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东北大学硕士学位论文 摘要 2 m c l 透平压缩机本体3 d 快速设计系统的研究和开发 摘要 随着三维图形技术和计算机技术的提高，三维c a d 已成为c a d 技术应用 的必然趋势。三维c a d 在实际生产应用中发挥了越来越重要的作用，特别在 机械产品设计中，设计人员应用三维c a d 技术很好地解决了产品设计速度慢、 效率低的“瓶颈”问题。 本论文以沈阳透平压缩机有限公司的2 m c l 压缩机为研究对象，以通用三 维c a d 软件s o l i d w o r k 为开发平台，摸索大型机械产品三维快速智能设计的技 术和方法。 通过本系统的开发，实现了对2 m c l 压缩机本体的快速设计，可很快地完 成压缩机装配体设计，压缩机零部件从三维模型到二维工程图的快速转化，以 及对零部件材料、结构组成等信息的采集，实现b o m 表的自动生成。 论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 2 m c l 压缩机本体零部件模型库的构建根据压缩机零部件的结构特 征、功能、装配关系等，按照模块化设计的思想，对组成产品的零件进行系列 化、标准化规划与设计，并划分成不同的模块；再通过s o l i d w o r k s 完成对零部 件的三维模型和二维工程图的建模。模型图库是本系统开发的基础。 ( 2 ) 利用s q ls e r v e r 数据库来存储和管理压缩机零部件模型的信息，构建 部件模型信息数据库，数据库中不仅存储了模型的类型、名称、存储路径、可 驱动参数等等信息，还有模型图库的构架信息，以便于系统的开发。 ( 3 ) 利用s o l i d w o r k s 提供的二次开发接口，结合v c + + 编程语言，完成压 缩机本体的智能装配、关键零部件的参数化再设计、二维工程图的转化、b o m 表的自动生成，实现了压缩机本体的快速设计。 系统被编译成标准插件集成到s o l i d w o r k s 中。通过良好的交互界面，设计 者只需选择适当的参数，系统就能完成大部分的设计工作。实际运行证明，本 系统的应用可以成倍的提高压缩机系列产品的设计速度和效率。 关键词c a d 压缩机快速设计模块化设计参数驱动特征建模 i i 查垄垄兰塑主芏堡垒圭兰坐! ! 生 d e v e l o p m e n to f3 dr a p i dd e s i g ns y s t e mf o rm a i n p a r to ft h e 2 m c ls e r i e st u r b i n ec o m p r e s s o r s a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h r e e d i m e n s i o na n dt h et e c h n o l o g y o fc o m p u t e r ，t h r e e d i m e n s i o nd e s i g nh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e a p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g yo fc a d t h r e e - d i m e n s i o nc a dh a sb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti np r a c t i c e e s p e c i a l l yi nm e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g n ，b yt h em e a b _ s o ft h r e e - d i m e n s i o nc a d ，d e s i g n e r sh a v ed o n eal o tr e s e a r c hw o r kt ot h e “b o t t l e n e c k p r o b l e ma b o u th o w t oa c c e l e r a t ed e s i g ns p e e da n dh o wt oi m p r o v e d e s i g ne f f i c i e n c y t a k i n g2 m c ls e r i e st u r b i n ec o m p r e s s o ra sr e s e a r c h f u lo b j e c t ，w h i c hb e l o n g s t o o n eo fm a i np r o d u c t so fs h e n y a n gt u r b i n ec o m p r e s s o rw o r k sc o l t d ，a n dt a k i n g t h ep o p u l a rt h r e e - d i m e n s i o nc a ds o f t w a r es o l i d w o r k sa sc a d e x p l o i t i v ep l a t f