（材料加工工程专业论文）自行车自动装配cad系统研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要摘 要 由于自行车产品造型多变和客户需求个性化，自行车企业在整车设计和管理上 面临日益严峻的考验。规范设计流程、提高创新能力和设计效率以快速满足市场的 需求，已成为制约企业创新和壮大的关键问题。将设计经验和技术规范用于自行车 cad 系统，解决车架设计、零部件的自动装配和管理等技术难题，从而设计出高质 量的产品，已成为自行车厂家的当务之急。 本文分析了自行车企业 cad 软件的应用现状和设计生产中的实际问题， 对企业 cad 应用中零部件装配和管理等关键问题及其解决方案进了系统的分析讨论。在分 析国内外先进 cad 设计方法的基础上， 本文针对自行车整车装配和零部件管理等问 题，开发了基于 ug 的自行车自动装配 cad 系统，该系统包括：开放式 3d 零部件 库、建库编辑工具和自动装配模块等部分。本文详细阐述了零部件 3d 模型参数化建 模、开放式结构数据库建库、零部件动态扩充和离线编辑、装配接口模型和自动匹 配算法、零部件自动装配和装配合理性检查等系统中实现理论和技术流程。 系统的实施规范了整车设计过程，实现了零部件库动态扩充、零部件离线编辑、 零部件自动装配、装配合理性检查等功能。实践表明该系统的应用提高了自行车设 计装配的效率和可靠性，对提高企业设计能力和信息化水平有现实意义。系统实现 方法和流程也可作为同类解决方案的参考。 关键词关键词：自行车，开放式零部件库，动态扩充，离线编辑，装配接口，自动装配 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract bicycle manufacturing enterprises face great problems in designing and management under pressure of bicycle configurations diversification and customers individualized requirements. regulating designing method, promoting creativity and improving designing efficiency to cater for market demand fleetly has been a key problem for enterprises development. applying designing experience and criterions to bicycle cad system to solve key problems such as bicycle-frame designing, parts management and automatic assembly and provide top-quality products for customers have been bicycle enterprises urgent affairs. based on investigation into application actuality of cad systems and manufacturing problems in bicycle enterprises, this thesis analyzes key problems in bicycle cad systems like assembly and management of parts systematically and provides corresponding solutions for them. on the basis of analyzing advanced designing techniques inland and abroad, this thesis established a ug based cad system for bicycle automatic assembly, and the system includes open-architecture 3d parts database, parts database editing tools and automatic assembly modules. key theories and technologies applied in the system such as parameterized modeling of 3d parts, establishing of open-architecture database, dynamic adding and off-line edition of parts, assembly interface model and automatic matching