（机械电子工程专业论文）面向产品结构设计的图形单元技术研究及应用.pdf

论文题目；西回芒昌缱掏遮过煎国垄望丞遮垄婴究丞座用 研究生：趔住进 ( 签名)盎丑必 ，# “$ 一 指导教师：夔修主 教授( 签名) 。：_ _ _ ：! i k ，- 。； 专业：扭撼电王王猩年级：2 0 0 3 迦j 一。二0 摘要 机械产品的结构设计是设计工作中的重要内容，在产品开发中占有十分重 要的地位。结构设计一般是基于功能进行的，本文采用面向产品结构设计的图 形单元技术从功能层次研究产品结构设计的原理、方法和技术，在理论上和应 用上对面向产品结构设计的图形单元技术进行了深入而细致的研究。 首先，在功能结构分解的基础上，按照相似性原理对常用机械零件的图形 单元进行了总结和分类，并利用参数化建模技术建立了基因单元库和功能结构 单元库，为后续的工作奠定基础。 其次，依据自组织理论，结合图形单元技术提出了基于图形单元技术的产 品结构概念设计理论。通过创新的数字信息编码技术，将抽象的单元模型间的 配合过程、结构编辑过程演变为清晰简单的数学排列组合过程，实现了自组织 配合技术。 然后，在功能结构单元库基础上，运用自组织配合技术，完成功能模型的 生成，实现零件的概念设计：在基因单元库的基础上，根据图形置换原理，通 过变型设计和对三维造型软件的二次开发技术，创建了实用的编辑算法功能模 块，实现功能模型的动态结构编辑；利用a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 控件和可 变数组完成工艺数据库的自动在线加载。实现功能模型的工艺结构详细设计。 最后，在以上理论和技术的支持下，开发出面向产品结构设计的c a d 系 统。本系统能够从设计师的角度出发，与设计思维很好融合，快速生成零件实 体模型，提高产品结构设计的自动化、智能化水平。 关键词：三维功能结构单元，基因单元，信息编码，自组织配合，功能模型， 概念设计，详细设计 山东理工大学硕士学位论文 a b s 仃8 c t i i ，。，；= = = 一 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nt e c h n o l o g yo fg r a p h i cm o d e l o nf o rp r o d u c ts t r u c t u r e d e s i g n n a m e ：l i 旦监i 鱼q 丑g( s i g n a t u r e ) s u p e r v i s o r ：w e ix i u t i n g p r o f e s s o r ( s i g n a t u r e ) s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g g r a d e ：2 0 0 3 a b s t r a c t m e c h a n i c a lp r o d u c ts t r u c t u r ed e s i g ni st h ei m p o r t a n tc o n t e n ti nt h ed e s i g n i t i sg e n e r a l l yb a s e do nf u n c t i o n t h ep a p e rs t u d i e si t s p r i n c i p i u m ，m e t h o da n d t e c h n o l o g yi nt h ef i e l do ff u n c t i o n t h ef i r s t ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h es e l f - o r g a n i z i n gc o n c e p t u a ld e s i g nt h e o r y b a s e do ng r a p h i c sm o d e l o n ，t h ed e s i g ni n f o r m a t i o ni s e x p r e s s e db yf u n c t i o n a l s t r u c t u r ec e l la n dg e n e t i cm o d e l m e c h a n i c a lp r o d u c tg e n e t i cm o d e lc h a r a c t e r i s t i c i ss u m m a r i z e da n dc o n c l u d e d ，b yp a r a m e t e rm o d e l i n g ，g e n e t i cm o d e l o nl i b r a r y a n df u n c t i o n a ls t r u c t u r ec e l l1 i b r a r ya r eb u i l t t h e n ，d e s i g nc o d e ，c o o p e r a t ec o d e a n df i gc o d em a d es e l f o r g a n i z i n g a s s e m b l yt e c h n i q u et r u