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{dy}章 引言

    计算机辅助设计简称CAD，是英文Computer Aided Design的缩写。它是指工程技术人员以计算机为工具进行设计的全过程：包括资料检索、方案构思、计算分析、工程绘图和编制技术文件等，是随着计算机、外围设备及其软件的发展而形成的一种综合性高新技术。 CAD技术的应用目前已经从传统的二维绘图逐步向三维设计过渡。从实现制造业信息化的角度来说，产品的三维模型可以更完整地定义和描述设计及制造信息。在产品设计和开发过程中，零部件的标准化、通用化和系列化是提高产品设计质量、缩短产品开发周期的有效途径，而基于三维CAD系统的参

数化设计与二维绘图相比更能够满足制造信息化的要求。在这种趋势下，面向对象（Object-oriented）做为软件系统设计与实现的一种新方法，由于其思维方法的巨大优势已使得它在其它的各个领域也产生了越来越广泛的影响。 
    面向对象方法是一种围绕现实世界概念来建造对象模型的全新的表示现实物体，解决问题的方法。它的可扩充性和可重用性极大的提高了系统的开发速度，它通过对设计参数的封装与隐藏，设计与实现分离来控制软件的复杂性和可维护性。
    面向对象方法学的中心是围绕着对象、类、消息、继承性、多态性和动态联编等概念、机制和原理展开的。其中，对象、类是这一方法的核心，消息是连接它们的纽带，继承性是这一方法的独特贡献，而多态性和动态编联使这一方法更加xx。
    面向对象的方法学认为：客观世界是由各种“对象”所组成，任何事物都是对象，每个对象都有自己的运行规律和内部状态。通过类比，具有相同特征和功能的对象形成类（归纳），每个对象都属于某个“对象类”，都是该对象类的一个实例。不同对象的组合及相互作用就构成了我们要研究、分析和构造的客观系统。对象类之间可以通过继承关系构成类的层次结构，“子类”可以直接继承“父类”的性质和功能（演绎）。而对象之间通过消息相互作用，消息就是通知对象去完成一个允许作用于该对象的操作，该对象将如何完成这个操作的细节被封装在类的定义中，对外界是隐蔽的。
    面向对象的分析就是用面向对象的思想来研究问题，并按现实世界的本来面目构造出一个反映问题本质的模型，该模型说明了系统必须做什么，而不是如何做，即做的细节。面向对象的设计就是构造一个问题求解的模型。由于分析模型是用面向对象的方法建立的，它与软件解的结构相似，因此，面向对象的设计是对分析模型的加细（描述对象及其关系是怎样的），以及构造实现中所涉及对象的过程。 
    面向对象的方法提供了比结构化方法更自然、更合理的概念及技术，而且，它的抽象性、封装性、继承性、多态性等都比结构化方法更为优越，从而使其成为一种更有力的工具和方法

第二章 方案基本思想

2.1参数化基本思想

2.1.1设计变量方法

利用设计变量表现三维模型的参数化设计。三维CAD系统通常具有强大的造型功能，在UG系统中，可以通过特征构建三维模型，并自动生成设计变量表。用户通过设计变量表中的数据进行修改，以设计变量作为三维模型的参数，从而实现零部件的三维参数化设计。优点：简单使用，缺点：操作复杂，设计效率不高。

2.1.2程序设计法

利用编程技术实现三维模型的参数化设计。利用三维CAD系统本身提供的开发环境应用程序接口，用编程方法生成三维模型的参数化设计。在UG环境下，可以用系统提供的UG/OPEN 、API 二次开发工具和C语言实现参数化设计。其优点是三维模型xx实现了程序驱动，不足之处是编程工作量大、开发效率低。

2.1.3程序表达式法

利用设计变量与编程技术相结合的方式实现三维模型的参数化设计。综合前2种策略的优点，可采用设计变量与编程技术相结合的三维模型参数化设计方法。其实现原理是以三维参数化特征造型技术生成的模型为基础，用设计变量作为参数化程序与三维模型的联系为基础，用设计变量作为参数化程序三维模型的联系纽带。这种较理想的参数化设计方法可称之为程序控制表达式法，它将UG的Expression命令和程序设计方法很好的结合在一起，用尽量少的变量控制参数，实现了快速、准确的图形设计；但由于这种方法是在系统运动过程中动态生成零件的，因此系统运行速