algorithm, automatic assembly of parts and assembly rationality inspection are expounded in this thesis. the system regulated bicycle-designing flow and actualized many key functions like dynamic expansion of parts database, off-line edition of parts, automatic assembly of parts and rationality inspection of assembly. application of the system improved efficiency and reliability of parts automatic assembly in bicycle designing and promoted enterprises designing ability and informationization level. development methods and flow of the system can also be references for congeneric solutions. key words：bicycle, open-architecture parts database, dynamic expansion, off-line edition, assembly interface, automatic assembly, 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。 本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 本章介绍了课题来源、目的和意义，分析了自行车 cad 技术在国内外研究及应 用现状，分析了 3 维 cad 技术前沿设计方法和技术及其发展趋势，介绍了基于 ug 的自动装配技术和开放式 3d 零部件库建库技术等关键 cad 实现技术原理和流程， 并简单介绍了课题研究的意义、目的和主要内容。 1.1 课题来源、目的和意义课题来源、目的和意义 随着人们对生活的健康水平、舒适性和个性化要求的提高，自行车在日常生活 和竞技赛事中广泛使用，其设计和生产手段竞争日益突出。因人力和生产成本相对 较低，中国近年自行车业发展迅速，成为世界主要的自行车生产和出口基地。据中 国轻工业信息中心统计，我国 2006 年前三季度自行车产量 4785.61 万辆，同比增长 2.97%；9 月份产量 564.04 万辆，同比增长 7.09%，但全球自行车大赛所用高端自行 车几乎全部产自“赛车王国”意大利，自行车设计生产正朝标准化、系列化和批量 定制化的趋势发展1，高端自行车的设计生产在中国还有很大发展空间。 将先进 cad 技术应用于提高自行车整体设计和生产的水平， 是中国自行车厂商 提高市场竞争力、占据高端市场的必经之路。国内制造业企业大都借助 cad 技术完 成了“甩图板” ，满足了提高产品设计质量、缩短设计周期的基本 cad 技术应用需 要，但作者在调查中发现，企业 cad 技术应用程度与领导的主观认识和管理方法关 系极大，企业中 cad 应用主要还存在如下问题： （1）cad 设备利用率低：企业往往大量购进设备，而很少有设计人员能充分利 用软件为研发服务，设备闲置使 cad 技术投资未带来如期的经济效益； （2）盲目“重硬轻软” ：合理地配置 cad 软硬件才能最大限度创造经济价值， 而大型企业实施 cad 工程往往重视硬件而忽视软件； （3）对软件二次开发认识不足：企业往往是利用大型 cad 软件通用功能模块 解决问题，而不重视以二次开发研制自身所需的高效的专用 cad 软件； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 （4）不重视设备管理：许多大企业配备了联网计算机及相应的 cad 硬件设备， 但管理上却没有达到相应水平，管理人员常常兼职而非专职； （5）过分依赖 cad 软件：企业往往注重计算机和软件性能本身，而忽视设计 者技术经验在 cad 工程系统中的应用，没有充分利用专家技术资源。 以上问题在自行车业内同样存在。应广州千里达车业有限公司要求，作者考察 并分析厂家设计和生产流程后，以 ug nx ii 系统为平台为厂家开发专用的自行车 cad 系统，课题旨在开发包含：车架设计、零部件自动装配、零部件库建库和生产 信息管理等功能模块在内的自行车 cad 系统， 以满足厂家设计和生产数据管理等核 心功能需求。