（机械设计及理论专业论文）基于proe的零件库建库工具的研究与开发.pdf

i 摘摘 要要 零件库在 cad 系统中的应用是十分广泛的，它包括标准件库和普通零件库，零件 库的建立是一件烦杂的工作，为提高设计效率，有必要设计一个零件库建库工具。 本文在航天部标准化研究所标准件库开发项目的基础上， 对特征库和零件库建库 工具的开发进行了较深入的研究，并对其中主要功能进行了程序设计实现。主要工作 包括以下几点： 首先，本文在阐述参数化造型技术的原理、发展以及标准件库开发应用现状的基 础上，分析了开发零件库建库工具的必要性，论述了系统开发的意义，制定了系统开 发的目标。 其次，在对比参数化设计中参数化模板方法和参数化特征造型技术的基础上，本 文分析了参数化特征造型技术的优点。随后，对 pro/engineer 提供的几种基于参数 化特征技术的造型方法进行对比，选择 udf(用户自定义特征)作为零件库建库工具的 基础，并对基于 udf 的零件生成方法和生成过程作了详细论述。 接着，将特征技术和面向对象方法有机结合起来，对特征加以详细分类，在此基 础上对特征库进行设计，从而设计实现了特征库建库工具的开发。随后，从零件库的 体系入手，分析了零件库的设计，并实现了零件库建库工具的设计。 最后，针对系统设计中的三个关键技术：参数匹配算法、阵列的实现和 pro/engineer 中可编辑报表进行了理论上和实现上的阐述，最终实现了系统设计目 标。进而对全文进行了总结，指出了今后在零件库建库工具开发中的研究方向。 关键词：关键词：参数化 零件库 特征库 自定义特征 建库工具 ii abstract the part library which includes standard part library and common part library has been in wide use in cad systems, building the part library is various and trivial. for improving the efficiency of design, a tool for building part library should be worked out. based on the project of components standardization system for china aerospace standardization institute, the thesis focuses on the development of the tool for building feature library and part library, and implements the main function with program. main work includes as following: firstly, on the basis of explaining the evolution and theory of parametric modeling and the development and use of standard part library, this thesis analyzes the necessity of tool for building part library, and outlines the function objects of the system. the advantage of parametric modeling is explained by comparing the template modeling technology and the feature modeling technology. then, the udf modeling is selected as the method of tool for building part library after describing several parametric modeling which is proved by pro/engineer, finally the udf modeling technology and process are described in details. combined feature technology with oo(object-oriented), there is classification of feature. and the feature library is also designed, so the tool for building feature library is worked out. finally, there is the design of part library and the development of the tool for part library with analysis of the model of part library. in this article, there are