2.2自动装配思想

装配的实质就是零件按一定的约束关系组合定位在一起，形成一个有效的系统。所以装配的关键就是零件的约束。自动装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调自动装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程.  自动装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

2.2.1装配方法

1)自顶向下装配

自顶向下装配是从产品功能要求出发，选用一系列的零件去实现产品的功能；先设计出初步方案及其结构草图，建立约束驱动的产品模型；通过设计计算，确定每个设计参数，然后进行零件的详细设计，通过几何约束求解将零件装配成产品；对设计方案分析之后，返回修改不满意之处，直到的得到满足功能要求的产品。它的这一特点为在装配层次上进行产品建模，为产品设计从概念设计到零、部件详细设计以及产品的并行设计提供了坚实的基础。

2)自底向上装配

自底向上装配是先设计好各个零件，然后将这些零件拿到一起进行装配，这种设计过程是从零件设计到总体装配设计，即不支持产品从概念设计到详细设计，其装配则是通过坐标变换将已经设计好的零件拼凑到一起的过程。零、部件之间仍然没有必要的内在联系和约束，产品的设计意图、功能要求等信息都得不到必要的描述。

2.2.2装配原理

  装配实现的最基本原理就是约束，在UGNX中，关于装配的约束可以分以下几类：

1)装配约束

装配约束从总体上体现了产品的功能，而且约束下层零件的结构设计。通过对UGII中实际装配体设计的考察，可以将其概括成3类基本的约束，并以其中的“贴合”最为常用

(1) 贴合

贴合用于在两组件的表面间建立贴合约束。对于平面型表面，其配对结果是共面且法向相反；对于锥型表面，如果两个表面的锥半角相等，贴合结果是它们重合；对于环型表面，如果两个表面的内外直径相等，贴合结果是它们重合。

(2) 对准

对准用于在两组件的表面之间、边之间或点之间建立对准约束。面对准约束使两个表面相邻，且所选面的法向保持一致。对于平面型对象，面对准结果是共面并相邻，面的法向一致；对于轴对称对象，面对准结果是轴重合（不要求所选择表面的半径相等）；边对准结果使两组件的两条边重合在同一直线上；点对准结果使两组件上的两个点重合。

(3) 方向

方向用于在两组件的表面或边之间建立方向约束。它根据已有的贴合或对准约束所给定的旋转轴，通过给出两组件的方向矢量和角度旋转组件，确定两组件间的方向关系。对于平面型对象，系统通过投影所选面的法向到垂直于旋转轴的面上作为该组件的方向矢量；对于轴对称对象，系统通过从旋转轴到所选取面的旋转轴画出一个方向矢量作为该组件的方向矢量；对于边对象，系统从旋转轴到所选择的边画出一个方向矢量。

（4）关于欠约束和过约束

通常欠约束不会出现问题，但当某个组件被修改或者替换后，有时会导致组件位置发生改变，因此应尽量使所有组件处于xx约束状态；有时为了确定组件间的装配关系，对于没有自由度的“被配对”组件仍需要添加约束。

装配约束相对于“固定”位置的组件放置“被配对”件，并建立相互间位置约束。编辑和移动“固定”组件时，“被配对”组件将根据装配约束进行移动；可以通过编辑约束来改变“被配对”组件的位置；通过移动装配内的“固定”组件检查装配件的约束是否xx。

2)表达式约束

部件间表达式用于在不同组件的特征间建立尺寸约束，有重载表达式和引用表达式两种。重载表达式建立装配中组件之间的约束；引用表达式在组件用于引用装配文件中或其它组件中的表达式。这样，装配件或组件中参数值的改变影响其它组件模型的更新。

3) WAVE技术

参数化造型使同一零件的特征间相关成为可能，WAVE技术则将这个概念延伸到在不同组件间，把设计更改贯穿到整个产品的设计过程中，适用于已积累了丰富经验的产品设计。通过将设计知识表达为产品的控制结构，用关键设计参数影响产品的控制结构，最终实现控制模型和装配的更改。

