（机械制造及其自动化专业论文）基于proe平台的冲模标准零件库的开发及其研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着p r o e n g i n e e r 软件在模具设计与制造中的广泛应用，对 p r o e n g i n e e r 进行二次开发成为模具行业倍受关注的热点研究课题。 本课题研究开发了基于p r 0 e 平台的冲模标准零件库。使用p r o e 的族表 ( f a m i l yt a b l e ) 功能，设计创建了冲模标准零件模型库；然后利用p r o e 二次 开发工具p r o t o o l k i t ，在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下，采用v i s u a lc + + 6 0 编程语言， 在p m e 界面主菜单中重新定制了用户新菜单“冲模设计系统”，开发了新建组 件、增加元件等功能。为实现这些功能，编程创建了由十五大类冲模标准零件 组成的冲模设计系统主界面、各大类冲模标准零件具体类型选择界面以及相应 的规格尺寸选择界面，并编制了各类对话框资源文件。通过这些界面可以方便 地实现对各种类型、规格的冲模标准零件的管理。 本文结合标准零件库开发和调试过程中出现的问题，分析研究了p r o e 、 p r o t o o l k i t 、v i s u a lc + + 等在p m e 二次开发中的叵用。在理论上，对p r 0 e 系统 的三维造型、参数化设计方法、f a m i l yt a b l e 功能进行了研究分析；在实践上， 对p r o e 、p r o t o o l k i t 、v i s u a lc + + 进行了具体应用，从而研究开发了界面友好的 基于p r q e 平台的冲模标准零件库，对p 删，e 软件进行了积极有效的探索。 本课题的研究不仅能方便冲模设计，提高冲模设计效率，加快产品更新换 代，提高产品的市场竞争力，而且为开发p r 0 e 软件提供了良好的思路。 关键词：p r o e n g i n e e r ，冲模标准零件库，p r o t o o l k i t ，二次开发 a l a s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r e ，p r o e n g i n e e r , i nm o u l dd e s i g n i n g a n dm a n u f a c t u r i n gi nr e c e n ty e a r s ，t h es e c o n dd e v e l o p m e n to np r o e n g i n e e r i n gh a s b e c o m et h eh o tr e s e a r c ho b j e c t ，t ow h i c hg r e a ta t t e n t i o nh a sb e e np a i db ym o u l d i n d u s t r y t h i sa r t i c l ea i m sa tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd i es t a n d a r dp a r t sb a s eo n t h ep l a t f o r mo fp r o e w i t ht h ef u l lu s eo fp r o ef a m i l yt a b l e ，d i es t a n d a r dp a r t sb a s e h a sb e e nd e s i g n e da n ds e tu p t h e nu n d e rt h es y s t e mo fw i n d o w s2 0 0 0 ，u t i l i z i n gt h e p r o es e c o n dd e v e l o p m e n tt o o l ，p r o t o o l k i t ，a n dt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，v i s u a l c + + 6 0 ，t h ef o l l o w i n go b j e c t sh a v e b e e na c h i e v e d ：n e wm e n uo fd i e sd e s i g ns y s t e m i nt h em a i nm e n uo fp r o ei n t e r f a c e ，n e w - b u i l tp a c k a g e sa n di n c r e a s i n gc o m p o n e n t s t ou t i l i z et h ea b o v e - m e n t i o n e df u n c t i o n s ，t h ef o l l o w i n gi n t e r f a c e sh a v e b e e n e s t a b l i s h e d ：t h em a i ni