基于UG的三维参数化标准件库的研究与开发.doc

基于UG的三维参数化标准件库的研究与开发.doc基于UG的三维参数化标准件库的研究与开发华中科技大学硕士学位论文基于UG的三维参数化标准件库的研究与开发姓名:严婷申请学位级别:硕士专业:机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及理论指导教师:阮春红20070530华中科技大学硕士学位论文摘要随着现代化生产的不断发展，标准件在机械设计与制造中的应用日益广泛。在机械产品中，大约30,,70,的零件是标准件或常用件，这些零件大多具有相同或相似的外形特征，只是尺寸规格有所不同。在产品设计和开发过程中，零部件的标准化、系列化、通用化成为提高产品设计质量、缩短产品开发周期的有效途径。因此广泛应用标准件，即研制标准件库能够为产品设计带来便利。但是在通用的CAD系统中，一般没有标准件库，而且三维设计已成为今后机械设计的主流方向，所以唯一可行的方法是在通用CAD平台上进行二次开发，建立三维标准件库。在此背景下，本文通过分析CAD技术应用现状、国内外CAD二次开发技术发展现状以及CAD二次开发方法，研究参数化设计技术和UG二次开发技术，提出了基于UG的三维参数化标准件库的建立思路和方法，并根据各种标准件的结构特点，采用参数化建模方法，创建了标准件的模板零件模型，设计了用户界面和应用程序，同时构成了三维参数化标准件库的总体方案设计。具体地说是以UGNX3.0为开发平台，综合运用VisualC++6.0、UG/PartFamilies以及UG/OpenMenuScript、UG/OpenUIStyler和UG/OpenAPI等UG二次开发工具，开发了一套较完整的三维参数化标准件库。所建标准件库中的标准件种类较多、规格齐全，一共有226种零件。三维参数化标准件库采用UG/OpenAPI内部模式开发，在UG启动时自动加载到UG的运行空间中，从而实现了与UG系统的无缝集成。三维参数化标准件库具有良好的人机交互界面，操作简单方便，能在指定位置快速生成各种标准件，提高了产品设计质量、缩短了产品开发周期，并将设计人员从繁琐的标准件重复建模工作中解放出来，提高了生产率。关键词:参数化设计;三维建模;二次开发;UG;标准件库I华中科技大学硕士学位论文AbstractenuScript,UG/OpenUIStyler,UG/OpenAPIandsoon.The3Dparameterizedstandardpartslibrarycreated,includesmanykindsofstandardparts,226partsinall.The3Dstandardpartslibraryode,soitcanbeautomaticallyloadedintoUGrunningspace,andperfectlyintegrated.The3DparameterizedstandardpartslibraryhasafriendlyandinterfaceandaneasyandconvenientII华中科技大学硕士学位论文operation,alsocancreatestandardpartsmodelsquicklyattheappointedplace.Itcanimprovethequalityofproductsdesignandshortenproductsdevelopmentcircle.Itcanalsoliberatedesignersfromcomplicatedmodelingandimprovetheproductivity.Keyodeling;SecondDevelopment;UG;StandardPartsLibraryIII华中科技大学硕士学位论文11.1研究背景及意义绪论随着社会和经济的不断发展和科学技术的不断进步，人们对产品的功能要求越来越多，由此而产生的新产品也越来越多。为了适应飞速发展的市场需要，企业必须提高产品的竞争力，一方面要不断推出新产品，另—方面要尽量缩短产品开发时间，这样才能使自己的产品占有市场。在产品设计和开发过程中，零部件的标准化、系列化、通用化成为提高产品设计质量、缩短产品开发周期的有效途径。大量应用标准件不仅能加快产品的设计，更是代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 一个国家和企业设计制造水平的重要标志[1]。随着现代化生产的不断发展，机械设计中使用的标准件的数量日益增多,给产品的设计、制造、装配带来了很大的方便。在机械产品中，大约30,,70,的零件是标准件或常用件，这些零件大多具有相同或相似的外形特征，只是尺寸规格有所不同[1]。标准件不仅数量多，且在设计过程中需要频繁查阅各种设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 ，相当费时费力。如果没有通用的标准件库，那么在使用每一种不同型号的标准件或常用件的时候，都要查阅标准件手册，然后再重新建模，这样不但耗费了设计人员大量的时间和精力，也延长了设计周期，增加了产品的生产成本，而且比较容易出错。因此很有必要开发通用的符合国家标准和企业标准的标准件库以取代这一繁琐、复杂的重复性劳动。计算机及其相关技术的发展和成熟极大地推动了计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，简称CAD)技术的发展和应用。CAD技术用于产品设计，不但拓宽了计算机应用领域，同时也对传统的设计观念和方法产生了很大冲击[2]。CAD技术逐渐取代了传统的手工绘图，成为现代机械设计的重要工具，并且由最初的二维绘图逐步向三维几何造型过渡。较之二维图形，三维模型能够更加直观、真实地表达产品的形状和结构特征，包含比较完整的产品信息，成为实现产品装配设计、运动学和动力学仿真、性能分析与优化设计以及数控加工的基础，而且可以利用三维模型自动生成二维 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 图，并提取其二维信息。