工程硕士学位论文基于UG的减速器计算机辅助设计

1、分类号： th132 .46 密级：公开u d c： 单位代码：10424 工程硕士学位论文基于ug的减速器计算机辅助设计高 爱 红申请学位级别：工程硕士 领域名称：机 械 工 程校内导师姓名： 职 称： 教 授 校外导师姓名： 职 称： 高级工程师 山 东 科 技 大 学二零零七年四月论文题目：基于ug的减速器计算机辅助设计作者姓名：高 爱 红 入学时间：2004 年 4 月领域名称：机 械 工 程 研究方向：机械设计及理论校内导师：任 济 生 职 称： 教 授校外导师：李 淮 职 称：高级工程师 论文提交日期：2007年5月论文答辩日期：2007年5月授予学位日期：_the cad for

2、 reducer based on uga dissertation submitted in fulfilling the requirements of theengineering master degreefromshandong university of science and technologybygao aihongintramural supervisor:professor reng jishengouter university supervisor: high-level engineer li huaicollege of mechanical and electr

3、icity engineeringmay 2007声 明本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定工程硕士生签名：日 期：affirmationi declare that this dissertation, submitted in fulfilling the requirements of the engineering master degree in shandong university of science and technology, is wholly my

4、 own work unless referenced documents of acknowledge. this dissertation has not been submitted for qualification at any other academic institute. signature:date:摘 要随着科学技术和国民经济的发展，渐开线圆柱齿轮减速器的需求量越来越多，质量要求也越来越高，传统的减速器设计方法已不能满足用户的要求。为了适应社会的发展，本文利用c语言和visual c+作为工具，以ug为平台，在已有的理论基础下，采用现代设计、实体建模、ug参数化设计等技术

5、，提出了减速器的一种设计方法。本论文主要完成如下工作：1.对减速器设计中所需要的计算公式、线图、表格等，进行了程序化处理，设计时由计算机按照设计的需要自动检索，利用辅助设计完成减速器设计中大量烦琐和重复性的工作；2.利用ug作图环境下的参数化建模功能，对减速器主要零部件的三维建模作了详细介绍；3.利用ug进行减速器的虚拟装配，采用“自底向上”的装配方法，形成了减速器的总体结构；4.从已建立的三维模型自动生成平面工程图，体现了产品设计的新思路；5.利用visual c+开发环境进行ug的二次开发，可自动生成齿轮的渐开线曲线。关键词：ug，减速器，参数化设计，visual c+、虚拟装配、实体建模

6、、c语言abstractcompanying the developing of the technology and economy, the more and more quality and quantity are required on the involute cylindrical gear reducer; therefore, the traditional design methods for the reducer can not be satisfied for the clients requiring. in order to fit for the society

7、s developing, this article is using the language c and visual c+ as a tool, using the ug as a platform, using the exiting theory as a base, standing on the existing theory foundation, adopting the modern design method, modeling solid body and parameterizing ug designing technic, then puts forward a

8、reducers designing method.this dissertation mainly finished the work as below:1. programming the formulas, charts, and matrixes used in reducer designing, and then when in designing, the computer can follow the designs requiring to search automatically, to utilize the cad to accomplish a lot of misc

9、ellaneous work in reducer design.2. using the modeling solid body and parameterizing of the ug chart, then explain the 3d modeling used in the main parts of a reducer.3. utilizing the “from bottom to top” assembling method of the ugs virtual assembling method to form a reducers whole structure.4. fr

10、om the built 3d module, it can automatically create a 2d plan drawing, which materializes a new opinion in a products design.5. utilizing the development condition of the visual c+ to secondly develop the ug, then the involute curve can be automatically created.key words: ug，reducer，parameterizing d

