（机械电子工程专业论文）机电产品计算机辅助设计平台的研究及应用.pdf

中文摘要 摘要 随着机械电子学的发展和机电一体化技术的推广，机械电子工程已经成为机 械设计、微电子技术、计算机控制及信息技术相互交叉、渗透的学科，其应用已 经遍及国民经济的各行各业。从发展趋势来看，必须用系统的观点走机电结合的 道路，才能满足各种机电系统的性能设计和分析要求，研究和总结机械电子工程 设计的规律和方法。 计算机辅助设计是利用计算机硬件、软件系统和辅助设计人员进行工程和产 品设计、修改、显示和图形输出的一种现代设计方法。本文提出基于计算机辅助 设计的产品设计平台，也是顺应产品设计对现代设计方法的需求这一趋势。在总 结机电产品一般性设计方法的基础上，应用模块化分解的办法，使产品设计过程 在计算机上得到实现。 本文的研究工作主要是针对于c a d 作业方面。探讨在机电产品设计过程中， 采用计算机现代设计方法，搭建计算机辅助设计平台系统的方法，从而提出计算 机辅助平台模块化设计的一般性步骤。现代设计有很多种方法，本文只是对于计 算机辅助设计平台进行了研究。本平台集成了机电产品设计中需要用到的一般性 通用模块，对于特殊的设计，设计者可以对本平台进行改进和扩充。 为了验证本文所述方法的正确性和直观性，对滚动轴承的设计应用本平台的 方法和步骤，自行开发出一个集计算、选型与验算的设计平台。与传统设计方法 相比较，本平台的研究和应用有较好的经济效益和社会效益，对机电产品计算机 辅助设计平台的研究理论和方法提供了一般性的步骤，对同类产品设计平台的设 计工作有一定的促进作用。 关键词：计算机辅助设计，计算机辅助设计平台，通用模块，机电产品， 滚动轴承 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a le l e c t r o n i c sa n dt h ep o p u l a r i z a t i o no f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a li n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ，m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g h a sb e c o m eo n eb r a n c ho fm u t u a lo v e r l a p p i n ga n do s m o s i sa m o n gm a c h i n e r yd e s i g n ， m i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e rc o n t r o la n dt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n dw h i c hi s a p p l i e de x t e n d i n ga l lo v e rt h ev a r i o u sw a l k so fl i f eo fn a t i o n a le c o n o m y 。s e e i n gf r o m d e v e l o p m e n tt r e n d ，t h ev i e w p o i n to fs y s t e mf o rc o m b i n e sb e t w e e nm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a l ，c a ns a t i s f yt h ec a p a b i l i t yd e s i g na n da n a l y s i so fv a r i o u sm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a l s y s t e m s ，r e s e a r c h i n ga n ds u m m i n gu pl a wa n dm e t h o do fm a c h i n e r y e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gd e s i g n 。 c o m p u t e r - a i d e dd e s i g ni so n ek i n do fm o d e r nd e s i g nm e t h o do fu s i n gc o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e ma n da s s i s t i n gd e s i g n e rt oc a r r yo ne n g i n e e r i n ga n d p r o d u c td e s i g n ，m o d i f i c a t i o n ，d i s p l a ya n df i g u r ee x p o r t 。