ea n dr e d u c e dt h ed i f f i c u l t yo fp r o g r a m t h e n ，t h ep a r t sc o n c e p t u a l d e s i g n i s a c c o m p l i s hb yb u i l d i n g t h e3 d f u n c t i o n a ls t r u c t u r ec e l ll i b r a r ya n dt h ep r o d u c ti n f o r m a t i o nc o d e s ，u s i n gt h e s e l f - o r g a n i z i n ga s s e m b l yt e c h n o l o g yt og e tf u n c t i o n a lm o d e l ；b a s e do n3 dg e n e t i c m o d e ll i b r a r ya n dt h ep r i n e i p i u mo fg r a p h i c ss u b s t i t u t i o n ，t h es y s t e mi so p e n e du p b yv a r i a b l ed e s i g na n ds e c o n dd e v e l o p m e n ta n de d i ta r i t h m e t i ct or e a l i z e de n t i t y m o d e l sd y n a m i cs t r u c t u r ee d i t ；t h ed y n a m i cd a t ae x c h a n g ei sr e a l i z e db ya d o c o n t r o lw a r ea n dt h ev a r i a b l ed a t aa r r a yi no r d e rt oa c c o m p l i s hd e t a i ld e s i g n t h ee n d ，t h ed e s i g nm e t h o dc a nm a k et h ec a ds y s t e mj o i n e dw i t hd e v i s e r s t h o u g h tt op r o d u c ee n t i t ym o d e l ，a c h i e v ei n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i cd e s i g n k e yw o r d s ：3 df u n c t i o n a ls t r u c t u r ec e l l ，g e n e t i cm o d e l ，d e s i g ni n f o r m a t i o nc o d e ， s e l f - o r g a n i z i n ga s s e m b l y ，f u n c t i o n a lm o d e l ，c o n c e p t u a ld e s i g n ，d e t a i ld e s i g n i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得山东理工大学或者其它 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感谢。 研究生签名：当4 彤眵汜 时问： f 年g 月舌日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或者扫描等复印手段保留、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守 此协议) 研究生签名：二。) 伽泥时间：，蝌6 年名月占日 导师签名： 第一章绪论 【本章摘要】本章分析了图形单元技术的研究现状，提出了实现面向产品结构 设计的图形单元技术的整体思路，并介绍了本文研究的主要内容和意义。 1 1基于c a d 的产品开发过程与本文研究思路 机械制造业是制造业的基础和支柱产业，对国民经济的高速增长起着至关 重要的作用，它不仅要为国内市场提供优质先进的技术装备和物美价廉的消费 品，还要为国际市场提供有竞争力的、高附加值的出口商品。然而我国大部分 产品的技术水平仍停留在先进工业国家7 0 年代末、8 0 年代初的水平，大多数 企业无法以市场需要的速度开发出新产品，这种现状已严重制约了国家整体经 济实力和科技水平的提高。 一个企业对市场的响应速度的快慢、产品开发一次性成功率的高低，不仅 决定着企业产品在市场上所占份额的大小，更决定着一个企业的命运。产品设 计是制造业的灵魂，因为产品的结构、性能、质量( 全面满足用户的要求) 、 成本、交货时间以及可制造性、可维护性及人机环境关系等，原则上都是在产 品的设计阶段确定的，而一代代产品在激烈的市场竞争中能否为用户所选中和 接受，是制造业能否生存和发展的关键【l 】。 设计阶段要着眼于产品的功能和技术规范，一个产品的诞生时间花费较多 的就是结构，结构设计是设计工作中的重要内容，它在产品开发中占据着不可 轻视的地位2 1 。