（机械设计及理论专业论文）曲轴智能化cadcam及其仿真.pdf

独创性申明 秉承祖阑优良道德传统和学校的严谨学风郑藿申明：本人所鬃交的学 位论文是筏拿人在导帮指导下进行的轿究工惟菔取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致跗的地方外，论文中不包禽其他人的研究成果。与我 一闷工作的同志对本文痧沱述的工作的任何贡献均已在论文巾作了明确的 说明井已致谢。 本论文及其相关资料若肖不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名l 喜接辑歹为据秘 保护知识产权申明 本人完全了解蕊蜜理工大学氨关椿护知识产权的规定，即：研究生程 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知汉产权属西安理工大学所有。 本人保汪：发表或使用与本论文柏关的成果时襞名单位仍然为画安理工夫 学无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有投保船本人秀 提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，町以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本沦文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：羔激持师签名：论文作者签名：乒k 姒持师签名： 毕p 声；孵目 摘要 论文题目：曲轴智能化c a d c a m 极兵仿兵 学科名称：机械设计及理论 论文作者：厘墓竖 签名虐卜_ 镬 导师：割扭f 数握)签名叠l 杰塑 f 答辩时间：2 0 0 5 年3 月 。 摘要 本文主要对曲轴进行了智能化c a d c a m 研究。应用p r o e n g i n e e r 软件及其二次开发技术，对曲轴实现智能化尺寸标注，并且通过 c a d c a m 之间的数据传送，实现数控机床的加工指令，完成c a d c a m 的 一体化。 本文的主要工作有：1 根据对曲轴的结构特征和加工特征的分析， 结合p r o e n g i n e e r 的功能和特点，建立了曲轴实体模型：2 以曲轴为 例探讨了轴类零件智能化技术尺寸标注的基本原理及专家知识，分析了 曲轴标注尺寸的有关因素和信息，建立了曲轴尺寸标注的知识库。应用 p r o t o o l k i t 程序开发技术，实现曲轴尺寸标注的智能化：3 利用 p r o n c 技术，通过c a d c a m 之间的数据传送，在计算机上动态地显示 其刀具的加工路径模拟和加工仿真，经后置处理生成n c 程序代码；4 通过对曲轴主轴颈和连杆轴颈车削加工的研究，应用p r o e n g i n e e r 完 成曲轴主轴颈和连杆轴颈车削加工的刀具路径模拟和加工仿真。 本文提出的智能化c a d c a m 的实现方法，为研究曲轴智能化尺寸标 注、p r o e n g i n e e r 数控加工技术以及其加工仿真技术，为智能化 c a d c a m 研究奠定了一定的基础。 关键词：智能化：c a d c a m ：知识库：尺寸标注：仿真：数控加工 a b s t r a c t i n t e l l i g e n t i z ec a d c a ma n de m u l a t e o fc r a n k s h a f t c a n d i d a t e ：! i 翌g 墨i 垦坠q 女 s i g n a t u r e s u p e r v i s o r ：l i uk a i s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h em a i n o b j e c t o fr e s e a r c hi n t h i s p a p e ri s t h e i n t e l l i g e n t i z e c a d c a mo fc r a n k s h a f t i tr e a l i z e si n t e l l i g e n t i z es i z em a r k i n go f c r a n k - s h a f tw i t hp r o e n g i n e e ra n di t ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y ， a n di m p l e m e n t sw o r k i n gi n s t r u c t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ea n d f u f i l sc a d c a m i n t e g r a t i o nt h r o u g h d a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n c a d c a m t h et a s ki n t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ：f i r