（机械设计及理论专业论文）燃气表系列化参数化设计系统.pdf

天津大学硕士论文 摘要 燃气表是一种系列化产品，同一系列产品的主要区别是燃气表流量的不同， 而它们的整体结构具有相似性。设计人员在设计同一系列燃气表的不同型号的产 品时就不需要从最初开始设计，完全可以在此系列已有产品设计的基础上进行系 列化相似性设计；而且各系列产品之间存在很多结构尺寸相同或者结构相近的零 部件以及一些标准件，这些都为进行系列化相似性设计创造了条件。通过对这些 零部件图形的快速修改生成新产品的三维零件图形，通过重新装配生成新产品的 三维装配图。这样就会最大程度地避免重复性劳动，提高燃气表的设计效率，让 工程设计人员把时间用在新产品的创新开发上。 本课题根据以上燃气表系列化设计的特点，研制开发了针对燃气表的系列化 参数化设计系统软件( g a sm e t e r - p s d s ) ，本软件是三维g a d 图形软件。开发的 核心技术包括c o m 组件的复用、o p e n g l 、o d b c 、图形变换和交互技术等。 在开发本软件的前期工作中对目前的g 1 6 型号的工业燃气仪表进行了创新 性结构设计，利用u g 软件对燃气表的结构进行三维实体建模。并通过r a t i o n a l r o s e 软件对燃气表参数化设计系统进行了总体设计与分析，建立了对燃气表零 部件的参数化设计模块、运动仿真模块、装配模块、剖分模块和数据库管理模块， 这些模块构成了本软件的基本功能框架。通过s q ls e r v e r2 0 0 0 建立了燃气表零 件图形数据库，以此数据库为中间过渡，参数化设计的结果存入数据库，在进行 尺寸修改和机构仿真时从数据库提取原始数据进行图形加载。 在本软件的开发设计中提出了基于可复用c o m 组件的机械产品c a d 软件的设 计方法，为针对机械产品的c a d 软件开发提供了思路。目前，国内外c a d 软件产 品还没有针对于燃气表的三维设计软件，本课题的研究为中小型企业实现燃气表 的快速c a d c a m 提供了基础理论和实践经验，具有一定的实用价值。 关键字：参数化、o p e n g l 、c o m 组件、动态仿真、装配 天津大学硕士论文 a b s t r a c t t h e g a s m e t e ri sak i n do fs e r i a l i z a t i o n p r o d u c t s a l t h o u g h t h em a i n d i f f e r e n c ei st h a tg a sm e t e r so ft h es a m es e r i e sp o s s e s sd i f f e r e n tf l u x ，t h e yh a v et h e c o m p a r a b i l i t yi nt h ee n t i r es t r u c t u r e t h en e wp r o d u c t sm a y b ef u l l yd e s i g n e do nt h e b a s eo fs t r u c t u r eo ft h es f l 2 l es e r i e s p r o d u c t s ，w h i c hd o e s n t n e e dt od of r o m b e g i n n i n g f u r t h e r m o r e ，t h ep r o d u c t sb e l o n g i n g t od i f f e r e n ts e r i e sa l es a m eo rs i m i l a r i ns t r u c t u r e w ec a l l m o d i f yt h eo l dp r o d u c tt o o b t a i na c c e s s o r yg r a p h i c so fn e w p r o d u c t ，a n dm a k e 3 d a s s e m b l yg r a p h i c so f n e wt y p eg a s m e t e rb yr e a s s e m b l i n g t h e s o f b v a r em a ya v o i d r e p e a t i n g j o bi nt h em o s t e x t e n ta n di m p r o v ee f f i c i e n c yo fd e s i g n i no r d e rt om a k e d e s i g n e rd e v e l o pn e wp r o d u c t s t h et h e s i si so nd e v e l o p m e n to ft h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo fg a sm e t e r s e r i e s ( g a sm e t e r - p s d s ) o n t h eb a s eo fc h a r a c t e r si ng a sm e t e rs e r i a ld e s i