（材料加工工程专业论文）基于proengineer的注塑模cad集成系统的开发.pdf

兰州理t 大学硕上学位论文 摘要 摘要 针对当前我国c a d 应用的同益普及和推广，而二次开发严重落后的现状，作 者利用p r o e 的p r o g r a m 开发工具、v i s u a lc + + 6 。0 的集成开发环境( i d e ) 和 p r o t o o l k i t 开发模块进行p r o e n g i n e e r 注塑模c a d 集成系统的开发，开发出了 一套适合于注塑模的中小型模架库，零件库以及尺寸计算集成系统，极大地提高了 注塑模的设计效率。 模架库：采用p r o e 的自动化建模工具p r o p r o g r a m 来完成的，利用p r o p r o g r a m 对所有的模板和零件进行总体控制，使得每调用一个系列的模架，模架中的模板和 零件便会根据相应的数据进行更新、再生，从而自动装配成我们要求的模架。 零件库：先对各零件分别创建通用零件，然后在族表( f a m i l yt a b ) 中进行实例 的创建，利用p r o t o o 脚开发工具包和v i s u a lc + + 6 0 的集成开发环境开发 出用户调用界亟，通过用户对界面的操作来访问零件族表，并更新族表中实例的数 值，达到生成新模型的目的。 尺寸计算系统：利用p r 0 厂i o o l k r r 开发工具包和m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t m n c l a s s ) 开发出人机交互界面，通过界面进行尺寸的计算和校核。 通过本课题的研究，得到如下的成果与结论： 1 ) 完成了模架库系统和零件库系统的总体设计。为模具标准件的普及和推广 打下基础，提高了p r o e 软件的实用程度。 2 ) 完成了注塑模尺寸计算系统的总体设计。使入们从繁琐的尺寸计算中解放 出来，更加方便、快捷地设计模具。 3 ) 实现了p r o e 软件与m f c 间的接口，p r o e 与m f c 的接口突破了p r o t o o l k i t 的局限，克服了p r o e 在二次开发上存在的技术难题，为编程开发建立基础。 4 ) 实现可行性论证：由于本课题在研究过程中采用的是“全相关、参数化” 的三维软件p r o 压，因此保证了设计平台的先进性，减少了工作量。利用p r o e 提供 的二次丌发工具实现由程序动态的、自动的加载用户程序，并存入统一的数掘库中， 为c a d c a e ，c a m o 婶p 系统的集成打下了良好的基础。 本论文较为详尽地阐述了进行p r o e n g i n e e r 二次开发的具体过程和涉及的开发 技术。相信对类似系统的开发会具有较大的参考价值。 关键词：二次开发，p r o t o o l k i t ，p r o e n g i n e e r ，模架库，零件库，尺寸计算系统 兰州理_ 大学硕卜学位论文 a b s t r a c t n o wt h ef u r t h e rd e v e l o p i n gu p o nt h eg e n e r a lc a ds y s t e ml a g ss e v e r e l yb e h i n dt h e i n c r e a s i n g p o p u l a r i t yo ft h ea p p l i c a t i o no ft h ec a ds y s t e mi no u rc o u n t r y s ot h ea u t h o r d e m o n s t r a t e st h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tu p o nt h ei n j e c t i o nm o l dc a ds y s t e mu s i n g p r o g r a mt 0 0 1o ft h ep i d e 、v i s u a lc + + 6 0i d ea n dt h ed e v e l o p m e n tm o d u l e p r o ，i b o l k i t ， d e v e l o p i n gai n j e c t i o nm o l db a s e s t a n d a r dl i b r a r y 、p a r tf i b r a r ya n dt h ec a l c u l a t i n g i n t e g r a t e ds y s t e mo ft h ed i m e n s i o n rw h i c hg r e a t l yi n c r e a s e st h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n i n g t h ei n j e c t i o nm o l d t h em o l db a s el i b r a r yi se s t a b l i s h e du s i n gp r o g r a mt o o lo ft h ep r o e ，a l lo ft h e p l a t e sa n dp a r t sa r ec o n t r o l l e db yp r o g r a m w h e ns e l e c t i n go n em o l db a s e ，t h ep l a t e sa n