（机械电子工程专业论文）基于事物特性表的单元化建模技术研究及应用.pdf

山东理丁大学坝上学位论文摘要 摘要 本文在分析c a d 的产品开发过程基础上，利用图形单元技术，提高了c a d 技术在产品设计中的自动化和智能化。本文完成了各种图形单元的绘制和图形 单元的动态编辑，并在事物特性表的基础上实现变型设计，最终实现基于三维 模型的零件图的自动生成。全文内容如下： 首先，介绍了图形单元的概念和性质，从相似性原理出发，从从属关系和 功能结构两个方面对图形单元进行分类，利用v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发技术 完成图形单元的参数化建模过程。 然后，将图形单元按照一定的要求自动装配成零件产品，完成产品设计的 初步模型；对已经初步成型的零件产品进行必要的动态编辑操作，以改变零件 产品的结构；并且在事物特性表的基础上，进行变型设计，使零件产品的设计 更加合理，更符合设计者或客户的要求；最后实现了基于三维模型的零件图的 自动生成，并且能对零件图的部分属性进行操作。 最后，通过实例介绍了基于事物特性表的零件开发系统的全部功能。 关键词：结构设计自动化，图形单元，事物特性表，结构变型设计，结构动态 编辑 山东理工大学帧lj 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do na n a l y z i n gl h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s so fc a d ， u s i n gt h e g r a p h i c sm o d u l et e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rw i l lh e l pi m p r o v et h ec a dt e c h n o l o g yi n p r o d u c td e s i g na u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t t h i sp a p e rn o to n l yc o m p l e t e sa 1 1k i n d s o fd r a w i n go fg r a p h i c sm o d u l eb u ta l s oc o n l p l e t e sd y n a m i ce d i t i n go fg r a p h i c s l o d u l e ，a n do nt h eb a s i so ft a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c sc o m p l e t e s v a r y i n gd e s i g n ，e v e n t u a l l yc o n v e r t st ot h em o d e lo fe n g i n e e r i n gd r a w i n g s t h ef - u l l t e x tr e a d sa sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa ( r a p h i c sm o d u l ea n dt h ec o n c e p to f n a t u r ef i r o mt h et w os i d e so ft h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h eg r a p h i c sm o d u l e c l a s s i f i c a t i o n ，u s i n gs o l i d w o r k si nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yf o r t h eg r a p h i ce l e m e n t so ft h em o d e l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t h e n ， i na c c o r d a n c ew i t ht h e r e q u i r e m e n t s ，g r a p h i c sm o d u l e c a nb e a s s e m b l e dp r o d u c t sa u t o m a t i c a l l y ，a n dc o m p l e t e st h ep r e l i m i n a r yd e s i g nm o d e lo f t h ei n i t i a lp a n so ft h ep r o d u c t sa n dd o e st h en e c e s s a r ye d i t i n gf - 0 rt h ef o r m e d m o d u l e st o c h a n g ep a r t so ft h ep r o d u c ts t r u c t u r ea n