电气产品实体造型及虚拟装配技术的研究

河北工业大学硕士学位论文电气产品实体造型及虚拟装配技术的研究姓名：张立杰申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：陈堂功2010-11河北工业大学硕士学位论文i电气产品实体造型及虚拟装配技术的研究摘要图纸是工程师的语言。进入20世纪60年代人们开始借助CAD软件来绘制图形。早期的CAD软件是用二维的简单图块代替实际复杂电气零件从而提高制图的速度。但是二维设计不能够直观的表现产品的结构，更不能对设备进行装配、优化设计、干涉检查、温度场的数值模拟、运动分析等高级计算机辅助设计工作，这就需要创建零部件的三维实体模型并进行虚拟装配。装配的实施对象及操作过程要与生产实际情况高度吻合，达到生动直观地反映产品装配的真实过程，使仿真结果具有高可信度。本课题以AutoCAD作为开发平台，利用ObjectARX2002作为二次开发工具，采用VisualC++6.0面向对象高级开发语言，利用自定义实体类建立电气产品的三维零件模型，并开发了虚拟装配系统。三维实体造型绘制出来的零件相当于AutoCAD内部的实体，可以将产品零件的属性数据与几何表达深度结合，形成一个完全统一、简洁、性能优异的有机体。通过参数化方法可以输入任意参数来设计不同尺寸及属性的零件。这对于电气工程设计中大量的重复劳动来说，大大的节省了设计师的时间。而且三维实体可以从不同的视觉角度观察零件，比较全面地反映实体的几何及物理特性。虚拟装配是利用三维实体造型仿真真实的零件装配过程，是CAD技术在工程设计中的典型应用。在零件虚拟装配过程中，装配类型分为两大类：共线约束和共面约束。用户需要选择配合的关系信息，通过获取参考零部件的向量等信息将目标零件进行旋转平移等操作，实现零件的自动装配。在装配的过程中要考虑由于三角型面片模型、零件的加工精度、材质等因素产生的公差问题，其中零件的公差等级以及材料属性都是从数据库中获得的。在装配过程中还要检测待装配零件是否与其它零件发生碰撞，若不发生干涉完成装配，否则停止运行。本文以直流电磁铁三维图的绘制及装配为例，利用自定义实体类获得零件参数并创建三维图形，展示了自动装配的步骤和方法，并达到了对装配零件进行干涉检测的目的。关键词：三维实体造型，ObjectARX，自定义实体，虚拟装配，干涉检测电气产品实体造型及虚拟装配技术的研究iiRESEARCHOFSOLIDMODELINGANDVIRTUALASSEMBLYTECHNOLOGYFORELECTRICALPRODUCTSABSTRACTDrawingisthelanguageofengineers.Inthenineteensixties,peoplebegantouseCADsoftwaretodesigngraphics.EarlyCADsoftwareusedsimpletwo-dimensionalblockinsteadoftheactualcomplexityofelectricalpartstoimprovethespeedofdrawing.Butthetwo-dimensionaldesigncan’tshowthestructureofproductintuitively,itcan’tassemblethedevice,optimization,interfere,numericalsimulationoftemperaturefield,motionanalysisandotheradvancedcomputer-aideddesignworkalso,Thosefactsrequireustocreatethree-dimensionalsolidmodelpartsandthenassembly.Implementationandoperationoftheobjectsarehighlyconsistentwiththeactualproductionsituation,youcanreflectthetrueproductassemblyprocessdirectlysothatthesimulationresultswithhighconfidence.WithAutoCADplatform,ObjectARX2000SDKforre-developmenttool,VisualC++6.0Object-orientedhigh-leveldevelopmentlanguage,usingcustomentityclasstoestablishthree-dimensionalpartmodelofelectricalproductsthevirtualassemblysystemisdeveloped.Thepartwhichdrawoutbythismethodofthree-dimensionalsolidmodelingisequivalenttoAutoCADentityinside.Thisentitycanmakethepropertyofproductionandgeometricexpressioncombinedtoformafullyintegrated,simple,excellentperformance.throughtheparametricmethod,theuserscaninputanyparameterstodesignthepartsofdifferentsizesandproperties.itgreatlysavesthedesignerstimeforalargenumberofduplicationofeffortinelectricalengineeringdesign.Andthree-dimensionalsolidcanbeobservedfromdifferentpartsofvisualangle,reflectingthegeometricandphysicalpropertiesofentitiestotal.Virtualassemblyusethree-dimensionalsolidmodelingtoemulaterealpartsassemblyprocessisthetypicalapplicationintheengineeringdesignofCADtechnology.Intheprocessthevirtualassembly,twotypesaredivided:theoccurrenceofcollinearrestraintandcoplanarrestraint.Usersneedtoselecttherelationshipinformation,throughgetingthevectorandotherinformanceofreferencecomponents,thetargetpartscanberotated、shiftedtoachieveautomaticassembly。