（机械制造及其自动化专业论文）基于proe的开放式三维零件库系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 零件库是c a d 系统的重要组成部分，是实现计算机辅助设计与制造、计算机 数据集成、先进制造等技术的基础。零件库在c a d 系统中的广泛应用，对提高零 件设计的质量和管理水平、降低设计人员工作量、缩短设计周期、提高设计的标 准化均有重要的意义。 本文在充分考虑了零件库的易用性、开放性、可移植性的基础上，综合c a d 二次开发、参数化、特征造型、数据库等技术，对基于p r o e 的开放式三维零件库 系统进行了研究与开发。主要工作包括： ( 1 ) 根据零件的三维数字化定义，应用p r o e 的特征造型技术，建立了各种零 件的参数化模型，并将参数映射机制应用到零件建模和建库工具的开发中。 ( 2 ) 详细分析了零件库系统的功能，并从易用性和可移植性的角度出发，为系 统设计了基于m v c 的三层体系结构。 ( 3 ) 对库中零件进行了合理的分类，并建立了零件的主参数信息模型，在此基 础上，为系统设计了可动态扩充的数据库结构。提出了零件的多参数存储技术， 解决了零件不同数量规格参数在数据库中的存储问题。 ( 4 ) 研究了零件装配的实现方法以及零件库中对装配件的处理方法，并根据 p r o e 的特点，实现了库中装配件的存储和提取。 ( 5 ) 利用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库对零件的模型文件和规格参数进行管理，在 p r o e 平台上用v c + + n e t 和p r o t o o l k i t 开发了开放式零件库系统；实现了零件库 结构的动态扩展和零件的动态添加，并提供了完善的建库工具，大大提高了建库 效率。 本系统是嵌入到p r o e 中使用的，用户可以在p r o e 的菜单中随时调用本系统 提供的各项功能。系统为用户提供了比较完整的国标件和通用件模型信息，供用 户随时调用；同时用户还可以根据自己的需要来完善零件库。本系统目前已经应 用到两个项目的设计工作中，大大提高了产品设计的效率。 关键词：二次开发，参数映射，动态扩充，数据库技术 a b s t r a c t a b s t r a c t p a r t sl i b r a r yi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ec a d s y s t e m ，a n di ti st h eb a s eo f c o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g , c o m p u t e rd a t ai n t e g r a t i o n ，a n da d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y p a r t sl i b r a r yt h a ti sw i d e l yu s e di nt h ec a ds y s t e mh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fp a r t sd e s i g na n dm a n a g e m e n t ， r e d u c i n gt h ew o r k l o a do fd e s i g n e r s ，a n ds h o r t e n i n gt h ed e s i g nc y c l ea n di n c r e a s i n gt h e s t a n d a r d i z a t i o no ft h ed e s i g n t l l i st h e s i si sap r o b ei n t ot h eo p e np a r t sl i b r a r ys y s t e mb a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ee a s eo fu s e ，o p e ns t r u c t u r ea n dp o r t a b i l i t yo ft h ep a r t sl i b r a r y ，s y n t h e s i z i n gs u c h t e c h n o l o g i c a lm e a n sa st h es e c o n dd e v e l o p m e n to fc a d a n df e a t u r em o d e l i n g ，d a t a b a s e ， a n dp a r a m e t r i cd e s i g n ，e r e 1 1 1 em a i nc o n t e n ti n c l u d e ss e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s 1 a c c o r d i n gt ot h e3 - d i m e n s i o n a ld i g i t a ld e f i n i t i o no ft h ep a r t sa n dt h ef e a t u r e m o d e l i n g , w eb u i l dv a r i o u sp a r a m e t