（机械制造及其自动化专业论文）数控机床整机快速设计系统的研究.pdf

摘要 摘要 面对激烈的市场竞争，如何提高产品设计效率，缩短产品开发周期，已成为现代企业的当务 之急。数控机床是高生产率机电一体化的现代化机械设备，对实现高效优质加工的自动化起着决 定性作用。因此研究数控机床的快速设计系统，实现智能化设计有着现实需求。 本文结合由江苏多棱数控机床股份有限公司和东南大学共同承担的江苏省科技基础设施建 设项目“江苏省数控工程技术研究中心”( 项目编号：b m 2 0 0 5 0 0 3 ) ，研究开发了数控机床快速设 计系统。本文在w i n d o w sx p 系统下，以v c + + 6 0 为集成环境，结合参数化设计技术、p r o e 二 次开发以及数据库管理技术，开发了数控机床快速设计系统，实现了智能化设计。本文开发的系 统不仅避免了相似零部件的重复造型，大大提高了产品的设计效率和设计质量；同时本文的研究 有利于推动智能化设计和知识管理在企业的应用和发展。 本文的主要研究内容有： 1 在进行系统体系结构和功能需求分析的基础上，搭建了一个层次化、模块化以及网络化的 数控机床快速设计系统的框架结构。 2 利用p r o e 自带的二次开发工具p r o t o o l k i t ，在v c + + 6 0 集成环境下设计了数控机床快 速设计系统的接口程序和用户界面。 3 通过后台定义零部件之间的装配约束关系，实现了数控机床整机的装配功能。这一功能的 实现避免了人工反复定义复杂约束的繁琐性，可以将参数化设计生成的零部件自动装配起来，生 成数控机床整机装配模型。 4 研究基于c s 模式的数据库管理技术。利用m y s q l 建立数控机床零部件设计知识数据库， 实现对设计知识的继承和重用。 5 p r o e 与m y s q l 数据库接口技术研究。以m y s q l 为后台，v c 椭0 为开发环境，通过 o d b c 接口技术，实现了p r o e 用户对m y s q l 数据库的访问和操作。 关键词：数控机床，快速设计，二次开发，参数化设计，自动装配 东南大学硕士学位论文 a b s t r a ；c t i nt h ef a c eo ff i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n , h o wt oi m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c ya n ds h o r t e nd e v e l o p i n g c y c l eo fp r o d u c t sh a sb e c o m eap r e s s i n gm a t t e ra tt h em o m e n tf o re a c he n t e r p r i s e c n cm a c h i n et o o li s ak i n do fm o d e mm e c h a n i c a ld e v i c ew i t hh i g hp r o d u c t i v i t y , t a k i n gd e c i s i v er o l eo na u t o m a t i cm a c h i n i n g t h u st h er e s e a r c ho nr a p i dd e s i g ns y s t e mo fc n cm a c h i n et o o la n dt h er e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n td e s i g n f i l et h er e q u i r e m e n to f t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sp a r to ft h ep r o j e c to fj i a n g s un u m e r i c a l l yc o n t r o l l i n ge n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c hc e n t e ra st h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r eo fj i a n g s up r o v i n c e ( n o b m 2 0 0 5 0 0 0 3 ) j o i n t l yp r e s i d e db yj i a n g s ud u o l e n gc n cm a c h i n et o o lc o l t d a n ds o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h i ss y s t e m d e v e l o p sa n dr u n so nw i n d o w sx p , t a k e sv c 十卜6 0a st h ei n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e 