（机械设计及理论专业论文）支持变型设计的异构零件库研究.pdf

哈尔滨下程人学硕十学位论文 摘要 目前，几乎所有的c a d 开发商和一些c a d 用户都在其c a d 系统上开 发了内容丰富的标准件库，的确给设计人员带来一些方便。但由于缺乏对异 构c a d 系统的支持，使得零件信息交流存在障碍，零件资源不能有效共享。 针对上述问题，本文着重研究了零件库对异构c a d 系统的支持，并对 变型设计在零件库中的应用作了探讨。具体内容有： 分析了零件库的建库对象，依据建库对象的不同结构特点以及现有的 零件建模方法，确定标准件应采用参数化模板建模方法，相似件应采用参数 化特征建模方法。 深入研究了异构零件库的建库方式，依据零件库的建库对象和功能要 求，确定利用c a d 系统的专用接口完成异构零件库的建立，并在此基础上， 完成了异构零件库的总体结构设计。 对基于特征的零件建模技术进行了研究，完成了零件形状特征的分类 和描述，建立了零件的特征信息模型并分析了模型中形状特征之间的关系， 为零件的特征建模做好了理论准备。 对零件的变型设计进行了研究，确定零件分类管理是零件变型设计的 必要基础。通过对零件分类系统、聚类分析和遗传算法的研究，找到了一种 基于遗传算法的相似件分类方法，并以轴类零件分类为例做了验证。 对p r o e 、u g 的二次开发接口和基于特征的零件设计方法进行了研究， 采用两种软件均有的u d f 方法，通过参数驱动模板文件的方式完成了零件库 支持模块的开发，实现了零件库对异构c a d 软件的支持。 关键词：零件库；特征；变型设计：零件分类 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m o s to fc a ds o f t w a r ed e v e l o p e r s a n dc a du s e r sh a v e d e v e l o p e ds t a n d a r dp a r tl i b r a r i e sb a s e do nt h ec a ds y s t e m s ，w h i c hb r i n gs o m e c o n v e n i e n c et od e s i g n e r s h o w e v e r , t h es t a n d a r dp a r tl i b r a r i e sc a l ln o ts u p p o r t h e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m ，w h i c hl e a d st oa l lo b s t a c l et oc o m m u n i c a t i o no fp a r t s i n f o r m a t i o na n dl a c ko fs h a r eo fp a r t sr e s o u r c e s b a s e do nt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h ep a r t l i b r a r ys u p p o r t i n gh e t e r o g e n e o u s c a ds y s t e mi ss t u d i e dp r i n c i p a l l yi n t h i sp a p e ra n dt h ea p p l i c a t i o no fv a r i a n t d e s i g nt op a r tl i b r a r yi sd i s c u s s e di nd e t a i l t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea s f o l l o w s ： o t h ep a r t si np a r tl i b r a r ya r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt os t r u c t u r ef e a t u r eo f d i f f e r e n tp a r t si np a r tl i b r a r ya n de x i s t i n gp a r tm o d e l i n gm e t h o d s ，p a r a m e t e r i z e d t e m p l a t em o d e l i n g m e t h o di s a p p l i e d t os t a n d a r d p a r t sm o d e l i n g ，a n d p a r a m e t e r i z e df e a t u r em o d e l i n gm e t h o di su s e dt os i m i l a rp a r t sm o d e l i n g ) a p p r o a c ht ob u i l dh e t e r o g e n e o u sp a r tl i b