（机械设计及理论专业论文）基于pdm的参数化变型设计系统的研究.pdf

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，也不包含为获得澎鎏盘茎或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名神另汁1 签字隰删多年岁月r 乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘茎有关保留、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。本人授权鲞望盘茔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适用本授权书) 学位论文作者签名势修j 叫 签字日期：沙口石年多月i z e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：( 豸刀。乏 签字日期；口年；月1 7 4e t 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 基于p d m 的参数化变型设计系统的研究 摘要 全文从设计是一个反复的过程入手，针对当前p d m 广泛应用的现状展开各 项研究。在大规模定制技术广泛应用的今天，一个优秀的设计师，他的创造性并 不仅仅是创造新的零部件，而更多的是充分利用已有的零部件，设计出新的产品。 在设计的过程中，应该尽可能的减少产品中定制零部件的比例( 包括开发性设计 和适应性设计的零部件) ，增加变型设计零部件和标准件的比例。用尽可能少的 零部件，组合成尽可能多的种类的产品。 本文主要进行以下三个方面的研究工作： 首先研究了自顶向下的参数化设计。对参数化技术的基本内容约束和特征进 行研究，分析了当前两种基于特征的参数化设计技术。以p d o 】三n g i n e e r 为具 体对象，分析了特征和约束之间的关系，研究了自顶向下的参数化设计。以减震 器为对象，阐述了自顶向下的参数化设计的过程。 其次提出了基于c 和c + + 混合编程的p r o e n g i n e e r 二次开发技术。以 p r o e n g i n e e r 二次开发为对象，研究c a d 的二次开发技术。从使用语言和提 供的功能上对p i 矾n g i n e e r 二次开发各种技术手段进行比较和分析，选择 p r o t o o l k i t 作为最终的开发手段，并对其进行了深入的研究。阐述了面向对 象的p r 0 ，i ! n g i n e e r 二次开发技术的关键技术。 最后研究了变型设计的参数化模板技术，研究了基于自顶向下技术的变型设 计的装配模型技术。对基于p d m 的参数化变型设计的关键技术进行了研究。以 p r 矾玳g i n e e r 为c a d 端，m e p d m 为p d m 端进行了基于p d m 的参数化变型 设计系统的实现。给出了关键功能函数的实现代码，结合实例介绍了系统的应用。 【关键词】参数化设计变型设计c a d 二次开发面向对象p r o e n g i n e e r 自动 装配p r o t o o l k i tp d m 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t a r tw i t ht h ec o n c e p tt h a ta n yd e s i g ni sa l li t e r a t i v ep r o c e s s ，a n d r e l a t i v er e s e a r c hi sd o n ef o c u s e do np d m a p p l i c a t i o n t o d a yt h et e c h n o l o g yo fm a s s c u s t o m i z a t i o ni sw i d e l yu s e d a sa l le x c e l l e n td e s i g n e r , t op r o d u c en e w p r o d u c tw i t h f u l lu s eo ft h ee x i s t i n gp a r t si sm o r ei m p o r t a n tt h a nt om a k en e wp a r t s d u r i n gt h e p r o c s so fd e s i g n i n g ，t h ep r o p o r t i o no fc u s t o m i z e dp a r t s ，i n c l u d i n gd e v e l o p i n gd e s i g n a n da d a p t i n gd e s i g n , s h o u l db ea ss m a l l 嬲p o s s i b l e t h ep r o p o r t i o no ft r a n s f o r m d e s i g np a n sa n ds t a n d a r dp a r t sb es