d p a r t so ft h em o l db a s ea r eu p d a t e da n dr e g e n e r a t e da c c o r d i n gt oc o r r e s p o n d i n gd a t at h e n o u rr e q u i r e dm o l db a s ei sa s s e m b l e da u t o m a t i c a l l y p a r tl i b r a r yi sr e a l i z e du s i n gf a m i l yt a b ，t h ea u t h o rf i r s t l ys e tu pt h eg e n e r a lp a r t s a n df a m i l yt a b l e so ft h ev a r i o u sp a r t s ，d e v e l o p i n gt h eo p e r a t i n gi n t e r f a c eu s i n gv i s u a l c + + i d ea n dt h ed e v e l o p m e n tm o d u l e p r o t o o l k i t v i s i t i n gf a m i l y1 1 a b l e so ft h ep a r t s a n du p d a t i n gt h ed a t a o ff a m i l yt a b l e st h r o u g ht h eo p e r a t i n gi n t e r f a c e ，c o n s e q u e n t l y r e g e n e r a t i n ga n e w p a r t t h ec a l c u l a t i n gs y s t e mo ft h ei n j e c t i o nm o l di sd e v e l o p e du s i n gt h ed e v e l o p m e n t m o d u l e p r o t o o l k i to ft h ep r o e n g i n e a r ，i ta l s op r o v i d e st h em e t h o d su s i n gt h e m i c r o s o f l sm f ct od e v e l o pt h ew i n d o w sf o r t h ea d p l i c a t i o np r o g r a m t h r o u g ht h es t u d yo ft l l i ss u b j e c t ，s o m er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r eg o ta sf o l l o w s ： 1 、t b ew h o l ed e s i g no ft h i sm o l db a s es t a n d a r dl i b r a r ya n dp a r tl i b r a r yw a s c o m p l e t e d i tl a yaf o u n d a t i o nf o rt h ep o p u l a r i t yo fm o u l ds t a n d a r dp a r t sa n d i m p r o v e dt h eu t i l i t yo fp r o e n g i n e e rs o f t w a r e 2 ) t h ec a l c u l a t i n gs y s t e mo ft h ei n j e c t i o nm o l dw a sf i n i s h e d ，r e l e a s i n gp e o p l e f r o mf u s s yc a l c u l a t i n go ft h ed i m e n s i o n ，d e s i g n i n gt h em o l dc o n v e n i e n t l y 、 r a p i d l y 3 1 1 1 1 ec o m m u n i c a t i o np o r tb e t w e e np r o e | n g i n e e rs o f t w a r ea n dm f cw a sr e a l i z e d ， t h i sc o m m u n i c a t i o np o r tb r o k et h el i m i t a t i o no fp r o t o o l k i t i ts o l v e dt h e t e c h n i c a id i f f i c u l t p r o b l e m s t h a te x i s t e du p o nt h ef u r t h e r d e v e l o p i n go f p r o e n g i n e e ra n dl a yaf o u n d a t i o no np r o g r a m m i n gd e v e l o p m e n t 4 、t h ef e a s i b i l i t yo ft h es e c o n dd e v e l o p i n gw a sr e a l i z e d w ea d o p t e dp