（测试计量技术及仪器专业论文）机械压力机参数化设计的研究.pdf

硕上论文 摘要 机械压力机( 又称曲柄压力机) 是板料冲压生产中的主要设备，随着钢铁重工行业的 加速发展，钢铁锻压行业的发展也被大大推动，因而提高机械压力机的设计生产效率势 不可挡。机械压力机其设计基本成熟，属于系列化产品，为了提高企业在市场中的竞争 力，必须提高这类产品的设计开发水平和设计效率，避免重复劳动。 本论文对机械压力机进行参数化设计：对压力机零件级设计以尺寸驱动与程序驱动 结合的指导思路，其中对标准件主要通过工程约束确定其型号，对非标准件提取其技术 参数和尺寸参数，通过工程约束和几何约束相结合的方法确定其具体尺寸，并且建立其 模型；对部件级设计以“自底向上”为主，“自项向下”为辅的指导思路，自底向上主要通 过数据库来传递关联的参数来实现，而自项向下主要通过添加方程式驱动实现。 本论文参数化系统对s o l i d w o r k s 二次开发采用基于o l e 和基于c o m 结合的方法， 建立参数化设计程序，实现基于s o l i d w o r k s 的机械压力机参数化设计；采用s q l 语言， a d o 技术对数据库a c c e s s 2 0 0 3 进行管理：利用v i s u a lb a s i c 6 0 可视化编程工具建立了 良好的人机界面，使操作方便简单。 经使用，该应用软件满足用户提出的要求，方便用户进行锻压机的设计，有较强的 工程实用价值。 关键词：机械压力机，v i s u a lb a s i c 6 0 ，s o l i d w o r k s ，参数化设计，数据库 a b s t r a c t 硕一 ：论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a lp r e s si st h ec h i e fe q u i p m e n tf o rt h ep r o d u c t i o no fp u n c h i n ga r n l o rp l a t e a s t h ea c c e l e r a t e dd e v e l o p m e n to fh e a v yi n d u s t r y , t h ed e v e l o p m e n to fp u n c h i n ga r m o rp l a t e i n d u s t r yh a sb e e nd r i v e ng r e a t l y a sar e s u l t ，i t i sn e c e s s a r yt oa d v a n c et h ed e s i g na n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fm e c h a n i c a lp r e s s t h ed e s i g no fm e c h a n i c a lp r e s si sm a t u r i t ya n d s e r i e s ，s oi ti sv e r ys i g n i f i c a t i v et oa d v a n c et h ed e s i g nl e v e la n de f f i c i e n c yo nt h ec h a n c eo f i m p r o v i n gt h ec o m p a n y sc o m p e t i t i o n t h em e c h a n i c a lp r e s si sd e s i g n e dp a r a m e t r i c a l l yi n t h i sp a p e r ：i tu s e st h ed i r e c t i v e t h i n k i n go fc o m b i n i n gt h ed i m e n s i o nd r i v ea n dt h ep r o g r a md r i v et od e s i g nt h ep a r t s i nt h e p a r t sd e s i g n ，t h es t a n d a r dp a r t s t y p e sa l ec o n f i r m e dt h r o u g he n g i n e e r i n gr e s t r i c t i o n ，a n df o r n o n s t a n d a r dp a r t s ，f i r s tt h et e c h n o p a r a m e t e r sa n dt h ed i m e n s i o n p a r a m e t e r sa r ep i c k e du p ， t h e ni d i o g r a p h i cd i m e n s i o n sa r ec o n f i r m e dt h r o u g hb o t ht h ee n g i n e e r i n gr e s t r