three key technologies including parameter matching, the realization of pattern and the editable report in pro/engineer are described from the theory to the realization. ultimately, the purpose of the system is implemented. a conclusion is drawn for full text, and it is pointed out that the research direction in tool for building part library developing in the future. keywords: parametric part library feature library udf tool for building library 1 1 绪绪 言言 1.1 研究背景研究背景 由于机械、汽车等行业发展的需要以及计算机软硬件技术的快速发展，cad 技术 得到迅猛的发展， 并且逐渐由传统的简单的二维绘图发展到今天基于特征的三维参数 化造型和变量化造型设计技术， pro/engineer、ug、catia 等三维软件已经逐步被国 内大部分机械、汽车等行业所采用。 同时，由于能够有效地提高设计效率，减轻设计劳动强度，标准件在机械、电子、 轻工、汽车、航空航天、造船等各个领域取得了极其广泛的应用。在产品设计中，标 准零部件的设计是一项费时费力且带有很大重复性的工作， 这显然与日趋激烈的市场 竞争环境不相适应1。因此，很有必要开发各种通用和专用的标准件库来取代这一繁 琐、复杂的劳动2。 然而，大多数 cad 系统本身并不包含标准件库，少数提供标准件库的 cad 系统， 其所包含的标准件种类及数量也都非常有限，不能满足工程设计人员的需求3。只有 较为先进的 cad 系统才提供标准件和常用件的建库工具， 用户可以利用交互方式输入 零件图形，然后由 cad 系统进行参数化设计完成建库工作。因此，为了建立符合我国 国标或各行业行标的标准件库， 许多研究单位和部门都在各种 cad 平台上利用其提供 的二次开发接口进行了标准件库的开发4,5。同时，图库管理应利用成组技术和相似 性原理，采用标准化技术、模块化技术，建立标准化、模块化和系列化设计体系，改 变传统产品结构，充分利用现有的标准件和己有的零部件，进行新产品的设计，快速 响应市场需求，降低成本，提高质量。 为用户提供预定义的标准件建库工具， 使得用户可以根据实际需要方便地建立和 调用标准件，以加快产品设计的速度，缩短产品设计的周期。据统计表明，在一个产 品中，已有零部件、标准件的数量占 60%以上，电子、航空航天和机械制造等行业， 其比例更高， 因而零部件库和标准件库的建立被认为是一个国家制造业中最重要的信 息基础设施之一6。 2 1.2 文献综述文献综述 1.2.1 参数化特征造型技术参数化特征造型技术 参数化（parametric）设计不仅使 cad 系统具有交互式绘图功能，还使之具有自 动绘图的功能，目前它已成为 cad 中最为热门应用技术之一，能否实现参数化已成为 评价 cad 系统优劣的重要技术指标7。由于参数化技术更为符合和贴近现代 cad 中概 念设计以及并行设计的思想，设计开始工程设计人员可快捷草拟产品的零件图，通过 对产品的形状和大小的约束最后精确成图。 同一系列产品的第二次设计可直接通过修 改第一次设计实现， 设计参数不但可以驱动设计结果， 而且影响产品的整个开发周期， 设计参数也可以来自于其他系统。参数化设计又是变量化设计的前提，借助变量化的 设计思想可实现动态设计、机构设计的运动仿真模拟。这样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。除此 之外，参数化设计还能够使设计人员在设计的同时实现参数化建库，极大方便后续设 计工作2。资料表明:目前我国所有得航空设计所以及飞机主机生产厂均采用了先进 的 cad 技术进行产品设计，在新产品的开发与设计中，有 80%的零、部件采用己有的 设计模块，使得设计时间、设计成本减少了 50%，分立零件、备件数量减少 50%。 为了实现 cad/capp/cam/pdm 之间的信息交换与共享，在进一步提高生产组织的 集成化和自动化程度的要求下， 特征造型技术应运而生， 这是 cad 建模方法的里程碑。 机械产品几何造型技术经历了线框造型、表面造型、试题造型三个阶段，特征造型、 参数化和变量化是其发展方向。前三种几何建模方法都是基于计算机图形学的，它们 对无题的几何形状进行描述，产生所需的零件图形。零件结构的确定是从产品的功能 出发的，而工艺设计则从加工观点出发，以确定零件的可加工性和结构的工艺性。而 基于计算机图形学的几何建模系统所提供的信息不能满足工艺的需要， 特征建模系统 解决了这一问题，它能提供零件的几何信息及工艺信息。用户在三维参数化特征造型 基础上，将一种或几种特征存入用户自定义特征库(udf)，从而提供直接生成常用的、 具有典型几何特征（如各种形式的孔、凸台、槽等）的三维模型的一种快捷方法。 