1 0 引言 一 柴油機設計的現狀與發展 目前國內柴油機的設計、制造、工藝、可靠性、性能指標與國外同類產品相比有較大差距，開發設計的能力也較為低下，大都是采用引進國外一些即將淘汰的圖紙、生產線進行二次開發，主要的關鍵零部件、毛坯還依賴進口，真正能完全吸收和消化國外技術達到國外水平的還不多。還有的廠家在引進產品國產化時任意更換質量上并不過關或不匹配的關鍵部件以降低成本，使柴油機可靠性大為降低。 在傳統的柴油機的樣機總體設計方案中，總體設計的任務是：根據技術任務書的要求，在充分論證的基礎上選擇柴油機的型式，確定主要結 構參數，選定主要零部件與輔助系統的結構型式，對各主要零部件和輔助系統各機件的外形尺寸進行粗估算，然后進行初步的總體布置，繪制幾種不同方案的總體布置圖，用以進行方案分析與論證。在幾種方案評比的基礎上，最后確定一種總體方案圖，并完成熱力計算，動力計算，主要系統草圖及方案設計說明書等有關技術文件。隨后，提出對各主要零部件和輔助系統在結構方面的主要設計要求， 以便進行各主要零部件和輔助系統各部件的初步設計和單缸試驗機設計，進行先期研究工作，協調和解決各主要零部件和輔助系統各機件在空間位置上的矛盾，使柴油機正常地動作 ，并充分注意到拆裝和維修的可能性和方便性。隨后根據各主要零部件和輔助系統各機件初步設計結果，修正初始方案，調整總體布置，繪制較詳細的總體布置圖。 隨著計算機網絡的發展，各種設計軟件的開發應用，與傳統的柴油機設計方法相結合，將大大提高設計效率，減少成本。 二 CAD 技術發展現狀 CAD技術是先進制造技術的重要組成部分，是計算機技術在工程設計、機械制造等領域中最有影響的一項高新應用技術。 CAD 系統的發展和應用使傳統的產品設計方法與生產模式發生了深刻的變化，已經產生、必然繼續產生巨大的社會經濟效益。 CAD技術是高 科技轉化為生產力的催化劑，對加速新產品開發、提高設計水平、縮短產品開發周期、提高質量、降低成本，能夠起到重要作用，是企業提高自身素質、增強創新能力、增強市場競爭力的一個非常有效的手段。從技術角度講， CAD 技術實際上已經進入了成熟期，價格上已經是達到可以承受的程度。 今天，計算機網絡技術、 CAD/CAM 技術均有質的飛躍， CAD 技術應用已奠定了良好基礎。在這種形勢下，如何正確理解 甩圖板 、深化推廣應用 CAD 技術，如何使為數甚多的中小型企業也能應用 CAD技術并避免軟硬件投資上的失誤，如何為推廣應用柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 CAD技術提供 更好的技術咨詢服務，這些問題值得認真探討和分析。 了解 CAD技術的發展趨勢對推廣應用技術是十分重要的，有利于 CAD方案設計、選型適應技術發展的需要。 CAD技術正在從原來簡單的輔助繪圖 (Drafting)向成為真正能夠輔助設計 (Design)的工具發展。 l 概念設計：根據市場需求及可利用資源，對新產品作宏觀上的輪廓設計，這一過程同時也包括對新產品的一些概念性的創新，輸出的結果是新產品的概念性分析模型及草圖。 l 設計分析：對概念設計輸出的結果針對不同的拓撲結構和參數進行仿真模擬，并根據不同的結果修整概念模型。 l 詳細設計：這是產品的真正結構設計階段。由概念模型和分析產生的數據對詳細設計起著重要的指導作用，同時詳細設計的結果也要進行必要的分析，并適時根據需要修改概念模型。目前的 CAD系統大都提供詳細設計手段，而很少把它和概念設計及分析聯系起來。 l 文檔設計：各設計階段都根據不同的需求產生相應的文檔，以使從產品市場需求到開發、制造及銷售能夠有機地組織起來。 總的來說， CAD 技術的發展趨勢有以下幾方面： （ 1） 智能化：從系統的交互式介面來看，應提供符合設計者習慣的，具有導航性質的手段，使設計者能夠按著自己的專業習慣開發 新產品。另一方面，系統內部要采用人工智能及特征技術，不但能夠記錄設計過程，還能方便設計者修改產品的模型，而不致于因產品的小小修改而重新開始設計。 （ 2） 集成化：產品設計只是新產品生命周期的一個環節， CAD 系統應采用適當的內部數據結構及相應的工程數據庫，使得設計、工藝和制造實現一體化。這不但可以減少產品的開發費用，還可以大大加快產品的開發速度，提高可靠性 。 （ 3） 標準化： CAD 技術發展至今已有近三十年的歷史，在這期間，各國都相繼開發了許多有代表性的 CAD系統。它們在輔助產品設計方面可以說都各有所長。有的擅長曲 面設計，有的擅長工程分析，而有的則擅長 NC。而要充分利用這些系統的長處，就涉及到 CAD數據的相互交換，因此，制定一系列數據交換標準就變得非常重要了。目前， IGES 已成為圖形數據交換的一種標準。 1984 年， ISO 開始制定一整套的產品數據交換規范 STEP。