r a r yi ss t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y b a s e do nt h ep a r t sa n dt h ef u n c t i o nd e m a n d so fp a r tl i b r a r y , h e t e r o g e n e o u sp a r t l i b r a r y i sb u i l tt h r o u g ht h es p e c i a li n t e r f a c eo fc a ds y s t e m t h e n , t h em a i n f r a m e w o r ko fh e t e r o g e n e o u sp a r tl i b r a r yi sd e s i g n e d t h r o u g h r e s e a r c ho fp a r t m o d e l i n gt e c h n o l o g y b a s e do nf e a t u r e ， c l a s s i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o no ft h ep a r ts h a p ef e a t u r e sa r ec o m p l e t e d t h ef e a t u r e i n f o r m a t i o nm o d e lo fp a r ti sb u i l ta n dt h er e l a t i o nb e t w e e ns h a p ef e a t u r e si s a n a l y z e d a l lo fw o r kc a np r o v i d et h e o r yp r e p a r a t i o nf o rf e a t u r em o d e l i n go fp a r t a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c ho fv a r i a n t d e s i g n t o p a r t s ，c l a s s i f i e d m a n a g e m e n to fp a r t si st h en e c e s s a r yf o u n d a t i o no fv a r i a n td e s i g nt op a r t s a c l a s s i f i e dm e t h o do fs i m i l a rp a r t sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mi sg a i n e do nt h e b a s i so fs t u d yo fp a r t sc l a s s i f i e d s y s t e m ，c l u s t e r i n ga n a l y s i sa n d g e n e t i c a l g o r i t h m ，a n da ne x a m p l eo fs h a f t sc l a s s i f y i n gi sa p p l i e dt oe n s u r et h ev a l i d i t yo f 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 t h ec l a s s i f i e dm e t h o da b o v e s e c o n dd e v e l o p m e n ti n t e r f a c et e c h n o l o g ya n dd e s i g n i n gm e t h o do fp a r t b a s e do nf e a t u r eo fp r o ea n du ga r ea n a l y z e d s u p p o r t i n gm o d u l eo f p a r tl i b r a r y i sa c h i e v e dt h r o u g hd r i v i n gt e m p l a t ef i l e s b yu s i n gp a r a m e t e r s 、 ，i n lt h eu d f m e t h o dw h i c hb e l o n g st ob o mp r o ea n du ga n dt h ep a r tl i b r a r yw h i c hs u p p o r t s h e t e r o g e n e o u sc a d s o f t w a r ei sr e a l i z e d k e y w o r d s ：p a r tl i b r a r y ；f e a t u r e ；v a r i a n td e s i g n ；p a r tc l a s s i f i c a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。 