验数据、设计参数、材料等数据保存在系统数据库中，系统在需要时 自行调出，用户也可以检索使用。 ( 4 ) 具有方便的辅助绘图与工程图生成工具 c a d 系统应该提供强大的辅助绘图与工程图生成工具，使自动生成图纸快 速标准，编辑修改图形也方便。辅助绘图与工程图生成工具实际上是在基本的 图形支撑环境上提供一个更高层次的通用件绘图与设计平台。 ( 5 ) 能方便地实现与c a e 、c a m 的集成 c a d 系统应在产品建模、数据交换、总体规划、并行操作、运行控制等方 面为系统集成提供良好的环境与接口。c a d 系统与c a p p ，c a m ，c a e 系统的 集成性已成为c a d 系统是否具有生命力的关键因素之一。 1 3 装配模板研究现状 早在上世纪九十年代初，b e r k e l e g 大学的s r i v a s t a v a 等人在c a d 领域引用 了模板概念，提出了一个分层的体系结构模板，并利用该模板进行了一个 r o b o t 系统的实验，主要侧重于硬件的模板设计。c o r a z a o 等在i c 高级综合方 面迈出了一大步，提出了模板映射的性能优化方法，首次介绍了软件模板技术 在a s i c 设计中的应用。美国国防部在1 9 9 6 年8 月正式颁布了建模与仿真领域 的通用高级体系结构( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ，简称h l a ) ，h l a 中提出了一 个重要概念是对象模型模板( o b j e c t m o d e lt e m p l a t e s ，简称o m t ) 的概念，其宗 旨是对仿真中的对象、对象属性和对象间信息交互的格式和内容进行定义的标 准化描述，它便于模型的建立、修改、生成与管理，便于对己开发的仿真资源 的再利用，使建模过程走向标准化。在国内，文献u 伽从抽象数据类型的观点出 发，对数据结构的概念进行了拓延。通过实例对采用面向对象的模板技术实现 数据结构的类属编程进行了讨论，为将数据类型作为数据结构的参数，实现多 型数据类型提供了方法。文献【4 4 l 提出了基于模块机制的一种新的装配处理思想， 即通过为不同的计算机平台构造装配模板，使装配系统适应于多种机器平台。 文献【2 1 总结了现有的图块技术、参数化技术和尺寸驱动技术，提出解决结构变 化的模板方法，以减少用户的基本绘图量，就实质而言是图块技术与比例变换 的综合。可见模板的应用在国内外己倍受关注。 目前，模板在机械c a d 中虽然使用不多，但是在其它方向的商用软件里， 早已广泛使用。办公室自动化领域通过使用各种模板，用户可以节省时间，减 少工作量、统一设计风格、确保效果与效率，其中最为典型和应用最为广泛和 灵活者当数微软公司的o f f i c e 和s h a p e w a r e 公司的v i s i o - 产品设计是企业活动的一个组成部分，它受企业的生产规模，活动模式和 产品复杂程度等多种因素的影响。从企业的生产活动中可以看出，企业中往往 是新型产品开发设计和已有产品的变型设计两者并存，以适应市场发展的不同 要求。在机械企业中，新型设计毕竟稀少，大量的总是变型设计。事实上，绝 大多数人员的确也是经常使用变型设计去响应用户需要。但是传统的、自发的 变型设计并不能自动保证产品的快交货、高质量和低成本，有时甚至适得其反。 主要表现在企业生产零件的多样性和缺乏可重用性，并导致新零件数目的失控。 许多新的零件被源源不断地设计出来，紧接而来的还需要动用过多的人力、物 力、财力和时间，去支持后继的工艺、工装、试制和试验等一系列技术准备过 程。引起这种失控现象的原因在于企业产品信息的无序状态和设计者的随惹胜， 使大量的产品数据无法成为能有效支持快速变型设计的宝贵信息资源。因此， 深入系统地研究一种能科学地重用企业的产品信息资源，有效支持快速响应设 计的变型设计理论和方法及其实现手段，就很必要。 1 3 1 模板与机械工程设计的结合 一般说来，工程设计是设计人员的创造性活动，一项新产品的设计需要经 过功能需求分析与分解、概念设计、总体设计和详细设计等过程。