i c t i o na n d g e o m e t r yr e s t r i c t i o n ，a n dl a s tt h em o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ；a n d i tu s e st h ed i r e c t i v et h i n k i n g w h i c ht a k e s “b o t t o m - u p m a i n l ya n d t o p - d o w n s e c o n d a r i l yt od e s i g nt h ec o m p o n e n t s i nt h e c o m p o n e n t sd e s i g n ，“b o t t o m u p ”i sc a r r i e do u tt h r o u g ht h ea s s o c i a t e dp a r a m e t e r sw h i c ha r e t r a n s f e r r e da n d t o p - d o w n i sc a r r i e do u tt h r o u g ht h et h ed r i v eo f t h ea d d i t i v ee q u a t i o n s t h ep a r a m e t r i cs y s t e mo ft h ep a p e rt a k e st h em e t h o db a s e do nb o t ho l ea n dc o m i n t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s i nt h es y s t e m ，t h ep a r a m e t r i cp r o g r a mi sc o m p i l e d a n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g no ft h em e c h a n i c a lp r e s si sr e a l i z e d t h es y s t e mt a k e su s eo ft h e l a n g u a g en a m e ds q l ，t h et e c h n o l o g yn a m e da d o t om a n a g et h ed a t a b a s ea c c e s s2 0 0 3a n d e s t a b l i s h e st h ei n t e r f a c ec o n n e c t i n gt h eo p e r a t o ra n dt h ec o m p u t e rb a s e do nv i s u a lb a s i c 6 0 w h i c hi sv i s u a ll a n g u a g et os i m p l i f yt h eo p e r a t i o n t h i ss o f t w a r es a t i s f i e st h ed e m a n d so ft h eu s e r sa n di sc o n v e n i e n tf o rt h eu s e r st od e s i g n t h ep r e s s ，s oi th a st h es t r o n ge n g i n e e r i n gv a l u e k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lp r e s s ，v i s u a lb a s i c 6 0 ，s o l i d w o r k s ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，d a t a b a s e i i 声明尸l ! j 了 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 呻6 月吖日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 叫年( 月妇 硕士论文 机械压力机参数化设计的研究 1 绪论 1 1 课题研究背景及来源 机械压力机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动， 对坯料进行成形加工的锻压设备，能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品，在所 有的锻压设备中，机械压力机所占的比例达到8 0 以上【l 】。机械压力机具有结构简单、生 产率高等优点，因而被广泛用于机械、汽车、电子设备、仪器制造、国防工业、日用品 等生产行业。 然而机械压力机的生产属于单件小批量生产，每位客户根据自己企业需求的不同， 对于每一台锻压机都有自己的要求，因此对于每一台锻压机都必须重新设计。