（机械制造及其自动化专业论文）基于几何分析的平面尺寸链计算机辅助设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 机械产品尺寸和公差的计算机辅助设计( c 0 m p u t e r a i d e dd i m e n s i o n i n g a n dt o l e r a n c i n g c a d t ) 是机械制造领域研究的热门技术之一，受到越来越 广泛的重视。尺寸和公差设计不仅影响产品的质量，而且对制造成本也起着 决定性的作用。特别是在军工系统中，尺寸链分析计算显得尤为关键。许多 武器装备本来就是高精尖产品，如果要进一步提升其性能、威力就必然要提 高系统的精确度和可靠性，这些对设计和加工特别是装配都对尺寸链的分析 计算及公差设计提出了更高的要求。由此可见，尺寸链技术是尺寸和公差设 计中非常重要的一项技术。 本文针对计算机辅助平面尺寸链设计中需要解决的几大关键技术，提出 了计算机辅助平面尺寸链设计的系统方法。就尺寸链的数据存储、尺寸链方 程自动生成、平面尺寸链图的绘制等问题进行了深入的研究。其主要研究内 容有：计算机辅助尺寸链设计的发展历史和研究现状，应用计算机辅助尺寸 链设计分析所存在的一些问题，尺寸链几何分析及计算原理，公差分配原理 及尺寸链自动生成技术。 关键词：平面尺寸链计算机辅助设计几何分析公差分析 a b s tr a c t u s l n gc o m p u t e r t 0 p r o c e s sc o m p u t e r - a i d e dd i m e n s i o n i n i n ga n d t o l e r a n c i n g ( c a d t ) h a sb e c a m eap o pt e c b n o l o g yi np r e s e n ti n t e r n a t i o n a l a c a d e m e d i m e n s i o n a lc h a i nc a l c u l a t i o n p l a y sa ni m p o r t a n tr 0 1 ei nt o l e r a n c e t e c h n i q u e ，e s p e c i a n yi n m a r t i a ls y s t e m m a n ya r m so r i g i n a l l ya r eh i g h p r e c l s i o np r o d u c t s ， i fw ew a n tt op r o m o t ei t sp e r f o r m a n c e ，m i g h tf u r t h e r m o r e ，w em u s te n h a n c et h ed e p e n d a b i l i t ya n dp r e c i s i o no ft h es y s t e m ，i t b r i n g so u th i g h e rr e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n i n g ， m a c h i n i n g ，s p e c i a l l y a s s e m b l i n g ，a l lo ft h e s en e e d sd i m e n s i o n a lc h a i nc a l c u l a t i o n a i m i n ga tt h ek e yt e c h n i q u en e e d e dt ob es o l v e di n ( c o m p u t e r a i d e d d i m e n s i o n i n ga n dt o l e r a n c i n g c a d t ) o fp l a n e i n gd i m e n s i o nc h a i n ，t h i s p a p e rp r e s e n t sas y s t e mm e t h o df o rc a d to fp l a n ed i m e n s i o nc h a i na n d m a k e sa ni n - d e p t hr e s e a r c ho nd a t a s t o r a g eo fd i m e n s i o nc h a i n ， a u t o g e n e r a t i o no fe q u a t i o n s ，c o m p u t e r a i d e dc a l c u l a t i o no ff u n c t i o n a le q u a t i o n s a n dt r a n s f b r c o e f f i c i e n t s ， a n dp l o t t i n go fp l a n ed i m e n s i o nc h a i n t h e r e s e a r c hc o n t e n ta n di t ss t r u c t u r ea r eb e e ng i v e n ：t h ed e v e l o p m e n ta n dt h e r e c