（机械制造及其自动化专业论文）基于proengineer的机械零件参数化特征库的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 参数化特征造型技术是目前被企业界广泛应用的主流c a d 技术，它采用预 先定义的、包含一定工程语义的特征原型作为零件建模的基础，因此特征原型的 种类、数量和集成度决定着零件建模的质量和效率。p r o e n g i n e e r 软件正是基于 参数化特征造型技术的机械设计自动化软件，在机械制造企业中得到较广泛的应 用。但是到目前为止p r o e n g i n e e r 软件提供的特征种类和特征数量非常有限，缺 乏产品设计过程中经常用到的标准件、常用件等参数化特征模型，更缺乏象沉孔、 键槽一类的零件功能结构特征，存在建模效率低、设计重用少、模型规范性差和 工程语义少等缺陷，因此提出了建立机械零件参数化特征库的思想。 本论文分析了国内外c a d 技术的研究动态、参数化技术和特征建模的理论 及研究现状、p r o e n g i n e e r 的二次开发现状。在此基础上，讨论了参数化特征库 的建库策略，研究了参数化特征库的结构及开发方法，探讨了如何充分运用 p r o e n g i n e e r 的二次开发工具p r o p r o g r a m ，p r o f f o o l k i t ，f a m i l yt a b l e 的功能，进行 参数化特征库的设计研究与开发工作。使用p r o p r o g r a m 进行建模，该方法对各 种复杂零件的自动化建模具有一定有指导意义。在此基础上，进一步运用 p r o t o o l k i t 与v c + + 6 0 编程环境，开发出参数化特征库建模系统。该系统具有直 观、友好的对话框界面，包含了各种不同类型的参数化特征原型，使用时只需要 输入一些基本的参数就可以生成相应的三维模型，大大提高了使用p r o e n g i n e e r 建模的效率。 关键词： 参数化设计，参数化特征库，p r o e n g i n e e r ，二次开发 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a m e t r i cm o d e l i n gt e c h n o l o g y , a sap o p u l a rc a dt e c h n o l o g yw h i c hh a sn o w b e e nw i d e l yu s e di ne n t e r p r i s e s ，a d o p t sa p r e d e f i n e df e a t u r ep r o t o t y p ei n c l u d i n gs o m e e n g i n e e r i n gs e m a n t i c sa st h eb a s eo fp a r t sm o d e l i n g s ot h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f p a r t sm o d e l i n gi sd e c i d e db yt h ev a r i e t y , n u m b e ra n di n t e g r a t i o nd e g r e eo ft h ef e a t u r e p r o t o t y p e p r o e n g i n e e ri sak i n do fa u t o m a t e dm e c h a n i c a ld e s i g ns o f t w a r eb a s e do n p a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n u f a c t u d n g e n t e r p r i s e s b u ts of a rt h en u m b e ra n dk i n d so ff e a t u r ep r o v i d e db yp r o e n g i n e e ra r e v e r yl i m i t e d t h ep a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l sf o rs t a n d a r d i z e da n dc o m m o n l yu s e d c o m p o n e n t sa r ev e r yi n s u f f i c i e n ta n ds u c hp a r tf u n c t i o na n ds t r u c t u r ef e a t u r e sa sh o l e s a n ds l o t sa r em o r ei n s u f f i c i e n t s ot h e r ea r ep r o b l e m ss u c ha sl o w m o d e l i n ge f f i c i e n c y , l i t t l er e p e t i t i v eu s eo fd e s i g n ，b