（机械设计及理论专业论文）轴类产品设计及工程图自动生成技术与实现.pdf

南京航窄航天人学坝l 学位论史 y 主2 10 0 摘要 ：计算机技术与机械制造技术相互渗透，产生了计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 这样一f 综合性的应用技术，它具有高智力、知识密集、综合性强、效益显著等特 点，它是实现设计制造自动化、增强企业竞争能力、加速国民经济发展和国防现代 化建设的一项重要技术。 本文以作者参与丌发的通用抽羞丝型设计及制造系统( g s d m ) 为例，介绍了轴 类产品设计与工程图自动生成的实现技术；着重探讨了基于p f o e 平台的二次开发 技术、g s d m 系统的总体设计及其中两个子模块：轴零件自动生成模块以及工程图纸 自动生成模块的实现技术；详细介绍了模块程序开发中用到的j a v a 技术、数据库 技术及轴类零件设计的工程背景知识等。 基于p r o e 平台的g s d m 系统的成功实现，大大提高了设计人员在轴类零件快速 生成、模型复用及工艺设计等方面的工作效率，缩短了设计时间。同时也为如何在 现有的c a d c a m 软件的基础上进行必要的二次开发以提高通用软件在一些特殊场合 的使用效率探索出了一条通途。 关键词：c a d c a m ，g s d m ，p r o e ，二次开发 轴类产品设计及工程图自动生成技术与实现 a b s t r a c t t h ei n f i l t r a t i o no f c o m p u t e rt e c h n i q u ea n dm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eg i v e s b i r t ht ot h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ( c a d c a m ) i ti sas y n t h e s i s a p p l i c a t i o nt e c h n i q u ew i t hc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hi n t e l l i g e n c e ，k n o w l e d g ed e n s e n e s s ， s t r o n gs y n t h e s i sa n dp r o m i n e n c eb e n e f i t i ti sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u et or e a l i z ea u t o m a t i c m a n u f a c t u r i n g ，e n h a n c et h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i o nc a p a b i l i t y i tc a na c c e l e r a t ee c o n o m y d e v e l o p m e n ta n dc o u n t r yd e f e n s ec o n s t r u c t i o n t a k i n gt h e g e n e r a ls h a f tm o d e lf o rd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ( g s d m ) f o re x a m p l e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h er e a l i z i n gt e c h n i q u eo fs h a f tp r o d u c t i o nd e s i g na n de n g i n e e r i n g d r a w i n ga u t o m a t i cg e n e r a t i o n ；i tp u t se m p h a s i so ng s d ms y s t e mc o l l e c t i v i t yd e s i g na n d t w os u b m o d u l e so fi t ：s h a f tm o d e la u t o m a t i cg e n e r a t i o nm o d u l ea n de n g i n e e rd r a w i n g g e n e r a t i o nm o d u l e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n i q u eb a s e do n p r o e ，t h ej a v at e c h n i q u e ，d a t a b a s et e c h n i q u ea n de n g i n e e r i n gd e s i g nk n o w l e d g e ，w h i c h a r eu s e di nt h e d e v e l