（机械工程专业论文）液压缸cadcapp系统的开发研究.pdf

液压缸c a d c a p p 系统的开发研究 摘要 随着产品更新换代进程的不断加快，在产品设计、制造过程中。运用方便、实用的应用软件， 来完成产品的设计及零件加工工艺文件的制订，已成为企业及设计人员的首选。 本文主要介绍了以实际生产为背景。以系统的广泛实用性为目标而研究开发的活塞式液压缸 c a d c a p p 系统系统以数据库技术为基础，以s o l i d e d g e 三维机械设计软件为开发平台，采用 p o w e r b u i l d e r 标准程序语言对s o l i d e d g e 进行二次开发，建立了液压缸的标准件图库、设计知识库、 制造资源库以及工艺知识库等。本文开发的系统能自动生成非标准件的二维、三维零件图，自动选 择标准件，进而生成装配图，完成液压缸的设计；系统通过参数编码，能顺利实现c a p p 对c a d 参 数的调用，并综合检索、派生及龟成等决策技术，自动生成非标准零件的加工工艺文件，从而实现 了c a d 与c a p p 的有机集成。该系统支持人机交互，可对零件的设计、工艺编制进行人工干预。本 文最后通过实例阐述了系统的设计过程。 本文系统的研究，对通用型液压缸c a d ，c a p p 的集成化和智能化发展，有着一定的理论价值和 实用价值。 关键词：液压缸，计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工艺设计( c a p p ) ，集成，产品工艺信 息管理( p p i m ) 。 t h es t u d yo fh y d r a u l i cc y l i n d e rc a d c a p ps y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n tq u i c k e n i n go ft h em o d e lc h a n g ep r o c e s s ，u s i n gt h ec o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns o r w a r et of i n i s ht h ed e s i g no f t h ep r o d u c t se n df o r m u l a t i o no f t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf i l e o f t h ep a r t ，h a v ea l r e a d yb e c o m ef i r s t s e l e c t i o no f e n t e t v r t a n dd e s i g n e ri nt h ec o u r s eo f p r o d u c td e s i g n a n dm a n u f a c t u r e t h i sp a p e rm a i n l yi n 臼o d u c ep i s t o nt y p eh y d r a u l i cc y l i n d e rc a d ，c a p ps y s t e mf o rm a n u f c m r i n gt h a t t a k ea c t u a lp r o d u c t i o na st h eb a c k g r o u n da n dr e g a r de x t e n s i v ep r a c t i c a b i l i t ya 8t h eg o a lt or e s e a r c ha n d d e v e l o p t h es y s t e mi sb a s e do nt e c h n o l o g yo f d a t a b a s e ，t a k et h r e e - d i m e n s i o nm e c h a n i c a ld e s i g ns 0 1 a r e s o l i d e d g ea st h ed e v e l o p i n gp l a t f o r m , a n du s ep o w e r b u i l d e rs t a n d a r d i z a t i o np r o g r a ml a n g u a g et oc a r r yo n t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d e d g e ，h a v es e ti l ps t a n d a r dc o m p o n e n td r a w i n gl i b r a r y , d e s i g n i n g k n o w l e d g eb a s e ，m a n u f a c t u r er e s o u r c eb a n ka n dp r o d u c t i o np r o c e s sk