（机械工程专业论文）基于solidworks平台的渐开线齿轮三维造型系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息时代和全球一体化进程的到来，我国的机械制造企业要想在激烈的市场竞 争中生存和发展，就必须具备产品的快速丌发、研制及创新能力。实践证明，三维c a d 技术对加速产品开发、提高产品质量、降低成本起着关键作用，是支持企业增强创新设 计，提高市场竞争力的强有力手段，结合业已成熟的特征造型技术和参数化技术，二次 开发实用的、高效的参数化设计系统已成为各企业的迫切要求。 实现齿轮的三维参数化敏捷设计，对于加速制造业企业推广和应用三维c a d 技术， 提高产品的设计效率和质量具有重要的现实意义和实际应用价值，如何实现齿轮的三维 参数化敏捷设计是一个值得研究的问题。 在三维c a d 的设计软件中，s o l i d w o r k s 以其强大的实体建模功能、优良的性价比以 及良好的二次开发性能，成为许多企业的首选，然而s o li d w o r k s 软件在参数绘图方面 的功能模块还不完善，如只能用近似圆弧代替渐开线曲线绘制齿轮，本文围绕在 s o l i d w o r k s 平台上建立齿轮三维参数化模型这一主题，深入研究了s o l i d w o r k s 二次开 发技术，包括二次开发的原理、方法、工具等各方面的核心技术；系统介绍了三维参数 化实体造型技术，确立了以基于特征的参数化设计为核心的设计思想，探索了建立渐开 线齿轮参数化三维造型的方法，确立了实体造型和界面参数关系及以参数驱动造型机 制；最后以s o l i d w o r k s 为支撑平台，采用面向对象技术，通过渐开线坐标方程实现了 对渐开线齿轮的三维精确描述，解决了如何在s o l i d w o r k s 中精确绘制渐开线齿轮的问 题，完成开发了渐开线圆柱直齿轮、斜齿轮及内齿轮参数化敏捷造型系统模块。 本文开发的渐开线齿轮三维c a d 造型系统，特点是基于特征、参数化、模块化，系 统易于使用、易于扩充和维护，直接加载在s o l i d w o r k s 中作为一个模块，达到了输入 参数自动迅速生成齿轮三维实体模型的目的，提高了齿轮的造型速度，对齿轮的机构设 计、动态仿真、干涉检验、有限元分析等奠定了基础，提高了设计效率。 本课题的研究也对开发类似系列产品提供了借鉴，对本人从事的c a d c a m 教学研究 工作大有裨益，也大大加快了本人负责的省教育信息化项目“c a 6 1 4 0 机床的拆装虚拟仿 真系统 中大量齿轮的造型速度。 关键词：齿轮；三维模型：参数化 大连交通大学工程硕十学何论文 a b s t r a c t a l o n g 、析t ht h ec o m i n go fi n f o r m a t i o nt i m e sa n de c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n m a n y m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e sm u s th a v et h ea b i l i t yo fq u i c kd e v e l o p m e n ta n d i n n o v a t i o ni ft h e yw a n tt os u r v i v ea n dd e v e l o pi nt h es e v e r em a r k e tc o m p e t i t i o n i th a sb e e n p r o v e dt h a t3 dc a dt e c h n o l o g yp l a y sap r o m i n e n tp a r ti na c c e l e r a t i n gp r o d u c td e v e l o p m e n t i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t ya n dr e d u c i n gc o s t i ti sa l s oa ne f f e c t i v em e a s i l r et os t r e n g t h e nt h e c o m p e t e n c eo fp r o d u c ti n n o v a t i o na n de n h a n c et h em a r k e tc o m p e t i o t i o n t oa c h i e v et h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g n3 dg e a ri si m p o r t a n tt os p e e du pt h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fc a d t e c h n o l o g y , h o wt od e s i g nt h ep a r a m e t e r sg e a ri sv a l u et od i s c u s s s o l i d w o r k sh a sb e e nt h ef i r s tc h o i c ed u r i n gc h o o s i n g3 dd e s i g ns o f t w a r e b e c a u s et h e p r o d u c t so fe n t e m r i s eh a v eb e e ns e r i a l ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pa3 dp a r a m e t e r i z e d c a ds y s t e mc o m b i n i n gw i t hf e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g yo nt h eb a s i so fr e d e v e l o p m e n to f s o l i d w o r k s i nr e l a t i o nt ot h et o p i co fe s t a b l i s h i n gt h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e rm o d e lo nt h e s o l i d w o r k s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h en e c e s s i t yo ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n di t sg e n e r a l r e g u l a t i o n 3 dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ec y l i n d e ra b o u ts t r a i g h tg e a r - w h e e l ，o b l i q u e g e a r - w h e e la n di n s i d eg e a r - w h e e l a tt h es a r f l et i m e ，t h ep a r a m e t e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m o d e la n dt h ei n t e r f a c ew a se s t a b l i s h e d t h ew o r kt h a tt h ea u t h o rh a sd o n em a i n l yi n c l u d e s s e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w e r ：t h et e c h n o l o g yo fr e d e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s ，w h i c hi n c l u d e s t h e p r i n c i p l e o fr e d e v e l o p m e n t ，t h em e t h o d so fr e d e v e l o m e n ta n dt h et o o l so f r e d e v e l o p m e n t ，h a sb e e nd e e p l ye x p l o r e d t h et e c h n o l o g yo fm e c h a n i c a l3 ds o l i dm o d e l i n gi s e n t i r e l ye x p o u n d e d ，a n di ta l s oe s t a b l i s h e st h ed e s i g ni d e a ro ff e a t u r e b a s e dp a r a m e t e r i z e d d e s i g nc o m b i n i n g 、析n 1t h et e c h n o l o g yo ff e a t u r em o d e l i n ga n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g n a3 d p a r a m e t e r i z e dc a ds y s t e mo fi n v o l u t eg e a rh a sb e e nd e s i g n e d 、) l ，i t l lv b i nt h i sp a p e r , t h e i n v o l u t eg e a rc a dm o d e l i n gs y s t e m ，i sb a s e do nt h ef e a t u r e s ，p a r a m e t e r s ，m o d u l a r , t h e s y s t e mi se a s yt ou s e ，e a s yt om a i n t a i na n de x p e n d ，l o a di ns o l i d w o r k sa sam o d u l et o g e n e r a t eg e a ra u t o m a t i c a l l y , i m p r o v i n gt h es p e e do fm o d e l i n gg e a r , l a i d i n gt h ef o u n d a t i o nf o r i m p r o v i n gd e s i g ne f f i c i e n c y t h e s t u d yo f t h es u b j e c ta l s op r o v i d e sar e f e r e n c et od e v e l o ps i m i l a rp r o d u c t s ，i ti sg r e a t b e n e