11、esign, visual c+, virtual assemble, entity modeling, and c language 目录1 绪论11.1 cad技术概述11.2 本课题研究背景及主要内容61.3 小结72 参数化与特征建模理论82.1几何模型82.2特征造型技术102.3参数化造型技术142.4 小结173 ug及二次开发技术183.1 ug软件概述183.2 ug二次开发相关技术213.3 小结234 齿轮减速器的计算机辅助设计244.1 减速器设计的现状244.2减速器的发展趋势254.3 减速器设计的方法与步骤274.4 齿轮传动的设计计算284.5 小结385 减速

12、器中零件的三维建模395.1螺栓设计395.2 渐开线圆柱齿轮的造型设计405.3 箱体设计435.4 轴的模型设计455.5 小结476 减速器的装配设计486.1 减速器的装配规范486.2 ug装配概述496.3 减速器装配的过程506.4 建立减速器的装配爆炸视图536.5 小结547 减速器的工程图557.1 概述557.2 参数的预设置577.3 减速器的装配图生成577.4 减速器的零件图生成577.5小结598总结60致谢61参考文献62硕士研究生期间发表的论文和参加的工作64contents1 preface11.1 the cad technic summarize11.2

13、 the background and main contents in this dissertation61.3 brief summary72 the parameterizing and characterize modeling theory82.1 geometric modeling82.2 characterize modeling technic102.3 parameterize modeling technic142.4 brief summary173 ug and the secondly develop technic183.1 the summarize of t

14、he ug software183.2 ug and the related secondly develop technic213.3 brief summary234 the gear reducers cad244.1 the situation of the reducer design244.2 the developing trend of the reducer254.3 the reducer designing methods and steps274.4 the designing calculation of the gear transmitting284.5 brie

15、f summary385 the reducer parts 3d modeling395.1 bolt design395.2 involute cylindrical gear modeling design405.3 the case design435.4 shaft modeling design455.5 brief summary476 reducers assembly design486.1 reducers assembly specification486.2 the summarize of the ug assembly496.3 the process of the

16、 reducer assembly506.4 to set up a reducers assembly explosion view536.5 brief summary547 the reducers engineering drawing557.1 summarize557.2 the parameters pre-set577.3 the create of the reducer assembly drawing577.4 the create of the reducer parts577.5 brief summary598 summing-up60thanks61referen

17、ces62the labors and published dissertations in the graduate studying period641 绪论1.1 cad技术概述1.1.1 cad技术的基本概念计算机辅助设计（computer aided design ，cad）是产品设计人员在cad系统的辅助之下，根据产品的设计程序进行设计的一项新技术，是人的智慧和创造力与计算机系统功能的巧妙结合。设计人员通过人机交互操作的方式进行产品设计的构思和论证、产品的总体设计、技术设计、零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算、工程图纸的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制等。

18、然而，需声明的是cad技术不能代替人的设计行为，而只是实现这些行为的先进手段。cad技术是一项综合性的高新技术，该技术的应用和发展正在引起一场深刻的产品设计和制造的技术革命，并对产品结构、产业结构、管理模式、生产方式，以及人才知识结构等产生重大影响。目前cad技术的鲜明优点已经被越来越多的人们所公认。世界上发达国家不仅将cad技术应用于机械、电子、航空航天、汽车、船舶等一系列产品和工程设计领域，而且迅速向其它工业产业领域发展。在当前经济发展的新形势下，产品更新换代速度加快，从电子技术到重型机电行业强烈提出了缩短开发周期，提高产品质量，减少开发费用等要求。在这种形势下，cad技术发挥着越来越重要

19、的作用。1.1.2 cad技术发展历程在cad软件发展初期，cad的含义仅仅是图板的替代品，即：意指computer aided drawing(or drafting)而非现在我们经常讨论的cad(computer aided design)所包含的全部内容。cad技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为cad技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应用较为广泛的是cad软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是autodesk公司的autocad软件。在今天中国的cad用户特别是初期cad用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。1.1.2.1 第一次cad技术革命曲面造型