作者( 签字) ：隐耋娌 日期：，矽，刁年月f 蝈 。 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：鼬李旭 日期： 9 7 年多月7 咽 导师( 签字) ：絮髟 伽产3 月 l l 三l 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 不管制造业的科技如何发展，不管制造业的设计生产方式如何改进，“提 高设计生产效率，降低设计生产成本”永远是制造业努力追逐的目标。随着 我国加入w t o 和信息技术的发展，市场的全球化、经济的区域化、经营的 跨国化已日趋明显，制造业面临的全球市场竞争也更加激烈。在当今市场竞 争日益激烈的情况下，制造业能否以最短的时间、尽量低的成本向客户提供 质量满意的产品已成为影响企业生存和发展的当务之劁1 1 。制造业现在对“提 高设计生产效率，降低设计生产成本 这一目标的追求也更为迫切。 现在，为了实现上述目标，研究人员做了许多相应的研究工作，其中一 项重要工作就是零件库技术的研究，零件库技术的应用确实能有效地缩短产 品的开发周期、提高产品的质量、降低产品的成本。设计人员在进行产品设 计开发时，可以从零件库中很方便地找到所需要的零件，一旦合适，就可以 放到自己的设计中去，或者调出相似零件或变异零件进行再设计。这样，设 计人员无论是在进行新产品开发，还是在原有产品的基础上进行变型设计， 都可以利用现有资源，不至于从零开始，使得产品的设计过程得以简化，设 计效率大大提高，而且使后续的工艺工装设计工作变得简单，从而使整个产 品的生产周期大大缩短，产品的成本大大降低口r 引。据有关统计，采用零件库 技术可以将新产品的设计时间缩短一半以上，产品的生产成本减少2 0 以上 1 4 o 目前，几乎所有的c a d 开发商和一些c a d 用户都在其c a d 系统上开 发了内容丰富的标准件库或图库，的确给设计人员带来一些方便。但由于没 有遵循统一的标准，缺乏对异构c a d 系统的支持，使得零件信息交换存在 障碍，零件资源不能有效共享，形成所谓的“信息化孤岛 。造成的结果是， 哈尔滨。i ：程大学硕+ 学f 7 ：论文 零件查找不方便，零件描述信息不完整，不同应用系统间的零件库数据难以 共享。而且这些零件库覆盖面窄，仅限于占所有零件2 0 左右的标准零部件， 而占所有零件7 0 左右、在新产品设计中会重复用到的相似件却不在其中闭。 由此可见，现有零件库系统在零件信息共享和知识重用方面做得还不够好， 不能最大限度地帮助制造业提高设计生产效率和降低设计生产成本。而本课 题研究的零件库系统的建库对象主要是轴、齿轮等相似件，同时还要求支持 异构c a d 系统和变型设计。相比之下，该零件库系统有以下突出优点： 1 支持异构c a d 系统 现在，制造业引入了许多先进的理念，例如协同设计、并行工程、供应 链管理等等。所有这些都对信息的交流与共享提出了很高的要求更快更 准确。同时，信息的交流与共享也不再仅仅局限于同一企业的不同部门之间， 不同企业之间信息的交流与共享越来越频繁，尤其是零件信息的交流与共享。 可是，现行基于单一c a d 系统的零件库因其所依赖的c a d 系统在模型定义、 实现方法和存取方法等方面存在的差异而存在着信息交流不畅的困境。迄今 为止，因为数据不能交流与共享而给全球制造业造成的损失已多达上千亿美 元。而本课题研究的零件库支持异构c a d 系统，不依赖于任何具体c a d 系 统其零件信息库和管理模块是独立存在的，面向各c a d 系统的支持模 块可自由添加。这样设计的零件库优点在于：当更换其它c a d 系统时，整 个零件库系统只需更换或修改支持模块即可，从而避免了因为更换c a d 系 统而使整个零件库系统各部分都要重新开发所带来的大量重复和不必要的劳 动；同时，由于零件信息库及管理模块不受具体c a d 系统的影响，因此不 需要更改，这就使得该行业或部门经过长期积累所保留下来的信息资料可以 快速转移和重用，以便在更换c a d 平台后利用这此资料尽快开始新的设计。 于是，使用不同c a d 系统的企业之间的零件信息交流与共享变得更加通畅p 1 。 2 支持变型设计 本课题研究的零件库对零件进行分类编码管理，支持对相似零件的检索。 通过该零件库系统，设计人员在产品的开发设计中能方便地重用库中的零件 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 信息进行零件的变型设计，这样不仅可以减少大量的零件设计、绘图、工艺 设计、夹具设计与制造等生成准备性工作，缩短生成准备周期，而且由于新 零件种类的减少，控制了工艺装备的多样性，降低了产品的成本。同时，对 经过生成实践考验的零件产品的变型使用，可以快速地形成可靠的新产品设 计方案，提高了产品设计的可靠性和敏捷性。另外，还可以降低产品的成本， 而且经生产实践证实这类零件具有优良性能，采用这些零件容易保证产品的 质量和性能1 。 由以上可知，本课题的研究对制造业提高设计生产效率和降低设计生产 成本有着极其重要的意义，势在必行。 