的技术特点与水泵CAD

0 7 J ) 一 现代 C AD 的技术特点 与水泵 CAD 邋 避 刘善琨李世煌王国玉 7 - H 3 2 ( 北京农业工程大学水机教研室) 摘要：本文介绍了近几年 C A D技术的发展情况， 着重分析了现代 C AD技术 的几个突 出特点，同时 结僵 国 内水泵领 域 的实 际应用情 况， 总结 了国 内水 泵 CAD 存 在 的主要 问题， 提 出了今 后的 发展 方向 主 题 词 ： 盘 壅计 算 机 辅 助 设 计 蓬 C A P 1 前言 近 几年来， CAD 技术发展很快， CAD 在 国外 已发 展成 为一 门独立 的 学科， 有 了一 套 比 较系 统的理论和方 法， 产生 了 一些相 关的 技术 标 准 。特别是 CAD 与 CAM 的 有机 结台 ， 更 给 CAD 增添 了无 限的活力 。 相 比之下， 尽 管 国 内近几 年 在水泵 CAD 领域也傲 了不少工作， 但 总的来看 ， 这些工作主 要集 中在水 力设计 与绘 图两个方 面， CAD 的 应用水平还 比较低， 投有体现出现代 CAD 的 技术特点。表现比较突出的是： 没有有效地贯 彻CAD有 关 技 术 标 准 ( 如GK S ，即 I S O 一7 9 4 2 ) ： 没有与 C A M( 计算机辅助制造) 结 合在 一起： 投 有被 称为 现 代 C AD 系 统的 核 心模块 一 CA D 数据管理 系统； 硬件档次较低， 限制 了许多 CAD功能 的开发 。 其实， 计算机技术发展到今天， 为我们提供 了丰 富的硬件条件 与软 件环 境， 只要 充分利 用 这些 先 进 的手 段和 方法， 国内水泵 C A D 的工 作在 较 短的 时 期 内有一个 较 大的发 展是 可 能 的 2 关于支撑软件 末 秉技 术 1 9 9 3 1 如果 说国内水泵 CAD起 点较 低的话， 一个 重要的原因就是国内的水泵 CA D 系统没有选用 完善的 C A D支撑软件做支撵。文献 1 指出， 支撵 软件在 一套 完整 的机械 CAD 系统 中起 着 举足轻 重的地位， 它直 接决定 着整个 系 统 的规 模和水平 。 当今 的 C A D， 已不 象 过 去那样， 靠 开 发者 ( 用户) 编制所有的程序模块， 许多工作 可以由 支撑软件来 自动完 成( 例 如零 件 的 干涉检 查 阅 题) 支撑软件的引八， 尤其是国际著名的支撑 软件的使用， 是九十年代 C A D技术的一大特 点 。 引支撑软件， 不仅在于 节省 开发 时间， 更 重 要的是： 1 使应用程序 能独立 于特 定 的硬 件 环境， 方便 地进行移植 - 如美 国洛克希德( L o c k h e a d ) 公 司开发的 CA DA M，是 国 际著 名 的 CAD CAM 支撑 软 件 。它覆盖 大型机 中型机、 工作站和 3 2位超 级微机。用户使用 C A DA M 在任一种计算 机 上开发 的应用软件， 都将 保证 在 其 它的 机型上 是源代码级( 源程序级) 兼容的。 2 能更 有 效 地 贯 彻 C A D 的 有 关 技 术 标 准 目前， 专 门涉及 C AD 技 术 的 国际标 准( 由 I S O 和 1 EE E 发 布)就 有 好 几 个，如 GKS 、 维普资讯 GKS ，GKS一3 D，P HI GS ，J GE S等，有 的还 在讨论 制定过 程中。假 如用户直 接按照这 些标 准去编程， 将 是一件 相 当艰 苦 的工作 。如果 用 户采 用了比较先进 的支撑软件 在非必需时， 可 不 必关 心具体的标 准， 从而 解 除 因为 执 行这些 标 准而带来的种种 困惑。因为支撑软件本 身一 般是能保证用户用其开发的程序 自动满足这些 标 准 的 0 ) 3 支撑 软件能直接提 供丰富的 CAD功 能 如：基 本 图元 制作 、 图形 的 自动 消 隐、 零 部件 干涉 检查、 尺 寸 的 自动 标 注、 部 件的应 力 应变分析和机构 的运 动模 拟等 这些 功能， 有 相当_部分单靠开发者 自己几乎是不可能实现 的 。 