f i tt ot e a c ha n dr e s e a r c hw o r ki nt h ec a d c a m ，i ta l s og r e a t l ya c c e l e r a t et h es p e e do f al o to fg e a rm o d e l i n ga b o u tt h ep r o v i n c i a le d u c a t i o ni n f o r m a t i o np r o j e c t ”c a 6 1 4 0m a c h i n e v i r t u a ls i m u l a t i o ns y s t e m ” k e yw o r d s ： g e a r ；3 dm o d e l ；p a r a t e r i z e 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太垄交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太羹銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬塞通太堂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、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：参军杆事 日期：矿驴年夕月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：沈阳铁路机械学校 通讯地址：沈阳市皇姑区怒江街1 7 0 号 电子信箱：z x z q y w 1 2 6 c o r n 撇名向p 劢- 品碍 日期：阳寸g 年月够日 电话：1 3 8 4 0 0 5 2 6 6 0 邮编：1 1 0 0 3 6 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：歹譬新霞 日期：) 2 年月多e l 绪论 绪论 计算机辅助设计c a d 技术已经成为企业提高创新能力，提高产品开发能力，增强企 业竞争能力的一项关键技术。目前，在制造行业中，应用c a d 进行产品的计算机辅助设 计已经较为普遍。随着c a d 技术的发展，在产品开发的过程中，人们已不再满足传统的 基于二维的产品设计模式，而是趋向于直接对产品进行三维设计，并在三维设计平台上 进行所需模块二次开发，建立相应的参数化设计模块。 s o l i d w o r k s 是国内外流行的大型通用三维机械平台，具有友好的w i n d o w s 操作风 格，被广泛地使用，它具有参数化特征造型、曲面造型和大型装配处理功能，并提供了 v b 、 v c 两种基本的a p i 函数接口，用户可结合特定产品的需要，开发出具有企业特色 的快速设计系统。 传统的齿轮设计往往是手工设计，因齿轮设计计算烦琐、复杂，致使手工设计的效 率、可靠性、准确性大大降低，而且对于系列化产品设计需要进行反复的计算、查询和 绘图，造成大量重复劳动，造成财力、人力的浪费。在应用c a d c a m 技术设计制造齿轮 产品时，齿轮的三维实体造型是一个亟需解决的技术难题，如齿轮造型精度不高，将直 接影响有限元分析、虚拟样机设计的仿真结果，并影响到齿轮产品的c a m 制造精度。实 现齿轮的三维参数化敏捷设计，对于加速制造业企业推广应用三维c a d 技术提高产品的 设计效率和质量具有重要的现实意义和实际应用价值。本人负责的省教育信息化项目 “c a 6 1 4 0 机床的拆装虚拟仿真系统 中有大量的齿轮，系统中上百个齿轮的造型是一个 比较麻烦的过程，如何开发一个齿轮的快捷造型系统就成为一个课题。 s o l i d w o r k s 本身没有齿轮设计模块，要实现齿轮造型，主要是精确地绘制渐开线， 由于它的草图功能有限，要直接绘制渐开线并生成较为精确的渐开线齿轮三维模型就很 困难，就要用v b v c 等高级语言结合s o l i d w o r k s 的开放的a p i 共同来完成。 本文在s o li d w o r k s 平台上，通过对齿轮的建模进行参数化，利用s o li d w o r k s 二次 开发工具建立了齿轮的快速造型系统，主要研究内容包括以下几个方面： 1 基于特征的参数化建模技术 2 基于s o l i d w o r k s 二次开发的原理和方法 3 直齿、斜齿和内齿轮的三维参数化模型的二次开发 本文实现了根据输入模数、齿数、压力角等基本工作参数，计算出齿轮的几何参数、 特征参数等建模的控制参数，利用v b 编程语言，以s o l i d w o r k s 为支撑平台，通过调用 s o li d w o r k s 的a p i 函数，对实体特征进行描述，直接在该绘图环境中生成三维模型图， 开发出直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮和内齿轮的造型系统，实现了齿轮的特征参数化造 型，参数的改变可自动生成新的三维模型，达到齿轮自动化快捷三维造型的目的。 大连交通人学t 稃硕卜学何论文 第一章概述 计算机辅助设计是计算机科学和工程设计学科相结合而形成的新兴技术，是计算机 工程中最有影响的应用技术之一，是先进的制造技术的重要组成部分。它的迅速发展和 广泛应用，给工程设计和制造业带来了勃勃生机，使传统的产品设计方法与生产组织模 式发生了深刻的变革。c a d 技术为企业缩短产品设计周期、增强市场竞争力、参与国际 市场竞争提供了强有力的竞争手段，已经产生并必将产生巨大的社会、经济效益。 