n o w l e d g eb a s eo f h y d r a u l i cc y l i n d e r t h es y 矗e mc a np r o d u c et w o - d i m e n s i o n a l ，t h r e e - d i m e n s i o n a lp a r td r a w i n go fn o n - s t a n d a r dc o m p o n e n t a u t o m a t i c a l l y , c h o o s es t a n d a r dc o m p o n e n ta u t o m a t i c a l l y , a n dt h e np r o d u c et h ea s s e m b l yd r a w i n g ，r o a l i z e t h ed e s i g no fh y d r a u l i cc y l i n d e r t h r o u g hc o d es y s t e mo fp a r a m e t e r , t h es y s t e mh a ss m o o t h l yr e a l i z e d t r a n s f e r r i n gc a dp a r a m e t e r st oc a p p , s y s t e ms e a r c h i n g ，d e r i v i n ga n da c h i e v i n gm i x i n gd e c i s i o n t e c h n o l o g y , a n dp r o d u c i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf i l eo fn o n - s t a n d a r dp a r ta u t o m a t i c a l l y , i th a sa c h i e v e d t h ei n t e g r a t i o no r g a n i c a l l yo f c a da n dc a p et h es y s t e ms u p p o r t sh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n , c a l lw o r k o u tm a n u a li n t e r v e n t i o nt ot h ed e s i g na n dd r a w i n go ft h ep a r t i nt h ee n dt l l i st e x te x p l a i n st h es y s t e m a t i c d e s i g np r o c e s st h r o u g ht h ei n s t a n c e t h es y s t e m a t i cs t u d yo ft h i st e x th a sc e r t a i nt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv a l u et ot h ei n t e g r a t e da n d i n t e l l i g e n td e v e l o p m e n to f c o m m o nn s eh y d r a u l i cc y l i n d e rc a d a n dc a p ps y s t e m k e yw o r d s ：h y d r a u l i cc y l i n d e r ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) ，c o m p u t e ra i d e dp r o d u c t i o n p r o c e s s ( c a p p ) ，i n t e g r a t i o n , p r o d u c tp r o c e s si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ( p p d 田 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：二蝉日期：一k 、f 第一章 绪言 绪言第一章 进入二十一世纪市场趋于全球化，产品竞争更加激烈。产品质量要求越来越高，产品更新 换代周期越来越短。因此，能否对市场变化做出快速反应，更好和更高效地开发、设计、生产新产 品，是决定企业生存的关键。在这样强烈的社会需求推动下，计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 制造( c a m ) 技术得到了迅速发展，并在机械、电子、航空、汽车及建筑等许多领域中得到了广泛 应用。 液压技术自1 8 世纪末英国制造出世界上第一台水压机算起，已有二、三百年的历史，尤其在二 次世界大战后，液压技术迅速转向民用工业，在机床、工程机械，农业机械、汽车等行业中逐步推 广。