毕业设计齿轮参数化设计.doc
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1、摘要齿轮传动具有传动效率高、传动比准确、结构紧凑、工作可靠等优点,是机械行业中最重要的传动形式之一。渐开线圆柱齿轮的设计理论比较成熟,资料也很丰富。随着现代设计方法的不断发展,计算机辅助设计(CAD)技术已经成为现代机械设计的重要组成部分,它把计算技术引入设计过程,并以参数化设计技术和特征建模技术作为CAD系统的两项重要指标。但市场上现存的很多齿轮传动CAD系统,都或多或少地存在着诸如无三维造型或二维图纸以及尺寸驱动、仅实现了参数化设计过程、没有对渐开线齿廓进行精确建模、没有充分注重设计着的主观能动性等缺点。因此,设计出渐开线圆柱齿轮的集参数化设计、特征建模于一体的软件有着重要的实际意义。论文
2、论述的是在Windows XP操作系统开发平台下,利用功能强大的Visual Basic.NET语言为开发工具,结合AutoCAD 2004的三维绘图功能及面向对象技术,设计独立于AutoCAD2004的功能菜单,通过输入参数,调用函数,驱动CAD,从而实现齿轮的参数化建模。关键词:参数化设计;AutoCAD二次开发;VB.NET;齿轮AbstractGear transmission has many virtues such as high efficiency,exact transmission ratio,compact structure,reliable operation an
3、d so on.It is one of the most important transmission forms in the mechanical industry.Involute cylindrical gears design theories are extraordinarily mature and the data are very abundant.With the continuous development of modern design methods,CAD technology,which brings computer technology into des
4、ign methods,acted as an important role in modern mechanical design.It takes parameterization design and feature-based modeling as the two important estimative targets of CAD systems.But many gear transmission CAD systems in the markets have one or more shortcomings such as having no three-dimensiona
5、l models or drawings as well as the size drive,only realizing the process of parameterization design,having no precise model of involut tooth profile and paying little attention to the designerssubjective mobility.Therefore,to design a whole involute cylindrical gear system with parameterization des
6、ign and feature-based modeling is very important.The paper discuss about that namely develops under the platform of the Windows XP system,use function formidable Visual Basic.NET language is the development kit,unifies the AutoCAD 2004 three-dimensional cartography functions and the object-oriented