另外，從系統開發的角度，一切從頭開始的時代已經成為過去， ISO 從 1982 年開始就制定了 GKS，后來發展成為 GKS-3D,及后來的 PHIGS+、OpenGL等都為圖形系統的開發提供有力的支撐。 （ 4） 網絡化：計算機的網絡化是計算機技術發展的一個大趨勢， Internet 和Intranet 已經把全世界各個角落連成一體。通過網絡，可以實現產品的國際化開發和生產，其前景是無法估量的。 三 開發柴油機數字化快速設計系統的必要性 制造科學正邁向全面數字化 21 世紀將是數字化和信息化的時代。信息化的基礎是數字化 ,數字化已成為推動各門科學飛速發展的最重要因素之一。 1999 年初 ,美國 3 副總統戈爾提出了“數字地球”的概念 ;基于“數字地球” ,地球空間信息將在各個領域得到廣泛和史無前例的應用 ;依據特定的工具 ,人們可在全球范圍內作無遠弗屆的自由遨游 ,不受時間和空間的限制。近幾年來 ,數字通訊、數 字電視、數字圖書館等的蓬勃發展 ,都直接依賴于數字化技術的強有力支持。數字化技術在機械設計領域的應用 ,形成了已被廣泛使用的計算機輔助設計技術 ,如 CAD、 CAE、 CG、 VirtualDesign等 ;數字化技術在制造領域的應用 ,形成了先進的制造技術 計算機輔助制造技術 ,如 FMS、 IMS、 CAPP、 CAM、 CAT、數字化仿形測量與加工技術、快速原型制造技術 (RPM)。 但是由于常見的 CAD平臺是通用平臺，不是針對具體產品的。所以在設計過程中比較費時， 為了提高柴油機的設計效率，我們可以研制數字化的設計系統，建立實例庫。該系統的技術路線采用 CBR（ Case BasedReasoning） 技術。 四 本課題的提出 數字化快速設計系統中的重要組成之一是：柴油機系統中活塞連桿總成，汽缸蓋總成的實例庫的建立。該課題是以 CBR技術為基礎的設計系統的一部分。 實例建立的步驟為： (1)對柴油機系統的關鍵零件機體，室蓋分類， (2)建立其能反映全部零件特征的少量的復合模型， (3)抽取復合模型中的特征參數保存到數據庫中。 實例的表達由于實例結構的復雜性 ,一般需采用多視圖方式表達實例。若采用二維視圖表達方式 ,則只能包括實例圖形等少數信息 ,導致實例 修改繁瑣 ,不能實時更新。尤其對于較復雜的實例 ,視圖數量較多 ,進行實例評價后需對每一個視圖進行修改 ,工作量較大 ,設計效率低 ,且容易出現人為錯誤。基于這一考慮 ,本次畢業設計在Unigraphics 支撐軟件環境下 , 非常適合實例庫的特點，運用 UG 的參數化功能模塊及二次開發工具 GRIP 語言，完成柴油機系統中活塞連桿總成，汽缸蓋總成的實例庫的建立，以三維特征模型的方式表達柴油機零件實例。這種實例表達方式簡明直觀 ,可利用支撐軟件的造型功能方便地進行實例的修改和實時更新 ,非常適合與參數化設計的特點，避免了在設計上重復的麻 煩，將大大提高設計人員的設計效率和準確性，縮短設計周期，這無疑會給企業帶來巨大的社會效益和經濟效益。 論文結構： 柴油機設計現狀與發展：主要內容是目前國內柴油機設計水平，及結合 CAD技術的新設計方法 CAD技術發展現狀： CAD技術發展現狀與趨勢。 開發柴油機數字化快速設計系統的必要性：提出建立快速設計系統 CBR 的概念：介紹 CBR 基于實例推理技術 (Case BasedReasoning,CBR)是人工智柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 能領域近年來廣泛應用的一項新技術。 CBR的設計原理：基于實例的推理 CBR 是一種類比推理方法 ,它利用人 們以往求解類似問題的經驗知識進行推理 ,從而獲得當前問題的求解結果 .基于實例的推理系統對知識、經驗及信息的完備程度的要求遠低于專家系統 ,且推理效率較高 ,為產品概念設計問題提供了一種可行的解決方法 柴油機的零部件的分類和特點 : 零件 成組 分類成的方法有 ， 代碼分組法 生產流程分析法 (PFA-production flow analysis) 實例庫建立的原則與標準 : （ 1）當只需改變零件的幾何尺寸，不改變零件拓撲結構時，用 PART文件來建模。（ 2）當零件結構復雜，用 GRIP程序來做，只要改變不同的工藝參數，調用不 同的模塊，生成不同的零件。 實體建模技巧 : UG 軟件具有強大的建模功能， （ 1） UG特征建模模塊 ，（ 2） UG實體建模提供了草圖設計 ，（ 3） UG具有豐富的曲面建模工具。 參數化設計 : 參 數化設計（也叫尺寸驅動 Dimension-Driven）是 CAD 技術在實際應用中提出的課題，它不僅可使 CAD系統具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。 