t h i sp a p e rp u t sf o r w a r df o r i n t e l l e c td e s i g np l a t f o r mt oc o m p l yw i t ht h i sd e v e l o p i n gn e e d s ，b a s e do ns u m m e r i n g g e n e r a ld e s i g nm e t h o do fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t ，a p p l i n gt h em e t h o do f m o d u l a r i z a t i o nd e c o m p o s i t i o nt om a k er e a l i z a t i o ni nc o m p u t e r 。 r e s e a r c hw o r ko ft h i s p a p e rc h i e f l y d i r e c t a g a i n s t a tt h ea s p e c to fc a d s a s s i g n m e n t 。i n q u i r i n gi n t ot h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c td e s i g nc o u r s et op u t u pt h ei n t e l l e c td e s i g np l a t f o r ms y s t e mb a s e do nt h em o d e r nd e s i g nm e t h o d o f c o m p u t e r ，t h u sp u t f o r w a r dt h e g e n e r a ls t e p o fc o m p u t e r - a i d e d p l a t f o r m m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n 。m o d e m d e s i g nh a sal o to f k i n d so f m e t h o d s ，a n dt h i sp a p e ri s o n l yt or e s e a r c ho ni n t e l l e c td e s i g np l a t f o r m 。t h ep l a t f o r mi n t e g r a t e sg e n e r a lm o d u l e n e e d e di nd e s i g no f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t s ；f o rs p e c i a ld e s i g n , t h ed e s i g n e r c a ni m p r o v ea n de x p a n dt h ep l a t f o r m 。 i no r d e rt ov e i l f yc o r r e c tn a t u r ea n dd i r e c tn a t u r eo fm e t h o ds t a t e di nt h i sp a p e r ， a p p l y i n gt h em e t h o da n ds t e po f p l a t f o r mt od e v e l o pad e s i g np l a t f o r mw h i c hi n t e g r a t e s c a l c u l a t i o na n dm o u l ds e l e c t i n ga n dc h e c k i n gf o rr o l l i n gb e a r i n g 。 c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o nd e s i g nm e t h o d ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h i s p l a t f o r mh a v eb e t t e re c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n ds o c i e t yb e n e f i c i a lr e s u l t ，a n dt h i sp a p e r p r o v i d e sg e n e r a ls t e p f o rr e s e a r c h t h e o r ya n dm e t h o d o fm e c h a t r o n i cp r o d u c t c o m p u t e r - a i d e dd e s i g np l a t f o r m ，a tt h es a m et i m e ，p r o m o t e st h ed e s i g nw o r ko f a f f i n i t yp r o d u c td e s i g np l a t f o r m 。 