s t l y , a c c o r d i n gt oa n a l y s i so f t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gf e a t u r e ，a n di n t e g r a t et h ef u n c t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i co fp r o e n g i n e e r ，t h ef u l l s c a l em o c k u po fc r a n k - s h a f t h a v es e tu p s e c o n d l y , i tp r o b e si n t ot h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n de x p e r t k n o w l e d g eo fi n t e l l i g e n t i z es i z em a r k i n go fs h a f tp a r t ，w h i c ht a k e st h e c r a n k - s h a f tf o rt h ee x a m p l e i ta l s o a n a l y s e s t h er e l e v a n tf a c t o r sa n d i n f o r m a t i o no fs i z e m a r k i n go fc r a n k - s h a f t ，k n o w l e d g eb a s e o fs i z e m a r k i n ge s t a b l i s h e d ，a n dr e a l i z e si n t e l l i g e n t i z es i z em a r k i n go fc r a n k s h a f t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fp r o t o o l k i tp r o g r a m t h i r d l y ，b ym e a n so fd a t at r a n s f e rb e t w e e nc a d c a ma n du t i l i z i n g p r o n ct e c h n o l o g y , i td y n a m i c a ld i s p l a y st h ep a t hd e m o n s t r a t i o no ft h e c u t t e ra n dw o r k i n ge m u l a t i o n ，g e n e r a t i n gc o d eo fn u m e r i c a lc o n t r o l w o r k i n ga f t e rs o m e t h i n gm u s tb ed o n eb yp o s t p r o c e s s o r f o u t h l y , i tf u l f i l s 西安理工大擘硕士学位论文 t h ep a t hd e m o n s t r a t i o no ft h ec u t t e ra n dw o r k i n ge m u l a t i o ni nl a t h ew o r k t h em a i nj o u r n a la n dt h er o dj o u r n a lo fc r a n k s h a f ta f t e rt h er e s e a r c ho n t h e mw i t hp r o e n g i n e e r t h i sp a p e rh a sp r o p o s e da ni m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fi n t e l l i g e n t i z e c a d c a m ，a n ds t u d i e di n t e l l i g e n t i z es i z em a r k i n ga n dp r o n ct e c h n o l o g y a n dw o r k i n ge m u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c ha l lb a s e do nt h ec r a n k s h a f t i t s e t su pc e r t a i nf o u n d a t i o nf o rs t u d i e si n t e l l i g e n t i z ec a d c a m k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t i z e ；c a d c a m ；k n o w l e d g eb a s e ；s i z em a r k i n g e m u l a t i o n ；n u m e r i c a lc o n t r o lw o r k i n g 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了智戆化c a d c a m 技术在国内外的发展状况，皴及稠 用计算机图形技术进行数控加工模拟在国内外的发展，阐述了本课题研 究的内容及其意义。 