1 2 国内外零件库研究应用现状 由于零件库技术能有效地提高设计生产效率和降低设计生产成本，国内 外都在这方面做了许多相应的研究和应用工作，取得了许多可喜的成果，为 世界制造业的发展做出了应有的贡献。 1 2 1 零件库标准的发展概况 零件库标准( p l i b ) 是一个关于计算机可解释的零件库数据表达和交换 的国际标准，其目的是提供能够交换零件库数据的中性机制，且独立于任何 使用零件库数据的应用系统。这种描述的本质使得它不仅适合零件文件的交 换，也是实现共享零件库数据的基础旧。该标准是国际合作的产物，它经历 了一个较长时间的发展历程，经受了实际应用的检验。 上世纪6 0 年代以来，由于市场全球化、企业生产中的信息交流急剧增加 等原因，迫切需要一个统一的零件库标准。对零件库内容的构成实行国家级 标准化的首先是德国，其于1 9 7 1 年颁发了d i n 4 0 0 0 事物特性表系列标准， 随后又相继颁发了d i n 4 0 0 0 1 事物特性表定义和原理，d i n 4 0 0 0 1 4 c a d 标准件图形文件编制总则和d i n 6 6 3 0 4 c a d 标准件数据交换格式。到 上世纪九十年代初，德国已开发制定了一整套实用、完善的c a d 零件库标 准以及国家级标准的各c a d 零件库软件系统。这些c a d 零件库标准和标准 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 零件库系统的推广使用给德国的工业发展带来了极大的好处p 1 。 与此同时，整个欧洲也认识到零件标准化在制造业中的重要意义。1 9 8 7 年，在德国的参与和推动下，欧洲开始从事标准件电子处理接口的标准化工 作。1 9 8 8 年，德国受欧洲标准委员会的委托，组织了c e n c d 姬l e c 刖g “c a d l i b 工作组，领导人为德国的g g u e r t l e r 。在1 9 9 8 年年底，又提出 了相当于后来的i s 0 1 3 5 8 4 一p a r t l 0 概念模型的“技术纲要 - - - - - c a d l i b n 3 5 。在1 9 8 9 1 9 9 1 年间欧洲先后成立了四个工作组，它们是负责“供应者标 识 的s w g l 、负责“接口 的s w g 2 、负责“库内容的s w g 3 和负责“逻 辑模型格式和结构 的s w g 4 ，提出了欧洲的标准草案：p r e n v 4 0 0 0 4 1 0 ( 零 件概念模型) 、p r e n v 4 0 0 0 4 2 4 ( 供应商逻辑模型) 、p r e n v 4 0 0 0 4 2 6 ( 供应 商标识) 和p r e n v 4 0 0 0 4 3 1 ( 图形编程接i ：i ) s - l o 。 1 9 9 0 年国际标准化组织( i s o ) 在其工业自动化系统集成技术委员会 ( t c l 8 4 ) 下成立了“标准中性文件显示标准”工作组( i s ot c l 8 4 s c 4w g 2 ) ， 在1 9 9 2 年更名为“零件库 工作组。该工作组以德国的d i n 4 0 0 0 ，d i n 4 0 0 1 和d i n 6 6 3 0 4 标准为基础，通过多年的努力，发布了i s 0 1 3 5 8 4 ( p l i b ) 系列 标准刚0 1 。 我国于1 9 8 8 年采用d i n 4 0 0 0 1 颁布了g b t 1 0 0 9 1 1 事物特性表定义和 原理，随后又相继采用d i n 4 0 0 0 1 4 和i s 0 1 3 5 8 4 3 1 颁发了g b t 1 5 0 4 9 1 c a d 标准件图形文件编制总则和g b t 1 7 6 4 5 3 1 工业自动化系统与集 成零件库第3 1 部分：实现资源几何编程接口i s 9 1 。 1 2 2国内外零件库理论研究现状 零件库标准的建立为零件库技术的进一步研究带来了新的思想和方法， 国内外零件库研究人员纷纷将零件库标准引入到自己的研究中，同时随着网 络信息化技术的发展，研究人员也将网络信息技术引入到零件库技术的研究 中。这些技术的应用为零件库技术的发展开辟了新的道路，零件库技术的研 究也随之取得了许多新的进展。 4 哈尔滨一i ：程人学硕+ 学位论文 1 国外零件库理论研究现状 上世纪九十年代，l o o p 和h a u s e l e 描述了开发标准件库的不同阶段，并通 过在i v e c o 公司的实践证明了建立标准零件库的必要性1 。a m d t 和e h i n g e r 等人提出了通过事物特性表和变型程序建立标准零件库的d i n 思想2 1 。 g a u s e m e i e r 和f r a n k 等人认为建立零件库系统为c a d 、c a m 、c a p p 和其它应 用系统提供了零件的具体信息，建立零件库系统必须遵循相关的欧洲和国际 标准3 1 。p i e r r a 和p o t i e r 等人认为新一代c a d 系统的主要缺点是缺少内部数据 结构的交换能力，通过建立标准零件库可以实现参数化模型的交换p 卅。 g h a s k a d b i 对现有标准零件库系统进行了分析，指出了不足，提出了基于 i s 0 1 3 5 8 4 标准建立零件库系统的思捌| 5 1 。