（机械设计及理论专业论文）基于objectarx桥式起重机快速设计系统研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 现代企业产品开发信息化趋势不断推动着c a d 计算机辅助设计 技术飞速地发展 而c a d 技术的发展又给企业应用带来了更广阔的发展空间 为了使软件在企业产品开 发上的应用更加贴近企业本身 弥补传统产品设计开发效率 质量以及成本控制上的不 足 本文提出了将面向对象的o b j e c t a r x 二次开发技术和有限元分析技术应用于参数化 设计的思想 f 在此基础上 结合湖北蒲圻起重机有限公司委托我校开发的 桥式起重机 快速设计系统 开发实例i 溧入探讨了面向对象o b j e c t a r x 技术和有限元分析技术运用 于快速设计系统开发的设计和实现方法 论文从企业产品开发的需求出发 分析了传统设计方法的不足 并介绍了参数化设 计的最新应用情况 得出了参数化设计的必要性 针对软件开发的复杂性带来的开发效 率低下的问题 提出参数化的有限元分析分析和面向对象o b j e c t a r x 设计方法的软件架 构 设计了一个适用于该类系统的理想架构模型 本文将参数化技术看成是更高层次对面向对象o b j e c t a r x 技术方法的运用 文章运 用面向对象的方法设计了系统的整体解决方案和各子系统的框架结构 详细地论述了面 向对象的o b j e c t a r x 技术在软件设计中的运用过程 论述了m f c 交互技术在课题中的 应用 得出了o b j e c t a l 技术中的交互过程 要点和具体实现方法 文章最后部分介绍 了课题中实现相关实际功能时所使用的替代主要技术 并对近年来出现的系统开发新技 术作了介绍和展望 论文始终以参数化思想为主线 以面向对象方法为基础 结合实例对o b j e c t a r x 技 术及有限元分析技术运用于系统开发的优势和前景进行论述 这使得本文的研究具有较 高的理论基础 并得到较满意的技术应用成果 关键词 参数化 o b j e c t a r x 技术 面向对象方法 桥式起重机 一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e t e n d e n c y t h a te n t e r o r i s e s p r o d u c td e s i g n b e c o m e sm o r ea n dm o r e i n t e l l i g e n t p r o m o t e sr a p i dd e v e l o p m e n t o f c a d c o m p u t e r a i d e d d e s i g n t e c h n o l o g y w h i l e t h i s d e v e l o p m e n te x p a n d sd o m a i nf o re n t e r p r i s ea p p l i c a t i o n s i no r d e rt oa c c o m m o d a t es o f t w a r e a p p l i c a t i o nt oe n t e r p r i s e sp r o d u c t s r e s e a t c ha n dd e v e l o p m e n t m u c hm o r e a n dt om a k e u p t h e i n s u f f i c i e n c yo fl o wd e s i g ne m c i e n c ya n dh i g hc o s tp r o v i d e db yt r a d i t i o n a im a n u a lm e t h o d a na s s u m et h a ti n o c u l a t eo b i e c t o r i e n t e do b j e c t a r xa n df e mw i t hp a r a m e t r i c a l i z a t i o n t h i n k i n g i sb r o u g h ti nt h et h e s i s o nt h i sb a s e r e f e r r i n gt h ed e v e l o p m e n ti n s t a n c eo f b r i d g e c r a n eq u i c kd e s i g ns y s t e m o b j e c t o r i e n t e do b j e c i a r xa n df e m t e c h n o l o g ya p p l i e di n s y s t e md e v e l o p m e n t a r ep r o b e d d e e p l y f r o mt h e p o i n t o f e n t e r p r i s e sp r o d u c td e s i g nr e q u i r e m e n t t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e i n s u