由于二维图形软件本身不能实现参数化驱动，所以对二维图形软件进行二次开发来实现机械零件参数化设计，其开发周期长、工作量大、不易实现CAX系统集成。然而目前一些大型的三维软件都没有通用的标准件库，比如说国内外知名的CAD/CAM软件UG、Pro/E、I-DEAS、Solide.net和3dinstantpany)是欧洲标准件和产品设备供应商的领导者，提供了10000多个标准件，能为夹具、工装、特殊工具和日用消费器具等制造商提供夹紧装置、球形把手、螺钉、铰链和轮胎等各种标准件。技术、OLE自动化技术和参数化技术，整个系统小而精干，且易于实现与其它系统的集成。针对模具的应用，上海交通大学国家模具CAD工程研究中心开发了冷冲模CAD系统，华中科技大学模具技术国家重点实验室开发了塑料注射模CAD/CAE/CAM系统HSC2.0[9]。1.3.2CAD二次开发方法二次开发是在已有的软件基础上进行的开发，具有继承性的特点，因此所开发的功能和性能在很大程度上取决于支撑软件的功能和开放程度。目前的通用CAD系统都具有用户定制功能，可以在软件平台上进行二次开发，一般有如下几种方法[10]:(1)参数化CAD开发方法。有些企业的产品绝大多数为定型产品，这些产品的系列化、通用化和标准化程度高，设计所采用的数学模型及产品的结构都是固定不变的，只是产品的尺寸规格不同。对于这类产品，可以将己知条件及其它随着产品规格而变化的基本参数用相应的变量代替，然后根据己知条件和基本参数，由计算机自动查询图形数据库，或由相应的软件计算出绘图所需要的全部数据，由专门的绘图生成软件在屏幕上自动地设计出图形。其原理如图1.1所示。(2)成组CAD开发方法。许多企业的产品结构尽管不一样，但比较相似，可以根据产品结构和工艺的相似性，利用成组技术将零件划分成有限数目的零件族，根据同一零件族中各零件的结构特点编制相应的CAD应用软件，用于该族所有零件的设计。其原理如图1.2所示。6华中科技大学硕士学位论文主参数参数处理与计算数据库生成绘图文件参数图库图形显示图形支撑软件设计者图1.1参数化CAD开发原理图Y设计构思GT编码重复使用,N赋予图号完成设计生成零件图零件族CAD确定零件族系列部件绘出零件图库成组CAD软件库零件族特征矩阵图号零件图1.2成组CAD开发原理图(3)交互式CAD开发方法。有些企业的生产特点属于单件、小批量生产，设计人员利用交互图形显示系统的功能，在屏幕上以人机交互的方式进行设计开发，提高交互7华中科技大学硕士学位论文设计速度。交互CAD应用软件的开发通常包括数据库、图形库、程序库以及人机交互主控程序。其原理如图1.3所示。人机交互主控程序人机交互界面数据库接口程序库确定零件设计参数图形库生成零件数据库图1.3交互式CAD开发原理图在实际的应用过程中，企业所用的CAD应用软件可能结合了上述几种二次开发的方法。1.4课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 来源本课题来源于湖北省教学改革项目:“大机械类本科生全程三维设计能力培养与模式的研究与实践”。主要研究的是三维标准件库的建立部分，目的在于利用UG二次开发相关技术以及基于UG的参数化建模方法，建立三维标准件库，从而提高设计质量，缩短设计周期。1.5论文内容与组织结构本文共分5章，各个章节的主要内容如下:第一章为绪论。阐述了本论文的研究背景和意义，简要分析了CAD技术的应用现状、国内外CAD二次开发技术的发展现状以及CAD二次开发方法，并指出了课题的来源。第二章为参数化设计技术。主要论述参数化设计的基本理论，分析参数化模型的特点和功能，研究参数化建模的几种方法。第三章为UG二次开发技术与三维标准件库的建立方法研究。首先简要介绍UG参数化设计相关功能，然后重点论述UG二次开发技术，主要包括UG/OpenAPI、UG/Open8华中科技大学硕士学位论文GRIP、UG/OpenMenuScript和UG/OpenUIStyler，最后对基于UG的三维参数化标准件库的建立思路和各种方法进行分析研究。第四章为基于UG的三维参数化标准件库的开发。提出基于UG的三维参数化标准件库的总体方案设计，包括基于UG的三维参数化标准件库的实现目标、开发工具的选择、建立方法以及系统结构和开发流程，论述基于UG的三维参数化标准件库的用户菜单设计、用户对话框设计、模板零件库创建和应用程序设计等核心问题。第五章为总结与展望。对本文的研究工作和取得的成果进行全面概括性的总结，并在此基础上展望以后的研究方向和方法。9华中科技大学硕士学位论文2参数化设计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，也是当前三维CAD技术的研究热点[11]。它是近几年才发展起来的先进造型技术，是提高图形设计智能化水平的重要技术之一，可以大大提高设计效率，并有助于减轻设计人员的工作强度。目前的三维造型系统都具有参数化设计功能，参数化设计成为进行初始设计、产品模型的编辑与修改、多种方案的设计与比较的有效手段。传统的CAD系统所构造的产品模型都只是几何元素(如点、线、面等)的简单堆叠，仅仅描述了产品的可视形状，而不包含产品的设计思想(即产品的几何元素间的拓扑关系和约束关系)因此不能使产品模型随几何尺寸的变化而改动。，参数化设计在CAD系统中是通过尺寸驱动实现的，能够将产品的设计要求、设计目标、设计原则、设计方法与设计结果用可以改变的参数和明确统一的模型来表示，以便在人机交互过程中根据实际情况加以修改。参数与产品模型的控制尺寸相关联，通过修改模型的参数就可以得到同系列不同尺寸的产品，实现模型的自动化生成与修改，因此参数化技术适合于全相关设计和系列化设计，可以提高产品设计的效率和智能化水平。2.1参数化设计应用CAD技术，可以通过人机交互方式完成图形绘制和尺寸标注。传统的CAD技术都是先绘制图形，再从中抽象出几何关系，设计只存储最后尺寸标注的结果。这样用固定的尺寸值定义几何元素，使所输入的每一个几何元素都有确定的尺寸和位置，要修改这些几何元素就很不方便。