（机械电子工程专业论文）基于人工智能的齿轮cad系统（gcad）的研究与开发.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文少5 3 7 12 3 基于人工智能的齿轮c a d 系统( g c a d ) 的研究与开发 专业：机械电子工程 硕士生：强增 指导教师：原思聪教授 摘要 齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动，也是传递机器动力和运动的一一 种重要形式。齿轮是机械产品的重要基础零件，它的设计与制造水平将直接影响到 机械产品的性能和质量。由于其复杂性，目前的设计需要较多的人力和较长的设计 周期，设计效率和设计质量不高。 本文在对齿轮设计方法及有关设计软件的分析研究基础上，构建了基于人工智 能的齿轮c a d 系统框架，提出了以人工神经网络技术、专家系统技术、面向对象的 软件开发技术和o b j e c ta r x 丌发技术为特色的新一代齿轮c a d 系统- - g c a d ( o e a r c a d ) 。 g c a d 以m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 6 0 和a u t o d e s k 公司的o b j e c ta r x2 0 0 0 作为系统的集成开发环境，以a u t o c a d2 0 0 0 为运行平台，适用于 w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 操作系统。g c a d 系统包括参数计算、参数化绘图、专家系统、 辅助功能和帮助系统五个部分通过m a t l a b 引擎，充分发挥了m a t l a b 及 a u t o c a d 各自的优势；通过利用人工神经网络映射齿轮系数，为齿轮传动的结构优 化设计奠定了基础；通过参数化设计，实现了齿轮的二维参数化绘图和三维实体建 模；通过将专家系统应用于o c a d 系统中，初步实现了集方案辅助决策、设计、计 算、校核、分析以及绘图功能于一体，提高了齿轮设计水平、设计质量和设计人员 的工作效率。 g c a d 系统的构建思想和方法，对研究和开发新型c a d 系统具有一定的理论 意义和实用价值。 关键词：齿轮设计；智能化：c a d ；专家系统；人工神经网络；面向对象 论文类型：应用基础 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fg e a rc a d s y s t e m ( g c a d ) b a s e do na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e = q i a n gz e n g i n s t r u c t o r ：p r o f y u a ns i c o n g a b s t r a c t g e a rd r i v ei st h em o s tf a m i l i a rk i n do f m e c h a n i c a ld r n ei nl a t t e r - d a ym a c h i n e s ，a n d a l s oa ni m p o r t a n tm o d et h a tt r a n s f e r st h ei m p e m s t h a tm a k e st h em a c h i n em o v ea n dw o r k ， t h e g e a r i st h ei m p o r ta n db a s i cp a r to fm a c h i n e s ，s o ，h o wt od e s i g na n dm a n u f a c t u r e a g e a rm a y b eav e r yi m p o r t a n tp r o b l e mb e c a u s ei t sp e r f o r m a n c ec a nd i r e c t l ya f f e c t st h e p e r f o r m a n c e a n dq u a l i t yo fm a c h i n e s b e c a u s ei ti st h ev e r yc o m p l i c a t e dw o r kt od e s i g nt h eg e a r ，n o wd e s i g n i n gt h eg e a r d e m a n d sa g r e a td e a lo f m a n p o w e r a n dt a k e sa g r e a td e a lo f t i m e ，d e s i g ne f f i c i e n c ya n d d e s i g nq u a l i t ya r en o tv e r yg o o d + o nt h eb a s e so f a n a l y s i sa n dr e s e a r c h i n gm e a n s o f g e a rd e s i g na n ds o m ed e s i g n s o f t w a r e ，t h e 行a m e w o r ko fg c a d ( g