进入九十年代以来，计算机辅助设计( c a d ) 及其相关技术获 得了长足发展，开始在广泛的领域普及应用。计算机技术的飞速发展和广泛应 用，深刻的影响着产品设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，也改 变着产品的结构和功能。c a d 技术与机械产品的设计过程相结合，产生了 种新的设计模式( 如图1 1 所示) ：将设计过程分为需求分析、概念设计、详 图l 一1 新的设计过程模式 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 设计概念的实体化工作。 概念设计的目的在于实现产品创新，概念设计主要包括功能设计和结构设 计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功 能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各 主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确 定整体设计方案。再由各责任设计师把主设计师的设计思想落实到具体设计中 去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用 许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的 信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户 要求的设计方案来。 概念设计不可能涉及产品全部结构的细节。对一个选定的方案进行细节设 计，这就是详细设计。详细设计是面向制造和装配阶段进行的设计概念与设计 方案的详细化、精确化，涉及产品的详细结构、几何参数、材料、公差和表面 粗糙度等。详细设计阶段输出的设计图样应能清楚地表达设计意图，包括全部 结构、主要尺寸、配合关系等，详细设计的结果直接影响着产品的加工制造， 在产品整个生命周期中占有及其重要的地位【4 l 。 当前一些大型c a d c a m c a e 商品化软件系统如u n i g r a p h i c s 、 p r o e n g i n e e r 等虽也提供了概念设计工业设计模块，但这些模块的根本缺陷 在于缺乏设计方法学的支持1 5 】，提供的基本上是一个在设计方案基本定型之后 的概念化草图化绘图工具而非设计工具。其设计流程没能从概念设计师的角 度出发，不能与设计思维很好融合，而且这些模块没有功能结构、设计单元等 高层次的工程概念以及进行设计概念实体化的有效方法。 综上所述，c a d 系统与产品设计过程相结合，有效地获取、表达和理解 设计师的设计意图，历史地描述产品信息建模过程，是非常必要的。本文将从 功能层次研究产品结构设计的原理，以图形单元作为设计师的工程语言，将零 件设计信息以基因单元、功能结构单元等形式来表示，通过建立功能结构单元 库，运用自组织配合技术，完成功能模型的生成；运用变型设计和二次开发技 术，在基因单元图形模板的基础上，完成工艺结构实体模型的详细设计；开发 实用的、多功能、自动化、智能化程度高的机械工程c a d 系统，使其能根据 设计需求快速生成零件实体模型，促进图形结构与工艺、加工等工程意义的结 合，实现概念设计与结构设计的集成，降低产品建模复杂性，提高产品信息复 用率。本文提出的产品结构设计流程如图1 2 所示。 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 功能结构单元库 基因单元库 确定零件功能 检索符合需求的图形结构 坐 零件功能模型 打开基因单元图形模板文件 变 型 设 计 零件实体模型 篇 l 节艺 l 设结 上计构 零件最终实体模型 概 念 设 计 详 细 设 计 图1 2 零件概念设计与详细设计流程 1 2 图形单元技术的国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 图形单元最早起源于生物型建模。生物型建模是日本东京都大学冲野教郎 ( n o r i oo k i n o ) 教授在研制生物型制造系统( b i o n i cm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 时 提出的一种高度智能化的产品信息建模技术 6 l i ”，是指在现代先进制造系统环 境下，以一种高度柔性与高度集成的方式，通过模拟人类专家的智能活动，进 行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取得或延伸人的部分脑力劳动，通过 模拟生物的进化过程，对经过实践考验的产品构成基元进行收集、存储、共享、 继承与发展的技术，是一种由若干基本单元零件乃至产品整体的过程。 浙江大学的顾新建教授、祁国宁教授等1 8 1 1 9 1 在该领域进行了大量的研究， 提出了产品信息基因模型。生物型产品信息模型( b i o n i c a li n f o r m a t i o n m o d e l ) t1 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 就是指覆盖产品生命周期整个过程，并为计算机所理解和处理的，关于产品知 识和数据的形式化描述构造集合。