o p m e n to f g s d m s y s t e m t h es u c c e s so fg s d m s y s t e mb a s e do np r o ew i l le n o r m o u s l yi m p r o v et h ew o r k i n g e f f i c i e n c yo fd e s i g n e r si nm o d e lr a p i dg e n e r a t i n g ，m o d e lr e u s ea n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s p l a n n i n g i tw i l ls a v ed e s i g nc i r c l et i m e a l s oi th a sf o u n dag o o dw a yt oi m p r o v et h e e x i s t i n gc a d c a ms o f t w a r ed e s i g nc a p a b i l i t yi ns o m ee s p e c i a lo c c a s i o n sb yd o i n gt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t k e yw o r d ：c a d c a m ，g s d m ，p r o e ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i i 南京航空航天人学砸j 学位亡苦立 第一章绪论 1 1 引言 计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 是用计算机系统执助产，土、修 改、分析和优化设计及制造的一门综合性的应用技术，它具有高智力、知识密集、 综合性强、效益显著等特点。它不是传统设计、制造流程的方法的简单映像，也不 是局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具，而是将计算机科学与工 程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设 计、制造的全过程中各尽所长，尽可能的利用计算机系统来完成那些重复性高、劳 动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完 成整个过程。c a d c a m 系统以机算计硬件、软件为支持环境通过各个功能模块( 分 系统) 实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、仿真以及n c 加工。 1 2c a d c a m 技术的发展概况 c a d c a m 技术起源于5 0 年代的航空工业随后逐渐延伸到航天、汽车、造船、 机械、电子、轻工、建筑工程设计、服装设计等领域，覆盖了包括设计绘图、几何 造型、工程分析、数控加工编程、加工和装配过程模拟等范围，是多学科的综合。 近4 0 多年来，工业发达国家的c a d c a m 技术不断创新、系统不断完善，逐渐发展 形成了一个从研究开发、生产制造、推广应用到销售服务一条龙的高技术产业。c a d 技术由二维绘图、三维线架、参数化和变量化特征造型发展到支持混合造型的行为 建模乃至动作建模，同时促进了模型真实感渲染、有限元分析、机构仿真计算等相 关技术的发展；c a m 技术则朝着以提高加工效率、质量和可靠性为前提，以基于知 识的加工、自动化n c 和基于毛坯残留知识三大技术为基础的智能n c 的方向发展， 并形成了一系列比较完善的加工方法和相对优化的加工策略为制造业的高效率、 高精度提供了强有力的保证。 经过几十年的探索，计算机辅助造型技术已发展到特征造型和参数化、变量化 设计阶段。为实体模型向产品模型的转化铺平了道路。同时，c i m s 、并行工程、 虚拟制造等设计制造模式的发展，使得产品模型必须实现全生命周期中的信息共 享、各种模型数据的转换和网络传输等问题。这些都对计算机辅助造型技术提出了 更高的要求。 从产品设计的角度看，随着c a d 、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一 步发展，人们对设计过程会有更深的认识，对设计思维的模拟也将达到新的境界 传统的设计方法必然会朝着多元化、一体化的方向发展，人机交互方式也将变得更 加自然，创新设计的手段更为先进和有效。 从整个产品设计与制造的发展趋势看，并行设计、协同设计、智能设计、虚拟 轴类产品设计及工程图自动生成技术与实现 设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。 随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息化的要求下，必然朝着数字化、集成 化、网络化、智能化的方向发展，计算机辅助工业产品设计的发展趋势必然与上述 发展趋势相一致，最终建立统一的设计支撑模型。 