第一章  绪  论

【本章摘要】本章首先分析了机械产品设计的突出特点是产品信息的单元化和设计过程的历史性，图形设计的单元化及图形信息的继承是增强CAD系统设计功能的重要途径。然后讨论了本课题的研究背景、内容和意义，最后介绍了本文的主要内容。

1.1  引言

制造业是国民经济的基础产业，它从某种程度上反映了一个国家的综合国力。当前我国的制造业和世界上发达国家相比，技术上还比较落后。为了提高自己的国民经济实力，振兴民族产业，必须加快和加强制造业的技术革新，提高产品的竞争力，参与国际竞争。

计算机技术的不断发展，采用计算机辅助设计（CAD）技术来提高产品的设计周期，降低产品的成本成为当前的潮流。CAD技术的介入，使传统的产品设汁方法发生了根本性的变革，为产品设计的变革提供了重要的手段。

产品设计实际上是设计概念与产品信息的逐步演进过程，从用户需求开始直到完成全套技术文件的全过程构成了一个产品的设计历史。不同设计阶段之间沟模型转化和信息继承是设计历史与过程演进的本质，产品设计的每个阶段都是在上一阶段设计结果的基础上对设计信息的一次迭代。图形是机械产品设计的主要载体，产品设计过程的演进与结构图形的生成与扩展是一个并行的过程。所以，通过图形的置换与迭代反映设计概念与设计过程的发展，将图形设计与产品设计的历史与过程有机结合起来，是增强CAD系统“设计”功能的关键。

产品设计过程现已被认为是提高整个生产率的一个瓶颈问题，设计过程是一种关键的信息源，它对整个系统的生产率有极大的影响。产品的设计开发工作在生产中所占的成本只有5%，但对产品的总成本的影响却占了60%，因此产品的设计开发工作对企业十分重要。产品的设计可分为二部分：新产品的设计和变型设计。新产品的设计负责新产品的设计和标准模块的设计，这部分工作具有一定的创新性。变型设计的主要工作是在产品设计基型的基础上，根据用户的具体要求选择适当的系列产品或组合产品，并确定各标准模块的尺寸。在实际生产中，产品设计的过程往往是在参考已有设计的基础上，进行适当的修次而得到的新设计，或者是进行系列化设计。在这种情况下，一般是修改原有产品的某些参数，而后生成符合新要求的设计图样。因此，变型设计在产品设计中占有很大的比重，尤其是它很好地顺应了产品的“小批量，多品种”的生产、经营策略，对于企业的生产、经营具有很好的应用价值。

这项技术在国外已广泛应用于机械、建筑和电子等行业，它的研究与应用水平是衡量一个国家科技进步的一个重要标志。在我国，也愈来愈引起各行业的极大关注。应用CAD技术能够提高产品设计工作效率，缩短设计周期，加快产品的更新换代；有利于产品标准化、系列化、通用化。CAD技术已定为我国“九五”期间重点推广的高新技术。

齿轮减速机是量大面广的典型的机械产品，品种规格较多，应用面广。主要应用于化工、制药、轻工、冶金、建材、纺织等工业各个部门中涉及到电机转速的传递。一般工业上来说，不可能直接利用电机的高转速（1000-3000r/min),总是会用减速机对电机转速降到合适的水平。而齿轮减速机是减速机中最大的种类，约占95%以上，其工业需求量很大。（后面所述的减速机，未特定指定，均指齿轮减速机）。但我国减速机仍处于品种规格不全、性能落后、系列化水平低的状态最主要的原因在于：齿轮减速机中最重要的部件是一齿轮传动系统，再可具体到齿轮对的啮合，而目前我们对齿轮啮合的理论还没有完全成熟，要考虑到各个因素的影响，并且还是在不断地研究发展。对于旧的减速机类型，急需更新换代、提高产品质量和提高技术水平。当前，这就对技术、产品的结构阳使用性能、制造质量、安全可靠性等提出了更高的要求，以满足我国工业发展的需求。由于在齿轮啮合系统里要考虑越来越多的影响参数，使得手工计算变得不切实际，引入CAD技术是科技发展的必然产物。将CAD技术应用与减速机齿轮系统的设计，将大大提高产品设计的科学性，减少产品的原材料的成本消耗，大大缩短产品的设计周期。与发达国家相比，我国机械工业应用CAD技术仍不普及，技术上也比较落后，在减速机行业，全面、深层次地应用CAD技长尚无先例。减速机的设计工作长期处于繁重、低效的状态，设计计算、图纸会制等繁琐重复的工作主要由设计人员手工完成，产品设计精度低，开发周期长，严重制约了新产品的时效性和市场竞争力。而应用CAD技术，特别是对齿轮系统的设计，能将设计人员从繁重的重复劳动中解放出来，把更多的精力用于创造性工作。CAD技术对于提高产品设计能力、改造产品质量、增强产品的市场竞争力等具有重要意义。在减速机的设计开发中引入CAD技术：为设计人员提供实用、完善的计算机辅助设计环境，改进现有的产品设计模式，增强新产品的开发能力和技术水平，缩短产品生产周期，降低开发成本，提高减速机的国际市场竞争力。

