（机械设计及理论专业论文）2kv型摆线针轮传动动态误差的仿真研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 摆线针轮行星齿轮减速机构，由于其传动比大、体积小、重量轻、承载能力 大、效率高、寿命长等鲜明的特点，已在各种工业领域中作为一种动力传递装置 得到了广泛应用。而摆线针轮行星齿轮减速机构的回转传动精度是目前研究的热 点问题，本文基于质量弹簧“等价模型”方法，对该机构进行了回转传动精度仿 真研究。对于进一步提高其传动精度，实现生产前的误差预分配方案的比较，降 低生产成本具有重要意义。 本文基于质量弹簧“等价模型”方法，考虑各个零件的加工误差、装配误差、 齿轮啮合刚度、轴承刚度等因素，建立了双摆线轮、三曲柄、圆盘式输出类型的 摆线针轮行星齿轮减速机构的动态回转传动误差分析模型，并对齿轮啮合刚度和 轴承刚度的计算方法以及数学模型的求解方法进行了论述。 论述了在呲w s 2 0 0 口环境下，结合面向对象技术和v c + + 与f o 胁n 接 口技术，开发摆线针轮行星齿轮减速机构的动态回转传动精度仿真系统的方法。 在对v c + + 和f o r t r 锄混合编程的接口技术的实现原理及特点进行详细分析和 充分论证的基础上，结合该仿真系统的特点，选用了合适的接口技术。 将用于数据库开发的前后台分离的设计思想应用于仿真软件的开发，提出了 摆线针轮行星齿轮减速机构回转传动精度仿真软件的总体设计思想。结合面向对 象技术和混合编程接口技术，完成了仿真软件的构架、功能模块的划分、图形绘 制、显示以及软件界面的设计，进而完成了仿真软件的开发。同时，本仿真软件 的设计方法也为在计算机上进行类似系统的仿真提供了一种新的思路。 利用所设计的仿真软件，对不同误差参数下的摆线针轮行星齿轮机构的回转 传动精度进行了仿真，并与已有的实验结果进行了对比，取得了很好的一致。在 此基础上，对各种误差因素的敏感性进行了仿真研究，为摆线针轮行星齿轮减速 机构的设计提供了依据。 关键词：仿真，摆线针轮行星齿轮传动，动态回转传动误差，面向对象 西北t 业大学硕十学位论文 摘要 a b s 仃a c t b yc o m p a r i n g 嘶t l lt l l ec 伽v 酬伽i a lg e 盯d u c t b ep i i l - c y c l o i dp l a n e t a l _ y r e d u c e ry i e l d ss 吖e r a la d v 翘t a g c s ，龇c h 鹳h i 曲r e d u c t i m t i oi nc o m p a c ts p e ， g r e a t 盯1 0 a dc 印粒i 劬h i g h 盯r a l i oo ft o r q u et ow e i g h t ，b i g he m c i e n c ya n dl o n gl i f e 1 1 l e yh a v eb e 吼谢d e l y 璐c di l lm 锄yi l l d u s 硒a l 丘e 地a tp r e s e n t ，t l l er 髓e 删lo f 廿l i s t y p er e d u c 盯i sf o a l d 也er o t a d o n a l 仃m s r n i s s i 蚰f t h i st h e s i sm a i l l l yi st o i n v e 鲥g 如t l l er o t a t i a lt r a n s 面s s i p r e c i s i s 劬l 撕o ft h ep n c y c l o i d p l 锄e t a r yf 日u c 盯b 鹤e d m 嬲s s 皿n ge q l l i v a l e n t 枷d c l i t se 】【衄m e l ym 叫n g f i l l f o ri n l p r 0 、，i 1 1 9t h e 扛锄锄i s s i o np r e c i s i 舭dr e d l l c i n gm 柚u f k 嘶n gc o s tt h r o u 9 1 l i m p l 铷e m i n gc o m p a d s o no f p r c d i s 嫡b u t e d h 锄e s b e f - 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c