a dm o d e ls p e c i f i c a t i o na n dl e s se n g i n e e r i n gs e m a n t i c s ot h ep a p e rp r o p o s e dt h ei d e ao fe s t a b l i s h i n gp a r a m e t r i cf e a t u r el i b r a r y t h et h e s i sa n a l y s e st h et r e n d so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc a dt e c h n o l o g y , t h e o r yo fp a r a m e t e rt e c h n o l o g ya n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n ，a n dt h ec u r r e n t s i t u a t i o no fp r o e n g i n e e r ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta sw e l l o nt h i sf o u n d a t i o n ，t h e p a p e rd i s c u s s e st h es t r a t e g yo fb u i l d i n gp a r a m e t r i cf e a t u r el i b r a r y , t h es t r u c t u r ea n d d e v e l o p i n gm e t h o do fp a r a m e t r i cf e a t u r el i b r a r y , a sw e l la sh o wt of u l l yu s et h e f u n c t i o no f p r o e n g i n e a r ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t o o ls u c ha s p r o p r o g r a m ， p r o t o o l k i ta n df a m i l yt a b l et oc a r r yo nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp a r a m e t e r d e s i g n u s i n gp r o p r o g r a mt oc a r r yo nt h ep a r a m e t e rm o d e l i n gh a ss o m ed i r e c t i v e s i g n i f i c a n c et oa u t o m a t e dm o d e l i n go fa l lk i n d so fc o m p l i c a t e dp a r t s o nt h i sb a s i s ， w i t ht h e a p p l i c a t i o no fp r o t o o l k i ta n dv c + + 6 0p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t m o d e l i n gs y s t e m so fp a r a m e t e rc a nb ed e v e l o p e d t h i ss y s t e mh a si n t u i t i v e ，f r i e n d l y d i a l o gb o xi n t e r f a c e s ，i n c l u d e sd i f f e r e n tk i n d so fp a r a m e t r i cf e a t u r ep r o t o t y p e ，a n dc a n g e n e r a t et h ec o r r e s p o n d i n g3 dm o d e lj u s tn e e d i n g t oi n p u ts o m eb a s i cp a r a m e t e r s s o i tg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fu s i n gp r o e n g i n e e rm o d e l i n g k e y w o r d s ：p a r a m e t r i cd e s i g n ，p a r a m e t r i cf e a t u r el i b r a r y , p r o e n g i n e e r , s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盟二董 日 期：兰竺z ：全：二堑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：谴导师签名：2 型竺攀日期：业f 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1a 蝴技术的发展概述 c a d 是计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 的简称，是工程技术人员 以计算机为工具，用自己的专业知识对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和 编写技术文档等设计活动的总称i ”。