n t e r f a c eo fd i e sd e s i g n i n gs y s t e mi n c l u d i n g1 5k i n d so f s t a n d a r dd i ep a r t s ，i n t e r f a c ef o r t h es o r t ss e l e c t i o no fs t a n d a r dd i ep a r t s ，i n t e r f a c ef o r d i m e n s i o n ss e l e c t i o na n dr e s o u l c e sf i l e so fd i a l o g u e w i t ht h ei n t e r f a c e su t i l i z a t i o n , i t i sa v a i l a b l et om a n a g et h es t a n d a r dd i e sp a r t so fa l lt y p e sa n dd i m e n s i o n s f o c u s i n go nt h ep r o b l e m si n t h ep e r i o do fs t a n d a r dp a r t sb a s er e s e a r c ha n d d e b u g g i n g ，t h i sa r t i c l ei st oa n a l y z ea n ds t u d yt h eu t i l i t i e so fp r o e ，p r o t o o l k i ta n d v i s u a lc + + i np r o es e c o n dd e v e l o p m e n t i nt h ea s p e c to ft h e o r i e s ，r e s e a r c ha n d s t u d yi np r o et h r e e d i m e n s i o n a lm o u l d i n g ，p a r a m e t e rd e s i g nm e t h o d s ，f a m i l yt a b l e f u n c t i o nh a sb e e nm a d e i np r a c t i c ep r o e ，p r o t o o l k i ta n dv i s u a lc + + h a sb e e n u t i l i z e d t h ed i es t a n d a r dp a r t sb a s eo nt h ep l a t f o r mo fp r o eh a sb e e nd e v e l o p e da n d o fo p e r a t i o n t h ee n e r g e t i ca n de f f e c t u a lr e s e a r c hh a sb e e ne x p l o r e dt op r o e t h es t u d yi sc e r t a i n l yt oa f f o r df a c i l i t i e st od i e sd e s i g n ，t oi m p r o v ed i e sd e s i g n e f f i c i e n c y , s p e e du pt h ep r o d u c t sr e p l a c i n g , b o o s tu p t h e p r o d u c t s m a r k e t c o m p e t i t i v e n e s sa n dt op r o v i d ep r o f i t a b l em e a n si np r o es o f t w a r ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：p r o e n g i n e e r , d i es t a n d a r dp a r t sb a s e ，p r o t o o l k i t ，s e c o n dd e v e l o p m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：了亚筝 汐眸；月f 厂日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：j 监孓 一一一妒 沙归弓月l 厂日 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 日益激烈的市场竞争要求现代企业必须降低成本、高效率地开发新产品， 全面提高对市场的快速响应能力。在模具行业，用户对模具的开发周期要求也 越来越短。在这样的形势下，企业为了自身的生存和发展，增强市场竞争力， 越来越多地采用c a d 技术。p r 0 e 软件是当前广泛使用的三维c a d 软件中的典 型代表，同其他c a d c a m 软件一样，针对具体企业或不同产品，p r o e 软件在 使用过程中也存在着通用性有余，专用性不足的问题，特别是国外c a d ，c a m 软件在产品设计标准、规范及标准件库等方面和国内存在着差异，因而难以最 大效益地发挥软件的功能。 