（控制理论与控制工程专业论文）计算机辅助电机绘图技术研究.pdf

摘要 摘要 在市场竞争日趋激烈的情况下，如何缩短新产品的研发周期、降低生产成本 和提高产品质量，是电机制造企业亟需解决的问题。计算机辅助绘图 ( c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g ，c a d ) 技术作为现代产品设计方法，被广泛应用于电 机设计。该技术将计算机快速准确的运算能力和电机设计人员的设计经验和综合 分析能力结合起来。运用该技术进行电机设计，能有效缩短设计周期和简化设计 过程。 电机设计分为电磁设计和结构设计两个阶段。结构设计是电机设计的重要阶 段，这一阶段是运用从电磁设计中获得的数据绘制各种零部件图，并且完成工艺 设计。目前多数电机生产企业采用a u t o c a d 等通用c a d 绘图软件作为结构设 计阶段绘图工具。通用c a d 软件是采用人机交互对话的方式绘制图形，该方式 在绘制大量的专业图形时有不足之处。首先，电机结构设计中很多零件的结构是 确定的，但其几何参数大小需反复调整。如果采用通用c a d 软件绘制这类型零 部件，当该零件中有任何一个参数改变时，需由人工一步一步重新绘制图形。其 次，通用c a d 软件在产品设计过程中，缺乏对数据计算和数据查询等决策工作 的支持。例如在绘图前，需要根据冲模要求对零部件参数进行校核；在绘图后， 需要标注零部件的加工精度。通用c a d 软件无法储存相关数据，更无法对其进 行计算。 本文对电机c a d 技术进行研究，完成了电机结构设计阶段的c a d 二次开 发，开发了界面友好、使用方便、功能多样的电机参数化c a d 软件。该软件是 借助可视化程序设计语言v i s u a lb a s i c6 0 的开发环境，基于a u t o c a dv b a 技术， 对a u t o c h d2 0 0 6 进行二次开发来实现的。电机参数存储在a c c e s s 数据表中，并 在系统运行时等候调用。该软件包含参数化设计模块和图库，对结构形状确定、 尺寸大小需要反复调整的图形，如定转子冲片图，进行参数化设计；并对图纸进 行分类存储和有效管理。该软件可以应用于量大面广的异步电动机和展现良好应 用前景的新型永磁同步电动机的结构设计中。 关键词：电机；c a d ；参数化设计；图库；a u t o c a d 二次开发 广东t 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ff i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，e n t e r p r i s e si ne l e c t r i cm a c h i n ei n d u s t r y n e e dt oa c c e l e r a t ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c et h ec o s ta n di n c r e a s et h e q u a l i t yo ft h e i rp r o d u c t s c o m p u t e r - a i d e dd r a w i n g ( c a d ) f o re l e c t r i cm a c h i n e ，a k i n do fa d v a n c e dp r o d u c td e s i g nt e c h n o l o g y ，i sw i d e l ya p p l i e dt od e s i g ne l e c t r i c m a c h i n e s c a dc o m b i n e sc o m p u t e r sf a s ta n da c c u r a t ec o m p u t i n gp o w e rw i t ht h e d e s i g n e r se x p e r i e n c ea n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa b i l i t y ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc u t s h o r tt h ed e s i g np e r i o da n ds i m p l i f yt h ed e s i g np r o c e s s m o t o rd e s i g ni sd i v i d e di n t ot w os t a g e s ：e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g ns t a g ea n d s t r u c t u r a ld e s i g ns t a g e s t r u c t u r a ld e s i g ni sa ni m p o r t a n ts t a g ed u r i n gm o t o rd e s i g n p r o c e s s a tt h i ss t a g e ，d e s i g n e r su s et h ed a t ag e n e r a t e df r o me