在特征造型的基础上， 国外商品化 cad 系统已经提供用户自定义特征库 （udflib） 功能，这些均是针对单个零件设计而言的，以基本特征为元特征构建常用的面向应用 领域特征。对部件乃至整个产品设计而已，大量使用标准见和典型零件，一次产品零 件建库显得非常重要，是评价 cad 系统的重要技术指标。世界各国机械零件标准均有 差异，目前国外系统还未直接提供符合我国标准的产品建库系统。 3 总之， 参数化设计以及建库工具的研究对提高设计和绘图的效率及柔性具有十分 重要的意义1,2。 1.2.2 零件库的研究零件库的研究 建立零件标准件数据库是现代机械设计制造的发展需求。 机械设计制造标准化是 现代化大生产的要求， 是提高国家工业化水平所必须， 也是对外技术交流、 扩大贸易、 增强国家技术经济实力， 必不可少的一项经常性的技术工作。 建立零件标准件数据库， 在机械设计时直接调用，使设计者集中精力在非标准件部分，提高工作效率。随着 cad/cam 在现代模具设计制造中的广泛应用， 许多大型的三维设计软件， 如 pro/e, ug. cimatron, mastercam, mdt 等等己在越来越多的企业中得到使用。这些大型的软件功 能强大，但他们都是通用型机械设计软件，为使这些软件能更好的符合企业自己的实 际生产情况，有必要对他们进行二次开发和定制用户界面等。同样 pro/e 的功能非常 强大，它也有自己的标准件库，但它用的标准主要是美国标准，因此基于 pro/e 建立 模具标准件数据库，能使它更好的符合中国标准和企业标准。 为了建立符合我国国标或各行业行标的标准件库， 许多研究单位和部门都在各种 cad 平台上利用其提供的二次开发接口进行了二次开发。 西北工业大学提出利用参数化技术开发三维标准件库的思想，即：以参数化技术 为基础， 利用 pro/engineer 提供的二次开发工具 pro/toolkit， 提出一个面向三维造 型平台的标准件库系统的解决方案8。 华中科技大学开发了用于齿轮 cad 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 cad 软件根据 优化设计理论能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9,10。 非标零件由于没有国家标准，它的结构和几何形状是不确定的，所以必须对其进 行结构设计。但是零部件都有一个特点，就是产品的基本形状、主要结构比较固定， 改变的往往只是尺寸大小等细节。利用这个特点，可以将其拆开分为几个基础的部分 对所设计的部分进行结构分类，再在 pro/e 系统下建立每种类型的结构形式模型，并 把模型用参数定义出来。设计时，用户可根据需要进行参数修改设计。常用的设计方 式为，运用特征方法建立零件模板，再基于参数化方法来对零件进行具体设计。武汉 理工大学等均以这种方法建立了部分标准件库9,11。这种建库方式都已确定了该系统 内标准件的分类方式，用户只能在既定的分类方式下进行扩充，甚至根本不能对自己 常用的非标件或未开发的标准件进行扩充， 但这种分类方式不一定适合本行业或部门 4 的应用。很多情况下用户需要建立具有自己行业特色、可以自行分类、使用方便并包 含本行业所需标准件信息的标准件库。 西北工业大学利用建库工具采用特征建模技术和利用模板库采用模板建模技术 两种标准件建库方式，实现两套标准件造型子系统以满足不同用户的需要，使用时， 用户只需选定标准件的标准件号和规格， 标准件的三维模型便可根据选定的参数自动 生成12。由于 pro/engineer 没有提供像 ug 和 catia 那样的造型元素，故特征库 中的特征都是通过对草图的拉伸、旋转、扫描来生成。要完全通过程序产生模型，必 须从底层起编程，建立特征库，故编程难度大、工作量大。这是本次研究的重点之一。 总之，标准件库的二次开发大大方便了工程设计人员，提高了设计效率。就日前 己开发的各种标准件库而言，虽然取得了很大的成绩，但是仍存在许多不足之处，其 中最主要的是没有有效地提供零件库扩充工具， 用户不能方便地将自己常用的零件添 加到零件库中。因此，有必要开发出一种方便实用的零件库建库工具。 1.3 研究目的及意义研究目的及意义 随着我国加入世贸组织和信息技术的发展，市场的全球化、经济的区域化、经营 的跨国化已日趋明显。在市场竞争日益激烈的环境下，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重要问题。 对于计算机 辅助设计和制造业来说，能否有一个设计良好、使用方便、功能齐全并且充分利用信 息和通讯技术实现设计生产过程中对己有资源最大限度的共享和重用的标准件库系 统，对于企业参与和赢得市场竞争具有重要的实际意义13。正如前面所述，目前已开 发的各种标准件仍存在许多不足，在工程应用中仍会带来诸多不便，这与日趋激烈的 制造业竞争形势不相适应，为加快我国制造业的发展，增强我国制造业在世界市场上 的竞争力，开发出功能更强大、使用更方便且符合我国国标或各行业行标的标准件库 就显得尤为重要。 