长期以来， 这个工作由人工完成，浪费了大量的时间和人力。考虑到锻压机某些典型零件具有相似 性，可以对这些零件进行参数化设计，从而达到加速设计的目的 2 1 。同时由于近代工业的 发展，各行业对加工工件精度要求越来越高，需要在压力机的设计上提倡精确化，从力 学角度和动态分析角度优化主要部件。只有这样，才能提高我国机床的产品质量和国际 竞争力，推动我国的民族工业发展。因此课题的研究具有良好的应用前景。 1 2c a d 技术的现状与发展趋势 计算机辅助设计技术( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指借助于计算机完成设计并产生图 形图像的一种综合性工程技术和方法【3 1 。它主要研究用计算机、外围设备、图形输入输 出设备和相应的软件帮助人们进行工程和产品设计的技术。c a d 是电子信息技术的一个 重要组成部分，广泛应用于机械、建筑、汽车、电子、航空航天等领域，对于加速新产 品开发，缩短设计制造周期，提高产品质量，节约成本，增强企业的市场竞争能力和创 新能力，加速国民经济的发展和国防现代化，都具有极为重要的意义。c a d 技术己经成 为制造企业参与市场竞争的必要条件，成为企业进入世界市场的入场券。 1 2 1c a d 技术的产生和发展 c a d 技术起步于5 0 年代后期。到了6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发展，在 计算机屏幕上绘图变为可行，c a d 开始迅速发展。在c a d 软件发展初期，c a d 的含 义仅仅是c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经常讨论的c a d 所包含的 全部内容。到7 0 年代末期，c a d 技术开始由以二维绘图的算法为主要目标转向实用化、 多元化1 4 1 0 在c a d 的发展过程中，可以概括出四次重大的技术革命f 1 6 1 ： 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代是c a d 技术的开创时期，在当时，计算机图形显示设备和计 1 l 绪论 硕十论文 算机图形学理论为这项工作的最初研究奠定了良好的基础。1 9 6 2 年美国麻省理工学院林 肯实验室的i v a ns u t h e r l a n d 开发了s k e t c h p a d ，并发表了题为“人机通信的图形系统” 的博士论文，从此确立了交互式计算机图形学的研究地位，c a d 技术也正是伴随着交互 式计算机图形学而得以发展。初期c a d 技术的含义与功能仅仅是由计算机代替繁琐的手 工绘图，且以二维绘图为主，仅有的几种三维c a d 软件也只有线框造型功能。 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，由于国际航天和汽车工业的蓬勃发展，遇到大量的自由曲 面造型问题，因此自由曲面造型和实体造型技术获得了快速的发展，美国的c o o n s 和法 国的b e z i e r 先后提出了新的曲面算法。此时，研发了一批c a d c a m 软件系统应用于工业。 1 9 7 7 年法国达索飞机公司开发出具有代表性的三维曲面造型系统c a t i a t 5 1 ，为c a d 带来 了一次新的技术革命。随之为了解决c a e 问题，开发出采用基本体素和布尔运算来构造 三维模型的实体造型软件。1 9 7 9 年诞生了世界第一个完全基于实体造型技术的软件 i d e a s 。 2 0 世纪8 0 至9 0 年代，微机系统的普及，参数化技术和特征造型技术的发展，使得c a d 技术又产生了一次飞跃。如1 9 8 2 年美国a u t o d e s k 公司展示了全球第一个基于p c 的c a d 软件a u t o c a d ，与此同时，有很多人提出基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的 参数化设计方案【6 1 。1 9 8 5 年美国成立了p t c 公司，研制了参数化设计软件p r o e n g i n e e r ， 率先提出并实现了尺寸驱动零件设计修改的设计思想。9 0 年代中期，s o l i d w o r k s 公司发 布了s o l i d w o r k s 软件；l a t e r g r a p h 发布了自身的s o l i d e d g e 软件，成为微机系统的参数化 特征造型的后起之秀。 9 0 年代至今，计算机软硬件技术的急剧变化，尤其是计算能力的大幅度提高，对c a d 技术产生了巨大的影响，基于特征和基于历史的三维参数化设计系统的快速推出，全关 联的并行设计软件得到空前发展。提供对复杂产品全生命周期的解决方案，包括制造企 业所用的三维c a d ，c a m ，p d m ，c a e 和数字化制造等模块。 我国c a d 技术的研究开发和应用起步于2 0 世纪6 0 年代末，经过近4 0 年的研究、开发 与推广应用，c a d 技术已经广泛应用于机械制造、航空航天等各个领域。