4 使 用户的支撑软件直 接支持 CAM 借助先进 的支撑 软件， 在零 件 的几 何建模 与结构 分 析 完 成 之 后， 可 在屏 幕 上 直接 进行 CAM 的交 互 图形编 程， 自动 计算 刀具 中心运 动轨迹， 并 在屏幕上 模拟零 件的实际加工情 况 。 如 果离 开 了支撑 软件， CAD 的结 果 不 可 能直接被 CAM 所 用，在 一 定程 度上 失 去 了 CA D 的意义 。 5 、 使应 用软件的技术升级有了保证 对 于一些著 名 的支 撑软件， 其研 制者总 是 在不 断追逐 世界计算 机 技术 的最 新发 展， 不 断 进行版本更新。用户用此开发的应用软件， 一 般只要 稍加修改， 便能适应新版本的支撑软件， 但此时在软件功能以及软件所适应的硬件对象 方面都可能有 了相当大的变化， 因此， 随着计算 机软硬件的变化，用户的应用软件也会不断 自 动 升级 。 目前， CAD 的支撑软件有两太类： 一 类 是 集 成 化 的 C AD CAM 系 统，如 CA DAM、I DE AS E UC u D 等。这 一 类 软 件基本上提供 了所有现代 C AD 的功 能， 如 几 何建模、 优化方法、 有限元结构分析、 机构 运动 模拟 C NC ( 计算机数控) 指令输出， 甚至 C A P P ( 计算机辅助工艺过程) 分析等 这类软件 由 著名公 司的专业技术人员开发。通常价格较贵， 从几千美元到数万美元不等 。 6 另 一类 是曲一些分散的单项功 能很强 的模 块联台构成 CAD 的支撑软 件系 统 。这 类 支撑 软件使 用灵活， 单项功能很突 出， 但 总体功能 一 般不 如集 成化 的支撑软件 。总体报价要便 宜 一 些 。 综 台 国内 水泵 CAD 的实 际应 用 情 况，目 前基本 上是 选 用 Au t o CAD 作 为绘 图 系统、 选 用 d B A S E ( 或 F 0X B A S E) 作为数据库管理系 统的。严格来讲， A u t o C A D( 1 0 0 及以下版本 ) 与 d B A S E ( 或 F OX B A S E ) 都算不 上 C A D 的 支撑 软 件 因 为 它 们 在许 多 方 面 并 不 满 足 CAD 支撑软件的基本要 求 。 选择先 进 的 CA D 支撑 软 件作 支 撑， 是 国 内水 泵 C AD 下一步 发 展的 一 个重点， 也是 改 变水泵 CA D 发展缓幔 的一个 突 破点 。即使不 能 马上 选购集成化 的支撑 软件， 也可暂 用分 散 式 的支撑 软件 来过 渡。文献 ( 1 )列 出了 目前常 见的几种著名的 C A D 支撑软件， 可供选择时 参考 。 3 计算机的运转模式 国内 的水 泵 CA D 工作 太多 是 在 微 机( 如 3 8 6或 4 8 6 ) 上 开展 的 实 际 上， 单 就 高 档 3 8 6 微 机的硬件 来讲 ， 档次并不很低， 一般配有 4 MB 内存，1 2 0 MB左 右 的 硬 盘 ， CP U 字 长 为 3 2 位。 这种配置与工作站 比较 接 近。但 是， 由于 国内的水 泵 CA D 系 统 采用 DOS作 为计 算机 的操作 系统， 这 从根 术上 限制了 3 8 6硬 件 功能 的发挥。I n l e l 8 0 3 8 6 c P U的本身提供了保护运 行机制， 但 DO S却是一个在实模式 下运行的 操作系统， 它不能利用 3 8 6的保护模式 保护模式与实模式的最大区别在于它们对 硬 件资源的利用情况 不 一样， 从 而也 直接 影 响 着许多软件的运转。