系统最终要实现如下功能： （1）自行车车架设计：用户依车型选取车架 3d 模板，指定并调整各管件的形 状特征、尺寸参数、材料质地、制造方式及加工的管模具，设计出可参数化调整的 3d 车架模型，得到自行车主体结构，同时也是零部件装配的主模型； （2）零部件自动装配：以设计好的车架 3d 模型为装配主模型，依次从零部件 库内调入相关零部件的 3d 模型，由装配模块对装配关系进行判断而自动装配，并同 步分析装配干涉情况，逐步完成自行车的整车装配设计； （3）零部件库建库及管理：对车架和零部件参数化 3d 建模；按装配关系将所 有 3d 模型分类分层编号；建立在逻辑上包含：3d 模型文件库、零件信息库及示意 图文件库的开放式零部件库，实现动态提取零部件信息并对零部件离线编辑，满足 零部件库动态扩充的需要； （4）设计和生产信息管理：借助零部件库统一管理各类设计和生产信息，主要 包含：零件信息、设计信息、生产工艺单、管加工模具信息、定单和生产状态等数 据，提供整车信息统计和其他工具，为实际生产提供 bom 表等信息，将设计和生产 过程紧密集成，提高企业的整体设计能力和生产管理水平。 系统要使厂家能够借助自行车 cad 系统，实现自行车车架 3d 模型设计、零部 件库动态扩充、零部件自动装配、装配合理性检查和系统优化，以及设计和生产数 据管理等功能，完成整车的参数化设计和自动装配，以满足厂家采用自主版权的专 用 cad 系统，高效合理地完成自行车设计的迫切需求。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2 自行车自行车 cad 应用现状应用现状 随着计算机技术飞速发展，人们迫切希望借助计算机来摆脱复杂、繁琐、费时 且修改困难的传统绘图法，cad（computer aided design）技术应运而生。cad 技 术起步于 50 年代后期，而在 70 年代中期长足发展2-3，建模造型技术是 cad 技术 的核心。cad 造型技术相继经历了二维 cad 技术、曲面造型技术、实体造型技术、 参数化技术和变量化技术的发展历程2，每种 cad 造型技术都会催生新的 cad 软 件，更新设计、分析和制造手段，带动 cad/cam/cae 技术的整体提高。 当前主流 cad 软件基于实体和参数化造型技术， 并呈现向变量化造型技术过渡 的趋势。成熟且较有影响力的商业化 cad 软件主要有：autodesk 公司的 autocad、 ptc 公司的 pro/engineer、eds 公司的 unigraphics nx、dassault systems 公司的 catia、sdrc 公司的 ideasmasterseries、solidwoks 公司的 solidwoks 和 cimatron 公司的 cimatron 等软件。这些国外大型 cad 软件在功能特点和应用领域上各有差 异，但这些软件公司借助技术和服务优势，保证了他们的主导产品在国际市场上的 绝对份额。 目前国内企业也主要使用国外大型通用 cad 软件，对 cad 软件自主开发起步 较晚，但中国政府部门和高校通过多年努力，已成功开发了自主版权的 cad 系统或 基于国外大型 cad 软件的二次模块，且其中一些已商品化。例如清华大学的高华 cad、浙江大学的 gscad、华中科技大学的开目 cad 和北航海尔的 caxa 系 统等，这些 cad 软件符合中国的制图和制造标准，功能实用且操作方便，以其低廉 价格在国内企业界占有一定份额，但目前其功能与技术远不能及国外先进软件。 中国在全球经济一体化浪潮中高速发展，企业面临市场全球化、制造国际化、 需求多样化、产品和服务质量高标准化的新挑战，需要面向全球研发新产品，自行 车生产企业也不例外。国内自行车企业迫切需要能针对自行车设计特点完成整车设 计的 cad 系统，而不仅停留于使用大型 cad 软件进行造型设计，各企业围绕缩短 产品研制周期、提高设计质量和削减制造成本等方面的竞争日益激烈。 撇开市场因素仅就设计开发而言，自行车企业只有掌握新设计技术、拥有先进 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 制造系统并实施新管理方法，才能在残酷的商业竞争中脱颖而出立于不败，而所有 先进设计技术和制造系统都与 cad 系统技术水平密切相关35， 因而 cad 系统的发 展与应用水平已成为衡量一个国家工业现代化程度的一个重要标志6， 这就对开发自 主版权的 cad 系统提出了明确要求，在功能强大的通用 cad 软件上进行二次系统 开发，无论从时间还是经济投入上都无疑是一个明智的选择。 随着经济发展和技术进步，国内企业对 cad 技术整体认识不断提高，越来越多 的自行车企业开始关注并投入 cad 二次开发。结合新的 cad 设计理念和先进软件 开发方法，将自行车设计知识和经验用于 cad 软件二次开发，将使越来越多的企业 从中获益。专业软件商也将更多关注自行车 cad 系统领域，为厂家量身定制符合企 业自身特点的二次开发 cad 系统，提高企业设计效率和管理水平，推动 cad 技术 应用在国内自行车制造业内的进步。 1.3 cad 前沿设计方法和技术前沿设计方法和技术 构建性能稳定、功能强大的 cad 系统，首先要进行 cad 知识处理。