r o e n g i n e e r s o f t w a r e ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f 硒la s s o c i a t i v i t ya n dp a r a m e t r i c ，a s o u rp l a t f o r m t h i sa s s u r e dt h ea d v a n c e m e n to ft h ep l a t f o r ma n dr e d u c e dt h e w o r k l o a d t h eu s e r s a p p l i c a t i o nc o u l db el o a d e dd y n a m i c a l l ya n d a u t o m a t i c a l l ya n ds a v e di nt h eu n i t ed a t a b a s eb yp r o ，i b o l k i t t h i sl a yag o o d f o u n d a t i o nf o rt h ec a d c 邑l c 燃ll c 姆pi n t e g r a t e ds y s t e r n 。 t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h ei n j e c t i o nm o l dc a d i n t e g r a t e ds y s t e mi sag o o d e x p e r i m e n ti nt h ef u r t h e rd e v e l o p i n gu p o np r o e n g i n e e rs o f t w a r e i ti sb e l i e v e dt h a tt h i s s y s t e mh a sg r e a tr e f e r e n t i a lv a l u ef o rt h er e l a t e ds y s t e md e v e l o p m e n ti dt h ef u t u r e k e yw o r d s ：f u r t h e rd e v e l o p i n g ，p r o t o o l k i t ，p r o e n g i n e e r ，m o l db a s el i b r a r y ，p a r t l i b r a r y ，t h ec a l c u l a t i n gs y s t e mo ft h ed i m e n s i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学位 或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 日期：堕年土月翌日 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位沦丈被查阅和借阅；学校可以公粕学位论文的全部或部分内容， 州1 以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或t 肃省有关部门 规定送交学位论文。本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属学校。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果 时，署名单位仍然为兰州理l ：大学。 名：蛾铆虢唑。珊2 堑f 兰月 过 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c a d 技术的发展历程 第一章绪论 c a d 技术起步于5 0 年代后期。6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计 算机上进行绘图变为可行，c a d 技术开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱 繁琐、费时、精度低的传统手工绘图。此时c a d 技术的出发点是用传统的三视图 方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。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 不具备现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年代末期，以后作为c a d 技术的 一个分支而相对独立、平稳地发展。早期应用较为广泛的是c a d a m 软件，近十年 来占据绘图市场主导地位的是a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件。在今天中国的c a d 用户特别是初级用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。下面将具体阐述c a d 技术发展中的几次革命性飞跃。 1 1 1 第一次c a d 技术革命“贵族化”的曲面造型系统 6 0 年代出现的三维 山系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框式 造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺 乏形体的表面信息，c a e 及c a m 均无法实现。 