e a rc a d ) s y s t e mb a s e do na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e w a sb u i l d t h ec h a r a c t e r i s t i co f g c a d s y s t e mw a su s i n g o f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t e c h n i q u e ，e x p e r ts y s t e mt e c h n i q u e ，o b j e c to r i e n t e dt e c h n i q u e ，e t c ， t h e p a l ，e ru s e sv i s u a lc + + 6 , 0 o fm i c r o s o f tc o m p a n ya n do b j e c ta r x2 0 0 0o f a u t o d e s k c o m p a n y a si d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n t ) t h eg c a d s y s t e mr u n s o nt h ea u t o c a d2 0 0 0 a n df i t sf o rw i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 o p e r a t i n gs y s t e m s t h eg c a d s y s t e mc o n s i s t so f f i v e p a r t s ，s u c ha sp a m m e 托rc a l c u l a t i o n ，p a r a m e t r i cd r a w i n g ，e x p e r t s y s t e m ，a i df u n c t i o n sa n dh e l ps y s t e m + t h ep e r f o r m a n c e o fg c a d s y s t e mi sw e l l i m p r o v e db ym a k i n g u s eo f a d v a n t a g eo f m a t l a ba n da u t o c a d b ym a t l a b e n g i n e t h eg c a d s y s t e m u t i l i z e sa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt om a p p i n gc o e f f i c i e n t so ft h eg e a r ， e s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o nf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h eg e a r b y p a r a m e t f j cd e s i g n ，t h e s y s t e mr e a l i z e sd r a w i n g a n ds o l i dm o d e l i n g b y u s i n ge x p e r ts y s t e m ，t h eg c a ds y s t e m c a na i d e d d e s i g n e r t om a k es o m es c h e m e d e c i s i o n ，a sw e l l 鑫ss o m ei m p o r t m a td e s i g n i n g ， c a l c u l a t i n g ，c h e c k i n g ，a n a l y s i sa n dd r a w i n g ，s o ，c a ni m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t y ，a sw e l l n 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 a sw o r ke f f i c i e n c yo ft h ed e s i g n e r s o m e i m p o r t a n tm e a n i n g w - a sp r e s e n t e db yg c a d s y s t e ma n dm a y b ev a l u a b l et o r e s e a r c ha n dd e v e l o pn e wc a d s y s t e m s k e yw o r d s ：g e a rd e s i g n ，i n t e l l i g e n c e ，c a d ，e x p e r ts y s t e m ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ， o b j e c to r i e n t e d t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n i i i 声明 本人郑重声明我所照交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工 乍及取得麴磷究成果。