（机械设计及理论专业论文）基于proe的dsg建模与自动装配技术研究.pdf

摘要 论文题目：基于p r o e 的d s g 建模与自动装配技术研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：刘佶签名：望! _ j2 查 指导教师：吉晓民教授签名：掣趣 摘要 本文对p r o e 二次开发中的参数化、变型设计、零件库及自动装配技术进行了较为深 入的研究。在p r o e 平台上采用特征造型方法、面向对象技术、参数驱动和映射技术，开 发了一款d s g 辅助设计软件。 论文的主要内容如下： ( 1 ) 深入研究了p r o e 二次开发工具即p r o t o o l k i t 应用程序接口，对应用程序的运行模式 以及程序中常用的对象旬柄、选择对象、访问函数和数据类型等进行了剖析，为开发 应用程序打下了基础； ( 2 ) 利用p r o t o o l k i t 提供的函数和变量完成用户定义菜单的加载，结合m f c 和p r o t o o l k i t 开发了一些用户需求的复杂对话框界面，完成了系统的界面设计，并解决了p r o e 和 v c 的通信问题； ( 3 ) 分析了软件系统需求的功能，重点讨论了零件库的组成部分及其相互关系，研究了自 动装配的实现方式，并在此基础上提出了软件的体系结构； ( 4 ) 对m i c r o s o f t 的a d o 数据库技术与p r o e 系统的连接进行了探索，采用了面向对象的 建模和设计方式，使数据结构清晰和易于扩展；依据p r o e 的参数映射机制的原理， 研究了零件参数问关系式的提取、映射、编辑方法。以上述理论为基础开发了d s g 的零件库； ( 5 ) 在对p r o t o o l k i t 对象和行为及v c + + c + + 的深入研究基础上，提出了一种针对复杂装 配体的具备一定通用性的自动装配方法，并以d s g 的自动装配为对象开发了相应的 程序。 论文研究表明，基于a d o 的d s g 零件库建立方法是将编程新技术引入p r o e 二次开发 领域的成功尝试，而自动装配方法可以在一定程度上提高d s g 的设计效率。经过实例测试， 所开发的软件可以实现d s g 零件库的管理及自动装配，且运行可靠。 关键词：p r o t o o l k i t ；二次开发；零件库；a d o ；自动装配 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nd s gm o d e l i n ga n da u t oa s s e m b l y b a s e do np r o e m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ；l i uj i s u p e r v i s o r - p r o f j ix i a o m i n s i g n a t u r e s i g n a t u r e a b s t r a c t d e e p l yr e s e a r c ho np a r a m e t r i cd e s i g n ，c h a n g e m o d e l d e s i g n ，p a r td a t a b a s ea n da u t o a s s e m b l yw e r ec a r r i e do u tb a s e do np r o ea d v a n c e dd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g i e ss u c ha s f e a t u r em o d e l i n g ，o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，p a r a m e t e rd r i v i n gm e t h o da n dm a p p i n g t e c h n o l o g yw e r eu s e db a s e dp r o ep l a t f o r ma n dt h ec a ds o f t w a r ew a sd e v e l o p e df o rt h e d i r e c ts 1 1 i f tg e a r b o x ( d s g ) t h e ，m a i np o i n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y s i st op r o t o o l k i t ，t h ef a m o u sa p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c ei np r o e ，w a sc a r r i e d o u td e e p l ya n dd i s c u s s i o n sw e r eg i v e nt ot h eu s i n go ft h eh a n d l e ，o b j e c tc h o o s i n g ，a c c e s s f u n c t i o n