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畢 業(yè) 設 計 任 務 書
1．畢業(yè)設計課題的任務和要求：
設計任務為了解車床主軸變速箱的結構和工作原理，使用三維CAD設計軟件完成給定型號車床主軸變速箱的三維設計，繪制二維工程圖，并實現(xiàn)車床主軸變速箱的運動仿真。
2．畢業(yè)設計課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：
（1）掌握三維CAD設計軟件的使用技術；
（2）完成給定型號主軸變速箱的三維建模；
（3）用三維設計軟件實現(xiàn)車床主軸變速箱的運動仿真；
（4）繪出（或打印出）部分相關工程圖；
（5）撰寫設計說明書：
(a)設計合理，語句通順，格式規(guī)范，圖表正確，表述清晰；
(b)打印成冊。
畢 業(yè) 設 計 任 務 書
3．對畢業(yè)設計課題成果的要求〔包括畢業(yè)設計、圖紙、實物樣品等)：
1 畢業(yè)設計開題報告一份；
2 畢業(yè)設計說明書一本，要求思路清晰，語句通順，無錯別字；
3 圖紙一套，要求結構合理，表達正確、清晰。
4．畢業(yè)設計課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2016年
2月29日 ~ 3月 21 日
3月 22日 ~ 5月 20 日
5月 20日 ~ 6月1日
6月 1日 ~ 6月5日
學習相關軟件，查閱資料，撰寫開題報告；
熟悉開發(fā)環(huán)境，詳細設計；
撰寫說明書；
畢業(yè)答辯。
學生所在系審查意見：
同意下發(fā)任務書
系主任：
2016年2 月29 日
畢業(yè)設計開題報告
1．結合畢業(yè)設計課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：
文獻綜述
1.1研究背景
(1)車床的用途
車床類機床主要用于加工各種回轉表面，如內(nèi)外圓柱表面，圓錐表面，成型回轉表面等，有些車床還能加工螺紋面。由于多數(shù)機器零件具有回轉表面。車床的通用性又較廣，因此在機械制造廠中，車床的應用極為廣泛，在金屬切削機床中的比重最大，約占機床總臺數(shù)的20%～35%.
（2）車床的分類
車床按其結構和用途可分為:①臥式車床和落地車床②立式車床③轉塔車床④單軸和多軸自動和半自動車床⑤仿形車床和多刀車床⑥數(shù)控車床和車削中心⑦各種專門化車床。
（3）車床的組成部件
部件有①主軸箱②刀架③尾座④進給箱⑤溜板箱⑥床身⑦卡盤⑧底座⑨絲杠⑩后頂尖
(4)車床主軸變速箱
車床主軸箱又稱床頭箱，變速箱。由箱體、主軸、傳動軸、軸上傳動件、變速操縱機構、潤滑密封件等組成。主軸通過前段的卡盤或者花盤帶動工件完成旋轉作主運動，也可以裝前頂尖通過撥盤帶動工件旋轉
（5）車床的發(fā)展歷程
古代的車床是靠手拉或腳踏，通過繩索使工件旋轉，并手持刀具而進行切削的。
1797年，英國機械發(fā)明家莫茲利創(chuàng)制了用絲杠傳動刀架的現(xiàn)代車床，并于1800年采用交換齒輪，可改變進給速度和被加工螺紋的螺距。1817年，另一位英國人羅伯茨采用了四級帶輪和背輪機構來改變主軸轉速。
為了提高機械化自動化程度，1845年，美國的菲奇發(fā)明轉塔車床。
1848年，美國又出現(xiàn)回輪車床
1873年，美國的斯潘塞制成一臺單軸自動車床，不久他又制成三軸自動車
20世紀初出現(xiàn)了由單獨電機驅動的帶有齒輪變速箱的車床。
第一次世界大戰(zhàn)后，由于軍火、汽車和其他機械工業(yè)的需要，各種高效自動車床和專門化車床迅速發(fā)展。為了提高小批量工件的生產(chǎn)率，40年代末，帶液壓仿形裝置的車床得到推廣，與此同時，多刀車床也得到發(fā)展。50年代中，發(fā)展了帶穿孔卡、插銷板和撥碼盤等的程序控制車床。數(shù)控技術于60年代開始用于車床，70年代后得到迅速發(fā)展。
1.3車床的三維設計研究現(xiàn)狀
隨著計算機圖形學、計算機硬件和軟件系統(tǒng)的飛速發(fā)展，計算機輔助繪圖技術在相
關的行業(yè)里得到了日益廣泛的應用，在我國的工程設計領域計算機繪圖技術的應用已得
到普及，油氣實在科研院所、現(xiàn)代化企業(yè)中，計算機輔助繪圖已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的手工繪圖。計算機繪圖技術的普及，使廣大的工程設計人員從繁重的手工繪圖中解放出來，把更多的時間和精力投入到產(chǎn)品開發(fā)中區(qū)。利用計算機繪圖軟件進行工程設計可以顯著地縮短企業(yè)產(chǎn)品設計周期，節(jié)省人力、物力、財力，提高設計質量以及工作效率。在機械
設計中，常用的三維軟件有Pro/E、Solidworks等。
由于Solidworks功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是Solidworks的三大特點，使得Solidworks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。Solidworks能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質量。Solidworks不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。?
