开题报告6

螺纹连接件三维标准件库开发

学生：张承之

指导老师：田启华 杜义贤 教学单位：机械与材料学院

课题概述：本课题基于Pro/Engineer软件平台，应用其二次开发工具Pro/TOOLKIT和VisualC++程序设计语言，设计、开发三维螺纹连接标准件库。该系统能通过选择螺纹连接标准件的类型、型号（螺栓、螺钉、螺柱、螺母、垫片等）以及相关尺寸，自动建立螺纹连接标准件库的三维模型。

1 课题来源

本课题来源于实际生产中的科研项目。面对庞大的科研项目，科研人员在将零部件产品的二维工程图利用Pro/E或UG等进行三维建模时，需要对各个零部件图样逐一建模。但是在这些零部件中，存在很多类似的或标准的，这就导致了不必要的重复工作，无形中增加了科研人员的工作强度，并浪费了许多宝贵的时间。而计算机辅助设计(CAD)方法充分发挥了人和计算机系统的优势，是一种人—机结合解决技术问题的现代方法。应用CAD技术，可以将各种现代的设计计算技术、计算机制图技术、人工智能技术、技术经济分析技术等有机的结合起来，极大地激发设计人员的创造力，缩短产品的设计周期，提高产品的设计质量。

2 研究的目的及意义

2.1 Pro/Engineer开发的目的和意义

产品的三维设计开发离不开CAD/CAM系统的支持，具有技术成熟、功能强大的Pro/ENGINEER参数化造型系统在设计和制造业中引起了人们的重视，并得到了日益广泛的应用。Pro/ENGINEER提供了强大的三维几何造型功能，使我们能够创建出各种复杂的几何模型，作为通用的三维CAD/CAM系统在功能上基本能够满足产品三维设计要求，但有时这些功能并不能满足我们的需求。例如标准零件系列，它们的结构都是相同的，区别只在于尺寸，如果标准零件系列都通过三维建模的方式来实现，那么工作量将非常巨大。虽然Pro/ENGINEER自身也有一些模型库，但是这远远满足不了用户的要求。因此，也就有了本课题研究开发的必要。

2.2 标准件开发的目的和意义

在航空航天、船舶、汽车、机械制造等行业，机械设计始终是重要的工作之一。产品设计人员在使用CAD系统进行产品新型号的开发设计时,都会尽量考虑选用标准件，如：螺栓、螺钉、螺母、垫圈、轴承、销钉等。标准件以其独特的优点被广泛地应用在产品地各个部分上。当标准件不能满足要求时,才考虑重新设计新零件。一般情况下,采用标准件约占一个产品全部零件的70%以上。并且随着现代化生产的不断发展，机械设计中标准件的数量日益增多。由于标准件的基本形状、主要结构比较固定，同型号的标准件之间改变的只是尺寸大小，甚至不同型号的标准件之间往往改变的也只是尺寸大小、孔的数量等细节内容（如螺栓标准件中的六角头螺栓和六角头带孔螺栓）。在绘图时，标准件会在不同的位置反复地被绘制，由于标准件的绘制极为繁琐, 而且需要反复翻阅手册查找数据, 非常耗时耗力,若每次设计人员都需要重新对这些零件进行造型，设计人员必然要做许多重复性的劳动。如果建成一个标准零件库，在需要时将其从标准零件库中取出，插入到指定的位置，既可解除繁琐的重复绘制工作，又能保证标准件的重复绘制的精度，提高设计效率。所以标准零件库的开发成为CAD软件二次开发的一个必不可少的部分。

本课题研究的螺纹连接件现在作为最常用的标准件之一，如果能在最常用的3D软件Pro/Engineer设计平台上开发成功，必将提高设计者的设计效益，降低生产成本。

3 Pro/Engineer二次开发研究现状及发展趋势

3.1 研究现状

国外商品化的CAD/CAM 软件都以三维模型作为产品信息模型表示的主要方法，如Pro/Engineer、CADDS5、UG 、CATIA等。其中在CADDS5和CATIA上标准件建库工作基本已经完成。而作为国内用户最多的CAD软件Pro/Engineer的标准件建库还在进一步研究中。

对Pro/Engineer进行二次开发的研究中，所用的开发语言主要有Visual Basic、Visual C++。用Visual Basic开发时，通过Automation GATEWAY，是利用Visual Basic访问Pro/Engineer的底层数据库。目前利用Visual C++对Pro/Engineer进行二次开发成果有很多，是因为Visual C++是一种真正的面向对象的、可视化的开发工具，可方便的实现人机交互界面开发功能。

目前在国内华中科技大学开发了用于齿轮CAD系统设计的标准零件库。该标准零

件库包含了齿轮传动设计时所用的各种零部件，在用户输入必要的功能参数后，该CAD软件根据优化设计理论能自动生成符合设计要求的齿轮传动系统，包括装配图和零部件图。西北工业大学提出利用参数化技术开发三维标准件库的思想，即：以参数化技术为基础，利用Pro/ENGINEER提供的二次开发工具 Pro/TOOLKIT，提出一个面向三维造型平台的标准件库系统的解决方案。