但是目前国内 c a d 系统的开发和应用还停留在相对较低的水平上，关键的c a d 核心技术还掌握在西方 发达国家手中。国内企业对二维c a d 软件的功能和作用已经有了充分的认识，二维c a d 软件已经成为设计师进行设计的一种主要工具，一些条件较好的企业认识到资源共享的 重要性，已从原来单机使用c a d 软件转化为基于网络的团队协作共享。目前国内有自主 版权的c a d 软件主要有高华c a d 、电子图板c a x a 、开目c a d 等，它们主要面向国内市 场，提供操作简便的二维工程图设计平台【7 i 。然而国内企业的二维c a d 应用大多停留在 低层次的绘图而不是设计工作上。 目前，国内c a d 技术的研究存在以下几个问题【8 】： 首先，国内c a d 软件占领的市场主要是二维绘图软件，自主开发的商品化三维c a d 2 硕士论文机械压力机参数化设计的研究 系统还未成熟，其功能、稳定性与国外同类产品相比还有差距，在应用层次上缺乏创新。 其次，c a d 软件开发者缺乏对模型的建立的理论和算法的研究，虽然有这方面的 研究论文发表，但在系统性和实用性方面还有很大差距。 此外，对于产品数据管理( p d m ) 的研究过于局限，对以p d m 为基础实现 c a d c a p p c a m 和e r p 等有机集成方面的研究还不够深入。c a d c a m 技术的深化应 用和企业信息化需要较大的投资，同时需要企业在管理模式、业务流程等方面进行深入 的变革【1 7 1 。 1 2 2c a d 技术的发展趋势 随着计算机技术的飞速发展和工业等领域对c a d 社会需求的提高，未来的c a d 系统 和c a d 技术需要研究和解决的重点问题在于并行工程与协同设计、用户接口的智能化和 人性化、造型技术、产品数据共享等方面。 并行工程与协同设计技术是正在蓬勃发展的新技术。随着计算环境的改变，借助网 络技术，跨越空间的阻隔和时间的限制，进行协作和交流，将会大幅度地提高工作效率， 缩短产品设计周期。此项研究已经起步，有待深入研究的问题是：基于异构c a d 系统 的协同设计方法；复杂c a d 模型在互联网上的实时传输方法；同步协同设计中保证 高响应和并行性的控制方法；面向并行设计、协同设计的冲突检测和协调方法；多 模式协同的并行装配设计和概念设计方法 9 j 。 用户接口的智能化和人性化。c a d 系统的用户界面是人与计算机之间交换信息的媒 介和对话接口，也是c a d 软件系统的重要组成部分。以用户为中心，自然、高效多通道 交互技术和无所不在的计算是一项长期的目标，也是当前人机交互的研究热点【1 们。采用 以用户为中心的c a d 软件设计方法，对产品进行开发和可用性工程评价，以保证c a d 软件技术及c a d 软件产业健康发展。在改善软件界面简化操作步骤、降低操作难度等方 面予以创新。 造型技术。实现与历史无关的造型方法，即产品模型的形状不再依赖于特征创建的 先后顺序，这使得三维c a d 系统更易于操作使用；全面地支持概念设计和详细设计，几 何造型系统能够创建任意几何形状的形体；能够更好地表达产品的完整技术和生产管理 信息，支持产品全生命周期的特征造型系统，使产品的设计工作在更高层次进行，为开 发新一代的基于统一产品信息模型的c i m s 集成系统奠定基础：具有线段、曲面、实体 混合建模的综合能力和三维尺寸标注功能；支持基于三维像素的造型功能和解决大型复 杂产品的装配问题。 产品数据共享。解决在一些主要c a d 系统中用户能够打开来自其他c a d 系统中的模 型，在不同的c a d 系统中图形数据共享与交换问题，使彼此互通，达到共享的目的，并 且尽可能地避免在交互过程中可能出现的图形失真、特征和约束信息丢失问题1 9 j 。将通 l 绪论 硕上论文 过国际标准化组织制定“产品模型数据交换标准s t e p ”，借助三维c a d 图形文件标准来 解决上述问题。 1 3 参数化技术的发展与现状 参数化设计( p a r a m e t i r 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【1 1 1 。 现今在市场经济竞争激烈的环境下，如何缩短产品开发设计时间，为企业赢得时间， 走在市场前列，对一个企业的生死存亡起着至关重要的作用。这成为了参数化技术出现 的根本原因。在经过人们的长期实践过程中，人们总结发现几乎所有产品的设计都是改 进型产品设计，而且原来产品设计信息中的7 0 左右在新产品设计时可以被重新利用。 如果要使产品的设计有充分的柔性，并且设计过程模型要能精确地反映实际设计活动， 同时又能迅速的重构，使产品的设计信息能够重用，那么产品开发设计时间将得到极大 的缩短。参数化技术正是在这样的背景下应运而生的。在参数化设计中，设计人员可以 根据自己的设计意图很方便的勾画出设计草图，系统能够自动的建立设计对象内部各设 计元素之间的约束关系，以便设计者更新草图尺寸时，系统能够通过推理机能自动更新 校正草图中的几何形状并获得几何特点的正确位置分布。 1 3 1 参数化技术的产生与发展 参数化设计思想最早产生于美国，从七十年代末就开始了研究，起初属于二维参数 化设计范畴。