机械 cad 知识处理内容丰富、形式多样，主要包括：各种立法规定、国家标准、设计公理、 公式和专利等7 。决定企业生存发展的不仅是 cad 软件的简单应用开发，更重要 的是能将设计经验和技术规范应用到 cad 系统中， 真正让软件发挥专家知识和设计 经验的价值。 基于 kbe 的 cad 技术就可良好地融合专家知识和 cad 系统， 其知识处理技术 主要包括设计知识的建模、重用和挖掘三个部分，其核心是设计知识的重用8。当前 基于 kbe 的 cad 系统往往基于工程规则构建，模型的参数化程度和复杂度受到限 制，但伴随设计知识处理研究的深入，基于 kbe 技术的 cad 系统将得到更深更广 的发展和应用。基于 kbe 的三维 cad 设计领域知识处理的关键技术主要有7： （1）知识处理技术：综合利用多种方法来实现智能化，最近对于基于实例推理 (cbr)等方法又有深入研究和新进展，例如：宝塔型多实例库设计方法、产品实例的 动态抽取技术、实例预览技术、基于知识的实例调整技术和支持索引词汇动态扩充 的实例检索算法等； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 （2）cad 数据挖掘技术：主要包括实例聚类分析、设计规则挖掘、cad 数据 范围挖掘和用户应用模式挖掘等适合 cad 数据挖掘的算法等； （3）知识建模技术：其核心是建立集成化产品信息模型，与之对应的是基于知 识的建模技术，主要包括：表格驱动的产品级参数化设计技术、基于系统的建模技 术和基于连接单元的跨零件建模技术； （4）三维零件库建库技术：包括三维零件库数据字典的定义、建库平台的研究 和基于 web 的支持异构 cad 系统的零件库技术等，是当前研究的热点； （5）系统框架和实现技术：主要研究面向行业应用的 cad 系统模型、系统开 发和使用环境与工具集。面向行业应用的 cad 系统模型采用核心层、通用层和应用 层三层框架，并通过可兼容、可替换的软件组件模式实现各层次的集成，提出了通 过开放的工具集快速开发应用 cad 系统的方法。 全球制造业竞争日趋高科技化和理性化，除进行 cad 设计知识处理外，以现代 化产品设计方法进行设计理念和产品种类创新，提高产品功能和服务水平，对构建 cad 系统也同样重要。现代产品设计方法主要包括：多学科优化设计、基于发明创 造方法学的设计、公理化设计、并行设计、智能设计、协同设计和绿色设计等7。所 有这些设计理论和方法都围绕：投放市场的时间、产品质量、产品成本、支持服务、 适应市场变化的灵活性、无污染和节约资源等方面展开，其共同目的是以最短时间 和最低成本，设计出适应市场需求、质量最好、环境负荷最小的产品，并同时为用 户提供最好的服务。 现代设计理论和方法都以数字化设计为基础，对设计的外延关注比较多，而对 设计内涵、设计本质的挖掘不够，例如如何使企业充分利用设计资源，特别是提取、 融合、重用和深化设计知识等方面尚需深入研究，典型代表是 tseng m. mitchell 等 1996 年为适应批量定制化制造趋势的需要， 提出的大批量定制设计 （design for mass customization, dfmc）方法，该方法可表述为：以并行工程的流程管理和产品族设 计思想进行产品设计， 以便有效地满足客户需求9， 其重点是建立合理的产品族结构， 面向产品族一次完成一族或一组产品。构建该类系统的常见支持技术主要有：创成 式 bom、拼装、模块化流程、智能体和智能设计等 1013，此外还包括产品数据管 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 理技术、数据仓库技术、质量功能配置技术和成本估算等关键技术。 由于自行车结构复杂多变，自行车生产商对是否采用大批量定制设计犹豫不决， 上世纪 80 年代末才由日本松下自行车工业公司首次引入， 开发 “松下订单处理系统” 为顾客提供定制化服务14，但该系统仅能进行产品配置、报价和按订单装配，服务 功能有限而未能显著提高产品设计效率。经过国内外十多年来广泛、细致的研究， dfmc 得到了突飞猛进的发展，当前常用的设计方法有 10,15： （1）标准化、规范化设计：大量使用标准零部件有利于降低产品成本，该方法 主要包括 abc 分析、产品结构分析、零件分析、参数分析和编码技术等； （2）面向产品族设计：根据产品拟采用的定制方法提取变型参数，同时设计整 族产品并提供可变型的产品模型，为产品配置和快速设计提供基础； （3）模块化设计：对产品按功能、性能和规格划分并设计全套系列功能模块， 通过模块组合构成不同功能结构的产品，满足不同功能和层次的需市场求； （4）变型后延设计：分析零部件并将其分解为几个基本零件的装配组合，不同 的零件产品能使用同一组件，以增强设计早期阶段零件的通用性，而在设计后期阶 段进行定型以减轻供应链负担并降低生产成本； （5）产品配置技术：为销售人员定义客户的个性化需求提供选项，根据客户选 定的选项对产品模型进行定型，为客户展示产品功能组合并提供价格。 