（机械设计及理论专业论文）齿轮类产品cadcapp系统的设计与实现.pdf

南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 随着并行工程、敏捷制造、虚拟设计等先进制造技术的不断发展，现代制 造企业对c a d c a p p 系统提出了新的要求。智能化、集成化、网络化将是 c a d c a p p 技术的发展方向。 齿轮类零件作为机械传动中的重要零件，它的智能化、集成化设计与制造 越来越受到人们的重视。本课题主要研究了如何在现有的c a d c a m 软件基础 上，通过开发新的模块，增强此类软件的c a d 与c a p p 功能，减少在设计过程 中不必要的人机交互操作，从而提高浚软件在一些特殊场合的智能化设计能力； 同时还研究了如何利用特征技术将原有离散孤立的c a d 与c a p p 系统进行集 成，达到设计过程中的信息共享与交互。通过对上述问题的深入研究，建立了 一个应用于齿轮类产品的c a d c a p p 集成系统，该系统以关系数据库为基础， 面向产品设计过程，以专家技术知识作支持，通过使用导入建模、分析、计算等 方法，为工程设计人员提供高效率的，应用于齿轮设计、建模及工艺设计等方 面的设计工具。 该系统的实施与应用解决了齿轮类产品的自动化参数设计与工艺规划设 计，解决了c a d 与c a p p 系统的信息集成问题，避免了工程设计人员的重复劳 动，缩短了产品的生产周期，提高了企业的经济效益。 成 关键词：参数化，特征技术，j - l i n k ，二次刀= 发，c a d c a p p ，信息集 齿轮类产品c a d c a p p 系统的世计与实现 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to f a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y s u c ha s c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ，a g i l em a n u f a c t u r i n g a n dv i r t u a ld e s i g n ，m o d e m m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n t s o nc a d c a p p s y s t e m i n t e l l i g e n c e ，i n t e g r a t i o na n d n e t w o r kw i l lb ea d e v e l o p e d t r e n do fc a d c a p e a sa ni m p o r tp a r ti nm e c h a n i c a l l y - d r i v e n ，g e a r sa r ea t t a c h e di m p o r t a n c eo n i n t e l l i g e n t & i n t e g r a t i v ed e s i g na n d m a n u f a c t u r e t h i sa r t i c l em a i n l yr e s e a r c ho nh o w t oi n c r e a s et h ef u n c t i o no fc a d c a p p s y s t e mb yi n v e n t i n gt h en e wm o d e l so n t h e e x i s t i n gc a d c a ms y s t e m ，r e d u c i n gu n n e c e s s a r ym a n m a c h i n ei n t e r c o u r s e a n d i m p r o v i n g t h ea b i l i t yo f i n t e l l i g e n td e s i g no ns o m eo c c a s i o n a tt h es a m et i m e t h i s a r t i c l ea l s os t u d y so nh o wt oi n t e g r a t eo r i g i n a li s o l a t e dc a d a n dc a p p s y s t e m sb y w a yo f f e a t u r et e c h n o l o g y t h e nt h ei n f o r m a t i o nc a nb ee a s i l ys h a r e da n da c c e s s e d t h r o u g h t h ed e e pr e s e a r c ho n p r e v i o u sp r o b l e m s ，w ec r e a t ea no b j e c t o r i e n t e d i n t e g r a t e dc a d c a p ps y s t e mf o rg e