7、technology,the design is independent to the AutoCAD2004 function menu,through the input parameter,the transfer function,actuates CAD,thus in realization gear parameter modeling.Keywords: Parametric Design;Secondary development of AutoCAD;VB.NET;Gear绪论1参数化设计概述1.1参数化设计概念参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸,或修改己定
8、义的零件参数,自动完成对图形中相关部分的改动,从而实现对图形的驱动。参数驱动的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮尺寸廓时无需准确地定位和定形,只需勾画出大致轮廓,然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状,或者只将零件的关键部分定义为某个参数,通过对参数的修改实现对产品的设计和优化。参数化的含义有两种:设计参数化和图形参数化。设计参数化对应于产品设计过程,其特点是:控制产品的参数在整个设计过程中其数目、数值和类型不断发生变化,在设计的某一时刻还有可能发生参数转换,即控制参数由一组变为另一组。图形参数化对应于最终产品或某些常用零部件,此时控制参数只有数值变化,不存在参数类型和整组控制参数的转换。
9、CAD技术在机械工业中的一个重要应用就是参数化设计,能否实现参数化计也成为评价CAD系统优劣的重要技术指标,它更符合和贴近现代CAD中概念设计以及并行设计思想,工程设计人员在设计开始阶段可快速草拟产品的零件图,通过对产品形状及大小的约束最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直通过修改第一次设计来实现,设计参数不但可以驱动设计结果,而且影响产品整个开发周期,设计参数可以来自其他系统。参数化设计又是变量设计的前提,借助变量化设计思想可实现动态设计,机构设计的运动仿真模拟等。同时,参数化设计还能够使设计人员在设计的同时可实现参数化建立标准件的数据库,极大地方便后续工作。因此,参数化设计以及建库工具
10、的研究对进一步提高设计和绘图效率以及柔性化设计具有十分重要的意义。1.2参数化设计理论方法近十几年来,因为参数化设计在工程实际中有广泛的应用价值,国内外从事CAD研究的专家学者对其投入极大的精力和热情进行研究,从方法上做了大量研究和尝试,取得了重大成果。目前参数化设计方法主要有以下几种:(l)基于几何约束的数学方式利用尺寸约束建立方程组,将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非方程组,对于给定的约束,通过数值方法解非线性方程组,一次解出所有特征点的坐标值,确定出几何细节。采用该方法必须输入充分且一致的尺寸约束,才能求解约束方程组。但由于非线性方程组求解过程本身的不足,求解稳定性的问题并没有得到
11、根本解决,现在有不少研究正在寻求提高求解稳定性的途径(2)基于几何推理的人工智能法人工智能的发展,促进了参数化设计方法的发展,产生了几何推理法。这种方法又有两个方面:一是建立在专家系统的基础上,采用谓语表示几何约束,推理机制导出几何细节。这种方法可检验几何约束模型的合理性并能处理局修改,但系统庞大,对递归约束无法处理。二是扩展现有的数据结构,使其拓扑信息,并通过程序实现从几何约束到几何细节的推理。但由于在推理过程查询匹配规则,所以用这种方法建立的系统过于庞大,而且速度较慢。(3)基于特征的实体造型方法特征是作为捕捉设计者意图的方式而提出的,以取代用直线、圆弧、圆等几何元素构图的方式。特征实体具
12、有一定的智慧,它们不但具有明确的工艺特构结构,而且能始终记忆自己的功能属性和与其它相关实体的适应关系。修改某一特征实体,会自动引起整个设计模型的相关变化,其中包括实体本身的物理量(如质心和惯性矩等数据)的变化。(4)基于辅助线法这种方法的几何图形轮廓线都建立在辅助线的基础上,辅助线的求解条件在作图的过程中已明确规定,由辅助线来管理图形的几何约束和结构约束,并直接定义图形的约束集,这样就可以在图中搜索和检查求解条件,使约束的表达得以简化,减小了约束方程的求解规模。从本质上讲,这种方法属于几何约束的变量几何法,不同之处是用辅助线来表达约束。当图形比较简单和有规则时,这种法的求解速度较快,但当图形比