它以提高产品设计质量、缩短产品开发周期、 降低产品成本为主要目的。c a d 技术是2 0 世纪全球高科技领域杰出的工程技 术之一，是跨世纪的国家关键技术。c a d 技术的发展与应用水平已成为衡量一 个国家工业现代化的重要标志。 1 。1 1c a d 技术发展历程 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 0 年美国麻省理工学院研制出可以显 示简单图形的图形设备“旋风1 号”，5 0 年代末美国g e r b e r 公司研制出平板绘图 仪，c a l c o m p 公司研制出滚筒式绘图仪，这些研究成果为c a d 技术的发展提供了 最基本的物质基础，整个5 0 年代c a d 技术还刚刚萌芽，只是处于被动式的图形 处理阶段。进入6 0 年代，c a d 技术开始蓬勃发展起来，1 9 6 2 年麻省理工学院的 s u t h e r l a n d 发表的博士论文s k e 删p a 口一一种人机对话系统，为c a d 技术 的发展和应用打下了理论基础，1 9 6 6 年出现了第一台实用的图形显示装置，同一 时期还出现了许多商品化的c a d 设备，如美国m m 公司推出的商品化计算机绘 图设备等。从7 0 年初期开始，c a d 进入了早期实用阶段，1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推出完整的c a d 系统，随着各种廉价的图形输入设备的相继问世， c a d 逐步走进中小企业。从8 0 年代至今，c a d 技术的发展突飞猛进，一方面小 型机及微型机的性能不断提高，价格不断下跌，诸如大型数字化仪、自动绘图机 等计算机外围设备己经成为c a d 的一般配置，为推动c a d 技术向更高水平发展 提供了必要的条件，另一方面，基于小型机和微机的软件技术也迅速提高，大量 成熟的商品化软件不断涌现，又促进了c a d 技术的发展，c a d 技术得到了越来 越广泛的应用【2 】。 在c a d 技术约5 0 年的发展历史中，共经历了四次重大的技术革命。2 0 世纪 山东大学硕士学位论文 7 0 年代，曲面造型系统c a t i a 引领了第一次c a d 技术革命【3 】；2 0 世纪7 0 年代 末8 0 年代初，实体造型技术的普及应用成为c a d 技术发展史上的第二次革命【4 1 ； 到了2 0 世纪9 0 年代前后，参数化技术的应用主导了c a d 的第三次技术革命1 5 】； 而1 9 9 3 年i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件的推出，驱动了c a d 发展的第四次技术革 命变量化技术【6 1 。c a d 的技术特点，也由2 0 世纪6 0 年代的二维、三维线框 造型，发展到2 0 世纪7 0 年代的自由曲面造型，直至2 0 世纪8 0 年代至今的实体 造型、特征造型。 目前，流行的c a d 技术基础理论主要是以p r o e 为代表的参数化造型理论 和以s d r c i - d e a s 为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的 实体造型技术。 国内对c a d 技术的研究，开始于2 0 世纪7 0 年代初期，研究工作主要集中 在高等学校和科研院所，研究内容主要是计算机辅助几何设计和计算机辅助绘图。 进入8 0 年代以后，我国的c a d 技术的研究得到了较快的发展，在二维交互绘图 系统、三维造型和几何设计、有限元分析、数控编程等方面都取得了很多成果， 不少自主版权的软件已经在国内行业中得到推广应用。但从总体上来说，我国的 c a d 软件，无论是从产品开发水平方面，还是从商品化、市场化程度方面，都与 发达国家存在着不小的差距，主流的c a d 软件基本上都是国外产品。 1 1 2c a d 技术发展趋势 随着c a d 技术的不断研究、开发与广泛应用，对c a d 技术提出越来越高的 要求，因此o d 从本身技术的发展来看，其发展趋势是参数化、三维化、智能 化、网络化、集成化和标准化1 7 l 。具体表现为： 1 参数化 参数化既能为用户提供设计对象直观、准确的反馈，又能随时对设计对象加 以修改，同时减少设计中的疏忽，从而在很大程度上提高机械设计的效率。参数 化是实现机械设计自动化的前提和基础。 2 智能化 现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操作逐渐被计 算机的智能化处理所替代。将人工智能引入c a d 系统，使其具有专家的经验和 2 山东大学硕士学位论文 知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，以及智能化的视觉、听觉和语言的 处理能力，从而达到设计自动化的目的。 