进入7 0 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中 遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式束近似表 达所设计的自由曲面。由于三视图表达的不完整性，经常发生设计完成后，制造出 来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。此时法国人提出了贝 塞尔算法，使人们用计算机处理曲线与曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞 机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统c a d a m 的基础上，开发出以表面模型 为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。它的出现，标志着 计算机辅助技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机 完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发有了现实的基础。皓 面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改变了以往只能借助油泥 模型来近似表达曲面的落后的工作方式。此时c a d 软件价格极其昂贵，因此被称 为“贵族化”的曲面造型系统【1 j 。 1 1 2 第二次c a d 技术革命生不逢时的实体造型技术 有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形 体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利，最大问题在于分析的前处理特别困难。基于对于c a d c a e 一体化技术 的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型 c a d c a e 软件i d e a s 。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理 论上有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计带来惊人的方便性。它代 表着未来c a d 技术的发展方向。基于这样的共识，各软件纷纷仿效，一时问实体 兰j - i 1 理工大学硕士学位论文第一章绪论 造型技术呼声满天下。可以说，实体造型技术的普及应用标志着c a d 发展史上的 第二次技术革命。 但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来算法的改进和 未来发展的希望，也带来数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型 的计算和显示速度很慢，在实际应用做设计显得比较勉强。从而使得实体造型技术 未能在整个行业全面推广。不过在以后的十年里，随着硬件性能的提高，实体造型 技术又逐渐为众多c a d 系统所采用【1 】。 1 1 3 第三次c a d 技术革命一鸣惊人的参数化技术 正当实体造型技术逐渐普及之时，c a d 技术的研究又有了重大进展。那就是 参数化实体造型方法。该方法具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、 尺寸驱动设计修改。最早的参数化软件就是p t c 公司的p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) 。 进入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 件设计上的简单易行的优势。因而参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三 次技术革命 1 】o 1 1 4 第四次c a d 技术革命更上层楼的变量化技术 t 参数化技术的成功应用，使它在9 0 年代前后几乎成为c a d 业界的标准。但参 数化技术亦尚有一些不足之处。首先，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着 设计者创造力和想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期和全过程中，必 须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来 驱动形状的改变，一切以尺寸( 即所谓的“参数”) 为出发点。一旦所设计的零件形 状过于复杂，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状很不直观； 再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生变化，失去了某些约束特征也会造成系 统数据的混乱。于是一种以参数化技术为蓝本，比参数化技术更先进的实体造型技 术变量化技术应运而生。变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时又克 服了它的许多不足之处。