它是由一系列相关的子模型构造而成的群体 模型 1 0 l 。任何一种生物，如果它完全不能从外部取得必要的信息，它就无法 感知外部世界的变化，当然也就不能适当地调整自己的状态改善与外部世界的 关系来适应这种变化，这样的生物必然受到自然的淘汰而无法生存。具备从外 部世界取得信息和利用信息的能力，是一切生物得以生存的必要条件，生物为 维护生命必须努力积极地去营造一个非平衡环境。与其类似，适应先进制造系 统的产品信息模型也必须是开放型的群体，具备动态的与外部信息交流和面对 具体应用环境的自动适应能力1 1 1j i l 2 】。 先进制造系统要求生物型产品信息模型能够表示产品的结构，采用特征和 约束作为基本的结构单元，为各个抽象层次、各个应用领域的产品建模提供统 一的方法；其次，生物型产品信息模型能够表示产品的内在涵义，表示产品的 基因特征，在产品生命周期的各个环节都能对产品模型做出正确的理解，包括 产品的概念模型和各个局部模型。 生物型与自组织产品信息模型与现有的产品信息模型密切相关。产品具有 生命周期，产品结构具有层次性，因此产品信息模型也呈多样化，是一个包含 了各种不同的产品信息一体化的开发性群体模型【i3 1 。产品基因是产品科学和 技术的继承者和传递者。采用基因模型对产品信息进行描述，可以深化对产品 信息组织结构的认识，有助于建立完整的产品信息模型。 生物型与自组织的产品信息建模是机械工程科学、计算机科学、信息科学、 思维科学、生物遗传学、自组织理论等多学科交叉结合的产物；其理论基础与 技术体系尚处在探索和形成过程之中，其精确内涵和关键技术也有待进一步研 究。 谭建荣教授【1 4 】依据产品信息基因理论，提出了递归化产品信息集成建模 的实现方法，对图形单元进行了更为深化的研究。2 0 0 2 年，在高校博士学科点 专项科研基金资助下，谭教授承担的“基于图形单元的递归化建模方法及其应 用”课题通过了教育部有关部门的验收。该课题根据机械产品设计的单元化和 递归化特点，提出了基于图形单元的递归化信息映射原理、自适应性原理和自 组织原理，面向结构设计全周期归纳出四类图形单元置换方法，并综合考虑工 程语义一致性和几何可组合性，推导出图形单元置换可行性的判断准则。该软 件系统已成功应用于杭州气轮机厂等多家公司的新产品设计中。该项目部分成 果已于2 0 0 0 年1 2 月获浙江省科技进步一等奖，2 0 0 1 年5 月获中国高校科技进步 一等奖。 2 0 0 3 年谭建荣教授又提出“面向产品信息建模的图形单元技术及其有 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 i n t e r n e t m 上的实现研究”项目。该项目开发了基于图形单元的产品设计、绘 图和图纸管理一体化的软件系统。 1 2 2 发展趋势 自在设计领域采用c a d 技术以来，产品设计信息以数字化形式在计算机中 进行表示，产品模型的处理和检查变得十分方便，大大提高了产品的设计质量 和效率，同时缩短了产品设计时间。但是，目前的c a d 系统仅仅局限于产品几 何建模，擅长设计阶段中某一时刻设计信息的表达，主要用于产品的详细设计， 对产品设计前期过程的信息模型的处理能力不够理想，在表述产品的工程意义 和动态设计过程方面显得十分乏力，这种不足尤其影响了c a d 技术在工程产品 设计中巨大潜力的发挥。 产品信息的单元化与设计过程的计算机描述是实现c a d 与产品设计有机 结合的重要途径，有利于实现设计工作的自动化和智能化。国内外专家和学者 在上述方面做了大量的研究工作。 p a u l os o u s a 等【1 5 】【1 6 1 提出了生物型原理的基元技术，仿照基因和细胞的结 构及运作机理进行产品设计。 m a n t y l a 【l ”提出了装配模型的p a r t - - o f g r a p h s 表示，p a r t - - o f g r a p h s 由节点 和圆弧组成，节点表示设计特征，圆弧描述了节点和圆弧之间的相互关系。 浙江大学工程及计算机图形学研究所( e c g i ) 产品信息建模课题组在国 家自然科学基金及众多专家的支持下，在产品信息单元化和设计过程表示方面 取得了巨大的进步。 魏修亭教授【1 8 】从产品信息单元化和设计过程历史性的角度探索产品设计 概念和设计过程的发展规律，利用图形单元技术完成了面向设计历史与过程的 图形置换与迭代的理论和方法研究，实现了基于功能设计图形结构的过程。 冯毅雄博士【1 9 1 在基于符号的装配建模方法的研究中，将装配单元描述为 实现一项或多项功能的、携带装配约束信息的结构单元，为产品装配建模过程 中抽象、模糊、动态关联产品装配设计信息的表达、传递和维护提供了可能。 伊国栋博士【20 】以图形元素和关联算子为基础定义结构单元，并赋以特定 工程语义，使之成为包含结构信息和图形信息的基本设计单位，建立了单元化 结构模型，实现了产品的结构变动设计。 c h ub e i 等 2 1 】根据三维特征的二维投影建立了基于图形单元的自组织设计 体系，可以方便地实现系列产品设计。 金建国等2 2 儿2 3 】在参数化设计中引入图形单元概念，通过结构分解和约束 离散实现设计目标。 山东理工人学硕七学位论文 第一章绪论 这些研究工作的共同特点是定义了粗粒度的设计单位，对特定信息进行了 集成描述，进而提高了设计的层次。