a rp a r t s t h i ss y s t e mi sb a s e do nr d b m s ，f a c e d w i t ht h e p r o c e s so f p r o d u c td e s i g n ，a n ds u p p o r t e db ye x p e r tk n o w l e d g e b y t h em e a n s o f i m p o r t i n g t h em o d e l s ，a n a l y s i s ，s i m u l a t i n ga n d c o m p u t i n g ，i t c a r lp r o v i d ee f f i c i e n t d e s i g nt o o l ，a p p l i e di ng e a rd e s i g n 、m o d e lr e u s i n g 、a n dt e c h n i q u e sd e s i g nf o r e n g i n e e r i n gd e s i g n s t a f f s a p p l i c a t i o no f t h i ss y s t e m ，r e s o l v e st h ep r o b l e m so f a u t o m a t i cp a r a m e t e r d e s i g n ， t e c h n i c sd e s i g n ，a n dt h ep r o b l e mo f i n t e g r a t i o nb e t w e e n c a da n dc a p ei ta l s o r e d u c e sr e p e a t i n gw o r k o f d e s i g ns t a f f s ，s h o r t e n st h ep r o d u c i n gp e r i o d so f p r o d u c t s ， a n di m p r o v e se c o n o m i cb e n e f i to f e n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：p a r a m e t e r i z e ，f e a t u r et e c h n o l o g y , j - l i n k ，c a d c a p e i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 迸行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 毯丝 日期： 趔：3 ：丝 南京航空航天人学硕十学1 ：i 7 = 论文 第一章绪论 现代信息技术的飞速发展，使得制造业面向全球的竞争与协作正朝着数字 化、网络化、集成化、智能化的方向发展【1 1 【2 1 。为了适应制造业的变化与发展， 企业必须改变传统的生产经营模式，增强企业的技术与管理水平，在激烈的市 场竞争中求得生存与发展。为此，企业必须采用先进的制造技术如近年来涌 现的计算机集成制造技术( c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r e ，c i m s ) 、并行工程 ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 。其中 并行工程是研究的热点，它改变了传统串行设计的设计思想和管理体制，大大 缩短了产品的生产周期，提高了企业的劳动生产率，为企业带来了更大的市场 竞争力。 计算机辅助设计( c o m p m e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 和计算机辅助工艺设计 ( c o m p m e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 技术作为并行工程的一个分支，在 产品设计与制造过程中占有越来越重要的地位口】。c a d c a m 技术的发展推进了 传统制造技术向现代制造技术的转化，符合现代制造技术的发展方向。因此大 力发展c a d c 砧订技术是现代企业适应市场需求、赶上国外先进技术的迫切需 要。 1 1 课题的国内外研究现状 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，世界各发达国家将先进制造技术的理论研究 与工程实践的重点逐步转移到以产品开发为中心，面向整个产品生命周期的设 计方向上来，从而指明了并行工程的发展方向。由于设计在并行工程中占主导 地位，因此并行工程不仅是一种先进的制造模式，更是一种先进的设计模式p j 。 c a d c a p p 系统作为并行工程的重要组成模块，可以完成对产品的设计和 工艺规程的编制，生成的产品描述信息是实际生产进行的基础，为以后的加工、 检测、管理等其他环节所使用。它们在各自的范围内都取得了很大的发展，在 生产实际中得到了极大的应用。 