i i i 重庆大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，c o m p u t e r - a i d e dd e s i g np l a t f o r m ， m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t ，g e n e r a lm o d u l e ， r o l l i n gb e a r i n g i v l 绪论 1 绪论 一般来说，机器的质量取决于设计的质量。制造过程对机器的质量所起的作 用，本质上就在于实现设计时所规定的质量指标。因此，机器的设计阶段是决定 机器好坏的关键。随着世界经济一体化进程的到来，市场竞争也是越来越激烈， 这样对生产厂家以及设计单位在设计产品方面提出了更高的要求：快速、准确、 优化。 长期以来，传统的设计方法在产品设计中占据了主要地位( 图1 1 ) ，设计 工作的很大一部分集中在计算数据和绘制工程图纸上面，这主要体现在技术设计 阶段；而且，在设计工作中对某些重要的或者外形及受力情况复杂的零件需要进 行精确的校核计算，根据校核的结果，反复地修改零件的结构及尺寸，直到满意 为止。这样一般都要修改前期的设计方案和一些关联的数据参数等，由此以来， 设计的工作不胜其烦，工作量很大，给设计人员带来了很大的不便。设计的结果 一般是根据经验来确定是否合适，不能设计出更能满足要求的产品，相应也使产 品设计周期加长。 图1 1 传统设计方法设计机器的步骤 f i g1 1s t e po f m a c h i n e d e s i g n b a s e d0 1 1 t r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d 在设计过程中，有创造性的思维劳动( 如构思设计方案) ，有综合性的分析 及判断( 如评价方案的优劣) ，也有复杂的计算及精密的绘图工作等，综合来说， 设计者的工作量很大，而且要做很多重复性、繁琐的工作。传统设计要求设计者 重庆人学硕士学位论文 完成所有环节的工作，必然导致设计工作量大、设计效率低等问题。 由上图可以看出，在整个设计过程中，创造性的思维劳动和综合性的分析及 判断主要集中在计划和方案设计两个设计阶段，而技术设计阶段则包括复杂的计 算及精密的绘图工作等，这个阶段涉及许多重复、繁琐的工作，对设计来说，主 要是技术细节上的完善，对设计者的要求并不很高。所以，本文主要以此阶段的 设计工作为研究对象，希望提出、建立一个采用计算机辅助设计方法自动化完成 部分设计工作的模型，并对其细节部分进行研讨。 由于现代科学技术和生产的迅速发展，对产品的设计质量和设计速度提出了 更高的要求。市场竞争的加剧，使传统手工设计方法越来越难以适应现代化发展 的需要，迫切需要采用新的现代设计方法，计算机辅助设计的出现大大缓解了这 种矛盾。 随着电子计算机技术、应力应变分析的有限元素法以及优化设计理论等几个 方面的飞速发展，现在应用计算机和绘图设备来帮助设计人员进行工程和零件设 计。整个设计过程是使用了一套程序系统，设计过程通过人机对话来进行。这一 技术的发展和应用，使得那些以前难以想象的庞大的设计工作量，在很短的时间 内即告完成，并能取得相当高的计算精度，对于减轻设计人员的工作负荷和提高 设计质量有很大的实用意义。 计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程和产品设计，以实 现最佳设计效果的一种技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动【2 j 。 随着高科技产业的迅速发展，计算机辅助设计已成为一门新的学科，它是现代设 计方法的一个重要方面。 1 1c a d 技术的发展及其在机械工业中的应用【3 】【4 】 5 【6 】 从5 0 年代开始至今，经过了4 0 多年的发展，在技术上和应用上，均达到了 相当成熟的阶段，而且，c a d 软件，现在已经发展成为一个产业，广泛应用于机 械、电子、航空、汽车、轻工、建筑、纺织、船舶等领域。 8 0 年代初，由于超大规模集成电路的发展，3 2 位微机和大容量存贮芯片投入 实际应用，出现了超级小型机、工程工作站、超级微机和个人计算机；各种商品 化的支撑软件，如绘图软件，有限元分析软件、数据库管理软件等投入市场。由 于c a d 技术的迅速发展，现已经形成了一个以研究开发、生产制造、推广应用到 销售服务等一整套完整的高技术产业。 1 2 国内外c a d 技术发展的现状和特点 国外c a d 技术发展的主要特点表现在5 】： 2 l 绪论 ( 1 ) 基础软件商品化。国外些高技术产业公司，在基础软件商品化方面， 做了大量的工作，也取得了很多成果。比如，在图形系统方面，美国a u t od e s k 公 司推出了a u t o c a d 系列图形软件包，已由1 6 版本发展到现在c a d 2 0 0 2 ，成为微 机绘图的主要基础软件。而s d r c 公司的i - d e a s 、毋m 公司的c a t i a 、p t c 公 司的p r o e n g i n e e r 、e d s 公司的u g i i 等都是在工程工作站上应用的具有强大绘图 功能的图形基础软件。