1 1c a d 系统组成 c a d 系统是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件为核心的 面向工程设计问题的信息处理系统。 其中系统软件按功能不同可分为操作系统和开发应用软件所用的开发工具。操作系 统，用于计算机管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装载与运行。开发应用软件 所用的开发工具，其功能是将高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指 令，目前比较流行的有v i s u a lc + + 、v b 、 v i s u a lj + + 、d e l p h i 等集成编译系统。 支撑软件是满足c a d 工作中的一些用户共同需要而开发的通用软件。由于计算机应 用领域的迅速扩大，支撑软件开发研制已有很大的进展，商品化支撑软件层出不穷。通 常分为两类： ( 1 ) 计算机分析软件，主要用于工程设计中的各种数值计算问题。其中比较流行的 有a n s y s 、n a s t r a t 、c o s m o s 以及动力学分析软件a d a m s 等。 ( 2 ) 三维实体建模软件如u g 、p r o e 、i d e a s 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e g d e ， m d t 等。这些软件能够生成三维实体图和二维平面图，但是，这不是它们的全部功能如 u g ，p r o e 是将计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制造集成于一体的参数 化软件。这些软件为通用工程设计提供技术手段，同时为专业设计提供二次开发的技术 平台。 应用软件是用户利用计算机所提供的各种系统软件和支撑软件，编制解决用户各种 实际问题的程序。如模具设计、机械零件设计、机械传动设计、建筑设计、服装设计、 飞机和汽车的外形设计等，都己开发出相应的应用软件，但都有一定的专用性。可见应 用软件种类繁多，它可以标准化、模块化，形成解决各种典型问题的应用程序，这些程 序的组合，就是软件包，开发应用软件是c a d 工作者的一项重要工作。 2 第一章概述 1 。2c a d 的意义和特点 ( 1 ) 预知性 提前进行产品的样品设计或虚拟设计，可以让用户实时从屏幕上看到尚未问世的新 产品外观和性能，对其进行多方面的观察和评审，为产品的方案设计、标书的编写和绘 制作出快速反应。 ( 2 ) 演绎性 在产品进入详细设计阶段，c a d 可以模拟装配和运动仿真，以便发现运动机构的碰 撞及空间布局中的干涉，避免不必要的损失和浪费。 ( 3 ) 并行性 便于组织实施并行工程，在计算机中确立产品模型和整体布局，那么与之配套的各 个独立系统、部件组、实验组、生产准备组都可以在总体设计下同时分头协调地进行工 作：大大地加快产品开发速度。 ( 4 ) 动态扩展性 能方便简捷地输入已有的图形、并对图样的图形信息缺陷实现修复，能根据客户提 出的各种要求进行及时的修改；并在此基础上使建立型号管理数据库越来越丰富，为生 产准备的各方面赢得了时间。 ( 5 ) 效益性 c a d 技术作为信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化、实现 智能劳动自动化，加快国民经济发展和国防现代化的一项关键性新技术，是提高产品设 计质量、缩短开发周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段，是企业提高创新能力和管 理水平，增强市场竞争力和参与国际竞争的必要条件。c a d 技术开发与应用已成为衡量 一个国家科技现代化和工业现代化程度的重要标志之一。 1 3c a d 技术的四次技术创新 ( 1 ) 第一次c a d 技术革命一曲面造型技术 二十世纪6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线 框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，由于缺乏 形体的表达信息，c a m 及c a e 均无法实现。 进人二十世纪7 0 年代，飞机和汽车工业蓬勃发展，飞机及汽车制造中遇到了大量 的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由 曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计 者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要 3 大连交通大学t 程硕士学位论文 求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较的依据。既 慢且繁的制作过程大大拖延了产品的研发时间，对更新设计手段的要求越来越迫切。此 时，法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以 操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统c a d a m 的基 础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统 c a t i a 。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解 放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发 有了现实的基础。