e r i z e dm o d e l so fp a r t si np r o e b yu s i n gt h e p a r a m e t e rm a p p i n gm e c h a n i s m ，w ed e v e l o pt h et o o lf o rb u i l d i n gp a r tl i b r a r y 2 a f t e rt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h et h r e e - l a y e r s s t r u c t u r eb a s e do nt h em v ci sd e s i g n e df r o mb o t ht h ee a s eo fu s ea n dp o r t a b i l i t y p e r s p e c t i v e s 3 b a s e do nar e a s o n a b l ec l a s s i f i c a t i o no ft h ep a r t si nt h el i b r a r ya n dt h em a i n p a r a m e t e r si n f o r m a t i o nm o d e lo fp a r t s ，ad a t a b a s es t r u c t u r ew h i c hs u p p o r t sd y n a m i c e x p a n s i o ni sd e s i g n e d t h em u l t i - p a r a m e t e rs t o r a g et e c h n o l o g yo ft h ep a r t si sp r e s e n t e d ， a n di ts o l v e st h es t o r a g ep r o b l e mo fd i f f e r e n tn u m b e r ss p e c i f i c a t i o np a r a m e t e r so ft h e p a r t si nt h ed a t a b a s e 4 b a s e do nt h ei m e n s i v e l ys t u d yo nt h ea s s e m b l i n go fp a r t s ，t h es t o r a g ea n d r e t r i e v a lo ft h ea s s e m b l i e si si m p l e m e n t e di nt h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so f p 1 0 甩 5 u s i n gs q ls e r v e r2 0 0 0 t om a n a g et h em o d l ef i l e sa n ds p e c i f i c a t i o np a r a m e t e r s o ft h ep a r t s ，a n du s i n gv c + + n e ta n dp r o t o o l k i ta sd e v e l o p m e n tt o o l s ，a no p e np a r t s l i b r a r ys y s t e mi sb u i l tb a s e do np r 0 e ，i nw h i c ht h eu s e rc a na d dp a r t sw i t h o u tu p d a t i n g i i a b s t r a c t a n dr e b u i l d i n gt h ep r o g r a m t h i ss y s t e mi se m b e d e di np r o e ，s oa l lf u n c t i o nm o d u l e so fi tc a nb ec a l l e df r o m t h em e n u so fp r o e r e l a t i v e l yi n t e g r a t e dm o d e lf i l e so ft h eg bp a r t sa n dt h eg e n e r i c p a r t si sp r o v i d e di nt h es y s t e m ，a n du s e r sc a na d ds p e c i a lp a r t st ot h el i b r a r yt oc o m p l e t e i t a c c o r d i n gt ot h e i ro w nn e e d s t h es y s t e mh a sb e e nu s e di nd e s i g n i n gw o r k so ft w o p r o j e c t s ，a n di tg r e a t l ye n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo f p r o d u c td e s i g n k e yw o r d s ：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 e rm a p p i n g ；d y n a m i ce x p a n s i o n ； d a t a b a s et e c h n o l o g y u i 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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：脚 日期：2 0 。