3 三维化 随着三维图形技术的发展，在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直 观、更全面地反映设计意图，并且在三维模型的基础上可以方便地进行虚拟装配、 干涉检查、有限元分析和运动分析等应用。 4 集成化 集成化嘲就是向企业提供一体化的解决方案，其出发点是企业各个环节是不 可分割的，必须统一考虑。计算机辅助设计所产生的三维模型将最大限度地被后 续的分析、加工、工艺和仿真所利用。 5 。网络化 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。不向设 计人员可以在网络上方便地交换设计数据。 6 标准化 随着c a d 系统的集成化和网络化，指定各种产品设计、评测和数据交换标 准势在必行，如建立符合s t e p 标准的全局产品数据模型等。 1 2 参数化特征造型技术简介 1 2 1 参数化设计基本原理 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是通 过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，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【9 1 。 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题。机械设计是一个创造性 的活动，是一个反复修改、不断完善的过程。同时，对很多企业，设计工作往往 是变型或系列化设计，新的设计经常用到己有的设计结果。据不完全统计，零件 的结构要素9 0 以上是通用或标准化的，零件有7 0 9 分一8 0 是相似的。在参数化 设计技术出现以前，传统的c a d 使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象几 何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。这种设计系统不支持初 步设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地自动处理对己有图形的修改，不 山东大学硕七学位论文 能有效地支持变型化、系列化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计中 存在大量重复劳动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。在这种情况下， 参数化设计方法应运而生。 参数化设计以约束造型为核心、以尺寸驱动为特征。在参数化设计中采用参 数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状，实现产品的精确造 型，而不! 浴在设计时专注于产品的具体尺寸：参数化设计方法存储了设计的令过 程，能设计出一系列而不是单一的产品模型；对己有设计的修改，只需变动相应 的参数而无需运行产品设计的全过程【“。与传统的自由约柬的设计方法相比， 参数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周 期，减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场 竞争力。 参数化技术经过十多年来的发展，己经成为c a d 技术的重要分支，也成为 c a d 技术研究和产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。现代主流 c a d 软件，如i r o e s o l i d w o r k s , u g 等都实现了参数化。 1 2 2 特征的定义及分类 1 特征的定义 对特征技术的研究最早开始于美国麻省理工学院的一篇论文( c a d 零件的特 征表示。目前对特征还没有一个严格构统一的定义。比较一致的意见认为“特征 是组具有特定属性相互关跌的几何形体，是零件形状、工艺和功能等特征信息 的综合描述，它能携带和传送有关设计和制造所需的工程信息”。这个定义强调了 特征包括几何形状、精度、材料等各种属性，并强调特征是与设计和制造活动有 关的几何实体，舍有工程意义的信息，即特征反映了设计者和制造者的意图1 1 1 】。 特征是一个综合慨念，范围口j 大_ i ：_ j 小，町蚍是一个功能面，也可i 三c 是几个面 的集合，可以是一个结构，也可以是一个零件，甚至可以是一个装配体。不管大 小，它总能表达一定的含义，作为一个功能单位为人们所用。因此国内有人又将 特征定义为“一组具有确定约柬关系的几何实体，它同时包含某种特定的语义信 息”。本论文中所指的特征就是这个概念。 2 特征的分类 山东大学硕士学位论文 一般可以将特征分为两大类：一类是形状特征，一类是面向过程的特征。形 状特征，也称为造型特征，是指那些实际构造出零件的特征，它是其它特征的载 体。面向过程的特征，并不实际参与产品几何形状的构造，而是那些与生产环境 有关的特征。形状特征是描述零件或产品的最主要的特征，在一般的特征造型中， 特征大多数情况下是指形状特征。 