（机械设计及理论专业论文）基于并行设计的机械产品cad系统研究.pdf

摘要 传统的设计过程采用串行方式使得产品开发周期长、设计效率低，采用并行 设计方法进行产品设计，可以缩短丌发周期，提高产品质量。而现有的c a d 系统 大多是按照串行设计的思想来设计的。本系统引进了并行设计思想，以 a u t o c a d 2 0 0 0 为平台，采用面向对象的软件开发方法，利用二次开发高级工具 o b j e c t a r x 2 0 0 0 ，以减速器为例开发出一个基于装配的机械产品并行设计c a d 系 统。本文从并行设计的基础理论入手，尝试了在a u t o c a d 2 0 0 0 基础上进行二次开 发的完整过程。工作的重点是理论模型的建立及自动化绘图的实现，并定制下拉 菜单和图标按钮对程序进行控制。本文为并行设计应用到机械c a d 系统中进行了 一些有益的探索，并为以后继续研究奠定了基础。 本系统用户界面友好，有很好的开放性和可扩展性。 关键词：并行设计，产品设计，c a d 系统，减速器 a b s t r a c t t h es e r i a lm e t h o da d o p t e db yt r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e s sm a k e st h ep e r i o d o fp r o d u c te x p l o i t a t i o nl o n g e ra n dt h ee f f i c i e n c yo fd e s i g nl o w e r d e s i g n w i t hc o n c u r r e n td e s i g nc a ns h o r t e nt h ee x p l o ir a t i o np e r i o da n di n c r e a s e t h eq u a l i t yo fp r o d u c t s g u tm o s to fc u r r e n tc a ds y s t e m sa r ed e s i g n e db y t h es e r i a lm e t h o d i nt h i ss y s t e m ，a na s s e m b l y b a s e dc o n c u r r e n td e s i g n s y s t e mo fm a c h i n ep r o d u c tw a sd e v e l o p e da st a k i n gt h er e t a r d e ra s a n e x a m p l e t h i ss y s t e m ，b r o u g h tt h et h o u g h to fc o n c u r r e n td e s i g n ，b a s e do n a u t o c a d 2 0 0 0 i tw a sd e v e l o p e db yo b j e e t a r x ，t h eo b j e c t o r i e n ts e c o n d a d v a n c e dd e v e l o p m e n tt o o lo fa u t o c a d i nt h i sp a p e r ，w et r y t h es e c o n d d e v e l o p m e n to fa u t o c a d 2 0 0 0o i lt h eb a s i so ft h et h e o r yo fc o n c u r r e n td e s i g n t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e ra r et h ee s t a b l i s h m e n to ft h e o r e t i cm o d e la n d t h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cd r a w i n g w ea l s od e s i g n e dd r o pm e n ua n ds o m e b u t t o n si no r d e rt oc o n t r o lt h ep r o g r a m t h ep a p e rd i ds o m eb e n e f i c i a l 0 u e s t sf o rm a c h i n ec a ds y s t e mu s i n gc o n c u r r e n td e s i g n ，a n de s t a b li s h e d b a s ef o rf a r t h e rr e s e a r c h t e s t i n ga n da p p l i c a t i o ns h o w e d t h a tt h es y s t e mw a so fi n t i m a t ew i t h h u m a na n dc o m p u t e r s k e yw o r d s ：c o n c u r r e n td e s i g n ，p r o d u c td e s i g n ，t h es y s t e mo fc a d ，r e t a r d e r i l 长安大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会主义市场经济的不断完善，机械产品设计与制造行业在日益激烈的 竞争中面临着十分紧迫的生存与发展问题。