g 年岁月和 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：印导师签名： 日期：2 0 0 男 年多月弓( 日 第一章绪论 1 1三维c a d 技术 1 1 1c a d 技术发展 第一章绪论 c a d 技术是当代最杰出的工程技术成就之一。它从根本上改变了过去的手工 绘图、发图、凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式，将旧的技术管理方式变 为在计算机上交互设计产品，用数据文件发送产品定义，在统一的数字化产品模 型下进行设计打样、分析计算、性能仿真、工艺规划、工艺装备设计、数控加工、 质量控制、编印产品维护手册、组织备件订货供应等【l 】。 2 0 世纪5 0 年代以来，人们就开始研究利用计算机来辅助工程设计。经过几十 年的发展，基于计算机图形学、以产品几何模型为核心的c a d 技术已经相当成熟， 并广泛用于机械、电子、汽车、航空等社会各个领域。c a d 发展过程中各个时期 的技术热点及代表软件如图1 4 所示【2 】。 u g 中的 l ( 1 m 掀 匍年代8 0 年代9 0 年代2 l 世纪 图1 1c a d 发展中各个时期的主要技术特点和及软件代表 在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是图板的替代品【3 1 ，即：意指c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年代末 期，以后作为c a d 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应用较为广泛 的是c a d a m 软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是a u t o d e s k 公司的 a u t o c a d 软件。在今天中国的c a d 用户特别是初期c a d 用户中，二维绘图仍然 电子科技大学硕士学位论文 占有相当大的比重。 1 第一次c a d 技术革命一贵族化”的曲面造型系统【3 】 6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造 型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺 乏形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。 进入7 0 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中 遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似 表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后， 制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。此时法国人 提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作， 同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统c a d a m 的 基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系 统c a t i a 。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图 模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得 c a m 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 此时的c a d 技术价格极其昂贵，而且软件商品化程度低，开发者本身就是 c a d 大用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在 7 0 年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展c a d 技术。 2 第二次c a d 技术革命一生不逢时的实体造型技术 7 0 年代末到8 0 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，c a e 、c a m 技术也 开始有了较大发展。有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型 技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、 惯性矩等，对c a e 十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于 c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完 全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。