峨a n d m a k e su s eo ft h ep a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yi np r o ea n dd a t a b a s e m a n a g e m e n t t h em a i nr e s e a r c h e si nt h i sd i s s e r t a t i o na 糟a sf o l l o w s ： 1 t h eh i e r a r c h i c a l ，m o d u l a ra n dn e t w o r k e df r a m e w o r kf o rr a p i dd e s i g ns y s t e mo fc n cm a c h i n e t o o li sc o n s t r u c t e db a s e do na n a l y s i so f r e q u i r e m e n tf u n c t i o na n ds t r u c t u r eo f t h i ss y s t e m 2 i n t e r f a c ep r o g r a ma n du s e ri n t e r f a c e f o rm p i dd e s i g ns y s t e mo fc n cm a c h i n et o o la r e d e v e l o p e d 砸t h eu s eo fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t o o la n dv c h - 6 0 3 t h ea s s e m b l yf u n c t i o ni sa c h i e v e db ym e a n so fd e f i n i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p o n e n t s i nt h eb a c k g r o u n d t h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i ca s s e m b l yc o u l dg e tr i do fd e f i n i n gr e s t r i c t i o n s a g a i na n da g a i na n da s s e m b l et h em o d e l so fc n cm a c h i n et o o la u t o m a t i c a l l ym a k i n gu s eo f t h ep a r t sw h i c ha r ed e s i g n e dp a r a m e t r i c a l l y 4 r e s e a r c h i n gt h ed a t a b a s em a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya n de s t a b l i s h i n gt h ed e s i g nk n o w l e d g e d a t a b a s eb a s e do nm y s q lf o rr e a l i z i n gt h er e u s eo ft h ed e s i g nk n o w l e d g e 5 d e v e l o p i n gt h ed a t a b a s ea p p l i c a t i o nb e t w e e np r o ea n dm y s q lb yu s i n gv c 抖6 0a n do d b c d a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g yi no r d e rt or e a l i z et h ec o m b i n a t i o np r o ea n dm y s q l k e yw o r d s ：c n cm a c h i n et o o l ，r a p i dd e s i g n ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，a u t o m a t i c a s s e m b l y i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。 研究生签名：篓之唆 日期：塑1 2 ：堡笸 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南入学研究生院办理。 研究生签名：j 蠊师签名： 日期： 望噬! 垡：毛。 第一章绪论 i 1 课题研究背景 第一章绪论 随着计算机信息技术的发展，以及全球经济一体化环境的形成，市场竞争越来越激烈。各种 产品日新月异，更新换代的速度不断加快，对产品设计和制造的要求也越来越高。