CA6140車床主軸箱變速器三維設計及仿真（含全套CAD圖紙）
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CA6140車床主軸箱變速器的三維設計及仿真摘要:CA6140車床作為主要的車削加工機床，在機械加工行業(yè)中得到了普遍的應用。CA6140車床主軸箱的主要功用是支撐并且傳動主軸，使車床的主軸帶動工件用特定的轉速轉動。本次畢業(yè)設計運用計算、驗算、實驗等方法，確定了運動方案和實現(xiàn)結構優(yōu)化設計，通過功能設計與計算，運用Solidworks三維軟件完成了零部件的建模與裝配、實現(xiàn)裝配動態(tài)仿真。將CA6140車床主軸箱的內部結構以及工作原理，更生動形象的表達出來。 關鍵詞:CA6140機床主軸箱；建模與裝配；三維結構設計；運動仿真Three dimensional design and Simulation of the transmission of the CA6140 lathe main axle boxAbstract:The CA6140 lathe as the main turning processing machine tool, has been popular applied in the manufacturing industry. The main function of CA6140 lathe headstock is the support and transmission shaft, the lathe spindle drives the workpiece rotate with the prescribed speed. The design is based on the computation, analogy and experimental methods, completed to determine the motion scheme and structure design, the design and calculation, modeling and assembly, using Solidworks 3D software complete parts assembly,dynamic display. the internal structure of CA6140 lathe headstock and working principle, more vivid image expression。Keywords: CA6140 machine; headstock; dimensional animation目 錄摘要Abstrat 目錄1 緒論.11.1 研究意義.11.2 研究現(xiàn)狀.11.3 課題研究內容與方法.11.4 設計方案可行性分析.21.5 小結.22 總體設計方案.32.1 主軸箱的組成和特點.32.2 主軸箱的主要參數(shù).32.3 傳動系統(tǒng)及其方案的確定.43 車床主軸箱的設計計算.63.1 主軸箱的箱體.63.2 軸主要零件設計計算.73.3 軸主要零件設計計算.163.4 軸主要零件設計計算.223.5 軸主要零件設計計算.283.6 軸主要零件設計計算.313.7 軸主要零件設計計算.343.8 主軸箱的裝配效果圖.363.9 小結.394 車床主軸箱的運動仿真.41總結與展望.43致謝.44參考文獻.45III1 緒論1.1 研究意義車床的應用極為廣泛，主要用于加工各種回轉表面，其中 CA6140車床是臥式車床應用最廣泛的一種。 CA6140型普通車床的主要組成部件有：主軸箱、刀架、溜板箱、進給箱、尾架、床身等1。1)檢驗理論知識：本次關于CA6140車床主軸箱的三維設計，對過去所學的機械設計專業(yè)理論知識進行了全面檢驗，在設計過程中發(fā)現(xiàn)自身在以前學習過程中所忽略和不會的部分，并進一步加強和學習。2)完善理論知識：在完成本次畢業(yè)設計的過程中，發(fā)現(xiàn)了許多我從未學過的新知識，對新知識的學習，擴大了自己的知識面，完善了自己的基礎理論知識。并且提高了自己對于三維設計軟件（Solidworks）的使用能力、三維設計、三維建模的能力。3)應用理論知識：在本次畢業(yè)設計過程中，應用所學的機械專業(yè)理論知識，對車床主軸箱做了外觀和部分零部件尺寸方面的優(yōu)化設計，并借助Solidwork三維軟件，繪出主軸箱整體及其零部件的三維設計圖，并且生成裝配體效果圖，直觀的表現(xiàn)出調整后主軸箱的整體及零部件的外觀、形狀、尺寸及裝配特點。