（机械制造及其自动化专业论文）基于特征的汽车同步器三维参数化cad系统的研究与开发.pdf

中文摘要 c a d 技术的广泛应用有效地提高产品与工程技术水平、降低消耗、缩短产品 开发周期，成为大幅度提高劳动生产率和产品质量的重要手段。c a d 技术及其应 用程度己成为衡量一个国家科技现代化和现代制造业水平的重要标志。为推动制 造业信息化发展，8 6 3 计划现代集成制造系统技术主题设立了数字化设计与制造 系统专题。在数字化设计与制造的过程中，首先要实现产品与工程的数字建模， 而三维c a d 作为产品信息的数据源头成为整个数字化设计制造系统的核心，因此 研究基于特征的三维数字化建模技术，具有广泛的工程实际意义。 本文着重研究了以下内容： l ，研究了s o l i d w o r k s 环境下汽车同步器产品中关键零件的精确造型。在 s o l i d w o r k s 环境下研究了渐开线齿形等三维造型技术难点，解决了结合齿圈等 关键零件的精确造型问题，创建了关键件三维模型库。 2 基于特征的参数化建模技术的研究。以参数化思想为指导，研究了基于特 征的参数化建模方法，实现了关键件三维模型的自动生成；将基于特征的产品建 模应用到三维特征模型中，为c a e c a p p c a m p d m 的集成奠定了基础。 3 基于特征的新产品开发设计的研究。对不同类型的汽车同步器产品进行了 细致的分析，建立了设计特征库，支持基于特征的产品设计开发。为企业提供了 一种设计开发新产品的平台，加强了产品设计对特征的继承和再利用。 4 深入研究了s o l i d w o r k s 二次开发关键技术。采用面向对象的思想，利用 s o l i d w o r k s 的二次开发工具a p i 和v b 高级语言实现了用户应用程序与 s o l i d w o r k s 之间的无缝集成。开发了友好的用户界面。 5 在上述理论和关键技术的支持下，开发了汽车同步器三维参数化c a d 系 统。该系统集成性好、数据传输快、实用性强。 关键词：c a d 特征参数化三维建模二次开发 a b s t r a c t n ew i d ea p p l i c a t i o no fc a dt e c h n o l o g yw h i c hi m p r o v e st h ep r o d u c t sa n d p r o j e c te n g i n e e r i n gl e v e l ，l o w e r sc o n s u i t l l 吐i o n ，a n ds h o r t e n sp r o d u c t sd e v e l o p m e n t c i r c l ee f f e c t i v e l y , b e c o m e st h ei m p o r t a n tm e a n st oi m p r o v el a b o rp r o d u c t i v i t ya n d p r o d u c tq u a l i t yb yal a r g em a r g i n 1 1 1 ed e g r e eo fc a dt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nh a s b e c o m ea l li m p o r t a n ts i g nt ow e i g hm o d e r n i z a t i o no fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n d l e v e lo fm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi nan a t i o n a l r e a d y f o rd r i v i n gt h e m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n l i z a t i o n ，8 6 3p l a nt h em i st e c h n i q l d et o p i ch a ss e tu pt h e s u b j e c to fd i g i t a ld e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m i nt h ec o u r s eo fd i g i t a l d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，f i r s ti st or e a l i z et h ed i g i t a lm o d e l i n go fp r o d u c ta n d e n g i n e e r i n g w h i l e 3 di st h ec o r eo fw h o l em i sf o ri tt ob e c o m et l 岛p r o d u c t i n f o r m a t i o n sd a t ah e a d s t r e a m ，t h u st h er e s e a r c ho n3 dd i g i t i z a t i o nm o d e l i n g t e c h n