它的成功应用，为c a d 技术的发展提供了更大的空间和 机遇。率先使用变量化技术的软件是s d r c 公司推出的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。 可以说，变量化技术成就了s d r c ，也驱动了c a d 发展的第四次技术革命 ”。 从c a d 技术的发展历程可以看出，c a d 技术一直处于不断的发展和探索之中。 没有那一种技术是常青树，正是这种此消彼长的互动和交替，造就了今天c a d 技 术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。 1 2 九十年代主流c a d 造型技术 目前流行的c a d 技术基础理论主要是以p r o e 为代表的参数化造型理论和以 s d r c i d e a s 为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造 型技术。只有这两种理论在近十年产生并赢得广泛的认可。在这两种理论之前，基 本上是以表面及线框造型技术为代表的无约束自由造型技术。 下面仅就目前流行于九十年代的参数化、变量化这两种主流造型技术进行一些 技术特点巴的剖析和对比。 2 兰州理工人学颂一l 学位论文第一章绪论 1 2 1 参数化造型技术的主要特点 参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使 用。与一个几何图形相关联的所有尺寸参数可以用来产生其他几何图形。其主要技 术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关【”。 基于特征：将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可 调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂几何形状的构造。 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的 控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) ，不能漏注尺寸( 欠约束) ， 不能多注尺寸( 过约束) 。 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 全数据相关：尺寸参数的修改导致其他相关模块的相关尺寸得以全盘更新。 1 2 2 变量化造型技术的主要特点 变量化技术是在参数化的基础上又傲了进一步的改进后提出的设计思想。变量 化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动修改的优 点，但在约束方面做了根本性的改变。 变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和 尺寸约束，而不是像参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。 采用该技术的理由在于：在大量的新产品丌发的概念设计阶段，设计者首先考 虑的是设计思想和概念，并将其体现于某些几何形状之中。这些几何形状的准确尺 寸和各形状间的严格的尺寸定位关系在设计的初始阶段还很难完全确定，所以自然 希望在设计的初始阶段允许欠尺寸约束存在。此外在设计初始阶段，整个零件的尺 寸基准及参数控制方式如何处理还很难决定，只有当获得更多具体概念时，一步步 借助已知条件才能逐步确定怎样处理才是最佳方案。 1 2 3 两种造型技术之共同点 两种技术都属于基于约束的实体造型系统，都强调基于特征的设计、全数据相 关，并可实现尺寸驱动设计修改，也都提供方法与手段来解决设计时所必须考虑的 几何约束和工程关系问题。 1 2 。4 两种造型技术之基本区别约束的处理 参数化技术在设计全过程中，将形状和尺寸联合起来并考虑，通过尺寸约束 来实现对几何形状的控制；变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理。 参数化技术在非全约束时，造型系统不许可执行后续操作；变量化技术由于可 适应各种约束状况，操作者可以先决定所感兴趣的形状，然后在给一些必要的尺寸， 尺寸是否注全并不影响后续操作。 由于参数化技术苛求全约束，每一个方程式必须是显函数，即所使用的变量必 须在前面的方程式中已经定义过并赋值于某尺寸参数，其几何方程的求解只能是顺 序求解；变量化技术为适应各种约束条件，采用联立求解的数学手段，方程求解顺 序无所谓。 3 兰卅f 理丁人学硕j ：学位论文 第一章绪论 参数化技术解决的是特定情况( 全约束) 下的几何图形问题，表现形式为尺寸 驱动几何形状修改：变量化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可 以做到尺寸驱动f d i m e n s i o n d r i v e n ) ，亦可以实现约束驱动( c o n s t r a i n d r i v e n ) ，即由 工程关系来驱动几何形状的改变，这对产品结构优化是十分有意义的。 由此可见，是否全约束以及以什么形式来施加约束是这两种技术的分水岭。 1 2 5 其它技术差异特征的管理 参数化技术在整个造型过程中，将所构造的形体中用到的全部特征按顺序串联 式排列，这主要是检索方便。在特征序列中，每一个特征与前一个特征都建立了明 确的依附关系。但是，当有时因设计要求需要修改或去掉前个特征时，则其子特 征被架空，这样极易引起数据库混乱，导致与其相关的后续特征受损失。