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第一章  緒  論

【本章摘要】本章首先分析了機械產(chǎn)品設計的突出特點是產(chǎn)品信息的單元化和設計過程的歷史性，圖形設計的單元化及圖形信息的繼承是增強CAD系統(tǒng)設計功能的重要途徑。然后討論了本課題的研究背景、內(nèi)容和意義，最后介紹了本文的主要內(nèi)容。

1.1  引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它從某種程度上反映了一個國家的綜合國力。當前我國的制造業(yè)和世界上發(fā)達國家相比，技術(shù)上還比較落后。為了提高自己的國民經(jīng)濟實力，振興民族產(chǎn)業(yè)，必須加快和加強制造業(yè)的技術(shù)革新，提高產(chǎn)品的競爭力，參與國際競爭。

計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，采用計算機輔助設計（CAD）技術(shù)來提高產(chǎn)品的設計周期，降低產(chǎn)品的成本成為當前的潮流。CAD技術(shù)的介入，使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設汁方法發(fā)生了根本性的變革，為產(chǎn)品設計的變革提供了重要的手段。

產(chǎn)品設計實際上是設計概念與產(chǎn)品信息的逐步演進過程，從用戶需求開始直到完成全套技術(shù)文件的全過程構(gòu)成了一個產(chǎn)品的設計歷史。不同設計階段之間溝模型轉(zhuǎn)化和信息繼承是設計歷史與過程演進的本質(zhì)，產(chǎn)品設計的每個階段都是在上一階段設計結(jié)果的基礎(chǔ)上對設計信息的一次迭代。圖形是機械產(chǎn)品設計的主要載體，產(chǎn)品設計過程的演進與結(jié)構(gòu)圖形的生成與擴展是一個并行的過程。所以，通過圖形的置換與迭代反映設計概念與設計過程的發(fā)展，將圖形設計與產(chǎn)品設計的歷史與過程有機結(jié)合起來，是增強CAD系統(tǒng)“設計”功能的關(guān)鍵。

產(chǎn)品設計過程現(xiàn)已被認為是提高整個生產(chǎn)率的一個瓶頸問題，設計過程是一種關(guān)鍵的信息源，它對整個系統(tǒng)的生產(chǎn)率有極大的影響。產(chǎn)品的設計開發(fā)工作在生產(chǎn)中所占的成本只有5%，但對產(chǎn)品的總成本的影響卻占了60%，因此產(chǎn)品的設計開發(fā)工作對企業(yè)十分重要。產(chǎn)品的設計可分為二部分：新產(chǎn)品的設計和變型設計。新產(chǎn)品的設計負責新產(chǎn)品的設計和標準模塊的設計，這部分工作具有一定的創(chuàng)新性。變型設計的主要工作是在產(chǎn)品設計基型的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的具體要求選擇適當?shù)南盗挟a(chǎn)品或組合產(chǎn)品，并確定各標準模塊的尺寸。在實際生產(chǎn)中，產(chǎn)品設計的過程往往是在參考已有設計的基礎(chǔ)上，進行適當?shù)男薮味�得到的新設計，或者是進行系列化設計。在這種情況下，一般是修改原有產(chǎn)品的某些參數(shù)，而后生成符合新要求的設計圖樣。因此，變型設計在產(chǎn)品設計中占有很大的比重，尤其是它很好地順應了產(chǎn)品的“小批量，多品種”的生產(chǎn)、經(jīng)營策略，對于企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營具有很好的應用價值。

這項技術(shù)在國外已廣泛應用于機械、建筑和電子等行業(yè)，它的研究與應用水平是衡量一個國家科技進步的一個重要標志。在我國，也愈來愈引起各行業(yè)的極大關(guān)注。應用CAD技術(shù)能夠提高產(chǎn)品設計工作效率，縮短設計周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代；有利于產(chǎn)品標準化、系列化、通用化。CAD技術(shù)已定為我國“九五”期間重點推廣的高新技術(shù)。