l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n s t a g et od r a wt h ed r a w i n g so ft h ec o m p o n e n t s n o w a d a y s ，m o s te n t e r p r i s e su s e c o m m o nc a ds o f t w a r e st od r a wt h ed r a w i n g s h o w e v e r ，w h e na p p l i e di nd r a w i n g l a r g ea m o u n to fp r o f e s s i o n a ld r a w i n g s ，c o m m o nc a ds o f t w a r e s h a v es o m e d r a w b a c k s t ob e g i nw i t h ，t h e r ea r el o t so fc o m p o n e n t so fw h i c ht h es t r u c t u r e sa r e f i x e da n dt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sn e e dt ob ea d ju s t e dr e p e a t e d l yd u r i n gd e s i g n p r o c e s s i ft h ed r a w i n g sa r ed r a w nb yc o m m o nc a ds o f t w a r e s ，t h e nt h e yn e e dt ob e r e d r a w e ds t e pb ys t e pw h e na n yo ft h ep a r a m e t e r sa r ec h a n g e d f u r t h e rm o r e ， c o m m o nc a ds o f t w a r e sl a c kt h ed e c i s i o nm a k i n gs u p p o r t ，s u c ha sd a t ac a l c u l a t i o n a n dd a t aq u e r y f o ri n s t a n c e s ，t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sn e e dt ob ec h e c k e dt om e e t t h er e q u i r e m e n t so fd i eb e f o r ed r a w i n ga n dt h ea c c q u r a c yo ft h ec o m p o n e n t sn e e dt o b em a r k e da f t e rd r a w i n g c o m m o nc a ds o f t w a r e sc a n n o ts t o r eo rc a l c u l a t et h ed a t a t h i s p a p e r r e s e a r c h e si n t o c o m p u t e r - a i d e d m o t o rd e s i g n t e c h n o l o g y ； c o m p l e t e l y d e v e l o p st h ea u t o c a d sc u s t o m i z a t i o ns o f t w a r ef o rm o t o rs t r u c t u r a l d e s i g ns t a g e t h ep a r a m e t r i cm o t o rc a ds o f t w a r ew ed e s i g n e dh a st h ef r i e n d l y i n t e r f a c e s ，m u l t i p l e f u n c t i o n sa n di s e a s yt o u s e b a s e do na u t o c a dv b a t e c h n o l o g y ，t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e di nv i s u a lb a s i c6 0p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n tw i t ht h ed a t as t o r e di na c c e s sd a t at a b l e t h es o f t w a r ei n c l u d e sa a b s t r a c t p a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l ea n dad r a w i n gl i b r a r y t h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d u li s u s e dt od r a wt h ec o m p o n e n t so