而从产品设计到制造的整个过程，尤其在产品设计的初步阶段，产品的几何形状和尺寸不可避免地要反复修改、协调和优化。如果利用CAD软件进行非参数化建模，那么哪怕要改变图形的一个尺寸和结构，也需要修改原始模型，甚至重新建模。这就要求CAD系统具有参数化设计功能，使得产品的设计图形可以随某些结构尺寸的修改或规格系列的变化而自动生成。参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需用确定的数值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸[12]。尺寸驱动是参数化设计的关键。所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸决定模型的形状，一个模型由一组具有一定相互关系的尺寸进行定义。用户通过修改尺寸而实现对模型的修改，生成形状相同但规格不同的零部件10华中科技大学硕士学位论文模型系列，既直观又快捷。参数化设计的本质是提取图形中各图元对象的几何与拓扑信息，分析各图元对象之间的约束关系，在保持原有图形的拓扑关系不变的基础上，实现图形随尺寸的修改而变化，从而完成产品的系列化设计。参数化模型是根据几何约束关系建立的，通过一组参数约束模型的一组尺寸序列。当赋予不同的参数序列时，就可以驱动原有几何模型达到新的目标几何图形，实现高效建模和模型修改，从而大大提高产品设计的效率，并能够有效保证产品模型的安全可靠性。与传统的CAD技术应用方法相比，参数化设计方法存储了设计的整个过程，能够设计出一族而不是单一的产品模型。采用参数化设计，可以通过调整模型的参数来控制和修改几何形状，自动实现产品的精确造型，因此，在新产品的概念设计阶段，设计人员可以不需考虑细节而能尽快作出草图，通过变动某些约束参数来自动更新设计;对于大致形状相似的一系列零件，只需修改局部参数，即可驱动模型尺寸，自动修改几何模型，生成新的零件。2.2参数化模型参数化设计首先要建立适当的模型。建立模型是对被处理对象的结构进行计算、分析、模拟、研究的一个基础。几何建模是20世纪70年代中期发展起来的一种通过计算机表示、控制、分析和输出几何实体的技术，是CAD/CAM系统中的关键技术[13，14]。几何模型是CAD/CAM中最常用的模型[15]，描述的是具有几何特性的实体，能够为图形的显示和输出提供信息。在CAD/CAM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。几何模型是在几何信息和拓扑信息处理的基础上对实体的描述和表达。所谓几何信息是指一个物体在三维欧氏空间中的位置信息，反映了物体的大小及位置;拓扑信息是指物体的拓扑元素(顶点Vertex、边Edge和表面Face)的个数、类型以及它们之间相互关系的信息，反映了物体几何元素之间的邻接关系[16]。在CAD系统的设计中，不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同[17]，映射到几何模型中，就是几何信息不同而拓扑信息相同。参数化模型是通过捕捉模型中几何元素之间的约束关系，将几何图形表示为几何元素及其约束关系组成的几何约束模型。参数化建模的关键在于建立几何约束关系[18]。几11华中科技大学硕士学位论文何约束是确定几何元素在空间的形状与位置的重要参数，包括结构约束(也称拓扑约束)和尺寸约束[19，20]。结构约束是对产品结构的定性描述，表示几何元素拓扑和结构上的关系，如平行、对称、垂直等，这些关系在图形的尺寸驱动过程中维持不变。尺寸约束是通过尺寸标注表示的约束，表示几何元素之间的位置关系，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等，它是参数化驱动的对象。因此，所建立的参数化模型必须满足以下两点:(1)确定几何元素之间的约束关系，保证几何拓扑关系一致，维持图形的几何形状不变。(2)建立几何信息和参数的对应机制，图形的控制尺寸由一组参数约束，设计结果的修改受到尺寸的驱动，实现参数化设计。图2.1是双头螺柱的参数化模型，图形的控制尺寸由参数d、X、b、bm和l来约束;图2.2是修改参数l为l+Δl后得到的图形。前后图形的拓扑关系不变。图2.1参数化模型图2.2修改尺寸后的参数化模型2.3参数化建模方法参数化建模的首要步骤是对零部件进行形体分析[21]，从而确定设计变量和建模策略，然后进行参数化建模以及参数提取，最后进行模型的验证。根据零部件几何形状以及复杂程度的不同，应该选择不同的参数化建模方式。通常有3种参数化建模方法基于特征的参数化设计、基于草图的参数化设计和基于装配的参数化设计。2.3.1基于特征的参数化设计基于特征的参数化设计是将特征造型技术与参数化技术有机结合起来的一种建模方法，主要是将参数化设计的思想用到特征造型技术中，用尺寸驱动或变量设计的方法实现参数化特征造型。它是参数化设计的一种最基本和最重要的方法。[22，23]:12华中科技大学硕士学位论文特征是组成零件实体模型的基本元素，体现了产品的功能要素和工程含义，是描述产品信息的集合[24]。既能方便描述零件的几何形状，又能为加工、分析及其他工程应用提供必要和充分的信息，因而特征是面向整个产品设计过程和制造过程的[25]。从CAD/CAM集成的角度出发，特征可以分为6类[26]:形状特征、精度特征、材料特征、技术特征、管理特征和装配特征。其中形状特征用于构造零件的形状，如长方体、圆柱体、孔和倒角等，描述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。形状特征一般用几何特征参数和定位参数来描述。几何特征参数是指基本几何形体的尺寸参数，确定了几何特征参数，几何形体便唯一确定了。定位参数是指几何形体之间的位置参数，通过设置定位参数，可以确定相关特征之间的位置关系。基于特征的参数化设计的关键是形状特征及其相关尺寸的变量化描述[27]，主要是采用参数化定义的特征，应用约束定义和修改几何模型，实现尺寸和形状的变更。