1.2 研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的車床主軸箱設計方法比較復雜，尤其是在制造新零件時需制造模具和調整機床，有準備時間周期長，誤差大，加工零件的精度很難達到標準要求等缺點，在設計過程中圖紙和數(shù)據(jù)更改也比較費事，需要投入大量的時間和精力，如果使車床主軸箱的設計一開始從三維實體造型開始，整個產品的設計過程從草圖，實體，裝配，虛擬樣機，都可以利用三維呈現(xiàn)出來。將大大減少了產品的設計過程時間，提高了開發(fā)設計效率，使產品變得更加形象、具體，更利于開發(fā)者的觀察和修改。現(xiàn)在流行的三維軟件Solidworks完全符合這個要求，為機械三維產品的設計提供了一種便捷的方式。1.3 課題研究內容與方法進一步了解了車床的發(fā)展歷程，尤其主要學習CA6140車床的主軸箱，并且采用計算、類比和實驗、模擬等方法，完成運動方案的確定和機構優(yōu)化設計，通過功能設計與計算、完成零件建模與裝配、三維結構設計和造型設計、完成零件圖與裝配效果圖，實現(xiàn)裝配動態(tài)展示等任務。1.4 設計方案可行性分析車床主軸箱因為其內部結構復雜，性能受制造參數(shù)影響較大，到目前為止，車床主軸箱的設計仍然采用比較傳統(tǒng)的方法，設計人員都是利用二維視圖來進行設計，使產品的設計和制造周期較長。現(xiàn)在出現(xiàn)的三維技術可以方便的進行繪圖，并且擺脫了二維設計的局限性。而且利用三維技術可以創(chuàng)建參數(shù)化模型，實現(xiàn)車床主軸箱的優(yōu)化設計，減少了設計過程的時間，提高了產品的開發(fā)設計效率。1.5小結通過系統(tǒng)的對普通車床CA6140和Solidworks軟件的學習，使我對我的畢業(yè)設計有了一定程度的了解。對三維設計技術的使用也變得更加熟練。為以后的學習提供了一種高效、便捷的方式。2 總體設計方案2.1 主軸箱的組成及特點CA6140車床主軸箱是一個比較復雜的傳動部件，其主要功用是支撐并且傳動主軸，使車床的主軸帶動工件用規(guī)定的轉速轉動。2.2 主軸箱的主要參數(shù)工件最大回轉直徑：400mm工件最大長度（四種規(guī)格）：1000mm主軸孔徑：48mm主軸前端孔錐度：400mm主軸轉速范圍：正轉：101400r/min;反轉：141580r/min加工螺紋范圍：1192mm/ 224牙/英寸 模數(shù)：0.2548mm 縱向進給量范圍：0.1mm，橫向進給量：0.05mm刀架快速移動速度：4m/min主電機：功率：7.5千瓦；轉速：1450r/min快速電機：功率：370瓦；轉速：2600r/min冷卻泵：功率：90瓦；流量：25L/min2.3 傳動系統(tǒng)及其方案的確定確定主軸的極限轉速：車床主軸的最小旋轉速是10mm/s,最大的旋轉速是1400mm/s，車床主軸的轉速調速范圍是確定車床主軸旋轉速度的公比： 確定主軸的轉速級數(shù)Z：由圖及系統(tǒng)傳動路線得，主軸正轉時，傳動路線（-軸）使主軸有23=6級正轉，第二條（-軸）使主軸有2322=24級正轉，總共可獲30級正轉。反向旋轉時，有級反轉。但是由于車床軸-之間有四種傳動方式，且傳動比為: 車床主軸只有級正向旋轉，這樣車床主軸實際上獲得級正向旋轉。同樣的道理，車床主軸只獲得級反向旋轉。確定車床轉速結構網或者結構式： 式中：Z為車床的主軸旋轉轉速級數(shù)；為每個變速組的傳動副數(shù)量；為每個變速組的。所以車床轉速結構式是 選定電動機：CA6140車床電機選擇Y132M-4，電機的滿載旋轉速速是1440r/min，電機的功率是7.5kw。分配主軸箱的總降速傳動比：總降速傳動比3式中：為車床主軸最小旋轉速度。確定傳動軸的軸數(shù)：車床傳動軸的數(shù)量等于車床變速組的數(shù)量加上車床定比傳動副的數(shù)量再加一，最后結果為6繪制轉速圖圖2-.1 轉速圖主軸運動的傳動路線為：圖2.2 傳動路線表達式3 車床主軸箱的具體設計3.1主軸箱的箱體箱體尺寸選擇表長寬高()箱體的壁厚(mm)5OO 5OO 3OO8-125OO 5OO 3OO-8OO 5OO 5OO1O-158OO 8OO 5OO12-2O表3.1箱體在主軸箱中起支承和定位的作用。床主軸箱箱體上主要軸的安裝和定位如下：圖3.1 安裝位置示意圖3.2 軸主要零件設計計算3.2.1 普通V帶傳動設計選擇V帶：工況系數(shù)查機械設計表7-7得 計算功率 （3-1）確定V帶：由功率和小帶輪，查機械設計圖7-12，選取A型V帶。計算V帶輪的基準直徑：查機械設計表7-4、7-5選用，帶輪的帶速一般是在。 （3-2）取V=10m/s，符合要求。大帶輪的基準直徑 （3-3）計算中心距b、帶長c，并且驗算包角：中心距： V帶基準長度 ： （3-4）查機械設計表7-5有實際中心距有： （3-5）因為中心距的變動范圍是（b-O.O15 b+O.O3） 驗算：，符合要求.計算帶輪帶的根數(shù)Z： （3-6）查機械設計表7-6有，查表7-8有，查表7-9得，查表7-2得 ，得計算初拉力、軸壓力：式中：q帶的單位質量，查表7-1，有圖 3.2 帶輪1. 離合器的設計設計過程選用離合器時，外摩擦片內徑尺寸要比花鍵軸大計算摩擦片數(shù)目Z： （3-7）式中：；式中：；）； ；b內摩擦片接觸寬度（mm）;；根據(jù)平均圓周轉速，查機械設計指導取=1.00；=0.76；=1.00；計算空載功率損耗：最后計算離合器在軸向的壓緊力Q： （3-8）離合器摩擦片的厚一般取，分離時取最大的間隙為 2. 軸和齒輪的設計齒輪的計算：在主軸箱內軸 I 和主軸箱內軸 II 相嚙合的齒輪中，選著小齒輪齒數(shù)是12,一對相嚙合的齒輪中大齒輪的齒數(shù)為，取，選計算 ： （3-9） 由上面的計算可以得到：； （3-10） （3-11） （3-12） （3-13）代入中小值計算V：由 機械設計 得 （3-14）計算齒輪的齒寬 ，由機械設計得： （3-15）計算，由機械設計得： （3-16） （3-17）計算載荷系數(shù)：差機械設計表8-4，有使用系數(shù),差機械設計表 8-5，有 由,及查機械設計圖8-14a有 （3-18）校正所分度圓直徑， 由，代入數(shù)據(jù)得：確定模數(shù)m ：根據(jù)齒輪齒根的彎曲強度進行設計，查機械設計式8-26有， （3-19）由機械設計圖8-27a查得。機械設計圖8-29有計算載荷系數(shù)：查應力校正系數(shù)： 計算，并對大小齒輪加以比較： （3-20） （3-21）得大齒輪數(shù)據(jù)大設計計算: （3-22）代入數(shù)據(jù)：，整圓成，選擇m=2.25 按m=2.25,大齒輪和小齒輪的齒數(shù)是：幾何尺寸的計算：同理得各齒輪參數(shù)如下：齒輪： 齒輪的小齒輪：齒輪的分度圓直徑是齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪的大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒齒輪的根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪： 齒輪的小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪的大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪: 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪的齒寬是：取 軸的計算 （3-23）式中：；選擇最小段是30mm 3. 主要零件的校核齒輪的校核:彎曲應力: （3-24）接觸應力（MPa） （3-25）式中：N齒輪傳遞功率； （3-26） （3-27）式中：; ；傳到I軸的時候最大的旋轉速度是：齒輪的校核: =1250MP符合強度要求。齒輪562.25的校核：=1250MP符合強度要求軸校核； （3-28）式中:。代入數(shù)據(jù)故此傳動軸合格圖3.3 軸軸承校核: h （3-29） 帶入數(shù)據(jù)得:故此軸承合格圖3.4 軸裝配圖3.2 軸主要零件設計計算3.3.1 軸和齒輪的設計同上原理：齒輪的計算，齒輪 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪: 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 軸的計算 （3-30）式中：P功率n軸轉速r/min取最小段為25mm3.3.2 主要零件的校核齒輪校核：彎曲應力 （3-31）接觸應力 （3-32）式中符號代表參數(shù)同上。 齒輪：， =1250MP雙聯(lián)滑移齒輪符合標準齒輪：， ，N=5.71kw=1250MP故此處理合格齒輪的：， N=5.1kw=1250MP故此齒輪合格齒輪， ， N=5.1kw=1250MP故此齒輪合格圖3.5 齒輪建模軸校核 （3-33）式中：;。代入數(shù)據(jù)故此傳動軸合格。圖3.6 軸校核軸承： h （3-34）式中：；。 