sa sw e l la st h ed a t at y p e si na p p l i c a t i o np r o g r a m ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o r d e v e l o p i n ga p p l i c a t i o np r o g r a m ( 2 ) b yu s i n gt h ev a r i a b l e sa n df u n c t i o n sp r o v i d e db yp r o t o o l k i t ，t h es y s t e mm e n uw a s a d d e d w i mt h eh e l po fm f ca n dp r o t o o l k i t ，s o m ec o m p l e xa p p l i c a t i o nd i a l o gi n t e r f a c e sw a s d e s i g n e da n dt h es y s t e mi n t e r f a c ew a sd e v e l o p e d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np r o 厄a n dv c w a sr e a l i z e d ( 3 ) t h er e q u i r e m e n t sf o rt h ef u n c t i o n so fs o f t w a r es y s t e mw e r ea n a l y z e d , e s p e c i a l l yt h e s t r u c t u r eo f p a r tl i b r a r ya n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e mw e r ed i s c u s s e d i na d d i t i o n ，r e s e a r c h w a sd o n eo nt h ei m p l e m e n to fa u t oa s s e m b l y t h es t r u c t u r eo ft h es o f t w a r et ob ed e v e l o p e dw a s p r e s e n t e d ( 4 ) t h ec o n n e c t i o nb e t w e e np r o es y s t e ma n dv c + + w a sr e s e a r c h e db yu s i n ga d o t e c h n o l o g y o b je c t o r i e n t e dm o d e l i n ga n dd e s i g nm e t h o dw e r eu s e di nt h ed e s i g na n dt h e r e a l i z a t i o no ft h ep a r t sl i b r a r y , w h i c hm a d et h ed a t as t r u c t u r eb ee x p a n d e dm o r ec l e a r l ya n d e a s i l y b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp a r a m e t e rm a p p i n gi np r o e ，t h ee x t r a c t i n g ，m a p p i n ga n d e d i t i n go ft h er e l a t i o ne x p r e s s i o n sb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fap a r tw e r er e s e a r c h e da n dap a r t l i b r a r yw a se s t a b l i s h e df o rd s g ( 5 ) a na u t oa s s e m b l ym e t h o dw a sp r e s e n t e df o rc o m p l e xa s s e m b l yo nt h er e s e a r c h i n gb a s i so f o b je c tw i t ha c t i o ni np r o t o o l k i ta n dv c 十c + + t h ep r o g r a mw a sw r i t t e nf o rd s g a s s e m b l y t h er e s u l to ft h ep a p e re x a m p l es h o w st h em e t h o df o rd s g p a r tl i b r a r ye s t a b l i s h m e n tb a s e d o nt h ea d oi sas u c c e s s f u lt r yi nt h ef