f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lp u r em a n u a ld e s i g n a n di n t r o d u c e st h en e w e s ta p p l i c a t i o n so f p a r a m e t r i c a l i z a t i o n t h e nt h en e c e s s i t yo fp a r a m e t r i c a l i z a t i o nd e s i g ni sb r o u g h tu p o nt h e l o we f f i c i e n c y b r o u g h tb yc o m p l e x i t y o fs o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h ef e ma n a l y s i s a n d o b i e c t o r i e n t e dm e t h o ds o f t w a r ef r a m eb a s e do no b j e c t a r xt e c h n o l o g ya r eb r o u g h tu p a n dw e d e s i g n e d a ni d e a la p p l i c a t i o nm o d e lt h a ta p p l i e dt ot h i st y p eo f s y s t e m p a r a m e t r i c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y w h i c hi n h e r i t sa n dd e v e l o p so b j e c t o r i e n t e do b j e c t 址 w o r k so nah i g h t e rl e v e lt oi t t h i sc o n c e p t i o ni ss t r o n g l ye m b o d i e di nt h er e s e a r c ht h a t d i s c u s s e db yt h ep a p e r a c c o r d i n g l y a f t e ri n t r o d u c i n gt h es i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft h e r e s e a r c h t a s k t h et h e s i ss h o w st h es y s t e m s c h e m ea n dt h e s u b s y s t e m s f r a m e w o r k s a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c o f b r i d g e c r a n e d e s i g n t h ea p p l i c a t i o n o f o b j e c t o r i e n t e dm e t h o di ss p e c i f i e d a d d i t i o n a l l y t h et h i n k i n gt h a ts o f t w a r eb u i l tu pw i t h p a r a m e t r i c a l i z a t i o ni se x p o u n d e d b yt h i sw a y t h et h e s i ss u m m a r i z e st h em a i mp o i n t so f u s i n go b j e c t a r xt e c h n o l o g y t h e nt h ea p p l i c a t i o no fm o t i v em u t u a lt e c h n o l o g y m f c o n t h i ss y s t e mi se x p a t i a t e d ht h ee n d t h e 也e s i si n t r o d u c e s0 t h e rt e c b n o l o 西e st h a ta r ea p p l i e d i nt h es y s t e ma n dt h en e w t e c h n o l o g i e sa p p l i e d i ns y s t e m d e v e l o p m e n ta p p e a ri nt h e s ey e a r s n e o b j e c t o r i e n t e dm e t h o da n dp a r a m e t r i c a l i z a t i o nt h i n k i n gg e tt h r o u g ht h ew h o l et h e s i s t h ea d v a n t a g ea n df o r e g r o u n do fo b j e c t a r xa n df e mt e c h n o l o g