h o u l db ei n c r e a s e d m o r ek i n d so f p r o d u c t ss h o u l d b em a d ew i t ha sl e s sp a r t s 船p o s s i b l e m a i nw o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e st h e s et h r e es e c t i o n s ， t h ef i r s ts e c t i o ni n t r o d u c e st h eb a s i cc o n t e n t so f t h ep a r a m e t e rd e s i g nt e c h n i q u e s ， a n a l y z e st h ec u r r e n tt w om e t h o d so ft h ef e a t u r eb a s e dp a r a m e t e rd e s i g nt e c h n i q u e s u s i n gp r o e n g i n e e ra st h es t u d yo b j e c t , s t u d yt h et o p - d o w np a r a m e t e rd e s i g n t e c h n i q u e i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo ft h ev a r i a n tp r o d u c td e s i g n ；a n a l y z et h e c u r r e n tm a i nm e t h o d sa n dt e c h n i q u e so f t h ev a r i a n tp r o d u c td e s i g n t h es e c o n ds e c t i o ni su s i n gt h et y p i cp a r a m e t e rd e s i g nc a ds o f t w a r ea st h e t a r g e to b j e c tf o rs t u d i n g s t u d yt h er e - d e v e l o p m e n to fc a d s o f f w a r e s i ti n t r o d u c e s t h et e c h n i q u e so fp r o e n g i n e e rr e - d e v e l o p m e n t , c o m p a r e st h e i rf e a t u r e s ，a n d f i n a l l ys e l e c t st h ep r o t o o l k i ta st h ed e v e l o p i n gt e c h n i q u e s a f t e rt h e s es t u d i e s , u s i n gt h e0 b j e c t - o r i e n t e dt h i n k i n g ，i ts t u d i e st h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o e n g i n e e r r e d e v e l o p m e n tb a s i n go nt h em i x i n gu s eo f ca n dc + + t h et h i r ds e c t i o ni st h es t u d yo fb a s i cm e t h o d sa n dt e c h n i q u e si nt h ep a r a m e t e r b a s e dv a r i a n td e s i g na n di t sm o d e l i n gt e c h n i q u e s i ti n t r o d u c e sad a t u m - b a s e da u t o a s s e m b l ym e t h o df o ra s s e m b l yv a r i a n td e s i g n a st h ep d ms y s t e mi sa b r o a da p p l i e d i nt o d a yi n d u s t r y , i ti n t r o d u c e st h ep d mb a s e dv a r i a n td e s i g n , a n ds t u d yi t sk e y t e c h n i q u e s f i n a l l y , w i t ht h ec sf r a m e w o r k , i ti n t r o d u c e st h ep d m b a s e dv a r i a n t d e s i g ns y s t e ma n di t ss o f t w a r e k e y w o r d s ：p a r a m e t e rd e s i g n ,v a r i a n td e s i g n ,c a d ， r e d e v e l o p m e n t , o b j e e t - o r i e n t a d , p r o e n g i n e e r , p r o t o o l k i t , p d m 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 【摘要l 通过大量的文献阅读，从设计的一般过程和分类入手，阐述了参数化设 计技术，参数化设计的发展趋势，变型设计的定义和主要方法。