特征本身是参数化的，它们之间的构成是变量化的，即由尺寸(参数)驱动。当修改某一尺寸时，系统自动按照新尺寸值进行调整，生成新的几何模型。如遇到几何元素不满足约束条件，则保持拓扑约束不变，按尺寸约束修改几何模型。下面以螺钉紧固轴端挡圈为例来说明特征参数化建模的步骤:(1)选择并创建特征的几何体素。螺钉紧固轴端挡圈的几何模型是由几个形状特征构成的:圆柱体、螺钉孔、圆柱销孔和倒角，如图2.3。依次创建圆柱体特征、埋头孔特征、简单孔特征和倒角特征，实现模型的建立。(2)设置几何特征参数D、D1、d、d1和C，控制模型的几何形状，如图2.4。(3)设置定位参数L，确定特征的位置以及相关特征之间的位置关系，如图2.4。图2.3形状特征图2.4参数设置(4)调整参数，验证模型。调整模型中的几个参数，检验模型是否随之改变。特征建模是进行参数化设计最简便、应用最为广泛的设计方法[28]。基于特征的参数13华中科技大学硕士学位论文化建模将几何信息、拓扑信息及其相关属性参数化，通过各类属性来描述零件的几何形状以及它们之间的功能关系，可以方便地修改尺寸、形状等信息，最终满足所需的设计要求。其局限性是几何模型必须可以分解为数目有限的基本体素或特定的结构特征。2.3.2基于草图的参数化设计目前三维CAD设计系统都采用了特征建模技术，但是在实际应用中，有些产品模型并不容易或不能运用特征描述，这就需要利用草图创建参数化截面，然后通过对截面进行拉伸、旋转或扫掠等操作得到相应的参数化实体模型[29]。草图是指带有约束关系的二维图形。草图约束包括几何约束和尺寸约束，几何约束用来控制二维形体的相互位置，即定位草图对象和确定草图对象间的相互关系。尺寸约束用来驱动草图对象的尺寸，限制草图中几何对象的大小，即在草图上标注尺寸，并设置尺寸标注线的形式。通过添加草图约束可以保证草图的具体形状和尺寸，还可以利用尺寸参数对草图进行尺寸驱动。由于进行拉伸、旋转或扫掠等操作所生成的实体模型是建立在草图之上的，因此通过更改草图的尺寸参数可以改变模型，实现参数化设计。在三维实体建模中，草图设计是最基础也是最关键的设计步骤。在对模型进行三维重建时，若发生错误情况，如模型不能正确显示或调用等，大多数都是由于草图中存在错误引起的。因此只有正确地绘制所需要的二维草图，三维实体模型才能被成功创建。六角头螺栓的头部就是利用草图来实现参数化建模的，其建立的过程如下:(1)绘制草图。在创建的草图平面上画出二维截面大致的轮廓和位置，但是形状和尺寸不能与标准轮廓相差太多，否则添加约束时图形有可能严重变形，与原设计意图相违背。先绘制一个六边形和一个圆，如图2.5所示，然后通过添加约束来保证具体轮廓的形状和尺寸，即六边形的六条边相等且对边相互平行，如图2.6所示，并用参数e约束六边形的尺寸。在进行草图约束前一定要注意对草图进行细致的约束分析，避免出现欠约束或过约束的情况，否则将无法创建合格的参数化模型[30]。欠约束是指草图中某些图素的自由度还未完全被限制，草图的形状存在很大的不确定性，容易造成模型的不稳定性。过约束是指标标注了多余尺寸，导致对图素重复约束，草图就会产生约束干涉。(2)对绘制的草图进行拉伸操作，得到三维实体模型，如图2.7所示。(3)调整参数，验证模型。当修改参数e时，模型的相关尺寸也随着更改，但是模型的结构不会发生改变。14华中科技大学硕士学位论文图2.5绘制草图图2.6添加约束图2.7拉伸后得到的六角头实体基于草图的参数化设计方法对于截面复杂的零件尤为实用，尽管工作量较大。草图设计的形状和稳定性直接影响着建立在草图之上的实体模型的形状和稳定性，这就要求创建具有合理约束关系的草图，保证模型的准确性和稳定性。合理的规划草图，避免草图设计中的重大失误，能够提高设计的质量和效率。2.3.3基于装配的参数化设计基于特征或草图的参数化设计可以完成体素特征明确、定位关系简单的零件的参数化建模，但无法实现部件的整体参数化设计以及复杂零部件的参数化建模。基于装配的参数化设计将装配关系引入参数化设计中，在参数化的零部件的基础上，利用装配关系进行零部件间的约束，并建立零部件间设计变量的函数关系，通过对设计变量的管理，实现了零部件间尺寸的联动，最终实现了复杂零件以及整个部件的参数化设计。装配模型通过建立零部件之间的几何模型及它们之间的装配信息描述，来表达设计意图、产品原理和功能，是一种支持概念设计和技术设计的产品模型[31]。装配参数化设计是在零件参数化设计的基础上实现的，关键是要建立装配关系[32]。所谓装配关系是零部件之间内在约束的体现，如配合、对齐等，表示零件之间的位置约束和尺寸约束。位置约束是指各零件在装配中的定位，而尺寸约束是用来规定装配尺寸参数与各零件尺寸主参数之间的约束关系，可以通过在装配尺寸参数与各零件尺寸主参数之间建立函数关系来实现。由于引入了装配关系和关联参数之间的函数关系，并将它们分别以装配关系表和函数关系驱动表的形式管理起来，这就建立了装配零件之间的联系。当零件主参数或装配参数修改时，将传递给装配参数来确定零件位置，同时改变与此装配参数相关的零件尺寸。基于装配关系的参数化设计的一般步骤:(1)建立参数化零件。对零部件进行形体分析，尽可能的将模型进行简化，同时15华中科技大学硕士学位论文将复杂零部件分解为若干个单元分别进行参数化建模，对各图形元素建立几何约束和尺寸约束，根据尺寸驱动对零件进行参数化设计。(2)建立装配关系，完成零件的装配。建立装配关系，以确定各个零件在装配中的相对位置和约束关系，将各零件装配到相应的位置，完成零件的装配。(3)建立关联参数之间的函数驱动关系表。将构成装配模型的若干零部件间与装配相关的参数进行关联，根据装配关系建立零部件主参数与装配参数之间的函数关系，实现零部件间尺寸的联动。需要注意的是尽量减少装配关联参数的数目，这样可以减少参数间的传递数据量，减少关联参数间的函数关系式。(4)调整参数，验证模型。调整装配模型中零件主参数或装配参数，检验模型是否随之改变。基于装配的参数化设计可以解决复杂模型某个部分无法定位的难题，能够依托零件参数的跨部件超级链接。这种参数化建模方法是参数化设计的必然发展方向。