fw h i c ht h es u t r u c t u r e sa r ef i x e dw h i l eo fw h i c ht h e s i z e sn e e dt ob ea d j u s t e d t h ed r a w i n gl i b r a r yi su s e dt os t o r et h ed r a w i n g si n t o c a t e g o r y , w h i c hi sg o o df o rd r a w i n g sm a n a g e m e n t ，e s p e c i a l l yf o rt h o s et h a ta r eu s e d f r e q u e n t l y t h es o f t w a r ec a nb ea p p l i e di nt h es t r u c t u r a ld e s i g no fi n d u c t i o nm o t o r s w h i c ha r ew i d e l yu s e da n dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r sw h i c hh a v e ag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：e l e c t r i cm a c h i n e ；c a d ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；d r a w i n gl i b r a r y ； a u t o c a d sc u s t o m i z a t i o na n da u t o m a t i o nf u n c t i o n a l i t y i i i 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下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，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其它用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：采逆午 指导教师签字： 5 6 2 驴。7 年 月2 日 第一章绪论 1 1g a d 技术概述 第一章绪论 计算机辅助绘图( c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g ，c a d ) ，是指利用计算机软件辅 助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种 方法( 或手段) ，是一门多学科的综合应用技术。该技术已被广泛应用于机械、 电子、建筑、航天、汽车、化工、冶金、环境工程等领域。随着计算机图形学和 计算机及其外围设备的发展，c a d 技术的发展经历了从二维绘图到三维绘图、 从仅为某些大企业的专用工具到在整个设计领域的全面普及的发展历程。 1 1 1c a d 技术的发展历程 c a d 技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并伴随计算机及其外围 设备的发展而发展。计算机图形学是研究通过计算机将数据转换成图形，并在专 用设备上显示的原理、方法和技术的学科。计算机图形学是一门独立的学科，有 丰富的技术内涵，其相关图形处理的理论和方法构成了c a d 技术的重要基础。 纵观c a d 技术的发展历程，主要经历了下述主要发展阶段： 2 0 时间5 0 年代，美国麻省理工学院研制出第一台图形显示器。该显示器只 能显示一些简单的图形，但能对图形进行显示输出。随后研制出的c r t 显示器 具有指挥和控制功能，使用者可以用光笔进行简单的图形交互操作。这预示着交 互式计算机图形处理技术的诞生和c a d 雏形的出现。 6 0 年代，美国的一些大公司和实验室开展了计算机图形学的大规模研究， 并出现了一些具有实用功能的c a d 系统。2 0 世纪6 0 年代后期，随着廉价的存 储管式显示器进入市场以及计算机其他硬件设备价格下降，c a d 系统逐渐进入 企业应用。7 0 年代，交互式计算机图形处理技术日趋成熟，在此期间出现了大 量的研究成果，计算机绘图技术也得到了广泛的应用。与此同时，基于电视技术 的光栅扫描显示器的出现也极大推动了计算机图形学和c a d 技术的发展。 广东工业大学硕士学位论文 7 0 年代末到8 0 年代，随着工程工作站和微型计算机的出现，计算机图形学 进入了一个新的发展时期，并推动了c a d 技术的普及。同时，c a d 技术的新理 论、新算法大量涌现。c a d 技术由绘制二维的工程图，发展到三维造型、自由 曲面设计、有限元分析等工程应用。9 0 年代，c a d 造型技术不断完善，广泛采 用特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向集线框、表面、实体模 型统一表示的非流形形体造型发展【。 1 1 2c a d 技术的在我国的发展历程 我国c a d 技术的研究和应用始于7 0 年代，当时主要研究单位是为数不多 的几个大企业和高等院校。