简要介绍了 p r o e n g i n e e r 二次开发技术和c a d 二次开发开放应当遵循的原则。在此基础 上提出了主要的研究内容。 i 关键字1 产品设计；参数化设计；变型设计；p r o e n g i n e e r , c a d 二次开发 1 1 概述 1 1 1 设计的一般过程和分类 产品的开发通常由方案设计，技术设计，加工制造等阶段组成，各阶段之间 是逐层细化，互相影响，互相约束的关系。其中，作为连接方案设计与加工制造 的桥梁，技术设计的过程与结果，一方面要满足在方案设计中提出的对产品功能 与性能的要求，另一方面要满足加工的低成本与高质量的生产制造要求。 设计具体过程大致可以分为四个阶段【1 1 ： 图1 1设计的4 个阶段 1 可行性研究阶段：对产品的预期需要，工作条件和关键技术进行详尽分 析，明确任务要求，提出功能性设计的主要设计参数，并提出可行性方 案。此阶段对后面的设计过程起着指导性作用。 2 初步设计阶段：在确定了设计任务后，根据任务要求寻求功能元理解， 6 一 浙江大学硕士学位论文 并作原理方案的构思。此过程往往通过问题的抽象化，寻求出功能关系， 拟定功能结构，确定解决的途径。此阶段应从各种可行性方案中选取最 佳方案。 3 技术设计阶段：在设计方案的目标下，完成总体设计及零部件的结构设 计，即方案的结构化。 4 改进设计阶段：根据加工制造，样机试验，技术检测，使用操作，鉴定 分析和市场反馈信息等各个环节所反映出的问题，进一步对产品作技术 改进或技术处理，以确保产品质量与完善前期设计的不足。 从图1 1 可以看到设计是一个循环并且反复循环的过程。前一阶段通常很难 预计下一个阶段的结果，所以要频繁的根据后一阶段的各种反馈来对前一阶段进 行修改，使最终的的成果满足设计的需要。 按照机械产品的开发任务的差异，机械设计有如下四种类型嘲： 1 开发性设计：按照需求目标设计创新机型。 2 适应性设计：在原有的原理方案基础上，为适应变化的工作要求，对产 品的局部作适当的变更，或增加某种新部件，使产品扩大功能而满足新 的使用要求。 3 变型设计：保持已有的工作原理和功能结构不变，仅改变结构配置和尺 寸，按新的需要作新的布局或变更尺寸参数。 4 组合造型设计：根据原理方案要求，或在己有的部分结构基础上，按市 场或企业现有的零部件作选取，进行有效的组合，从而得到新的组合结 构形式。 以上四种类型设计中，开发性设计难度最大，成本消耗最大，设计周期较长， 风险最大，是完全的创新。其他几种类型设计难度相当较小，成本较低，周期较 短，风险较小，是部分的创新。创新的目的不在于创新的大小，而在于创新的成 果能否达到预期的目的。随着竞争的日益激烈，出于企业运行风险和费效比的考 虑，通常在现代企业中开发性设计不是最常用的。能够通过后三种类型的设计达 到产品需求就应当优先考虑。四种类型各有应用场所，因此需要根据实际情况， 灵活选择设计类型。 1 1 2 参数化设计技术 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 6 1 。 通常，参数化设计是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该几何 - 7 - 浙江大学硕士学位论文 图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同 的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息 的模型【3 8 l 。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段， 使用户可以利用以前的模型方便的重建模型，并可以在遵循原设计意图的情况下 方便地改动模型，生成系列产品，大大提高了生产效率。参数化概念的引入代表 了设计思想上的一次变革，即从避免改动设计到鼓励使用参数化修改设计。 一个好的参数化的方法，至少应该满足以下几方面的要求 2 2 1 ： 1 能够检查出约束条件的不一致，即是否有过约束和欠约束的出现； 2 算法可靠，即当给定一组约束和拓朴描述后能够求出存在的一个解， 而且当用户需要时，可以给定所有可行解： 3 交互操作，即求解速度快，使得用户的每一步设计操作都能得到及时、 适当的回应： 4 在构造物体的过程中允许修改约束，而且修改的效果应该与先期的约束 设定次序无关： 5 应能容许广泛的约束类型并且容易为某些特殊应用加入新的约束类 型： 6 应能通用于二维和三维： 7 应能处理常规c a d 数据库中的图样，必要时允许人工干预。 