do nt h eb a s i so ft h i n g s c h a r a c t e r i s t i cf 0 r m t od ov a r i a n td e s i g n t h e ym a k ep r o d u c td e s i g np a r t sm o r e r e a s o n a b l ea n ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n e ro rc u s t o m e r f i n a 儿y “ r e a l i z e sc o m p o n e n t sa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t eb a s e do nt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l a n dc a no p e r a t es o m ep r o p e r t yo f p a r t s f i n a l l y ，t h i sp a p e rg i v e st h ee x a m p l e st oi n t r o d u c et h ef i u n c t i o no fd e v e l o p e d s y s t e mo nt h eb a s i so ft a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ec h a r a c t e “s t i c s k e yw o r d s ：d e s i g na u t o m a t i o n ，g r a p h i c sm o d u l e ，t a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r ev a r i a n td e s i g n ，d y n a m i ce d i t o r n 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的 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了谢意。 研究生签名：尹筮露 时间： 列艿年歹月莎日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，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应遵守此协议) 研究生签名：尹立霞 导师签名：勿，j 多 时间：砌s 年6 月f 日 时间：口汐年月沙日 山东理r 大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】本章通过分析c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 的产品开发过程，并通过 分析图形单元技术的研究现状，提出了图形单元技术的整体思路，介绍了本文研究的主 要内容和意义。 1 1 基于c a d 的产品开发过程与研究思路 机械制造业是制造业的基础和支柱产业，对国民经济的高速增长起着至关 重要的作用。随着信息技术的迅速发展，现在制造企业的竞争环境发生了巨大 的变化。如果说2 0 世纪6 0 年代制造业企业战略追求的是生产规模的扩大，7 0 年代追求的是生产成本的降低，8 0 年代追求产品质量的提高，9 0 年代和2 l 世纪 初则追求市场响应速度即缩短产品设计及制造周期，所以一个企业对市场的响 应速度的快慢、产品开发一次性成功率的高低，不仅决定着企业产品在市场上 所占份额的大小，更决定着一个企业的命运。然而由于传统设计方法的影响， 使企业在完成新的订单时，无法充分利用已有的设计成果，对许多有经验可循 的工作往往也需要重新完成产品设计，从而不仅导致产品的开发设计周期过 长，而且产品的质量也难以保证。 一个产品的设计阶段可以认为有两个进程：( 1 ) 概念设计阶段将产品的需 求转化为设计思想，并产生多个可能的方案。因为概念设计阶段是产品的创新 阶段因此没有考虑制造因素的影响。( 2 ) 详细设计阶段将设计思想转化为具 体结构设计它涉及到产品的物理功能、形状、公差、重量以及强度等，通常 这个阶段确定产品的最终状态。基于c a d 的产品开发过程图如图1 1 所示。根 据有关的统计资料表明，产品费用的7 0 是在产品设计阶段决定的【l 】。同时， 一旦概念设计被确定下来，产品设计的6 0 一7 0 也就被确定下来。还有产品 的创新及其所具有的竞争能力基本上也是在概念设计阶段就被确定下的。故概 念设计是设计过程中一个非常重要的阶段，它已成为企业竞争的一个主要的因 山东理工人学硕士学位论文 第一章绪论 素。 虚拟制造 产品生产 图1 1 基于c a d 的产品开发过程图 概念设计的目的在于实现产品创新，概念设计主要包括功能设计和结构设 计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功 能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各 主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确 定整体设计方案。