（机械电子工程专业论文）基于proengineer二次开发的光纤擦拭器快速设计研究.pdf

摘要 随着计算机技术的不断发展和现代设计方法的不断丰富 自顶向下设计 虚拟 装配设计 参数化设计 设计验证等已经成为机械设计中热门的研究课题 为实现 产品的快速设计提供了有力保障 论文在研究上述现代设计理论和p r o e n g i n e e r 提供的多种设计工具的基础 上 提出产品快速设计的具体构想 并以c a d 技术为基础 综合运用上述现代设计 方法和设计工具 建立了快速设计规范和产品快速设计解决方案 然后 利用p r o e n g i n e e r 提供的二次开发工具包p r o t o o l k i t 在v i s u a l c n e t 2 0 0 3 环境下 应用其提供的m f cd l l 框架 数据库访问技术以及a c c e s s 数据库 开发出具有通用性的快速设计系统 快速设计系统主要由参数化设计工具 零件变形设计 组件变形设计三大模块和一些简化软件操作的功能组成 最后在p r o e n g i n e e r 平台上 以光线擦拭器的设计与系列化为例 阐述该设 计方案的完整设计过程以及如何实现设计与验证的统一 即主要采用自项向下的基 于虚拟装配的设计方法 依据快速设计规范 实现产品的参数化设计 然后 利用 快速设计系统完成光线擦拭器零部件的变形设计 同时 文章对一些关键的技术和 方法也进行了理论研究 工程应用实例表明上述设计方案提高了产品设计的效率 减轻了设计者的劳动 强度 希望本文可以为推广先进设计理论 设计方法以及c a d 技术做出贡献 文章 可以作为研究产品设计方法和定制产品设计流程的参考资料 也可以作为研究人员 开发基于p r o e n g i n e e r 平台设计系统的参考资料 硕士研究生程俊峰 机械电子工程 指导教师沈精虎教授 关键词 快速设计 虚拟装配 二次开发 设计验证 优化设计 a b s t r a c t w i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p i n ga n dm o d e md e s i g n i n gm e t h o db e c o m i n g m o r ea b u n d a n c e t o p d o w nd e s i g n v i r t u a la s s e m b l yd e s i g n p a r a m e t e rd e s i g na n d d e s i g nv a l i d a t i o n h a v eb e c o m ep o p u l a rr e s e a r c h i n ga s p e c t t h o s er e s e a r c hr e s u l t s p r o v i d eas 仃o n gg u a r a n t e ef o rt h er e a l i z a t i o no fp r o d u c tr a p i dd e s i g n b a s e do nt h er e s e a r c ho fa b o v e m e n t i o n e dm o d e md e s i g nt h e o r i e sa n dv a r i o u sk i n d s o fd e s i g nt o o l sp r o v i d e db yp r o e n g i n e e r t h ep a p e rr a i s e st h es p e c i f i ci d e a so fp r o d u c t r a p i dd e s i g n a n dt h e n w i t hc a dt e c h n o l o g ys u p p o r t e d t h ep a p e re s t a b l i s h e sr a p i d d e s i g np r i n c i p l e s a n ds o l u t i o no fp r o d u c t r a p i dd e s i g nb yt h e c o m b i n a t i o no f a b o v e m e n t i o n e dm o d e md e s i g nm e t h o d sa n dd e s i g nt o o l s t h e n r a p i dd e s i g ns y s t e mw a sp r o g r a m m e du s i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l p r o t o o l k i to fp r o e n g i n e e ra n da c c e s sd a t a b a s eu n d e rt h ev i s u a lc n e t 2 0 0 3 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t w h i c hp r o v i d e sm f cd l lf r a m e w o r k d a t a b a s e a c c e s s t e c h n o l o g