因此，企业只 有降低成本，高效率的开发新产品，才能在日趋激烈的市场竞争中取得胜利。 我国加入世界经济贸易组织以来。机床行业出现的竞争不断加剧。但是相比较而言，我国机 床行业的产品研发情况仍停留在一个相对较低的水平上，主要表现为：产品仿制多，创新少， 市场竞争力不足：设计方法落后，机床结构设计尚处于传统的经验、类比、静态的设计阶段，很 少考虑动、静态特性对机床产品性能产生的影响，因此产品精度低，质量难以保证；设计周期长， 新品开发需反复设计、试制与修改，成功率低，更新换代慢。据我国约2 0 0 0 种机械新产品的抽样 调查，产品开发周期平均为1 8 个月。由此导致的产品交货周期长己成为我国企业在国内外市场竞 争中失利的重要原因，与此形成鲜明对比的是美国在1 9 9 0 年就实现了新产品设计周期3 个星期， 试制周期也仅为3 个月的产品开发能力。经济的飞速发展使产品由卖方市场转变为买方市场，而 且用户的需求多变且因人而异。在此背景下，为了在市场竞争中占据有利的位置，机床企业必须 拥有自己的便于更新的产品设计平台，增强新产品的开发能力和对市场的快速响应能力，以缩短 产品的开发周期。 在市场竞争如此激烈的情形下，产品的生命周期越来越短，客户的个性化程度越来越高，给 企业带来繁重的产品开发任务，设计人员面临很大压力。也就是说机床行业的设计任务不仅有新 产品的开发设计，还有大量的根据用户要求的变型设计和系列设计任务。传统的设计方法是凭借 经验对新产品进行“设计一分析再设计”，该方法存在着致命的缺点：首先不能保证这种设计是 最优的，其次设计过程需要相当长的周期。当前工业面临着市场全球化的新挑战，能在最短的时 间内开发出高质量、高性能的新产品是企业生存的关键，显然传统的设计方法已不再适应今天高 科技社会发展的需要，必须寻找新的设计方法。这一新的设计方法需要根据客户定制的要求，充 分利用数据库里的历史资料，低成本派生出系列产品，快速响应市场需求。 1 2 相关领域的发展概况 1 2 1 快速设计技术的发展现状 快速设计( r a p i dd e s i g n ) 也称快速响应设计( r a p i dr e s p o n s ed e s i g n ) 、敏捷设计( a g i l e d e s i g n ) ，是当前市场在产品多样化、瞬变性等需求形势f 提出并发展起米的。产品快速设计是先 进制造技术发展的产物，是计算机辅助设计与制造技术的发展和延伸，它涉及到并行丁程技术、 产品数据管理技术、专家系统、模块化技术、知识工程、合理化工程技术、产品建模、仿真技术、 价值工程和优化技术等。快速设计的理论和方法主要有参数化设计、异地协同设计、模块化设计、 智能化设计和变型设计等幢。目前快速设计方法重点放在缩短产品的设计时间上，主要是应用在 产品的概要设计和产品的详细设计阶段。 1 9 9 2 年6 月，在c i r p 国际会议上正式提出并行工程技术，在此基础上发展成旨在缩短产品 设计周期的快速设计技术( r a p i dd e s i g nt e c h n o l o g y ) 。美国a u t o f a c t 9 6 以“快速设计与制造 东南大学硕士学位论文 为主题进行了专题讨论，同时。各国纷纷掀起了“快速设计”理论、方法研究的热潮。国外应用 此技术已有大量成功的先例口1 ，如美国克莱斯勒公司开发n e n o 小型汽车，减少了6 3 的工程技术 人员，缩短了2 8 的开发时间；d e c 公司使产品开发时间缩短了6 0 ；通用发动机厂使设计修改量 减少了7 5 等等。1 9 9 8 年，我国机械工程科学基金会开始对“快速设计”进行立项，一些大学与 研究机构开始了对“快速设计”理论的研究。从总体上来说，我国产品快速设计技术的研究还刚 刚起步，还有很多关键技术值得深入研究。 变型设计是实现产品快速设计的主要途径之一。p a h l 和b e i t z 将产品设计分为三种设计形 式，即变型设计、适应性设计和创新性设计。据估计9 0 的设计为变型设计或自适应设计，这意 味着大多数的设计工作可重用以前的产品设计知识。事实上，在产品设计过程中，设计人员常常 是以一种不自觉的形式借鉴、重用已有的设计，但这种重用设计主要依赖于设计人员的经验。目 前的设计软件缺乏重用环境，产品开发过程中由于没有有效的借鉴、重用已有的设计，常常造成 设计过程中重复以往类似( 或同样) 的错误，延长了产品开发时间，增加了产品成本。对数控机 床零部件的变型设计可以通过参数化设计技术来实现，具体步骤如下：通过交互方式对现有的机 床零部件参数化建模，并通过二次开发技术实现对零部件参数的检索、修改以及再生，得到符合 要求的零部件，从而实现数控机床的快速设计。 1 2 2 参数化设计技术的研究现状 参数化设计是1 9 5 9 年由参数化技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o m p a n y ) 提出的一种崭 新的设计理念，是一种基于特征的设计，具有全尺寸约束，全数据相关和尺寸驱动设计修改的特 点。其基本原理是采用三维模型与程序控制相结合的方式来得到需要的模型。参数化设计极大地 改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，能否实现参数化目前己成为评价c a d 系统优劣的重 要技术指标。