如深究其 原因，还是由于全尺寸约束的条件不满足及特征管理不完善所致。这是参数化技术 目前存在的比较大的缺陷。 变量化的技术突破了这一限制。它采用历史树表达方式，各特征以树状结构挂 在零件的“根”上，每个特征除了与前面特征保持关联外，同时与系统全局坐标系建 立联系。前一特征更改时，后面特征会自动更改，保持全过程相关性。同时，一旦 发生前一特征被删除，后面特征失去定位基准时，两特征间的约束随之自动解除， 系统会通过联立求解方程式自动在全局坐标系下给它确定位置，后面特征不会受任 何影响。这是针对参数化技术的缺陷进行深入研究后提出的更好的解决方案。树状 结构还许可将复杂零件拆分成数个零件然后合并到一起。它清楚地记录了设计过 程，便于进行修改，有利于多人的协同设计。 1 2 6 小结 综上所述，可以看出，变量化技术是一种设计方法。它将几何图形约束与工程 方程耦合在一起联立求解，以图形学理论和强大的计算机数值分析技术为设计者提 供约束驱动能力。参数化技术是种建模技术，应用于非耦合的几何图形和简单方 程式的求解，用特殊情况寻找原理和解释技术，为设计者提供尺寸驱动能力。从技 术的理论深度上说，变量化技术要比参数化技术高一个档次。 两种技术的根本区别在于是否要全约束以及以什么形式来施加约束。 目前参数化技术和变量化技术都还在不断地丰富和完善自身。九十年代的c a d 大舞台一直是这两种技术在唱主角。但是，明显看得出，参数化技术的回旋余地已 越来越小，而变量化技术的发展空间还十分广阔。相信2 1 世纪将会是变量化技术 大发展的时期【2 j 。 1 3 计算机辅助设计( c a n ) 系统 “系统”是出若干个相互作用和相互依赖的部分集合成的、具有特定功能的有机 整体，而且一个“系统”往往又从属于某一个更大的系统【3 】o 1 3 1c a d 系统的组成 c a d 系统是现代c a d 技术中最重要的组成部分，其本身又是若于“分系统，相 4 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 互作用和相互依赖的有机集合体。这些“分系统”包括实施c a d 作业所需要的硬件 系统、软件系统和人才系统“。 硬件( h a r d w a r e ) 是组成c a d 系统的物质设备和基本支持环境。硬件系统包 括计算机及各种处理系统、图形工作站、存储器、图形输入和输出设备，以及各种 接口等。 硬件是软件的工作平台，软件是驱动硬件工作的系统核心，它对系统的总体功 能起着决定性的作用。c a d 所需软件大体上可分为三类：系统软件、支撑软件和应 用软件【6 】o 1 系统软件 系统软件包括负责全面管理计算机资源的操作系统和用户接口管理软件，各种 高级的编译系统、汇编系统、监督系统、诊断系统，各种专用工具软件等。它是整 个软件系统中最核心的部分，直接与计算机硬件相联系，包括c p u 管理、存储管 理、进程管理、文件管理、输入输出管理和作业管理等操作。 系统软件与硬件选型、硬件生产厂家密切相关。在实施c a d 系统过程中需特 别注意选择那些应用较广、具有发展前途和开放式的系统。目前在个人计算机操作 系统中，w i n d o w s 、o s 2 和u n i x 等都是常用操作系统软件l “。 2 支撑软件 支撑软件是建立在系统软件基础上，建立c a d 系统所需的最基本的应用软件。 它包括图形处理软件、集成造型软件、有限元分析软件、优化设计软件、动态模拟 仿真软件、数据库管理软件等【8 o 近年来，我国从国外引进不少c a d 系统支撑软件，它们具有很强的图形功能。 通用性较强的如p r o e 、u n i g r a p h i c s l i 、c a t i a 、i _ _ d e a s 等。 3 应用软件 应用软件直接面向用户，它们是在选定的系统软件和支撑软件的基础上开发 的。一般由工厂、企业或研究单位根据实际生产进行二次开发。开发这类软件的宗 旨是提高设计效率、缩短生产周期、提高质量，使软件更加符合工厂生产实际和便 于技术人员使用。这些软件通常被设计成交互式，以便发挥人机的各自特长。程序 流程应符合设计人员习惯，使人机间具有友好界面，用户只需熟悉一些操作命令和 输入参数，无须涉及程序内部的细节。 企业引进c a d 技术就要作好开发应用软件的思想准备。几乎没有任何一种商 品化c a d 软件能够不经任何二次开发就能贴近所有企业的实际情况。 实施c a d 系统除硬件条件和软件条件外，还有一个同样重要的条件就是掌握 这项技术，并能使之正常运转，发挥效益，开发应用的人才条件。这些人才至少包 括硬件维护、软件管理、数据库管理员，尤其是那些既熟悉制造业务，又能熟练操 作计算机硬件和软件的系统维护者。开展c a d 系统需要若干人的合作，并要求操 作者有多方面的知识。面对一个先进、高效的软、硬件系统，人才是关键的因素。 这方面的培养与凝聚，是实施c a d 系统的重要条件。这是世界各国在c a d 技术中 所面对的共同问题。 兰州理t 入学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 2c a d 系统的类型 1 信息检索型系统 只是利用计算机进行电子文档管理。首先是将产品进行分类。例如，将模具标 准图样、典型结构、工艺文件等，经过分类编码存入计算机系统数据库中。使用时， 只要按名调出即可。优点是开发容易，投资少，缺点是没有通用性1 9 1 。 2 查询修改型c a d 系统 是对信息检索型设计系统的一种改进。当从计算机中将所需要的那部分图形或 资料调出后，在屏幕上显示这些内容，设计者对显示内容进行判断，对不满意处以 人机交互方式进行修改和补充设计。