y r a p i dd e s i g ns y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do fs o m ef u n c t i o n s w h i c hc o u l d s i m p l i f yt h eo p e r a t i o no fp r o e n g i n e e r a n dt h r e em o d u l e s i n c l u d i n gp a r a m e t e d z e d d e s i g nt o o l s d e f o r m a t i o nd e s i g no fp a r t sa n dd e f o r m a t i o nd e s i g no fc o m p o n e n t f i n a l l y t a k i n gd e s i g na n ds e r i e so ff i b e rc l e a n e ra se x a m p l eo nt h ep r o e n g i n e e r p l a t f o r m t h ep a p e re x p o u n d st h ec o m p l e t ed e s i g np r o c e s so ft h es o l u t i o na n dh o w t o r e a l i z et h eu n i t yo fd e s i g na n dv e r i f i c a t i o n t h a ti s m a i n l yt h r o u g ha d o p t i n gt o p d o w n d e s i g nm e t h o d sb a s e do nt h ev i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y f o l l o w i n gt h ep a r a m e t e r i z e d d e s i g nr u l e s t or e a l i z ep a r a m e t e r i z e dr a p i dd e s i g no ft h ep r o d u c t a n dt h e nf i n i s h d e f o r m a t i o nd e s i g no ft h ec o m p o n e n t su s i n gr a p i dd e s i g ns y s t e m a tt h es a m et i m e s o m e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d sa r ea l s or e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y t h ee x a m p l eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o np r o v e dt h a ta b o v e m e n t i o n e ds c h e m e i m p r o v e de f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g na n di n d u c e dt h el a b o ri n t e n s i t y i ti sh o p e dt h a tt h e a r t i c l ec a l lc o n t r i b u t et ot h ep r o m o t i o no fa d v a n c e dd e s i g nt h e o r i e s m e t h o d sa n dc a d t e c h n o l o g y t h ep a p e rc a nb eu s e da sr e f e r e n c em a t e r i a l sb ys o m e o n ew h o r e s e a r c h d e s i g nm e t h o d s a n dc u s t o m d e s i g np r o c e s so r d e v e l o pd e s i g ns y s t e mb a s e d o n p r 0 厄n g i n e e r g r a d u a t es t u d e n t j u n f e n gc h e n g m e c h a n i c s e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o j i n g h us h e n k e y w o r d s r a p i dd e s i g n v i r t u a la s s e m b l y s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t d e s i g n v a l i d a t i o n o p t i m i z a t i o nd e s i g n 