1 1 曲轴智能化c a d c a m 简介 曲轴楚汽车、拖拉撬发动机中最重要i 爵且承受受蘅最复袈懿零馋， 被称为发动机的心脏，其性能好坏直接影响汽车的寿命 1 】。发动机工作 对，燃气的压力、鞠轴组各零郝传运动所产生的惯性力和缨性力矩使曲 轴处于弯曲、扭转交变负荷状态。由于曲轴缑构复杂、刚性较差，在制 造过程中又受至冷热加工等备种因素的影响，因此，工彳乍状态的蓝轴各 部分应力分布是不均匀与交变的，尤其是在曲柄臂和过渡圆角部位会产 生严重的虚力集中。同时，曲轴的主轴颈、连秆轴颈及其轴承剐高速地 旋转运动造成磨损和发热烧损。所以，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂 和轴颈的严熏磨损，为了保证发动机正常可靠地工作，要求曲轴有足够 的强度、刚廑、耐磨性和平衡精度。目前，c i m s 已是研究的热点，其 中c a d c a m 集成是实现c i m s 的关键。 视械产品中，如何实现零件的c a d c a m 一律化集成系统是设计 者追求的目标。从工业发展进程来看，智能化趋势是机械工业发展的重 要方向。辅系零部件的智髭化c a d c a m 系统软 牛已在国内褥到应用， 该软件大大的提高了生产率，减轻了操作工人的负担，大大提高产品加 工精度和酶低藏本，弗使轴系零部俘囱着规范纯、标准优、系列诧方囱 发腱，并且提出了研制智能化c a d c a m 集成系统黧少面临的两大难 题 2 1 。恧在备种极械零件中，睦轴的形状和构造是比较复杂的，蝰轴是 汽车、拖拉机发动机中最重要而且是承受负荷最复杂的零件，在工作中 起整极其重要的作用，是发动机的重簧零俘，其质量的好坏决定着监车l l l 西安理工大学碛士学位论文 的工作性能和寿命，对其研究具有一定的代表性。因此，在曲轴的设计 过程中，必须对其进行智髭伍处理。 1 。2 智能化c a d c a m 在国内外的发展状况 为适应汽车工业尤其是轿车工业发展的需要，国外的智能化技术已 有了报裹的发震，随着智能能的程度越来越离，智能佬技本不仪广泛的 应用于工农业，也已涉及社会生活的备个方面。近年来，一些发达国家 不新搀高、新、尖技术应用型农业枧械上来，馒农业机械向智能纯发展。 与此同时，我国的机械工业技术也有了长足的进步，从工业发展进程来 看，智能佬趋势是机械工业发展的重要方向，其中主要的原因楚人工智 能技术的高度发展及其在工业界的广泛应用。特别是随著计算机技术的 高速发展，传统的机械制造业开始了樱本性变革，两数控技术又是其中 的关键技术。数控系统一改传统的、c n c 只做非智能的运动控制器封 闭式体系结构，在集成化基础上，数控系统实现了超游型、超小型化； 在帮能化基础上，数控系统实现高速、高精、高效控制，实现在线诊断 和甓能化故障处理；在网络化基础上，c a d c a m 与数控系统集成为一 体，机床联网，实现中央集中控制的群控式加工秘】。 我国轿车工业起步较晚，国内在曲轴智能化c a d c a m 相关技术 的研究与应用方面都非常薄弱。在内燃机的设计中，计算规作为一释辅 助工具主要用于有限元、优化设计等纯数值计算及交艇式图形绘制方 覆，对于肉燃橇及其零部传的概念设计、材料选择、凡何结构设计及设 计方案评价锌符号运算显得无能为力。以符号运算为特征的专家系统理 论体系韶实现方法正显端倪，它为计算机技术在内燃橇及其零部件的设 计提供了新的、非常有效的手段；另一方面，轴系零部件的智能化 c a d c a m 系统软 牛已在国埯菜厂使用了几年，大大驰提高了生产率， 减轻了操作工人的负担，大大提高产品加工精度和降低成本，并使产品 向麓规范纯、标准纯、系列化方向发震。武汉理工大学已对轴类零件智 2 第一章绪论 能化c a d c a m 进行了一定的研究【2 l 提出了研制智能化c a d c a m 集 成系统所面临的两大难题，其一是形状复杂的轴类零4 牛尺寸与公差的智 能化标注技术；其二是轴类零件的特征建模以及c a d c a m 之间的数 据传送，从两实现数控机床的加工指令，完成c a d c a m 豹一体他。 各种机械零件中，曲轴的形状和构造是比较复杂的，本课题以曲轴为例 来解决以上提出的秀太难题，困孺设计开发藏轴餐能他c a d c a m 意 义明显。 1 3 计算机仿真技术简介 艟着三维产品建模技术豹目臻完藩，运动仿龚越来越成为人们找替 或部分代替样机制作、工艺试验，以获取所需数据结果并最终完成对产 品麴性能测试及验证的有力的技术手段。蘧蓑电子计算桃技术的发展， 以计算机为主要工具的模拟仿真技术在二十世纪的后5 0 年中迅速发展 起来，成为工程技术领域计算机应用的重要方晦。尤其在航空航天、国 防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺 少的工具，它在减少损失、节约开发费用、缩短开发周期、提高产品质 量辞方面发挥了巨大作用。 