20、系统三维cad系统是20世纪60年代出现的，该系统只是简单的线框式系统，它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。由于缺乏形体的表面信息，在该系统中，cam及cae均无法实现。20世纪70年代，是飞机和汽车工业的蓬勃发展时期，此间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和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缺乏完整性，设计完成后，经常发生制作出来的样品与设计者的想象有很大出入，甚至是完全不同。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也不能保证，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。这样的制作过程大大拖延产了产

21、品的研发时间，因此，要求更新设计手段的呼声越来越高。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行，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catia。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cam技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统catia为人类带来了第一次cad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。在这个时期，cad技术价格极其昂贵，软件商品化

22、程度也很低。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在70年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展cad技术。1.1.2.2第二次cad技术革命实体造型技术20世纪80年代初，cad系统价格依然昂贵，一般企业难发接受，这使得cad技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的市场份额，以cv、sdrc、ug为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的迅速发展，cae、cam技术也相应有了较大发展。sdrc公司由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在cad技术方面也进行了许多开拓；

23、ug则着重在曲面技术的基础上发展cam技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求；cv和calma则将主要精力都放在cad市场份额的争夺上。尽管有了表面模型，cam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cae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cad/cae一体化技术发展的探索，sdrc公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型cad/cae软件i-deas。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cad、cae、cam的模型表达，给设计带来了很大的方便性，它代表

24、着未来cad技术的发展方向。可以说，实体造型技术的普及应用标志cad发展史上的第二次技术革命。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。由于以实体模型为前提的cae本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反映还不强烈；另外，在算法和系统效率方面存在着矛盾，许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力气去开发，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。各公司的技术因此再度分道扬镳。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。推动了此次技术革命的sdrc公司也失去了一次大飞跃的机会。

25、在以后的10年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多cad系统所采用。在这段技术起伏跌宕时期，cv公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高较大。由于cv提出了集成各种软件，为企业提供全方位解决方案的思路，并采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，一跃成为cad领域的领导者，市场份额上升到第1位，兼并了calma公司，实力迅速膨胀。1.1.2.3第三次cad技术革命参数化技术在cv公司业绩大幅提高以及实体造型技术逐渐普及之时，cad技术的研究也有了重大进展。20世纪80年代中期，在cv公司内部，有人提出了参数化实体造型方法。这是一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法。

26、从算法上来说，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。但这时的参数化技术方案还处于的初级发展阶段，很多技术难点有待于攻克，cv公司内部对是否马上投资发展这项技术有很大的争论，由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量很大。当时cad技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具(如实体曲面问题等)，更何况当时cv的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是，cv公司内部否决了参数化技术方案。策划参数化技术的技术人员在新技术无法实现时

27、，另成立了一个参数技术公司(parametric technology corp.)，开始研制命名为pro/e的参数化软件。早期的pro/e软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，cad技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需几万美元。很多中小型企业也开始有能力使用cad技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然地把目光投向了中低档的pro/e软件。ptc也正是因为瞄准了这一中档市场，才迎合了众多中小企

28、业在cad上的需求，一举取得成功。进入90年代，参数化技术逐渐成熟起来，优势体现在其在许多通用件、零部件设计上简便易行。这种情况下，ptc首先占领低端的autocad市场，致使在几乎所有的cad公司营业额都呈上升趋势的情况下，autodesk公司营业额却增长缓慢，市场排名连续下挫；继而ptc又试图进入高端cad市场，与catia、i-deas、cv、ug等软件竞争，逐步进入汽车及飞机制造业市场。目前，ptc在cad市场份额排名上已名列前茅。可以说，参数化技术的应用主导了cad发展史上的第三次技术革命。1.1.2.4 第四次cad技术革命变量化技术参数化技术的成功应用，使得它在20世纪90年前后