1 3 论文的选题背景和研究内容 本论文的完成背景是美国联合技术研究中心( u t r c ) 发起的m a s c ( m o d e li n g ， a n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n dc o m p u t a t i o i l ) 合作研究项目。本课题是对于m a s c 概 念和方法的一次应用，并以特定的轴类原型系统为例，在p r o e 软件平台上成功开 发了通用轴类设计及制造系统一g e n e r a l i z e d s h a f t m o d e lf o r d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g ( g s d m 系统) ，该系统主要的任务是为工程人员在设计时提供高速、 方便、自动、有效的工具以及知识数据库以达到参数化模型的快速生成、模型复用 并最终自动给出工艺方案。 虽然当今的商业c a d c a m 软件在几何造型方面都已经具备较强的功能，但是就 产品设计而言，当前的c a d 软件还不能很好地满足需求。即使是对于那些相对简单 的轴类零件来说，设计过程以及制造方案的确定仍然是单调而费时的。设计人员要 生成一个轴类c a d 模型( 不管是运用草绘、拉伸还是旋转的方式产生) 必须要完成 很多步骤：首先他们要根据自己的工程设计知识来计算尺寸，确定轴类零件的详细 结构，然后他们需要翻阅设计手册，计算零件的强度并查找相应的标准进行校核。 此外，虽然目前大多数c a d 软件已经有了实现三维实体模型n - 维图纸生成功能的 相应模块，但是借助这些模块也只能自动生成基本的三视图，而对于一张有实用 价值的工程图纸来说还有很多工作是软件不能自动完成的( 例如生成横断面视图、 标注尺寸、设置表面光洁度、设置公差以及标注技术要求等) ，这就需要用户通过 人机交互来实现，这些人机交互操作将花费根多时间。同样的情况也发生在制定零 件的加工工艺上，用户必须一步一步设计出详细的加工工序，这对于那些缺乏实际 工作经验的设计人员来说，是很难完成的一项任务。 由上述问题出发，本课题诣在研究如何在现有的c a d c a m 软件基础上，通过开 发新的模块，增强此类软件的功能，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。课题以特定的轴类原型系统为 例，在美国参数技术公司( p t c ) 设计的三维c a d c 圳软件p r o e 平台上开发并实 现了通用轴类模型设计及制造系统( g s d m ) 。该模块使得用户只要依据设计向导( 较 为友好的用户界面) 填入少量的数据，就能根据强度要求自动给出轴的合理结构、 自动装配分拆轴上的组件、自动生成对应的工程图纸、自动生成加工代码以及自 动实现零件的质量优化等功能。该系统能自动决定轴上各段的尺寸包括长度和直 径。只要按照有限的步骤就能生成与固定联轴器、滚动轴承以及飞轮相适应的轴： 轴的尺寸、材料、精度以及表面光洁度。这样生成的轴模型是由尺寸驱动的，用户 南京航空航天又学硕士学位论文 可以根据轴的尺寸参数以及其它相关参数对轴进行修改，这对于轴的设计和加工都 有很大好处。同时，轴上的联轴器、滚动轴承以及飞轮等组件也能根据轴结构的改 变而产生相应改变。此外无须用户干预，模块可以根据零件的模型自动实现工程 图纸的生成：可以在恰当的图纸位置生成轴的各种视图、剖面图、尺寸、表面光洁 度、公差以及技术要求。 借助于该系统，轴的加工工艺规划可以由基于工程知识的应用程序自动生成： 加工轴的相关知识由软件储存并进行处理。用户只要进行少量的几步操作就可以得 到加工方案的表单。如果用户对结果不满意的话，他可以在软件向导的指引下对结 果进行修改。该模块的实现使得用户可以减少设计所花费的时问、费用以及工作量， 而且可以将设计误差降低到最小的程度。此外，该软件模块还在出图模块中实现了 中英文互译，这有利于实现全球化设计和制造的目标。 课题开发的程序在p r o e 中是一个相对独立的模块，它符合p r o e 软件的风格， 可以实现与软件其它模块的无缝集成。课题开发的程序使得轴的设计和加工都变得 更加合理和方便。应用该软件系统，设计人员或者工程师可以在较以往少得多的时 间内完成特定轴类零件的设计及加工任务。 本文将详细讨论m a s c 系统的实现方案及相关技术，并着重介绍其中两个子模 块：轴零件模型自动生成模块和工程图纸自动生成模块。 轴类产品设计及工程图自动生成技术与实现 第二章通用轴类设计制造系统的总体设计 2 1 系统的总体功能分析 由于轴类产品的系统种类繁杂，因此本课题目前只研究其中一种简化模型如 图2 一l 所示。 图2 一l 轴的简化模型示意图 针对上图所示的轴类系统，一般采用的设计步骤为：首先，确定初始工作条件， 包括电机的功率、转速，轴承的支撑跨度，飞轮的孔径及其在轴上的纵向尺寸；然 后，根据工作扭矩选择联轴器并进行联轴器性能的分析与校核( 可选) ；再由选 定的联轴器及轴的工作载荷选择轴承；最后由联轴器、轴承、飞轮的几何尺寸及相 应的跨度及经验公式确定轴的几何尺寸，对轴进行性能校核( 可选) ，生成轴的实 体模型。 根据轴类零件的设计特点，g s d m 系统设计为具有以下功能： 装配尺寸自动协调；强度性能分析；三维造型与显示；二维工程图纸自动绘制； 生产工艺单自动生成；标准件、原材料的统计等。