y c l o i dp l 粕e t a r yr e d u c 既 l ( e yw o r d s ：s i i n l l i a t i 蚰，p i n c y c l o i dp l 粕e t a 搿r c d u c e r ，d l m a i i l i c a lr 0 蛳o n a l 订m l 锄i s s i o na t o r ，o b j e c t - o r i 即t e dp r o 掣铷删n g 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：至旌指导教师签名：童! 至童 妒叼年歹月哆日d 7 年；月5 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已中请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做“；重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：垂富簦 研年) 月2 ) 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 机械制造行业是国家的基础行业，是国民经济的重要支柱，而齿轮减速器 则是机械设备、现代兵器、仪器和仪表中应用最为广泛的动力和运动传递装置 之一。在工业生活中具有重要的地位。 然而，随着经济的发展，传统的减速器已难以满足现代工业对其性能提出 的要求。现代工业的发展要求减速器体积小、重量轻、承载能力大、传动精度 高、效率高和寿命长。除此之外在很多特殊的领域，如工业机器人和一些要求 精确定位场合，对减速器的传动精度也有着极高的要求。 2 k v 型摆线针轮行星齿轮机构是一种独特的大减速比减速器，其相互啮合 的内、外齿轮的齿形分别采用摆线曲线和圆弧曲线。摆线针轮行星齿轮减速机 构从1 9 3 1 年出现后，就作为一种具有划时代意义的减速器受到了广泛重视。这 种摆线针轮行星齿轮机构由于具有体积小、重量轻、承载能力大、效率高、寿 命长、抗冲击性好等鲜明的特点，能够平滑安静地传递运动，同时其单级传动 比就可以达到6 1 1 9 。因而到目前为止，它作为一种动力传递装置已在各种工 业领域中得到了广泛应用。 输出轴 输入轴 图1 一l 摆线针轮行星齿轮传动原理简图 摆线针轮行星齿轮传动是由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星 l 西北工业大学硕十学位论文第一章绪论 减速机构两部分构成，是一个封闭差动轮系。其传动简图如图1 1 所示。摆线 针轮行星齿轮减速机构的基本传动原理如下： 执行电机的旋转运动经由中心轮q 传递给行星轮晶进行第一级减速。由于 行星轮晶与曲柄轴日连接在一起，因此行星轮霸的旋转运动通过曲柄轴日传 递给摆线轮g ：。当针轮6 2 固定( 与机架联成一体) 时，摆线轮g ：随曲柄轴日同 时产生绕针轮中心o t 的公转运动和绕其本身的中心吒的自传运动a 摆 线轮的自传运动通过由行星架、曲柄轴日和摆线轮g ：组成的双曲柄输出 机构输出至执行机构。 摆线针轮行星齿轮减速机构的主要特点如下： ( 1 ) 传动比范围大 通过改变第一级减速装置中齿轮的齿数z 。和z 。，可以获得较大范围内的 传动比，其单级传动比的范围可以达到6 1 1 9 ； ( 2 ) 承载能力大 第一级减速机构采用了3 个均匀分布的行星轮昌和曲柄轴h 进行功率分 流，同时摆线轮和针轮在啮合时理论上有l 2 的齿处于啮合状态，此外采用了 圆盘支承装置的输出机构，综合以上几个因素使得摆线针轮行星齿轮减速机构 的承载能力显著增强； ( 3 ) 传动效率高 因为除了针轮的针齿销支承部分外，其他部件均为滚动轴承支承，同时针 轮与摆线轮的啮合，由于针齿套的使用，使得啮合时的滑动摩擦转变为滚动摩 擦。因此，摆线针轮行星齿轮传动机构较一般的减速机构的传动效率要高。通 常其传动效率能达到，7 = o 8 5 o 9 2 ； ( 4 ) 体积小、重量轻 一方面，该传动机构采用了行星传动结构，所以结构紧凑，另一方面，摆 线针轮传动为硬齿面多齿啮合，这本身就决定了它可以用小的体积传递大的扭 矩，更重要的是，在结构设计中让传动机构置于行星架的支承主轴承内，使这 种传动结构的轴向尺寸大大减小。