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改变了以往 只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。曲面造型系统带来的技术革 新，c a t i a 使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，跃居制造业c a d 软件的榜首，一 直至今，它还是汽车及飞机制造业选用的主要c a d c a m 系统。 ( 2 ) 第二次c a d 技术革命实体造型技术 有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表 面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利， 最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于c a d c a e 一体化技术发展的探索， s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。 由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d c a e c a m 的 模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来c a d 技术的发展方向，基于这样 的共识，各软件纷纷仿效，一时间实体造型技术呼声满天下。 可以说，实体造型技术的普及应用标志了c a d 发展史上的第二次技术革命。 ( 3 ) 第三次c a d 技术革命参数化技术 进人二十世纪8 0 年代中期，c a d 技术的研究又有了重大进展。c v 公司提出了一种 比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。参数化设计是指通过改 动图形的某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的修改，从而实现同 类结构机械产品的快速修改与设计。从算法来说，这是一种很好的设想。它主要的特点 是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。二十世纪8 0 年代末， 计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，c a d 技术的硬件平台成本从二十几万美元 一下子降到只有几万美元，一个更加广阔的c a d 市场完全展开，很多中小型企业也开始 有能力使用c a d 技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，他们很自然 地把目光投向了参数化软件。进人9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现 出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。可以认为，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。 ( 4 ) 第四次c a d 技术革命变量化技术 s d r c 公司的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。“全尺寸约束 这一硬 4 第一章概述 性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初 期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过 尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸( 即所谓的“参数 ) 为出发点。一旦所设计 的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就 很不直观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特 征也会造成系统数据混乱。 开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术 一变量化技术。从1 9 9 0 - 1 9 9 3 年，将软件全部重新改写，于1 9 9 3 年推出了全新体系结 构的软件。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利 之处。变量化技术成就了s d r c 公司，也驱动了c a d 发展的第四次技术创新。 1 4c a d 技术发展趋势 ( 1 ) 微机化 c a d 技术发展经过发展，先后走过大型机时代、小型机时代、工作站时代、微机时 代。现在微机平台c a d 软件已占据主导地位，特别是微机平台越来越受到人们的重视。 主要原因是：微机性能的显著提高，硬盘容量大、主频速率高、图形处理能力强、显示 精度高；微机同小型机、工作站比较价格便宜，普通用户和中小企业都能接受。微机操 作方便、开发容易，支持其开发工具和应用软件比比皆是，具有最大的用户群。 ( 2 ) 三维立体化 随着二维c a d 的技术普及，三维软件也越来越多如u g 、s o l i d e g d e ，s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s ，p t c 公司的p r o e ，a u t o d e s k 的m d t ，国内的有c a x a 系列等。 ( 3 ) 集成化 随着c a d 技术的推广和普及，制造企业己不满足于简单的“甩图板 的工作，力图 实现工艺部门的现代化，由此形成了对c a p p ( 辅助工艺的规划) 的需求；c a d 技术的应用 使得以前用仓库来存放的图纸技术资料变成了电子文档既节约空间又便于查询、统计、 汇总，这样就造就了p d m ( 产品数据管理) 软件的巨大需求，当c a d 技术在企业中大力推 广的同时，企业为了提高效率、降低成本也越来越重视在企业中推广应用e r e ( 企业资源 计划) 系统。e r p 系统制定生产计划、销售计划和采购计划时，必须从c a d 系统获得产品 结构，从c a p p 系统获得每个零件的工时和材料定额等基础数据。因此客观需要c a d 、 c a p p 和e r p 系统集成，c i m s ( 计算机集成制造系统) 的开发无疑是c a d 技术发展的必然趋 势。 ( 4 ) 智能化 现有的c a d 技术在机械设计中已经发展为处理数值型的工作，如计算、分析与绘图， 然而工程设计中存在另一类推理型工作，包括方案的构思与拟定、结构的选择与优化、 5 大连交通大学t 程硕士学位论文 参数的选择和方案的评定等。这些工作需要知识、经验和推理，将与专家系统技术与c a d 技术结合起来，形成智能化的c a d 系统是c a d 的发展必然趋势。 ( 5 ) 网络化 网络技术是计算机技术与通信技术结合的产物。c a d 系统只有通过网络互连起来， 才能达到资源共享和协调工作，发挥更大的效益。近年来，计算机支持的协同设计环境 的研究是c a d 技术发展方向之一。多媒体技术、分布人工智能、面向对象和数据库的结 合应用将为协同设计环境提供开发平台。网络c a d 技术的发展，有助于提高和改善设计 的工作效率和质量，充分体现团队的作用，这可以使工作人员不受地理位置的限制，就 能进行方案的讨论和产品设计。 ( 6 ) 标准化 c a d 标准体系是丌发应用c a d 软件的基础，也是促进c a d 技术普及与应用的约束手 段。通过c a d 的数据模型、数据交换格式和c a d 资源等方面的标准的制定，使得不同c a d 系统间进行数据交换和数据共享更加容易，从而减少不必要的重复劳动。目前己制定了 不少的标准，如面向图形设备的标准c g i 、面向用户图形标准g k s 和p h i g s ，面向不同 c a d 系统的数据交换标准i g e s 和s t e p 等，基于这些标准开发的c a d 软件必将更加受用 户的喜爱和推荐。 1 5 选题的目的和意义 c a d 应用工程在三维c a d 软件支持平台上研发和应用对企业提出了新的机遇与挑 战。 首先，企业在应用c a d 技术的过程中，提出了深化应用研究的要求，主要表现为 c a d c a e c a m c a p p p d m 的集成和网络环境下计算机辅助技术的推广应用。 其次，c a d 技术成为中小企业技术需求的热点，c a d 作为新产品开发的关键技术， 无疑是推动中小企业技术升级的突破口，在中小企业普及c a d 应用，将成为新世纪c a d 应用工程的重要领域。 第三，网络环境为c a d 的集成、开放和智能化创造了条件，使推动应用c a d 技术 面临着新的发展契机。 第四，软件产业作为全球经济的热点，在制造业c a d 价值的增值作用是十分巨大 的。由于c a d 软件是高度智能化的，要求要针对企业c a d 应用所面临的具体问题和软件 产业化进行深入研究，推动中、小企业技术升级和我国软件产业的发展。c a d 技术作为 电子信息技术的一个组成部分，是促进科研成果的开发和转化、实现设计自动化、加速 国民经济发展和国防现代化的一项关键高技术；是提高产品和工程设计技术水平、降低 消耗、缩短科研和新产品开发以至工程建设周期，大幅度提高劳动生产率的重要手段； 是提高自主开发能力和管理水平，参与国际合作和竞争的重要条件；是制造业信息化的 源头，也是进一步向c i m s 发展的重要基础。 6 第一章概述 在科学技术日益发展的今天，虽然c a d 技术已被企业重视，但通用c a d 支撑软件对 大多数用户来说，只是绘图工具，只是使所绘图便于保存，便于修改，不是真正的实现 了通过计算机设计的目的，不能解决设计问题，其实质仍是手工设计，它不仅设计效率 低，同时对使用者的要求也较高，因使用者要直接使用图形支撑软件的命令去构造图形， 这就要求其对各种命令的功能及其使用方法十分了解，从而限制了对这些命令不熟悉但 精通产品设计的人员有效地使用计算机进行辅助设计，而使硬件和软件得不到充分利用 解决此问题的办法是由少数既掌握计算机应用技术又懂产品设计的人员开发出某一产 品的c a d 应用软件，使其具有良好的人机界面，并融入大量专业设计人员的经验，从而 使一般设计人员能够使用计算机应用软件进行产品的设计，提高设计效率与质量。 三维c a d 有效的设计数据可提供产品的重量、受力、体积等的物理分析及干涉检查 等，三维c a d 的设计结构也可提供给后续的设计模块如有限元分析、运动动力学分析、 数控加工与仿真以依据。后续的c a m 系统主要是实现加工零件的数控加工指令的生成， 包括机床、刀具选择、加工参数的确定、刀具轨迹的自动生成等，c a m 系统的仿真模块 可以动态的模拟加工过程，检查刀具、零件、机床与夹具是否发生干涉，这些都需要三 维c a d 的模型。 而齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动方式，由于齿轮传动具有传动效率 高、传动准确可靠而且平稳、寿命长、使用维护方便等优点，故在各种机械设备中广为 应用。齿轮是齿轮传动中的重要零件，它的设计和制造直接影响产品的性能和质量，它 的设计和制造被各国公认为机械工业水平标志之一，因为其应用非常广泛，大到矿山机 械中的传动装置，小到汽车变速箱等领域无不渗透着齿轮以及减速器的应用。