一般具有创 造性和变异性相结合的特点，就是说没有一项工程是对已有工程的完全重复， 但又不是从头开始设计，而是利用已有的成功的设计结果，在局部细节上和整 体结构上作适当的改动。以满足新的设计要求。模式的重复性是工程设计的又 一特点，因为工程标准和设计习惯逐渐形成了一些设计模式，可供套用，而且 一些标准件和结构件为实际的设计提供了方便。目前，安徽叉车集团公司设计 部门经常采用一些复制图样的方式，减少工作量，不仅在门架系统，还广泛应 用于叉车的其它部件，诸如车架、动力系统等等的设计当中，这些当属此类。 由此可见，工程设计的方法和办公管理中的模式有着相似之处。 “模板” 概念在工程c a d 领域中的应用，必将大大提高设计效率，推动我国工程c a d 技术的发展。 1 4 课题的提出及意义 叉车是一种广泛使用的装卸设备，门架系统是叉车工作装置的一部分，是 货叉的支架和导轨。叉车的门架系统是由内门架总成、外门架总成及货叉架等 组成。叉车起升高度各异，门架种类繁多，形式多样。在叉车门架系统设计中， 因门架结构复杂，设计、制造难度高，周期相对较长。为了使设计合理，设计 人员必须花费大量时间来绘制外门架、中门架、内门架、货叉架及各种管路接 头等结构相对稳定的零部件。据统计，每副门架中有7 0 左右的零部件为标准 件或具有一定的固定结构。因此，抽取零部件的标准件结构，确定尺寸系列优 选值，建立标准框架和标准件库，对于快速设计和绘制门架装配图及拆分零件 图，缩短设计周期具有重要意义。机械设计中采用的参数化绘图方法是一种尺 寸驱动技术，对于提高效率可起到积极作用，但有较大局限性。根据我厂生产 实际情况及叉车产品特征，确定开发门架的c a d 系统必须解决以下几个方面的 问题： ( 1 ) 门架标准化、系列化及结构典型化。按不同吨位、不同起升高度，采用 标准化、模块化设计方法，对有关的数据进行归纳、分析、整理，使其标准化、 系列化，同时优选和确定各类门架的典型结构。 ( 2 ) 实现智能化设计功能，将工程师的丰富经验融合到系统中，使研制的系 统能满足工程需要。 ( 3 ) 友好的界面。使门架设计人员方便地实现系统所提供的各种功能。 ( 4 ) 系统的扩展和更新。为使系统不断适应产品的变化和更新，必须拥有二 次开发的能力。 ( 5 ) 高效的图样生成能力。系统的重要目标之一是尽可能提高绘图效率，减 少设计人员的参与，使设计人员从繁重的绘图工作中解脱出来从事创造性的 设计。 为了使叉车门架的设计实现标准化、系列化和结构典型化，使设计人员在 友好的界面上对门架进行智能化设计，本文提出了基于装配模板的设计方法， 并开发叉车门架的c a d 系统。对于设计过程中约束和位置相对固定的零部件之 f i j j 的配合可以保存为装配模板，各类门架的设计只需要对门架模板进行编辑。 1 5 本文工作与论文结构 本文所作的工作是使用领域工程技术，将专家的知识转换为模板的形式， 建立门架的装配模型与装配模板的适当形式，准确表示设计约束，并以此为基 础构建门架c a d 系统，使系统达到一定的通用性与实用性，提高设计效率缩 短设计周期。 第一章：绪论分析了c a d 技术研究与应用的现状和在叉车设计中的具 体应用，指出装配模板应用在叉车门架设计中的意义。 第二章：基于装配的门架系统的集成信息模型针对传统的基于零件设 计的叉车c a d 系统之不足，对基于装配的c a d 系统进行了研究，提出了门架 的零件信息模型和装配信息模型。 第三章：叉车门架c a d 系统的模板设计方法介绍了模板概念及应用范 围，给出了模板描述语言的详细定义，将门架中的装配模板定制在二级部件( 组 件) 上。 第四章：基于模板的叉车i - j 架c a d 系统的设计给出了装配模板系统的 框架，讨论了关键模块实现的技术。重点分析了约束求解技术、装配规划技术 第五章：叉车门架c a d 系统简介及应用实例用实例来展示叉车门架系 统的装配模板。 第二章基于装配的门架系统的集成信息模型 装配建模是c a d 系统的重要问题，是建造叉车c a d 系统的基石。而装配 模型是产品信息模型中的一个子模型。 2 1 产品信息模型 产品信息模型是一种层次结构的模型，可分为：产品层、零件层、特征层 和几何层。