液压系统主要组成部分有：1 ) 能源装置。其作用是把机械能转换成流体的压力能。2 ) 执行装 置。把液体的压力能转化成机械能的装置，有液压缸和液压马达两类，其中液压缸作直线运动，液 压马达作阿转运动。3 ) 控制调节装置。对液压系统中的流体压力和流体流动方向进行控制和调节。 4 ) 辅助装置。5 ) 传动介质。液压油。液压系统工作原理可用图1 - 1 所示的机床工作台液压系统加 以说明。液压系统由油箱、液压泵、溢流阀、换向阀、节流阔、液压缸、滤油器、油管、管接头等 组成，i ：作原理如f ：液压泵1 由电机驱动上作后。从油箱6 吸油，油液进入压力油路后，在三位 四通电磁换向阀2 左磁铁接电情况下，通过换向阀2 、节流阀3 。进入液压缸4 左腔，左腔油液压力 升高，液压缸中活塞和活塞杆一起向右移动( 机构中液压缸缸体固定) ，此时液压缸4 右腔的油液经 换向阀2 和回油管排同油箱6 ；如果将三位四通电磁换向阀2 左磁铁断电，而右磁铁接电，则压力 油将按照换向阀2 右l ：作位置的油路指向，进入液压缸4 的右腔，右腔油液压力升高，液压缸中的 活塞和活塞杆向左移动，此时液压缸左腔的油液经单向阀7 、换向阀2 和回油管排回油箱；若换向 阀2 处丁图示位置，则液压泵输出的压力油将经溢流阀5 直接回油箱，液压缸处于停车状态。 液压缸作为液压系统中的关键执行部件，其种类按其结构形式有活塞缸、柱塞缸、摆动缸三类。 活塞缸和柱塞缸实现往复运动，输出推力和速度，摆动缸则实现小于3 6 0o 的往复摆动，输出转矩和 角速度。 在机器设备中，液压缸是和工作主机直接相连的，液压缸性能的好坏将直接影响到机器设备的 运行精度，因此它的设计、制造是整个液压系统设计、制造的重要内容之一。 1 1 液压缸c a d c a m 技术的发展状况 设计作为现代工业生产的关键性环节，在产品的整个生产周期中占有极其重要的位置，是技术 创新的核心环节。据资料统计，虽然产品的设计、开发成本在生产成本中只占铂，但对产品总效益 的影响却l 吁到6 0 7 0 。产品设计成功率的高低，不仅决定着企业产品在市场上所占份额的大小， l 东南大学硕士学位论文 更决定个企业的命运。 7 1 、液压泵2 、换向阀3 、节流阀4 、液压缸5 、溢流阎6 、油箱7 、单向阀 图1 1 液压系统： 作原理图 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术，从5 0 年代开始，经历了4 个发展阶 段，现已进入迅速瞥及时期，在机械、航空、汽车、造船、电子、轻纺等各个领域已得到普遍应用。 我国的c a d 技术研究始于6 0 年代末，经过4 0 多年的探索和应用。取得了长足的进步，在c a d 技 术理论与算法研究、硬件设备生产、支撑软件的开发与商品化，专业应用软件系统的研制与应用等 诸方面都取得了丰硕的成果。机械行业自1 9 9 5 年以来，相继开展了“c a d 应用1 2 1 5 工程”和“c a d 应用1 5 5 0 ：r 程”，由“甩图板”到设计绘图自动化，引发了应用推广c a d 技术的高潮。 就液压c a d 的研究来说，开始于7 0 年代，美国麦道飞机公司率先开发出预测液压元件和系统 工作性能的a f s s 仿真程序软件包，使液压设计从经验估计上升到定量分析的阶段。8 0 年代初，德 国阿亨工业人学研制成功d s h 仿真系统，该系统采用模型库解决了液压系统各种常用液压元件的动 态模型并完成模型求解、数据处理和输出曲线绘制等工作。国内液压c a d 的研究约在8 0 年代初 开始起步，最初只是利用计算机对特定的液压系统或元件进行仿真，也有些研究涉及有限元分析、 参数辩识和优化设计，后来才发展到设计和绘图。1 9 9 4 年有文献介绍，在a u t o c a d r l 0 环境下，用 a m o l i s p 语言，运用变结构的设计思想，针对锻压机设计了一套从设计计算到绘图一体化的专用软 件；1 9 9 8 年有文献在a u t o c a d r l 2 平台上用a d s 语言开发了液压缸系统；1 9 9 9 年有文献介绍在 g h - - c a d 上用l i s p 语言，采用基于特征造型及参敷驱动技术，开发了面向零件设计和工艺设计集 成的液压缸c a d 系统，为液压缸c a d c a p p 集成研究工作奠定了基础：浙江大学、大连理工大学、 机电部北京自动化研究所等共同完成了“液压元件及系统的计算机辅助设计”攻关项目，并在此基 2 第一章绪言 础上开发出了液压泵c a d 、液压阀集成块c a d 系统、插装阀块c a d 系统、叠加集成块液压系统 c a d 、液压泵站c a d 软件等：文献【1 6 】以a u t o c a d r l 4 为设计平台，以o b j e c t a r x 为二次开发工 具，以v - b u a l c + + 5 0 为开发环境，研究了包含结构优化的液压缸c a d 系统。 由上述可以看出，我国液压系统c a d 的研究工作已经全面展开。并取得了一系列的研究成果。 