第一章  緒  論

【本章摘要】本章首先分析了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的突出特點(diǎn)是產(chǎn)品信息的單元化和設(shè)計過程的歷史性，圖形設(shè)計的單元化及圖形信息的繼承是增強(qiáng)CAD系統(tǒng)設(shè)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(jì)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(dāng)前我國的制造業(yè)和世界上發(fā)達(dá)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(jì)實力，振興民族產(chǎn)業(yè)，必須加快和加強(qiáng)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(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)來提高產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低產(chǎn)品的成本成為當(dāng)前的潮流。CAD技術(shù)的介入，使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)汁方法發(fā)生了根本性的變革，為產(chǎn)品設(shè)計的變革提供了重要的手段。

產(chǎn)品設(shè)計實際上是設(shè)計概念與產(chǎn)品信息的逐步演進(jìn)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(shè)計歷史。不同設(shè)計階段之間溝模型轉(zhuǎn)化和信息繼承是設(shè)計歷史與過程演進(jìn)的本質(zhì)，產(chǎn)品設(shè)計的每個階段都是在上一階段設(shè)計結(jié)果的基礎(chǔ)上對設(shè)計信息的一次迭代。圖形是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的主要載體，產(chǎn)品設(shè)計過程的演進(jìn)與結(jié)構(gòu)圖形的生成與擴(kuò)展是一個并行的過程。所以，通過圖形的置換與迭代反映設(shè)計概念與設(shè)計過程的發(fā)展，將圖形設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計的歷史與過程有機(jī)結(jié)合起來，是增強(qiáng)CAD系統(tǒng)“設(shè)計”功能的關(guān)鍵。

產(chǎn)品設(shè)計過程現(xiàn)已被認(rèn)為是提高整個生產(chǎn)率的一個瓶頸問題，設(shè)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(shè)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(shè)計開發(fā)工作對企業(yè)十分重要。產(chǎn)品的設(shè)計可分為二部分：新產(chǎn)品的設(shè)計和變型設(shè)計。新產(chǎn)品的設(shè)計負(fù)責(zé)新產(chǎn)品的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)模塊的設(shè)計，這部分工作具有一定的創(chuàng)新性。變型設(shè)計的主要工作是在產(chǎn)品設(shè)計基型的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的具體要求選擇適當(dāng)?shù)南盗挟a(chǎn)品或組合產(chǎn)品，并確定各標(biāo)準(zhǔn)模塊的尺寸。在實際生產(chǎn)中，產(chǎn)品設(shè)計的過程往往是在參考已有設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薮味�得到的新設(shè)計，或者是進(jìn)行系列化設(shè)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(shè)計圖樣。因此，變型設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計中占有很大的比重，尤其是它很好地順應(yīng)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(yīng)用價值。

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

齒輪減速機(jī)是量大面廣的典型的機(jī)械產(chǎn)品，品種規(guī)格較多，應(yīng)用面廣。主要應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞。一般工業(yè)上來說，不可能直接利用電機(jī)的高轉(zhuǎn)速（1000-3000r/min),總是會用減速機(jī)對電機(jī)轉(zhuǎn)速降到合適的水平。而齒輪減速機(jī)是減速機(jī)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(jī)，未特定指定，均指齒輪減速機(jī)）。但我國減速機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)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(yīng)用與減速機(jī)齒輪系統(tǒng)的設(shè)計，將大大提高產(chǎn)品設(shè)計的科學(xué)性，減少產(chǎn)品的原材料的成本消耗，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。與發(fā)達(dá)國家相比，我國機(jī)械工業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)仍不普及，技術(shù)上也比較落后，在減速機(jī)行業(yè)，全面、深層次地應(yīng)用CAD技長尚無先例。減速機(jī)的設(shè)計工作長期處于繁重、低效的狀態(tài)，設(shè)計計算、圖紙會制等繁瑣重復(fù)的工作主要由設(shè)計人員手工完成，產(chǎn)品設(shè)計精度低，開發(fā)周期長，嚴(yán)重制約了新產(chǎn)品的時效性和市場競爭力。而應(yīng)用CAD技術(shù)，特別是對齒輪系統(tǒng)的設(shè)計，能將設(shè)計人員從繁重的重復(fù)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(shè)計能力、改造產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力等具有重要意義。在減速機(jī)的設(shè)計開發(fā)中引入CAD技術(shù)：為設(shè)計人員提供實用、完善的計算機(jī)輔助設(shè)計環(huán)境，改進(jìn)現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計模式，增強(qiáng)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(jī)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(diǎn)是交互式繪圖。用AutoCAD軟件進(jìn)行交互式繪圖發(fā)展到用AUTOLISP或ADS技術(shù)進(jìn)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(biāo)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(dá)圖形信息的記憶：對于設(shè)計人員來說，重復(fù)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(xì)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(jìn)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(yīng)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(jī)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(yīng)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(fù)利用，減少不必要的重新圖紙設(shè)計以及對設(shè)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(jìn)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(fù)雜圖形是由若干個較簡單的圖形進(jìn)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(jìn)行智能化處理。

