毕业论文-基于ProE的标准件参数化设计CAD系统的研究与开发.doc

分类号： 单位代码： 学 号： 密 级： 山 东 大 学硕 士 学 位 论 文论 文 题目:基于Pro/E的标准件参数化设计CAD系统的研究与开发作 者 姓 名 汪 宗 兵 专 业 机械设计与理论指 导 教 师 廖 希 亮 副教授2003年 12月 11日目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 参数化设计在机械设计中的重要地位11.1.1 参数化设计的基本概念11.1.2 参数化设计在机械设计中的重要地位11.2参数化设计系统研究的国内外现状21.3 本文研究的目的和意义21.4 课题的提出和研究内容3 1.4.1 课题的提出3 1.4.2 课题的研究内容3 第2章 硬件和软件工作环境介绍42.1 系统的工作环境42.1.1 系统的硬件环境42.1.2 系统的软件环境42.2 Pro/E软件概述42.2.1 Pro/E简介42.2.2 二次开发工具Pro/TOOLKIT概述52.3 Visual C+简介52.4 本章小结5 第3章 三维标准件参数化建模63.1 参数化设计的原理63.2 三维标准件参数化建模的概述63.3 几何特征的程序自动建模方法分析63.3.1 族表建模方法63.3.2 用户定义特征的建模方法73.3.3 特征元素树的建模方法73.3.4 Program编程建模方法73.4Program参数化程序设计流程83.4.1 Program的结构组成83.4.2Program参数化程序设计流程103.5渐开线右旋圆柱斜齿轮的Program参数化建模123.5.1 新建零件模型文件123.5.2创建基准特征123.5.3编辑Program设计程序123.5.4 创建齿形基准轴线133.5.5 创建控制齿形走向的螺旋基准曲线153.5.6 创建齿轮基本实体特征163.5.7 创建轮齿基本实体特征163.5.8 复制阵列齿形特征173.5.9 渐开线右旋斜齿轮参数化模型的使用183.6 渐开线直齿圆柱齿轮参数化建模19 3.6.1 编辑Program设计程序193.6.2 创建齿轮实体193.6.3 渐开线直齿轮参数化模型的使用203.7 联轴器、螺栓等标准件的参数化建模213.8 族表建模方法213.8.1 族表建模机理213.8.2 族表参数化建模过程213.9 本章小结23第4章 基于Pro/E二次开发过程的研究244.1 Pro/TOOLKIT的工作模式244.1.1 同步模式244.1.2 异步模式254.2 Pro/TOOLKIT应用程序开发步骤254.2.1 编写源文件254.2.2 源文件的编译与连接274.2.3 注册Pro/TOOLKIT应用程序274.2.4 停止和重启动应用程序284.2.5 解锁应用程序294.3 Pro/E二次开发技术的若干问题294.3.1 在Visual C+环境下开发Pro/TOOLKIT应用程序294.3.2 编译、连接以生成可执行的.exe或.dll文件294.3.3 C文件的设置304.4本章小结30第5章 基于Pro/E菜单技术的开发研究315.1 Pro/E菜单概述315.2 Pro/E菜单开发机制315.3 Pro/E菜单分类315.4 菜单栏菜单创建的一般步骤325.4.1 编写文本文件MENUSMSG.TXT335.4.2 编写源程序代码文件335.4.3 编译连接生成可执行文件335.4.4 程序运行注册345.5 菜单管理器菜单创建的一般步骤345.5.1 编写资源文件345.5.2 将菜单资源文件调入内存345.5.3 为菜单按钮设置激活函数355.5.4 定义菜单关闭函数355.5.5 创建、显示和激活菜单355.6 菜单开发事例355.6.1 菜单栏菜单和菜单按钮开发事例365.6.2 菜单管理器菜单开发事例365.7 本章小结36第6章 基于Pro/E的UI对话框技术的开发研究376.1 Pro/E的UI对话框概述376.2 创建用户化对话框的基本过程376.2.1 创建对话框资源文件376.2.2 编写源程序代码文件406.2.3 编译程序416.2.4 编写注册文件protk.dat.416.2.5 注册、运行应用程序416.3 对话框开发事例416.4 本章小结41第7章 标准件参数化设计CAD系统的研究开发427.1 标准件参数化设计系统的基本原理427.2 标准件Program编程建模437.3 创建用户化对话框437.3.1 创建主对话框资源文件437.3.2 创建零件子对话框资源文件46 7.4 编写程序源文件507.5 编写注册文件protk.dat517.6 注册应用程序517.7 运行应用程序517.7.1 齿轮参数化设计527.7.2 轴承参数化设计53 7.7.3 螺栓参数化设计567.7.4 联轴器参数化设计577.7.5 弹簧参数化设计587.7.6 其它标准件参数化设计607.8 本章小结62结论63参考文献65附录168附录271攻读硕士学位期间所发表的学术论文76致谢77摘 要计算机辅助设计(Computer Aided Design，简称CAD)是当代计算机应用的一个重要领域。