基于以上原因，本文开发的零件库建库系统的目的是：针对目前己开发的标准件 库的不足，开发出一套用户可以自行扩充内部的特征库、零件库的建库工具，以满足 当前制造业对标准件库以及零件库系统的更高要求。显然，提供方便的建库工具，使 用户可以方便地共享资源，提高设计效率，缩短新产品的设计周期和制造周期，为企 业占领市场赢得时间具有重要的工程意义和实用价值。 开发这样一套系统主要有以下 意义： 1. 具有功能完善使用方便的扩充工具，为创新设计和改良设计提供必要条件 5 由于当今世界的市场动态多变：产品生命周期缩短、产品品种增加、产品批量减 小、顾客对产品交活期、价格和质量的要求日益增高。市场竞争主要围绕这新产品的 竞争而展开，企业依靠独占性技术构成的新产品获得高额利润。企业能否根据用户需 求，提供用户需要的“个性化产品”，以成为企业能否赢得竞争，、不断发展的关键。 机械产品的设计离不开各种标准件的使用，在一个机械产品的设计过程中，标准件和 通用件的数量占了很大的比重，据研究表明，80%是在原有基础上进行创新，开发出 实用的符合国家标准要求的标准件和通用件库是简化设计工作， 提高设计效率的有效 保证。 同时， 提供标准件库或提供开发标准件的工具是 cad 系统的一个重要组成部分， 是评价 cad 系统的一个指标。 零件通用建库平台是进行创新设计和改良设计的必要工具。产品造型中，经常会 用到相同或相近的特征，用户自定义特征库即为这些图形提供通用建库工具，在以后 的造型设计中直接设定相应的尺寸然后调用，避免重复劳动，可以缩短设计周期，提 高产品造型及实际效率。机械产品通用建库平台可以将各种规格的标准件、非标件以 及用户自定义件创建入库，需要时从库中提取安装，极大地方便了产品的设计过程和 创新、改良设计。 2. 实现企业设计重用，降低产品的成本，保证产品的质量和性能 在零件库建库工具的基础上，可以建立标准件库和常用零件库，在产品的开发设 计中尽可能采用标准件和典型的变型零件，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，而且由于新的零件 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 考研的零件产品的采用，可快速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。 1.4 论文的研究工作论文的研究工作 本文来源于中国航天科工集团数字化工程下在中国航天标准化研究所实施的分 系统的研发。该分系统要求建立基于 c/s 结构下的常用标准件三维模型库，同时为设 计人员提供可对零件库进行扩充的建库工具。系统的实现功能结构如图 1.1 所示： 在完成项目工作的同时，在导师的指导下，进行了零件库建库工具的开发，具体 任务主要有一下几个方面： 1. 研究参数化技术， 分析对比参数化设计中参数化模板方法和参数化特征造型技术， 6 研究讨论 pro/engineer 提供的几种特征参数化方法。总结 udf 方法的使用方 法及特性。 零件调入pro/e 标准件模板库 自定义零件模板库 特征造型程序 零件模板库 零件模板库 零件参数 匹配程序 匹配后生成 的新零件 特征库 特征参数模板库 零件存入 零件库 参数调入pro/e 参 数 赋 给 模 型 参 数 调 入 pro/e 特 征 调 入 pro/e 图 1.1 系统功能结构 2. 研究对象和特征的关系，在对象的基础上对特征进行分类。探讨由基本特征来生 成常用特征的方法。 3. 在 pro/engineer 平台上，针对 udf 方法，开发可参数化的特征库建库工具， 实现对特征库的增加、删除、修改等操作，使用特征库建库工具，将常用零件或 零件的部分特征存放在特征库中，建立部分特征库。利用特征库建库工具，实现 调用特征来组装零件。 4. 在可参数化特征库的基础上，开发零件库建库工具，实现对零件库的增加、删除、 修改等操作，使用零件库建库工具建立部分标准件库。利用零件库建库工具实现 三维零件的零件存放、参数提取、参数表建立、参数匹配以及三维零件的参数化 修改和生成。 5. 用实例论证系统开发的可行性。 7 针对以上研究内容，本文由以下章节组成，其结构如下： 第 1 章 阐述本课题的研究背景、研究意义和研究内容。对标准件库的发展概况 进行了综述。 第 2 章 在对特征方法进行分析的基础上，对特征进行具体分类，并由此进行特 征库的分析设计，并设计实现了特征库的建库工具。 第 3 章 在分析现有零件建库方法的基础上，选择了参数化特征方法来开发零件 建库工具，在本章中重点描述了 udf 建模方法及基于 udf 的零件建模过程。 第 4 章 阐述了基于 udf 的零件设计过程，并对参数化零件库的进行设计，最终 实现了零件库建库工具。 第 5 章 对建库工具中的若干关键技术问题进行阐述，包括参数匹配方法以及 pro/engineer 中阵列算法和可编辑报表的实现。 第 6 章 对全文进行了总结展望。 1.5 本章小结本章小结 本章首先了零件库开发的研究背景进行分析， 在论述参数化特征技术和零件库开 发现状的基础上，提出本文的研究目的和意义，最后，给出本论文的研究内容以及文 章章节布局。 