o l o g yh a st h ea c t u a le n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e t h em a j o rc o n t e n to f t h i sp a p e ri ss u m m e da sf o l l o w ： 1 1 1 1 ea c c u r a t em o d e l i n go f t h ek e yp a r ti nt h ea u t o m o b i l es y n c h r o n i z e rp r o d u c t s i ss t u d i e du n d e rs o l i d w o r k s t e c h n o l o g i c a ld i f f i c u l tp o i n t so ft h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lh a v eb e e ns t u d i e ds u c ha st h ei n v o l u t et o o t hs h a p e ，e t c u n d e rt h ee n v i r o n m e n t o fs o l i d w o r k s ，t h ea c c u r a t em o d e l i n go ft h ek e yp a r ts u c ha sc o m b i n e dt o o t hh a sb e e n s o l v e da n d3 dm o d e ld a t a b a s eo fk e yp a r t sh a sb e e ns e tu p 2 t os t u d yp a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nf e a t u r e r e g a r d i n g p a r a m e t e r i z a f i o nt h o u g h ta sg u i d e l i n e s ，p a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i n gm e t h o db a s e do n f e a t u r eh a sb e e ns t u d i e da n dt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no f3 dm o d e lo fk e yp a r t sh a s b e e nr e a l i z e d a f t e ra p p l y i n gt h em o d e l i n go fp r o d u c t sb a s e do nf e a t u r et ot h e t h r e e d i m e n s i o n a lf e a t u r em o d e l ，t h ef o u n d a t i o no fc a e c a p p c a m p d mh a sb e e n e s t a b l i s h e d 3 t os t u d yd e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t sb a s e do nf e a t u r e h a v ec a r r i e do n c a r e f u la n a l y s i st ot h ed i f f e r e n tk i n d so fa u t o m o b i l es y n c h r o n i z e rp r o d u c t s ，t h ef e a t u r e s t o r e h o u s eo fd e s i g n i n gh a sb e e ns e tu pa n di tc o u l ds u p p o r tt h ep r o d u c td e s i g na n d d e v e l o p m e n tb a s e do nf e a t u r e a k i n do fn e wp l a t f o r mo fp r o d u c td e s i g na n d d e v e l o p m e n th a sb e e no f f e r e d f o re n t e r p r i s ea n di n h e r i t i n ga n dr e u s i n gf e a t u r eo f p r o d u c td e s i g ni ss t r e n g t h e n e d 4 f u r t h e rr e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s a d o p t i n gt h et h o u g h to fo b j e c t o r i e n t e da n dm a k i n gu s eo ft h es e c o n d a r yd e v e l o p i n g t o o l sa p ia n dv