ya p p l y i n go ns y s t e m d e v e l o p m e n ta r ed i s c u s s e db a s e d0 1 it h ei n s t a n c e t h i sm a k e s 也cr e s e a r c ho ft h et h e s i sh a v e b o t ht h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s p a r a m e t r i c a l i z e o b j e c t a r x o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d b r i d g e c r a n e l i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源 目的和意义 1 1 1 课题来源 华中科技大学机械学院与湖北蒲圻起重机有限公司合作开发桥式起重机快速设计 系统 其中桥式起重机小车部分的快速设计是重点 1 1 2 课题目的 桥式起重机 6 1 是一种在企业 港口等地方广泛使用的大型装卸机械 它应该是将现 代工业面向用户的设计理念与世界最先迸技术完美结合 塑造出其体积轻巧 结构紧凑 操作简便 使用安全 免维护等优秀特性 成为用户随心所欲的工具 然而国内起重机 传统的设计方法由于受设计工具的和方法的限制 使设计师是很难设计出复杂 精确的 产品 新产品的开发周期长 市场需求响应缓慢 国外则利用现代的c a d 技术 包括 参数化设计 有限元分析等 改变传统设计方法和过程 设计师的二维工程图设计的工 作量大部分由c a d 软件自动控制完成 所谓参数化设计删是指零件和装配的物理形状 由其特征属性值 主要尺寸 驱动 用户可以随时修改特征尺寸或其它属性 它是国外 产品自动化设计的一个广泛应用的概念 国内的机械行业在部分产品设计中已经应用了 此技术 但是具体到起重机行业却几乎没有专用的参数化快速设计系统 因此本课题的 目的在于为湖北蒲圻起重机有限公司开发桥式起重机快速设计系统模块软件 提高其研 发设计桥式起重机的效率 快速响应市场需求 1 1 3 课题意义 系统对桥式起重机的设计进行建模参数化 生成满足厂家需求的 能够快速进行设 计 出图的专业桥式起重机图库模块 工程技术人员可以快速 方便 准确的设计并出 图 满足高效率的要求 利用此方法模式同样可以应用到其他一些大型工程机械的设计上 使企业的信息化 程度大大提高 快速生产满足市场上不同客户的不同需求的高质量产品 尤其是一些技 术力量雄厚的大型国有企业更需要这种专业的系统软件帮助企业占领市场 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外概况 进入9 0 年代以后 参数化技术变得比较成熟起来 主要体现其在许多通用件 零 部件设计上存在的简便易行的优势上 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 3 参数化设计是新一代智能化 集成化c a d 系统核心技术之一 也是当前 c a d 技术的研究热点 已经形成了诸如变量几何和几何推理等多种方法1 3 2 但这些方法 虽具有较深的理论基础 也能很好地解决二维参数化设计问题 但难以直接推广到实际 设计中 而真正成为设计的有效工具 究其原因 主要在于这些研究成果或是过多地集 中在对基本几何元素的约束建模 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深入研究 当前在国际范围内 参数化设计c a d 软件有法国达索公司的c a t i a 美国麦道公司 的u g i i 美国p t c 公司的p r 0 e n g i n e e r s d r c 公司的i d e a s a p p l i c o n 公司的b r a v o c d c 公司的i c e m p r i m e 公司的c a d d s 5 法国的e u c l i d 和美国的i n t e r g r a p h 等 3 3 j 这 些公司技术积累根底厚 系统功能强 集成度高 市场占有率大 其中美国参数化技术 公司的产品p r 0 e n g i n e e r 系统在最近四年里成为三维机械设计领域里最富有魅力的系 统 p r o e n g i n e e r 采用基于参数化 特征设计的三维实体造型系统 这样便于在新产品 的开发中实现概念设计 也可方便的依照工业标准的零件族概念建库 国p g c a d 技术的应用起步于8 0 年代 相对于发达国家是较落后的 二维c a d 技术是产 品设计的基础 即使在国外的大型制造企业仍然是以二维c a d 软件为主 目前中国有八 百万家制造企业 广泛的分布在机械 电子 纺织等八个行业 这些制造企业面对激烈 市场竞争有进行技术革新的愿望 企业迫切需要好用 适用 价廉的c a d 软件 由于 a u t o c a d 进入中国较早 同时盗版横行 因此在中国c a d 技术上言必谈a u t o c a d 其d 们格 式已经成为事实上的标准 但是a u t o c a d 仅仅是个平台 用户非常需要国产的具有很多 专业和实用功能的国产c a d 软件 因此国内也有不少软件产品出现 包括华中科技大学 