（机械工程专业论文）纸粕辊系列产品参数化设计的研究.pdf

摘要 参数化( p a r a m e t r i c ) 设计方法已经成为计算机辅助设计的一个重要研究方 向，有着良好的应用前景。本文论述了参数化设计的原理及其实现的方法和手段， 分析了近期国内参数化设计的研究成果。结合纸粕辊产品的设计原理，本文探索 研究了纸粕辊系列产品参数化设计的实现方法，建立了产品的图纸模型，设计通 俗易懂的人机交互界面，实现在设计过程中输入客户数据，运行程序自动生成生 产需要的纸粕辊外形图和零件加工图同时生成工艺技术丈件，实现纸粕辊系列 产品参数化设计。 本文以机械设计和理论力学为基础，结合一系列的试验，探索出设计纸粕辊 产品零部件关键参数的计算经验公式。在研究了近十年来纸粕辊产品外形结构的 基础上，建立了适用范围广泛的产品外观图纸模型。本丈基于a u t o c a d 2 0 0 4 设计 平台，利用a u t ol is p 语言进行二次开发，将经验公式融入a u t 0 l is o 程序，通过 编制菜单丈件和d c l 对话框设计了人机交互界面。通过输入产品各项尺寸参数， 运行一系列命令，实现系列产品的参数化设计。 本文通过建立产品的通用模型和程序设计实现的参数化设计，可以让电脑对 客户要求的数据进行分析，自动生成满足生产工艺、制造安全和客户使用要求的 纸粕辊产品外形图；在外形图确定的基础上，自动设计内部零件图，绘制出加工 图：根据编制好的程序输入质量要求，生成工艺文件并打印。本论丈设计了一个 小型的c a d 系统，替代工程师进行一般规格与质量要求的纸粕辊产品装配图和零 件图的设计、生产工艺文件的制定。该系统可以在较短时间内完成客户和制造商 之间的交流协调，缩短生产制造周期，大幅度提高了设计工作效率。 本文以纸粕辊产品为主要研究对象，提出了由装配图到零件图的参数化设计 方法，并将零件图和压制工艺丈件相结合，体现出了不同于其它参数化研究的设 计思路，为非标准件机械产品的参数化设计提供一个新的方法。 关键词：纸粕辊、参数化设计、a u t ol i s p ，a u t oc a d 、二次开发 a b s t r a c t t h ep a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d ，w h i c hh a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，i so n eo f i m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n si nc a d i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o r p a r a m e t e rd e s i g nw e r ed i s c u s s e d t h er e c e n td e v e l o p m e n t si n t h i sa r e aw e r ea l s o p r e s e n t e d b a s e do nf i l l i n g r o l l d e s i g np r i n c i p l e s ，d e t a i l e dm e t h o d sf o rp a r a m e t r i c d e s i g n w e r e s t u d i e d ，a n dt h e n ，t h e p r o d u c t m o d e l sw e r es e t u p af r i e n d l y h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni n t e r f a c ew a sd e v e l o p e d ，s o ，t h e p r o d u c t m e c h a n i c a l d r a w i n g sa n dr e l e v a n tt e c h n o l o g yf i l e sc o u l db et u r n e do u ta u t o m a t i c a l l ya f t e rn e c e s s a r y c u s t o m e rd a t aw a si n p u ti n t ot h es y s t e m i nt h i sw a y , a p a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o dw a s r e a l i z e d b a s e do nm e c h a n i c s ，e x p e r i e n t i a lp a r a m e t e r sf o rk e yp a r t so f f i l l i n gr o l lp r o d u c t s w e r eo b t a i n e da f t e ras e r i a lo ff i e l de x p e r i m e n t s p r o d u c ta p p e a r a n c ed r a w i n gm o