b ，t h ec l o s ei n t e g r a t i o nb e t w e e na p p l i c a t i o n p r o g r a ma n ds o l i d w o r k s w a sr e a l i z e da n df r i e n d l yc l i e n ti n t e r f a c ew a s d e v e l o p e d 5 s u p p o r t e db ya b o v e - m e n t i o n e dt h e o r i e sa n dk e y t e c h n o l o g y , t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z a t i o nc a d s y s t e mo fa u t o m o b i l es y n c h r o n i z e rh a s d e v e l o p e d t h i ss y s t e mh a sg o o di n t e g r a t i o n ，r a p i dd a t at r a n s m i s s i o na n ds t r o n g p r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：c a d ，f e a t u r e ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，3 dm o d e l i n g ，s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘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了谢意。 学位论文作者签名：二毓恼 签字日期：讪岁年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘璺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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i l 吖硌 导师签名 珈及 签字日期：和洱月忙日签字日期：b 步年月仁r 茎兰查堂堡主兰竺堡苎 塑二兰竺堕 i ic a d 技术的应用与发展 第一章绪论 i i 1c a d 技术在我国的应用现状 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 是一项集计算机 图形学、数据库、网络通讯等计算机知识和相关应用领域知识于一体的技术，是 先进制造技术的重要组成部分。自2 0 世纪6 0 年代第一代c a d 商品化软件问世以 来，c a d 技术已广泛地应用于机械、电子、航空、汽车、轻工、纺织等各个产业 领域，成为提高产品与工程技术水平、降低消耗、缩短产品开发周期、大幅度提 高劳动生产率和产品质量的重要手段。c a b 技术及其应用程度己成为衡量一个国 家科技现代化和现代制造业水平的重要标志“1 。 我国c a d 技术的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，当时仅有少数大型企业和科研 单位及部分高校参加，进展速度很慢。近年来，由于改革开放和国外市场激烈竞 争形式的不断发展，c a d 技术在我国的应用和普及已经取得了一定的成绩，但仍 存在着很多问题和不足，主要表现在以下几个方面： 1 仅将c a d 作为辅助绘图工具。1 。目前国内的很多企业对c a d 的应用只是将 用手工出图转变为计算机出图，而要真正发挥c a d 的作用，设计时不仅需要 产品的机械模型，还需要对产品进行结构分析、运动机构仿真和生产加工处 理等0 1 。要做到这点，单凭二维设计是不够的，因为传统的制图方法是通 过二维视图来描述三维实体“1 ，所以必须采用三维软件。 2 c a d 软件不能真正发挥作用。一些经济效益好的企业从国外引进一些成套 的功能强大的c a d 系统，这对我国c a d 技术的水平是十分有用的。但许多企 业投巨资引入c a d ，购置了当时较为先进的工作站、小型机系统，却大多数 都束之高阁，或是不能充分发挥其作用，结果造成大量人力、物力的浪费。 3 自行开发的三维c a d 软件还不够完善。2 0 世纪7 0 年代中后期，国内依托 清华大学、华中理工大学、浙江大学等高校跟踪国际先进水平，已经推出许 多商品化c a d 软件。在二维软件方面，无论是自主平台的c a d 软件，还是基 于国外优秀平台软件的二次开发软件( 主要是基于a u t o c a d ) 都取得了不菲 的成绩；在三维软件方面，也已推出了许多成型的三维c a d 软件“3 。国内这 些软件虽也具有相当的水平，但在设计的引导、混合建模、参数化、变量化 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 设计能力和商品化程度等方面还需要进行深入的研究开发，在功能和实用性 方面尚需做更多的工作0 1 。 4 产品和零部件的标准化不足。由于标准化工作做得不好，越来越多带有 个性化设计的零件流入生产流程，造成零件数量的无限制增长。