第三章 方案工具

Unigraphics(简称UG)在CAD/CAM上表现出了强大的功能,但UG为通用支撑软件系统,仅具有CAD/CAM的基本功能,没有提供专用产品所需要的完整计算机辅助设计/制造功能.由于机械产品的千变万化,需要针对具体对象在选用的CAM软件平台上进行二次开发,来设计出界面友好、功能强大和使用方便的专用产品的CAD/CAM系统.常用 UG/OPEN UIStyler、UG/OPEN GRIP和UG/OPEN API进二次开发。

UG/Open二次开发模块为UG软件的二次开发工具集，便于用户进行二次开发工作，利用该模块可对UG系统进行用户化剪裁和开发，满足用户的开发需求。UG/Open包括以下几个部分：UG/Open Menuscript开发工具，对UG软件操作界面进行用户化开发，无须编程即可对UG标准菜单进行添加、重组、剪裁或在UG软件中集成用户自己开发的软件功能；UG/Open UIStyle开发工具是一个可视化编辑器，用于创建类似UG的交互界面，利用该工具，用户可为UG/Open应用程序开发独立于硬件平台的交互界面；UG/Open API开发工具，提供UG软件直接编程接口，支持C、C++、Fortran和Java等主要高级语言；UG/Open GRIP开发工具是一个类似APT的UG内部开发语言，利用该工具用户可生成NC自动化或自动建模等用户的特殊应用.

3.1 UG/OPEN  MenuScript

   用这一工具可以实现用户化的菜单。UG/OPEN  MenuScript支持UG主菜单和快速弹出式菜单的设计和修改，通过它可以改变UG菜单的布局。添加新的菜单项以执行用户GRIP、API二次开发程序、User Tools文件及操作系统命令等。应用UG/OPEN  MenuScript编程有两种方法可以实现菜单用户化：

    a）、添加菜单文件 开发人员添加菜单文件到相应的菜单目录下，这些菜单文件是经过用户编辑的，符合自己要求的菜单文件。这是一种比较好的方法、

    b）编辑标准菜单文件  开发者编辑存在的标准菜单文件。这种办法就会改变UG原来的界面，不能恢复。开发者可以通过文本编辑器，例如记事本编辑UG菜单文件。UG/Open API提供UG/Open API程序与UG/OPEN  MenuScript

程序的接口函数。

 3.2 UG/OPEN UIStyler

UIStyler是开发UG对话框的可视化工具,生成的对话框能与UG集成,让用户更方便、xxx地与UG进行交互操作。利用这个工具可以避免复杂的图形用户接口GUI的编程,直接将对话框中的基本控件组合生成功能不同的对话框。

开发人员进入UG,点击Aplication→UserInterfaceStyler就可以进入对话框设计的界面。该界面包括一个工具条和三个窗口:对象浏览窗口、资源编辑器窗口以及设计对话框窗口。应用工具条能够快速点击图标,在设计对话框上添加删除控件,进行对话框界面的设计;对象浏览器窗口显示对话框上所有控件的信息,选中某一控件即可在资源编辑器窗口中进行相应的操作;资源编辑器窗口用于设置修改控件的属性、消息等操作;设计对话框窗口用来显示对话框的界面。

当界面设计完成后,保存UIStyler编写的对话框时生成3个文件: *.dlg、*_template.c及 *.h文件。其中, *.dlg是保存对话框图形界面的文件; .h文件是

UIStyler对话框C语言的头文件,包括对话框及其控件的标识符和函数原型的申明;*_template.c是UIStyler对话框C语言的模板文件,包括各种定义和命令。用户的

主要工作是修改 *_template.c模板文件并在其中添加用户代码,以确定UIStyler对话框被调用的形式及其所能实现的功能。对模板文件的修改工作可在VC中完成,然后和 .h编译连接生成 .DLL文件。