1 2 3 基于特征的参数化设计 基于特征的参数化设计，即参数化特征造型，意在将基于特征设计方法和参 数化设计方法有机地结合起来，以特征为操作单位，并对特征信息参数化【1 2 1 ，使 得形状特征可以通过参数调整变化，从而实现参数化特征造型。由于特征是预定 义的，所以在特征形状确定以后，其特征形素之间的拓扑关系是不变的，或者必 须由用户采用交互的方式来指定( 如添加装配关系等) 。也就是说，特征库中的特 征定义，本身就是对图形特征联动的隐含表达，其中所谓的图形特征联动是捂在 保证拓扑关系不变的前提下对其他约束的驱动。因此，在特征参数化中无需再考 虑图形特征联动，这是基于特征参数化区别于传统参数化的特征之一。特征形状 的变化只能通过给特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改就可以转化为对 构成零件的特征参数值进行修改，而并不用直接修改几何图素，这样大大方便了 零件的设计修改过程，提高了设计效率和准确性。 通过以上分析看出，工程中使用的通用零件上的结构要素，如轴段、键槽、 凸台、沉孔、倒角、t 形槽、燕尾槽、退刀槽、螺纹、轮齿、轮箍、轮辐、均布 孔等特征，它们的形状基本固定，拓扑关系基本不变，在利用它们进行特征造型 时，只是大小和位置在基体特征上的改变而和其他特征进行联系，因此在将这些 特征分类建库时，采用参数化设计方法非常合适。 现在普遍采用的参数化特征造型设计方法是在一个参数化特征造型软件上 直接设计出所要的特征，然后通过对特征约束参数的调整进行特征的修改。这是 定义产品模型的自然、直接的方法【1 3 l 。 5 山东大学硕士学位论文 1 3 利用p r o e n g i n e e r 开发参数化特征库的研究现状 1 3 1 p r o e n g i n e e r 在机械零件设计中的应用状况 p r o e n g i n e e ( 简称p 删e ) 软件是美国p t c 公司基于单一数据库、参数化、 特征建模、全相关及工程数据库再利用等概念基础上开发出的一个功能强大的 c a i ) c a e c a m 软件，它能将产品从设计到生产加工的过程集成在一起，让所有 用户同时进行同一产品的设计与制造工作【1 4 1 。 p r o e 不仅提供了实体特征、基准特征、曲面特征、修饰特征、自定义特征、 扭曲特征、独立几何特征、高级特征、钣金件特征等大量的零件建模特征，而且 提供了拉伸、旋转、扫描、混合、扫描混合、螺旋扫描等造型工具命令来建立各 种复杂的特征，并可以通过“模型树”方便地对特征进行管理。因此p r o e 在机 械零件设计中得到非常广泛的应用。 虽然p r o e 提供了强大的三维特征造型技术，但是从对用户整个设计过程的 支持来看，它却没有形成一个专业体系。这些通用性很强的设计类软件不但针对 专门零部件( 如齿轮、轴、螺纹、轴承等) 的设计支持不够，不管简单还是复杂 的零件，都要从基础特征一步一步做起，建模效率较低，难以达到令人满意的程 度，而且由于是国外软件，很多设计标准与我国差别较大，不进行细致的系统定 制便无法很好的使用。另外软件某些功能的选项和参数较多，说明和汉字翻译不 符合中国人的理解习惯，操作步骤繁琐，难于掌握，软件的学习使用困难。 因此为了充分发挥p r o e 软件的功能，为企业创造更大的效益，企业必须跟 据自身的特点，对软件进行进行不同程度的二次开发，才能满足应用的需要。 1 3 2 p r o e n g i n e e r 二次开发现状及分析 针对不同的应用目标，国内对p r o e n g i l l e f r 的二次开发主要集中在以下几个 方面： 1 符合国标的p r o e 运行环境的系统自动定制。 2 符合国标的标准件库的开发及应用。 3 基于p r 0 e 的典型零部件设计系统的研究及开发。 4 基于p r o e 的c a d c a p p ，c a m 集成系统的开发。 6 山东大学硕士学位论文 5 基于特征关联及约束语义的自动装配系统的开发。 符合国标的p r o e 运行环境的系统自动定制主要是通过自动修改或加载p r o e 工作环境配置文件，使p r o e 的单位制、尺寸标注、工程图配置符合中国国标的 规定，这种开发对p r o e 的功能没有多大的改进；标准件库和典型零部件设计系 统的研究及开发主要是在p r o e 内部建立一系列经过参数化了的常用零件，如螺 栓、螺母、轴承、齿轮、连杆等，在进行相似零件设计或装配设计时能够自动设 计或快速调用；基于p r o e 的c a d c a p p c a m 集成系统的开发主要是针对某一 种具体零件的有关数据库的研究，对机械零件设计的适用性不强：基于特征关联 及约束语义的自动装配系统的开发主要侧重于零件外部相互关系及关联的研究， 对零件本身结构形状的造型涉及较少。 由于p r o e 版本的不断升级以及研究人员的变换，这些研究与开发工作有的 不能再适用，有的不够深入，有的不够成熟，有的难以全部实现。综上所述，目 r 前对较全面的参数化特征库的研究较少，而参数化特征库在机械零件的参数化设 计中的作用却非常重要，因此对该课题进行研究是很有必要的。 a p r o e n g i n e e r 的开发从实现方法上大致可以分为两类：一类主要是对 p r o e n g i n e e r 中使用的标准( 如：公差符号、尺寸标注样式等) 进行符合企业标 准的改造。