29、几乎成为cad业界的标准，许多软件厂商纷纷起步追赶。但由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换，才能被系统接受，而大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件。这样的系统在参数化技术上和非参数化技术上均不具备优势，所以整体竞争力不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力。开发人员以参数化技术为依据，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术，作为今后的开发方向。变量化技术既保持了参数化技术原有的优点，同时又克服了它的许多不足之处。变量化技术的成功应用，为cad技术的发展提供了更大的空间和机遇，驱动了cad发展史上的第四次技术

30、革命。 纵观cad技术的发展历程，可见cad技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了cad/ cam/cae整体技术的提高以及制造手段的更新。cad技术一直处于不断的发展与探索之中。正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天cad技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。1.1.3 cad发展现状及趋势1.1.3.1 cad的发展现状cad的发展经历了从二维到三维，从三维最初的线框造型到今天的特征选型，从仅为某些大企业的专用工具到整个设计领域的全面普及这样一个过程。在cad发展初期，二维cad系统主要完成二维工程图的绘制，产品以autodesk公司的autocad系统为代表，大多数企业设计部门使用

31、二维工程图纸表达产品设计意图，制造部门将设计部门提供的设计图纸重现立体模型，整个过程重复性工作很多，浪费了大量的人力和时间。20世纪60年代中期到70年代中期，为了适应设计和加工的要求，出现了三维cad软件。使用三维cad系统进行产品造型与设计，符合工程师的思维习惯，具有二维cad无可比拟的优点。可以方便地设计零件，对设计好的零件，可做装配设计、干涉性检查和运动仿真，既直观又便捷；更为重要的是，对设计好的零件和装配体，还可以由计算机自动生成各种工程视图，如：标准三视图、基本视图、剖视图等；另外，产品外观的渲染效果还可以满足商业广告宣传的效果。三维产品造型与设计，大大提高了设计效率。三维cad系

32、统根据其实现的功能可分为不同档次的产品，从大型cad系统到适合于一般设计人员使用的桌面软件。国外的三维cad系统商品化软件主要有：i-deas，pro/enginer，ug，cadds，euclid，catia，solidworks,solidedge等。国内的一些公司经过多年努力也已推出了一些优秀的三维cad系统，相对来讲，国产软件由于开发时间较晚，与国外同类产品相比，竟争力要稍微弱一些。目前，比较成熟的三维软件有caxa、gems、金银花系统等软件产品。1.1.3.2 cad的发展趋势在基础理论方面，新的建模技术与绘制技术仍然是主要研究方向。建模技术使图形实体的表达更加精确、可靠，并可在计

33、算机上高效率的得到处理；绘制技术则使图形的表达更加完美和真实。随着cad技术微机化和计算机网络技术的普及化，网络cad技术也将进一步深化，从而引发出并行设计等新的设计方法。在计算机网络环境下，从事零件设计与制造的各种技术人员并行参与同一产品的设计与制造过程，产生符合cad/cam集成系统各环节要求的产品数据，完成产品的制造，避免了分散系统传递数据操作中出现的问题，最大限度地发挥cad/cam集成系统的作用，大大缩短了生产周期，提高了产品质量。利用网络技术、分布式操作系统、分布式数据库等技术，使各工作阶段间的数据资源、硬件资源可以共享，大大减少了cad系统的投资成本。未来一段时期内，三维图形处理

34、技术将有较大普及，传统的产品设计制造过程将彻底被淘汰。科学计算、可视化、虚拟设计、虚拟制造技术的研究进一步深化，其应用则会逐步被越来越多的用户接受，从零件应用逐步发展为产品应用。无纸化设计与生产逐步变为现实。未来的cad系统将向专家系统与智能cad系统方向发展。将人工智能技术和专家系统技术应用于cad系统，可提高cad系统的智能化水平和专业化水平，更加准确高效地协助设计人员进行产品设计。这种cad系统必将产生丰硕的成果，这是未来cad系统的一个发展方向。12 本课题研究背景及主要内容减速器在工业产品中占有着核心地位和作用，广泛应用于工程机械、机器人、自动控制及制造等领域，计算机技术的发展推动了