如美国的i - d e a s 采用动态导航( d y n a m i cn a v i g a t o r ) 作图，用以捕捉设计 意图，在用户交互作图过程中确立图元之间的平行、垂直等约束关系。c v 公司的d e s i g n v i e w 参数化设计软件采用先作图和标注尺寸，然后用户交互制定哪些尺寸值可以显式 修改，哪些尺寸值固定不变或隐式修改。在国内，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【1 8 】。 变量化技术是参数化技术的进一步发展。变量化技术也是以几何约束系统来表示几 何模型，并通过求解几何约束系统的非线性方程组实现变量化模型的求解。在变量化图 形的几何约束系统中，几何约束方向没有确定，在几何约束求解时经几何推理得到。与 变量化建模相比，参数化建模偏重于图形生成的过程，记录信息是顺序生成的几何元素 之间的约束关系，这种记录过程与几何元素的生成次序有关。而变量化建模侧重于几何 元素之间的约束关系，即设计者包含在图形中的设计意图，与设计的过程关系不大。变 4 硕十论文机械压力机参数化设计的研究 量化建模将各几何元素之间的约束关系转化为非线性约束方程组，通过联立求解来重建 图形，因此变量化设计是允许欠约束的设计，允许用户不必关心约束设置的顺序，符合 用户的设计习惯。严格意义讲，参数化设计是变量化设计的子集【1 9 】。 1 3 2 参数化技术的现状 目前，参数化技术大致可以分为直接式和非直接式两种。非直接式参数化技术有： 编程法和基于三维参数化的形体投影法。直接式参数化技术则是指设计者通过用户界面 直接对图形进行操作，而不必理会计算机内部的处理方式，这是当前使用最为广泛的一 种方法，也称人机交互法。 非直接式包括两种方法，编程法和基于三维参数化的投影法。其中编程法是一种较 为原始但最为常用的方法。它需要编程者熟悉计算机语言及调试技能，通过分析图形几 何模型的特点，确定图形的主要参数以及各个尺寸之间的数学关系，将这种关系编入程 序中。使用时执行程序，输入需要的参数，由程序通过各个尺寸之间的数学关系确定其它 相关的尺寸值，从而就确定了整个图形；基于三维参数化的投影法是先进行三维参数化 设计，然后按不同方向投影，得n - 维参数化的结果，这是一种具有唯一解的生成方法， 但它受到几个方面的制约：其一是许多零件的三维造型本身相当困难，如复杂的体类零 件以及某些细小结构的造型；其二是三维参数化设计又是一个崭新的课题；其三是为了 进行符合国家标准的二维表达，需要对任一方向投影前的三维立体和投影后的二维视图 作较多的处理。 人机交互法参数化设计是目前参数化设计领域发展得较快的一个方向，也是应用最 为广泛的一种方法。这种方法已经成为目前参数化设计的主要技术路线。从实现参数化 的原理上分，人机交互法主要有：( 1 ) 基于几何约束的变量几何法，这是一种基于约束的 数学方法，它将图形的几何模型分解为一系列特征点，以特征点坐标为变量形成了一个 非线性方程组，当约束发生变化时，利用n e w t o n r a p h s o n 法迭代求解方程组，就可以求 出这些特征点的新坐标，从而生成了新的图形；( 2 ) 基于几何推理的人工智能法，这种 方法是用基于规则的推理方法来确定用一组约束描述的几何模型。在推理过程中，利用 专家系统将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓词描述，存入事实库中。推理机把从规则 库中提取出来的规则用于当前的事实集中，然后推理出几何形体的细节。推理过程输出 的是由一系列推理出的规则组成的一个几何形体的构造计划，参数化的模型也因此由在 构造计划中顺序算出的规则所决定；( 3 ) 基于构造过程的方法，这种方法在交互造型过 程中的每一步操作，采用了一种称为“参数化履历 ( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的机制，在设计 过程中，系统自动记录造型操作过程的程序化描述，将记录的定量信息作为变量化参数， 当赋予参数不同的值时，更新模型生成历程，就会得到不同大小或形状的几何模型。这种 方法较适用于结构相同而尺寸不同的零件设计，但由于需要严格遵循某种构图顺序，故 l 绪论 硕十论文 柔性和灵活性较差；( 4 ) 基于辅助线的方法，这种方法是让所有的几何图形的轮廓线都 建立在辅助线的基础上，辅助线的求解条件在作图过程中己明确规定，由辅助线来管理 图形的几何约束和结构约束，由辅助线来直接定义图形的约束集，这样就省去了在图中 遍历搜索和检查求解条件是否充分的工作，使约束的表达得以简化，减小了约束方程的 求解规模。 1 4 本文研究的主要内容 机械锻压机参数化设计是徐州锻压机厂与我们学校的合作项目。它主要依托 s o l i d w o r k s 平台实现对锻压机零件设计的规范化、参数化和自动化，以节省设计时间和 提高设计效率为目的。它要求实现把零件参数化设计的思想扩展到部件产品这一级。 本文在分析，比较和借鉴前人的研究成果，针对机械锻压机产品设计的特点及其各 个零件之间存在的关联设计，尤其是装配尺寸的要求，提出了符合该系统设计思路的参 数化方案；并依托于s o l i d w o r k s 平台实现了机械锻压机参数化设计。