8 0 年代初，有些大企业和设计研究院成套引进了c a d 系统，并在此基础上进行了开发，取得了初步成果。到了8 0 年代中后期，我国 的c a d 技术有了较大发展，c a d 的优点更被人们所注目。进入9 0 年代，各工 业部门纷纷提出应用开发c a d 的计划，国家科委等有关部门也提出“c a d 应用 工程 的实施计划。从此，国内c a d 的发展与普及也进入了高速运行阶段。近 些年由于计算机硬件、图形技术、智能模拟等方面取得了巨大进步，使得c a d 技术已成为工程设计和科学研究不可缺少的重要组成部分。目前，c a d 技术的 应用水平与普及程度己成为衡量一个国家工业水平或一个企业技术水平的重要 标志之一【2 】。 1 1 3c a d 技术的发展趋势 目前c a d 技术仍在不断发展。未来的c a d 技术将为新产品设计提供一个 综合性的环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与 方法的设计工作。近年来，先进制造技术的快速发展带动了先进设计技术的同步 发展，使传统的c a d 技术有了很大的拓展，c a d 技术正经历着由传统技术向现 代技术的转变。为此，清华大学童秉枢教授等学者提出了“现代c a d 技术 这 一概念。“现代c a d 技术”是指在复杂的大系统下，支持产品自动化设计的设 计理论、设计方法、设计环境和设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作 实现现代化、网络化、智能化和标准化，达到提高产品设计质量和缩短设计周期 2 第一章绪论 的目的。 c a d 技术的未来发展集中体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现 上。 ( 1 ) 集成化。在一个有各种应用软件组成的复杂系统中，集成涉及功能集成、 信息集成、过程集成与动态联盟中的企业集成。为提高系统的集成水平，c a d 技术需要在数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换及各种 c a x ( c a d 、c a m 等技术总称) 工具的集成等方面加以提高。 ( 2 ) 网络化。网络化技术飞速发展，改变了产品设计模式。基于网络c a d 技术，要求能够提供基于网络的完善的协同设计环境，提供网上c a d 应用服务。 ( 3 ) 智能化。在实现集成化和网络化的同时，将人工智能技术，特别是专家 系统技术，与传统c a d 技术结合起来，形成能够完成方案构思与拟定、设计方 案评价与选择、结构设计、参数确定等设计活动的智能化c a d 系统，是c a d 技术发展的必然趋势。智能化c a d 技术涉及新的设计理论和方法、设计型专家 系统的基本理论和技术等方面。 ( 4 ) 标准化。随着c a d 技术的发展，工业标准化问题日益显示出它的重要 性。目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的计算机图形接口( c g i ) 和计算机图形元文件( c g m ) 、面向图形应用软件的标准g k s 和p h i g s 、面向图 形应用系统中工程和产品数据模型及文件格式的标准i g e s 和s t e p 等与c a d 技术相关的计算机图形标志，以及最新颁布的c a d 文件管理、c a d 电子文 件应用光盘存储与档案管理要求等标准。这些标准规范了c a d 技术的应用和 发展【3 】。 1 2c a d 参数化的兴起和现状 传统的造型方法往往建立固定的设计模型，一旦建立，需要修改时往往需要 重新建立。2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司人员提出了一种比传统造型更新颖、 更好的算法一一参数化实体造型方法。从算法来说，它主要有以下特点：基于特 征的设计、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。这些人员随后成立了 参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，研制命名为p r o e 的参数化软件。 早期的p r o e 软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱 广东工业大学硕士学位论文 动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。9 0 年代，参 数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的 简便易行的优势。近十多年以来，为了实现设计模型的动态修改，将参数化设计 技术有机地渗透在模型造型系统中，实现一种信息完备、设计灵活的造型方法， 称为三维参数化造型。该方法以规则或代数方程的形式定义尺寸及要素间的约束 关系，建立相应的推理或求解的驱动机制，井把实体和曲面造型纳入统一系统， 实施模型转换，在很大程度上实现了设计自动化，达到了柔性设计的效果1 4 】。 在我国，中科院北京软件工程研制中心开发的p i c a d ，其作图过程是首先 勾画草图然后标注尺寸，由用户输入参数表，参数表的内容可以是数值，也可以 是表达式，每改变一次参数就出一幅新图。