激烈的市场竞争，对机械产品的质量、 成本、灵活性、适应性、研制期及交货期都提出了越来越高的要求。在产品的寿 命周期中，作为现代产品生产的关键环节，产品设计过程对于缩短企业的产品研 制开发和制造周期、提高质量、改善产品性能，起着至关重要的作用。为了适应 市场经济多变的、多需求的产品竞争需求，产品设计的概念、方法、思想已经发 生了很大的变化。机械产品的并行设计符合工程领域专家群相互合作的思维活动 形式和生产组织模式的需要，并行设计思想要求设计人员在产品的设计阶段要考 虑产品制造、装配、质量、成本、使用维护等方面可能涉及到的影响因素，力争 缩短产品开发周期，提高产品开发效率。 1 1 课题的提出”叭“ 在传统的机械设计中，每一个环节都要靠设计者以手工方式来完成。方案选 定后按机械零件的设计方法，经过复杂而烦琐的查表、计算、类比、验算等过程， 从而得出相关的参数，根据求出参数给出整机及部件装配图和零件图，编写技术 要求，从而完成整机设计。设计人员大部分精力和时间耗费在零部件的常规设计 中，即反复的计算、推导，特别是繁重而费时的绘图工作中，对整体全局难以进 行深入研究。对于一些困难费时的计算，常不得不采用作图法、类比定值法等耦 糙的方法，因此局限性很大。 随着科学技术和生产的发展，对机械产品的综合技术性能要求越来越高，表 现为要求高参数、低消耗、高耐久r 陛、高可靠性、成套性和自动化，大批量生产 的产品减少，用户个性化程度高。为了降低成本，提高效益，传统的设计已经不 能满足要求。 现在，随着计算机性能的提高、其价格成倍地下降，从而实现了“网络通讯 的普及化”、“信息处理的智能化”、“多媒体技术的实用化”。随着c a d 技术的 普及，c a d 技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。 机械产品设计是设想出最能满足给定使用要求( 功能) 的机械系统和装置并 把这种设想明确化、具体化，以一定方式( 图纸和设计文件等) 表达出来。在产 长安大学硕士学位论文 品设计方案确定、分析模型的建立、主要参数的决策、几何结构设计、评价选优 等设计环节中，有相当多的工作是不能建立起精确的数学模型并用数值计算的方 法来求解的。建立在冯诺伊曼型计算机基础上的c a d 系统，尽管在数值计算 和图形绘制上扩展了人的能力，但在综合多方面的知识和经验进行决策和概念设 计方面，几乎束手无策，而后者恰恰是机械设计中最重要的环节，因为从市场需 要到生产出合格的产品是一个有机的整体。随着设备和产品复杂性的增加，设计 在产品的整个寿命周期中占有重要的位置，它从根本上决定着产品的内在和外在 品质、质量及成本。因此将c a d 二次开发技术与人工智能相结合，去解决更深 层次的计算机辅助设计问题，是一个必然趋势，也是c a d 工作者的主要任务。 当代科学技术的发展和我国经济形势的要求，传统c a d 方法产生的c a d 软件已远远不能适应现阶段要求，虚拟设计、并行设计等现代设计方法正随着网 络系统的发展逐步走入设计日程。并行的含义是指对整个过程的自动调节控制， 最优化则是并行设计的主要目的。实现并行设计，必须解决的关键问题是：设计 过程集成化，设计过程最优化，设计过程自动化。 机械产品的开发是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计 方法和手段创造出产品结构的过程。受设计手段限制，传统的设计过程采用串行 方式进行，既设计任务按时序从一个环节传入下一个环节，各个环节具有较强的 独立性，这种工程方法由于在设计阶段不能有效地评价产品的制造性、可装配性、 可维护性以及产品质量等诸多因素，造成产品在制造阶段或安装阶段才有可能发 现问题，从而使产品丌发周期长、成本较高，质量难以得到保证。为了缩短产品 丌发周期，提高设计的一次成功率，在机械产品的开发中应采用并行设计技术。 专家系统是人工智能的一个领域，最近几年才在实际中取得突破性进展。在 过去的近十年内，专家系统走出实验室，开始在各行各业得到应用，除在技术上， 即硬件( 计算机) 和软件( 程序语言) 已达到可行外，专家系统在经济上也已达 到可行。其中个重要的发展是，在概念上己从包罗万象的大系统转向针对具体 特殊问题的小系统。从目前的情况看，予家知识愈专，专家系统的用途就愈大。 专家系统在机械工业中的应用上受到愈来愈多的国家的重视。由于机械工业 中的设计与制造的复杂性和经验性，获得这种经验性专门知识需要很长时间的积 累，还要不断更新，以掌握新技术。所以这些知识往往掌握在少数人手旱，随着 长安大学硕士学位论文 专家的离去而失去，专家系统为模拟和保存这类专家知识提供了一个有效工具。 本课题尝试将并行设计思想，人工智能、c a d 技术相结合，开发出机械产品 并行设计系统，并将这些方法运用到减速器设计上进行印证。 1 2 国内外研究现状和发展趋势n 5 ， 将领域专家的知识与经验，运用人工智能技术，归纳成一些规则，形成知识 库。再利用推理机制，进行推理和判断，最终应用计算机处理后，获得具有专家 水平的设计结果。这种将人工智能技术与c a d 技术相结合，使c a d 系统智能 化的计算机程序，又称为专家系统。