g n t h i si s 3 dg r a p h i c sd e s i g ns o f t w a r e t h eh a r dc o r et e c h n o l o g yi sr e u s eo fc o m g r o u p w a r e ， o p e n g l ，o d b c ，g r a p h i c st r a n s f o r m ，a l t e r n a t i o n e t c ii n n o v a t ei nt h es t r u c t u r eo fg 1 6i n d u s t r i a lg a sm e t e ri nt h e p r o p h a s eo ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，d r a w3 de n t i t a t i v em o d e l o fg a s m e t e rs t r u c t u r eb yu g ，a n dp r o c e s st h ea n a l y s i sa n de n t i r ed e s i g no fg a s m e t e r p s d ss o f t w a r e t h es o f t w a r ei n c l u d e sp a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l e ，a s s e m b l y m o d u l e ，d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d u l e ，s e c t i o nm o d u l e o fa c c e s s o r ya n dd a t a b a s e m a n a g e m e n tm o d u l ew h i c hc o m p o s eo f t h ef r a m e w o r ko fe s s e n t i a lf u n c t i o n s t h e s o f t w a r eh a sag r a p h i cd a t a b a s eo fg a sm e t e ra c c e s s o r yw h i c hi se s t a b l i s h e db ys q l s e r v e r2 0 0 0 t h ed e s i g n e rs a v e st h er e s u l to f p a r a m e t r i cd e s i g ni nt h ed a t a b a s e w h e n d e m o n s t r a t ed y n a m i cs i m u l a t i o na n dm o d i f yt h ed i m e n s i o no fs t r u c t u r e ，t h es o f t w a r e c a nl o a dd a t af i l eo f g r a p h i c sf r o mt h ed a t a b a s e t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r do n ed e s i g nw a yo fc a ds o f t w a r ei nm e c h a n i c a l p r o d u c t s t h ew a y w h i c hi sb a s e do nt h er e l l s eo fc o mg r o u p w a r ep r o v i d e st h er o a d 蒌堡查兰堡主笙苎 o fd e v e l o p m e n tc a ds o f t w a r ei nm e c h a n i c a lp r o d u c t s p r e s e n t l y , t h e r ei sn o ta k i n d o fc a ds o f t w a r ef o rd e s i g n i n gg a sm e t e ri nt h ew o r l d t h et h e s i sp o s s e s s e st h e p r a c t i c a l v a l u ea n d p r o v i d e s b a s a l t h e o r y a n d p r a c t i c a l e x p e r i e n c e f o r r a p i d c a d c a m o f g a s m e t e ri nt h es m a l lo rm e d i u m s i z e dc o m p a n y k e y w o r d ：p a r a m e t r i c ，o p e n g l ，c o mg r o u p w a r e ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，a s s e m b l y 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘茔或其他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。 