随着计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，CAD技术以及应用一直处于日新月异的发展浪潮当中。目前，通用CAD软件在我国的应用越来越广泛，而对通用CAD软件的二次开发却相当落后，使用通用CAD软件进行产品设计的人员就不得不对同系列的标准件进行重复造型，若对通用CAD软件进行二次开发，扩展软件的功能，就完全可以使其支持三维标准件CAD系统。而Pro/E软件强大的参数化功能、单一的数据库特点、从上到下的设计方法以及所提供的多种二次开发模块为标准件的参数化设计CAD系统的研究与开发提供了可能，基于Pro/E标准件的参数化设计系统的研究与开发正适应了这种客观实际的要求。标准件的参数化设计系统可以显著提高产品的设计效率，减少设计时间，避免相似产品的重复造型，从而可以缩短从设计到成品的整个周期。 本文以三维参数化设计软件Pro/E为平台，在对软件系统各组成模块及其提供的各种二次开发工具熟悉和掌握的基础上，采用Pro/TOOLKIT二次开发工具编程和建立参数化模型相结合的方法，采用可执行文件(.EXE)的连接方式建立了标准件的参数化设计CAD系统。本文首先阐述了参数化设计在机械设计中的重要地位，分析了当前标准件的参数化设计系统研究的国内外现状，介绍了各种不同软件在开发研究三维标准件的参数化设计系统的优缺点，提出了开发研究基于Pro/E软件的三维标准件的参数化设计系统的目的和意义。其次，讨论了参数化设计系统的基本原理，分析了几何特征的参数化程序自动建模的四种方法：族表建模方法、用户自定义特征的建模方法、特征元素树的建模方法和Program编程建模方法，并利用Program编程建模方法进行了各种不同类型标准件的Program参数化建模。再次，研究了开发参数化设计系统的基本步骤和注意事项，并对菜单、对话框二次开发技术进行了分析和开发了一些事例。最后，介绍了三维标准件库的参数化设计系统的开发步骤和应用。本文最后对全文作了总结，同时指出了本课题还有待于进行深入研究的一些问题。关键词：Pro/E；参数化设计系统；二次开发技术；对话框；菜单ABSTRACTCAD (Computer Aided Design) technology is an important field in the nowadays application of computer. With the rapid improvement of technology of computers hardware and software, CAD technology and its application change with each passing day. Now, the further development upon the general CAD system lags severely behind the increased popularity of the CAD system in our country. In the field of standard part modeling, the designers suffer a lot of inconveniences for the poor support for the 3-D part series modeling in the general CAD system. The further development upon the general CAD system is in great need to customize the general CAD system to support series modeling. But Pro/E software provides strong parametric ability、one database feature、design method from top to bottom and many kinds of redevelopment modules, it is possible to develop parameterization design system of 3-D standard parts based on Pro/E for these abilities, the study and development of standard parts parameterization design based on Pro/E is seasoned with external and actual request. With CAD technology, parameterization design system of