尽我所知，除了文中特 别掬以标注嚣致谢的地方外，论文中不惫含其毽人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单饿已 申请学位成为其它用途使用过的成果。与我一同工作的间志 对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 串请学位论文与资辫若有不实之处，本人霞担一切糟关 责任。 论文作者签名：损埔日期：- 趔落多词肘日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解垂安建筑科技大学有关傈鳌、傻曩学位论 文的规定，良p ：学校有权傈留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部域部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文耨密后应遵守就规定) 论文作者签名：猢导师签名舷佟日期脚译朔 j 注：谤将魏炎瓣在论文蓥页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 齿轮传动是近代机器中最常见的种机械传动，是传递机器动力和运动的一种 重要形式。它与带、链、摩擦、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率 高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构尺寸小等一系列特点。齿轮已成 为许多机械产品的重要基础零件，它的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性 能和质量。 1 1 齿轮c a d 的研究现状及发展趋势 1 1 1 齿轮设计及其计算机辅助设计简介【。5 】 齿轮传动设计的主要目的是保证齿轮在使用期限内工作可靠，设计的主要内容 包括：选择齿轮的材料及其热处理方式；选择齿轮的毛坯种类及齿轮传动的精度等 级、润滑方式；分析齿轮传动的失效形式和确定齿轮传动的设计准则；齿轮传动的 受力分析和强度设计：以及齿轮的结构设计和工作图的绘制等。 齿轮设计主要解决两个方面的问题：其一，由强度计算确定齿轮轮齿的尺寸， 如模数、齿数、齿宽和分度圆直径等：其二，由结构设计确定齿轮的轮缘、轮辐和 轮毂的结构形状和尺寸等。设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲 劳强度和保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。 在进行齿轮传动设计时，一般根据的已知条件有：传递的功率或扭矩、转速、 传动比、使用寿命和工作机的载荷特性等。设计计算时，首先是初步选定某些参数， 然后算出齿轮的主要尺寸，再进行校核。当齿轮的主要参数和几何尺寸确定后，再 进行齿轮的结构设计。 齿轮设计的主要步骤如下： ( 1 ) 确定己知参数 ( 2 ) 选取齿轮精度、材料及齿数 ( 3 ) 强度设计 ( 4 ) 确定齿轮传动主要参数和几何尺寸 ( 5 ) 强度校核 ( 6 ) 齿轮结构设计和绘制图形 从其设计步骤可以看出，进行齿轮设计时要遇到大量的图表、数据、设计规范 和调查试验结果，如果利用人工进行资料检索、手工计算和绘图，则需要较多的人 i 西安建筑科技大学硕士学位论文 力和较长的设计周期，设计效率非常低。因此，迫切需要改变传统的设计方法，采 用现代化的设计方法一计算机辅助设计( c a d ) ，提高设计效率，减轻设计人员的劳 动强度。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 通常指在产品和工程设计过程 中，借助于计算机软、硬件系统，辅助人们完成诸如建模、计算、分析、仿真、绘 图等设计任务。具体而言，就是在设计人员初步构思、判断和决策的基础上，出计 算机对大量设计资料进行检索，根据设计要求进行计算、分析及优化，将初步设计 结果显示在图形显示器上，以人机交互方式反复进行修改。经设计人员确认后，输 出设计结果【6 “】。 1 1 2 齿轮c a o 的研究现状 目前，大多数齿轮c a d 系统的重点在强度计算，首先由用户输入必要的初始条 件，如功率、转速、传动比等，然后进行强度设计及校核，输出计算结果，并绘制 齿轮的二维或三维图形。 现今流行的c a d 设计和绘图软件可分为两大类： 类是国内软件公司自主开发的c a d 软件如中科院凯思集团的p i c a d 、北京 北航海尔软件公司的c a x a 电子图板和华中理工大学开目公司的开目c a d 等。这 些软件的优点是拥有完全自主的知识版权，遵循国家标准和比较符合国情。但是开 发这类软件的难度较大，需要花费很大的人力、物力和财力，只能由大型的专业c a d 软件公司来完成。 另一类是以国外公司推出的c a d 软件为平台二次开发的c a d 软件，如北京大恒 公司的h m c a d 、清华大学天河公司的t h c a d 和清华大学艾克斯特公司的x t m c a d 等。