轴系专用CAD系统的研究与开发

    1前言
     
     随着CAD技术的发展，工程设计应用需求对CAD技术不断提出挑战，极大地推动了CAD技术的飞速发展。在CAD技术的发展的初期,CAD软件技术大多关注于如何提高二维绘图效率，这一时期的商品化CAD软件使机械设计人员基本上甩掉了图板，在一定程度上提高了设计的质量和效率。80年代中期，随着航空工业和汽车工业及家电行业的迅猛发展，极大地促进了三维CAD技术和产品的发展，形成了许多功能强度，性能稳定、价格适中的产品，推动了工业的快速发展。
    
     进人二十一世纪以来，市场竞争日益加剧，许多CAD应用单位不得不考虑，如何深化CAD的应用.进一步提升企业的综合科技竞争力。本文正是基于这样的形式下提出的，目的是通过对现有通用CAD软件系统的进一步开发，研发面向典型产品的专用CAD系统，以全面提升企业综合科技竞争力。
    
     本文提及的轴系CAD系统，就是构建在通用三维CAD系统之上，辅之轴系的方案布局设计、计算校核、数据自动查询等功能，能快速进行轴系部件的设计。后文将从系统建模技术、模型的维护策略以及部分关键技术的实现方法等方面详细论述。
    
     2系统的实现
    
     轴系的设计通常包括结构设计和分析、设计手册查询、设计计算、设计校核等步骤。通常，一名经验丰富的工程师，手工设计一套两级传动的传动装置.大约需要两到三周的时间。因此，轴系的设计是一种经典而复杂的机械设计工作，如何保证软件系统可以符合实际设计方法和设计流程，减少设计重复、繁杂的操作，提高设计速度和效率.将是本系统需要关注的一个关键。
    
     2.1总体设计思想
    
     轴系中的大部分零件都是标准件，结构上表现为回旋体，易子采用二维环境设计，在二维环境中完成轴系的布局设计，再将设计信息传送给通用三维CAD系统，建立直观的三维立体设计模型。因此，本文拟采用基于二维示意图参数化的轴系设计模型建立，刹用通用兰维CAD系统的API接口，自动生成三维设计模型。
    
     由于轴系模}'由各种独立特征(如轴段、键槽、轴承等)组合构建而成，这些独立特征构成了专用CAD系统的基本设计对象，在二维设计环境下这些独立特征被称为特征图元，设计人员可直接对特征图元进行操作(包括移动、定位、修改等)，而不需对基本几何元素(点、线等)进行操作，使得元资汁可以在一个较高的工程语意上进行。在完成图元的拼凑构造后，轴系部件的总体构架就已形成，然后可利用强度校核模块进行强度校核，如设计结果得到确认，则启动三维造型引攀，通过接口将二维模型信息传输到三维CAD图形平台中，自动生成三维图形模型，便得到了通用化的设计结果。
    
     轴系CAD系统可分为:主界面、特征管理、导航、强度校核、约束模型管理、数据库管理与查询、知识库、通用三维CAD系统的AFI接口、三维几何引擎等这十余个模块，其系统总体结构框架如图1所示。
    

     在利用本系统设计时，设计人员的主要任务是完成轴系模型的二维模型图的设计。特征管理模块、人机界面交互管理模块、强度校核模块、模型维护与管理模块、数据库管理与查询模块等均围绕二维示意图的设计展开，并提供服务。
    
     2.2系统模型的程序语言表示
    
     在对零件或特征描绘之前，首先需要将轴系的所属各类零件按一定层次分类，形成关系层次结构。根据轴系部件的特点，可将轴系划为第一层，传动轴部件角及轴上的零件或特征统称为传动轴部件)划为第二层，各种独立的零件或特征伽齿轮、轴承、键槽等河划为第三层(见图2)。从轴系的层次结构图可以看出，轴系部件包括零件种类多，零件参数繁杂.要实现对零件模型参数的妥善管理，就要有一套完善的数据模型来描绘轴系及轴系中的零件。本文采用了面向对象的实例表示法来对零件进行信息表示，面向对象的实例表示法是将多种单一的信息:框架和过程满照面向对象的程序设计原则组成一种混合信息表示形式.它以对象为中心，将对象的属性、动态行为特征和设计处理等信息封装在表达对象的结构中。
    
     利用面向对象的实例表示法对单独的零件(或特征)进行信息表示，在c++语言程序中具体表现为用类对其各种信息进行封装，各种零件的类由-个共同的基类派生，并提供访问零件参数接口。例如:退刀槽虽不是单独的零件，但有其独立的形状特征，因此可视为作为一个类;而齿轮是一个单独的零件，也可作为一个类。类中包含有数据成员{Data Member)成员函数(Member Function),其中，数据成员表示的是零件〔或特征)的各个参数、零件的位置及方位角等;而成员函数体现为对零件域特征)的各种操作或访问，如设置零件参数、获取零件参数、保存零件参数.修改参数、移动零件、俐除零件、导航、绘二维示意图等。

     2.3系统模型的维护
    
     由子轴系中零件较多，具有许多零件定位关系及联接关系等约束，根据这一.特点，软件系统要求具备特征的约束管理功能，这样才能保证轴系部件模型符合工程化要求。对于软件系统来说，就要求采用科学的模型维护方法.对模型对象进行有效的管理，如添加、删除、移动、修改。
    
     下面以一典型轴系部件为例，系统摸型维护的实现方法。在图3所示的传动轴上，共有功个特征，其特征编号见图2。

     
     根据特征间的约束关系可以将轴的特征构造关系树表示如图4所示。其中Cij(i=0.1…9，j=0,1,2…9)表示为特征Pi与特征Pj之间的约束关系。当修改某一特征Pi后，便以Pi为节点进行广度优先搜索(BFS)，寻找与其相临的节点Pj并重新检验与其相临结点间的约束关系，若发现满足约束(即Cij为真)，则不再进行此方向节点的搜索;若Pj与Pi之间不满足约束关系，则对Pj节点发布指令，令其根据一定的规则来修改相应特征的参数，以满足约束关系。依此类推，Pi又要检查与相临的结点Pm的约束关系，如此循环。例如，若改变图四中齿轮Po的宽度，则要按以下步骤来进行该模型的维护:
    
     (1)修改节点Po所对应特征(齿轮)的宽度;
     (2)检查约束关系C01,C04,C05,C06,C09.
     (3)调用C09返回为FALSE.则要修改节点P9.
     (4)修改节点P9所对应的特征(轴套)的长度;
     (5)检查约束关系C69,C89;
     (6)约束关系C69,89均满足要求，中止维护。