1 1 3 参数化设计的发展趋势 参数化设计作为机械c a d 的一项关键技术，它贯穿于从概念设计到详细设 计的全部过程，今后这方面的研究可在以下几个方面展开【3 2 】： 1 欠约束问题的有效处理。欠约束在产品的概念设计，如草图设计阶段非 常多见，文献【3 3 】试图通过对隐式约束优先级的划分，将优先级高的隐 式约束强制成显式约束，来表达图变参后的设计意图，但尽管这样还是 存在多解的可能，因此，如何有效解决欠约束图的参数化还有待于进一 步探索。 2 参数化设计应当与产品功能设计联系在一起。产品设计本身就是一个创 新过程，为实现特定的功能机械产品多种多样，产品的功能是和其特定 的结构联系在一起的，不同行业的产品又有其特定的设计要求，而现有 参数化方法都是针对通用领域的，因此，如何将参数化设计与每个特定 的领域联系起来就有重要意义，一方面要开发一些面向不同行业的参数 化图形库，另一方面要将不同领域的设计知识与参数化过程联系起来。 3 参数化设计要向系统集成化方向发展。以关系数据库为驱动源的参数化 8 浙江大学硕士学位论文 设计为零件、组件、装配体以及产品管理信息的一体化设计提供了信息 基础，随着数据库技术的发展，尤其是多层客户，服务器数据库技术的 成熟，其为同一产品在不同地点、不同时间的并行设计提供了保障。 4 研究协同设计环境下基于约束的参数化设计模型。现有参数化方法中， 约束模型的建立与求解都是基于单用户环境，是一种集中式的约束管理， 它仅支持“人机”交互，远未实现设计者之间的交互，尽管p r o e n g i n e e r 采用全关联、单一的数据结构，实现零件、部件和产品的双向关联，但 不同的设计者之间却是相互独立的，不能完成多用户之间的协同设计。 在复杂产品的参数化设计中，各种设计任务在不同的设计者之间如何分 配；零件、部件、装配体中存在的局部约束和整体约束如何进行协同求 解；各种设计进程如何管理；约束信息在网络系统中如何存放等一系列 问题，都有待于进一步研究。 同时随着近年来p d m 技术的不断发展，对大规模定制技术研究的不断成熟， 参数化技术也要从下面两个方面进行发展以适应技术发展的需要【4 3 】： 1 参数化设计要向与企业信息化集成。随着网络技术、数据库技术的发展， p d m 等产品信息管理技术已经逐渐成为主流。企业的设计图纸等信息已 经逐步的实现了电子化存储、网络化管理。在企业信息化的构建的平台 下，如何建立合理统一的产品参数化模型以支持产品“方案设计一详细 设计一仿真校核一制造装配”的全过程，实现c a d c a e c a p p c a m 的 有效集成，是参数化设计方法研究的一个重要课题。 2 参数化设计要面向大规模定制。大规模定制代表了当前面向用户需求的 设计方法，其特点是小批量、多品种。以模块化思想为基础，建立高度 柔性的产品参数化模型，以支持变型设计、配置设计等面向大规模定制 的设计方法是d f m c 的需要。 1 1 4 产品变型设计的定义及主要方法 p a h l 和b e i t z 最早将设计分为初次设计( o r i g i n a ld e s i g n ) 、适应设计( a d a p t i v e d e s i g n ) 、变型设计( v a r i a n td e s i g n ) ，并指出在实际的设计工作中大约7 0 属于适 应性设计和变型设计i l l 。 变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计或 设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。这种修改一般不破 坏原设计的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结构的局部调整或两 者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市 场的要求唧。 9 一 浙江大学硕士学位论文 一般来说，产品的结构变型设计主要有如下两种基本形式【蚓； 1 纵向变型设计。主要是指产品的主要功能参数发生变化，并在参数变化 的情况下，产品的尺寸规格和局部结构随之发生变更。 2 横向变型设计。横向变型产品是在原有基型产品的基础上改变某些零部 件或技术而扩展或改变了功能的变型产品。 变型设计是对己经存在的设计的结构的局部调整和参数的修改，c a d 系统 要支持这种设计方法必须满足一下要求 a g l ： 1 提供维持原有产品功能、原理的方法和工具。 2 提供对己经存在的设计的有效管理和组织手段，方便对设计的检索和存 取。 3 提供对己经存在的设计的快速修改方法和工具。 目前有关变型设计的理论和方法主要有【4 9 5 1 l ；基于装配模型的变型设计方 法、模块化变型设计理论、基于特征的变型设计理论、基于变量设计和参数设计 的变型设计理论、基于实例推理技术的变型设计理论和基于关系型产品模型的变 型设计理论等6 种。 1 1 5p r o e n g i n e e r 的二次开发技术简介 随着c a d 技术的不断发展，当前常用的商品化c a d 软件都是设计成为通 用的设计平台，通过提供一系列的可在配置手段使用户能够针对特定领域为解决 特定的问题对软件进行配置，使得一套软件能够应用于各种专业领域，如u g 、 p r o e 、s o l i d w o r k s 等都广泛应用在不同的行业中。 