o r m ， t h et h e s i se x p l o r e san e wm e t h o da n dt e c h n o l o g yo ft h r e e - d i m e n s i o na g i l ed e s i g n o fc o m p l e xm e c h a n i c a lp r o d u c t a3 da g i l ed e s i g ns y s t e mf o rm a i np a r to ft h e 2 m c ls e r i e st u r b i n ec o m p r e s s o r sw a sd e v e l o p e d ，w i t hw h i c ha3 da s s e m b l ym o d e l o ft h em a i np a r to f2 m c lt u r b i n ec o m p r e s s o ra n di t st w o d i m e n s i o n a la s s e m b l y d r a w i n g sc a nb ea u t o m a t i c a l l yc r e a t e d a l s ot h eb o m o ft h ea s s e m b l yd r a w i n g d e v e l o p e dc a nb ef o r m e db yt h es y s t e m t h em a i nr e s e a r c hw o r k si nt h et h e s i sa r es h o w na sf o l l o w i n g ( 1 ) ap a r tl i b r a r yo f2 m c ls e r i e sc o m p r e s s o rw a sb u i l ta st h em o d e lb a s eo ft h e s o l i d w o r k ss o f t w a r e b e f o r et h es o l i d w o r k sm o d e l sw e r eb u i l t ，t h ep a r t so f2 m c l s e r i e sc o m p r e s s o rm u s tb es e r i e sa n ds t a n d a r d i z e dr e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r a la n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n da s s e m b l yr e l a t i o n s h i p b e e np r o p i t i o u st o m a n a g e ，t h e s ep a r t sw e r ep a r t i t i o ni n t od i f f e r e n tm o d u l e sb yt h em e a n so fm o d u l a r d e s i g nt h o u g h t a tl a s tt h et h r e e d i m e n s i o nm o d e l sa n dt w o - d i m e n s i o ne n g i n e e r i n g d r a w i n g so ft h ep a r t sw e r eb u i l t ( 2 ) t h ed b m ss q ls e r v e r2 0 0 0w a su s e dt os t o r et h ei n f o r m a t i o no f c o m p r e s s o r sp a r t s ，w h i c hw e r ec o n c e r n i n g t h ep a r t s n a l t l e ，t y p e ，s a v e p a t h ， d r i v a b l ep a r a m e t e r ，a s s e m b l i n gr e l a t i o n ，a n ds oo n t h ei n f o r m a t i o na b o u tt h ef r a m e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o fp a r tl i b r a r yw a sa l s os t o r e di nt h ed a t a b a s e ( 3 ) b a s eo nt h e a p io fs o l i d w o r k ss o f t w a r ea n do r i e n t e dp r o g r a m m i n g l a n g u a g ev i s u a lc + + ，t h ep r o g r a ma b o u tt h er a p i dd e s i g nw a sp r o g r a m m e d ，w h i c h c a r lb ed i v i d e di n t oi n t e r f a c em