天喻公司的i n t e c a d 清华大学国家c a d 支撑软件工程中心的高华三维产品造型系统 g e m s 浙江大天电子信息系统工程公司的大天c a d c a m 软件系统 武汉开目集成技术有 限责任公司的开目c a d 系统 北京爱宣特国际电子有限公司的三维c a d 软件系绌i c r o s o l i d 美思 其中 i n t e c a d 是华中软件公司积数十年的努力 在a u t o c a d 上开发的二维 辅助设计绘图系统 它充分利用了a u t o c a d 平台良好的稳定性和开放性 同时针对我国 工程设计标准和设计人员的使用习惯 开发了许多实用的辅助绘图及设计功能 在参数 化及其图库方面表现较出色 是拥有自己知识产权的优秀国内软件之一 其突出优点是 可以通过尺寸驱动修改图形 从而为系统化产品零件图的设计和绘制提供了方便 但是 它有很多缺陷和算法的局限性 对于比较复杂的二维设计图尤其是装配图很难进行参数 2 华中科技大学硕士学位论文 化 起重机的设计涉及到很多梁和板结构 有些零件图和装配图很复杂 连i n t e c a d 这 样优秀的参数化软件都无法处理 约束太多 无法全部识别 也就是说原来的算法理论 难以直接推广到实际设计中 因为忽视了实际应用的需求 故对于这种专业性很强的设 计需要用相对专用的设计软件 1 3 课题研究的主要内容 本课题要研究的主要内容有 i 桥式起重机快速设计系统模型的研究 研究桥式起重机快速设计系统模型 根据传统桥式起重机设计方法的特点 依据国 家规定的设计准则和先进的设计计算方法 构建出合理实用的快速设计系统模型 达到 快速设计的目的 尤其是 最重要也是最复杂的小车部分 其变化也最频繁 所以必须 考虑多方面的因素来构建模型 2 桥式起重机有限元分析建模的研究 利用参数化的思想 以及a n s y s 的二次开发功能 在a n s y s 中建立桥式起重机 小车架的有限元模型库 在模型进行网格划分之后 对其加载分析 可以得到不同型号 的小车架的应力及应变结果 为桥式起重机小车架的参数化设计提供科学的根据 3 用面向对象的o b j e c t a r x 技术进行桥式起重机参数化设计方法的研究与实现 由于企业中通用的设计软件是a u t o c a d 2 0 0 0 o b j e c t a r x 2 0 0 0 是a u t o d e s k 公司随 a u t o c a d 2 0 0 0 推出的新一代功能强大的二次开发工具 它使用面向对象的c 应用程 序开发机制 以动态链接库的形式共享a u t o c a d 的地址空间 对a u t o c a d 进行直接函 数调用 避免了i p c 的系统开销和由此引起的性能下降 它可充分利用c 类的继承性 封装性和多态性等特点 大大提高应用程序的安全性和代码的可重性 而且它提供了 a s i 数据库接口 使得a u t o c a d 2 0 0 0 更容易与外部数据库共享和双向交换数据 所以 我们利用o b j e c t a r x 2 0 0 0 技术来开发参数化设计功能模块 4 用m f c 实现桥式起重机参数化设计模块的交互功能 微软的基础类库 m f c m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s 是c 程序的一个重要的软 件资源 它为开发w i n d o w s 应用程序提供了强大的支持 因而充分利用m f c 的可视化 交互资源可以使软件界面友好 大大方便工程技术人员操作和管理 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题实现的技术路线和开发环境 141 课题开发的技术路线 本课题是基于o b j e c t a r x 技术桥式起重机快速设计系统研究与开发 所以工作可以 分四个部分 一是桥式起重机快速设计方法及模型的研究 二是利用a n s y s 的二次开发 功能 设计桥式起重机小车架的有限元分析模型软件模块 三是用面向对象i 拘o b j e c t a r x 技术进行桥式起重机参数化设计的方法与实现 四是将m f c 与数据库结合应用实现桥式 起重机设计系统的交互功能 桥式起重机的快速设计主要通过建立零部件的基本结构模型 确定关键尺寸 驱动 尺寸及其计算方法 利用o b j e c t a r x 实现自动绘图设计 同时利用m f c 设计的对话框对 设计结果进行修改 而事先已经利用a n s y s 次开发的小车架的有限元分析模型可以对 设计结果进行分析 达到优化的目的 1 4 2 课题的开发工具及环境 课题的开发环境主要包括硬件和软件部分 1 硬件 c p u p r 0 8 0 0 硬盘 2 0 g 显卡 n v i d i ar i v a1 n r 2m o d c l 6 4 声卡 s o u n db l a s t e r 网卡 r e a l t e k8 1 3 9 2 软件 操作系统 w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 图形系统 a u t o c a d 2 0 0 0 l u t e c a d 2 0 0 0 程序设计 v i s u a lc 6 0 o d j e c t a r x 2 0 0 0 软件开发包 1 5 本章小结 本章首先介绍了本课题开发的背景 