二次开发技术已经成为各种大中型c a d 软件的标准配置。如u n i g r a p h i c s n x 中提供了o p e ng r i p 和o p e n a p i ，c a t i a 提供了c a a ，a u t o c a d 提供了a u t o l i s p 、v b a 和o b j e c ta r x 。 p r o e n g i n e e r 是p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司推出的 m c a d 软件。1 9 8 5 年，p t c 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研 究。1 9 8 8 年，v 1 0 的p 栅g i n e e r 诞生了。经过1 0 余年的发展， p r o e n g i n e e r 已经成为主要的三维c a d 软件之一。目前最新的版本为w i l d f i 舱 2 0 。它是一套用于产品开发领域的“全方位”一体化系统，也是p t c 产品生命 周期管理( p l m ) 解决方案的核心。 与其他商业化c a d 软件一样，p r o e n g i n e e 提供了丰富的二次开发手段， 主要有f a m i l yt a b l e 、u d f 、p r o p r o g r a m 、p r o w e b l i n k 、j - l i n k 、p r o t 0 0 l k i t 等。 f a m i l yt a b l e 1 0 浙江大学硕士学位论文 f a m i l yt a b l e 即族表。族表是本质上相似零件或者组件的集合，但在一两个 方面稍有不同，诸如尺寸大小或特征关系。 使用“族表”( f a m i l yt a b l e ) 可以【l i l ：产生和存储大量简单而细致的对象； 把零件的生成标准化；从零件文件中生成各种零件，而无需重新构造；可以对零 件产生细小的变化而无需用关系改变模型；产生可以存储到打印文件并包含在零 件目录中的零件表。 u d f ( u s e r d e f i n ef e a t u r e ) 用户自定义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，完整定义该群组特征的放置参考、可变尺寸及可变尺寸的符号( s y m b 0 1 ) 等， 形成为特别情况而生的独特特征，并且系统会将这些信息以一个后缀为g p h 的文 件保存在u d f 数据库( t r d fl i b ) 中，随时调用以生成所需的衍生件【l l 】。 用户定义特征( u d f ) 包括选定的特征、它们的所有相关尺寸、选定特征之间 的任何关系以及在零件上放置u d f 的参照列表。用户定义特征有两种，一种是 从属的u d f ，一种是独立的u d f 。从属的u d f 直接从原始模型获得它的各个参 数值，因此必须有原始模型从属的u d f 。如果在原始模型中改变尺寸值，它们 会自动反映到相应的u d f 中。独立的u d f 将所有原始模型信息复制到u d f 文 件中。因此，独立的u d f 比从属的u d f 需要更多的存储空间。如果改变被参照 的原始模型，这些变化不会反映到相应的u d f 中。而对于特征中的参数参考可 以在定义u d f 时将这些定义为可变的或不变的。放置u d f 时，重新定义了可变 量后，会将特征复制到用户模型中。 p r o p r o g r a m p r o p r o g r a m 是一种脚本类型的语言，它直接在p r o e 中输入执行，不需要 进行编译。 p r o p r o g r a m 中，一个程序的主要结构包括标题、参数输入、条件输入语句、 关系式、特征创建过程、模型重量的计算等六个部分 p r o p r o g r a m 可以实现的主要功能主要有： 1 由于程序中有i f e l s e e n d i f 形式的条件语句，通过条件判断，可 以在一定程度上实现设计的自动化和智能化。 2 自动化互换性设计是p r o p r o g r a m 中常用的一个功能。通过将互换性设 计与p r o g r a m 可以实现自动化互换性设计。主要通过a d dp a r t 、a d d s u b a s s e m b l y 、a d dc o m p o n e n t 等语句来实现。 3 族表的查询。在p r o g r a m 中只要知道族表中系列件的文件名时，可以直 接通过文件进行查询。如果要通过某个参数来查询各实例，也可以通过 调用l o o k u p 4 将装配体的参数传递给零件。通过调用e x e c u t e 语句可以将装配参数传 浙江大学硕士学位论文 递到各个零件内，实现装配对零件的控制，实现自顶向下的设计。 p r o w e b l i n k p r o w e b l i n k 目的是帮助用户建立基于w e b 的二次开发应用程序。