cad 技术是先进集成制造技术的关键组成部分，未来 cad 的发展趋势体现在： 面向产品的全过程、考虑产品的继承性、满足产品的并行设计、产品模型的可转换 性、与产品信息的标准化相结合、可移植性与自组织性和灵活的虚拟现实技术等方 面7,16。为提高设计质量和管理水平，适应制造业未来信息化管理的大趋势，自行车 企业应以实现设计制造过程信息集成为目标， 建立企业级 cims （computer integration management system）系统。因此自行车企业必须提高 cad 技术开发和应用水平， 将先进设计方法和 cad 技术如：kbe 的知识提取和管理、面向大批量定制设计、自 动装配和开放式零部件库建库等先进 cad 技术实用化， 引入自行车 cad 系统研制， 增强产品创新能力以满足自身生存和发展需要，在提高市场竞争力的同时也更好地 服务客户而创造价值。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 1.4 基于基于 ug 的自动装配技术的自动装配技术 装配功能是 ug nx 产品设计的重要组成部分，ug 系统装配操作大致包括：装 配对象的访问、装配配合条件操作、组件阵列、组件和引用集操作、零件族操作和 爆破视图操作等。在 ug 中装配的构建是通过定义各装配组件间的配合关系来实现 的。当两个组件间的配合关系确定后，ug 系统自动实现约束求解和零件定位。所谓 “配合关系”包含装配配对的多个约束，约束描述组件特征间的配合类型，依据约 束限定配合关系的自由度（组件可以自由移动的方向数量） ，所有自由度完全限定后 即确定一个装配关系。 ug 的装配过程以树型结构组织装配中的组件和零件， 一个装配模型文件仅能有 一个装配树根结点，它同时也是对装配遍历访问的起点。ug 装配建模过程中正在被 使用的组件称为工作部件，表示该组件中的几何或装配结构正在被修改，工作部件 是显示组件本身或装配中某个组件，但一般只有一个。只有在工作组件中可以修改 对象，而对象的事例不能被修改。 单个零件（含几何和特征）是装配中的最基本的元素。在装配过程中，零件的 每个对象都会有一个对应的对象事例，当若干零件被加入到一个装配中时，系统不 在装配中拷贝零件和其中的对象，而是将零件加载到内存，并将零件的事例放入到 装配中。当装配情况复杂时，装配中可以有子装配即装配可以是多层结构的，ug 为 简化组件表达而定义了装配集概念，装配集包含了部件文件中的几何实体。当前显 示在装配图形窗口中模型称为显示组件，可以是一个零件或者一个装配，但是必须 是完全加载的。 在装配中一个组件可以是一个子装配或一个零件，组件仅包含一个指向主模型 的链接，当一个组件的几何形状修改后，以该主模型为根结点进行装配的所有组件 模型都被自动更新。组件被加入到装配后则被称为实例，当一个实例被加入到装配 或在装配中被重新定位时，实例的坐标原点和矩阵被确定下来，坐标原点是被加入 组件的绝对原点或组件引用集原点在当前工作部件的位置， ug 系统通过坐标变换矩 阵完成实例的 csys 坐标和引用集的 csys 坐标间的变换17。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 基于 ug 装配的概念定义和基本原理， 采用 ug/open api 同样也可以完成装配 操作。在利用 ug/open api 完成装配操作时，坐标系矩阵和变换矩阵决定了装配中 组件的相对位置关系。一旦通过相关 ug/open api 函数获取信息而确定了矩阵参 数，就相应确定了一个唯一的装配关系。 装配主模型文件 （ug装配空间内） 装配组件 （子装配或零部件）调入装配组件 open api函数 装配信息矩阵变换 变换失败放弃本次 装配过程 变 换 成 功 open api函数定位 完成装配并存储信息 open api函数动态 抽取装配特征信息 图 1-1 open api 函数装配流程 使用 ug/open api 函数完成组件装配的基本流程如图 1-1。在装配过程中从当 前被加入的组件所处的装配空间内，获取所需要的配对对象类和装配约束集合关系 信息，由具体的装配函数将所获取的信息进行转换运算，得到矩阵参数而确定装配 关系，从而借助函数指令完成一次装配过程。 1.5 开放式开放式 3d 零部件库技术零部件库技术 零部件库是支持 cad 系统功能的必要组成部分。零部件库技术主要涉及：零部 件建模、存储和数据库组织方式等内容，是当前 cad 技术研究的热点之一。国际标 准化组织在 iso ic184/sc4（国际标准化组织第 184“工业自动化系统与集成”技术 委员会/第 4工业数据分技术委员会）下成立了 wg2“零件库”工作组，致力于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 中性零件表达机制的研究，即研究独立于具体 cad 系统的中性零件描述机制，现已 指定了零件库的国际标准 plib（parts library，iso13584） ，中国已引入该标准，并 制定和颁布了相应的国家标准 gb/t 17645。 