若注重产品 和零部件的标准化工作，在对一个零件开始设计时，就可以通过快速的查询 和浏览，寻找出是否具有同类或相似件。 5 集成化程度不高。c a d c a p p c a m c a e 的集成度不够，模型信息、设计信 息和加工信息之间的麸享程度低。 6 缺乏完善的数据管理系统和过程管理系统。由于缺乏完善的数据管理和 过程管理工具，企业的大量数据和设计过程得不到有效地控制和管理，使设 计任务间的等待时间加长，各部门之间的信息传递速度缓慢，数据致性差， 安全性差”1 。 c a d 的应用和普及推动了我国工业自动化的进程，随着计算机硬件水平的飞 速发展和技术的不断进步，三维c a d 技术以其突出的优越性，迅速成为c a d 业的 主流。业内人士认为，国内企业在完成c a d 绘图以后，二维向三维转化已是大 势所趋。而鉴于国内三维成熟c a d 软件的不足，企业更倾向于利用国外优秀三维 c a d 平台进行二次开发，以满足企业的个性化需求。 1 1 2c a d 技术发展趋势 c a d 技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生 产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，c a d 技术的发展趋 势主要表现在以下几个方面： 集成化。是指以工程数据库为核心，以图形系统和网络软件为支撑，遵 循产品数据接口标准和图形接口标准，实现不同的硬件平台之间、不同 的网络结构之间、不同的操作系统之间、不同的应用程序之间的集成9 1 ， 即以三维c a d 为基础的c a d c a p p c a m c a e 集成技术。三维c a d 为产品设 计创造了个新的空间，使设计更加符合实际设计过程，三维造型系统 具有相对丰富的属性，能方便地将设计与分析、工艺和辅助制造系统相 联接，成为实现c a d c a p p c a 彤c a e 集成的基础。因此，以三维c a d 为基 础的集成技术已成为国内外软件厂商发展的重点，而实现 c a d c a p p c a m c a e 技术的一体化，关键在于建立基于特征的、反映产品 生命周期信息的三维模型、开发基于产品模型的c a d 系统“。 支持创新设计。创新是产品设计的灵魂。创新设计的核心是领域设计知 识、设计经验在设计各个阶段的应用n “。一个新系统的产品开发可能会 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 承袭8 0 的老产品的成果，因此创新需要应用产品的领域设计知识和经 验，也需要运用发明创造方法学等进行设计原理的创新，更需要综合运 用人们已经积累的各种设计资源。以三维c a d 为基础的数字化技术是实 现创新设计的基础。 支持协同设计。随着工业经济时代的发展，企业跨地域经营、集团化和 联合协作已成为企业迅速发展的有效途径。今天在发达国家制造业企业 在新产品的开发过程中往往有4 0 啄。7 0 的工作是与其它企业和合作伙伴 合作完成的。设计制造的协作已成为重大的社会需求。协作的核心是产 品全生命周期的数据管理，它要以三维c a d 为基础。 知识驱动。2 1 世纪是知识经济时代，产品的知识含量成为企业竞争的焦 点。基于知识的工程( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，简称k b e ) 正 是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法和设计决策自动 化的工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径。k b e 将成为下一代 c a d 技术的核心。 个性化。对于c a d 软件供应商来说，c a d 软件的通用性可以使c a d 产品 占领更广阔的c a d 用户市场。而对于c a d 具体用户来说，又希望c a d 软 件个性化，即具有更强的针对具体产品的设计功能。因此，对已有的c a d 系统进行二次开发成为企业提高设计能力的重要手段。 1 1 3c a d 建模技术的发展过程 三维c a d 建模技术是c a d 的核心技术建模技术的研究、发展和应用就代表 了c a d 技术的研究、发展和应用“。 从1 9 世纪6 0 年代到2 0 世纪9 0 年代，c a d 技术迅速发展并经历了四次技术 革命：曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术及变量化技术“。 曲面造型技术 2 0 世纪7 0 年代飞机和汽车工业的蓬勃发展给三维c a d 带来了良好的机遇， 法国达索飞机制造公司在二维绘图系统c a d c 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 ，标志若计 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，首先实现 以计算机完整描述产品零件的主要信息。曲面造型技术带来了第一次c a d 技 术革命。 实体造型技术 由于曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特 性，如质量、重心、惯性矩等，对c f i e 十分不利。