由于实体造型技术能够 精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达， 给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来c a d 技术的发展方向。基于这样的共 识，各软件纷纷仿效。一时间，实体造型技术呼声满天下。可以说，实体造型技 术的普及应用标志c a d 发展史上的第二次技术革命。 但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改 进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下， 2 第一章绪论 实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。由于以实 体模型为前提的c a e 本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反映还不强烈；另 外，在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力 量去开发它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。各公司的技术取向再 度分道扬镳。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。推动了此次 技术革命的s d r c 公司与幸运之神擦肩而过，失去了一次大飞跃的机会。在以后 的1 0 年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多c a d 系统所采用。 3 第三次c a d 技术革命一鸣惊人的参数化技术 正当实体造型技术逐渐普及之时，c a d 技术的研究又有了重大进展参数 化实体造型方法。从算法上来说，这是一种很好的设想。它主要的特点是：基于 特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。 当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻 克。是否马上投资发展这项技术呢? c v 内部展开了激烈的争论。由于参数化技术 核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改 写，投资及开发工作量必然很大。当时c a d 技术主要应用在航空和汽车工业，这 些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效 工具( 如实体曲面问题等) ，更何况当时c v 的软件在市场上几乎呈供不应求之势， 于是，c v 公司内部否决了参数化技术方案。策划参数化技术的这些人在新思想无 法实现时，集体离开了c v 公司，另成立了一个参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p ) ，开始研制命名为p r o e 的参数化软件。早期的p r o e 软件性能很低，只能 完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它 今后将给设计者带来的方便性。可以认为，参数化技术的应用主导了c a d 发展史 上的第三次技术革命。 4 第四次c a d 技术革命一更上层楼的变量化技术 参数化技术的成功应用，使得它在9 0 年前后几乎成为c a d 业界的标准。但 是参数化技术尚有许多不足之处。首先，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约 着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中， 必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改 变来驱动形状的改变，一切以尺寸( 即所谓的“参数”) 为出发点。 一旦所设计的零 件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状 就很不直观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束 的几何特征也会造成系统数据混乱。实事上，全约束是对设计者的一种硬性规定。 3 电子科技大学硕士学位论文 “一定要全约束吗? ”“一定要以尺寸为设计的先决条件吗? ”“欠约束能否将设计正 确进行下去? ”沿着这个思路，在对现有各种造型技术进行了充分地分析和比较以 后，一个更新颖大胆的设想产生了。s d r c 的开发人员以参数化技术为蓝本，提出 了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术。变量化技术既保 持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用， 为c a d 技术的发展提供了更大的空间和机遇。变量化技术成就了s d r c ，也驱动 了c a d 发展的第四次技术革命。 