学位论文作者签名 柳岛咿 签字日期：上舢懈，月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 胡鹃件导师签名学位论文作者签名：7 匕m 叶1 彳7导师签名箍赠 签字日期：三口。f 年f 月i ) 日签字日期：2 口。午年月哆日 第一章绪论 1 1 概述 1 绪论 计算机辅助设计( c a d ) 是以计算机系统为支持，促进与进行产品的方案设计、 解析计算、判断优化、分析评估和详细设计的一门技术 1 2 。其根本任务是为 产品的开发和生产建立一个全局信息模型。c a d 通过几何设计，以点、线、面、 体等几何要素和暗、灰度、色彩等非几何要素显示产品形状信息；通过结构设计， 以数据文件和工程数据库定义产品结构信息；通过交互设计，以数学模型、计算 分析和绘图制表建立产品过程信息。直观地讲，c a d 就是利用计算机快速、准确 地选择最佳方案、减少错误、提高效率、降低成本、实现创造性设计。所以，c a d 技术是一个广义的概念，它除了我们通常所说的计算机辅助设计与绘图外，还应 包括计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助工艺规划( c a p p ) 等。根据国务院批 示，由国家科委于1 9 9 2 年组织实施c a d 应用工程，在取得了巨大的成效的同时， 也证明应用c a d 技术是推动生产力发展的有效途径，是未来实现智能劳动的技术 基础，是企业实现技术进步、提高市场竞争力的手段，是企业进入国际市场的入 场券 6 。 近年来，由于计算机技术和软硬件的迅速发展，c a d 技术由最初的平面辅助 设计绘图工具迅速向智能化、三维化、集成化、网络化和标准化发展，其中三维 技术以其突出的优越性，迅速成为c a d 业界的主流，使工程设计实现了技术的巨 大飞跃。 1 1 1c a d 技术的发展趋势 3 ( 1 ) 三维化 目前二维绘图软件的使用仍相当普遍，一方面是由于工程设计上传统的绘图 习惯；另一方面，经过长期的使用和发展，以投影几何为基础的二维制图已经形 成了一套比较成熟、完整的体系，广大工程设计人员都比较熟悉。但是二维图形 表达有其自身难以克服的缺点。设计人员头脑中所构思的设计对象是三维物体， 制造人员在加工时头脑中理解的也是三维物体，但这中间却要经历一个三维一 二维一三维的转化过程。这个转化过程本身就是很复杂，容易发生信息的丢失 和错误，再加上由于二维图形难以理解，设计人员需要经过专门训练，这无疑又 增加了企业的成本支出。而三维实体模型能够更直观、更全面的反映设计意图， 并且可以进行装配、干涉检查、有限元分析等高级的计算机辅助设计工作。因此， 第一章绪论 在不久的将来，三维c a d 彻底取代二维c a d 是完全有可能实现的。 ( 2 ) 集成化 集成化就是向企业提供一体化的解决方案，集成化的含义就是多角度、多层 次的，它可以是一个c a d 系统内部各模块之间的集成，或者是体现一个企业引进 的多种c a d 系统之间的集成，也可以理解为工程设计领域的c a d 、c a p p 、c a m 、 c a e 系统之间的集成，进一步发展成为支持产品开发的整个生命周期的集成化系 统。 ( 3 ) 智能化 机械产品的设计是一种复杂的创造性劳动，其中可归纳为两类：一类是数 值计算型工作，另一类是符号推理工作。一般的机械c a d 以数值计算为主体，能 比较圆满的完成第一类工作，而要完成第二类工作则有困难，因为第二类工作很 难用一个明确的数学领域模型表达清楚，要求解的是非数值型的问题。 人工智能的一个分支专家系统，为实现上述非数值计算的智能行为提供 了有力的手段。将其引入c a d 系统，使得c a d 系统具有专家的经验和知识，具有 学习、推理、联想和判断的能力，以及智能化的视觉、听觉、语言的处理能力， 从而达到设计自动化的目的。 ( 4 ) 网络化 随着计算机网络的飞速发展，c a d 系统的网络化已经是不可阻挡的历史潮流。 网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设备，节省投资，不同设计人 员可以在网络上方便的交换设计数据。现在的c a d 系统正在逐步与i n t r a n e t 整 合，在企业行为国际化的大潮下，在e x t r a n e t 的大环境下建立c a d 系统己成为 必然趋势。 ( 5 ) 标准化 随着c a d 技术应用的越来越广泛，c a d 标准化体系将进一步完善。目前计算 机图形系统方面的标准有计算机图形接口c g i ( c o m p u t e rg r a p h i c si n t e r f a c e ) 图形核心系统g k s ( g r a p h i c sk e r n e ls y s t e m ) 和( g k s 一3 d ) ，层次结构图形系统 p h i g s ( p r o g r a m m e r sh i e r a r c h i c a l i n t e r a c t i v eg r a p h i c ss y s t e m ) 等；产品 数据交换方面的标准有基本图形交换规范i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g e s p e c i f i c a t i o n ) 和产品模型数据交换标准s t e p ( s t a n d a r d f o re x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 3 t 。