s d r c 公司于1 9 7 9 年发布 天津大学硕士学位论文 第章绪论 承袭8 0 的老产品的成果，因此创新需要应用产品的领域设计知识和经 验，也需要运用发叫创造方法学等进行设计原理的创新，更需要综合运 用人们已经积累的各种设计资源。以三维c a d 为基础的数字化技术是实 现创新设计的基础。 支持协同设计。随着工业经济时代的发展，企业跨地域经营、集团化和 联合协作已成为企业迅速发展的有效途径。今天在发达国家制造业企业 在新产品的开发过程中往往有4 0 7 0 的工作是与其它企业和合作伙伴 合作完成的。设计制造的协作已成为重大的社会需求。协作的核心是产 品全生命周期的数据管理，它要以三维c a d 为基础。 知识驱动。2 l 世纪是知识经济时代，产品的知识含量成为企业竞争的焦 点。基于知识的工程( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ，简称k b e ) 正 是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法和设计决策自动 化的工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径。k b e 将成为下一代 c a d 技术的核心。 个性化。对于c a d 软件供应商来说，c a d 软件的通用往可以使c a d 产品 占领更广阔的c a d 用户市场。而对于c a b 具体用户来说，又希望c a d 软 件个性化，即具有更强的针对具体产品的设计功能。因此，对己有宙勺c a d 系统进行二次开发成为企业提高设计能力的重要手段。 1 1 3c a d 建模技术的发展过程 三维c a d 建模技术是c 加的核心技术，建模技术豹研究、发展和应用就代表 了c a d 技术的研究、发展和应用“。 从1 9 世纪6 0 年代到2 0 世纪9 0 年代，c a o 技术迅速发展并经历了四次技术 革命：曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术及变量化技术“。 曲面造型技术 2 0 世纪7 0 年代飞机和汽车工业的蓬勃发展给三维c a d 带来了良好的机遇， 法国达索飞机制造公司在一维绘图系统c a d c 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y - - 维曲面造型系统c a t i a ，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，首先实现 以计算机完整描述产品零件的主要信息。曲面造型技术带来了第一次c a d 技 术革命， 实体造型技术 由于曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特 性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分小利。s d r c 公司于1 9 7 9 年发布 性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利。s d r c 公司于1 9 7 9 年笈布 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a m 软件一i d e a s 。实体 造型技术能够精确表达零件的全部属性，有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型 表达，给设计带来了方便，代表着未来c a d 技术的发展方向。 参数化技术 进入2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司提出了一种比无约束自由造型更新颖的算 法：“参数化实体造型方法”。其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相 关、尺寸驱动设计修改。p r o e 是第一个采用参数化技术的软件，它第一个 实现了尺寸驱动零件设计修改。进入2 0 世纪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。 变量化技术 9 0 年代以后，s d r c 的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种新的实体 造型技术变量化技术“。变量化造型技术的特点是保留了参数化技术基 于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了改 变。变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状 约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。除考 虑几何约束( g e o m e t r yc o n s t r a i n ) 之外，变量化设计还可以将工程关系 作为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模型处理。 变量化技术还不够完善，参数化技术相对成熟而应用广泛，因此，基于特征 的三维参数化建模技术的创新设计方法也逐渐成为当前c a d 技术的研究热点“。 1 2 参数化技术概述 参数化技术的研究已有漫长的历史，而构造基于约束的设计系统一直是人们 追求的目标，以使设计对象能随着设计的不断深入，可以逐步旋加和修改约束， 直至产生最后的形体。