d e lf o r w i d ea p p l i c a t i o nw a ss e t 叩a f t e rr e l e v a n tf i l l i n gr o l lp r o d u c t si nt h ep a s tt e ny e a r sw e r e s t u d i e d o nt h eb a s i so fa u t o c a d 2 0 0 4 ，t h ea u t h o rd e s i g n e dm e n uf i l e sa n dd c l d i a l o g b o x e st or e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e s i g n e r sa n d c o m p u t e r i na u t o l i s pl a n g u a g e w h a tt h ed e s i g n e rs h o u l dd ow a sj u s ti n p u t t i n gn e c e s s a r yp r o d u c t s p a r a m e t e r sa n d r u n n i n g t h ep r o g r a m t h e s y s t e mc o u l da n a l y z et h ec u s t o m e r s d a t aa n d o u t p u tf i l l i n gr o l ld r a w i n g s a c c o r d i n g t o t e c h n o l o g y f i l e s ，m a n u f a c t u r es e c u r i t y a n dc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s a u t o m a t i c a l l y a f t e rt h e n ，t h ei n s i d ep a r t sc o u l d b ed e s i g n e da n dp r i n t e da u t o m a t i c a l l y as m a l lc a ds y s t e mw a sd e s i g n e dt h a tc o u l dh e l pe n g i n e e r st od e s i g nf i l l i n gr o l l p r o d u c t sa n dt e c h n o l o g y f i l e s a l lt h e s ec o u l db ed o n ei nas h o r t e rt i m et h a nb e f o r e i nt h i s p a p e r , an e wp a r a m e t e rd e s i g nm e t h o dt h a tc o u l dd e s i g np a r t s d r a w i n g s f r o ma s s e m b l yd r a w i n g sw a sp r o p o s e d t h i sm e t h o d ，w h i c hc o u l dc o m b m e m e c h a n i c a l d r a w i n g sa n dt e c h n o l o g yf i l e s ，w a sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r y m e t h o d s k e y w o r d s ：f i l l i n gr o l l ，p a r a m e t r i c d e s i g n ，a u t ol i s p , a u t o c a d ，s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t 致谢 值此论文完成及研究生生活结束之际，谨向我的导师陈勇副教授、吴舒拉高 级工程师致以诚挚的敬意与感谢，感谢他们在几年学习生活中给予我的关怀和帮 助，感谢他们在我做课题和撰写论文期间给予的指导和鼓励，感谢他们在论文后 期的撰改过程中睿智地教诲和无私地付出，使我能够顺利完成论丈的撰写工作。 他们严谨的治学态度和谦虚的人格是我学习中的最大收获，在研究过程中学到处 理问题的方法和学习的技巧，将使我受益终生，鞭策我在学业和人生道路上不断 地前进。 感谢民丰特纸股份有限公司领导的关心和帮助，感谢班主任李英杰书记在工 作和学习上的关怀和支持。 感谢在论文中被引用的诸多论文的作者，他们的研究成果拓宽了本论文的思 路。 感谢那些曾经关心和帮助过我的同学和朋友们。 作者：穆青云 二oo 五年七月 纸粕辊系列产品参数化设计的研究 第一章绪论 1 1 纸粕辊产品应用 超级压光机是造纸业的一种整饰设备，通过整饰，可以改善纸张的外观和其 它物理指标。从造纸机生产出来的纸张，由于网部和压榨部特种器材的花纹造成 纸张表面料糙。因此对于某些质量要求较高的纸张必须通过超级压光机来改变这 种纸张固有的表面特性，赋予纸张不同要求的表面品质，以改进纸张光泽度、平 滑度、紧密度、平整度和透明度等。