由上海交大、南方c a d 中心开发的 智能化二维绘图系统，作图首先是作草图，由系统自动产生草图状态的几何变量。 当设计师加完约束后，系统根据约束状况产生联立方程组，然后自动求解【5 】。 目前，参数化设计是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心内容，也是当 前c a d 技术的研究热点，参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修 改图形的功能，成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和 动态设计的有效手段。利用二维参数化设计可以极大地提高产品的设计效率e 】。 1 3g a d 技术在电机设计领域的应用 1 3 1 电机设计的任务与过程 电机设计是指设计人员根据用户提出的产品规格( 如功率、电压、转速等) 、 技术要求( 如效率、参数、温升限度、机械可靠性要求等) ，结合技术经济方面 国家的方针和生产实际情况，运用有关的理论和计算方法，设计出性能好、体积 小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品。电机设计时通常给 定下列数据： ( 1 ) 额定功率：发电机为电枢线端输出的电功率；电动机为轴上输出的机械 功率；同步调相机为线端超前电流下的无功功率。 ( 2 ) 额定电压：对交流电机指线电压，对直流电机指电枢电压。 ( 3 ) 相数及相间连接方式。 4 第一章绪论 ( 4 ) 额定频率。 ( 5 ) 额定转速或同步转速。 ( 6 ) 额定功率因数。 对异步电机通常给定( 1 ) ( 5 ) ，同步电机给定( 1 ) ( 6 ) 。 电机设计主要分为电磁设计和结构设计两个阶段。电磁设计是根据技术条件 或技术任务书的规定，参照生产实践经验，通过计算和方案比较，确定与所设计 的电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能。结构设 计是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包 括必要的机械设计及通风和温升计算【3 】。根据本文内容，下面重点介绍电机结构 设计阶段【7 l 。 1 3 2 电机结构设计简介 电机结构设计的基本内容大致如下： ( 1 ) 确定电机的总体结构型式，包括防护型式、轴承型式和数目、轴伸型式、 安装方式、通风系统等。 ( 2 ) 确定零部件的结构形式、材料、形状、尺寸、加工精度、形位公差、表 面粗糙度和技术要求等。 ( 3 ) 确定某些零部件( 例如转子铁心与轴，机座与端盖等) 之间的机械连接 方式、配合总类等。 ( 4 ) 核算零部件的机械性能。 一般来说，结构设计时需着重考虑下列原则： ( 1 ) 应保证电机在规定期限内能安全可靠地运行。例如零部件在力和转矩的 作用下，强度和刚度应满足要求，带电部分和接地部分应有足够的绝缘距离，轴 承应有合理的寿命。 ( 2 ) 所用的结构型式一般应符合有关国家标准的规定，并满足使用部门及环 境保护方面所提出的要求。此外还应特别注意减小电机的振动和噪声，以免影响 电机的正常使用和环境污染。 ( 3 ) 要尽量使零部件符合“标准化、系列化、通用化”的要求，尽可能采用 标准件和标准规格的材料，注意零部件间的通用。采用特殊规格材料时应考虑供 广东工业大学硕士学位论文 应条件。 ( 4 ) 应具有良好的结构工艺性。即要求结构简单、加工方便、生产周期短、 制造成本低。为此，设计时应充分考虑工厂的生产条件( 设备、工装、技术水平 和工艺传统) 及产品批量大小等因素。此外，加工精度、表面粗糙度和毛坯的加 工的裕量要规定得适当，加工面应尽量少，以节省材料和加工工时，并减少占用 精密机床设备的时间。 ( 5 ) 应考虑电机装拆和维修方便，并注意运输条件与使用单位的技术水平。 例如需经常装拆和维修的电机，有时宣用分半式机座；布置机座低角时，应考虑 拧底脚螺栓时扳手能顺利操作。为了便于拆卸端盖，对于小型感应电机，在其端 盖的固定螺孔处常作成凸耳，在凸耳和机座端面留出一定的间隙；而对容量稍大 的电机，则在端盖的对径处设有顶盖的螺孔。 ( 6 ) 应适当注意电机的外形美观。 结构设计通常从定子开始设计。对于定子铁心，一般应确定其轴向和周向导 紧固方式，径向通风元件的结构( 无径向通风道者不进行此项) 。此外，还应确 定鸽尾槽的数目、尺寸和布置。对于定予绕组，应先计算或作图求得端部尺寸， 并确定其固定方式；然后手绘制定子的分装草图。绘图时，先画出定子铁心、压 圈和绕组端部，再布置线圈间和极相间的联接线。若定子铁心轭部的径向尺寸较 小，这种联接线可放在绕组端部和端盖之间。然后即可大致确定机座的轴向长度 和横截面尺寸。机座的横截面尺寸确定后，要核算其刚度是否满足要求。然后根 据对机座中心高的要求确定底脚位置。在采用端盖轴承的小型电机中，底脚应低 于机座的最低点；对中大型电机，则要求不必抬起机座就能取出转子，以便拆装。 转子铁心的设计主要内容是铁心( 同步电机包括磁极和磁轭) 与转轴的设计 计算及两者之间的组合。转子绕组的尺寸在电磁设计时已经算得，但在此需作些 必要的补充计算。对转场式同步电机转子，需确定磁极和磁轭的详细结构、尺寸 与紧固方式。对其他转子铁心，除具有轴向风道时要确定相应的结构外，其余均 与定子铁心的情况相似。 端盖的结构和尺寸系根据通风系统、绕组对地绝缘、轴承结构( 座式轴承不 考虑) 及端盖的刚度与强度( 包括从工艺上提出的) 等方便的要求来确定。