c a d 技术在工程设计和制造中的广泛应用，使得产品的设计与制造周期不断 缩短，产品质量不断提高，产品样式不断地快速更新，大大提高了产品的市场竞 争能力，同时也推动了c a d 技术不断地完善与提高。c a d 技术已经成为提高生 产力的一个重要手段，受到世界各国工业和科学研究部门的高度重视。它的发展 和应用水平已经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之 一。 随着计算机集成制造( c i m ) 、并行工程( c e ) 、敏捷制造( a m ) 等先进制造理念的 出现和实施，制造业越来越强调在整个产品生命周期内对产品及产品数据的集成 和管理，强调面向制造的设计( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ，d f m ) 、面向装配的设计 ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，d f a ) 、面向分析的设计( d e s i g nf o rf i n i t e e l e m e n t - a n a l y s i s ， d f f e a ) 等先进的设计方法学，这都给作为其核心技术的c a d 的发展提出了新的 要求。 目前，计算机的性能价格比飞速提高，促使c a d 技术的普及应用越来越广泛， 越来越深入。c a d 技术正向着开放、集成、智能化和标准化的方向发尉4 】。 1 1 2 几何造型领域的发展 在几何建模中，首先要解决的问题是几何模型的数学表示。在几何造型技术 的发展过程中，先后出现了表示几何模型的四种方法，即线框造型、曲面造型、 实体造型和特征造型。 在早期的c a d c a m 系统中，线框造型曾作为主要的造型手段存在。今天， 它是曲面造型和实体造型的一个重要补充。实体造型作为几何造型方法之一，由 于其几何形状数据完备，在目前c a d 绘图软件包中，是一个较为先进的几何建模 方法。分为两大类：构造实体几何c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 和边界建模 b - r e p ( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 。c s g 用典型体素进行拼合，任何一个实体都由有 4 第一章绪论 限个体素所组成。如圆柱、锥体、六面体等都可作为典型体素。通过对相应体素 的并、交、余的运算，从而得到相应的零部件。b r e p 是用组成形状的面以及面与 面之间的拓扑结合关系来表达形状的一种方法。一旦定义了一个特殊的拓扑构造， 在不改变基本拓扑的条件下，可在零件上进行多种不同的操作以调整其几何形状。 这种造型方法从构造一个零件的轮廓草图开始，然后对这个视图作线性延伸，而 产生具有一定厚度的零件【5 】。实体造型技术经过二十多年的努力探索和多种技术的 结合，已经成为当代c a d c a m 技术的主流。 目前最流行的造型方法是参数化的特征造型技术。特征造型方法改变了以往 人们对几何造型的认识，比如，特征造型的数学表示融入了曲面造型和实体造型 的许多特点，它在几何特征中引入了参数化技术和一些加工工艺信息，如，零件 的材料、加工精度、表面质量、形位误差等信息。特征造型提供了零件的几何信 息及工艺信息，其内容归纳如下： ( 1 ) 零件的几何形状信息； ( 2 ) 作为加工对象的孔、沟槽及面等的形面特征； ( 3 ) 有关形面特征的位置、尺寸及其公差； ( 4 ) 对于形面特征的加工规定( 如表面抛光、发黑等) ； ( 5 ) 形面特征之间的关联； ( 6 ) 各加工面的表面粗糙度。 特征造型技术基本代表了当今几何造型技术的发展水平。特征造型着眼于更 好表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特 征造型使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员直接操作产品的功能要素， 特征的引用直接体现了设计意图，使得设计人员可以将更多的精力用在创造性构 思上。特征造型有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的 联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反 馈【6 】。 1 1 3参数化技术 实现参数化绘图是c a d 软件开发过程中的主要任务之一。所谓参数化绘图是 指用一组参数来定义几何图形的尺寸数值，并构造尺寸关系，然后提供给设计师 进行几何造型的一种方法。其主要思想是要用几何约束、数学方程与关系来说明 产品模型的形状特征，从而设计出一批在形状或功能上具有相似性的方案【刀。 电子科技大学硕士学位论文 参数化设计不仅使c a d 系统具有交互式绘图功能，还使之具有自动绘图的功 能，目前它己成为c a d 中最为热门应用技术之一，能否实现参数化已成为评价 c a d 系统优劣的重要技术指标博j 。由于参数化技术更为符合和贴近现代c a d 中概 念设计以及并行设计的思想，设计开始工程设计人员可快捷草拟产品的零件图， 通过对产品的形状和大小的约束最后精确成图。同系列产品的第二次设计可直 接通过修改第一次设计实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的 整个开发周期，设计参数也可以来自于其他系统。参数化设计又是变量化设计的 前提，借助变量化的设计思想可实现动态设计、机构设计的运动仿真模拟。