整个系统采用向导化的用户接口， 具有使用方便、操作直观的特点，在具体使用上符合工程设计人员的思维习惯。软 件使用的大致过程如图2 2 所示。 向导1向导2向导3向导4 输入： 选择：输入：输入： 工作扭矩 联轴器型飞轮内径、 各装配处 选择： 号、进行联宽度、及在 轴的形位 轴器性能轴上的位 公差、粗 轴的材料 校核置轴承跨 糙度、热 距轴的长 处理等要 度 求 uuuj i i参数处理、逻辑分析、输出结果 n i统一产品数据库 圈2 2 软件使用过程及逻辑结构 南京航空航天大学硕士学位论文 在简单快捷的用户界面背后，软件在逻辑处理上使用了大量经验公式和推理作 为知识支持。由于p r o e 是基于参数化的c a d 软件，为经验公式的运用及参数驱动、 动态建模提供了便利。系统针对轴的特点，从产品设计的角度定义了如下主要参数： 轴上各分段的直径和长度，轴上键槽的几何尺寸轴与联轴器的配合尺寸，各分段 的尺寸公差、粗糙度、材料等工艺参数。通过使用公式和推理来对参数进行驱动， 实现了辅助设计的自动化。用户通过简单地点击命令按钮，轴的二维工程图、生产 工艺单等均可自动生成。 程序通过对人工思维逻辑的模拟，实现了对标准件数据库的自动查询、装配件 之间尺寸的自动协调以及产品性能校核的内嵌支持减轻了设计人员的工作强度， 避免了不必要的人为误差。 使用g s d m 系统前后，设计过程如图2 3 、图2 4 所示： 图2 3 使用g s 硼系统前轴的设计过程 轴类产品设计及工程例自动生成技术与实现 图2 4 使用g s d m 系统后轴的设计过程 2 2 通用轴类设计制造系统的总体结构设计 2 2 1 开发环境及工具 g s d m 系统是在w i n d o w sn t 操作系统下，在p r o e 软件平台上进行开发的，开 发工具包括j - l i n k ，p r o t o o l k i t 以及o r a c l e 。 1 ) p r o e 软件概述 p r o e n g i n e e r ( 以下简称p r o e ) 是美国p t c ( 参数技术公司) 发布的一种参数 化建模软件。自1 9 8 8 年以来，p r o e 经过1 0 余年的发展，已经成为三维建模软件 的领头羊( 本课题在研究过程中使用的是2 0 0 0 i 2 版) 。和其它三维设计软件相比较， 它具有两大突出特点： 全相关性：p r o e n g i n e e r 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品j l ： 发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有 的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开 发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能所 以能够使丌发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型：p r o e n g i n e e r 使用用户熟悉的特征作为产品几何 6 南京航守航天大学硕士学位论文 模型的构造要素。这些特征是些普通的机械对象，并且可以按预先设置 很容易地进行修改。 日前p r o e 已有2 0 多个模块，功能十分强大，其中包括p r o d e s i g n l e r ( 工业 设计模块) 、p r o a s s e m b t 。y ( 模型装配模块) 、p r o d r a w i n g ( 工程绘图模块) 、 p r o f e a ，r t ；r e ( 特征造型横块) 、p r o p d m ( 数据管理模块) 以及二次开发工具包 p r o 1 o o l k i t 、j - l i n k 等等。 2 ) w i n d o w sn t 操作系统 w i n d o w sn t 是一种最通用的操作系统，功能强大而且十分稳定。大多数c a d c a m 软件公司都采用w i n d o w sm 作为软件运行的平台，这其中包括著名的p r o e ，u g i i ， c a t i a 等等。虽然g s d m 系统是在w i n d o w sn t 环境下编写的，但是由于绝大部分代 码是用j a v a 语占编写，所以该系统具有跨平台特眭可以运行在其它操作系统中。 3 ) p r o e 二次开发工具 p r o e 软件向用户提供了二次开发工具包：i - l i n k 和p r o t o o l k i t ，其中j - l i n k 是p r o e 提供的j a v a 语言a p i 函数包，使用它可以访问一个p r o e 会话的内部组 件并定制p r o e 模型。g s d m 系统的绝大部分的程序都用j a v a 语言编写，因为j a v a 语言具有跨平台特性，这使得编写的程序有更好的通用性，可以不受操作系统的约 束。p r o l o o l k i t 是p r o e 提供的c 语言a p i 函数包。由于j l i n k 在自动生成工 程图纸以及生成加工工艺等地方有很大的不足，难以达到相应的功能要求，所以系 统的上述部分程序采用p r o t o o l k i t 编写。 