为了实现零件豹造型和运动仿真，现在通常采用三种方法： 其一，怒开发专蛾的c a d 软件包实现特定系统或产品的运动仿真， 但由于开发过程中重复的工作做的多、工作量大、开发周期长，所以这 些工作一般由软件扦发商来完成。 其二，是利用具有真实感的应用软件进行三维实体的造型及运动仿 真。这方面的软件首推o p e n g l 和3 d s 。o p e n g l 楚s g i 公镯开发的 图形标准，它独立予操作系统，具有良好的跨平台移植能力，随着图形 显承硬件的发展，0 p e n g l 标准已经被丈多数的显示卡生产菊作为标 准，广泛的应用于图形可视化技术。但是由于该软件包含的图形函数的 数爨裙功能郝缀有隈，该软俘还无法梅选出耽较复杂的枫械零件图，段 3 西安理王大学磺士学位论文 丽在机械产品造型中应用并不广泛； 其三，是针对醴成熬软彳毕的二次开发技术。由于它较前二密所傲的 熏复工作鳖少，开发更具灵活性，璺霪要的是能最大程度的满足广大专 业用户的要求，蔽缓受中夺客户豹欢迎。在姿兹各类软件豹二次开发技 术中，a u t o c a d 的开发最其代表性并最为成熟。然而，随着c a d c a m 技术的不断成熟，三维实体造型技术已经成为c a d 支撑软 孛豹核心， a u t o c a d 因其实体造型方面存在的不足而无法满足当前c a d 发展的需 簧，相比较热u g 、p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 等实体造型软传因其其有 强大的建模、仿真功能而倍受青睐，并己成为c a d c a m 技术强大的 支持平台。所以对这类软佟进露二次嚣发具蠢很现实的意义。 1 4 本论文的研究意义及主要工作 1 4 1 本课题的研究意义 在机械产品中，如何实现零件高智能化的c a d c a m 一体化集成 系统是设计者追求的目标。在各种常用机械零件中，轴类零件的结构是 多种多样豹，有阶梯轴、花键轴、先轴、齿轮轴、蜗枰轴、滚珠丝秆辍 等等。除光轴之外，其它的各种轴往往同时又是阶梯轴，每个轴段的形 状又是手差万别的，设计开发轴类零锌智黢化c a d c a m 意义弱显。 而复杂形状的轴类零件尺寸与公差的智能化标注技术，轴类零件的特征 建模以及c a d c a m 之间煞数据传递，从蔼实现数控机床的加工指令， 完成c a d c a m 一体化，是研制智能化的c a d c a m 集成系统所面临 鲍诱大难越。兹辘在各种机攘零j 孛孛，其形状移构造的复杂性及在发动 机中的重要性，对曲轴智能化的研究具有一定的典型性。 另外，利用计算机图形技术对融编制的数控程序进行模拟加工演 示，可以检验数控程序的正确性和合理性，降低以往工艺试切方法所带 来的高消耗； 日高成本。开发功能完备、实用性强的数控加工过程模拟系 4 第一毒绪论 统是加工制造业急需解决的问题之一。德国、日本、瑞士等加工业发达 圈家已开发了众多豹数控热工模拟系统。国内的清华、华中理工大学等 单位也已开发出了具有一定实用性的数控加工仿真系统。开发此类系统 逶常采焉v c + + 编程语言，利用o p e n g l 图形番数艨，使三维实体模 拟图形的最示得以实现，需要较高的编程技术和较大的资源投入。采用 已有的三维c a d 造型系统p r o e n g i n e e r 作为加工模攘的显承乎台，可 以简化仿真系统设计的难度。同时，采用了产品设计过程中所产生的三 维真实设计图作仿真开始前的零件毛坯，故该方法还具有从产品设计到 加工生产奎过程的完全内部集成特性，适应了当前制造业的c i m s 高度 集成趋势。 1 4 2 本课题主要进行工作 实现零件的c a d c a m 一体化集成系统，已经成为设计者在机械 产品中的追求目标。轴系零部件智能化c a d c a m 系统软件已在国内 得到应用，该软件大大的提离了生产率，减轻了操佟人员的负担，大大 提高产品加工精度和降低成本，并使轴系零部件向着规范化、标准化、 系列佬方辩发展，籀时也提融了研制智能纯c a d c a m 集戒系统至少 面临的两大难题。本课题以曲轴为例来解决这两大难题，主要有以下的 内容： 1 曲轴的特征信息模型分析。针对发动机曲轴的结构和加工制造 特点，对其产品的结毒龟特征和鸯瑟工特征进彳亍分析。 2 曲轴的实体建模。曲轴的模型是在p r o e n g i n e e r 环境利用人机 交互方式建立的。它是曲辘智能化c a d c a m 礤究的重要依据。 3 曲轴加工尺寸标注的智能化研究。轴类零部件智能化技术标注 尺寸与公麓的基本原理及专家知识，在v c + + 6 0 环境下，对p r o e n g i n e e r 进行二次开发，建立曲轴的参数化尺寸驱动的特征庠和知识库：使用 m f c 的可视化对话摆设计技术，应用尺寸操作函数进行程序设计，生 5 西安a e - r 大学硕士学位论文 成尺寸对象对话框界面。正确建立设计参数与三维模型尺寸变量之间的 关联关系，利用关系式可以保证模型的草绘截两形状与特征满足定的 结构要求，可以避免在模型参数更改时出现异常情况，也可以创建新的 关系式，对相应的尺寸和参数进行约束。 4 曲轴c a m 的实现。以p r o e n g i n e e r 三维实体造型软件作为 c a d c a m 技术的支持平台，根据对l j r o n c 技术的研究，在装配方式 下建立曲轴的加工模型。