这样 可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度， 并减少信息的存储量。除此之外，参数化设计还能够使设计人员在设计的同时实 现参数化建库，极大方便后续设计工作f 9 , 1 0 】。 参数化实体造型的关键是几何约束关系的提取、表达、求解及参数化模型的 构造。参数化设计的主要技术特点有以下4 种【l l 】： ( 1 ) 约束：用一些法则或限制条件来规定构成物体的各元素之间的关系。一般 分为尺寸约束和几何拓扑约束。尺寸约束一般指对大小、角度、直( 半) 径、坐标位 置等可测量的数值量进行限制。几何拓扑约束指平行、垂直、共线、相切等非数 据几何关系的限制； ( 2 ) 尺寸驱动：指在约束的条件下修改某一尺寸参数时，系统自动检索出该尺 寸参数对应的数据结构，并找出相应的方程组计算出参数，最终驱动几何图形形 状的修改； ( 3 ) 数据相关：指对尺寸参数的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸得以全 盘更新。其优点在于：用尺寸的形状控制了几何形状。它彻底克服了自由建模的 无约束状态。 ( 4 ) 基于特征的设计：指将某些具代表性的平面几何形状定义为特征，并将其 尺寸存为可调参数，用来形成实体，并以此为基础进行复杂的几何形体构造。 从基于约束的参数化技术的实施机理来看，目前参数化的基本方法有两大类： 一是通过c a d 交互环境直接创建参数化实体模型；一是编程参数化，这种方法适 合于结构较稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合，常见于在通 用商品c a d 软件上进行二次开发。 6 第一章绪论 1 2零件库的发展及其研究现状 由于机械、汽车等行业发展的需要以及计算机软硬件技术的快速发展，c a d 技术得到迅猛的发展，并且逐渐由传统的简单的二维绘图发展到今天基于特征的 三维参数化造型和变量化造型设计技术，p r o e n g i n e e r 、u g 、c a t 认等三维软 件已经逐步被国内大部分机械、汽车等行业所采用。同时，由于能够有效地提高 设计效率，减轻设计劳动强度，标准件在机械、电子、轻工、汽车、航空航天、 造船等各个领域取得了极其广泛的应用。在产品设计中，标准零部件的设计是一 项费时费力且带有很大重复性的工作，这显然与日趋激烈的市场竞争环境不相适 应【1 2 j 。因此，很有必要开发各种通用和专用的零件库来取代这一繁琐、复杂的劳 动【1 3 】。 文献【1 4 】对零件库的定义为：零件库是根据一定规则对零件进行抽象，对抽象 出的信息以适当的数据结构在计算机中进行定义和表达，形成对零件的完整、一 直的表达的集合。 上述零件库的定义主要强调两个方面：( 1 ) 零件库应具有一定的抽象性，它能 够提供与具体系统相对分离的机制，以生成不同应用系统上的表达，这是实现企 业间零件信息集成的基础；( 2 ) 零件库是根据不同的零件信息表示需求进行抽象而 形成的，这也就意味着在不同的抽象层次上，零件信息的描述可以有多种形式， 以生成用户所需的特定的零件视图表示。而对于三维造型软件，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。 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 数据集成、先进制造等技术的基础。它将各种标准件或专用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。据统计表明， 在一个产品中，已有零部件、标准件的数量占6 0 以上，电子、航空航天和机械 制造等行业，其比例更高，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。因而零部件库和标准件 库的建立被认为是一个国家制造业中最重要的信息基础设施之一【l 习。 1 2 1国外研究现状 由于计算机技术迅猛发展、c a d 技术和标准化技术的广泛应用，国外对零件 7 电子科技大学硕士学位论文 库技术一直给予了充分的重视。早在1 9 7 1 年，德国标准化协会( d ) 为建立c a d 标准件库而制定发布了标准件和通用件的d 1 n 4 0 0 0 标准，并逐渐得到了多个国家 ( 包括中国) 的采用。随着w e b 技术的发展和制造业的全球化，对零部件供应商与 企业之间，企业与企业之间数据交换和共享的要求也日益强烈。为了提供一个传 输零件库数据的中性机制和独立于任何使用零件库数据系统的应用系统， i s o t c l 8 4 技术委员会在德国国家标准d i n 4 0 0 0 的基础上，制定了一个关于计算 机可解释的零件库数据表达和交换的国际标准- - i s o1 3 5 8 4 。i s o1 3 5 8 4 对零件库 的基本原理、零件库的概念模型、表达式的逻辑模型、供应商库的逻辑模型、零 件族构造方法学等进行了描述，为零件库的信息表达、数据交换、使用和更新提 供了必要的机制和定义【1 6 】。目前，基于i s o1 3 5 8 4 标准的零件库建库方法及零件 库系统的开发己经得到了一定的发展。l o o p h 和h a u s e l e e 描述了开发标准件c a d 库的不同阶段，用户可以通过零件库将标准件的几何模型调入其绘图模型中，并 通过在i v e c o 公司的实践证明了建立c a d 标准零件库的必要性【l j 7 1 。