青岛大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的成果 文中依法 引用他人的成果 均以做出明确标准或得到许可 论文内容未包含法律意义上已属 于他人的任何形式的研究成果 也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果 本人如违反上述声明 愿意承担由此引发的一切责任和后果 做作者签名 翟垡蜂 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品 知识产权归属学校 学校享有以任何形式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权利 本人离校 后发表或使用学位论文或该论文直接相关的学术论文或成果时 署名单位仍然为青 岛大学 本论文属于 保密口 翟 年解密后适用于本声明 不保密 请在以上方框内打 用 论文作者签名 蕉丝竖 导师签名 0 呸碎粒 日期 竺竖年 二 月么乏日 日期 丛年上月j 本声明的版权归青岛大学所有 未经许可 任何单位及任何个人不得擅自使 1 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 在全球经济一体化的影响下 市场竞争曰趋激烈 企业如何快速 适时地向用 户提供满意的产品 如何提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力 己成为企业 生存发展的关键 而产品快速设计是提高企业市场竞争能力的关键 i j 为了提高产品的快速设计能力 c a d 技术在各企业中已经得到了广泛应用 然 而 在大多数己使用c a d 技术的国内企业中 多数使用的是通用c a d 软件 c a d 技术在企业中的作用 也往往只是绘图工具而己 不能满足设计工作全过程的需求 另外 也存在一些企业盲目扩展 刚刚实现 甩图板 后就急于上p d m m r p i i 系统 结果是使实施单位和企业都进退两难 因此 企业应该在使用好通用c a d 绘图软件的基础上 发展适合本单位的实用 型的专用c a d 软件 作为企业提高设计质量和效率的主要手段 并在这些单元化的 c a x c a d c a e c a m 软件实施的基础上 提高企业中信息的集成化程度 直至 实现c a d c a e c a m 一体化 进而应用c i m s 瞄j 除了应用专用高效的c a d 软件外 要实现快速设计 还必须由先进的设计理论 和设计方法做指导 由高素质的设计人员按照合适的设计流程进行设计 自从光纤通信实用化以来 在中国的发展异常迅速 尽管有人认为 世界上光 纤通信主要干线已经建成 但是实际上 在中国的许多城市建筑 特别是在农村有 广阔的发展空问 3 g 移动通信网的建设也需要光纤网来支持 随着宽带业务的发展 网络需要扩容等 光纤通信仍有巨大的市场 jj 光纤在融接前 端面处理 也称为端面制备 是光纤技术中的关键工序 端面 质量直接影响光纤激光器的泵浦光耦合效率和激光输出功率 而光纤擦拭器是清洁 断面的必要工具 4 1 光纤擦拭器随着光纤通信的发展必然有巨大市场 寻求光纤擦 拭器快速设计方法对于相关企业来说具有重大意义 常用光纤擦拭器外形及内部结 构如图1 1 所示 图1 1 光线擦拭器及其内部结构 青岛大学硕士学位论文 在这种背景下 论文以光纤擦拭器为样机 以当前先进的产品设计理论 自顶 向下的设计 虚拟装配设计 设计验证分析 并行工程等 为指导 利用计算机软 硬件与c a d c a e 技术的发展成果 探索一条适合该类产品实现快速设计的方法 并为其量身定做最有效的产品设计流程 同时对设计过程中所用的技术和方法进行 理论研究 最后在应用该设计方法的基础上 开发具有实用性的专用c a d 设计系统 以提高产品的设计质量和效率 缩短产品开发周期 论文可以作为研究产品设计理论和定制产品设计流程的参考资料 也可以作为 研究人员开发基于p r o e n g i n e e r 平台的各种设计模块的参考资料 通过本课题的 研究 希望能为提高设计人员的设计水平 提高c a d 软件的应用水平 推广先进设 计理论和c a d 技术以及推广c a d 软件二次开发技术 进行一些有益的探索 1 2c a d 发展状况 1 2 1c a d 系统的发展状况 c a d 概念是5 0 年代末由麻省理工学院首次明确提出的 6 0 年代研制成功试验 c a d 系统 7 0 年代 c a d 开始实用化 从二维设计发展到三维设计 并且在飞机 造船 汽车等设计要求相对较高的领域也有了一定的应用 8 0 年代 由于解决了三 维几何造型 仿真等问题 应用范围不断扩大 大中型系统向微型化发展 出现了 应用极广的微机c a d 系统和性能优良的工作站c a d 系统 5 到了9 0 年代 随着c a d 技术的快速发展以及计算机硬件系统性价比的大幅度 提高 c a d 开始在设计领域全面普及 成为必不可少的设计工具 出现了一系列成 功的商用c a x 软件 如p r o e n g i n e e r u g c a t n c i m a t r o n s o l i d w b r k s s o l i d e d g e a u t o c a d m a s t e r c a m 等 6 在低端二维绘图软件市场 a u t o c a d 因为进入中国市场早 二维功能强大 