1 1 1 国外研究现状 c a d c a p p 作为现代制造技术的发展方向，引起美国、日本、德国等工业 齿轮类产品c a d c a p p 系统的设计与实现 国家的高度重视，为近几年来的并行工程、敏捷制造打下基础，作为一种新型 技术与发展模式已经成功地用于机械、电子、化工等工程领域，其应用范围已 进一步扩大。 发达工业国家十分重视c a d c a p p 技术的研究与应用，美国的d i c e 计划 投入巨资建立高校和研究机构联合的c a d c a p p 工程研究基地，日本的 m s 计 划、欧洲的e s p r t i i & i i i 计划都进行了c a d c a p p 研究。国外一些著名的企业 通过实旖c a d c a p p 取得了显著的效益，洛克西德公司于1 9 9 2 年开始的新型号 导弹，采用c a d ，c a p p 的方法，将开发周期从5 年缩短到2 年；法国的航空发 动机公司自1 9 9 0 年以来，将航空发动机开发时间从5 4 个月，缩短到1 9 9 2 年的 4 2 个月和1 9 9 8 年的3 6 个月。 其中美国最大民航喷气飞机制造基地波谱公司在9 0 年代，针对波音7 7 7 大 型民用客机的研制，采用了c a d c a p p 技术，进行了以国际流行的c a t l a 三维 实体造型系统为核心的同构c a d c a m 系统的信息集成。 1 1 2 国内研究现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，并行工程的研究得到了我国一些研究单位、工业 部门和政府机构的高度重视。清华大学、北京航空航天大学等也针对具体项目 进行了一些相关研究“1 。 经过几十年的探索，c a d 技术已经发展到特征造型和参数化、变量化设计 阶段，为实体模型向产品模型的转化铺平了道路。同时，c i m s 、并行工程、虚 拟制造等设计模式的发展使得产品模型必须综合考虑全生命周期中的信息共 享，各种模型数据的转换和网络传输等问题。这些都对c a d c a p p 技术提出了 更高的要求。 从产品设计的角度看，随着c a d 、人工智能、多媒体、虚拟现实技术的进 一步发展，人们对设计过程会有更深的认识，对设计思维的模拟也将达到新的 境界，传统的设计方法必然会朝着多元化、一体化的方向发展，人机交互方式 也将变得更加自然，创新设计的手段更为先进有效。 从整个产品设计与制造的发展趋势看，并行工程、协同设计、智能设计、 虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代设计模式的发展 方向。随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息化的要求下，必然朝着数 字化、集成化、网络化、智能化的方向发展，c a d c a p p 的发展趋势必然与上 南京航空航大人学硕十学位论文 述发展趋势相一致，最终建立统一的设计支撑系统。 1 2c a d g a p p 概述 1 2 1c a d 技术的发展趋势 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 技术丌始于2 0 世纪6 0 年 代。早期的c a d 系统主要用于绘图，其技术特征是利用解析几何的方法定义有 关点、线、圆等图素口j 。 第二代c a d 系统在技术上有了较大的发展，主要是二维交互绘图系统及三 维集合造型系统，在几何造型方面分别采用了三维线框模型、曲面模型和实体 模型，采用实体几何构造法( c s g 法) 和边界表示法( b r e p 法) ，并在系统内部采 用了数据库技术。 第三代c a d 系统始于8 0 年代中期，在建模方法上分别出现了特征建模和 基于约束的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统以及二维 三维的参数化设计系统，而且出现了这两种建模方法互换融合的系统。这种系 统的优点是在二维与三维模型之间及c a m 系统之间有内部统一的数据结构及 共同的数据库，做到了二维三维模型修改时的相互关联。 现在，c a d 技术正经历着由传统技术向现代技术的转变。现代c a d 技术是 指能在大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设 计工具和相关技术的总称。能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，达到 提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。因此现代c a d 技术 的发展方向为p i ： c a d 系统的集成化。并行工程环境下的产品设计要求各设计过程以共 享信息平台为基础，在设计过程中能进行即时信息交互，因而作为产 品设计的先导，c a d 系统必须同c a p p 、c a m 、c a e 、d f x 等系统进 行信息集成。 c a d 系统的可视化。c a d 系统设计的可视化是为了使设计更具有真实 感，使设计的产品更能尽善尽美。设计者建立一个虚拟环境，让自己 处于设计的虚拟环境中。 c a d 系统的智能化。