13、较复杂时,作辅助线会增加作图的操作,影响作图速度,而且要保证用辅助线定义图形约束集的完整性比较困难。(5)基于关系的建模方法关系模型的建立能方便地进行修改以适应不同用户的特殊要求,从而大大提高设计速度。以关系型数据结构构造参数化模型是德国西门子公司首先提出来在系统内,关系可建立在所在系统能识别的对象之间,也可在任意大的模型中建立任意复杂的关系模型,这种关系的建立过程是以符合设计师设计习惯的、非常简便自然的方式进行。(6)知识驱动的智能化设计知识驱动的基本思想是要寻求、记录不同类型知识的方法,这些知识用来策划、设计和完成一种产品、项目或工程,是将人工智能(包括知识库、知识规则、逻辑推理等)与CA
14、X集成系统有机地结合为一体。但知识库必须储存大量专家的经验、知识及己知的事实和采用这些知识的规则,并且知识库中的知识数据能推理机制所采纳,可以通过相应的软件来添加、修改和维护,因此这种基于知识的智能化设计仍然在研究和发展中。2AutoCAD二次开发的发展回顾AutoCAD是一种具有高度开放结构的CAD软件开发平台,它提供给编程者一个强有力的二次开发环境。随着AutoCAD在机械设计、制图中的广泛应用,设计制图的工作效率已有明显的提高。可以说,AutoCAD是目前最为流行的工程图形处理软件之一,其较为完善的绘图功能和友好的人机对话界面,给用户以耳目一新的感觉。R10版本以前,可供使用的开发工具主
15、要是AutoLisp;R11版本推出ADS是其最显著的特点;随着R13版推出ARX,AutoCAD进入了全新的面向对象开发环境,但这些开发工具都有其不足之处,AutoLisp运行速度不快,开发界面单调且不友好;对于VBA开发语言,其与AutoCAD形成了一个统一的整体,虽然二者之问的通信十分简单和高效,但也存在自身的不足。ADS是建立在C语言基础上的,而C语言是面向Windows编程的,学习难度相对较大;对于ARX程序,尽管其运算速度快,功能比以上两种工具更强大,但程序中的错误造成的危险也大,同时开发ARX程序对开发人员要求更高。因此,上述工具在AutoCAD上进行二次开发都受到了一定的局限。
16、3 AutoCAD二次开发在国内外的研究动态与发展趋势3.1国内外的研究现状目前,国内CAD技术的应用已逐步进入高级阶段,许多用户都针对本行的特点对CAD进行二次开发,CAD二次开发技术几乎在各个行业中都有应用实例,并已有许多商品化软件问世。但各行业CAD二次开发技术的发展水平存在较大差距,机械、电子、建筑、航空航天等是最早应用二次开发技术,其二次开发程度也最高,开发出的CAD系统能够集计算、参数化画图、数据管理为一体并直接与计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工艺设计(CAPP)有机结合。目前国内已开发成功一批符合工程需要的应用软件,逐渐形成了一批具有较高素质的研究开发队伍。其他行业的CAD
17、二次开发技术则相对落后,有的仅仅是一小部分工程技术人员的个人行为,还没有形成专门从事CAD二次开发的研究队伍。虽然也出现了一些CAD应用软件,但大多数仅仅针对某一类型的产品或产品的一部份而开发的小型应用系统,解决的问题也比较有限。国外成功的CAD技术开发企业为了加快CAD技术开发步伐,都选择了高起点的CAD技术开发战略,即利用已有的技术成果,在此基础上二次开发自己的CAD技术,而不是将人力物力浪费在低水平的重复开发上,这样既可以提高效率,又能保证自己的产品具有较高的技术含量和水平。3.2发展趋势随着制造业的发展,CAD技术也日渐成熟。在七十年代,发展了一批CAD软件,用于各种分析和模拟,如有限
18、元分析软件、运动模拟软件、优化设计软件等,为设计决策提供了重要的依据,大大提高了设计的效率,为增强产品竞争力发挥了积极的作用。但是这些CAD系统仅仅努力使人工设计过程计算机化,用计算机代替图板,停留在对产品零件的几何描述水平上,没有涉及到设计的本质。随着生产技术的不断进步,设计师在设计活动中所要面对的信息量也在持续不断地增长,希望新型的CAD系统能在产品设计过程中的各个阶段,尤其是概念设计和方案设计等智能程度更高的阶段,都能够积极、有效地参与设计活动。为适应当今时代激烈的市场竞争和快速发展变化的需要,CAD系统也呈现出日新月异的局面。近期CAD技术开发研究的发展趋势是智能化、网络化、高度集成化