自从1 9 8 3 年b r o w n 最早提出有关a j 在机 械工程中应用的有关问题到d i x o n 把a j 技术应用于工程设计中，公布了有关三 角带传动设计专家系统的研究成果，从此专家系统的发展相当迅速。9 0 年代初， 应用于工程设计的专家系统己取得了令人注目的成绩，充分展示了它所具有的应 用潜力和广阔的应用前景。 产品并行设计是指在产品开发的设计阶段即综合考虑产品生命周期中工艺 规划、制造、装配、测试、维护等其它环节的影响，通过各环节的并行集成，以 缩短产品的开发时问，降低产品成本，提高产品质量。 1 2 1 国外研究现状 国外对机械c a d 及专家系统技术的研究起步较早，且发展迅速。2 0 世纪 6 0 年代中期，美国斯坦福大学的d e n d r a l 计划以及麻省理工学院的 m a c s y m a 计划开始研制首批专家系统，一直持续到7 0 年代中期，较为完善地 提出了专家系统的含义。从6 0 年代到8 0 年代的2 0 多年早，专家系统广泛应用 于医学、地质、生物化学、故障诊断、工程、数学问题求解、教育、军事等领域， 取得了很大的进步。进入8 0 年代，人们对专家系统有了新的认识，专家系统研 究进入高速发展阶段。一些面向应用领域的专家系统也走上了实用的商业化阶 段。如美国d e c 公司研制的x c o n 系统，用以设计v a x 计算机的外形与结构， 设计正确率达9 9 ，为该公司每年刨利达数千力元。另一个v e x - - p e r t ，是设 计三角皮带传动的专家系统，它可根据设计要求和初始规则给出初始设计，进而 用专家知识不断改进，直到获得一个“可能接受”的设计为止。1 9 7 9 年美国的 s d r c 公司推出了世界上第一个基于实体造型技术的大型c a d 软件一一i d e a s ，此后相继出现了许多颇有影响力的机械c a d 软件，如美困p t c 公司的 长安大学硕士学位论文 p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g 等等。这些系统软件在工程 实际中得到了非常广泛的应用。 二十世纪8 0 年代以来工业界开始认识到c a d 新技术，大量推出了新原理、 新方法、新软件，并把单一功能软件集成，使之不但能绘制工程图形，而且能进 行自由曲面设计、有限元分析、三维造型、机构及机器人分析与仿真等多种应用。 与此同时，计算机硬件及输入、输出设备也有较大发展，计算机网络获得广泛应 用，所有这些都大大促进了c a d 的更大发展。3 0 多年来，国外工业发达国家的 c a d 技术不断创新、完善，逐步发展形成一个从研究开发、生产制造到推广应 用和销售服务的完整的高技术产业。 自1 9 8 9 年r i w i n n e r 提出并行工程( c o n - c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 思想以来，对于 并行工程的理论研究和实践应用已取得了长足的进步，作为并行工程的重要环 节，并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) 的研究也取得了重要进展，并在产品开发工具 c a d c a m 软件中得到了有力的支持，其中比较成功的有p t c 公司的 p r o e n g i n e e r 、c v 公司的c a d d s 5 等软件。【4 1 1 2 2 我国的研究现状 我国c a d 技术起步于6 0 年代，1 9 8 5 年以后进行了大规模的c a d 技术的开 发和研究。在国家统一规划下，以汽车、拖拉机、减速器、内燃机、电动机等 2 0 多种机械产品为开发对象，开发上述产品的c a d 应用系统及c a d 支撑系统。 目前已商品化的c a d 系统软件，主要有c a x a 电子图板，香格里拉机械c a d 、 开目c a d 系统等。“” 目前国产的c a d 软件基本上都是用于二维或三维图形的绘制，数值的计算 和图形的绘制是分离的，虽然部分标准件已经做成参数化图形库，但是在进行整 体设计时还需要人工进行大量而复杂的数值计算，没有形成设计和绘图相关联的 智能化c a d 系统。 虽然我国在专家系统的研究开发方面起步较晚，但也取得了较好的成绩。专 家系统已经广泛应用于许多领域，特别是在医疗卫生和农业领域的应用取得了丰 硕的成果。在各个不同的领域开发出许多有领域特色的专家系统，如由国家杂交 水稻工程技术中心马国辉博士主持研制的水稻种业专家系统、关幼波胃脘病专家 系统( 国家”七五”攻关课题) 。 4 长安大学硕士学位论文 专家系统在机械设计中的应用，是近几年才开始的，在机械故障诊断分析、 机械产品设计、机械工艺设计等方面都进行了大量的研究，也开发出比较成功的 专家系统，如西安交大的圆柱齿轮减速器专家系统，上海交大模具设计方面的专 家系统，华中理工大学开发的滚子链传动设计专家系统，以及武汉水运工程学院 的带传动设计专家系统等。 并行工程作为一种哲理，现阶段已成功地用于机械、电子、化工等工程领域， 其应用范围尚需进一步扩大，我国8 6 3 c i m s 主题对此做出积极反应已把并行 工程作为重大关键技术攻关项目。 1 2 3 发展趋势 专家系统与c a d 系统的有关模块集成在一起，系统不但有知识库与符号推 理，还有数据库、图形库、数值运算及工程分析，形成设计型的专家系统。