占 据了绝对领导地位 在高端市场 p t c 公司开发的p r o e n g i n e e r 系统具有单一数据库 参数化 基于特征和全相关的特点 提供了集成产品的三维造型设计 加工 运动仿真 优 化分析及绘图等功能的完整的c a d c a e c a m 解决方案 与同类软件相比在我国占 有较大的市场份额 p r o e n g i n e e r 软件以使用方便 参数化造型和系统的全相关性而著称 这种 全新的概念改变了机械c a d 的传统观念 己成为当今世界机械c a d 领域的新标准 处于世界领先地位 p r 0 e n g i n e e r 支持自顶向下的虚拟装配设计 为用户提供了 丰富二次开发工具来开发专用c a d 系统 7 1 这些也是本文选择该软件作为设计平台 的主要原因 2 第一章绪论 1 2 2 国内c a d 系统的研究状况 我国c a d 技术的研究和开发工作起步相对较晚 从8 0 年代开始 c a d 技术应 用工作才逐步得到了开展 国家在全国各个行业大力推广c a d 技术 同时展开c a d 技术的开发和研制工作 最初的工作是在通用的二维c a d 系统上进行二次开发 如 清华大学的天河c a d 系统 中科院开发的大恒c a d 系统等 而后 有许多高校从 底层开始 开发了具有自主版权的二维和三维c a d 系统 如清华大学和华中理工大 学共同开发的高华c a d 北京航空航天大学开发的熊猫c a d 系统 金银花系统等 目前应用相对比较广泛的c a x a 系列软件包括电子图板 三维造型 制造工程师 p d m 等模块 基本代表了国内此类软件的最高水准 8 但我们要清醒地看到 与欧美发达国家相比 我国c a d 技术无论在理论 技术 开发 应用 特别是系统商业化方面 都还存在着不小的差距 国外c a d 软件在中 国占有绝大部分的市场份额 国家前几年一直提倡c a d 软件国产化 但是这几年观念在转变 逐渐在转向与 世界接轨 开发出一批为了满足一些专用领域的需要 进一步提高设计质量 缩短 设计周期的c a d 软件模块 九十年代以来 国内很多科研院所 企业都进行过针对 具体应用的开发工作 不过前几年一直集中在对二维软件的二次开发 出现了一大 批基于a u t o c a d 平台的应用模块 随着三维系统逐渐占据主流 这两年陆续出现了 一些针对中端c a d 平台的高级开发 如生信实维针对s o l i dw o r k 开发的s o l i dc a m 模块 东大欧磊针对s o l i de d g e 开发的标准件库等 9 目前针对高端c a d 平台进行开发的工作做得较少 如国内基于p r o e n g i n e e r 进行的c a d 系统开发 仅有一些科研院校有相应的研究 相关资料较少 应用开发 基本处于起步阶段 南京航空航天大学开发的轴类零件生成模块 浙江大学开发的 标准件库等是比较典型的代表 所应用的对象也主要是像齿轮 轴等零件 所实现 的功能只是实现零件三维实体的建模 对从产品的整体设计角度 机构的快速设计 等方面做的较少 1 3 产品设计理论的发展状况 随着计算机技术的发展 产品设计理论也飞快地发展起来 出现了一些实用的 先进设计理念和实施方法 其中包括 并行工程 基于仿真的设计 协同设计 敏 捷设计 智能设计 绿色设计等 这些先进设计理论的出现和应用 大大提高了产 品设计的可靠性和效率 同时又推动了计算机技术的发展 从计算机技术本身的发 展来看 其发展趋势是集成化 智能化 并行工程 网络化 虚拟设计和标准化 1 0 1 下面主要介绍虚拟设计的发展状况 3 青岛大学硕士学位论文 1 3 1 虚拟设计的概念 虚拟设计是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一个新的研究领域 它是计算机图形学 人工智能 计算机网络 信息处理 机械设计与制造等技术综合发展的产物 目前 虚拟设计 v i r t u a ld e s i g n 技术还没有统一的定义 不同的学者对虚拟 设计技术的概念理解不同 普遍的理解是 虚拟设计技术是以信息技术为载体的 通过强大的计算机平台 以特定行业的软件为依托 在计算机上实现的设计技术 虚拟设计技术强调在实际投入原材料之前 完成产品的设计和装配过程 进行全面 c a e c o m p u t e r a i de n g i n e e r i n g 分析 以保证产品的使用性能和制造的可行性 1 1 1 埘 具体来说 虚拟设计是将信息化技术引入到产品的设计之中 进行基于数字化 产品模型的c a e 性能分析 优化对产品进行设计评估与性能预测 这种虚拟设计技 术强调以统一信息模型为基础 进行产品的结构 性能 动力学 热力学等方面的 分析和可装配性分析 在真三维交互式环境下设计产品 模拟装配过程 实现产品 的虚拟开发 v i 咖a lp r o d u c td e v e l o p m e n t v p d i 引 1 3 2 虚拟设计在国外的应用与发展 虚拟设计技术虽然出现只有短短的几年 但己对制造业产生了巨大的影响 在 一些发达国家 如美国 德国 日本等己得到应用 从航空航天业 造船业 汽车 制造业 工程机械 国防工业到人机工程学 生物力学 医学以及工程咨询等很多 方面 所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门 从上天的火箭到轮船的锚链 