这类开发只需要根据p r o e n g l n e e r 的开发工具p r o t o o l k i t 文档进行相 应配置的设置就可以了；另一类是需要开发出人性化的界面以方便用户的使用， 以及进行数据库的连接。这一类一般是在比较大型的系统中出现，因为操作复杂 必须要有友好界面。由于p r o t o o l k i t 开发界面的功能很弱，而且根本没有连接数 据库的功能，所以必须借助于其它的开发工具如v c + + 等来实现。而这就涉及了 开发工具和p r o t o o l k i t 的兼容性问题。这个问题长期以来一直困扰着开发人员， 没有得到很好的解决。这也是使得人们认为p r o e n g i n e e r 难于开发的原因之一【堋。 1 4 课题的研究目的、意义和主要内容 1 4 1 课题的研究目的、意义 p r o e 软件凭借其强大的特征造型优势，在企业中获得越来越广泛的应用。 但是通过认真研究发现，p r o e 仍存在以下不足： ( 1 ) 特征单调，结构简单，工程语义含量不足，建模步骤重复，造型效率 7 山东大学硕士学位论文 较低。尽管p r o e 提供了强大的特征造型功能，但是从建模过程来看，不管是复 杂还是简单的零件，几乎都要按照基本相同的步骤从基础特征一步一步做起，低 层次的重复性劳动强度大，建模效率较低。经过统计，实际应用中的零件7 0 8 0 是通用件，而这些通用件基本上都含有轴段、键槽、凸台、沉孔、倒角、t 形槽、 退刀槽、螺纹、轮齿、轮箍、轮辐、均布孔等功能结构要素，而p r o e 并不具备 一次性构造这些功能特征的功能，设计重用性差，致使建模效率下降。 ( 2 ) 现有的基于p r o e 开发的标准件库和典型零部件库设计系统，功能不 够完善，虽然可以在产品装配和建立一些典型零件时发挥一定的作用，但是在遇 到带有标准要素的非标准件时，却显得力不从心，效率不高。如设计带有螺纹的 齿轮轴、具有复杂轮辐结构的齿轮等，尽管可以先生成螺栓和齿轮，然而要把它 们连成要求的齿轮轴，还要做大量的编辑工作和特征修补工作，有时因找不到相 同的基准而导致造型困难。 ( 3 ) p r o e 虽然能够将设计与加工联系在一个整体中，可以将建立的零件或 模具进行n c 加工设置，在计算机上进行模拟加工仿真，并可以通过相应的后处 理生成g 代码，但是由于目前的特征类型，缺乏工程语义信息和工艺数据信息， p r o e 并不能实现c a p p 功能和真正的c a m 。如果进行n c 加工，必须通过操作 人员详细的设置各种加工参数才能实现。 基于以上原因，本课题研究的主要目的和意义是：通过参数化特征库思想的 提出及实现，加快具有工程语义的、数据完备的集成特征的研究与开发，丰富特 征种类，而且通过数据库的方式对这些特征进行管理，既方便c a d 造型，加快 建模速度，又为c a d c a p p c a m 一体化打下基础。 1 4 2 课题研究的主要内容 ( 1 ) 在分析参数化特征建模技术的基础上，提出建立参数化特征库的思想。 ( 2 ) 根据成组技术原理，将特征归类并确定参数化特征库的结构和内容。 ( 3 ) 探讨了机械零件参数化模型的开发技术，分析了参数化特征库的开发 方法与建库原则。 ( 4 ) 通过实例的方式说明了参数化特征库的实现过程，并进行了测试。 8 山东大学硕士学位论文 第2 章机械零件参数化特征模型的开发技术 在机械产品设计中，所用到的零件大致可以分为三类：一类是产品独有的新 构件，这类零件在产品中的出现次数少、重复程度低、结构形状差异大，是设计 人员根据产品的功能一步一步从无到有设计出来的；第二类是标准件，如螺栓、 螺母等；第三类是常用件，如齿轮、蜗轮等。为了提高建模效率，这些零件在进 行参数化特征造型时应采用不同的方法和技术。 p r o e 在提供强大的设计、分析、制造功能的同时也为用户提供了多种二 次开发工具。常用的有：族表( f a m i l y t a b l e ) 、用户自定义特征( u d f ) 、p r o p r o g r a m 、 p r o t o o l k i t 等。其中p r o t o o l k i t 是p r o e 自带的功能最强大的基于c 语言的二 次开发工具“”。 这些开发工具具有不同的功能和特点，分别用来开发相应的应用系统或组 件，从不同的角度扩充p m e 系统的使用功能。在机械零件参数化特征模型的开 发中，同样可以利用这些开发工具的特点，在不同的层次上进行有针对性的开发； 以互为补充的方式组成一个完善的参数化特征库系统。 2 1 族表在参数化标准件库开发中的应用 2 1 1 族表的概念及应用范围 在多品种、小批量制造企业中，机械产品中3 4 的零件在性能、形状、尺寸、 材质等固有特征上存在着相似性。这些具有相似性的零件称为零件族。零件族中 的零件一般在设计、工艺、加工上也有一些相似性，将这些相似性提取并集中起 来，建立一个典型零件模型并加以存储，建立其它类似零件时可通过调用该模型 并作局部修改的方法得到，p r o e 中的族表工具能够实现这一功能。 f a m i l yt a b l e ( 族表) 是p r o e 中的一个利用表格来驱动模型的工具，是一组 形状相似的零件或组件的集合。族表主要用于零件或组件的系列化设计，通过族 表可以方便的管理具有相同或相近结构的零件，特别适用于标准零件的管理【”。 