在定 子、转子和端盖分装图的基础上，即可作出总装草图，同时布置风扇。此时应校 核各零部件间的相对位置、必要的间隙或空间是否适当，安装尺寸和外形尺寸是 6 第一章绪论 否符合要求。制造、装配、拆卸和维修是否方便等等。总装配草图画完后，即可 据此对分装配图作必要修改，并逐步绘出零件图，最后再绘制详细准确的总装配 图和校核总装尺寸链【。】。 1 3 3 电机c a d 的应用状况 当今电机生产企业受到来自两方面的挑战：一方面是行业外部的挑战，新材 料，新工艺的发展，需要不断开发新型电机，例如稀土钕铁硼永磁材料的研究使 高磁能积钢的生产和应用成为现实，促进了大容量交直流永磁电机的研究及制造 【，j 。另方面是来自行业内部的挑战，电机生产企业之间在产品质量、生产周期、 生产成本等方面展开激烈的竞争。因此电机生产企业应将现代设计方法和手段引 进电机设计领域，从而缩短新产品的开发周期并降低生产成本、提高产品质量。 c a d 技术作为现代产品设计方法及手段的综合体现，被广泛应用于电机设 计。电机c a d 技术将计算机快速准确的运算能力和电机设计人员的设计经验结 合起来，进行电机的设计与制造，从而缩短电机的设计周期和简化设计过程。 c a d 技术在电机设计中的应用包括两方面：一方面是计算机辅助电磁方案设计。 设计人员通过电磁设计程序，对电机产品的方案进行决策与优选。另一方面是计 算机辅助电机结构图设计。当电机方案确定后，设计人员通过c a d 绘图软件绘 制电机零部件结构图，并通过图纸上的几何造型，判断电磁设计方案是否满足要 求。 c a d 技术在电机设计领域的应用，早期集中在电磁设计阶段的分析和计算 上。 c q v e i n o l t 于1 9 5 6 年最早将c a d 技术实际应用到电机设计领域，协助设 计者完成设计过程中的性能分析过程。6 0 年代后，c a d 技术由“设计分析 阶 段向“设计综合”和“设计优化”阶段的跨越。此阶段的电机c a d 软件不仅能 够完成设计方案校核计算功能，并且能够对主要设计变量进行调整，自动完成传 统的尝试设计过程。进入8 0 年代，随着计算机科学的发展日新月异，硬件的不 断升级和软件工程理论、数据库技术及计算方法的成熟，c a d 技术在电机设计 领域的应用扩展到电机的稳态热计算、电机瞬变过程分析、电磁场计算和计算机 辅助制图各个领域，并在实际生产中发挥着越来越重要的作用【5 】。 我国电机c a d 技术起步较晚，但近几十年来发展较快。国内的一些高校和 7 广东1 = 业大学硕士学位论文 研究机构也陆续开发出了一批电机c a d 软件。但大部分电机c a d 软件只能完 成电磁设计阶段的有限元分析、特性计算等功能，对结构设计阶段的的绘图造型 涉及甚少。尽管少部分电机c a d 软件，例如上海电器科学研究所开发的电机 c a d 系统，将异步电机电磁设计分析计算程序、电机工程数据库和绘图软件集 成为一体 1 0 1 。然而从整体来看，c a d 技术在电机设计的结构设计阶段的研究应 用仍处于起步阶段，而且仅限于在异步电机的设计中应用，在结构相对复杂的永 磁电动机的设计中少有研究。 1 4 本课题主要研究内容和选题意义 本课题来源于2 0 0 7 粤港关键领域重点突破项目招标项目( 东莞专项) “高效 节能异步起动永磁同步电动机”。本人负责该项目的结构设计阶段的电机参数化 c a d 软件的开发( 课题组另外有同学负责该项目的电磁设计软件设计) 。此参数 化设计软件包括参数化设计模块、电机图库模块和帮助模块。 参数化设计模块除了参数化设计功能外还包括数据输入、增加、删除、修改、 校核功能；同时建有参数数据库，数据库的功能包括数据查询和存储。 电机图库模块主要是方便用户对电机图纸进行管理。用户可以浏览图库中的 图形，将需要的图纸插入绘图窗口；也可以将绘图窗口的图形添加到图库中。电 机图库可以高效管理电机图纸，从而提高设计效率。 帮助模块包括本软件使用过程中的帮助信息以及软件安装使用需要注意的 问题。 完成本课题的研究，主要需要以下几个步骤： ( 1 ) 深入学习电机结构设计的流程和特点，研究c a d 软件在国内电机企业 应用状况，确定本软件的功能要求。 ( 2 ) 确定软件的框架结构，确定系统所包含的功能模块，并设计人机交互界 面。 ( 3 ) 根据电机零部件的几何特征和工艺要求，创建参数数据库，完成数据库 管理系统的各项功能。 ( 4 ) 建立电机图库，便于图纸管理。 ( 5 ) 基于v i s u a lb a s i e6 0 进行a u t o c a d 二次开发，实现各模块的功能，完 8 第一章绪论 成整个软件的设计。 利用本课题所开发的电机参数化c a d 软件进行电机结构设计，设计人员只 需简单地输入参数值，计算机自动绘制完成所需图形；完成后的图形能方便快捷 地储入图库中，方便需要时候调用。 本课题具有如下意义： ( 1 ) 有效地利用并提高通用c a d 技术，使其具备更强的产品设计能力。 ( 2 ) 大大缩短了产品设计时间，降低了设计人员的工作强度，提高了企业产 品的竞争力。 9 广东工业大学硕二卜学位论文 第二章c a d 软件的选取和二次开发原理 2 1c a d 软件的选取 2 1 1 常用c a d 软件简介 绘制和设计机械图纸一般都需要选用一个通用绘图软件。