對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用Solidworks來搞設計了。Solidworks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設計。Solidwork資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用Solidworks，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質量的產(chǎn)品投放市場。?
1.4總結
本綜述對機床的結構、分類，主軸變速箱等基本知識進行了簡介，指出了國產(chǎn)機床發(fā)展過程中存在的缺陷。同時，對三維設計及仿真常用的軟件SolidWorks進行了簡要的介紹。預期通過本綜述對車床主軸變速器的重要性有一個深刻的認識。學會使用SolidWorks建立三維模型及模型庫，進行虛擬裝配，動畫演示，仿真運動分析，將三維技術融入到機械類課程當中。
參考文獻
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畢業(yè)設計開題報告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
2.1設計要求
本課題名稱為某型號車床主軸變速箱三維設計與仿真，研究問題的實質是，了解車床變速機構的結構和工作原理，完成某型號車床主軸變速箱的三維建模，進行虛擬裝配，動畫演示，仿真運動分析，并繪制二維工程圖。
2.2設計方案
（1）對車床的傳動系統(tǒng)及傳動方案的確定，
CA6140型臥式車床主運動，是由主電動機經(jīng)三角皮帶傳至主軸箱中的軸Ⅰ，軸Ⅰ上裝上一個雙向多片式摩擦離合器M1,用于控制主軸的啟動停止和換向。軸Ⅰ的運動經(jīng)離合器M1和軸Ⅱ-Ⅲ間變速齒輪傳至Ⅲ，然后分兩路傳遞給主軸，如下圖變速箱的傳動系統(tǒng)如圖所示。
（2）對變速箱的齒輪進行參數(shù)化建立
軸Ⅰ上的一對齒輪中，小齒的齒數(shù)為Z1=51，，則與其相嚙合的大齒輪齒數(shù)為Z2=56
軸Ⅱ上齒數(shù)為38、43 模數(shù)為 2，齒數(shù)為 39、22、30 模數(shù)為 2.5
軸Ⅲ上齒數(shù)為 41、58、50 模數(shù)為 2.5，齒數(shù)為 20、50 、63模數(shù)為 2
軸 IV 上齒數(shù)為 80 、50模數(shù)為 2，齒數(shù)為 20、51 模數(shù)為 3
軸 V 上齒數(shù)為 26 模數(shù)為 5.75，齒數(shù)為 80 、50模數(shù)為 3
VI 上齒數(shù)為 58 模數(shù)為 5.75，齒數(shù)為50，模數(shù)為2
2.3設計思路
1、模型建立。
完成CA6140型臥式車床主軸箱變速器的的Solidworks模型建立工作，
2、變速箱的三維實體建模，具體過程如下：
（3）對軸的建模
軸 I 從左至右分別為深溝球軸承 61808(2 對) 61807（6 對）
軸 II 所選的軸承 從左至右分別為圓錐滾子軸承 30305 (1
對) 30304（1 對）
軸 III 所選軸承 從左至右分別為 30306 (1 對) 61806（1
對） 30305（1 對）
軸 IV 所選軸承從左至右分別為 30307(1 對)? 30308（1 對）
軸 V 所選軸承 從左至右分別為 30312 (2 對)
軸 VI 所選軸承從左至右分別為雙列圓柱滾子軸承 NN3015K (1
對)、圓柱滾子軸承 NU218（1 個）、推力球軸承 51120/P5(1 對)、雙列圓柱滾子軸承
NN3012（1 對）。
（4）確定軸在箱體的位置
（5）傳動系統(tǒng)的裝配
3、仿真運動
（1）仿真運動的參數(shù)設置
1)主軸最低轉速為10mm/s,最高轉速為1400mm/s，轉速調(diào)整范圍為
= /=14
2）主軸轉速數(shù)列的公比為φ＝1.12
3）主軸轉速級數(shù):正轉Z=24 反轉：12
4)電動機的參數(shù)：
功率：7.5kw 滿載轉速：1450 r/min
(2)模擬仿真運動效果
2.4進度安排
2月17日-2月23日：查閱資料
2月24日-3月2日：確定畢業(yè)設計思路
3月3日-3月21日：撰寫開題報告
3月22日-3月27日：熟悉Solidworks環(huán)境,建立某型號車床三維模型
3月28日-4月19日：進行主軸變速箱仿真加工
4月20日-5月18日：確定設計方案
5月19日-6月1日：完成畢業(yè)設計說明書初稿
6月2日—6月5日：根據(jù)指導老師意見，修改論文初稿，完成終稿，準備答辯
畢業(yè)設計開題報告
指導教師意見：
該生設計題目為某型號車床主軸變速箱三維設計與仿真，開題之前，該生通過查閱資料，對自己要做的課題有了初步的了解。