但关于液压系统的重要部件液压缸的c a d 研究，目前还没有满意的结果 计算机辅助= 艺过程设j ：i ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a r m i n g ，简称c a p p ) ，通常指机械产品零件 制造j ：艺过程的计算机辅助设计与文档编制自从1 9 6 5 年n i e b e l 首次提出c a p p 思想，迄今3 0 多 年，c a p p 领域的研究得到了极大的发展，期间经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系 统工具系统等不周的发展阶段，并涵现了一大批c a p p 原型系统和商品化的c a p p 系统。武汉开 目信息技术有限责任公司在国内率先提出了c a p p 工具化的思想，将工艺人员从许多繁杂工艺设计工 作中解脱出来。从文献来看，提供了丰富的工艺知识表达工具，例如框图、公式、资源管理器等， 实现了个人、企业等的j 艺知识的收集和整理。提供了可视化的工艺知识定义界面，实现企业自定 义、自扩充f 艺规则、工艺参数、工艺流程。提供了典型工艺知识库和工艺规程库建库和管理丁具， 实现企业工艺知识的积累。基予知识的c a p p 系统参数化工艺设计平台在上海锅炉厂有限公司得 到了成功的应j 【f 。提供基于三维c a d 的加工工艺设计工具，可以基于3 d 模型定义加工工艺特征( 孔、 外圆、键槽、中心孔等) ，自动获取加工特征信息，可以基于特征加工知识进行辅助工艺决策，可以 建立3 d 一 艺装备库( 机床、卡盘、顶尖、定位销、支撑钉等) ，可以生成3 d 工序简图，实现可视化 的1 ：艺装夹规划等。“十五”期间，一批基于三维c a d 的加工工艺设计系统的研究，得到了国家8 6 3 课题专项支持；提供可视化的装配工艺设计工具，可以自动获取三维装配结构信息，可以可视化的 指定零部件的装配路径和先后顺序。可以生成三维装配工序爆炸图。装配工序设计时，可以指定装 配- i ：装、工具信息，进行装配过程的实体仿真的基于三维c a d 的可视化装配工艺设计的研究，已开 发出原型系统。基于i d e ( 集成开发平台) 和i d p ( 集成数据库平台) ，可以实现c a p p 各种层次的二 次开发功能，充分满足工艺个性化需求，适应企业发展变化的需求，借助于平台技术，可以自定义 界面，可加入任何标准的w i n d o w s 控件，用户可编写c + + 或v b 格式的脚本程序等，可以在c a p p 平 台上，开发专用的c a p p 系统的基于平台技术、可重构的c a p p 系统，并通过平台技术，已经开发出 了专朋的锻件c a p p 系统 文献0 8 1 介绍了支持液压缸c a d c a p p 集成的c a d 子系统。系统采用基于特征的信息表达方 法，实现了零件设计和工艺设计的集成；2 0 0 0 年文献 1 0 】介绍了一种基于液压元件的采用派生式功 能模块和专家系统模块组成的c a p p 综合决策系统。2 0 0 5 文献“面向产品的c a p p 系统的信息建模及 工具系统的体系结构研究”论述了面向产品的c a p p 系统的基本内容及其特点，建立了面向对象的 c a p p 系统的信息模型，构建了c a p p 工具系统的体系结构框架。 3 东南大学硕士学位论文 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 ，简称c a m ) ，是指从产品设计到制造之间的一 切生产准备活动，它包括c a p p ，n c 编程、工时定额的计算，生产计划的制订、资源需求计划的制 订等。 就n c 编程来讲，就是根据来自c a d 零件的几何信息和来自c a p p 的零件工艺信息，自动或在 人工干预下生成数控代码的过程。一般的编程方法有四种，即手工编程、数控语言编程、c a d c a m 系统编程，自动编程。 手工编程是编程人员按照数控系统规定的加工程序段和指令格式，手工编写出待加工零件的数 控加j i ：程序。数控语言编程事实上并不是自动化编程工具，只是实现了用高级编程语言来编写数控 程序，常用的编程语言为美国麻省理工学院开发的a p t 语言。c a d c a m 系统编程是从c a d 数据 库中调出零件图形文件，并显示在屏幕上，采用多级功能菜单作为人机界面，编程人员不需要编写 数控源程序，人人提高了编程效率。自动编程系统是从c a d 数据库获取零件的几何信息，从c a p p 数据库获取零件加工过程的工艺信息，然后调节n c 源程序生成数控源程序，再对源程序进行动态 仿真，得到确认后，则将加j ：指令送到机床进行加工。现在流行的c a m 软件有多种，但多属于通 用型软件，需要大量的人工干预形成加工源程序，针对液压缸生产而开发的c a m 软件则并不常见。 1 2c a d c a p p c a m 集成的意义 应用计算机系统的最大效益来自于集成和共享。c a d 、c a p p 虽然可以分别显著提高殴计、工艺 效率，但如果不能实现有效的集成和共享，那么他们所产生的效益还是有限的，此即当前影响企业 c a d 、c a p p 应用效果的一个重要原因。