i e l do fp r o ea d v a n c e dd e v e l o p m e n ta n dt h et h e o r yo f a u t oa s s e m b l yc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd s gd e s i g ni ns o m ed e g r e e t h ed e v e l o p e d s o f t w a r ec a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt h em a n a g e m e n to fd s g p a r tl i b r a r ya n da u t oa s s e m b l y t h eo p e r a t i o no ft h ep r o g r a mi sr e l i a b l e k e yw o r d s ：p r o t o o l k i t ；a d v a n c e dd e v e l o p m e n t ；p a r tl i b r a r y ；a d o ；a u t oa s s e m b l y 独：刨：、性乏声i 明 ：秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明0 本a 所呈交的学位论文是我 。j 一、。、， 。+ + 4 + 一，j ，。 、 。 ， 个人在导师指导卞进行的研究i 作及取得的成粟尽我所知除特别加以标注和致谢 一、j t f 一， 一，。一 一， t ，一、f ，一。 + 一 的地方外1 论支：中不包含其他人酌研究成果嚣写我毫同i 作的同志对本支所研究的i _ 。；。- j。jj。j、。! 一0 ，”j ，。i j i 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢j +；一，- 4 - + 。o0 0 ，一、，：、o 一、，一- ，；、， 本论文及其相关资料若有不，实之处涵本人承担寸切相关责任 论文作者盛名童11 i 立益禹二。；蠹茅篷，蔓参一。真? 蔓目 ：学位论文使用授权声明 本人：兰：j ! 兰垒。在导师的指导下创作完成毕业论文；本人已通过论文的答辩羹 并已经在西安理士大学申请博士夕。硕士学位：；本人作为学位论文著作权拥有者，：同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：f ，1 ) 。，已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文t ：学校可以采用影印0 缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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“2 ) 为 教学和科研目的4 ，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、，浏览。 本入学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理王大学研究生部办 - 理。： d 保密的学位论文在解密后i 适用本授权说明 ? * ? 论支作者签名，。嶝师盛莓凄鎏攀i ，o 侔。月珂9 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 二十五年的合资发展历程，使汽车产业成为我国五大支柱产业之一，并一跃成为世界 第四大汽车生产国。但是这只能说明我国是汽车生产大国，绝非汽车生产强国。因为我国 汽车产量中绝大多数被外资巨头以合资的方式瓜分，轿车市场上合资品牌市场占有率更是 高达8 7 ，中国已沦为世界汽车寡头的“装配车间，1 1 1 。对此，中国工程院郭孔辉院士将 我国汽车产业现状概括为两大怪圈：一是“引进落后一再引进一再落后”；二是“缺乏能 力一只能依赖一越依赖越缺乏能力一越缺乏能力越依赖 。要成为汽车工业强国，必须实 施有利于自主创新与自主品牌发展的政府推动的市场战略【2 】。目前变速箱技术的发展又是 汽车技术创新的关键所在，以德国大众集团为代表的众多国际知名汽车企业纷纷开发技术 先进的自动变速箱并在多款产品中实际应用【3 训。但是我国毕竟是发展中国家，经济实力 有限，不可能投入大量经费去从事产品开发，因此如何提高产品开发过程的效率就成为一 个迫在眉睫的问题。 解决这个问题的第一个步骤就是c a d 技术的推广和应用【8 。1 1 1 。当前c a d 技术推动了 几乎一切领域的设计革命，特别是在制造业领域，其开发和应用水平已成为衡量一个国家 制造业水平高低的重要标志。当前我国c a d 技术已经得到了应用和普及，并取得了广泛 的经济效益。据统计，2 0 0 0 年全国已有2 9 个省( 市) 约1 0 万家企业和设计院应用了c a d 技术，已经进行的对c a d 技术应用和综合效益测算，发现其投入和产出比高达1 ：1 7 2 。 从发展的角度讲，对c a d 技术的普及就已经带来巨大经济效益，如果进一步对c a d 软件进行二次开发将带来更大的经济效益。