e n ts t a t u so ft h ec a d tr e s e a r c h ；t h ep r o b l e mw h i c he x i s t e di nc a d t ； d i m e n s i o nc h a i ng e o m e t r ya n a l y s et h e o r y ，t h em a t h e m a t i ct h e o r yo fc a d t a n dt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no fd i m e n s i o nc h a i n k e y- o r d s ：d i m e n s i o nc h a i n ；c a d ； g e o m e t r ya n a l y s e ；t o l e r a n c i n g a n a l y s e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 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，也不包含为获得西南科技大 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 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：参移多电 日期如瞧6 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：汤引乞翩躲妙豸纱日期：湘沙f f 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 引言 机械产品尺寸和公差的计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd i m e n s i o n i n g a n dt 0 1 e r a n c i n g c a d t ) 是当前国际国内学术界研究的热门技术之一，受到 越来越广泛的重视。早在1 9 7 8 年，丹麦的o b j o r k e 教授发表专著计算机 辅助公差设计，提出利用计算机进行尺寸链分析和制造公差的控制。不难看 出尺寸链计算在公差技术中有着重要的作用。特别是在军工企业中，尺寸链 分析计算显得尤为重要，因为许多武器装备本来就是高精尖产品，如果要提 高其性能、威力和可靠性就必然要提高系统的精确程度，从而就需要进一步 提高加工精度。比如卫星的高精度变速跟踪装置，枪、炮的命中精度等，都 要通过尺寸链计算来控制其运动部件。不少兵器在设计生产定型时都需要成 套的尺寸链计算书。因此尺寸链技术是尺寸和公差设计中非常重要的一项技 术n 6 侧。 在设计制造过程中工程技术人员经常会遇到如下的几个问题：怎样分析 机械产品中各零件之间的尺寸关系；如何保证产品的装配精度以及技术要求 诸如此类的问题。在很大程度上可以归结为对尺寸链问题的研究心3 。因此尺 寸链分析计算在设计和制造中的意义可以归结为以下几点： ( 1 ) 可以合理地确定零部件精度 ( 2 ) 能保证产品的可装配性和互换性 ( 3 ) 能保证产品具有良好的加工工艺性和经济性 ( 4 ) 有助于合理拟订装配工艺和方法 ( 5 ) 能分析解决产品生产过程中的质量问题 1 2 国内外发展现状及存在的问题 1 2 1 国内外发展现状 制造技术是国民经济发展的主要支柱之一。世界上各个发达工业国经济 上的竞争，主要是制造技术的竞争。经历了制造业飞速发展的2 0 世纪，2 1 世纪制造业还将继续着其主宰一个国家竞争力的角色口喝】。 2 1 世纪初机械制造业发展的总趋势是柔性化、灵捷化、智能化和信息化。 柔性化使工艺装备与工艺路线能适用于生产各种产品的需要，能适用于迅速 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 更换工艺、更换产品的需要；灵捷化使生产推向市场准备时间缩为最短，使 机械制造厂机制能灵活转向：智能化是柔性自动化的重要组成部分，它是柔 性自动化的新发展和延伸。人类不仅要摆脱繁重的体力劳动，而且要从繁锁 的计算、分析等脑力劳动中解放出来，以便有更多的精力从事高层次的创造 性劳动，智能化促进柔性化，它使生产系统具有更完善的判断与适应能力； 信息化使机械制造业将不再是由物质和能量借助于信息的力量生产出价值， 而是由信息借助于物质和能量的力量生产出价值。因此，信息产业和智力产 业将为社会的主导产业。机械制造也将是由信息主导的，并采用先进生产模 式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理方式的全新的机械制造业。 总结以上“四化一，可以看出2 l 世纪制造业的一个特点是在信息化的前 提下，使人们从繁琐的体力与脑力劳动中解放出来去从事更高层次的创新性 劳动，并且努力提高产品的生产效率，缩短产品的更新周期，提高产品在市 场上的竞争力。而决定产品竞争力的两个关键因素是产品的生产效率和产品 的质量，这两个因素相互制约但又缺一不可。合理确定产品尺寸链，是协调 这两个矛盾的有效方法哺q 们。 在现代机械产品的设计、制造、装配以及性能和质量参数的分析中，尺 寸链理论都有着非常广泛的应用。