现对p r 0 e 软件的二次开发进行研究，使用p r o e 的二次开发工具 p r o t o o l k i t ，在v i s u a lc + + 编译环境下开发冲模标准零件库系统，将软件的通用 性和具体产品设计结合起来，取得了满意的效果。 1 2 论文研究的背景 c a d c a m 作为产品设计和制造的应用技术，在现代企业的产品创新和制造 中发挥了巨大的作用。近4 0 年的发展历程中，c a d 经历了二维图形到三维模型、 几何造型到参数化特征造型、计算机辅助设计与制造到计算机集成等一系列技 术变革，理论上日益成熟，技术上不断完善，极大的提高了人们的创新设计能 力和产品的制造能力，推动了社会的进步。 由于应用q c a m 技术，模具制造技术发生了巨大的变化，特别是江浙 地区，模具制造业迅猛发展。用c a d c a l m 等先进的信息技术、数控技术改造 和提升了模具制造业，使模具制造业发生了巨大的变革。 在模具行业中所使用的模具c a d j f c a m 的软件有很多，如u g 、p r o e n g i n e e r 、 c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 、s o l i d w o r k s 、c a t i a 、i d e a s 等等。根据实地调查，宁波 及周边地区在模具设计和制造中，广泛采用p r o e n g i n e e r 设计造型。为提高模具 第1 章绪论 设计效率，很有必要对p r o e n g i n e e r 软件进行开发研究。 p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) 软件是由美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 开发的，它采用统一的数据库，集三维实体、曲面造型、 装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、板金设计、 加工和装配工艺过程设计等功能于一体，特别是其全参数和全相关功能强大的 实体造型技术，给传统的设计带来了许多新观念，为设计提供了很大的方便， 缩短了设计周期。但在使用过程中，经常要重复地绘制一些标准零件，如标准 模板、模座、销钉、螺钉等，这些繁锁的重复劳动，使我们提出了本课题。冲 模标准零件库的完成，可以方便模具设计，提高模具设计效率，加快产品更新 换代，提高产品的市场竞争力。 针对不同企业的产品设计特点，对通用软件进行开发具有深远的理论意义。 因为任何通用的c a d c a m 软件，都难以满足形形式式的具体产品设计的需要， 所以有必要以通用c a d 软件作为基础，根据不同单位不同行业的实际，进行不 同程度的二次开发，以提高生产效率，真正发挥c a d 软件的功能。另一方面， 从软件开发商的角度来看，为了提高软件档次，使该软件有更广泛的用户，软 件开发时都考虑设计有该软件的二次开发工具，使更多的用户能使用该软件满 足自己的不同需要。因此，作为叫洲软件的开发应用，具有重要的理论 意义。 选择本课题还具有实际的应用价值。江浙地区工科院校中数控技术应用和 模具设计与制造专业培养的学生主要面向机械、模具制造行业从事模具设计和 数控设备的编程和操作。根据调查，较多的毕业生从事模具洲c a m 工作。 显然，学校教师对模具a 如c a m 的研究，对学生有着直接和长远影响。同时， 很多模具制造企业正在应用p r o e 软件作为模具设计和制造的手段，减轻设计者 的繁重的重复劳动是各企业急需解决的问题。因此，本课题研究对工科院校和 企业具有很大的实用价值。 1 3 国内外相关研究现状 许多模具公司很早就开始重视q 如c a m 技术。1 9 7 3 年美国的d i e c o m p 公司研究成功p d d c 连续模c a d 系统。该系统输入包括数字化的零件图、材料 厚度和材料种类的代码与特性。设计人员可以选择模具结构形式，方便地设计 2 第1 章绪论 凸模、模芯和模架等。该公司利用p d d c 系统提高了设计质量，缩短了生产准 备时间。手工设计需要8 周完成的工作，使用该系统仅需二周便可完成。整个 生产准备时间由1 8 周缩短至6 周，从而增强了公司的竞争能力。1 9 7 7 年捷克金 属加工工业研究院研制成功a k t 系统，可用于简单、复杂和连续冲裁模的设计 制造。该系统使模具的生产周期由原来的一个月缩短至八天，成本降低一半左 右，经济效益十分显著。1 9 7 7 年美国o b e r g 公司报道已采用c a d 系统，设计 制造复杂精密的冲压模具，同时应用计算机数控编程。1 9 7 8 年日本机械工程实 验室建立的m e l 连续模设计系统，和次年日本旭光学工业公司研究成功的设计 冲孔模和弯曲模的p e n t a x 系统，可使模具设计效率提高4 - 1 0 倍。1 9 8 2 年日 立公司建立的冲模c a d 系统使一副连续模的设计时间由平均2 0 天缩短至5 天。 同时，英国、前苏联、意大利等国也进行了冲模c a d c a m 技术的开发和应用， 取得了良好的效果。