产品层描述产品的总功能、总要求等抽象信息：零件层描述零件的 结构信息和零件间的约束关系：特征层包含了构成零件的各类特征，包括形状 特征和用于制造的加工特征，如粗糙度、切削加工余量、零件公差、装配关系 等：几何层描述形状特征的几何信息( 如位置与大小等) 和拓扑信息( 如连接 关系等) 。 信息集成是实现各种先进的设计、制造系统的首要任务，企业信息化对改 善企业的内外部管理、提高运营质量有着重要的意义，其可取得的经济效益是 显著的，实现信息集成的一个基本手段是建立产品信息模型。 产品信息模型是指覆盖产品整个生命周期、能为计算机理解和处理、能准 确描述产品的数字化模型。它直接关系到产品开发生命期内信息流能否平滑流 动，以及能否及时正确地作用于相应的物料流，因而具有相当重要的地位。产 品信息模型包含两个相互关联的部分：产品本身的信息模型及其相关的管理 和存取方法；产品开发流程模型，即从初始数据到形成最终产品数据的一系 列技术处理和管理过程。就机械产品而言，应覆盖产品的市场分析、产品设计、 零部件加工、产品装配和检验等全过程。可以说，产品信息模型是技术人员和 设计、生产系统进行信息交换的媒体。 在产品信息模型中，零件模型和装配模型是其两个重要的部分。产品装配 模型是一个支持产品从概念设计到零件设计，并能完整、正确地传递不同装配 体设计参数、装配层次和装配信息的产品模型。它是产品设计过程中数据管理 的核心，是产品开发和支持设计灵活变动的强有力工具。 建立产品装配模型的目的在于建立完整的产品装配信息表达，一方面使系 统对产品设计能进行全面支持；另一方面它可以为新型c a d 系统中的装配工艺 规划提供信息，并对设计进行分析和评价。 产品装配模型具有以下特征： ( 1 ) 能完整地表达产品装配信息。产品装配模型不仅描述了零部件本身的信息， 而且还描述了零部件之间的装配关系； ( 2 ) 可以支持并行设计。装配模型不但完整地表达了产品的装配信息，而且还描 述了产品设计参数的继承关系和其变化约束机制，这样保证了设计参数的一致 性，从而支持产品的并行设计； o ( 3 ) 满足快速多变的市场需求。当产品需求发生变化时，通过装配模型可以方便 地修改产品的设计以适应新的产品需求； ( 4 ) 具有一定的独立性。产品装配模型本身可作为c a d 系统的组成部分，也具有 定的独立性。 装配体是多个零件和子装配体的有机组合，它表达了两部分的信息，一部 分是实体信息，是装配体中各零部件实体信息的总和，如：点、线、面等；另 部分信息是装配体内零部件之间的相互关系信息，人们只能凭知识和理解能 力感知它的存在，在产品的功能设计和产品考查阶段人们把大部分的注意力都 集中在这部分关系信息上。几乎所有装配体的功能都是通过零部件间的运动来 实现的，这种运动就是由装配体内零件之间的关系的不断改变产生的，所以要 得到一个正确的装配体以实现它的功能，就必须建立其内部零件间的正确和完 整的装配约束关系。 当前叉车c a d 系统大多是基于零件的。在结构设计时。一般先建立零件模 型，然后再定义零件间位置关系。装配图的生成便是把设计好的零件拼装在一 起来完成的。这种方法与工程师所用的“自顶向下”的设计策略不符。忽视了 装配模型的作用，影响了产品的信息集成，影响产品的设计效率与质量。 产品设计过程是一个复杂的创造性活动，从根本上决定着产品的内在质量 和生产总成本。其复杂性体现在产品设计的各个阶段，包括从产品构思到最终 形成图样文件的所有活动。设计过程可分为下述四个阶段，见图2 1 ： 闺2 1 产品设计过程 ( 1 ) 功能分析 本阶段的任务是形成全新产品或产品系列的概念。为了寻找最优设计，需 要对不同的对象、不同解决问题的方法，进行调查和分析，对概念进行周密的 论述和评价。这要求设计者具有全面的产品设计制造知识，还应了解所用的原 料、工具和有关的生产工艺的信息。本阶段工作用到分类学、形态学和直觉知 识，目前还难于全部用计算机实现。 ( 2 ) 产品定义 在这个阶段，对功能分析的结果进一步精炼，仔细研究几种可供选择的工 作原理和方案，以选择最优方案，给出产品的定义，完成物理性能的构思。此 阶段可用计算机给出清晰的功能概念，用仿真技术对多种方案进行分析比较和 优化。 ( 3 ) 总体设计 在此阶段，需在产品定义的基础上，完成产品的总体方案设计和结构设计。 ( 4 ) 详细绘图 此阶段根据产品的总体结构，完成全部零部件的设计，并绘制所有零件图 和装配图。这部分工作可全部在c a d 系统上实现，包括零部件造型和装配模型 的生成。 产品设计可分为三种类型：新型设计：修改设计；变型设计。 一般说来，新产品设计要经过上述所有阶段，而修改设计和变型设计在设 计丌始之前，要充分研究所采用的方法，尽可能地利用原有设计和资料，在原 有基础上进行修改，以描述新的功能和性能要求。 目前，一般c a d 系统采用自下而上的设计方式，它存在的问题是： ( 1 ) 脱离产品装配模型的单个零件设计，很难完全支持与维护产品设计的功能需 求，这是因为产品功能的实现很少有依靠单个零件的情况，也即：设计功能的 实现往往是所有零件相互作用的结果，只有在产品装配模型的基础上，进行零 件的详细设计，才有可能始终保证设计与功能需求的一致。 ( 2 ) 过早进行零件的定义与描述容易造成零件之间关系的不一致性、过分约束和 零件冗余。由此引起返工及造成产品装配出现问题。 ( 3 ) 不易发挥设计者的创造性，单个零件模型约束了整个设计方案的创新与变异。 因此，如何建造基于装配的c a d 系统以在更高层次上全面支持产品设计中 各个环节，克服以往基于零件设计的c a d 系统的不足，是需要认真研究的i ；q 题。 2 2 基于装配的c a d 产品功能的实现是由组成产品的各个零件共同作用完成的。零件的结构和 零件问的相互约束是实现产品功能的基础。这是建造基于装配的c a d 的基本依 据，基于装配的c a d 的要点是： ( 1 ) 从维护产品设计功能的观点出发，建造基于装配的产品设计模型。 ( 2 ) 支持对产品装配模型的修改、完善等操作。 ( 3 ) 在产品装配模型指引下进行零件设计。 建造基于装配的产品设计模型的核心问题是： ( 1 ) 产品功能的形式化描述； ( 2 ) 产品功能向装配模型的映像； ( 3 ) 装配关系的描述； ( 4 ) 可装配性分析，它包含基于零件特性的分析，基于工艺特性的分析，基于特 征的分析。 显然，基于装配的c a d 自然地支持设计要求向产品定义的转化，这体现在： ( 1 ) 与设计语义一致的基于装配的造型工具，使产品功能方便地映射为设计概念。 并且装配模型作为表达设计功能的全局结构反映了各个零件的相互关系。 ( 2 ) 便于维护设计的功能要求，当进行装配分析之后，零件的修改不违反产品装 配模型的约束，自动保持产品功能不变。 ( 3 ) 支持产品的概念设计，即支持抽象的设计表达方式，这是因为装配模型的描 述允许采用逐步求精的方式，自上而下地完成全部零件的几何定义和装配约束 定义。 ( 4 ) 容易实现设计与产品生命周期的其它过程的集成。即可在产品装配模型生成 的过程中，考虑产品的工艺、装配及制造过程的行为。产生与这些过程相关的 设计信息。因为产品的工艺、装配及制造过程的实现必须与产品的设计功能一 致，而装配模型则是产品设计功能的体现和载体。 ( 5 ) 装配模型是产品集成设计环境的关键，因为只有在装配模型的基础上，才能 保证和维护设计过程与功能需求的一致。 要实现“自顶向下”的设计方法，在结构设计初期，必须建立以描述装配 信息为基础的产品信息模型，从而为产品提供装配级的设计支持a 采用基于装配的设计是在设计阶段考虑产品的装配性能，如可装配性、可 拆卸性、可维护性、装配路径选择、装配工艺规划等。以便在设计阶段发现和 解决装配中可能存在的问题。在基于易于装配准则( 如零件的对称性、尺寸、匹 配方向和零件的数量等) 的基础上，对零件的可装配性进行评价；按照一系列设 计准则和设计指南来指导设计，改进产品的可装配性。在产品设计中改变以往自底 向上的设计方式，制定基于装配设计的一些原则如零件数量和类型最小原则、 模块化设计原则、减少紧固件数量的设计原则、最少装配方向原则等，这样可 以显著减少零件的数量，提高零件装配效率，改进装配性能、降低产品成本。 因此基于装配的产品设计过程如图2 2 所示： 幽2 - 2 基于装配的产品设计过程 2 2 1 基于装配的产品信息模型 基于装配的设计为了充分表达产品的设计信息，必须满足自顶向下的设计 模式，建立装配环境下零件设计工具、装配设计工具以及装配管理模型。