综合以上因素，使得摆线针轮行星齿轮传动 机构在传递同样转矩和功率时的体积和重量大为减小，约比普通减速器减小 1 3 2 3 ： ( 5 ) 寿命长 因除第一级的渐开线行星齿轮传动外，其他各部件的接触部分均为滚动摩 擦，所以与普通的减速器相比，这种减速机构的使用寿命可以提高2 3 倍左右。 ( 6 ) 扭转刚度大 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 由于采用了圆盘支承装置，改善了曲柄轴h 的支承状况，从而使得传动轴 的扭转刚性增大。 1 2 研究意义 由摆线针轮行星齿轮减速器的组成可知，从输入到输出主要经过渐开线行 星齿轮传动，摆线针轮行星传动和摆线轮与输出盘之间的行星架输出机构。理 论上，输入轴和输出轴之间的瞬时传动比应该是不变值，但实际上由于组成摆 线针轮行星齿轮减速器的上述三大部分构成的传动链的传动零件存在制造、装 配误差、配合间隙、以及负载变形等，从而引起了输出轴的回转传动误差。 由于摆线针轮传动部分和行星架输出机构部分对摆线针轮行星齿轮减速 器传动误差的影响直接反映到输出轴上，因此它们对摆线针轮行星齿轮传动精 度的影响最大。而处于第一级的渐开线行星齿轮传动部分对摆线针轮行星齿轮 减速器传动误差的影响要缩小相当于传动比那么多倍，因而影响相对要小得多。 为了提高减速器的传动精度，重点是控制好摆线针轮行星传动部分和行星架输 出机构的传动链误差。尽管如此，摆线针轮行星传动部分影响传动误差的因素 仍然是多种多样的，如摆线轮和针轮的齿槽误差、累积齿距误差。针齿直径误 差，行星架的装配误差和轴孔偏心误差，曲柄轴的偏心误差以及各种配合间隙、 负载时各部分的变形等都会影响到传动误差。然而，让每一种误差都降低到最 小显然是不可能的，同时也是没有必要的。因此我们就有必要建立一个数学模 型，并且应用恰当的分析方法来研究上述的各种因素对回转传动精度的影响关 系，找出其中主要的影响因素，作为我们在实际的制造和装配过程中进行误差 分配，降低生产成本，提高传动精度的理论依据。 基于上述原因，日本学者日高照晃等人在前人研究的基础上，建立了考虑 各种加工误差、装配误差的情况下求解摆线针轮行星齿轮减速机构静态回转传 动误差的有效方法，即将组成系统的各零件看作相应的刚体，把各零件之间的 刚度表示成弹簧，组成一个质量弹簧“等价模型”。而把各个零件的加工误差、 间隙、装配误差以及零件受力时产生的微小位移等转换为零件问弹簧方向上的 “等价误差”。用上述的“等价误差”来表示弹簧间产生的力，然后推导出作用 在各零件上的力的平衡方程。通过对该平衡方程的求解，得到各零件产生的微 小位移，输出轴的实际回转角与理论回转角的差即可得到回转传动误差。 由于摆线针轮行星齿轮减速机构的应用领域主要是一些具有高精度的工业 设备领域，尤其是要求具有很高的定位精度的工业机器人领域中，因此在减速 3 西北工业大学硕七学位论文第一章绪论 器的实际生产中对回转传动精度有着很高的要求。然而要将上述日高照晃的研 究成果直接应用于生产实际中还存在一定的问题。 首先，日高照晃考虑了静态条件下各零件加工误差、装配误差对机构回转 传动精度的影响，对于在动态条件下各零件负载变形对回转传动精度的影响则 没有考虑。而在摆线针轮行星齿轮减速机构的实际工作中，各个零件之间的接 触部分或多或少都存在一些变形，这些变形对机构的传动精度也有一定的影响。 因此，日高照晃的研究成果与实际应用还有一定的距离，为了促进摆线针轮行 星齿轮传动技术的发展，进一步拓展其在高精度控制系统中的应用，需要对日 高照晃研究成果进一步完善。 其次，由于摆线针轮行星齿轮减速机构本身结构的复杂性，组成该减速机 构的零件众多，如何在保证回转传动精度的条件下合理地分配各个零件的加工 误差，降低生产成本成为生产实际中遇到的一个大问题。解决这个问题的方法 就是在完善日高照晃研究成果的基础上，对摆线针轮行星齿轮传动机构的回转 传动精度进行计算机仿真，具体来说，开发该仿真系统的意义体现在如下三个 方面： ( 1 ) 实现误差的合理分配，降低生产成本 摆线针轮行星齿轮减速机构虽然具有诸多优点，但其本身结构比较复杂， 组成该减速机构的零件众多，如果为了保证一定的回转传动精度，一味地提高 各个零件的加工精度和装配精度等将必然提高摆线针轮行星齿轮减速器的生产 成本；而通过考虑负载时各个零件的变形等来对日高照晃的研究成果进行完善， 从而得到比较实际的误差分析模型，在此基础上开发的回转传动精度仿真系统 可以对摆线针轮行星齿轮减速机构的回转传动误差进行较为精确的仿真。