齒輪減速機是量大面廣的典型的機械產(chǎn)品，品種規(guī)格較多，應用面廣。主要應用于化工、制藥、輕工、冶金、建材、紡織等工業(yè)各個部門中涉及到電機轉(zhuǎn)速的傳遞。一般工業(yè)上來說，不可能直接利用電機的高轉(zhuǎn)速（1000-3000r/min),總是會用減速機對電機轉(zhuǎn)速降到合適的水平。而齒輪減速機是減速機中最大的種類，約占95%以上，其工業(yè)需求量很大。（后面所述的減速機，未特定指定，均指齒輪減速機）。但我國減速機仍處于品種規(guī)格不全、性能落后、系列化水平低的狀態(tài)最主要的原因在于：齒輪減速機中最重要的部件是一齒輪傳動系統(tǒng)，再可具體到齒輪對的嚙合，而目前我們對齒輪嚙合的理論還沒有完全成熟，要考慮到各個因素的影響，并且還是在不斷地研究發(fā)展。對于舊的減速機類型，急需更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量和提高技術(shù)水平。當前，這就對技術(shù)、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)陽使用性能、制造質(zhì)量、安全可靠性等提出了更高的要求，以滿足我國工業(yè)發(fā)展的需求。由于在齒輪嚙合系統(tǒng)里要考慮越來越多的影響參數(shù)，使得手工計算變得不切實際，引入CAD技術(shù)是科技發(fā)展的必然產(chǎn)物。將CAD技術(shù)應用與減速機齒輪系統(tǒng)的設計，將大大提高產(chǎn)品設計的科學性，減少產(chǎn)品的原材料的成本消耗，大大縮短產(chǎn)品的設計周期。與發(fā)達國家相比，我國機械工業(yè)應用CAD技術(shù)仍不普及，技術(shù)上也比較落后，在減速機行業(yè)，全面、深層次地應用CAD技長尚無先例。減速機的設計工作長期處于繁重、低效的狀態(tài)，設計計算、圖紙會制等繁瑣重復的工作主要由設計人員手工完成，產(chǎn)品設計精度低，開發(fā)周期長，嚴重制約了新產(chǎn)品的時效性和市場競爭力。而應用CAD技術(shù)，特別是對齒輪系統(tǒng)的設計，能將設計人員從繁重的重復勞動中解放出來，把更多的精力用于創(chuàng)造性工作。CAD技術(shù)對于提高產(chǎn)品設計能力、改造產(chǎn)品質(zhì)量、增強產(chǎn)品的市場競爭力等具有重要意義。在減速機的設計開發(fā)中引入CAD技術(shù)：為設計人員提供實用、完善的計算機輔助設計環(huán)境，改進現(xiàn)有的產(chǎn)品設計模式，增強新產(chǎn)品的開發(fā)能力和技術(shù)水平，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低開發(fā)成本，提高減速機的國際市場競爭力。

1.2  論文背景及意義

國內(nèi)外廣為流傳的AutoCAD軟件，其主要特點是交互式繪圖。用AutoCAD軟件進行交互式繪圖發(fā)展到用AUTOLISP或ADS技術(shù)進行二次開發(fā)，并實現(xiàn)參數(shù)化CAD技術(shù)，有效地提高了CAD的效率。然而，這些CAD系統(tǒng)的完整性、靈活性、智能化還很不夠，仍存在下列不足：

●難以描述產(chǎn)品圖形的整體結(jié)構(gòu)的組成信息：通常一個產(chǎn)品實體是由幾個部分共同組成，在CAD的圖形中，雖然能夠通過不同的圖形剖面線的特性去區(qū)分不同材料組成，但由于圖形剖面線，不僅無法區(qū)分相同材料的產(chǎn)品圖形結(jié)構(gòu)組成，如一般零件圖形的結(jié)構(gòu)組成；而且即使是對不同材料組成的產(chǎn)品圖形，圖形剖面線也不可能全部標明，因為圖形剖面線是針對圖形信息的理解而不是針對圖形結(jié)構(gòu)組成的理解�？偟恼f，是忽略了產(chǎn)品圖形信息中的結(jié)構(gòu)組成信息。