o d u l e ，a u t o - a s s e m b l yo ft h eb o d yo fc o m p r e s s o r m o d u l e ，p a r a m e t e r i z e dr e d e s i g no fk e yp a r tm o d u l e ，t w o - d i m e n s i o ne n g i n e e r i n g d r a w i n gt r a n s l a t i o nm o d u l e ，b o ma u t o b u i l d i n gm o d u l e t h ep r o g r a mc a nf i n i s h t h em o s td e s i g n i n gw o r ko fc o m p r e s s o rr a p i d l ya n de f f e c t i v e l y t h ea g i l ed e s i g ns y s t e mw a sc o m p i l e di n t oas t a n d a r da d d - i no fs o l i d w o r k s a n di n t e g r a t e di n t os o l i d w o r k sw e l l t h ep r a c t i c eh a ds h o w nd e s i g ne f f i c i e n c ya n d s p e e do f2 m c ls e r i e st u r b i n ec o m p r e s s o r sc a nb ei m p r o v e dt h r e et of o u rt i m e sb y m e a n so f t h i ss y s t e m k e yw o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a lc a d ，t u r b i n e ，a g i l ed e s i g n ，m o d u l a rd e s i g n ， p a r a m e t r i cd r i v i n g ，f e a t u r em o d e l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的硕士学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本文为获得其他学位而使用 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。 本人签名：麝灭 日 期：。2 。刀r 、文一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出和研究内容 1 1 1 课题的提出 本课题是以东大与沈阳鼓风机集团( 以下简称：沈鼓) 签订的“压缩机本体 敏捷设计系统的开发”合作项目为研究对象，探讨和摸索在制造业企业中推广三 维c a d 技术、以提高产品设计效率和设计速度的方法和道路。该项目通过对 通用三维c a d 软件s o l i d w o r k s 的二次开发，开发出符合沈鼓集团实际要求的 压缩机本体快速设计系统，完成对压缩机本体三维装配体、关键零部件的三维 模型、二维工程图、设计数据( 零部件属性) 的统计等大部分设计工作的快速 完成，以达到提高压缩机设计速度，改进压缩机设计效率的目的。 1 1 2 课题的研究内容 本课题以w i n d o w s 2 0 0 0 为操作系统，以通用三维软件s o l i d w o r k s 为c a d 平台，通过s o l i d w o r k s 提供的a p i 二次开发接口，结合v i s u a lc + + 面向对象 的编程技术及s q ls e r e r 2 0 0 0 的数据库技术，对s o l i d w o r k s 进行二次开发，开 发出压缩机本体快速设计系统。本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 压缩机本体零件模型图库的构建。 模型图库是本系统开发的基础。所有的操作都是针对图库中的零件模型进 行的。通过对压缩机零部件特点的分析，按照零部件的结构、功能把所有零部 件分成若干模块加以管理。每个零部件除了有s o l i d w o r k s 的三维模型外，还有 对应的加工件、铸件或焊接的二维模型图。 ( 2 ) 零部件模型信息数据库的构建。 为了能更好地管理和调用模型图库中的模型，利用s q ls e r e r 数据库来存储 和管理这些模型的信息。数据库中不仅存储了模型的类型、名称、存储路径、 可驱动参数等等信息，还有模型图库的构架信息，以便于系统的开发。 ( 3 ) 2 m c l 压缩机本体装配体三维模型的自动生成。 通过接收系统界面传递的参数，自动生成符合实际要求的压缩机本体装配 体三维模型，能自动对装配体中部分需要做尺寸结构调整的零部件的做出调整。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 2 m c l 压缩机主要零部件二维工程图的生成。 ( 5 ) 2 m c l 压缩机产品明细表的自动生成。 