我国也很重视对冲模c a d 技术的研究与工作。许多高校早 在2 0 世纪8 0 年代初就开始从事这方面的系统研究工作。到目前为止，先后通 过国家有关部门鉴定的有1 9 8 4 年华中理工大学建成的精冲模q 址i c a m 系统， 1 9 8 5 年原北京机电研究所建成的冲裁模c a d q 州系统，1 9 8 6 年华中理工大学、 上海交通大学建成的冲裁模c a d c a m 系统，1 9 9 0 年洛阳工学院建成的冲裁模、 复合模删c a m 系统。近年来，我国自主开发的洲c a m 系统又有了很大 发展，例如上海交大模具c a d 国家工程中心开发的冷冲模c a d 系统等，这些 软件具有适应国内模具的具体情况，为进一步普及模具洲c a m 技术创造了 良好条件。以上这些c a d c a m 系统比较适用于大中型企业。 适用于中小企业使用的并且基于p r o e 平台的冲模c a d 软件深受中小企业 的欢迎。同时也促进冲模c a d 软件系统的不断完善和发展。 1 4 本论文工作和结构 1 4 1 课题的研究内容 本课题是在p r o e 平台上根据冲模设计中常用的标准件建立冲模标准零件 库，为模具行业内的企业进行冲模设计提供实用、可靠的基础库。其主要思路 是：使用p r o e 软件，结合冲模设计对p r o e 软件进行二次开发，使其能根据用 户需要自动生成标准零件，从而方便模具设计，提高模具设计效率，减轻设计 3 第1 章绪论 工作者繁琐的重复劳动，更好地发挥人的创造性。本课题研究开发了基于p r o e 平台的冲模标准零件库。使用p r o e 的族表( f a m i l yt a b l e ) 功能，设计创建了 冲模标准零件模型库；然后利用p r o e 二次开发工具p r o t o o l k i t ，在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下，采用v i s u a lc + + 6 0 编程语言，在p r o e 界面主菜单中重新定制了用户 新菜单“冲模设计系统 ，开发了新建组件、增加元件等功能。为实现这些功能， 编程创建了由十五大类冲模标准零件组成的冲模设计系统主界面、各大类冲模 标准零件具体类型选择界面以及相应的规格尺寸选择界面，并编制了各类对话 框资源文件。通过这些界面可以方便地实现对各种类型、规格的冲模标准零件 的管理。 1 4 2 框架结构 共六章，结构如图1 1 所示。 图1 1 论文框架结构 4 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 2 1三维设计造型方法 几何造型也称几何建模，它是通过计算机表示、控制、分析和输出几何实 体的一种技术。几何造型技术是叫c 叫c a m 系统中的关键技术，几何造型 的功能大小也决定了洲咄c a m 系统的水平高低。 几何造型的方法是将对实体的描述和表达建立在对几何信息、拓扑信息和 特征信息处理的基础上。几何信息是实体在空间的形状、尺寸及位置的描述； 拓扑信息是描述实体各分量的数目及相互之间的关系：特征信息包括实体的精 度信息、材料信息等与加工有关的信息。根据对几何信息、拓扑信息和工艺信 息处理方法的不同，几何造型可分为线框造型、曲面造型、实体造型、特征造 型等。 2 1 1线框造型 线框造型是利用基本线素( 点、线) 来定义、描述实体上的点、轮廓、交 线及棱线部分而形成的立体框架图。用这种方法生成的实体模型仅描述产品的 轮廓外形，在计算机内部生成的三维信息仅包含了点的坐标值以及线与点的拓 扑关系( 即线是哪几点构成的) 。 线框造型方法有以下优点：( 1 ) 构成实体数据是三维的，故可以产生任何 方向视图及轴测图，其视图间能保持正确的投影关系。这点是在二维绘图系统 中不能作到的。( 2 ) 由于造型系统构造单一，描述实体的信息少，数据运算简 单，占用存储空间小，故对计算机硬件系统要求不高，处理时间较短，造型迅 速。( 3 ) 使用方便，就像人工绘图一样自然简单。 线框造型方法也有以下缺点：( 1 ) 不完全性。由于造型采用描述顶点及线 ( 边) 的信息，这对于由平面构成的实体来说，轮廓线与棱线一致，较能清晰 反映实体的真实形状；但对于曲面体，仅有棱边表示形体就不准确了，须加用 轮廓线表示。如圆柱体仅用上下面的圆棱边表示实体就不能完整描述它，须加 轮廓母线边来描述才能完整描述圆柱体。而对于较复杂的曲面体用此种方法就 5 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 无法描述了。( 2 ) 不致性。由于造型时描述实体的信息仅有点的几何信息和 线与点的拓扑关系，而没有描述面与线间的拓扑关系( 即面是由哪些线构成的) ， 故而对它所产生实体的理解不是唯一的。 2 1 2曲面造型 曲面造型是在线框模型基础上定义实体的各个表面或曲面以建立实物模型 的方法。在计算机内部由三个表描述实体，一个是点的几何信息表，二是线与 点的拓扑关系信息表( 即线由哪几点构成的) ，三是面与线的拓扑关系信息表( 即 面由哪些线构成的) 。其中一、二为线框造型中的信息。 