柴油機實體模型的建立過程 : 軟件可以通過多種途徑建模 ,如可建方塊、拔凸臺、使用拉伸實體 ,甚至還可采用切的辦法等。 實例庫建模基礎 : UG 所提供的二次開發語言模塊 UG/Open GRIP, UG/Open API和輔助開發模塊 UG/OpenMenuScript 與 UG/OpenUistyler 及其良好的高級語言接口 ,使 UG形功能和計算功能有機的結合起來 ,便于用戶開發專用的 CAD系統。 柴油機實例庫零件程序舉例 :用程序建模。 工程圖繪制的方法 : UG工程繪圖模塊提供了自動視圖布置、剖視圖、各向視圖、局部放大圖、局部剖視圖、自動、手工尺寸標注、形位公差、粗糙度符合標注、支持GB、標準漢字輸入、視圖手工編輯、裝配圖剖視、爆炸圖、明細表自動生成等工具。 5 1 實例庫的 建立原則及標準 1 1 CBR 的概念 基于實例推理技術 (Cse BasedReasoning,CBR)是人工智能領域近年來廣泛應用的一項新技術。 CBR 一種相似推理方法 ,其核心是通過實例庫方式應用過去已有的經驗來解決新問題。 在產品設計中 ,設計經驗往往起著關鍵作用 ,設計者可利用以往的設計經驗 ,通過對已有設計實例進行組合、修改而設計出新產品 ,因此 CBR 適合用于解決設計問題。由于大量機械產品的設計是對已有產品進行變型設計 ,因此現有產品模型就成了設計的出發點 ,直接利用現有產品就等于利用了以往的設計經驗和知識。因此 ,將 CBR 用于機械產品 CAD 有廣闊發展前景。 1 2 CBR 的設計原理 產品設計是一個不斷循環的過程 ,一般可分為概念設計、詳細設計、分析評價三個階段 .產品概念設計的主要任務是 :分析設計要求 ,確定產品功能及實現該功能的總體結構 ,規劃詳細設計任務及設計步驟 .產品概念設計決定了產品的基本特征和性能 ,是整個產品設計過程的關鍵 .研究表明占總成本 5%的概念設計將決定產品總成本的70%.由于缺乏好的幾何或分析模型 ,傳統的 CAD 建模技術不能用于概念設計 ,這使得產品概念設計一直成為工程設計的瓶頸問題 .在傳統的人工產品概念設計中 ,大多采用類比設計或經驗設計方法 ,在參考過去的相似設計實例的基礎上進行適當修改調整而生成新的設計方案 .有關資料表明 :60%的機械產品設計是原來產品的改型或改進基于實例的推理 CBR 是一種類比推理方法 ,它利用人們以往求解類似問題的經驗知識進行推理 ,從而獲得當前問題的求解結果 .基于實例的推理系統對知識、經驗及信息的完備程度的要求遠低于專家系統 ,且推理效率較高 ,為產品概念設計問題提供了一種可行的解決方法。 基于實例推理的產品概念設計原理如下： 問題描述 基于實例推理的產品概念設計方法的基本概念和邏輯學依據是 :概 念1 實例是過去在滿足特定要求下的設計方案 ,是專家經驗和知識的體現形式 .實例由眾多的實例屬性及實例屬性的特定操作方法構成 .概念 2 實例屬性是指能夠描述設計方案中某一功能或幾何特征的參數 .如減速器設計中的總傳動比 ,各齒輪的齒數等 .概念 3 實例庫是所有實例的集合 .概念 4 相似實例是指具有相似設計特征、相近設計參數的設計方案 .概念 5 相似度是實例相似程度的一種度量 .基于實例推理的產品概念設計是建立在下述論點基礎上的 :論點 1 具有一個或多個相似特征屬性的實例是相似實例 .相似性通常表現為實例的特征屬性的值成比例或在限 定的誤差范圍內 .論點 2 具有相似設計任務的實例是相似實例 .論點 3 相似實例具有相似的解、相似柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 的求解過程和求解方法 .即過去的相似實例可作為當前設計任務的參考 .論點 1、 2 為相似性判斷提供了依據 ,論點 3反映了基于實例推理的設計方法 . 圖 1-1 CBR系統基本結構 1. 3 柴油機的零部件的分類和特點 成組技術 (GT-group technology)揭示和利用事物間的相似性，按照一定的準則分類成組，同組事物能夠采用同一方法進行處理，以便提高效益的技術，稱為成組技術。在機械制造工程中，成組技術是計算機輔助制造的 基礎，將成組哲理用于設計、制造和管理等整個生產系統，改變多品種小批量生產方式，以獲得最大的經濟效益。成組技術的核心是成組工藝，它是把結構、材料、工藝相近似的零件組成一個零件族（組），按零件族制定工藝進行加工，從而擴大了批量、減少了品種、便于采用高效方法、提高了勞動生產率。零件的相似性是廣義的，在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性，以基本相似性為基礎，在制造、裝配等生產、經營、管理等方面所導出的相似性，稱為二次相似性或派生相似性。 