这些软件在a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件的基础上添加了符合国标的图库、 标注、参数化设计等功能模块，同时进行汉化，使之适合国情。这类开发模式的优 点是【9 j = ( 1 ) 可以充分利用a u w c a d 的现有及未来开放式资源： ( 2 ) 可以依托a u t o c a d 的强大优势，节约时间与资金，迅速满足需要； ( 3 ) 便于与国际接轨，便于信息存储、交流和交换； ( 4 ) 便于学习a u t o c a d 先进的、成功的技术及经验。 大多数中小型c a d 软件公司和个人开发者采用这种开发模式。它的缺点主要是 受制于a u t o c a d 的发展战略，不得不被动地紧跟a u l o c a d 的发展步伐。 常见齿轮c a d 系统的特性分析如下： ( 1 ) 设计资料的计算机处理大多采用常规的数据处理方法，如数表的程序化、公 西安建筑科技大学硕士学位论文 式化和插值等方法。 ( 2 ) 数据库管理系统大多采用v i s u a lf o x p r o 或a c c e s s ，数据库接口技术为 o d b c ( o p e nd a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ，开放数据库连接) 技术。现在比较流行的数据库接口 技术是a d o ( a c t i v e x d a t ao b j e c t ，a c t i v e x 数据对象) 技术，它最主要的优点是易于 使用、速度快、内存支出少和磁盘遗迹小。 ( 3 ) 许多系统只能绘制二维图形，不能绘制三维图形。 ( 4 ) 大多数系统具有的功能只是单纯的设计绘图，根据用户的输入完成强度设计 和校核，不能够自动调整设计参数，需要人工调整参数以获得较优结果；也不能够 对用户在设计中遇到的疑难问题给予解答：这些系统起的作用仅仅是帮用户提高了 工作效率，不能提高用户的设计水平。 ( 5 ) 帮助系统多为老式的w i n h e l p 系统，与目前流行的帮助系统是h t m l 格式的 帮助系统相比，前者的制作比较繁琐，用户使用起来也不太方便。 例如，机械设计手册( 软件版) 、c a x a 华正电子图版2 0 0 0 和机械工程师2 0 0 0 中的齿轮设计部分，只是根据用户的输入完成强度设计和校核，不能够自动调整设 计参数，帮助系统均为w i n h e l p 系统。机械设计手册( 软件版) 未提供绘图功能，而 c a x a 华正电子图版2 0 0 0 和机械工程师2 0 0 0 仅能绘制齿轮的二维图形，不能实现 三维实体建模。因此，有必要研究与开发新的齿轮c a d 系统，以更好的为设计人员 服务，提高齿轮设计的水平和效率。 1 1 3c a d 技术的发展趋势1 7 b 】 根据当今计算机硬件和软件的发展状况，预计c a d 技术今后将在以下几个主要 方面进行重点研究，并将取得进展。 a c a d 系统的集成化 c a d 系统的集成化是当前c a d 技术发展的一个重要方面。集成就是向企业提 供一体化的解决方案。集成的出发点是企业中各个环节是不可分割的，必须统一考 虑。随着技术的发展，计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c o r a p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 、计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ，c a e ) 、计算 机辅助工艺规划( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 将逐步在企业中得到推广 和应用。由于这些系统大都是作为自主系统独立开发的，产品的表示方法有很大的 差异，从而在数据的提取和使用过程中，造成了信息流的中断和重复劳动，而且可 能发生信息丢失和错误，降低设计的可靠性。因此需要将各个系统集成为一个整体， 以更好地发挥功效。 一i l l l l l l l 西安建筑科技大学颟圭学位论文_嬲墨曼曼寰删燃糨舞量曼鲁黛, i i l l 目! ! s _ _ ! e s 目_ 口! ! ! ! _ _ _ _ 口2 。2 2 2 2 b c a d 袋统的智能化 惩于浚访豹c a d 系统在遥鉴年蠢了逐速鹣发震，稷多著名c a d 系缓获释在产菇 设计、分橱、诗算与绘图等方巍发挥了重要豹幸# 鲻。毽设计工作并不役黻予越，在 设计过鞭中，尤其是方案设计阶段，还必须根据专家丰富的经验与知识，做出合理 的判断与决策，爿能获褥优良的设计结栗。 一般巍言，c a d 系统豹智艇记裁楚将人工帮能辱 入c a d 系统，使嚣疑商专家静 经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的熊力，以及智能化的视觉、听觉、语 言的鲑瑷能力等，从而达到设计妇幼化的目的。 o c a d 系绫豹秘终纯 工业企业的实际生产管理过程题个自产品规划、产晶设计、性能测试、工艺 准备、燕体零传生产、标准 牛及姆秘馋羚赡、产品缀装及检验、产熬旗罄及骚务等 方瑟缓戒豹集俸凌 睾、分敖集中、不颧反镶戆壤患滚瓣络。隧蓑计算戳潮络翡飞速 发展，c a d 系统的网络化已经是不可阻挡的历史潮流。网络忧可以充分缴挥系统的 总体优势，实现共享程序、数据及凝它资源，可以提供可替换资源，均衡负载，分 解嚣篱稼设诗任务， 鬟及透季亍逡鼷褰数据运试。 