standard parts can improve the efficiency of production design evidently, improve design and manufacture quality, cut the time of design, avoid further modeling of standard parts, then the whole cycle of production design can be shorten.This paper is based on the software platform of 3-D parameterization modeling design software Pro/E, whose component modules and second developing tools are known very well, parameterization design system of 3-D standard parts is developed by using the method of combining programming of redevelopment tool-Pro/TOOLKIT with parameterization modeling and by using the connecting method of .EXE.Firstly, this paper studies important state of parameterization design in the mechanic series parts design, analyzes states at home and abroad of parameterization design based on nowadays standard parts, introduces goodnesses and shortcomings of all kinds of software in developing and studying parameterization design system of 3-D standard parts, provides points of developing and studying parameterization design system of 3-D standard parts. Secondly, discusses the basic theory of parameterization design system, discusses four automatic modeling methods of geometry feature: modeling method of family table、modeling method of user defined feature、modeling method of feature element tree and modeling method of Program. Thirdly, studies the noticeable things and basic steps of developing parameterization design system, analyzes development technologies about menus and user interface，and develops some examplesFinally, introduces developing step and application of parameterization design system based on 3-D standard parts.At last, this paper still makes conclusion of this paper, at the same time pointed out some questions unsolved.Key words :Pro/E；Parameterizationdesignsystem；Development technology；UI；Menus第1章绪 论1.1参数化设计在机械设计中的重要地位1.1.1 参数化设计的基本概念参数化设计技术是CAD技术的一个重要分支，其理论基础是变量几何，所以又称变量化设计，也可简单地理解为尺寸驱动。其本质是对统一结构的产品通过修改尺寸来生成新规格的产品，利用计算机来进行参数化CAD设计，只需在计算机上输入机械零件的几个关键参数，就会准确地、自动地生成工程图图样，而且部分尺寸都经过了优化设计。这样就避免了手工造型的繁琐，提高了造型设计的精度和设计的效率。参数化建模方法及技术使产品设计进一步规范化和简捷化，是产品设计系列化的重要手段，是现代产品设计的标志。