因此c a d 必须提供c a p p 所需要的信息。同样c a p p 也必须为 生产部fj 提供共享数据。由于设计、工艺处于企业生产流程的前面，他们产生的数据是企业的源头 信息因此c a d c a p p 的集成以及c a d 、c a p p 与后续管理信息系统的集成具有特别重要的意义。只有 实现了集成，才能形成连续的信息流，才能进一步提高c a d 、c a p p 的应用效益，才能从整体上提高 企业的生产效率。但是，c a d 、c a p p 计算机辅助技术是独立发展起来的，这些技术的应用多为分散 孤立的单项应用，他们本身并不具备相互集成的能力，不能实现系统之间信息的自动传递和交换， 存在大最的二次重复输入问题，这样，在企业实际应用中，就形成了许多自动化的信息孤岛。 c a d 、c a p p 的应用给企业的技术工作带来了全新的面貌，但其发展又暴露出了先进的技术手段与 落后的管理模式之间的矛盾。随着c a d 、c a p p 的全面应用，电子数据越来越多，技术工作方式正在 悄然发生变化，基于纸介质的管理模式正慢慢地丧失其有效性，随着时间的推移，必将不能适应电 子数据和计算机工作模式的管理要求。现在许多企业在实施c a d 、c a p p 系统以后，依然沿袭传统的 基于纸介质的管理模式，严重阻碍了c a d 、c a p p 系统应用效益的进一步发挥。 从以往的发展来看，c a d 侧重于产品的设计计算及其几何要素的组织和表达，依赖于图形支撑 4 第一章绪言 软件及以计算机为工具的设计和分析方法。c a p p 侧重于工艺信息的表达、输出和工艺规划，c a m 则侧重于刀具、路径规划和n c 编程，二者均依赖于工艺知识和数控加工技术为了增强产品的市 场竞争能力，适应产品不断更新换代的市场需求，这就要求有效地缩短产品的设计制造周期，孤岛 式的c a d ，c a p p 、c a m 越来越不能满足要求，集成是发展的必然趋势。 c a d c a p p c a m 的集成目标是跨越由图纸、语言、编码造成的信息传递的鸿沟，减少信息传 递误差和编辑出错的可能性。这就要求产品设计、工艺分析、工程模拟直至产品制造过程中的数据 一致性，且能直接在计算机间传递。由于c a d c a p p c a m 系统的各自独立发展。使得它们的数据 模型彼此难以相容，因此集成的关键应在于建立统一的数学模型和数据交换平台，实现数据共享及 各模块间信息的自动转换和平滑输出。 近年来，对c a d 、c a p p 、c a m 集成系统的研究取得了较大的突破，如文献 3 7 】论述了基于产 鼎特征建模技术的齿轮泵c a d c a p p 集成的结构以及实现系统集成的方法；文献【3 8 】阐述了应用 p d m 作为集成平台对基于特征技术的c a d c a p p c a m 集成方法；文献1 4 3 讨论了在a u t o c a d 2 0 0 0 的编程环境卜 零件特征信息的描述和图形数据库的构造方法，进而实现了c a d c a p p 的有机集成； 文献【4 5 】介绍了应用s o l i d w o r k s 三维设计软件，针对c a p p 系统的三个技术关键零件c a d 信息 的描述与输入、 艺决毁的实现、工序图和工艺文件的自动生成等所采取的技术策略；文献【6 0 】针对 球形容器的设计和制造特点，结合数据库技术、参数化设计和图形处理技术，提出了借助v i s u a lc + + 、 p o w e rb u i l d e r 和a u t o c a d 等软件，开发基于产品数据管理的c a d c a p p 集成系统的思路。 从选择的c a d 软件来看也是多种多样，p r o e 、s o l i d w o r k s 、a u t o c a d 、u g 等，图1 - 2 、图 1 3 分别表示“以s o l i d w o r k s 为平台的箱体零件c a d c a p p 系统”、“以a u t o c a d 为平台的轴类零 件c a d ，c a p p 系统”。 可以看出，当前的c a d c a p p 集成仍多是以单一零件为主。作为液压缸c a d c a p p 系统，需 要完成液压缸备非标准零件的设计、标准零件的型号选择、生成非标准件零件圈；完成非标准件加 工工艺的编制；支持人工交互等。 1 3 选题的意义和主要研究内容 本文的主要任务是建立液压缸的c a d c a p p 集成制造系统，主要是针对液压系统中的液压缸。 完成c a d c a p p 设计与开发。系统应可以根据设计主参数自动实现液压缸非标准件设计，实现标准 件的配套选择，从而给出零件图、装配图。c a d 设计的数据结果可以供c a p p 系统直接调用，并能 够应用c a d 设计结果，根据数据库中存储的加工工艺知识，计算生成零件的加工工艺过程卡，加工 工序卡等工艺文件。系统支持人工干预，且具有可重构性，系统的完成可以使液压缸系列产品的开 发，变得非常便利。 5 东南大学硕士学位论文 本文所建立的液压缸c a d c a p p 系统，是在s o l i d e d g e 设计软件基础上进行的二次开发。