因为现在使用c a d 软件进行产品设计在提高 了工作效率的基础上，同样面临重复劳动所占比例过大的问题。如：出零件图纸和手工设 计计算的时间占到整个设计时间的六成，产品开发时间被不断压缩，设计人员迫于推出新 产品的时间压力，通常只对原产品进行简单修改。由于产品设计的要求千差万别，企业所 拥有的设计资源和设计环境也不相同。为了使引进c a d 软件适应本企业的产品特性和实 现产品专业化设计流程，以及企业在更高层次上进行c a d 技术的应用与推广，对三维 c a d 系统的二次开发已迫在眉睫【12 1 。在这种情况下，从2 0 0 5 年开始包括太重集团在内的 国内一些大型企业集团和研究院校开始致力于进行c a d 软件的二次开发方法研究，并已 经取得一定成果，带来了经济效益。笔者本人也曾参与该项目的开发，深切感受到了进行 c a d 软件二次开发后设计人员重复劳动大量减少带来的便利。在众多c a d 软件中由美 国参数化公司( p t c ) 开发的p r o e n g i n e e r 因为具备全尺寸约束等诸多优点而在目前的市场 上占据主导地位。但是目前我国p r o e n g i n e e r 的二次开发技术研究起步较晚，目前还处于 技术的成形阶段，没有得到广泛推广和应用【1 3 。14 1 。这就更需要企业和高等院校及科研机构 联合，投入精力填补该领域的空白，为我国制造业的优化发展贡献力量。 本文基于以上考虑，重点研究了p r o e n g i n e e r 二次开发的主要方法。文中以p r o t o o l k i t 和v c + + 为基础，以直接换档变速箱( d i r e c ts h i f tg e a r b o x ，简称d s g ) 为应用对象，研究 1 西安理工大学硕士学位论文 开发了基于p r o e n g i n e e r 的d s g 快速设计及设计数据管理软件。 1 2 汽车自动变速器发展现状 在汽车自动变速器行业中，欧洲、美国、日本处于全球领先地位。其中欧洲特别是德 国由于其汽车工业发展历史悠久，诞生了包括大众、奔驰、宝马、奥迪等众多全球顶级品 牌。目前，这些顶级厂商在变速器领域都把自动变速器作为其发展的重点。自动变速器具 有操作容易、驾驶舒适、能减少驾驶者疲劳的优点，已成为当代轿车配置的一种发展方向 1 5 l 。特别是大众公司于2 0 0 2 年1 1 月，发布了一款具有划时代意义的6 档自动变速箱 d i r e c t s h i f t g e a r b o x ( d s g ) ，2 0 0 3 年一季度首次将d s g 装备于g o l f r 3 2 ，并且在随后的一 年中更多的车型装备了这种新型自动变速箱。这种变速箱称为直接换档变速箱，由双离合 器式结构取代了传统的液力变矩器，奇数档和偶数档分别由两个独立的离合器控制，换档 迅速【6 - 7 1 。 总体来讲，当前汽车自动变速器主要有以下三个主要发展方向【l 孓m 】： 一是汽车自动变速器向多档位方向发展，5 档或者6 档自动变速器将逐步取代4 档自 动变速器的主导地位。档位多使变速器具有更大的速比范围和更细密的档位之间的速比分 配，从而改善汽车的动力性、燃油经济性和换档平顺性。 二是采用多电磁阀方式控制换档，明显改善换档质量。尤其是换档电磁阀数量的增加 使得换档电磁阀完全取替了节气门油压和速度油压对d 档位升降档的控制。 三是通过改造油泵、优化液压控制系统提高变速器传动效率。自动变速器在结构上主 要由液力变矩器、油泵和机械齿轮传动机构组成。此外，通过传动机构类型多样化设计， 结构细部的设计改进，多排行星齿轮组合机构，优化齿轮特性参数和支承结构等技术改进。 由以上介绍可以得知，本文涉及的d s g 融合了大量最先进的技术，代表了目前汽车 自动变速箱的发展方向。 1 3c a d 软件二次开发技术发展 图1 - 1 专用c a d 系统 f i g1 - 1e s p e c i a lc a ds y s t e r m 任何通用的c a d 软件，甚至面向某一类对象的专用的、商品化的c a d 软件，都难 以满足形形色色具体产品设计的需要。所以，一个公司欲全面采用c a d 技术，并取得积 2 1 绪论 极效果，应以引入的c a d 系统为基础，根据本公司的实情，进行程度不同的用户化、本 地化的二次开发，形成具有本公司特色的产品设计c a d 系统【l7 1 。其结构如图1 - 1 所示。 有效的二次开发是c a d 发挥效能的关键环节。我国许多企业引进了国外知名的c a d 系统，但往往未得到充分的利用，企业对c a d 的巨额投资，并没有真正( 或全面) 达到提 高设计质量、缩短设计周期的目的，也没有带来应有的效益。究其原因，是未进行产品应 用和管理方面的二次开发。据抽样调查和外商统计，国内己引进的c a d c a m 系统利用 率高、效益好的单位大约在2 0 左右。所以，可以毫不夸张地说，没有进行用户化、本 地化的二次开发，就没有真正意义上的c a d c a m 技术的有效应用。所以，二次开发问 题是目前国内推广c a d c a m 所面临的一个重要课题之一【1 8 】。 、 从2 0 世纪9 0 年代开始，美国、日本及我国台湾地区等地的一些企业开始进行c a d 软件，主要是a u t o c a d 的二次开发研究与应用【1 9 】。