開題報告文獻綜述部分詳細敘述了車床的應用背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并明確了自己的設計任務。在第二部分首先明確了設計要求，確定了主軸箱的主要參數(shù)和結構形式，制定了課題研究方案，然后確定了研究的內(nèi)容和研究手段，并制定了詳細的設計進程。
開題報告條理清晰，格式規(guī)范，內(nèi)容詳實，制定的研究方案合理可行。
同意該生開題。
指導教師：
2016 年 3 月 20日
所在學院審查意見：
同意開題
系主任：
2016年3月 22 日
譯文標題
基于工程數(shù)據(jù)庫的起重機結構計算機輔助設計
原文標題
CAD/CAM OF CRANE’S STRUCTURE BASED ON ENGINEERING DATABASE
作 者
Chonghua Wang
譯 名
王重華
國 籍
中國
原文出處
Department of Mechanical Engineering Shanghai Maritime University P.R.China e-mail spmtc@shmtu.edu.cn
譯文：
基于工程數(shù)據(jù)庫的起重機結構計算機輔助設計
摘要根據(jù)大型復雜結構機械CAD/CAM專業(yè)，根據(jù)起重機的結構工程數(shù)據(jù)庫的CAD / CAM系統(tǒng)是本文提出的。基于自頂向下的層次結構，特征技術，裝配約束關系，自下而上的裝配工藝和向下到頂部尺寸約束關系，建立了一個三維參數(shù)化模型族的計算機輔助設計平臺，允許生成可行的配置的起重機結構。一個總結的GUI和ANSYS的APDL圖案的背景知識，起重機的有限元模型是基于組合模式的建立。實現(xiàn)了有限元模型的同步更新和分析。在系統(tǒng)中構建了2種工程數(shù)據(jù)庫。一個是參數(shù)化的數(shù)據(jù)庫，包含了各種參數(shù)化的零件和部件，常用于起重機結構。另一種是針對每一個單獨的起重機而設計的，其中包括用于起重機結構的所有部件和部件，其中參數(shù)化的變量被確定的值所代替。以后可以用來創(chuàng)建BOM，建立有限元模型，安排零件在數(shù)控切割鋼板，焊接和制造工藝裝置設計。微軟SQL服務器選擇構建數(shù)據(jù)庫和CAD／CAM集成是使用MS VC++ 6和Pro/TOOLKIT實現(xiàn)。
關鍵詞計算機輔助設計/凸輪，結構，起重機，工程數(shù)據(jù)庫，三維設計
1。在過去的幾十年里，國際貿(mào)易迅速增長，這依賴于世界物流的運輸鏈。深水港的能力，迅速處理和分發(fā)大量的集裝箱和貨物，這是在
在物流鏈中不斷發(fā)揮關鍵作用?，F(xiàn)在世界上幾乎所有的港口都在忙著擴張。港口起重機在最近幾年迅速增長。港口起重機是非常大的，復雜的機器，越來越大，更自動化，更高的速度，以滿足巨大的船舶和大量的負載和卸載。與一般的機器相比，它具有一個獨特的組成部分，它是一個巨大且復雜的結構。起重機結構的計算機輔助設計/凸輪機構的特點是：起重機的結構型式和設計參數(shù)，滿足各種不同的自然、環(huán)境和運行條件的設計參數(shù)。結構由幾個部件組成。每一個部件都是由焊接而成的。雖然很多零件都是矩形板，但它們的厚度可以隨構件的變化而不斷變化，以減輕重量，同時保持足夠的強度。此外，有大量的結構細節(jié)，讓組件支持外部負載。因此，該組件是非常復雜的。C）的結構設計應符合強度、穩(wěn)定性等要求，補償?shù)臉藴屎鸵?guī)范，累積損傷和振動頻率等。因此有必要對結構進行有限元分析。由于結構非常大，復雜，任何有限元軟件包的商業(yè)計算機輔助設計軟件是不夠的，以處理復雜結構的起重機。起重機結構凸輪的技術比較簡單。特別是數(shù)控切割和自動焊接在大多數(shù)工廠都有廣泛的應用。本文提出了起重機結構的計算機輔助設計/計算機輔助設計。它主要是基于程序的計算機與參數(shù)化三維建模技術、有限元分析、工程數(shù)據(jù)庫技術、Pro/E、ANSYS、MS Visual C++和微軟SQL Server。該系統(tǒng)包括建立起重機械三維參數(shù)化模型族的計算機輔助設計平臺，建立有限元模型，二次開發(fā)的三維參數(shù)化模型，同步更新和有限元分析，參數(shù)化和若干模型的構造和收集信息，組件和起重機的應用和供應平臺。
2。為了支持起重機設計的計算機輔助設計平臺，設計了起重機的三維參數(shù)化模型，為每個家庭成員提供了一種可行的起重機、部件和部件的配置，然后將它們縮放到期望的尺寸。港口集裝箱起重機計算機輔助設計模型平臺的框架，為港口集裝箱起重機提供支持功能：