目的和意义 接着着重分析了国内外的概况 主要介绍了国内外一些著名的a 蛐软件开发公司在功能上的优势和不足 阐述需要开发 专用c a d 软件的必要性 然后是根据现在起重机开发中的不足提出课题要研究的几个主 要内容 最后是得出本课题开发的技术路线 并说明开发的软硬件环境 4 华中科技大学硕士学位论文 2 桥式起重机快速设计系统的总体方案设计 2 1 桥式起重机设计特点 2 1 1 桥式起重机结构 桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的 种桥架型起重机 俗称天车 如图2 1 桥架沿着铺设在两侧高架上的轨道纵向运行 起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运 行 形成矩形的工作范围 可以充分利用桥架下面的空间吊运货物 不受地面设备的阻 碍 桥式起重机广泛地应用在室内外仓库 厂房 码头和露天贮料场等处 4 i 蓬泌群 r 黑 一 憩逊曼 粼一 一 i 融勰二l i l 寒f 道雷黍天器霉溺辫糊 裂匿l 弋 善目j 蠹参 由 f 卜 j l 划 堪翻矗堕煎囊 幽魁 阁 旷 i 每违 蓉 震 每 0 5 0i i 删 l t 删 图2 1 桥式起重机简图 桥式起重机由桥架 装有升降机构和运行机构的小车 大车运行机构 操纵室 小 车导电装置 起重机总电源导电装置等组成 而机械设备最集中最复杂是小车部分 包 括小车的起升机构 小车的驱动机构 小车架等三部分组成 其中 小车的起升机构有 主起升机构和副起升机构组成 分别是两个吨位 它具有以下结构特点 所有的机构 都是由一些独立组装的部件所组成 由于采用了这种分组性和互换性较好的结构 便可 以简化和加速小车的装配和维修工作 由于各部件在设计桥式起重机系列标准的同 时 也形成了各自的标准系列 有利于专业化的成批生产 降低部件的生产成本 为 了提高机构的工作效率 起重机全部采用滚动轴承 机构的传动全部采用密封浸油的减 速器结构 2 1 2 桥式起重机的总体性能参数及设计方法 起重机的基本参数表征起重机主要性能特征和作业能力 是起重机正确选用的基本 华中科技大学硕士学位论文 依据 桥式起重机的基本参数包括起重量 起升高度 工作级别 工作速度和跨度等 5 起重量 起重机正常工作时允许一次起吊的最大质量称为额定起重量 按标准规定 桥式起重机的起重量系列采用的是r 1 0 优先数系 从3 2 t 开始 按1 2 5 公比递增 为4 5 6 3 8 1 0 1 2 5 t 但目前国内的桥式起重机产品只是根据多年的 生产惯例 最为常用的系列是5 t 1 0 t 1 6 t 2 0 t 3 2 t 和5 0 t 通常 当起重量超过 1 0 t 时设两个起升机构 即主起升机构和副起升机构 二者起重量之比约为1 4 主起升机构的起重量大 用以起吊重的货物 副起升机构的起重量小 但速度较快 用以起吊较轻的货物或作辅助性工作 以提高工作效率 起升高度 起升高度是指从地面到取物装置最高起升位置的铅垂距离 如果取物装 置需下落到地面以下作业 从地面至取物装置最低下放位置间的铅垂距离称为下放 深度 此时总起升高度为地面以上的起升高度和地面以下的下放深度之和 起升高 度的选择按作业要求而定 工作级别 桥式起重机安装的场所和使用的条件差别很大 起重能力的利用程度和 工作频率各不相同 为了经济合理地使用起重机 需根据起重机的工作条件选择合 适的工作级别 桥式起重机的工作级别分为a 1 a 8 共8 级 可根据起重机的利用 等级和载荷状态 即根据起重机的使用繁忙程度和满载程度通过计算确定 见表 2 1 表2 1 桥式起重机工作级别选用表 起重机用途工作条件 工作级别 电站 车间用人力驱动起重机使用轻闲a 1 电站用起重机使用轻闲a 1 a 3 维修用超重机使用少 经常轻负荷使用a 1 a 3 车间及仓库用起重机经常断续使用 a 3 车间及仓库用起重机繁忙使用 a 舢a 5 繁重工作车间用起重机繁重使用 a 6 货场 料场用起重机抓斗或电磁吸盘式 繁忙使用 a 6 冶金厂铸造 夹钳起重机使用频繁 满载使用 a 7 冶金厂脱锭 加料起重机使用频繁 重载使用 a 8 工作速度 桥式起重机的工作速度包括起升速度 小车运行速度和大车运行速度 工作速度的选择取决于多种因素 首先与起重量有关 中 小起重量的起重机选用高 速以提高生产率 大起重量的起重机宣选用低速以降低驱动功率 提高运行的平稳 性和安全性 工作速度还取决于工作级别和使用要求 工作级别高 经常使用 要 6 华中科技大学硕士学位论文 求生产率高的起重机选用高速 工作级别低 用于调整性运行的工作机构可选用低 速 跨度 桥式起重机大车运行轨道中心线之间的水平距离称为跨度 起重机的跨度主 要取决于服务空间的宽度 用于厂房内的起重机跨度取决于建筑物的宽度 为了使 跨度参数系列化 桥式起重机的常用跨度每隔3 m 为一级 以2 0 5 ta 5a 6 型起重机为例 起重机的主要性能参数 见表2 2 表2 2 起重机主要性能参数 机构名称起升机构 扭构名称运行机构 项目 主起升 副起升项目 起重量t2 05轨距m m2 0 0 0 起升速度m m l n1 2 31 9 5运行速度m m l n4 4 6 工作级别m 6m 5工作级别m 5 最大起升高度 m1 21 4基距m2 4 0 0 电源三相交流 5 0 h z3 8 0 v 钢结构6 w 1 9 1 7 5 1 5 5 