近年來，成組技術與數控技術、計算機技術相結合，水平 有了很大提高，應用范圍不斷擴大，在產品設計、制造工藝、生產組織與管理等方面均有顯著的應用效果，如新零件設計數可減少 52%、生產準備時間可減少 69%、勞動生產率可提高 33%、生產周期可關 70%、零件成本可減少 43%，并已發展成為柔性制造系統和集成制造系統的基礎。 零件 成組 分類成的方法有： 代碼分組法：利用零件分類編碼系統對零件進行編碼，按零件代碼，采用一定的相似性準則進行分組。各個國家或大企業均有自己的零件分類編碼系統，比較典型的應用比較廣泛的系統有捷克的 VUOSO 系統、德國的 OPITZ 系統、日本的 KK-3 系統和我國的 JLBM-1系統；分組方法有特征位法、碼域法和特征位碼域法； 生產流程分析法 (PFA-production flow analysis)：是以零件的加工工藝過程為依據，通過分析進行分類，具體方法有關鍵機床法、順序分枝法、聚類分析法、鍵 7 合能法等。此外尚有勢函數法、模糊模式識別法等。 同時具有以下的特點： （ 1） 采用 GT的復合零件法生成虛擬件，能夠完成同族相似零部件的系列化設計 ； （ 2） 參數驅動技術采用尺寸分類描述的原則，實現虛擬件結構形狀與尺寸的抽象，能夠通過對參數加載不同的數據，實現圖形結 構的變化或取舍 ； （ 3） 分別采用圖形類、數據庫類和信息類描述圖形中的實體、參數系列化取值和技術要求與標題欄信息，實現了圖形與非圖形信息的集成 ； （ 4） 采用文檔模板類存儲圖形與標注實體，不但能夠充分利用類庫強大的資源，使圖形的動態存儲快速地響應圖形結構的變化，而且使實體的儲存更加有序，便于數據存取的串行化操作及繪圖儀驅動程序的開發 ； （ 5） 全面的事件驅動機制，使設計過程所見即所得，實現了較好的面向對象功能 。 1. 4 實例庫建立的原則及標準 在程序中，幾何圖素的圖形實例化是通過程序模塊方式實現的，針對每一 種圖素編制相應的程序模塊。通過程序模塊實現拓撲結構相近的圖素的參數化設計，用戶可以采用不同的幾何結構參數對該圖素的幾何形狀進行控制。如對可以實現不同尺寸系列的設計，從而大大提高了程序的適應性和效率。當所有圖素設計完成以后，通過總調度模塊管理各種幾何圖素及其拼合，從而實現對整個 柴油機 設計的管理。 （ 1）當只需改變零件的幾何尺寸，不改變零件拓撲結構時，用 PART文件來建模 （ 2）當零件結構復雜，用 GRIP程序來做，只要改變不同的工藝參數，調用不同的模塊，生成不同的零件。（例如：一個由很多小零件拼合而成的零件，用 程序來做裝配，可以裝配成新的不同零件。） 柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 2 三維實體模型的建立 2 1 實體建模技巧 UG 軟件起源于美國麥道飛機公司，后于 1991 年 11 月并入世界上最大的軟件公司 -EDS公司。美國通用汽車公司是 UG軟件的最大用戶。 UG軟件現已廣泛地應用于通用機械，模具，汽車及航天等領域。 UG 軟件進入中國十九年，得到了越來越廣泛的應用，已成為我國工業界主要使用的大型 CAD/CAE/CAM軟件之一。 軟件就是一種優秀的三維設計軟件 ,應用范圍基本和 Pro/E 相似，它以Parasolid幾何造型核心為 基礎，采用基于約束的特征建模技術和傳統的幾何建模為一體的復合建模技術。在三維實體造型時，由于幾何和尺寸約束在造型的過程中被捕捉，生成的幾何體總是完全約束的，約束類型是 3D 的，而且可用于控制參數曲面。在基于約束的造型環境中支持各種傳統的造型方法，如布爾運算、掃描、曲面縫合等。它不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產生工程圖等設計功能 ,而且在設計中可以進行有限元分析 ,機構運動分析、運動學分析和仿真模擬 ,提高設計的可靠性 ,同時 ,可用建立的三維模型直接生成數控代碼 ,用于產品的加工。 UG軟件具有強大的建模功 能： （ 1） UG特征建模模塊提供了各種標準設計特征的生成和編輯、各種孔、鍵槽、凹腔 - 方形、圓形、異形、方形凸臺、圓形凸臺、異形凸臺、圓柱、方塊、圓錐、球體、管道、桿、倒圓、倒角、模型抽空產生薄壁實體、模型簡化 (Simplify)，用于壓鑄模設計等、實體線、面提取，用于砂型設計等、拔錐、特征編輯：刪除、壓縮、復制、粘貼等、特征引用，陣列、特征順序調整、特征樹等工具。 （ 2） UG實體建模提供了草圖設計、各種曲線生成、編輯、布爾運算、掃掠實體、旋轉實體、沿導軌掃掠、尺寸驅動、定義、編輯變量及其表達式、非參數化 模型后參數化等工具。 草圖是用于建立與部件相關的二維外形表示的工具，它是實體建模的基礎，。 使用草圖的一般步驟為： 1確定設計意圖：分析零件，進行特征分解，確定設計意圖。