再由各责任设计师把主设计师的设计思想落实到具体设计中 去，实现细节设计【列。 开发设计技术是一种综合性技术，它不仅是要求设计人员创造出新零部 件，而应该使设计人员利用已有的标准模块“创造”出新产品。“设计”的主要任 务是：根据客户的需求确定新产品的工作原理，进行新产品的概念设计，进行 标准化，规范化，建立面向合适的产品模型和工程模型，利用在开发工程中建 立的产品模型和工程模型，选用标准零部件，快速完成产品设计，缩短产品的 设计和制造周期。 s o l i d w o r k s 是一套基于w i n d o w s 的c a d c a e c a m p d m 桌面集成系统， 是美国s o l i d w 6 r k s 公司在总结和继承了大型机械c a d 软件的基础上，在 w i n d o w s 环境下实现的第一个机械三维c a d 软件，于1 9 9 5 年1 1 月研制成功。 它全面采用非全约束的特征建模技术，其设计过程全相关性，可以在设计过程 的任何阶段修改设计。同时牵动相关部分的修改。具有产品配置功能，为用户 设计不同构性的产品。它集成了设计、分析、加工和数据管理过程，所获得的 分析和加工模拟结果成为产品模型的属性，在s o l i d w b r k s 的特征管理器中清 晰的列出了详细的数据信息。它将2 d 造型绘图与3 d 造型技术融为一体，能 自动生成零件尺寸、材料明细表( b o m ) 、具有指引线的零部件编号等技术资 2 山东理t 人学硕士学位论文第一章绪论 料，从而简化了工程图样的生成过程。同时有中英文两种界面可以选择，其先 进的特征树结构使操作更加简便和直观。具有交好的开发性接口和功能扩充 性。能轻松实现各种c a d 软件之间的数据转换传送。 虽然s o l i d w o r k s 提供了概念设计、工业设计模块，但这些模块的根本缺陷 在于缺乏设计方法学的支持，提供的基本上是一个在设计方案基本定型之后的 概念化、草图化绘图工具而非设计工具【2 1 。其设计流程没能从概念设计师的角 度出发，不能与设计思维很好融合，而且这些模块没有功能结构、设计单元等 高层次的工程概念以及进行设计概念实体化的有效方法。 本文正是在这种情况下从功能层次研究产品结构设计的原理，将图形单元 作为设计师的工程语言，运用s o l i d w o r k s 二次开发技术将零件设计信息以图形 单元、功能结构单元等形式表示出来，开发出适合特定企业的特殊要求的产品， 形成企业自己的特色。用s o l i d w o r k s 二次开发出的实用的、自动化、智能化程 度高的机械工程c a d 系统，可以根据设计需求快速生成零件实体模型，实现概 念设计与结构设计的集成，降低产品建模复杂性，提高产品信息复用率，从而 可以缩短产品设计时间，使企业能够快速适应市场的变化，在市场竞争中能够 立于不败之地。 1 2 单元建模技术的国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 单元建模技术的国内外研究现状 自产品建模领域采用c a d 技术以来，产品模型在计算机中以数字化形式 表示，提高了产品的设计效率，同时缩短了产品的设计时间。但是现有的c a d 系统沿用的大多是几何模型，缺乏一定的零件特征及制造要求信息，不利于设 计思想的表达。为了发挥c a d 技术在此领域的巨大潜力，国内外许多专家和 学者在上述方面做了大量的研究工作。 浙江大学工程及计算机图形学研究所产品信息建模课题组在国家自然科 学基金及众多专家的支持下，在产品信息单元化和设计过程表示方面取得了巨 山东理工大学侦l ：学位论文第一章绪论 大的进步。 谭建荣教授提出了图形单元的基本概念和基于图形单元的产品建模原理， 提出了基于事物特性表的图形单元定义、编码和检索方法，提出了基于图形单 元迭代与置换的产品概念设计方法等。 浙江大学的顾新建【3 】教授将生物遗传基因技术应用到机械产品中，提出了 产品信息基因模型。并且利用这个原理，将相似性的零件统一分类，为进一步 提高零件和产品的标准化、系列化和模块化提供了一定的依据。 魏修亭4 1 教授从产品信息单元化和设计过程历史性的角度探索产品设计 概念和设计过程的发展规律，利用图形单元技术完成了面向设计历史与过程的 图形置换与迭代的理论和方法研究，实现了基于功能的零件结构设计。 祁国宁【5 1 在面向大批量定制的产品开发设计方法研究中提出了一种基于 模块化的产品族的设计方法，建立了产品的事物特性表，并在此基础上完成变 型设计。 张燕【6 】按事物特性表的原理，解释了标准件库建立的方法，并建立了一些 标准件库。 鲁玉军【7 1 按计算机集成产品工程哲理的思想和方法，以s o l i d e d g e 为应用 对象结合e x c e l 研究了基于事物特性表的产品变型设计原理，实现方法和过 程。 钟文明【町以事物特性表为核心，提出了产品变型设计的开发设计方法。 钱晓明9 1 以减速器中的低速轴为例，提出了基于事物特性表的变型设计方 法。 这些研究工作提出的图形单元和事物特性表的原理，为提高生产效率，降 低生产成本提供了一定的依据，也为本文提供了一定的理论依据。 