超级压光机辊筒有两种：一种是金属辊，还 有一种是纸粕辊。 图卜1 纸柏辊产品照片 作为超级压光机不可缺少的主要部件，纸粕辊是由一种或几种纤维制成纸页 或纸板为填充料，经过一定的压制加工生产工艺，把辊面填充料紧紧地压制在钢 轴上制成的。图卜1 为纸粕辊产品示例，前一为棉浆纸粕辊，中间为羊毛纸粕辊， 后面一支为白色棉浆纸粕辊。超级压光过程同在柔软的颦布上用电熨斗烫衣服相 似，纸的光泽度和平滑度是由磨光亮的金属辊得到的，而纸粕辊作为衬托辊，其 质量的优劣决定了是否能够获得理想的整饰效果。良好的辊面性能才能更好地提 高纸幅的光泽度和平滑度。 纸粕辊产品在造纸工业有着广泛的应用，用于玻璃纸、涂布纸、未涂布纸等 特种纸的压光，提高纸张的紧度、平滑度和光泽度；用于对电容器纸、录像带、 录音带、磁带等产品的雁光，以提高纸张的紧度和透明度；也可以用于刚刚兴起 的格拉辛纸的压光，替代传统的不干胶淋膜原纸。在纸加工工业中，纸粕辊产品 普遍应用于对纸张的压纹工序，它产生良好的压纹效果。 纸粕辊辊面填充料的特性从根本上决定了纸粕辊产品的辊面特性，决定了产 品的使用范围。从辊面填充料角度出发，纸粕辊可分为棉浆辊、羊毛辊、无纺布 辊、毛毯辊等，羊毛填充原纸羊毛含量从1 0 一4 0 等多个种类；从原纸出产地 来讲，分为进口和国产两种。不同的纸粕辊产品广泛应用于造纸行业、纺织行业、 塑料压花等不同行业，满足不同产品品质的整饰要求。 用羊毛原纸作为填充料制造成的纸粕辊，辊面弹性好，复苏性强，可塑性较 好，经超级压光可提高纸张的平滑度到1 2 0 0 s ( s 为平滑度指标单位) ，光泽度 到6 8 6 。8 0 的羊毛纸粕辊用于铜版纸、书写纸等纸张的超级压光，主要提高其 平滑度和光泽度，改善印刷性能；另外2 0 的辊子用于铝箔、金箔、塑料等产品 的压光、压花，纸粕辊辊面可塑性和良好的弹性产生较好的压花、压纹效果。最 近两年兴起的激光防伪纸的加工方法，成功地运用了羊毛纸粕辊作为衬托绲，获 得了很好的镭射图案效果。高含量的羊毛纸粕辊尤其适合纺织品的压光，压光效 果优于棉花弹性辊和尼龙辊。由于羊毛纤维的耐温性能较差，随着原纸羊毛含量 的升高，辊子的耐温度逐渐变低，使用范围相应变化，限制了辊子在高速、高温 下的效果和使用寿命，耐高温和提高抗皱性能新材料的应用将进一步提高辊子的 压光效果和使用寿命( 陈天生、陈正浩，1 9 7 9 ) 。 棉浆纸粕辊主要用于半透明玻璃纸，磁带、录像带及格拉辛纸等产品的压光 作业，主要提高纸张紧度、透明度，改善其适应性、透气性、平滑度等性能。棉 浆纸粕辊辊面硬度高可达9 3 h s d ，表面光洁度高，可承受线压力达2 5 0 3 5 0 k n m ， 承受温度1 0 0 以上，其辊面特性不同于羊毛纸粕辊，因而和羊毛纸粕辊有不同 的使用范围。但是在某些特殊情况下，通过改变棉浆原纸纸张物理指标，利用棉 纤维较高的耐温性能，制订相应的压制工艺，制造出的棉浆纸粕辊也可应用于铜 板纸等类似产品的高光型压光作业中，取得很好的使用效果。 随着人们生活水平的提高和国际化市场的扩展，纸粕辊的应用也从单一的造 纸工业开始渗透到各个工业领域，尤其是纺织品品质的提高和出口贸易的增加， 纺织品的压光作业成为出口产品的必要工序。一九九四年开始，纸粕辊在纺织行 业的应用迅速发展，纺织品面料品种繁多和规格的多样化，给纸粕辊的设计和制 造带来挑战。不同的纺织面料对纸粕辊的辊面特性要求不同，辊面填充料的品种 必须做相应扩充。纸粕辊产品种类迅速膨胀，客户要求的交货期也从原来的3 - 6 个月变为1 5 - 2 5 天，要求纸粕辊的生产制造周期大大缩短，必须在公司内部解决 产品设计、生产制造周期和客户急需之间的矛盾，缩短设计和生产周期。 塑料等装饰行业的异军突起，更加拓宽了纸粕辊的应用。塑料制品和医疗用 品的压纹作业越来越多，从一次性医用手套、帽子、鞋套到鲜花包装用塑料纸， 延伸到香烟内衬纸和香烟外壳包装、香烟防伪标志等等，都要经过压纹作业，提 高产品的档次和适用性。纸粕辊作为各种余属辊的衬托辊，广泛地应用到各行各 业，融入人民生活的每一个角落。作为国内为数不多的纸粕辊制造商之一，我们 迎柬了商机，同时也迎接了新的挑战。对于品种繁多、规格多样和客户的特殊需 求，如何为客户提供质量好交货期短的优良产品，已经成为公司必须解决的一个 问题。 11 ，1 产品外观简介 纸粕辊产品主要零件有轴心、园盘、销子和填充料，填充料附着在轴心上， 圆盘位于辊体的两端，固定填充料，销子起锁紧作用，承受填充料2 _ f a j 的剩余压 力，保证辊面具有一定的弹性。纸粕辊生产主要配套设备有油压机、冲孔机、切 角机、车床、磨床等。 图l 一2 为民丰特种纸股份有限公司生产的z p g 4 8 3 1 型纸粕辊，应用于包装 纸、墙纸等装饰用纸的压纹作业。辊面硬度为8 6s h “d ”，使用德国进口1 8 羊 毛原纸作为辊面填充料，能够承受线压力3 0 0 k n m ，工作速度6 5 m m i n ，压纹效 果达到国内先进水平。该辊芯坯料为直径2 5 0 m m # 4 5 钢( 锻件) ；圆盘厚度为 9 0 r a m ，采用螺纹结构；锁销厚度为9 0 m m 。该纸粕辊配套意大利进口压纹机，作 为压花辊衬辊，取得了理想的作业效果。 