基于约束的设计和造型系统的发展大致可分为如下几个阶 段： ( 1 ) 以交互式与约束技术混合使用为特征的初级阶段( 1 9 6 3 7 0 年代中 期) 。主要以s u t h e r l a n d 的s k e t c h p a d 为代表。基于约束的交互作图是这一阶段 的主要特征，其约束模型往往是基于数学的，且无解释功能。 ( 2 ) 以约束满足为特色的发展阶段( 1 9 7 7 年一8 0 年代中期) 。在这一阶段， 人工智能学科中关于约束满足问题的表达与处理技术为参数化发展提供了坚实 的基础，基于约束的参数化变量设计取得了影响性的发展，主要表现在：约束 表达机制日益丰富；约束表达与处理技术日益成熟；人工智能技术广泛应用 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 一一_ _ _ _ - - h - - _ _ ，- ，- 一 于设计。 ( 3 ) 成熟与使用阶段。目前，在许多商品化的c a d 平台中，基于约束驱动 的参数造型功能已很成熟，可以很好地处理过约束与欠约束问题；可以充分利用 交互特性，引导用户逐步确定设计过程，给出全部设计解；允许用户以任意方式 和顺序定义集合约束和工程约束。 机械产品中，不仅存在大量的标准件( 如键、销、螺钉、螺母、滚动轴承等) ， 而且很多零部件的形状是相似的。如果能赋予这些形体一组定义参数( 变量) ，当 改变这组参数的取值时，该形体就随之发生所期望的改变，就可以大大提高设计 效率。这就是参数化技术。模型的参数化就是给形体施加约束，而模型的描述参 数常与形体的工程尺寸和工程参数有密切的关系。 目前，参数化设计是新一代智能化、集成化c a d 系统核心技术之一，也是当 前c a d 技术的研究热点，已经形成了诸如变量几何和几何推理等多种方法。根据 用户需求不同，模型参数化有：二维图形参数化、三视图参数化和三维特征参数 化等三种形式。其中基于特征的参数化技术可以提供很完整的工程信息和灵活的 建模操作而成为未来重要的产品设计辅助手段。 1 3 特征技术 1 3 1 特征技术产生的背景 特征技术是c a d c 删技术发展中的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发 展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的历史 进程中孕育成长起来的。 现代设计制造系统的发展趋势是集成化、智能化，目的是达到高度的自动化。 实现上述目标的基础是给系统的各个环节提供能够共享的产品定义。现有的 c a d c a m 系统，因不能用一个完整的产品模型来支持各工程应用活动，在设计、 制造及检验的各个环节中，使用者需要重复地输入和识别一些信息，定义一些新 模型，以满足各工程应用子系统的具体需要，各子系统的概念信息也必须依靠人 工来识别和综合处理，从而导致产品自动设计和制造中信息处理的中断，人为干 预量大，数据大量重复处理的后果。其主要原因是作为当代c a d 系统的核心技术 实体造型存在下列不足： ( 1 ) 产品定义信息不完备。实体造型主要用来定义产品公称几何形状，而许 多反映设计意图和工艺要求的信息，如公差、材料性质等难以在数据库中一 起表达。这里由于工艺信息的表达既与高级的形状特征有关，又与低级的点、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 线、面几何要素有关，而实体造型难以提供这些信息。 ( 2 ) 数据的抽象层次低。实体造型只能以低级的几何拓扑信息来描述几何形 状，而工程师进行思想交流，以及c i m s 智能化处理过程中涉及的信息往往 是高层的概念实体。 ( 3 ) 支持产品设计的环境较差。传统的几何造型不利于进行创造性设计，这 是因为它不能方便地修改设计模型，并且，即使实体零件的参数已被定义， 在每次零件再生时，也必须重新显示输入所有参数。 因此，必须开发取代现有实体造型的支撑系统，为c a d c a m 系统提供完备的 和多层次的产品信息。这些信息能在无人干预的条件下，为设计、分析、制造所 接受，且能在各应用子系统间自动变换，使c a d c a m 集成、以至c i m s 的实现走 向现实，由此产生了特征技术。特征技术是人工智能应用于实体模型的结果，它 表达的产品信息完备且含有丰富的语义信息，为c a d c a m 集成提供了有力基础。 1 3 2 特征技术的研究概况 特征技术产生于八十年代初，并于八十年代的中后期蓬勃发展起来。s t e p 标准中将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使特征获得了国际标准的 法定地位。 国外许多研究单位和学者对特征技术的发展和应用做出了贡献。