1.2  论文背景及意义

国内外广为流传的AutoCAD软件，其主要特点是交互式绘图。用AutoCAD软件进行交互式绘图发展到用AUTOLISP或ADS技术进行二次开发，并实现参数化CAD技术，有效地提高了CAD的效率。然而，这些CAD系统的完整性、灵活性、智能化还很不够，仍存在下列不足：

●难以描述产品图形的整体结构的组成信息：通常一个产品实体是由几个部分共同组成，在CAD的图形中，虽然能够通过不同的图形剖面线的特性去区分不同材料组成，但由于图形剖面线，不仅无法区分相同材料的产品图形结构组成，如一般零件图形的结构组成；而且即使是对不同材料组成的产品图形，图形剖面线也不可能全部标明，因为图形剖面线是针对图形信息的理解而不是针对图形结构组成的理解。总的说，是忽略了产品图形信息中的结构组成信息。

●难以有效表达图形信息的记忆：对于设计人员来说，重复绘制一些结构相似或相近的图形，是一种工作效率低下的工作。仔细研究每一张图纸会发现，尽管每个零件的零件图与零件图之间是千差万别，但不同的零件都存在许多相同或相似的结构。在AutoCAD提供一个“块(block)”和“组（group)”的功能，对部分图形信息进行记忆，但是无论是“块”还是“组”，他只能处理图形相似，而且也没有参数化的功能。从提高绘图效率的角度来说，我们应该充分利用已有的图形单元信息的参数化信息。

●无法有效地将产品工程信息确良与图形生成有机结合起来。大部分CAD系统都是作为绘图工具使用，难以在工程信息管理方面发挥作用，而对工程信息以及工程信息和图纸信息间对应关系的有效管理，能够便于检索工程信息以及相关图纸信息；能够便于信息的重复利用，减少不必要的重新图纸设计以及对设计过程中的控制。

●智能化程度不够：首先，AutoCAD系统对图形的理解上仅限于是线、圆、圆弧等简单几何单元结构的集合。其次，图形单元的信息功能单一，无法实现参数化功能；对于参数化CAD系统，是对若干参考图形单元进行参数化，而对图形的理解实质仍然是线、圆、圆弧的集合体。没有把图形有效地分解开，从一个复杂图形是由若干个较简单的图形进行逻辑迭加而成，更没有对分解后图形一较简单的图形单元进行智能化处理。

“减速机计算机辅助设计、绘图及图纸管理系统”是浙江大学工程及计算机图形学研究所的MCADD (Mechanical product Computer Aided Design and Drawing Systems）系统在浙江长城减速机有限公司的具体应用，取得了一些进展：

(l）提出了以图形作为设计信息载体的图形单元概念，初步探索了机械产品设计中图形置换与迭代的原理：在设计过程表示方面，提出了产品信息的抽象化和符号化概念以及递归化产品信息集成建模思想；在产品初期设计阶段的模型表示方面，提出了功能原理图、广义机构图、特征形状和装配简图等概念模型，实现了产品装配信息的概念建模。

(2）以实现产品结构自组织设计为目的，对基于函数形式的知识表达和约束规则的框架表示进行了深入的探索，提出了基于关联度约束规则的产品结构自组织建模算法。

(3）根据产品结构的相似性，归纳和提取出具有代表性的一系列典型图形单元，在进行分类、编码的基础上，系统地研究了面向产品信息建模的图形单元自组织理论和方法。

通过对不同零件在图形上的局部相似性的研究，根据企业图纸的特点，建立了常用的智能图形单元，智能图形单元在表现形式上也是一个实体集合，但它能够根据环境的不同，依据内在的拓扑属性，进行自组织和自适应。把图纸的现由绘图发展为拼图，这将大大提高对图纸的整体结构中各组成部分的理解，同时大大提高绘图的效率。

经过实际应用表明，减速机计算机辅助设计、绘图及图纸管理系统，功能齐全、性能可靠，使用方便，用户界面良好，为技术人员提供完善、实用的减速机设计与绘图工具。使用该系统进行产品设计，零件设计与绘图工效提高3至5倍，装配设计速度提高10倍以上，系统产生的图纸标准化程度高，完全符合企业规范和生产要求。大大提高了产品开发能力和设计水平，不仅改变了传统的机械设计方式，而且增强了设计过程的科学性和严密性，对显著提高产品的设计质量、缩短产品开发周期、降低生产成本和提高产品开发的成功率，起到了巨大的推动作用。

1.3  系统框架

减速机计算机辅助设计、绘图及图纸管理系统主要包括MCADDS子系统和齿轮传动系统的设计系统和信息管理系统三部分（见图1-1)，其中MCADDS子系统实现高效绘图；齿轮传动系统的设计系统快速精确的实现产品设计；而信息管理系统将提高企业的信息管理与控制，提高资源利用率。