传统的c a d 系统缺乏综合能力和选择能力，要 求用户具有较高的专业知识和丰富的实践经验，这给设计带来了许多 齿轮类产品c a d c a p p 系统的没计与实现 局限。因而现代c a d 系统必须具有人工智能的功能要求。 c a d 系统的网络化。网络技术的突飞猛进为c a d 系统实现不同地点、 不同时间的设计提供了工程信息的共享，为协同设计的c a d 系统提供 了前提条件。 1 2 2c a p p 的基本功能与发展前景 计算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 是连接 c a d 与c a m 的纽带，c a p p 的研究开始于2 0 世纪6 0 年代后期。在c a p p 发展 史上具有里程碑意义的是美国的计算机辅助制造国际组织于1 9 7 6 年推出的 c a m i 系统( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a l ，c a m i ) 。 一个c a p p 系统可以完成以下的基本功能： 自动选择毛坯和材料； 自动选择加工方法； 自动选择机床； 自动选择装夹定位方法( 基准和夹具) ； 自动选择刀具、量具： 自动确定切削用量和制造公差； 自动确定工时定额； 自动编制工艺过程的工作文件( 工艺过程卡、工序乍等) ： c a p p 的出现，为缩短生产准备周期，提高工艺文件质量，并使广大工艺人 员从繁琐和重复的劳动中解放出来提供了一条切实可行的途径，c a p p 系统的使 用，不仅可以大大提高工艺规程的生产速度和质量，而且c a p p 系统对操作人 员的工艺设计水平的要求大大降低，即使一般技术水平的工艺人员也能借助于 c a p p 系统设计出较高质量的工艺规程。与传统的工艺规程设计方法相比，采用 c a p p 技术不仅可以提高设计速度达到优化设计，而且还可以克服加工工艺的不 一致性、质量不稳定等缺点。 一 分析近年来c a p p 发展概况，c a p p 的发展主要包括如下几方面： 1 在并行工程思想的指导下实现c a d c a p p c 删的全面集成，进一步发 挥c a p p 在整个生产活动中的信息功能调节作用。这包括与产品设计实 现双向的信息交换与传送；与生产计划调度系统实现有效集成：与质量 控制系统建立内在联系等。 南京航空肮天人学硕十学停论文 2 开发应用面广、适应性强的c a p p 系统，即大力发展工具型c a p p 系统。 ：j 进一步深入研究人工智能在工艺规划中的应用，更好地解决工艺设计的 动态性和经验性。 4 对c a p p 领域内的难题进行攻关，主要集中在对工艺知识的获取方法： 基准选择和装央方法的确定；工序图的自动生成等。 1 _ 3 论文的主要内容及研究重点 1 3 1 论文选题的意义 目前在产品设计过程中遇到的主要问题： 1 现今的商业c a d c a m 软件在几何造型方面都已经具备较强的功能，具 有广而博的通用性，但这也使得其在具体应用时不能直接处理特定的产 品。 2 国外的设计观念、标准和国内有许多差异( 例如：国外在投影制图中使用 的是第三视角，而国内使用的是第一视角) ，使得在使用这些软件进行具 体产品设计时带来了许多设计与操作上的不便。 3 就机械类产品设计而言，当今的c a d c a m 软件在具体产品建模中，特 别是对于造型相对复杂的齿轮类零件来说，其设计过程以及制造方案的确 定仍然是复杂而费时的重复劳动过程。齿轮类产品作为大量机械产品的基 础组成部分，在敏捷化、智能化设计方面提出了更高的要求，而国内外还 没有此针对性的软件。 4 现有的c a d c a p p c m 软件的集成性不高，信息共享度低，使得设计过 程只能按传统的串行模式进行。 工艺设计人员要生成一个齿轮的c a d 模型必须要完成很多步骤：首先他们 要根据自己的工程设计知识来计算设计尺寸，确定齿轮的结构特征，然后他们 需要查阅设计手册，计算零件的强度并查找相应的标准进行强度校核，最后才 能使用c a d 造型软件来进行齿轮模型的建模设计。这对于建模不太熟练的设计 者来说，齿轮建模又成为一大障碍，甚至比手工绘图还要慢。此外，对于同类 齿轮的设计过程依然需要按部就班重新设计，大大加重了设计人员的重复劳动， 降低了现有技术的利用率。同样的情况也发生在零件的加工工艺制定上，用户 必须一步一步设计出详细的加工工序，这对于那些缺乏实际工作经验的设计人 齿轮类产r 铺c a d c a p p 系统的设计与实现 员柬说，足很难完成的一项任务。 从上述问题出发，本课题诣在研究如何在现有的c a d 软件平台上进行二次 开发。通过开发新的功能模块，增强此类软件的c a d c a p p 功能，减少在设计 过程中不必要的人机交互操作，从而提高该软件在一些特殊场合的智能化设计 能力：将原有离散孤立的c a d 、c a p p 系统进行集成，达到设计过程中的信启、 共享与交互；增强特定产品的参数化自动建模功能，使复杂产品的设计建模方 便快捷。 1 3 2 论文的主要内容 由于齿轮是大量机械产品的基础组成部分，在生产实践中占有很大的比例， 其设计过程与建模过程比较复杂，因此课题以特定的齿轮原型系统为例，在美 国参数技术公司( p t c ) 设计的三维c a d c a m 软件p r o e n g i n e e r ( p r o e ) 平台 上开发并实现了齿轮c a d c a p p 系统。