此外，国家还将建立图文并茂、参数化的标准件库， 替代现行的各种形式的标准化手册。 第一章绪论 1 1 2 目前主流参数化c a d 软件系统的特点介绍 u c 是美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司发布的c a d c a e c a m 一体化软件。 广泛应用于航空航天、汽车、通用机械及模具等领域。国内外已有许多科研院所 和厂商选择了u g 作为企业的c a d c a m 系统。 u g 是一个全面的产品建模系统，在u g 中，优越的参数化和变量化技术与传 统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被 大多数c a d c a m 软件厂商所采用。 u g 实现了完全相关和无缝的数字化实体模型数据共享。并且提供了一个功 能强大的编程框架，使客户和软件供应商能够开发与u g 很好集成和完全相关的 应用程序。 ( 2 ) p r o e n g i n e e r 5 1 p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司开发的c a d c a m 软件，在我国也有较多用户。 p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械 c a d c a e c a m 的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械c a d c a e c a m 产品 p r o e n g i n e e r 软件能将设计到生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时 进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。 p r o e n g i n e e r 系统的主要特点： a 真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。 b 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 c 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。 1 2 参数化设计理论综述 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸、或修改己定义好 的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数 驱动的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时无需准确地定位和定形，只 需勾画出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或者只需将 零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实现对产品的设计和优化。 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，在概念设计、动 态设计、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着 越来越大的作用，体现出很高的应用价值。 第一章绪论 1 2 1 参数化设计的发展过程 根据参数化设计方法在不同时期的主要特点，可以将参数化的研究分为以下 几个阶段： ( 1 ) 6 0 7 0 年代中的萌芽期 这一阶段以s u t h e r l a n d 为代表，他在s k e t e h p a d ( 1 9 6 3 ) 系统中提出利用约 束作为辅助手段进行零件的生成，但没有使用约束定义和修改几何模型，对模型 的修改只是一个单向过程，一旦模型生成后约束不能反过来限制模型。 ( 2 ) 7 0 年代后8 0 年代初的开创时期 提出了一些参数化设计的基本思想和理论，并逐渐形成了不同的参数化方 法以h i l l y a r d 提出变量几何和几何约束思想，并由g o s s a r d 及其研究小组进 一步发展和完善了这一方法为标志。 美国的r o b e r tl i g l l t 和d a v i dg o s s a r d ( 1 9 8 2 ) 提出修改实体的变量几何法， 将尺寸约束等式划分为：水平距离、垂直距离、线性距离、点线距离和角度尺寸 等多种类型，利用一个柔性过程来定义和修改几何模型，尺寸变量决定几何模型 的形状和大小，通过修改尺寸变量来修改模型，并将该方法应用于草图和系列化 零件的设计 6 。 ( 3 ) 8 0 年代中期9 0 年代初的发展时期 这一时期的一个重要特征是将a i 技术引入参数化设计中，人们分别将几何 推理、神经网络等人工智能方法应用到设计中去，同时，将参数化技术应用到实 体造型，形成了特征造型技术，以a l d e f e l d 、s u z u k i 、v e r r o u s t 提出的基于专 家系统的方法为主要代表。 a 1 d e f e l d ( 1 9 8 8 ) 提出了一种基于符号操作和推理机处理一般几何模型的方 法，二维几何模型被表示成为一系列几何元素集和定义约束计划的原子规则集， 他将约束分为结构约束与公制约束，并用一阶谓词表示这些约束，通过构造计划、 规则库与推理机进行求解 7 。 k o n d o ( 1 9 9 0 ) 将约束与对模型的操作联系起来，几何关系是由对模型的操作 顺序确定的，能够根据尺寸的变化对模型进行修改基于这种构造过程的几何造 型系统p i g m o d 可应用于线框、曲面和实体模型 8 。 日本东京大学s u z u k i ( 1 9 9 0 ) 用规则来表示二维尺寸约束，用约束传播等技 术进行模型参数化，给出了几何模型和约束的逻辑框架，以及几何推理机制 9 。 西班牙c a t a l u n y a 工业大学s o l a n o ( 1 9 9 4 ) 提出一种基于约束的构造过程的 第一章绪论 参数化设计方法，它不仅可以支持多维设计( 1 d 2 d 3 d ) ，而且还可以支持变拓扑 结构设计 1 0 ，同时给出了模型的定义语言、系统的结构和模型的内部表示。 ( 4 ) 9 0 年代中期至今 基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化方法在实践中得到广泛应用这一 阶段以利用图表示的基于知识的几何推理法和中科院系统所g a ox i a o - - s h a n 提 出的约束传播法为主要代表。 韩国p o h a n g 大学l e ej a ey e o l ( 1 9 9 6 ) 提出利用图表示基于知识的几何推理 方法，将完备的约束设计模型和几何规则表示成图，从设计图选择出适当的子图 以得到新的事实，并在规则图中搜索子规则图去匹配模型中的子图【1 1 ，目的是 改善推理过程，节省推理时间。 西班牙c a t a l u n y a 大学j o a n - - a r i n y or ( 1 9 9 7 ) 等提出了一个基于规则的几 何约束求解器，应用对象为二维几何体求解过程分为两个阶段，第1 阶段为建 立构造步骤序列：第2 阶段则是根据当前尺寸值和构造步骤生成几何对象的实例 n 2 。该方法实质上是一种基于图和规则的构造过程方法，原型系统通过p r o l o g 语言实现，分析器采用前向推理，而构造器则是一个简单的函数语言解释器。 中科院系统所g a ox i a o s h a n 和美国w i c h i t a 国立大学c h o u s h a n g - c h i n g ( 1 9 9 8 ) 在几何约束求解系统中，提出了一种全局传播法和代码计算 法，该方法对局部传播方法进行扩展，全局传播法在确定一个几何元素对象的位 置时是从几何元素集中的已知元素推理而来的，推理过程中不仅使用显式约束， 而且还使用约束信息中的隐含约束，并且能判定一个几何对象是过约束，还是欠 约束 1 3 。 l e ej a ey e o l 给出一种基于自由度分析( d e g r e eo ff r e e d o ma n a l y s i s ) 的 约束分析与求解方法 1 4 ，构造与约束分析同步进行，求解算法稳定，并且已运 用于机构的运动模拟。 1 2 2 国内参数化研究的现状 国内近年来对参数化的研究也显示出较高的热情，相继开发出一些具有较高 技术水平的商品化软件，例如高华c a d 、c a x a 电子图板、g s c a d 9 8 等等。在几 何约束的表示和求解等参数化理论方面，也提出了各种新方法和思路。 ( 1 ) 浙江大学的董金祥教授，葛建新博士提出变参数绘图系统中一种约束求 解新方法 t 5 1 6 ，采用该方法，不但可以通过分解和排序来提高求解速度，而且 可以通过快速指出约束不足和约束过载来提高灵活性和可靠性。 ( 2 ) 山东大学孟祥旭教授采用扩展的有向超图结构( e x t e n d e d d i r e c t e d 第一章绪论 h y p e r g r a p h ) 建立了支持尺寸约束、几何约束和拓扑结构约束的参数化图形表示 模型 1 7 ，利用交互构造的图形对象的依赖关系建立参数化图形约束关系的求解 次序，在超图中采用有向边依次连接图形对象构成求解次序，由于图形构造的每 一步都保证约束的致性，因此不会出现过约束或欠约束的情况。同时，针对约 束耦合程度高的循环约束情况，采用约束关系自定义机制和约束模型的递归求解 机制，支持变结构参数化模型。 ( 3 ) 清华大学张国伟等提出了一种基于自由度分析的约束传播算法【1 8 ，求解 二维参数化设计中所建立的几何约束模型。用约束图表示几何元素及它们之间的 约束关系，用规则图来表示求解推理的过程，采用了基于规则的推理与数值计算 相结合，基于自由度分析的约束求解策略。 ( 4 ) 浙江大学谭建荣教授等针对现有在线参数化方法的不足，提出了模型建 立和求解相分离的离线式参数化方法 1 9 2 0 ，基本思路是根据工程制图规则和尺 寸与图形的本质联系，自动建立尺寸与图形的约束关系，并探讨了工程图约束信 息自组织原理和方法。 1 2 3 参数化设计的主要方法 3 0 多年来，国内外参数化技术得到了很大的发展，其中成熟的参数化设计 方法主要有变分几何法、过程记录法和基于人工智能的几何推理法 2 1 2 2 2 3 。 ( 1 ) 变分几何法 该方法把二维图形中的尺寸信息和图形信息联系起来，用尺寸约束图形，改 变了孤立定义图形方法的局限，将尺寸作为图形的约束关系条件引入。变分几何 法的提出使人耳目新，这种方法通过将尺寸的约束关系转化为方程组，然后解 方程组求得图形元素的定位点。但是，该方法必须由用户输入充分且一致的尺寸 约束才能求出约束方程组的解。这就避免不了数值方法求解的奇异性和稳定性差 的问题，对不致的尺寸约束较难进行判断和处理。 ( 2 ) 记录造型过程法 该方法是记录造型和设计的过程，他们采用的是扩展图形数据结构，使之在 造型过程中记录下几何约束信息，从而可以根据造型过程形成构造计划，输入变 参数后，能重复执行造型过程产生几何体。该方法相对简单易行，但受到用户造 型方法的影响很大，对于用户的要求也比较高。 ( 3 ) 几何推理法 、 基于几何推理法的参数化设计的体系结构如图卜1 所示。此方法基本思路是 第一章绪论 将约束关系用一阶逻辑谓词来描述并存入事实库中，通过推理的控制作用，从 图卜1 基于几何推理法的参数化设计的体系结构 规则库中选用规则并应用于现有事实，推理的结论作为新的事实，推理记录所有 成功的规则应用，并提供给重构过程，从而构造出整个几何体。 1 3 燃气表的工作原理与结构 燃气表是一种系列化的仪表，根据功用和流量的不同，可分为家用燃气表( 型 号分为：j 1 6 、j 2 、j 2 。5 、j 4 、j 6 ) 和工业用燃气表( 型号分为：g 6 、6 1 0 、g 1 6 、 g 2 5 、6 4 0 、g 6 5 ) 。 现以国产j 2 型燃气表为例，说明其工作原理，如图卜2 ： 图卜2 皮模式燃气表的工作原理简图 1 ，2 ，3 ，4 计量室5 气门6 气门座7 分配室8 外壳9 皮膜 表内设计有两个计量箱，通过皮膜将计量箱内分成两个计量小室，燃气的进 入和排出，是通过气门盖( 滑阀) 与皮膜的联动作用来控制的。被测量的燃气从 表的入口管处进入，充满表内空间，经过开放的滑阀座孔口进入计量室2 及4 ， 第一章绪论 依靠皮膜两面的燃气压力差来推动计量室皮膜的运动，使计量室1 及3 内的燃气， 经滑阀及分配室从出口流出。当一个皮膜运动到尽头时，另一个计量室的皮膜正 处于计量室的中间位置并继续运动，驱动传动机构牵动气门盖向想反的方向运 动。变化成为1 及3 与入口相通，2 及4 和出口相通，通过一定的机构，将充气 的循环次数转换成容积单位，反映到外部指针盘上，由指针指示出燃气的通气量。 幽一 d b i i k 1 1 ， 0 虱一 图卜3g 1 6 燃气表的结构图 i 皮膜2 端盖3 计数器4 上壳体5 出气口6 驱动曲柄 7 水平连杆8 密封圈9 皮模夹垫1 0 旗1 1 驱动连杆1 2 旗连杆 1 3 下壳体1 4 阀座1 5 阀盖1 6 支架1 7 阀盖连杼 燃气表皮膜一个回转，读数值就是燃气表的一个回转流量( 即计量室的有 效容积) ，累计流量值为一个回转流量和回转次数的乘积。借助于皮膜的左右移 动驱动曲柄转动，计量即在上述交替运动下得以连续进行。 如图1 - 3 所示。是g 1 6 型皮膜式工业用燃气表结构图，其工作原理同上。 第一章绪论 但其结构设计采用了一种新型结构，与同型号的产品相比，即减轻了产品的重量， 又缩小了燃气表的外观体积。燃气表参数系列化设计系统软件所生成的一个系列 燃气表就是采用这种结构，并建立了此结构的燃气表零件数据库。 1 4 课题产生的背景、实现意义和主要内容 1 4 1 课题产生的背景和意义 当今市场竞争日趋激烈的环境下，燃气表制造业面临着前所未有的挑战，传 统的设计方式已难以适应市场需求。传统设计的信息交换主要依赖于工程图纸、 工艺文档、零部件试样的物理形式，这种方式难以保证信息的完整性、一致性以 及分布在异地，具有异构信息基础结构的部门之间的沟通和交流。 目前，燃气表的设计过程中，表达燃气表产品的图样，多为平面图形，而使 用三维实体造型的并不多。但随着计算机应用技术的发展，尤其是三维造型技术 的发展：应用三维立体模型展示燃气表产品的方法会越来越多。生成的燃气表三 维实体模型的仿真性、直观性也会倍受人们的青睐。三维实体建模技术来源于实 际应用的需要，又代表了未来设计方法的方向。 课题来源于天津某燃气表有限公司，此公司与天津大学机械学院合作研制开 发一种新型工业用燃气表。为了提高燃气表设计效率，缩短设计周期，满足燃气 表系列化设计的要求，设计开发了燃气表参数系列化设计系统软件( g a s m e t e r p s d s ) 。 燃气表是一种系列化产品，同一系列产品的主要区别是燃气表流量的不同， 而它们的整体结构具有相似性。工程设计人员在开发同一系列燃气表的其它产品 时就不需要从头开始设计，完全可以在此系列已有产品图形的基础上进行相似性 设计。而且各系列产品之间存在很多结构尺寸相同或者结构相近的零部件以及一 些标准件。