它最初是由机器装配过程发展而形成的， 由于零件尺寸不能制造得绝对的准确，因此在装配的同时就会产生误差的综 合和积累，累积形成后的总误差将会影响机器的性能和质量，尺寸链的基本 原理就是在零件的尺寸误差和综合误差的相互影响关系中形成的。 在机械加工过程中，零件的加工质量与产品的性能成正比。若零件的加 工质量高，则装配的难度就会相应降低，但制造的难度和成本却增大了，经 济效果差。如果为了降低制造加工的难度和成本而牺牲了零件的加工质量， 其结果是得不偿失的。为了在两者之间达到平衡，制造人员希望在保证零件 质量的前提下，尽量放宽零件的制造公差。为了达到这个目的，就必须要用 尺寸链原理来分析计算。因此，尺寸链计算对提高生产效率，降低成本，提 高产品质量，在生产过程中起十分重要的作用。尤其在大批量生产中，要求 零件在互换性原则基础上装配的条件下，尺寸链的分析计算显得尤为重要。 1 2 2 机械加工中传统的尺寸链分析、解算方法存在的问题 在传统的尺寸链分析计算中，从尺寸链的增环和减环的判断分析开始， 它就注定是一项耗时费事而且又没有任何新意可言的枯燥乏味的工作。在开 始分析尺寸链时，首先要分析哪个尺寸环是组成环，哪个是封闭环，然后再 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 分析各个组成环对封闭环误差的积累关系是同向影响，还是反向影响。尺寸 链环数不多，而且是线性的尺寸链，分析起来会比较容易，可是环数一多， 要是再遇到复杂一点的平面或空间尺寸链，尺寸链分析起来可是要花一翻心 思的。一般来说，工程技术人员通常利用尺寸链封闭多边形的特性和各组成 环的基本( 公称) 尺寸和公差，通过向己约定好的x ，y ，z 轴或过渡环或封闭 环投影，然后应用三角、代数、几何、解析几何等拓扑、数学原理，列出尺 寸链方程组，通过解方程组，求出封闭环的基本( 公称) 尺寸和公差。这一步 也就是尺寸链分析、计算中最繁琐、工作量最大、最耗费时间的环节。假如 在尺寸链中增加一环( 无论是直线环还是角度环) ，待其投影之后所要列的方 程就可能会多出好几个、甚至十几个，所列的方程组中每个方程都会增加一 些计算项来，这样繁复计算的问题靠工程技术人员用人工的方法去一一计算， 决不是一件轻松的事情1 。 另外，在机械工业实际生产中工程技术人员自然都会考虑加工过程中制 造误差的累积和综合。从提高生产率和改善经济效益出发，他们常应用概率 计算法来计算封闭环的基本( 公称) 尺寸和公差，此时，除了上述投影列方程、 解方程之外，本身尺寸链各组成环的公差的计算，在各组成环误差不按正态 分布时，还需先计算各组成环的误差相对分布系数、保险系数和确定平均相 对分布系数，然后才能计算封闭环公差。这种情况使得计算过程变得更加繁 琐、复杂、更不好计算而且工作量更大。 1 2 3现今计算机辅助尺寸链分析、解算的现状及存在的问题 目前伴随着c a d c a m i c a e c a p p 技术的发展，计算机辅助分析解算尺寸链 技术也日趋完善，功能也日见强大。目前各大三维c a d 软件，如 p r o e ，s o l i d w o r k s ，u g ，都是基于特征的c a d 设计软件，这些软件己不再局 限于单纯的绘图功能，随着计算机软硬件的快速发展，它们与结构分析、集 成制造、加工工艺设计之间的关系也越来越紧密，其内部都建有各种各样的 有限元分析、集成制造、计算机辅助工艺设计等功能模块。它们已从最初的 计算机辅助设计软件逐渐演变成如今的集c a d c a m c a e 几a p p 技术于一体的 大型多功能三维实体建模设计制造软件了。因为尺寸链的分析与综合是 c a d c a m c a e 几a p p 中不可缺少的一个环节，如i d e a s ，u g ，p r o e 等大型三 维软件自然也都对机械制造中尺寸公差这一敏感问题的做出了相应的解决方 法，建立了关于计算机辅助尺寸链分析计算这方面的计算模块。 但是纵观这些大型三维软件，仔细分析概括一下，发现它们在尺寸链的 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 计算机辅助分析方面仍旧存在着以下几点不足之处： 首先，目前计算机辅助解算尺寸链技术只是作为这些集 c a d c a m c a e c a p p 技术于一体的大型三维软件一个技术上的支撑，这样的分 析模块都将重点放在了基于特征的尺寸链自动生成、分析与设计上，相对而 言，对于各种类型的尺寸链分析计算这方面的研究要少些。 其次，尺寸链计算机辅助分析计算模块一般是作为计算机辅助尺寸链的 自动生成和分析的计算部分，从属于计算机辅助尺寸链的自动生成和分析， 并不能作为一个独立的模块程序单独拿出来计算。 最后，在尺寸链计算机辅助分析计算中，一些软件只能做到对某一类具 有相似特征的零件或零件组，通过计算机程序的处理来辅助工程技术人员自 动生成尺寸链，并通过公差调整，最后解得尺寸与公差。 至今，尺寸链的分析计算问题，特别是复杂平面尺寸链和空间尺寸链问 题，仍然未能得到很好的解决。