现代c a d 系统醴经实现了从零机向局域黼的转交，目前正在与众她的i n t r a n e t 整合。猩众业行为标准化的大潮下，在e x t r a n e t 豹太环境下建立c a d 系统不久将成 为现实。 1 2 课题的研究目的和内容 1 ，2 ，1 渫鼹勰研究疆戆 工程技术是人类绽暇自然、改造畿赛豹强大武器，精工稷设计鲥怒对工程技术 系统进行构思、计划，并把设想变为现实的技术窝践活动。设计是为了创逸性能好、 成本低，霹徐廉物美豹产品粒技本系统。辊蠛浚诗懿捧韭蹶廖懿圈l ，1 黪示： 数豫攥算法的结稳性能分拼秘诗舞机赣勘绘躅失主要特授豹传统c a d 技术在 产品设计中获得了广泛虚用，已成为提高产品设计质量、效率和水平的种现代化 工具，从而引起了设计领域内的场深刻的变革。 簌久工黉髓鹃产生鹜景胃潋餐懋，惫括设计滔动在肉瓣翘趱求解大数w 分为两 类工作：薷一类是基予数学模型1 和数值处理的计算型工作；第二类是慧予符号性知 讽模型和符号处理鲍推溅鍪工传。转绕c a d 技零在数毽计算秘强澎绘铡上扩震7 入 戆辘秀，霹浚较嚣潢蟪宠戏第一蹙王终，毽对第二类王痒往镰难菝黢镁。巍予产品 设计是人的创造力与环境条件交置作用的物化过稷，是一种智熊行为，所以在产品 图i i 设计作业的流程 设计方案的确定、分析模型的建立、主要参数的决策、几何结构设计的评价优选等 设计环节中，有相当多的工作是不能建立起精确的数学模型并用数值计算方法求解 的，而是需要设计人员发挥自己的创造性，应用多学科知识和实践经验，分析推理、 运筹决策、综合评价，才能取得合理的结果。为了对设计的全过程提供有效的计算 机支持，传统c a d 系统有必要扩展为智能c a d 系统【6 】【1 1 1 。 进行齿轮设计时，要遇到大量的图表、数据、设计规范和调查试验结果，这些 资料是众多学者智慧的结晶，对设计人员来讲，是十分有价值的资料，但这些资料 西安臻筑科技大学硕士学位论文 内容涉及科门类多，一般设计人员在使用中会遇到困难：再者无论多么详尽全砸的 数掇库堍无法健替设诗专家酌经验鞠簿力，特剃燕畜黧经验鞠磐力不蕤热纳藏具髂 的数学公式。 运用橱能c a d 技术，不仅能便计算机完成数值计算型工作和图形绘制工作，而 且旋使计冀枫实现菲数值计算的餐裁章亍为，歇蕊大大减轻设诗人员款工傍受撵，缝 短设计愆麓，提懑设计餍量，显著掇离企业静缀济效益。邋魏，智能c a d 技零在我 围有广泛的应用前景。 本谍蹶的研究目的烂在研究泼轮设计及相应软件系统的潦础上，对躲越c a d 系 统豹研究秘开发进行尝试，开发蕊予入工智麓豹新一代齿轮计算枫辅瀚设计系统 一g c a d ( g e a rc a d ) ，为设计人员提供齿轮设计的辅助工具。g c a d 系统能够在某 黪程疫上代替竣诗久受宠成设计、计箨、校核、霓德尺寸诗黧及整形鲶蘧簿系癸 繁琰羲王撂，飘嚣大大缭短竣计溺麓，疆轻凝缓滚诗人受赘势动强度，撬窝设诗效 率；此外还可以参与方粲决策，调熬和优化设计参数，从而提高齿轮设计的水平和 质量。 系统矮备麴主要臻熊如下： ( 1 ) 辅助决策鞠咨询劝能： 系统中含有个专家系统模块，能够辅助用户避行方案决策和对用户在齿轮设 诗蓬程串爨逡敬菜些弱邋，送行瓣餐。 ( 2 ) 实现齿轮参数计箨电算化： 用户只需给出必要姻原始参数，系统能自动完成强发设计计算和强发棱核计算， 然螽褥竣谤绩柒盥零逡袋，并数文本文 孛静彤式存德奁磁盘上。在运行避稷中，系 统能够裰摅菊轮设计鹩糯关鲡识崮幼湄整参数，以获得较优结果。 ( 3 ) 绘图功能； 实瑗了豢轮懿二缝参数纯绘瓣装三缍实薄建摸，越够绘裁滤轮熬工露辫供生产 傻耀；麓绘制齿轮模块鼹供装配使掰；能绘铡齿轮豹三维图，为有关齿轮传动的动 域制作、遴动模拟、仿真与分袄、窳体装配等感续工作奠定基础。 ( 5 ) 辅助功裁： 使弱户麓够方艇、快速地完成绘灏初始纯工作、标注粗糙魔和形位公憋。 1 2 2 课题的研究内容 澎开线凌轮在技零上矮成熟，疲爝最其各条 譬，霞蠢经蠲瞧最普遍，势程褫壤 传谚设诗中，占蠢圭导越位。潦开线鸯癣箕有中心距敏感性，l 、，哥蘧行嚣释变位和 修行设计，易于进行精密加工、互换性好等优点。因此，g c a d 系统主鼷针对渐 西安建筑科技大学硕士学位论文 丌线齿轮圆柱齿轮中的直齿齿轮和斜齿齿轮。 通常把提供了诸如推理、知识库管理、查询机制等信息处理能力的系统定义为 知识处理系统，例如专家系统就是一种知识处理系统。具有传统计算能力的c a d 系 统被这种知识处理技术加强后称之为智能c a d 系统拍j 。 智能c a d 系统把专家系统等人工智能技术与优化技术、有限元分析、计算机绘 图等各种数值计算技术结合起来，各取所长，相得益彰，其目的就是尽可能地使计 算机参与方案决策、结构设计、性能分析、图形处理等设计全过程。智能c a d 系统 最明显的特征是拥有解决设计问题的知识库，具有选择知识、协调工程数据库和图 形库等资源共同完成设计任务的推理决策机制【6 1 。 目前，国内外智能c a d 系统的发展趋势是：逐渐将人工神经网络和遗传算法等 知识处理技术与c a d 系统结合起来，开发平台由d o s 平台转向以 w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 为代表的图形界面操作系统，开发方法由面向过程的程序设计 方法转向面向对象的系统分析方法和面向对象的程序设计方法【6 】【1 2 】。 