零部件库作为设计知识积累和管理的工具，是 cad 系统不可或缺的组成部分， 为支持 cad 系统功能扩展和零部件库扩充需要，其动态扩充性显得尤为重要。所谓 “动态扩充性”即：用户不必修改和重新编译系统模块，就能把经常使用的零部件、 规格参数等信息添加到零部件库中以供重用。机械设计是一个由弱理论支持的复杂 过程， 很多设计知识和经验难以用规则表达， 因此对面向特定设计过程的 cad 系统， 还需归纳各种典型的装配关系，开发专用的组合零部件库，以形成更高层次的建库 手段而提高设计效率。 为解决上述问题而出现的三维标准件库建库技术， 是当前cad技术研究的热点， 它主要包括：三维零件库数据字典的定义、建库平台的研究和基于 web 的支持异构 cad 系统的零件库技术等。以此理论为基础的开放式 3d 零部件库技术，不仅可以 很好满足零件库的动态扩充性要求，还能够实现很多其他方面的重要功能。 所谓零部件库系统的“开放性” ，主要指数据结构和实现的开放性，主要表现为 零部件库动态扩充性，开放式 3d 零部件库提供零部件库编辑工具，以实现零部件参 数的动态提取和离线编辑，可随时方便地提取所需要零部件的关键参数，编辑所选 零部件模型或修改该模型而生成新模型，达到不直接打开零部件 3d 模型，而编辑修 改模型以及扩充新零件的目的7。 要构建基于 ug 的完整的开放式零部件库系统，一般除 ug 图形系统本身之外， 常常还包含：零部件库界面、参数化图形库、零件信息库、示意图文件库和零部件 库工具等几个主要组成部分，其中零部件库工具提供零部件库操作平台，直接体现 零部件库开放性水平。借助开放式 3d 零部件库及其编辑工具管理零部件，可免除对 同类型零部件的反复建模，使技术人员集中尽力从事创新性的研发；可为 cad 系统 提供强大的支持，实现零部件库的动态扩充性需要；重用设计规则和零部件信息， 提高设计效率并保证设计质量。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 1.6 作者的课题研究内容作者的课题研究内容 本课题研究的自行车自动装配 cad 系统，是在已完成的基于 ug 的自行车车架 设计 cad 系统基础上的第二阶段开发，它与前期车架设计 cad 系统一起共同构成 自行车 cad 系统，共同完成包括：自行车车架设计、零部件参数化建模、自动装配 零部件和零部件库建库等功能，构建适应自行车批量定制特点的智能化 cad 系统， 满足厂家自行车整车全程设计的需要。 为完成该自行车自动装配 cad 系统，作者的主要研究内容有：系统分析设计、 零部件参数化建模和系统化编码、开放式结构零部件库建库、零部件自动装配、撰 写技术文档规范及系统集成测试和维护等。 在 ug nx ii 平台上采用 ui styler 设计功 能界面，采用 sql server 2000 建立零部件数据库，利用 ug/open api 编程接口， 借助c/c+语言在visual s 2003开发环境下实现自行车自动装配cad系统。 该系统其主要功能模块和功能如下： （1）建立零部件模型和命名规范：完成零部件的参数化 3d 建模并按装配关系 分类分层，依该类别和层次划分对所有零部件按照统一格式命名编码； （2）建立开放式零部件库：建立零部件模型和命名规范后，将零部件 3d 模型 库、示意图文件库和零件信息库统一起来，以链式结构的关系型零部件信息库为组 织基础，组建开放式 3d 零部件库，作为零部件库扩充、零部件离线编辑、零部件自 动装配和数据库访问的基础； （3）实现整车零部件自动装配：在各参数化模型内按统一格式定义装配接口， 借助基于装配接口的接口自动匹配装配算法，开发自动装配模块在装配环境下加载 实现统一模式的自动装配，完成自动装配 cad 系统的核心功能； （4）零部件动态扩充和离线编辑：其在零部件和装配接口系统命名基础上，实 现零部件动态扩展和离线编辑能力，支持 cad 系统的车架设计、零部件装配和信息 统计功能，满足未来自行车 cad 系统扩展和升级需要。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2 自动装配系统总体设计自动装配系统总体设计 本章介绍了自行车 cad 整体结构和操作流程设计、自行车 cad 系统详细功能 模块组成、自行车自动装配 cad 系统结构设计、开放式 3d 零部件库设计过程，并 对系统实现中所使用的关键技术进行了描述， 最后给出了自行车自动装配 cad 系统 开发平台和工具的选型方案。 2.1 自行车自行车 cad 系统设计系统设计 明确企业对软件的功能和操作流程需求后首先进行系统设计，主要内容含：系 统开发方式设计、系统功能模块划分和系统操作流程设计和等18。其中系统开发方 式设计对控制系统开发进度、风险和性能等至关重要，因此开发过程必须依据软件 工程思想选择合适的开发模型展开。 软件开发包括需求、设计、编码、测试和维护等阶段。