每一個草圖應盡量簡單，最好只反映某個特征的輪廓。 2選擇圖層：設計草圖放置的圖層。為了便于編輯，草圖管理，一般草圖放在21-40層。 3參數預設置：檢查，設置建立草圖有關的參數。 4建立草圖，并根據設計意圖約束草圖。 5掃描草圖形成三維特征。 9 （ 3） UG具有豐富的曲面建模工具。包括直紋面、掃描面、通過一組曲線的自由曲面、通過兩組 類正交曲線的自由曲面、曲線廣義掃掠、標準二次曲線方法放樣、等半徑和變半徑倒圓、廣義二次曲線倒圓、兩張及多張曲面間的光順橋接、動態拉動調整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁減、編輯、點云生成、曲面編輯。 使用該軟件進行產品設計 ,能直觀、準確地反映零、組件的形狀和裝配關系 ,可完全實現產品設計、工藝制造的無紙化開發 ,并可與產品設計、工裝設計、工裝制造等工作同步進行 ,從而大大縮短了產品開發周期。 2 2 參數化設計 參 數化設計（也叫尺寸驅動 Dimension-Driven）是 CAD 技術在實際應用中提出的課題，它不僅可使 CAD系統具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。利用參數化設計手段開發的專用產品設計系統，可使設計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設計速度，并減少信息的存儲量 。 由于上述應用背景，國內外對參數化設計做了大量的研究，目前參數化技術大致可分為如下三種方法：（ 1）基于幾何約束的數學方法；（ 2）基于幾何原理的人工智能方法；（ 3）基于特征模型的造型方法。其中數學方法又分為初等方法（ Primary Approach）和代數方法（ Algebraic Approach）。初等方法利用預先設定的算法 ，求解一些特定的幾何約束。這種方法簡單、易于實現，但僅適用于只有水平和垂直方向約束的場合；代數法則將幾何約束轉換成代數方程，形成一個非線性方程組。該方程組求解較困難，因此實際應用受到限制；人工智能方法是利用專家系統，對圖形中的幾何關系和約束進行理解，運用幾何原理推導出新的約束，這種方法的速度較慢，交互性不好；特征造型方法是三維實體造型技術的發展，目前正在探討之中。 參數化設計通過參數驅動機制，可以對圖形的幾何數據進行參數化修改，但是，在修改的同時，還要滿足圖形的約束條件，需要約束間關聯性的驅動手段棗約束聯動 ，約束聯動是通過約束間的關系實現的驅動方法。對一個圖形，可能的約束十分復雜，而且數量很大。而實際由用戶控制的，即能夠獨立變化的參數一般只有幾個，稱之為主參數或主約束；其他約束可由圖形結構特征確定或與主約束有確定關系，稱它們為次約束。對主約束是不能簡化的，對次約束的簡化可以有圖形特征聯動和相關參數聯動兩種方式。 所謂圖形特征聯動就是保證在圖形拓補關系不變的情況下，對次約束的驅動，亦即保證連續、相切、垂直、平行等關系不變。反映到參數驅動過程就是要根據各種幾何相關性準則去判識與被動點有上述拓補關系的實體及其幾何數 據，在保證圖形數據庫中，設置出圖形實體的數據結構，參數驅動時將這些結構中填寫出不同內容，以生成所需要的圖形。 參數驅動可以被看作是沿驅動樹操作數據庫內容，不同的驅動樹，決定了參數驅柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 動不同的操作。由于驅動樹是根據參數模型的圖形特征和相關參數構成的，所以繪制參數模型時，有意識地利用圖形特征，并根據實際需要標注相關參數，就能在參數驅動時，把握對數據原關系不變的前提下，求出新的幾何數據。稱這些幾何數據為從動點。這樣，從動點的約束就與驅動參數有了聯系。依靠這一聯系，從動點得到了驅動點的驅動，驅動機制則擴大了其作用范圍 。 所謂相關參數聯動就是建立次約束與主約束在數值上和邏輯上的關系。在參數驅動過程中，始終要保持這種關系不變。相關參數的聯動方法使某些不能用拓補關系判斷的從動點與驅動點建立了聯系。使用這種方式時，常引入驅動樹，以建立主動點、從動點等之間的約束關系的樹形表示，便于直觀地判斷圖形的驅動與約束情況。 由于參數驅動是基于對圖形數據的操作，因此繪制一張圖的過程，就是在建立一個參數模型。繪圖系統將圖形映射到庫的操作，以控制圖形的變化。繪圖者不僅可以定義圖形結構，還能控制參數化過程，就象用計算機語言編程一樣，定義數據、控制程序流程。這種建立圖形模型，定義圖形結構，控制程序流程的手段稱作圖形編程。 在圖形參數化中，圖形編程是建立在參數驅動機制、約束聯動和驅動樹基礎上的。利用參數驅動機制對圖形數據進行操作，由約束聯動和驅動樹控制驅動機制的運行。