肖子 n - a 填充料 图卜2 纸粕辊产品z p c a 4 8 3 1 结构示意图 纸粕辊结构主要有三种类型，扇形销结构、锥形销结构、螺纹销结构，一般 采用国际先进的双锥面螺纹销结构。三种结构各有长处：扇形销结构简单，车加 工容易，压制过程中能够较精确控制辊面幅门尺寸参数；锥形销适用于结构紧凑 的压光机，减小设备整机体积对机加工精度要求较高，锁销受力面积较大；螺 纹销是较理想的一种结构，能够准确地控制辊面幅门尺寸，增加轴心的受力面积， 节约圆盘和轴心的材料消耗，保证辊面硬度一致、均匀。 纸粕辊产品作为超级压光机的配套辊子，其外观取决于不同的压光、压纹设 备，为了满足压制工艺，其辊体的尺寸( 包括圆盘的厚度、幅门) 必须经过专业人 员的设计和确认。辊体以外的尺寸一般依据不同厂家的独特需求而确定参数。 1 2 选题依据及研究内容 1 2 1 选题依据 纸粕辊作为超级压光机、压纹机的配套产品，制造成本高，是易损易耗件， 修磨和更换频率较高。随着应用范围的不断扩展，纸粕辊产品的规格和产品特性 随着客户的不同需求干变万化，填充料的品种不断增多，其直径从7 0 册到6 0 0 f i l m ，长度从1 0 0m m 到6 0 0 0m i l l ，辊面填充料有羊毛，棉浆纤维及其它特种纤维不 同配比5 0 余种的纸粕辊原纸，辊面硬度范围为5 0 一9 3s h d 。 纸粕辊的辊面特性和结构形状干变万化，工艺文件的制定也复杂多变，因此 纸粕辊产品的设计是一个十分具体又种类繁多的设计过程。传统的c a d 绘图，需 4 f f r 逐条逐段地绘制和修改图形，当产品更新换代时，必须重新绘制新产品的图纸， 显然增加了不必要的重复劳动，延长了产品开发周期。设计的质量和效率是影响 产品经济性和技术指标的关键，设计过程的效率对于生产系统的整个生产率起着 举足轻重的作用。研究、开发和利用先进的设计方法和工具以提高产品设计的效 率就显得至关重要。而参数化设计系统则对解决这个问题作出了成功的回答。为 了适应激烈竞争的市场需求和提高企业本身的快速反应能力，纸粕辊产品的参数 化设计已经成为本公司必须解决的一个重要课题。 民丰特种纸股份有限公司纸粕辊产品的制造历史已经4 0 年，一直引导着中固 纸粕辊产品事业的发展，可以说民丰纸粕辊产品的水平标志着中国纸粕辊产品水 平。研究纸粕辊系列产品的参数化设计具有十分重要的意义，对于本公司更具有 巨大的现实意义和应用价值。 1 2 2 研究内容 本课题研究的主要内容是纸粕辊系列产品体系的建立和设计方法的研究，并 j l ：发出一套完整的面向客户需求的智能参数化计算机辅助设计c a d 系统，以支持 系列产品的结构设计和工艺技术文件的设计开发。具体研究内容如下： 1 ) 研究纸粕辊产品压制过程中受力问题： 2 ) 研究纸粕辊辊面特性和填充料的关系，及其压制工艺技术参数的内在关系； 3 ) 研究纸粕辊产品辊体剩余压力问题； 4 ) 研究纸粕辊外形结构，建立装配图和零件图纸模型； 5 ) 面向客户系列产品的智能化计算机辅助设计系统体系结构研究； 6 ) 纸粕辊产品零部件参数化设计方法研究； 7 ) 参数化设计程序的丌发和调试。 1 2 3 研究方法 本课题拟通过试验，分析纸粕辊产品在制造和使用过程中的受力问题，以实践 为基础，总结出产品零件关键参数设计经验公式，根据产品结构建立产品的。：维 平面图纸模型；对c a d 制图软件进行二次开发，编制参数化绘图程序，在设计过 程中输入客户要求的外形参数和质量性能参数，运行程序能自动生成零部件设计 图纸，同时生成工艺技术相关文件，实现纸粕辊系列产品的参数化设计。 通过具体的试验，分析纸粕辊辊面特性和压制工艺的关系，分析辊体内的剩 余压力和填充料、压制工艺的关系，研究纸粕辊产品在制造过程中的受力特性， 总结出纸粕辊产品设计经验公式。 1 ) 系统开发环境的选择。从经济性、实用性角度考虑，系统丌发以微型计算机机 做平台，以m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0 为操作系统，以a u t o c a d 2 0 0 4 为图形工作 平台，采用面向对象的编程语言a u t ol i s p ，进行系统开发。 2 ) 分析现有客户以及随着市场的变化可能存在的潜在客户和系列产品特性，建立 客户需求与各类纸粕辊产品之间的直接映射关系，建立知识库原型。 3 ) 通过调试、运行，对知识库、规则库和实例库加以补充完善，建立完整的开放 性系统。 1 2 4 研究的目的和意义 纸粕辊产品的应用已经深入到人们生活的每一个角落，纸粕辊产品的制造却 是一个鲜为人知的产业。在国内，上规模、品质优良的仅民丰一家企业，纸粕辊 的研究更是一个全新的课题。纸粕辊的图纸设计、质量特性指标、生产工艺、维 护保养都是需要技术人员投入大量的时间和精力进行研究的课题。中国纸张的制 造已经在近年内取得长足的进步，纸张后整理行业落后于高速发展的市场需要。 对超级压光机、压纹机、压光机等设备的主要配件纸粕辊产品进行各方面的研究， 将有助于填补国内这方面研究的空白。 论文的完成将形成一个小型的c a d 系统，替代工程师完成一般规格质量要求 的纸粕辊产品的装配图及零件图纸设计和工艺制定，可以在短时间内完成客户和 制造商之间交流协调，缩短生产制造的周期，大幅度提高设计工作效率。 