8 2 基于特征的零件设计基于特征的零件设计 2.1 常用零件建模方法常用零件建模方法 2.1.1 参数化设计参数化设计 参数化设计（parametric-design）是在维持给定约束条件和拓扑结构的前提下， 按用户输入的参数生成零件2。除了保存图形的几何信息和拓扑信息以外，它还能够 表达与处理几何元素之间的各种约束关系， 因此参数化设计技术非常适合于结构形式 基本固定而结构尺寸参数变化的图形的输入与绘制14。 参数化设计的基本原理是通过参数驱动机制完成零件的设计。 参数驱动机制可以 满足图形的约束条件下对几何数据进行修改， 通过约束间关联性实现约束联动。 其中， 约束分为主约束和次约束。对一个图形，不管约束多么复杂，约束的数目多大，需要 用户控制的主约束一般只有几个；次约束可由图形结构特征确定。 参数化设计最突出的优点是系统自动记录建立几何的整个历程， 既包括建立的几 何模型，又包括设计意图，即几何间的关系，当作改变参数时，几何间的关系保持不 变。并且参数化方法简单、明了，得到广泛地应用。但是参数驱动的结果与定义过程 相关，使修改具有较大的局限性。 2.1.2 参数化模板方法参数化模板方法 在前面提到，现在的很多标准件库的建立均是采用模板建模技术15。模板建模技 术的基本原理是采用三维模型与程序控制相结合的方式16。 三维模型是利用交互方式 生成，而不是由程序创建。在已创建的零件三维模型基础上，进一步根据零件的设计 要求建立一组可以完全控制三维模型形状和大小的设计参数。 参数化程序针对该零件 的设计参数进行编程，实现设计参数的检索、修改和根据新的参数值生成新的三维模 型的功能，其过程如图 2.1 所示。 从图中可以看出，这种方式由两个库构成，即零件模板库和零件参数库，在已有 的三维模型的基础上通过修改设计参数生成新的模型，其中，参数化设计程序要使用 的三维模型称为三维模板。采用模板建模技术建立标准件库标准件数据定义程序独 9 立、 通用的优点， 但是模板库占用空间较大， 并且用户扩充零件库时的重用度比较低。 零件模板库 零件参数库 零件参数 匹配程序 零件调入pro/e 匹配后生成 的新零件 参数赋值给模型 参 数 调 入 pro/e 图 2.1 零件库参数化设计的基本实现原理 2.1.3 参数化特征造型技术参数化特征造型技术 现代 cad、capp、cam、工程管理系统及经营管理系统之间要求实现信息交换与共 享，在这个环境下，特征造型技术已逐渐成为 cad 零件三维设计中的主导技术17。所 谓特征造型(feature modeling)就是在实体的基础上，以特征为产品零件定义的基本 单元，将零件描述为特征的集合，具体包括形状特征、精度特征、材料特征和其它工 艺特征等，为工艺设计和制造过程的各个环节提供信息18。特征技术是 cad/cam 集成 的核心技术，特征是集成中的信息传递媒介。 基于特征的设计是直接用特征来定义零件的几何形状和特性， 然后由特征构造几 何模型，基本特征存放于特征库中，通过确定特征的尺寸、位置参数和各种属性而实 例化19。特征的构造最简单的方法是解构法，也就是通过在一个基本块上执行布尔运 算，逐步形成零件所需的形状（类似于机加工）20。图 2.2 出了基于特征设计的零件 建模过程的一个示例。 基于参数化特征的设计有利于将设计结果直接用于下游系统， 有利于产品数据结 构标准化，有利于将设计功能意图包含在特征的表达之中。用这种方法设计的产品是 由一系列设计特征来表达，设计通过对特征执行操作来完成，设计简单、自动化程度 高。并且由于特征能够方便地实现重用，因此参数化特征技术得到了广泛应用21。 综合参数化模板方法和参数化特征造型技术来看，各自均有其优缺点，但是，总 10 体来看，参数化特征方法是参数化模板方法的近一步发展，这是因为： 图 2.2 铆钉的组装 1. 灵活性很强。使用参数化特征方法对零件进行造型，可以有两种选择：第一种为 特征先参数化，然后组合，第二种为先用特征组合成零件，再进行参数化；而模 板方法仅仅相当于第二种子方法，灵活性就差一些； 2. 特征方法能够更好地实现设计重用。特征隶属与零件，并且特征可以随时扩充， 所以也就可以最大化地实现重用， 而不仅仅想模板方法那样实现零件整体的重用， 对零件中经常用到的局部也可以作为特征来重用； 3. 模板方法建立零件速度稍慢，占用空间较大，并且更新速度稍微慢一些。而特征 方法正是在该基础上提出的。 2.2 几种基于特征的零件设计方法概述几种基于特征的零件设计方法概述 在 pro/engineer 中，基于参数化特征的零件设计方法主要有四种，下面加以概 述22,23： 1. 特征元素树方法（feature element tree） 特征元素树是指用树状结构的形式描述和定义 pro/engineer 的一个特定特征。 这种特征元素树并不是指在交互操作时的模型树， 而是用来代表定义特征所有信息的 结构体类型数据的一种直观的表示形式。一个特征元素树代表一个特定的特征，树中 的根节点和各分支统称为元素，作为 proelement 对象24。特征元素树包含了定义一 个特征所需的全部信息，包括特征的选项和属性，所有参照的几何元素、用于特征截 面的草绘器参照以及所有尺寸值。 11 在 pro/engineer 中特征元素树的使用方法为，首先调用 proelementalloc（）为 特征元素树中的各元素分配暂存的内存区域；然后设定特征树各元素的值。