這與以往的參數化方法不同，它不把圖形轉化成其他表達形式，如方程，符號等；也不問繪圖過程，而是著重去理解圖形本身，把圖形看作是一個模型，一個參數化的依據，作為與繪圖者 “ 交流 ” 信息的媒介。繪圖者通過圖形把自己的意圖 “ 告訴 ” 參數化程序，參數化程序返回繪圖者所需要的圖形。它關心的是圖形，也就是圖形 數據庫的內容，邊理解，邊操作，因此運行起來簡潔、明了；實現起來也較方便。 參數驅動是一種新的參數化方法，其基本特征是直接對數據庫進行操作。因此它具有很好的交互性，用戶可以利用繪圖系統全部的交互功能修改圖形及其屬性，進而控制參數化的過程；與其他參數化方法相比較，參數驅動方法具有簡單、方便、易開發和使用的特點，能夠在現有的繪圖系統基礎上進行二次開發。而且適用面廣，對三維問題也同樣適用。 2 3 柴油機實體模型的建立過程 UG 軟件可以通過多種途徑建模 ,如可建方塊、拔凸臺、使用拉伸實體 ,甚至還可采用切的辦法等。實踐 表明 ,上述方法各有利弊。例如 ,用切的辦法容易丟失數據 ,當變成“無參數”模型后 ,該部分基本上就不能再進行編輯和修改了 ,會對以后的模型和尺寸修改造成困難。所以 ,建模應盡量采用最優方法 ,避免上述情況發生。 對于一個零件模型， 先建什么、后建什么， 用什么方法來建立， 雖然沒有一種固定的建模順序和建模方法， 但是還是有一定規律可循的。一般應根據零部件的結構特點， 先建立一個基本體素或掃描特征作為零件的毛坯， 再參照零件的粗加工過程逐步創建零件的孔、鍵槽、型腔、凸臺、凸墊及用戶定義等特征， 最后參照零 11 件的精加工過程創 建倒圓、倒角、螺紋、修剪和陣列等特征。 當然，在建模過程中，可根據建模的需要創建相關的參考特征， 各特征的 建立順序應盡可能與零件的加工順序一致。由于圓柱、塊和錐等基本體素屬非關聯性特征， 它們不與已建立的幾何對象關聯， 因此，為保證模型的可修改性， 在一個零件模型中創建的基本體素不要超過 1 個， 而且基本體素一般作為第一個特征。 當然在建模過程中可以同時使用實體和特征兩種建模方式。 PART文件的組織： 草圖是用于建立與部件相關的二維外形表示的工具，它是實體建模的基礎，。 使用草圖的一般步驟為： 1確定設 計意圖：分析零件，進行特征分解，確定設計意圖。每一個草圖應盡量簡單，最好只反映某個特征的輪廓。 2選擇圖層：設計草圖放置的圖層。為了便于編輯，草圖管理，一般草圖放在21-40層。 3參數預設置：檢查，設置建立草圖有關的參數。 4建立草圖，并根據設計意圖約束草圖。 5掃描草圖形成三維特征。 圖層分配 Layers 1-20 實體 Layers 21-40 草圖 Layers 41-60 曲線 Layers 61-80 基準 Layers 81-100 片體 Layers 101-120 工程圖 Layers 121-150 自定義 Layers 151-180 加工 Layers 181-256 自定義 在顯示完整的組件或裝配時，系統顯示它的全部信息，如草圖，基準面和軸，幾何體以及用來設計的輔助工具，這有時造成不便，可以通過設定引用集來減少不必要的顯示。引用集的成員對象可以包括：幾何體，坐標系，平面，圖樣對象和部件的即時組件。 柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 引用集對話框 (1) 建模之前，應對模型建立的順序作大體通篇地考慮，尤其是對復雜模型，更應該周全地考慮好，先做什么，后做什么， 用什么方法做， 這對后序工作的完成有極其重要的影響。 (2) 做重要步驟前，應仔細檢查尺寸，防止出現錯漏。 (3) 對復雜模型，應三維實體建模與生成二維圖兩過程相結合。在空間不易檢查的尺寸，在 二維圖能較準確的檢查，通過生成的二維圖可反過來檢查實體建模的正確與否，能及時發現 存在的問題。 (4) 建模過程應盡量避免產生 “ 無參數 ” 的實體，否則將對以后更改尺寸造成極大的麻煩。產 生 “ 無參數 ” 實體的操作有： “Transform （改變） ” 中的 “Copy （拷貝） ” 操作， “ 陣列 ” 的 “ 鏡像 ” 操 作，以及針對一個實體進 行 “ 切斷 ” 操作。以上操作應盡量避免使用，第 1 種和第 2 種情況盡量 用新做同樣的實體完成，或者盡量用 “ 陣列 ” 中的 “ 矩形陣列 ” 、 “ 圓 周陣列 ” 完成，第 3種情況盡 量用 “ 切飛 ”代替 “ 切斷 ” 操作，以保留參數可以編。 (5) 建議做了一系列實體后應及時檢查參數，最好進行了一定階段后產品副管協助檢查尺寸 ，以便及時發現問題進行糾正，避免導致重來，耽誤進度。 (6) 做復雜零件應多做備份，進行了一定階段存一個新文檔，以備操作失誤造成文件丟失或 損壞時可調用最近相鄰的文件重做。復雜零件不要用一個文檔從頭干到尾，因為當做某 些操 作產生 “ 無參數 ” 實體，存盤后，就無法再回到原來參數齊全 13 的實體了，該步驟是不可逆的。 