35、机械传动产品多样化。企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品创新。cad/cam 技术是实现创新的关键手段，而cae技术是实现创新设计的最主要技术保障。在计算机技术迅猛发展的今天，如何把企业的产品设计与三维仿真系统有效的结合起来，以达到制造业高效、低成本、自动化的市场要求具有重要的现实意义。本论文基于特征建模理论基础上，针对减速器利用c语言实现其参数计算，然后用三维设计软件ug对减速器零件进行参数化建模和虚拟装配。首先在ug环境下实现各零件的三维参数化建模，然后建立装配体模型，最后生成工程图。齿轮作为最重要的基础传动部件被广泛地应用于机械、冶金、石化、煤炭、水电等行业。在减速器

36、设计和生产过程中,需要大量的分析、计算和绘图工作,采用现代设计方法可彻底改变过去依靠手工计算和绘图时的效率低、易出错等局面,使齿轮设计人员借助计算机及相应软件可迅速、高效、准确地进行设计方案的确定、比较、分析和绘图；为生产企业以高技术、高质量、低成本占领市场提供技术保障。另外在传统圆柱齿轮设计中,对于齿轮的强度校核过程和设计过程主要是通过人工设计完成,计算繁琐,容易出现设计误差和错误,设计周期长且难以实现优化设计，此次设计即是针对圆柱齿轮的参数化设计而进行的,可极大地提高设计的精度和效率并实现其优化设计。渐开线齿轮是各种机械传动设备中常用的零件,在设计制造中工程设计人员经常需要对齿轮齿形进行精

37、确的造型。由于其复杂性,有一些软件(如solidworks,autocad)没有提供齿形的精确造型功能。ug作为通用三维cad/cam系统在功能上完全能够满足机械产品的设计要求,但是在系统操作的人性化和易用性方面并非完全尽人意。为此,本文应用了ug的开发工具参数、关系和应用程序开发接口,开发了基于ug的渐开线齿轮参数化设计系统,来解决齿轮精确造型方面的难题。渐开线齿轮是各种机械传动设备中常用的零件,在设计制造中工程设计人员经常需要对齿轮齿形进行精确的造型。由于其复杂性,有一些软件(如solidworks,autocad)没有提供齿形的精确造型功能。ug作为通用三维cad/cam系统在功能上完全

38、能够满足机械产品的设计要求,但是在系统操作的人性化和易用性方面并非完全尽人意。为此,本文应用了ug的开发工具参数、关系和应用程序开发接口,开发了基于ug的渐开线齿轮参数化设计系统,来解决齿轮精确造型方面的难题。具有如下意义:1保证了齿形造型的精确性。2造型速度快,避免了手工造型的复杂繁琐过程。3为后续的齿轮cae、cam等提供了精确的三维实体。4对ug的二次开发作了有益的探索。13 小结本章主要介绍了cad的基本概念和发展历程、发展现状及趋势，并对论文中的内容作了简要介绍。2 参数化与特征建模理论建模技术是cad的核心技术，建模技术的研究、发展和应用就代表了cad技术的研究、发展和应用。参数化

39、造型技术和特征造型技术是新一代智能化、集成化cad系统应用研究的热点理论，也是减速器建模的基础理论依据，是实现齿轮零件设计参数化系统的基础条件，对减速器零部件的建模和系统的设计起着指导性作用。2.1几何模型2.1.1几何模型概述几何模型是cad系统的重要组成部分。众所周知，借助计算机解决工程问题，首先要建立恰当的模型。在智能化、集成化cad的应用中，往往是在几何模型的基础上进行具体的工程操作。比如，在cad阶段，确定设计任务和主要技术性能指标后，需要用几何模型描述零部件的形状和产品的结构，生成的三维几何模型为后续应用模块提供基本信息；在cae阶段，可以在几何模型的基础上对设计对象进行分析、模拟