该应用 程序能够通过i e 或者n e t s c a p e 等w e b 浏览器与p r o e n g i n e e r 进行交互。 p r o w e b l i n k 能够扩展浏览器的功能，通过j a v a s c r i p t ，使其浏览器能够识别并 执行与p r o ，l 三n g i n e e r 工作区交互的命令。 p r o w e b l i n k 开发的应用程序以j a v a s c r i p t 进行编写，必须以网页的形式在 p r o e 内嵌的w e b 浏览器中运行。w e b l i n k 提供的大量的j a v a s c r i p t 版本的p f c ( p a r a m e t r i cf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 类库是程序运行的基础。p f c 提供了与组装、模型、 特征、工程图、界面、参数尺寸、交互选择和操作等相关的类库，使得开发的程 序能够在w e b 浏览器内同p r o e 的各项功能和模型数据库进行对接。在程序中通 过调用p f c 类库来实现与p r o e 交互的各种功能。编写好的程序保存在j s 后缀 的文件中。程序通过h t m l 语言编写w e b 操作界面作为人机交互，在h t m l 中调用 j a v a s c r i p t 文件中编写好的各种函数实现对应输入的相应操作。 j - l i n k 从2 0 0 0 i 版本开始，p r o e n g i n e e r - f o u n d a t i o n 推出了j l i n k 这一基于 j a v a 的新工具，它是一种用来扩展，定制和自动处理p r o e n g i n e e r 功能的强 大工具。j l i n k 是一个面向对象，独立于平台且向上兼容的基于j a v a 的应用程 序接口。使用j l i n k 开发的应用程序既可以与p r o e n g i n e e r 工作任务( 应用 程序) 相关联，也可以与某个特殊的模型( 模型程序) 相关联，使得在模型重建等 事件的执行期间，让用户能控制p r o e n g i n e e r 模型的行为。例如，无论何时 重建模型，模型程序都可以调出特定的用户界面，来收集用户输入的信息，并可 以从数据库中提取相应的信息。【l 钉 j - l i n k 应用程序由三部分组成：程序初始化与终止、菜单拓展及事件处理函 数以及应用程序的注册u6 】。 1 程序初始化与终止。j - l i n k 应用程序需要有一个启动类，该类必须在注 册文件中指明，且必须包含两个静态方法：“s t a r t ”方法和“s t o p ”方法。 这两个方法也要写入应用程序注册文件中，这样，在p r o e 启动或结束 应用程序时，将会自动调用这两个方法，完成系统初始化和收尾工作。 2 菜单拓展及事件处理函数。为了与用户进行交互，必须给系统添加自己 的菜单系统，并设计菜单事件处理函数，让程序响应用户操作。这部分 工作是软件开发者的主要工作，也是整个应用程序的核心。 3 注册应用程序。为了在p r o ，e 中启动基于同步模式的j - l i n k 应用程序， 必须利用注册文件( p r o t k d a t ) 将其注册到系统中。 p m ，i 0 0 l k r r 1 2 浙江大学硕士学位论文 p r o t o o l k i t 是p r o e 各种二次开发工具中历史最悠久也是功能最为强大 的。他是在p r 0 d e v e l o p 的基础上发展而来的。 p r o d e v e l o p 是p r o ev l8 版本之前对应与p r o t o o l k i t 的二次开发工具， 同样的，它也是基于c 语言的。从v 1 8 版本开始，p t c 公司推出了功能更为强 大的p r o 仃o o l k r r 来代替p m ，d e v e l o p 。为了保证向下的兼容性，不让用户之 前开发的工作失效，在中提供大量的函数等效于原来p r o d e v e l o p 中的常用函 数。这样用户只需要简单地通过运行迁移工具，甚至不需要任何改动，就可以把 p r o d e v e l o p 下的程序迁移到p r o t o o l k i t 下运行。同时，在p r o e 当中仍然 保留了p r o 仍e v e l o p 的函数库和接口。这样，p r o ，r o o l k i t 和p r o d e v e l o p 的代码是混合使用的。在保证稳定性的前提下，旧的p r o d e v e l o p 开发的程序 可以在它的基础上添加p r o t o o l k i t 的代码来享有新的功能特性。 p r o t o o l k i t 是p t c 公司提供的纯c 语言二次开发工具包，它为用户或 者第三方软件商提供了一个庞大的c 语言函数库。该库提供了p r o e 软件大量 的底层函数，用户可以借助该库扩展能与p r o e 无缝集成的自定义功能、访问 p r o e 数据、用户化自己的工作界面等团l 。 