为完成上述目标，本课题主要涉及以下方面的内容：智能c a d 技术、参数化技 术、面向对象的软件开发技术、人工神经网络技术和专家系统技术等。 1 3 g o a d 系统的设计思想 以a u t o d e s k 公司的a u t o c a d2 0 0 0 为开发平台，融合参数化技术、面向对象的 软件开发技术、人工神经网络技术和专家系统技术，开发一个集齿轮的方案辅助决 策、设计计算、强度校核、几何尺寸计算以及图形处理等功能于一体，同时有良好 剀人机界面和元善的帮助糸统，并且口j 继续扩充的智能化齿轮c a d 系统- - g c a d ， 以提高设计人员的设计水平和工作效率。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2g c a d 系统总体方案 2 1g c a d 系统设计流程 根据齿轮的设计过程和计算机设计的具体要求，制定c a d 系统设计流程如下图 所示： 图2 i 系统流程图 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! i i i i i i i i i i i i i 1 1 2 2 系统实羧戆基本愚怒及塞羲方法 本文采用落i 隧对象静软律开发方法，强m i c r o s o f t 公鼋耱v i s u a lc + + 6 。0 帮 a u t o d e s k 公司的o b j e c ta r k2 0 0 0 为开发环境，并通过调粥m a t l a b 弓l 黎启动 m a t h w o r k s 公嘲的m a t l a b 6 1 ，开发平台为a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 2 0 0 0 。 通道系统集成，既可充分发撵v i s u a lc + + 6 ，o 在界蕊发好憾积事傅驱动方疆的优 势，又甏爨= 楚 a u t o c a d 2 0 0 0 强大媳绘嚣囊莪袭m a t l a b 6 1 瓷诗算、数疆处理方蘑 静强大谚戆，实臻许多琢来开投环麓避驻实瑗豹功能。 系统逶用蛇操作系绞为m i c r o s o f t 公司静w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 。g c a d 系统与 a u t o c a d2 0 0 0 以及操作系统的必系如图2 2 所示： 2 。3 系统器发爨糊 瓣2 2 系统关豢匿 g c a d 系绕是在通用c a d 乎螽舱基础上，经过二次开发建立的专用c a d 系统。 蠢系统秀发静过程孛遵簇了瑷下擞婺鞭嬲； 2 。3 。 檬灌诧溅瓣 标准化是软件开发的基础，只谢以中国的豳家标准为依据进行开缴，才能实现 软l 牛昀完念中麟仡，才逑会中国王稷技术习惯，濂是工程设计嚣要。与c a d 敬传开 发有关豹标准化内容包括c a d 劁嗣标毽，c a d 汉字标准，用户界蚕标嘏，数据交 换标准，文释管璎帮存橙褥准等。本潦藤孛涉爱翡酶标凇主要楚c a d 粼潮稼溱囊餍 户界面檬准。因就在软件开发中，檄据机械制图用计算祝信惠交换累捌国家标 猴葶拜桩缓粼圈霆家标准骞关瓣怒酾蘩隶，对与零软 串鸯美鹣内容 棼爨俸歉定， 使其符合围家标准和工程设计绘图的有关规定和习惯。 软 孛豹暴露设计连建该簿合一般蕊趣户赛纛耩礁，这榉蘸酉瑷臻谖赛隧娥辏弱 绫一、美爨，又簿合较传霞耀方攥、实麓熬要求。 2 ，3 2 实耀托爨鲻 软件实用他主豢体现在两个商嘲：一是国家标准釉技术习惯的实用化；是软 9 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 件功能的实用化。功能上的实用化程度的高低对提高设计效率有很大的影响。因此， 软件的功能设计应面向用户和设计人员，符合人性化设计，尽可能满足用户的需要， 方便设计人员的使用和设计。 2 4 系统组成 g c a d 系统主要由参数计算、参数化绘图、专家系统、辅助功能和帮助系统五 个功能模块组成。各模块之间即组合、协作，又功能独立，每个模块都可单独作为 子系统来使用，通过系统框架将各模块的功能有机结合起来。以满足用户的需要。 图2 3 系统的功能模块结构 各模块的功能如下： ( 1 ) 参数计算模块：完成齿轮的设计计算和较核计算，实现齿轮参数计算电算化。 ( 2 ) 参数化绘图模块：实现齿轮的二维参数化绘图和三维实体建模。 ( 3 ) 专家系统模块：辅助用户进行方案决策和对用户在设计中遇到的某些疑难问 题给予解答，而且系统在进行参数计算过程中，能够调用该模块针对出现的某些情 况进行推理，并根据得出的结论，调整参数，以获得较优结果。 ( 4 ) 辅助功能模块：使用户能够方便、快速地完成绘图初始化工作、标注粗糙度 和形位公差。 ( 5 ) 帮助系统：给用户提供系统的说明、各种操作的用法和注意事项等，使用户 对该系统有一个全面深入的了解，能够更好地使用该系统。 各模块的实现方法如下： ( 1 ) 参数计算模块和参数化绘图模块是利用v i s u a lc + + 6 0 和o b j e c ta r x 2 0 0 0 混 合编程开发的基于对话框的a r x 应用程序。 ( 2 ) 专家系统模块是利用v i s u a lc + + 6 0 开发的可单独运行的w i n d o w s 应用程序。 西安建筑科技大学硕士学位论文 墨曼! ! ! 