除此之外，在有限元分析、优化设计、数据库管理系统等 方面，近年来也相继推出了许多实用的商品化软件。由于这些商品化软件大量投 入市场，在很大程度上促进了c a d 技术在企业中的应用。 ( 2 ) 推广应用普遍化。由于硬件和软件技术的不断发展和完善，特别是商品 化基础软件的不断推出，c a d 技术在国外应用十分普遍。据统计，在发达国家中， c a d 技术在制造企业的应用，其覆盖率高达7 0 以上。一些大中型企业的产品设 计，全部由计算机完成。如美国的通用汽车公司，日本的大隈公司、m a z a l ( 公司 等，在c a d 技术的应用方面，均达到了非常高的水平。 ( 3 ) 极力推进智能化、集成化和自动化。国外的c a d 技术发展很快，目前 正大力发展第四代c a d 软件产品【2 】。第四代c a d 软件产品中应用了新的理论和 新的算法，国外有人称之为“下一代c a d 系统”，它是一种支持新产品设计的综 合性环境支持系统，能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的 产品设计工作，但目前第四代c a d 系统在商业化上并不成熟。数据库技术的发展， 对c a d 技术的发展和推广、应用起到了很大的促进作用，实现了真正完全数据库 下集成的c a d 系统。网络技术的发展，大力推动了在工作站和网络环境下的高性 能c a d c a m 集成系统。智能化方面，虽然目前设计型专家系统完善的程度和商 品化的推广还不是很好，但是c a d 系统的智能化是极有发展前途的技术。 我国c a d 技术发展现状： ( 1 )我国的c a d 技术起步于6 0 年代末，可以说是与工业发达国家基本同 步的。“六五”和“七五”期间，我国在c a d 技术的各个方面开展了许多研究、 开发和推广应用工作，取得了一定的成果，为生产力的发展起到了可喜的促进作 用。“八五”期间，根据抓应用、促发展的方针，又重点抓了c a d 技术的推广应 用工作。根据1 9 9 2 年抽样调查的结果可知【5 】，机械电子行业已有c a d 系统1 6 0 7 6 套，航空工业系统约有9 0 以上配备了不同档次的计算机，工程设计院9 0 以上 的计算工作量、5 0 左右的方案设计、3 0 左右的绘图工作量通过c a d 完成。近 几年来，国产化c a d 软件的开发方面也取得了新的发展，这对进一步促进c a d 技术在我国企业中的应用起到了很好的作用。 ( 2 ) 尽管我国在c a d 技术的研究、开发和企业中推广应用等方面，取 得了很大的成绩，但是与工业发达国家相比，无论是在应用或开发的广度上，还 重庆大学硕士学位论文 是在应用或开发的深度上，都还存在着很大的差距。这些主要表现在【7 】： a 我国自主版权的软件，其商品化程度低、可靠性较差、功能单一、集成化 程度低，难以进入市场； b 国内c a d 软件技术的推广应用还很不普遍。在制造业领域，真正采用c a d 技术进行产品设计的，其覆盖率的很低。 c 虽然引进了不少c a d 软件，但其功能都没有得到充分的利用。而且c a d 软件的引进和应用、开发之间，地区之间的发展也很不平衡。 由此可见，进一步开展c a d 技术的研究、开发和在企业中的推广应用，仍是 我国从事c a d 技术工作的人员的一项繁重和迫切的任务，同其它许多工程领域一 样，大力开展机电产品c a d 的研究、开发和应用，加速c a d 软件开发人才的培 养，迅速提高工程技术人员的c a d 应用素质，是提高机电产品的设计水平和效率 的迫切需要。机电产品设计中各部分部分所占比重如下【，】： 功能分析 7 5 工程分析 1 1 设计成型1 9 5 绘图与技术文件编制3 l 制造工艺1 7 其他1 4 由上可以看出，计算机辅助设计可以担负前面四项的工作和第六项工作的一 部分，约占机电产品设计全部工作量的8 0 8 5 。所以，加大机电产品计算机辅 助设计平台的研究、应用和开发是非常必要的，对整个行业的设计、生产以及其 他环节有着至关重要的影响。 综上所述，根据c a d 技术的特点，我们应该采取引进与自主开发相结合的方针， 加速我国c a d 技术的发展。无论是学习、消化、使用引进的c a d 系统，或是自主 开发c a d 应用软件，其关键问题是需要一支掌握计算机软硬件及c a d 技术的队伍。 因此，在工程技术人员中，学习c a d 技术，是应用和推广c a d 的关键。 1 3 基于现状的思考 在技术发展水平上，我国与发达国家在很多方面上存在着差距。另外，也由 于上述的原因和现状，我们进一步开展c a d 技术的研究、开发和在企业中的推广 应用就成为十分必要和紧迫的任务。 我国自主版权的软件，存在着商品化程度低、可靠性较差、功能单一、集成 化程度低等弱点，而且国内c a d 技术的应用和推广也不大普遍，更重要的是发展 不平衡，行业之间的差距比较大，这些都不利于进一步促进c a d 技术在我国企业 中的应用取得更大的作用，而且也不利于提高产品设计水平。 现在引进了很多c a d 软件，但是功能都没有充分利用，而且由于我国的国情 的决定，很多行业特别是一些企业需要开发自己的c a d 软件，以满足设计、生产 和交流的需要，所以，很有必要对c a d 软件设计技术进行深入的探讨和研究。 