i6 w 1 9 一1 3 5 1 5 5 i缓冲行程 m m1 0 0 丝支数84钢轨型号 2 4 k g f m 绳 工作拉力k n 2 7 21 2 9车轮直径m m中3 5 0 卷简直径 m m0 5 0 0中4 0 0最大轮压k n7 l 电型号y z r 2 5 0 m 2 6 y z r l 8 0 l 一6 z 电动型号 y z r l 3 2 m 2 6 动功率k w4 51 7机功率k w 4 机 转速r i l l l n9 5 59 4 6转速 r m l n9 0 9 型号j c z 3 0 0 2 5 b i v l ij c z 一3 0 0 1 5 一l v型号 j w z 一2 0 0 1 0 0 制y w z 一3 0 0 9 0 8 5 0y w z 3 0 0 4 5 8 制动 动 制动力矩 n m2 6 3 03 2 0 器 制动 n 皿4 0 器 2 6 3 03 1 5 力矩 电磁铁型号 m z s l 2 5 bm z s l 1 5电磁铁型号 m z d i 1 0 0 液压推动器型号 y t i 一9 0 z 8y t l 4 5 z 6 桥式起重机的设计计算采用的是传统的机械设计方法 即根据客户需要 依据一系 列规范标准 初选各主要性能参数 然后通过这些参数计算出或者选出各机构主要零部 件的计算 呈现一种树状结构层次的设计方法 然后对每一个零部件进行强度和疲劳的 校验 不合适的话 就相应的更改设计的参数 这样反复计算得出合理的设计结果 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 桥式起重机快速设计系统的总体方案 2 21 系统分析 参数化思想的引入 根据桥式起重机零部件标准化 系列化 通用化的特点 引入当今流行的参数化设 计概念 提高设计的质量和效率 4 9 1 所谓参数化设计是指零件和装配的物理形状由特征 属性值 主要尺寸 驱动 用户可以随时修改特征尺寸或其它属性 参数化设计有以下明显特点 8 9 1 0 j 1 可根据用户需求的性能指标 形状尺寸和重量等要求 提取产品特征主参数 并在主参数驱动下 满足标准件选择 制造可行性和成本等设计约束 直到每个零 件被参数化 设计流程相对刻板 但具有知识获取容易数据库规模小且易建立 便 于知识表达及计算机形式化语言描述的特点 f 2 产品设计知识成熟 具备相对固定的有效的问题分解结构 具有以往成功的设 计经验 具有设计知识通用性不够 但领域 行业 专用产品设计相关性极强的特 点 3 适合基本功能 工作原理明确 针对小批量 或单件 生产且快速响应市场需求 的产品设计 具有设计创新空间小 但自动化程度高的特点 4 市场流行的c a d c a i f c a e 通用商品软件资源表现前人通用知识的积累 特征 参数化设计可嵌入通用c a d 软件 利用软件二次开发的开放性 将通用软件资源 高效用于专用产品类的特征造型 因而不必付出另辟蹊径重新研发软件的代价 具 有良好的知识继承性 而产品参数化设计过程与传统的设计方法有很大不同 如图2 1 所示 用户需求一般是根据产品使用 维护及市场状况提出的设计需求 有些要求直接可 以作为设计指标或设计约束 有些要求需经专业设计知识转化为设计性能指标和约 柬 8 华中科技大学硕士学位论文 关键参数提取集中表现出产品 的专门知识 关键参数之间必 须满足独立性 相关性往往导 致设计矛盾 此外 与用户要 求所决定的设计指标及约束密 切相关 且能够由用户控制 体现用户对设计的参与性 往 往还受到标准件尺寸和机电参 数的制约 参数驱动设计算法是特有产品 类设计知识的核心 算法应能 表现出以关键参数确定次参数 的传递性 应有零件 部件及 标准件间的装配关系 它实质 上是在产品拓扑构成型式已确 定的前提下 确定产品的机电 参数和结构几何尺寸 当存在有不能由关键参数决定 的自由状零件或存在有多个关 键参数决定的零件设计矛盾 时 表明需要重新修改提取关 键参数或修改零件的参数驱动 算法 这需要人机交互完成 直至所有零件被参数化后 可 以形成产品特征参数化造型 图2 1 参数化设计过程流程图 可以进一步完成约束满足校核工作 如 刚度 强度 运动轨迹 运动干涉碰撞 动力学特性 机与电参数的匹配性 重量等计算 若不满足校核要求 可调整驱动 参数链 改变相关零件 进行再设计 这需要人机交互完成 与人的经验密切相关 体现人的设计水平和能力 存在设计无解的可能性 一般是设计指标及约束过分苛 刻所致 特征主参数大致划分为 3 5 1 f 1 1 性能特征主参数 性能特性主参数确定之后 其它零部件的机电参数可由参数驱 动方法随之确定 性能特征通常表现为运动特征 精度特征 受力特征等 例如 最大 华中科技大学硕士学位论文 工作速度 最大加速度 最低平稳工作速度作为性能主参数可用于驱动电机的参数选择 定位作为主参数可用于确定机械零部件公差参数 卷筒尺寸由整机起吊的性能动力参数 决定 2 几何特征主参数 一旦几何特征主参数确定之后 其它零部件的几何尺寸可通过 参数驱动而确定 因此 某些性能指标决定的尺寸和重要外购件 或标准件 的尺寸形 状可作为几何特征主参数 因此这些参数有其自主性和独立性 不能随意变动 例如 车轮直径是由性能指标决定的几何特征参数 小车架尺寸是由小车上的安装的零部件的 尺寸决定的几何特征参数 小车架中间的空间由卷筒的尺寸决定 2 2 2 系统的功能 结构和实现方案 