根据目前计算机辅助尺寸链分析解算技术的 成果以及其发展趋势，针对现在尺寸链计算机辅助分析这一块所存在的一系 列的问题，本文对各种不同类型的尺寸链进行了一番全面系统的比较和分析， 从理论和实践两方面对目前尺寸链计算机辅助分析中存在的独立性不足、适 应性不够、分析不够完善等缺点进行了长期地反复地研究和分析，运用b a s i c 语言中成熟的面向对象技术，以m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 6 o 作为应用软件 的开发平台，对确立的软件系统模型和数据结构进行了无数次的评估、分析 和测试，开发出了一套通用性好、适用范围广的计算机辅助尺寸链分析解算 应用软件，达到了方便地、快捷地、精确地解决尺寸链分析计算问题的目的， 帮助工程技术人员从繁杂而枯燥的计算工作中解脱出来n 纠引。 1 2 4计算机辅助公差设计的研究成果与发展方向 计算机辅助公差设计自1 9 7 8 年由o b j o r k e 提出以后，己有二十多年的 历史，国内外学者在计算机辅助公差分析与综合、公差建模与表示、并行公 差设计等方面做了大量的研究，取得了丰硕的研究成果。目前，计算机辅助 公差设计的研究正朝着以下几个方向发展n p 垤1 。 ( 1 ) 公差信息在计算机中的表示 为了使公差设计与产品设计真正集成在一起，并实现设计与制造信息的 集成，需要在c a d 中完整、准确、方便地表达公差信息。但目前的c a d 系统 普遍缺乏这一功能，从而制约了c a t 的进一步发展。公差信息的表示方法一 般可分为实体特征表示法、变量几何表示法和i s o 公差带表示法。在实体特 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 征表示法中，公差一般是作为构成特征的元素的附属信息。在变量几何表示 法中，公差被看作尺寸参数的微小变化，作为尺寸参数的附属信息。在i s 0 公差带表示法中，用表示特征变化的公差带和表示特征位置和方向公差基准 的参考框架来表示公差信息乜们。 ( 2 ) 公差的数学化表示 i s o 公差系统己在实践中应用多年，很适合手工设计环境。但随着计算 机技术在设计和制造中的推广应用，i s 0 公差系统已越来越显示出它的不足， 最突出的缺陷在于i s o 公差很不适合计算机的表达、处理以及在各个阶段的 数据传递。所以，以美国机械工程师协会和美国国家标准研究所为首的学术 组织正在加紧研究适合于计算机处理公差信息的表达方法，i s o 的s t e p 行动 组也在研究s t e p 标准中公差信息的表示方法，但这些研究工作所取得的效果 却很有限，还应继续加强这方面的研究心卜2 引。 ( 3 ) 计算机辅助公差分配和分析 公差分配( t o l e r a n c ed i s t r i b u t i o n ) 就是尺寸链计算中已知封闭环公 差，按照一定的方法和约束条件，优化分配各组成环的公差，也称为公差综 合( t o l e r a n c es y n t h e s i s ) 。公差分析( t 0 1 e r a n c ea n a l y s i s ) 是指己知尺寸 链中各组成环公差，分析封闭环公差是否满足预定的精度要求n 钔。 目前，计算机辅助公差分析和分配无论是从理论上还是在实现上仍主要停留 在一维的线性尺寸链基础上，大多数c a d 软件中的公差设计模块只能解决线 性尺寸链的公差设计问题。虽然国内外不少学者对平面尺寸链的公差设计问 题进行了研究，但还是没有找到一条完全适用化的道路解决针对复杂平面尺 寸链的计算机辅助公差设计问题，因此平面尺寸链的计算机辅助公差设计还 存在广泛的发展前景，也是本课题研究的核心内容乜p 2 7 1 。 ( 4 ) 成本一一公差模型 公差设计的主要目的是为了在满足装配要求的前提下，使生产成本最小， 因此建立一个实用的成本一公差模型至关重要。目前国内外提出的比较成熟 的加工成本一一公差模型主要归纳起来有：指数模型、倒数幂指数模型、负 平方模型、多项式模型、混合模型、改进的指数模型和神经网络模型等。这 些模型都有一个共同的特点，即它们都是基于“公差越小，成本越高 这样 一个观察事实的。 在实际应用中，实现一个适当的模型，都需要在定的加工环境下，采 集足够的公差成本的统计数据，然后根据这些数据采用曲线拟合的方式确定 模型中的各个参数陷卜3 0 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3尺寸链及环的定义 1 3 1尺寸链 按产品性能要求，工艺要求或检测要求需要确定某基本尺寸或尺寸变化 范围，将对该基本尺寸或该尺寸变化范围有影响的全部尺寸连接成封闭的多 边形，构成多边形的尺寸组称为尺寸链口。 1 3 2链环( 也简称为环) 组成封闭多边形的边，由一个或几个基本尺寸或几个尺寸的变化范围组 成。每个基本尺寸或尺寸变化范围称为链环聆2 1 。按尺寸的几何特征，链环分 为线环( 长度尺寸) 及角环( 角度尺寸) 。 1 3 3组成环 封闭多边形的全部链环，除封闭环以外其余各环称为组成环口羽。封闭环 与组成环用公式表示，则封闭环为组成环的函数或叫因变数，组成环为自变 数。如公式卜l 所示： x = 厂( 彳l ，彳2 ，彳j ，彳所) ( 1 1 ) 式中：x 为封闭环尺寸，丘为组成环尺寸，m 为组成环数。 组成环又分为增环和减环。当其余组成环不变时，某组成环与封闭环成 正变关系时，则称该环为增环，以p 表示。当其余组成环不变时，某组成环 与封闭环成反变关系时，则称该环为减环，以n 表示。 1 3 4封闭环 按产品性能要求，工艺要求或检测要求需要确定的某基本尺寸或某尺寸 的变化范围称为封闭环3 4 】。一个尺寸链一般只有一个封闭环，少数尺寸链有 两个以上的封闭环。