1 4 虽然未能完全取代传统设计方法 但是成功地实例已经有很多 美国波音公司是世界航空航天制造领域的领头羊 因而也是不断提出新的制造 理念和尝试新的制造技术的先驱 公司采用虚拟设计技术开发设计波音7 7 7 飞机 设计 装配 测试均在计算机中模拟完成 初步做到无纸设计 保证一次试制成功 成功地将整机产品地设计周期大大缩短 它的设计成功也标志着虚拟制造从理论转 向实用 美国航空航天局 n a s a 的喷气推进实验室 j p l 成功地实现了火星探测器 探路者号 在火星上的软着路 j p l 工程师利用虚拟样机技术仿真研究飞船火星 登陆的不同阶段 世界上最大的工程机械制造商卡特比勒公司采用虚拟样机技术进 行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析 均取得了巨大的经济效益 另外美 洲虎 福特和克莱斯勒汽车公司在新车型的开发中也采用了基于数字化的虚拟产品 设计方式 避免了传统的设计方式中因为使用图纸而导致开发过程数据不一致性问 题 在各个领域里 针对各种产品 虚拟设计技术都为用户节约了开支 时间并提 供了满意的设计方案 1 5 j 4 第一章绪论 1 3 3 虚拟设计在国内的应用与发展 目前 虚拟设计技术在我国已经引起各研究部门和企业的重视 正在被研究与 推广 但是由于国内的研究起步较晚 仅在汽车 航天航空 武器制造 机械工程 等行业应用 但是也只停留在初步应用阶段 1 6 1 国内没有自主研发的虚拟设计工具 与环境 但是对于虚拟设计的相关技术 如数据库技术 c a d c a e 技术 网络技术 等有一定的基础 总体上看 与国外相比还有很大的差距 国内应用比较成功的实例比较少 主 要是在专业研究机构和高校研究机构中应用 例如浙江大学 吉林工业大学 大连 理工大学和洛阳拖拉机厂等利用虚拟样机技术不但研究了工作装置的运动学 动力 学特性 而且对其进行了优化设计 对其工作过程进行了模拟和仿真 当然它们对 模型进行了大量的简化 一般也只局限于对运动机构中几个零件进行虚拟样机的研 究 没有从产品的整体设计角度进行考虑 尽管国内外的学者和公司对虚拟设计系统做了大量的研究 也取得了一些成就 但总的说来 对虚拟设计或虚拟装配设计系统的研究与应用还处于初步阶段 无论 是设计系统的概念 体系结构 实现方法论 还是应用与实践都是从不同的方面 不同的侧重点来进行的 还没有形成系统化的理论体系与实践方法学 1 5 l 6 1 1 4 主要研究内容和解决的主要问题 1 4 1 主要研究内容 课题选用p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 3 0 作为开发平台 主要以实现产品快速设计 为核心 研究现代设计方法在产品设计中的应用与p r o e n g i n e e r 二次开发技术在 开发专用快速设计系统中的应用 主要包括 1 研究实现快速设计的理论和方法 研究p r o e n g i n e e r 的高级应用技术 即研究其提供的多种设计模块和各种设计工具的综合应用技术 2 研究实现机械产品快速设计的具体方案 建立p r o e n g i n e e r 环境下三 维参数化模型设计的基本规则 3 以光纤擦拭器的设计为例 研究虚拟装配设计在产品设计中的实施过程 并且在p r o e n g i n e e r 环境下 以快速设计方案和三维参数化模型设计基本规则为 指导 完成光纤擦拭器的虚拟装配设计 4 研究v i s u a lc 抖 n e t2 0 0 3 和其提供的数据库技术在p r o e n g i n e e r 二次 开发中的应用 利用p r o e n g i n e e r 提供的高级二次开发工具包p r o t o o l k i t 开 发出具有一定通用性的机械零部件快速设计工具 s 青岛大学硕士学位论文 1 4 2 解决的主要问题 1 探索一条适合光纤擦拭器类产品实现快速设计的方法 解决虚拟设计技术 在产品设计过程中的实际应用的问题 并结合该方法开发辅助设计工具 2 确定实现产品虚拟装配设计的具体方案 并制定产品的具体设计流程 建 立三维参数化模型设计规则 完成光纤擦拭器的虚拟装配设计 3 解决p r o e n g i n e e r 与v i s u a lc n e t2 0 0 3 提供m f cd l l 框架 数据 库访问技术的接口问题 确定人机交互界面 着重解决产品变形设计中涉及到的数 据结构 数据传递 模型更新和数据保存的问题 4 实现零件和组件的可视化 快速变形设计 6 第二章基于p r o e n g i n e e r 的快速设计基础 第二章基于p r o e n g i n e e r 的快速设计基础 产品快速设计 r a p i dp r o d u c td e v e l o p m e n t 简称为r p d 是近年来出现的一种新 的设计思路 是计算机辅助设计和制造技术的发展与延伸 也是缩短产品设计周期 提高企业综合竞争能力的有效手段 l 引 快速设计技术是在当前市场对产品多样化 瞬变性等需求的形势下提出并发展起来的 目前 对于产品快速设计的内涵还没有公认的定义 一般来说 快速设计是指 以c a d 技术为基础 综合运用各种现代设计手段和工作方法 针对那些具有较为成 熟的设计流程和结构的产品 充分利用企业已有的产品信息资源 进行适应设计和 变形设计 以达到满足设计要求 提高设计效率 