例如螺栓、螺母、垫圈、轴承、键、销、模具及夹具等标准件和通用件的系列化 设计，利用族表可以建立标准件库。如图2 - 1 所示是利用族表技术建立六角头螺 山东大学硕士学位论文 栓参数化模型的例子。 图2 - 1 利用族表技术建立六角头螺栓参数化模型 2 1 2 族表建模的步骤及特点 1 、利用族表建模的步骤是： ( 1 ) 首先由p r o e 建立所需的零件模型，并标注相关尺寸； ( 2 ) 用户将事先定义好的零件的可供驱动的尺寸参数、特征、模型等放入 表格中，这个零件被称为原始样本零件( 在表格中称之为g e n e r i c 零件) 。 ( 3 ) 用户在表格中输入新的参数值就可以创建一个新的零件，这个零件称 为一级子零件( 在表格中称为i n s t a n c e 零件) 。 ( 4 ) 子零件同样可以被保存和修改，也可以作为父零件通过修改族表衍生 下一代子零件。 ( 5 ) 如果进行大批量的修改和子零件的建立，可以将整个族表通过电子表 格e x c e l 来管理，称为表格驱动，这样可以提高设计效率和减少出错。 1 0 山东大学硕士学位论文 2 、零件族表具有以下特点： ( 1 ) 使用族表必须定义完整的零件模型，不适用于某个特征或特征组合； ( 2 ) 通过修改族表参数可以产生大量的予零件，也可以根据需要生成所需 的单个零件模型； ( 3 ) 可以直接从族表中输入数据生成各种尺寸的相似零件，而无需重新构 造零件模型，避免了重复劳动。 ( 4 ) 利用族表和添加关系进行模型的参数系列化设计的主要优点是：不用 编程，简单易用，缩短设计周期。缺点是仅适用于结构简单的零部件如标准件。 基于以上族表的功能和特点，在机械零件参数化特征库的开发中，我们可以 用族表工具开发参数化特征库的一个子库一标准件库的主体部分。 2 2 p r o p r o g r a m 在常用件参数化建模中的应用 p r o p r o g r a m 是一个程序化的工具，利用它可以实现零件的自动化设计，实现 装配中零件部件的自动装配、自动替换、零部件的自动抑制等。它为产品赋予了 一定的智能性。p r o g r a m 类似于o f f i c e 软件的宏( m a c r o ) 。它会将p r o e n g i n e e r t 的m o d dt r e e ( 模型树) 中的每个特征的详细信息记录下来，使用者不必也不需 要重新撰写其设计步骤。相反，只需加入几个相关的语法指令就可以让整个零件 或组件变得弹性化与多样化【明。因此，可以利用p r o p r o g r a m 开发象齿轮、链轮、 涡轮蜗杆等复杂零件组成的常用零件库。 2 2 1 p r o g r a m 程序的结构 从p r o e n g i n e e r 的菜单“工具程序”中，单击菜单管理器中的“编辑设计” 选项，系统便打开一个后缀为p i s 的记事本文件，它记录着模型产生的步骤和条 件，包括所有特征的建立过程、参数、尺寸和关系式等模型信息，主要有5 部分 顺序构成：程序标题、输入提示信息、输入关系式、添加特征、质量性质。 p r o g r a m 程序的基本结构如下： v e r s l 0 n2 0 r e v n u m7 6 零件c h i l u n 的列表 山东大学硕士学位论文 p u t e n d p u t r e l 棚o n s 王n dr e l 棚0 n s a d d f e a t u r e ( i n i t i a ln u m b e r1 ) e n d a d d 省略 d a s s p r o p e n dm ：a s s p r o p 从上可以看出，程序主要分成以下几大部分： ， ( 1 ) 标题 前三行为标题部分，r e v n u m 后面的数字是控制版本编号，每一次更新就 会加1 。标题列出文件的类型：p a r t ( 零件) 或a s s e m b l y ( 装配件) 等，列出文件的名 称。 ( 2 ) 参数化输入 参数输入部分以i n p u t 语句开始，e n di n p u t 语句结束。可以根据需要添 加参数，实现人机交互。语法格式为： 参数名参数类型 “提示语句” 其中可用的参数类型为：n u m b e r 输入实现作为参数的数值。 s t r i n g 输入字符串作为参数类型。y e s _ n o 输入y 或n 作为参数值，一般用 于判断语句中。此外，还可以加入i f - 一e l s e e n d i f 语句，当条件不成立时， 就不提示输入。 ( 3 ) 关系式 在r e l a t i o n s 和e n dr e l a t i o n s 之间是p r o g r a m 的关系式部分，在这里 可以根据需要添加关系式。 山东大学硕十学位论文 ( 4 ) 特征的创建过程 这部分是p r o g r a m 的主体，它是对模型创建过程的记录。每一个特征或零件、 予装配的创建过程在p r o g r a m 中是一个相对独立的单元，以a d d 开头，以 e n d a d d 结尾。 ( 5 ) 模型重量的计算 模型重量的计算位于p r o g r a m 的最后，在完成零件的建模或者装配的建模后 计算其重量，只有完成建模后的重量才是准确的。 