由美国国际标准局主持的e c c i 项目 是在基于i n t e m e t 零件信息系统的基础上，研究在电子商务e d i 环境下进行的 有关标准件的各种商务活动，它采用了s t e p 、p l i b 和s g m l 等标准q 。 2 0 0 2 年k a t h e r i n et y r k a 提出了一种基于w e b 的标准件库系统，该系统可以 提供标准件的详细参数、技术说明和c a d 模型文件，主要用于产品的发布和 标准件的采购u 丌。 2 0 0 3 年p i e r r a 和p o t i e r 等认为p l i b 标准不仅适合零件文件的交换，而且也 是实现共享零件库数据的基础。同时，为了更好地满足零件库数据的交换共 享，他们提出了一种使零件的定义和信息表达一体化的方法，这种一体化方 法包括三个层次：建模层次、执行层次和数据文件层次川。 2 0 0 7 年k i m ，p a r k 和l e e 研究并设计了一个三维冲模标准零件库，这个标 准件库是基于c a t i av 5 开发的，设计人员只要输入相关参数值便可得到冲模 标准零件的三维模型，大大降低了设计冲模零件的时间【嘲。 综合国外的研究状况可以看出，国外关于零件库技术的理论研究工作已 经得到了较大的发展，研究人员们普遍认为零件库应基于相关国际标准进行 开发，这样有利于不同c a d 系统、不同零件库之间零件信息的交流与共享。 2 国内零件库理论研究现状 浙江大学的马军提出基于标准化技术的零件库资源集成框架，以此来满 5 哈尔滨下稗人学硕+ 学位论文 足网络化制造环境对零部件资源共享与重用的需求。他对实现该集成框架的 关键技术进行了重点研究，在p l i b 概念模型的基础上提出了面向网络化零 件资源共享的扩展模型( p a r t ss h a r i n ge x t e n d e dm o d e l ，p s e m ) ，并提出通过 分类编码和事物特性表对零件库的内容进行形式化表达的方法例。 南京航空航天大学的鲁泳认识到p l i b 3 1 表达能力的不足，通过增加高 层几何实体和接口函数以及新的几何表达机制来完善p l i b 3 1 ，并考虑零件 参数化信息和特征信息，建立基于特征的零件精确几何表达机制。在此基础 上开发的接口实现了异构c a d 系统间零件几何信息以及设计意图的共享 1 2 1 1 。同时，她还指出：p l i b 标准采用e x p r e s s 语言建立零件库信息模型以 及所需的资源构件，只能描述静态的数据，而不能提供数据的任何操作，从 而导致遵循p l i b 标准开发的几何信息接口不仅实现和维护困难，而且难以 适应目前c a d 系统开放式的体系结构瞄1 。 中国矿业大学的张宏林认为开发符合国际标准的零件库是建立基于知识 的产品数据库的基本方法，是实现不同c a d 系统之间产品数据库共享的有 效途径。他提出：零件知识库是零件库的核心，存储了零件库中所有注册零 件的信息( 几何信息、管理信息等) ，并按照i s 0 1 3 5 8 4 标准所定义的数据组 织格式存储这些信息。该部分负责检索出用户所选择零件的全部信息，然后 将检索结果提交给后面的s t e p 前后置处理器。s t e p 前后置处理器是从零件 信息库到s t e p 物理文件的前后转换接口，将零件信息写成s t e p 物理文件 之后并存储到f t p 服务器中，然后传送到用户的本地计算机上，以实现用户 对该零件的共享担引。 哈尔滨工程大学的杨静通根据对p l i b 标准及其发展应用趋势的研究， 自定义所需的标准接口函数集，扩充并完善p l i b 标准。同时，他采用s t e p 应用协议来实现零件库信息的表达与交换，并提出了一种基于网络的开放式 零件库系统的总体开发模式【2 叼。 合肥工业大学的黄方毅结合a s p 服务模式，提出了网络零件库服务平 台，重点解决零件供应商建库困难问题，在保证供应商零件信息共享和交流 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 的基础上，进一步支持网络化集成制造瞄1 。 内蒙古工业大学的庞如英研究了一种基于网络的跨平台零件库，用户可 通过浏览器方便、快速地查询到所需零件及其与零件相关的信息，并可下载 到本地机上直接应用于三维c a d 建模中例。 1 2 。3 国内外零件库开发应用现状 零件库技术因其在提高设计生产效率、降低设计生产成本方面的显著优 势、广泛的需求和美好的商业前景，吸引了众多国内外c a d 软件开发商、 产品制造企业和相关研究所投入到零件库的开发应用中，取得了不少成果。 1 国外零件库开发应用现状 由于开展零件库技术的理论研究工作要早，研究得也更加深入，再加上 在c a d 技术应用领域的领先地位，国外在零件库的开发应用方面取得了更 多的实质性成果，同时也引领着零件库的未来发展趋势。 t r a c e p a r t s ( h t t p ：w w w t r a c e p a r t s c o m ) 网站作为世界第一大w e b 型零件 库提供了4 0 0 0 多万个2 d 和3 d 机械零件c a d 模型供用户免费下载。