1 2 2 单元建模技术的发展趋势 信息技术及其它高新技术的发展、应用及逐步融合，为企业产品的开发与 创新开辟了有效的途径。c a d 技术具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿 4 山东理丁大学硕士学位论文 第一章绪论 真与试验、绘制图形、工程数据库管理和生成设计文件等功能，其广泛应用已 经引起了一场工程设计领域的技术革命。特别是近2 0 年来，由于计算机硬件性 能的不断提高，以c a d 技术为代表的信息技术在产品开发中的深入应用，开创 了崭新的产品开发模式一一数字化产品设计，由此所带来的设计观念、设计方 法、组织形式的全面创新，将迎来机械产品设计的现代化【1 们。 ( 1 ) 集成化 c a d 集成化系统是c a d 技术发展的主要趋势之一，而且对于基于事物特性 表的集成性也同样适用。这个集成可以是各个功能模块之间的集成，也可以是 各个图形单元之间的集成。集成化是多角度、多层次的。实现基于事物特性表 的集成化不仅可以提高设计的效率，而且可以降低成本。 ， ( 2 ) 标准化 由于历史上c a d 、c a m 软件最初开发过程中的孤岛效应，导致了它们数 据表示格式的不统一，使用不同系统、不同模块间的数据交换难于进行，在此 基础上应该实现基于事物特性表的各种数据的相互转化，使零件的设计更加大 众化。 ( 3 ) 智能化 由于产品设计效率成为市场竞争的一个主要因素，所以在根据设计师的设 计意图将c a d 系统与产品设计过程相结合的过程中应能实现产品设计的自动 化和智能化，即设计师提出产品意图和创新思路，c a d 系统可自动完成设计 概念的实体化工作。 ( 4 ) 网络化 由于近年来网络技术的飞速发展，计算机辅助设计也应从个人设计转向网 络协同产品设计，以实现产品设计信息的共享，因此基于事物特性表的单元化 建模技术也应在此领域得到体现。 1 3 课题的研究内容及研究的意义 1 3 1 课题的来源 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 本课题来源于山东理工大学机械工程学院魏修亭教授承担的山东省自然 科学基金“产品结构设计单元化理论、方法研究及其应用”。 1 3 2 课题意义 本系统可以解决当前一些大型c a d c a m c a e 商品化软件如 u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n e e r 等三维绘图软件在表现设计过程时仍以基本的点、 线等作为基本几何图素来绘制草图的问题，并且可以作为工程语言来表达设计 者的设计意图，能够快速体现设计者的设计意图，使c a d 系统能够根据设计 需求，快速生成产品实体模型，从而实现产品结构设计的自动化和智能化。 本文是在计算机辅助设计技术发展的基础上，采用基于事物特性表的图形 单元技术，将事物特性表与图形单元相结合。使图形单元的设计更加合理化， 减少了设计人员的重复性劳动，不仅最大限度地提高了人们的工作效率，而且 可以有效利用资源，大大缩短了产品的设计开发周期，节省了设计费用，提高 了产品设计开发质量，使企业迅速适应全球市场竞争的激烈环境，在迅速变化 的市场中获得更大的利润。 1 3 3 课题的研究内容 ( 1 ) 零件结构分解与图形单元的特性分析 虽然机械产品中的零件各式各样，但通过分析零件的结构发现，各个零件 之间总存在某些相似的地方，我们对其相似性分析，抽取其共性，作为设计的 基本单元，这种基本信息单元是由产品的几何、功能等基本图形单元组成的。 将零件照标准化、规范化、系列化和合理化原则分解成图形单元，通过产 品的结构单元化，不仅使产品设计的零件数量得到控制，而且使新产品的设计 可以从图形结构单元的组合中得到。图形单元技术的提出为产品设计的自动化 提供了合理的解决方案。 ( 2 ) 图形单元的建模设计研究 通过对图形单元的特性分析，采用参数化建库技术，利用v b 对s o l i d w o r k s 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 的二次开发完成图形单元的建库过程，图形单元库的建立为实现零件设计的自 动化奠定了基础。 ( 3 ) 零件结构的动态编辑过程 将图形单元按照一定的约束规则自动装配成零件产品，并将初步成形的零 件产品按照设计者或客户的要求进行动态编辑即对零件产品进行插入、删除和 替代等操作，实现产品的设计信息化和产品的结构优化。 ( 4 ) 基于事物特性表的变型设计 将s o l i d w o r k s 中的零件模型和事物特性表相关联建立了零件产品的事物 特性表，并且在此基础上实现了零件产品的变型设计，修改事物特性表中相应 的零件模型的尺寸值就可以驱动零件模型的改变。由此变型设计可以减少零件 的数量，有利于同一类零件的存储。 ( 5 ) 基于三维模型的零件图的自动生成 由于零件图在实际的生产过程中有一定的实用性，所以在最后详细介绍了 利用v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发技术将已设计好的三维模型转换为零件图的 方法，并且对零件图可以进行一些属性操作。 ( 6 ) 基于事物特性表的零件结构设计系统开发 在以上理论的支持下开发了基于事物特性表的零件结构设计系统，以建立 一个齿轮轴为例介绍了从图形单元的建立到生成齿轮轴的全过程。 