并对其进行相应的制造设置，通过c a d c a m 之闻豹数据传送，在计算梳上动态的显示其刀具的船工轨迹窝形和热工 仿真，经后置处理，生成n c 程序代码。此过程将计算机控制技术引入 蘸辘的数控加工孛，潢是了鸯工精密程度豹要求，可鞋遴行加工豹运动 仿真，实时的、直观的再现加工过程并对其进行检测，以便更好的对加 工进行控制。 5 对曲轴的加工过程进行运动仿真。主震工作是：根据加工的要 求，在p r o e n g i n e e r 环境下建立蘸轴和切削刀具的三维模型。将采集的 数据送入p r o e n g i n e e r 中进行运算，再现加工过程。 6 第二章曲齄餐铭c a d c a m 基础 第二章曲轴智能化c a d c a m 基础 本章对曲轴和c a d c a m 授术进行分柝硪究，玄是实珑滴轴磐能 化c a d c a m 的基础。具体分析了曲轴结构特征和曲轴加工特征，建 立了曲轴的模型抠架。掇据对c a d c a m 技术的璎究，介绍了 p r o e n g i n e e r 软件的特征、p r o n c 技术和p r o e n g i n e e r 的二次开发技术； 将p r o e n g i n e e r 及其二次开发技术应用于蓝轴的实体建模，建立了趋敏 零件模型和其工件模型。c a d 和c a m 独立系统之间信息的自动传递和 交换的实现是智能化c a d c a m 集成系统的关键，怒智能化研究的重 要方向。 2 1 曲轴的特征信息模型分析 2 1 。1 曲轴结构特征分析 曲轴的作用是把活塞的往复运动转化为旋转运动，输出发动机的功 率。曲轴上密布羞大量的加工特援，蠢车、磨、铣、铱、攻、镗等，船 工工序上有淬火、回火及滚压、校直等相关步骤。曲轴按功能分为五大 块：鑫由端、主轴颈、遮杼颈、扇板、发信轮，如图2 1 示。 图中：i 、i i 、分别为第一至第四连杆颈；2 1 、2 2 、2 3 、2 4 、 2 5 分别为第一至第五主轴颈；w l 、w 2 、w 3 、w 4 、w 5 、w 6 、w 7 、w 8 分别为第至第八扇板h 1 。 7 西安理工天学硕士学位论文 b j 夸气w 芦j 南 l 汽弋：淞一始 图2 一l 曲轴结构 蘸轴一般由铸铁、锻造碳钢或球墨铸铁铡成，并经机械趣王，有较 好的强度和刚度，同时要避免产生弯曲或者其它变形。曲轴上对机械加 工要求较舞豹部分肖两处： 1 ) 主轴颈：为了保证曲轴始终工作在同一轴线上，并且在主轴承 上转动灵活，痒擦应尽可能她小，所以对主辘颈要求较高。主辜盘颈上的 油道孔，从连杆颈到主轴颈，用来润滑主轴颈和主轴承，减少它们之间 的摩擦，提离发动极的效率，但也增加了枫械的复杂度。 2 ) 连杆颈：它的主要作用是连接连杆。由于连杆颈处载荷较大， 敢褒求强度和刚度较高。为了减少摩擦，其上也有油道孑乙。 2 1 2 曲轴加工特征分析 通过对曲轴特征分析，荫轴加工特征之间存在着以下几种联系： 1 ) 从属关系：分为两种，一种是不同种类的特征之间的先后关系， 例壹，先加工面类特征，后加工孔类特征：另一种是相同种类的特征之 间的先后关系，例如，在某个孔特征加工过程中，先钻孔后铰孔； 2 ) 联系关系：反映囝形状豹特桎之闯只有相互经置联系，箍没 有先后、主从之分，例如，赢列的4 个气缸孔之问： 3 ) 基壤关系：描述在辊城加工中各特征的热工基准，例如，先船 工定位孔，其它特征的位置由定位i l 作为基准来确定； 4 ) 包含关系：童要是攒毛坯和加工特征之闯的关系a 8 第二章靳轴智能他c a d c a m 基础 根据发动机曲轴的结构和加工特点f 5 l ，并以p r o e n g i n e e r 的造型方 法为依据，将翻造褥 正分巍：a ：孔类；b ：嚣类，包播：a ：平西特短； b ：圆柱面特征；c ：槽类；( 见表2 - 1 ) 表2 - 1 曲轴典型的制造特征表 特征类型加工位置加工类型 瑟类：强柱西发信轮台除，辘头 车耩磨 平面轴头平面曲轴的两端面铣 第一、第八扇叛外端 车 第一主轴颈井端 垒 质量中心孔油邋孔 钻 琵类 滚针辘承孔 锺 螺纹孔攻 第一至第五主轴颈及退刀槽 生 糖类第一至第嚣连抒颈及潺刀槽 车 键槽铣 2 1 。3 鏊轴模型框絮： 根据对发动机曲轴的结构特征和加工特征进行分析，可以建立艘轴 的模型框架如图2 2 所示。 图2 - 2 曲轴模型框架 9 西安理工太学硕士学位论文 2 2p r o e n gin e e r 及其二次开发 2 2 1p r o e n g i n e e r 软件核心技术及其主要特性 p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p t c ) 开发的三维软件，是新 一代c a d c a m c a e 软件，它具有基于特征、全参数、全相关、单一 数据库的特剧6 1 。其核心技术如下： 基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其 所有尺寸存为可变参数，进而形成实体，以此为基础进行更为复杂的几 何形体的构造。 全尺寸约束：将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束来实现对 几何形状的控制。 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 全数据相关：尺寸参数的修改导致其他相关模块中的相关尺寸得到 全盘更新。 