通过 该仿真系统可以事先对多种误差分配方案进行仿真，对仿真的结果进行比较， 从中选择精度和成本均能达到要求的方案，从而能够达到降低生产成本的目的。 ( 2 ) 代替部分实验设备，降低检测成本 在日高照晃的研究过程中，同时采用了实验的方法和质量弹簧“等价模型” 的理论计算方法对相同误差条件下的摆线针轮行星齿轮减速机构的回转传动误 差进行了研究，两种方法最终得到的结果大体一致，说明日高照晃所研究的误 差分析方法已经接近实用水平。建立在该方法基础上的仿真系统在给出各个零 件的加工误差和装配误差等的条件下，通过仿真就可以得到最终的回转传动精 度。因此，该仿真系统一定程度上可以取代实际的回转传动精度检测设备，大 大节省了检测成本。 ( 3 ) 利用仿真软件对影响传动精度的误差因素进行研究 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 建立在质量弹簧“等价模型”误差分析方法上的仿真系统对各个零件的制 造和装配误差等与最终回转传动精度之间的关系进行了精确的仿真。因此，对 于研究摆线针轮行星齿轮减速机构的回转传动精度与误差因素之间的各种关系 提供了一个有效的工具。 本研究为天津市晓光传动新技术公司合同项目“2 k v 行星减速机传动精 度的计算机仿真研究”的主要内容( 项目编号：n 4 e k 0 0 0 0 8 ) 。 1 3 回转传动精度理论及仿真技术的发展概况 1 3 12 k - v 型摆线针轮行星齿轮传动的发展 日本在5 0 6 0 年代进行了大量行星齿轮减速器的理论研究，在减速器制造 领域一直处于世界领先地位。8 0 年代初，日本帝人公司开始研究开发2 k - v 型 摆线针轮行星齿轮减速器，并称之为r v 传动( r ( ，t a 巧慨t o r ) 。该公司于1 9 8 6 年对r v 减速器的研究取得阶段性成果，并实现了产业化。r v 减速器自投放市 场以来，由于性能优越，受到普遍重视和好评。帝人公司生产的高精度、高刚 度r v 减速器目前已经形成系列产品。 我国对行星齿轮装置的研究始于5 0 年代，8 0 年代9 0 年代发展较快。1 9 9 0 年，上海减速器厂研制成功汽车专用的2 k _ v 型摆线针轮行星齿轮减速器。在 2 k - v 型摆线针轮行星齿轮传动的研究方面，1 9 9 3 年，杨锡和等人对r v 传动进 行了简单的受力分析【1 】；1 9 9 5 年，毛建忠等人开始研究用变齿厚渐开线取代外 摆线齿轮以实现r v 传动【2 】；1 9 9 6 年何卫东等人对r 、，减速机的效率进行了分 析l ”。1 9 9 7 年，r v 减速机研究被列入国家8 6 3 高技术研究发展计划，其理论研 究内容涵盖受力分析，运动学分析，传动效率计算，动力学特性研究等【卅1 1 。 2 0 0 2 年，姚文席等人对摆线齿轮的精度进行了分析【l 肌。2 0 0 4 年，严细海等人对 r v 减速机扭转振动的一阶固有频率进行了分析【1 3 1 。2 0 0 5 年，关天民等人为改善 摆线轮齿面的受力状态，提出“反弓”齿廓的概念并进行了优化设计【1 4 1 。 1 3 2 回转传动精度理论及其仿真的研究现状 b l a n c h e 等人最早进行了摆线针轮行星齿轮减速机构的回转传动精度，他 们于1 9 8 9 ，1 9 9 0 年先后发表了两篇代表论文【1 5 ，1 们，研究了单摆线轮的摆线针轮 行星减速器的回转精度，以及齿隙和速比波动所引起的扭转振动。他们采用纯 5 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 几何学的方法推导出若干种加工误差和装配误差所引起齿隙的计算公式，利用 c a d 的方法计算出齿隙、速比波动与扭振的关系，并给出了相应结果的线图， 得出了若干有用的结论：首先，推导了摆线轮的齿廓方程式，该方程的参数之 一是针销半径，然后只考虑由于，的变化引起的摆线轮齿廓齿距缩小这一齿形 误差，在这种情形下研究回转传动精度。其次，通过算例验证了转角误差口呈 周期性变化，周期为2 万( f + 1 ) ，其中f 为传动比；并且传动比f 亦呈周期性变化， 周期亦为2 石砸+ 1 ) ，传动比的变化造成了输出轴的扭振。 b l a n c h e 等人用几何学的方法研究摆线针轮减速机构的传动精度，方法严 密，结论也比较有价值。但是该方法也有不足之处。例如，只考虑了单级、单摆 线轮的摆线针轮减速器的传动精度，未考虑到双级、多摆线轮、多曲柄的摆线针 轮行星齿轮减速机构；只考虑了针齿直径误差的影响及不同参数与回转传动误差 和扭振的关系，未涉及到双级、多摆线轮、多曲柄及各元件的各种加工和装配误 差的影响。