同时随着市场多品种、多规格的要求，将参数化技术应用到模块化设计也已成为一 种新的技术发展趋势。当前比较成熟的三维参数化设计系统主要基于以下几种软件：s o l i de d g e ， s o li dw o r k s ，m d t 和p r o e ，这些软件都提供了各自的二次开发接口。因为通用的c a d 软件不可 能满足具体产品设计的需要，为了取得更好的效益，只有以c a d 系统为基础，根据本公司具体产 品的特点，进行不同程度的二次开发，形成具有本公司特色的c a d 系统。 国内开发的具备参数化功能的c a d 系统有h 。： ( 1 ) p i c a d z d 是中科院北京软件工程研制中心开发的微机参数化集成工程设计系统。其参 数化功能的主要特点是提供了交互式参量图符设计功能，能进行固定图符和可变图符的嵌套。 ( 2 ) 开目c a d 是华中理工大学开发的。它采用局部求解的参数化设计方法实现参数化设计， 在用户绘图过程中自动记录约束关系，可以通过约束管理器显示、增加和删除约束，支持多余种 约束。其驱动过程明了，速度快，能驱动较为复杂的图形，同时可以方便地指示出过约束、欠约 束情形，给用户明确的指示，且在此情况下仍能正确驱动。这些国内的参数化c a d 系统硬件要求 低，适合我国国情，但其参数化功能尚有不足。 参数化设计技术以其强有力的尺寸驱动，修改图形功能，为初始产品设计、产品建模、系列 化产品设计提供了有效的手段，能够充分满足具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相 关工艺装备的设计需要。参数化技术具有以下三方面的优点： i 。对设计人员的初始设计要求低。无须精确绘图，只须勾绘草图即可，然后可通过适当的约 束得到所需精确图形。 2 便于系列化设计。一次设计成型后，可通过尺寸的修改得到同种规格零件的不同尺寸系列。 3 便于编辑、修改，能满足反复设计需要。当在设计中发现有不适当的部分时，设计者可通 过修改约束而方便地得到新的设计。 温卅i 大学计算机科学与工程学院张长胜崎1 ，通过s o l i dw o r k s 中为用户提供的二次开发接口 2 第一章绪论 a p i ，采用v c + + 调用这些a p i 函数直接访问s o l i dw o r k s ，使用户可以在自己开发的d l l 中实现与 s o li dw o r k s 相同的功能，如完成机床零部件特征的建立、修改、删除和压缩等各项操作。航空 航天大学机电学院张超m 和张益华通过p r o t o o l k i t 和v i s u a lc + + 建立齿轮参数化设计过程，对 p r o e 的二次开发进行了探索。其运用p r o e 的参数化尺寸驱动设计和二次开发模块，以v c 抖为 开发平台，实现了齿轮的参数化设计。该方法尤其适用于某些行业的专用齿轮而又非标准件的设 计，只需输入几个参数，即可生成所需零件，大大提高了设计效率。广西工学院谵炎辉分析了 u g 环境下的系列产品参数化设计的关系式表达法、电子表格法以及基于u g k f 的二次开发等几种 方法，并比较了这几种方法的优缺点。结合钢圈系列产品的结构特点采用基于u g k f 的二次开发 方法，开发了适合于钢圈系列产品的参数化设计。 对于数控机床产品来说，同一系列不同型号的产品，其拓扑结构相对固定，仅是几何形状尺 寸大小不同，或者局部结构稍有不同。因此，在数控机床产品的开发设计中，就可以先进行概念 设计，然后确定零部件参数，并在具备参数化功能的c a d 平台下进行参数化设计。这样就避免了 大量的重复性劳动，大大提高了产品的设计效率，进而提高了企业产品的市场竞争力。 1 2 3 虚拟装配技术的研究现状 虚拟装配技术是在虚拟设计环境下，完成对产品的总体设计进程控制并进行具体模型定义与 分析的过程。利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问 题，对模型进行修改。 作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并 对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。通过建立产品数字化装配模型，虚 拟装配技术在计算机上创建近乎实际的虚拟环境。可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机， 能够方便的对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配冲突 与缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可 以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。 国外对虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代中期。