40、和计算，判断各运动部件之间是否发生干涉，计算零部件或产品的体积和重心等物理特性以及利用有限元方法进行应力分析和强度计算；在cam 阶段，需要依据几何模型生成刀具路径和数控加工指令。可见，在整个产品设计和制造过程中，形状设计、工程分析、工艺过程设计和数控编程等方面的技术都与几何模型有关，它为设计、分析计算及制造提供了基础信息。几何模型是cad系统描述、记录设计对象几何形状的工具，使用cad系统时并不直接触及这些模型，而是通过适当的设计命令进行工作。应用设计命令进行几何设计的过程称为几何造型，或几何建模。几何模型是由几何信息组成的模型。几何模型作为对原物体的数学描述或模拟，是cad系统最常用的模型

41、。几何模型的基本作用是为图形的显示和输出提供信息，以及作为设计基础为分析应用提供信息。根据模型的基本构形和描述方法不同可以将几何模型分为三种类型：线框模型、表面模型和实体模型。不同的几何模型采用的数学描述方法不同，数据结构的复杂程度也不同，每种方法都有自己的特点。线框模型依赖于顶点和棱边，在数据结构的复杂程度上反映的是边表与点表。它与表面模型和实体模型的数据结构相比，所含的数据量最少，数据结构和算法的处理最方便， 所以线框模型简单、快速的优越性是其它模型无法比拟的。但是，线框模型的几何描述能力差，只能提供轮廓的框架，缺乏物体各面的信息，一般很难从线框模型中对图形作出唯一的解释，由于缺乏面的信息

42、，所以不能对此类模型的图形进行消隐处理，不能直接自动产生剖视图，也不能计算物体的重量、体积等特性，更不能进行复杂曲面数控加工程序的计算。表面模型比线框模型增加了更多的几何信息，不但可以用线框图形显示物体，而且可以用渲染图显示物体。由于有了面的信息，前后面之间的遮挡关系通过面的方程很容易计算，能够实现图形的消隐，因而消除了线框模型理解图形的不唯一性。实体模型可以把三维物体的几何和拓扑信息较完整地存储在计算机中，能生成真实感很强的图形，并能进行干涉检查，还可以从中提取、分析计算信息，实现零件的体积和质量计算，有限元分析、数控编程等。2.1.2几何模型的不足上一节介绍的三种几何模型虽然获得了广泛的应

43、用，但从cad软件集成的角度来看，它更侧重于几何信息的描述，而缺乏对产品零件信息的完整描述，从工程应用角度来看，上述三种模型缺乏高层语义的定义和处理。例如，在零件上设计通孔，孔是由圆柱定义的，需要给出圆柱的参数(直径、高以及圆柱在零件上的定位尺寸)，然后选择布尔差操作， 系统进行集合运算， 得到设计的孔。工程设计中，孔是工程语义，而不是几何语义，技术人员习惯于直接定义孔，而不是圆柱以及布尔差操作。高层语义将孔定义为一个特征，而属于这个特征的参数数据和操作则是由底层来定义的，这样设计人员面对的就是特征-孔，而不是几何表示的圆柱。由此可见，设计过程中产品信息的表达方式与计算机产品建模技术紧密相关。

44、实体模型虽然存储了产品的三维几何与拓扑信息，正确地描述了零件的实体几何模型，可以完成模型体积、面积、重心、惯性矩等自动计算，隐藏线、隐藏面的消除，有限元网格的自动划分、模型截切及碰撞干涉检查、动画模拟以及真实图形显示等操作，但是仍存在一些不足：实体模型方法属于固定静态模型，模型一旦产生，每当修改时，往往需要重新建模。用传统的集合运算和曲面技术定义零件十分不方便，这些方法只能部分构造产品零件，不能进一步提高建模技术的时间和空间效率。模型信息不完备，只包含几何及拓扑信息，没有清晰地抽象出形状的几何特性，得不到明确的特征信息，除了几何形状尺寸信息外，其它信息如工艺信息、公差信息、材料信息等必须另外描