本文以纸粕辊产品系列化设计为主要研究对象，提出由装配图到零件图的参 数化设计方法，并将零件图和压制工艺文件相结合，体现不同于其它参数化研究 的浸计思路，将为非标准件机械产品的参数化设计探索一个新的方向。 6 第二章参数化设计 2 1 参数化设计技术及其在工程中的应用 2 ，1 1 关于参数化设计的一般论述 随着计算机技术的发展，工程人员设计的手段从传统的手工图板制图逐渐向 计算机辅助设计方向发展。计算机辅助设计是当代十项最杰出的工程技术之一， c a d 技术的发展已经经历了二维绘图阶段、通用机图形处理阶段、微机工作站三个 阶段。国外计算机软件在机械设计上的应用已经非常普遍。我国的c a d 技术的研 究始于上世纪6 0 年代末，最早起步于航空工业，近年发展很快，已在机械、电子、 建筑、汽车、服装等领域进入实用阶段( 纪丰伟、陈恳、张保根，2 0 0 0 ) 。 在c a d 技术发展的第三阶段( 上世纪8 0 年代初期) 出现了变量化设计技术和参 数化设计技术。变量化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 一涮是美国麻省理工学院 g o s s a r d 教授于1 9 8 0 年提出的。g o s s a r d 的倡导在当时c a d 界并未引起重视，直 到t 9 8 7 年底p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y 公司推出以参数化、变量化、特征设计为基 础的新一代实体造型软件p r o e 后，c a d 界才真正认识到参数化、变量化设计的巨 大潜能。之后，参数化和变量化设计引起国内外c a d 软件界极大关注，并成为c a d 界的研究热点( 纪丰伟、陈恳、张保根，2 0 0 0 ) 。 参数化设计( p a r a m e t r i c ) 设计也叫尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是c a d 技 术在实际应用中提出的课题，它不仅可使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有 自动绘图的功能。目前它是c a d 技术应用领域内的个重要的、且待进一步研究 的课题。利用参数化设计手段开发豹实用产品设计系统，可使设计人员从大量繁 重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。 最常见的系列标准件就是属于这一类型。应用参数化设计系统进行机械产品设计， 其系统操作与运行比较简单，并能将已有的某种机械产品设计的经验和知识继承 下来。参数化设计的参数化模型的尺寸用对应关系表示，而不需要确定具体数值。 变化一个参数值，将自动改变所有于它相关的尺寸，并遵循约束条件，这就是采 用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型。 参数化设计与传统方法相比，最大的不同在于它存储了设计的整个过程，能 设计出一族而不是单一的产品模型。传统的入机交互式绘图一般需要用精确的尺 寸值定义几何元素，输入的每一条线都必须有确定的位置，图形一旦建立，如想 改变图形大小尺寸，即使结构相似，也必须对图形进行编辑。工程设计中，进行 新产品设计时不可避免地需要多次反复修改，特别是对于结构定型的产品设计， 需要针对用户的需求提供不同规格和的产品进行设计，以便形成系列。因此希望 有一种比交互式绘图更方便、更高效、更适合结构相似图形绘制的方法。参数化 设计方法比较好的解决了这一问题，在实际工程设计中得到了非常广泛的应用。 田内外对参数化设计做了大量的研究，目前解决参数驱动中约束的方法主要 有如下几种( 狄长春，陈永才，王兴贵) ： ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能法 ( 3 ) 基于构造过程的构造法 ( i ) 基于辅助线法 上述参数化设计方法足新一代智能化、集成化c a d 系统核心技术之一。这些方 法虽具有较深的理论基础，也能很好地解决二维参数化问题，但难以在机械设计 中推广，在实际设计中，很难真正成为有效的设计工具。究其原因，主要在于这 些研究成果或是过多地集中在对基本集合元素的约束建模，或是片面地强调理论 的完整性，而忽视了对适应实际应用需求的约束高层次表示的研究。1 9 7 8 年麻省 理工学院机械工程系的一篇( c a d 零件的特征表示揭开了特征设计的序幕。自上 世纪8 0 年代以来，基于特征设计的方法已被公认为是解决产品开发与过程设计集 成问题的有效手段。特征是具有工程含义的几何安体，它表达的产品模型兼含语 义和形状两方面的信息，而特征语义包含设计和加工信息，它为设计者提供了符 合人们思维的设计环境，设计人员不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的 工程术语阐述设计意图的方式来进行设计。因此基于特征的设计越来越广泛地应 用于参数化设计中。对于一个特征来说，其构成的几何图素之间的拓扑关系是不 变的，特征形状的变化只自通过给特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改 就可以转化为对构成零件的特征参数值进行修改，不用直接修改几何图素的位置， 人大方便了零件的设计修改过程，提高了设计效率和准确性。 