完成元素 值的设置之后， 还需要调用 proelemtreeadd （） 函数将特征元素添加到特征元素树中； 最后，调用特征创建函数 profeaturecreate（）即可。 在这种方法中，pro/engineer 从基准轴、基准面到倒角等等都定义为一个元素， 这样建立一个零件往往有很多元素需要定义并设置值， 所以用该方法建立零件以及进 行其他的二次开发是比较烦琐的。这种方法渐渐被族表方法所取代。 2. 族表方法（family table） 作为 pro/engineer 提供的可以复制特征的高级工具，族表可以集合共同变化的 尺寸，以表编辑的方式生成零件，不需要一一创建每一个零件，所以这是过去建立标 准零件库的常用方式之一3,9。其工作原理是由基准零件通过继承或者选择性继承其 特征，并改变一些主控尺寸的大小，从而生成系列化的衍生零件。使用族表建立零件 库的步骤为：首先，创建一个具有代表性的零件，作为基准模型，该基准零件将作为 母体，它是被继承的对象，应包含所需要的所有特征信息；接着设定可变对象；然后 再编辑零件表；最后检验零件在现有特征下可否满足设计要求并且顺利地生成；在最 后，还可以对其进行加速处理，亦即将部分信息存入零件族表加速文件，在打开原先 的基准零件，选择衍生零件时，系统就不需要重新分析计算所有的特征以产生零件模 型，而是利用加速文件存储的部分信息来完成模型的构建，从而加速了零件库中零件 的读取。 由族表方法生成的零件为衍生件，这些衍生件是独立存在的，不需要为它们定义 参考基准，这样可以节省存储空间。但是族表方法生成零件由于只是将零件内部的子 零件作为特征共享，所以只适用于结构较简单、系列化的零件，主要包括标准零件或 重复性高、相似性大的零件等，而结构复杂的零件则不太适合，并且在重用性方面也 不是很好。 3. pro/program 方法 pro/program 是一个模块，通过该模块，可以用程序设计的方法完成全尺寸驱动 零件的设计，也就是通过编辑程序，完成零件造型的弹性处理和自动造型2,3。在设 计人员建立一个特征的同时，pro/engineer 也就立即产生特征的 program。 pro/program 的 program 可以视为一个记录文件，记录着模型自始至终的建模步骤和 建模条件，包括所有特征建立过程、参数设定、尺寸以及关系式等模型信息。设计人 员可以根据设计需要来编辑模型的 program，使其作为一个程序块来工作，就可以很 方便地产生不同版本的零件。使用 pro/program 建立零件库的步骤主要有：首先建立 12 零件模型，设定关键参数，接着编制 pro/program 程序，然后运行程序即可实现零件 的参数化建模9。 通过运行 pro/program 程序，系统可以以人机交互的方式控制系统参数、特征显 示及特征的可变尺寸等。用户还可以通过系统菜单,把在 pro/program 中所设置的变 量及零件,直接转换为族表中的零件与参数，这样效率就比较高，并且可以实现较大 的重用，同时能够较快地建立零件库。但是该方法使用程序来实现，不太直观。类似 于族表方法，需要为每个零件编制写 program25。 4. udf 方法 所谓的用户自定义特征（user defined feature），就是集合数个特征使其成为 一个群组特征,并将名称,完整定义该群组特征的放置参考、 可变尺寸及可变尺寸的符 号等信息加入其中,形成为特别情况而生的独特特征,并且系统会将这些信息以一个 后缀为 gph 的文件保存在 udf 数据库中,随时调用以生成所需的衍生件。 udf 有良好的扩展性，适合用户自定义其常用零件或常用零件的局部作为特征， 从而在零件设计中实现高度的重用。在众多三维软件中，均采用了 udf 作为其必要的 建模工具之一，例如 ug 和 pro/engineer 均是如此1,8,26。 2.3 udf 方法方法 上述基于参数化特征的零件设计中，特征元素树方法以及逐渐淘汰；族表方法 建立的是实实在在的库，零件库是由一个一个的零件组成，不过这些零件不是一个一 个画出来的，它是一种快速建库的方法，使用数据表格来管理库；pro/program 创建 的则是虚拟的库，零件库中只有一个样本零件，并通过程序来管理库3；族表和 pro/program 方法都是针对零件而进行的操作,对于一个已建立好的零件族,可以在装 配模块中调用。udf 方法将常用零件的部分作为特征，并使用文件的方式存储，并使 用库来管理这些文件。同时在 udf 中可以激活 pro/program，用户可以在其中添加任 何 pro/program 控制声明5。 从上面可以看出，udf 方法是一种重要的参数化特征方法。具体优点如下： 1. 可以将重复性高、 相似性大的零件局部或整体作为特征存放起来， 然后进行组装， 实现了设计中的重用； 2. 扩展性好。可以将零件的局部或整体都作为特征，这样特征的定义就比较灵活， 用户可以将随意扩充自己的自定义特征库； 3. 灵活性好。上述的前三种参数化特征方法，参数化方式比较固化，均是先用特征 13 组装零件以后，对零件模板进行参数化，然后生成新的零件。