通常综合基于特征的参数化设计和基于草图的参数化设计方法就可以完成绝大部分零件的参数化设计，例如六角螺母就是采用这两种设计方法，实现参数化建模的。首先按照2.3.2节所讲的基于草图的参数化设计步骤，建立六角螺母的外形，然后创建简单孔特征和螺纹特征，就可以得到六角螺母的实体模型，如图2.8所示。图2.8六角螺母的参数化模型2.4小结本章主要论述了参数化设计基本理论，将参数化设计方法与传统CAD设计方法进行了比较，分析了参数化模型的特点，并结合实例阐述了参数化建模的三种方法，这些是建立三维标准件库的基础和理论指导。参数化设计能维持模型的拓扑关系基本不变，并由尺寸驱动模型，适用于结构类似或同系列的产品设计。本课题正是基于参数化设计的思想，采用参数化建模方法，建立各种标准件的模型，实现了三维标准件库系统要求。16华中科技大学硕士学位论文3UG二次开发技术与三维标准件库的建立方法Unigraphics(简称UG)是全球主流MCAD系统，是计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程和产品数据管理(CAD/CAM/CAE/PDM)一体化的软件系统之一，应用十分广泛[5]。UG基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出各种各样复杂的产品模型，并且具有强大的参数化设计功能，能够很好地表达设计意图，易于修改参数化模型。另外UG提供了完善的二次开发工具，二次开发程序可以建立起与UG系统的链接，使用户开发的功能与UG实现无缝集成。利用UG二次开发技术，用户可以开发专用CAD系统，满足实际的应用需求。3.1UG参数化设计相关功能UG是UnigraphicsSolutions(简称UGS)公司最新推出的CAD/CAE/CAM/PDM集成系统，支持全三维的参数化产品设计。它提供了特征造型、草图设计和超部件链接等参数化造型方案，能够完成从零件到部件的参数化设计，并且具有以下功能特点:(1)基于特征的建模技术和表达式驱动图形。UG的特征建模模块中提供了各种标准设计特征，包括孔、槽、型腔、凸台、凸垫、圆柱体、长方体、圆锥体、球体、管道、倒圆和倒角等。各标准特征突出特征尺寸和定位尺寸，能很好地表达设计意图，并且易于调用和编辑。特征可以被参数化定义，利用参数驱动尺寸，实现参数化设计。在UG中特征参数与表达式之间相互依赖，互相传递数据。UG通过表达式来表示参数的数值含义并建立参数之间的关系，使参数与零件模型的控制尺寸之间建立对应关系，因此可以很方便地将尺寸关联起来以实现参数化。(2)自动提取系统参数。在草图设计过程中，通过尺寸约束实现对草图形状的控制。UG能够将输入的尺寸约束转化为系统参数并保存起来，而且可以进行可视化修改，达到最直接的参数驱动建模的目的。(3)利用电子表格驱动图形。UG的电子表格(Spreadsheet)提供了MicrosoftExcel及Xess与UG间的接口，便于数据管理及参数化设计。利用部件族电子表格可以建立零件族，通过改变或添加记录以驱动已存在零件或生成新零件，避免重复建模。(4)装配参数化。UG装配过程是在装配中建立部件之间的链接关系，根据关联条件建立部件间的约束关系以确定部件在产品中的位置。如果将构成装配模型的若干零部17华中科技大学硕士学位论文件间与装配相关的参数进行关联，根据装配关系建立零部件主参数与装配参数之间的函数关系，就可以实现参数化装配。3.2UG二次开发技术UG软件提供了较为完整的二次开发工具集，利用该工具集可对UG系统进行用户化裁剪和开发，以满足用户实际的应用需求。UG/Open是一系列UG开发工具的总称，是UG软件为用户或第三方开发人员提供的最主要的开发工具[5]。它主要由UG/OpenAPI、UG/OpenGRIP、UG/OpenMenuScript和UG/OpenUIStyler四个部分组成，如图3.1所示。利用UG二次开发工具，可以在UG软件平台上，结合具体的应用需求，开发出面向行业和设计流程的CAD系统。UG/OpenAPIUG/OpenGRIPUG/OpenUG/OpenMenuScriptUG/OpenUIStyler创建用户化菜单及工具栏开发用户对话框可视化工具应用编程接口UG专用图形交互编程语言图3.1UG/Open二次开发工具3.2.1UG/OpenAPIUG/OpenAPI是UG用户最常用的二次开发工具，是一个允许程序访问并改变UG对象模型的程序集[5]。作为UG与外部应用程序之间的接口，UG/OpenAPI是UG提供的一系列函数和过程的集合。它封装了近2000个UG操作的函数，通过C/C++语言程序编程调用这些函数，用户几乎能够实现所有的UG功能，如UG模型的创建、编辑，装配操作，工程图的创建，用户与UG界面的交互等。运用UG/OpenAPI能够扩展UG的功能或开发专用CAD系统，实现用户化的需要，其应用非常广泛。通常用到的UG/OpenAPI函数主要有:UF_MODL_create_block1()UF_MODL_edit_exp()创建长方体修改已存在的表达式18华中科技大学硕士学位论文UF_MODL_update()UF_PART_open_quiet()UF_PART_save_as()UF_PART_ask_families()UF_FAM_ask_member_column_data()UF_ASSEM_add_part_to_assembly()两种模式[33]:(1)内部(Internal)模式。UG/OpenAPI内部程序只能在UG的界面环境下运行，根据编制的程序进行交互式操作。其入口函数是ufusr()和ufsta()。在运行这些程序时，它们被自动加载到UG的运行空间中(UG分配的内存)，运行结果能够在UG界面的图形窗口中显示。一旦程序被加载到UG内存中，只能通过UG/OpenAPI的卸载功能才能从UG的运行环境中卸载它。这种模式执行代码小，占用内存少，连接速度快，应用比较广泛。(2)外部(External)模式。