其主要研究方面包括：建立参数化图库、 产品设计智能化开发技术和特征映射器的开发技术【2 1 1 。目前对a u t o c a d 等传统c a d 软件 二次开发技术的研究已经比较成熟。 p r o e n g i n e e r ( 下文简称为p r o e ) 特别是其2 0 0 2 年发布的野火版二次开发研究，到目前 为止无论国内外都还没有完全成形的体系。一个原因是p r o e 二次开发研究起步较晚，第 二个原因就是当前p r o e 系统本身提供了丰富的二次开发工具【2 2 。2 3 】，开发工具的众多，在 丰富了开发方法的同时也给开发人员的选择增加了难度。常用的工具主要有以下五个：族 表( f a m i l y t a b l e ) 、用户定义特征( u d f ) 、p r o p r o g r a m 、j - l i n k 、p r o t o o l k i t 。 族表( f a m i l y t a b l e ) ：通过族表，可以方便的管理具有相同或相近结构的零件，特别适 用于准标零件的管理。族表通过建立通用零件为父零件，然后在其基础上对各参数加以控 制生成派生零件。整个族表是通过电子表格来管理的，所以又被称为表格驱动。 用户定义特征叫d f ) ：用户定义特征是将若干个系统特征融合为一个自定义特征，使 用时作为一个整体出现。系统将u d f 特征( 幸g p h ) 文件保存。u d f 使用特定产品中的特定 结构、有利于设计者根据产品特征快速生成几何模型。 p r o p r o g r a m ：p r o e 软件对于每个模型都有一个主要设计步骤和参数列表一 p r o p r o g r a m 。它是由类似b a s i c 的高级语言构成的，用户可以根据设计需要来编辑该模 型的p r o g r a m ，使其作为一个程序来工作。通过运行该程序，系统通过人机交互的方法来 控制系统参数、特征出现与否和特征的具体尺寸等。 j - l i n k ：j - l i n k 是p r o e 中自带的基于j a v a 语言的二次开发工具。用户通过j a v a 编程 实现在软件p r o e 中添加功能。 p r o t o o l k i t ：p r o t o o l k i t 同j - l i n k 一样也是p r o e 自带的二次开发工具，不过它是基于 c 语言的。p r o t o o l k i t 能实现与p r o e 的无缝集成，是p r o e 自带的功能最强大的二次开 发工具【2 8 】。它封装了许多针对p r o e 底层资源调用的库函数与头文件，借助第三方编译环 境进行调试。p r o t o o l k i t 使用面向对象的风格，在p r o e 与应用程序之间通过函数调用来 实现数据信息的传输。 3 西安理工大学硕士学位论文 图1 2p r o t o o l k i t 开发模式 f i g1 - 2m o d e so fp r o t o o l k i td e v e l o p i n g p r o e 的二次开发工具p r o t o o l k i t 为应用程序提供了两种工作模式：一是异步模式， 二是同步模式。此二者关系如图1 2 所示。异步模式指无须启动p r o e 就可以单独运行 p r o t o o l k i t 程序的方式，在一般情况下很少使用；同步模式是p r o t o o l k i t 程序必须与p r o e 同步运行的情况，同步模式包含动态链接库( d l l ) 模式和多进程模式两种。在d l l 模式 下，p r o t o o l k i t 应用程序与p r o e 运行在同一进程中，它们之间的信息交换是通过直接函 数调用实现；多进程模式是将用户的程序编译为可执行文件，p r o t o o l k i t 程序和p r o e 运 行在各自的进程中，它们之间靠消息系统来完成信息交换。从本质上来说，p r o e 与 p r o t o o l k i t 应用程序的接口就是p r o e 系统调用p r o t o o l k i t 应用程序的途径，p r o e 系统 与p r o t o o l k i t 应用程序通信方式是接口实现的关键之一，可以采用d l l 方式实现两者之 间的通信。 结合前面对d l l 及p r o t o o l k i t 程序中对其的使用可以总结出，在二次开发中使用 d l l 主要具有以下几个优点： ( 1 ) 可以采用多种编程语言来编写 这样可以发挥多种不同语言的优势。p r o e 提供了p r o t o o l k i t 和j - l i n k 两种语言类开 发工具，目前对于j - l i n k 的研究还处于真空状态，但是实际上其有着广阔的利用空间，只 有使用d l l 才能实现这两种开发工具的完美结合，这也将是笔者后期研究的重点。 ( 2 ) 增强产品的功能 因为每一个d l l 都是单独的模块，可以针对不同的模块分别升级而不影响其他模块 的使用。如同前一点所讲到的，使用多种语言编写，势必不可能编译为同一个模块，因此 必须使用d l l 来保证可以分别或者同时调用它们。 ( 3 ) 节约磁盘空间和内存 如果多个程序需要访问同样的功能，那么可以将该功能以d l l 形式提供，这样在机 器和内存中只需要分别保存和调用该d l l 一次就足够了。 