曼寰喇鼎鼍曼鼍基量景寰曼i li 鼍葛鲁量曼曼曼舅删筹黑鼍置鼍寰嘲皇皇曼舅嘲嬲鼍葛曼曼曼曼基麓赫燃删燃舅曼曼曼曼量皇s ( 3 ) 辅助功能模块中的绘图初始化部分也是一个基于对话框的a r x 殿用程序，标 泣凝爨菠翻形谴公差逡嚣令模块怒瘸a u t o c a d2 0 0 0 疼裴黪野发工其v i s u a ll i s p 开 发豹基予对话撬髂l s p 应用程侉。 ( 4 ) 帮助系统则由利用m i c r o s o f t 公司的h t m lh e l pw o r k s h o p 制作的h t m l 格 式的嫠助文传组成，文 譬名熬蘸缀麓c h m 。 2 。5 系统开发与运行时的软硬件要求 2 5 1 磺俸要求 ( 1 ) i n t e l5 8 6 或受嵩橙次微机： ( 2 ) 至少3 2 m 内存； ( 3 ) 3 0 趿上容量的硬盘： 2 5 ，2 赣传要裘 ( 1 ) m i c r o s o f tw i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 操作系统： ( 2 ) 中文鳃文a u t o c a d2 0 0 0 ： ( 3 ) m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 绽程环境； ( 4 ) m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 5 ，3 藏爨高版本； 3g o a d 系统的参数 乏设计 3 1 参数化设计概述p 卅 自软有了计算狙叛来，规穰设诗耀裁梦想羞实现识壤浚诗愆鑫动纯。副2 e 整纪 6 0 。7 0 年代，诗赣褫开始协助辊械设计师完成复杂静运辫，或者绘制瓶赠的工程匿 纸。但是通过计算机将产品的设计骚求和工程师的设计思想直接变成可用的工程图 纸或者数控加工指令在当时是不可能办到的。尽管如此，有关的学者和工程技术人 员仍然为实现设计自动化进行了不懈的努力。 辊弦竣诗_ 遘疆瓣复杂注、多弹瞧帮爱活瞧要求设诗舞动纯必绥走参数弦瓣魏予。 扶广义来说，所谬参数纯设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，就怒将设计要求、设计艨则、设 计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便在人机交互过程中根据嶷际情况 随时加以更改。般而言，参数化设计就是根据产品零、部件的性能参数，确定其 凡褥形状或结构尺寸的一静设计方滚。也裁是说，把零、帮传图形麴尺寸与一定豹 浚诗条箨程关联，戏者说是茏这些尺寸看成是“设诗条黪”瓣丞鼗，当设诗条锌改 变时，零、部件图形的尺寸可以随时得到相应改变。 参数化设计，可以大幅度提高机械设计的效率，是c a d 二次开发技术的主要手 段之一，也是机械c a d 的核心任务。 参数纯设计蠢嚣弹涵义： ( 1 绘匿较佟本身兵有参数证功熬任傍交互式懿尺寸敬动帮会导致蘩个模型的 改变，也就是说，只要修改了模型中的某一个尺寸，则熬个图形中与此桷荚的尺寸 都会自动更新，例如a u t o c a dd e s i g n 等软件。如果两个尺寸间存在非常簸杂的物 理关系，很难用几何关系表达清楚嚣寸，这种方法可能会失败，也就是说，逮种方法 麦要逶囊与结构不怒太复杂赘强形。 ( 2 ) 应用程序暴露参数纯功能通常鳇l 用户或第三方开发出的一些应用释膨，主要 针对某一领域其体问题，进行参数化设计。即该应用程序负责与用户交互，当需要 修改某一尺寸时，应用程序负责更新该尺寸及与之相关的其它尺寸。这种方法的编 程量很大。另外，簧修改图形时，需要重耨运行程序。 基蘸，遣无将这嚣秘方式缕合起聚鞠软磐系统，一般溪说懿参数纯设诗均撵第 二种方式。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 2 参数化设计的基本思想8 1 参数化设计系统中涉及到的基本技术和思想主要有：轮廓( p r o f i l e ) 、草绘 f s k e t c h i n g ) 、尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e ) 、变量驱动、设计合理性检查、动态导航等。 3 21 用轮廓法体现设计思想 在般的非参数化的计算机辅助绘图系统中，所有的线条，如直线、圆弧等各 不相干。也就是说，所有的线条都不会因为相邻的线条被删除、修改而受影响。计 算机中的任何线条仅仅代表其本身的大小、位置、颜色和线型。设计人员像审视纸 画上的工程图一样观察屏幕上的图形。这样的系统除了帮助设计人员绘制外观漂亮 的图形线条以外，丝毫不关心图形( 图纸) 所表达的真正意义。从这一点上讲，计算 机辅助绘图系统远不如工厂描图员在设计工作中所起的作用，因为具备一定制图知 识的描图员在描图的同时至少可以帮助设计师改正违反机械制图规则的错误，而一 般的计算机辅助绘图系统却做不到这一点。 参数化设计系统引入了轮廓的概念，轮廓由若干首尾相接的直线或曲线组成， 用来表达实体模型的截面形状( s e c t i o n ) 或扫描路径( t r a j e c t o r y ) 。轮廓上的线段( 直线 或曲线) 不能断开、错位或者交叉。整个轮廓可以是封闭的，但也可以是不封闭。 虽然轮廓与生成轮廓的原始线条看上去几乎一模一样，但是它们有本质的区别。 轮廓上的线段不能随便被移到别处，而生成轮廓的原始线条可以随便地拆散和移走。 这些原始线条与通常的二维绘图中的线条本质上是一样的。 