例如，英国 c r a n f i e l d 理工学院的p r a t t 和w i i s o n 为c a m - i 提出了一个按形状和构造特点 对形状特征分类的模式；美国a r i z o n a 州立大学的s h a h 探讨了特征表达和解释 问题，开发出a s u 特征试验台；芬兰赫尔辛基技术大学的m a n t y l a 教授研制了特 征造型系统e x t d e s i g n ；意大利热亚那应用数学研究所的p a l c i d i e n o 等人提出 了边界模型表示特征对象的描述方法，特征识别方法，并开发了相应的系统：德 国柏林技术大学的b e i t z 开发了基于特征的造型系统g e k o ；d o u g l a s 等人研究了 用凸多面体分解法进行加工特征几何推理技术；t u r n e r 等人研究了公差特征模 型建立的问题；r o y 等人研究了尺寸及公差表示处理的问题；j a r o s l a w 等人研究 了特征编辑与查询技术：美国p u r d u e 大学的a n d e r s o n 等人研究了基于特征设计 工艺规程的几何推理问题。 在国内，北京航空航天大学、清华大学、华中理工大学、浙江大学、上海交 通大学、西北工业大学等，以及其他一些单位也发表了一些关于特征技术研究的 论著，并开发了一些特征造型系统。 近年来，商业c a d 软件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如，p t c 公司的产品p r o e n g i n e e r ，s d r c 的产品i d e a sm a s t e rs e r i e s ，u g s 公司的产 品u n i z r a p h i c s ，i b m 公司的产品c a t i a c a d a m ，a u t o d e s k 公司的产品m d t ，中国 壁奎兰堡圭堂垡堡茎 茎= 童堕笙 _ j _ _ - _ h _ - _ _ - - _ _ - - 一一 一 广州红地技术有限公司的产品“金银花( l o n i c e r a ) ”系统，等等。 1 4 课题研究的背景及意义 1 4 1 课题研究的背景 近几年，我国汽车工业的迅速发展给汽车零配件企业带来了新的挑战和更多 的机遇，同时对企业竞争力提出了更高的要求。降低成本、提高质量和快速响应 市场是企业提高竞争力的重要途径。企业出于自身生存和发展的需要，越来越多 地采用c a d 技术，以使其能低成本、高效率地开发、设计出新产品，全面提高企 业对市场的快速响应能力。这种趋势在客观上为商用c a d 软件提供了巨大的市场 需求，推动了整个c a d 技术的发展和普及。各类c a d 软件在设计和制造中得到了 广泛应用。现阶段，基于特征技术的商用c a d 软件得到了广大用户的一致认可， 如p r o e n g i n e e r ，i d e a s 等都拥有庞大的用户群。作为通用的c a d 软件平台， 这些软件在通用性上非常出色，覆盖了众多的产品设计领域，也考虑了一般性的 设计规范。但是就汽车零配件企业而言，其产品特点主要表现为产品种类系列多、 相似性强等，使用这类通用c a d 系统很难一次性满足企业产品设计要求。如果企 业能够研发出自己产品的参数化c a d 系统，利用该系统，设计人员只需根据提示 输入一些必要参数，系统在极短的时间内自动生成优化的变型设计结果，将极大 地提高产品的设计效率，缩短产品的设计周期。 天津天海汽车同步器有限公司是全国最大的汽车同步器生产厂家，年产汽 车同步器3 6 0 万件，销售收入2 亿元，现有锁销式、滑块式、双锥面和多锥面各 种容量的汽车同步器产品3 0 0 多种。为提高产品竞争力，推进企业信息化程度， 该厂迫切希望通过现代化手段快速响应市场。 本课题即结合天海公司的具体需求，研究开发了汽车同步器三维参数化c a d 系统，利用它可以进行汽车同步器系列零部件的三维参数化设计。 1 4 2 课题研究的内容和意义 本课题针对汽车零配件企业的特点和需求，以某汽车同步器产品为切入点， 研究基于特征的三维参数化建模技术，并应用该技术开发汽车同步器三维参数化 c a d 系统。本课题研究的内容和意义如下： 1 研究s o l i d w o r k s 环境下汽车同步器产品中关键零件的精确造型。为设计 人员提供了一种精确创建汽车同步器关键零件的造型方法，为今后虚拟装 配、虚拟设计提供技术支撑。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 2 对不同类型的汽车同步器产品进行细致的分析，建立设计特征库支持基 于特征的产品设计开发。为企业提供种设计开发新产品的平台，加强了产 品设计对特征的继承和再利用。 3 。通过二次开发，实现汽车同步器产品中关键零件的参数化造型，产生的 数字产品模型是进行其他各项工程分析和仿真的基础。为企业规范产品开发 过程中的各种管理创造必要前提，从而保证产品生命周期中的各种数据和过 程的完整性、一致性和安全性。 4 开发汽车同步器三维参数化c a d 系统。实现汽车同步器产品中关键零件 的自动创建以及对特征的管理。使不懂s o l i d w o r k s 的设计人员也能轻松创 建关键零件的三维实体，减少产品设计开发过程中的重复劳动，使设计人员 能更好地致力于新产品的开发中，加快新产品快速开发能力和上市时间。 此外，本课题研究中涉及到的基于特征的思想、参数化技术的应用、三维建 模方法以及系统框架构思等，同样对其它企业、行业c a d 的深化应用具有参考和 借鉴价值。 1 5 本文结构 本论文由六部分组成。 第一章为绪论。主要介绍了c a d 技术的应用与发展、参数化设计、特征造型 技术以及“基于特征的汽车同步器三维参数化c a d 系统的研究与开发”这一课题 的研究背景和意义，并对论文所做的工作及论文结构进行了说明。 第二章为基于特征的三维参数化建模方法。