同时，在考虑多种误差、多级、多曲柄、多摆线轮的情况下，采用纯 几何学的方法是非常困难的。 有鉴于此，日本学者日高照晃等人进行了新的研裂1 “9 】。研究了两级、三 曲柄、双摆线轮的摆线针轮行星齿轮传动的回转传动精度。应用质量弹簧“等 价模型”方法，建立了摆线针轮行星齿轮传动的回转传动误差分析的数学模型， 并在此基础上讨论了各个零件的加工误差、装配误差以及间隙等对回转传动精 度的单独影响和相互影响，得出了一些重要结论，同时进行了实验验证，并与 b l a n c h e 的研究结果进行了比较，取得了很好的一致。 不过由于他们的研究主要考虑无负载时各种误差对静态回转误差的影响， 对于诸如各个轴承处的间隙、负载变形和负载大小等因素对动态回转误差的影 响则没有涉及。 目前国内的徐永贤，何卫东等人借助于国家8 6 3 项目“机器人用新结构高 精度摆线针轮传动设计理论与方法研究”，对摆线针轮行星齿轮传动做了详细的 研刭舡删，主要的研究成果如下： ( 1 ) 建立了计算间隙回差的数学模型，同时，通过对间隙的敏感性分析， 找出了对回差影响较大的因素，即：针齿销与孔的配合间隙、针齿销半径误差、 摆线轮的修形方法及等距修形误差等； ( 2 ) 建立了摆线针轮行星齿轮减速器扭转刚度计算模型，在对影响扭转刚 度的五个部分( 渐开线齿轮传动部分的弹性变形，摆线针轮传动部分的弹性变 形，行星架输出机构部分的弹性变形，曲柄轴部分和轴承部分的弹性变形) 的 弹性变形能进行定量计算的基础上，不仅用常规方法，而且借助于三维有限元 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 方法科学地计算出摆线针轮行星齿轮减速器的扭转剐度； ( 3 ) 按照符合工程实际的假定，建立了高精度摆线针轮行星齿轮传动的受 力分析模型，提出了简化且科学实用的摆线针轮行星齿轮传动力分析方法。 此外，1 9 9 9 年，吴永宽等人定量地分析了摆线轮和针轮各种误差对摆线针 轮行星传动几何回差的影响【3 ”。单丽君等对摆线针轮行星齿轮在负载状态下摆 线轮和针齿、柱销和柱销孔受力所产生的变形进行了分析【3 2 】。 在摆线针轮行星齿轮传动的仿真研究方面，郭海军基于质量弹簧“等价模 型”方法，建立了静态回转传动误差分析模型，并将前后台分离的设计思想应 用于仿真软件的开发，利用v c + + 和m a a b 开发了2 k v 型摆线针轮行星齿 轮减速机的回转传动精度仿真系统【驺】。由于它是进行静态仿真研究，所以也没 有考虑诸如各个零件运动的加速度、各个轴承处的间隙、负载变形和负载大小 等因素对传动精度的影响，和机构实际运动情况有一定出入；由于他的仿真系 统后台利用m 棚，a b 进行编程，从而利用该仿真系统进行仿真计算耗时较多， 效率偏低。 总之，对于摆线针轮行星齿轮减速机构的回转传动精度理论，目前国内外 已经有了较多的研究，但是对于回转传动精度的仿真方面，相关报道比较少，二 而对于负载条件下综合考虑各个零件的制造误差、装配误差以及负载变形等因 素对回转传动精度影响的仿真研究，更是尚未见到相关的报道。因此，选用何 种仿真技术进行回转传动精度的动态仿真，如何根据摆线针轮行星齿轮减速移k 构的特点进行仿真软件的设计成为目前面临的主要问题之一。 1 4 本文的主要工作 本课题基于质量弹簧“等价模型”误差分析方法，主要对摆线针轮行星齿 轮减速机构的传动精度仿真系统进行了研究。针对双摆线轮三曲柄圆盘式输出 类型的摆线针轮行星齿轮减速机，进行了动态回转传动误差分析模型的建立、 仿真技术的实现以及对仿真结果的探讨。 全文共分六章来论述： 第一章主要讲述了研究该仿真系统的意义以及目前关于摆线针轮行星齿轮 减速机构回转传动精度的研究现状。 第二章首先介绍了面向对象的软件开发技术的概念、特点以及先进性；其 次选择了v c + + 和f o r t r 孤作为前台和后台开发语言，最后对其混合编程技术进 行了可行性论述。 7 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第三章首先介绍了等价模型方法的基本思想，然后针对2 k - v 型摆线针轮行 星齿轮减速机构，建立了动态回转传动误差分析的数学模型，最后就与模型相 关的齿轮啮合刚度和轴承刚度的计算进行了论述。 