快速响应 适应迅速变化的市场 的目的 产品快速设计没有将其解决问题的范围扩大到企业的整个生产领域 而只 是将重点放在缩短产品的设计开发周期上 尤其是总体结构和工艺设计方案阶段 以提高产品一次开发成功和快速响应市场的能力 1 9 1 在研究现代设计理论和产品快速设计理论的基础上 本文提出光线擦拭器的快 速设计构想 仅限于计算机辅助设计阶段 主要包括以下几点 1 希望最大限度的减少设计过程中的重复劳动 提高设计效率 2 缩短设计周期 提高产品设计的一次成功率 减少修改次数 在设计初期 尽可能的早的发现设计过程中存在的问题 3 实现产品的并行设计 并保证零部件设计完成后符合产品统一要求和企业 要求 提高产品的设计速度 4 产品模型便于修改 修改产品中的某个零部件的参数 最大限度的完成其 他与之相关零部件尺寸的自动修改 并重新生成模型 5 设计过程中完成产品的初步验证 即零部件三维模型的创建过程中 完成 装配仿真 干涉检查 机构的运动仿真 分析与优化和关键零部件的结构分析 6 设计验证阶段出现问题 随时可以方便的对产品存在缺陷的地方快速修改 并自动更新模型 7 产品设计完成后 可以快速实现产品的系列化和产品数据的保存 查找 产品的快速设计主要通过综合运用以下设计方法和设计技术 在 p r o e n g i n e e r 简称p r o e 平台上实现 2 1 设计方法 产品设计是一项综合性较强的工作 设计人员必须掌握两种常用的设计方法 自底而上 d o w n t o p 设计和自项向下 t o p d o w n 设计 7 青岛大学硕士学位论文 2 1 1 自底而上 d o w n t o p 设计 自底而上设计是传统的c a d 软件中通常使用的一种设计过程 它的主要思路是 先设计好各个零件 然后将这些零件拿到一起进行装配 2 0 1 设计过程如图2 1 所示 图2 1 自底向上设计 自底而上 d o w n t o p 设计的特点 1 优点 在自底而上的设计中 零件之间是没有数据联系的 即零件不会因 为其他数据的改变而改变 因此用这种方法设计 装配无关联的零部件比较有利 例如标准件或外购件以及一些产品的辅助零件 另外这种方法思路简单 操作快捷 方便 容易被大多数设计人员所理解和接受 2 缺点 由于设计初期没有一个很好的规划和全局的考虑 设计阶段的重复 工作很多 造成了时间和人力资源的很大浪费 工作效率低 设计者不能很好地发 布设计意图 也不能动态监控和修改布局设计 并且还容易导致系统间的干涉 机 构运动不符合要求等 需要对零件进行反复的设计和装配 另外 这种设计过程是从零件设计到总体装配设计 即不支持产品从概念设汁 到详细设计 又不支持零件设计过程中的信息传递 特别是产品零部件之间的参数 化和装配关系 如装配形式 层次 配合等 无法在现有的c a d 系统中得到完整描 述 即使c a d 系统具有装配功能 但也仅仅是描述了实体模型中几何要素的低级关 联信息 其装配也多是通过坐标变换将已经设计好的零件拼凑到一起的过程 零部 件之间仍然没有必要的内在联系和约束 产品的设计意图 功能要求以及许多装配 信息都得不到必要的描述 最重要的是 在使用自底而上的方法设计零部件的过程中 设计验证方法有限 例如 在不能进行干涉检查 机构运动仿真 分析等 只能在设计完成所有零件后 才能进行相关验证 因此这种方法不适用于产品的变形设计 创新设计和大型产品 的设计 2 1 2 自顶向下 t o p d o w n 设计 自顶向下设计的主要思路是首先设计产品的原理和结构 然后再进一步设计其 第二章基于p r o e n g i n e e r 的快速设计基础 中的零部件 这种方法要求确定产品的整体设计标准 然后在设计过程中将这些设 计标准逐级贯彻到各个部件和零件的设计环节中 2 l 自顶向下的设计思想是系统过 程和参数化相结合的设计 翊 其设计思路如图2 2 所示 图2 2 自顶向下设计 自顶向下设计方法的优点 1 符合产品设计过程和设计人员的思维过程 设计产品时 最初考虑的是产 品应实现的功能 最后才考虑实现这些功能的几何结构 所以产品的设计过程是一 个从抽象到具体的渐进过程 2 自项向下设计能够将设计数据从原理布局向装配结构传递 然后再向零件 传递 另外 零件与零件间也能进行数据传递 这些数据包含设计参数 子零部件 在装配体中的空间需求 零部件之间的连接方式与连接位置等 3 这种方法能够保证装配结构整体的数据关联性 使得零件装配完成后能最 大限度的服从概念设计的规划 并能够随着概念设计的改变自动更新装配体中的每 个零件 而不必逐个修改零件 4 自项向下的设计方法 可以将概念设计的设计信息传达到待设计的零件或 子装配后 再将零部件的设计任务分配给设计团队 不仅使各个零部件的设计可以 同时进行 实现产品的并行设计 而且又能保证最终可以按照概念设计预期的效果 正确装配 5 使用这种方法可以在概念设计阶段就可以进行初步的运动仿真和分析优 化 提高一次设计的成功率 自顶向下设计方法的缺点 1 设计前期工作量大 需要考虑的东西太多 对设计人员要求较高 需要设 计人员具有系统全面的设计理论和设计技术 2 如果使用过多的外部参照容易导致零部件间的父子关系复杂 进而容易导 致特征的再生失败 本文将根据光纤擦拭器零部件的特点 采用以上二者综合的方式设计 根据需 求选择不同的设计方法 1 结构紧凑 联系密切的装配体采用自顶向下的设计方法 2 标准零件 通用零件 辅助零件等采用自下而上的设计方法 