4 1 绪论 机电系统涉及国民经济的各个领域，是生产、制造和质量管理的重要组成部 分，机电系统设计需要更高层次的现代化设计手段。实施机电系统c a d ，是获得最 佳设计效果和提高设计效率的重要保证。 基于上述考虑，论文以机电产品计算机辅助设计软件为研究对象，对其理论 基础、设计途径、实现方法以及设计内容等方面进行研究和探讨，希望能有引玉 之效。 1 4 论文研究内容 论文在回顾传统设计理论的基础上，根据生产和设计的需要，以机电产品计 算机辅助设计平台为研究对象，对计算机辅助设计平台的理论基础、设计途径、 实现方法以及设计内容等方面进行深入研究，提出了计算机辅助设计平台搭建过 程中需要用到的一般性步骤和方法，对其中涉及的关键技术和应该注意的问题进 行研究，并提出一些具体的实现方法。 论文的主旨是集成的计算机辅助平台设计，重点放在设计的自动化和过程的 集成化方面。为了更好的体现论文所阐述的思想以及验证论文所提出的方法，最 后给出了一个实例，并与传统的实际方法进行比较，从而提出行业产品设计中如 何实现本行业计算机辅助设计平台的构建思路。 具体的研究内容如下： ( 1 ) 计算机辅助设计平台系统的集成、构成； ( 2 ) 计算机辅助设计平台通用模块的设计和实现方法： ( 3 ) 计算机辅助设计平台通用模块的数据接口； ( 4 ) 数据的存储和传输； ( 5 ) 图形显示和文档处理： ( 6 ) 体现设计思想和方法的平台实例。 1 5 小结 在分析传统设计过程的弊端和不足的基础上，结合现代生产对产品设计提出 的更高要求，论述了计算机辅助设计技术产生的必然性。论述c a d 技术的发展状 况和特点，指出了我国与发达国家在c a d 技术发展和应用方面的差距。提出了基 于现状的思考，指出对c a d 软件设计技术进行深入的探讨和研究的必要性和重要 意义，并且，指出了论文选题的出发点。 5 2 计算机辅助设计平台的集成、构造和开发方法 2 计算机辅助设计平台的集成、构造和开发方法 开发相应的机电产品计算机辅助设计平台，需要一些相关理论和方法的支撑， 本章主要先就一般产品设计过程中应用计算机辅助设计方法所涉及的问题进行研 究和探讨。 传统的设计过程是一个对设计方案不断进行分析、判断、逐步优化的过程。 设计过程中，需要进行大量的分析、计算和绘图等工作，这些工作单靠设计人员 完成是十分烦琐的，而且，有时候也是非常困难的，所以，必须借助计算机进行 辅助设计。 传统设计过程的步骤可以归纳为隅】： ( 1 )建立数学模型 根据其在真个系统中所执行的任务，研究和发现其运动规律，分析受力情况 和约束，建立数学模型。数学模型建立得正确与否是决定设计能否满足工程实际 要求的重要步骤。 ( 2 )分析数学模型 通过分析数学模型，进行计算，求出所需要的设计值。 ( 3 )审查研究范围 根据设计的约束条件，对结果进行检验。 ( 4 )零件和结构设计 确定各个零件的材料、尺寸，并绘制零件图和装配图。 ( 5 )编制技术文件 记录计算的方法、步骤和数据结果等。 2 1计算机辅助设计的过程和系统 审查、研究和判断模型的解析结果是否满足设计要求，以及修改模型等工作， 一般需要丰富的经验或直观的知识，这些工作由设计人员来做比计算机更好。因 此，把设计人员的经验、智慧和创造力同计算机的高速运算能力有效地结合起来， 就可以在尽可能短的时间内得到最好的设计方案，这样一种人机结合的交互式设 计过程就是c a d 设计过程。 简单的工程应用c a d 系统，按功能大致可分为信息检索型、试探型和会话型 等三种类型【”。 ( 1 ) 信息检索型设计系统 特点是先将一些标准化的机械零、部件的有关信息( 如标准图信息和材料、 7 重庆大学硕士学位论文 加工条件、管理指令等附属信息等) 存入计算机内，当设计人员将需要设计的零、 部件要求输入计算机后，它便能够将满足要求的结果输出。因此，这种系统多适 用于设计一些标准化了的产品，信息检索型设计系统比较容易实现，但应用范围 受到很大的限制。 ( 2 ) 试探型设计系统 特点是通过终端显示器将设计图形显示出来，并由设计人员作出判断和修改， 修改后的图形再次输出，最后由设计者确认。如果这种系统配备了充足的图形显 示软件，使用时便可输出多种方案由设计者挑选。这种系统可以用于设计标准化 产品，也可用于设计非标准化的产品，但是，设计过程比较烦琐，使用范围有很 大的限制。 ( 3 ) 会话型设计系统 它是在信息检索型和试探型设计系统的基础上发展起来的。它除了可以解析 一些通用的数学模型以外，还具有图形处理和人机交互能力。因此，在这种系统 中，人们既可以通过输出终端回输出结果进行修改和确认，还可以利用交互能力 实现图形的自动存储和输出。这种系统适应性比较强。 现在随着设计要求的提高和生产的发展，以上三种设计系统在很多方面与设 计和生产目标的实现都存在着差距与不足，这样，首先就对设计的要求提出了更 新和更高的要求。目前，国外c a d 技术发展迅速，积极推进智能化、集成化。为 此，发展新型设计平台就是必要的和紧迫的。基于这样的考虑，本文提出构造计 算机辅助设计平台，说明构造过程中的一般性步骤，分析计算机辅助设计平台系 统内各功能模块的作用，提出应用于机电产品设计中的通用模块的开发方法。把 对产品设计中需要注意到的问题、问题的判断以及对问题的解决方法等过程模拟 到计算机中，采用计算机辅助设计平台的形式表现出来。 