帶入數(shù)據(jù)：故此軸承合格圖3.7 軸裝配圖3.4 軸主要零件設計計算3.4.1 軸和齒輪的設計同上原理：齒輪的計算，齒輪 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪 齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 軸計算 （3-35）；所以得選取軸的最小段是 30mm3.4.2 主要零件的校核齒輪校核:彎曲應力 （3-36）接觸應力（MPa） （3-37）式中符號代表參數(shù)同上： （3-38）傳遞到三軸的時候最大的旋轉速速是：N=5.42kw三聯(lián)滑移齒輪412.25齒輪， ，=1250MP三聯(lián)滑移齒輪合格圖3.8 三聯(lián)滑動齒輪 ， （3-39）P故此齒輪合格齒輪：， N=5.1kw （3-40）=MP故此齒輪合格齒輪：mm N=5.1kw=1250MP故此齒輪合格 圖3.9 齒輪建模軸校核: （3-41）式中符號代表參數(shù)同上： 代入得故此傳動軸合格。圖3.10 軸軸承校核額定壽命 h （3-42）式中符號代表參數(shù)同上： 帶入數(shù)據(jù)得，故此軸承合格圖3.11 軸裝配圖3. 5 軸主要零件設計計算3.5.1 軸和齒輪的設計同上原理：齒輪的計算，齒輪 ， 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 齒輪 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 軸計算：同上原理mm選用軸的最小段是 25mm3.5.2 主要零件的校核同上原理齒數(shù)， 齒寬 mm =1250MP故此齒輪合格582齒輪：=1250MP故此齒輪合格圖3.12 齒輪建模軸校核，同上原理：故此傳動軸合格。軸承校核，同上原理:故軸承校核合格。圖3.13 軸裝配圖3.6 軸主要零件設計計算3.6.1 軸和齒輪的設計同上原理：齒輪的計算，齒輪 小齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 大齒輪：齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 軸計算，同上原理：選用最小段是3.6.2 主要零件的校核同上原理，齒輪校核：斜齒輪，齒寬mm，=1560MP故斜齒輪合格圖3.14 斜齒輪齒輪：=1250MP（5-105）故此齒輪合格圖3.15 80齒輪齒輪：=1250MP （5-107）故此齒輪合格圖3.16 50齒輪軸校核：故此傳動軸合格。圖3.16 軸軸承校核：故軸承合格。圖3.17 軸裝配圖3.7 軸主要零件設計計算3.7.1 軸和齒輪的設計同上原理：齒輪的計算，齒輪 齒輪的分度圓直徑是 齒輪的齒頂高是 齒輪的齒根高是 齒輪的齒全高是 齒輪的齒頂圓直徑是 齒輪的齒根圓直徑是 軸計算：選用最小段是 。3.7.2 主要零件的校核同上原理，齒輪校核：的齒輪，故此齒輪合格。圖3.18 50齒輪軸校核:故此傳動軸校驗合格。軸承校核故軸承校核合格圖3.19 軸裝配圖3.8 主軸箱的裝配效果圖圖3.20 主軸箱裝配圖3.9 小結本章節(jié)主要介紹了CA6140車床主軸箱的內部結構，齒輪的設計和驗算，軸的設計和驗算，離合器的設計等，完成了對整個車床主軸箱的三維設計和仿真。4 CA6140車床主軸變速箱運動仿真（1）打開Solid Works裝配體，使用Solid Work進行運動仿真首先新建一個Solid Work運動算例。位置在軟件的左下角。如下圖所示：圖4.1（2）打開Solid Work運動算例，操作面板在軟件的下方，打開操作面板，如下圖所示： 圖4.2（3）為旋轉軸添加電機，電機操作面板的電機圖標。如下圖所示圖4.3（4）馬達的操作面板如下圖所示，可選擇馬達旋轉方向，可輸入馬達旋轉速度。圖4.4（5）單擊運算按鈕，添加馬達的旋轉軸，就會按照我們設定的轉速和旋轉方向進行旋轉。 可以通過操作面板的時間指針來控制運動仿真的時間。圖4.5（6）單擊保存按鈕，可以將仿真的動畫，保存為視頻。如下圖所示：總結與展望CA6140車床主軸箱是把車床由動力源而來的動力以扭矩形式傳送到車床主軸，它的結構復雜巧妙，功能形式多樣，要在把它的結構和功能在軟件中全部制作出來，設計和建模的工作量會很大。在僅有的幾個月的時間內，本次設計盡量的把主要的零部件和運動形式完整的設計出來，在三維造型裝配的時候省去了部分細部結構和作用不大的零部件。所有也有所遺憾。在這次設計過程當中我也遇到了很多很多的其他問題，比如，三維實體設計軟件使用不熟悉，不靈活，不能完全把軟件的功效發(fā)揮出來，對零部件的參數(shù)計算時也出現(xiàn)了許多問題。