蠢 2 1 2 国内外参数化设计研究现状 目前，参数化设计已成为c a d o o 最热门的应用技术之一，能否实现参数化设 计也成为评价c a d 系统优劣的重要技术指标，同一系列产品的第二次设计可直接通 过修改第一次设计来实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的整 个丌发周期，设计参数可来自于其他系统。 实现参数化有多种方法。例如，使用c s c r i p t 命令组文件、a u t ol i s p 程序和 a d s 应用程序可实现a u t o c a d 软件绘制的机械图参数化：用c 语言二次开发i d e a s 绘 图软件也可实现参数化；p r o e 软件系统能进行参数化特征造型，有能使各个模 块集成起来的数据库，各个模块的设计修改相互关联：可以利用p r o t a b l e 模块 编制程序( p r o g r a mf r o mf i l e ) 或修改绘图过程中生成的程序( p r o g r a mf r o mm o d e l ) 实现参数化。借助软件p r o e 的p r o p r o g r a m ，p r o t a b l e ，p r o l e g a c y 等模块 的功能，通过输入参数与设计尺寸的关系式( r e l a t i o n s ) ，能实现零件图和装配图 参数化设计。 国内相关方面发表的论文和研究成果很多，哈尔滨理工大学会婉如等发表的 基于u g 的汽车天窗参数化设计针对国内汽车天窗研发现状，在分析汽车手动 天窗结构、功能特点的基础上，利用u g 的电子表格表达式编辑等的参数化设计功 能，提出了一种汽车天窗参数化设计方法，实现了汽车手动天窗零部件建模和装 配过程的参数化，创建了标准件库( 会婉如邵俊鹏刘庆全张彬斌，2 0 0 4 ) 。基 于i d e a s 的三维实体参数化设计结合长期的工程实践经验，泼文以深沟球轴承 为例，介绍了基于i d e a s 零件家族的标准件实体建模方法与数据管理系统( 廖常 俊骆德洲秦东兴黄大贵，2 0 0 4 ) 。基于p r o e 的螺旋齿轮参数化设计介绍了 p r o e 环境下利用p r o g r a m 丌发功能实现螺旋齿轮参数化造型的方法、步骤及开 发技巧，为p r o e 软件的广泛应用与深层次开发提供了十分有益的经验( 李雷黄 恺，2 0 0 4 ) 。基于o b j e c t a r x 的参数化设计利用o b j e c t a r x 进行丌发，对于技术 成熟的产品提出参数化设计的方法，建立详细的系统框架，抽取合适的特征参数， 以排气管为例介绍参数化设计的应用( 张辉马永有李小伟蒋寿伟，2 0 0 4 ) 。基于 p r o t o o k it 二次开发的机械零件参数化设计文章介绍了p r o e 二次开发的方 法，论述了p r o t o o l k i t 二次开发的步骤，并以齿轮减速器轴为例，详细阐述了 9 基于p r o t o o l k i t 二次开发的机械零件参数化设计的实现过程标( 董黎敏袁旭 郑清春郭津津史滓平，2 0 0 4 ) 。 从上述几篇论文的简要介绍，可以看出参数化设计方法的研究已成为研究和开 发的热点，参数化设计的方法和开发软件环境相对较多，各个参数化软件系统都 有很强的针对性，但还没有发现一个软件可以集所有通用机械设计之大成，所有 软件还没有十分完美地解决现今存在的一些问题。对于纸粕辊产系列产品的参数 化问题，只有结合产品自身的特点，结合企业的应用软件基础，借鉴现有参数化 设计系统成功的经验和方法，将各种参数化技术相互融合，建立适合自身的参数 化设计系统。 2 1 3 参数化设计的基本形式及实现手段 在对“参数化设计”的理解和实现上，由于思考侧重及实现方法不同，也就 带来了参数化设计的不同表现形式，按照参数化设计所采用的处理方法可以将其 分为两类： ( 1 ) 过程式参数化 这类方法把交互绘图的过程程序化，由一般编程人员利用高级语言( 如l i s p 语言、c 语言等) 编程，建立图形与尺寸参数的约束关系，通过常规c a d 系统提供 的二次开发接口技术生成几何图形。具体可理解为图形的所有尺寸都是参数化的。 可以动态修改，但这一过程是借助应用程序来实现的。 ( 2 ) 智能参数化 现有的商品化绘图软件( 如典型的c a d 支撑软件p r o e 和a u t o c a dd e s i g n e r 等) 都属于这一类。他们可以方便地重定义模型和更新显示结果，任何交互式地 尺寸改动都会立刻导致模型的变化。智能参数化指计算机对图形约束关系自动识 别，根据图形的几何约束关系实现图形的参数化。 本课题结合公司现有的应用软件的实际情况和产品自身的特点，采用过程式 参数化方法实现纸粕辊产品的参数化设计，在分析大量纸粕辊产品设计的成功案 例的基础上，总结经验公式，建立图纸模型，编制绘图程序，实现纸柏辊系列产 品的参数化设计。 当明确了工作目标和设计思想之后，首先要做的是选择一个适合于具体工作 1 0 情况和当前技术状况的编程语言。 随着计算机技术和理论的快速发展，呈现在设计者面舸的是不断推陈出新的 各种类型的计算机编程语言，使设计人员有一种眼花缭乱而且力不从心的感觉。 