本课题所进行的计 算机辅助电机绘图系统开发是基于通用c a d 软件上的二次开发，在选择通用软 件时需要综合考虑下列因素： ( 1 ) 基本建模能力：一个好的c a d 软件系统应该能够提供丰富的图形实体 造型方法，有强大的图形编辑能力，使用方便、符合操作者的使用习惯，易学易 用，支持标准的图形交互规范，支持系统内部、外部的软件集成。 ( 2 ) 是否有广泛的用户群体：广泛的用户群体一方面有利于通用软件的升 级、完善，另一方面有利于二次开发成果的推广以及进行更深层次的开发。 ( 3 ) 对二次开发的支持：软件是否提供开放的二次开发环境以及强有力开发 工具，这制约着二次开发所能达到的水平1 1 1 】。 目前国内的主流c a d 软件有s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 和a u t o c a d 等。p r o e 是美国参数公司( p t c ) 发的三维造型设计系统，是一套由设计至生产的机械自 动化软件，它以尺寸驱动、特征建模、全参数设计、单一全关联的数据库、虚拟 现实及多数据接口等优点改变了传统的设计观念，使设计工作直观化、高效化、 精确化和系统化，成为目前机械c a d 领域的新标准。p r o e 在三维实体造型设 计中有不可比拟的优势，但操作复杂，存储空间大、二维绘图工具不完善，而且 p r o e 软件的价格与相似性能c a d 软件的价格相比要高很多。 u g 是u n i g r a p h i e ss o l u t i o n s 公司的c a d 产品。u g 在航空航天、汽车、通 用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自 动化的市场上得到了广泛的应用。u g 具有丰富的曲面建模工具，建模灵活，无 需草图，需要时可进行全参数设计，无需定义和参数化新曲线。u g 的缺点是如果 造型不够熟练、特征更新失败远远多于p r o e 。u g 构建曲面时不能实时地预览 曲面的动态生成情况，必须等到命令完成后才能看到曲面生成的情况。 1 0 第二章c a d 软件的选取和二次开发原理 s o l i d w o r k s 是新一代的机械设计软件。s o l i d w o r k s 是基于特征的参数化实体 建模的三维设计软件，其功能强大、使用简单，为工程师提供了一个能够充分发 挥他们的创造力、创新能力和工程设计技能的设计平台。这套系统简单易用、软 硬件要求低且运行速度快，其有很好的建模功能和集成能力，在软件的易用性和 建模能力这两个互相矛后的特性上做到了很好的平衡，但电机生产企业的普及程 度不如a u t o c a d 。 a u t o c a d 是美国a u t o d e s k 公司开发的通用计算机辅助设计与绘图程序，由 于其功能强大，使用方便，易于掌握，开发性强，已成为c a d 行业的旗舰，深 受广大用户的喜爱。自18 9 2 年首次推出以来，a u t o c a d 经过了十多次升级，从 早期的a u t o c a dr 1 4 ，到近来的a u t o c a d 2 0 0 5 、a u t o c a d 2 0 0 7 ，它在功能方面正 日趋完善，并被广泛应用于电子信息、航空航天、机械制造、土木工程等各个方 面，并成为标准的基于p c 的c a d 应用程序d 2 。 国内一些大、中型电机生产企业将a u t o c a d 软件运用到电机设计中，明显 提高了企业的设计和生产效率，取得了良好的经济效果。a u t o c a d 软件在电机 企业的广泛应用，为基于a u t o c a d 的电机c a d 系统的开发和推广奠定了良好 的基础。此外，a u t o c a d 本身提供了开放的二次开发环境，用户可以使用 a u t o c a d 提供的开发工具v i s u a ll i s p 语言或v b a 语言进行深层次、客户化的 二次开发d 3 。综合以上因素，本软件选择a u t o c a d 完成系统的图形绘制功能。 2 1 2a u t o c a d 软件简介 为了能够对a u t o c a d 有一个全面了解，首先简要介绍一下a u t o c a d 的发 展历史。 19 8 2 年美国a u t o d e s k 公司首先推出了a u t o c a d 的第一个版本一一 a u t o c a d1 0 版。l9 8 3 年4 月又推出了1 2 版，该版本主要增加了很有价值的尺 寸标注功能。在此之后推出1 3 、1 4 版，l9 8 4 年1o 月推出2 0 版，19 8 5 年5 月 推出2 1 版，19 8 6 年6 月推出2 5 版，19 8 7 年4 月推出2 6 版，19 8 7 年9 月推 出9 o 版，19 8 8 年1o 月推出1 0 0 版，使得a u t o c a d 逐步趋于完善，并赢得了 全世界大多数c a d 用户的信任。 19 9 0 年和19 9 2 年，a u t o d e s k 公司分别推出了11 o 版和l2 0 版，新版本的 广东工业大学硕士学位论文 绘图功能进一步增强。特别是1 2 o 版中，a u t o d e s k 公司提供了适用于w i n d o w s 操作系统的版本，该版本采用了图形用户接口( g u i ) 和对话框功能，提供了访问 标准数据库管理系统的a s e 模块，改善了绘图速度。 1 9 9 4 年，a u t o d e s k 公司推出了13 0 版，新版本增加了将近7 0 个命令，删 除了1 2 0 版中的5 7 个命令，修改了5 4 个命令，是a u t o c a d 的命令达到2 8 8 个。 