配上参数化设计，就更显示出系统的高效率。 3 自动设计型系统 将设计中的问题归结为数学描述式，建立起优化设计的目标函数。当设计者分 析设计任务后，向系统输入初始数据，该系统便完成全部运算，并将计算结果与最 优目标进行比较，然后修改输入参数并再次循环。这类系统以数字计算为主，很少 需要人参与，适用于一些小的部分的设计，如浇冒口系统的尺寸计算等。 4 交互型c a d 系统 是当前。如c a m 系统所采用的主要形式。它的特点是，把计算机系统所具 有的计算速度快、计算精度高、数据存储量大、耐重复工作和不易出错等优点，同 人在工程设计中的主导作用结合起来。人在工程设计中的主导作用，表现在对复杂 问题的特殊理解能力和判断能力，以及许多目前尚不能完全用数据和公式表达出来 的丰富经验。 由于各种原因，包括现有的软件以及新开发的软件都需要预先的投资。因此大 多数c a d 系统仍仅用于绘图，还没有现成的真正的设计软件。真正的设计系统由于 经济原因，并且针对性太强，适用范围很窄，较难适应千变万化的具体零件的工艺 设计，对首次使用的用户是不合算的。c a m 主要是应用在数控方面。 1 3 3 模具c a d 存在的问题及发展趋势 计算机辅助设计在模具工业中的应用，即模具c a d ，已被公认为是现代模具技 术中最重要的基础之，是模具生产走向全面自动化的根本措施。随着计算机技术 的发展，模具c a d 技术也f 1 趋成熟，通用机械零件c a d 逐步从工作站向微机转移。 国内企业近几年也在根据自身的发展需要，抓住机遇大力推广c a d 技术的应用。 但模具c a d 技术目前还存在许多问题，如： 1 ) 不少企业对c a d 的认识还仅仅停留在绘图工具阶段，具体表现在以下几个 方面：相似产品的多次重复造型、产品信息的集成化程度不高、信息交换 标准不统一、信息的共享程度低等。c a d 、c a e 、c a m 各自独立发展，形 成设计、模拟和加工的孤岛。 2 ) 计算机的运算速度问题。计算机硬件的发展速度赶不上软件的发展速度 兰州理工人学硕一 ：学位论文 第一市绪论 现在许多软件每半年就要升级一次，而计算机硬件升级至少要一年以上， 因而相对软件来讲计算机的运算速度就显得慢了。 3 ) 占用空间大。一方面，现在的软件越来越庞大，模块越来越多，功能越来 越强，特别是进入三维参数化设计，需要占用大量的内存和硬盘空间，如 一个汽车门里板仅曲面数据就要占用几兆的空间，若要设计完成整个模具 其数据量更是大得惊人，因此对计算机内存要求特别高，这直接影响到计 算机的响应速度。 模具c a d 技术已经历了十几年的发展，为了更适应未来的模具生产，模具技 术将向着如下几方面发展： 1 ) 无纸化生产。未来模具c a d 的发展方向是像美国波音7 7 7 大型客机的“无 纸设计和“无纸设计”技术方向发展，一切设计都在计算机里进行，如产品 设计、数据传送、工艺制定、模具型面设计、模具结构设计、模拟分析、 审核校对、出图一直到加工等，真正实现c a d c a e c a m 一体化。 2 ) 标准化。模具c a d 的标准化工作是其应用的重要保证，这里的标准化不是 指把标准件库建立起来就算完成的狭义标准化概念，而是指广义的标准化， 它包括制图的标准化、模具零件的标准化、模具结构的标准化、设计资料 的标准化等一切有规律可寻的标准化。 3 ) 模具c a d 的智能化。总结设计制造经验教训，把成功的经验应用于模具设 计中去，形成计算机里的知识库和智能库，生成专家系统。 4 ) 专业化。未来的c a d 模具将走向更加专业化的道路，一些通用的软件由于 其功能繁多，专业性较差，已不能满足大型c a d 模具的需要，更好的方法 是软件公司与专业模具厂的密切合作，开发专业性较强的模具c a d 软件。 如美国p t c 与f ! = ：i 本t o y o t a ( 丰田) 公司在p r o e 软件基础上开发的模具 型面设计模块p r o d i e f a c e 。 1 3 4 几种c a d 软件系统的性能评价 1 美国e d s 公司的u g i i 软件 u g i i 软件源于航空业、汽车业，以p a r a s o l i d 几何造型核心为基础，采用基 于约束的特征建模和传统的几何建模为一体的复合建模技术1 1 0 。其曲面功能包含于 f r e e f o r mm o d e l i n g 之中，采用了n u r b s 、b 样条、b e z i e r 数学基础，同时保留 解析几何实体造型方法，造型能力较强。其曲面建模完全集成在实体建模之中，并 可独立生成自由形状形体以备实体设计时使用【1 1 】。丽许多曲面建模操作可直接产生 或修改实体模型，曲面壳体、实体与定义它们的几何体完全相关。u g i i 软件实现了 面与体的完美集成，可将无厚度曲面壳缝合到实体上。总体上，u g i i 的实体化曲面 处理能力是其主要特征和优势。 2 美国s d r c 公司的i _ _ d e a s 软件 i - d e a s 软件的曲面造型完全基于n u r b s 几何定义的，它提供了一组丰富的 曲线曲面生成工具用以放样、扫掠和拼合曲面，并对曲面形状进行灵活的控制。 其结果是一个曲面集合或具有拓扑关系的曲面实体模型。该模型可参与全部几何造 型操作、干涉检查、物性计算等。i _ _ d e a s 提供了独特的变量成形工具，它基于最 兰州理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 小能量法，使用先进的高层次操作，例如对直观的几何形状进行推挤、弯扭、相斥、 吸引等，使底层的曲面曲线成型。