最典型的一个问题是实模 式下不 能对高 内存寻址， 一 台配有 4 MB内存 的 3 8 6计算 机，DoS也 只能 拿 出 6 4 0 k B来 执 行程序， 高 出 6 4 0 k B的 3 4 MB内存空间只 能用 做数 据缓 冲 区或虚 拟盘 。这 就是 通 常 所 称 的 6 4 0 k B内存 限 制。这 样， 用 户 的应 用程 序 稍大 水 采技 术 1 9 9 3 1 维普资讯 一 点， 计算机便会显示 No c n o L lg h me mo r y t o r u n t h e p r o g r a m ， 实 际上 并不是 真 的 内存 不 够 。 C A D 工作， 从参数输人到零件加工 刀具 运 动轨迹的输 出， 中问要 经过 分析 计算 ， 显示模 拟 等一系列工作， 处理 大量 的数据， 经常要使 图形 系统、 数据库系统以及分析计算系统同时在计 算机 内并发 运转 。显而易 见， DOS是无 能 为力 的这从一个侧 面， 决定 了国内水泵 CAD 技 术一直 发展 比较缓慢 解决 的办法 就是更 换计 算机韵操作系统 。使其在保护模式下运转 。 目前， 能 使微机 在保 护模 式 下运 转的 操作 系 统 ( 操 作 环 境)主 要 有 Os 2、W DO W s 3 0 3 1 、 uNI X ( XENI X) 和 DOS E x t e n d e r ， 其 中能灵活发挥 3 8 6计算机 3 2位字长优势的， 是 U N I X 和 DOS E x t e n d e r ， 这 也 是 目前 在 微 机上开 展 机械 CAD 使用最 广 泛的 两种操 作 环境 。 D0S E x t e n d e r是美 国 P h a r L a p公 司开发 的，它 由 RUN 1 3 8 6 、3 8 61 L I NK、3 8 61 VMM 、 3 8 6 1 AS M 和 3 8 61 DE B UG等组成 。它主要是为 熟悉 DOS的用 户 开 发 完 成 的， 它 使 用 简 单， Au t o CA D1 1 0 3 8 6就是 一个在 DOS E x t e n d e r 下运行的典型例子 。DoS E x t e n der 能使 DOS 突破 6 4 0 l ， B内存 限 制， 直 接使用 大 内存， 但 它 也有 两 个 明显 的 弱 点： 一 是 在 DOS E x t e n der 下可供选择的软件及 相 应 的开 发工具 很少； 二 是它毕竟不能突破单用户和单任务的限 制。 U X S VR 4 2是 目前 能 最 大 限 度 发 挥 3 8 6功 能 的微 机 操 作 系 统， 这 是 美 国 AT T 公 司 在 1 9 9 2年 6 月 发 表 的 它 从 根 本 上 解 除 了 DOS的 6 4 0 k B内存 限制， 而且 使 机 器 可 同时并发运行 多任务， 直接支持多终端( 多用户) 一 起操作。同时在 UNI X下， 可方便地选择各 种有效的支撑软件， 在某种 程度上， U X 已成 了开展 C AD 工作的标准操作系统0 当然， UNI x 比 DOS要 庞 大的 多、 复杂 的 多， 国 内一般用户在 近 期 内灵 活驾驭 U N 1 会有一定难 度， 但这毕竟是一个发展方 向， 应 引 起 注意 。 水 泵技术 1 9 9 3 1 、 除此之外， 辫 决 问题 的另一 种 途径 是 直接 将 C A D 工作 由 3 8 6微 机转移 到 工 作 站 上 进 行。 国外 的 CAD 工作 基本 上 都是 在 工作 站 上进行的 工作站 的价 格 比几年前已有 了大 幅度下降， 目前一 台中档工 作 站 只相 当 于两 台 3 8 6或 4 8 6微机 的价格， 井在 硬件条件和 软件 条 件方面将会得到很 好 的支持 况 且， 工 作 站 在 它的 C P U 主板上均有 以太 网接 口( E t h e me t I n t e r f a o e ) ， 可直 接人 网运 转， 达到 一定 范 围 内 的资源高度共享。