2.1。分解成零部件和零部件的基礎上的自頂向下的層次結構的產(chǎn)品結構，能夠方便的設計任務的開發(fā)團隊的成員，一個起重機的設計必須以某種方式結構化。著名的層次結構的產(chǎn)品結構是用于此。起重機由若干部件組成。每個組件可以包含若干子或一部分。第一種類型的組件被稱為復合組件（在下面的文本，我們只稱之為組件），第二類是一個單一的組件（我們稱之為下面的一部分）。該產(chǎn)品結構以這種方式持續(xù)下去，直到所有的組件在層次結構中的最低水平。因此，產(chǎn)品是結構化的自上而下的方式，創(chuàng)造盡可能多的層次，如所需的設計師。圖1顯示了一個簡化的集裝箱起重機的層次結構。
2.2。構建了基于特征技術特征技術的CAD軟件平臺如Pro/Engineer提供的三維零件模型、SolidWorks等包括：a）草案的特點，基本幾何特征繪制截面拉伸，旋轉或掃描；b）附件的功能被添加到基本特征包括孔、圓角、塌角等。根據(jù)上述特征技術，生成集裝箱起重機零件的三維模型。
2.3。指定組件的空間約束關系，以創(chuàng)建產(chǎn)品種類的組件和組件之間的空間關系，在產(chǎn)品族中的代表使用裝配約束關系。在計算機輔助設計軟件的裝配模塊中，如支持/工程、裝配等約束關系，如匹配、對準、插入和切向等。在這里，根據(jù)起重機的層次結構，零部件和組件之間的關系是建立使用裝配約束提供的專業(yè)/工程師。圖2表示門戶框架中的組件之間的裝配約束關系。
2.4。為了使零件、零部件和起重機的設計參數(shù)發(fā)生改變時，為了使零件、部件和起重機的新的三維模型發(fā)生改變，從而建立起到頂部尺寸約束關系，從而建立零件或部件的設計參數(shù)。設計參數(shù)由設計人員根據(jù)零件或部件的結構設計。尺寸變量，這是自動生成時，三維模型的零件或組件，控制真正的幾何尺寸和拓撲關系的一部分或一個組件。因此，為了使設計參數(shù)發(fā)生變化時，零件、部件或吊車的精確的新模型得到改變，應準確構造設計參數(shù)和尺寸變量之間的關系。商業(yè)計算機輔助設計軟件，如專業(yè)/工程師提供的功能，建立設計參數(shù)和設計參數(shù)和尺寸變量之間的關系。必須指出的是，每一部分都將被用來組成一個組件。所有的引用而不是對部分實體將失效，必須重新開業(yè)。因此，重要的是要設置所有的參數(shù)的模型的一部分。
2.5。部件或產(chǎn)品的裝配約束關系的基礎上，根據(jù)起重機的層次結構模型自下而上的方式產(chǎn)生的，一個設計師能盡快的任務已經(jīng)分配給他開始建立零件三維模型。另一方面，三維建模組件設計器所獲分配只能在其子組件和零件已創(chuàng)建啟動。因此，實際的建?；顒邮亲韵露系倪^程，從層次結構的產(chǎn)品結構的葉子開始。根據(jù)起重機的層次結構和組件和零件之間的裝配約束關系，生成了零件的三維模型。對零件模型的參數(shù)進行評估，并在組裝前進行修改一個組件。如果有必要修改部分后，它已被組裝，應刪除部分和一個新的模型的部分進行評估，以適當?shù)膬r值和被組裝。所有的設計參數(shù)必須在部件或組件的模型上設置。無設計參數(shù)是在系統(tǒng)中的起重機裝配模型上設置，以避免在任何參數(shù)發(fā)生改變后，在整個起重機模型再生故障。圖3顯示了基于組件和零件之間的約束關系的繁榮的三維裝配模型。圖4和圖5基于裝配約束關系的子組件和零件之間不同的門戶框架顯示3D模型。
3。有限元分析中的有限元分析模型的生成，數(shù)學模型應盡可能準確地模擬真實物體、載荷和約束條件，得到可靠的結果。在整個起重機結構上，應進行有限元分析。由于結構非常大，復雜，任何有限元軟件包的商業(yè)計算機輔助設計軟件是不夠的，以滿足任務。ANSYS是選中是因為其強大的分析功能。同樣的道理，在ANSYS中不能采用板單元。Beam188單元的建立起重機有限元模型。在ANSYS中，兩種建模模式提供了建立有限元模型，即人機交互模式也叫GUI模式和命令流輸入模式也被稱為APDL模式。雙模式也有優(yōu)點和缺點，這是在參考文獻中描述。一個總結的GUI和ANSYS的APDL圖案的背景知識，起重機的有限元模型是基于組合模式的建立。首先，對起重機有限元模型可以通過ANSYS的GUI模式構建。第二，CAE分析起重機進行相應的日志文件也產(chǎn)生。日志文件可以通過使用ANSYS APDL參數(shù)化設計語言所提供的一些變化后，已在部分修訂，組件或起重機。
該起重機包括生成模型的APDL，載荷和約束的施加，建立了有限元求解、后處理。生成的模型由參數(shù)定義、節(jié)點/單元/節(jié)建立有限元分析模型等新的起重機是通過運行APDL文件構造。實現(xiàn)了有限元模型的同步更新和分析。參見圖6和7的有限元模型和應力分析圖的起重機結構。