因此復雜零件應多做備份，待確實成功完成后再將前面已無用的備份刪除，這樣可避免很多 問題。另外，勤做備份、勤存盤也有好處，當出現死機或誤操作退出等異常情況時，還可以 馬上重調入再做，不會讓心血白費。 (7) 經常向別人請教，和他人討論，可開闊思路，有時可共同找到更佳的方法，不致于陷入 思維定式。 (8) 應當針對實際遇到的問題多上機、多實踐，這樣才能了解更深入，發現其不常用的功能 ，有時能對解決問題起很大作用。 (9) 對解決不了的或者解決不發的問題應及時作下記錄，以便能集中請教。對解決問題的發 方法也應及時記錄下來，以便日后使用及備忘。 2 4 實體模型 圖 2-1 模型實例 又如： zh1120.3-21 建立基準面及草圖： 柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 旋轉 ： 建立圓柱 ,圓錐 ， expression: = Information listing created by : user Date : 1999-01-01 20:57:24 Current work part : D:zh1120ZH1120.3-21.prt Node name : c23 = p5=205 / 205 p6=14 / 14 p7=9.6/2 / 4.8 p8=135.1-1.1-116 / 18 p9=24.48 / 24.48 p10=0 / 0 p11=360 / 360 p12=9.5 / 9.5 p13=116 / 116 p14=8.4 / 8.4 p15=1.35*2 / 2.7 p16=135.1-128.7 / 6.40000000000001 15 p17=.5 / 0.5 p18=48.96 / 48.96 p19=2.02 / 2.02 p20=45 / 45 p21=53 / 53 p22=2.88-1.1 / 1.78 柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 3 程序實例模型的建立 3 1 實例庫建模基礎 UG 所提供的二次開發語言模塊 UG/Open GRIP, UG/Open API 和輔助開發模塊UG/OpenMenuScript與 UG/OpenUistyler及其良好的高級語言接口 ,使 UG形功能和計算功能有機的結合起來 ,便于用戶開發專用的 CAD 系統。 UG/Open GRIP 程序 UG/Open GRIP是 UG提供的二次開發語言模塊 ,也具有與外部高級開發語言的接口。 GRIP是 UG的內嵌語言 ,能夠實現強大的圖形繪制、裝配、工程圖的生成和一定的文件管理 功能 ,主要進行 UG的功能調用。 UG/OPEN GRIP 是 Unigraphics（簡稱 UG） CAD CAM 軟件包中的一個模塊，是Unigraphics 軟件的二次開發工具之一。由于 UG/Open GRIP 具有簡單、易學、易用的特點，得到廣泛的使用。 UG/OPEN GRIP語言用來創建類似 FORTRAN 語言一樣的程序，與 Unigraphics 系統集成。 GRIP程序一般是在平臺下編制的 ,有獨特的開發工具、編譯鏈接過程、程序語法和文件格式 ,通常需要四個主要步驟： : （ 1）在菜單中選擇 UnigraphicsTools UG/OPEN GRIP 彈出 UG/Open GRIP環境界面。 （ 2）在 UG/Open GRIP 環境界面中 ,選擇 EDIT,用記事本創建或打開一個 .grs件 ,也就是 GRIP源文件 ;選擇 Comple編譯 ,生成 .gri目標文件 ; （ 3）再選擇 Link 生成 .grx文件 ,這個文件就是可以識別的執行文件 ,可以在 UG菜單中點擊 FILE-Execute UG/Open-Grip調用 ,也可以通過用戶自定義菜單調用。 （ 4）通過用戶自定義菜單調用時 ,執行文件 .grx 必須存放在用戶目錄下的application目錄中 在編寫程序時，所采用的 GRIP 命令語句有三種格式： 陳述格式（ Statement Format） GPA符號格式（ Global Parameter Access） EDA符號格式（ Entity Data Access） 一般而言，一個 GRIP 源程序可分為 5 個部分，每個部分都使用一組 GRIP 命令，這 5個部分是： 申明語句部分 初始化語句部分 交互語句部分 過程處理語句部分 17 結束語句部分 3 2 柴油機實例庫零件程序舉例 進行零件分析：符合用 GRIP 程序建模的特點，輸 入不同的參數，可以生成不同的零件。 ZH1120。 