通过对这些零部件图形的简单修改生成新产品的零件图形，通过重新 装配生成新产品的三维装配图。这样就会最大程度地避免重复性劳动，提高设计 效率，让工程设计人员把时间可以用在新产品的创新开发上。 同时，在开发新产品的过程中，设计人员可以把生成的零件三维数据信息和 图形保存到系统的数据库中，实现参数化建库，生成燃气表零部件的尺寸文件， 会极大地方便后续的设计工作。 1 4 2 本课题研究的主要内容 近十几年来，我国的c a d 系统软件的研究与开发飞速发展，许多产业都相继 第一章绪论 开发针对自己产品的c a d 软件，但多数停留在以微机a u t o c a d 作为图形支撑软件 平台，以二维图形处理为主要目标的阶段。而针对燃气表产品的c a d 参数化设计 的软件的开发还处于初始阶段，可见，设计完善燃气表三维参数化系列化设计软 件是一项迫在眉睫的课题。通过前期的准备工作，确定本论文的研究内容主要包 含以下几点： ( 1 ) 通过u g 进行燃气表的三维建模。 燃气表的基本模型建立可以通过u g 软件生成，通过g a sm e t e r p s d s 软件的 文件读取接口进行模型数据的调用。 ( 2 ) g a sm e t e r p s d s 系统软件开发的总体设计与软件工程思想方法分析。 此部分是对g a sm e t e r p s d s 软件开发的宏观论述，介绍软件系统的总体设 计、需求分析，论述了所使用到的软件工程思想方法。 ( 3 ) c o m 规范及机构参数化设计、交互式设计的实现。 此部分包含了g a sm e t e r p s d s 软件的核心技术c 0 m 组件技术的使用， 以及软件主要模块与功能、交互式操作的分析与实现。建立燃气表零件数据库。 编写数据库管理模块，通过编写的接口管理模块与s q ls e r v e r 数据库连接起来。 建立燃气表零件库。包括图形文件的保存、查询、加载等功能。 ( 4 ) o p e n g l 编程与燃气表驱动机构的运动仿真。 主要研究包括：分析燃气表三维图形数据文件( s t l ) 的格式，通过编程对其 进行的读取、保存；并通过o p e n g l 图形标准开发了燃气表驱动机构( 主要是阀盖 和皮膜的联动机构) 的运动仿真。 ( 5 ) 对燃气表进行定点装配，动态演示燃气表的装配过程。 1 ，5 本章小结 本章首先介绍了c a d 技术的发展以及目前主流的c a d 软件，以此反映出现代 化的参数化c a d 软件研制与开发的主攻方向，其应该具有特点和功能。随后介绍 了机构的参数化c a d 软件开发理论，包括参数化理论在国内外的发展情况，主要 的参数化设计方法，并介绍了目前流行三维c a d 软件。 燃气表的结构与原理部分包含了燃气表的工作原理的解释和燃气表的结构 简图。g a sm e t e r p s d s 软件的开发是以g 1 6 型工业用燃气表为开发实例。随着 软件版本的升级，后续工作可以开发其它系列不同型号的燃气表。 第二章g a sm e t e r - p s d s 软件的总体设计 2g a sm e t e r - p s d s 软件的总体设计 2 1g a sm e t e r - p s d s 软件的体系结构设计及理论 软件体系结构设计的优劣在根本上决定了软件系统的质量的好坏c 2 4 。体系 结构有两个基本特征： ( 1 ) 体系结构是对复杂事物的抽象。良好的体系结构是普遍适用的，它可以 高效地处理多种多样的个体需求。一提起“房子”，我们的脑中马上就会出现房 子的印象。“房子”是人们对住宿或办公环境的一种抽象。不论是办公楼还是民 房，同一类建筑物( 甚至不同类的建筑物) 之间都具有非常相似的体系结构和构造 方式。 ( 2 ) 体系结构在一定的时间内保持稳定。软件开发中最不希望发生的是需求 变化，但“需求会发生变化”是个无法逃避的现实。人们希望在需求发生变化时， 最好只对软件做些轻微的修改，如果此时不得不去修改软件的体系结构，那么这 个软件的体系结构设计就是失败的。 良好的体系结构意味着普适、高效和稳定。本节将论述两种常用的体系结构 模型：层次结构和客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) 结构，前者是本软件在其功 能划分、操作流程、数据流图和体系结构方面的理论基础。后者是为企业c a d 软 件与零部件数据库服务器的网络化通讯模式。 2 1 1 层次结构 一、上下级关系的层次结构 上下级关系的层次结构表达了这么一种常识：有些事情比较复杂，我们没法 一下子做完，就把事情分为好几层，一层一层地去做。上层地工作总是建立在下 层的工作之上。上层子系统可以使用下层子系统的功能，而下层子系统不能够使 用上层子系统的功能。 二、顺序相邻关系的层次结构 顺序相邻关系的层次结构表明通讯只能在相邻两层之间发生，信息只能被 一层一层地顺序传递。这种层次结构的经典之作是计算机网络的o s i 参考模型。 每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节 对上一层加以屏蔽。接口可以使得同一层能轻易地用某一种实现 ( i m p l e m e n t a t i o n ) 来替换另一种完全不同的实现，只要新的实现能向上层提供同 第二章g a sm e t e r _ p s d s 软件的总体设计 一组服务就可以了 2 5 。 