9 青岛大学硕士学位论文 2 2 虚拟装配设计技术 虚拟设计制造技术是虚拟现实技术在设计与制造领域的重要应用之一 自从出 现以来就受到各国有关科研机构和大学以及许多著名公司的高度重视 制造商立即 将虚拟样机技术引入各自的产品开发中 取得了很好的经济效益 虚拟装配是产品 数字化定义中的一个重要环节 在虚拟技术领域和仿真领域得到广泛的应用 2 引 虚拟装配设计是虚拟设计制造的核心技术之一 许多学者从不同的角度进行的 探索和定义 2 4 本文结合机械设计行业的特点 对其进行重新定义 虚拟装配设计 是指在计算机中完成机械产品的实体造型 进行计算机装配 干涉分析 运动仿真 优化设计和结构分析等多次协调的设计过程 并通过统一的数据管理 实现机械三 维设计与零部件制造 装配和分析的高度统一 根据侧重点不同 虚拟装配设计方式可以分为 以设计为中心的虚拟装配 以 过程控制为中心的虚拟装配和以仿真为中心的虚拟装配3 个部分 2 2 1 以设计为中心的虚拟装配 将数字化工程应用于新产品研发 结合产品研发的具体情况 突出以设计为核 心的指导思想 这表现在以下三个层次 图2 3 以设计为中心的虚拟装配设计层次图 其主要分类有 面向装配的设计 自顶向下的并行设计 以及与主模型相关的 可制造性和装配性设计等 2 2 1 1 面向装配的设计 d f a 即在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合 从设计的角度来保证 产品的可装配性 引入面向产品装配过程的设计思想 使设计的产品具有良好的结 1 0 第二章基于p r o e n g i n e e r 的快速设计基础 构 能高效地进行物理装配 能在产品研制初期使设计部门与制造部门之间更有效 地协同工作 2 2 1 2 自顶向下的并行产品设计 c p d 并行产品设计是对产品及其相关过程集成 并行地进行设计 强调开发人员从 一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响 把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现 以缩短产品开发周期 降低产品成 本 提高产品质量 2 2 1 3 与主模型相关的可制造性设计和可装配性设计 产品研制是多部门的协同工作过程 各部门间的合作往往受到各个企业的生产 条件等方面的限制 结合各个企业的生产能力和生产特性 改进产品设计模型的可 制造性 可装配性 减少零部件模型的数量和特殊类型 减少材料种类 使用标准 化 模块化的零部件 是非常必要的 以不同阶段的主模型为核心 可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致 保证产品研制的各个部门协同工作 实现c a d c a m c a e 系统的高度集成 有效提 高产品的可制造性和可装配性 2 2 2 以过程控制为中心的虚拟装配 以过程控制为中心的虚拟装配 p r o c e s s c e n t e r e d v i r t u a l a s s e m b l y 主要包含以 下两方面内容 2 2 2 1 实现对产品总体设计进程的控制 在产品数字化定义过程中 结合产品研制特点 人为地将虚拟装配技术应用于 产品设计过程 该过程可以划分为三个阶段 总体设计阶段 装配设计阶段和详细 设计阶段 通过对三个设计阶段的控制 实现对产品总体设计进程的控制 以及虚 拟装配设计流程 1 总体设计阶段 总体设计阶段是产品研制的初期阶段 在此阶段进行产品 初步的总体布局 主要包括 建立主模型 m a s t e rm o d e l 空间 进行产品初步的结 构 系统总体布局 2 装配设计阶段 装配设计阶段为产品研制的主要阶段 在此阶段产品三维 实体模型设计已经基本完成 主要包括 产品模型空间分配 装配区域 装配层次 青岛大学硕士学位论文 的划分 具体模型定义 建立几何约束关系 三维实体模型等 以及应力控制 3 详细设计阶段 详细设计阶段为产品研制的完善阶段 在此阶段完成产品 三维实体模型的最终设计 主要包括 完成产品三维实体模型的最终设计 进行产 品模型的计算机装配 进行全机干涉检查 2 2 2 2 过程控制管理 过程模型包含了产品开发的过程描述 过程内部相互关系和过程间的协作等方 面内容 通过对过程模型的有效管理 实现对工程研制过程中各种产品设计结果和 加工工艺等产品相关信息的管理 从而实现优化产品开发过程的目的 2 2 3 仿真为中心的虚拟装配 以仿真为中心的虚拟装配 s i m u l a t e c e i l t e r e dv m u a la s s e m b l y 是在产品装配 设计模型中 融入仿真技术 并以此来评估和优化装配过程 其主要目标是评价产 品的可装配性 2 2 3 1 优化装配过程 目的是使产品能适应当地具体情况 合理划分成装配单元 使装配单元能并行 地进行装配 2 2 3 2 可装配性评价 主要是评价产品装配的相对难易程度 计算装配费用 并以此决定产品设计是 否需要修改 应用虚拟装配技术于产品的设计 可以在很大程度上缩短产品研发周期 降低 成本 提高产品质量及实现产品数据的统一管理 这也是缩短设计周期 提高一次 设计成功率的关键技术 也是能够在设计过程中完成产品初步验证 在设计早期发 现系统问题的重要保证 本文主要研究了应用以设计为中心的虚拟装配设计技术 采用自顶向下与自底向上相结合的设计方法完成产品设计 