现代制造行业企业的技术部门c a d 设计有几个层次模式 1 手工绘图 虽然国内还有很少的老企业使用 但是由于设计效率太低 应该被淘 汰 2 单纯使用a u t o c a d 绘图 大部分企业特别是中小型国有企业采用的方法 设计 效率较低 渐渐不能满足市场需求 尤其是订单生产的产品 3 固化标准件 图框等到a u t o c a d 中提高设计效率 二次开发一些专用的程序 一些技术力量很雄厚的企业采用的方法 生产设计效率提高不少 占领了不少市 场 4 p d m 产品信息管理 现代制造企业的发展方向 设计 生产 销售整套系统采 用计算机辅助 而且可以基于网络发展业务 蒲圻起重机机械有限公司现阶段还属于第二种模式 由于经常接到订单设计生产小 批量的桥式起重机 所以需要快速设计系统来提高其市场竞争力 根据此要求 我们规 划出此快速设计系统的功能模块和构成 有限元分析建模部分 以通用有限元分析a n s y s 软件为开发平台 通过嵌入针对 起重机的专用菜单 实现对产品的快速分析优化 并输出产品关键参数的设计结果 数据 具体内容包括 能够实现产品的参数化建模 包括能够自动生成有限元模型 能够根据不同的工况 实现对产品的有限元分析 并输出应力 位移等分析结果 能够实现对产品主要参数的优化及优选 并输出相应的结果 图形参数化设计部分 以通用绘图软件a u t o c a d 为开发平台 建立产品的参数化 图库 通过输入有限元分析后的已设计好的产品参数 完成二维图纸设计 1 4 2 整个桥式起重机快速设计系统是一套具有产品参数优化设计和产品承载能力分析 功能的集成软件系统 使企业能从第二种生产设计模式升级为第三种 并且形成具有升 1 0 华中科技大学硕士学位论文 级到p d m 管理的基础 2 3 桥式起重机快速设计系统的子系统模块方案 根据系统的功能特点 主要可以分成两个子系统模块进行分析和方案拟定 2 3 1 有限元参数化分析建模模块 有限元a n s y s 分析过程包含三个主要的步骤 i l q 1 创建有限元模型 1 创建或读入限元模型 2 定义材料属性 3 划分网格 关键步骤 建立选取元素数据 这些数据包括元素的种类 r 即e 元素的几何常 数 r 元素的材料性质 m p 及元素形成时所在的坐标系统 也 就是说当对象进行网格化分后 元素的属性是什么 当然我们可以设定 不同种类的元素 相同的元素又可设定不同的几何常数 也可以设定不 同的材料待性 以及不同的元素坐标系统 设定网格建立所需的参数 第二步即可进行设定网格划分的参数 最主 要是定义对象边界元素的大小和数目 网格设定所需的参数 将决定网 格的大小 形状 这一步非常重要 将影响分析时的正确性和经济性 网格细也许会得到很好的结果 但并非网格划分的越细 得到的结果就 越好 因为网太密太细 会占用大量的分析时间 有时较细的网格与较 粗的网格比较起来 较细的网格分析的精确度只增加百分之几 但占用 的计算机资源比较起较粗的网格确是数倍之多 同时在较细的网格中 常会造成不同网格划分时连接的困难 这一点不能不特别注意 产生网格 完成前两步即可进行网格划分 并完成有限元模型的建立 如果不满意网格化的结果 也可清除网格化 重新定义元素的大小 数 目 再进行网格化 直到得到满意的有限元结果为止 2 施加载荷并求解 1 施加载荷及设定约束条件 2 求解 3 查看结果 1 查看分析结果 1 1 华中科技大学硕士学位论文 2 检查结果是否正确 流程图如图2 2 图2 2 有限元分析流程图 1 2 华中科技大学硕士学位论文 一 2 3 2 参数化出图设计模块 1 在实际的项目图纸设计和管理过程中 项目和设计人员的组成一般遵循树型规则 一个产品可以从顶向下 逐级细分为项目 部件 零件几层 部件的下层可能 嵌套着部件 一个产品的结构就好象是一棵树 设计往往也对应着结构树 并且和产品结构树相对应 项目负责人负责产品结 构树中的根结点 即项目总图 每个组负责设计项目中的一部分部件和零件 即对应产品结构树中的若干中间结点以及该结点下的所有部件结点和零件结 点 根据不同情况 用户也可以根据自己的需要制定一些其它规则 如不同组的组 员也可以共同设计的共用的零件和部件 因此 桥式起重机采用以结构树为核心对项目进行管理和开发 系统结构如图2 3 所示 图2 3 系统树状结构 2 面向对象的知识表达方法f 1 2 l 1 3 1 而针对每一个树状结构上的节点 则采用面向 对象的知识表达方法 把面向对象的方法和框架或产生式规则结合起来 用来进行知识 表达的方法 对象是知识表达的基本单元 对象有属性和方法组成 属性代表设计对象 的静态属性 比如对于车轮的对象 它的属性有踏面直径 轴孔直径 轮缘直径等 方 法是允许作用在对象上的操作的集合 比如对于车轮的对象 包括了根据踏面直径来计 算车轮的轮缘直径 轴孔直径的方法等 p l j 3 基于通用软件平台二次开发的产品参数化设计软件 1 产品特征参数化设计软件的开发是在通用软件平台上进行的 因此开发周期短 比较容易开发 2 产品特征参数化 4 1 1 设计软件是针对特定产品开发的 因此软件通用性不够 但设 华中科技大学硕士学位论文 2 一 计自动化程度高 3 产品特征参数化设计软件使用c 语言进行开发 充分利用c 语言的面向对 象特性 结合面向对象的知识表达方式 开发出基于领域知识的产品特征参数化设 计软件 4 通过通用软件平台提供的调用接口调用它丰富的设计功能 大大提升参数化设 计软件的功能 