UG/OpenAPI外部程序能在操作系统(_member_data_s,intvalue_count;char**values;,UF_FAM_member_data_t,*UF_FAM_member_data_p_t;UF_FAM_member_data_s是结构标识，UF_FAM_member_data_t是该结构的类型定义，UF_FAM_member_data_p_t是该结构类型的指针。UG/OpenAPI中的结构类型和联合类型都是采用C语言的语法定义的。3.2.2UG/OpenGRIPUG/OpenGRIP是UGS公司在UG/OpenAPI工具发布之前提供的一个UG二次开发工具，现在仍然有大量用户在使用。GRIP是一种专用的图形交互编程语言，与UG系统集成。利用GRIP编程，可以实现UG下的大部分应用操作，如创建、编辑几何体，控制系统参数，文件管理，访问数据库等。GRIP语言与一般的通用语言一样，有其自身的语法结构、程序结构、内部函数以及与其它通用语言程序相互调用的接口[34]。GRIP程序一般在UG环境下编制，由一系列GRIP语句组成。GRIP程序编写完成以后，同样需要经过编译、链接后生成可执行文件，才能运行。使用GRIP编程的一般步骤如下[35]:(1)编写GRIP源程序。在AIN_MENUBARAFTERUG_HELPCASCADE_BUTTONMENU_PART_LIBLABEL标准件END_OF_AFTERMENUMENU_PART_LIB兼容Ugv17的菜单脚本编辑UG主菜单第一级菜单位于Help菜单之后定义第一级菜单的ID，它是下拉菜单定义菜单的标题结束第一级菜单的编辑编辑第二级菜单，MENU_PART_LIB是的下拉菜单CASCADE_BUTTONMENU_PART_LIB_1LABELSEPARATORBUTTONLABELACTIONSMENU_PART_LIB_2轴承bearing.dlg紧固件定义第二级菜单的ID，它是下拉菜单定义菜单的标题菜单中的分隔线定义第二级菜单的ID，它是按钮定义菜单的标题定义该按钮的相应行为，运行UIStyler对话框bearing.dlgEND_OF_MENUMENUMENU_PART_LIB_1结束第二级菜单的编辑编辑第三级菜单，MENU_PART_LIB_1是的下拉菜单21华中科技大学硕士学位论文BUTTONLABELACTIONSMENU_PART_LIB_1_1螺栓bolt.dll定义第三级菜单的ID，它是按钮定义菜单的标题定义该按钮的相应行为，运行可执行文件bolt.dllEND_OF_MENU在enuScript可以很方便地编写用户菜单，不用开发C语言程序，并且所创建的用户化菜单可以与UG系统无缝集成。通过此菜单可以调用用户创建的对话框和UG本身的对话框以及利用UG/OpenAPI或UG/OpenGRIP开发的应用程序，实现用户与UG交互式操作。3.2.4UG/OpenUIStyler[5]UG/OpenUIStyler是开发UG对话框的可视化工具，其生成的对话框能与UG集成，用户可以方便、高效地与UG进行交互操作。利用该工具设计对话框，可以避免复杂的图形用户界面GUI(GraphicalUserInterface，缩写为GUI)编程，只需通过组合和布局对话框中的基本控件，就可以制作UG风格对话框，实现不同的用户功能。开发人员进入UG，【Application】【UserInterfaceStyler】点击,就可以进入UIStyler可视化界面，如图3.3所示。22华中科技大学硕士学位论文图3.3UIStyler可视化界面UIStyler可视化界面由基本对话框、对象浏览器、属性编辑器、控件编辑工具和控件栏5个部分组成。基本对话框显示最终的设计结果;对象浏览器显示基本对话框中已设置的控件信息;属性编辑器用于编辑指定控件的属性;控件编辑工具提供了编辑控件的常用工具，包括控件上移、下移、复制、粘贴和删除等操作;控件栏列出多种控件供开发者选用。在设计对话框的过程中，使用属性编辑器来设置对话框的属性;从控件栏中选择所需的控件并定义这些控件的属性，这些属性也可以用编程来控制;利用控件编辑工具对控件进行布局，调整控件的尺寸以及控件间的位置关系;利用控件的属性编辑器定义控件的回调函数，当用户触发对话框控件时，系统就会响应该消息并执行对应的回调函数。[5]对话框回调函数分为基本回调函数与控件回调函数两种。UG风格对话框有6种基本回调函数:OK、Apply、Back、Cancel4种导航按钮的回调函数和用于初始化对话框的构造函数以及用于对话框关闭前释放内存的析构函数，它们可以通过对话框属性编辑器来定义。控件回调函数是用户为对话框中的一些控件(如按钮、单选列表框和下拉列表框等)定义的回调函数，以实现与程序的交互操作和数据的传递。当对话框界面设计完成后，保存UIStyler编写的对话框时，系统自动生成3个文件:*.dlg、*_template.c和*.h文件。*.dlg是保存UIStyler对话框图形界面的文件;*.h文件是UIStyler对话框C语言的头文件，包括对话框及其控件的标识符和函数原型的申明;*_template.c是UIStyler对话框C语言的模板文件，包括各种定义和命令。将*_template.c23华中科技大学硕士学位论文模板文件的扩展名更改为.cpp，添加到VC环境中，再通过添加用户代码，确定UIStyler对话框被调用的形式和访问对话框控件的方法以及对话框所能实现的用户功能，然后和添加到VC环境中的*.h头文件一起编译链接生成*.dll动态链接库文件。UIStyler对话框的调用有三种方法:CallBack、UserExit和Menu。CallBack是指该对话框被其它对话框调用;UserExit是指被用户接口调用;Menu是指被MenuScript编写的菜单调用。这样就完成了UG风格对话框的设计。最后将*.dlg和*.dll文件放在用户开发目录下的Application文件夹中，以便于应用程序的调用，实现用户化对话框的功能。这样开发的对话框与UG风格一致，可以在MenuScript中被调用，与UG系统无缝连接，方便用户与UG进行交互操作。但是UG/OpenUIStyler开发的对话框只能基于UG平台使用，不能实现比较复杂的应用程序交互界面的设计。