论文的结构如图1 2 所示。 1 3 4 课题的创新点 ( 1 ) 零件结构的动态编辑过程 零件结构动态编辑过程的实现，不仅实现了零件结构设计的合理化，而且 可以减少设计的重复性工作，为缩短产品的设计开发周期提供了一定的依据。 ( 2 ) 基于事物特性表的变型设计 基于事物特性表的变型设计的实现，可以为同一类零件建立零件库，大大 减少了零件的数量，在一定程度上提高了设计的效率。 7 l “东理工人学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 基于三维模型的零件图的自动生成 利用v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发技术实现了三维模型和零件图之间的转 换，使整个开发系统的完成都在v b 环境下完成，而且解决了s o l i d w o r k s 本身 在零件图属性操作方面的不足。 l 第四章 零件结构动态编辑技术研究 l 第五章基于事物特性表的零件结构变型设计研究 - i 第六章基于三维模型的零件图自动生成技术研究 o i 第七章基于事物特性表的零件结构设计系统开发 i 第八章总结与展望 图1 2 论文结构图 8 山东理t 人学硕 j 学位论文第二章零佴结构分解与图形单元特性分析 第二章零件结构分解与图形单元特性分析 【文章摘要】本章详细介绍了图形单元的概念和性质。从相似性原理出发j 按从属 关系和功能结构两个方面对图形单元进行分类，并且讲解了图形单元的参数化建库技术， 为后续的零部件的建模和配合阶段奠定了基础。 2 1 引言 如果能够找到一种按照机构要素( 即形状特征) 来参与产品图形设计的方 法就可以使绘图简化，使c a d 系统能够按照设计要求快速生成产品实体模型。 本文的图形单元就是这样的一种机构要素。 2 2 图形单元定义 机械产品设计是一个逐步进化的过程。在这个进化过程中，机械产品的众 多信息被遗传下来，因此机械产品中的零件尽管千差万别，但总存在局部形状 相似的地方【l 。我们对其相似性分析，抽取其共性，作为设计的基本单元。 这种由产品的几何、功能等基本图形单元组成的基本信息单元称为图形单元 ( g r a p h i c sm o d u l e ) 。图形单元有意义的组合仍然是图形单元。图形单元是产品 信息的载体，符合产品设计人员的设计意图和习惯，更加实用，推广更加方便。 图形单元的提取是按照标准化，规范化，系列化和合理化的原则进行的。 2 3 图形单元结构分解 在基于单元的产品设计中，产品结构模型分为产品、部件、零件、功能结 构和图形单元( g r a p h i cm o d e l o n ) 五个层次，如图2 1 所示。其中，功能结构是 零件上能够完成某些具体功能( 如定位、支承、旋转、传递力或运动等) 的那 9 山东理t 人学硕士学位论文第二章零件结构分解与图形单元特性分析 部分图形集合，图形单元是携带设计、工艺和加工信息并能表示零件结构特征 的最小独立单位【1 2 】。本章主要是研究基于图形单元构造零件的方法。 图2 1 图形单元的等级 在对机械零件进行结构分解时，一般按照功能和几何要求进行单元的选择 与组合。零件的结构设计一般是按功能进行的，功能是有一组形状特征构成的， 对应完成零件的一种子功能。在对产品功能进行分解之后，一个功能的实现往 往只涉及到零件的某个或某些图形单元，而图形单元是单元化产品建模的基本 单位。功能结构的概念建立了设计功能与几何结构之间的有机联系。合理的功 能结构划分是实现零件按功能设计的基础。在大多数情况下，零件结构一般存 在明确的功能分区，功能分区完成一些具体的功能。例如，带有齿轮的轴类零 件主要完成支承和啮合的功能，用轴端a 、切齿部分和轴端b 等三个功能结构 实现，如图2 2 所示。 齿轮轴的轴端又可以分成输入输出端( 如轴端a ) 和自由端( 如轴b ) ， 自由端仅起到支承的作用，而输入端除了具有支承的功能之外，还具有与外 界交换能量的功用。为适应不同的使用要求，它的每个功能结构具有多种变型。 根据文献1 1 3 1 的统计，轴端a 和b 分别有8 种变型，切齿部分有7 种变型。这 三种功能结构的任一有效变型的组合都能产生一个齿轮轴，总共可以设计出8 7 8 = 4 4 8 种不同的零件，基本覆盖了工程产品中的各类齿轮轴【14 1 ，如图 2 3 所示。 l o 山东理t 大学硕七学位论文 第一葶零件结构分解j 萼 形单儿特性分析 支承啮合支承 r1 r1 轴端a切齿部分q轴端b 司一画 图2 2 齿轮轴的结构分解 噩 区 - 齿轮轴的三种功能结构变型 轴 。簟。薅二j 懿淳豁。蠖。：i 端 a 变 型 薯 葬 。鬈4 囊。：；善羔。t ；l ；誊。? 霹、 耋 q 轴 孔弛零。雪。爹。参净。乏渤。t 端 b 变 型 图2 3 工程中的齿轮轴分类 为了提取结构建模的基础元素，可将功能结构进一步分解为图形单元。在 结构分解时，要抓住零件的主要特征，而不必深究局部图形细节，经过进一步结 构分析。t j 知，表达4 4 8 种齿轮轴结构的所需的图形单元只有“个，如图2 4 所示。 也就是说，只要建立了包含图2 4 中五个图形单元的单元库，就能通过单元化 山东理一人学帧i j 学位论文第一二章零件绌 ；j 分解。