主要研究了零件特征的定义和分 类、特征的描述方法等，结合汽车同步器零件的结构特点，对其进行了详细的特 征定义和分类，并研究了基于特征的建模方法。 第三章为s o l i d w o r k s 环境下汽车同步器关键件精确造型。主要研究了特征 造型技术、s o l i d w o r k s 平台的选用、s o l i d w o r k s 中三维实体造型技术，重点研 究了结合齿圈等汽车同步器关键零件的三维造型方法。 第四章为s o l i d w o r k s 环境下二次开发关键技术的研究。主要研究了 s o l i d w a r k s 下二次开发若干关键技术和面向对象的程序设计方法，选用y - 次 开发工具。规划设计了友好的用户界面。 第五章为基于特征的汽车同步器三维参数化c a d 系统开发。主要介绍了系统 运行要求与总体框架，以实例说明了系统实现与运行，最后归纳了系统特点a 第六章为结论与展望。对本论文所做的工作进行了系统总结，并展望了今后 的研究方向和研究方法。 天津大学硕士学位论文 第二章基于特征的汽车同步器三维参数化建模方法 第二章基于特征的汽车同步器三维参数化建模方法 2 1 零件特征的定义和分类 2 i 1 零件特征的定义 一自1 9 7 8 年m i t 的g o s s a r d 首次提出特征( f e a t u r e ) 一词以来，关于特征的 定义就有多种说法。根据应用领域和条件不同，特征定义可完全不同。研究者们 围绕特征的定义提出了很多观点“”： ( 1 ) 对一个或多个设计和制造活动有意义的几何形体和几何实体。 ( 2 ) 具有工程意义的一般几何形状。 ( 3 ) 一定的几何形状或实体，用来实现至少一个c i m 的功能，可以作为基本 单元进行设计和处理。 ( 4 ) 特征是产品模型的一组相关单元素，该元素遵从系列的识别与分类规 则。 ( 5 ) 特征是具有一定的几何模式，并对应特定机械功能的零部件。 尽管出现了很多不同的特征定义，但都有一些共同的特点： ( 1 ) 特征直接反映零件的功能，与设计、制造联系紧密； ( 2 ) 特征是一个带约束和参数的几何实体，用规则和属性封装了几何实体的 行为； ( 3 ) 特征是构造产品模型的基本元素，即特征将作为一个不可分割的整体出 现在零件模型中； ( 4 ) 特征提供了类似于工程术语的高层次的设计概念和手段，即特征表达了 零件几何体或装配的工程意义。 可以看出，特征除包括几何拓扑信息外，还包括一些非几何的属性信息，如 尺寸公差、粗糙度、材料等。它是工程环境中能运用几何和功能信息进行产品零 件造型的关键要素，是集成环境中高层语义信息的载体和基本传输单位“”。 2 1 2 零件特征的分类 零件特征描述的是其设计和制造等方面的信息。特征分类是对产品信息的分 类抽象，其目的是为了有效地组织产品信息，从而为计算机理解产品信息提供方 便。特征分类应考虑以下三个原则； 天津大学硕士学位论文 第二章基于特征的汽车同步器三维参数化建模方法 一 一一- _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ 一 ( 1 ) 便于按类表达特征。使特征的表达规范化和结构化： ( 2 ) 可以建立通用的特征和特征术语； ( 3 ) 有利于产品数据交换的标准化。 特征分类的方法很多，主要有按产品定义数据的性质分类、按几何形状分类、 按功能分类、按制造方法分类等。不同的应用领域和不同的工厂，特征的抽象和 分类方法有所不同，通过分析机械产品大量的零件图纸信息和加工工艺信息，可 将构成零件的特征分为五大类“： ( 1 ) 管理特征与零件管理有关的信息集合，包括标题栏信息、零件材料信 息、未注粗糙度信息等。 ( 2 ) 技术特征描述零件的性能和技术要求的信息集合。 ( 3 ) 材料特征与零件材料和热处理有关的信息集合。 ( 4 ) 精度特征描述零件几何形状、尺寸的允许变动量的信息集合，包括公 差和表面粗糙度。 ( 5 ) 形状特征与描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合，包括功能形状、 加工工艺形状、装配辅助形状。 除上述五个特征外，针对汽车同步器零件提出方位面特征；工艺特征模型中 提出尺寸链特征；还有装配特征等。以上这些特征中，形状特征和精度特征是与 零件建模直接相关的特征，其中形状特征还是描述零件或产品的最主要的特征， 而管理特征、材料特征、装配特征虽不直接参与零件的建模，但对于实现c a d c a p p 的集成亦是必不可少的。考虑当前特征的应用主要是面向制造领域，而在此阶段 需要将产品零件的设计特征与制造及装配约束相关联，从而保证产品的可制造性 与可装配性。因此我们可以认为零件的特征模型如图2 1 所示“”。 幽2 1 军件特征模型翻 纵观国内外特征技术的研究，目前就特征的定义、分类、表达等基础领域还 未形成统一成熟的理论体系。各研究机构是从各自应用领域的发展和需要建立各 自的实验系统，一些商用软件提供的造型方法中具有特征造型功能，这些特征是 从几何造型的角度出发的，无任何工程含义。但用户可以利用其功能定义所需的 特征，进行二次开发，添加零件的工程属性。 墨堡查堂堡主兰垡笙兰 茎三主苎三塑堡塑塑兰旦生矍三丝叁塑些蕉堡查鲨 - _ _ _ - _ _ _ h - - _ h _ _ - _ - _ - _ _ _ ”_ - 一一 一 各方面的信息有机地结合在一起，构成了基于特征的零件信息模型，如图 2 2 所示。 图2 2 基于特征的零件信息模型 2 2 汽车同步器零件