尤其是在 我国改革开放进一步深入、国际跨国公司大量涌入、加入世贸后对国外公司的门槛降低 等背景下，我国国内齿轮制造企业如何提高在汽车、大型工程机械、大型成套设备领域 内应用齿轮的设计制造水平成为摆在我们面前的一道课题。 随着科学技术的发展和日益增长的社会需求，机械产品的类型、规格及性能迅速地 发生变化，市场要求产品的设计周期越来越短，传统的类比设计中还存在一个极大的毛 病，即在设计时，大部分设计人员都是在已有产品的基础上将尺寸增大，这样的相似设 计使得产品的尺寸与重量越来越大，造成财力、人力的浪费，齿轮c a d 可以实现设计自 动化、提高效率。当今世界各国减速器及齿轮技术发展总的趋势是向六高、二低、三化 方向发展。六高即指高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效 率；二低，即低噪声、低成本；三化，即标准化、多样化、通用化。 在齿轮设计开发过程中用到有限元分析、运动仿真、装配设计等，这些都是以三维 模型为基础的。如果开发一个齿轮建模模块，输入齿轮的基本参数，让计算机算出齿轮 设计中其他所需要的参数，同时将它的三维模型直观地在三维软件环境中显示出来的方 大连交通大学工程硕+ 学位论文 法，该模块的研制既可以方便地设计并生成三维齿轮模型，也可以用于计算机动画仿真 以及计算机辅助教学。 s o l i d w o r k s 软件是由美国的一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司开 发的第一个基于w i n d o w s 的三维c a d 系统，它拥有丰富的a p i 应用程序接口，是一个基 于o l ea u t o m a t i o n 的编程接口，它包含了数以百计的功能函数，可以方便地被v b c c 什编程语言调用，内嵌v b a 二次开发环境，可以高效开发所需要的应用软件。 齿轮的齿廓曲线比较复杂，其中渐开线齿轮能保证齿轮特定传动比、受力方向不变 等优点，在许多行业得到应用。s o l i d w o r k s 软件在参数绘图方面的功能模块还不完善， 如只能用近似圆弧或样条曲线代替渐开线曲线绘制齿轮，所以在齿轮的实体造型中有必 要对渐开线齿廓曲线进行精确绘制，以满足轮齿造型的准确性。 本论文以s o l i d w o r k s 为支撑平台，结合面向对象技术，通过渐开线坐标方程的建 立实现了对渐开线齿轮的三维精确描述，解决了如何在s o l i d w o r k s 中精确绘制渐开线 齿轮的问题，开发了渐开线齿轮三维c a d 系统，对s o l i d w o r k s 后续的齿轮机构造型设 计，以及动态仿真、干涉检验、有限元分析等都有作用。 本章小结 本章主要介绍了c a d 系统的组成、c a d 的意义和特点、c a d 技术的发展概况、发展 现状及发展趋势以及研究本课题的目的和意义。 8 第二章基于特征的参数化造型技术、开发平台及语言选择 第二章基于特征的参数化造型技术、开发平台及语言选择 2 1 特征造型技术 特征是具有工程含义的几何实体，它表达的产品模型兼含语义和形状两方面的信 息，而特征语义包含设计和加工信息，它为设计者提供了符合人们思维的设计环境，设 计人员不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图的方式来进 设计，因此基于特征的设计越来越广泛地应用于参数化设计中。 特征造型技术( f e a t u r e 咄a s e dm o d elin g ) 是几何造型技术的自然延伸，它将一门新 技术一特征( f e a t u r e ) 技术引入到产品设计中，用高一层次的具有工程意义的特征形素 来描述零件的一种造型方法。它从工程的角度讲是对形体的组成及整体信息完整表达， 使所描述的信息更具有工程含义，当前特征造型技术的研究主要是在实体造型的基础上 展开的。“。 几何造型方法是一种在较低层次上进行建模的方法，主要建立在点、线、面和基本 体素这些层次上，而特征造型是一种高层次上的几何抽象和语义描述，因而在零件设计 上为设计人员提供一种快速建模的方法。特征造型具有明显的工程含义，它不仅面向几 何造型，而且面向加工，造型时以特征为操作对象，工艺设计时以特征为基本单位，加 工时以特征的基础形成刀位文件。 特征造型的作用有下列几个方面： ( 1 ) 特征造型着眼于更好地完整地表达产品的技术和生产管理信息，为建立产品的 集成信息和模型服务，其目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型替代传统的产 品设计和施工以及技术文档，使得一个工程项目或产品的设计和生产准备各个环节可以 并行展开、信息流畅通。 ( 2 ) 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线 条和体素，而是产品的功能要素：如螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用为设计者提 供了符合人们思维的设计环境，直接体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人 理解和方便地组织生产，设计的图样更容易修改，设计人员可以将更多的精力用于创造 性构思上。 2 2 参数化设计 参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表达式表示，而不需用确定的数 值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，也就是参数化模型是通过调整 9 大连交通火学t 程硕十学何论文 参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型。