利用以生成的压缩机本体装配体三维模型产生装配体的b o m 表。 ( 6 ) 2 m c l 压缩机系列图( t ，u ，v ，b ，q ，l ，h ，f ) 生成。 1 2c a d 技术的发展与应用 c a d ( 计算机辅助设计，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指工程技术人员以计 算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技 术文档等活动的总称。它将计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和数据 处理能力与设计者的综合分析和逻辑判断能力以及创造性思维结合起来，从而 大大加快设计进程，缩短设计周期，提高设计质量。同时，c a d 技术是进一步 向c a m ( 计算机辅助制造，c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) ，c i m s ( 计算机 集成制造系统c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 发展的重要基础【1 】。 1 2 1c a d 技术的发展现状 c a d 技术起步于上世纪五六十年代。随着计算机软硬件技术的发展和需求 的不断提高，c a d 开始迅速发展。从简单的只二维线框绘图技术，到自由曲面 造型、实体造型技术，再到参数化、变量化技术，c a d 的核心技术也不断地更 新换代【2 1 。 起初，c a d 仅仅指计算机辅助绘图( c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ) 。人们希 望借此来摆脱烦琐的、低效率的传统手工绘图。而当时使用的二维线框造型系 统只能通过二维三视图来表达零件的几何信息，不能有效表达出几何数据间的 拓扑关系，缺乏形体的表面信息，使c a m 及c a e 均无法实现。 到了上世纪7 0 年代，为了解决飞机和汽车工业中遇到的越来越多的自由曲 面问题，法国达索公司的开发者们推出了三维曲面造型系统c a t i a ，它拥有以 表面模型为特点的自由曲面建模方法，把c a d 从单纯的三视图模式中解放出 来，实现了以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也为c a m 技术的开 发提供了现实基础。自由曲面技术给c a d 技术带来了第一次技术革命。 第二次技术革命是实体造型技术。由于自由曲面模型只能表达形体的表面 信息，难以准确表达出零件的质量、重心、惯性矩等信息，不利于c a e 的开发。 1 9 7 9 年s d r c 公司发布了几乎实体造型技术的大型c a d c a e 软件一i d e a s ， 推出了实体造型技术，这有助于统一c a d 、c a m 、c a e 的模型表达。它指出 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 了c a d 技术的发展方向。 上世纪8 0 年代中期p t c 公司的p r o e 参数化软件带来了必无约束自由造型 更好的参数化实体造型方法，它基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱 动设计修改。这引发了c a d 技术的第三次技术革命。参数化技术使得产品建 模更加快捷、准确，很快便获得了巨大的成功。 但是，参数化技术的“全尺寸约束”的硬性规定干扰和制约这设计者创造里 及想象力的发挥。s d r c 公司开发人员发现这点后，便以参数化技术为蓝本， 提出了变量化技术，解决了欠约束情况下方程联立求解的数学处理和软件的实 现，推出了全新体系结构的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。变量化技术既保持了 参数化技术的优点，又克服了它的不足，为c a d 技术的发展提供了更大的空 间。它驱动了c a d 发展的第四次技术革命。 1 2 2c a d 技术的发展趋势 随着计算机技术和网络技术的发展，c a d 技术的发展趋势将主要围绕在标 准化、智能化、集成化、网络化、可视化、并行化等几个方面【3 1 。 标准化标准化可以为技术的发展提供一个相对稳定的平台，起保障和约 束作用，在一定程度上还是何以对技术的发展产生标准化的引导作用。开展 c a d 通用技术标准化、规范化研究将在c a d 应用工程种发挥重要的作用。 智能化 以往的c a d 技术侧重于数值计算，对于需要进行思考、推理和 判断的设计过程不能解决。在引入知识工程和专家系统技术后，以“知识+ 推理” 的方式，运用专家丰富经验和创造性思维来解决设计中的决策性和创造性活动， 构成智能c a d ( i c a d ) ，提高了设计的效率和质量，使c a d 技术更加实用和有 效。 集成化c a d 系统的集成化是c a d 技术在工程方向上的深化。