第四章介绍了动态回转传动精度仿真系统的设计思想；详细论述了各个功 能模块、v c + + 与f o 胁n 接口技术、图形绘制技术和双缓存技术；概括说明了 用户界面设计状况；最后进行了实例仿真。 第五章主要对不同误差参数下的摆线针轮行星齿轮减速机构的动态回转传 动误差进行了仿真，并对仿真的结果进行了讨论，得到了一些基本的结论。 第六章对本课题的研究内容进行了总结并对今后的研究工作提出了一些建 议。 s 西北工业大学硕士学位论文第二章仿真系统的开发思想和技术论证 第二章仿真系统的开发思想和技术论证 2 1 面向对象的软件开发技术 2 1 1 软件开发技术的发展 软件是发挥计算机作用的关键。自计算机问世以来，人们就在不断地探索 开发编程语言和软件技术，从最初的机器语言、汇编语言，到1 9 5 6 年开始出 现的高级程序设计语言等等。然而，由于需求的大幅度增加，软件的规模越来 越大，算法越来越复杂，使得软件的维护和改进变得日趋困难，以致于出现了 六七十年代的“软件危机”。从危机中人们逐渐认识到软件开发不仅仅是一个程 序设计技巧问题，更重要的是要有一套完整的思想、方法和工具，这就是说应 该把软件开发作为一个工程问题来考虑。通过建立以及使用好的工程原则来获 得经济可靠的软件，努力摆脱开发人员的手工劳动，使软件开发向自动化方向 发展。 在软件工程思想产生之后，一些专家学者提出了关于软件开发的基本设计 思想、设计方法、以及随之产生的与此相适应的程序设计语言( 或开发环境) 。 结构化程序设计( s p ：s 咖c 衄e dp r 0 蓼蛳l l l l i n g ) 就是在这种情况下产生的，按照 结构化思想、方法设计出来的软件能够做到结构清晰、容易阅读、容易修改、 容易验证。这些软件对缓解“危机”起到了一定作用。但是，随着硬件技术的 高速发展，网络应用范围的迅速扩大，应用水平的不断提高和更加深入，人们 仍然感到软件开发的不力。在继承结构化技术一些好的思想的情况下，于8 0 年 代出现了面向对象程序设计( o o p ：o 巧e c t - o r i e n t e dp r o 莎舭m 1 i n g ) 。随后的理 论和实践证明面向对象技术比结构化技术更具有优越性，从而成为现今软件开 发的发展方向。 2 1 2 面向对象技术的基本特征 面向对象( o o ：o b j e c t - o r i 眦d ) 技术是一种按照人们对现实世界习惯的 认识规律和思维方式来研究和模拟客观世界的方法学。它将现实世界中的任何 事物均视为“对象”，把整个世界看成是由许多不同种类的对象构成，每一个对 9 西北工业大学硕十学位论文第二章仿真系统的开发思想和技术论证 象都有自己的内部状态和运动规律，不同对象之问的相互联系和相互作用就构 成了完整的客观世界。 面向对象的基本原理就是按照人的自然思维对问题域进行划分求解。软件 的设计可以转化为对对象的设计与操作，从而降低软件的复杂度。面向对象是 以对象为中心的方法，它具有如下基本特征： ( 1 ) 对象是数据和有关操作的封装体，突破了传统的将数据与操作分离的 模式，较好地实现了数据的抽象。 ( 2 ) 面向对象技术的继承性体现了概念分离抽象，在对象继承结构上， 下层对象继承上层对象的特征( 属性和操作) ，因而面向对象技术便于软件的演 化和增量式扩充。 ( 3 ) 面向对象技术用消息将对象动态连结在一起。与传统的模块调用不 同，面向技术采用了灵活的消息传递机制，从而便于在概念上体现并行和分布 式结构。 ( 4 ) 面向对象技术具有信息隐藏性。对象将其实现细节隐藏在它的内部， 因此无论是对象功能的完善扩充，还是对象实现的修改，影响仅限于该对象内 部，而不会对外界产生影响。这就保证了面向对象软件的可构造性和易维护性。 2 1 3 面向对象技术的先进性 以o o ( o b i t - o r i 锄t e d ) 概念为理论基础所创建的o o 方法，具有传统计 算技术所不具备的诸多先进机制、能力和优异特性，主要表现为抽象性、封装 性、继承性和多态性【3 6 】。 ( 1 ) 抽象性 抽象是人类认识和表达复杂现实世界的一种辨证方法和重要手段。抽象在 计算机科学中，尤其在系统分析、系统设计和程序设计语言的发展中一直起着 主导作用。o o 方法的创立和形成就是程序设计语言不断抽象和发展的结果。 与传统结构化方法相比，o o 方法具有更高的抽象性，具体表现为：1 ) 对象具 有极强的抽象表达能力。o o 方法采用对象来表达一切事物，它不仅可以表达 传统结构化数据，又可表达复杂的大量结构化( 多媒体) 数据。