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基于图形单元技术的轴类零件的设计

基于图形单元技术的轴类零件的设计 2011年12月04日 来源： 1　引言开发系列产品是设计与制造合理化所必须的。系列产品的开发要求零件设计尽可能的采用标准化和通用化的零件。轴类零件是机械产品中的通用零件，应用比较广泛。以往的设计绘图都以基本的点、直线和圆弧等作为基本几何图素来绘图，这不仅使得绘图繁琐 ，而且，这些基本的几何图素也不能作为工程语言来表达设计者的设计意图。图形单元是把轴类零件中反复出现的具有相同结构和功能的几何形体提取出来作为基本的几何图素，因而使得设计与绘图在更高层次进行，提高了设计效率。同时，使轴类零件的设计更规范化，满足了开发系列产品的要求。2　图形单元的不同分类图形单元作为设计、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，任何阶面上的产品信息都将以图形单元为基础，从整个产品生命周期来看，产品信息的多样性、一致性和复杂交错关系并不是仅仅靠图形单元的组合就可以表达的，即使在结构设计阶段也不能认为用零件的加工信息可以完备地描述全部产品信息。但是，运用系统工程的原理和方法对图形单元进行分类剖析，就可以为计算机集成系统的统一处理提供良好的依据。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，抽取其共性，组建成图形单元库，供设计者选择。相似性分析是按照相似性原理对零件进行分析的方法。机械行业中轴的应用很广泛，而且绝大多数都为阶梯轴，而阶梯轴在设计时是逐段进行的。轴段类型有光轴段、圆角轴段、退刀槽轴段、键槽轴段、螺纹轴段等。3　图形单元的数据模型按从属关系来分图形单元可分为主图形单元和子图形单元。主图形单元对应产品特征的共性。如在轴类零件的设计中，主图形单元可取为表征轴的公共特性(左轴段、中轴段和右轴段)。子图形单元对应产品特征的个性。如轴上的键槽、退刀槽又使得各轴段有所不同。为了有效地对图形单元信息进行表达和管理，在图形单元基础上，提出了主图形单元和子图形单元的概念。自组织过程要求能够在不同的设计阶段，动态地形成当前处理所需的有序数据模型。因此自组织的整个过程要求对整体信息结构进行把握，图形单元和图形单元之间要求能够建立起有机的联系，针对这一特点，本文采用了ADS的扩展实体链表结构构造了层次结构模型(如图1)。4　图形单元的自组织规则4.1 模块化图形单元库中的每个图形单元的创建对应于一条命令，图形单元与图形单元之间有较强的独立性。图形单元的模块化使得图形库具有较好的可维护性与扩充性。4.2交互化交互手段是目前图形软件中基本处理模式，它使对使用者的要求不断降低。通过菜单、图标按钮、对话框及提示栏等各种友好界面大大提高了软件的可操作性。4.3智能化智能化的目的是不断提高计算机辅助水平，减少用户的信息输入量，提高工作效率。子图形单元能继承主图形单元的信息,轴类零件表现为键槽的宽度、深度和长度的选择都随着轴段的变化而变化，无需用户输入。当然用户可对其进行进一步的修改调整。为充分表现零件的各种细节，一般需要多个视图。在不同的视图上的图形单元间存在有对应关系，而这种关系特性蕴含于由图形单元拼接而成的零件图形之中。如在生成轴的剖视图时，只需点取相关轴段即可自动对齐生成剖视图。

图1

4.4 柔性化柔性化表现在对用户的容错性。如当用户误操作删去轴类零件的中轴段时，由于轴必需有其唯一的中轴段故系统将拒绝操作，并提示对中轴段只能进行替换，不能删除。在拼接过程中图形单元之间的边界约束(如线、面一致性)得不到满足，系统也将给于警告并拒绝。5　图形单元自组织特性 5.1　拓扑特征的自组织拓扑关系是图形的最重要信息，包括点、 线、面之间的连接关系。图形单元间的拓扑关系由系统自动生成。在轴类零件设计时， 所有轴段必须位于同一中心线上并且轴段与轴段必须保持首尾相连。 对于这些拓扑关系，其信息在轴的设计中是由系统自动生成的。其算法步骤如下：Step1:根据当前显示窗口的大小，确定中心线的高度、零件定位点并绘制第一个图形单元；Step2:搜索上一图形单元找到其基点、长度和直径，同时判断上一图形单元的类型：若为左轴段，直径递增 ；若为中轴段和右轴段，将左轴段转化右轴段，直径递减。Step3：计算给出本图形单元的基点坐标、直径和长度；Step4：根据主图形单元确定子图形单元的定位和大小；Step5：转Step2，绘制下一图形单元。5.2形状特征的自组织不同的产品都有一些典型形状特征，如轴类零件的倒角、退刀槽、齿轮、皮带轮一类零件的键槽等。自动抽取这些形状特征对于理解产品信息很有必要。为此图形单元进一步分化为主图形单元和子图形单元。子图形单元依附于主图形单元，随着主图形单元的动态变化而自组织生成。形状特征的图形单元拼接表现在两方面：一方面需对图形单元进行识别，并在图形单元层次上对图形操作运算；另一方面图形单元拼接后，需对新的图形重新识别、理解，并自组织成当前新的图形单元。6　 图形单元的自组织应用以图2的轴类零件设计为例，对图形单元的自组织过程作一阐述：