封闭环为线性环时一般以x 表示。为角环时一般以9 表 示。 1 3 5过渡环 过渡环也属于组成环，但并非已知的设计尺寸，是属于为了形成封闭多 边形的需要的过渡尺寸朝。在求出封闭环之前，先要计算出过渡环的值。过 渡环一般以z 表示。 1 3 6 组成环的传递比 传递比又称为影响系数，表示组成环对封闭环影响程度的系数，其值等 于组成环在封闭环上引起的变动量对该组成环本身变动量之比凹们。对公式 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 讶= 善幽，+ 差枷：+ 一+ 着以+ 一薏幽脚 c 卜2 ， 式中各偏导著，善，薏表示各组成环在封闭环上引起的变动量 对各组成环本身的变动量之比，是各组成环的传递系数。设第f 个组成环4 的 传递系数为舌，则有髻，= 导。 c 垤。 1 4 计算机辅助尺寸链分析计算中的几项关键技术 在实际应用过程中我们发现：复杂自动机产品的尺寸链计算存在五大关 键技术，它们是任何一次计算都必须经历的步骤，每一步的成功与否都会直 接影响最终结果的准确性： ( 1 ) 从装配图中搜索尺寸链图 这是尺寸链分析计算的第一步，也是最难解决的问题。现在，需要有经 验的工程师，凭借多年的实践经验从装配图上手工找出相关零件，再在这些 相关零件中找出与封闭环相关的所有尺寸，并构成尺寸链图b ”。对于复杂的 装配，还需要添加过渡尺寸和连接尺寸才能构造出尺寸链图。 ( 2 ) 方程组的自动生成 在得到尺寸链图后，按照投影定律生成尺寸链方程。在生成方程组的过 程中有时需要进行坐标转换，将某个连接尺寸转换为坐标轴，有时还需要经 过多次推算才能得到某个组成环的与坐标轴的角度关系。所以，当尺寸链图 较多，图形比较复杂时就很容易出错。 ( 3 ) 组成环增减性的判断 在尺寸链分析中，组成环增减性的判断在理论上不存在任何问题，只要 利用偏微分法就可得到组成环的增减性。但对于复杂的自动机构来说，其功 能方程的函数迭代关系相当复杂，偏微分法往往很难奏效，有时候还是根本 无法解决的。现在，技术人员通常利用试算法代入尺寸极值判断增减性。可 是由于角度尺寸的引入，二维尺寸链方程组多为非线性方程组，也就是说系 数的变化即组成环在公差范围内的变化与封闭环结果的变化并不是线性关 系。我们可能在组成环的极大值处或极小值处获得封闭环对应的极值，也可 能在组成环公差区间任意一点取得封闭环的极值。实际应用中的极值法忽视 了其非线性的点，往往会错的的判断组成环的增减性阳8 q 引。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 4 ) 封闭环极值的计算 对于计算过程而言，封闭环和其它未知组成环的数学意义是相同的，每 一组组成环取值都会得到一组对应的封闭环和辅助尺寸结果。所以，代入组 成环值公差范围内的哪个值进行计算将直接影响到封闭环的结果。 ( 5 ) 复杂尺寸链方程组的求解 在实际应用中，一个封闭环通常对应着不少于1 0 个的尺寸链方程，这些 方程互相影响在计算时要反复迭代组成环的基本尺寸来求解组成环增减性， 还要进行封闭环的计算。用手工计算方式往往是不可能实现的。目前采用的 计算机求解过程算法复杂，稳定性差，所得结果的精度也很难达到要求h 们。 通过上面的分析我们可以发现：五个关键技术环环相扣，只解决其中的 一个或几个关键技术不能解决整个系统问题。要成功的进行尺寸链计算就必 须通过一个完整的系统将这些关键技术有机的结合在一起，形成一个系统的 方法。 1 5 课题来源及其意义 1 。5 。1 课题来源 本文以作者参加的四川省教育厅的重点科研项目“计算机辅助平面尺寸 链及公差设计为研究背景，对计算机辅助平面尺寸链及公差设计技术进行 了研究，在此基础上，开发了计算机辅助平面尺寸链及公差设计软件，取得 满意的效果。 1 5 2 课题研究的意义、目的及现状 自从1 9 8 8 年以来，美国机械工程师学会a s m e 你年的设计自动化年会 ( d e s i g na u t o m a t i o nc o n f e r e n c e ) 都设有专门的公差主题；国际生产工程程 协会c i r p 也从1 9 8 9 年起，每隔一年召开一次全球性的计算机辅助公差设计 主题讨论会；a s 淝和美国国家标准化研究所也联合召开了多次有关公差设计 的学术会议；世界上其它工业化国家如加拿大、法国、英国、在公差设计方 面也投入大量的人力和物力。近l o 多年以来，国际上有关公差研究的出版物 ( 专著、学术论文、博士论文、科技报告等) 也呈几何级数增加，出现了不少 新理论和新方法。一些国际著名杂志如i j p r 、a m t 和a s m e 的会刊每年都要刊 登大量有关公差研究的学术论文h 卜拍1 。 在国内外，虽然有不少的学者一开展了计算机辅助公差设计方面的研 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 究，但是尚末达到完全实用的程度。一些相应的软件中的尺寸链计算模块的 功能也非常有限。所以如何将计算机辅助尺寸链进一步完善，在保证计算结 果的精度、提高计算效率的前提下，将技术人员的劳动强度降到最低，有着 极其重要的息义。这也是本课题研究的目的所在。 1 6 论文的主要内容和组织结构 1 6 1本论文的主要内容 本论文的主要内容包括： ( 1 ) 计算机辅助尺寸链计算及公差设计的系统方法。 