4。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是為了管理起重機的設計與制造的所有信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，由計算機輔助設計/凸輪集成系統(tǒng)的各個模塊共享，使程序獨立于數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，必須采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)微機如FoxPro、Visual Foxpro、SQL Server等，微軟SQL Server 2000是最后的選擇。
4.1。為了GDB和深發(fā)展加快設計，提高設計質量，減少重復工作，兩種數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)設計。一個被稱為通用數(shù)據(jù)庫（GDB）。其他特殊的數(shù)據(jù)庫（SDB）個人起重機。GDB是一個參數(shù)化的數(shù)據(jù)庫，包括各種參數(shù)化零件和常用的起重機結構組成。部件和組件被存儲在多個分支和層次，作為一個樹結構。雖然有可能是大量的矩形板的一個組成部分，例如，在繁榮，在梁，…只有一個參數(shù)化的矩形板在每一個分支，以減少冗余。GDB可以被所有設計師的公司參觀。
當一個設計師給設計的一個組成部分，他可以先搜索gdb的相應部門利用現(xiàn)有的參數(shù)化零部件和組件的三維模型構建。同時，信息的零件和部件的使用記錄在SDB。他可以修改在GDB的零部件如果他們稍有不同，從什么是需要的。他甚至可以創(chuàng)建一個新的參數(shù)化零件和組件并將它們保存到GDB的機關批準。
SDB是專為每一個個體的起重機和包含所有零部件用于起重機結構。它們也存儲在一個樹結構中。不同于GDB，每一部分都有相應的記錄，在深發(fā)展。參數(shù)化變量被確定值替換。隨著這些，代碼，名稱，存儲位置，位置，材料，重量，重心，制造等參數(shù)的參數(shù)。一些數(shù)據(jù)，例如重量的一部分，計算的一部分已被縮放。
SDB可以用來創(chuàng)建BOM，建立有限元模型，安排零件在數(shù)控切割鋼板，焊接和制造工藝裝置設計。
4.2。數(shù)據(jù)庫結構與數(shù)據(jù)庫的使用，一些一般性的問題將被解決：數(shù)據(jù)完整性：在一個文件系統(tǒng)中，設計師誰保存的文件的變化，然后刪除由設計師誰保存的文件之后。但同時，采用數(shù)據(jù)庫的交易機制，在同一時間，一個計算機輔助設計模型不能同時進行修改。直接關系：模型的數(shù)據(jù)實體的直接關系，三維模型之間的技術依賴關系可以很容易地發(fā)現(xiàn)。直接關系給設計者一個提示，在模型的改變之后，模型也必須改變。中心數(shù)據(jù)管理：數(shù)據(jù)中心庫提供備份和版本控制的幾個優(yōu)點。數(shù)據(jù)聚類：數(shù)據(jù)的聚類速度的數(shù)據(jù)訪問，因為每個設計師可以得到所需的信息，在他的本地PC。這是非常重要的分布式和協(xié)同設計項目。我們已經(jīng)使用了實體關系（二）模型，這是一個流行的高層次的概念數(shù)據(jù)模型，設計數(shù)據(jù)庫。這種模式及其變化經(jīng)常被用于數(shù)據(jù)庫應用程序的概念設計，和許多數(shù)據(jù)庫設計工具采用其概念。二型模型描述數(shù)據(jù)的實體，關系和屬性。二型代表是一個實體，它是現(xiàn)實世界中的一個獨立存在的基本對象。每個實體都有屬性，即描述它的特定屬性。一個特定的實體將有一個值的每個屬性。描述每個實體的屬性值成為存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)的一個重要部分。一個關系型R在n個實體類型E1，E2…恩定義的關聯(lián)或關系集從這些類型的實體之間的。實體類型和實體集的關系類型及其對應關系設置統(tǒng)稱同名的R.
根據(jù)起重機的層次結構，數(shù)據(jù)庫具有實體。每一部分，組件和起重機可以被表示為一個實體，它具有設計參數(shù)描述的屬性。在起重機產(chǎn)品零部件之間的空間關系表示為關系集R的數(shù)據(jù)庫采用微軟SQL Server和組件對象模型（COM）。
5。CAD／CAM集成的基于Visual C++和SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為管理工程數(shù)據(jù)庫和Pro/ENGINEER用于建立三維模型，采用Visual C++作為
編程語言構建計算機輔助設計/凸輪的整體系統(tǒng)。第一個原因是Visual C++是一個可以訪問SQL數(shù)據(jù)庫語言。其次，當我們設置GDB必須訪問數(shù)據(jù)庫以及訪問的三維模型，利用Pro/TOOLKIT，這是第二利用Pro/ENGINEER提供的軟件包。當我們處理的是深發(fā)展，我們也需要訪問數(shù)據(jù)庫和參數(shù)化模型的同時，做一些修改。Visual C++是強大的編譯程序能訪問Pro/Engineer和SQL Server 2000的同時，實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信。第三、Visual C++是一種面向對象的編程軟件有許多優(yōu)點。