它既可表达任 何事物的结构属性，又可表达事物的行为特征。正是由于对象的这种高度抽象 的表达能力，使面向对象方法具有很强的建模能力，o o 方法冲破了传统建模 的约束，能更自然、更充分地表达现实世界中存在的语义；2 ) 对象实现了抽象 的数据类型。以对象概念为基础，类是对象的元模型，实现了从对象向更高一 西北工业大学硕士学位论文第二章仿真系统的开发思想和技术论证 层的抽象。首先，将具有相同语义特性的一组对象组成类之后，就可以进一步 将这些对象的共性加以抽取，并进行统一说明，从而省略了各个对象对共性的 重复说明。其次，类将数据结构上的抽象与功能上的抽取结合起来，实现了传 统方法所不具备的更高级抽象。 ( 2 ) 封装性 封装的基本含义是指：1 ) 所有软件的组成部件的内部都有明确的范围和清 楚的外部边界；2 ) 每个部件应有友好的接口，用以实现部件之间的相互联系和 相互作用；3 ) 部件内部的设计与实现是不可知的，这样可以保证软件的质量和 可靠性。 o o 方法提供了完整的封装机制，具体表现为：1 ) 类是封装良好的模块： 类定义将其“说明”与“实现”显式的区分开来，其内部实现按具体定义的作 用域提供保护，分为私有、局部和全局等；2 ) 对象是封装的最基本单位：类定 义为本类的所有对象提供了共享，但在采用o o 方法解决问题时，往往要对类 定义的属性和成员变量赋予具体信息，使其成为类的一个具体对象。因此，对 象的封装比类更具体、更细致，成为o o 方法封装的最基本单位。 ( 3 ) 继承性 继承性是o o 方法独有的，其它方法一律不具备此特性。继承性体现并扩 充了0 0 方法的共享机制，具体含义为：对象共享它所在类的属性，操作与约 束等语义特性；类层次的继承性及多层次继承的传递性，这一点是继承性最重 要的共享机制；多重继承性实现了不同类或对象之间横向共享机制。 继承性之所以成为o o 方法的重要特性和机制之一，是因为它具有如下重 要作用：1 ) 继承性真正实现了软件系统的开放性。现代软件发展的重要趋势是 开放体系结构，主要是指系统的开发应尽可能选用公用的接口，实现信息的交 换与共享，模块应尽量多的重用。0 0 方法由于具有继承性，使要建立的新系 统并非都要从新开始，而是尽量利用已有系统或已建立的类进行扩充或修改而 实现自己的新系统。2 ) 类层次的继承性是信息组织与分类的行之有效的方法。 类层次反映了现实世界中普遍存在的一般与特殊的语义联系；越靠上层表示着 更普遍或更概括的概念，而越往下层表示更专门、更细化、更具体的概念。这 种从概括到细化、从一般到特殊、从抽象到具体便是o o 方法提供给人类的进 行信息组织和分类的先进方法。3 ) 显著地简化了对象、类的创建工作量。通过 声明新定义的类可直接继承已建立类的属性或操作，使类和对象的创建变得极 为简单和省事。因而，提高软件开发效率、保证软件开发质量、缩短软件开发 周期是继承性带来的必然结果。4 ) 增强了软件的重用能力。继承性真正实现了 西北工业大学硕十学位论文第二章仿寅系统的开发思想和技术论证 软件代码的重用，可靠性有了显著提高。 ( 4 ) 多态性 多态性是用一个操作名称实现不同数据类型的多种操作，是o o 方法一种 先进的行为特征。多态性实现的主要方法为：1 ) 运算符重载：即使用一种运算 符可作用于多种数据类型上；2 ) 函数名重载：即同名函数可作用不同的对象上 并产生出不同的行为效果；3 ) 虚函数与动态绑定：即用处在类的不同层次中的 同一虚函数名来实现类的不同操作行为。这种实现过程是在程序运行时，根据 当时调用函数的特定条件动态地选择一种合适的操作，故称此为动态绑定 ( d ”埘1 l i cb i n d i i l g ) 。 多态性所赋予o o 方法的动态行为特征为软件开发带来了如下作用：1 ) 自 适应的消息响应机制。多态性允许每个对象以适应自身的方式去响应共同的消 息，极大地提高了软件操作的透明性、可理解性和可维护性。2 ) 多态性增强了 软件的灵活性和重用性。采用虚函数与动态绑定机制后，允许用户以更为明确、 易懂的方式去建立通用软件。多态性与继承性相结合，使软件具有更广泛的重 用性和可扩充性。上述由o o 概念所孕育和形成的诸多先进机制和能力，使得 o o 方法把计算机技术与人类认识、活动的辨证规律最自然地结合在一起，这 是o o 方法独具有的先进思想和精髓。 总之，面向对象技术与传统的结构化方法有着本质的区别。它使我们分析、 设计和实现系统的方法同我们认识客观世界的过程尽可能的一致。