p r o e n g i n e e r 是一套可以灵活配置的软件包，包括了在工业设计和 机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、 制造、产品数据管理等。其主要特性如下： 3 d 实体模型( s o l i d m o d e l ) ：3 d 实体模型可以将用户的设计思想 以最真实的模型在计算机上表现出来，借助于系统参数，用户可以随时 计算出产品的体积、面积、质量、惯性大小等，以了解产品的真实性， 并补充传统面结构、线结构的不足。 单一数据库( s i n g l ed a t a b a s e ) ：p r o e n g i n e e r 可以随时由3 d 实体 模型产生2 d 工程图，且能自动标注工程图尺寸。不论在3 d 还是在2 d 图形上做尺寸修改，其相关的2 d 图形或者3 d 实体模型均自动修改。 同时装配、制造等相关设计也自动修改，这样可以保证数据的准确性， 并且避免了反复修正的耗时性。 1 0 第二章曲轴智能化c a d c a m 基础 特征作为设计的单位( f e a t u r e b a s e dd e s i g n ) ：p r o e 以最自然的思 考方式从事设计工传，妇孔、开槽、圆角等均被视为零 牛设计的基本特 征，以特征作为设计的单元，可随时对特征做合理的、不违反几何顺序 的谶整、插入、删除、重新定义等修正动作。 参数式设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ：配合单一的数据库，所有设计 过程中所使用的尺寸都存储在数据库中，修改c a d 模型及工程图不再 是一件难事。设计者只需要更改3 d 零件的尺寸，则2 d 工程图、3 d 装 配、模具等就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，以达到设计修改工 作的一致性，避免发生人为改圉的疏漏情形，虽减少人为改图的时间和 精力消耗。 2 2 2p r o n c 技术 在竞争激烈的现代社会，涮造业箍藕的挑战丑益增大，依靠单纯豹 手工操作，已经无法满足小批爆、高精度、高复杂性的任务。数控加工 ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术岛诞生以来，在麴工裁造韭巾显示毒强大的 生命力和广阔的应用前景。应用数控加工技术，有如下优点：加工精度 高：船工对象的适应瞧强：有效控制加工时间；减轻劳动蠹的劳动强度， 减少操作误差；有利于生产管理的自动化。 p r o e n g i n e e r 是羁煎广泛应用的c a d c a m 集成软件，它提供了产 品设计的各种辅助功能模块，在加工制造方面，也具有强大的功能。用 户在产品设计制造生产的全过程，均能有效地提高生产效率，减低生产 成本，控制产品质量，适应快速多变的市场需求。 p r o n c 是p t c 公司提供的数控制造加工模块，凭借p r o e n g i n e e r 完全相关性的设计理念，用户可以利用产品几何模型的资源( c a d ) ， 配合n c 加工中必要的各种信息，如毛坯、夹具、机床、刀具等，设置 加工方式及备种参数，完成产品制造工艺过程( c a m ) f 7 】。 西安理工大学硕士学位论文 2 2 3p r o t o o l k i t 程序设计技术 p r o t o o l k i t 是美国p t c 公司为p r o e n g i n e e r 软件提供的开发工 具包，其主要目的是让用户通过c 程序代码扩充p r o e n g i n e e r 系统的功 能，开发基于p r o e n g i n e e r 系统的应用程序模块，从而满足用户的特殊 要求。不仅如此，还可以利用p r o t o o l k i t 提供的u i 对话框、菜单以 及v c 的可视化界面技术，设计出方便实用的人机交互界面，从而大大 的提高了系统的使用效率【8 1 。 p r o t o o l k i t 工具包提供了开发p r o e n g i n e e r 所需的函数库文件 和头文件，使用户编写的应用程序能够安全地控制和访问p r o e n g i n e e r ， 并可以实现应用程序模块与p r o e n g i n e e r 系统的无缝集成【9 l 。 2 3 曲轴的参数化特征建模模块 2 3 1 曲轴的参数化特征分析 从曲轴零件的完整性来看，特征可分为形状特征( 描述一定工程意 义上的功能几何形状信息) 、精度特征( 描述零件的形状、位置、尺寸和 租糙度等信息) 、材料特征( 描述零件材料的组成和条件) 、技术特征( 描 述零件的性能、功能) 和管理特征( 描述零件的管理信息) 。系统中根据实 际表达的需要，将技术特征和精度特征合并为工艺信息特征来表示；而 管理特征和材料特征归属于管理信息模型。形状特征由曲轴前端、主轴 颈、连杆轴颈、曲柄臂和法兰端等构成。并为此设计了前端模块( 三种) 、 主轴颈模块、连杆轴颈模块、盐柄臂模块和后法兰端( 两种) 模块，这些 程序模块可以相互交叉衔接，任意组合，从而生成形状各异的任意缸数、 曲柄布置各异的曲轴工程图，满足不同用户的设计要求。