主要 进行了以+ f j l 方面的工作： 1 ) 建立有一定柔性可重构的液压缸零件设计知识库。 2 ) 建立液压缸非标准零件工艺数据库和制造资源数据库。 3 ) 建立液压缸非标准零件零件图、装配图生成系统。 4 ) 建立液压缸非标准零件工艺卡片生成系统。 5 ) 建立液压缸产品零件管理系统。 图1 2 以s o l i d w o r k s 为平台的箱体零件c a d c a p p 系统 6 第一章绪言 图l - 3 以a u t o c a d 为平台的轴类零件c a d c a p p 系统 7 东南大学硕士学位论文 第二章液压缸c a d c a p p 系统总体结构研究 2 1 液压缸c a d c a p p 系统分析与设计 本系统采用面向对象的系统需求分析方法。使用r a t i o n a lr o s e 做为需求分析及系统设计工具。 液压缸c a d c a p p 系统应实现的主要功能为，可为系统添加现有的液压缸产品的设计与制造资 料，系统可根据用户输入的液压缸产品士参数，根据系统所存储的资料，在其它类似的液压缸产品 的基础上进行重新设计，自动生成新产品的所有资料，并允许用户根据需要做适当的修改。自动生 成的产品资料包括新产品的所有零件信息、所有1 标准件的】= 艺过程卡片、机械加工工序卡片，产 品装配图。 系统以产品为中心，以零件为处理对象，以制造资源信息为基础数据。以工艺资料为设计依据， 将本系统需要实现的用例划分为三个包，即产品，零件、资料录入。 另存为? “产品管理”包中包括的用例： o 一7 产品c a d 一、 、 打印 g ，羔 盏 医 、 7 l 打开产品 ( 、) 、 保存产品 产品c a p p o 第二章液压缸c a d c a p p 系统总体结构研究 “零件管理”包中包括的用例： 用户 ( f r mu 8 ec a s ev i e 时 “资料录入”包中包括的用例： 用户 ( f r o au s e 【x 口ev i e 订 零件管理 一r 弋 建立新零件 。 产品c a d ( f r 傅产品) 2 2液压缸c a d c a p p 系统结构 计算机集成制造系统( c m i s ) 是当今自动化领域的前沿技术，也是机械设计制造的发展趋势， 作为c m i s 核心技术的c a d 、c a p p 系统如何实现集成，一直是研究的重点。从目前发表的论文来 看，所采取的技术方法很多，如“基于p d m 的c a d c a p p 集成技术”、“基于g t 的c a d c a p p 一 体化技术”，“基于特征的设计c a d c a p p 集成”等等，其关键点是零件信息的描述及信息的提取共 享，即如何顺利地实现c a d 产生的几何特征信息能够由c a p p 来直接调用。 本文建立的以s o l i d e d g e 为平台的液压缸c a d i c a p p 系统，其结构组成如图2 一l 。本系统使用液 压缸产品类，封装产品的c a d c a p p 两大过程，以设计，加工的基本单位“零件”作为产品类的基 本属性，而各类不同的零件本身各自形成相应的零件类。零件类各t t 完成自身的c a d c a p p 过程， 由零件类自主管理其主要参数、图纸、加工工艺过程，零件类能够自主存取知识数据库，这样的结 构使得c a d c a p p 两大过程的数据交换非常自然和谐。避免了同一零件的设计、加工由多个模块协 同完成所造成的大量数据交换可能引起的不一致。且便于根据零件的特点选用不同的设计方案 9 o 7 受 东南大学硕士学位论文 零件的图纸采用s o l i d e d g e 生成并以文件的形式存储在所属产品的文件夹中加工工序卡片则以 w o r d 文档形式保存。 s o l i de d g e 是美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n 公司的三维c a d 产品，1 9 9 9 年与国家科委联合举办了 “三维c a d 推广年”活动，2 0 0 1 年与国家教委进行了为全国2 0 0 余所高校赠送软件的活动，该软 件以其突出的性价比优势、完善的性能、良好的开放性，受到了很多企业的欢迎。在c a d 软件的选 择上，我们选用s o l i d e d g e 软件，根据液压缸设计的特点，充分利用强大的参数化绘图和方便的二次 开发功能。 采用的p o w e r b u i d c r 开发工具是s y b a s e 公司推出的一种4 g l ( 第四代程序设计语言) 高级数据 库席用程序开发环境，使用其专利技术d a 协w i i l d o w ，增强了系统交互能力，简化了数据库及界 面编程。应用程序开发完毕后，可以使用p o w c r b u i l d e r 提供的工具刨建可执行文件，以便完全脱离 系统开发环境运行应用程序。系统可以根据设计主参数自动实现液压缸非标准件设计，实现标准件 的配套选择，从而给出零件图、装配图。因以零件为单位进行c a d c a p p 设计，所以c a d 设计的 数据结果可以供c a p p 系统直接使用，并能够应用设计结果根据数据表中存储的加工工艺知识，计 算生成零件的加j ：工艺过程卡、加工工序卡等工艺资料。