用户使用该系统时，只要依据设计向导 选择数据，就能根据强度要求自动给出齿轮的基本设计参数并进行强度校核与 优化设计，自动生成齿轮模型，同时给出齿轮加工的典型工艺。这样生成的齿 轮模型是由尺寸驱动的，用户可根据卤轮的设计参数对齿轮进行重新设计与修 改而可咀自动生成齿轮模型，这为齿轮产品的设计与制造提供了极大的方便。 借助于该c a d c a p p 系统，齿轮的加工工艺规划可以由基于工程知识的应 用程序自动生成。齿轮加工的相关知识储存在企业信息数据库中，用户随时可 以查询相关内容，只要进行少量的几步操作就可以得到加工方案的表单。如果 用户对结果不满意，可以在软件向导的指引下对结果进行修改。该功能模块的 实现使得用户可以减少对齿轮加工工艺设计的工作量，合理利用企业的物质资 源，缩短了齿轮的生产周期，更能符合现代制造技术中敏捷制造的要求 课题开发的系统程序在p r o e 中是一个相对独立的模块，它符合p m e 软件 的风格，可以实现与p r o e 其他模块的无缝集成。该齿轮设计系统使得齿轮的设 计和加工工艺的编制变得更加合理方便，可大大缩短设计人员或者工艺工程师 的设计时间，向产品的敏捷化设计前进了一大步。 1 3 3 论文的研究重点 本文的研究重点主要有以下几方面： 1 重点研究了p r o e 提供的j - l i n k 二次开发工具包的体系结构和相关开发 南京航空航天人学颐士学位论文 技术，通过对该技术的研究与探索，成功地实现了应用程序的菜单拓展、 齿轮三维模型的自动建模等功能： 2 通过对齿轮类产品工程设计过程的分析，针对其中的经验数据和经验公 式进行了系统地提炼和总结，作为产品自动建模与设计优化的专家知识 支持： 3 对机械设计手册中不同的数表和线图类型采用不尉的程序处理方法进 行程序化处理，使设计程序更能科学地反映设计意图，符合设计手册中 的数据关系。 4 ，使用j a v a 的s w i n g 开发包开发了界面友好的用户设计向导来接受设计数 据，为系统实现从设计到制造的无缝集成提供了原始依据： 5 结合齿轮设计和机械设计手册及制造工艺、制造设备等参数，使用s q e s e r v e r 建立了相关企业信息数据库，为系统中各个功能的实现提供了后 台支持： 6 对c a d c a p p 系统的信息转换与信息集成技术进行了研究与探讨。 7 为了保证和加强信息数据库的安全性和保密性，开发和实现了用户权限 管理功能模块。 1 4 文章结构 本论文具体结构如下： 第一章绪论 本章主要阐述了课题的来源、国内外c a d c a p p 的研究现状，本课题的研 究意义和论文的主要内容与研究重点。 第二章齿轮类产品c a d c a p p 系统的总体设计 本章主要对传统串行模式下的齿轮类产品设计过程进行了分析，提出了集 成环境下的齿轮类产品新型设计模式，在该模式下设计出了齿轮类产品 c a d c a p p 系统的总体结构框架；同时对两种模式下的齿轮设计过程进行了比 较。 第三章齿轮参数化设计过程中的数据处理技术 为了实现齿轮设计过程的智能化与自动化，采用了面向对象的程序设计方 齿轮类产品c a d c a p p 系统的殴汁与实现 法将齿轮的设计过程完全出程序来代替。但在齿轮的设计过程中需要查阅设计 手册中的大量图表确定设计参数，为了实现这一过程的程序化，本章具体介绍 了将图表进行程序处理的三种方法。 第四章基于特征的c a d 与c a p p 集成技术 本章对g a d c a p p 的集成方法进行了分析探讨，对特征技术进行了研究， 提出了p r o e 环境下的基于参数化特征的c a d c a p p 的集成方法；同时介绍了 构建参数化特征库和典型零件库的主要方法。 第五章齿轮c a d 子系统的设计与实现 本章主要介绍了齿轮c a d 子系统的总体功能设计，并对c a d 子系统中的 主要模块设计计算模块，自动建模模块，齿轮可靠性优化设计模块进行了 详细的介绍；同时对自动建模模块中的p r o e 二次开发包j l i n k 技术进行了 系统的介绍。 第六章齿轮c a p p 子系统的设计与实现 本章主要介绍了齿轮c a p p 子系统的设计与实现过程，其中对齿轮加工工 艺规程的自动生成技术、后台数据库连接技术、用户权限管理技术进行了详细 的介绍。 第七章总结与展望 本章对本课题的主要研究技术与研究内容进行了归纳总结，同时提出了以 后的研究方向。 1 5 本章小结 本章主要阐述了课题的来源、国内外c a d c a p p 的研究现状，本课题的研 究意义和论文的主要内容与研究重点。 南京航空航天人学顶十学俺论文 第二章齿轮产品c a d c a p p 系统的总体设计 2 1 传统串行模式下齿轮类产品的设计开发过程 传统的齿轮类产品设计开发采用的是串行工作模式，其信息流是单向的， 后道设计只有在前道设计完成后才开始工作，其特点是各设计部门之间信息交 互不畅，缺乏共享的信息平台1 7j 。特别是在产品的开发过程中，由于下游设计不 能及时得到上游设计的设计意图，而上游设计又难于获得下游设计的约束反馈 信息，致使在上下游设计过程中难于得到很好的协调，造成频繁返工。