45、述，不利于cad/cae/capp/cam 的集成。克服上述问题的有效途径就是采用参数化特征造型方法。参数化特征造型方法是一种新型的造型方法，它以线框模型、表面模型和实体模型三类几何造型方法为基础，从工程应用的高层次来定义产品模型。参数化特征造型方法从产品整个生命周期各个阶段的不同要求来描述产品，完整地、全面地提供产品的信息，使各应用系统可以直接从产品模型中抽取所需的信息。2.2特征造型技术特征造型技术是几何造型技术的自然延伸，是在cad/cae/capp/cam 技术及计算机软、硬件技术发展到一定水平后，随着生产组织集成化、自动化程度增强而逐渐发展起来的，它对形体的组成及所描述的信息更具工程

46、含义。2.2.1特征的概念及分类特征是20世纪80年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念， 它是对诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映零件特点的可按一定的规则分类的产品描述信息。特征不是体素，不是某个或几个加工表面也不是完整的零件；对于制造特征，其分类与其加工工艺规程密切相关，用不同的加工方法加工实现的表面或零件，要定义成不同的特征，例如，直径较小的孔可以通过一次加工完成，而直径较大的孔，当加工精度相同时，由于毛坯上可能带有预铸孔，或需要经过多次加工，用不同的加工方法实现，这时就要定义为两种以上不同的特征。描述特征的信息中，除表达形状的几何信息及约束关系

47、信息外，还应包括材料、精度等制造信息，通过定义简单的特征还可以生成组合特征。要实现对特征的重复利用，就要对特征进行分类。特征可以有不同的分类方式，比如按几何形状分类、按产品开发过程分类、按制造方法分类、按产品定义数据的性质分类等。特征一般可以分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征、有限元特征、制造特征等。其中最重要的是形状特征，其它特征通常作为一种产品的定义的数据和操作方法附加到形状特征上，作为形状特征的属性和映射。从cad/cam 集成的角度出发，特征可以划分为以下几类：形状特征用于描述产品、零件上有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的几何形状信息。形状特征可分为主要形状和辅助形

48、状特征，其中主要形状特征用于构造零件的基本形状，辅助形状特征用于对主要形状特征的补充(螺纹孔、倒角和拔锥等)。辅助形状特征附加于主要形状之上或附加于另一辅助特征之上。形状特征又可分为正特征(凸特征)和负特征(凹特征)。精度特征用于描述产品、零件的几何形状和尺寸的误差信息。精度特征可分为尺寸公差、几何公差和表面粗糙度。尺寸公差可分为定形尺寸公差和定位尺寸公差， 几何公差可分为形状公差和位置公差。材料特征用于描述产品、零件材料的成分、物理化学指标、热处理方法与条件及加工工艺性等。技术特征用于描述产品、零件和特征的性能、工艺要求、功能等信息。管理特征用于描述产品、零件和特征的管理信息，例如标题栏中的

49、零件名称、图号、设计者、日期、批量和质量等信息。装配特征用于描述零件之间的装配关系、装配方向、配合表面、装配顺序和装配工艺要求等信息。2.2.2特征的定义特征定义方法有两种:一种是预定义(pre-definition)方法，另一种是后定义(post-definition)方法。预定义指的是先定义特征再产生几何图素。用户直接定义特征，系统根据输入的特征参数生成组成特征的几何元素(面或实体)。这种方法可用在结构构件的设计阶段。设计者在以外形数据为依据形成的实体上，用实体运算来实现型腔、孔、沟槽等特征，构成这些特征的几何元素也就随之产生。改变特征的参数，则几何元素随之修改。后定义是先定义几何图素后定