具体包括以下几方 面内容： ( 1 ) 锻压机各部分的结构设计计算，主要考虑工程约束； ( 2 ) 整理锻压机各功能区及功能区中零部件的关联尺寸和驱动关系； ( 3 ) s o l i d w o r k s 的参数化设计方法及其二次开发技术； ( 4 ) 通过v i s u a lb a s i c 编程语言实现锻压机的参数化控制； ( 5 ) 运用数据库管理技术，对锻压机各个参数库数据进行管理。 6 硕二l 论文 机械压力机参数化设计的研究 2 参数化设计技术概述 参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法，这是由于产品的整个设计过程就 是约束规定，约束变换求解以及约束评估的逐步求精过程。因此与传统设计方法的最大 区别在于，参数化设计方法通过基于约束的产品描述方法实际上存储了产品的设计过 程，因而它设计出一族而不是某个单一的产品。另外参数化设计能够使工程设计人员在 产品设计初期无需考虑具体细节而能够尽快草拟零件形状和轮廓草图，并可以通过局部 修改和变动某些约束参数而不必对产品设计的全过程进行重新设计。 约束是参数化设计的核心。参数化设计的过程，可以认为是一个约束指定、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。其可分为工程约束和几何约束两大类【l 别。 2 1 零件参数化设计 零件参数化设计主要有三种实现方法： 1 ) 尺寸驱动法 它只考虑尺寸及拓扑约束，不考虑工程约束。它采用预定义的办法建立图形的几何 约束集，并指定一组尺寸作为参数与几何约束集相联系。因此，改变尺寸值就能改变图 形【1 3 1 。 尺寸驱动的几何模型由几何元素，尺寸约束与拓扑约束三部分组成。此种方法，有 两个前提：( 1 ) 模型已经存在；( 2 ) 模型尺寸已经完全定义。 例如图2 1 长方形。 j 口 1 a 驱动前图形 j 1 a 驱动后图形 图2 1 尺寸驱动 图2 1 左边为驱动前图形，尺寸分别为长a ，宽b 。当修改尺寸大小为a ，b 时，系统自 动地检索该尺寸在尺寸链中的位置，找到它的起始几何元素与终止几何元素，使它们按 7 2 参数化设计技术概述 硕十论文 新尺寸进行调整，得到新的模型，再检查所有几何元素是否满足约束。观察图2 1 ，我们 可知前后两个图形的拓扑关系保持不变。 2 ) 程序驱动 程序驱动，其实就是通过程序按照模型建模顺序，驱动c a d 软件建模。它不仅考虑 了尺寸约束及拓扑约束，还考虑了工程约束。 它对设计人员的编程能力要求较高，需要对c a d - 次开发和编程语言掌握到一定程 度。 与前者相比较，程序驱动对用户c a d 软件使用能力较低，能提供友好的交互界面， 三维建模不受参数输入顺序影响。但是它也有不足之处，在实现复杂零件参数化设计时， 程序一般过于复杂，执行速度明显不如尺寸驱动，对软硬件要求较高。因此，我们建议 采用第三种方法二者的结合。 3 ) 尺寸驱动与程序驱动结合 该方法综合了前面两种方法的优点，能提供友好的人机交互界面，不受参数设置顺 序限制，响应速度快，目前的主流微机配置都能t - d 滥l 码足。因此，此种方法在c a d - - 次开发 得到了广泛的应用。 2 2 部件参数化设计 部件级参数化设计有两种典型的方法，即自底向上建模和自顶向下建模【1 4 】。 1 ) 自底向上 该过程模仿实际机器的装配，即把事先制造好的零件装配成部件，再把零部件装配 成机器。自底向上设计过程也是这样，先构造好所有的零件模型，再把零件模型装配成 子部件，然后再装配成机器，产生最终的装配模型。 在自底向上的设计过程中，如果在装配时发现某些零件不符合要求，诸如零件与零 件之间产生干涉，某一零件根本无法进行安装等，就要对零件进行重新设计，重新装配， 再发现问题，进行修改【”】。 从上述过程可以看出，自底向上设计的优点是思路简单，操作快捷、方便，容易被 大多数设计人员所理解和接受。但自底向上设计的缺点在于事先缺少一个很好的规划和 全局的考虑，设计阶段的重复工作较多，会造成时间和人力资源的浪费，工作效率较低。 2 ) 自顶向下 自顶向下的设计过程是模仿实际产品的开发过程。首先进行功能分解，通过设计计 算将总功能分解成一系列的子功能，确定每个子功能的参数；其次进行结构设计，根据 总的功能及各个子功能的要求，设计出总体结构及确定各个子部件之间的位置关系，连 接关系，配合关系，而各种关系及其参数通过几何约束或功能的参数约束求解确定；然 后分别对每个部件进行功能分解和结构设计，直到分解至零件。当各零件设计完成时， r 硕七论文机械压力机参数化设计的研究 由于装配模型约束求解机制的作用，整个机器的设计也就基本完成。 自顶向下与自底向上两种设计方法各有特点，分别适用于不同的场合。例如，在开 展系列产品设计时，机器的零部件结构相对稳定，零件设计基础较好，大部分的零件模 型已经具备，只需要补充部分设计或修改部分零件模型，这时，采用自底向上的设计方 法就显得更为方便。