“減速機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計、繪圖及圖紙管理系統(tǒng)”是浙江大學(xué)工程及計算機(jī)圖形學(xué)研究所的MCADD (Mechanical product Computer Aided Design and Drawing Systems）系統(tǒng)在浙江長城減速機(jī)有限公司的具體應(yīng)用，取得了一些進(jìn)展：

(l）提出了以圖形作為設(shè)計信息載體的圖形單元概念，初步探索了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中圖形置換與迭代的原理：在設(shè)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(shè)計階段的模型表示方面，提出了功能原理圖、廣義機(jī)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(shè)計為目的，對基于函數(shù)形式的知識表達(dá)和約束規(guī)則的框架表示進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，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?fù)鋵傩�，進(jìn)行自組織和自適應(yīng)。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(yīng)用表明，減速機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)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(jī)設(shè)計與繪圖工具。使用該系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，零件設(shè)計與繪圖工效提高3至5倍，裝配設(shè)計速度提高10倍以上，系統(tǒng)產(chǎn)生的圖紙標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計水平，不僅改變了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方式，而且增強(qiáng)了設(shè)計過程的科學(xué)性和嚴(yán)密性，對顯著提高產(chǎn)品的設(shè)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(jī)計算機(jī)輔助設(shè)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(shè)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(shè)計系統(tǒng)快速精確的實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)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(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了進(jìn)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(shè)計的效率和設(shè)計的科學(xué)性；用管理系統(tǒng)去提高管理的效率和管理的科學(xué)性。然而，即使引入了上述二個系統(tǒng)，由于管理系統(tǒng)和設(shè)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(shè)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(shè)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(diǎn)和企業(yè)的應(yīng)用價值。

(2）齒輪嚙合（一級齒輪傳動系統(tǒng)）的設(shè)計與校核

齒輪嚙合的設(shè)計與校核是個公認(rèn)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(dǎo)致影響系數(shù)的變化。根據(jù)我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)等效采用國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

該新標(biāo)準(zhǔn)把可靠性和安全系數(shù)結(jié)合科學(xué)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(diǎn)和單對齒嚙合區(qū)內(nèi)界點(diǎn)的接觸應(yīng)力、載荷作用側(cè)的齒廓根部的最大拉應(yīng)力、齒輪靜強(qiáng)度三個方面對齒輪嚙合的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計校核。

應(yīng)用該系統(tǒng)對齒輪進(jìn)行設(shè)計，充分運(yùn)用了計算機(jī)對一些繁瑣的數(shù)字計算功能和迭代功能，將大大縮短設(shè)計周期，減小設(shè)計過程中的人為錯誤因素，而且可以提高設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化程度，主要應(yīng)用于一級齒輪嚙合傳動的嚙合設(shè)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(shè)計校核與優(yōu)化

方案設(shè)計，主要指功能結(jié)構(gòu)和工作原理方案設(shè)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(jī)的方案設(shè)計就是根據(jù)客戶的需求，如電機(jī)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(jī)。主要包括：一、確定減速機(jī)的類型，是齒淪減速機(jī)、圓柱蝸桿減速機(jī)或其他類型的減速機(jī)；是立式還是臥式。二、確定減速機(jī)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(jī)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(jī)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(shè)計比一級齒輪傳動系統(tǒng)要復(fù)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(yīng)力（綜合彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力和靜應(yīng)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(jī)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(jī)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(yīng)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?fù)潢P(guān)系的函數(shù)、描述自適應(yīng)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(shè)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(jìn)行代替。對庫存一設(shè)計控制主要是對設(shè)計人員在零件選型過程中，控制設(shè)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(shè)計型企業(yè)，眾多復(fù)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(yīng)關(guān)系，便于圖紙信息的管理、檢索和重要利用。

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