各个行业由于行业生产的特殊性可能存在着很大的差别，但是，本文对计算 机辅助设计平台系统的探讨主要是其设计思想及其一般性的实现方法，对于具体 行业，还应当参照各行业的特殊要求，进行修改和设计，以满足各行业的行业生 产与设计要求。 2 2计算机辅助设计平台系统的集成和构造 计算机辅助设计平台系统的最大特点是智能和集成，所以，它应该考虑到设 计任务中需要使用的模块，而且模块的构造必须考虑实际设计过程中需要注意到 的问题，由于每个行业以及各种产品构造的不同，可能需要用到的模块也不相同， 本文提出一般产品设计系统的集成和构造方法，特殊行业和产品可以根据本系统 进行一定的取舍。 8 2 计算机辅助设计平台的集成、构造和开发方法 2 2 1 计算机辅助设计平台系统集成图 本平台主要体现的是集成的思想，突出设计的自动化和系统的封装性，当然 必要时需要人机交互方式。本文对系统智能化方面有一些论述，而且，所说的智 能化并不是局限于专门的应用人工智能技术，而是更多突出内部设计过程的完整 封装性，不过，在设计专门的平台系统的时候，也可以采用一定的人工智能技术。 根据一般的设计步骤，可以归纳出计算机辅助设计平台应该包括以下部分： 主程序模块，计算模块、评价模块、造型和选型模块，图文挡模块以及数据库部 分。其中，主程序模块主要是负责人机交互、维护系统的运行和调节各模块间的 联系。计算模块是负责对数学模型进行分析计算，求出需要的设计参数的值，造 型和选型模块主要是面向设计者认同、对直观结果进行修改以及利用以往经验和 图形进行修改设计等。图文档模块主要是负责存储系统生成的图纸和文档，也对 设计过程起到参考作用，记录了设计过程中处理的一些参数等。数据库部分总的 是负责系统数据的存储和传输，对其他模块之间的通讯起到调节作用。 在设计计算机辅助设计平台系统时，一般采用高级语言编写设计计算程序， 用图形编辑软件处理图形，用数据库存储和管理数据。在选择具体的设计工具的 时候，可阻根据设计者的实际情况作出取舍。如何实现三者之间的有效联结( 即 提供数据信息传递的接口) ，充分发挥各自的优势，组成一个功能强大计算机辅 助设计平台系统，是计算机辅助设计平台系统设计过程中需要解决的重要问题。 结合一些机电产品传统设计的方法与步骤，这里给出系统集成框图，如图2 1 。 系统主要包括主模块、计算模块、评价模块、造型和选型模块、图形模块、图文 档模块和数据库及实例库部分。 图2 1 计算机辅助设计平台集成图 f i g2 ，1 i n t e g r a t ef i g u r eo f p l a t f o r mb a s e do nc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n 9 一 _ 蓍七一 重庆大学硕士学位论文 下面分别叙述各个模块的功能。 ( 1 ) 主模块：严格地说，主模块并不是独立的模块，它也可以是具体的计算机 辅助设计平台，这里把它作为一个模块表示出来，是为了更好的表示各模块之间 的关系以及比较清晰的表达系统工作流程。它的主要功能是负责人机交互、维护 系统的运行和调节各模块间的联系，以及在设计中提供设计的初始状态。由于机 电产品设计过程可能涉及很多相关零部件的设计问题，主模块就需要合理设置各 零部件之间的设计流程，协调设计数据的关系。 ( 2 ) 计算模块：根据输入的初步设计参数，初步计算出设计零部件的尺寸以及 相关数据。利用得到的计算结果，通过全新设计，设计新的零部件；或者，根据 设计的初始条件和相关信息，从已成系列的零部件中选择合适的零部件，进行修 改设计，即提取设计。另外，不论是全新设计还是提取设计，都需要对通过计算 模块得到计算结果进行校核和评价。机电产品的数据计算量往往比较大，计算模 块需要严格的按照所用的数学模型进行计算和校核等工作。 ( 3 ) 评价模块：对所设计的零部件进行校核和评价分析，以符合要求。机电产 品的零部件比较多，评价模块不仅仅是对各零部件的设计结果进行校核和评价分 析，很多情况下，还要考虑各零部件之间的设计数据的协调问题，比如在设计减 速箱时就需要考虑一些干涉和装配问题。 ( 4 ) 图形模块：经过前面的计算，得到合适的零部件尺寸，通过图形模块实现 参数化绘图、装配。这里可以采用高级语言与专业绘图软件的二次开发技术，利 用高级语言对专业绘图软件的功能调用，实现强大的图形绘制、装配以及工程图 的生成。另外某些专业绘图软件的功能非常强大，比如u g 等，则可以利用u g 提 供的二次开发语苦模块u g o p e ng r i p 对u g 进行二次开发，通过对u g 的功能调 用，实现上述功能。 对于机电产品中的很多零部件，可以开发简单的绘图子程序，这样就可以快 速的生成零部件设计图形，减轻了设计人员的工作量，并且开发程序的工作量也 不是很大。 ( 5 ) 图文档模块：主要是负责存储系统生成的图纸和文档，也对设计过程起到 参考作用，记录了设计过程中处理的一些参数等。为了实现输出自动化，需要通 过高级语言定制图文档模块的初始化环境以及对图形和文档格式进行控制，以方 便设计者定制出符合标准的图纸和文档等。 设计完整的机电产品，有时编制技术文件的工作量比功能设计、功能分析等 方面的工作量还要大，所以，有必要开发专门的技术文件生成子系统，一方面可 以实时记录设计中的一些数据和结果，另一方面也方便了设计者整理、编制技术 文件。 