该网站 不是存储了所有零件的c a d 数据文件，而是采用了“母图+ 参数 的技术， 大大减少了数据存贮量。用户下载c a d 文件时，可以根据需要将c a d 模型 转换为目前世界上较流行的c a d 系统( 如a u t o c a d 、p r o e 、m e c h a n i c a l d e s k t o p 、i n v e n t o r 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 和c a t i a 等) 的格式口丌。 f l u 公司开发的i n p a r t 零件库提供了超过1 0 0 万个机械和机电产品的 c a d 模型及超过2 0 0 0 万页的技术说明书。它能支持p r o e 、c a d d s5 i 、 p r o d e s k t o p 等c a d 系统，还能提供i g e s ，s t e p 和d x f 中性数据格式， 用户能在线浏览零件口叭。 m a s i ni t 公司开发了标准零件库系统o b l i s k ，设计人员能够从中下载自 己需要的零件，库中零件文件可以集成到c a d 和p d m 系统中，o b l i s k 系统 中的零件采用u n i g r a p h i e s 三维实体格式描述。日本的c o m n e s 公司开发了 c o o l s t a p l e ，它是基于i s 0 1 3 5 8 4 国际标准的零件库管理原型系统，能够提供 7 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 基于对象、特性和知识的搜寻机制，并能够集成到不同的c a d 系统、供应 商系统和设计系统中。德国的g e n i u s 系统是在已有的c a d 系统上开发的， 它采用面向对象方法构造，包括一个三维零件库，可支持a n s i ，d i n ，i s o ， j i s 等标准p 1 。 2 国内零件库开发应用现状 国内零件库技术的理论研究工作起步相对较晚，而且对零件库技术起关 键支撑作用的c a d 技术也相对落后，这些都给我国零件库的开发应用工作 带来了不少困难。与国外相比，国内零件库的开发应用不够深入，零件库的 功能不够强大，实际应用价值也不高。 北京斯泰普产品数据技术中心开发了基于a u t o c a d 平台的标准零件库 c s p l i b ，该零件库涵盖了螺栓、螺钉、螺母、键和销钉等二十七类，三百余 种标准件系列。c s p l i b 拥有标准件特性文件库和几何图形程序库。标准件 特性文件库记录了产品标准的所有信息，用户可通过用户界面进行选择。标 准件几何图形库完全做到了参数化，并提供标准的几何图形接口。该标准件 库的零件尺寸数据和图形文件比较齐全，可以输出标准件的各个视图以及在 装配状态下的图形，还可以为设计人员提供完整的标准件信息，包括尺寸、 材料、功能等。华中科技大学开发了用于齿轮c a d 系统设计的标准零件库。 该标准零件库包含了齿轮传动设计时所用的各种零部件，在用户输入必要的 功能参数后，该c a d 软件根据优化设计理论自动生成符合设计要求的齿轮 传动系统，包括装配图和零部件图。这两种标准件库都部分实现了零件库的 功能，但是它们只能生成二维图，不能生成3 d 模型，不利于用户对零件进 行虚拟装配、干涉检测和有限元分析，也不满足c a m 、c a p p 等系统对零件 信息的需求，很难实用刚。 p a r t l i b 是北京凯思博宏计算机应用工程有限公司以当今世界上最流行 的新一代c a d 软件为基础平台，利用东北大学欧磊技术中心最新研制成功 的特征语言开发的全三维参数化标准零件库。p a r t l i b 涵盖了机械领域中的1 5 大类、3 0 7 子类、8 6 6 5 种零件。p a r t l i b 完全基于特征的参数化设计，不需要 8 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 记录零件的具体文件数据，只记录其参数特征，节约了大量的磁盘空间。陕 西金叶公司开发出了商业化的三维标准件库，该标准件库以m d t 系统为软 件平台，包括零件库，管理系统，检索系统，以及向导式添加系统。这两种 零件库都以现有c a d 软件为平台开发，能生成3 d 模型3 1 1 。 中国机械网的易普零部件3 d 图库是一个分类较为完善的g b 类标准件 库，其涵盖了3 大类、2 3 个小类、一共三万多个全系列的标准件。但是没有 使用事物特性表来描述零件信息，也就没有实现事物特性表驱动的图形显示。 这里的图形显示只是一个示意图，仅可以下载对应的u g 图形文件。该w e b 零件库与国外著名的w e b 零件库相比，在内容、结构和功能方面都有较大差 距，其提供的零件是单一格式的，不能支持异构c a d 系统，限制了用户类 型，不能最大限度地实现零件资源的共享p 2 1 。 总体来说，国内零件库的开发应用存在以下两点不足之处： 零件的数量与种类有限，大多零件库只提供机械领域的标准件，而占 所有零件7 0 左右的相似件不在其中。 大多零件库是针对单一c a d 系统开发的，不支持异构c a d 系统。 