p i c r r a g 和 p o t i e r j c 等人认为新一代c a d 系统的主要缺点是缺少内部数据结构的交换能力， 通过建立标准零件库可以实现参数化模型的交换【1 8 , 1 9 。 国外对零件库的研究还包括了零件的实时协同设计。m i l l “等为开发一个不 同c a d 系统的实时协同设计平台提出了一整套解决方案。与一般的实现方法不同， 在该平台上，产品模型可以由各个不同的站点共同创建和修改。该解决方案基于 一套本地系统建模操作( s y s t e mm o d e l i n go p e r a t i o n s ，s m o s ) 和中性建模命令( n e u t r a l m o d e l i n gc o m m a n d s ，n m c s ) 之间的传输机制，当一个站点的某个用户在执行每一 步操作时，该操作就被翻译成一段n m c s 命令并传给在网络中的其他各个站点， 其他站点收到该命令后，就实时地把这段命令转化成合适的本地系统操作( s m o s ) 。 由于需要传输的只是建模命令而非产品数据，传输的数据量被大大的减少了，所 以在该平台的实时同步能在一个标准的网络带宽中被实现【2 0 1 。 在具体应用方面，目前国外已有多家极具规模的网络零件库。如w e b 2 c a d 、 i n p a r t 、3 d c o n t e n t c e n t r a l 、c a d c l i c k 和t r a c e p a r t s 等。用户在这些网站上搜索到 自己所需要的零部件后，可在线浏览该零部件的2 d 或3 d 模型。确定是自己所需 要的之后，用户可直接把c a d 模型插入c a d 系统中，或者直接下载模型保存于 自己的硬盘上。各零件供应厂家提供的c a d 模型支持目前世界上较流行的c a d 系统( 如：a u t o c a d 、p r o e n g i n e e r 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、c a t i a 等) 。用户可 以在线设置自己所用c a d 系统，以便使下载的零部件能直接应用于自己的c a d 系统。这些网站不是存储了所有零部件的c a d 数据文件，而是采用了“母模型+ 8 第一章绪论 参数”的技术，大大减少了数据存贮量。 综合国外对这一领域的研究情况可以看出，国外关于零件库的研究大多是在 其早期的电子产品目录基础上发展起来的，零件库的理论研究、系统开发等工作 己经得到了较大的发展。按照d i n 标准或i s o1 3 5 8 4 国际标准建立零件库己经有 了一定的进展，目前标准件库已经处于广泛的应用阶段。 1 2 。2 国内研究现状 目前国内使用的主流三维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 等，功能十分强大。然而，大多数c a d 系统本身并不包含标准件库，少数提供标 准件库的c a d 系统其所包含的标准件种类及数量也都非常有限，不能满足工程设 计人员的需求【2 1 1 。因此，为了建立符合我国国标或各行业行标的零件库，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零件库的开 发【2 2 筇】。同时，采用标准化技术、模块化技术，建立标准化、模块化和系列化设 计体系，改变传统产品结构，充分利用现有的标准件和己有的零部件，进行新产 品的设计，快速响应市场需求，降低成本，提高质量。 目前国内对零件库的研究主要集中在以下三个方面【2 4 】： ( 1 ) 跨平台性。研究建立一种中性的零件描述机制。 ( 2 ) 信息完备性。它包含几何信息和非几何信息。 ( 3 ) 动态添加性。即用户不必修改和重新编译程序就能把经常使用的零件和装 配件及其规格参数和材料、热处理等信息添加到零件库，以供今后使用。 针对这些问题，南航机电学院的李迎光等在u g 平台上，用v c + + 和u g 提供 的a p i 开发了“基于知识的机床夹具c a d 系统”，用主参数封装零件、组合件和 产品的信息，建立了主参数信息模型，统一表达几何参数信息和非几何属性信息， 并用b n f 范式统一表示主参数信息模型，实现了表格驱动的产品级参数化设计技 术。在此基础上提出了宝塔型多实例库设计方法，该方法数据冗余少，信息关联 度强，保证了库中零件信息的完备性和可扩展性，方便了库中零件的存储、检索 和修改【25 。张开富等针对飞机零部件结构的相似性对飞机典型结构件进行归纳总 结，采用面向对象思想对典型结构件进行分析，并基于参数化造型方法和模型视 图控制设计模式，构建了异构c a d 平台上的飞机典型结构件库系统【2 6 】。鲁冰等 对异构c a d 系统的零件库的几何信息接口进行了研究，指出了遵循零件库标准 i s o1 3 5 8 4 开发几何信息接口所存在的问题及原因，进而给出了具体的解决方法： 9 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 扩充e x p r e s s 语言的编程支持功能；( 2 ) 重构零件库几何形状表达的逻辑模型。 并在此模型基础上给出了开发接口的实例，实现了异构c a d 系统零件库信息的共 享【2 7 1 。西电的邵晓东等提出并实现了一种基于特征的异构c a d 模型转换方法。该 方法以特征操作为核心，从特征层和几何层访问c a d 模型信息并实现其转换。与 一般模型转换接口相比，该方法不仅使转换后的模型在几何形状上与原模型相同， 而且保证了转换前后模型的特征树、尺寸及约束等信息的一致性。