2 2 2 p r o p r o g r a m 的建模特点 ( 1 ) 可以创建形状比较复杂、而结构类似、重复出现率较高的一些零件， 比如齿轮、链轮等。 ( 2 ) 程序编写应与特征造型交替进行，以增加参数与特征结构细节的联系 和针对性，同时也方便逐步调试。尽量不要等零件模型全部完成后，再去编程， 也不要先把程序全部编完，再去造型，这样不仅盲目性大，编程困难，考虑不全 面，而且极易出错。 ( 3 ) 一定要在模型中指定参数，而且程序中的变量名称要与参数名称一致， 或者建立对应关系。 ( 4 ) 通过添加条件语句，控制零件形状和种类的增加或改变。 2 2 3 利用p r o p r o g r a m 建立直齿圆柱齿轮的步骤 第一步；建立齿轮基体特征 由于标准齿轮的几何尺寸决定于齿轮五个基本参数，即齿数、模数、压力角、 齿顶高系数和顶隙系数，而齿轮的宽度则取决于齿轮的齿宽系数。因此，在齿轮 建模之前，首先用“工具，参数”命令设置齿轮五个基本参数和齿宽系数，并赋给 初值。如图2 2 所示。 参数设置好后，利用“草绘工具”命令在屏幕上草绘齿轮的齿顶圆、齿根圆、 分度圆等基本曲线，标注尺寸( 尺寸值任意) 并指定一个合理的名称，然后用“工 具关系”命令添加齿轮各几何尺寸之间的关系式，如图2 3 所示。关系式正确无 误后，利用“再生”命令重绘几条基本曲线，使它们符合给定的几何关系。利用 “拉伸”命令将齿顶圆曲线按齿轮厚度拉伸出齿轮的圆柱基体特征。 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 指定齿轮的基本参数 图2 - 3 添加齿轮结构的几何关系式 第二步：利用渐开线方程绘制齿廓曲线 利用“插入模型基准曲线从方程”命令绘制轮齿齿廓一侧的曲线。 第三步：切出第一个齿槽特征 通过“使用边”、“镜像”、“裁剪”等命令绘制一个完整的封闭的齿槽截面图 形，然后利用“拉伸”命令的“切口”方式切出第一个齿槽特征。 第四步：阵列齿槽特征得到所有轮齿 第五步：建立轮毂孔、轮辐、减重孔等特征 第六步：编辑齿轮参数化设计程序 1 4 山东大学硕士学位论文 利用“工具程序编辑设计”命令打开p r o e 自动生成的齿轮参数化设计程序， 并在“i n p u t ”和“e n di n p u t ”之间添加带有明确提示内容的参数输入语句以 实现齿轮特征参数的输入。 第七步：运行齿轮的参化设计程序 齿轮的参化设计程序编辑完成后，只要调用“重生”命令，p r o e 就自动执 行该程序，用户可根据提示输入新的模数、齿数和齿宽，p r o e 就能按新输入的 齿轮参数，自动生成新的齿轮。将新生成的齿轮模型换名保存便可以得到一系列 的齿轮零件。如图2 4 所示是通过p r o p r o g r a m 方式得到的一个齿轮模型的实例。 图2 _ 4 通过p r o p r o g r a m 方式得到的齿轮模型 2 3 利用自定义特征( u d f ) 创建参数化特征原型 特征原型是指根据成组技术原理从结构相同或相似的特征中抽取出来的三 维模型，直接在p r o e 中建立完成，并以一定的形式进行保存，是生成类似特征 的基础和原型。有的研究者将其称为特征模板。可以是整个零件模型，也可以是 山东大学硕士学位论文 组成零件结构的部分特征，如轴段、键槽、凸台、沉孔等1 1 8 l 。 2 3 1u d f 的概念及组成 用户自定义特征( u s e rd e f i n ef e a t u r e ，u d f ) 是p r o e 中的一类特征，是集合数 个特征使其成为一个群组( g r o u p ) 特征，并给予名称，使用时作为一个整体出现。 u d f 允许用户将一组标准的特征、零件或组件以一个后缀为g p h 的文件保存在一 个u d f 数据库( u d f l i b ) q 口，以备设计时随时调用，以生成所需的衍生件1 1 9 1 。 根据不同的应用需要，可以将一些常用的零件整体定义成u d f ，也可以将一 个零件的大部分结构定义成u d f ，最常用的还是将一些在设计过程中要多次重复 使用、在各种零件上都可能出现的结构要素定义成u d f ，比如螺纹、键槽、退刀 槽、凸台、沉孔等都可以创建u d f 。 一般一个u d f 主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 一组生成特征、编辑特征、基准特征； ( 2 ) 一组预先定义好的u d f ； ( 3 ) 一组属性和约束； ( 4 ) 一个定义好的用户使用界面。 2 3 2u d f 的建立方法及条件 用户在定义u d f 时，首先利用p r o e 系统生成一个具有代表性的典型特征， 或利用预先定义好的u d f ，然后赋予它一组与应用有关的属性和约束值，最后 定义引用u d f 的用户使用界面，加以调用使之实例化。 建立u d f 的一般步骤： ( 1 ) 首先用p r o e 创建需要的特征原型； ( 2 ) 启动创建u d f 的命令，并给欲建的u d f 起一个名字； ( 3 ) 选择u d f 的类型； ( 4 ) 确定调用该u d f 时是否显示其原始几何形状； ( 5 ) 选择要创建成u d f 的那些特征； ( 6 ) 为选中的特征的布局参照输入提示； ( 7 ) 定义u d f 中的可变元素。 至此，就创建好了一个u d f 特征。 1 6 山东大学硕士学位论文 建立u d f 的必要条件：+