德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所虚 拟现实实验室开发的第一个虚拟装配规划原型系统，可以通过虚拟人体模型在虚拟环境中交互式 地进行装配操作，规划者在进行产品装配规划时，能够综合考虑装配特征和其他装配条件对产品 装配的影响睁引。英国h e r i o t w a t t 大学机械与化学工程系虚拟制造研究组已经完成了两个与虚拟 装配相关的研究项目：利用虚拟现实提取装配规划知识：在装配环境下进行线缆捆束设计与规划。 并在1 9 9 7 年开发了虚拟装配规划系统u v a v u ( u n b e li e v a b l ev e h i c l ef o ra s s e m b l i n gv i r t u a l u n i t s ) i o i 。 我国对虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期，也已取得了不少成果。浙江大学 c a d c g 实验室是国内最早开展虚拟装配研究的机构之一，他们目前的研究处于国内领先地位。工 作重点是基于知识的虚拟装配规划，研究方向是将人工智能技术与虚拟装配结合起来，对原有的 虚拟装配规划系统的结构进行改造，构造一个知识库作为信息中心，将专家知识存放在知识库里。 山东大学焦学健，季忠1 用c a d 软件生成了零件的三维模型，并且用s g i 公司推出的v r m l 场景生 成软件c o s m o w o r l d s 对其进行了虚拟装配，装配完成后用动画显示装配过程。杨建鸣，关丽坤， 高耀东1 1 引用s o l i d e d g e 构建了零件的三维模型，并使用s o l i de d g e 的a s s e m b l y 环境进行装配。 在装配期间，可以对零件的设计方案随时进行调整；装配完成后，还可以生成爆炸视图并保持装 配约束关系不变，可以始终保持设计人员的设计意图。西安科技大学的沈良琼引等提出了装配黑 箱概念，通过对零件信息模型、装配模型、装配顺序以及装配位姿等关键问题的论述，提出了零 件装配信息表达的“有向装配编码矩阵法”，解决位姿记录的“位姿约束向量记录法”等新方法和 概念，为进一步研究自动装配问题提供了理论基础和方法指导。 在具体工程应用领域，虚拟装配技术也得到了广泛应用。如在实际生产制造领域，加拿大的 3 东南大学硕士学位论文 c h r i s t i a n 等开发了基于装配特征的计算机辅助装配系统；在冲压模制造领域，意大利的a n t o n i o 等运用虚拟建模与装配技术提高了模具制造的效率：上海同济大学开发了注模c a d c a e c a m 系统， 将基于u gi i 的注模c a d c a m 模块与注模c a e 模块集成在一起。虚拟装配作为新兴的研究领域，目 前还有许多问题需要我们深入研究，比如装配过程尚无好的显示方法，如何描述各零件间的装配 关系，数学上也尚无完美解决方案等。 利用虚拟装配技术实现产品的自动装配设计对于提高产品设计效率，缩短开发周期有着重要 的意义。对于特定的产品，比如某型号的机床，其零部件间的装配关系是确定的，这为自动装配 技术的实现提供了前提依据。 1 3 课题来源及研究意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于江苏多棱数控机床股份有限公司和东南大学共同承担的江苏省科技基础设施建 设项目“江苏省数控工程技术研究中心”( 项目编号：b m 2 0 0 5 0 0 3 ) 1 3 2 课题研究意义 市场发展要求虚拟企业架构和敏捷制造，这就对产品的设计及管理技术提出了敏捷化的严峻 挑战。而计算机技术、网络技术以及计算机辅助设计c a d 系统的不断发展，为缩短企业产品开发 周期，减少设计人员的重复工作量，快速响应市场并满足客户个性化要求等方而提供了平台保证。 在集成管理系统的支持下，可以实现现实设计活动中的入、物、信息以及设计知识的全面集成， 建立一个跨平台的协同设计，满足客户化的需求。 目前，我国机床设计生产水平不高，与国外存在着一定的差距。机床工业产品开发投入不多， 手段不先进，数据积累较少，有经验的开发人才缺乏，产品的自主研发能力不强，以致机床产品 品种少，技术水平落后，不能很好的满足市场的需求。因此研发出一套针对机床的快速设计系统 对于我国机床行业的发展具有很大的意义。 经过对江苏新瑞机床( 集团) 有限公司产品的分析，确定影响新产品开发周期的最大因素是 某些零部件的重复造型。因此，本课题根据江苏新瑞机床( 集团) 有限公司的这一生产特点，开 发了数控机床快速设计系统。数控机床快速设计系统是一个相对智能的系统，其借助先进的网络 技术，将机床设计中的各相应模块都集中到一个平台上协同工作，使得设计人员可以在系统提供 的信息基础上通过改型设计有效、快速的开发出新的机床产品。因此，数控机床快速设计系统能 够能够很好的适应企业的客观需要，显著提高产品的设计效率和设计质量，进而增强企业产品的 市场竞争力。 1 4 论文主要内容及章节安排 1 4 1 论文主要内容 本课题所开发的数控机床快速设计系统，充分利用信息、网络、计算机等技术将现实设计活 动中的人、物、信息及设计知识进行全面的集成，实现跨平台的协同设计，达到快速开发出新型 数控机床产品的目的。 本文通过对相关技术的研究建立了数控机床快速设计系统的框架结构。