软件开发模型(software development model)是指软件开发全部过程、活动和任务的结构框架，常见模型有： 瀑布模型、原型模型、演化模型、螺旋模型和 rad(快速系统开发)模型等。这些模 型各自特点是：采用瀑布模型开发过程简单但灵活性差；采用原型模型能快速构建 系统框架但常损伤系统功能； 采用演化模型需将产品功能分解分批循环开发； 而 rad 模型一般用于信息系统开发且不慎时易导致整个项目失败。在综合考虑各开发模型 态度基础上作者采用螺旋模型实现软件系统。 螺旋模型于 1998 年由美国 trw 公司的 b. w. boehm 首先提出，它是瀑布模型 和演化模型的结合。由于该模型能包涵任何开发过程模型，能很好地控制开发进度、 质量和风险，在依客户需求逐步评估、改进和完善系统1920，因此本系统采用螺旋 模型开发，依此模型开发本系统的流程如图 2-1。 系统功能设计和划分决定系统实现的内容和满足客户需求的程度。自行车 cad 系统从功能上大致分为车架设计 cad 系统、自动装配 cad 系统和开放式 3d 零部 件库三大部分，其中车架设计 cad 系统的核心功能为：以标准化车架 3d 模板为基 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 础，设计可参数化调整形状结构的整车装配主模型，为后续设计的零部件自动装配 打下基础；自动装配 cad 系统的核心功能为：以车架参数化 3d 模型为主模型，用 户选择零部件而系统自动实现装配，逐步完成自行车整车装配设计；开放式 3d 零部 件库的核心功能为：建立开放式零部件库管理设计信息，动态扩充和离线编辑零部 件，支持整个 cad 系统功能实现。 图 2-1 自行车 cad 系统采用的螺旋模型软件开发流程 自行车 cad 系统从功能还可细分为：车架造型设计、零部件自动装配、零部件 库编辑、bom/二维图形输出、整车信息统计计算、装配合理性检查及系统优化等逻 辑子功能模块，各个子功能模块整体上相互关联并组成一个有机整体，共同实现自 行车 cad 系统的各项功能。从功能细分的角度看自行车 cad 系统，其系统框架和各 项功能的相互关系如图 2-2。 为满足用户使用习惯和管理需要，结合自行车企业设计和生产实际流程，作者 将使用自行车 cad 系统完成整车设计的流程规划如图 2-3。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 车架 信息库 用 户 交 互 设 计 界 面 前叉 数据库 整车数据库 车架3d模型文件 前叉3d模型文件 3d模型文件 车架管件参数化造型 bom/二维图输出 整车信息统计计算整车零部件自动装配 零部件编辑扩充 装配合理性检查及优化 信息库 零件信息库 3d模板图形库 编辑 直接访问 整车图形库 几何信息 非几何信息 图 2-2 自行车 cad 系统框架及功能结构 自行车装配 信息数据 客户定单需求信息 自行车车架 结构设计 是否接受 设计完成 标准组件 自动化装配 是否完成 车架设计 参数数据 接受 完成 未完成 未完成 放弃定单 不接受 车架约束和 模具参数信息 组件装配 约束参数 完成 是否合理 重 新 确 认 要 求 进 行 设 计 合理，存储数据 不合理 cad系统 数据库 图 2-3 自行车 cad 系统整车设计流程 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 该设计流程符合企业定单式设计审批和生产的整体流程。用户选取符合要求的 车架 3d 模板后，调入车架各管件并调整管件相关参数完成车架设计；再依系统约束 规则选取适合的零部件由装配模块自动装配，并逐步完成整车装配的合理性检查和 优化，从而最终设计出合理的自行车整车 3d 模型。 2.2 自动装配自动装配 cad 系统设计系统设计 除自行车核心件车架的设计外，整车设计过程还涉及：零部件装配、零部 件管理、装配检查和系统优化等多方面功能要求，作者在总结自行车车架设计 cad 系统开发的优点和不足基础上，对自行车自动装配 cad 系统进行了系统功能设计。 自行车自动装配 cad 系统主要任务为：制定零部件参数化模板设计规范、建立可动 态扩展的零部件库、完成零部件自动装配、装配过程检查分析和设计优化等，其中 实现可动态扩充的零部件库和零部件自动装配是本 cad 系统的核心功能。 依据自动装配 cad 系统核心功能要求，将系统在功能结构上分为：零部件自动 装配模块、3d 零部件库编辑工具和 3d 零部件库三个组成部分，系统结构和主要功 能模块间的相互关系如图 2-4。 3d零部件库 编辑工具 整车设计 装配模块 ug图形系统 零部件 信息库 参数化 图形库 示意图 文件库 自动装配 cad系统 3d零部件库 参数信息 信息交互 零件模型 图 2-4 自动装配 cad 系统结构图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 零部件库起到了管理cad系统数据和支持模块功能的作用， 整车设计装配模块、 零部件库编辑工具和 ug 造型系统都要与其交换数据。