常见曲面造型的形式有：平面、用初等函数描述几何形状的面( 如球面、 圆锥面) 、直纹面、旋转面、柱状面、孔斯面、圆角面、等距面、b 6 z i e r 曲面、 b 样条曲面、n u r b sf h l 面。 曲面造型有以下优点：( 1 ) 在描述三维实体信息方面比线框造型较完整、 严密，能够构造出复杂的曲面。如汽车车身、飞机表面、模具外型等。( 2 ) 可 以对实体表面进行消隐、着色显示，也能够计算表面积。( 3 ) 可以利用造型中 的基本数据，进行有限元网格划分，以便进行有限元分析，或利用有限元网格 划分的数据进行表面造型。( 4 ) 可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加 工刀具轨迹。同样，曲面造型也有缺点：( 1 ) 曲面造型理论严谨复杂，故造型 系统使用较复杂，并需一定的曲面造型的数学理论及应用方面的知识。( 2 ) 此 种造型虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，故有时产生对实体二义性的 理解。例如对一个圆柱曲面，它是一个实体轴的面呢，还是一个空心孔的面呢， 就无法区别了。 2 1 3 实体造型 实体造型是在曲面造型的基础上，加入了曲面的哪- n 存在实体的信息， 较为完整地表达了实体的信息。实体造型是利用实体生成方法( 体素法及扫描 法) 产生实体的初始模型，然后通过几何体的逻辑运算( 布尔运算) 最终形成 复杂实体模型的一种造型技术。它主要包括两个部分：一是基本实体生成的方 法：二是基本体之间的逻辑运算。 对于实体造型的信息与线框造型、曲面造型的信息不同，在计算机内部不 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 再只是点、线、面的信息，还要记录实体的体信息。计算机内部表示的三维实 体模型的方法有很多，并且还不断有新的方法出现。常见的方法有实体几何构 造法、边界表示法、混合表示法等。 实体造型的出现，可实现在计算机内部对实际物体形体的完整描述，这种 描述对于产品的结构设计、结构体的工程分析( 即c a e ) 起着至关重要的作用。 但这种造型方法还缺乏实体制造加工的信息，如零件的公差信息、材料信息、 技术要求等信息，使得c a d 系统向c a m 系统传递的实体信息是不完整的。 2 1 4 特征造型 由于实体造型在表达实体信息方面的不完整性，人们又研究出了另一种造 型技术，即特征造型技术。特征造型是建立在实体造型的基础之上，加入了包 含实体的精度信息、材料信息、技术要求和其它有关信息；另外还可包含一些 动态信息，如零件加工过程中工序图的生成、工序尺寸的确立等信息，以完整 地表达实体信息。 特征是一种综合概念，它是实体信息的载体，这种信息是与设计、制造过 程有关的，并具有工程意义。实际中从不同的应用角度可以形成具体的特征定 义。例如从形体造型角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素：从 设计角度看，特征又分为设计特征、分析特征、管理特征等；从加工角度看， 特征被定义为与加工操作和工具有关的零部件形式及技术特征。从特征形成的 顺序及所起作用看，特征又分为主特征与辅助特征。 具有特征造型的c a d 系统，其构成体系是以实体造型为基础，建立各种特 征库。设计产品时，从各种特征库中提取特征来描述产品，构成产品的信息数 据库以形成产品实体。特征造型的种类分为形状特征模型、精度特征模型、材 料特征模型、管理特征模型等。 ( 1 ) 形状特征模型形状特征模型主要包括几何信息、拓扑信息。与实体 造型有所不同，它将形状特征定义为具有一定拓扑关系的一组几何元素所构成 的形状实体，它对应零件上的一个或多个功能要素，能够用固定的加工方法和 工艺条件加工成形。例如对于两个孔，如果一个为小径孔，可以通过一次加工 而成( 钻孔) ，而另一个为大直径孔，需多次加工而成( 车、镗等) ，则这两种 孔就要用不同的形状特征来描述。 7 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 ( 2 ) 精度特征模型它用来表达零件的精度信息，包括尺寸公差、形位公 差、表面粗糙度等。 ( 3 ) 材料特征模型此特征用来表达零件有关材料方面的信息，包括材料 的种类、性能、热处理要求等。 ( 4 ) 装配特征模型它描述零部件有关装配的信息，如配合信息、装配定 位信息、配合公差信息等。 ( 5 ) 管理特征模型它包括与零部件管理有关的信息，如标题栏内的信息， 各种技术要求信息等。 当然，在所有的特征模型中，以形状特征模型为主要的特征，它是其它特 征模型的基础。 特征造型实现方法大致可分为交互式特征定义、特征自动识别与和基于特 征的设计三种。 交互式特征定义是早期的一种特征定义方式，其过程是首先利用实体造型 系统形成实体模型，然后再进入特征定义系统，通过交互式操作在已有的实体 模型上定义特征信息。这种方法简单，但效率低；实体的几何信息与特征信息 没有必然的联系，任一信息发生变化都必须改变其相应的信息内容。 特征自动识别是将设计的实体几何模型与系统内部的预定义特征库中的特 征进行自动比较，从中找出与之匹配特征的具体类型，并选择确定特征的具体 参数，以形成实体的特征造型。