1 3 课题的主要研究工作 本课题的目标是完成支持变型设计的异构零件库的研究，在具体工作中 要完成以下几方面的研究工作： 分析课题零件库的建库对象，根据建库对象的不同结构特点以及现有 的零件建模方法，确定不同建库对象的建模方法。 分析研究异构零件库建库方式，根据课题零件库的功能要求和建库对 象，选用异构零件库的建库方式，并在此基础上，完成课题异构零件库的总 体结构设计。 研究基于特征的零件建模技术，。完成零件形状特征的分类和描述，建 立零件的特征信息模型并分析模型中形状特征之间的关系，为实现阶段零件 的特征建模做好理论准备。 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 研究零件变型设计的原理，依据零件变型设计对零件库系统的需求， 对零件库中的零件进行分类管理，尤其是相似件。进一步研究零件分类系统、 聚类分析和遗传算法，以求找到一种相似件分类的方法，并以轴类零件的分 类来验证方法的合理性。 学习研究数据库技术和v c + + ，完成零件信息库及管理模块的设计。 分析研究p r o e 、u g 的二次开发接口和基于特征的零件设计方法，完成支持 模块的开发，实现课题零件库系统对异构c a d 软件的支持。 l o 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章异构零件库实施方案研究 2 1 零件库功能需求 针对现有标准零件库系统存在的问题和设计人员对零件库系统的新需求 能适用于多个c a d 平台、方便零件的变型设计和包括更多类型的零件， 本课题研究的零件库系统应具有以下功能： 1 支持重用 开发零件库系统的主要目的是最大限度地重用现有零件资源，减少重复 性的劳动，提高设计生产效率。零件资源的重用主要有两方面： 零件的重复使用：在新产品的设计中，设计人员会经常用到以前设计 的零件，尤其是标准件。要想在成千上万种零件中方便地找到想要的零件， 零件库系统应对库中零件进行分类管理，并提供零件的检索功能。 零件的变型使用：在新产品的设计中，设计人员会发现一些新零件的 设计可以通过对已有零件的稍加修改( 变型设计) 来完成，这样会大大简化 设计过程。要想实现零件的变型设计，零件库系统同样需要对库中零件进行 分类管理，并提供相似件的检索功能。同时，由零件库系统生成的零件模型 必须是参数化的，并能记录零件模型建立的过程信息设计人员的设计意 图( 特征树) ，这样有利于对零件模型的修改。 2 支持异构 支持异构是指零件库系统能适用于两个以上的三维c a d 软件平台，这 是为了满足现代企业对零件信息共享的要求。要想支持异构，零件信息库就 不能依赖于任何具体的三维c a d 软件平台，它必须是独立的。 3 支持扩充 零件库系统支持扩充包括两方面： 库内容的扩充：在新产品的设计中，设计人员会设计出一些新的零件， 1 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 这些零件作为新的资源应储存到零件库中，以备将来使用。因此，零件库系 统应提供零件信息的添加功能。 支持平台的扩充：零件库系统在使用过程中，可能要求支持新的c a d 平台。为了方便新平台的加入，零件库系统应采用模块化设计，如图2 1 所 示。在零件库系统中，零件信息库模块是一个独立的模块，它一方面可以脱 离支持模块独自运行，另一方面可以通过支持模块支持相应的c a d 平台。 同时，系统中的各支持模块之间互不干涉。这样，在增加对新c a d 平台的 支持时，只要增加相应的支持模块即可，勿需对零件信息库模块和已有支持 模块进行改动。 零件支持模块1，c a d 平台1 信息 库模 支持模块2- c a d 平台2 块 支持模块3c a d 平台3 图2 1 模块化的零件厍系统 2 2 零件库建库对象 本课题零件库的建库对象主要包括键、联轴器、轴、齿轮和箱体等零件。 这些零件可分为a 、b 、c 三大判3 3 1 ： a 类是复杂件，如箱体。这类零件结构复杂，专用性强，重用性低， 仅占零件总数的5 1 0 。 b 类是相似件，如轴、齿轮。这类零件结构复杂程度中等，品种多， 数量大，可以形成一些功能相同，只是在形状和尺寸上略有差异的相似件。 相似件的出现率最高，占零件总数的7 0 左右。在这类零件的设计中，可以 先检索已有零件中与之相似的零件，然后再对检索到的零件稍加修改，最终 获得符合设计要求的新零件，这样便能避免大量重复性的劳动，提高设计效 率。 c 类是标准件，如键、联轴器。这类零件结构简单，已有国际或国家 标准对其规范，约占零件总数的2 0 2 5 。查看相应的标准，会发现经标准 1 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 细分后的每类零件形状固定，尺寸参数系列化，不需要重新设计，查表选用 即可，提高了产品设计效率。 由于各类零件的结构特点不同，在构建零件库系统时，应选用不同的方 法存储各类零件的几何信息。结构复杂、重用性低、数量少的复杂件直接存 储零件模型，而标准件和相似件这些相似度比较高、数量比较多的零件应该 采用几何参数加模板的方式存储，这样可以节省大量的存储空间，防止零件 库过于臃肿。