零部件库从逻辑上包含：零 件信息库(含尺寸约束信息、 设计和装配经验信息及非集合信息等)、 参数化图形库 （存 放车架和零部件 3d 模板文件）以及示意图文件库（存放同类零部件模板的界面示意 图文件） ，在结构上 3 个库整合在一起构成零部件库，以便于对数据库系统实现统一 访问和管理。 依据自行车零部件的功能，将自动装配 cad 系统的功能在逻辑上细分为：把管 组件装配、前叉组件装配、滚动组件装配、驱动组件装配、变速组件装配、制动组 件装配、鞍座组件装配、保护组件装配、警示组件装配和照明组件装配等子功能模 块。考虑到 ug 提供自底向上和自顶向下 2 种装配方式17，自行车整车装配是以车 架模型为装配树根而以其他零部件模型为枝叶，将零部件按和主模型的装配关系确 定其装配次序，逐步完成整车装配而建立整车的零部件树状关系。整车装配结构及 装配次序的树状关系如图 2-5。 自 行 车 车 架 3d 模 板 席座组件 中轴组件 保护组件 变速组件 链轮组件 警示组件 照明组件 驱动组件 控制器 前叉组件 分线码导轮 鞍座鞍管 前叉衬片前叉前叉下碗组 变速线拨链器 调链器 足趾套脚踏曲柄 链条齿片齿盘 飞轮中轴碗组中轴 护盘 保护套保护架护裙网 磨电灯磨电机电池 吊线架旋转器组 闸线闸器闸把 制动组件 链罩组 挡泥板 后夹板 灯架反光片车铃喇叭 前叉上碗组把管组件把套把横管把立管把接头 滚动组件 钢圈车轴 一体车轮组 轮胎 图 2-5 整车装配结构及装配次序的树状关系 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 2.3 开放式开放式 3d 零部件库设计零部件库设计 机械 cad 系统中标准件和非标准件因结构多样、建模复杂且调用频繁而导致工 作量繁重，常须选用商品化图库或自主开发零部件库管理零部件 21。参数化零部件 库能加快产品设计速度，提高设计质量并方便修改设计2223。常用参数化图库建库 方法有：编程法、作图法、编程与作图混合法等2425，而管理图形库一般有：程序 或数组、数据文件和数据库三种方式26，综合参数化图库建库和图形库管理而言， 采用混合法进行基于装配特征的三维参数化造型，采用数据库方式管理数据能够更 好地描述数据间的相互关系，保证数据安全性、完整性和模块并发控制能力，能够 更加方便地对设计数据进行添加和修改27。 很多零部件库往往简单地组织模型文件，使用结构简单的数据库记录零部件基 本信息，难以适应 cad 系统扩展和升级的需要。开放式 3d 零部件库支持 cad 系 统设计全程，能有效地管理零部件和设计信息。开放式 3d 零部件库的“开放性”在 于，它区别于以往常见的零部件库技术，提供零部件的动态扩充和离线编辑能力， 不需要重复进行同类零部件建模，不修改功能模块就能对零部件库进行动态扩充， 能操作建库工具编辑零部件模型而得到新模型。 开放式 3d 零部件库在逻辑上包含：模板参数化文件库、示意图文件库和车架和 零部件信息库三大部分。开放式 3d 零部件库的数据库结构设计至关重要，它决定零 部件库的管理能力和开放性水平，直接影响系统的设计性能和功能实现程度。 完整的开放式零部件库系统除需 ug 图形系统支持外，主要包含零部件库界面、 参数化图形库、零部件信息库、示意图文件库、零部件库建库工具和设计装配模块 等 6 方面，它们共同组成并和零部件库交互以支持系统实现。开放式 3d 零部件库的 各组成部分及其功能如下： （1）零部件库界面：用户与零部件库前台交互操作窗口； （2）参数化图形库：存放车架和零部件 3d 模板文件和设计产生的新模型； （3）零部件信息库：存放零部件和参数的关联关系和非几何信息参数； （4）示意图文件库：存放各功能模块操作某类零部件时，为清晰表述该类零件 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 基本特征而在加载在交互界面上示意图文件； （5）零部件库工具：提供零部件库操作平台，包含编辑模型参数和建立新零件 模型两方面功能，是体现零部件库开放性和性能的重要指标； （6）设计装配模块：从零部件库中获取结构参数驱动零部件模板，生成所需的 模型文件并存回零部件库，完成自行车车架设计和部件装配。 零部件库系统以上各组成部分相互联系，借助用户界面和功能模块可完成包含： 零部件模型文件和示意图文件管理、零部件动态扩展和离线编辑、车架设计信息存 储和零部件自动装配等功能。 ug nx 系统结合 3 个数据库 （3d 零部件库中依存储内 容划分的三个逻辑数据库） ，配合相关模块和工具一起组建零部件库系统：由前台界 面提供设计驱动力，系统功能模块和工具执行相关任务，零部件库系统提供后台支 持存储数据。完整的零部件库系统框架如图 2-6。 自行车cad系统零部件库界面 三维参数化图形系统 ug nx2 自行车 设计装配 零部件 信息库 参数化 图形库 零部件 库工具 3d零部件库 示意图 文件库 图 2-6 零部件库系统框架 零部件库系