在这部分重点研究的是计算机辅助平面尺寸链及公差设计的总体思路 及软件流程图。另外还介绍了软件的系统结构及一些相关技术。其中重点研 究了v b 与a c c e s s 数据库的结合及a c t i v e x 技术的使用，目的是为了更方便 得实现已知条件的输入，简化程序编写过程。 ( 2 ) 计算机辅助尺寸链计算及公差设计的理论基础。 在这一部分中重点研究了尺寸链几何分析及计算理论，尺寸链公差设计 理论及其平面尺寸链的自动生成原理。研究这些理论基础是实现计算机辅助 尺寸链计算及公差设计前提，为实现计算机辅助尺寸链计算及公差设计提供 计算公式及计算方法。 ( 3 ) 实例分析 实例分析部分列举了一些具有代表性的尺寸链计算分析的例子，通过程 序对这些例子的计算结果与手工计算结果的比较来验证程序的正确性。 1 6 2 论文的组织结构 本文在简要介绍了计算机辅助平面尺寸链设计的基本概念、研究现状、 研究成果及不足后，说明了本课题的来源、课题研究的意义、目的和内容。 在此基础上介绍了平面尺寸链设计软件的系统方法。根据软件计算流程，先 后介绍了尺寸链的数据存储；尺寸链方程组的建立；利用各种分析和公差分 配方法进行计算机辅助尺寸链设计实现的关键技术；利用开发的应用软件实 现了平面尺寸链计算及公差设计，并给出了完整的应用实例。最后对本文研 究内容进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。论文的总体结构如图 卜1 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 绪论 2 计算机辅助平面尺寸链计 算及公差设计的系统方法 理论基础 l i i i 3 平面尺寸链几哇平面尺寸链公5 平面尺寸链方 l 何分析及计算理论差设计理论基础程组的自动生成 l l 实例分析 i jl 6 一维直线尺寸链 7 二维线性尺寸链 的分析和解算实例 的分析和解算实例 ii l 总结与展望 图卜1论文组织结构 1 7本章小结 本章首先就计算机辅助公差设计的提出、发展和国内外研究现状进行了 详细的讨论，并给出了现有的研究成果以及存在的不足。然后，介绍了计算 机辅助公差设计的尺寸链技术，并着重对平面尺寸链相关概念进行了介绍。 最后，针对前面不足，提出了本课题的研究目的及意义。+ 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 计算机辅助尺寸链计算及公差设计的系统方法 2 1 引言 近十年以来，伴随着计算机技术的快速发展，计算机辅助设计( c a d ) 技 术也得到了相当快速的发展。就机械行业来说，过去的人工绘图设计己经慢 慢地向计算机绘图设计过渡。但随着计算机技术的进一步发展，人们己经不 满足于把强大的计算机功能仅仅用于绘图，人们更需要借助强大的计算机来 完成更多的工作，例如计算、分析、仿真等等工作。计算机有计算快，精度 高，出错率低等优点h p 钉】。 在上述基础上，如何应用计算机来辅助尺寸链的分析被提出来了。应用 计算机辅助尺寸链的分析存在的问题有以下四个方面： ( 1 ) 尺寸链矢量图的生成： ( 2 ) 方程组的自动生成； ( 3 ) 组成环增减性的判断： ( 4 ) 方程组的解算。 针对以上问题，本文将采用v i s u a lb a s i c 作为开发系统，首先对尺寸 链图进行矢量化，并获取己经标注的尺寸及其公差。在得到过渡尺寸和连接 尺寸后将自动生成方程组并进行解算，从而求解出封闭环的基本尺寸( 公称尺 寸) 。与此同时，充分利用了计算机计算快速的特点，对组成环的增减性进行 判断。得到组成环的增减性以后，结合已经建立的方程组，解算出封闭环的 上下偏差。本章的主要内容包括基于计算机辅助平面尺寸链分析系统的总体 框架，系统结构、总体模型、数据结构，软件流程结构图等。 2 2计算机辅助平面尺寸链及公差设计的总体思路 在机器的设计以及装配过程中，常常需要计算尺寸链中某些环的基本尺 寸以及上下偏差。而要计算封闭环的基本尺寸及其上下公差，首先要选择所 要解算的尺寸链的类型，再来选择解算的方法。判断好所要解算的尺寸链类 型，进入系统对应的解算界面，则按照系统的提示，完成对封闭环包括过渡 环以及公差的解算，最后保存求解结果h 8 。例。 总的来说，尺寸链计算主要有校核计算，也常常称为公差分析；另外一 种就是公差综合计算，也称为公差分配。一般在产品设计情况下，各零件的 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 尺寸、公差或偏差最初未确定，这时应首先进行公差分配，即按设计要求指 定封闭环尺寸、公差或偏差，求解各组成环公差或偏差。公差分配的结果可 作为最终的设计结果，也可被设计者作为参考设计值，设计者可以根据实际 情况和经验进行一定范围的修改和再设计，然后利用公差分析计算进行合理 性检验。若不满足设计要求，则继续进行公差再设计哺p 钇1 。 若各零件的尺寸、公差在最初已确定，则尺寸链计算直接进行分析计算， 即已知各组成环的尺寸、公差或偏差，求封闭环的尺寸、公差或偏差。然后 再检验，若封闭环尺寸、公差或偏差不满足设计要求，则重新进行公差分配， 具体流程如图2 1 所示。 