这就 使得设计自动化成为可能，即系统不仅能自动处理数值信息( 工程分析及图形) ， 而且能自动处理知识信息( 逻辑推理) ，设计型专家系统的发展为迈向更高水平 的设计自动化奠定了基础。随着市场竞争的加剧，企业要能抓住机遇，提高应变 能力，必须快速响应市场，产品的设计技术从传统的串行设计走向并行设计是必 然的发展趋势。因此将设计型专家系统及并行设计技术应用到机械c a d 中来，不 但能缩短开发周期、大幅度提高新产品设计质量而且可确保系统稳定可靠运行。 1 3 课题的研究内容 机械产品并行设计系统研究的目的是通过研究设计机械c a d 并行设计系 统，并将减速器的设计作为一个设计实例。在本系统中，根据减速器关键部分的 没计条件及装配条件，利用专家系统与并行设计方法，准确、快速、合理的选择 设计参数及结构尺寸。从而有效控制设计质量，然后将设计所得的设计参数及结 构尺寸传给c a d 系统，利用c a d 系统强大的绘图功能绘制出装置的装配图及 零件图，从而大大缩短设计周期，提高设计的质量和效率。 本课题研究的意义在于利用c a d 及并行设计思想，将它们有机地结合起来， 并运用到减速器的设计上来，以减速器设计为实现目标探讨机械产品并行设计系 统的设计方法。并且可参考利用本系统设计方法，来实现其他装置的并行设计 c a d 系统。当然，本系统并非要取代所有的专家，相反专家系统可以作为存储 专家多年来设计的方法和经验的媒介，缩短设计中经验知识的学习和积累时问， 长安大学硕士学位论文 使每一位使用此类工具的技术人员在较短时期内成长为合格的工程师。 本课题研究的主要内容有：在机械产品并行设计系统的专家系统部分中，主 要是对减速器设计中的各种知识进行详细的分析，建立它们之间的联系，以利于 知识的提炼、整理、存储；对减速器设计专家系统的推理方法的设计；利用并行 技术将设计过程并行化，提高设计效率：在c a d 系统部分中将由专家系统选择 好的设计参数传递给c a d 系统，然后绘制出装置的装配图及零件图。 在总体设计过程中需要根据设计参数选择合适的标准件及结构设计，涉及到 良好的人机界面和大量的数值计算，在零件设计中涉及大量的图形信息，需要强 大的图形绘制功能。所以本课题尝试了将v c + + 、m a t l a b 与a u t o c a d 系统的有 关模块集成在一起，开发了机械产品并行设计c a d 系统。 长安大学硕士学位论文 第2 章软件开发工具 2 1v is u al c + + 及其技术简介”1 2 1 1v is u a ic + + 简介 本系统全部采用可视化编程语言v i s u a lc + + 工具开发。v i s u a lc + + 是汇集了 m i c r o s o f t 公司技术精华的主流产品，是当前十分流行的真j f 程序员级程序设计 高级语言，一方面v c + + 具有较高的兼容性编程环境；另一方面它是一种面向对 象的程序设计语言，其强大的开发环境是其它程序设计语言无法比拟的。v c + + 是目前从事软件产品及应用开发的十分理想的编程语言。 v i s u a lc + + 是一种面向对象的可视化的编程语言，它是可在w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 和w i n d o w sn t 上建立3 2 位应用程序的强大工具，与1 6 位w i n d o w s 应用程序 或不使用图形界面的老程序相比，这种程序要大的多也复杂的多。但借助于 v i s u a lc + + 生成代码的向导，程序设计者的工作实际上是减少了，在数秒内就能 生成可运行的w i n d o w s 应用程序外壳。这使得所开发的系统具有美好的w i n d o w s 集成界面，易于被人们接受，操作、使用和维护均十分简便。 2 1 2v is u a ic + + 的优点 同其他软件开发工具相比，v i s u a lc + + 具有以下优点： 1 、面向对象、可视化开发 提供了面向对象的应用程序框架m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) ，大大简 化了程序员的编程工作，提高了模块的可重用性。v i s u a lc + + 还提供了基于c a s e 技术的可视化软件自动生成和维护工具a p p w i z a r d 、c l a s s w i z a r d 、v i s u a ls t u d i o 、 w i z a r d b a r 等，帮助用户直观的、可视化地设计程序的用户界面，可以方便的编 写和管理各种类，维护程序源代码，从而提高了开发效率。 2 、众多的开发商支持以及业已成为工业标准的m f c 类库 m f c 类库已经成为事实土的工业标准类库，得到了众多开发商和软件开发 工具的支持。 3 、v is u a lc + + 简化了编程 v i s u a lc + + 封装了w i n d o w s 的a p i ( 应用程序接口) 函数、u s e r 、k e r n e l 、 长安天学硕士学位论文 g d i 函数，帮助我们弄清了许多函数的组织方法，隐去了创建、维护窗口的许多 复杂的例行工作，因而简化了编程。 2 1 3v is u a ic + + 面向对象的技术简介 1 、面向对象的技术 面向对象技术是目前流行的系统设计开发技术，它包括面向对象分析和面向 对象程序设计。本技术将在第3 章进行介绍。 2 、面向对象的编程方法具有四个基本特征 ( 1 ) 抽象：抽象就是忽略一个主题中与当前目标无关的那些方面，以便更充 分地注意与当前目标有关的方面。 ( 2 ) 继承：继承是一种联结类的层次模型，并且允许和鼓励类的重用，它提 供了一种明确表述共性的方法。 ( 3 ) 封装：封装是面向对象的特征之一，是对象和类概念的主要特性。封装 是把过程和数据包围起来，对数据的访问只能通过己定义的界面。封装保证了模 块具有较好的独立性，使得程序维护修改较为容易。对应用程序的修改仅限于类 的内部，因而可以将应用程序修改带来的影响减少到最低限度。 ( 4 ) 多态性：多态性是指允许不同类的对象对同一消息做出响应。 3 、面向对象程序设计具有许多优点 ( 1 ) 开发时间短，效率高，可靠性高，所开发的程序更强壮。 ( 2 ) 应用程序更易于维护、更薪和升级。 综上所述，面向对象的程序设计方法比传统的面向过程的方法更符合现实世 界的存在和运行方式，因而能较好地以软件来反映并解决现实世界的问题。对应 于现实世界的多层次和动态结构，面向对象的软件设计通过封装、继承、重载等 特性加以支持，从而保证了系统平台的可扩展性、可移植性、可重用性及实现的 经济可行性。 2 1 4 本系统采用这些技术的原因 1 、鉴于面向对象的技术和v i s u a lc + + 的先进性和易推广性，本系统的丌发 采用了这些先进的技术； 2 、作者曾用c c + + 编制过程序，对c c + + 语言比较熟悉。 3 、用v i s u a lc + + 可以调用二维绘图软件a u t o c a d 的绘图命令对它进行二次 长安大学硕士学住论文 开发。 2 2m a tia b 及其技术简介“7 “”1 2 2 1m a t ia b 简介 在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。 这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程 序做近似计算。目前流行用b a s i c 、f o r t r a n 和c 语言编制计算程序，既需要对 有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数 科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂 的，不仅消耗人力与物力，而且影响工作进程和效率。 为克服上述困难，美国m a t h w o r k 公司于1 9 6 7 年推出了”m a t r i xl a b o r a t o r y ” ( 缩写为m a t l a b ) 软件包，并不断更新和扩充。目前最新的6 5 版本( w i n d o w s 环境) 是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包 括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程 序，并集应用程序和图形于一体便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的 m a t l a b 语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。 2 2 2m a t l a b 的特点 1 、编程效率高 它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程 序，m a t la b 语言由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。 2 、用户使用方便 m a t l a b 语言是一种解释性执行的语言( 在没被专门的工具编译之前) ，它 灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时问少。m a t l a b 语 言把编辑、编译、连接和执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作快速排 除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改 和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程。，它是一种比v b 还要简单的语言。 i 叮以说，m a t l a b 语言不仅是一种语言，广义上讲是一种该语言丌发系统，即语 言调试系统。 3 、扩充能力强 长安大学硕士学位论文 用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高m a t l a b 使用效率和扩充它的功能。另外，为了充分利用f o r t r a n 、c c + + 等语言的资源， 包括用户已编好的f o r t r a n ，c c + + 语言程序，通过建立m 文件的形式，混合编 程，方便地调用有关的f o r t r a n ，c c + + 语言的子程序。 4 、语句简单 m a t l a b 语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为 a ，b ，c = f u n ( d ，e ，f ，) ，即一个函数由函数名，输入变量d ，e ，f ，和输出变 量a ，b ，c 组成，同一函数名f u n ，不同数目的输入变量( 包括无输入变量) 及不同数目的输出变量，代表着不同的含义( 有点像面向对象中的多态性。