6。本文介紹了基于工程數(shù)據(jù)庫的集裝箱起重機結構計算機輔助設計/凸輪一體化系統(tǒng)的設計。基于自上而下的層次化的產(chǎn)品結構、特征技術、裝配約束關系，利用Pro/ENGINEER提供的自底向上的裝配工藝和尺寸關系到頂部，一個三維參數(shù)化模型的CAD平臺的建立是為了讓家庭的起重機的可行的配置生成。一個總結的GUI和ANSYS軟件APDL圖案的背景知識，基于復合模式建立了該橋的有限元模型。實現(xiàn)了有限元模型的同步更新和分析。利用微軟SQL Server 2000，兩種數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)與CAD/CAM集成系統(tǒng)的各個模塊進行設計。數(shù)據(jù)共享整個系統(tǒng)。以Visual C++的幫助下，實現(xiàn)了CAD／CAM的集成開發(fā)方法。該系統(tǒng)可以大大提高港口集裝箱起重機結構設計效率和開發(fā)凸輪機械結構復雜的大型結構的應用提供一個平臺。
致謝本文受上海市重點學科建設項目，資助號：T0601。
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原文：
LathesCAD/CAM OF CRANE’S STRUCTURE BASED ON ENGINEERING DATABASE
ABSTRACT According to the specialties of CAD/CAM for largescale complex structures of machinery, a CAD/CAM system based on engineering database for crane’s structures is proposed in this paper. Based on the top-down hierarchical product structure, feature technology, assembly constraint relationship, bottom-up assembly process and down-to-top dimension constraint relationship, a CAD platform of 3D parametric model family is built to allow generation of feasible configurations of crane structures. With a sum up of background knowledge of GUI and APDL patterns of ANSYS, the finite element model of the crane is set up based on composite pattern. Synchronous updating and analysis of FEA model are realized. Two kinds of engineering databases are constructed in the system. One is a parameterized database and contains all kinds of parameterized parts and components common used in crane structures. Another is designed for every individual crane and contains all parts and components used in crane structure, where parameterized variables are replaced by definite values. The later can be used to create BOM, to build FEM model, to arrange parts in the steel sheet for numerical control cutting and to design technological apparatus for welding and manufacture. Microsoft SQL Server is selected to construct the databases and the CAD/CAM integration is achieved using MS VC++6.0 and Pro/TOOLKIT.