19、、可视化。(1)智能化将人工智能思想、方法和技术引入到CAD系统的研究与开发中,开辟了智能CAD的新领域,成为当前CAD的研究热点之一。智能CAD(Intelligent CAD简称ICAD)涉及到许多不同的领域,如认知心理学、计算机科学、人工智能科学等等,目前ICAD在设计问题求解的研究方面提出了许多适合于计算机处理的方法,如基于空间关系推理的设计、功能推理设计、基于多Agent的设计、面向对象的设计、基于特征的设计、基于事例的设计等。(2)网络化网络技术是计算机技术与通讯技术相互渗透结合的产物。CAD系统只有通过网络互联起来,才能达到资源共享和协调作用,发挥更大的效益。近年来,计算机支持的
20、协同设计环境的研究是CAD技术发展方向之一。网络CAD技术的发展将有助于提高和改善设计的工作效率与质量,充分体现群体的作用,使设计人员不受地理位置的限制,就能进行方案讨论和产品设计。(3)高度集成化为适应设计与制造自动化的要求,特别是CIMS的要求,进一步提高集成水平是CAD技术发展的一个重要方向。应在以下几方面提高水平:几何造型应从传统的实体造型到参数化特征造型转变,以便建立包括几何信息在内的完整的产品信息模型;CAD/CAM系统内应有统一的数据库及其数据管理系统;集成系统内部应包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件。(4)可视化科学计算可视化(VISC)是80年代末期发展起来的一门
21、技术。可视化技术使设计者处在自己想象的设计空间,亲临现场似地对产品和工程进行设计和布置,从而充分发挥设计者的聪智慧,使设计进行得尽善尽美。VISC技术符合当今信息时代人类处理大量复杂数据的需要,必将成为人类信息交流的新形式。4 AutoCAD二次开发的目的和意义利用三维CAD技术进行产品设计,是未来制造业的发展趋势。现代三维CAD技术的一个主要特点就是其可实现机械产品参数化设计。参数化设计有时也称为尺寸驱动,所谓尺寸驱动就是指当设计人员改变了模型尺寸数值的大小时,模型将随之发生相应的变化。许多机械零件的形状结构具有共同特征,只是在相对大小或局部特征上存在一定的差异,如果能够通过一个模板模型衍生
22、出不同的模型,就会大大提高设计效率。CAD技术推动了几乎一切领域的设计和制造革命,其开发和应用水平已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。我国一贯重视CAD技术的引进、推广和应用工作,但同时也非常重视CAD软件的自主开发。目前,国内实际使用的CAD系统可分为两大类:一类是国内主权版的CAD系统,另一类是国外商品化的CAD系统。由于国外CAD系统发展早、技术先进、产品成熟、售后服务周到,仍占据着主要的市场份额。国际和国内的知名的CAD/CAM软件如AUTOCAD、Pro/Engineer、UG、I-DEAS、Solid Works以及华正CAXA系统等,都是商品化的通用平台。这些通用软件需要考虑
23、各行业、各地区用户的需要,而并非针对某一领域甚至某种产品的专用软件,因此用它来完成某一具体产品的设计时往往不是很方便。因为不同企业有不同的产品,其设计方法、产品结构不尽相同,即使是面向某一类对象的专用的商品化CAD软件,也难以满足形形色色的具体需要,所以不可能从软件公司买到适合所有产品设计需要的软件。因此,欲利用CAD技术取得积极效果,必须以通用CAD软件为基础,结合自身实际情况,进行不同程度的用户化、本地化开发,以建立应用绘图系统和数据库,形成具有自身特色的CAD系统,这也是CAD软件均提供二次开发手段的原因。如果能在引进的原始CAD系统基础上,根据本企业或行业的常规性产品或工程设计的实际需
24、要,将设计手册、制造手册中的各种数据、典型的结构、计算方法与公式及产品标准、技术要求、外构件、原材料的样本、手册,本企业或行业产品的典型结构、经验数据、工装情况等方面的资料、数据、图形等与现有CAD系统有机地融合起来,使设计人员从繁重的重复劳动中解放出来,做到数据共享;甚至更一步,将本企业或行业多年来的设计经验总结出来,形成有特色的设计规范、设计方法、典型结构、标准、通用零部件、功能模块,并相应地在CAD系统内建立起数据库、图形库、方法库、知识库及其应用程序,从而真正发挥CAD系统的效用和优越性。CAD二次开发的意义不仅在于提高设计效率,而且还是提高产品设计质量的重要途径,是提升CAD应用水平
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