而 udf 参数化即可 以先参数化特征，直接组装成零件，也可以先组装成零件，再参数化。 udf 的建立为 pro/engineer 的系统功能，具体操作如下18： 1. 定义几何元素；自定义特征的构建是通过顺序定义各个特征元素得到的27。首先 定义基本元素，基本元素不以任何其他元素为参照。如果自定义特征的定义不使 用预定义的,则基本元素必须是系统提供的标准特征。 2. 定义元素的属性及变量间的约束关系。特征的属性包括拓扑属性、功能属性及公 差属性；除此之外，其余的设计意图和功能都可通过定义变量间的约束关系即等 式表达式来获得28。 在 pro/engineer 中，当定义好一个 udf 以后，系统会将特征以.gph 的格式存放 在系统当前工作目录下面，同时，也可以将其作为文件夹复制到其他机器上面，比较 方便。不过，系统没有提供特征参数表的功能5。 2.4 基于基于 udf 的零件生成原理及操作过程的零件生成原理及操作过程 通常的参数化特征建模方法均是针对零件而进行的操作, 在装配模块中， 可以调 用一个已建立好的零件族，系统会确定调用的零件和原有零件之间的相对位置关系。 装配好的零件之间是独立的实体。而 udf 是针对特征而言的，可以在产品建模的过程 中插入一个特征组，系统必须设定所指定插入的特征作用在哪一个零件上,并且与零 件之间进行何种布尔操作,其结果是 udf 与原零件成为一个整体。可以在新模型的模 型树中找到所命名的特征组29。在前面叙述的方法中，也可以将零件转化为“包”的 形式， 直接插入到零件模型中， 但是这个包就会参数固化， 因而不能实现参数化驱动。 本文在开发中曾尝试过该方法，但是最终因为 pro/engineer 自身功能的限制而不能 达到系统目标要求。可以说，udf 正是将这种“包”的方法和参数化结合起来而形成 的新的方法。 在 udf 中，零件的建模的操作过程主要有两步，具体如下： 1. 附着自定义特征。udf 作为一个特征，不能独立地存在零件中，因此，在使用 udf 之前，必须给定 udf 所需要的参考面、坐标系等。特征附着即是指用户将 一个新的特征添加到已有零件中的过程。这一过程可分为两步：附着定义和附着 计算。其中，附着定义是指用户通过特征的名字来选择特征之后通过特征接口界 面，用户为特征提供所需信息实现使用意图。附着计算即对基准参数进行设定， 基准参数的选择是可视的，其选择顺序可以任意，但每一基准必须与定义时的基 14 准一一对应30。 2. 检查有效性。不论是特征的定义还是特征的附着，系统都会做有效性检查。通常， 定义特征时不会出现太多问题，因为定义的有效并不能保证附着的正确，但定义 的不合理意味特征附着会留下潜在的错误，并且错误通常比较隐蔽，只有在应用 时才被发现。因而,设计时需经过多次试验,找出最佳的定义方法,以保证自定义特 征的每一个应用实例都能正确有效的生成。 2.5 本章小结本章小结 本章首先比较了参数化模板方法和参数化特征方法， 选择参数化特征方法作为开 发的理论基础，接着阐述了几种参数化特征方法，最后论述了 udf 方法的优点以及建 模的方法。 15 3 特征库的设计与实现特征库的设计与实现 在 pro/engineer 中，采用 udf 方法可以有效地提高设计效率，但是，由于其自 身并没有提供特征库的详细设计，因此，使用 pro/engineer 自身的 udf 功能有一定 的局限性，具体包括： 1. 特征库的参数化功能不全面。特征是可以参数化的，pro/engineer 中的 udf 也可以参数化，但是，如果将特征的参数提取出来，建立特征参数库，那么无疑 将更加有效地提高特征的使用效率。 2. udf 共享管理的问题。pro/engineer 中的 udf 通常用于单机版，要想实现共 享，只有将 udf 格式的文件复制到其他计算机上，这样有两个弊端，也就是共享 操作麻烦、共享内容有限，同时不利于设计信息的保密。 因此，很有必要对特征库进行详细的讨论并进行相关开发。 3.1 特征的对象化特征的对象化 面向对象技术（object-oriented technology）是软件设计中的概念，它的应用 使得系统的结构更加紧凑、各个模块的独立性增强。而在三维软件的二次开发中，特 征实质上就是 cad、capp 和 cam 三个应用领域信息归纳而成的抽象数据类型，以此来 达到设计数据和制造数据在表达上的统一31。因此，虽然两者分属软件工程和零件设 计的范畴,但由于它们同属系统构建的底层技术，相互之间有许多共性的因素可以借 鉴。特征和对象的关系对比如表 3.1 所示32： 由于上述的相似关系，在 cad 技术中，特征技术也越来越多地和面向对象方法相 熔合，有越来越多的面向对象的概念被引入了特征方法中，并在特征分类和特征表示 中形成典型应用。由于特征的分类方法不同以及其他原因，特征的分类方案不可能覆 盖所有工程信息，同时这也是没有必要的。但是对于完善系统的集成而言，很有必要 建立一种可扩充的特征分类机制。在面向对象的基础上，可以这样来解决：首先，提 取高度的抽象性描述， 建立特征超类。 然后根据常用设计和制造环境设计出特征子类， 再将子类作为新的父类，并设计出它的子类。类的公共属性减少了对不同对象共性的 说明。