1 1 6c a d 二次开发应遵循的原则 二次开发要遵循工程化，模块化、标准化和继承性等一系列的原则，依据工 程化的思想对二次开发进行统筹规划。【s 】凹 工程化原则i s i 二次开发应按照软件工程学的方法和步骤进行，突出工程化的思想。首先对 所要解决的问题进行详细定义分析( 由软件开发人员与用户讨论决定) ，并加以确 切地描述，确定软件技术目标和功能目标，编写软件需求说明书，确认测试计划 和数据要求说明书等。然后根据需求说明书的要求，设计建立相应软件系统的体 系结构，编写软件概要设计和详细设计说明书，数据库或数据结构设计说明书， 组装测试计划。从而保证软件的可靠性、有效性和可维护性。 模块化原则嗍 模块化的原则要贯穿于二次开发的全过程。首先，在软件的结构设计中应遵 循模块化的原则，将整个系统分解成若干个子系统或模块，定义子系统或模块间 的接口关系，使各模块功能单一以保持模块之间的相对独立，以保证软件的并行 开发、修改和扩展方便。模块化可以使开发人员同时进行不同模块开发设计，缩 短软件开发周期；在软件需要维护和修改时，也仅对相关模块进行修改即可，避 免了对整个程序进行修改工作；在扩展时，只要把独立的功能模块集成即可运行。 最后通过菜单调用把它们集成起来与原系统组成一个有机的整体。在建立图库时 1 3 浙江大学硕士学位论文 也应遵循模块化原则，根据产品结构和工艺的相似性，利用成组技术将产品划分 为有限数目的零件模块，将模块建模入库，方便产品设计，提高开发效率。 继承性原则嗍 二次开发不同于一般从底层做起的软件设计，是在已有软件基础上根据实 际需要而进行的再开发，对支撑软件有根强的依赖性和继承性。继承性既是二次 开发的最大特点，也是二次开发所应遵循的原则，使开发后的系统在界面风格和 概念上与原软件保持一致，新加入的部分在功能、操作等方面与原系统实现无缝 集成，从而保持系统的一致性和完整性。 标准化原则1 9 1 标准化是开发c a d 软件的基础。首先，在开发过程要遵循c a d 技术的基 础标准，c a d 技术的发展之路，同时也是一条标准化之路，面向用户的图形标 准g k s 和p h i g s 、面向不同c a d 系统的数据交换标准i g e s 和s t e p 以及 窗口标准等都是进行二次开发所必须依据的标准。其次，c a d 系统的二次开发 不同于一般软件的设计开发，它的运行过程是对具体机械设计过程的模拟，必须 符合机械工程设计的特点，机械设计过程也有着严格的国家标准规定。 1 2 问题的提出和课题研究内容 在大规模定制技术广泛应用的今天，一个优秀的设计师，他的创造性并不仅 仅是创造新的零部件，而更多的是充分利用已有的零部件，设计出新的产品。在 设计的过程中，应该尽可能的减少产品中定制零部件的比例( 包括开发性设计和 适应性设计的零部件) ，增加变型设计零部件和标准件的比例。用尽可能少的零 部件，组合成尽可能多的种类的产品。所以变型设计是具有广泛应用的。 p r o e n g i n e e r 是一款成熟的参数化c a d 系统，它的全参数化的统一数据 库模型能够支持产品设计的从概念形成到制造加工的全过程。p r o e n g i n e e r 作 为较早进入中国的三维c a d 设计软件已经有了广泛的应用，但是由于人员素质 的参差不齐，软件的能力并没有完全发挥。因此需要通过二次开发简化应用难度， 使得广大设计人员能方便地使用到先进的参数化设计技术。 随着p d m 系统在中小企业中的不断实施，以及p r o e n g i n e e r 等三维 c a d c a m 系统的广泛采用，将三维设计软件集成到p d m 系统中是必须要解决 的问题。虽然w i n d c h i l l ，p r o i n t r a l i n k 等解决方案能够方便的集成p r o e 系 统，但是其不菲的价格抬高了在中小企业中应用的门槛。而且这些三维 c a d c a m 软件的文件结构通常是不开放的。因此，需要通过二次开发技术，解 决三维c a d 系统在中小企业p d m 系统中的集成问题，以充分发挥参数化设计 的强大功能，实现c a d c a m c a e 一体化，提高中小型p d m 系统的应用价值。 1 4 浙江大学硕士学位论文 基于以上理念，本文的研究内容主要在以下三个方面展开： 1 研究了自顶向下的参数化设计。对参数化技术的基本内容约束和特征进 行研究，分析了当前两种基于特征的参数化设计技术。以p r 盹n g i n e e r 为具体对象，分析了特征和约束之间的关系，研究了自顶向下的参数化 设计。以减震器为对象，阐述了自顶向下的参数化设计的过程。 2 提出了基于c 和c + + 混合编程的p r o e n g i n e e r 二次开发技术。以 p r o e n g i n e e r 二次开发为对象，研究c a d 的二次开发技术。从使用语 言和提供的功能上对p m ，l 烈g i n e e r 二次开发各种技术手段进行比较和 分析，选择p r o t o o l k i t 作为最终的开发手段，并对其进行了深入的研 究。阐述了面向对象的p r o e n g i n e e r 二次开发技术的关键技术。 3 研究了变型设计的参数化模板技术，研究了基于自顶向下技术的变型设 计的装配模型技术。对基于p d m 的参数化变型设计的关键技术进行了 研究。