但是，这些定义大都脱离了基本的图形元 素，无法继承已有的底层图形设计工作，在设计过程中需要增加结构和图形的 映射步骤，不利于迸一步提高设计质量和效率。 到目前为止，面向产品结构设计的图形单元技术的研究大多停留在二维领 域，许多研究工作也大都从概念和逻辑层次进行，在实现方法特别是自组织实 现概念设计、动态结构编辑及工艺结构详细设计等方面研究较少。 1 3 本论文的主要研究内容及意义 1 3 1 本论文的主要研究内容 根据机械产品结构设计的特点和现阶段新的结构设计模式，本文首先根据 相似性原理对机械产品中的零件进行分析和分类，并建立了参数化图形单元 库。在此基础上，利用自组织配合技术，实现了面向产品结构设计的概念设计、 动态结构编辑和工艺结构详细设计，开发了一个包括轴类、齿轮类、叉架类、 薄板类等常用零件在内的产品结构设计系统，以实现不同产品的自动设计和智 能设计。本论文的主要研究内容及技术路线如下： ( 1 ) 面向产品结构设计的图形单元的提取及建库 图形单元是产品设计过程的基本信息单元，图形单元的分类和提取应该紧 密结合设计过程来划分。另外，机械产品零件的结构设计一般是基于功能进行 的，所以本文将图形单元从从属关系和功能结构两个方面进行分类和提取，并 采用参数化建模技术对常用机械零件基因单元和功能结构单元进行建库管理， 为后续的基于图形单元的产品结构概念设计、动态结构编辑和工艺结构详细设 计奠定基础。 ( 2 ) 配合信息编码以及运用自组织配合技术实现概念设计 在完善的基因单元库和功能结构单元库的基础上，结合图形单元的特点， 用数字对参与配合的模型进行编号和命名，并对单元模型间的配合关系进行编 码，使得整个配合过程完全由单元模型信息和配合信息操控，实现零件功能模 型的概念设计，从而能够快速生成零件实体模型。 ( 3 ) 运用算法实现自组织结构动态编辑 智能c a d 系统的效率在很大程度上依赖于零部件的生成与修改效率。将 图形置换原理应用于结构设计的修改中，由于数字的参与将抽象的配合关系演 变为清晰的数学排列组合关系，实现了结构编辑的插入、删除和替代3 种算法。 通过实例详细介绍了实现动态结构编辑的过程。 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 运用工艺数据库的自动在线加载技术实现工艺结构详细设计 针对工艺结构详细设计过程中出现的问题，以实现工艺结构的智能化设计 为目标，依据图形单元本身的优势，建立工艺数据库。通过a d o 控件实现v b 与数据库的连接，建立可变数组使c a d 系统在进行设计工作的同时能够与数 据库动态实时地交换数据，实现设计过程中的数据共享和重用、及在线数据加 载。创建了几种典型的工艺结构详细设计模块，例如倒角、添加键槽等，减少 重复输入参数的工作，大大提高设计效率和质量。 ( 5 ) 产品结构设计系统的开发 综合应用以上图形单元库、概念设计信息编码、动态结构编辑算法以及工 艺数据库的自动在线加载等技术，开发了面向产品结构设计系统。通过实例对 其功能进行了有力的验证。 论文结构如图1 3 所示。 i 第一章绪论 研究 if 及思j 第二章图形单元的特性及管理 理诊j 儿儿儿葛 i 第三章基于图形单元第四章基于图形单元第五章基于图形单元l 技术 的产品结构概念设计的产品结构动态编辑的工艺结构详细设计 i 士上 第六章基于图形单元的产品结构设计系统开发 系统， il u 第七章总结与展望 论文启 1 3 2 本论文研究的意义 图1 3 论文结构图 本论文结合山东理工大学精密模具省级重点实验室魏修亭教授承担的山 东省自然科学基金委员会“产品结构设计单元化理论、方法研究及其应用”项 目和淄博市科学技术局“面向大批量定制的自组织设计技术及其应用研究” 项目，提出了面向产品结构设计的图形单元技术，建立了常用机械零件图形单 元库，将c a d 基本几何数据和适合于工艺设计的加工特征信息有机地结合起 来，顺利实现了结构设计与图形参数化设计的一体化。通过图形由简单到复杂 的置换来表达设计概念和设计过程，融合设计者的设计思维，适应设计者的设 计意图，将设计者的设计行为始终自动适应功能需求，显著减少设计绘图时间， 缩短设计周期。开发的产品结构设计系统不仅是辅助造型工具，也是辅助设计 工具，将专用型系统研究推广为通用型系统研究，成为一个通用型的新颖实用 的c a d 系统。 本研究工作可增强计算机辅助设计技术的完整性、灵活性以及对概念设计 的支持能力，对于提高面向产品结构设计的c a d 系统的自动化、智能化水平和 企业设计效率及质量具有重要的现实意义。 山东理工大学硕士学位论文 第二章图形单元的特性及管理 第二章图形单元的特性及管理 【本章摘要】本章详细介绍了作为产品信息载体的图形单元的概念和性质，根 据相似性原理，从从属关系和功能结构两个方面对其进行了分类。采用参数化 建模技术完成了部分常用机械产品基因单元库和功能结构单元库的建立，为后 续的基于图形单元技术的产品结构概念设计、动态结构编辑和工艺结构详细设 计奠定了基础。 2 1引言 机械产品零件的结构设计一般是基于功能进行的【24 1 ，图形单元( g r a p h i c s m o d e l o n ) 则是具有一定功能的结构单元。