这样当制造环境出现新的加工方法或系统工艺时，面向对象的分类方法可方便 地进行类的扩充， 而无需对系统的数据结构进行大的修改。 另外， 在特征表示的领域， 面向对象的封装性提供了一种完备的特征描述方式。 系统提供的是功能完整的独立的 16 特征单元，特征内部的结构对于用户是不可见的，用户只需根据特征界面提供的信息 去使用特征26。 特征之间的边界相当分明， 但是都有一个非常统一和规范的操作界面。 和面向对象方法一样， 特征的对象化很好地处理了特征的独立性和特征间的相互联系 性，比较真实地描述了客观世界。 表 3.1 特征方法和面向对象技术的比较 特征方法 面向对象方法 技术特性 重用性 独立性 方法的特定性 继承性 封装性 多态性 设计过程 定义特征-分析特征间 关联-建立特征库 发现对象-发现对 象间关系-构建类 单元间联系方式 由用户操作发生联系，返 回变量间约束关系 消息传递机制， 返回 对象的状态和属性 3.2 特征的分类特征的分类 在 pro/engineer 中， udf 没有特定的分类方法， 并且其分类方案不可能覆盖所有 工程信息，同时这也是没有必要的。但是对于完善系统的集成而言，很有必要建立一 种可扩充的特征分类机制。 通常，根据描述信息内容的不同而将特征分为五大类，即形状特征、精度特征、 管理特征、技术特征、材料特征。在本文的研究中，由于只是出于三维零件造型考虑， 所以这里只对形状特征进行阐述12。 零件中有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的一个特定形状称为形状特征， 它 是具有特定功能及特定加工方法的集合。 形状特征进一步可分为主形状特征和辅形状 特征。前者用于构造零件的主体形状，主要是系统提供的实体或实体的组合，如圆柱 或圆柱构成的凸台等，后者则用于对主特征的局部修饰(如倒角等)。辅形状特征附加 于主特征之上，或附加于其他辅特征之上。根据特点还可以将辅特征进一步划分为简 单辅特征、组合辅特征和复制辅特征。 17 在零件的建模过程中，主特征是建立的第一个特征，其他特征的构造通常是在主 特征的基础上执行布尔运算。这样，构建的零件就由一系列的有序特征组成，每一特 征都具有确定的几何形状，特征之间存在一定的依赖关系。由于特征之间的这种依赖 关系的存在，前一特征的编辑（如删除 delete 等）很有可能引起后面它的子特征的 生成的失败，如：若后续特征以主特征的某一面作为其基准面，那么父特征该面的改 变（如该面在编辑时被改变了方向等），则会引起子特征由于无法找到该基准面而无 法生成，从而导致整个零件无法重新建立。特征之间的这种依赖关系是影响设计灵活 性的一个很重要的原因。所以，主特征在零件的建模过程中具有重要的意义。因此， 在零件建模之前，在就特征意义上对事件进行分析时，正确地确定主特征是保证零件 正确建立的关键。 在本文中，将主特征作为基本特征进行建模，将辅特征以及主、辅特征通过布尔 运算产生的特征综合到常用特征中进行建模，并且用树型表的结构对其进行管理，具 体如图 3.1 所示。 形状特征 基本特征常用特征 可直接体积 化特征 过渡特征辅特征复合特征 圆 柱 特 征 锥 台 特 征 球 体 特 征 六 角 头 特 征 面 特 征 线 特 征 孔 特 征 螺 纹 特 征 倒 角 特 征 基本 特征 组合 辅 特 征 组 合 基本 、 辅 特征 组合 图 3.1 特征的分类 上述的特征分类结构中，基本特征类包括可直接体积化特征和过渡特征两类，常 18 用特征分为辅特征， 同时将复合特征加入其中， 这样是为了方便后面特征库的管理17。 复合特征包括基本特征组合、 辅特征组合以及基本特征、 辅特征的组合， 这也就是说， 常用特征可以在原有特征的基础上，灵活地扩展。另外，该结构中的每一子类都可继 续往下分层21。在辅特征类中，孔类和螺纹类等都可继续往下细分。如本文将螺纹类 往下划分为：普通螺纹、管螺纹、锥螺纹、梯螺纹和锯齿形螺纹等。 3.3 特征库的设计特征库的设计 本文中构造特征库的目的是为了满足零件造型设计工作的要求， 因此必须充分考 虑形状造型的需要，特征库应该满足以下几个方面的基本要求： 1. 包含有足够的形状特征，特征库是面向所有零件的，因此特征库应包括零件需要 的所有形状特征，以适应整个产品设计20； 2. 组织方式应便于操作和管理，方便用户使用，包括对特征库中的特征进行修改、 增加、删除等； 3. 包含完备的产品信息。 在上述要求下，特征的抽取应该满足以下规则： 1. 标准化规则； 2. 设计功能规则； 3. 适用度规则。 本文中，基于特征库的零件建模过程的设计有两种思路，分别如图 3.2 和图 3.3 所示： 特征库 特征参数库 特征组装程序特征调入pro/e 匹配后 生成零件 参数赋值给模型 参 数 调 入 pro/e 图 3.2 基于特征库的零件设计方法一 19 特征库 特征组装程序特征调入pro/e生成零件零件属性设置 图 3.3 基于特征库的零件设计方法二 上述为两种基于特征库的零件设计方法，其中，方法一是先将特征库中的特征取 出来，并将特征参数库中的参数赋给该特征，然后进行组装；方法二是直接将特征进 行组装，并没有将参数赋给特征，它是第一种方式的简化。这两种方式均可以在建立 零件模型后再对其赋