另外，系统设 置开放接口以增强系统的适应性和可扩充性，供用户向特征库添加用户 自定义特征f 5 j 。 1 2 第二章曲轴智能化c a d c a m 基础 在选择相应的特征后，系统弹出所对应的特征样图窗口，并以特征 库将该特征的几何及非几何属性参数项列出，供用户交互输入；在特征 定位后弹出零件特征构成示意图，供用户判别零件模型的正确性。 2 3 2 主轴颈、连杆轴颈、前轴端、法兰端的造型 对主轴颈、法兰端、连杆轴颈和前端等回转体，由于其特征完全取 决于形状参数，如主轴颈形状由直径和长度决定。因此，系统对这些特 征采用强调过程的图形参数化方式。具体实现方法是，把它们看成二维 轮廓曲线经旋转一周或者二维端面伸长而形成的描述体。特征库中的参 数化图形定义的只是一个设计原形，在给定参数后才能生成相应的图 形。因此具有较大的可变异性，开发较为方便。 2 3 3 曲柄的造型 对于曲柄，总结其轮廓形状有以下特点：( 1 ) 曲柄轮廓线条中存在 多个圆弧和多条直线相切的任意组合，即其拓扑关系是不确定的：( 2 ) 大部分线条都是由弧弧相切及弧线相切而成：( 3 ) 基本的线素只是直线 和圆弧( 为了模具加工和计算的方便) 。因为曲柄臂形状在很大程度上取 决于截面轮廓与产生方法，其拓扑关系是不确定的。针对这一特点，采 用两种方法对曲柄参数化进行造型。对于常用的性能较好的曲柄形状在 系统中采用从修改尺寸参数来达到完全参数化辅助设计的目的，但是这 种图形参数化方法要通过编程手段来实现，对已编模块修改困难，不具 备柔性，对于类比设计或创新设计显然不是很适用。因此，系统中特制 用户自定义模块，提出一种基于二维组合图素的参数化处理方法。 1 3 西安理工大学硕士学位论文 2 4p r o e n g i r e e f 环境曲轴的实体建模 2 4 1 一般人机交互方式建模 p r o e n g i n e e r 最主要的功能是进行参数化的零件造型设计。零件是 由一个一个特征组成的，特征是零件的基本单元。p r o e n g i n e e r 以特征 作为产品几何造型建构及数据存储的基础。构造零件的过程，就是设计 一个一个特征的过程。在p r o e n g i n e e r 中，有四种最基本的构造零件方 法：即：伸长( e x t r u d e ) 、旋转( r e v o l v e ) 、扫掠( s w e e p ) 、混成( b l e n d ) 。 伸长( e x t r u d e ) ，即在某个平面上绘制一个截面，让该截面沿着垂直于 绘图平面的方向生长一个深度，从而得到的几何造型称为伸长特征，其 方法称为伸长。 曲轴模型的建立主要使用的是伸长方式开始产生特征，通过定义属 性( o n es i d e 或b o t h s i d e s ) 、指定绘图平面( s k e t c h i n gp l a n e ) 、指 定特征伸长方向( d i r e c t i o n ) 、指定草绘参考面、定义尺寸参考面 ( r e f e r e n c e ) 、定义截面伸长深度等实现实体建模【1 0 】。 基于上述分析研究，选择p r o e n g i n e e r 为基础环境进行曲轴的产品 建模，其流程为：零件特征定义与分析建立材料特征一一形状特征 造型一一建立精度特征，其中后三步均在p r o e n g i n e e r 软件中完成。曲 轴模型如图2 3 示，曲轴的加工模型如图2 - 4 示。 2 4 2p r o t o o l k i t 应用程序建模 p r o t o o l k i t 是基于p r o e n g i n e e r 系统的应用程序模块，是在 v c + + 6 0 环境下对p r o e n g i n e e r 的二次开发，其采用面向对象的程序设 计方法，在p r o e n g i n e e r 和应用程序之间主要是通过特定的、只能通过 p r o t o o l k i t 提供的函数来访问的数据结构来传递信息，使用户编写 的程序能够安全地控制和访问p r o e n g i n e e r ，并可以实现应用程序模块 1 4 第二章曲轴智能纯c a d c a m 基础 - qp r o e n g i n e e r 系统的无缝榘成。在这种方式下曲轴模型的建立，是通 过在v c 6 0 强境下编麓关予整辘懿藏雳程痔莠疲p r o e n g i n e e r 嚣麓 下调用该程寄，生成曲辅的模型一1 。 2 5 小结 图2 - 4 曲轴正件图 c a d 和c a m 独立系统之间信息的自动传递和黛换的实现是智能 化c a d c a m 集成系统的荚键，是智能化研究的重骚方向。本文农对 裁镶帮c a d c a m 技术透弦了分拆磺究，楚实疆鏊孽鸯餐缒讫c a d c a m 的基础。主要结论如下： 对曲轴的络构特征和加工特征进行分析，建立了曲轴的模型框架； 5 西安理工大学硕士学位论文 根据对c a d c a m 技术的研究，介绍了p r o e n g i n e e r 软件的特征、 p r o n c 技术和p r o e n g i n e e r 的二次开发技术： 将p r o e n g i n e e r 及其二次开发技术应用于曲轴的实体建模，建立了 曲轴零件模型和其工件模型。 