3 ，2 2 尺寸驱动 如果给轮廓加上尺寸，同时明确线段之间的约束，计算机就可以根据这些尺寸 和约束控制轮廓的位置、形状和大小。计算机如何根据尺寸和约束正确的控制轮廓 是参数化的一个技术关键。所谓尺寸驱动就是当设计人员改变了轮廓尺寸数值大小 时，轮廓将随之发生相应的变化，如图3 1 所示，当改变图中垂直参数( 尺寸2 0 ，2 5 ， 3 0 分别变为3 0 ，1 0 ，2 0 ) 后，图形轮廓发生了相应变化。 r 姐 ij 1 55 l o 5j1 0s 图3 1 尺寸驱动 1 3 西安建筑科披大学硕士学位论文 _ ! ! ! i i i 一 i l li _ $ ! 目 实瑷尺_ 驱动对设谈+ 人员来讲有重要的意义，尺寸驱动把设计图形的壹鼹性和 设计尺寸的精确性有机的统一起来。如果设计人员明确了设计尺寸，计算机就把这 个尺寸掰体现懿大小秘位置售慧直理逡反馈绘浚诗人员，设诗人员霹以迅速缝发瑷 不合理的尺寸。另一方丽，在结构设计中设计人员可以在屏幕上大致勾勒设计要素 戆位置帮大小，诗算撬鑫动姆像霆羁大小尺寸纯，袋设计人爨参考，设诗人爨可敬 在适当的时候修改这些尺寸。哟此可以看出，尺寸驱动可以大大提高设计的效率和 矮量。 323 变量驱动 交鬟驱魂遵秘骰交羹纯建模技术。变量驱渤耨爨鸯的设诗要素魏尺寸、豹束条 件、工程计算条件甚至名称都视为设计变量，同时允许用户定义这些变量之间的关 系式( r e l a t i o n s h i p s ) 及程序逻辑，姨丽使设计的自动化程度大大提高。变量驱动进 一步扩展了尺寸驱动这技术，给设计对象的修改增加了更大的自由度。变擞化建 横技术改变了设计的灵活性，为c a d 软件带来了空前的适应性和应刚性。 例如在部件的一个胤周上均匀分布饕若干紧固螺钌孔，变量化设计允许把螺钉 孔的数嗣当作设计变量，当改变螺钉孔的数目时，螺钉孔之间的夹角将通过个预 先输入的简单表达式计算褥到，计算枫会正确处理这种设计上熬变化，如图3 , 2 鼹 示： 图3 2 设计均匀分布的螺钉 3 ，2 4 相互制约 艇有的零件猩装配中都不是孤立存在懿，农参数他设计系绫中，一个零争兹尺 寸可以用其他零件上的尺寸和位疆参数乘确定，这样做可以保证这些零件装配后自 动县有樱吻合的尺寸r 扶蔼攮少人为的蘸忽。如图3 3 艨示，滚轮豹毒彗l 魏壹绞蠢键 槽宽度可以根据辎i 上的相应尺寸务数来确定。 西安建筑科技大学硕士学位论文 匿3 3 用辘上的尺寸采制约齿轮 3 2 。5 公理性榱奎 在传统的人工设计工程中。尺寸不足、多余和相甄矛盾是很难避免的，然而在参 数亿设计系统孛，诗箕掇能够帮魏设诗入员委确建标注尺寸，过多黧遘少戆尺寸都 能被计算机发觉，计算机会在适当的时候向设计人员黛示提示信息。 3 + 2 8 妨态导簸 动态导航( d y n a m i c , n a v i g a t o r ) 提供了一种指导性的参数化作图手段，与设计人员 遮残菜耱默契，获瑟提麓设诗效率。裰据当蓠光标位甏，动态鼯航麓猜灞霜户意图， 然后用齑观的图标将所猜测的约束显示在相关图形的附近。 3 2 ，7 缭梅怒潮 在进行产品的设计前，根搬产品的设计要求，对产品的整个设计需要进抒大概 鹃勾勒。这种前澹往的勾勒主螫是确定产品的鬣要参数，而不涉及产龋的具体细节。 属于概念设计的范畴，这被称为结构规划( l a y o u t s ) 。农以后的设计中，产品的装配 和零件设计可以弓f 用结构规划中定义的参数，这样从总体上保持设计的一致性。 3 2 8 机构原理设计 机构设计在机械产龋开发中经常会遇到，以前设计师使用作图法戚者解析法来 设计或分孝斥枧构，这秽工作方式耀当费时费力。参数像设计系统趣世以来，撬憨懿 设计变得相当容翁。一般的连栉机构，在原理上不外魑保持定关系的线段，可以 将复杂的连杼枧梭鼹具蠢一定长度积摆匿位置关系戆线段确定。改交代表掇镌输入 的参数，枫构的其他部分将随之运动。 3 3 参数纯设计的准备工 謦 要遴毒亍参数纯设诗，震要逡孳亍舞下些准冬工终：设计资糨的诗雾枫叠獠：常 用标准图形库的逮立；常用符号库的建立和常用函数库的建立等。 1 5 西安建筑辩技大学硕士辫位论文 懋蜘墨曼曼曼! 皇燃蝌糕# s 鼎i i i l l i mui , 鼍寰群舞皇曼曼皇皇舞燃鼎端燃燃舞寰鼍曼曼鼍感螂基篁曼皇鼎獬黜舞攀冀糍燃阜墨曼皇 3 。4 参数能没计的鬻耀方法1 9 】 参鼗诧设诗翡常熙方潼毒戳“f 燃静： ( 1 ) 通过商缀语言接妇实现参数化设计，即通过高级语言编制接口稳序，用s c r 枯令组文件及d x f 文件来进行参数化设计及绘图。蕊优点是方法比较成熟，容易实 硗。缺点麓对每转饕影，嫠要缡铡相应兹程廖，王侮羹较大，通用热熬。 棼遭遭痰搿稷痔逡抒参数讫浚讨。，帮嗣a u t o l i s p 、v i s u a le + 或v i s u a lb a s i c 等高级语言绽涮参鼗纯绘霪程窿。方蘑，交于这黧箍缓语言最舂稷强鹣数德计算 臻戆、数援交袋麓笈戳旋资源餐骥簿疑耱，嚣方瓣，它还稽爨a u t o c a d 豹支持， 故其可充分逡阕a u t o c a d 的资源及强大功能，爝参数化设计的主要方法。 在g c a d 系统中，采用了第二辨方法：按撬耱设计步骤编制应瘸穗廖，臻户辕 入裙始参数，累缓攘熬壤耱懿强菠诗箕公式蠢鼗壤援棱公式葵穗塞耱静模数、分痉 鼷壹径等尺寸，弊绘制满形。 3 。5 参数化设计的应用和意义 在瓿缀设计皆，通避霹墓零撩褥趣嵇豹零部传进行靛格、系裂纯熬蹙璎鞠分类， 分爨穰入爨参数纯设诗舔