它实现了真正的特征造型，实现了实体造型中 的特征信息与几何信息相统一；但该系统是对已存在的实体造型进行特征的识 别与提取，是一种“事后 再定义实体特征，而不是伴随着实体在形成过程中 的“实时特征体现。 基于特征的设计是直接应用系统内部预定义的特征库对产品进行特征造 型。具体地说，设计者可直接从系统的特征库中提取特征并付之各种参数，形 成模型的基本特征单元( 也称特征的实例化) ：一个个基本特征单元的不断“堆 积 ( 即特征的布尔运算) ，最终形成了零件模型的设计与定义。基于特征的设 计系统是应用最广的c a d 系统，它为用户提供了符合实际工程设计过程的设计 概念和方法。 特征造型具有很多特点。特征造型能够更好地表达完整的产品技术信息， 这种信息涵盖了与产品有关和设计、制造、生产管理等各方面，为构造产品模 型统一的数据库提供了技术基础。特征造型使用户面对的不再是点、线、面、 8 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 实体，而是产品的功能要素如定位孔、键槽、拔模面等特征，因而能够更好地 使设计者按照设计思路进行创造性设计。由于特征造型使产品具备统一的数据 库，可提供有关产品各方面的信息，因而便于产品的设计、工艺、加工、检验 等部门之间的联系与交流，并可及时反馈意见进行修改。总之，特征造型给设 计人员提供了一种全新的设计方法和设计思想，极大地提高了设计效率。同时 特征作为产品信息的载体，为产品在整个设计制造中各环节提供了统一的产品 信息模型，从而避免了信息的重复输入。它为洲c a p p c a m 集成化提供了有 效的技术支持。 2 2 参数化设计方法 参数化设计是指在构造产品模型时，模型结构在保持模型拓扑关系不变的 前提下，可随尺寸参数或工程参数的具体数值变化而自动改变，形成新的产品 模型。 参数化技术一般是指设计对象的结构和形状比较定型，可以用一组参数来 约定尺寸关系，参数与设计对象的控制有显示的对应，设计结果的修改受到尺 寸的驱动。参数化以其强有力的草图设计、特征造型、尺寸修改图形的功能， 成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多方案比较、动态设计的有效 手段。并在实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发 挥越来越大的作用。利用参数化设计的技术可以极大地提高零件的设计效率， 避免设计人员繁琐的重复性工作。 目前参数化技术可分为如下三种方法：基于几何约束的数学方法；基于几 何原理的人工智能方法；基于构造过程的方法。 在参数化模型中，约束通常可分为几何约束和工程约束两大类。几何约束 包括结构约束和尺寸约束，其中结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系， 例如，平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标准表示的约束， 如距离尺寸、角度尺寸，半径尺寸等，这些约束是又系统自动搜索出来的隐含 约束；工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过人工定义尺寸变量及它们之间 在数值上和逻辑上的关系表示。 相对应的在参数化设计中，设计人员根据工程关系和几何关系来制定设计 要求：要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸工程参数的初始值，而且要在 9 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类，其一为各 种参数值，称为可变参数。其二为几何元素间的各种连接几何关系，称为不变 参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动地维护所有不 变参数，因此参数值模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的“设 计意图 。 在当前几乎所有三维软件所使用的特征造型方法继承了二维绘图、线框、 曲面、实体的优点，它是针对产品的设计、工艺过程规划、加工、监测等整个 生命周期而提出的一种新的思想，一般来说，特征是一组相互关联的几何实体 所构成的特定形状，每一种特征都对应着一定的功能、工艺、加工和检测方法。 为保证特征修改的灵活性，用基准作为特征之间建立依赖关系的桥梁和中 间媒介，使特征之间的依赖关系变成“特征一一基准一一特征 的依赖关系。 特征修改时可以灵活编辑特征与模型的依赖关系。 基准是构造特征的基本参考框架。几何模型是建立在基准体系上的。某一 基准的改变将带来对象的位置、形状以及几何模型对象的几何关系、拓扑关系、 约束关系的改变。 基准分为基准点、基准轴、基准平面、基准坐标系、基准曲线和基准曲面。 模型力的所有曲线最终都是通过基准曲线来表达，包括二维参数化勾画轮廓、 插值曲线、交线、投影曲线、等距曲线、裁减曲线、组合曲线、几何变换曲线 等。基准曲面是特征曲面的关系外壳，负责记录特征曲面的引用和被引用关系。 通过对基准曲线和基准曲面内含和外延的拓扑，基准基本上可以覆盖系统的几 何对象，这为基准充当特征之间联系的桥梁奠定了基础。 参数化设计是使用约束来实现设计与修改产品的一种方法。