j 图形单元特性分析 建模方法迸i j 二各利，齿轮轴零件的结构建模。 雾曩万 嘲 i j，。l 鬻j 斛 2 4 图形单元表示方法 图2 4图形单元分类 零件模型中幽形单元携带的信息包括单元信息、功能结构信息、定位实体 信息和单了c 关系信息四部分【1 2 】。基于以上信息，以齿轮轴为例说明图形单元 的表示方法。用a 、b 和q 区别i 端不同的功能结构变型。对齿轮轴的各功能结 构变型采用数字集合编码的形式，如轴端a 各种变型的数字集合代码为l i ( i = 8 ) ，切齿部分为2 j ( j = 7 ) ，轴端b 为3 k ( k = 8 ) 。 即：轴端a = 1 1 ，12 ，1 3 ，1 4 ，l 5 ，l6 ，l 7 ，l8 ) ； 切齿部分= 2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 6 ，2 7 ) ； 轴端b = 31 ，3 2 ，3 3 ，3 4 ，3 5 ，3 6 ，37 ，3 8 ； 因此，齿轮轴的功能模型建模实际卜就可以看做足轴端a 、切齿部分和轴 端b 个结构单元问的拼接组合，即齿轮轴= 轴端au 切齿部分u 轴端b 【l 5 | 。 定义完功能结构单元后再定义图形单元，对于功能结构单元中的图形单 元，采用的是从左到右的数字集合编号。如对于轴端a 中功能结构l1 中各个图 形单元的完整表示方法为：a 轴11l 、a 轴ll2 和a 轴承l l1 。 以功能结构ll 、2l 和31 的组合为例，齿轮轴的功能模型为： a 轴承l ll ua 轴1 1 2uq 轴2 l lu q 轴2 1 2uq 踟轮2 1 luq 轴2 13uq 轴21 4ub 轴3l lu 轴3 1 2 轴承3l l 山东珏l ! r 【大学硕i j 学位论文第二带零件结构分解与图形单兀特性分析 采用以上的数字编码不但可以保证零件标识的唯一性，而且在以后的配合 过程中可以实现循环配合，在动态编辑和事物特性表的建立中为零件的自动识 别提供了方便，为基于事物特性表的变型设计提供了可能。 2 5 图形单元参数化建库技术 图形单元库的建立为概念设计，动态编辑和变型设计奠定了基础。只要按 照要求将图形单元库中的单元进行参数的修改，系统将会自动完成新的模型的 建模。 参数化设计【1 6 j 【1 7 1 是指用一组参数来定义几何图形( 体素) 尺寸数值并约 定尺寸关系，然后提供给设计者进行集合造型使用的设计方法，也就是以与设 计对象的控制尺寸有显式对应关系的参数，通过尺寸驱动修改设计结果，从而 满足设计要求的产品几何造型的设计。 参数化方法是产品模型修改和变型设计的需要，是设计自动化所采用的关 键技术之一。在一般的设计思维中，所有的尺寸都是对形状的注释，即先有了 形状，然后再标注尺寸。这种标注往往含有测量的意味。参数化驱动不仅仅是 测量的结果，更应该是一个驱动的参数。所以对参数化建模能更多的注重表达 设计的构思，而不仅是给设计者提供直接的工艺尺寸。 基于图形单元的参数化建模使得图形库具有较好的可维护性与扩充性 【1 引。基于以上原理，利用s o l i d w 6 r k s 完成图形单元的参数化建库。 ( 1 ) 建立图形单元，修改设计变量名称 s o l i d w b r k s2 0 0 6 是一种尺寸驱动式系统，用户可以指定尺寸及各实体间 的几何关系，更改尺寸将改变零件的尺寸与形状。在建立图形单元过程中，可 以用智能尺寸自动进行尺寸标注。对于自动标注的尺寸，系统会默认一个名称， 为了方便设计者对需要参与参数驱动的特征尺寸进行管理及编程时的有效调 用，应对其进行重新命名【19 1 。如使用更具有工程意义的d ，r 或者是符合设计 者要求的尺寸名称来代替原先的尺寸名称等。 ( 2 ) 添加关系方程式 l lj 尔脞 大学硕i j 学位论文筇辑零件结构分解1 j 图形单几特性分析 在产品设计 j ，经常会遇到一些尺寸数值以及如何根据设计要求来使各 个尺寸满足一定关系的问题。在s o l i s w o r k s 中，提供了数学方程式这种有力的 工具。在模型尺寸之间生成数学方程式时，般使t l | ：j “尺寸名称”作为变量，将 不同的尺寸相与：关联起来。使用方程式不仅一j 以减少设计八、j 。的输入数量，而 目，j ，以提高建模的质量。例如可以将轴中基准面的位置和轴的高度连接起来。 关系方程式为：”d 1 基准而2 ”= ”d 1 拉伸1 ”，这样当改变轴的- 苛度时琏准面 的他置就随之改变，而不用单独再改变基准血的f 涉胃八、j 了。 ( 3 ) 系列零件设计表 如果在计算机上同时安装了m i c r o s o ne x c e l ，就i _ j - 以使川e x c f i 。在零 什义件中直接嵌入新的配置。配置是指由一个零件或一个部件派牛出来的形状 棚似、大小不同的一系列零件或部件集合。在s o l i d w o r k s 中大量使用的配置 足系列零件设计表，利用系列零件设计表用户可以很容易生成一系列大小相 司、形状相似的零件，从而形成一个零件库，可以节约大量的时间【2 1 。如图2 5 所示。 岛 掌辱端拿， z j 。 翟 l 系列事件设计表是为。轴鬟缓缀缓戮缓黧蓊缓霾缓鬟l 鬟缀 圈 肇缓缀缵缀缓缀缀缀缀弱缓缀豢缀 撼髻缓缓缀戮戮鹨霾缓鬟缓 2 昌昌瑷缀| l 缀鬃缀翳裂缝缀燃缓戮。 