1 0 2 计算机辅助设计平台的集成、构造和开发方法 ( 6 ) 数据库和实例库：数据库部分总的是负责系统数据的存储和传输，对其他 模块之间的通讯起到调节作用。实例库主要包括各种规格、型号零部件的二维工 程图、三维数字模型图库【9 【1 0 】。它可以是一个动态库，每次设计后的零部件都可以 作为实例存入库中，以便供下次设计时参考，这反映在提取设计中。对实例库而 言，设计新零部件时与库中的系列零部件的匹配是一个关键的问题，它决定了系 统是否能够正常运行，运行的速度以及满足设计的程度。这个问题牵涉的方面很 多，一般需要采用对话框技术补充。 数据库和实例库并不是完全独立的个体，这里把它们分开来说是为了清晰的 说明各自的功能。对于具体的系统，也可能是结合了各自的特点，组成一个大的 数据库子系统，为整个平台系统提供数据库支持，当然，有些情况下，一般不需 要实例库，实例库是为了增强系统的功能，在设计过程中对设计者起到很好的参 考作用。 复杂的机电产品设计系统，由于产品的零部件繁多，设计涉及的范围宽，这 样就可能用到各种类型的数据，有时需要对一些数据进行分类。编制程序时，可 以通过设定类来表述数据的类型。 ( 7 ) 造型和选型模块：造型和选型模块主要包括选型和造型两个部分。选型 主要体现在提取设计部分，造型主要体现在图形模块。在很多系统中，造型和选 型模块是跨模块的，也可能分散于其他一些模块中，这主要决定于系统工作流程 的设置。 图2 1 只是以主调用模块为中心的系统集成图，反映了各个模块之间的大致 关系，但各个模块之间的所有关系并没有完全的反映出来，在设计者考虑具体的 设计系统时，各模块之间的关系可以根据具体情况作出调整。 另外，即便是每个单一的模块，其中的构造也是比较复杂的，不可能局限于 某些方面，这需要设计者在考虑实际的设计系统时作出一定的选择，以便完善某 些常用的模块。这个框图只是为了更容易描述模块之间的内部联系与关系，至于 具体的设计系统，设计者可以根据实际情况作出相应的取舍。 机电产品种类繁多，不同产品的设计平台用到的模块有很大的不同，必须根 据实际的设计要求，对需要的模块进行设计。相似产品的设计平台，可以借鉴同 类模块的设计方法。 2 2 2 计算机辅助设计平台系统的设计流程 图2 i 反映的系统具体运算流程如下h 1 6 l ： ( 1 ) 输入主要的设计参数，提供初始设计数据； ( 2 ) 调用计算模块初步计算零部件尺寸，利用计算结果设计新的零部件或通 过提取设计从数据库和实例库中选择合适的零部件模型； 重庆大学硕士学位论文 ( 3 ) 调用评价模块对新零部件进行校核和评价分析，如果结果不符合要求， 则返回重新设计，重复前期工作，直到符合要求： ( 4 ) 将合适的零部件尺寸送入到图形模块，生成新零部件的二维数字模型或 者三维数字模型，如果有比较好的条件，可以对模型进行装配干涉分析等； ( 5 ) 将最后的设计结果输出为二维工程图以及文档说明书，存贮在图文档模 块中。 上述系统具体运算流程见图2 2 。 图2 2 零部件设计程序流程 f i g2 2p r o g r a mp r o c e d u r ef l o wo f p a r t sd e s i g n 2 2 - 3 接口问题 计算机辅助设计平台系统内部的接1 ：3 问题，可以从图2 1 中看出，包括四个部 分：数据库与高级语言之间的接口；图形编辑软件与高级语言之间的接口；图形编 辑软件与数据库之闻的接口；数据库与图形库之间的接口。 接口问题也是设计计算机辅助平台系统时需要考虑的关键问题，各种接口可以 通过不同的方法来解决，所涉及的方面可能也是不同的，这需要根据具体的系统及 设计者的要求来解决。 2 计算机辅助设计平台的集成、构造和开发方法 对于具体的情况也有不同的选择，例如有的高级语言的数据库功能非常强大， 这样在设计计算机辅助设计平台系统的时候，就不用过多考虑这个接口问题，其他 情况也是类似。 2 2 4 设计思路的比较 熟悉c a d 工作流程和传统机电产品设计方法的读者可以看出图2 1 和图2 2 所反映的内容并不完善，这是因为图2 1 和图2 2 所表达的系统基本是基于快速设 计c a d 系统的计算机辅助设计平台系统。 对于中、小型的计算机辅助设计平台系统而言采用图2 1 和图2 2 所反映的内 部关系以及零部件设计程序流程是比较合适的，构建、设计和实现计算机辅助平 台系统也是比较容易实现的。 对于大型的计算机辅助设计平台系统而言，因为功能更加强大，所设计的零 部件可能非常复杂，所以，就目前常用的办法就是依托传统设计方法，把这种设 计步骤模拟到计算机中，而这样所带来的问题就比较复杂了，并不是如图2 1 和图 2 2 所反映的关系了，确切的说图2 1 和图2 _ 2 只是这种大型计算机辅助设计平台 系统的一个子系统，整个设计程序流程所包括的范围将大大增强。 不过，图2 1 也反映了另外一种设计思路，就是先进行产品建模设计，然后在 工程分析阶段对模型进行一些处理，如果满意设计要求，再进入工程设计阶段进 行交互式图形处理模块。如采用这样的设计模型，就必须有一个强大的数据库来 支撑整个设计过程，所以，整个系统集成在数据库下是必然的，这也是近年来c a d 系统发展的趋势。那么，这个系统的模型就需要进行一定的调整，系统的规模也 将会变得比较庞大。 