系统支持人工干预，且具有可重构性。 本系统共定义了近- 二十个窗口类，主要包括： 程序主窗口类：w - c a p p 一曲m e ，是系统的总控界面窗口。 打开已有液压缸产品窗口类：w _ s e l e c t _ p r o d u c t ，用户使用本窗口可以打开系统中现存的某产品。 新建液压缸产品窗口类：wn e w j r o d u c t ，通过该窗口，系统允许用户输入新产品主参数。 修改液压缸产品窗口类：wm o d i 产鼎的主参数，并通过本系统重新进行该产品的c a d c a p p 自动设计。 制造资源录入窗口类：w _ e q u i p m e n t _ d a t a 。 其它窗口类还有：w _ p r o d u c t _ p a r t sp r o c e ，w _ p r o d u c t _ p a r t _ s t e p _ p r o c e 等。 以上窗口类中使用的数据窗口类数量较多，不再一一列举。 为了封装产品及零件的c a d c a p p 设计逻辑，本系统定义了近十个用户对象，主要包括： 液压缸产品：n _ c a p p _ p r o d u c t ，主要功能方法有c l o n e _ p r o d u c t 及u p d a t es e l f 零件缸筒：n _ c a p p _ p _ o i l j a r ，主要功能方法有c u l 砷e - p e t e 、u p d a t cs e l f 零什活塞环：n c a p p _ p _ p i s t o n _ r i n g 卡片文件：n _ c a p p _ c a r d _ d o c ，主要功能方法有：s e t v a r i a b l e 、u p d a t e 。 1 0 东南大学硕士学位论文 第三章液压缸c a d 系统设计 3 1 液压缸c a d 系统设计软件平台选择 3 1 1 常用c a d 平台软件 目前，c a d 系统设计平台软件种类繁多，常用的有m a t 、i n v e n t o rr 2 、m a r c 、s o l i d e d g e 、 p r o e 、u g 等。 其中，s o l i d e d g e 软件是美国u n i g r a p h i c es o l u t i o n s 公司( 简称u g s ) 推出的基于w i n d o w s 平台 的三维机械设计软件。它是真正意义上的具有w i n d o w s 原创风格的软件，使得设计师在使用 s o l i d e a g e 软件的同时，进行w i n d o w s 。i - 的文字处理，电子报表、数据库操作，尤其是可以与其他 c a m c a e p d m 软件结合实现集成。 它是一个完全开放的c a d 平台，使用户可以用微软的v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等语言建立自己 的应用方案。 3 1 2c a d 造型方法 c a d 就三维造蹬来说，主要包括线架造型( w i r ef r a m em o d e l i n g ) 、曲面造型( s u r f a c em o d e l i n g ) 、 实体造型( s o l i dm o d e l i n g ) 、基于特征的造型f f e a r a t r em o d e l i n g ) 、参数化造型( p a r a m e t r i cm o d e l i n g ) 几 种方法。线架造型是在c a d 刚刚起步时惯用的几何造型方法，因为对线架结构研究比较多。所以它 也是一种比较广泛被采用的模型，这种模型以线段、圆、弧和一些简单的曲线等图形元素为描述对 象，由r 线架模型中没有面的概念，因此具有许多缺点，比如线架模型只能以线架类型方式显示模 型，所以观察模型时容易引起理解上的混淆；曲面造型是通过线架模型的基础上添加面的信息，利 _ f j 表面模型对物体做剖面、消隐，小平面着色等操作，弥补了线架模型的缺点，它的缺点是不能表 示设计对象的体积、重心，转动惯量等几何特性，而且造型操作过程也比较烦琐；实体造型的理论 发展可以追述到1 9 7 0 年，当时是利用c s g ( c o m m m t i v es o l i dg e o m e t r y ) 方法，将所建立的实体先 人致描述出来，然后再将这个实体转换为b p e p ( b o u n d a r y _ r e p r e s e n t a t i o n ) 方法建立的造型表示出 来。它的缺点是采用c s g 建模方法获得的实体虽然具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维体， 但其设计结果不能进行修改，因此c s g 方法不能被设计人员接受。基于特征的造型是针对产品的信 息包括形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征为基础，进而进行造型的方法，在 s o l i d e d g e 软件中，就是以特征为基础进行设计的，一个三维基本实体、孔、槽、切削、倒角、圆角 都是一个基本特征。