2 3 基于特征的参数化设计 参数化技术 p a r a m e t r i c 是c a d 技术在实际应用中提出的课题 是现代c a d 技术中重要的 且待进一步研究的领域之一 参数化设计是一种灵活多变的设计方 法 般是指设计对象的结构比较定型 可以用一组参数来约定尺寸关系 参数与 1 2 第二章基于p r o l 三n g 矾e e r 的快速设计基础 设计对象的控制尺寸有显式的对应 设计结果的修改受到尺寸的驱动 设计时只要 变化一个参数值 将自动改变所有与他相关的尺寸 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和交互式绘图功能 2 3 1 基于特征的参数化设计将基于特征的设计和参数化设计有机的结合起来 使用 较完整的带有语义的特征描述方式 使特征本身就包含参数化变动所需的成员变量 和成员函数 将面向对象的技术应用于特征的描述 在造型中使用参数化 随时调 整产品结构 尺寸 并因此带动特征自身的变动 实现产品基于特征的参数化设计 其最大优点是系统自动记录建立几何形体的整个历程 换句话说 系统不仅记录建 立的几何形体 同时也记录设计意图 即几何间的关系 当改变参数时 几何关系 保持不变 基于特征的参数化三维造型技术是c a d 的关键技术 也是机械产品设计的发展 趋势 目前主要有两种参数化建模方法 尺寸参数化和结构参数化 尺寸参数化是 指零部件的大小可以改变而形状不能改变 例如众多软件系统中的基本图元 而结 构参数化是指既可以改变大小也可以改变形状 建模过程中根据实际需要可选择尺 寸参数化或结构参数化造型川 p r o e 软件作为一个基于特征的三维参数化辅助设计软件 利用几何约束实现了 尺寸驱动 设计者可以在设计过程中预先定义设计参数 这些参数包括几何参数 如 点 线 曲线 曲面等 物理参数 如 长度 质量 速度 温度 密度等 无 量纲参数 如 整数 实数 字符型参数等多种类型 再通过算术表达式定义几何 尺寸 几何尺寸也可以以变量的形式加入到算术表达式中 以驱动其它尺寸 这样 通过算术表达式用户参数与三维模型中对应的特征参数建立了相应的关系 从而实 现用户参数驱动系统参数 进而关联控制整个模型 基于特征的参数化建模是几何建模的一个发展方向 它可以大大提高模型的生 成和修改速度 在产品的系列化 相似设计及专用系统开发等方面具有较大的应用 价值 光纤擦拭器的所有零件 组件均采用该技术建模 2 4 基于p r o e 平台的虚拟装配设计技术 作为主流三维参数化特征设计系统 p r o e 系统具有基于特征 全参数 全相关 及单一数据库等特点 并且提供了专门的组件设计模块 组件设计模块中提供了多种并行的 自下而上的产品开发工具和方法 比如 主控件 骨架模型 布局等 不同的方法用于不同的设计类型 应用p r o e 的 数 据共享 操控版 合并 切除和继承等 分析工具 组件关系式和组件模块的其 他设计功能 可以方便的完成产品的虚拟装配设计 冽 青岛大学硕士学位论文 2 4 1 主控件与骨架模型的设计方法概述 主控件是通过元件合并功能 将零件与参照零件合并起来 再由p r o e 的全相 关性 实现一个参照零件控制多个零件的目的 主要用于设计过程 骨架模型设计是一种典型的自项向下的组件设计方法 骨架模型可以分为标准 骨架模型和运动骨架模型两种类型 主要由基准点 基准轴 基准坐标系 基准曲 线和曲面组成 这些组成元素不具有质量属性 当然也可以在骨架模型中建立实体 特征 但一般不使用 骨架模型一般按照每个零部件在空间的静态位置或者运动时 的特定相对位置而绘制的 相当于形成产品装配的基本框架 设计好骨架模型后 就可以直接在组件模式中参照骨架模型来创建元件 或者将指定的零部件依次安装 卜幸1 2 7 2 8 lao 标准骨架模型的设计类似于主控件 骨架模型中包含3 d 实际约束 其尺寸和 位置的几何信息将被合并到一些元件中 使各元件共享信息 实现骨架控制多个零 件 后者主要用于控制装配过程 控制运动组件的组合状态 运动骨架模型用来定义组件中实体元件间的运动 他是在活动组件或子组件中 创建的子组件 其文件类型为 a s m 他们包含彼此相对运动的骨架主题 运动方式 与他们所表示的主体在最终组件中的运动方式相同 使用运动骨架可以获取机械组 件的概念设计 在创建实际的组件元件前 可以在运动骨架中测试设计的基本结构 和运动 并可以对运动机构进行优化 使用骨架模型在设计产品装配结构时非常方便 零件可以参照骨架模型中的曲 线或曲面创建特征 同时也可以参照骨架模型中的基准特征 从而可以通过骨架模 型方便地控制零部件的尺寸 形状和装配位置 2 4 2 主控件和标准骨架模型设计方法的特点 1 主控件的设计方法主要用于设计过程 适用于零件数量不多但装配中的零 件共用同一外形的装配体 比如箱体等外壳类产品 标准骨架模型主要用于运动组 件的设计 2 产品研制是多部门协同工作的过程 主控件或标准骨架模型提供了一个面 向设计群体的装配设计环境 使得设计群体中的每个成员的设计从产品设计的开始 就被有效的控制在最终产品可装配的范围之内 3 更改设计方便 设计过程中或设计完成后 如果对模型局部不满意 可以 通过修改主控件或标准骨架模型 模型再生来使相关的零件随之得到修改 不需要 对具体的零件进行逐一的修改 并且保证其相互配合的关系 大量减少修改设计的 工作量 1 4 第二章基于p r o e n g i n e e r