在机械零件设计中，Pro/E软件采用基于约束的参数化，该设计技术以全新的思维和方式支持产品的设计、修改和变形。通过约束参数的修改，能方便地创建一系列功能和形状相似的设计模型。基于特征的三维参数化设计系统是早期机械CAD系统的升级，是实现CAD/CAM的手段12。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。尺寸参数化即零件的大小可以改变而形状不能改变，如：众多软件系统中的基本图元。结构参数化既可以改变大小又可以改变形状，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3。1.1.2 参数化设计在机械设计中的重要地位随着我国CAD工程的普及和推广，CAD技术已在许多企业转化为生产力，许多企业已经从手工绘图转化为计算机绘图，大大缩短了产品的设计周期，提高了企业的市场竞争力。但是不少企业对CAD的认识还仅仅停留在绘图阶段，从而使CAD产生的效益尚未得到充分利用。具体说来，表现在以下几个方面：相似产品的重复造型产品信息的集成化程度不高信息交换标准不统一信息的共享程度低等。不少单位斥巨资购买了高档的CAD软件，由于这些软件大都是通用的机械工程CAD软件，要使其真正发挥作用，还须根据各单位的自身情况，对通用CAD软件进行二次开发，扩展或制定通用CAD软件系统的功能，开发满足企业自身需要的专用的CAD系统45。目前设计标准件时，对每一个新的标准件都要进行一次实体造型。若过去从未造过类似的标准件，即还没有同类型标准件系列，进行一次实体造型无可非议，倘若以前已进行过同系列标准件的造型，再对其进行重新造型无疑会导致了大量不必要的重复劳动。如果创建这样一个三维参数化设计CAD系统，对于同一系列标准件，只需先进行一次标准件的实体造型以后，若以后再进行同一系列的标准件造型，用户只需简单地输入新标准件所需要替换的参数和新标准件的特征值，然后由系统自动完成新标准件的创建，而不必对新标准件进行重复造型67。1.2参数化设计系统研究的国内外现状目前，有基于不同CAD支撑软件的标准件的参数化设计CAD系统，每种CAD支撑软件下又有不同的设计方式。例如，AutoCAD环境下的建模，是利用AutoCAD提供的图块功能，但是由于插入时不能对图块所表达实体的局部尺寸进行修改，一般只用于诸如符号的简单图形库。此外，还可利用AutoCAD软件提供的Auto Lisp、VBA以及ObjectARS等编程工具，通过编程方式对零件描述其图形。这种方式可以实现参数化绘图，而且调用方便。但这种建模方式编程工作量相当大，增加和修改零件时都需要修改程序。并且这些基于AutoCAD的图形库大都是二维图形库8。比较成熟的三维标准零部件的参数化设计CAD系统主要基于以下几种软件：Solid Edge、Solid Works、MDT和Pro/E等，但各自的设计方式又有很大程度的不同。Solid Edge环境下的建模由于没有精确的曲线和曲面造型功能，所以在Solid Edge环境下所建的模型精确度不高，给后面的各种分析带来很大的影响9。基于Solid Works的三维标准件的参数化设计系统可通过零件设计表和公式驱动功能，使用该表对标准件模型内的各种尺寸进行驱动。Solid Works还提供了很多应用程序接口(Applied Program Interface，简称API)函数作为OLE程序接口，用户作二次开发时可以在Visual Basic和Visual C+环境下调用它们自己开发的程序。不过使用API函数除需要开发人员具备编程的能力外，过程也比较复杂1011。在MDT平台上建立图形库同在Solid Works平台上相似。基于Pro/E的三维标准件的参数化设计系统主要是利用Visual C+动态连接库和Pro/TOOLKIT族表技术来建立，设计过程与基于Solid Edge、Solid Works、MDT 的三维标准件的参数化设计系统一样复杂12。总之，三维标准件的参数化设计系统的优点是创建容易，但具体操作视不同系统而定1314。1.3本文研究的目的和意义参数化设计系统是CAD技术在实际应用中提出的课题，三维标准件的参数化设计CAD系统的研究与开发将会避免同系列标准件的重复造型，大大缩短设计周期，提高企业的竞争力，进一步扩展了Pro/E的强大功能，最大限度地发挥CAD作用，有利于提高产品集成化的程度，使信息交换标准得以统一，增加了信息的共享程度，能够保证三维标准件的重复绘制的精度15，提高了设计效率社会效益和企业的经济效益，实现了产品设计的自动化。而且该系统可进一步开发为设备管理软件，有利于设备管理的信息化，有利于设备管理与维护1617。1.4课题的提出和研究内容1.4.1课题的提出通过对以上基于不同软件的三维标准件参数化设计CAD系统优缺点的分析以及研究与开发它的重要意义的介绍，本文提出了研究与开发基于Pro/E的三维标准件的参数化设计CAD系统这一课题。