从现在面向对象程序开发技术的发展及实际需要出发，p r o t o o l k i t 是目前使用最为广 泛的p r o e 二次开发工具。实际上，国内有不少科研单位已经或正在进行利用p r o t o o l k i t 4 1 绪论 进行二次开发的系统研究工作。例如，合肥工业大学进行了开发p r o e 用户化菜单的技术 和实践方面的研究，即研究如何在p r o e 中加入用户自定义的菜单【2 4 】；合肥经济技术学院 提出了通过p r o e 二次开发来利用工程数据库进行特征造型的方法；南京航空航天大学的 陈辰等参与开发的是一个较为完整的轴类零件设计( 三维模型) 、零件出图、零件加工( 加工 刀轨代码生成1 系统，让一些通用设计的过程实现自动处理，以减轻设计人员的工作量【2 5 】； 北方交通大学机械与电子工程学院进行的是基于p r o e 的内燃机车三维标准件库的建立 方面的研究，该系统采用p r o e 为平台，利用其强大的参数化造型技术和二次开发模块 p r o t o o l k i t ，建立内燃机车三维标准件库，以适应机车新产品的设计与开发，提高p r o e 系统的实用程度【2 6 】；清华大学精仪系c i m s 中心则提出基于p r o e 系统开发面向并行工程 的c a d 系统1 2 7 】；北京科技大学针对自动装配提出了初步的方法，但是该方法仅针对两个 零件的简单约束有效，并没有形成系统【2 0 1 。 从国内相关领域的研究可以知道，目前我国基于p r o t o o l k i t 进行p r o e 二次开发研究 主要具备以下几个特点： ( 1 ) 基础应用研究较多 对于菜单操作的研究，诸如：添加、删除、修改等已经非常成熟，此外对按钮的操作 研究也频繁的出现在相关文献中。 ( 2 ) 参数化技术较成熟 目前国内关于使用参数化技术开发标准件库的相关文献相对较多，但是对于参数化技 术的进一步应用，即变型技术的相关研究却止步不前。在本文1 4 小节，笔者将对变型技 术进行详细介绍。 ( 3 ) 高级应用研究范围狭小 当前，对p r o e 二次开发的工作除了基本应用外，大多局限在参数化领域。实际上仅 仅p r o t o o l k i t 就提供了近千个函数，j - l i n k 也提供了多语言开发方法，也就是说，进行p r o e 二次开发可以完成很多种工作，包括自动装配等，但是目前与这些方面有关系的研究还基 本处于空白状态。 ( 4 ) 对新技术使用不够 软件开发技术更新速度非常快，仅仅数据库连接技术就先后经历了多个阶段，但是现 在很多从事p r o e 二次开发的人员还在使用o d b c 这种上一代的数据库连接技术，而对 m i c r o s o f t 最新推出的a d o 应用技术有所介绍的相关文献目前仅仅只能找到一篇。 基于以上分析，本文将重点进行变型设计技术、自动装配、采用a d o 技术的零件库 建立等方面的方法论研究。 1 4 参数化及变型设计技术的发展 自从p t c 公司于1 9 8 5 年推出参数化c a d 系统p r o e n g i n e e r 以来，参数化设计技术 才真正受到工程技术界和学术界的重视，各大计算机软件公司相继推出自己的参数化 c a d 系统或在原有系统上增加参数化功能，展开激烈的竞争。近几年来，以m i t 较早期 5 西安理工大学硕士学位论文 的研究成果为基础，以p r o e n g i n e e r 的参数化造型系统为先驱，参数化设计技术得到了迅 猛的发展。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化 几何模型的构造。参数化设计一般是指设计对象的结构比较定型，可以用一组参数来约定 尺寸关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应，设计结果的修 改受到尺寸驱动。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，成为 初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较和动态设计的有效手段【3 0 】。当前国内 很多高校已经针对不同产品开发出相应的参数化系统 3 1 - 3 3 】，但是这些系统一般集中于标准 件的建立，即便有针对具体装配体的，也只能应用于某一个型号，或者对不同型号开发不 同的程序，导致工作量很大。 基于对参数化技术的改进，出现了变型设计技术。该技术是关于设计方法和过程的一 种分类定义，指提取以存在的设计和设计计划，做特定的修改以产生一个和原设计相似的 新产品，这种更改一般不破坏原设计的基本工作原理和基本结构特征，是一种参数的修改 或者局部特征的调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本的产生新产品以满 足不断变化的市场需求【2 9 1 。从而避免了参数化程序开发时重复性劳动多的缺点又继承了 其快速建模的优点。 一般来讲，产品的变型设计主要有如下两种基本形式： a 纵向变型设计 主要指产品的主要功能参数发生变化，并在参数变化的前提下，产品的尺寸规格和局 部结构发生调整。 b 横向变型设计 主要指在原有模型基础上改变零部件而扩展或改变了功能的变型产品。 