1 6 第三章曲轴尺寸标注的智能化 第三章曲轴尺寸标注的智能化 本章阐述了轴类零件智能化技术标注尺寸与公差的基本原理及专 家知识，并以曲轴为例，针对发动机曲轴的结构和加工制造特点，对其 产品的特征进行分析研究，并以p r o e n g i n e e r 作为基础软件环境，应用 p r o t o o l k i t 程序开发技术，在v c + + 6 0 环境下，对p r o e n g i n e e r 进 行了二次开发，对建立曲轴的参数化尺寸驱动的特征库和知识库进行了 研究；使用m f c 的可视化对话框设计技术，应用尺寸操作函数进行程 序设计，生成尺寸对象对话框界面。正确建立设计参数与三维模型尺寸 变量之间的关联关系，利用关系式可以保证模型的草绘截面形状与特征 满足一定的结构要求，从而可以避免在模型参数更改时出现异常情况。 同时可以创建新的关系式，对相应的尺寸和参数进行约束。该列表控件 列出了当前模型非关系式驱动的所有尺寸对象符号名、尺寸数值和尺寸 文本。可以在列表中选项修改尺寸值和尺寸文本，以再生模型或者添加 新的约束关系式。 3 1 曲轴智能化尺寸标注的有关问题 3 i 1 智能化技术标注曲轴的尺寸、公差的基本原理 1 曲轴零件工作图需要标注的尺寸有直径尺寸，轴向尺寸，键槽， 孔，倒角，圆角，锥度，环槽等多种尺寸。为了方便尺寸的布局，可以 按照一般的习惯，规定曲轴的各类尺寸标注在图纸的不同位置。 2 曲轴各轴段的直径尺寸分散的标注在各段轮廓内或者轮廓的两 侧。 3 曲轴外廓的轴向尺寸，空刀槽、环槽、键槽的位置和长度尺寸， 基准，轴端面的形位公差与粗糙度等标注在主视图的下方。 7 西安理工大学硕士学位论文 4 曲轴外廓的倒角、圆角、锥度，圆柱表面的形位公差与粗糙度等 标注在图形的上方。 键槽的截面尺寸按统一模式标注在横截面图上，砂轮越程槽、钉孔、 油 l 等需要局部放大表示的部分，其尺寸标注在局部视图上。 在这里，智能化技术所解决的问题是决定曲轴的一些必须标注尺寸 的标注位置，使得尺寸标注在符合国家制图标准的前提下，尺寸与轮廓、 尺寸与尺寸之间互不干涉，使整个图纸的尺寸布局清晰、美观。为了对 曲轴的各类尺寸采用智能技术实现自动标注，首先要对尺寸标注的环境 进行描述，包括标注各轴段本身和与其相邻轮廓段的形状特征：标注各 轴段本身的尺寸大小和与其相邻轮廓段尺寸大小的对比关系；标注段与 基面的关系等等。 将曲轴各尺寸标注的环境描述与相应对策编成规则库。曲轴的零件 图形在屏幕上生成后，根据曲轴各尺寸的环境描述，搜索规则库，从中 得到对策。如出现环境描述不足以确定尺寸标注的方法，相应的对策规 定解决途径要变化，并再一次搜索规则库，如此反复直到满足。曲轴规 则库的建立可借助于各尺寸的关系数据库。这种规则是顺序式的，搜索 总是从第一条开始，依次类推的，其中只要有一条满足，即会停止搜索。 因此，在拟订规则库时，应将优先考虑的情况或者较为特殊的环境描述 放在前面。 3 1 2 曲轴标注尺寸的有关因素分析 1 ) 对于曲轴，由于轴段较多，为使尺寸比较紧凑，应尽力将径向 尺寸标注在目标段内。但为了避免干涉，在目标段内必须有足够的空白 区。这个空白区的高度必须大于尺寸与公差所占字长，宽度不小于尺寸 与偏差值所占字高。 2 ) 如目标段内找不到合适的空白区，则按规则选定合适的方向逐 段找；如各段均无合适的空白区，则将尺寸标注在轮廓外侧。 1 8 第三章曲轴尺寸标注的智能化 3 ) 在有键槽的目标段内标注直径尺寸时，允许尺寸覆盖部分键槽 的轮廓，但必须用b r e a k 命令或者t r i m 命令对该键槽轮廓实行部分 擦除或切割。 4 ) 对于轴向尺寸，为了各料方便，曲轴的总长必须标注；为了减 少装配尺寸链的环数，各尺寸基准面之间应标注距离尺寸；从加工方面 考虑，空刀槽宽度必须标注；由于结构和工艺性要求，某些轮廓之间的 轴向尺寸必须标注。 5 ) 为了防止尺寸冗余，在尺寸链环内应留有开口段，并将其设在 尺寸精度要求低的非重要区段。 6 ) 各尺寸标注应有合理的层次，小尺寸在内，大尺寸在外，以避 免尺寸线的相互交叉或重叠。 7 ) 对于距离较小，尺寸与公差无法标注在两尺寸界线内的情况， 若是径向尺寸，则在尺寸上界线的上方找空白区；若是轴向尺寸，则在 尺寸界线的两侧找空白区，如仍不满足，则在上下方向寻找。 8 ) 标注时应避免尺寸线的相互交叉或者重叠，避免尺寸值与轮廓 干涉或者与相邻尺寸标注干涉。 3 1 3 曲轴尺寸信息分析 曲轴所要标注的尺寸类型很多，可以从基本标注、半标注、成组标 注、引出标注四个方面来分析，在不同的情况下，有不同的标注要求。 纵观现有的c a d 系统，尺寸标注大多向两个方向发展：其一，标注功 能齐全，能满足通常的制图要求；其二，标注界面宜人，操作方便。但 是，前者往往菜单满屏，令人眼花缭乱：后者往往功能不全，无法适应 工程要求。一个合理的尺寸标注方案无疑是寻求两者的完美结合的重要 基础。 本文结合图形识别、标注规则处理等技术，将尺寸标注类型分为： 基本标注、半标注、成组标注及引出标注，如图3 1 所示。基本标注包 1 9 西安理工大学硕士学位论文 括直线尺寸、圆尺寸和圆弧尺寸等；半标注是指对于对称图形只画出一 半或者大于一半时用来标注对象整体的方法，在曲轴剖面图中的圆弧尺 寸的标注采用较多；曲轴的轴向尺寸的标注，大都采用成组标注中的基 准标注和连续标注，轴向尺寸标注由同基准出发，多个相关尺寸依次 标注；引出标注多用于倒角的标注和曲轴的轴端带有