最后通過自身努力和許多人的幫助，我成功的完成了本次畢業(yè)設計，通過本次畢業(yè)設計使我對機械三維設計產生了濃厚的興趣，也考驗了我在大學期間的學習成果，了解自己真實的水平和存在的不足之處，讓我收獲頗豐。就這一次設計，我的感悟是：總的安排非常重要。時間要充分合理的安排，不然就會有盲目性，無法開頭，還有就是要有足夠的知識儲量。面對困難不氣餒，堅持不懈。最后才能順利的按時完成了本次設計的任務。參 考 文 獻1 曹金榜.機床主軸變速箱設計指導，北京機械工業(yè)出版社，19872 威克機床，北京機械工業(yè)出版社，19873 （德）斯推番.E.機床齒輪變速箱最佳傳動方案，上海上?？茖W技術出版社，1965，4 韓秋實械制造技術基礎，北京一機械工業(yè)出版社，20105 劉傳紹.機械制造工藝學，北京電了工藝出版社，20056 紀名剛機械設計，北京高等教育出版社，2006.7 楊雪寶機械制造裝備與設計西北工業(yè)大學出版社.2010.8 李國斌機械設計基礎機械工業(yè)出版社出版2001.9 唐亞鵬.,SolidWorks模具設計高級教程.北京:人民郵電出版社,2004.10 楊麗，楊勇生，李光耀.SolidWorks零件設計M.北京：清華大學出版社200211 陸玉.馮立艷. 機械設計課程設計M. 北京：機械工業(yè)出版社，201112 高成慧,付正飛.Solidworks與AutoCAD相結合實現(xiàn)直齒圓柱齒輪的三維參數(shù)化設計,2006.13 王秀玲.基于Solidworks的齒輪三維造型方法研究J.機械設計與制造,2006.14 鄭鵬飛.數(shù)控機床主軸變速箱的設計J.制造業(yè)自動化，2011.15 任濟生，唐道武.機械設計基礎M.北京：中國礦業(yè)出版社，2008.16李秀娟主編. Auto CAD繪圖2008簡明教程.北京：北京藝術與科學電子出版社.200917解璞等編著.AtuoCAD2007中文版電氣設計教程.北京: 化學工業(yè)出版社，200718辛文彤.Solidworks2012中文版從入門到精通.人民郵電出版社, 2012,0 102008快樂電腦一點通編委會編著.中文版AtuoCAD2008輔助繪圖與設計.北京：清華大學出版社.200819凌云.朱金生.機械設計實用機構運動仿真圖解.電子工業(yè)出版社,2014,0120楊雪寶.機械制造裝備與設計.西北工業(yè)大學出版社,2010.21 李國斌.機械設計基礎.機械工業(yè)出版社出版,2010致 謝又是一年畢業(yè)季，不知不覺我已經在中北大學信息商務學院度過了四年的大學生活，在此期間，經歷了許多歡聲笑語，也經歷了許多困難和險阻，給我留下了諸多美好與歡樂的記憶。而今天，在離開學校即將踏上社會的難忘時刻，又讓我想起了在大學期間度過的種種難忘情景。我要感謝在大學期間一直支持和幫助我的家人、老師、同學，是他們一直支撐著我前進。最后，當我交上這份最后的答卷時，這里不僅有我的辛勤的努力，還包含了他們對我的幫助和關愛。在這里，我首先要感謝吳淑芳老師這幾個月來對我的指導與幫助，在畢業(yè)設計的過程中，得到了指導老師的諄諄教誨和悉心關懷，在老師的精心指導和熱情幫助下，解決了諸多我難以解決的問題，其中無不凝聚著老師對學生的心血和汗水。老師的指導和幫助使我終身受益。此時，我要衷心祝愿老師身體健康，工作順利，桃李滿天下。感謝我的父母，親人，朋友，敬愛的舍友，他們總是在我最需要幫助和關心的時刻出現(xiàn)，是他們一直伴隨著我在大學四年里的成長。雖然我與你們的相處不總是一帆風順的，但是，我始終相信著我們的情感紐帶是永遠不會斷裂的。最后，感謝中北大學信息商務學院，感謝機械工程學院機械四班，讓我在這里度過了快樂的時光，擁有了許多美好的回憶，使我學到了豐富的專業(yè)知識和社會生存技巧，我將永遠珍惜我的大學時代，珍惜在大學的每一時刻。45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 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 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 CRANES 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 spmtcshmtu.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?