应用UIStyler这一工具可以使开发人员方便、快速地设计出与UG界面风格一致的对话框,避免其他复杂的编程。而且可以和用其他开发工具开发出的结果进行集成。UG/Open UIStyler工具和UG/Open Menu Script工具一样,都只具有某一方面的功能:UG/Open UIStyler用于对话框的开发, UG/Open Menu Script用于菜单的开发。

 3.3 UG/OPEN GRIP

GRIP(Graphics Interactive Programming)是一种专用的图形交互编程语言,开发者可以用GRIP编程的方法自动实现在UG下进行的绝大部分操作.GRIP命令很像英语单词,语法与BASIC和FORTRAN相似,有某些情况下对于一些高级操作,用GRIP编程的方法比用UG交互的方法更有效,在UG交互环境下可以实现的功能用GRIP几乎全都可以实现.UG提供了一个名叫UG/Open GRIP的GRIP语言编辑器,用这个工具可以编辑、修改、编译、连接程序.GRIP语言与一般的通用语言一样,有其自身的语法结构,程序结构,内部函数,以及与其他通用语言程序相互调用的接口。一个GRIP语句是由一个或几个GRIP命令组成,GRIP命令是GRIP语言的基本组成部分。GRIP命令有三种表示格式:A)陈述格式。主要用于生成和编辑实体。ｂ)GPA符号格式。GPA是全局参数存取(Global Parameter Access)的缩写,用于访问UG系统中各种对象的状态和参数。ｃ)EDA符号格式。EDA是实体数据存取(Entity Data Access)的缩写,用于访问UG数据库,能够访问各种对象的功能性数据。例如在属性、绘图和尺寸标注以及几何体等领域与UG进行交互操作时,其参数可用EDA格式的命令取得。

GRIP编程语言是面向工程师的语言,具有简单、易学、易用的特点,但是所编写的程序长、复杂,要考虑程序的各个细节问题。因此,GRIP语言常用于开发一些规模比较小的程序。

 3.4 UG/OPEN API

UG/Open API又称User Function,是一个允许程序访问并改变UG对象模型的程序集。UG/OpenAPI封装了近2000个UG操作的函数, 通过它可以在C程序和C++程序中以库函数的形式调用UG内部的近2000个操作，它可以对UG的图形终端、文件管理系统和数据库进行操作,几乎所有能在UG界面上的操作都可以用UG/Open API函数实现。

UG/Open API程序根据编译连接的情况可以运行在两种不同的环境中,Internal与External. External类型以.exe方式可以直接在操作系统下运行,独立于ＵＧ系统,该类型无法显示图形与用户交互,但可以打印和生成计算机图形元文件(CGM);Internal类型只能运行在UG环境下.该程序以 .dll (动态链接库)的方式被调到UG的进程空间中,一旦调进便常驻内存,该类型与External类型相比他的优点是可以连接的更快且程序更小并能与用户交互. Internal类型程序的运行可以从UG图形界面里来调用,另外可以从UG/Open Menu Script、User Exits、User Tools和UG/Open GRIP里调用.

UG/Open API程序使用的是C或C++编程语言。基于Windows NT操作系统的UG软

件的开发可以在VC++6 0环境下进行。在VC环境中建立一个UG的二次开发工程有两种方法。其一是利用UG/Open AppWizard这个向导来建立基本的框架:其二是在VC中手工

建立一个UG/Open API的工程。{dy}种方法开发人员只要按照向导一步一步执行下去就可以完成这个工程的基本框架。相对于{dy}种方法,第二种方法就烦琐得多,它必须在VC中人为配置工程的各种设置,才能建立起UG软件和VC的连接。所以{zh0}使用UG/OpenAppWizard来建立二次开发工程。

UG/Open API程序的运行可以在这几种环境下运行:ａ)VC环境。在这种环境下内部、外部程序均可以执行。ｂ)UG界面。这种环境只能执行内部程序。程序的执行是程序通过VC++编译连接后,产生一个 DLL文件,然后进入UG,执行这个 DLL文件。ｃ)UG/OpenGRIP程序。这是通过GRIP程序来调用UG/Open API程序。由于编程是在VC中进行,所以可以充分发挥VC的强大功能和丰富的编程资源,也可以利用企业原有的Ｃ语言代码资源,将其集成到UG中。用UG/Open API函数进行二次开发的优点是该工具功能比较强大,能够实现UG的绝大部分操作,易于进行交互操作。由于是调用UG封装的API函数,程序的出错率比较低;缺点是掌握UG/Open API函数的运用比较困难,特别要注意参数的类型和传递形式。