下面对这两种开发工具进行详细介绍： j - l i n k 是p r o e 推出的新的二次开发工具，开发人员可以运用它来扩展、 定制和自动处理p r o e 的一些功能。j l i n k 又是一个面向对象、独立于平台且 向上兼容的、基于j a v a 的应用程序接口，它的与操作平台无关的特性使得开发 人员用它编写的程序代码可以运行于例如n t ，s u n ，h p ，s g i 等不同的操作系统 上。用户使用j - l i n k 开发的应用程序可以与p r o e n g i n e e r 工作任务( 应用程 序) 相关联，也可咀关联到某个特殊的模型( 模型程序) 上。在模型重建等事 件的执行期间，j - l i n k 开发的应用程序能让用户控制p r o e 模型的行为。例如， 无论何时重建模型，j - l i n k 应用程序都可以调出特定的用户界面，来收集用户 输入的信息，并可以从数据库中提取相应的信息。j - l i n k 可以在后台调用 t o o l k i t 函数，因此t o o l k i t 可以实现的功能一样可以在- l i n k 得到实现。 j - l i n k 能让用户具体实现以下功能： 定制用户界面 处理文件其中包括检索文件、重命名文件等 处理窗口和视图，包括打开和关闭窗口、刷新视图、以及旋转模型 获取和处理参数、尺寸和关系 处理特征，包括压缩、恢复和重排特征 轴类产品设计度工程图自动生成技术与实现 建立和处理组件系列表 旋转和处理几何图形 处理层 访问和处理部件，包括生成材料清单和替代组件 “侦听”特征创建等事件，并应用这些事件来触发动作 输出i g e s 、d x f 、绘图文件等多种格式文件 但是，h 前版本的j l i n k 还存在以下功能上的欠缺： 冲突检测 u d f 布置 出蚓模块( d r a w i n g ) 接门( 刨建视图，增加表格等) 装配模块( a s s e m b l y ) 接口( 重定义约束) 失败提示及恢复 用户界面工具包 异步模式 运行a p p l e t 程序( 已签名的a p p l e t 及其插件) 因此，在开发过程中还需要借助t o o l k i t 来实现上述功能。 p r o t ( ) o l k i t 是p t c ( 参数技术公司) 为p r o e 提供的一个c 语言的客户定 制工具。p r o t o o l k i t 使得用户或者第三方能够通过编写c 语言程序对p r o e 的功能进行扩展，通过这种方法生成的程序可以实现与p r o e 的无缝集成。在 p r o t o o l k i t 中，p t c 向用户提供了大型的c 语言函数库，通过调用这些底层函 数，用户能方便而又安全地访问p r o e 的数据库及内部应用程序，进行定的 二次开发，扩展一些特定功能。 使用动态连接库( d l l s ) 是将p r o t o o l k i t 应用程序代码整合进p r o e 的 种标准方法。当p r o t 0 0 l k i t 应用程序的c 代码进行编译的时候，会产生一 个目标( 库) 文件，p r o e 每次启动时就会将该目标库链接到p r o e 的执行体 卜。这种应用程序的执行方法称为“d l l 模式”。 p r o t o o l k i t 还支持第二种应用程序的执行方法：多进程模式。在这种模式 中，p r o t o o l k i t 应用程序代码经过编译和链接后形成一个独立的执行体。这 个执行体山p r o e 生成，并作为p r o e 会话的子进程被执行。在d l l 模式中， p r o t o o l k i t 应用程序和p r o e 的通讯是通过函数的直接调用实现的。在多进 程模式中，这种程序阃的通讯是由一个跨进程消息系统模拟函数直接调用所产 生。这个消息系统在两个进程中通过传递必要的信息以识别函数及其成员变量。 多进程模式包含了比d l l 模式更多的信息交换，尤其是当p r o t 0 0 l k i t 应 用程序频繁调用p r o t 0 0 l k i t 函数库时，因此在编写g s d m 系统模块程序的时候， 南京航空航天大学硕。l 学位论文 我们尽可能避免使用这种方法。开发人员可以采用d l l 模式或者多进程模式束 运玎p r o 7 1 0 0 l k i t 应用程序而无须改变该程序的c 代码。同时也可以在一个 p l o e 会话中运行多个p r o t o o l k i t 应用程序，而这也与采用的模式无关。 如果采用多进程模式，就可以更为方便的对自己编写的应用程序进行编译 调试。而当开发人员将该程序交给终端用户使用的时候，就应该采用d l l 模式， 因为软件在d l l 模式下的执行性能更好+ 些。但是，在d l l 模式下进于j 调试时， 需要格外小心，任何应用中的程序错误都会造成内存溢出，而且在不同模式下 表玑出不同的特征，因此当选择d l l 模式时很容易产生些“新”的错误。 虽然多进程模式包括了并行运行的几个进程，但这些进程问并不能提供完 全并行的处理，因此，另外一种整合p r o t o o l k i t 应用的方法可以提供这种并 行处理的能力，称为“异步模式”( d l l 模式以及多进程模式都是同步模式) 。 