3默认4 0 2 0 缓缀缀缓缓l 灞缀瑷荔缀糍 4 5 6 7 曩 嚣嫡翰蕊缀甄鳞黪糍，搿* 8 i 曩鬃 9 1 0 h - h 盐n 黪缀臻黪i ；l 三! 蓼爱黧缀麓翳! 篓。j 攀露鼍鬻篓黪罄对掣z ! ：i ；1 一i i ，嚣：缝琵孽翳篁墅鬃_ _ 麓j ，爱誊i i 黪j 。“ l _ 鬓荔毳荔鬻纛曩鬟 篆i 攀j ：，： j i 囊心爨攀；攀+ 荔。黍? j | ；l 霪鬟煞i jl i f 一一i | ；i i 霉i ：i 1 | ，i i 爹1 ) 篡：荔辫爹i j 正在鼻辑：零件 t 图2 5系列零件设计表 1 4 山东理r 人学硕士学位论义 第一二章零件结构分解与图彤单元特十牛分析 2 6 本章小结 本章通过介绍零件产品的分解和建立图形单元库的方法，将图形单元用参 数驱动，不仅使图形单元有了较好的可维护性，而且图形单元库建立之后就可 以为后续的配合，动态编辑和变型设计提供了方便。 山东理t 大学硕卜# 位论文 第三章图形单冗建模技术研究 第三章图形单元建模技术研究 【文章摘要】本章详细介绍了由图形单元的概念和性质出发，利用v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发技术完成图形单元的参数化建模。为后续的图形单元的动态编辑阶段奠定了 基础。 传统的机械设计要求设计人员必须具有较强的三维空问的想象力和表达 能力，当设计师设计新的零件时，他应该先构造出该零件的三维形状，然后用 二维工程图将零件的三维形状表达出来，此设计方法严重影响着产品的设计制 造周期。随着计算机相关技术的发展，c a d 技术也逐渐由二维绘图向三维设计 过渡，使设计过程更加符合设计师的设计习惯和思维方式。设计师可以更加专 注于产品的设计，而不是产品的图形表示。s o l i d w b r k s 是基于特征的实体造型 软件，图形单元都是由可以用参数驱动的特征组成的，所以图形单元的建模都 可以用s o l i d w 6 r k s 二次开发技术来完成。 3 1 s o l i d w o r k s 二次开发介绍 s o l i d w b r k s 作为一种三维实体设计软件，其友好的用户界面，大众化的运 行环境使它成为比较流行的设计软件之一。使用s o l i d w 6 r k s 使得三维零件实 体造型、复杂装配体和生成常用工程视图等变得非常的方便，但是对一些特殊 的要求却很难满足，例如没有适合特定企业自己需要的标准件库，由此给设计 工作带来一些不方便。为了适应市场需求，满足一些特定企业的特殊要求， s o l i d w b r k s 提供了免费的开发工具a p i ( a p p “a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程 序接口) 函数，这些a p i 函数是s o l i d w o r k s 的o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ，对象的链接与嵌入) 或c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象 模型) 接口，用户可以利用支持o l e 和c o m 的v b 语言对s o l i d w o r k s 进行 二次开发。同时a c c e s s 是一种容易使用，而且功能强大的数据库管理系统， 1 6 山东理t 人学硕十学位论文第三章矧形单元建模技术研究 例如轴承等标准件的国家标准数据可以使用a c c e s s 来管理。这样就可以利用 v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发开发出齿轮和轴承等的专用模块，满足自己特定 的要求。 s o l i d w o r k sa p i 是树型层次结构如图3 1 所示，s 0 1 i d w o r k s 是根目录对象 类，位于应用程序的底层，它包括m o d e l d o c ，e n v i r o n m e n “f r a m e ，a t t r i b u t e d e f ， m o d e l e r ，s w p r o p e n y s h e e t ，它是访问s o l i d w o r k sa p i 所有对象的入口程序， 它能直接或间接地访问s o l i d w o r k sa p i 中的所有其他对象。接u 对s o l i d w o r k s a p i 的调用实行逐级寻访，即先调用能实现所需功能的对象的父对象，然后调 用与父对象相关的子对象，如果子对象所封装的属性和方法不能实现所需要的 功能，则继续调用该子对象的下级子对象，如此逐级遍历，直到结束，如果对 s o l i d w o r k sa p i 对象进行跨级调用，程序会出错。本章将重点介绍m o d e l d o c 对象，因为大部分绘图操作都在m o d e l d o c 对象中，如s e l e c t b y i d ( 选择) 、 c r e a t e c i r c l e 2 ( 画圆) 、c r e a t e l i n e 2 ( 画直线) 。m o d e l d o c 中又创建了 p a r t d o c 、a s s e m b l y d o c 、d r a w i n 垂d o c 等子类。