集成化可 分为两方面：一是将一些彼此独立的局部c a d 软件有机的组合成一个统一的 面向全过程的集成化c a d 系统，系统内部的各个c a d 软件可以进行自动的数 据传输，共同完成产品或工程设计任务；二是各个计算机辅助工具“孤岛”的集 成，如计算机集成制造系统( c i m s ) 将c a d c a p p ( 计算机辅助工艺规划设 计) c a m ( 计算机辅助制造) c a e ( 计算机辅助工程分析) 按照一定的生产组织原 理集成起来，建立一个设计、生产、分折及技术管理为一体的新型生产模式。 可视化可视化技术在c a d 中的应用即为产品的虚拟设计。虚拟产品是 种数字产品模型，它具有所代表的对象所具有的各种性能和特征。这些虚拟产 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 品在它投入生成以前已存在，具有明显的可视性，可进行并行设计和分析，可 与供应商、合作者交换信息，客户可进行评估并做出反应。 并行化新一代c a d c a m 系统的核心是并行产品设计新技术环境 ( c o n c u r r e n ta r tt op r o d u c te n v i r o n m e n t ，c a p e ) 。c a p e 的定义是在计算机网 络环境内对产品开发的整个设计和管理过程进行描述建模，采用p d m ( 产品数 据管理) 技术，从软件结构、产品数据、面向目标的开发技术、产品建模和智 能设计、质量控制等方面有所突破，为实现并行工程提供更完美的环境。 网络化随着计算机网络的飞速发展，计算机辅助设计系统的网络化已经 是不可阻挡的历史潮流。借助现有的网络，充分利用不同地区的智力资源和生 产设备，并提高企业整体的技术素质。 1 2 3 应用c a d 技术的意义 应用c a d 技术主要有以下几方面主要效果： ( 1 ) 增强企业的产品设计开发能力。采用c a d 系统，设计者就可以利用 强有力的工具来改进设计工作。例如应用有限元法、最优化设计等方法改进设 计，从而可以对过去许多只能定性判断的内容做出精确的定量分析。 图1 1 传统设计方法与应用c a d 技术设计方法比较 f i g 1 1t h ec o m p a r i s o no ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t l l o da n dt h em e t h o dw i t hc a d ( 2 ) 提高产品设计质量，缩短产品研制周期。采用c a d ，通过计算机辅 助绘图，可节省设计人员大量宝贵时间。c a d 的最大特点是使设计人员在c a d 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 辅助下，可以充分发挥自己的联想和创造力，集中精力提高设计质量。当产品 设计完成后，又由c a d 系统自动输出各类图纸、文件。因此，采用c a d 技术 不仅提高了设计质量，而且大大缩短了产品的设计周期，带来了无法估算的经 济效益。 ( 3 ) 有利于实现产品标准化、系列化、通用化。机械设计的一些国家标准 向国际标准靠拢时，考虑的影响因素比较全面，设计计算的工作量较大，如不 采用c a d 则很难贯彻。若有了相应的软件，只要根据屏幕提示输入有关信息， 就能获得符合标准要求的设计结果，因而推广起来就比较容易。由于计算机对 设计信息实行统一管理，因而也有利于推进产品的系列化和通用化。 ( 4 ) 加强现代化管理几乎所有的工业技术，目前在交流、通信和存贮 的手段上都极大地依赖于图纸等技术文件。因而所有技术文件的产生、修改、 管理、存贮以及随机检索等已成为企业技术管理中占极大工作量的突出问题。 单凭人工管理的方法难以满足现代企业对管理的需要。采用c a d 技术，并建 立功能完善的信息管理机制，就可以实现从市场信息、经营管理信息及设计师 的原始构思数据到各种图纸、技术文件、工艺资料、外购清单等全部由计算机 系统统一处理和存贮，并可供企业各部门共同分享。 ( 5 ) 提高企业的经济效益在设计阶段引入c a d 系统可大大提高设计人 员的工作效率，节约手工设计所需的大量工时和开销，并使过去积累的设计资 源得到复用，从而降低设计成本。此外，由于设计阶段所做的决定对产品的总 成本有很大的影响，所以通过c a d 所作的设计优化可以大幅度地降低产品成 本。 如今，c a d 技术已广泛应用于航空、电子、机械、建筑、轻纺、化工、等 等许多领域，并取得了明显的经济效益和社会效益。据有关资料统计显示，采 用c a d 技术后，大规模集成电路的设计效率平均提高了1 8 倍，机械产品的设 计效率平均提高了5 倍，建筑设计的效率提高了5 倍。众多的实践经验表表明， 采用c a d 技术可以显著缩短设计周期，提高设计质量和劳动生成率，也是加 速产品更新换代的有效手段，是改造传统生成过程的必由之路。c a d 技术开发 与应用水平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a 1 2 4c a d 技术在中国的应用与发展 我国c a d 技术的研究起步于7 0 年代，当时仅有少数大型企业和科研单位 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 及部分高校参加，进展速度很慢。近年来，由于计算机价格的不断下降，加之 改革开放和国内外市场激烈竞争形势的不断发展，促使我国科技人员采用新技 术的积极性不断高涨，c a d 技术的优点逐渐被更多的人们所接收i l 。