1.4  本文研究的主要内容

本文结合MCADDS系统针对减速机产品进行了进一步研究开发，主要有以下几方面的内容：

(l）系列化产品CAD系统

为了提高工作效率、管理效率、节约人力资源以及减小冗员，各企业纷纷引入了CAD系统和MIS管理系统，用CAD系统去提高设计的效率和设计的科学性；用管理系统去提高管理的效率和管理的科学性。然而，即使引入了上述二个系统，由于管理系统和设计系统的分离，还是有不足之处的。而系列化产品CAD系统，就是对产品管理系统和设计系统的结合。

围绕着系列化产品CAD系统的三大结构：设计计算模块、图纸绘制模块和信息管理模块，介绍了系列化产品CAD系统对中小型企业中存在问题的解决方案以及系统的原形、特点和企业的应用价值。

(2）齿轮啮合（一级齿轮传动系统）的设计与校核

齿轮啮合的设计与校核是个公认的国际难题，最大的困难是难以有效的分析在齿轮啮合过程中的受力变化及其受加工条件的影响而导致影响系数的变化。根据我国技术标准的政策和20年来行业中理论分析、试验验证及工程实践，本标准等效采用国际标准化组织IS06336-1996“（渐开线）圆柱齿轮和斜齿轮承载能力计算”，用以代替1983年发布的GB3480-83国家标准。

该新标准把可靠性和安全系数结合科学的起来，利用综合系数，将直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮统一起来，从节点和单对齿啮合区内界点的接触应力、载荷作用侧的齿廓根部的最大拉应力、齿轮静强度三个方面对齿轮啮合的强度进行设计校核。

应用该系统对齿轮进行设计，充分运用了计算机对一些繁琐的数字计算功能和迭代功能，将大大缩短设计周期，减小设计过程中的人为错误因素，而且可以提高设计的标准化程度，主要应用于一级齿轮啮合传动的啮合设计校核与任意齿轮对的啮合校核工作。

(3）多级齿轮传动系统的设计校核与优化

方案设计，主要指功能结构和工作原理方案设计，也包括考虑主功能载体的初步结构构思及总体主参数的选择计算。

减速机的方案设计就是根据客户的需求，如电机转速、输出转速、额定功率等等，选出某个具体型号的减速机。主要包括：一、确定减速机的类型，是齿沦减速机、圆柱蜗杆减速机或其他类型的减速机；是立式还是卧式。二、确定减速机的传动类型，有一级齿轮传动、二级齿轮传动、三级齿轮传动以及蜗轮蜗杆或行星齿轮传动等等。

由于减速机要减速的范围一般很大（50-5000)，对于大的减速比，考虑到如果一味采用一级传动，将使齿轮变的巨大而不切实际；故对于大的减速比，减速机的减速系统采用多级减速，如二级减速、三级减速等，或行星减速。

多级齿轮传动系统的设计比一级齿轮传动系统要复杂的多，他要求合适分配各个分减速系统的的减速比。首先，各个分减速系统的危险应力（综合弯曲应力、接触应力和静应力）相差不大，也就是各个分减速系统的寿命相差无几；其次，尽量减小总的传动系统的尺寸；再次，还要考虑到与减速系统配套的系列化的机架特征参数。

(4）智能图元的研究

为了有效地利用这些相同或相似的图形单元，我们提出拼图法绘图：在装配图中，一个机器由若干个零件图组装而成；而在零件图中，一个零件可看作是由若干图形单元组成，如：一个零件外型图形单元和若干个零件内腔图形单元（包括开孔）组成。归纳来说，无论是装配图还是零件图，都是由若干图形单元拼成，而且不是简单的把图形放到一起，还存在图形单元的变化。例如：由零件图拼成装配图中，需要有部分零件图的打断、消隐等工作：由零件外型图形单元和内腔图形单元组成零件图时，更要涉及到图形图形之间的打断、消隐、圆角化等等。这就决定了图形单元应具有部分智能化，命名为智能图元，它与普通的图形单元最大的不同在于：智能图元可以在不同的环境下自动改变。

从面向对象的角度来说，普通图形单元，即实体集，仅仅是智能图形单元的一个属性，是智能图形单元的表现形式，但他更具有其他的属性、描述其拓扑关系的函数、描述自适应环境的函数与方法。并且，为提高效率，智能图形单元具有面向对象中的继承性，对已有图形信息具有一定的记忆能力。

(5）企业工程信息的管理

库存-设计控制：随着企业的不断发展，人们越来越发现，仓库库存的种类变的越来越多，而资金消耗也越来越大，而很多种类的零件根本没有必要购买，完全可以用其他类型的零件进行代替。对库存一设计控制主要是对设计人员在零件选型过程中，控制设计人员优先选用常用零件，其次才是非常用零件，减小积压资金和零件库存量。

项目-图纸管理：企业中有二大基本问题，一是企业信息的生成，二是企业信息的管理。对于设计型企业，众多复杂的工程信息和工程产品需要有效的管理。本模块主要是描述工程和工程中的图纸的一对多、多对一的的对应关系，便于图纸信息的管理、检索和重要利用。

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