参数化造型是将草图和模型中的定量信息通过工程方程变量化，使之成为任意 调整的参数对变量化参数赋予不同的数值，同时再加入必要的几何约束可得到不同大小和形状但 又具有相似性的零件模型 1 2 第三章液压缸c a d 系统设计 本文建立的液压缸c a d 系统，对于同一加工方式的设备所要求的液压缸设计来说，恰恰满足了 利_ l j 参数化造型进行设计的条件。在研究过程中利用了s o f i d e d g e 软件的零件族管理器的功能，并进 行二次开发，实现了设计主参数控制三维零件造型。并自动实现二维零件图纸、二维装配图纸的输 出功能。 3 2 液压缸c a d 系统结构组成 液压缸c a d 设计系统是以s o l i d e d g e 软件为设计平台所进行的二次开发系统。该系统利用 s o l i d e d g e 软件强大的三维设计及由三维转化二维图形的功能，利用p o w e r b u i l d e r 对开放的 s o l i d e d g e 进行二次开发，构建了标准件图库、非标准件图库、设计计算知识库等，利用 a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术通过两个程序间安排对话。使得二次开发的程序启动调用s o l i d e d g e 的强 大功能。系统信息流程如图3 1 所示 图3 - i 液压缸c a d 系统信息流程图 3 3 液压缸c a d 系统模块功能描述 i ) 标准件图库 用于存放液压缸部件的各标准零件，如密封圈、导向套、螺栓、螺母、紧定螺钉等。图形按序 列存放，并与系统建立连接，系统可以根据计算结果选择对应型号的标准件。 1 3 东南大学硕士学位论文 2 ) 非标准件图库 用来存放非标准液压缸零件模板模板分两种形式存放，一是利用s o l i d e d g e 零件族管理器以参 数化绘制的三维图形二是以二维零件图纸存放。标准件围库及非标准件图库存放在s o l i d e d g e 的存 储空间。 3 ) 设计计算知识库 用来存放液压缸设计计算时相关的公式、数据等，如零件材料参数表、圆整数据表、关联计算 公式等。 数据的存放是以关系数据库存储，部分数据表结构如下： c r e a t et a b l etm a t e r i a l _ p a r a m e t e r ( ，材料参数表) m a t e r i a l _ n oc h a r ( 2 0 ) n o tn u l l , p a r a m e t e rn a m ec h a r ( 2 0 ) n o t n u l l ， p a r a m e t e r _ t y p ec h a r ( 1 ) n o t n u l l , p a r a m e t e r _ l o wf l o a t n o t n u l l ， p a r a m e t e r _ h i g hf l o a t , c o n s t r a i n tp ktm a t e r i a l _ p a r a m e t e r ip r i m a r yk e y ( m a t e r i a ln o ，p a r a m e t e r _ n a m e ) c r e a t et a b l ets c o p e ( 圆整数据表 s c o p e _ t y p ec h a r ( 2 0 ) n o tn u l l , s c o p e _ n oi n t e g e rn o tn u l l , s c o p e _ v a l u ed e c i m a l n o t n u l l , c o n s t r a i n t p k j r _ s c o p e l 2p r i m a r yk e y ( s c o p e _ t y p e ) ) 冈为在液压缸设计过程中将主参数f 、p 、l 设为全局变量，在某产品打开、生成新产品时，通 过产晶对象取出该产品的主参数来更新这三个全局变量，以便计算零件的参数。为了便于集中管理 多个产品、多个零件的参数，开发程序中设计了零件参数信息表。 c a d 设计资料库如图3 - 2 示。 1 4 第三章液压缸c a d 系统设计 图3 - 2 液压缸c a d 系统设计资料库 3 4 液压缸设计的常规计算 本系统是以液压缸r = 作压力、工作行程、理论推力为基本设计参致，其中公称压力设置范围为： 液压缸的公称压力( g b 7 9 3 8 8 7 ) ，单位：m p a 活塞行程设置为：( g b 2 3 4 9 8 0 ) 单位：i n t o 缸筒内径d 按卜- 式计算： d =1 0 一( m ) 且满足下列尺寸序列( ) 缸筒譬厚6 计算为： ，当n o s 艿钎c m ， ：，当一o o s 一：占最c m ， ，当孔，： 艿爿辟匿心c m ， 且满足序列： 1 5 辱 东南大学硕士学位论文 液压缸为缸体同定，活塞