图形单元的出现使得工程技术人员 在进行产品图形设计时，考虑的基本单位是具有一定工程意义的结构要素( 即 形状特征) ，而不是原始的图形实体( 点、线、圆弧等) 【2 ”。当前一些大型c a d c a m c a e 商品化软件系统如u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n e e r 等虽是三维绘图 软件，但在表现设计过程时仍以基本的点、线和圆弧等作为基本几何图索来绘 制草图，这些基本的几何图素不但使绘图繁琐，而且不能作为工程语言来表达 设计者的设计意图。因此有必要从功能的层次研究产品结构设计的原理，寻求 能够快速体现设计者设计意图的方法，使c a d 系统能够根据设计需求快速生 成产品实体模型，从而实现产品结构设计的自动化和智能化。 本章主要介绍图形单元的定义、特性、分类和参数化建库技术，为后续的 概念设计、动态结构编辑和工艺结构详细设计的实现做好准备。 2 2图形单元及其特性 图形单元是产品信息的载体，是表达设计意图( d e s i g ni n t e n t ) 的基本单 元，是设计者描述设计对象与设计过程的工程语言f 1 8 】，具有描述动态设计过 程的能力。通过产品结构的单元化，可以使设计过程变得形象、直观与简便， 使设计工作在更高层次上进行。 2 2 1 图形单元的定义 图形单元是指具有一定功能的结构单元。它是根据产品零件在产品中的拓 山东理工大学硕士学位论文 第二章图形单元的特性及管理 扑特征、形状特征、尺寸特征等，将描述同一特征的点、线、面等图素加以组 合而成；它是工程技术人员思考、创造的工程语言，也是设计、制造和加工的 基本单元【26 1 。 2 2 2 图形单元的特性 图形单元具有以下特性【2 7 】： ( 1 ) 继承性 图形单元的形状特性包含了各个形状 要素( 点、线、面及中心线、对称面等) 。 产品间或多或少存在一定的相似性，从而形 成代表本体的外观形状特征，如回转类零件 竺萼要：+ 誊篓琶要竺竺兰掌笔。，。鬯碧芝擘兰 轴心线一一定位作用 些形状特征对于理解产品信息很有必要，同 端面：“柱；一一衰三鼻磊 时也为后期的自组织配合的实现提供了可 图2 1 轴段的形状特性元素 能。如图2 1 列举了轴类零件的形状特性 元素。 ( 2 ) 功能特性 不同的产品都有一些典型的功能特征。如轴 类零件上的倒角、退刀槽，齿轮、皮带轮等零件 上的键槽等。抽取这些特征可以使设计更加快捷、 准确，从而实现产品的工艺结构详细设计和动态 结构编辑。如图2 2 所示的不通孑l 孔类特征，就图2 2 孔类特征 可以功能特征的形式作为一个独立的图形单元参 与设计。 ( 3 ) 代码性 图形单元是设计人员思考、创造的工程语言，将其用代码表示，使图形单 元转变为一种让计算机“理解”的设计对象，利于计算机的检索、分类和使用。 图形单元以代码形式出现，并按一定的规则有序地组合为零件或部件，可使设 计在更高层次上进行。 ( 4 ) 模块化 图形单元的图形模板采用参数化技术进行建模，可以在保持外观和拓扑结 构不变的情况下进行尺寸驱动。对现存模型进行编辑，可以快速有效地、高质 量地得到具有一次性成型的新的相似零件，这对于产品信息的继承也十分重 要。 1 0 山东理工大学硕士学位论文第二章图形单7 t 的特性及管理 ( 5 ) 转换性 图形单元是制造、加工的基本单元，其模型 本身已包含了可制造性，其结构可直接与加工制 造相联系。如图2 3 所示的倒角轴段可由两个图 形单元共同形成一光轴和倒角特征，两个图形单 元对应于两道加工工序：车削和倒角。 图2 3 转换性 ( 6 ) 自组织性 图形单元由于具有继承性、模块化和转换性的特点，适合于产品信息的自 组织。在机械产品结构设计中，自组织性可以根据实际需要改变产品的功能和 性能，很容易得到新的功能和性能。设计者也可以很容易地自行设计产品，使 得产品性能和设计过程能够动态进行。 ( 7 ) 层次性 产品结构的多样性、一致性和复杂交错性导致了图形单元的层次性。比如 图2 3 的倒角轴段，既可以看作一个图形单元一一倒角轴段，也可以看作由 两个图形单元组合而成一一光轴和倒角特征。 2 3 图形单元管理 图形单元作为设计、制造和加工的基本单元，最终要表达整个产品的设计 信息和制造信息。从整体上说，任何阶段的产品信息都将以图形单元为基础， 因此极有必要运用系统工程的原理和方法对图形单元进行分类剖析，以便为计 算机集成系统的统一处理提供良好的依据2 引。图形单元管理的主要内容是进 行合理分类和参数化建库。 2 3 1 图形单元的分类 图形单元是产品设计过程的基本信息单元，图形单元的分类应该紧密结合 设计过程来划分。产品的设计过程一般包括概念设计、结构设计和工艺设计。 概念设计是设计的最初阶段，结构设计主要是强调产品的外观、结构和功能， 而工艺设计强调的是产品的加工性能。因此图形单元是由产品的几何形状、功 能、技术和组织等基本图形单元组成。 2 3 1 1 按从属关系分类 按从属关系来划分图形单元，可分为主图形单元和子图形单元。主图形单 山东理工大学硕士学位论文 第二章图形单元的特性及管理 元对应产品特征的共性。如在轴类零件的设计中，主图形单元可取为特征轴的 公共特性( 光轴段、螺纹轴段等) ；子图形单元对应产品特征的个性，如键槽、 退刀槽等。 2 3 1 2 按功能结构分类 机械产品零件的结构设计一般是基于功能进行的。功能结构是零件上能够 完成某些具体功能( 如配合、定位、支承、啮合、固紧等) 的那部分图形的集 合。