标准件结构形状固定，尺寸参数系列化，相似件结构形状不固 定，尺寸参数随机性强，通过几何参数加模板的方式对这两类零件建库时， 应根据各自特点采用不同的参数化零件建模方法。 2 3 零件建模方法研究 2 3 1参数化设计技术 参数化设计技术是一种基于约束的设计技术，它用一组参数来定义零件 模型的尺寸值并约定尺寸之间的关系，当尺寸值变动时会自动更新零件模型。 零件模型的更新是在维持给定约束条件和拓扑结构的前提下，按用户输入的 参数完成的【。参数化设计技术除了能保存零件的几何信息，还能够表达和 处理零件几何元素之间的各种约束关系。 参数化设计技术的基本原理是通过参数驱动模板文件完成零件的设计。 通过参数驱动，可以对零件的几何参数进行参数化修改，但是，在修改的同 时，还要满足零件模型的约束条件，也就是要实现约束联动1 。约束联动是 通过约束间的关联性实现的。约束分为主约束和次约束。对一个零件模型， 需要用户控制的主约束一般只有几个，次约束可通过模型结构特征或与主约 束之间的关系来确定。 在参数化设计中，零件模型的次约束可以通过模型特征联动和相关参数 联动两种方式进行简化【咖： 模型特征联动：模型特征联动就是保证在模型拓扑关系不变的前提下， 对次约束的驱动，即保证相切、垂直、平行等关系不变。反映到参数驱动过 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 程就是要根据各种几何相关性准则去判识与驱动点有上述拓扑关系的从动点 及其几何数据，在保证拓扑关系不变的前提下，求出从动点的几何数据。 相关参数联动：相关参数联动就是建立次约束与主约束在数值上和逻 辑上的关系。在参数驱动过程中，始终保持这种关系不变。相关参数的联动 方法使某些不能用拓扑关系判断的从动点与驱动点建立了联系，进而使从动 点能随驱动点的变动而发生变动。 采用参数化设计技术的三维零件建模系统能自动记录零件模型建立的整 个过程，既包括建立的几何模型，又包括设计人员的设计意图几何元素 之间的约束关系。当改变零件模型的参数时，几何元素之间的约束关系会保 持不变。实践表明，利用参数化设计技术，可使设计人员从大量繁重而琐碎 的建模工作中解脱出来，可以大大提高设计效率，并减少信息的存储量。 2 3 2 常用零件建模方法 现有零件建模方法都应用了参数化设计技术，给零件建模工作带来很大 的灵活性，使零件模型的建立和修改更加方便，大大简化了建模过程，提高 了建模效率。具体的零件建模方法主要有以下两种川： 1 参数化模板建模方法 参数化模板建模方法的基本原理是采用参数化零件模型与程序控制相结 合的方式，利用程序控制参数化模型的具体参数来生成零件的三维模型。参 数化零件模型是设计人员在三维c a d 软件中按设计要求建立的，在已创建 的参数化零件模型基础上，设计人员还需要根据零件的设计要求建立一组可 以完全控制零件模型形状大小的设计参数。同时，设计人员还要针对该零件 模型的设计参数编制参数驱动程序。参数驱动程序必须实现对零件设计参数 的检索和修改，并能根据新参数重新生成零件模型，具体过程如图2 2 所示。 从图2 2 中可以看出，利用参数化模板建模方法建模需要构建两个库， 即零件参数库和零件模板库。在零件参数库中，储存的是零件的尺寸参数； 在零件模板库中，储存的是参数化的零件模型。零件模板库的构建是参数化 1 4 哈尔滨工程人学硕士学位论文 模板建模方法的关键，零件模板的建立能实现对已有零件资源的重用，町以 加快新产品的设计速度。由于零件模板结构形状基本固定，参数化模板建模 方法比较适合于创建结构形状基本固定而尺寸参数变化的零件模型。 8 1 7 h 幽崎 却5 l 8 。_ ：= 7 - - _ 鼍豳叠- 3 0 广e o y 警 _ 嗣幽幽簟麓簟 幽2 2 参数化模板建模方法 2 参数化特征建模方法 参数化特征建模方法将参数化模板建模的思想引入到零件特征建模技术 r f l ，兼具两种建模技术的优点，建模更简便高效，也更灵活，目前已被大多 数三维c a d 软件所采用。 特征建模技术是以特征为零件定义的基本单元，将零件描述为特征的集 合，用事先预定义的特征通过特征拼合操作纽装成零件。参数化特征建模方 法先将预定义的特征参数化，形成特征模板；建模时，根据设计人员输入的 参数将特征模板实例化；最后，通过特征实例之间的拼合操作组装成零件， 如图2 3 所示。特征的拼合有两种实现方法：种是先定义一个基本体，然 后在基本体上减去各种特征，如对箱类、壁扳类零件可以用这种方法：另一 种方法足用预先定义的特征通过交、并、差等布尔运算拼合成零件，如对轴 类、支架类零件可以用这种方法。在实际建模的过程中可以综合应用这两种 方法。 应用参数化特征建模方法设计的零件有利于将设计的零件直接用_ ff 游 系统，这种方法设计的零件是由系列特征通过执行拼合操作来完成的，设 i5 么 哈尔滨i 群人学硕士学位论文 计过程简单、自动化程度高。参数化特征建模方法也需要构建两个库，即特 征参数库和特征模板库。在特征参数库中，储存的是特征的尺寸参数；在特 征模板库中，储存的是参数化的特征模型。零件特征的分类和特征模板库的 构建是参数化特征建模方法的关键，特征模板的建立能实现对已有零件资源 的重用，可以加快新产品的设计速度。虽然特征模板的结构形状基本固定， 但是特征之间的