利用o o 技 术我们很容易解决软件设计中所存在的以下一些问题： ( 1 )面向对象的封装性可以解决软件的健壮性方面存在的问题： ( 2 )面向对象技术的继承性可以解决软件的可修改性； ( 3 )面向对象的由抽象到具体可以解决软件流程图带来的问题； ( 4 )面向对象的重用性可以解决软件需求带来的问题； ( 5 )用户界面面向用户，提供优秀的、方便的、高效的系统操作界面，可以 解决软件实用性方面的问题。 2 ，2 开发平台及编程语言的选择 当前，国内的绝大部分计算机用户都使用微软公司的w i l l d o w s 操作系统， 为了使该仿真软件具有较为广阔的应用范围，这里选择w i n d o w s 作为本仿真系 统的开发平台。 考虑到本仿真系统的可扩展性，这里采用前台显示与后台计算分离的设计 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章仿真系统的开发思想和技术论证 思想。考虑到面向对象技术的诸多优点，本仿真系统前台采用面向对象的开发 思想。由于v i s u a lc + + 是一个建立在c - h 语言基础上的集成开发环境，而c h 语言是新一代的以面向对象为根本的高级程序设计语言，它的面向对象的概念 更加符合程序员开发软件的思维习惯，类封装性和模块化的构造非常适合软件 的移植和维护，因此这里考虑使用微软的s u a lc 卜+ 作为本软件的前台开发工 具。考虑选用m i c r o f t 的s l l a lc + + 作为前台开发工具还因为s ic + + 具有 如下几个主要特点【，卜柏】： ( 1 ) s 雌lc + + 提供了m f c ( m i c 瞄矾f o u n d a a c i a s s e s ) 应用程序框架 ( a p p l i c a t i 衄f r a 删邢o r k ) ，提高了编程效率。 7 c 应用程序框架可以看作是m f c 基本类库的一个超集( s u p e r s e t ) ，类 库是众多可在任何程序中使用的类的集合，而应用程序框架则定义了程序自身 的结构。众多的a p i 函数根据功能的不同而被m f c 封装到2 0 0 多个类中，这 些类基本涵盖了进行w i n d o 粥编程大部分可能用到的功能。m f c 的这种封装 并非简单地对a p i 函数进行分组与打包，而是更多地通过类来实现全部的系统 策略。这样，使用s l l a lc h 的m f c 以后，利用其使用向导c l 勰s w i z a r d 可以 很轻松地生成应用程序的框架，许多常用功能如文档的创建、文件的打开、保 存等操作的大部分代码都由应用程序框架来完成，用户只需要专注于特殊功能 的实现，降低了编码的复杂性，大大地简化了编程的难度。随着m f c 版本的更 新，越来越多系统的功能加入，m f c 的规模在不断拓展壮大，目前已包括有2 0 0 ， 多个类，涵盖了通用眦哪类、文档，视框架、0 l e 、数据库、k t 锄e t 以及 分布式功能等多方面的基本内容。这样一个坚实的程序开发基础无疑从很大程 度上方便了程序设计人员对w 枷o w s 程序的开发。 ( 2 ) s u a lo h 具有强大的可视化编程环境。 鲫阻lc h 作为一种功能强大的基于i l d o w s 平台的可视化编程环境，已成 为当今最优秀的开发工具之一。文档视图是基于s lc + + 环境下m f c 应用 程序最主要的对象，编制应用程序，实际上大部分工作将集中在文档类和视图类 的代码编写中。 对于面向数据或数据量较大，使用标准窗口用户界面的应用程序，使用m f c 的文档视图结构可以简化应用程序的设计开发过程。m f c 的文档，视图结构机 制，就是将程序中的数据与它的显示形式以及用户对数据的操作分离开来。文档 用于管理应用程序的数据，视图用于显示文档并管理与用户的交互。视图和文 档联系在一起，在用户和文档之间起桥梁的作用。视图在屏幕上显示文档数据 并把用户输入转化成对文档的操作。视图的所有更改都通过文档类来管理，而 西北1 二业大学硕士学位论文 第二章仿真系统的开发思想和技术论证 视图则调用这个接口来访问和更改数据。换句话说，文档用于管理应用程序的 数据，不涉及用户界面，定义和操纵数据的代码在文档中实现；视图是数据的 用户窗口，它可以将文档数据在窗口中显示出来，并为用户提供与文档中数据 进行交互的界面，即显示数据并解释用户输入的代码在视图中实现。这种思想使 得模块划分更加合理，独立性更强。另外，m f