1 9 9 7 年6 月，a u t o d e s k 公司推出了r 1 4 版，该版本全面支持m i c r o s o f t w i n d o w s9 5 n t ，不再支持d o s 平台，它在工作界面、操作风格等方面更加符 合m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 烈t 的风格，运行速度更快，且在功能、稳定性等方面 有了很大的改进。从r 1 4 版起，a u t o d e s k 公司对a u t o c a d 的每一种新版本都推 出了对应的简体中文版，为中国用户取消了语言障碍。 l9 9 9 年3 月，a u t o d e s k 公司推出了2 0 0 0 版。基于面向对象结构的a u t o c a d 2 0 0 0 是一体化的、功能丰富的c a d 设计软件，它能使用户真正置身于一种轻松 的设计环境中，专注于所设计的对象和设计过程。 随着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们的工作和思维已经离不开网络。同样，工程 设计人员也希望能借助a u t o c a d 提供自己的工作效率和灵活性。为了满足这种 需求，a u t o d e s k 公司与2 0 0 0 年7 月推出2 0 0 0 i 版本。该版本在2 0 0 0 版本的基础 上重点增加了i n t e r n e t 功能。通过多种w e b 站点并获取网上资源的功能，可以使 用户方便地建立和维护用于发布设计内容的w e b 页，可以发送电子邮件、实现 跨平台设计资料共享，使用户在a u t o c a d 设计环境中能够通过i n t e r n e t 提供工 作效率。 2 0 0 8 年5 月，a u t o d e s k 公司又推出新的力作一一2 0 0 8 版。a u t o c a d 2 0 0 8 是 最快捷、最便捷的a u t o c a d 版本，可以帮助用户更快地创建设计数据、更轻松 地共享设计数据，更有效地管理数据。 a u t o c a d 2 0 0 8 主要有以下功能： ( 1 ) 二维绘图与编辑功能。能够方便地创建出各种基本二维图形对象，此外 还能为封闭区域填充图案、创建图块等功能。 ( 2 ) 文字标注功能。利用a u t o c a d 2 0 0 8 能够为已有图形对象标注各种形式 的尺寸；可以设置尺寸标注样式，以满足不同行业、不同国家对尺寸标注样式的 要求；可以随时更改已有标注值或标注样式；可以实现关联标注，即将标注尺寸 与被标注对象建立关联。一旦建立了关联，已有图形对象的大小改变后，所标注 1 2 第二章c a d 软件的选取和二次开发原理 的尺寸也会发生相应的变化。 ( 3 ) 三维绘图与编辑功能。a u t o c a d 2 0 0 8 允许用户创建各种形式的基本曲面 模型和实体模型。其中，可创建的曲面模型包括长方体表面、棱锥面、契体表面、 球面、上半球表面、下半球表面等。可以创建的基本实体 ( 4 ) 视图显示方式设置。可以方便地以多种方式放大或缩小所绘图形。对三 维图形，可以改变观察视点，以便从不同观看方向显示图形；也可以将绘图区域 分成多个视区，从而能够在各个视区中从不同方位显示同一图形。 ( 5 ) 绘图实用工具。可以方便地设置绘图图层、线型、线宽、颜色。可通过 各种形式的绘图辅助工具设置绘图方式，以提高绘图效率与准确性。利用特性窗 口可以方便地编辑所选择对象的特性。 ( 6 ) 数据库管理功能。可以将图形对象与外部数据库中的数据进行关联，而 这些数据库是由独立于a u t o c a d 的其他数据库应用程序( a c c e s s 、o r a c l e 、f o x p r o 等) 建立的。 ( 7 ) i n t e r n e t 功能。a u t o c a d 2 0 0 8 提供了强大的i n t e r n e t 工具，使设计者之间 能够共享资源和信息。即使用户不熟悉h t m l 编码，利用a u t o c a d 2 0 0 8 的网上 发布向导也可以方便、迅速的创建格式化的w e b 页。a u t o c a d 2 0 0 8 还提供一种 安全、适宜在i n t e r n e t 上发布的文件格式- - - - d w f 格式。利用a u t o d e s k 公司提 供的插件可以在浏览器上浏览这种格式的图形。 ( 8 ) 图形的输入、输出功能。a u t o c a d 2 0 0 8 不仅允许将所绘图形以不同样式 通过绘图仪或打印机输出，还能够将不同格式的图形导入a u t o c a d 或将 a u t o c a d 图形以其他格式输出，增强了灵活性。 ( 9 ) 允许用户二次开发。作为通用c a d 软件包，a u t o c a d 2 0 0 8 提供了开放 的平台，允许用户对其进行二次开发，以满足专业设计的要求。 2 2 基于visu al b a sic 环境下的a u t o c a d - - 次开发原理 a u t o c a d 二次开发是基于a u t o c a da c t i v e x 技术。a u t o c a da c t i v e x 自动 操作的英文全称是a u t o c a da c t i v e xa u t o m