3-3汽缸套圈 $ 此程序為汽缸套圈 entity/cy1,cy2,cy data/h1,1.5,d1,32,h2,2,d2,25.2 bck010: choose/選取套圈型號 ,$ zh1120 d,resp jump/bck010:,cancel:,resp 選擇型號 bck020: param/請輸入有關參數 ,$ 圓柱高度 H1,h1,$ 圓柱直徑 D1,d1,$ 圓柱高 度 H2,h2,$ 圓柱直徑 D2,d2,resp jump/bck020:,cancel:,resp 交互界面 柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 bck030: gpos/請輸入基準點位置 ,x,y,z,resp jump/bck030:,cancel:,resp 基準點 cy1=solcyl/origin,2,1,1,height,h1,diamtr,d1 cy2=solcyl/origin,2,1,1,height,h2,diamtr,d2,axis,0,0,1 19 cy=subtra/cy1,with,cy2 cancel: halt 執行程序生成零件： 柴油機數字化快速設計系統中實例庫的建立 4 柴油機零件工程圖的繪制 4 1 工程圖繪制的方法 UG 工程繪圖模塊提供了自動視圖布置、剖視圖、各向視圖、局部放大圖、局部剖視圖、自動、手工尺寸標注、形位公差、粗糙度符合標注、支持 GB、標準漢字輸入、視圖手工編輯、裝配圖剖視、爆炸圖、明細表自動生成等工具。 繪制工程圖長期以來都是工程設計人員在產品設計時必須進行的過程，也是工作量最大的過程，無論是用手工繪制，還是用二維 CAD軟件繪制 ，設計人員都必須將產品的的三維結構在腦子里形成二維視圖，再用一個線條、一個線條進行繪制表達，加之各種尺寸、公差等標注，工作量大而且繁瑣，修改、描圖更是麻煩。現在擁有三維UG 軟件以后，工程圖的生成完全實現了自動化，設計人員只需進行各種布局、調整和選擇，即可方便快捷地完成整個工程圖的設計。從手工繪圖到二維 CAD繪圖再到三維 UG 自動生成工程圖，使得設計人員實現了 “ 甩圖板 ” 夢想，如果再輔之以產品集成制造以及產品數據管理系 統 ，即可進一步達到 “ 甩圖紙 ” 、 “ 甩手冊 ” 的目的，實現真正意義上的無紙化生產，極大地提高企業的設 計生產效率。 UG 的工程圖設計模塊可以將三維零件及裝配體自動轉換成二維工程 圖 ，完全滿足國標 GB 的制圖標準，支持 GB 所規定的各種剖視圖、旋轉剖面、局部剖、局部視圖、向視圖、軸測視圖、任意位置視圖等等，各視圖之間完全相關。自動化的尺寸標注以及各種不同的標注方式，使得設計人員無需再去關心各種尺寸的標注，只需進行必要的調整即可。 UG 同時還提供各種尺寸公差、形位公差、粗糙度、零件序號以及各種制圖符號的標注。技術要求、標題欄、明細表、各種標準圖幅以及常用繪圖模板一應俱全。利用 UG 進行工程圖繪制可以完全將設計人員從繁瑣 的繪圖工作中解放出來，從而將主要精力集中在設計創造上。 UG 中的工程圖設計與零件設計是相互關聯的，也就是說在零件設計中對零件所做的尺寸或實體的修改，可以自動反映在工程圖中；反過來，在工程圖中所做的尺寸修改可以自動將三維零件修改。這種雙向關聯極大地方便了設計過程中的反復和修改，避免了修改工作不一致所產生的損失；同時還可以使用戶充分利用原有類似零件的設計，從而保證設計工作的高效率。 4 2 實例模型生成工程圖原則與步驟 一、工程圖的建立原則 在進入工程圖模塊后 ,系統的缺省設置使表達式變得不可用 ,這意味著在工程 圖模塊中不能通過更改表達式值的方法來改變零件的模型參數。此時 ,只要在 文件中將環境變量 21 的值設成 1,則表達式對話框在制圖模塊中仍可使用。 （ 1） 采用主模型的原則 （ 2） 工程圖放置到指定的圖層中 （ 3） 工程圖符合國家標準 二、工程圖的建立步驟 （ 1） 新建工程圖文件名 （ 2） 將主模型以裝配的方式加載到工程圖文件中 （ 3） 設置工程圖圖幅 （ 4） 設置工程圖的制圖環境，使其符合國家標準 （ 5） 添加視圖 （ 6） 添加尺寸以及其它標注 （ 7） 添加標題欄 4 3 舉例 在 UG中可以 從三維模型中自動產生工程圖，包括視圖 、尺寸和標注，且支持 GB標準。 用主模型方法制圖： （ 1）選擇 File New.。建立新的制圖部件文件。文件名按企業 CAD 標準規定。（如：模型部件名 _dwg.prt） 。 （ 2）選擇 Application Assemblies。 （ 3）選擇 Assemblies Components Add Existing.。 選擇模型部件，改變引用集到 Body或 Solid,用絕對坐標系定位。 往制圖中添加視圖，剖視圖 包括生成局部剖、階梯剖、剖中剖視圖。 給視圖加注釋。 柴油機數字化快速設