在串行 开发模式下的齿轮设计、工艺与制造等活动之间是所谓的“抛过墙”式的串行 关系，其主要的工作流程图如图2 1 所示。 矿，_ 生产 图2 1 串行模式f 的产品设计过程 2 2 齿轮类产品的设计特点 齿轮类产品的设计与制造过程是一个烦杂的过程，涉及到不同学科的专家 知识体系。它不仅包括齿轮材料的选择、齿轮加工的热处理方式还涉及到齿轮 的结构设计、强度校核和齿轮的优化设计等。整个齿轮的设计不仅要满足基本 的强度条件还要考虑结构合理、制造方便、成本低廉等因素。这就要求在齿轮 设计的同时，要综合考虑齿轮的工艺规划、制造、装配及维修等因素。齿轮在 设计加工过程中面临的主要困难是： 齿轮设计过程烦杂，设计过程中涉及大量数据需要频繁地查阅设计手册。 齿轮三维模型建模困难，一般对设计软件操作不熟的设计人员很难设计出 磊 嚣刍一 面向对象的齿轮类产品c a d c a p p 系统的研究与实现 标准的齿轮模型。 齿轮的加工工艺编制费时费力，需要具有较强专业知识背景的工艺师才能 编制，对设计人员的要求较高。 当前齿轮设计制造过程还是传统的串行设计模式，存在传统串行设计模式 的缺陷。 以上是齿轮类产品设计中所存在的问题，也是现在大多数机械产品没计存 在的主要问题。因此笔者试图建立一个智能化、集成化的产品设计与制造系统， 使之能满足产品设计敏捷化、智能化要求。本文选择齿轮对象为机械产品的代 表，研究建立一个面向对象的齿轮类产品c a d c a p p 系统。 2 3 齿轮c a d c a p p 系统的需求分析 通过对齿轮生产厂家的调查研究发现，在齿轮的设计与加工过程中存在这 样一些问题： 1 对于每一个不同载荷、不同使用环境下的齿轮，都要进行一次全新的从设计 到建模再到加工的重复设计过程； 2 在齿轮基本参数设计与强度校核过程中，工程设计人员需要查阅大量的设计 手册才能获得参数，这给工程设计人员带来了巨大的工作量。 3 当齿轮设计参数给定以后，需要进行齿轮的3 d 建模，这对于不能熟练使用 c a d 工程软件的设计人员来说，这无疑又是他们设计过程中的一大难题。 这些问题的存在一方面延长了产品的生产周期，导致企业的生产率低下， 使企业在竞争中处于劣势；另一方面也制约了c a d 软件功能的充分发挥。 为了解决上述问题，我们需要建立一个这样的设计系统：在进行一次产品 设计之后，若以后再来类似的产品时，用户只需要按照软件系统用户向导的提 示，简单地输入设计需要的参数，然后由系统自动完成设计，再生模型，并生 成工艺文件等后继工作。不必对新产品进行重新设计，重新建模；另外在进行 产品的加工工艺设计时，企业的设计人员随时可以查寻企业的相关数据信息， 以便与不同岗位的设计人员进行协同设计瞵j 。 本论文为解决上述问题确定了一个最佳方案：充分发挥先进c a d 工程软件 的优势，对p r o e 进行二次开发，分别研制齿轮基本参数设计、齿轮的自动建模、 齿轮可靠性优化设计、齿轮加工工艺生成等功能模块，在p r o e 平台上将这些新 南京肮空航天人学硕十学帝论文 丌发的功能模块充分集成，并与p r o e 其他模块进行无缝连接。 2 4 齿轮( 3 a d o a p p 系统的功能设计 通过对齿轮类产品设计特点的分析，齿轮c a d c a p p 系统应满足如下特点： 1 参数化 在进行一次齿轮的建模后，通过系统的参数设定或参数约束，齿轮的3 d 模 型能够从系统中自动调出。 2 智能化 系统根据齿轮的设计步骤提供了设计向导，设计人员只要按照设计向导的 提示选择合适的条件与参数，若输入了不合适的或者是错误的数据，系统能拒 绝接受并作出警告提示。系统根据输入的数据，查询后台知识库和企业信息数 据库，可自动定出齿轮的基本参数，并能对其参数进行优化设计。 3 集成化 在产品的设计与制造过程中，不同的设计过程具有不同的设计信息，为了 使各设计过程能够及时反馈设计意图与设计约束，需要有一个共享的信息平台。 因此需要将各设计过程的信息进行集成，使设计者在设计过程中可以随时获取 所需要的信息，减少返工与修改以缩短产品生产周期。 为了符合系统具有智能化的设计要求，我们需要对齿轮的设计过程进行分 析，建立齿轮的设计模型。 通常情况下，齿轮的设计可以分成基本参数设计和优化设计两大部分。 在齿轮的基本参数设计过程中，工程设计人员的设计过程如下：首先根据 工况选择齿轮的齿数、材料、热处理及精度等级；其次根据载荷情况计算齿轮 的载荷系数：按照齿面接触强度设计齿轮的基本参数并对其进行优化设计；最 后按照齿根弯曲疲劳强度进行齿轮强度校核。 而在齿轮的优化设计过程，则需要设计出齿轮的各设计参数并对整体进行 优化。 通过对齿轮设计过程的分析，齿轮c a d c a p p 集成系统应具有如下功能： 1 齿轮基本参数的自动设计； 2 齿轮结构设计； 3 ，齿轮强度性能分析； 面向对象的齿轮粪产鼎c a d c a p p 系统的研究与实现 4 齿轮的最优化设计； 5 齿轮三维模型的自动建模： 6 生产工艺单自动生成； 7 原材料的统计。 齿轮c a d c a p p 系统在具体使用上完全符合工程设计人员的思维习惯。整 个系统采用向导化的用户接口，具有使用方便、操作直观的特点。系统的逻辑 结构图如图2 2 所示。 奢气：畦铲： 地择。