图2

在结构设计过程中，设计者可在图形单元库建立的基础上，根据具体的工程背景需要，对能够实现不同功能的轴段图形单元进行选取和调整，系统对设计者所作的任何一次操作并进行实时的图形显示。如在从图形单元库中选取图形单元时，虽然主图形单元的形状特征分为“左”、“中”，“右”三类，但在图标菜单的显示中却只表示成左轴段与中轴段两种形式。其中系统对中轴段的是否选取设立一个标志值，用户在从左至右依次点取主图形单元时，一旦选取了中轴段， 系统将自动改变标志值，从而在以后链入的链节中，把左轴段图形单元的信息视为是无序的，自动实现信息的有序化转换，即将系统内部所有的存储方式与存储内容均改变为右轴段图形单元的形式，保证了链表的信息结构在逻辑上也是有序的。同样，在链表的删除、插入和链节的替换等过程中也存在这个问题。因为任何一次链表结构上的变更，均会引起图形单元信息结构的变化。链表结构可以随意变更，不失存储地址上的有序性，但具有一定工程内容的图形单元则不一定能保证其内涵的有序性，因此在对链表结构进行变更时要对其是否符合工程图的法则进行判断，如同一轴上有且只有一个中轴段；又如在插入轴段时，也能根据插入位置自行判断，识别出主图形单元的形状特征。原来为左轴段的，替换时自动按左轴段图形单元的信息结构进行存储；原来为右轴段的，则在替换时自动生成右轴段图形单元的信息结构。因此，在图形显示时相当部分的信息由系统内部自组织生成。生成的零件结构如图3所示：

图3

尺寸设计主要涉及的是强度、刚度设计、定位要求等具体的工程背景信息，需要有一定的环境输入信息。但这时的环境输入信息，如传递功率、轴的转速、轴的材料等均为确定的，不存在信息的无序到有序的转化过程，因此本文着重要阐述的是如何实现尺寸设计阶段中自组织信息的生成。在轴的强度设计中，除了一些环境信息(如功率、转速、齿轮压力角、螺旋角等)是完全人工输入之外,其余如传入传出点位置、支撑点位置等信息均可通过链表的搜索自组织地形成。一般轴类零件中(不考虑带轮等其它情况)，力、力矩的传入与传出总是与齿轮联系的，即与子图形单元中键槽密切相关。基于图形单元的链表结构储存形式，易得含有键槽子图形单元的轴段，于是系统自动将该图形单元中键槽的中点位置作为该轴力与力矩的传入或传出点。再如支撑点的位置，则是在指定了实现轴肩定位功能的轴段之后，根据用户所选的轴承型号，加以一定的运算得到相应的点位置。 轴强度设计的结果往往是表现为危险轴段的轴径大小，即轴径大小是强度约束的结果，而轴径大小本身又是轴段图形单元信息存储结构中的一部分。从而实现了图形单元与工程环境之间的循环过程：例图生成的标准尺寸零件图如图4所示，对生成的标准尺寸图进一步作工艺化处理，尺寸标注，尺寸公差和形位公差标注就形成图2的零件图。

图4

7　结论本文的图形单元技术是基于AUTOCAD的ADS用BORLAND C＋＋二次开发的，在486以上微机WINDOWS32以上的WINDOWS操作系统上均可运行，本系统已经做为我单位温州冲剪机床CAD和富阳起重机CAD两个项目的一个模块，经过单位使用反映良好，为CAD向智能化发展奠定基础。应用AUTOCAD的ADS扩展实体链表结构实现了具有先进性和智能性的图形单元的自组织，经过实践证明，此方法是合理的和可靠的。通过图形单元技术的开发，克服了以往点、直线和圆弧等基本几何图素不具有工程语义的缺点。图形单元能够很好地表达设计师的思想，使得绘图和产品设计在更高层次上进行，提高了绘图和设计效率。

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