3.2 发展趋势

随着三维造型技术、参数设计技术和虚拟现实技术等新概念、新办法已渗透到传统的结构设计中，Pro/Engineer二次开发将会有以下趋势：

(1)功能更加全面：以螺纹连接为例，即把各种可能的连接型式考虑到，集成到一起开发，这样提高了系统的实用性，并将优化，受力分析，甚至运动仿真，数控机床文件输出等结合在一起，真正实现设计、分析、制造等功能的集成，达到实用化水平。

(2)面对对象更广：目前，一些尺寸和外形复杂的零部件，没有一种通用化的系统，即一种通用的、具体化的二次开发软件来对通用简单以及通用但外形复杂无规律的零件集中开发，即面对的对象更广泛，这在当前理论及技术日趋成熟、设计理念日趋先进环境下将会实现。

(3)参数化：参数化设计是目前CAD应用技术中最重要的技术之一。参数化设计将零部件图形的描述分为三部分:图形的拓扑关系、图形的几何参数以及这些几何参数与图形结构参数之间的联系。它的主要特点是全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。这种设计技术特别适合于标准件、通用件的设计以及结构定型的系列产品设计。而Pro/Engineer本来是基于参数化的三维建模软件，因此，基于它的二次开发，应用参数化驱动将是长久必然的趋势。

4 开发平台的选择

Pro/Engineer是机械 CAD/CAM集成软件，采用基于特征建模，具有参数化、全相关性和基于单一数据库的特点，因而具有强大的三维建模功能。这些功能和特点为三维标准零件库的建立提供了条件，本课题将选用Pro/E中文野火版3.0作为开发平台。

4.1 Pro/TOOLKIT

Pro/TOOLKIT是美国Parametric Technology Corporation(PTC)公司为Pro/ENGINEER软件提供的开发工具包，其主要目的是让用户或第三方通过C程序代码扩充Pro/ENGINEER系统的功能，开发基于Pro/ENGINEER系统的应用程序模块，不仅如此，还可以利用Pro/TOOLKIT提供的UI对话框、菜单以及VC的可视化界面技术，设计出方

便实用的人机交互界面，从而大大提高系统的使用效率。Pro/TOOLKIT是Pro/ENGINEER的一个应用程序接口(API)，它的编程语言是C语言，可以对Pro/ENGINEER进行功能扩展，满足PTC客户的特定需求。而且，Pro/TOOLKIT提供了定制标准Pro/ENGINEER用户界面的能力，自动执行重复性的程序，通过Pro/ENGINEER集成的内部程序(Dll)或外部应用程序（Exe）可以为造型用户提供自定义的应用程序、设计规划和绘图自动化。

Pro/TOOLKIT工具包提供了开发Pro/ENGINEER所需的函数库文件和头文件，使用户编写的应用程序能够安全地控制和访问Pro/ENGINEER，并可以实现应用程序模块与Pro/ENGINEER系统的无缝集成。

Pro/TOOLKIT采用面向对象的程序设计方法（Object_Oriented Programming）。在Pro/ENGINEER和应用程序之间主要是通过特定的数据结构来传递信息，以应用程序来说这种数据结构并不是直接访问的，而只能通过Pro/TOOLKIT提供的函数来访问。

4.2 Visual C++ 开发工具

Visual C++是新一代面向对象的、可视化的程序设计工具。利用Visual C++开发基于Pro/E的滚动轴承三维参数化造型系统程序编制一般需要两个步骤：一是可视化设计阶段；二是代码编写阶段。在可视化设计阶段，编程者使用Visual C++工具箱来定制所需的用户界面。在代码编写阶段，编程者通过调用消息和事件函数实现所需的功能。

由于在Visual C++中可以方便使用对话框(Dialog)、位图(Bitmap)、菜单(Menu)等工具箱，编程人员只需编写少量的代码就可以设计出界面友好、方便用户使用的程序，因而可以大大提高系统开发的效率。

5 研究内容及技术方法

5.1 研究内容

本课题所研究的内容包括以下方面：

(1)螺纹联接标准件参数化建模：常用螺纹连接标准件分为5类，螺栓、螺钉、螺柱、螺母、垫片。通常当我们选用标准件时只需要确定其中的一两个参数就可以确定标准件的规格，这些参数就是确定其模型形状的驱动参数。比如根据国标，螺栓只需确定其公称直径 d 和公称长度 L 就可以画出螺栓模型(如螺栓 M 10×100 GB580-86)。在三维建模时还要建立螺栓的二维结构简图，并表上其特征参数，将在用户选择界面上显示。建模的目的是为编写参数化处理程序做准备的，即是将模型参数化，是模型的程序化基础。

(2)用户界面设计：利用VC ++ 6.0的资源编辑器制作菜单和对话框。

(3)参数化编程：接受界面输入的参数，调用相关函数，对螺纹联接件模型建立参数