3.5 二次开发工具之间的相互联系

UG软件为用户提供二次开发工具不但可以独立使用，而且可以相互调用其它工具开发的结果，这就大大扩展了工具本身具有的功能，方便用户进行二次开发。它们之间的关系如下图的所示：Menu Script 所开发的菜单可以与User Tools 开发的对话框相互调用；Menu Script 所开发的菜单与User Tools 开发对话框可以调用UI Style开发的对话框；MenuScript 、User Tools和UI Style 开发的对话框均可以调用GRIP 程序和API程序。GRIP程序和API程序之间也可以相互调用。另外，使用UG二次开发工具必须要设置相应的环境变量，这样系统才能找到这些开发文件，执行相应的程序。

第四章CAD系统总体设计方案

开发主轴箱CAD系统的方案有两种，一是从底层、从机械CAD的基本功能做起，二是利用现有的CAD/CAM软件开发平台。从底层开发，系统开发的工作量过于庞大，仅投入少量的人力物力难以完成，所以我们在开发主轴箱CAD系统时采用的方法是利用现有CAD软件-UGNX作为支撑软件进行二次开发。

4.1开发设计方案

4.1.1软件开发原则

1)友好的用户界面

开发友好的用户界面，可使用户不必去了解许多关于计算机硬件和软件方面的知识，只需按屏幕提示便方便地实现人与计算机之间的信息交换，完成产品设计。

一个友好的界面应满足这几个方面的要求：使用方便；记忆最少；较短的响应时间；灵活的提示信息；良好的工作方式；良好的出错处理。

2)遵循软件工程的方法组织应用软件的开发

根据软件工程学的原理，将软件生存周期划分为软件定义、软件开发和软件维护。

在软件定义阶段，应该提出关于问题的性质、工程的总目标和规模的书面报告，并经用户和使用部门负责人讨论通过。准确地确定工程规模和目标，准确地估计系统的成本和效益，估计完成该项目所需要的资源，并且制定工程进度表。再通过与用户的充分交流，以得到经过用户确认的系统逻辑模型，导出实现工程目标应该采用的策略及系统必须完成的功能。在软件开发阶段，通过一般设计、详细设计、编程的单元测试、综合测试。从而实现具体设计。软件维护阶段，通过各种必要的维护活动，使软件持久地满足用户的需要。

4.1.2零件参数化实现方案

考虑到目前本人的时间以及能力问题，决定利用设计变量表现三维模型的参数化设计。三维CAD系统通常具有强大的造型功能，在UG系统中，可以通过特征构建三维模型，并自动生成设计变量表。用户通过设计变量表中的数据进行修改，以设计变量作为三维模型的参数，从而实现零部件的三维参数化设计。

4.1.3主轴箱装配系统方案

混合装配则是把自顶向下装配方和自底向上装配结合在一起使用。实际应用时，常采用混合装配的方法，例如我们可以首先工作在自底向上的装配模式，然后随着设计工作的进行，转入自顶向下的装配模式，根据要求在两种模式下来回转换。所以我们在进行主轴箱系统的开发的时候使用混合装配的方法。

在零件装配过程中，要进行约束。在实际应用中，装配约束的配合类型有贴合、对准、角度、平行、正交、对中等多种类型，用于装配约束的对象类型有面、边、基准面、基准轴、点、线、曲线、坐标系等多种形式。为了便于数据描述，可将组件间的装配关系做了适当的简化，即把零件间的装配约束关系简化为两组件间三个基准面的贴合或对准的装配约束类系。

简化组件装配约束关系后，将主动组件的部件名、组件名与对象名，从动组件的部件名、组件名与对象名，以及装配约束类型等信息保存在ODBC数据库中。在系统加载部件时，可根据数据库中的装配信息，实现组件的自动装配。  

4.2方案开发实现步骤

4.2.1系统主要功能模块的明确