文献( 1 ) 埘 目前可供选 择的 几种工作站作 了介绍 。 4关于 CAM 八十年代之前的 CAM， 是与 C AD相 互独 立 的， 那时， 主要 用 APT语 言进行机械零件 数 控加工手工编程 。 目前 国内水泵厂 主要 还是采 用这种方式来 进行数控加 工的。 进人八十年代 以来， C AD 与 CAM 的接 台 日益 紧密 国外着手将设计 的各 个环节 同制造、 管理 等 工作直 接 沟通， 统一 应 用程 序 库、标 准 件 库 和 公 共 数 据 库，逐 步 形 成 了 完 整 的 C AD C AM 一 体化 系 统在 这 些系统 中都 已 成功地开发 了 C NC ( 计 算机 数 控) 的交 互 图形 编 程系统 。 所谓交互图形编程系 统 就是 在进 人 C AM 系统后， 先 读 出 CA D 的设计结果并 显示 图形， 然后交互操作， 提取所 显示 图形 的有 用 的几何 数 据和 拓朴 联接信 息， 据 此计算 零 件 外型 的外 等距 线和 内等距 线， 从 而 得到 刀 具 中心位 置 轨 迹并存盘( 存盘文件称为刀位文件) ， 再调用特 定机床的后置处理程序对刀位文件进行适当处 理， 最 后输出相应 机床 及 其控 制系 统所 能 接受 的控 制指令 。 在现代 C AD C AM 系统中， CAM 同 C AD 的联接方式是决定整体系统效率和 功能 强弱的 重要 因素具体接 口方 式主要 有 两种， 即松 耦 合 联接与紧耦台联接 。 所谓松耦台联接是指 以数据文 件的方 式来 完成 CAD与 CAM 之 间的联接( 当然数 据文件 一 7一 维普资讯 的格式 应符 合 I GE S标 准 ) ， 这是迄今为止被 广 泛采用的方法之一 。这种接 口方式具有一定 的 灵括性， 在 特定 的条件下促进 了 C A D C A M 系统的发展， 但管理的数据量有限制， 不适应并 行 操 作，存 贮 效 率 低 在 非 集 成 式 的 CA D C AM 系统 中， 住 往 由于 CA D 与 CAM 系统是 由两 个软件 开 发 商所开 发， 因此 一般采 用这种联接方式。 所谓紧耦合联接是 指 以公共 数据库的方式 来建立 cA D 与 CAM 之间的资源共享， 达 到 C _AD 与 0 M 的 自动 联接 。这种 联接方 式简单易用， 大大提高 了工作效率， 体现 了现代 cAD 的技 术 特点， 在 近几 年 推 出的集 成 化 的 C _A D， 0 M 支撑 软件中， 一般都 采用 这种联接 方式 。 由于 国内的水泵 C AD 与 C AM 工作基本 是独立的， 因此， 尚谈 不上采用紧耦合方式进行 CAD与 CA M 的联接， 甚至用松耦合方 式开展 工作的还不多见。 要 想从根 本 上提 高 国 内水 泵设 计 制 造 水 平， 必须 注重对 CA D 0 M 一体化 的 研 究， 尤其是选好 CA D CA M 支撑 软件。应 该注 意 到， CA D CA M 的效 益是 无穷 的， 尽 管 国 内过 去在 这方面并不很成功 。 5 C A D 系统中的数据管理 CA D 过程 中所 涉及 的数 据量 大、 种 类多、 结构 复 杂、 动 态性强 ， 既有 图形数 据 又有 非 图 形数据； 既有 产品定 义 数据 又有设 计 与控制 数 据 。 随着 CAD 技 术 的 广 泛 应 用， 对 CAD 过程中的数据管理也逐步由数据库管理系统代 替原来的文件管理 系统上 文 巳提到， 目前正 在发展的 C _A D 0 M 系统大 都 是 以工 程数 据 库为 中心的集成系 统， 所有 的应 用程 序都从 这 个数 据 库 中存取 数 据。数 据库， 成 了 CA D 系 统运 行 的核 心， 这 是现代 CAD 的又 一个 明显 特征 。 纵 观 国 内的水泵 CA D 系统 ，目前 基 本 上 还停 留在文件管理系统 的阶段 。