仔细分析机械产品的结构及其生产过程可知： ( 1 ) 由于零件的功能、加工工艺与生产工具的有限性，零件的形状特征 具有局部相似性，最能表现产品结构特点的基本形状特征集合在大部分情况下 是固定的。 ( 2 ) 零件结构上一般都存在明显的功能区域，这些功能区域有一组形状 特征构成，对应完成零件的一种子功能。将机械零件进行功能分区，功能分区 完成某些具体功能，它所包含的图形结构就是该零件的功能结构。以轴类零件 为例，按实现的功能可将轴的结构分为两部分：支承部分和安装工作部件部分， 其中，支承部分又可以分成输入输出端和自由端，自由端仅起支承的作用， 而输入输出端不仅具有支承的功能之外，还具有与外界交换能量的功用【2 。 下面以齿轮轴为例进行详细阐述。 齿轮轴的功能需求为“支承一啮合一支承”，分别用轴端a 、切齿部分和轴 端b 实现。轴端a 、切齿部分和轴端b 就是齿轮轴的功能结构。为适应不同 的使用要求，齿轮轴的三种功能结构轴端a 、切齿部分和轴端b 都有多种变型， 据文献 7 】统计，轴端a 和轴端b 分别有8 种变型，切齿部分有7 种。这三种 功能结构的任一有效取值的组合都能产生一个齿轮轴，共有8 x 7 x 8 = 4 4 8 种不 同结构的齿轮轴，基本覆盖了机械产品中的各类齿轮轴( 如图2 4 ( a ) 所示， 其变型结构三维图形是由文献 2 9 】的二维图形演化而来的) 。 功能结构概念建立了设计功能与几何结构之间的有机联系，合理的功能结 构划分是实现零件按功能设计的基础，因此有必要将常用的功能结构单元作为 独立的图形单元使用。 一般来说，对产品功能进行了有效的分解之后，一个功能的实现往往只涉 及到零件的某个或某些基因单元，而基因单元是单元化产品建模的基本单位。 比如，表达4 4 8 种结构的齿轮轴所需的基因单元只有五个( 如图2 4 ( b ) 所示) 。 意即：只要建立了包含图中的五个基因单元，就能完成各种功能结构单元的建 模。比如图2 - - 4 ( 曲画面中切齿部分2 1 就是由四段圆柱轴和一个直齿轮组成的 ( 如图2 4 ( c ) 所示) 。 山东理工大学硕士学位论文第二章图形单元的特性及管理 总上所述，图形单元按功能可分类为：功能结构单元和基因单元。 ( a ) 齿轮轴的功能结构单元 圆柱轴圆锥轴直齿轴斜齿轴 轴承 ( b ) 齿轮轴的基因单元 圆柱轴直齿轮圆柱轴 ( c )图2 4 ( a ) 中的切齿部分( 2 1 ) 的基因单元组成 图2 4 齿轮轴功能结构单元及基因单元 山东理工大学硕士学位论文 第二章图形单元的特性及管理 2 3 2 图形单元参数化建库 机械零件千差万别，但也有相似的地方，对其进行相似性分析( 相似性分 析是按照相似性原理对零件进行分析的方法1 3 0 】) ，抽取其共性，组建成图形单 元库，供设计者选择。图形相似是指图形之间在拓扑结构、几何形状以及表达 功能上的相似程度。在图形识别和理解中，图形的相似性是识别和零件相似图 形的基础，图形的相似性特征是判别其相似性的依据 3 1 1 。图形单元库的建立 为概念设计、变型设计和自组织配合奠定了基础。设计者只需按照规则对库中 单元进行选取和参数设定，系统将会自动完成新的模型的建模。 2 3 2 1 图形单元参数化建模 ( 1 ) 图形单元参数化模板的建模 参数化设计3 2 1 3 3 】是指现有一组参数来定义几何图形( 体素) 尺寸数值并 约定尺寸关系，然后提供给设计者进行几何造型使用的设计方法，也就是以与 设计对象的控制尺寸有显式对应关系的参数，通过尺寸驱动修改设计结果，从 而满足设计要求的产品几何造型的设计。图2 5 是参数化设计的原理图。 图2 5 参数化设计系统原理框图 基于图形单元的参数化建模使得图形库具有较好的可维护性与扩充性 【34 1 。本文利用s o l i d w o r k s 提供的基于特征的参数化实体造型功能，及其在造 型过程中完成对图形的几何约束和尺寸约束定义的功能，完成图形单元的参数 化建模。 建立模板模型，更改设计变量名称 建模过程中，s o l i d w o r k s 对标注的尺寸会自动默认一个名称，为了方便设 计者对需要参与参数驱动的特征尺寸进行管理及编程时的有效调用，应对其进 行重新命名。尺寸的命名可以使用具有工程意义的名称来命名，如l 、r 、b 等，以此类推。通过改变这些变量的值来取代图形单元模板。如图2 6 为倒 山东理工大学硕士学位论文 第二章图形单元的特性及管理 角键槽轴段参数化模板的建模，从图中可以看到长度、半径等尺寸名称已经发 生了改变。 图2 6 倒角键槽轴段参数化模板 添加关系方程式 对于一些有相互关系的尺寸，可以使用添加方程式的方法进行约束，既可 以减少设计尺寸的输入数量，又可以保证建模的质量。当模型中的尺寸受到方 程式驱动后，就不能再采用一般的编辑方式更改，而是受方程式中自变量的驱 动【3 ”。比如绘制倒角键槽轴颈时，键槽的绘制要在参考基准面上进行，参考 基准面的确立与轴段半径有关，因此基准面就可与原点之间添加如下方程式进 行约束：d 1 草图1 = r 1 草图1 。这样，知道了半径尺寸也就约束了键槽的 位置( 如图2 7 所示) 。 