整个系统主要由三部 分组成：客户化子系统、管理子系统和设计子系统，包含的功能模块主要有：客户信息模块、方 4 第一章绪论 案生成模块、可视化查询模块、参数化设计模块等，各模块共同协助完成数控机床的快速设计任 务。本文在整个系统框架的基础上重点研究开发了参数化设计模块，避免了零部件的重复造型， 实现了数控机床的快速设计。 1 4 2 论文各章节的内容安排 第一章：绪论，简要论述了课题研究背景、来源和意义，并介绍了国内外快速设计技术、参 数化设计技术以及虚拟装配技术的发展概况。 第二章：快速设计系统总体方案设计，对机床快速设计系统进行了功能需求分析，确定了系 统体系结构，并迸一步搭建了其框架结构。 第三章：快速设计系统开发关键技术及其应用，介绍了系统开发中用到的关键技术，并对其 在本系统中的具体应用方式做了详细研究。 第四章：自动装配技术的研究与实现，首先论述了自动装配技术的需求背景，接着建立了机 床零部件自动装配的实现流程，并对实现过程中涉及到关键技术进行了研究，最后以x h 7 8 6 型数 控机床为例实现了整个自动装配过程。 第五章：信息存储和数据库设计，研究实现了机床零部件设计过程中的模型文件和中性文件 的存储，并对零部件参数数据库的设计实现过程做了详细阐述。 第六章：参数化设计模块的实现，以x h 7 8 6 型机床为例，对参数化设计模块的基本功能做了 介绍和演示，实现了产品的快速设计。 第七章：结论与展望，总结了课题研究的主要成果以及存在的不足，提出进一步研究的内容 和方向。 5 东南大学硕士学位论文 第二章快速设计系统总体框架设计 数控机床快速设计系统平台是一个支持复杂信息环境下应用开发和系统集成的软件平台。在 异构分布环境下，提供透明、一致的信息访问和交互手段，使得系统的各功能模块能够相互协作， 共同完成新机床的设计任务。而软件开发过程就是系统建模的过程，因此开发之前明确系统的体 系结构、功能要求以及市场走向是保持系统长久生命力的首要任务。 2 1 系统需求分析 2 1 1 功能需求 系统的功能需求分析就是确定系统的开发要求以及系统应该完成的功能。下面从三个方面来 分析数控机床快速设计系统的功能需求。 ( 1 ) 企业需求 与本课题合作的江苏新瑞机床( 集团) 有限公司是一家集产品设计、制造、销售和服务为一 体的中高档数控机床专业生产企业，至今已有四十余年机床生产的历史，公司产品种类繁多，是 我国生产数控机床的骨干厂家。 要在激烈的市场竞争中生存，一方面企业必须对市场需求做出快速响应，不断有新的产品问 世，满足客户需求；另一方面企业必须提高设计质量，缩短开发周期。如图2 1 所示，市场、企 业和产品这三者是相互联系，相互促进的：市场需求推动企业开发新产品，产品供应于到市场后 会得到反馈，要求企业不断完善产品，提高客户的满意度。 图2 1市场、企业和产品三者间的关系 快速响虑市场，企业就需要及时了解客户的需求。因此，快速设计系统应具有客户化服务功 能，能够及时更新客户的需求信息，并及时将这些信息上报管理部门，进而由管理部门协调设计 部门，建立项目，制定初步方案。并交由设计部门进行详细设计。 提高设计质量，缩短开发周期，企业就需要充分利用设计知识。因为机床产品的开发，不仅 仅包括创新设计，还存在大量的变型设计。新瑞公司现有产品种类繁多，按产品类型可分为立式、 卧式和龙门式。立式数控机床有t h 5 6 、t h 7 6 、t h 6 8 1 2 5 a 、x h 7 1 6 、x h 7 8 6 a 等，卧式数控机床 有t h 6 3 、t h 6 7 和t h s t k 5 6 3 等，龙门式数控机床有t h 4 2 、t h 2 7 2 5 和t h 4 2 1 6 0 b 等，这些产品 的性能都是经过时间考验的，可靠性高。因此充分利用这些现有的设计资料对于提高设计质量， 缩短开发周期是大有帮助的。 ( 2 ) 设计师需求 随着计算机技术的进步，设计人员已不满足于只利用各种通用的绘图软件绘制模型，而是希 望c a d 系统能够将经过长期使用、已经成熟的典型产品及零部件存入计算机，从而建立起本行业 6 第二章快速设计系统总体框架设计 的专用图形库与专用c a d 系统，方便设计人员的使用【1 4 l 。 从设计师的角度来讲，系统应具有方案设计、详细设计和优化设计等功能。为了缩短设计开 发时间，设计部门必须在短时间内，根据客户定制的参数要求设计出初步方案，进而转为详细设 计，并与优化技术相结合，快速矫正设计不足，提高设计效率。在这个过程中必须考虑到三点： 一是符合客户定制的数控机床的参数要求；二是重用公司现在有数控机床的产品数据；三是重用 公司设计师经验。 ( 3 ) 客户需求 随着需求多样性的发展，客户需要能够随时随地与企业进行沟通。这就要求系统能够的及时 反映客户需求，包括客户的基本资料以及订单信息等，并且订单应能够很好反映出客户对数控机 床的基本要求和特殊要求。 2 1 2 性能需求 数控机床快速设计系统的总体目标就是：高效、便捷地进行数控机床的设计，直观、形象地 完成新产品的开发过程，为产品设计人员提供强有力的技术和信息支持，快速响应市场，满足客 户的需求。结合我国制造业的现状，数控机床快速设计系统在性能上应满足以下几个方面的要求： ( 1 ) 实用性 为了充分发挥数控机床快速设计系统的作用，必须根据企业的具体情况来进行系统的开发。 