3.3基于UG的三维参数化标准件库的建立思路UG具有参数化设计功能，支持全三维的参数化产品设计。既能采用UG提供的特征造型、草图设计和超部件链接等参数化造型功能，完成从零件到部件的参数化设计，也可以利用UG提供的的二次开发工具进行参数化设计。因此基于UG的三维参数化标准件库的建立思路大致分为两种:一种是利用UG提供的参数化功能模块建立各种三维标准件的参数化模型(模板零件)，设置参数之间的关系，提取控制零件尺寸的参数，实现模型的尺寸驱动。用户通过输入零件系列数据来直接修改参数值，实现对模型的编辑，并生成所需的标准件，即在模型构建过程中用参数来控制模型的几何尺寸和约束关系，从而控制模型的形状和大小，实现标准件库的创建。这种方法要求建模之前仔细分析同系列标准件的特点，并能熟练运用UG参数化功能模块创建参数化模板零件。每一系列的标准件都要先建立一个模板零件文件，占用计算机存储资源，而且标准件库存在于模板零件文件中，不利于数据库的管理，且不能生成专用的人机交互界面，对标准件库的交互式访问很不方便。另一种是利用UG提供的的二次开发工具开发应用程序实现三维参数化标准件库的建立，即利用UG提供的二次开发工具，通过编程来实现三维标准件的参数化建模和参数化驱动程序。对于每一系列的标准件均采用一个独立的程序来实现，模型的各种参数存储于数据库，实际操作时用户只需在数据库界面中选择所需的零件型号。这种方法完24华中科技大学硕士学位论文全依靠程序驱动，编程量大，功能模块的灵活性和扩充性差，但使用简便，应用层次高，所创建的零件库独立于UG环境，便于数据库的查询、添加等操作。3.4基于UG的三维参数化标准件库的建立方法根据3.3节所述的两种建库思路，目前的一些三维标准件库的研究与开发大致采用以下几种方法[36-38]:电子表格法、关系表达式法、用户自定义特征法、知识熔接法和程序设计法，其中电子表格法、关系表达式法、用户自定义特征法和知识熔接法都是基于第一种建立思路。3.4.1电子表格(Spreadsheet)法UG提供了MicrosoftExcel及Xess与UG系统间的接口，便于数据管理及参数化设计。利用UG的部件族电子表格(PartFamilies)，可以实现标准件库的创建和管理。该电子表格可以将一个系列零件的可变参数管理起来，通过改变或添加记录以驱动已存在零件或生成新零件，避免重复建模。首先运用UG的参数化建模方法创建标准件的一个零件模板，再通过【Tools】,【Expression】命令对零件的控制尺寸的参数表达式进行编辑和用户化命名，并单击【Tools】,【PartFamilies】，将其添加到部件族电子表格的参数表内，然后填写族内标准件的系列尺寸，单击【PartFamily】,【VerifyPart】生成零件。将表格存储于模型内，并与零件族关联，就形成一个结构相同、尺寸不同的零件数据库。标准件调用时，通过选择一组参数来修改零件模板的尺寸变量，得到相应的标准件模型。这种方法的优点是提供了一个用UG三维实体格式定义的标准件库系统，创建直观、容易，并能通过直观的图形界面调入装配体;标准件的相关参数放在电子表格中，可以用来建立较复杂和规格非常多的标准件;标准件具有子装配功能，可以封装到IMAN和UG/Manager中，是建立UG标准件库子系统的通用方法。缺点是由于标准建库种类繁多，型号各异，给用户查找带来不便;族内零件只要有一个参数不同，就必须在电子表格参数表内输入一组参数，输入数据的工作量很大;调用时必须先改名保存，否则只能保存在当前目录下且不能修改。25华中科技大学硕士学位论文3.4.2关系表达式(Expression)法表达式是UG系统中建立参数和参数关系的机制，用来表示参数的数值含义并建立参数之间的关系。UG通过表达式提供了参数驱动与零件模型的控制尺寸之间建立对应关系的功能，可以很方便地将尺寸关联起来以实现参数化。首先运用UG的参数化建模方法创建标准件的一个零件模板，再通过【Tools】,【Expression】命令对零件的控制尺寸的参数表达式进行编辑和用户化命名，用户调用该零件时，必须先将零件改名存储，转成装配模型中的一个具体零件，然后按照标准件手册中的数据修改零件中对应的尺寸变量表达式，就可以生成不同尺寸的零件。这种方法的优点是创建容易，修改比较方便。缺点是装配调入的只是一个零件模板，用户在每次调用后必须修改模板的变量名，并且需要通过查找标准件手册来修改变量值，操作比较繁琐，而且效率很低。3.4.3用户自定义特征(UDF)法用户自定义特征(UserDefinedFeature，简称UDF)是UG提供的造型特征之一，由部件抽象出结构相似性，可以将一个简单的实体生成用户化的特征，并具有参数化的形状和位置尺寸，特征的参数由用户定义。通过提取特征参数，建立模板零件，形成用户专用的UDF库，提高用户设计效率。首先运用UG的参数化建模方法创建标准件的一个零件模板，然后通过【Tools】,【Expression】命令对零件的控制尺寸的参数表达式进行编辑和用户化命名，通过【File】,【Export】【UserDefinedFeature】【Tools】【UserDefinedFeature】【enuScript和UG/OpenUIStyler定制用户个性化界面，实现良好的人机交互操作。通过选择用户菜单或用户工具栏可以实现标准件的调用。这种方法的优点是利用控制模型的生成建立专用CAD系统，利于对库加密，占用磁盘空间小，使用交互操作方便快捷，数据库管理方便，应用层次高，是一般商用标准件27华中科技大学硕士学位论文库的建立方法。缺点是需要熟悉程序语言，程序编写工作量大，对开发人员的编程素质要求高，特别是刚开始写程序时，需要花费相当多的精力。3.5小结本章首先简要介绍了UG参数化设计相关功能，然后重点论述了UG二次开发相关技术，包括UG/OpenAPI、UG/OpenGRIP、UG/OpenMenuScript和UG/OpenUIStyler，并结合实例对各种开发工具的用法进行了说明，它们是基于UG的三维参数化标准件库子系统实现的技术基础。