这不 仅使m a t l a b 的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空问，使得m a t l a b 编写的m 文件简单、短小而高效。 5 、高效方便的矩阵和数组运算 m a t l a b 语言像b a s i c 、f o r t r a n 和c c + + 语言一样规定了矩阵的算术运算符、 关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可 以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加”就可用于数 组问的运算，另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的 库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题 时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。在此基础上， 高版本的m a t l a b 已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。因此，不久的将来， 它一定能名符其实地成为”万能演算纸式的”科学算法语言。 6 、方便的绘图功能 m a t l a b 的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数( 命令) 只需调用不同 的绘图函数( 命令) ，在图上标出图题、x y 轴标注，格( 栅) 绘制也只需调用 相应的命令，简单易行，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、 复线或多重线。这种为科学研究着想的设计是通用的编程语占所不及的。 总之，m a t ：二b 语言的设计思想可以说代表了当前计算机高级语j 发展方向。 2 2 3m a t i a b 与v c + + 的接口机制 这种接口机制有以下5 种： 1 、用m a t 文件应用程序来完成m a t l a b 与其他应用程序问的数据交换。m a t l o 长安大学硕士学位论文 文件应用程序是一种可以独立执行的应用程序，但它完成的功能非常有限，只能 用于数据交换，而不能利用m a t l a b 所提供的功能完成计算任务。 2 、为了充分利用其他应用程序的优点如计算速度快和已有的算法程序，从 而避免重复的开发，通过m e x 文件来完成的。它是一种动态链接库程序，不能 脱离m a t l a b 的工作环境而执行，必须在m a t l a b 的工作环境内部，通过m a t l a b 调用才能进行。 3 、通过m a t l a b 引擎和m a t l a ba c t i v e x 完成v c + + 对m a t l a b 的调用。 4 、基于m a t l a bc c + + 数学函数库开发的应用程序。程序一旦建立成功，就 无需依靠m a t l a b 而完全独立地执行。它有明显的优点：执行速度快、内存需求 小、可以发布给没有m a t l a b 的用户使用。因此，基于m a t l a bc + + 数学函数库编 写的应用程序非常适合用于大规模计算。 m a t l a bc + + 数学函数库是一个由m a t l a b 提供的基于c + + 语言的数学函数库， 其中包含大约4 0 0 个m a t l a b 的数学函数，不但包括了大量的m a t l a b 内建数学函 数，而且包含了许多在m a t l a b 中被声明为m 文件的数学函数。 5 、利用m a t c o m 实现m a t l a b 与v c + + 混合编程。m a t c o m 是一个用于m a t l a b 的m 纯文本文件的编译器。可将m 文件翻译成v c + + 的c p p 代码文件，也可将 其直接编译成e x e 执行文件和d l l 文件。其特点如下： ( 1 ) 相对其它高级语言，提供了一个丰富的与m a t l a b 函数库对应的m a t c o m 函数库。 ( 2 ) m a t c o m 把m 文件编译成脱离解释语言环境的程序，提高了代码的复用 率和代码的执行速度，使m 程序源代码变成非透明。 ( 3 ) m a t c o m 对m 文件翻译后的c p p 文件代码简洁、可读性好。 ( 4 ) 提供了m 文件的d e b u g 环境。 长安大学硕士学位论文 第3 章机械产品并行设计系统中的理论与方法 设计的本质是创造与创新。设计是一个创造和创新的过程，没有任何创新不 能称为设计。而设计过程中的创造性进程实际上就是一个新设计知识的获取过 程。设计是一种技术实践活动，设计中的创新以现实存在为基础。设计是一个需 要多种专门知识和实践经验，包含分析、综合、评价等过程，直到实现合理正确 目标的一种创造性活动。设计是使想法变为现实，力图以当前尽可能好的方式来 满足市场提出的要求；是按给定的目标和在部分的相互矛盾条件下的求优过程。 从现代意义上看一个设计是否成功，已经不再是过去的产品的各种属性是否 满足市场要求，能否比较圆满地达到预期效果，而主要是从以下两个方面来检验： 1 、设计的成果产品现代知识的含量 在此，知识的内涵是丰富的、广义的，它既包含了“经验”，即以往开发产 品所积累的、经实践检验是正确的领域知识，又包含了开发新产品所需要获取的 知识，如新技术、新方法、新材料、新工艺及新的信息等。