一个异步模式的p r o t 0 0 l k i t 应用程序和一个同步模式下的p r o t o o l k i t 应用 程序在基本结构上是不同的，在编写系统模块程序时我们选用同步模式作为编 写程序的默认模式，因为异步模式在使用时将会十分困难，只有在遇到不可避 免的原因时，才采用异步模式( 在g s d m 系统中没有采用异步模式) 。 4 ) 数据库开发工具o r a c l e o r a c l e 是一种大型的数据库软件，我们将必要的数据存在建立起来的o r a c l e 数据库中，应用程序借助三层结构来管理和操作这些数据。开发环境如下图2 5 所示： 2 5 开发环境示意图 图 在以上的开发环境中，我们开发了轴类制造和设计软件系统( g s d m ) 。用户可以 根据不同的权限对数据库中的数据进行相应的操作。这些数据可以在整个模型中得 到共享。这使得该系统更为安全、稳定以及高效。 2 2 2 用户管理 对于系统及数据来说，安全性是相当重要的。我们为用户管理建立了一个库。 当p r o e 运行轴类设计模块启动时首先将鉴定用户身份。只有象管理员这样的用 户才有权利管理以及修改系统的数据库，管理其中存放的关于联轴器，材料，设计 参数以及加工参数等重要数据。普通受限的用户只能浏览以及引用这些数据库中的 数据，而无法对此进行修改及管理这就使得设计过程更为合理及安全。 9 轴类产品i 5 计及工程图自动生成技术与实现 2 2 3 数据流程 轴的设计及制造系统的数据流程如下图2 6 所示： 图2 - - 6 系统数据流程 2 2 4 数据库结构 系统采用j a v a 技术实现三层结构模型，三层结构如图2 7 所示： 用户服务层邮s e ts e r v i c et i e r 这是终端用户实际看到以及使用的界面 应用服务层啊e bs e r v i c et ie r 该层运行在w e b 服务器上，相应用户的请求例如数据查询以及数据存储。这一 层负责在用户层和数据层间传递数据。 数据服务层d a t as e r v i c et i e r 数据服务层是负责存储系统中的所有数据并提供读写数据的界面。 南京航空航天大学硕士学位论文 用户服务层 j d b c 二 应用服务层 数据服务层 图2 7 三层结构模型图 这种结构有如下优点： 数据存储在后台数据库中，终端用户不能直接对数据进行操作。这就增加了系 统的安全性，而且诸如联轴器、材料、机床以及工具等的数据可以在协同设计中得 到共享。 这种结构使得数据库操作与其它功能相独立，使得程序更加清晰，更适合维护 及扩展。 用户提出数据请求的时候，返还给用户的不是数据流而是运行结果，这就降低 了网络的数据负载，提高了运行速度。 2 3 通用轴类设计制造系统的功能设计 g s d m 系统包括三个主要部分： 第一部分生成联轴器标准件数据库以及实现联轴器分析功能： 第二部分生成参数化轴的实体模型： 第三部分生成轴零件的加工方案以及给出加工刀轨文件。 这几个部分可以分解成如下若干模块： 1 ) 联轴器选择、分析模块 首先联轴器的设计必须尽可能地符合a s m e 的标准，因此系统建立并生成联轴器 标准件数据库，该数据库包括以下类型的联轴器：渐开线型、轴键型以及方形面型 ( 目前我们开发的g s d m 系统只包括这三种联轴器类型，其它种类的联轴器可在今后 进行适当扩充) 。用户可以观察联轴器的模型并能在数据库中选择各类参数，通过 改变参数值来对模型进行修改。用户还可以自己定义那些没有标准可以提供的参 数。当用户确定了应选用的联轴器后再根据专家知识、经验公式对该联轴器的性 能进行分析和校核。这主要包括以下几点： 扭矩校核 轴娄产品设计艟t 程幽自动生成技术与实现 根据材料的许用应力及联轴器的相关尺寸计算联轴器的最大承载扭矩，并与系 统要求的工作扭矩相比较。 转速校核 根据经验系数以及联轴器的直径尺寸计算联轴器的最大转速值，并与系统要求 的额定转速相比较。 寿命校核 根据联轴器的当量扭矩，工作扭矩咀及理想寿命计算联轴器的最大寿命。 用户可以在从标准件数据库中选择或修改联轴器之后，随时查看联轴器的上述 性能分析结果，并可将分析结果进行保存，作为以后对该联轴器进行优化的依据。 2 ) 特征参数化造型模块 该模块涉及生成基于加工目的的参数实体轴模型。采用设计向导形式进行参数 化轴的建模，向导使用一个友好的界面指导用户一步一步地进行设计，使得设计过 程既快速又方便。用户可以在创建的同时观察轴实体模型并通过改变参数值来修改 该模型。 3 ) 图纸自动生成模块 该模块根据特征参数化造型模块生成的参数实体轴模型，由程序自动生成符合 国际标准( a s m ey 1 4 5 m ) 的工程图纸，包括生成相应的视图、尺寸公差标注、注 释标注等。在图纸产生过程中，与轴相关的设计和制造信息如尺寸、表面精度、公 差和图纸说明都由程序自动生成在图纸上。 4 ) 工艺规程自动生成模块 这一模块可以让制造工程师进行基于参数化特征的工艺设计。首先程序自动对 参数化轴类零件进行特征识别，将特征的几何信息和制造信息写到中性描述文件 中，然后根据此文件中信息与数据库进行相互作用，得到轴类零件的加工工艺过程 和工艺加工简图。该模块为轴的加工和工艺规划建立一个参数化的框架。该框架能 够根据修改轴模型而进行自动调整并更新工艺规划。在该模块中，使用现有的基本 切削刀具及夹具数据库，用户也可咀自行定义该库。该框架已经包含了足够的信息 来生成工艺表单、选择夹具以及生成n c 代码。