附 氇 j ：曹 ：鞍 、： j 女苹l j 、小心 虢m 刚鼍 心轴q ：| ，gj j 一 ! 捌找 ，t f l m结旧砒 = 珏 刈翱旧j靶婀1 斟斡 、! 姨l 拨 j 舅让圳：委 强数、心 = 州 ：凄辏、豫 ，k ，0 ，j 出轮畸 龟氧乳 。譬舱j0 琏 t _ 2 轴5 j ：h_ j 簟出跫 o 、刚叫 _ j 、朝： 选择： 转曲踺j 生 。删* 、 、 m t t j 披稍 0j j 抽 争l llllll 易戮处j l t 、逻j 。：舒惭、 女：外。 ： 媲+ 。1 a 数姒i 牛 图2 2 系统的逻辑结构图 2 5 齿轮c a d c a p p 系统的层次结构设计 本系统总体上采用三层结构：用户层、应用服务层、数据服务层。每个层的 主要功能如下： 用户层：负责与用户进行信息交互，接受用户信息和传递信息给服务层并 把服务层的结果显示给用户； 应用服务层：从用户层得到信息，负责处理用户请求，从后台数据库获取 信息，进行逻辑运算； 数据服务层：负责管理系统的数据存取，维护信息的完整性。 采用该系统构架具有以下几个优点： 1 所有用户输入的数据都保存在后台数据库中，用户不需要对数据进行直 南京吭空啦天久学硕十学崴论文 接操作，方便了客户端的运行，增强了系统安全性。同时，材料、设备、 刀具等基本数据都可通过数据库系统被各个功能模块共享使用。 2 将c a d 与c a p p 子系统的功能分层实现，便于系统的总体设计和系统 的代码升级维护。 3 当用户通过向导界面输入数据时，应用服务层仅仅向用户返回处理后的 数据结果，极大降低了客户端和服务器端之间的网络负载。 2 6 系统的开发环境与支撑平台 系统使用的操作系统为w i n d o w s2 0 0 0 ，选用成熟的网络化编程语言j a v a 和 先进的c a d 工程软件p r o e 为支撑平台，使系统在实现跨平台移植、协同设计、 敏捷制造等方面体现出了极大的优势。 p r o e 是美国参数化技术公司p t c 的优秀产品，提供了集成产品的三维模型 设计、加工、分析及绘图等功能的完整c a d c a e c a m 解决方案。为了能更好 地满足不同用户的需求，p r o e 还提供了丰富的二次开发接口，这些接口主要有 基于c 语言的p r o t o o k i t 开发包、基于j a v a 语占的j - l i n k 开发包和使用v b 的a u t o m a t i o ng a t e w a y 开发包。 下面就p r o e 的特点及主要模块进行简单的介绍。 2 6 1 工程软件p r o e 简介 为了使所设计出的系统具有自动化建模能力，采用c a d 参数化设计软件为 系统的开发平台。目前c a d 造型软件主要以美国p t c 公司的p r o e 参数化设计 软件为主要代表，该软件在我国的机械、电子、家电、塑料模具等行业取得了 广泛的应用，近年来在国内的应用数量大大超过了同类型的其他国外产品。 1 p m e 软件的主要特点 全相关性： p m e 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进 行的修改能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、 设计图纸、以及制造数据。全相关性保证了在开发周期的任一点所进行的修改， 在全局都能产生相应的修改，使并行设计成为可能。全相关性这一特点能够使 开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型： 面向对象的齿轮类产品c a d c a p p 系统的研究与实现 p r o e 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一 些普通的机械对象，而且可以按预先设置很容易的进行修改，这样避免了工程 设计人员的重复劳动，避免了人为误差的发生。 数据库管理： 为加速产品投放市场，需要在较短的时间内丌发更多的产品。为了实现这 种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。齿轮 c a d c a p p 系统中数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中 同时进行的各项工作。由于使用了p r o e 独特的全相关性和数据库管理，使并 行设计成为可能。 装配管理： p r o e 的基本结构能够利用一些直观的命令，例如“匹配”、“插入”、“对 齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。装配的高级功能支持大 型复杂装配体的构造和管理，且这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用： 菜单以直观的方式连缴出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项， 同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式容易学习使用。 