转换后的模型 可以在目标系统下进行基于特征的修改和编辑【2 8 】。 这些研究工作大大提高了零件库的工作效率，方便了工程设计人员，提高了 设计效率，但就目前国内己开发的各种零件库而言，仍存在以下几点不足之处： ( 1 ) 零件库的通用性不够，当前的很多零件系统系统很多都是针对某一类的零 件进行开发的，这类零件库的适用范围较窄，用途不广。 ( 2 ) 零件库和c a d 系统不独立：一般的零件库是针对专门的c a d 系统进行设 计，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； ( 3 ) 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动态扩充。用户不能根据需要方便地添加零件； h ) 标准信息不完整：不包含完整的工程信息，必须与手册配合才能完成设计 任务。大部分标准件库仅仅只有几何参数信息，缺少材料、热处理等信息，给后 续工作造成了不便。 1 3课题的提出及本文主要工作 现有零件库在应用过程中存在扩展性方面的不足，根本原因是零件库结构不 是开发式的。开放式结构是指系统数据结构和实现上的开放性。开放性首要考虑 的是如何设计系统的开放式结构，使零件库以后的扩充无需改变以前的系统结构 和源程序，即解决零件库的动态扩充问题。 建立开放式零件库系统存在很多难点，首先，零件数量大，种类多，要在保 证零件信息完整性的同时提供良好的扩展性，需对零件进行细致分类。其次，零 件规格参数数目不定、类型多样，相互关系复杂，需对参数进行分类，建立合适 的主参数信息模型。最后，需要设计适合动态扩充的数据库结构。 本课题来源于总装备部的某产品的设计与分析，为了提高产品建模的效率， 1 0 第一章绪论 系统要求建立基于c s 结构下的三维零件库系统，同时为设计人员提供可对零件 库进行扩充的建库工具，为零件的设计和装配提供快捷的途径。本文针对以上难 点，重点研究了零件库的动态扩充问题。根据参数化技术的特点，对零件参数进 行分类，建立了零件的主参数信息模型。在此基础上，通过对零件库层次结构的 分析，设计了适合动态扩充的数据库结构，并以p r o e 为平台，利用其应用程序接 口p r o t o o l k i t 开发了基于p r o e 的开放式零件库系统。 本文主要研究工作集中在以下几个方面： ( 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，弄清它的特 点、编程风格、应用程序的运行模式，深入了解了应用程序中常用的对象句柄、 选择对象、访问函数和数据类型等的使用方法，为开发应用程序打下基础。 ( 2 ) 根据零件的三维数字化定义，应用p r o e 的特征造型技术，建立了各种零 件的参数化零件模型。介绍了参数映射机制的原理，并将基于参数映射的零件建 模和零件库建库的方法应用到系统中。详细论述了参数化方法在系统中使用，以 及参数化零件的参数以及参数间关系式的提取、映射、编辑方法。 ( 3 ) 将统一建模语言( u m l ) 应用系统的分析和设计的当中，并将设计模式的思 想应用的系统关键类的设计中，保证了项目的顺利的完成。 ( 4 ) 具体分析了零件库系统的功能，并且从易用性和可移植性的角度出发，为 零件库设计了基于m v c 的三层体系结构。 ( 5 ) 对库中零件进行了合理的分类，并建立零件的主参数信息模型，在此基础 上，为系统设计了可动态扩充的数据库结构。 ( 6 ) 提出了零件的多参数存储技术，解决了零件不同数量规格参数在数据库中 的存储问题。 ( 7 ) 研究了零件装配的实现方法以及零件库中对装配件的处理方法，并根据 p r o e 的特点，实现了库中装配件的存储和提取。 ( 8 ) 利用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库对零件的模型文件和规格参数进行管理，在 p r o e 平台上用v c + + n e t 和p r o t o o l k i t 开发了开放式零件库系统；实现了零件库 结构的动态扩展和零件的动态添加，并提供了完善的建库工具，大大提高了建库 效率。 针对以上研究内容，本文由以下章节组成，其结构如下： 第1 章阐述本课题的研究背景、研究意义和研究内容。对零件库的发展概况 进行了综述。 第2 章在对零件库的功能进行详细分析的基础上，得出了系统级和各个功能 电子科技大学硕士学位论文 模块的用例图。 第3 章提出了零件库的总体设计方案，为系统设计了基于m v c 的三层结构， 对零件进行了细致的分类，并建立了零件的主参数信息模型，再此基础上，为系 统设计了可动态扩充的数据库结构。 第4 章对系统的实现中的若干关键技术问题进行阐述，包括参数映射机制、 多参数存储技术、关键类的设计以及装配件的处理等。 第5 章详细阐述系统的实现过程。包括系统界面的设计以及各个功能模块的 实现。 第6 章描述了系统的应用实例。 第7 章对全文进行了总结展望。 1 2 第二章系统功能分析 第二章系统功能分析 零件库的设计主要应考虑使用者当前的和将来的需求。当前的需求是一定要 实现的，而要很好的满足使用者将来的需求需要整个系统具有良好可扩展性，新 的要求出现时能及时扩展。对于零件库的功能要求，应该从尽可能多的角度来考 察，满足多方面的需要。 随着功能的不断完善，零件库系统可以包含不同的组成部分，文献【1 4 1 给出了 一个典型的零件库系统的结构简图，如图2 1 所示。其中的各部分是一个零件库系 统必须具备的，包括用户界面、参数图形库、零件信息库、