该模块可以实现从设计到制造的无 缝衔接。 5 ) 全球制造模块 该模块是为了开发一种系统的轴定义方法以解决多文化背景及不同地域在产品 设计及制造方面的影响，这包括实现中英语言、中美设计和制图标准等的转换，也 包括中英之间绘图符号、注释和设计说明的语言转换，尺寸的英制和公制的换算， 材料的替代，公差、容差粗糙度等的中美标准间的转换等等。该模块的实现可以减 少设计人员的工作量，提高图纸转换的质量、效率及可靠性，提高了设计产品的通 用性。 6 ) 系统管理功能模块 南京肮字航天大学埘士学位论空 确保系统数据的安伞性是非常重要的，本模块就是负责专门的用户管理，当 p o e 开始启动轴类零件设计模块时，系统即开始检查用户的身份。只有系统管理 员和授权的用户才有权管理和操作数据库，如联轴器标准件库、材料库、参数化轴 的工艺知识库等一般用户仅能使用和浏览数据。这一模块确保设计程序更加可靠 和安全。 g s d m 系统功能模块菜单如图28 所示。 图2 8g s d m 系统功能模块菜单 2 4 通用轴类设计制造系统的实现技术 g s d m 系统是以关系数据库为基础，并在p r o e 软件平台上用二次开发工具 p r o j l i n k 及p r o t o o l k i t 进行开发的在此简要介绍一下丌发中所涉及到j a v a 技术及数据库技术 2 4 lj a v a 语言简介 j a v a 是一种跨平台，适合于分布式计算环境的面向对象编程语言具体来说， 它具有如下特性：简单性、面向对象、分布式、解释型、可靠、安全、平台无关、 可移植、高性能、多线程、动态性等下面重点介绍3 a v a 语言的面向对象、平台 无关、分布式、多线程，可靠和安全等特性。 1 ) 面向对象 所有面向对象编程语言都支持三个概念：封装、多态性和继承，j a v a 也不例外。 现实世界中的对象均有属性和行为，映射到计算机程序上，属性则表示对象的散据， 轴类产品设计及工程图自动生成技术与实现 行为表示对象的方法( 其作用是处理数据或同外界交互) 。所谓封装，就是用 一个自主式框架把对象的数据和方法联在一起形成一个整体。可以说，对象是支持 封装的手段是封装的基本单位。j a v a 语言的封装性较强，因为j a v a 无全程变量， 无主函数，在j a v a 中绝大部分成员是对象，只有简单的数字类型、字符类型和布 尔类型除外。而对于这些类型，j a v a 也提供了相应的对象类型以便与其他对象交互 操作。 多态性就是多种表现形式，具体来说，可以用“一个对外接口，多个内在实现 方法”表示。举一个例子，计算机中的堆栈可以存储各种格式的数据，包括整型， 浮点或字符。不管存储的是何种数据，堆栈的算法实现是一样的。针对不同的数据 类型，编程人员不必手工选择，只需使用统一接口名，系统可自动选择。运算符重 载( o p e r a t o r o v e r l o a d ) 一直被认为是一种优秀的多态机制体现，但由于考虑到它 会使程序变得难以理解，所以j a v a 最后还是把它取消了。 继承是指一个对象直接使用另一对象的属性和方法。事实上，我们遇到的很多 实体都有继承的含义。例如，若把汽车看成一个实体，它可以分成多个子实体，如： 卡车、公共汽车等。这些子实体都具有汽车的特性，因此，汽车是它们的“父亲”， 而这些子实体则是汽车的“孩子”。j a v a 提供给用户一系列类( c l a s s ) ，j a v a 的 类有层次结构，子类可以继承父类的属性和方法。与另外一些面向对象编程语言不 同，j a v a 只支持单一继承。 2 ) 平台无关性 j a v a 是平台无关的语言是指用j a v a 写的应用程序不用修改就可在不同的软硬 件平台上运行。平台无关有两种：源代码级和目标代码级。c 和c + + 具有一定程度 的源代码级平台无关，表明用c 或c + + 写的应用程序不用修改只需重新编译就可以 在不同平台上运行。 j a v a 主要靠j a v a 虚拟机( j v m ) 在目标码级实现平台无关性。j 是一种抽象 机器，它附着在具体操作系统之上，本身具有一套虚机器指令，并有自己的栈、寄 存器组等。但j w 通常是在软件上而不是在硬件上实现。( 目前，s u n 系统公司已经 设计实现了j a v a 芯片，主要使用在网络计算机n c 上。另外，j a v a 芯片的出现也会 使j a v a 更容易嵌入到家用电器中。) j v m 是j a v a 平台无关的基础，在j v m 上，有一 个j a v a 解释器用来解释j a v a 编译器编译后的程序。j a v a 编程人员在编写完软件后， 通过j a v a 编译器将j a v a 源程序编译为j w 的字节代码。任何一台机器只要配备了 j a v a 解释器，就可以运行这个程序，而不管这种字节码是在何种平台上生成的。另 外，j a v a 采用的是基于i e e e 标准的数据类型。通过j v m 保证数据类型的一致性 也确保了j a v a 的平台无关性。 j a v a 的平台无关性具有深远意义。首先，它使得编程人员所梦寐以求的事情( 开 发一次软件在任意平台上运行) 变成事实，这将大大加快和促进软件产品的开发。 其次j a v a 的平台无关性正好迎合了“网络计算机”思想。