2 p r o e 二次开发包j l i n k 简介 p r o e 的常用模块主要包括：p m d e s i g n i e r 、p r o a s s e m b l y 、p r o d e t a i l 、 p r 0 f e a t u r e、p r o s c a n t o o l s、p r o s u r f a c e、p r o m e s h、 p r o ，m o l d e s i g n 、p r o s h e e t m e t a l 、p r o d e v e l o p 、p r o p l o t 等。在此基 础上为了能更好地满足不同用户的需求，p r o e 还提供了丰富的二次开发接口， 这些接口主要有基于c 语言的p r o t o o k i t 开发包、基于j a v a 语言的j l i n k 丌 发包和使用v b 与a u t o m a t i o ng a t e w a y 开发包。 首先，就p r o 仃d o k i t 开发包而言，因为它使用的开发语言是c 语言，所 以能够访问p r o e 的内部函数，能够对p r o e 进行最底层的开发，在编写应用程 序时非常灵活、在实践设计中应用较广。应用c 及p r o t 0 0 t 对p r o e 进行二 次开发的技术已经比较成熟，对这一领域的研究已经达到很高的境界，国内已 经有许多c a d 软件公司在使用这一成熟的技术进行p m e 二次开发软件的设计。 其次可以使用v b 与a u t o m a t i o ng a t e w a y 对p r o e 进行二次开发，使用这 种开发工具具有许多便捷之处，比如v b 是一个易学易用的高级语言，一般丌发 设计人员只要花很短的时间就能够掌握。但使用v b 与a u t o m a t i o ng a t e w a y 南京航空航天人学硕士学f 市论文 进行二次开发时只能对p r o e 进行表层的设计丌发，它不能访问p r o e 的内部函 数，因此它的二次开发应用程序具有很大的局限性，应用范围比较窄。 使用基于j a v a 语言的j - l i n k 开发包进行p m e 的二次开发，具有以下几方 面的优点： 1 j a v a 语言是一种成熟的网络化语言，在实现协同技术、敏捷制造等方面就有 很大的优势，使用j a v a 语言编写的应用程序容易实现跨平台移植。 2 j l i n k 二次开发包是一个免费的用户接口，任何人都可以免费使用，不需要 特别安装，这在很大程度上方便了人们的使用与研究，在p r o e 连级菜单中 可以直接调用j - l i n k 程序。 3 j - l i n k 可以与v c 一样调用p r o e 的内部函数，应用程序的编写非常方便。 目| j fj - l i n k 二次开发技术还处于一个尝试阶段，在实际使用中应用的比较 少，开发技术还没有完全成熟，可参考的文献资料和研究成果极少。作为齿轮 c a d c a p p 系统的核心技术，选择j l i n k 对p r o e 进行二次开发的研究与探索， 对作者也是一个很大的挑战。 2 6 2 采用面向对象的j a v a 程序设计语言 j a v a 作为面向对象的程序设计语言，采用的是面向对象的设计方法。面向 对象的方法是一种新的认知方法学，其出发点是尽可能按照人类认识世赛的方 法和思维方式来分析和解决问题。客观世界是由许多具体的实物或事件、抽象 的概念和规则所组成。我们将所要研究的事、物、概念等称之为对象。面向对 象的方法正是以对象作为最基础的元素单元，它也是分析问题、解决问题的核 心所在。 对象的表示方式由三部分组成：对象的信息、对象的关系和对象的方法。 对象的信息表达了该对象的各种数据和数据结构：对象的关系表达了该对象与 其他对象之间的静态关系，在具体的形式上表达为：类( c l a s s ) 对象的集成关系； 对象之间的相互联系是通过方法的调用来完成的，方法就是通知对象去完成一 个允许作用于该对象的操作。而对象的方法则是描述对象对消息传递及处理的 一种响应过程。面向对象的方法有以下优点1 9 j ： 1 封装性( e n c a p s u l a t i o n ) 封装是一种内部信息屏蔽技术，其目的在于对信息和结构的保护。将对象 的使用者和对象的设计者分开，使用者不必知道对象方法实现的细节，只需用 面向对象的齿轮类产。铺c a d c a p p 系统的研究与实现 设计者提供的消息方法柬访问该对象。这样有利于高层丌发者集中精力去考虑 其他所开发的软件、各模块之间关系等重大问题，而模块内部的实现也得到专 门从事内部软件开发者的精心研究与改进，保证模块的质量与可靠性。 2 继承性( i n h e r i l a l i c e ) 将相似的对象抽象后可以归于一个类，类的实质是定义了一种对象的类型。 对象类按照分类关系与抽象程度的不同组成了一个层次结构：超类类 子类。这种层次结构的一个重要特点是继承性，从超类派生出的新类继承了超 类的所有属性，并能够定义自己的属性。该新类还可以派生出自己的子类，将 自己的属性遗传给子类。这种层次模式可以一直派生下去，并且一个子类可以 有多个超类，一个超类可以有多个子类。对象的分类表达和其继承特性提高了 信息及知识的重复使用能力，减少了信息表达的冗余