尽管目前产品变型设计技术的研究才刚刚起步，但是根据参考文献【8 】中的统计，在实 际的设计工作中有7 0 属于适应性设计特别是变型设计，因此如何提高变型设计阶段的 工作效率将成为今后研究工作的重点。 1 5 零件库的发展及其研究现状 据有关资料报道，采用c a d 零件库技术可以将新产品设计时间缩短一半以上，产品 的生产成本减少2 0 以上【3 7 1 。零件库是供计算机辅助设计使用的，有各种常用、通用的 机械标准件或通用件信息组成的一种典型数据库，它是为满足用户的计算机辅助机械设计 要求，在计算机系统中按一定的数据模型格式组织、存储和使用互相关联的标准件( 或零 件) 数据信息集合。将设计中可能用到的零部件信息存放到一起，其数据采用标准的格式 进行描述，有专用的管理系统进行管理，设计人员可以进行检索、访问，并提供与c a d 系统的标准接口，设计人员可以方便地将检索到的信息纳入设计文件中，这种系统称为零 件库系统。对于三维造型软件，零件库是指符合某种标准或用户定义的三维零件数据的集 合，以及相应的操作方法所构成的c a d 软件子系统【3 8 】。 零件库是c a d 技术的重要组成部分，是实现计算机辅助设计与制造、计算机数据集 6 1 绪论 成、先进制造等技术的基础。它将各种标准件或零件的信息存放在一起，并配有管理系统 和相应c a d 标准接口的软件系统。用户可以对零件库进行查询、检索、访问、提取所需 的零件( 产品) 信息，供设计、制造等工序使用。机械产品的设计离不开各种标准件和通用 件的使用，主流三维c a d 平台，如：p r o e 、u g 、m d t 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 等，功能 十分强大，几乎都配备了标准件库模块。但是，大多数c a d 系统本所包含的标准件种类 及数量非常有限，不能满足工程设计人员的需求。因此，为了得到符合我国国标或各行业 行标的标准件库和通用件库，许多研究单位和部门都在各种c a d 平台上利用其提供的二 次开发接口进行了二次开发。华中科技大学开发了用于齿轮c a d 系统设计的标准零件库。 该标准零件库包含了齿轮传动设计时所用的各种零部件，在用户输入必要的功能参数后， 该c a d 软件根据优化设计理论能自动生成符合设计要求的齿轮传动系统，包括装配图和 零部件图。北京斯泰普产品数据技术中心开发的基于a u t o c a d 平台的标准零件库包括螺 栓、螺钉、螺母、键、销钉、轴承、齿轮、弹簧”等二十七类，三百余种标准件系列。南 京航空航天大学c a d 中心所开发的标准件库，分为系统数据总库、临时文件库和用户数 据库。允许用户建立自己的常用零件库并对该零件库的记录进行删除、插入、增加等操作。 用户零件库中的零件记录均来自系统数据总库，总库中的记录不能进行任何更改。东北大 学欧磊公司则在用自动化接口开发了标准件库。西北工业大学也开发了龙腾实用化三维标 准件库系统和c a t l a 下的标准件库。总之，零件库的二次开发大大方便了工程设计人员， 提高了设计效率，但就目前己开发的各种零件库而言，仍存在许多不足之处，归纳起来主 要有以下两点： 1 零件库与c a d 系统不独立 一般针对专门的c a d 系统，可移植性和软件复用性差，不同的c a d 平台需要开发 不同的零件库系统，每种零件库系统只能在特定的c a d 平台上使用； 2 扩充性差 目前的零件库大多不提供扩充工具，少数提供扩充工具的系统也是要求用户在原来的 基础上按照既定的零件分类方式对零件库进行扩充，用户无法按照自己的需要对零件库进 行扩充。用户不能根据需要方便地添加零件；而且一般包含的标准件种类及数量十分有限， 使用很不方便，不能满足设计人员的需求。 一般来讲，零件库系统应具有以下四点要求： 1 与具体c a d 系统集成的能力：可与主流c a d 系统无缝集成； 2 系统稳定可靠，具有开放性：可以根据自己的专业需要将行业或企业的标准件或 非标常用件方便地扩充入库； 3 具备良好的人机交互界面及交互功能：用户可以方便地从库中调出所选择的三维 标准件或通用件模型用于部件装配； 4 具备良好的数据管理功能：用户能够便利地对零件库进行管理，对库中零件能够 进行删除，重新编辑等操作。 7 西安理工大学硕士学位论文 v i s u a lc + + 可以支持多种数据库管理系统( d b m s ) ，尤其是m i c r o s o f i a c c e s s 、m i c r o s o f t s q ls e r v e r 和o r a c l es e r v e r 等流行的d b m s 。许多d b m s 都提供s q l 语言接口，而s q l 语言可以直接在s u a l c + + 系统中运行。同时v i s u a lc + + 系统还包含了开发数据库应用的 全方位支持，其对数据库的支持已经可以与p o w e r b u i l d e r 、d e l p h i 、v i s u a lb a s i c 、f o x p r o 等系统软件相媲美，甚至在对某些特性的支持上还超过了这些技术【3 5 3 6 1 。用v i s u a lc + + 来开发数据库应用程序可以分为两类：一类是在用v i s u a lc + + 开发的应用程序中需要对数 据库进行访问；另一类是利用v i s u a lc + + 作为数据库应用程序的前端开发工具。