本文的最大特点以及与其它设计系统的不同之处在于：它是基于Pro/E的参数化设计系统，它充分利用了Pro/E强大的参数化功能、单一的数据库特点以及提供的多种开发模式，所以它比基于AutoCAD、Solid Edge、Solid Works和MDT的设计系统的功能要强大得多；同时与其它的基于Pro/E的参数化设计系统相比较而言，它是基于多进程开发模式的系统，直接利用了Pro/E软件本身所具有的对话框技术，使得对话框函数的参数与零件模型参数直接进行传递，不是应用VC中MFC框架和DLL技术，仅仅使用VC来进行编译、连接Pro/TOOLKIT应用程序以生成可执行文件，这对于不是很熟悉VC的设计者来说尤为方便，而且Pro/TOOLKIT应用程序比较简单。1.4.2课题的研究内容在本课题中，主要以三维标准件参数化设计为核心，着重研究了基于Pro/E三维标准件参数化设计CAD系统总体模型的建立、与三维标准件参数化设计相关的Pro/E二次开发技术(Program编程建模、族表建模、菜单、对话框技术等)以及标准件参数化设计CAD系统的开发步骤，并详细介绍了该系统的研究开发和实施过程。第2章硬件和软件工作环境介绍2.1系统的工作环境2.1.1系统的硬件环境1.基于Pentium550MHZ以上的PC机，最好是专业图形工作站。2.最小硬盘空间5GB。3. 256MB内存，最好512MB。4.有3.5英寸软驱和CD-ROM驱动器。5.有32M以上显卡，彩色显示器。6. 打印机或者绘图仪。2.1.2系统的软件环境1.安装正版Windows或者WINNT4.0以上操作系统。2.安装正版Visual Studio6.0，以及MSN系统。3.安装正版Pro/E软件系统。4.安装正版Microsoft的Office套件。5.其他程序工作中用到的插件18。2.2Pro/E软件概述2.2.1Pro/E简介在CAD技术日益普及的今天，传统的二维CAD软件正逐步被三维CAD软件所取代。在众多软件中，PTC公司的Pro/E是国际上最先进最成熟使用参数化造型技术的大型CAD/CAM/CAE集成软件。该软件集三维模型设计、加工、分析及绘图于一体，有强大的二次开发能力和第三方软件的支持。Pro/E以特征为设计单位，便于我们对特征进行合理、但不违反集合顺序地调整、插入、删除以及重新定义。其以单一数据库参数化基于特征全相关联等概念，曾引发机械设计自动化领域的革命性变化，是目前最优秀的且最具有名气的机械设计自动化软件之一。从设计到制造的整个过程中，能保证数据的完整性和一致性。企业不仅能够以工程图的形式，也能以电子数据的形式共享工程数据。参数化的尺寸驱动造型，以模型对应的关系来描述，而不是以确定的数值来描述1920。PTC公司的初等图形交换规范(IGES)软件，可以把居留在Pro/E系统的几何数据与IGES标准格式做相互转换，这使得Pro/E系统的几何数据能够和支持IGES标准格式的非Pro/E系统的几何数据相互转换21。因此在Pro/E系统里建立的参数化图库22也能够较方便地移植到其他的3D软件系统中。2.2.2二次开发工具Pro/TOOLKIT概述Pro/TOOLKIT是PTC公司为Pro/E软件提供的用户化工具箱。该工具箱为用户程序或软件第三方程序提供了与Pro/E的无缝链接。用户程序或第三方程序是用C语言编写的。Pro/TOOLKIT提供了一个C语言的函数库，该函数库能够使用户或第三方程序以一种可控制、安全的方式访问Pro/E的数据库23。因此，Pro/TOOLKIT是Pro/E应用程序的API。Pro/TOOLKIT是采用功能强大的面向对象的方法来编写的，它最基本的两个概念是动作和对象2425。因为在Pro/E和应用程序传递信息的数据结构对用户是不可见的，而只能通过Pro/TOOLKIT函数来访问，所以可以利用Pro/TOOLKIT工具箱，通过调用自身所带的函数，实现在原来的软件基础上的功能扩充262728。2.3Visual C+简介Visual C+是新一代面向对象的可视化程序设计工具。利用其开发基于Pro/E的三维标准零件库程序一般需要两个步骤：一是可视化程序设计阶段；二是代码编写阶段。在可视化程序设计阶段，编程者使用VC来定制所需用户界面。在代码编写阶段，编程者通过调用消息和事件函数实现所需的功能。由于在Visual C+中可以方便地使用对话框(dialog)位图(bitmap)菜单(menu)等工具箱，编程人员只需编写少量的代码就可以设计出界面友好方便用户使用的程序，因而可以大大提高系统开发的效率。从用户观点来看，Windows操作系统具有适宜的人机交互界面，它面向用户提供了图形与文字共存的可视化环境，使操作更为自然简便和快捷29。但在本文中，主要利用VC对所编写的Pro/TOOLKIT应用程序进行编译、连接以生成可执行文件。2.4本章小结Pro/E是目前公认的最高档三维的设计软件之一，其基于特征的三维参数化实体建模技术，开放的开发环境，详细的API帮助，都为软件的进一步开发提供了一个良好的开发环境。