KEYWORDS CAD/CAM, Structure, Crane, Engineering database, 3D design
1. INTRODUCTION The international trades which increase rapidly in the last few decades rely on the transportation chains of world logistics. The abilities of the deepwater ports to swiftly handle and distribute the large quantity of containers and goods which are surging in
continuously play a key role in the logistics chains. Almost all ports in the world are busy expanding nowadays. The port cranes increase rapidly all over the world in the recent years. The port cranes are very large and complex machines and becoming larger, more automatic and with higher speeds to meet the huge ships and the great quantity of load and unload. Comparing with normal machines, it has a unique component that is the huge and complicated structure. The characters of CAD/CAM for crane’s structure are: a) Crane’s structure has various types and a lot of design parameters to meet the different natural, environmental and operating conditions of every harbor. b) The structure is consisted of several components. Every component is formed by welding numerous parts. Although a lot of parts are rectangle plates, their thickness may vary continually along the component to reduce the weight while keeping enough strength. In addition, there are lots of construct details to let the component support external loads. So the components are very complicated. c) The design of the structure should conform to the requirements about strength, stability, bucking, cumulative damage and vibration frequency etc. of the Standards and Specifications. So it is necessary to do finite element analysis on the structure. As the structure is very large and complex, any FEA package of commercial CAD software is insufficient to handle the complex structures of crane. d) The techniques of CAM for crane structure are comparatively simple. Especially numerical control cutting and automatic welding are widely used in most factories. An integrated CAD/CAM for the crane’s structure is proposed in this paper. It is mainly based on the technologies of parametric 3D modeling, finite element analysis, engineering database technique, Pro/ENGINEER, ANSYS, MS Visual C++ and Microsoft SQL Server. The system includes building CAD platform of 3D parametric model family for crane, setting up FEA model, the second exploiting of 3D parametric model, the synchronous updating and analysis of FEA, construction and collection information of parametric and certain models of parts, components and cranes and supply a platform to develop the application of CAM.
2. CAD PLATFORM OF 3D PARAMETRIC MODEL FAMILY FOR CRANE In order to support the designing of crane family, CAD representations for product platform is developed to allow generation of feasible configurations of cranes, components and parts for each family member and then scaling them to the desired size. The framework of CAD model platform for port container crane has to provide support functions listed as follows:
2.1. Decompose crane into components and parts based on top-down hierarchical product structure To be able to facilitate design tasks to the members of a development team, a crane to be designed has to be structured in some way. The well-known hierarchical product structure is used for this. A crane consists of a number of components. Each component can either consist of a number of subcomponents or be a part. The first type of component is called a compound component (in following text, we only call it as component), the second type a single component (we call it as part below). The product structuring continues recursively in this way, until all components at the lowest level in the hierarchy are parts. So the product is structured in a top-down way, creating as many levels as desired by the designers. Figure 1 shows a simplified hierarchical product structure of a container crane. 2.2. Construct 3D part model based on feature technology Feature technology provided by CAD software platform such as Pro/ENGINEER, Solidworks etc. includes: a)Draft features which are fundamental geometry characters produced by drawing cross sections and stretching, rotating or scanning them; b)Attachment features which are added to the fundamental characters include hole, round corner, collapse corner and so on. According to the feature technology describes above, the 3D models of the parts of the container crane are generated.
2.3. Specify spatial constraint relationships of components to create product variety The spatial relationships among the components and parts in the product family are represented using assembly constraint relationship. In the assembly module of CAD software such as Pro/ENGINEER, constraint relationships in assembling, for example, matching, aligning, inserting and tangential etc. are provided. Here, based on the hierarchical structure of crane, relationships among parts and components are built using the assembly constraints provide by Pro/ENGINEER. Figure 2 represents the assembly constraint relationships among the parts of portal frame.