其中大部分实体建模操作都在 p a r t d o c 对象中，如f e a t u r e e x t m s i o n ( 拉伸) 、f e a t u r e r e v o l v e ( 旋转) ；而相关的 装配操作如a d d c o m p o n e n t ( 插入零部件) 、a d d m a t e ( 插入配合) 等都在 a s s e m b l y d o c 对象中。 3 1 1 s o l i d w b r k s 二次开发通常采用的流程 置； ( 1 ) 创建s o l i d w b r k s 对象，实现和s o l i d w b r k s 应用程序的连接； ( 2 ) 利用s o l i d w b r k s 提供的a p i 函数，创建应用程序所需要的操作和设 ( 3 ) 最后创建s o l i d w b r k s 及其它对象结束程序，完成整个流程。 1 7 l l j 东理i 。人学硕= ：学位论文第三章图形甲儿建模技术研究 图3 1s o l i d w o r k sa p i 树型层次结构图 3 1 2 s o l i d w o r k s 二次开发的过程 用v b 开发s o l i d w o r k s 时，一般是利用宏录制命令在s o l i d w o r k s 环境中 录制s o l i d w o r k s 的相关操作来获得程序头部和应用程序的代码，并将代码经 过适当的修改后放到v b 中使用。 在s o l i d w o r k s 中利用宏录制的方法：选择s o l i d w o r k s 菜单下的视图l 工具l 宏i 录制命令。当在s o l i d w o r k s 中录制完所需的操作后，点击菜单下的视图l 工 具l 宏i 停止命令保存，然后点击菜单下的视图l 工具i 宏i 编辑打开录制的宏进行编 辑和修改后作为v b 的原代码。下面以v b 为开发平台介绍其一些常用的a p i 函 数【20 1 。 ( 1 ) 定义接口函数 在用v b 对s o l i d w o r k s 进行二次开发时，首先要建立s o l i d w o r k s 的连接，创 建s o l i d w o r k s 的应用对象： 山东理工大学硕十学位论文第二三章图形单元建模技术研究 d i ms w a p pa so b j e c t s e ts w a p p = c r e a t e o b j e c t ( s l d w o r k s a p p l i c a t i o n ) 通过这个接口函数，就打开了v b 对s o l i d w o r k s 的接口，通过它就可以调用 s o l i d w o r k s 的a p i 函数了。 ( 2 ) 建立新的零件 创建新的零件： d i mp a r ta so b j e c t s e tp a r t = s w a p p n e w p a r t 这个函数创建了一个新的工作区，使我们能够进行建模。 ( 3 ) 选择 “选择”可以说是在使用s o l i d w o r k s 时用得最多的一个命令，有很多命令 在使用时都要选择操作对象，通过调用m o d e l d o c 对象中的s e l e c t b y i d 函数来 实现： m o d e l d o c s e l e c t b y i d ( o b j e c t n a m e ，o b j e c tt y p e ，x ，y ，z ) 这个函数在应用时需要输入五个参数：o b j e c t n a m e 表示要选择对象的名 称，该名称是s o l i d w o r k s 在创建对象时按先后顺序自动命名的，如基准面1 、基 准面2 、a r c l 、l i n e 3 、d l 草图l p a r t l s l d p r t ；o b j e c tt y p e 要输入对 象的类型，如p l a n e ( 面) 、s k e t c h s e g m e n t ( 草图上的对象如直线、圆弧 等) 、d i m e n s i o n ( 尺寸标注) ；x ，y ，z 是平面上任一点的坐标值。 ( 4 ) 插入草图 在所选平面上插入草图，调用m o d e l d o c 中的i n s e r t s k e t c h 函数： m o d e l d o c i n s e n s k e t c h ( ) ( 5 ) 基本草图绘制命令 画直线调用m o d e l d o c 对象中的c r e a t e l i n e 2 函数： m o d e l d o c c r e a t e l i n e 2 ( x s t a r t ，y s t a r t ，z s t a r t ，x e n d ，y e n d ，z e n d) 【c o n s t r u c t i o n g e o m e tr y2 t r u e 】 x s t a r t 、y s t a r t 、z s t a r t 、x e n d 、y e n d 、z e n d 分别是直线的起点和终点 坐标：c o n s tr u c t i o n g e