立足解决企业的实际问题。并且还要考虑到系统在一个相当长的生命周期内运行和维护状况。 ( 2 ) 易用性 任何系统都必须通过入的操作来发挥它的功效，因此系统的易用性是决定系统成功与否的关 键所在。系统的开发过程中要最大限度地提高系统的易用性，友好地引导操作人员。 ( 3 ) 集成性 数控机床快速设计系统不是一个孤立的系统，它应与计算机辅助分析( c a e ) 、产品数据管理 ( p d m ) 等联系在一起，为企业信息集成打下基础。 ( 4 ) 开放性 快速设计系统必须具有良好的通用性、可移植性和扩充性，为后续系统的开发留有余地。 2 。2 系统体系结构和开发环境 2 2 1 体系结构 本课题开发的数控机床快速设计系统，其体系结构从上到下可以分为四层：应用层、开发环 境层、数据库管理层和计算机系统层【1 5 1 ，如图2 2 所示。 压蔓兵蚕孝欠件 开发环境 数彩皤髅镁二理 t l 算：彩l 系e - y 6 图2 - 2 系统体系结构 7 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算机系统层指的是所用到计算机硬件和操作系统。 ( 2 ) 数据库管理层采用c s 结构。 ( 3 ) 开发环境层指的是系统开发中所用到的高级开发语言，一般包括c 、c + + 、v c + + 、v b 等。 ( 4 ) 应用层即为操作层，用户可通过系统提供的人机交互界面进行操作。 2 2 2 开发环境 2 2 2 1 硬件设施 硬件设施包括服务器、客户端和局域网环境三类。 ( 1 ) 服务器端 w e b 服务器：处理器p e n t i u mi v1 8 g ，内存2 5 6 ml 认肥u s ，4 0 g 硬盘，1 0 1 0 0 9 网卡。 数据库服务器：处理器t u a l a t i nc e l e r o nl - l g ，内存5 1 2 a 1s d ，4 0 g 硬盘，1 0 1 0 0 m 网卡。 ( 2 ) 客户端 图形工作站：处理器p e n t i u mi v 2 4 g ，内存5 1 2 9 d d r ，8 0 g 硬盘，1 0 1 0 0 m 网卡。 ( 3 ) 局域网环境 网络：企业内部局域网环境 交换机：n e w s u nn s - 3 0 1 6 b 型1 0 1 0 0 m 交换机，无h u b 级联限制。 2 2 2 2 软件设施 软件设施包括操作系统、支撑软件和数据库软件三类。 ( 1 ) 操作系统 在系统开发过程中，采用相对易用和稳定的w i n d o w sx p 操作系统。 ( 2 ) 支撑软件 p r o e 软件具有强大的参数化功能、单一的数据库特点，所以选用成熟的三维软件p r o e 作 本系统的支撑软件。 ( 3 ) 数据库软件。 采用了目前在数据库方面简单易用的m y s q l 数据库，该系统具有良好的可移植性，后期可 根据需要采用成熟的大型数据库软件o r a c l e 。 2 3 系统总体设计 根据以上系统需求分析、系统体系结构和开发环境，建立如图2 3 所示的数控机床快速设计 系统的框架结构。快速设计系统由三个子系统组成：客户化子系统、管理子系统和设计子系统。 客户化子系统用于实现客户与整个系统的信息交互；管理子系统是在项目的审核、建立和实施过 程中实现设计人员及相关数据的管理与配置，进行项目运行状态的监视，完成计划的反馈；设计 子系统是在部门审核建立项目后协助各设计人员根据客户信息要求完成具体的设计任务，这是数 控机床快速设计系统的关键部分。整个系统的实现在逻辑上采用三层框架结构：j a v a 虚拟机构造 用户界面层、连接层和数据库层。 ( 1 ) j a v a 虚拟机构造用户界面层：提供图文并茂的友好的用户操作界面。参与本系统的人 员共分为三种角色：客户、设计师和管理员，系统赋予他们不同的权限，可以登录不同的界面， 进行相应的操作。当要进行数据的访问时，将用户的操作组织为多个请求传递至连接层。 8 第二章快速设计系统总体框架设计 图2 - 3 系统总体框架结构 ( 2 ) 连接层：是数控机床快速设计系统的执行中心，针对不同功能向用户提供相应的功能模 块。方案生成模块为整个设计过程提供了一个初始设计方案，整个方案的生成是自动的，它基于 实例的推理，所有的计算算法都封装在了这个模块里，设计人员不必考虑方案的自动生成细节， 这样节省了大量查阅文献资料的时间让设计人员集中精力在零部件的具体设计上【j q 。查询系统 包括了可视化查询和结构化查询使用户可咀直观、简单、快速的查询产品，提高对产品的认知 水平，从而有利于加速产品开发。可视化查询提供给客户一个感性的方式去认识企业已经设计生 产出来的产品，主要显示数控机床的几大主要零部件的二维工程图；结构化查询提供给设计人员 和客户简沽方便的树型结构的查询方式。树型结构层次的安排按照“产品一总威一零部件”的方 式分级展开，设计人员或客户用鼠标点击每一级就可虬得到想要查询的零部件的相关信息。项目 管理模块是在项目的审桉、建立和实施过程中实现对其计划、人员及相关数据的管理与配置，完 成计划的反馈。参数化设计模块是设计方案自动生成后的细节设计模块，模块通过修改重要几何 参数来快速构造和修改几何模型，从而实现产品的精确造型。 ( 3 ) 数据库层：是快建设计系统的核心组成部分，因为它要实现整个快速设计系统的数据查 询管理。系统数据库针对设计信息和管理信息分别设计了相应的数据库系统。设计信息方面，针 对数控机床的特点，采用面向对象的分析方法进行数据库设计；管理信息方面利用芙系数据库 对人员信息，客户订单信息、项目信息进行了系统设计。 2 4 参数化设计模块 参数化设计模块是快速设计系统的一个关键组件，对于提高设计效率、缩短设计周期起着举 足轻重的作用。随着计算机技术的进步以及市场竞争的加剧，设计 员在积极寻求本行业的专用 c a d 系统，以提高设计效率。对于机床设计人员而言就希望建立起能够提供机床设计的通用零 部件库与实片j 工具，实现由一般的工程图形库向机床设计专用图形库的转变。 东南大学学位论文 参数化设计模块总体分二层自顶向f 实现上一层对f 一层的调用【”。顶层是p r o e 使用环 境；中间层是p 棚l k i t 接口模块和输入管理模块，负责与p r o e 通讯及交互；底层为数据库， 负责存储用户交互数据。 2 4 1 参数化设计 参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的方法。参数化模型通过调整 参数来修改和控制儿何形状，从而实现产品的精确造型。参数化设计方法与传统的设计方法相比， 其最大的区别在于它存储了设计的整个过程，能设计出一组而不是单一的产品模型。参数化设计 使上程设计人员不需要考虑细节而能尽快草拟出零件圈，这对于缩短数控机床开发周划有着举足 轻重的作用， 在零部件的参数化设计过程中，首先要合理的确定零部件参数，并正确的建立零部件参数化 特征模型。在霉部件的参数化设计中真正驱动设计修改的是关键参数，次要参数由关键参数决 定。关键参数和次要参数的确定有一定的原则：( 1 ) 通常来说，抉定性能要求的参数、决定主要 形状结构的参数、存在装配约束的参数可咀作为关键参数；( 2 ) 必须保证零什中的所有次要参数 都可以直接或间接的和关键参数发生联系。图2 4 所示为x h 7 8 6 型数控机床立柱的关键参数以及 关键参数与次耍参数之间的关系。在p r o e 的绘图信息中，参数( 内部参数) 都被记录下来，但 并非这里面所有的参数都是必须的我们需要从中检索出能够控制模型特征的相关参数，并以它 们的实际意义米命名，这即为关键参数( 外部参数) 。在没有建立参数关联之前外部参数和内部 参数之间不存在任何戈系。但为了实现通过外部参数来控制模型的特点，必须建立外部参数和内 部参数的芙联，通过用户交互修改外部参数，实现模型的再生 1 羔鬟姒档雾嘲姐拆 j 互二二二二j j - 垂赫二二二：i ! = ! n n ￥毛皂舻_ h 鞫卢 岛国萄 + k 。 【= 自= j “ 0 4 c ；f t h h 9 猢 c h w 二2g “【“6 【m mt n 【女自 i 【口一 # 确 1 j “- 】h “：自 l e m d 腩 c 西】= # 二岳肼 $ 一日 b * 2 # m d 二 州m 。? t 。辘v ” l 鲢jl 到l 划 圈2 - 4 立柱参数及其黄系幽 快速殴计系统中参数化设训实现的基本过程如图2 - 5 所示：首先在p r o e 环境下利刷交互方 式生成三维零部件的基本模型，建立相血的设计参数和约束艽系，并保存到零部什基本数据库作 为基准零部什模酗，然后由参数化程序检索基准零部件模型的设计参数咀供h 广编辑修改，最后 按照新的设计参数更新，设计出新的零部件。 第二章快速设计系统总体框架设计 7 一计恭狎 派生新的 三维模 参数化程序设计) 三维模型 型样板 图2 5 基于三维模型的参数化设计实现过程 为了加快设计进度，设计人员在登录到设计系统后不用在本地文件系统中寻找需要重新设计 的零部件，而是在设计系统页面中可以直接检索出需要重新参数化设计的零部件，设计人员只要 直接点击这个零部件链接，系统就会自动在三维软件中打开该零件，减少了设计以外的时间，提 高了设计效率。参数化设计的具体的二次开发流程如图2 6 所示，当用户触发参数化设计按钮时， p r o e 调用p r o t o o l k i t 接口程序并加载相应的零件模板，这样在参数修改界面上用户就可以直 接输入相应的修改参数，替换模板中的预定义参数再生模型，并返回p r o e 显示最终设计结果， 最后利用存储功能将新设计零部件信息存入数据库，以备后续查用。 2 4 2 自动装配 图2 - 6 参数化设计流程图 数控机床快速设计的过程中，如果对每一个零件都手动装配会占用很多时间。因此，自动装 配是实现快速设计的重要环节。实现零部件的自动装配，可以大大提高数控机床的设计效率和质 量。针对某型号机床产品来说，其装配关系是确定的，因此实现自动装配设计也就是实现参数化 装配设计。 本文通过p r o t o o l k i t 工具包结合v c + + 6 0 开发出数控机床自动装配功能，能够节省装配 时间，提高设计效率，而且本文的自动装配方法对其他机械产品具有一定的通用性。具体的实现 过程将在第四章详细介绍。 东南大学硕士学位论文 2 4 3 信息存储管理 变型设计在机床行业的整个设计活动中占有很大比重，因此重用历史资料对于提高设计效率， 缩短开发周期有着重要的意义，这也就要求在