；谧皂斚蛳碌膶哟谓Y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CADCAM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)建產品種類的組件和組件之間的空間關系，在產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生的，一個設計師能盡快的任務已經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。CADCAM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CADCAM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。引用Chandrupatla, T., and Belegundu, A., (1991), Introduction to Finite Elements in Engineering, Prentice Hall. Claesson, A., Johannesson, H., and Gedell, S., (2001), Platform Product Development: Product Model a System Structure Composed of Configurable Components, Proc. 2001 ASME DETC/CIE Conference, Pittsburgh, ASME, New York, ASME Paper No. DETC2001/DTM-21714 Conner, C. G., De Kroon, J. P., and Mistree, F., (1999), A Product Variety Tradeoff Evaluation Method for a Family of Cordless Drill Transmissions, Proc. 1999 ASME DETC/CIE Conference, Las Vegas, ASME, New York, ASME Paper No. DETC99/DAC-8625. Martin, M. V., and Ishii, K., (2002), Design for Variety: Developing Standardized and Modularized Product Platform Architectures, Res. Eng. Des., 13(4),pp. 213235. Meyer, M. H., and Utterback, J. M., (1993), The Product Family and the Dynamics of Core Capability, Sloan Manage. Rev., 34(3), pp. 2947. Nayak, R. U., Chen, W., and Simpson, T. W., (2002), A Variation-Based Method for Product Family Design, Eng. Optimiz., 34(1), pp. 6581. Peak, R. 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VRML Consortium, (1997), The Virtual Reality Modeling Language: International Standard ISO/IEC DIS 14772-1. 原文：LathesCAD/CAM OF CRANES STRUCTURE BASED ON ENGINEERING DATABASEABSTRACT According to the specialties of CAD/CAM for largescale complex structures of machinery, a CAD/CAM system based on engineering database for cranes 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 cranes structure are: a) Cranes 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 cranes 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
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