图2 1软件流程图 f ；g 2 1 s o f t w a r ef i o 霄c h a r t 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3软件的系统结构 本开发软件有效地将v i s u 8 lb a s i c 软件和a c c e s s2 0 0 3 数据库软件有机 地结合起来，成功地解决了尺寸链计算分析及其公差分配的关键技术。软件 的总体结构包括：数据管理与专业计算引擎两大部分。 a c c e s s 2 0 0 3 数据库软件同其他关系数据库管理系统相比，其界面友好、 操作简单、配置简单、移植方便、功能齐全，可以帮助用户轻而易举地建立 数据库应用程序。特别是新版m i c r o s o f ta c c e s s 自发布以来，给很多数据库 用户带来了很大的便利，对以前的m i c r o s o f ta c c e s s 做了许多的改进，通用 性和实用性大大增强，集成性和网的性也大大增强同时的s u a lb a s i c 软件 的能的的常方便地与a c c e s s 2 0 0 3 数据库软件进行通的，所以的的选用的数据 作为数据存的器。而利用的s u a lb a s i c 软件的可以实的尺寸链的求解，尺寸 链方程组的自的的成，尺寸链公差分配以及的面尺寸链图的的的的功能，开 发了具有友好图的用户界面的的面尺寸链公差设计软件饽引。经实践，这两种 软件间很好的优势互补性，使开发的软件产生了良好的效果。系统结构如下 图所示范： 图2 2系统结构图 fig 2 2 s y s t e ms t r u c t u r ec h a r t 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 2 4v b 与a c c e s s 数据库的结合及a c tiv e x 技术的使用 v b 是由m i c r o s o f t 公司在w i n d o w s 平台上开发的主力编程语言。它简单 易学、功能丰富且具有良好的可视化界面，已成为目前世界上较流行、用处 广泛的编程语言之一。但由于其自身运行速度慢、不适合大型的数值计算及 图像处理能力差等缺点，使其在一些专业领域的应用受到限制卜5 7 1 。 a c c e s s2 0 0 3 是m i c r o s o f t 公司推出的面向办公自动化。功能强大的关 系数据库管理系统。它还是o f f i c e2 0 0 3 办公系列软件的主要组件之一。使 用a c c e s s2 0 0 3 可以编写少量的程序代码、甚至不编写任何程序代码，只利 用所提供的向导和一些图形化的界面和工具，就可以开发一个功能较为完善 的数据库应用系统。 本论文将两种软件结合起来，扬长避短，用v b 开发界面，a c c e s s 数据 库实现数据处理分析和数据输入，不仅得到友好的用户界面、提高计算精度、 加快程序运行速度，而且极大地减少了程序设计的工作量，避免了繁杂的算 法。 2 4 1a c tiv e x 技术简介与a d 0 基本概念 a c t i v e x 技术既不是一种程序语言也不是一种操作系统，而是- 种开放 式的技术标准，是一种基于w i n d o w s 操作系统的组件集成协议。借助a c t i v e x ， 开发商和终端用户能把来自不同商家的a c t i v e x 组件无缝地集成在自己的应 用程序中，从而完成特定的目的。这不仅缩短了开发时间，而且有效地避免 了低水平的重复开发。a c t i v e x 是面向对象技术的集合。这些技术都有的共 同基础是“组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) ，简称c o m 哺钔。 a c c e s s 数据库使用的数据源可能象文本文件一样简单，也可能非常复 杂，或者是尚未定义类型的某种数据。因此需要一个简单、一致的数据访问 接口，使应用程序能够访问和修改众多类型的数据源。 数据访问接口是一个对象模型，它代表了访问数据的各个方面。在v b 中，用 户可使用三种数据访问接口，即a c t i v e x 数据对象( a d o ) 、数据访问对象( d a 0 ) 和远程数据对象( r d 0 ) ，这三种接口代表了数据访问技术的三个发展时代， 其中最新的是a d o ，它最简单也最灵活，因此本人采用了a d 0 作为数据访问 接口。 a d o 又称为0 l e 自动化接口，是访问由m ic r o s o f t 推出的最新、功能最 强的应用软件接口。a d o 是为o l ed b 而设计的，o l ed b 与开放式数据库很相 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 似，是一个便于使用的新的底层接口，以统一的方式访问存储在不同信息源 中的数据( 包括关联和非关联数据库、电子邮件和文件系统、文本和图形、 自定义商业对象等) ，使用a d 0 以后使用o l ed b 变得更简单。 a d od a t a 控件是a c t i v e x 数据对象，a d od a t a 控件和d a t a 控件在概念上很 相似，都是将一个数据源连接到一个数据感知控件，也都有相同的外观共四 个按钮。不过，a d o 的适应性更广，在应用程序中也可直接使用a d o 。 数据源是用于向可绑定外部数据的控件或类提供数据。v b 的数据源有先前版 本的d a t a 控件、r d 0 控件，还有a d od a t a 控件、数据环境、a d 0r e c o r d s e t 对象以及数据可识别的类模块和用户控件。