因此参数化子系统模块采用通用的开发平台 以面向对象的c 语言为手段 开发 成树状结构模式 2 4 本章小结 本章主要是总体方案的设计 首先介绍桥式起重机的结构特点和传统的设计过程 然后根据其蒲圻起重机有限公司现有的计算机辅助设计情况 有针对性的提出总统方 案 分成两个模块开发 一个是有限元分析模块 一个是参数化出图模块 最后分开设 计各个模块的方案 提出各自的设计模型和要用到的核心技术 本章紧扣桥式起重机快 速设计的中心 将参数化的思想融入到其中 产生了一个具有技术先进而且切合实际的 总体方案 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 o b je c t a r x 技术在系统参数化模块中的应用 3 1 参数化绘图的具体实现方法 3 1 1 参数化设计方法概述 参数化技术是当前c a d 技术重要的研究领域之 从具体实现来看 主要有两大 类 3 6 1 3 7 1 1 人工交互参数化 人工交互参数化又可细分为如下几种方法 基于约束方程组整体求解法 基于规则 的几何推理法p 别 基于构造过程的参数化法 基于辅助线的参数化方法 基于图形的参 数化方法f 4 0 j 5 9 j 2 编程参数化 通过分析模型的特点 确定零件各尺寸之间的关系 给定输入参数 确定其它输入 参数值 并用高级语言在c a d 系统中加以实现 这种方法主要适用于结构较稳定 仅 尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合 参数化方法种类繁多 功能强弱不同 就其实现方式又可归纳为四种 基于尺寸标 准的参数化 基于变量及变量关系的参数化 基于几何驱动的参数化 混合参数化方法 由于有很多中方法可以选择 故需要根据桥式起薰机图纸的特点进行方案的研究设 计 既不能太复杂 又要好用方便 利于设计人员对系统的维护和修改升级 3 1 2 复杂零部件图的参数化具体实现方法研究 目前 简单零件图的参数化绘制技术已趋于成熟 华 中科技大学天喻公司在a u t o c a d 平台上二次开发而成 i n t e c a d 在充分分析和吸收a u t o c a d 的优秀功能之后 在参数化及其图库方面表现较出色 是拥有自己知识产权 的优秀国内软件之一 其突出优点是可以通过尺寸驱动修 改图形 从而为系统化产品零件图的设计和绘制提供了方 便 采用天喻公司的i n t e c a d 软件对其进行参数化 由于 该软件有自动约束 s s l 识别功能 故直接选取相应功能 如 图3 1 标参数化尺寸 实现尺寸修改及参数表的建立等 图3 1i n t e c a d 工具条 最后分成不同视图参数化存盘后生成相应的 d w g 保存图 华中科技大学硕士学位论文 形 和 p d a 保存参数化信息 两个文件 但是它有很多缺陷和算法的局限性 对于比较复杂的二维设计图尤其是装配图很难 进行参数化h 而且根据桥式起重机设计的特点 我们采用o b j e c t a r x 开发其专用的 参数化模块 由零件图拼装生成装配图的技术现已较为完善 5 0 5 3 使装配图的出图速度大大加 快 但距离实现装配图的参数化尚远 因此装配图的修改只能由手工完成 同样的 桥 式起重机零件图参数化 即不能直接参数化的图 尤其是起重机的一些梁件由于是很多 钢板焊接的 特别复杂 类似于装配图的参数化 3 只是拼装的不是零件图而是不同的 视图或是焊接的板件 下面重点介绍装配图的参数化 装配图参数化 搭积木原理 3 9 1 用参数化零件图拼装生成装配图 并在装配图中保留零件图的参数化功能 这样便 可通过参数化修改零件图实现装配图的参数化修改 从而在一定意义上实现了装配图的 参数化修改 装配图的参数化是建立在零件图参数化的基础上的 通过修改零件图完成 装配图的修改 修改过程需要使用a r x 技术在a u t o c a d 基础上定制的相应的参数修改 命令 分析此过程不难理解 要想在装配图中保留零件图的参数化功能 零件图的信息 必须是完整的 传统的装配图自动生成技术需要裁剪参与装配的零件图的图元 破坏了 零件图信息的完整性 使得零件图的参数化功能失效 无法实现装配图的参数化修改f 5 剞 其次 由于装配图由多个零件图组成 装配图的参数化信息文件也就由多个零件图参数 化文件构成 装配图或者复杂零件图参数化设计的流程图如图3 2 所示 一输入关键参数用户可输入装配图参数值或者输入零件主参数值 这样 装配 图参数化系统即支持自顶向下的装配设计 也支持自底向上的装配设计 计算装配图尺寸和各零件尺寸 通过输入的参数值 通过该参数求出需要变化 的装配参数值 然后对装配关系表中装配参数和零件主参数间的表达式进行求 解 获得各零件的主参数值 图块参数化 通过计算出的装配尺寸 将图块当作一个结构点 确定各零件的 装配基点坐标和角度 各零件的参数化根据求得的零件参数值 调用事先做的参数化零件图库中的 零件 求取各零件的实体 装配零件根据求得的各零件的定位参数和求得的各零件的实体将各零件装配 到相应的位置 自动生成装配图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 输入关键参数 咩颚 图块参数化 拼装图块 满意否 是 满意否 打印最终设计图 纸及数据文档 参数化零 韶件麈 图3 2 复杂零件图参数化设计的流程图 3 2a r x 应用程序设计概述 3 2 1a u t o o a d 开发