而在创新性设计中，事先对零件的结构细节不能非常明了，设计时 总是要从比较抽象笼统的装配建模开始，边设计边细化，边设计边修改，逐步求精，这 时就很难开展自底向上的设计，而必须采取自顶向下的设计方法。这样就可以使部件的 各组件可以相互参照，大部分的关联关系都由系统自动添加i l 引。 2 3 本章小结 本章首先介绍了参数化本质和核心，然后分别介绍了零件参数化和部件参数化的基 本方法，零件参数化主要是尺寸驱动和程序驱动两种方法，部件参数化主要是自项向下 和自底向上两种设计方法，并且介绍了各种方法的优缺点，为机械压力机参数化设计打 下理论基础。 9 3 机械压力机参数化设计系统要求及体系结构 硕。1 ：论文 3 机械压力机参数化设计系统要求及体系结构 本系统设计的目的是以j h 2 1 1 0 0 为设计对象，进行三维模型的参数化设计和主要 零部件的优化计算，提供一套开式曲柄压力机设计计算程序及三维参数化设计软件、主 要零部件的优化计算模型及方法。 3 1 机械压力机设计的基本要求 压力机设计应满足以下基本要求： i ) 使用要求： ( 1 ) 参数和精度都能满足工艺用途的要求； ( 2 ) 具有足够的强度，刚度和耐磨，耐久性能，能长期稳定地保持工艺能力； ( 3 ) 操作安全，省力，简单而又便于记忆，并且外形美观，给操作者提供良好的工 作条件； ( 4 ) 生产效率高，更换模具等辅助工时少，传动效率高，具有高度的使用经济性。 i i ) 制造要求： ( 1 ) 结构简单，紧凑，体积小； ( 2 ) 采用性能好，价格低，易于购买的材料，并充分发挥材料的性能使压力机的重 量轻； ( 3 ) 具有良好的结构工艺性，加工简单，装配方便，并且与制造厂的设备相适应； ( 4 ) 提高“三化”( 系列化，通用化和标准化) 程度，减少设计和制造劳动量，以缩 短制造周期和降低压力机成本。 i i i ) 其他要求： ( 1 ) 运输容易； ( 2 ) 安装简单； ( 3 ) 维修方便。 在上述要求中，使用要求和制造要求之间往往存在着矛盾；即使在制造要求上，加 工简单和装配方便之间也往往存在着矛盾；提高“三化”程度，则不仅对于制造能够减少 设计和制造工时，缩短试制周期，降低压力机成本，而且往往能够提高使用可靠性和促 使维修方便。在解决使用和制造的矛盾时，应当明确：使用是目的，制造是手段，使用 是长期的，制造是一时的。因此，应该特别重视使用要求，在满足使用要求的前提下满 足其他要求，使压力机能够顺利进行。在解决加工和装配的矛盾时，应以压力机成本低 为原则。 1 0 硕士论文 机械压力机参数化设计的研究 3 2 机械压力机参数化设计系统功能要求和体系结构 3 2 1 系统功能要求 结合机械压力机的设计基本要求和特点，本系统功能设计如下： ( 1 ) 产品三维模型的参数化。主要是根据主要性能参数( 滑块行程、行程次数等) 的要求，对典型零部件( 曲轴，滑块，连杆，齿轮传动，机身等) 进行分析计算，提炼 出主要设计参数和关联参数，实现参数化设计。 ( 2 ) 运用数据库管理技术对输入输出参数进行管理。 ( 3 ) 主要零部件需要生成模型，以便加工生产。 ( 4 ) 要有良好的人机交互界面，方便用户操作。 ( 5 ) 机身等主要零部件的优化计算模型及方法。确定以减重为优化目标，在满足性 能要求的基础上，对机身等主要零部件主要尺寸进行优化或对结构进行拓扑优化。 3 2 2 系统体系结构 s o l i d w o r k s 环境 有限元分析及优化环境 数据库环境 计算程序库ii典型参数化零部件库il装配件库il尺寸参数库 图3 1曲柄压力机参数化设计系统 如图3 1 所示，系统由三大功能模块组成：基于s o l i d w o r k s 的参数化设计模块、基 于有限元分析及优化的零部件性能分析及优化模块、以计算程序为主的数据库模块。 本文介绍的参数化系统是由s o l i d w o r k s 的参数化设计模块和以计算程序为主的数 据库模块组成。 参数化设计模块的基础是数据库，参数化设计的结果作为零部件性能分析与优化的 输入。参数化设计模块和数据库作为一整体打包在一起，两者之间的数据传递在程序后 台进行；零部件的性能分析与优化模块为独立模块，与参数化设计模块之间的数据传递， 需用户手动完成。 3 3 系统总体方案 ( 1 ) 系统平台选择 随着计算机技术的不断发展，微型计算机已经能很好地支撑起c a d 软件所需要的 3 机械压力机参数化设计系统要求及体系结构硕上论文 硬件平台，故选用微型计算机作为本文二次开发的硬件平台。本文所选用的软件平台为： w i n d o w sx p 操作系统，v b 6 0 程序语言平台，s o l i d w o r k s2 0 0 6 ，a c c e s s2 0 0 3 。 ( 2 ) 开发方法确定 本系统是基于s o l i d w o r k s 的二次开发，分析机械压力机的设计特点，由于设计已经 比较成熟，故采用以“自底向上”为主，“自顶向下”为辅的参数化设计方法。 ( 3 ) 开发工具选择 本文采用v b 作为s o l i d w o r k s 二次开发的工具，它与s o l i d w o r k s ，a c c e s s 2 0 0 3 一起 构成个完整的开发平台。