近几年 来，c a d 技术有了较快的发展，主要表现最以下几个方面： f 1 1 少数大型企业已经建立起较完整的c a d 系统并获得较好的效益。几年 来，少数大型企业在某一( 和某些) 专业领域大胆应用c a d 技术后，真正提 高了产品质量，缩短了生产周期，取得了较好的社会经济效益。很多都企业认 识到了c a d 技术是提高生产效益必不可少的条件之一。 ( 2 ) 中小企业开始使用c a d 技术。上世纪9 0 年代后，国家各工业部门都 十分重视推广应用c a d 技术，制定了发展计划，并对所属企业提出了具体要 求。另外，少数大型企业采用c a d 技术后产生的明显的经济效益，对中小企 业的影响十分巨大。它们首先应用微机和相应的微机c a d 软件组成c a d 系统， 进行机电产品的设计和工程图纸的绘制，与传统设计方法相比提高了效率。同 时，应用范围也不断扩大，而且逐步深化。有的企业在原有的基础上还计划引 进工程工作站和数控机床，实现c a d 和数控加工相组合。 ( 3 ) 我国已自行开发了大量实用的c a d 软件。从7 0 年代中后期起，国内 一些高等院校和科学院的研究所以及一些大型企业在c a d 技术领域内进行了 大薰的研究工作，自行开发了一些实用的c a d 软件。由于这些软件价格比较 便宜，维护和培训较方便，所以便于推广应用。 ( 4 ) 国内计算机生产厂商己能为c a d 提供微机和工程工作站。现在国内市 场上提供的微机价格比较便宜，性能也基本能够满足需要，不仅可以满足绘制 二维工程图纸的要求，而且还可以做三维几何造型和复杂运算的工作。工程工 作站的价格也很便宜，而性能比微机好得多。这为推广应用c a d 技术提供了 一个良好的条件。 ( 5 ) 引进国外成套的c a d 设备。在改革开放和发展市场经济的条件下，一 些经济效益好的企业从国外引进些成套的功能较强的c a d 系统，这对提高 我国c a d 技术的水平是十分有用的。 我国在c a d 技术的普及方面已经取得了一定的成绩，但是这还远远不够， 甚至可以说，目前我国企业对c a d 技术的普及应用程度还很低，在几年前“甩 图扳”工程的带动下，计算机出图率有较大的提高，但企业在使用c a d 技术的 水平和效率方面仍然很低，多数没有体现计算机辅助设计这个概念，顶多也就 是把图版上的工作原原本本移到了计算机屏幕上。甚至有许多知名企业目前仍 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 然依靠一些非正版的平台软件绘图，其效率和质量的低下已经严重地阻碍了企 业的发展。制造业企业竞争力的根本来源是设计生产水平的提高，而在观念上 的转变将是关系我国企业与世界接轨的关键因素。 1 2 5 三维设计是c a d 技术应用的必然趋势 二维c a d 技术设计实际上只是计算机辅助绘图( c o m p u t e ra i d e d d r a f t i n g ) ，它只是起到了一个电子图板的作用，因为二维c a d 没能很好地解决 设计种最困难的几个问题，如：复杂工程图中投影线生成、尺寸漏标、漏画图 线等问题，机构几何关系和运动关系问题，应力应变分析问题，设计的更新于 修改问题，设计工程管理问题，数控加工处理问题等。所以，二维c a d 没有 起到真正的计算机辅助设计的作用【4 。 实际上，人在设计零件时的思维是三维的，于颜色、材料、硬度、形状、 尺寸、位置、相关零件、制造工艺等概念相关联的，甚至带有相当复杂的运动 关系，在没有三维设计工具的情况下，设计人员只有把这些三维设想通过= 维 投影图来表达1 5 1 。通常，二维图的表达信息不完整的，而且绘图、读图都要经 过专门训练的人来进行。而三维设计符合人的思维习惯，整个设计过程可以完 全在三维模型上讨论，直观形象，符合人的设计思维习惯，可以充分发挥设计 者想象力和创造力，实现产品的三维造型。利用三维造型，可进行虚拟装配、 质量属性分析、空间运动分析、动态干涉检查，三维到二维的转换可得到高正 确率的二维工程图，进一步可进行应力应变分析等有限元工程分析，使得设计 对象的几何形状和性能更加满足要求，而且其他如强度、刚度、稳定性等指标 都达到最优化【5 j 。 1 2 6 通用c a d 软件的二次开发 1 2 6 1c a d 应用中的问题 然而从引进了国外知名c a d c a m 系统的企业使用情况看，大部分企业没 有充分利用起来，并没有发挥出应有的效益。据抽样调查和外商统计，国内已 引进c a d c a m 系统利用率高，效益好的单位大约在2 0 左右【6 1 ，虽然原因众 多，当从使用角度来看，主要在于： ( 1 ) 很多企业引进c a d c a m 系统后没有进行用户化、本地化的二次开发。 这样虽然使得广大设计人员甩掉了繁重的手工图板，但从某种意义上来说又进 入了更加繁重的计算机图板。新图板的出现虽然使得出图质量有了明显提高， 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 但巨额的投资并没有真正达到提高设计质量j 缩短设计周期的目的，也并没有 带来应有的效益。有时甚至出现了计算机绘图没有手工绘图快的怪现象。当然， 如果引进c a d c a m 系统后，不进行二次开发，这种现象也就不足为奇了。例 如画一条直线，手工绘图一笔绘成，而计算机绘图要翻菜单、找线条类型、输 入起点和终点等等，速度显然慢得多。