基于知识的机械设计智能CAD系统的研究与开发

姚春玲 刘锟

摘 要：基于知识的机械设计智能计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）系统的开发，以机械设计基础研究的内容为载体，构建案例库;以UG二次开发为设计平台，以Visual Studio为开发语言，以机构板块、齿轮、轴以及减速器等为知识体现的载体，构建机械设计CAD系统。该系统界面友好、提示充分、视窗风格的操作方式方便直观，可为“机械设计基础”课程的课堂教学提供便利，使晦涩难懂的知识得以简单呈现。

关键词：机械设计;计算机辅助设计（CAD）;UGNX/Open

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： This topic is the development of mechanical design intelligent CAD system based on knowledge. First of all， build a case base with the content of mechanical design foundation research as the carrier， then build a set of mechanical design CAD system with UG secondary development as the design platform， with Visual Studio as the development language， with the mechanism plate， gear， shaft， reducer as knowledge embodiment. The system has a certain practical significance， friendly interface， full hints， window-style menu operation which is convenient and intuitive， meanwhile it will provide great convenience for the teaching of “Mechanical Design Foundation” course， and will be presented simply for the knowledge of usually not easy to speak and understand.

Keywords： machine design;Computer Aided design（CAD）;UGNX/Open

基于知识的智能计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）系统开发综合性比较强，知识化和智能化是实现产品协同发展的重要保障[1]。高职院校“机械设计基础”课程涉及各种常用机构、齿轮传动、轴、链传动以及带传动等机械产品的设计[2]，设计过程复杂，设计人员需要有大量的知识储备，同时需要有一定的计算能力。从设计到出图，整个计算过程烦琐，常常占用设计人员很多时间和精力，且设计中有很大一部分工作是重复的。开发此款智能CAD设计系统，将计算过程嵌入软件内部，无须大量复杂计算就能得出结果，降低了设计难度，提高了设计效率。

1 平臺开发的关键支持技术

1.1 参数化设计技术

UG NX是Unigraphics Solutions公司主要的CAD/CAM/CAE产品，是为机械制造企业提供从设计、分析到制造应用的高端软件，广泛应用于航空航天、汽车、机械、船舶以及其他高科技领域。1990年引入我国市场，自引入以来凭借其先进的理论、完善的功能、友好的操作界面在我国得到了广泛应用。

参数化设计是UG非常关键的设计理念。它通过修改模型中的尺寸或者修改已经定义好的参数来修改模型的尺寸和形状，从而实现对模型的驱动。它的一大特点在于设计意图的修改可以通过参数的修改实现[3]。目前，基于UG的参数化设计技术在制造领域的应用比较广泛。

本课题在UG软件中现有的模型基础上修改模型的几何尺寸参数，依次驱动尺寸生成新的三维模型，以达到参数化设计建模的目的。通过参数化建模的方法构建齿轮的基本结构，借助该工具输入基本数据实现齿轮的生成与校核，实现了基于UG NX平台的齿轮类零件的设计。齿轮校核是一个复杂烦琐的计算过程，通过编程将计算嵌入软件内部，简化了齿轮的计算校核过程，节省了设计时间，提高了工作效率。

基于UG NX参数化建模的具体开发步骤为“设置开发环境→创建零件模板→通过UG/Open MenuScript定制菜单→通过UG/Open UIStyle设计对话框→创建程序框架→通过UG/Open API编写修改程序”[4]，建模流程如图1所示。

1.2 UG NX二次开发技术

UGNX/Open也称UG NX二次开发，可以通过对软件添加新的功能将通用化的软件按照用户的要求本地化，开发出符合企业实际应用的功能来实现特定的功能。

UGNX/Open包括4个部分：UGNX/Open MenuScript界面菜单编辑语言，可以对UGNX软件中的菜单、工具条进行用户化开发;UGNX/Open UIStyle是用户界面制作工具;UGNX/Open Grip是UG提供给用户的图形交互语言，具有完整的语法规则和程序结构;UGNX/Open API是应用程序接口，使用UGNX/Open开发的应用程序可以实现与UGNX的无缝连接，可以通过借助第三方编译环境（C语言、VC++、VB等）进行调试，实现开发系统与UGNX的无缝对接[5]。

通过UGNX/Open MenuScript创建用户自定义菜单和工具栏，通过UGNX/OpenBlock UI Style设计人机交互界面。菜单设置如图2所示。

2 平台搭建

搭建一个实例库完备、界面简单友好的机械设计智能CAD系统。该系统的功能模块主要有界面层管理模块、功能层管理模块、数据层管理模块和支撑层管理模块4部分。以包含案例库、零件库以及机构资源库等在内的资源集成平台为核心，以交互式界面操作方式为基础，采用专家系统和智能化的设计方法，设计出机械设计智能化CAD系统，体系结构如图3所示。

2.1 案例库的搭建

通过对UG NX二次开发关键技术的学习，初步掌握平台框架的搭建方法，同时筛选出有代表性的载体，以便后期进行建模和运动仿真。完成对案例库中载体的建模和运动仿真，实现实例的静态过程动态化和拆卸过程可视化，如图4所示。

2.2 机械设计智能CAD系统的搭建

该平台实现了机械设计中案例的整合，构建了资源库，同时完成齿轮、轴等零件的CAD辅助设计。齿轮的建模及校核过程如图5所示。

3 创新和突破

①实现了UGNX/Open环境下机械设计知识库、用户自定义菜单、用户设计界面和VC++的无缝集成。利用VC++编程语言以及参数化的设计思想，以机械设计基础中的理论知识为载体，开发实现参数化建模、模型检索等功能。

②借用信息化手段，在平台中引入可视化的仿真实验，采用虚拟技术使二维图片立体化、静态过程动态化、拆卸过程可视化、实验实训虚拟化，大大提升了学生的学习兴趣和自主学习能力。

③该平台的搭建为“机械设计基础”课程的实际教学提供了新的思路，特别是齿轮校核部分。以前的校核部分需要用到大量计算，而运用此平台可以省去烦琐的计算，只需填写必要的参数，平台即可自动运行出结果。

4 结论

①系统主要使用的平台是UG 10.0版本，平台界面开发使用的是“NX6.0之前版本UI樣式编辑器”，可以使用新版本“块UI样式编辑器”来进行界面的搭建，使其更漂亮美观，也能更好地匹配UGNX 10.0版本的界面形式。

②在进行齿轮类零件的设计时，各个参数的选取要到教材中特定的表格中查询，然后根据查询结果手动输入。可以对每一种参数建立一个数据库，根据类型自动选择数值，这样有助于设计者更快地完成设计任务，但是也会在一定程度上降低学生查表查手册的动手能力。

③平台中对于各个模块的三维模型和仿真动画的数量不足，没有涵盖机械设计基础中的所有内容，今后可以扩充零件库及案例库，争取实现机械设计课程内容的全覆盖。

参考文献：

[1]李曙光.基于实例的机械传动产品设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2005：14.

[2]闵小琪，万纯芬.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2015：45.

[3]郭宇航.基于AutoCAD的深沟球轴承套圈的参数化设计[J].哈尔滨轴承，2017（2）：42-44.

[4]姚春玲.基于混合推理的汽车焊装夹具支持技术的研究[D].烟台：烟台大学，2010：36-37.

[5]黄勇.UG NX/Open API、MFC和COM开发实例精解[M].北京：国防工业出版社，2009：119.

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