用户可以在运行程序时动态的绑 定数据源到任何使用者。 2 4 2a d 0d a t a 控件的创建与使用 由于a d od a t a 控件不是v b 的内部控件，因此在使用前必须将其添加到 控件箱中，通过鼠标右键单击控件箱，在快捷菜单中选择“部件”命令，打 开“部件”对话框选择“m i c r o s o f ta d od a t ac o n t r 0 16 o ( o l ed b ) 复选 框，则在控件箱中添加了a d od a t a 控件( a d o d c ) 的图标。 当创建连接时，可以使用三种数据源：即o l ed b 文件( u d l ) 、o d b c 数据源 ( d s n ) 或连接字符串。如果需要创建0 d b c 数据源，则从w in d o w s 系统的“控 制面板 使用“o d b c 数据源管理器来实现。 创建o l ed b 数据连接步骤如下： ( 1 ) 打开“w i n d o w s 资源管理器 。 ( 2 ) 打开需要创建o l ed b 文件( u d l ) 的文件夹。例如“c ：一。 ( 3 ) 用鼠标右键单击“w i n d o w s 资源管理器窗口右边窗口，从快捷菜 单中选择“新建 中的“m i c r o s o f t 数据链接”命令，新建一个u d l 文件， 将文件名改为自己想要的名字如： “d b b o o k u d l 一。 ( 4 ) 用鼠标右键单击“d b b o o k u d l 文件，从快捷菜单中选择“属性 命令，打开属性选项卡。 ( 5 ) 单击“提供者选项卡，选择“m i c r o s o f tj e t3 5 1o l ed b p r o v i d e r 如图2 3 所示，单击“下一步 按钮。 ( 6 ) 在出现的“连接 选项卡中单击连接按钮，选择“c ：d b b o o k m d b 文件如图所示：单击“测试连接”按钮，当测试成功就单击“确定 按钮， 则完成了o l ed b 数据连接。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 f ig2 3 o e s i g ni ”p i e ta t t r l b u t e d 0d a t a 控件的常用方法 ( 1 ) d d n e w 方法 d d n e w 与d a t a 控件的a d d n e w 方法相同，是创建新记录。 ( 2 ) d e ie t e 方法 d e l e t e 可用于r e c o r d s e t 或f 1 e l d 对象，分别用于删除记录或删除字 段。 语法： 字殷d e l e t e 字段名 记录集d e l e t e 记录数目 ( 3 ) m o v e 方法 m o v e 用于移动r e c o r d s e t 对象中当前记录的位置。如果从空的r e c o r d s e t 对象调用m o v e 方法会产生错误。 语法； 记录集m o v e 移动的记录数，开始位置 ( 4 ) m o v e 方法群组 m 0 v e f l r s t 、m o v e l a s t 、m o v e n e x t 和m o v e p r e v l o u s 方法分别移动到指定 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 r e c o r d s e t 对象中的第一个，最后一个，下一个或上一个记录，并使该记录 成为当前记录。 ( 5 ) r e q u e r y 方法 r e q u e r y 用于重新执行r e q u e r y 对象的查询，用来更新其中的数据，可 刷新全部内容。 ( 6 ) r e s y n c 方法 r e s y n c 用于从现行数据库刷新当前r e c o r d s e t 对象中的数据。使用 r e s y n c 方法将当前r e c o r d s e t 中的记录与现行数据库同步。 ( 7 ) u p d a t e 方法 u p d a t e 用于保存对r e c o r d s e t 对象的当前记录所做的所有更改。使用 u p d a t e 方法保存自己调用 d d n e w 方法，或自从现有记录的任何字段值发生 更改之后，对r e c o r d s e t 对象的当前所有记录所做的所有更改。 243 v b 与a c c e s s 数据库的链接与使用 ( 1 ) 设置c o n n e s t i o n s t r i n g 属性 在窗体中单击 d 0d a t a 控件a d o d c l ，在属性窗口中单击 “c o n n e s t i o n s t r in g ”属性右侧的“连接”按钮，打开对话框，如图2 4 所 日i ： 项 围2 4属性页 f l g2 4 t tr i b u t ep a g e 如果要建立0 l ed b 连接，在属性页中选择“使用d 8 t al l n k 文件”选 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 如果要创建o d 8 c 数据连接，即开放式数据库连接，则在图24 中选择 “使用0 d b c