约束可以理解 为若干个对象之间的相互关系，即限制一个或多个对象满足一定的关系、条件。 约束分尺寸约束、拓扑约束和工程约束( 如应力等力学参数约束) 。在设计 产品时，将产品的各尺寸参数及拓扑关系、工程参数分为两类，第一类是必须 满足约束的参数，第二类为不受约束限制的参数。这样在设计时，选择确定第 一类参数时，系统会自动检验这些参数间是否满足约束条件，若不满足则给出 提示。在修改产品参数时，参数化设计系统首先判断所修改的参数值是否使产 品满足第一类约束，如果不满足，则说明对产品参数的改变影响了原产品的约 束条件，系统将不会采用这种改变并提出警示：若满足，系统将按参数化模型 来实现产品模型的变更。 1 0 第2 章基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 目前参数化设计分成两种方式：尺寸驱动与变量化设计。尺寸驱动有时也 称狭义参数化设计，它是一种静态的参数化设计，只考虑了设计产品的尺寸约 束及拓扑约束，以控制产品的尺寸与结构。常用于结构形状相同而尺寸不同的 产品设计中，例如大量的标准件、标准夹具件等已标准化或系列化的产品，以 及齿轮、圆柱弹簧等结构确定的产品。尺寸驱动的几何模型由几何元素、尺寸 约束和拓扑约束三部分组成。当需修改某一尺寸时，系统自动检索该尺寸在尺 寸链中的位置，找到它的起始几何元素和终止几何元素，使它们按新的尺寸值 进行调整，得到新模型：接着检查所有几何元素是否满足约束，如不满足，则 让拓扑约束不变，按尺寸约束递归修改几何模型，直到满足全部约束条件。 变量化设计是在设计过程中考虑所有的约束包括尺寸约束、拓扑约束和工 程约束，在确定产品参数时，需要用含有约束方程的方程组联立求解。在包含 有变量化设计的c a d 系统内部，构造了几何参数模型、力学参数模型等包含各 种约束的模型：设计产品时，同时要定义产品模型参数的主约束类型，在设计 产品其它参数或更改参数时，系统将动态实时地求解约束方程组，以求解参数 值来判定是否满足约束方程。变量化设计可以运用于公差分析、运动机构分析、 优化设计、方案设计与选型等更广泛的工程设计领域。目前，在一些专用的 c a d 洲系统设计、开发中常用此方法。 2 3p r o e 系统的三维造型 p r o e 首创了基于特征的、参数化的设计模式，具备有实体造型、曲面造型 模型，并采用单一数据库，为用户提供了方便、快捷的软件系统。应用这种软 件可实现许多现代设计思想，如行为建模、并行工程、虚拟设计等。 p r o e 系统三维实体造型为主要造型模式，设计者的设计结果可用真实模型 表现出来，并可随时进行模型相关物理量如体积、面积、重量、惯性矩等的计 算；另外系统还提供了曲面造型模型，设计者可设计出形状不规则的曲面甚至 自由曲面。这样设计者可充分发挥设计思维，利用实体造型和曲面造型设计出 任何形状复杂的产品来。 p r o e 系统采用单一的数据库，并且系统中的所有模块是完全相互连接的， 因此可从设计出的三维实体模型直接产生二维工程图，也可直接利用零件模型 进行装配；另外设计者在任何一个模块中对产品进行的修改，系统会将这些变 第2 章 基于参数化设计方法的p r o e 三维造型 更自动传递到与此产品相关的各个模块中进行更新，以确保产品数据的正确性 与统一性。 p r o e 系统建立了基于特征的造型技术，它以特征作为产品模型设计的单元， 设计者只要给出特征的参数即可建立起三维模型，并可对特征进行编辑修改如 定义、次序调整、插入、删除等。特征在这里可理解为具有实际意义的元件如 薄壳( s h e l l ) 、圆角( r o u n d ) 、钻孔( h o l e ) 等。 配合单一数据库，p r o e 引入了约束机制，首创了参数化设计模式。在设计 产品模型时可随时对模型参数的尺寸进行修改，则模型就按尺寸的修改发生相 应改变；另外，参数化设计还可建立起模型参数间尺寸的数学关系式，使设计 产品的方法更丰富、更便捷。 冲模标准零件库的开发采用参数化设计方法的实体特征造型，极大地提高 产品设计的效率和质量。 1 2 第3 章p r o e 族表功能的应用 第3 章p r o e 族表功能的应用 p r o e 提供了族表( f a m i l yt a b l e ) 功能，以建立零件族。即在零件设计时， 如果某些零件非常相似，或相似性设计中几何级数的几何相似和半相似产品系 列，可以不必一一单个造型设计，只要设计造型一个样品零件( g e n e r i cp a r t ) ， 使用p r o e 提供的族表功能就可以建立一系列的零件，这些零件组成的集合就称 为零件族。 f a m i l yt a b l e 功能特别适合于标准零件。标准零件中的每一个标准件基本形 状相同，只是尺寸规格不同。使用f a m i l yt a b l e 功能，只需造型设计一个样品零 件及零件族表，即可得到标准零件中所有规格的每一个零件。任何时候，只需 调出零件表内任一个零件的名称，即可自动产生一个按零件族表所示尺寸比例 的零件模型。 冲模标准零件也是标准件，每一个标准件基本形状相似，所以可以使用p r 0 e 的f a m i l yt a b l e 功能设计创建冲模标准零件模型库。 本章主要讨论标准零件族表的建立和使用族表功能设计冲模标准零件模型 库时应注意的问题及建立标准零件族表的技巧。 