图2 7 尺寸约束的关系方程式 ( 2 ) 运用变型设计生成符合条件的三维图形单元 变型设计3 5 】【3 6 1 是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在 的设计或设计计划，作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。这种修 改一般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结构的 局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满 山东理工大学硕士学位论文 第二章图形单元的特性及管理 足不断变化的市场要求。 为了达到与用户的交互性更好，可设计可视化程序界面进行变型设计 ”1 ， 用户只需在界面上选择好要用的轴段图形类型，输入一些必要的尺寸参数，就 可得到所要的单元图形，节省了大量的绘图时间。 图2 8 变型设计界面 如图2 8 所示，是轴类零件图形单元各种轴段类型的成型添加轴段设计 界面。用户先选取要进行设计的轴段类型，再按照界面提示的内容添加或选择 必要的参数即可得到相对应的三维图形。下面以倒角键槽轴段的设计过程为例 解释具体的操作过程。 第一步：运行c a d 系统。 第二步：点击“轴颈”，选择倒角键槽轴段的设计界面。 第三步：用户只需输入轴段的半径和长度两个尺寸即可。至于键槽的长、 宽、深度值及倒角尺寸值均可由系统按照最新国标标准自动添加。当然，如果 用户有特殊要求需要自行设定这些尺寸，也可以手工进行添加。 第四步：按下“确定”按钮，即可生成新的参数状态下的倒角键槽三维模 型。 下面为系统开发生成参数化轴段类型的部分程序代码及解释： d i ms w a p pa so b j e c t 定义应用程序对象句柄 d i mp a r ta s0 b j e c t 定义零件对象旬柄 s e ts w a p p 。c r e a t e o b j e c t ( ”s l d w o r k s ，a p p l i c a t i o n “) 创建一个应用程序 s e tp a r t = s w a p p n e w d o c u m e n t ( m y p a t h + 轴段名称s l d p r t ，0 ，0 ， 0 )打开所需的模板文件 p a r t p a r a m e t e r ( ”r 草图”) s y s t e m v a l u e = v a l ( t e x t b o x t e x t ) 获取输入的 轴段半径尺寸 2 3 2 2 图形单元库的建立 应用参数化c a d 系统建立图形单元库，简便易行，只需建立较少的模型， 编制较少的程序，就能满足零件参数化设计的要求，这种图形库信息存储量少， 图2 9 图形单元库系统结构简图 占用资源少，而且便于使用、维护和管理。面向产品结构的参数化图形单元库， 主要有数据管理工具、图元信息库、图元模型库、用户界面和应用程序接口组 成，如图2 9 所示。 通用c a d 软件的数据管理能力普遍较弱，在零件库中必须有专门的数据 管理工具，负责零件库的数据管理，关键是对零件特征模型及其参数值的存储 和处理。零件模型采用文件存储的方式。特征参数值的存储和管理，目前主要 有两种方法：一是使用数据文件的形式存放参数值；另种是使用数据库管理 系统建立独立的参数值数据库。相比较而言，使用数据管理系统来管理零件库 中的数据，安全性更好，管理功能更强，可以很方便地进行数据的检索调用、 修改、添加和删除等多种操作。 零件库由各个零件模板组成，由于模板中包含模型和信息两部分，于是形 成了零件模型库和零件信息库。零件模型库存储零件的参数化特征模型，而零 件信息库中则记录零件的尺寸参数、零件名称、材料等信息，其中对零件参数 山东理工火学硕士学位论文第二章图形单元的特性及管理 化设计而言，最重要的是尺寸参数。 用户界面按照设计习惯和一定的规范建立，在零件库、设计人员和c a d 系统之间架起了联系的桥梁，通过应用程序接口实现用户界面和c a d 系统的 集成。设计人员在c a d 系统中进行设计时，调用零件的方式一般是通过用户 界面联接到零件库，利用零件库的管理工具调用所需零件模型和信息，通过应 用程序接口将模型在c a d 系统中激活，并用相应的参数进行驱动，实现参数 化设计，也可以将c a d 系统中零件的数据添加到零件库中。 通过建立零件模板，再对c a d 系统进行二次开发建立参数化零件库，这 样在通用c a d 系统中创建了一个面向特定产品零件的专用设计环境，零件的 参数化设计便可实现。 山东理工大学硕士学位论文第三章基于图形单元的产品结构概念设计 第三章基于图形单元的产品结构概念设计 【本章摘要】本章依据自组织理论，结合图形单元技术提出了基于图形单元技 术的概念设计理论。首先在功能结构单元库基础上，从设计方法学的角度，根 据设计需求运用自组织配合技术，快速生成零件实体模型，实现了零件功能模 型的概念设计。最后通过实例阐述了基于图形单元的产品结构概念设计的实现 过程。 3 1引言 概念设计是设计过程的初始阶段，从设计方法学的角度看，概念设计包含 了功能设计与形式设计两大部分，其目标是获得产品的基本形式或形状【3 8 1 。 在概念设计阶段，产品各要素处于一种抽象、模糊的离散状态，这种状态 导致了设计的复杂性。 三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现