采用可执行文件(.EXE)或动态链接库(DLL)文件技术可以使得软件效率提高，而且可以和Pro/E之间实现无缝链接，三维标准件的参数化设计CAD系统是一个基于Pro/E的可执行(.EXE)文件，从系统分析的角度来说，无论在功能上，还是在形式上程序都是完善而合理的。第3章三维标准件参数化建模3.1Program参数化设计的原理许多企业的产品绝大多数为定型产品，这些产品的系列化、通用化和标准化程度很高。因此，进行这些产品设计所采用的数学模型及产品的结构都是固定不变的，所不同的只是产品的结构尺寸有所差异，而结构尺寸的差异是由于相同数目类型的已知条件在不同规格的产品设计中取不同的值而造成的。对于这类产品，我们可以将已知条件及其他的随着产品规格而变化的基本参数用相应的变量代替，然后根据这些条件和基本参数编写Program程序，由计算机自动查询图形数据库，或由相应的软件计算出绘图所需的全部数据，由专门的绘图生成软件在屏幕上自动地设计出图形来。这种方法称为Program参数化设计3031，其工作原理如图3-1所示。Program参数化设计主要用于系列化、通用化和标准化程度很高的定型产品3233。 Program参数化设计程序生成新的三维模型三维模型样板从三维模型中读入设计参数 修改设计参数图3-1 Program参数化工作原理3.2三维标准件参数化建模的概述程序自动参数化建模功能是指面对特定的产品，根据用户输入的参数或运用CAD系统进行设计产生的数据结果，系统应能动态、自动地将模型建造出来。参数化设计可以使用户采用强大的数学计算公式来建立各尺寸参数之间的关系式，通过驱动主要尺寸来得到相似的模型34。3.3几何特征的程序自动建模方法分析对于几何特征的程序自动建模，Pro/TOOLKIT提供了以下四种建模方法。3.3.1 族表建模方法族表(Family Table)是Pro/E中的一个利用表格驱动模型的工具。这种方法的步骤是：预先手工构建模型，把它作为族表的类属件(Generic Part)，然后将事先定义好的模型(在表格中称之为原型零件)零件的可驱动的尺寸、参数、特征等变化性项目放入族表中来控制模型的形状大小，这样就可在程序中通过改变驱动参数的值得到所需要的衍生件。这个衍生件的产生是独立存在的，不需要为它定义参考基准。Pro/E提供的族表方法能很好地解决产品模型建立后的参数化驱动问题，从而实现三维参数化建模的扩展。3.3.2用户定义特征建模方法用户定义特征(UDF)，就是集合数个特征使其成为一个群组(Group)特征，并给予名称，完整定义该群特征的放置参考、可变更的尺寸参数等，形成为特别情况而生的独特特征，并且会保存在UDF数据库(UDF Lib)中，系统将UDF特征以.gph文件保存，随时调用，有利于设计者根据产品特征快速生成几何模型。与族表法相同之处是同样要预先手工构建模型。与族表法不同的是这种方法所编的程序过程与手工建模过程比较相似，因而易于理解且编程容易。3.3.3特征元素树建模方法特征元素树(Feature Element Tree)，就是指用树状结构的形式来描述和定义Pro/E的一个特定特征。这种特征元素树并不是指交互操作时的模型树(Model Tree)，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方式。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(Elements)，作为ProElement对象。每一个特征都由不同的特征元素树来定义，在程序中对每个特征元素树的全部变量赋值一次就可产生一个特征，多个特征的积累就可以产生一个模型。特征元素树包含了定义特征所需要的全部信息：特征本身的所有选项和属性；特征与已存在的几何实体的参考关系；用于构建特征的平面的起始位置；所有的尺寸值。目前这种方法还不成熟，因为它有以下三个缺点：要由程序产生模型，程序必须包含产品模型的所有信息，从底层起由程序构建模型，编程量十分大；因为每种特征由不同的特征元素树来描述，所以编程难度大而且所编程序非常难于理解；并不是所有的特征都可以由这种方法来产生。特征元素树只能通过Pro/TOOLKIT程序包编程来实现，其他的三种方法均可在交互模式下操作。3.3.4Program编程建模Pro/E软件对于每一个模型都有一个主要设计步骤和参数列表Program。它是由类似的高级语言构成的，用户可以根据设计需要来编辑该模型的Program，使其作为一个程序来实现实体的编程建模，它是可程序化的工具。利用此工具可以将某些常常要更改的步骤或尺寸，事先以语句的形式撰写而成，使得整个零件文件或组件能够易于让每一个使用这些文件的人员明白如何操作。本文的三维标准件参数化设计系统就是基于Program的编程来建立模型3536。3.4Program参数化程序设计流程3.4.1 Program的结构组成实际使用中，修改Program应该掌握一个原则：能够不在Program中修改的内容，尽量不要在Program中修改；能够通过修改模型修改的内容，尽量通过修改模型完成。对Program的不合适的修改，将会造成模型的不稳定，