2.4. Establishment of down to top size constraint relationship In order to regenerate the new 3D model of parts, components and crane when the values of design parameters are changed, a down to top size constraint relationships between size variables and design parameters in a part or component should be built. Design parameters are established by designers according to the structure of part or component. Size variables, which are generated automatically when 3D models of parts or components are built, control the real geometrical size and topological relationship of a part or a component. Therefore, in order to regenerated the accurate new model of a part, a component or crane when the values of design parameters are changed, the relationship between design parameters and size variables should be constructed accurately. Commercial CAD software such as Pro/ENGINEER has provided function to set up design parameters and build relationships between design parameters and size variables. It must be pointed out that every part would be used to compose a component. All the references which are not on the entity of the part would be invalidated then and must be setting up again. So it is important to setting all the references of parameters on the model of the part.
2.5. Generation of component or product assembly model based on constraint relationships in bottomup way Based on the hierarchical structure of the crane, a designer can start building 3D model of a part as soon as the task has been assigned to him. On the other hand, 3D modeling of a component by a designer to whom it was assigned can only start just after its subcomponents and parts have been created. So the actual modeling activity is bottom-up process, starting at the leaves of the hierarchical product structure. According to the hierarchical product structure of the crane and assembly constraint relationships among components and parts, 3D models of a component desired are generated. The parameters on the model of a part should be evaluated and can be modified before it is assembled to a component. If it is necessary to amend the part after it has been assembled, the part should be deleted and a new model of the part is evaluated to the proper values and to be assembled. All design parameters must be setting on the models for parts or components. No design parameter is setting on the assembling model of the crane in the system to avoid failure in regenerating the model of whole crane after any parameter has changed. Figure 3 shows the 3D assembly model of the boom based on constraint relationships among subcomponents and parts. Figure 4 and 5 show 3D models of different portal frames based on assembly constraint relationships among subcomponents and parts.
3. GENERATION OF FEA MODEL FOR THE CRANE In finite element analysis, the mathematical model shall simulate the real object, loads and constraints as accurately as possible to get the reliable results. The FEA should usually be carried out on the whole crane structure. As the structures are very large and complex, any FEA package of commercial CAD software is insufficient to fulfill the task. The ANSYS is selected because of its powerful structural analysis functions. As the same reason, the plate elements in ANSYS could not be adopted. The beam188 elements are used to build the FEA model of the crane. In ANSYS, two modeling patterns are provided to build the FEA model, i.e. the human-machine interactive pattern also called GUI pattern and the command stream flow input pattern also known as APDL pattern. Two patterns have also advantages and shortcomings which are described in reference literature. With a sum up of background knowledge of GUI and APDL patterns of ANSYS, the FEA model of the crane is built based on composite pattern. First, FEA model of the crane can be built through ANSYS GUI pattern. Second, CAE analyses of the crane are carried out and corresponding log file is also generated. The log file can be amended by using parametric design language APDL provide by ANSYS after some changes have been made on the parts, components or crane. The APDL of the crane including generation of model, imposing of load and constraint, finite unit solution and post treatment is built. Generation of model consists of parameter definition, node/unit/section establishment etc. A new FEA model of the crane is constructed by running the APDL file. Synchronous updating and analysis of FEA model are realized. See Figure 6 and 7 for the FEA model and stress analysis chart of a crane structure.
4. DATABASE SYSTEM In order to manage all the information about design and manufacture of crane, achieve the data to be shared by every module of CAD/CAM integration system, keep the programs independent from the data and guarantee the data integrality and security, the database system must be used. Among the popular database management systems for microcomputer such as FoxPro, Visual FoxPro, SQL Server and so on, Microsoft SQL Server 2000 is final selected.
4.1. GDB and SDB In order to speed up design, improve design quality and reduce repeat work, two kinds of databases are designed in the system. One is called general database (GDB). The others are special databases (SDB) for individual cranes. The GDB is a parameterized database and contains all kinds of parameterized parts and components common used in crane structures. The parts and components are stored in many branches and levels as a tree structure. Although there may be lots of rectangular plates in a component, for example, in the boom, in the girder,…. There is only one parameterized rectangular plate in every branch to reduce redundancy. The GDB can be visited by all designers of the company. As soon as a designer is assigned to design a component, he can first search the corresponding branch of GDB to make use of the exis