开发采用基于o l e 和基于c o m 两种方法结合，建立参数化设 计程序；并采用s q l 语言，a d o 技术进行数据库管理。应用程序编译连接生成d l l 文件，作为s o l i d w o r k s 的扩展插件。 1 2 * i 机械压力机参数化设计的研究 4 机械压力机参数化设计 4 1 机械压力机零件参数化设计概述 机械压力机是采用曲柄滑块机构作为工作机构的一类锻压机器。开式曲柄压力机是 机械压力机的一个类别，其特点是具有开式机身，即c 型机身，开式曲柄压力机又分为 单柱压力机，双柱压力机。这里设计的参数化系统是双柱压力机，即机身中部前后敞开， 形成两个立柱，工件或废料可以通过两立柱之间向压力机后方排出【2 0 l 。双柱曲柄压力机 其主要是由曲柄滑块系统，机械传动系统，离合器制动嚣，电动机飞轮以及机身所构成。 如图4 1 所示： 根据机械压力机 图4 2 系统流程h 4 机械压力机参数化设计 硕卜论文 从流程图可以看出，用户输入机械压力机基本参数，运行后台的计算程序( 计算程 序都在一个打包的程序库中1 ，这样设计得到各部件的主要尺寸，这罩尺寸主要考虑的 是工程约束所得到的，然后对各部件进行尺寸匹配，装配成一台成型的机械压力机。 在此过程中，涉及到数据库的调用与管理，机械压力机标准件的数据全部写入数据 库，计算程序库不涉及数据操作，编程中主要通过a d o 的s q l 技术来对数据进行操作和 管理。 按机械压力机设计过程等分块，压力机设计计算程序模块流程如图4 3 所示： 图4 3 程序模块流程图 图4 3 中曲柄滑块系统包含了曲轴，连杆及球头螺杆，滑动轴承，滑块与导轨，滑 块部件重量，平衡装置等零部件；传动系统包含了三角皮带，齿轮，转轴，齿轮平键， 滚动轴承等零部件。 系统模仿实际机器的装配，即把事先制造好的零件装配成部件，再把零部件装配成 机器，采用以自底向上为主的设计过程。按照这一思路，就必须先构造好用于组装机械 压力机的主要零件模型。然后再采用自顶向下的设计过程，生成机械压力机装配模型， 同时按照装配要求修改剩下的零件模型( 如机身装滑动轴承的孔的大小等) 。 由于整个压力机系统十分庞大复杂，涉及的计算非常繁琐，所以这里只介绍了部分 重要零部件的详细计算过程，其他零部件的设计计算过程在此未加赘述。 4 2 机械压力机零件参数化设计 4 2 1 机械压力机基本参数 机械压力机零件的设计需要用户输入基本参数，机械压力机的基本参数如下表所 示： 公称力：滑块离下死点前某一特定距离( 公称压力行程) 时，滑块上所允许的最大作 用力。 1 4 硕十论文 机械压力机参数化设计的研究 公称力行程：压力机强度允许发生公称压力的一段滑块行程。 滑块行程：由上死点到下死点所走的路程。 滑块行程次数：连续行程时滑块每分钟的行程次数。 最大装模高度：封闭高度调节结构处于上极限位置和滑块下处于死点时，滑块底面 至工作台面之间的距离。 喉口深度：滑块中心到机身间的距离。 4 2 2 曲柄滑块系统参数化设计 曲柄滑块系统由曲轴，连杆，滑动轴承，滑块与导轨，封闭高度调节装置，平衡装 置等主要部件构成，所以应当对以上部件进行参数化设计。设计流程如图4 4 所示： 图4 4 曲柄滑块系统主流程图 4 2 2 1 曲轴参数化设计 i ) 曲轴主参数提取及主参数经验尺寸 因为曲轴模型已经给定，即拓扑关系已经知晓，所以现在对其进行参数化设计，应 当要提取其主参数。曲轴图形如4 5 所示： 图4 5 曲轴示意图 主参数及主参数经验尺寸如表4 1 所示： 4 机械压力机参数化设计硕十论文 表4 1曲轴主参数及其经验尺寸 曲轴设计主尺寸名称代号经验数据 曲柄颈直径 丸 ( 1 1 1 4 ) 成 支撑颈l 长度 厶， ( 1 5 2 2 ) 以 支撑颈2 长度 厶： ( 1 5 2 2 ) 磊 曲柄两臂外侧面间的长度 厶 ( 2 5 3 0 ) 反 曲柄颈长度 匕( 1 3 1 7 ) 哦 圆角半径 r ( 0 0 8 o 1 0 ) a o 曲柄臂的宽度( 或直径) a ( 1 3 1 8 ) a o 注：表4 1 中支撑颈直径以( 1 4 1 6 ) c ( c m ) 只公称压力( 吨 i i ) 曲轴强度校验 图4 6 曲轴强度计算简图 曲轴在工作过程中，由于本身变形的结果，使得作用在曲柄颈的载荷分布以及支撑 反力的作用点位置发生了变化，曲柄颈中央的变形大于两端的变形，因此，连杆给予曲 柄颈的作用力就成为非均布载荷，两端大而中央小，故可以简化两个集中力作用在曲柄 颈的两端。考虑到轴瓦的磨损，故提出图4 6 的计算简图。即载荷分为两个相等的集中 力，作用在距离曲柄臂内侧2 r 的地方，r 为圆弧半径，f ( o 0 8 0 1 0 ) 矗，两支撑也是支 在距离曲柄臂外侧2 r 的地方。这样的计算简图是根据实验结果建立的。事实证明：我 们假定的纯弯条件比较接近实际结果，而计算应力也接近于实测应力。 由上述的假定条件，建立了如下的强度计算方法。 曲轴的危险界面为曲柄颈中央的i i i i 截面和支撑颈端部的i i 截面。 i i i i 截面为弯扭联合作用，但由于弯矩比扭矩大得多，故忽略扭矩计算出来的应力 1 6 硕士论文机械压力机参数化设计的研