产品的现代知识含量 的多少将反映该产品的内涵。 2 、所设计的产品能否得到市场的承认 所设计的产品要得到市场的认可，诚然，产品的质量、性能、功能、性能价 格比以及售后服务等通常意义上的产品属性是否为市场所认可、接受是非常重要 的，但该产品的上市时间，上市时机也是一个关键因素。有研究表明，如果一个 产品推迟上市6 个月，则在产品的生命周期中要损失毛利的三分之一。影响产品 的上市时间的重要因素之一是产品的设计过程组织是否科学合理，能否以较高的 设计效率完成高质量的设计。 所以现代制造业的竞争不仅体现在产品的性能、销售等方面，而必须从产品 的全生命周期的角度来考虑。在激烈的、日益全球化、市场化的市场中，一个成 功产品在其属性方面的竞争优势并不能保持长久，这是因为竞争使得各个企业都 在关注着各自的竞争对手甚至是台作伙伴，成功产品外在的特性甚至是内在的特 点在信息化时代中已无秘密町言，但产品开发过程的组织管理方式是企业丌发该 产品所固有的，设计理论及其具体在产品设计过程中的应用是企业所固有的。因 此，制造业丌始将注意力集中到产品开发过程的分析和研究上，通过科学地组织 长安大学硕士学位论文 产品的开发过程以及产品开发过程的重组来保持企、i k 的而绝不是某一个或某些 成功产品的竞争优势。 本章将对系统开发理论进行剖析，阐述机械c a d 系统并行设计的实施策略。 3 1 并行设计在c a d 系统中的应用“” 3 1 1 传统的串行产品设计模式 在产品开发时序上，传统设计方法中的各个阶段是相互隔离的，组织模式是 递阶结构，各阶段的工作是按顺序方式进行的，一个阶段的工作完成后，下一阶 段的工作才开始，各个阶段依次排列。各阶段都各自的输入和输出，过程如下： 1 、产品规划 这里首先需要明确所设计的系统或产品的目的和任务要求，并用设计任务书 的形式表达出来以作为后续的设计、评价和决策工作的依据。为此，需要进行 市场需求分析、可行性分析和设计要求的拟定工作。 2 、方案设计 方案设计阶段，在多学科领域知识和丰富的设计经验的基础上，首先拟定原 理方案、进行产品构思，然后采用各种设计方法对实现初步设计的目标进行分析， 最后提出有关产品的总体布置和方案评价的具体设计。 3 、结构设计 采用现代设计的各种方法，如优化设计、有限元分析、实验分析等，运用先 进的计算手段，对所采用的设计方案、各零部件的具体结构进行各种工程分析、 计算，如强度、刚度、材料性能等方面的优化设计，最后提交产品设计说明书， 并绘制出必要的图纸。 4 、工艺设计 对设计对象进行工艺性评估和工艺设计，进行工艺路线的宏观规划以及工序 的微观规划，分析按照何种工艺路线以及如何把原材料转变为成品，做好生产准 备工作，如加工过程中所必须要使用的工、夹、量具等附具，考虑加工过程中所 需使用的各种生产设备等等，最后提交工艺设计报告。 5 、加工制造与检测调试 将实现产品功能的各个结构、零部件等加工组装起来，并进行产品性能的检 测、调试，功能满足要求既可投放市场。 长安大学项士学位论文 6 、再设计也即修改 在该串行设计阶段，由于各个具体的设计阶段在时间上是顺序执行的，前瓣 的设计阶段很难甚至无法获取后续设计阶段的信息，所以修改设计就成为设计过 程中必不可缺的环节。 在以上各个阶段中，每个阶段都或多或少地运用计算机辅助技术，如优化设 计、町靠性设计、有限元分析等现代设计方法，有各自的输入和输出。在该设计 过程中，下个阶段工作能否启动，取决于上个阶段是否结束，也即本阶段是否具 有相应的输入，产品设计的各个阶段是按顺序进行、依次排列的，构成了产品设 计的一个大的循环过程。典型的串行产品设计过程如图3 1 所示。 一 图3 一l 串行设计过程 通过上述对传统串行设计过程的分析可以看出，这种产品设计过程的主要特 点是： ( i ) 在结构上，设计阶段明确； ( 2 ) 在人员组织上，参与人员的分工清晰； ( 3 ) 在时序上，各个工作阶段之间是流水线作业； ( 4 ) 在信息传递处理上，各个设计阶段各自产生各自的信息输出，基本数据 将不可避免地出现重复产生，因此信息处理是问：折的； ( 5 ) 在产品信息控制上，在不同的设计、制造阶段以及不同部门中，信息的 操作者、操作方式、操作对象都可能不同，产品信息控制的统一性和连贯性难以 得到保障； 长安大学硕士学位论文 ( 6 ) 从使用的方法上，各个阶段所使用的技术是隔离的，很难甚至无法实现 产品设计过程的集成。 在产品串行设计工作中，尽管采用了现代设计方法和先进的设计工具，但由 于在设计阶段不能有效地评价产品的制造性、可装配性、可维护性以及产品质量 等诸多因素，造成产品在制造阶段或安装阶段才有可能发现问题，这样就形成了 设计制造修改设计重新制造的大循环，导致产品开发周期较长，丌 发成本过高，质量无法保证等问题，这些问题将会推迟产品上市时间，影响到企 业和产品的市场响应能力和市场竞争力，甚至导致产品开发的失败。 研究人员注意到了这种设计方法的种种弊端，开始致力于研究产品开发过程 的新的理论和方法，并行工程概念的出现，给研究人员提供了一种新的思维模式， 将并行工程的哲理运用于产品设计过程的研究，产生了产品并行设计过程这种新 的设计过程，并越来越引起研究人员的注意，它被期望用来解决传统设计过程中 的种种问题。 