相比较而 言，机械c a d 软件开发人员更为关注第一类问题，在v i s u a lc + + 中提供了多种访问技术 o d b c 、d a o 、o l ed b 、a d o 等，以达到对所需数据进行有效读、写的目的，其中 o d b c 技术、a d o 技术在v i s u a lc 抖中应用最广泛。但是就通过v c + + 使用a d o 技术实 现p r o e 系统与数据库的连接而言，目前国内所做的相关工作很少，仅在参考文献【3 4 】中 有简单介绍。 因此，本文采用a d o 技术，结合p r o t o o l k i t 提供的变量和函数，开发了基于p r o e 平台的d s g 零件库，不仅是对数据库新技术在p r o e 二次开发领域的一次很好的尝试， 同时也满足了零件开发的四点要求。 1 6 论文的研究目的、意义及主要内容 1 6 1 论文的研究目的、意义 当前机械工业特别是汽车工业领域内p r o e 已经被大量使用，因此对其进行二次开发 以更好的提高使用效率成为了迫在眉睫的工作。基于此，本论文的研究工作主要为了解决 如下问题： a v c + + 与c 语言混合开发方法 从面向对象角度出发，一个二次开发程序应该是基于c + + 语言，采用m i c r o s o f t 公司 的v c + + 平台进行编写的。虽然在其他领域的v c + + 平台程序开发过程中，调用c 语言的 函数是很常见的行为。但是如1 3 小节所述p r o t o o l k i t 整体都是采用c 语言语法编写，这 就不是简单调用几个函数的问题，而是需要全面考虑、整体设计的。因此，必须找到一个 转换的载体，让这些c 语言的变量和函数具备面向对象开发的性质，从而提高程序本身 的使用效率。从目前c + + 语言的发展情况判断，这个载体只能是类。所以，软件开发过 程中类的设计及其对象的实现是本文研究的重点之一。 b 变量相互关系 从对现有文献了解知道，当前在p r o e 二次开发领域对句柄仅仅停留在做为函数输入 值的使用层面，但是对p r o t o o l k i t 提供的诸多句柄并没有一个整体的，方法性的认识。 因此结合w i n d o w s 程序开发理论及对p r o t o o l k i t 的深入研究，对句柄提供一个全面的解 释是本文研究的重点和难点之一。 c 参数化模型建立及程序开发 参数化技术是当前c a d 技术重要的研究领域之一。运用参数化建模可以完成零件的 8 1 绪论 自动化建模，而所要提供的只是一些基本的设计参数。从而减少设计过程中的大量重复性 的工作，大大提高工作效率。但是已有的基于p r o t o o l k i t 的参数化程序开发存在一定不 足。因此，如何改进现有参数化技术来更好的提高各种零件的建模效率是本文研究的重点 之一。 d 数据库与p r o t o o l k i t 的集成使用 目前基于w i n d o w s 的数据库应用已经非常广泛，但是通过m i c r o s o f t 最新推出的a d o 技术实现在v c + + 和p r o t o o l k i t 平台上的p r o e 系统与数据库的连接在国内还基本处于空 白，因此在d s g 上实现此二者的集成使用也是本论文的重点和难点。 e 自动装配技术 采用传统的手动方式装配大型装配体是一个复杂的过程，而且对于结构近似的装配 体的重复装配过程显然浪费了大量工作时间，因此提出自动装配方法是非常有必要的。自 动装配方法的开发依赖于对p r o t o o l k i t 函数的综合运用，而p r o t o o l k i t 提供了多达近千 个函数，因此如何合理的运用它们开发出自动装配程序是本文的重点和难点。特别是结合 了数据库技术后，可以利用系统的计算和分析功能从数据库中自动选取相关的零件完成装 配可以极大地提高装配设计的工作效率，这种以v c + + 为平台，融合数据库技术和 p r o t o o l k i t 高级应用的二次开发方法具有重要的理论意义和实用价值。 1 6 2 论文主要内容 本论文根据内容主要包括7 个章节，其每章内容概括如下： 第1 章阐述了c a d 软件二次开发的研究现状及本课题的背景、意义： 第2 章主要介绍本课题涉及的d s g 的技术情况及其参数计算方法； 第3 章主要介绍了软件系统的总体结构，分支模块及关键的支撑技术的研究与实现； 第4 章主要介绍了d s g 的零件库模块开发； 第5 章主要介绍d s g 的自动装配模块开发； 第6 章是应用的实例； 第7 章是本文的结论和展望。 如图1 3 所示为本文的工作流程，也是p r o e 二次开发软件编写的一个系统流程。该 流程总共分为三个步骤： 第一步是初始分析步骤。这个步骤是整个程序开发的基础。在这个过程中，程序开发 人员需要了解到用户的需求，并获取相关资料，对系统架构进行设计。这部分的工作对应 于本文的第2 章和第3 章。 第二步是程序开发阶段。这个步骤要利用前面获得的资料，开发出满足用户需求的先 进产品。这部分工作对应于本文的第4 章和第5 章。 第三步是维护阶段。在这个过程主要是针对软件中无法避免的b u g 以及新的问题提 出解决方法。这对应于本文的结论和展望章节