如果大量常用的应用软 南京航空航天大学硕j 学位论文 件( 如字处理软件等) 都用j a v a 重新编写，并且放在某个i n t e r n e t 服务器上，那 么具有n c 的用户将不需要占用大量空间安装软件，他们只需要一个j a v a 解释器， 每当需要使用某种应用软件时，下载该软件的字节代码即可，运行结果也可以发回 服务器。 3 ) 分布式 分布式包括数据分布和操作分布。数据分布是指数据可以分散在网络的不同主 机上操作分布是指把一个计算分散在不同主机上处理。 j a v a 支持w w w 客户机n 务器计算模式，因此，它支持这两种分布性。对于前 者，j a v a 提供了一个叫作u r l 的对象，利用这个对象你可以打开并访问具有相同 u r l 地址上的对象，访问方式与访问本地文件系统相同。对于后者，j a v a 的a p p l e t 小程序可以从服务器下载到客户端，即部分计算在客户端进行，提高系统执行效率。 j a v a 提供了一整套网络类库，开发人员可以利用类库进行网络程序设计，方便 得实现j a v a 的分布式特性。 4 ) 可靠性和安全性 j a v a 虽然源于c + + ，但它消除了许多c + + 不可靠因素，可以防止许多编程错误。 首先j a v a 是强类型的语言，要求显式的方法声明，这保证了编译器可以发现方法 调用错误，保证程序更加可靠；其次，j a v a 不支持指针，这杜绝了内存的非法访问； 第三，j a v a 的自动单元收集防止了内存丢失等动态内存分配导致的问题；第四，j a v a 解释器运行时实施检查，可以发现数组和字符串访问的越界，最后，j a v a 提供了异 常处理机制程序员可以把一组错误代码放在一个地方，这样可以简化错误处理任 务便于恢复。 由于j a v a 主要用于网络应用程序开发，因此对安全性有较高的要求。如果没有 安全保证，用户从网络下载程序执行就非常危险。j a v a 通过自己的安全机制防止了 病毒程序的产生和下载程序对本地系统的威胁破坏。当j a v a 字节码进入解释器时 首先必须经过字节码校验器的检查，然后，j a v a 解释器将决定程序中类的内存布局 随后，类装载器负责把来自网络的类装载到单独的内存区域，避免应用程序之间相 互干扰破坏。最后，客户端用户还可以限制从网络上装载的类只能访问某些文件系 统。上述几种机制结合起来，使得j a v a 成为安全的编程语言。 5 ) 多线程 线程是操作系统的一种新概念，它又被称作轻量进程，是比传统进程更小的可 并发执行的单位。c 和c + + 采用单线程体系结构，而j a v a 却提供了多线程支持。 j a v a 在两方面支持多线程。一方面j a v a 环境本身就是多线程的。若干个系统 线程运行负责必要的无用单元回收，系统维护等系统级操作；另一方面，j a v a 语言 内置多线程控制，可以大大简化多线程应用程序开发。j a v a 提供了一个类t h r e a d ， 由它负责启动运行，终止线程，并可检查线程状态。j a v a 的线程还包括一组同步原 语。这些原语负责对线程实行并发控制。利用j a v a 的多线程编程接口开发人员 轴娄产品设汁及工程图自动生成技术与实现 可以方便得写出支持多线程的应用程序，提高程序执行效率。必须注意地是，j a v a 的多线程支持在一定程度上受运行时支持平台的限制。例如，如果操作系统本身不 支持多线程，j a v a 的多线程特性可能就表现不出来。 2 4 2o r a c l e 数据库软件简介 o r a c l e 是一个d b m s ( 关系数据库管理系统) ，它维护了一个数据库，提供了多 级安全保障，提供了确保数据完整性的手段、处理并发事件并提供了一种语言接口。 o r a c l e 在它的s y s 和s y s t e m 模式中维护数据字典。s y s 和s y s t e m 模式贮存在s y s t e m 表空间中。o r a c l e 提供一个数据库级的注册管理、如果需要可以进行操作系统级验 证并可以进行角色、权限和简档验证，它还通过权限和角色，提供了使用普通a n s i s q l 授权和撤销的能力。 o r a c l e 为每个主键都生成唯一的索引。用户可以随意地为一个外键创立索引。 o r a c l e 也提供了常用的s q l 约束和触发器来处理其他的完整性问题。在缺省情况下， 在行级上加锁、或者可自由选择在块级上加锁。行级锁可带来更好的并发性，尤其 在o l t p 应用中。重做日志存储在数据库外郎、并被系统缓存出来，存放在系统全 局区中( s g a ) 。撤销( 回该) 的数据存储在数据库中，并同样缓存到系统全局区中。 o r a c l e 是与条目级s q l - _ 9 2 兼容的，也就是说它能满足最新的a n s is q l 标准 的第一级。o r a c l e 促供了s q l * p l u s 、这是一个交互的s q l 命令解释器、它也能运 行非交互的脚本以及称为p l s q l 的过程化程序s q l 语言，存储过程和触发器被写 进p l s q l 中。 o r a c l e 还提供预编译( 对于嵌入s q l ) 和3 g l 函数调用接口，称作o r a c l e 调用接 口( o r a c l e c a l li n t e r f a c e (