要实现参数化设计，必须建立 参数化模型。对于几何参数模型而言，主要有两个内容：几何关系和拓扑关系。几何关 系是指具有几何意义的点、线、面有确定的位置和大小。拓扑关系反映了形体的特性和 关系，如几何元素之间的邻接关系。在工程实际中，大量存在着不同型号的产品往往只 是尺寸不同而结构相同的情况，映射到模型中，就是几何关系不同而拓扑关系相同。参 数化设计是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心内容，也是当前c a d 技术的研究热点。 参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产 品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。 参数化设计的研究内容除了传统的二维图纸和三维零件实体，还包括零部件间的装 配关系，产品特征，产品变型设计等产品层次的参数化表示模型，使参数化自身的含义 得到了进一步拓宽，这些研究无疑将会进一步提高产品的设计和生产效率。 目前，参数化设计已成为c a d 中最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计也成 为评价c a d 系统优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代c a d 中概念设计以 及并行设计思想，工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图，通过对产品形 状及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 来实现，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，设计参数可 来自于其他系统。参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的改动，从而实现 对图形的驱动。 2 3 基于特征的参数化设计实现方法 基于特征参数化建模技术的意义在于将特征设计方法与参数化技术有机的结合起 来，从而实现对多种设计方式( 自顶而下或自底而上等) 和设计形式( 原始设计、相似设 计和衍生设计等) 的支持。这种理念的提出，改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零 件几何图素的位置这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为 操作单位的新语义实体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。对于一个特征来说其 构成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给特征指定不同的 参数值来实现。k 。对零件的修改就可转化为对构成零件特征参数的修改，使得用户不用 直接参与修改零件几何图素位置关系的工作，大大方便了零件的设计与后期修改。总之， 参数化设计极大地改善了绘制图形的质量和效率。 基于特征参数化建模在模块划分的基础上，一般要经过模块尺寸参数化处理、程序 编制等过程。模块尺寸参数化处理过程中必须满足零件与零件、图形元素与图形元素之 间相关联，即模块的拓扑结构在参数化前后保持不变，如图形元素与图形元素之间的平 行、垂直、对称、同心和相切等几何约束关系在参数化前后必须保持一致，如图形元素 与图形尺寸以及图形元素之间和图形尺寸之间约束关系在参数化前后保持一致。同时标 1 0 第二章基于特征的参数化造型技术、开发平台及语言选择 注的图形尺寸在图形驱动前后必须能够随新的图形自动更新。为了保持这两个关系，必 须分析模块的啮合尺寸、几何信息和尺寸标注信息，以建立各类尺寸约束和驱动关系。 参数化设计主要通过两种方法实现：一是利用c a d 系统提供的参数化功能实现模型 的设计变量驱动，即在模型的构建过程中用变量来控制模型的几何尺寸和约束关系，比 较适用于具有简单几何约束的零件设计，尺寸驱动法是指在保持零件结构不变的情况 下，将零件的尺寸标注视为变量，给予不同的尺寸值，便能获得一系列结构相同而尺寸 不同的相似零件。它允许用户在定义一个零件时，不必考虑零件中几何元素的准确位置， 而只需保证其拓扑结构正确，同时进行必要的尺寸参数标注，通过尺寸参数值的变化来 生成结构相同而参数不同的零件族，它在零部件的重新生成与修改方面显示出极大的便 利，但对于有多驱动尺寸的复杂零部件，其操作复杂度也明显提高，从而降低了设计效 率。在三维通用c a d 软件s o li d w o r k s 中，进行尺寸驱动参数化设计，只需将这个系列 的零件设计成一个样件，在样件上标注尺寸，尺寸线可以看成一个有向线段，上面的尺 寸数字就是参数名，其方向反映了几何数据实体和参数间的关系，由用户输入的参数名 找到对应的实体，进而根据参数值对实体进行编辑修改，以得到新的实体，实现尺寸驱 动参数化设计。二是用编程实现参数化设计，即利用参数化绘图程序生成图形，程序驱 动法是将设计过程的所有关系式融入到应用程序中，然后在程序控制下，顺序执行这些 设计表达式，通过与用户的交互完成设计工作。利用程序驱动法实现零件设计的过程其 实就是设计人员在软件上的绘图过程，在理论上可以进行所有零件的参数化驱动。以程 序驱动法编制的程序所需的代码十分繁琐，而且由于零件生成步骤十分严格，在运行时 非常容易出现错误，因此程序编制的要求比较高，难度比