但是，这并不是引进c a d c a m 系统本 身的错误，其根本原因在于没有进行二次开发，试想一下，如果根据本身使用 特点开发了各类标准件库、各类应用设计系统、设计工具，那情况将会大为改 观。 ( 2 ) 国外商品化的c a d c a m 软件的汉化问题。目前，真正从事设计的工 作人员中，一部分是年龄较大的设计人员，他们具有丰富的设计经验，但由于 各种原因，他们的外语水平较低，让他们很快掌握c a d c a m 软件的使用存在 很大的难度。另一部分年轻的设计人员，他们外语基础较好，但经验欠佳。再 加上设计之后的加工，很多还靠图纸来加工，加工人员的外语水平也是一个现 实问题。因此，从我国使用的实际情况出发，引进c a d c a m 系统之后，必须 做到从菜单、提示、错误信息到标注的全方位汉化二次开发。 ( 3 ) c a d 应用中管理的科学化问题。随着c a d c a m 新技术的应用，设计 管理过程和方式也必须随之而变，这些管理包括设计过程管理、设计人员管理、 设计图纸的管理。因此，引进系统之后必须进行管理方面的二次开发。管理系 统化有利于保证设计质量，保证设计质量，有利于设计过程并行工程实施，有 利于产品的更新换代。从而达到提高设计质量和效率的目的。 以上c a d 应用中存在的问题，事实上都可通过二次开发的方法来解决。所 以，用户引进c a d c a m 系统后，必须通过用户化和本地化的二次开发才能是 c a d c a m 系统尽情发挥作用。 1 2 6 2 对c a d 软件的二次开发是充分发挥其效益的必由之路 c a d c a m 技术作为一高新技术，因其能带来巨大的经济效益，增强企业 竞争力，所以越来越得到广大企业的重视，国内外许多优秀的c a d c a m 软件 在不同企业中得到广泛应用和迅速推广。如何用好引进的商品化c a d c a m 系 统，向它们要效益，乃是各企业的当务之急。 随着其应用和推广的深入，广大的c a d c a m 用户将不可避免地遇到许 多新问题。由于商品化的c a d c a m 软件一般是通用化的软件，基本上可覆盖 整个机械行业各个方面的工作，而用户在应用时都具有自身行业特色，都必须 进行程度不同的二次开发，才能使c a d c a m 软件淋漓尽致地在本行业发挥作 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用c 7 , 8 。特别使机械行业产品的新产品开发设计，针对本行业特点的二次开发具 有极其重要的实践意义。纵观国内外用户，无不说明了这一点。因此，二次开 发方面的问题便是广大c a d c a m 用户和科研工作者说面临的重要课题。 1 2 6 3 二次开发的特点 ( 1 ) c a d 二次开发是面向机械工程设计所进行的，因而开发工作不仅涉及机 械设计过程中的各个阶段，而且设计机械设计规范与国家标准、工具与环境、 技术与方法以及产品信息管理等诸方面。 ( 2 ) 鉴于机械设计本身复杂、内容繁多，其中数据种类多，数据量大，计算 公式及表格多，使c a d 二次开发工作量大。 ( 3 ) 二次开发系统是面向工程设计人员的，系统的运行过程是对具体机械产 品设计过程的模拟，故二次开放系统的设计应符合工程标准，满足工程设计人 员的设计习惯与要求。 在沈阳透平鼓风机集团弓l 进了三维c a d 软件s o l i d w o r k s 用于压缩机设计 后，开始只是用于简单的创建零件模型，产生的效果并不比用二维设计软件强， 没能达到提高设计速度和设计效率的目的。因此迫切需要对s o l i d w o r k s 进行二 次开发，得到适合压缩机设计的专门模块。 1 3 机械产品快速设计技术的发展 快速响应设计简称快速设计，是近年来出现的一种新的设计思想。 快速设计技术是当前市场在对产品多样化、瞬变性等需求形势下提出并发 展起来的。产品投放市场时间日益成为决定产品竞争力的重要因素。当前国际 市场需求快速变化的特点和2 l 世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和 制造技术的发展。目前，国内外针对快速设计的并行设计技术、快速原型技术、 系列化模块化技术、基于模块模板的广义模块化设计技术、知识工程 k b e ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r ) 与智能设计、大规模定制设计和虚拟制造技术等 发展均较为迅速【9 1 。 快速设计的实施需要建立适用于企业产品特点的应用软件。但如果产品结 构是整体式时，多种产品中的共性因素很难提取，新产品设计是从零开始，这 样，即使采用c a d 技术，其效率提高也是有限的，只有当产品系列的构成是建 立在以模块组合为主的基础上，并建立起模块图形数据库时，才可能充分发挥 出c a d 的优势，达到提高新产品设计质量，缩短设计、研制周期的目的。模块概 念是在产品设计和生产中逐步形成的，模块能够用来组合成不同的产品，促进设 9 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 计重用，节省设计成本。因此，建立企业的模块化产品系统，是实施快速设计的 基础。 如何将设计经验和技巧转化为知识并与设计系统集成是制造业研究的重要 课题之一。