对于参数化设计，可选择的语言很多：a d s ，a r x ，v l i s p 或在w i n d o w s 环境下任何 一种支持动态数据交换( d d e ) 的程序语言，例如v i s u a lb a s i c 和d e l p h i 2 2 几种开发工具之比较 1 v l s u a l i s p a u t ol i s p 是c o m m o ni i s p 的一个子集，非常接近于c o m m o nl i s p ，基本上是 c o m m o nlis p 的削减版本。c o w _ l o l lli s p 现在仍是最古老的人工智能设计语言的最 新版本，又具有一些古老a u t o c a d 的特有功能。而作为嵌入a u t o c a d 内部的l i s p 编程语言，经历了如下阶段( 梁春雪等，1 9 9 8 ) ： ( 1 ) 1 9 8 5 年5 月，a u t o c a d 2 + 1 7 和2 1 8 版本被推出，出现了简单的a u t ol i s p 语言。 ( 2 ) 1 9 8 6 年6 月，a u t o c a d 出现了2 5 版本，解释型的a u t ol i s p 语言功能得 到进一步加强，与a u t o c a d 结合恰到好处，受到广大开发者的欢迎。 ( 3 ) 1 9 8 8 年1 0 月，a u t o c a d 的1 0 0 版本，扩展的a u t ol i s p 语言可使高档微 机的扩展内存得到充分利用。 ( 4 ) 1 9 9 0 年至1 9 9 2 年l o 月，a u t o c a d 出现了1 1 0 和1 2 0 版本，基于销售加 密和效率方面的原因，a u t o c a d 开发者公开了其编译型的c 语言开发系统一a d s 对于计算密集的c a d 工作无疑大大提高了效率，并且可以与数据库连接。 a u t ol is p 语言，由于其语法简单、操作灵活，使a u t o c a d 具有良好的开放 性o j 、l 能熟练使用a u t oc a d 绘图并具有高级语言编程经验的人都可以很快掌握它， 使其在c a d 系统歼发过程中发挥重要作用。 a u t ol i s p 是内嵌于a u t o c a d 内部的通用l i s p 程序设计语言的子集，能大 大地扩充图形处理功能。它是一种表处理语言，能通过定义函数来实现各种功能， 除可以完成通常的科学计算和数据分析以外还能直接调用a n t o c a d 的各项命今并 可直接访问图形数据库，通过修改图形数据对图形进行操作。 2 a d s 开发系统( a u t o c a dd e v e l o p m e n ts y s t e m ) a d s 是a u t o c a d 提供的运用c 语言开发应用程序的系统。它要求开发者既懂c 语言又熟悉a u t o c a d ，因此，被认为是比a u t ol i s p 更高级的歹l ：发手段。a d s 在 a u t o c a dr 11 版中开始提供，涉及a u t o c a d 命令，图形数据访问通过a d s 库实现， 奠内容与a u t ol i s p 函数基本相同，早期使用保护模式对c 语言有一定限制，只 能使用h i g hc 或w a t c o mc 。r 1 2 版之后，出于对c 语言支持得到改进，允许使用 b c 十+ 、v c + + 、v b 等进行开发，因而使丌发环境得到大大改善。使用a d s 既可以丌 发独立的应用程序，也可以开发常用函数供a u t ol i s p 程序调用。后者的好处是 既可提高编程效率，又可对程序进行保护，国内丌发商大多采用这种方式。 尽管a d s 有很多值得称赞之处，但它也有一个先天不足之处，就是a d s 程序 必须通过a u t ol i s p 解释器加载，并非最低层的代码，各方面的条件都会打折扣。 f 因为如此在r 1 3 版中a u t o c a d 提供了更为高级的丌发工具a r x ( 清源计算机工作 室，2 0 0 0 年) 。 3 a r x 开发环境( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) a u t o d e s k 对a r x 的评价很高，称它对开发者的作用是突破性的技术进步。使 用a r x 编写的应用程序不需经过l i s p 解释器加载，它可以和a u t o c a d 的进程菇享 内存空间，即用a r x 编写的命令可以和a u t o c a d 中l i n e 、p l ir l e 等命令于同一级 别，显然要比a u t ol i s o 、a d s 形式得到更快的响应。 a r x 有一个更为重要的功能，即允许用户定义自己的对象，构造自己的图形 数据，可以像管理内部定义对象样进行处理。这一功能的应用将有可能使应用 软件的水平提高到一个新的档次。目前在a u t ol i s p 和a d s 中对于专业对象的描 述要通过标志、扩展数据才能实现。因为在a u t o c a d 中提供的所有实体都是最基 本的图形元素，面产品中一个构件需要由许多图元组成，这样既不安全、也不方 便，而a r x 提供了这种可能。