50、义特征，因为几何设计是在设计部门己经完成了的。后定义方法又可分为自动方式和人机交互方式。自动方式是由系统自动分析一个完全用几何来描述的零件，然后生成特征，这种特征自动识别方法是一种理想的特征定义方法，但是难度很大。人机交互方式是更为现实和灵活的方法。它定义一个特征的过程是：用户先选择某些要定义的特征，例如孔，然后选择这种特征的更详细的子类，再通过交互方式指明组成孔的几何元素(在二维图上可以是一个圆)，最后输入特征参数，如孔的深度和精度等。2.2.3特征联系产品/零件是由若干个特征连接构成的，特征之间存在着各种各样的联系。为了描述和特征建模的方便，可以将特征之间的联系分为以下几类，如图2.1所示

51、:继承联系构成特征之间的层次联系，位于上级的叫超类特征，位于层次下级的叫亚类特征。亚类特征可以继承超类特征的属性和方法，这种继承联系称为ako (a-kind-of)联系，亚类特征是超类特征的一个成员，超类特征是亚类特征的抽象，另一种继承联系反映的是特征类与该特征对象之间的联系，或是特征与值的联系，这种联系称为ins(instance)联系。亚类特征是超类特征的一个实例或对象，超类特征是所有亚类特征的概括。例如某一具体的孔是孔类特征的一个实例，它们之间是ins关系。特征联系继承联系邻接联系从属联系引用联系超/亚类联系型/值联系图2.1 特征联系fig. 2.1 characteristic r

52、elationships 邻接联系 邻接联系反映主要形状特征之间的相互位置关系，用cont (connect-to)表示。构成邻接联系的特征之间的共有量的状态可以共享，例如一根阶梯轴，每相邻轴段之间的关系是邻接联系，其中每一个邻接面的状态可以共享。从属联系 描述形状特征类中形状特征之间的依从或附属关系，用ist (is-subordinate-to)表示。从属的形状特征依赖于被从属的形状特征而存在，并对被从属的形状特征作局部的修饰，如倒角附属于圆柱体。引用联系 描述特征类之间作为关联属性而相互引用的联系，用ref (reference)表示。引用关系主要存在于形状特征对精度特征以及材料特征之间

53、。此时形状特征是其它被引用的非形状特征的载体。2.2.4基于特征的产品信息模型一个完整的产品模型不仅仅是产品数据的集合，还应反映各类数据的表达方法以及相互之间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的产品模型，才能有效地为各应用系统所接受和处理，作为完整表达产品信息的模型应包括表达各类特征的模型，需要表达的有管理特征，形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征。基于特征的产品信息模型总体结构如图2.2所示，它表示产品信息模型的分层结构，即装配层、零件层、特征层和几何层等四个层次。装配层主要反映产品的总体信息，装配模型通过地址指针指向零件模型对象，包含了所有组成该装配模型的零件模型的实例；装

54、配 装配层 ist零件 ist 零件层 ist ist ist技术特征形状特征管理特征装配特征 ist ist 特征层精度特征材料特征 ref ist ref几何/拓朴 ref 几何层ist-从属联系 ref-引用联系图2.2 基于特征的产品信息模型的总体结构fig. 2.2t the collectivity structure based on the characteristic products information model零件层主要反映零件信息，是关于零件子模型的索引指针或地址；特征层是一系列的特征子模型及其相互关系；几何层反映零件的点、线、面的几何/拓扑信息。从模型结构可以看出，零件的几何/拓扑信息是整个模型的基础，同时也和零件图绘制、有限元分析等应用系统有直接关系。而特征层则是零件模型的核心，特征层中各种特征子模型之间的相互关系反映了特征间的语义关系，使特征成为构造零件的基本单元具有高层次的工程含义，该模型可以方便地通过高层次的产品信息，从而支持集成的cad/cae/capp/cam应用系统对产品数据的需求。2.3参数化造型技术参数化设计是新一代智能化、集成化cad系统的核心内容，也是当前cad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