●難以有效表達圖形信息的記憶：對于設計人員來說，重復繪制一些結(jié)構(gòu)相似或相近的圖形，是一種工作效率低下的工作。仔細研究每一張圖紙會發(fā)現(xiàn)，盡管每個零件的零件圖與零件圖之間是千差萬別，但不同的零件都存在許多相同或相似的結(jié)構(gòu)。在AutoCAD提供一個“塊(block)”和“組（group)”的功能，對部分圖形信息進行記憶，但是無論是“塊”還是“組”，他只能處理圖形相似，而且也沒有參數(shù)化的功能。從提高繪圖效率的角度來說，我們應該充分利用已有的圖形單元信息的參數(shù)化信息。

●無法有效地將產(chǎn)品工程信息確良與圖形生成有機結(jié)合起來。大部分CAD系統(tǒng)都是作為繪圖工具使用，難以在工程信息管理方面發(fā)揮作用，而對工程信息以及工程信息和圖紙信息間對應關(guān)系的有效管理，能夠便于檢索工程信息以及相關(guān)圖紙信息；能夠便于信息的重復利用，減少不必要的重新圖紙設計以及對設計過程中的控制。

●智能化程度不夠：首先，AutoCAD系統(tǒng)對圖形的理解上僅限于是線、圓、圓弧等簡單幾何單元結(jié)構(gòu)的集合。其次，圖形單元的信息功能單一，無法實現(xiàn)參數(shù)化功能；對于參數(shù)化CAD系統(tǒng)，是對若干參考圖形單元進行參數(shù)化，而對圖形的理解實質(zhì)仍然是線、圓、圓弧的集合體。沒有把圖形有效地分解開，從一個復雜圖形是由若干個較簡單的圖形進行邏輯迭加而成，更沒有對分解后圖形一較簡單的圖形單元進行智能化處理。

“減速機計算機輔助設計、繪圖及圖紙管理系統(tǒng)”是浙江大學工程及計算機圖形學研究所的MCADD (Mechanical product Computer Aided Design and Drawing Systems）系統(tǒng)在浙江長城減速機有限公司的具體應用，取得了一些進展：

(l）提出了以圖形作為設計信息載體的圖形單元概念，初步探索了機械產(chǎn)品設計中圖形置換與迭代的原理：在設計過程表示方面，提出了產(chǎn)品信息的抽象化和符號化概念以及遞歸化產(chǎn)品信息集成建模思想；在產(chǎn)品初期設計階段的模型表示方面，提出了功能原理圖、廣義機構(gòu)圖、特征形狀和裝配簡圖等概念模型，實現(xiàn)了產(chǎn)品裝配信息的概念建模。

(2）以實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自組織設計為目的，對基于函數(shù)形式的知識表達和約束規(guī)則的框架表示進行了深入的探索，提出了基于關(guān)聯(lián)度約束規(guī)則的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自組織建模算法。

(3）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的相似性，歸納和提取出具有代表性的一系列典型圖形單元，在進行分類、編碼的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了面向產(chǎn)品信息建模的圖形單元自組織理論和方法。

通過對不同零件在圖形上的局部相似性的研究，根據(jù)企業(yè)圖紙的特點，建立了常用的智能圖形單元，智能圖形單元在表現(xiàn)形式上也是一個實體集合，但它能夠根據(jù)環(huán)境的不同，依據(jù)內(nèi)在的拓撲屬性，進行自組織和自適應。把圖紙的現(xiàn)由繪圖發(fā)展為拼圖，這將大大提高對圖紙的整體結(jié)構(gòu)中各組成部分的理解，同時大大提高繪圖的效率。