最后对基于UG的三维参数化标准件库的建立思路和各种方法进行了深入研究，并对其各自的优缺点进行了分析说明。28华中科技大学硕士学位论文44.14.1.1基于UG的三维参数化标准件库的开发基于UG的三维参数化标准件库的总体方案设计基于UG的三维参数化标准件库的目标所建立的基于UG的三维标准件库要实现的目标如下:(1)具有种类较多、规格较全的标准件。标准件库中零件种类和数量的多少，是衡量一个机械CAD软件实用化程度的一个指标[39]。因此，所建立的标准件库覆盖面广、种类齐全且采用最新的国家标准，包括螺栓、螺柱、螺母、螺钉、铆钉、销、垫圈、挡圈、键、轴承和齿轮，如图4.1所示。考虑到用户的使用习惯和调用方便，将每一种零件的类型进行细分，标准件库中一共有226种零件，具体的零件清单见附录。螺栓:六角头螺栓六角头带孔螺栓螺柱:双头螺柱其它螺柱螺母:方螺母六角螺母六角开槽螺母圆螺母螺钉:十字槽螺钉开槽螺钉内六角螺钉紧定、定位螺钉不脱出螺钉自攻螺钉木螺钉铆钉:粗制铆钉半空心铆钉其它铆钉销:圆柱销圆锥销带孔销销轴开口销垫圈:圆形垫圈异形垫圈弹簧、弹性垫圈挡圈:锁紧挡圈轴端挡圈轴肩挡圈弹性挡圈钢丝挡圈键:平键半圆键楔键轴承:球轴承滚子轴承滚针轴承齿轮:直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮人字齿轮图4.1标准件的种类(2)具有良好的人机交互界面。用户界面是用户与标准件库进行交互的窗口，如选择标准件的类型、输入标准件主要参数以及调出所需的标准件等。所设计的人机交互界面与UG风格相统一，其交互过29华中科技大学硕士学位论文程符合UG的习惯;具有恰当的操作提示，引导用户逐步完成标准件的调用，并且在每一步操作的过程中，都提供标准件对应的选择项，供用户调用标准件时作参考，不需要查阅标准件设计手册。(3)快速生成标准件模型。标准件模型要经过适当的简化，只保留代表其主要特征的结构和尺寸[40]，并采用参数化技术进行建立，确保尺寸参数值与尺寸变量一一对应，并建立零件尺寸之间的函数关系，以减少标准件尺寸的数量。当从数据库中调用尺寸参数来驱动标准件的生成时，就能提高模型重建的速度，快速生成用户所需的标准件。(4)实现标准件的定位。在装配环境下，调入的标准件能够利用点构造器和拾取向量对话框实现定位。要求每个标准件都要有一个中心基准，例如基准点、基准轴或基准面，作为装配中的定位点。(5)数据库易于管理和操作。数据库中存放了标准件的结构参数，通过访问数据库，可以对数据库中的数据进行调用、查询、修改等，驱动标准件的生成。(6)标准件库代码少而精干，且易于实现与UG系统集成。充分利用UG本身具有的开发性接口和强大的二次开发工具，并采用数据库技术，所建立的三维参数化标准件库能与UG系统无缝集成，并且能够避免复杂的编程。4.1.2建库方法根据3.4节所讲的五种基于UG的三维参数化标准件库建立方法的分析可知，电子表格法、关系表达式法和用户自定义特征法都是将建立的三维参数化标准件模型逐个输入到标准零件库中，使用的时候调出所需的标准件模型，用户通过更改尺寸变量来得到相应的标准件，所建立的标准件库是一般的图库，而且标准件模型的查找很不方便，修改尺寸变量的时候需要查阅相关的标准件手册;知识熔接法是在建立参数化标准件模型的基础上，通过添加规则来控制模型特征，并结合数据库技术，实现标准件库的建立，需要掌握KF语言，操作比较繁琐;程序设计法主要是通过编程来实现标准件模型的创建和参数化驱动，编程工作量十分庞大。因此，可以将其中的几种方法进行综合，针对各自的缺点进行改进，提出一种新的建库方法。对于标准件，可以结合电子表格法和程序设计法进行建库。首先创建模板零件，然30华中科技大学硕士学位论文后利用UG的部件族功能和电子表格来建立参数表，并生成零件族，最后利用UG二次开发工具，设计用户界面以及编写参数化驱动程序，实现对零件族的访问及其成员的调用。这种建库方法的基本步骤如下:(1)创建零件模板文件。根据零件的结构，确定设计变量和建模方法，利用UG参数化建模功能，创建参数化模型，并利用UG的表达式功能设置参数之间的关系。(2)建立参数表。利用UG的部件族(PartFamilies)功能提取模板零件的自由变化参数，将标准件系列参数数据输入到Excel工作表中，生成零件族。对工作表中的每个系列数据要进行验证，保证参数的正确性，能够创建正确的零件模型。(3)设计用户界面。包括用户菜单和用户对话框的设计。通过点击用户菜单，弹出对应的对话框。用户对话框是用户与标准件库进行交互的窗口，主要实现标准件的类型选择、标准件主要尺寸参数的选择或输入以及标准件的生成等功能。(4)编写应用程序。编写二次开发应用程序，实现标准件的调用。可以根据用户选择的标准件的类型、主要尺寸参数，找到需要调用的零件模板文件，并按选定的尺寸参数对零件模板文件进行参数化驱动，最终生成用户所需的标准件。这种方法所建立的三维参数化标准件库能与UG系统无缝集成，具有良好的交互性，操作简单方便。启动UG系统时，三维标准件库自动加载。用户只要点击用户菜单上的菜单项，就会打开相应的用户对话框，然后只需选择标准件的类型和主要尺寸参数，就可以相应地显示出其它参数的值，完全不需要查阅标准件设计手册，最后在指定的位置调入所需要的标准件。对于常用件，由于它们的尺寸参数并不都是标准系列参数，通常情况下都是根据用户的需要进行设置的，所以可以综合运用关系表达式法和程序设计法，通过修改零件模板文件的关系表达式来更新模型，具体步骤跟上面讲的标准件建库的步骤(1)、(3)和(4)类似，不需要建立参数数据表和零件族。用户只要点击用户菜单上的菜单项，就会打开相应的用户对话框，然后只需选择零件的类型，并输入主要尺寸参数，就可以生成所需的零件。4.1.3开发工具选择利用UG提供的丰富的二次开发工具，并结合4.1.2节所讲述的标准件建库方法，可以实现三维参数化标准件库的建立。31华中科技大学硕士学位论文利用UG提供的UG/OpenMenuScript开发用户菜单，UG/OpenUIStyler设计与UG风格一致的用户对话框，所设计的用户界面能够满足不同功能需求，并与UG无缝集成，操作简单可行，能