Intheassemblyprocess,theproblemoftolerancecausebythetriangularpatchmodel,precisionMachiningaccuracyandmaterialshoudbeconsidered.Thetolerancelevelsandthematerialsareobtainedfromthedatabase.Weshouldtestwhethertheassembled河北工业大学硕士学位论文iiipartswillcollidewithotherparts,Ifinterferencedoesn’toccur,completeassembly,orstoprunning。Inthispaper,theauthormakethedrawingandassemblyofthree-dimensionalmapofDCelectromagnetasanexample,usingcustomentityclasstosetparametersandcreatethree-dimensionalgraphics,showingthestepsofautomaticassemblyandmethods,achievesthepurposeofinterferencedetectionofassembleparts.Keywords:Three-dimensionalsolidmodeling,ObjectARX,Customentity,Virtualassembly,Interferencedetection河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1选题背景1-1-1三维实体造型产品设计过程是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程，它包含两种重要的活动：设计和仿真活动[1]。其中设计活动推动信息流程向前演进，而仿真活动则是验证设计结果的重要手段。在电气产品设计行业中，将一个产品从设计结构及进行仿真到生产是一个相当复杂而漫长的过程，如何能够缩短这一过程，节约原材料，降低费用是每个企业开发新产品首要考虑的问题。在计算机未摄入实体造型之前，图纸设计是设计师设计的语言工具，一个复杂的零件，常常需要许多不同的视角才能表达，而要读懂这些图并准确想象出其空间效果，将花费很多时间和精力，一旦读图有误，将会给生产、制造带来巨大损失[2]。进入20世纪60年代，CAD技术的出现为问题的解决提供了可能。作为支持产品创新设计昀为重要的技术和工具，人们借助CAD的二维绘图技术采用三视图的方法摆脱了精度低、繁琐、费时的传统手工设计图纸。该技术对加速产品开发、降低成本、提高质量、增强企业市场创新能力、缩短设计制造周期和竞争力起着很重要的作用。然而二维的CAD技术仅限于基本绘图功能的初级应用，而在电气设计过程中会有大量的重复性劳动，而其不能够直观的表现产品的结构。而且不能够在设计的同时对诸如接线盒、操纵面板、电气控制柜等电气产品来说在设计的同时还要对设备进行装配、优化设计、干涉检查、流场及温度场的数值模拟、有限元分析、运动分析等高级计算机辅助设计工作,这就需要创建零部件的三维实体模型。实体造型技术是实现三维几何物体完整信息表示的理论、技术和系统的整体概括。以一些基本体素为单元体，通过集合运算生成所需的几何形体，技术能够精确表达零件的全部属性，是目前为止描述三维几何形体昀理想的模型。这些都会导致设计方面的盲目性和不确定性。而三维的实体造型可以建立与实物完全相同的样体，可以进行参数化的设计，可以自动生成工程图，提高设计效率和制造效率，减少制造差错，实现系列化通用化、自动化设计，可以便于与用户进行交流。现代的工程分析软件的模型和数控加工的模型，均要求提供三维图形。随着计算机软件和硬件的不断发展更新，三维图形在工程设计中应用日趋广泛。目前在各个领域都有很多专门的三维软件如：ansys，是一种电磁场有限元分析，能实现多场及多场耦合分析；是实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件，可分析电磁场多方面的问题，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等，准确地进行大规模的有限元计算[3]。大大降低了工作人员的劳动量。Pro/Engineer具有先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型和便于移植设计思想的特点，主要应用在机械领域价格比较昂贵[4]。UG是一个集CAD/CAM/CAE于一体的机械工程辅助系统，适用于航空、航天、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程[5]。SolidWorks是世界各地用户广泛使用，富有技术创新的软件系统,电气产品实体造型及虚拟装配技术的研究2已经成为三维机械设计软件的标准。它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。但是这些软件都很具有专一性，很多三维软件都是针对机械专业的制图，而ansys可以用于电气工程方面，但是主要针对电磁场的有限元分析。在