随着知识工程和专家系统技术的发展，可将设计经验、设计过程和 环境资源的信息用于产品模块建模通过使用人工智能技术、专家设计经验和模 块化产品设计过程及环境的知识，为实现模块化产品设计自动化和生产自动化 提供了有力的支持。使用c a d 、c a e 、k b e 软件结合其他软件可以对各种不 同的企业及工厂建立典型产品的模块化设计专家系统( e x p e r ts y s t e m ) ，实现 更高层次的设计知识重用，可缩短产品开发的时间，支持产品创新 1 0 】。 本系统的开发就是要实现对2 m c l 系列压缩机本体的快速设计，提高沈阳 鼓风机集团的市场相应能力和产品设计能力。 一1 0 东北大学硕士学位论文 第二章系统开发的总体规划 第二章系统开发的总体规划 2 1 软件系统开发应遵循的一般原则 本系统的开发是对通用c a d 软件进行二次开发，从而得到针对具体机械 产品设计的c a d 系统，所以在系统的开发过程中。既要遵循软件工程的原则， 又要符合机械产品设计的要求。 软机工程是指导计算机软件开发和维护的工程科学，其核心思想是把软件 产品看作一个工程产品来处理，综合运用各种技术，采用工程的概念、原理、 技术和方法来开发和维护软件【i ”。软件工程采用生存周期( 如图2 1 ) 的方法 学，从时间上对软件的开发和维护的问题进行分解，把软件生存的周期一次划 分为若干阶段，从对任务的抽象逻辑分析开始，一个阶段、一个阶段的开发。 软件开发过程从考虑其概念开始到软件产品交付使用为止，一般包括概念设计 阶段、需求分析阶段、设计阶段、实现阶段、测试阶段、安装交付使用阶段、 运行维护阶段。 图2 1 软件开发生命周期模型 f i g 2 1t h em o d e lo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tl i f ec y c l e 在计划和需求分析阶段，机械设计人员可借鉴软件工程的结构化分析方法， 把复杂的机械产品设计的工程问题分解成若干小问题，以便更好地用程序语言 来描述机械产品的设计，以降低问题的复杂程度，防止产生理解上的偏差：软 东北大学硕士学位论文 第二章系统开发的总体规划 件设计人员不仅要明了系统的开发目的，还要详细分析机械产品及其零部件的 功能特性，结构特性，工艺制造特性等等。 机械产品c a d 系统是对产品设计过程、设计人员设计经验的模拟，因此 在概念设计和详细设计阶段要遵循机械产品设计的原则，符合机械设计人员的 设计思路【”】。 系统的测试是非常重要的，在不断反覆的测试中，找出系统的不足之处， 不仅仅指程序本身的问题，还有根据系统生成的机械产品能否满足要求。 在本系统的开发过程中，首先分析了沈鼓现阶段压缩机的设计步骤，得到 系统的功能要求，总结了压缩机设计的已有经验；然后着手进行系统规划和设 计；晟后用已经设计完成的压缩机产品为实例，对系统进行测试、改进。 2 2 沈鼓透平压缩机产品设计过程分析 透平压缩机是沈鼓的主要产品之一。这种压缩机的用途很广泛，特别是在 冶金、石油、化工及动力等工业部f - 1 的应用很普遍。 现阶段沈鼓的压缩机设计的一般流程如下： ( 1 ) 根据客户提供的产品要求，如工作气体，工作流量、压力、温度等工 作环境参数初步确定压缩机的机型，得到一个粗略的设计，向客户报价，参与 产品竟标。 ( 2 ) 根据与客户签订的技术协议的要求，进一步确定压缩机的结构，完成 压缩机的总体方案设计。 ( 3 ) 完成压缩机本体的1 ：l 设计图，得到必须的总体结构尺寸数据，然后 进行压缩机本体的强度校核和临界转速分析，从而确定压缩机的总体结构，并 确定压缩机轴端轴承密封等外购件。 ( 4 ) 详细设计，设计具体的零部件，完成相关零部件的粗加图、精加图等 图纸。 ( 5 ) 在进行压缩机本体设计的同时，还要设计底座、油管路、油站等配套 部件。 ( 6 ) 最后完成设计报告书。 但由于现阶段沈鼓设计人员使用的主要是二维设计软件，在设计效率和设 计速度上都存在不少的问题。 ( 1 ) 在向客户报价竞标阶段，不能快速地得到产品的主要结构参数，使得 报价的准确性、合理性得不到保证，从而丧失了竞争优势。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章系统开发的总体规划 ( 2 ) 在设计过程中，二维模型不能进行干涉检查，无法做到视图间的尺寸 关联驱动，可能导致不必要的错误，降低了设计效率。 ( 3 ) 二维制图工作繁杂，速度慢，延长了设计周期。 沈鼓每年都有大量的压缩机定单，但由于上述原因，使得设计速度慢，周 期长，设计效率不高，特别是在以上各步骤中，以步骤3 、4 所需的时间最多， 几乎占了设计周期的8 0 ，已远远不能满足要求，迫切需要寻求新的设计工具 和设计方法来缩短设计周期。 而压缩机本体是压缩机中最重要的功能组件，如果能实现对本体的快速设 计，就能大大改善整个压缩机的设计状况。所以本系统的开发将针对压缩机本 体的设计而进行的。 2 3 系统所要达到的目的 现阶段本系统的开发主要针对于沈鼓诸多压缩机产品中的2 m c l 系列压缩 机。通过本系统的应用，能快速完成2 m c l 压缩机本体的大部分设计工作，从 而达到提高设计速度，缩短设计周期。 本系统所要达到的目标主要如下： ( 1 ) 快速完成2 m c l 压缩机本体3 d 装配模型的设计； ( 2 ) 快速完成2 m c l 压缩机主要零部件3 d 模型图的设计； ( 3 ) 2 m c l 压缩机本体二维l ：