也可以对真实的几何体直接进行交互修改，从而 得到光顺的形状，而不象传统的那样对控制点、权及节点进行交互操作。该软件较 完整地解决了主要的曲面造型问题【1 2 。 3 美国p t c 公司的p r o e 软件 p r o e 软件以其参数化、基于特征、全相关等概念闻名于c a d 界，曾引发机械 设计自动化领域的革命性变化，其曲面造型集中在p r o s u r f a c e 模块i l 。其曲 面的生成编辑能力覆盖了曲面造型中的主要问题，主要用于构造表面模型、实体模 型，并且可以在实体上生成任意凹下或凸起物等。尤其是将特殊的曲面造型实例作 为一种特征并入特征库中。p r o e 自带的特征库就含有如下特征：生成复杂拱形表面； 三维扫描外形；复杂的非平行或旋转混合；混合扫描；管道等。该软件的曲面处 理仅适合于通用的机械设计中较常见的蓝面造型问题。 1 4 图形c a d 软件的研究开发现状及开发热点 1 4 1 图形c a d 软件的研究开发现状 1 开发平台和开发方法的归一化 微机和工作站是图形处理的两大硬件环境，随着微机性能的大幅度提高，许多 过去只能在工作站上完成的工作现在可以在微机上完成。在微机上， w 矾d o w s 操作系统已成为主流操作系统，用户界面友好，方便于软件开发，目前软件开发大 都以w i n d o w s 为软件开发平台( 1 4 】。 在软件开发过程中普遍采纳了软件工程的思想，特别是采用了面向对象的程序 设计方法，c c + + 语言是软件开发的主导语言。开发方向更注重市场导向，突出了 软件丌发的规范化| l ”。 2 开发力量和面向行业的多样化 支撑软件的开发是一项系统工程，支撑软件作为应用软件的开发平台，应用范 围广，需求量大，具有非常广阔的市场。国内外高校、科研院所和公司均投入了大 量人力、物力和财力进行研究和丌发，三个方面的开发力量各有所长，反映出软件 开发者的多样化口“。 支撑软件就其适用性而言要求较通用，但大部分系统有一定的定位行业，女h s j l 械、建筑、电子、服装等，其中面向机械行业的软件较多，反映出软件面向行业的 多样化。 3 处理手段交互化 交互手段是目前图形软件的基本处理模式，它在对使用者的要求、对软件开发 者的要求、对硬件条件的要求这三方面得到了较好的平衡，可以发挥人和计算机两 方面的优势。 对用户的要求不断降低，有助于软件的推广应用，但对软件开发者的素质要求 提高了，硬件质量的不断提高完全保证了交互的实时响应，给软件设计者以充分发 兰州理t 大学顿十学位论文第一章绪论 挥和大胆设想。通用的c a d 软件开发平台，使软件更容易移植。用户界面的统一， 也为软件的交互化提供了方便。 4 处理效果实时化 由于硬件质量的不断提高，使图形处理得以非常方便地达到实时化。“所见即 所得”，已是大多数软件的基本功能。如“橡皮筋”式的拖动效果，基于“虚拟屏幕” 的快速显示，这些实时响应使用户能及时而自由地驾驭自己的工作，各种处理显得 随心所欲。 5 软件应用工程化 软件的工程应用背景非常重要。为了增强软件的实用性，强调自己软件的特色， 各模块都在支撑软件的基础上开发了一定的应用功能。如多种汉字字体，面向不同 领域的特殊字符符号和多种剖面图案。面向特定行业的标准件、基本件库、形位公 差、尺寸公差的自动查找和标注。有的软件考虑了产品的优化设计、通过图形消隐 自动生成装配图和多视图多约束的参数化设计等。 6 软件性能柔性化 柔性化即不断降低对用户的要求，用户的任何操作都会得到系统相应的响应。 这主要表现在软件的可靠性、健壮性和容错性等方面，而这讵是国内软件比较薄弱 的地方，“死机”现象时有发生。这主要与国内软件的投入较少，以及是否真正应用 软件工程的思想来进行软件开发有关【1 7 】。 7 软件商品化 商品化是图形软件产业化的必由之路，是国内软件产业的一个永恒主题，是科 研成果转化为生产力的具体体现。可以看到，几乎所有软件都或多或少地在商品化 方面作了重大努力，这首先归功于通用的软件开发平台和统一的用户界面。多数软 件在用户界面友好性、软件的可靠性、软件的可维护性和可扩充性等方面作了许多 ：【作，有的软件已注意了软件的开放性，给用户更大的二次开发自主权。 同时也应该看到，国内软件新成果虽不断出现，但商品化程度并不高，主要由 于国内软件开发机构尚未形成规模、软件工程的思想在软件开发过程中尚未得到真 正贯彻执行。 1 4 2 国内外图形c a d 软件研究概述 国外从5 0 年代开始对冲模c a d 进行研究和开发，7 0 年代初陆续出现了一批实用 的c a d 系统，8 0 年代已进入普及阶段。源于7 0 年代的c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ) 技术在工业发达国家被模具工业界所重视，并在许多大型模具企业中 得以研究、丌发和应用，取得了在模具产品质量( q ) 、生产周期( t ) 、和成本( c ) 等方面在市场竞争上的优势。例如，6 0 年代美国开发出c a d 一1 系统，并将其应用于 汽车车身设计和各类模具设计。1 9 7 3 年研制成功了p d d c 连续模c a d 系统【”1 。1 9 7 7 年捷克斯洛伐克研制出a k t 系统，该系统可以进行简单模、复合模及连续模的冲裁 模设计1 1 ，使模具的生产周期由原来的一个月缩短为8 天，成本可节约一半左右。1 9 7 8 年f 1 本研制成功了m e l 连续模c a d 系统和p e n t a x 系统 2 0 】，将模具设计时间缩短 为原手工设计的1 5 1 1 0 。8 0 年代中期f