图2 1 另外反映出来的设计程序流程是：主模块一 图形模块( 增加产品建模 部分) 一 计算模块( 增强为工程分析模块) 评价模块一 图形模块( 主要是交 互绘图部分) _ 图文模块。 我们知道，在传统设计过程中，一般是从方案设计开始着手的，方案设计并 不是简单的数值计算阶段，它包括更多的非数值计算问题，所以，如果系统中集 成方案设计部分，就必须考虑更多的问题，现在一般采用的方法是采用产品设计 专家系统来完成方案设计。 在图2 1 中并没有这一部分，并不是说它不重要，只是现在这一部分的发展大 多是局限于各行业具体产品的设计方面，真正集成到计算机辅助产品设计平台系 统中还不是很完善。而在传统设计中，一般进行方案设计时，更多的是考虑设计 经验以及以往的产品设计实例，采用相似设计的方法1 0 】。 对于具体的计算机辅助产品设计平台系统，可以开发出相应的产品设计专家 系统。不过，由于设计问题的固有特点，要求专家系统的推理机具有非常强的回 1 3 重庆大学硕士学位论文 溯功能，并要求能根据不同阶段的子任务采用不同的控制策略，知识库是专家系 统的基础，要求应该比较完善，所以这两方面将会大大增加构建计算机辅助产品 设计平台系统的工作量。 就目前而言，专家系统是一个经验性很强的领域，特别是对于工程设计型专 家系统的研制还不是非常成熟 13 1 。在一些工程设计中，由于工程设计任务的目标 状态不明确，其解又不唯一，因此问题的求解十分复杂，同样，在专家知识难以 获取的领域，专家系统更是很难开发的，而且，知识库的建立也带有很大的主观 因素。对于开发复杂的机电产品计算机辅助设计平台而言，不推荐采用专家系统。 因此，在构建具体的计算机辅助产品设计平台系统时，需要根据具体需求和 实际条件作出取舍，并不是每一个模块或部分都是必须的。更多的时候可以借助 于专业的设计软件来实现某些模块的功能，这样也会相应降低系统的规模，不过， 这些都需要视具体情况而定了。 根据上述论述，对图2 1 进行改进，增强其功能，可以得到完整的c a d 系统【5 】 设计工作流程图2 3 。 2 3 大型计算机辅助设计平台设计流程 f i g2 3d e s i g np r o c e d u r eo f l a r g e s c a l ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g np l a t f o r m 1 4 2 计算机辅助设计平台的集成、构造和开发方法 从图2 3 可以看出，系统的规模越大，所要处理的问题也会越多。构建系统的 难度也会越大，考虑的问题也越多。 当然，并不是每个具体的产品设计平台都必须采用图2 3 所显示的设计流程 图。图2 3 只是从c a d 系统的整体处理流程出发，说明了各功能模块之间的关系 以及各功能模块大概的构造和功能。 真正的计算机辅助设计平台并不是孤立存在的设计平台，在应用中，它是基 于图2 2 或图2 3 所显现的流程处理过程，根据实际设计条件和要求确定出来的。 所以，图2 3 并不完全是具体的程序设计流程图，它应该根据实际情况作一些调整， 在某种意义上说，它是一个概念模型。 2 3 计算机辅助设计平台系统的组成、分类和功能特点 2 3 1 系统的基本组成 计算机辅助设计平台系统是为工程设计和产品设计提供一个计算机软件、硬 件环境，也可以说，计算机辅助设计平台系统是将计算机软、硬件有机的组成在 一起，构成为设计服务的系统。 一个完整的计算机辅助设计平台系统应具有的主要功能概括为：快速计算、 分析和生成、处理图形的能力，存贮程序、数据和快速检索的能力，输入、输出 信息的能力，以及良好的人机交互功能等。 计算机辅助设计平台系统要完成设计任务，必须要有相应软、硬件的支持。 计算机辅助设计平台系统应具备快速响应和图形的交互设计与显示输出的能力。 它采用专门的输入与输出设备来处理图形问题，例如采用图形终端。在软件上提 供用户所需的全部功能模块，并通过一个中央数据库集成起来，在界面处理上采 用一套完善的交互操作方式( 而不同于一般软件常用的数据文件或会话方式) 。 为了实现上述功能，计算机辅助设计平台系统应由设计人员、硬件系统和软 件系统三部分组成 6 】，如图2 4 所示。其中设计者在系统中起到主导作用，他们可 以通过入机交互或批处理方式控制或操纵全过程，完成设计、计算、绘图或仿真 等任务。 设计工程是一个信息管理、信息加工和信息交换的工程，因此，一个完整的 计算机辅助设计平台系统结构上应该包括： ( 1 ) 工程数据库，用于存贮和管理各种信息： ( 2 )多功能的交互式图形程序库，用于进行图形信息加工处理和交互； ( 3 ) 应用程序库，用于完成各种类型的分析计算和数据处理等。 重庆大学硕士学位论文 图2 4 计算机辅助设计平台系统的基本组成 f i 9 2 4b a s i cc o m p o s eo f t h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g np l a t f o r ms y s t e m 2 3 2 计算机辅助设计平台系统的分类【6 】 从硬件的角度可以将计算机辅助设计平台系统分为四类。 ( 1 ) 主机系统( m a i nf r a m eb a s e ds y s t