基于 装配的产品信息模型包括装配特征、装配关系，并要以一定的方式来表示。 ( 1 ) 装配特征及其表示 装配特征：用于表达零件在装配过程中所需用的信息，是与装配操作相关 的一组属性，这些属性体现了确定的装配关系。如装配尺寸链信息，父项子项 的信息以及为装配工艺提供必要的信息。 考察基本的装配操作，可以确定与其相关的装配特征，并可将其划分为三 类。即零件类特征、工艺类特征和系统类特征。零件类特征与单个的零件有关， 工艺类特征与装配的方式及规程有关，系统类特征与零件之间的相互作用有关。 可以用三元组定义装配特征：a s s e f e a = 其中p a r tf e a 表示零件类特征集合，p r o cl e a 表示工艺类特征集合，s y s _ f e a 表示系统类特征集合。装配特征全面描述了与装配有关的属性，是建立装配模 型的基础。 ( 2 ) 装配关系 装配关系是产品装配模型的核心，装配关系的描述与确定是建立在装配特 征基础之上的。装配关系是由特定的装配特征决定的，它体现和维护了产品的 功能，反映了零件之间的相互约束。可以将装配关系划分为三类，即：几何关 系、连接关系、运动关系。 几何关系 几何关系主要描述实体模型的几何元素( 点、线、面) 之间的相互关系。 几何关系般分为四大类：配合、对齐、偏置和接触。 连接关系 连接关系是描述零部件之间的位置和约束的关系 接，销连接，键连接，联轴器连接，焊接，粘接和铆接等。 运动关系 运动关系是描述零件之间的相对运动的一种关系 相对运动关系。 主要包括：螺纹连 分为：传动关系和 显然，正是由于这些装配关系才能使得产品具有稳定的结构，不会因重力 而自动拆散。可以用三元组表达装配关系，即：a s s er e l = ，其中a s s e _ r e l 表示装配关系，g e o m r e l 表示几何关系集合，a t t a _ r e l 表示连接关系集合，m o v er e l 表示运动关系集合。 由于各类装配关系完全取决于特定的装配特征集合，故可以将装配关系分 别表示为下列函数： g e o m _ r e l = ( f e a _ p a r t ，f e a a 3 r o c ，f e a _ s y s ) a t t a _ r e l2 ( f e a _ p a r t ，f e a _ p r o c ，f e a _ s y s ) m o v er e l = ( f e a a ) a r t ，f e a _ p r o c ，f e a _ s y s ) 显然可以用以上函数判别两个零件是否构成可行的装配关系，即： g e o m _ r e l ：f e a _ p a r t f e a _ p r o c f e a - s y s 一( t r u e ，f a l s e ) a t t a _ r e l ：f e a a o a r t f e a _ p r o c f e a _ s y s 一( t r u e ，f a l s e ) m o v er e l ：f e a _ p a r tx f e a _ p r o c f e a - s y s 一( t r u e ，f a l s e ) 采用装配特征描述装配关系，符合自顶向下的产品设计原则。因为装配特 征来自产品的功能需要，通过装配特征进行产品定义，可保证装配功能的有效 性。装配特征与特征造型相关联，与装配关系相关联，与设计功能相关联。它 为实现产品信息的共享提供了基础。 ( 3 ) 装配模型表示 对于装配模型的定义前文已详尽叙述，在此给出用四元组描述的产品装配 模型即： p r o d u c t _ m = 其中p a r t 表示零件的集合，a s s er e l 表示零件的装配关系集合，a s s e _ f e a 表示装配特征集合，a s s es e q 表示装配操作序列。 2 2 2 基于装配信息模型的c a d 系统 ( 1 ) 基本结构 基于装配信息模型的c a d 系统由6 个基本模块组成，即 概念设计模块 完成功能定义、装配关系定义和产品的形式化描述a 零件定义模块 完成零件形状特征定义，子装配定