經(jīng)過實際應用表明，減速機計算機輔助設計、繪圖及圖紙管理系統(tǒng)，功能齊全、性能可靠，使用方便，用戶界面良好，為技術(shù)人員提供完善、實用的減速機設計與繪圖工具。使用該系統(tǒng)進行產(chǎn)品設計，零件設計與繪圖工效提高3至5倍，裝配設計速度提高10倍以上，系統(tǒng)產(chǎn)生的圖紙標準化程度高，完全符合企業(yè)規(guī)范和生產(chǎn)要求。大大提高了產(chǎn)品開發(fā)能力和設計水平，不僅改變了傳統(tǒng)的機械設計方式，而且增強了設計過程的科學性和嚴密性，對顯著提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率，起到了巨大的推動作用。

1.3  系統(tǒng)框架

減速機計算機輔助設計、繪圖及圖紙管理系統(tǒng)主要包括MCADDS子系統(tǒng)和齒輪傳動系統(tǒng)的設計系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)三部分（見圖1-1)，其中MCADDS子系統(tǒng)實現(xiàn)高效繪圖；齒輪傳動系統(tǒng)的設計系統(tǒng)快速精確的實現(xiàn)產(chǎn)品設計；而信息管理系統(tǒng)將提高企業(yè)的信息管理與控制，提高資源利用率。

1.4  本文研究的主要內(nèi)容

本文結(jié)合MCADDS系統(tǒng)針對減速機產(chǎn)品進行了進一步研究開發(fā)，主要有以下幾方面的內(nèi)容：

(l）系列化產(chǎn)品CAD系統(tǒng)

為了提高工作效率、管理效率、節(jié)約人力資源以及減小冗員，各企業(yè)紛紛引入了CAD系統(tǒng)和MIS管理系統(tǒng)，用CAD系統(tǒng)去提高設計的效率和設計的科學性；用管理系統(tǒng)去提高管理的效率和管理的科學性。然而，即使引入了上述二個系統(tǒng)，由于管理系統(tǒng)和設計系統(tǒng)的分離，還是有不足之處的。而系列化產(chǎn)品CAD系統(tǒng)，就是對產(chǎn)品管理系統(tǒng)和設計系統(tǒng)的結(jié)合。

圍繞著系列化產(chǎn)品CAD系統(tǒng)的三大結(jié)構(gòu)：設計計算模塊、圖紙繪制模塊和信息管理模塊，介紹了系列化產(chǎn)品CAD系統(tǒng)對中小型企業(yè)中存在問題的解決方案以及系統(tǒng)的原形、特點和企業(yè)的應用價值。

(2）齒輪嚙合（一級齒輪傳動系統(tǒng)）的設計與校核

齒輪嚙合的設計與校核是個公認的國際難題，最大的困難是難以有效的分析在齒輪嚙合過程中的受力變化及其受加工條件的影響而導致影響系數(shù)的變化。根據(jù)我國技術(shù)標準的政策和20年來行業(yè)中理論分析、試驗驗證及工程實踐，本標準等效采用國際標準化組織IS06336-1996“（漸開線）圓柱齒輪和斜齒輪承載能力計算”，用以代替1983年發(fā)布的GB3480-83國家標準。

該新標準把可靠性和安全系數(shù)結(jié)合科學的起來，利用綜合系數(shù)，將直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪統(tǒng)一起來，從節(jié)點和單對齒嚙合區(qū)內(nèi)界點的接觸應力、載荷作用側(cè)的齒廓根部的最大拉應力、齒輪靜強度三個方面對齒輪嚙合的強度進行設計校核。

應用該系統(tǒng)對齒輪進行設計，充分運用了計算機對一些繁瑣的數(shù)字計算功能和迭代功能，將大大縮短設計周期，減小設計過程中的人為錯誤因素，而且可以提高設計的標準化程度，主要應用于一級齒輪嚙合傳動的嚙合設計校核與任意齒輪對的嚙合校核工作。