三、其它的层次结构 目前在大型商业c a d 软件系统中还流行一种包含中间件( m i d d l e w a r e ) 的层 次结构，如图2 1 所示 2 6 。中间件支持与平台无关的分布式计算，可以用d c o m 和c o r b a 对象来实现。 a p p h c 8 t i s y s t e m s b u s i n e s s - s p e c i f i cc o m p e n t s m i d d l e w 口e s y s t e ms o f t w m - e 图2 - 1 包含中间件的层次结构 2 1 2g a sm e t e r p s d s 软件需求分析 随着市场竞争的日趋激烈，新产品上市时间的长短已成为决定企业竞争优势 甚至企业能否生存的主要因素。而新产品的上市时间是由产品的设计周期所决 定，加快新产品的设计周期是产品制造企业必须面对和解决的问题。对支持这一 过程的基础来说，良好的产品设计工具是必不可少的，本软件的需求分析真是从 此处着手。 孵 图2 - 2 需求分析的基本过程 g a sm e t e r p s d s 软件在开发之初，根据用户提出的一定的需求，进行了相 应的功能分解，接下来进行了软件的需求分析：1 确定对此软件系统的功能要 求：2 分析出系统的操作模型：3 细化系统数据流图。 2 1 2 1g a sm e t e r p s d s 功能要求 a 零件图的数据管理功能：建立燃气表零件数据文件数据库管理模块，具 第二章g a sm e t e r - p s d s 软件的总体设计 有查询、加载、保存删除功能。 b 图形的简单修改功能：可以对已调用到图形区的三维图形进行简单的尺 寸参数化修改，对不同系列、不同规格的燃气表进行自动判断所需要的螺钉的数 量并自动进行添加。 c 图形的剖分功能：可以对零件进行全剖、半剖、阶梯剖，以及显示剖面线 的功能。 d 图形的装配功能：首先加载需要装配的零件，生成零件列表。在主体零 件的基础上进定位装配，对装配零件的位置和方向进行控制。 e 仿真功能：对燃气表阀盖机构和皮膜机构的联动运动进行动态仿真。 2 1 2 2 软件的主操作流程 根据用户需求，确定的软件功能结构，得到g a sm e t e r p s d s 软件的主操作 流程，如图2 3 所示。此流程图满足上下级关系的层次结构，各模块之间是相互 独立的。( 请参见2 1 1 节) 图2 - 3 软件操作流程图 2 1 2 3 数据流图 根据软件的操作流程图，通过对燃气表三维零件图进行装配、剖分、图形修 改时的数据流流向分别进行分析，可得装配功能的数据流如图2 4 所示，剖分功 能的数据流如图2 - 5 ，图形修改功能的数据流如图2 6 。其中的剖分的数据流图 符合顺序相邻关系的层次结构：其它符合上下层关系的层次结构( 请参见2 1 1 节) 。 第二章g a sm e t e r - p s d s 软件的总体设计 图2 - 4 装配的数据流图 图2 - 5 剖分的数据流图 辩蓐：卜t f 摧盏鼗搜) 韶篱磊繇f 删酬1 鼋慧i 赢赫厮赫 ? 謦愀繁雩 图2 - 6 图形修改的数据流图 2 1 3g a sm e t e r p s d s 软件的体系结构 扪t l 捌撼 加搜 鞠膨和数据 组存 经过对燃气表参数系列化设计系统的需求分析，研究了整个燃气表的设计流 程，把g a sm e t e r p s d s 软件的体系结构划分如图2 7 。( 有关中间件的理论请参 见2 1 - 1 节) 。 1 4 第二章g a sm e t e r - p s d s 软件的总体设计 2 1 4 开发工具的选择 在中文w i n d o w sx p 系统环境下，可利用v i s u a lc + + 6 0 强大的开发功能开 发燃气表参数化c a d 系统中文主控界面和数据库管理系统；数据库可用m ss o l s e r v e r2 0 0 0 建立或调用已建立的其它数据库：通过u g 建立燃气表的初始模型， 使用的三维图形标准是o p e n g l ( 开发性图形库) 来编写对图形数据的读取、修改 功能，交互式操作功能，动态运动仿真功能和装配演示功能。 图2 7 软件的体系结构图( 代表了模块的可扩展性) 2 2g a sm e t e r p s d s 模块设计 在设计好软件的体系结构后，就已经在宏观上了解到各个模块具有什么功 能，应放在体系结构的哪个位置。我们习惯地从功能上划分模块，保持“功能独 立”是模块化设计的基本原则。因为“功能独立”的模块可以降低开发、测试、 维护等阶段的代价。但是“功能独立”并不意味着模块之间保持绝对的孤立。一 个系统要完成某项目任务，需要各个模块相互配合才能实现，此时模块之间就要 进行信息交流。 比如手脚是两个“功能独立”的模块。没有脚时手照样能干活。没有手时仍 可以用脚走路。但如果希望跑得快，那么迈左脚时一定要伸右臂甩左臂，迈右脚 时则要伸左臂甩右臂。在设计一个模块时不仅要考虑“这个模块就该提供什么样 的功能”，还要考虑“这个模块应该怎样与其它模块交流信息”。 第二章g a sm e t e r - p s d s 软件的总体设计 2 2 1 模块设计的评价标准