以p r 矾烈g i n e e r 为c a d 端，m e p d m 为p d m 端进行了基于 p d m 的参数化变型设计系统的实现。给出了关键功能函数的实现代码， 结合实例介绍了系统的应用。 一1 5 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章自顶向下的参数化设计及其在 p r o e n g i n e e r 中的实现 【摘要l 在阐述了约束和特征的基本定义和分类后，讨论了特征与约束的关系， 并以p r o e n g i n e e r 的特征建模为例说明了这种关系。以此为基础，研究自顶 向下的参数化设计及其组织结构和数据传递。以p r o e n g i n e e r 为工具，减震 器为对象进行了自顶向下设计实例的实现。 l 关键字l 约束；特征；参数化；自顶向下 2 1 约束 约束的定义1 3 1 约束是参数化设计的核心。参数化设计的过程就是一个约束指定、约束求解 和约束满足的过程。 约束一词在不同的领域中有不同的含义。在参数化领域里，约束可以解释 为特定元素之间必须满足的一组关系。 跟约束密切相关的还有两个基本概念，一个是自由度，一个是约束的约束 度。自由度是指几何实体所固有的独立运动变量的数目。而约束的约束度则是指 由该约束引起的相关几何实体的自由度的减少数量【3 】。施于某几何实体上的所有 约束的约束度之和，应该等于该几何实体的自由度，这时实体才是约束完备的。 若约束度多于自由度，会造成过约束，反之则会欠约束，过约束会造成对几何实 体约束的相互矛盾，使得无法求解，欠约束则使几何实体具有不确定性，这两种 情况在设计的最终结果中都是不允许的。 约束的分类晰l 参数化c a d 系统中的约束，一般可以分为两大类：工程约束和几何约束。 工程约束是指几何约束系统中几何元素之间固有的约束关系，包括制造约束 关系、功能约束关系和逻辑约束关系等，它主要用于表达设计过程和设计要求。 其特点是过程性表达，一般表示为以几何设计参数为变量的一组约束方程。例如 齿轮泵中齿轮的模数，一般是根据该泵的额定流量确定的( 4 j f 对于模数而言，这 就是一个工程约束，可以通过建立模数和流量间的关系方程m = 坟q ) 来表达该约 束，其中1 3 1 为模数，q 为流量，f 代表两者的约束关系。 几何约束是对几何实体自由度的限制，它实质上是几何实体间关系的一种表 达，几何约束是双向的，即被施加约束的几何实体之间互为约束者和被约束者。 几何约束又可以进一步分为结构约束和尺寸约束。 1 6 浙江大学硕士学位论文 结构约束又称为拓扑约束，它是对产品结构的定性描述，是指几何元素之间 的拓扑结构关系，如平行、垂直、对称等，一般在参数化设计过程中是保持不变 的。 尺寸约束是对产品结构的定量描述，是指几何元素的大小和位置，如各种距 离、直线长度、圆弧半径等。尺寸约束是参数化设计中驱动的对象，通过修改尺 寸约束来进行尺寸驱动，从而修改图形，实现参数化，所以尺寸约束是可变的， 而且为便于进行尺寸驱动，尺寸约束必须进行尺寸标注并显示出来。 2 2 特征 特征的定义哪 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的统一的定义。比较一致的意见认为特 征是一组具有特定属性相互关联的几何形体，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，含有工程意义的信息，即特征反映了设计者和制造者的意图。 特征的分类闱 通常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。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。形状特征又可以进一步再分，一般的参数化造 型中的形状特征如图2 1 。 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。面向过程的特征可以细分为：精度特征、材料特征、装配特征、技 术特征和管理特征。精度特征是描述几何形状许可的变动量或误差的特征，包括 尺寸公差特征、形位公差特征、表面粗糙度特征；材料特征是描述材料的类型、 性能以及热处理等信息的特征：技术特征是描述有关性能参数的特征；装配特征用 以表达零件的装配关系；而管理特征则是与零件管理有关的信息，如标题栏信息 等。 - 1 7 一 习缀 一纷缀一m一，缓 浙江大学硕士学位论文 2 3 特征与约束的关系 图2 i特征的分类 计算机建模的是抽象化，格式化，具体化的过程，如图2 2 。 实体模型是通过对实际产品的抽象，格式化为各种特征，通过各种特征堆砌， 具体化而成的。特征则是约束集合求解的结果。下面以是p r o e 中一个拉伸特征 的生成流程来说明，如图2 3 。 - 1 8 浙江大学硕士学位论文 图2 2计算机建模的过程 图2 3拉伸特征生成流程图 在整个流程中涉及到了三种类型的操作，正是这三种操作产生了三种约束， 通过求解最终生成了拉伸特征。而在p r o e 其他特征的生成过程中的操作也都可 以归到这三个种类中。因此，可以把p r o e 中的约束分为尺寸变量、几何参考和 预设选项三种。 尺寸变量都是在特征生成过程中由