(3）多級齒輪傳動系統(tǒng)的設計校核與優(yōu)化

方案設計，主要指功能結(jié)構(gòu)和工作原理方案設計，也包括考慮主功能載體的初步結(jié)構(gòu)構(gòu)思及總體主參數(shù)的選擇計算。

減速機的方案設計就是根據(jù)客戶的需求，如電機轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速、額定功率等等，選出某個具體型號的減速機。主要包括：一、確定減速機的類型，是齒淪減速機、圓柱蝸桿減速機或其他類型的減速機；是立式還是臥式。二、確定減速機的傳動類型，有一級齒輪傳動、二級齒輪傳動、三級齒輪傳動以及蝸輪蝸桿或行星齒輪傳動等等。

由于減速機要減速的范圍一般很大（50-5000)，對于大的減速比，考慮到如果一味采用一級傳動，將使齒輪變的巨大而不切實際；故對于大的減速比，減速機的減速系統(tǒng)采用多級減速，如二級減速、三級減速等，或行星減速。

多級齒輪傳動系統(tǒng)的設計比一級齒輪傳動系統(tǒng)要復雜的多，他要求合適分配各個分減速系統(tǒng)的的減速比。首先，各個分減速系統(tǒng)的危險應力（綜合彎曲應力、接觸應力和靜應力）相差不大，也就是各個分減速系統(tǒng)的壽命相差無幾；其次，盡量減小總的傳動系統(tǒng)的尺寸；再次，還要考慮到與減速系統(tǒng)配套的系列化的機架特征參數(shù)。

(4）智能圖元的研究

為了有效地利用這些相同或相似的圖形單元，我們提出拼圖法繪圖：在裝配圖中，一個機器由若干個零件圖組裝而成；而在零件圖中，一個零件可看作是由若干圖形單元組成，如：一個零件外型圖形單元和若干個零件內(nèi)腔圖形單元（包括開孔）組成。歸納來說，無論是裝配圖還是零件圖，都是由若干圖形單元拼成，而且不是簡單的把圖形放到一起，還存在圖形單元的變化。例如：由零件圖拼成裝配圖中，需要有部分零件圖的打斷、消隱等工作：由零件外型圖形單元和內(nèi)腔圖形單元組成零件圖時，更要涉及到圖形圖形之間的打斷、消隱、圓角化等等。這就決定了圖形單元應具有部分智能化，命名為智能圖元，它與普通的圖形單元最大的不同在于：智能圖元可以在不同的環(huán)境下自動改變。

從面向?qū)ο蟮慕嵌葋碚f，普通圖形單元，即實體集，僅僅是智能圖形單元的一個屬性，是智能圖形單元的表現(xiàn)形式，但他更具有其他的屬性、描述其拓撲關(guān)系的函數(shù)、描述自適應環(huán)境的函數(shù)與方法。并且，為提高效率，智能圖形單元具有面向?qū)ο笾械睦^承性，對已有圖形信息具有一定的記憶能力。

(5）企業(yè)工程信息的管理

庫存-設計控制：隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，人們越來越發(fā)現(xiàn)，倉庫庫存的種類變的越來越多，而資金消耗也越來越大，而很多種類的零件根本沒有必要購買，完全可以用其他類型的零件進行代替。對庫存一設計控制主要是對設計人員在零件選型過程中，控制設計人員優(yōu)先選用常用零件，其次才是非常用零件，減小積壓資金和零件庫存量。

項目-圖紙管理：企業(yè)中有二大基本問題，一是企業(yè)信息的生成，二是企業(yè)信息的管理。對于設計型企業(yè)，眾多復雜的工程信息和工程產(chǎn)品需要有效的管理。本模塊主要是描述工程和工程中的圖紙的一對多、多對一的的對應關(guān)系，便于圖紙信息的管理、檢索和重要利用。

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