3 1 2 产品开发的并行设计模式 产品的并行设计符合工程领域专家群相互合作的思维活动形式和生产组织 模式的需要，并行设计思想要求设计人员在产品的设计阶段要考虑产品制造、装 配、质量、成本、使用维护等方面可能涉及到的影响因素，力争缩短产品丌发周 期，降低成本。 1 、并行设计模型 通过并行设计的设计过程管理模式来改善、解决串行设计过程所存在的问 题，其关键是针对产品设计过程进行深入的研究和分析，并对其进行细化、分析 和重组，如在上述产品设计开发的大循环中，发现并设法消除设计过程中的冗余， 尽可能简化产品的设计过程，以达到对已有的产品设计过程不断地进行改进和提 高的目的，缩短产品开发周期，提高产品设计的效率，提高产品设计的一次成功 率，提高产品竞争力。 在图3 一l 的串行设计过程之中，构成产品设计过程的各个环节、各个阶段之 间有一定的输入、输出关系，它们之间的关系是相互藕合的，它们之间不可能在 时问上进行简单并发，必须进一步对设计过程进行细化和重组。 并行设计要求考虑的因素有：市场需求、制造、装配、维护、环境保护等， 长安大学硕士学位论文 目的就是缩短新产品的开发周期，进步压缩生产成本，提供优质服务( 售前咨 询服务、售后增值服务) 。并行设计作为一种设计“哲理”，是在原有的信息功能 集成的基础上，集成地、并行地设计产品。并行设计更强调功能上和过程上的集 成，在优化和重组产品开发过程的同时，实现多学科领域专家群体协同工作。所 谓并行，是指一个以上的事件在同一时刻或同一时段内发生，多个复杂性事件可 以表示为空间的复杂和时问的复杂，并行设计的目标是尽可能减少时间，通常是 采取增加空间的复杂性来实现。从产品设计过程来看，并行设计采用每个时刻可 容纳的设计过程相应增加，使整个设计过程尽可能同时进行。 并行设计也是虚拟产品开发的关键技术之一，参与产品开发的各专业人员采 用并行工作模式协同地工作。并行工作模式立足于最短时间、最大程度满足用户 的需求，利用先进的计算机技术、信息技术和先进的组织方式对产品的开发过程 进行研究，建立并行工程环境下产品开发的过程模型、重组产品开发过程，实现 开发过程的集成，其工作模式如图3 2 。 图3 - 2 并行设计的产品开发模式 “并行设计”的目的是加快设计周期，以适应竞争的形势。亮行设计是并行 工程的主要组成部分，是对产品设计及其相关过程进行并行。这种 作模式力图 使开发者从一开始就考虑到产品的生命周期，并行工程的工作重心是产品并行设 计，并行设计将下游环节的可靠性、技术、生产条件等作为设计环节的约束条件， 长安大学硕士学位论文 以避免或减少产品丌发进行到晚期才发现错瀑，再返回到设计初期进行修改，延 长产品上市时间，增加产品设计成本。 并行设计工作模式是在产品设计的同时考虑其相关过程，包括加工工艺、 装配、检测、质量保证、销售、维护等。在并行设计中，产品开发过程的各个阶 段工作交叉进行，及早发现与其相关过程不相匹配的地方，及时评估、决策，以 达到缩短产品开发周期、提高质量、降低成本的目的。 并行设计也将产品开发周期分解成许多阶段，每个阶段有自己的时问段，组 成全过程，在图3 2 所示中，时问段之问有一部分重叠。重叠部分代表过程的同 时进行。一般情况下相邻两个阶段可以相互重叠，需要时也可能出现两个以上阶 段相互重叠。在图3 2 所示中，方案论证属于相邻两个阶段相互重叠，设计反馈 属于三个阶段相互重叠。在这些相互重叠的设计阶段间实行并行设计，显然首先 要求信息建成和相互问的通讯能力，其次要求团队的方式工作，这些团队不仅包 括与这些设计阶段有关的设计人员，还应包括与产品生产和销售过程的相关部门 的人员。并行设计的方法要求以平行、交互、多学科团队互相合作的方式进行产 品开发。 2 、并行设计中产品开发过程建模 建模的目的是针对产品开发过程进行仿真分析，实现企业生产的全局管理和 协调。在并行设计中，对产品开发过程建模可以解释为对企业中产品开发过程的 描述、抽象和提炼，并以此为基础完成对产品开发过程的规划、仿真和分析，产 生适合并行设计要求的产品开发过程的组织方案。这一方案是对产品开发过程进 行监控和管理的基础。 产品开发过程监控和调度产品开发过程在实施中还要解决两个问题，其一是 如何全面地监视开发过程的实际执行情况，及时发现错误和矛盾；其二为如何采 用有效方法解决这些错误和矛盾。具体表现为： 产品开发过程中许多相互依赖关系需要处理：采用并行产品开发及组建 多功就开发小组的必然结果是：刀= 发人员在开发过程中要盘三理大量相互依赖和制 约的关系。这些关系称为约束( c o n s t r a i n t ) 。如何全面正确的形式化描述约束、 如何判断约束各方的相互影响情况、如何减少违约次数以及如何及时通报违约信 息是设计人员非常关心的问题。 长安大学硕士学位论文 产品开发工作流程需要管理：这里，产品开发工作流程的管理指对确认 后的产品开发过程模型进行调度和监控。产品开发工作流程的管理本身并不是一 个新概念，习惯上可通过项目管理技术来解决。但是，在并行设计开发方式下， 由于网络上多功能小组的工作方式和d f x 的使用，产品开发阶段任务的规划、交 叠、冲突情况将十分频繁，如何既妥善处理好这些情况又保证缩短开发时间，是 需要解决的问题。 协调管理与过程建模、仿真和优化模块集成在一起，组成闭环系统，可实现 开发过程的动态建模和调度。如图3 3 所示。 图3 3 动态建模与模型修改 协调与管理继承了产品开发过程建模、仿真和优化的结果。产品开发过程建 模生成的开发人员的任务列表为项目组工作人员提供工作指令；产品开发过程模 型为约束管理提供组建约束网络需要的过程时间关系信息，为过程监控提供监