a r x 同样使用c + + 语言，用v b 、v c 十+ 进行编程，开发 环境与a o s 相同，目前a r x 开发的软件已陆续出现。a r x 一般是在a u t o d e s k 和开 发商中使用。由于a r x 是使用v i s u a lc + 十作为基本程序设计语言，其效率、数据 处理和软硬件的控制能力都是最好的，是唯一圆满地实现了针对多图形环境的程 序设计方法。是从根本一h 扩展v l i s p v b a 的程序设计方法( 清源计算机工作室，2 0 0 0 年1 。 但是，要想真正发挥这种开发模式的作用，对于程序设计者的要求( 计算机专 2 业知 = 、软件专业知识等) 也较高，而且程序运行风险较大。要求程序自己作好各 种数据的测试，自己设计好各种条件下的出错处理和恢复，否则a r x 程序的崩溃 常常会连带a u t o c a d 、甚至是w i n d o w s 一起崩溃。因此，这种开发模式不适于在专 业设计t 程师中间普及。 4 v b a ( v is u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ) v b a 是自r 1 4 开始嵌套在a u t o c a d 之中的程序设计方法( 吉晓明，1 9 9 7 ) ， v b a 是根据微软公司的规划，在每一个w i n d o w s 下的应用软件都必须具有的功能。 其优点是可以很容易地使用w i n d o w s 系统资源，使a u t o c a d 与其它w i n d o w s f 的 应用软件交互。v b a 对话框的设计能力比a u t ol i s p d c l 好。源程序编写比a u t o l i s p 要复杂一些。将来会成为于a u t ol 。i s p 并列的另一种专业用户程序设计语言， 也比较容易学会。 在设计过程模拟类的程序设计中，v b a 明显不如a u t ol i s p 那样顺利，毕竟 a u t l ，j s p 脱胎于人工智能语言。a u t ol i s p 能够访问的对象数据、能够激活的某些 a u t o c a d 对话框，v b a 却不能。扩充v b a 的功能可以用v c + + a r x 程序，但是相当 复杂，对于一般工程师来讲很难掌握。对v b a 的扩充和完善，只能等待a u t o d e s k 的工作结果。 通过上述阐述，明确了a u t ol i s p 、a d s 、v b a 、a r x 四个系统的优缺点，掌握 运用程度由易到难，处理问题能力由弱到强，对于非计算机专业的机械设计人员 运用a u t ol i s p 是一个合理的选择。 2 3 本课题的编程语言的选择 从以上几种语言的讨论可以看出，a d s 程序必须通过a u t ol i s p 解释器加载， 帽比a u t ol i s p 的优越条件都会打折扣；a r x 对于程序设计者的要求较高，程序运 行j x l 险较大；v b a 最明显的问题是不能编译；c a d 系统软件内嵌式程序设计语言 a u t ol is p 语言是进行二次开发的最好工具，无论什么专业都可以根据本专业的 特点开发出适合本专业需要的c a d 应用软件。 a u t oljs p 语法灵活简洁，表达能力强，易于掌握。国内二次开发人员大多 数是通过a u t ol i s p 进入丌发行列的。不了解a u t ol i s p 的人往往有一些误解， 认为a u t ol i s p 语言精度不够，不能设计火系统，不能处理大容量数据，速度慢， 易出错等。事实并非如此，a u t o c a d 提供的整数为3 2 位带符号数，实型数为双精 度型浮点数，有效位至少1 4 位，具有足够的精度。a u t ol i s p 使用表结构，一个 表中可以包含不同的数据类型，表中可以套表，在一个表中可将一个对象，如齿 轮组所需的数据全部包括在表中。这样，它既便于管理，又加快了处理速度，完 仝具有处理大容量数据的能力。 2 3 1a u t ol ls p 的优点 选择a u t ol i s p 作为开发工具，主要有以下优点： ( 1 ) l i s p 在所有的编程语言中是最易于学习和掌握的。 ( 2 ) l i s p 是研究和开发人工智能和专家系统的工具。 ( 3 ) 由于l i s p 本身具有特别简洁的语法，所以编写l i s p 解释程序变得相当简 易，其程序尺寸也非常小。 ( 4 ) l i s p 解释程序最适于那种专用于设计过程中的自由式的交互操作。 ( 5 ) l i s p 擅长处理具有不同存储容量的各种数据对象，而这正是c a d 系统如 a u t o c a d 所需要的。 a u t ol i s p 是个嵌入在a u t o c a d 中的程序设计语言，在a u t o c a d 内部使用。 它是a u t o d e s k 提供的，专业用户应用，f 发手段中，历史最悠久、掌握的人最多、 成果最多、资料最多、最常用的、最有实效的一种。a u t o c a d 之所以在众多的微机 c a d 软件中占有很大的市场份额，带有这种使用方便的，能比较容易地被工程师掌 握的，有强大功能的a u t ol i s p 语言，是重要原因之一。 从目前a u t o c a d2 0 0 0 中可以看出，a u t o d e s k 正在逐