有许多单位在 一 8 一 水 泵 CAD过程 中引入 了 曲 AS E或 F 0XBA S E 数 据 库， 但 一般 只用傲 管理 水 力模 型 数 据， 它一 设 有， 也 不可 能 用来 管理 CA D 过程 中的 动 态 数据其根本原因在于 d B A S E ( 或 F 0XBAS E) 不可能 与图形 系统( 如 Au t o CAD 同 时在 内存 中运行 ， 只能借 助 硬盘 文 件交 替 进 入 d B AS E 和 A u t o c A D， 因此这种数据管理方式的实质 还依然是文件管理 。 现 巳明显地 看 出文件 管 理 系 统 难 以 满 足 cAD CAM 技术 一体化的要求 ， 尤其是 难 以适 应 CAM 的需要 。因而， 采用具 有数据共享、 与 程序 独 立、 集 中管理、安全 一致 和 并发 控制 功 能 的数据库管理系统成 了国 内水 泵 CAD 急 需 解决的又一新课题当然， 如果直接选购国际 上 著 名 的 cAD cAM 一 体 化 支 撑 软 件，如 A和 C AD A M 等， 这个 问题便 自然解决 了 如 果 暂 时 还 不 能 直 接 选 购 一 体 化 cAD 0 M软件， 可 以借 助现 有 的商 用数据 库管理 系统来解 决 。不过， 这也 是 一个 不小 的 课 题， 需 对 商用 数据 库作 较大 改 造， 这 是CAD 领 域 的一个 研究 热 点。 国 内有 人正 在 研 究 用 oRACLE实现水泵 CA D 的动态数据管理 6开发应用软件的几点建议 1 几何造型技术 几何造 型有线框 模型 、 表 面模 型和 实体 模 型 。国 内现大多采 用 的是线 框 模型， 从 发展 的 角 度看 ， 为了能有效 地进 行 机构 的空 间运动 模 拟 以及应力应变分析等， 建议 今后将水泵 CA D 的造型 重点 转移到实 体造 型上来 。现在 微机上 的一些图形软件( 如P I Nq A u t o C A D1 1 0 1 2 0 等) 配 备 了 实 体 造 型 功 能 ， I J NI X 工 作 站 上 的 软件更 能方 便地 实 现实 体 造 型 功 能 ( 如 E UCL I D)。 2结构 的有限 元分析 CA D 之所 以能在 机 械结 构设 计 方面 以精 确计算 代替 经验计算 ， 有 限元 法 的应 用是 其 中 重要原 因之一 。有 限元 结构分 析( 包 括 其前后 处 理 程 序) 是 现 代 c AD 的 一 个 重 要 组 成 部 水 泵技 术1 9 9 3 1 维普资讯 分 它较为准确地确定零 件 的应 力应 变 分布， 这 一点对大型水泵的设计显得尤为重要 。 除了集成化的 C A D C A M 软件具有有限 元分 析功能之外， 还 有 一些 独立 的有 限元 分析 软件包可供选择， 如 在 工作 站和小 型机 上应 用 较 广 泛 的 s AP 6( CoS M0S ) 、NA S T RAN、 ANS YS和 ADI NA 等， 在 微 机 上 运 行 的 有 ANS YS P C V5 0以及 s A P6的 微机版 等 总 的来看， ANS YS在 国内应用 比较普遍 。 3 三元流场的分析技术 国内有许多 单位开 发 了比较有效的三元 流 场分 析 计 算 程 序， 但 流 场 分析 结果 缺 乏直 观 性。 随着计算机 图形 学技术 的发 展， 已能够 灵 话 地全 方 位 动 态 模 拟 流 场 的 速 度 及 压 力 分 布 因此， 有必要 对流场计算 的后 处理 技术 作更加系统的研究， 从而为充分利用流场分析 的结果作进一步 的二次开发奠定基础。 4程序模块间的接 口 现在， 许多商品化的软件包都有内嵌式的 高级 语言接 口从 近几年 的发展 情况 看， C 语 言 占有突 出的地位， 如 Au t 0 CADl 1 _ o 0R ACL