3 1 标准零件族表的建立 标准零件族表的建立按如下步骤： 1 、造型设计一个样品零件( g e n e r i cp a r t ) 的零件模型( p a r tm o d l e ) 。 2 、选取p a r t - - m o d i f y d i mc o s m e t i c s - - - s y m b o l ，修改各尺寸符号与模具 标准汇编中各标准零件的尺寸符号一致。 3 、选取p a r t - - f a m i l yt a b l e ，进入f a m i l yt a b l e 对话框。 4 、选取增加表列、尺寸( a d di t e m 、d i m e n s i o n ) 。 5 、对照标准零件规格尺寸表中的各尺寸符号，用鼠标左键选取样品零件上 的尺寸。 为方便标准零件尺寸表格的输入，选取样品零件上的尺寸时，先后次序尽 量与标准零件尺寸表中的顺序一致。 1 3 第3 章p r o f e 族表功能的应用 6 、选取增加特征( a d df e a t ) 7 、用鼠标左键选取样品零件上的特征。 建立标准零件族表时，不是样品零件上所有特征都必须选上。但若该特征 在该标准零件的所有规格中不是都存在的，则必须把该特征选上，以便说明该 特征在哪些规格中存在，而在另一些规格中不存在。 8 、启动e x c e l ，输入标准零件的名称和尺寸。 标准零件尺寸按模具标准汇编中冲模标准零件尺寸表输入。输入时应 注意表格中的尺寸与实际造型设计时各特征的相互关系。标准零件的名称可自 行确定，但考虑标准零件库的使用，各个标准零件中子零件一般不要有相同的 名称。 9 、校核标准零件表内的各个子零件。 这一步很重要。因为建立的标准零件库的各个子零件不经过校核，一方面 不能及时发现在设计造型时存在的问题，另一方面会导致建立的标准零件库不 能正常使用。 1 0 、选取“确定 ，完成标准零件族表的建立。 3 2 标准零件族表相关注意事项 标准零件族表相关注意事项如下： 1 、所有子零件( i n s t a n c e ) 都可以作为另一标准零件族表的主零件，即其下 面也可以有一个标准零件表。 2 、所有标准零件族表内的子零件都可以像一般零件一样调出，且自动产生 实体模型，都可以作为装配模型中的一个实体零件，通过指定相关零件之间的 配合关系来进行零件的组合。 3 、所有标准零件族表内的子零件也可以像一般零件的方式产生工程图。 4 、样品零件( g e n e r i cp a r t ) 的修改方式与一般零件相同。 5 、要修改子零件时，须更改零件表内的数据。 3 3 建立标准零件族表的技巧 在建立标准零件族表时，为了使标准零件各个规格的零件都能在同一个标 1 4 第3 章p r o e 族表功能的应用 准零件族表中通过校核，即成为标准零件族表中的各个子零件，必须注意以下 几点： l 、合理地确定标准零件的样品零件的模型。 在建立标准零件族表时，这是很重要的第一步。一个标准零件的各规格的 零件形状可能是相似一致的，也可能有几个特征不同。若标准零件的各规格的 零件形状相似一致，则样品零件可按标准零件中任一规格零件尺寸来造型设计。 若标准零件的各规格的零件形状不一致，在建立该标准零件的族表时必须仔 细分析各规格段的零件形状，设计一个包含各规格段零件形状各特征的零件模 型作为该标准零件的样品零件。如：冲模滑动导向模座的对角导柱上模座，当 凹模周界l x b 2 0 0 1 6 0 时，对角导柱上模座形状如图31 ：当凹模周界l x b 2 0 0 x1 6 0 时，对角导柱上模座形状如图3 2 。该标准零件在不同规格段中零件 形状不同，因此必须设计包含各个规格段中的所有特征的样品零件，经分析、 归纳，对角导柱上模座的样品零件设计为如图3 3 所示的结构形状的特征。该样 品零件包含了标准零件所有规格段所具有的全部特征。在确定零件族表中具体 规格的标准件时，可以通过对零件表内某些特征的有无加以确定，便得到要求 零件的形状。 固31 凹模周界l x b 2 0 0 x 1 6 0 时的对角导柱上模座 第3 章p m e 旗表功能的应用 图33 对角导柱上模座的样品零件 2 、正确绘制三维样品零件的二维截面轮廓。 在对三维样品零件进行特征造型时，对二维截面轮廓，必须利用尺寸标注 和施加相切、固定点、共点、共线、垂直及对称等关系实现对几何图形的全约 束。设计二维截面轮廓时，必须时刻注意各种约束符号，应该有约束的地方不 能缺少约束，但也不能有多余的约束。冲摸标准零件库建立时，有时因为多一 个约束或少一个约束导致零件族表建立失败，或有些子零件在校核时无法通 过。 另一方面，为使建立的零件族表中的每个子零件通过校核，顺利完成零件 第3 章p r o e 族表功能的应用 族表的建立，有时需对某标准零件中的个别标准零件的个别尺寸进行适当的修 改。例如，标准零件中正常的结构形状是两圆弧中间有一小段是直线，但某些 规格的零件，当圆弧半径增大到一定值时，这段直线就缩成一个点，在单个零 件造型设计时，完成可以按实际尺寸设计造型。但利用p r o e 族表功能设计时， 如果按该圆弧半径设计，这个子零件就无法通过校核。因此应适当减少圆弧半 径，哪怕只减少0 5 m m 甚至更小。经过这样的处理，就能顺利完成标准零件库 的建立。 3 、正确设置控制三维样品零件的设计参数