（机械设计及理论专业论文）基于面向对象技术的桥式起重机cad系统开发方法研究.pdf

摘要 本文针对国内起重机行业c a d 领域设计制造等方面的不足，以桥式起重机为研究 对象，以c a d 为研究核心，以面向对象为设计思想，对整机系统结构的参数化设计和 参数化绘图进行深入研究，实现模块化、系列化设计。 课题利用面向对象技术开发开放型的c a d 系统，建立合理的对象模型和类树结 构，采用面向对象技术抽象出桥式起重机类来表述桥式起重机对象，该类封装了桥 式起重机结构的基本信息并对这些信息进行计算分析和操作。 起重机的参数化设计计算采用面向对象的程序编制方法在w i n d o w s 平台上用 v i s u a lc + + 6 o 进行开发，充分利用对象的四个主要特性，尤其是类和继承的特性， 使系统的构建更显合理。系统将桥式起重机结构强度、刚度、稳定性的验算过程封 装成模块，各个验算结果可作为优化设计的约束条件，只要输入基本设计参数，便 能自动输出计算过程和验算结果，从而使设计人员从繁重的手工计算中解脱出来， 并有更多精力从事创造性设计。 本系统以a u t o c a d 为图形支撑软件，以命令文件为接口实现参数绘图，设计软件 有独立的操作系统环境和软件界面，且能够使用全部a u t o c a d 系统命令。系统按面向 对象编程惯例将其封装在s c r 类中，绘图时调用该类的成员函数即可。课题完成了 基于桥式起重机结构的二维参数化绘图，以优化的数据或可视化设计的数据为参数， 实现桥式起重机的命令文件式参数绘图。 基于面向对象技术的起重机c a d 系统结合面向对象技术和参数化设计的思想，充 分利用各相关技术，对桥式起重机结构进行设计计算，方便设计人员设计，缩短了 设计周期，提高了工作效率。 关键词：桥式起重机：c a d ；面向对象技术；参数化设计；命令文件式参数绘图 t h em e t h o dr e s e a r c ho fc a d s y s t e md e v e l o p m e n to fo v e r h e a d t r a v e l i n gc r a n eb a s e d o no b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y g r a d u a t en a m e n i n gw e i t i n g d i r e c t e db yt a oy u a n f a n g a b s t r a c t a i m i n ga tt h el a c ko fd e s i g n i n ga n df a b r i c a t i n gi nt h ec a df i e l do f i n t e r n a lc r a n ei n d u s t r y , p a r a m e t r i cd e s i g na n dp a r a m e t r i cd r a w i n go ft h e w h o l em a c h i n es y s t e ma n ds t r u c t u r ea r es t u d i e dt h o r o u g h l yi nt h ep a p e r , t h e m o d u l a ra n ds e r i e sd e s i g na r ea c c o m p l i s h e d ，w i t ht h eo b je c to fb r i d g ec r a n e ， t h ec o r eo fc a d ，a n dt h ei d e ao f o r i e n t e d o b j e c t ( o o ) o p e ns y s t e mo fc a d ，r e a s o n a b l em o d e lo ft h eo b je c ta n dt h es t r u c t u r e o ft h ec l a s s t r e ea r e d e v e l o p e d i nt h et o p i c ，b a s e do n o b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g y o v e r h e a dc r a n ec l a s si sa b s t r a c t e dt od e m o n s t r a t ec o r r e s p o n d i n g o b je c tb ya d o p t i n go b je c t o r i e n t e dm e t h o d t h ee s s e n t i a li n f o r m a t i o no f c r a n ea n de s s e n t i a lo p e r a t i o no nt h ei n f o r m a t i o na r ee n c a p s u l a t e di nt h e o v e r h e a dc r a n ec l a s s o b je c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o di sa d o p t e dt od e v e l o pt h i ss y s t e m b yu s i n gv i s u a lc + + a tw i n d o w sp l a t f o r m ，b ym a k i n gg o o du s eo ft h ef o u r l e a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c t e s p e c i a l l y ，t h eu s i n go fc l a s sa n di n h e r i t a n c e m a k e st h es t r u c t u r er e a s o n a b l e t h ec a l c u l a t i o n so ft h ei n t e n s i t y ，v i g o r o u s a n ds t a b i l i t yo fb r i d g ec r a n ea r ee n c a p s u l a t e da sam o d u l ei nt h es y s t e m t h e r e s u l t so ft h ec h e c k i n gc o m p u t a t i o n sc a nb et h er e s t r i c t i o nc o n d i t i o n si nt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g n g i v e nt h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h ed e s i g n ，t h es y s t e m c o u l do u t p u tt h ep r o c e s so ft h ec a l c u l a t i o na n dt h er e s u l t so ft h ec h e c k i n g c o m p u t a t i o n s i tm a k e se n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n sr e l e a s ef r o mt h et e d i o u s m a n u a lc a l c u l a t i o na n dm a k et h e mp u th e a r ti n t oc r e a t i n gw o r k t h es y s t e mc o m p l e t e st h ep a r a m e t r i cd r a w i n g ，t a k i n gt h ea u t o c a da s s u p p o r t i n gs o f t w a r e ，t h es c r i p t f i l ea s i n t e r f a c e ，t h es o f t w a r eh a st h e i n d e p e n d e n to p e r a t i o ns y s t e ma n dt h ei n t e r f a c eo fs o f t w a r e ，a n dt h a ti tc a n m a k eu s eo fa l lt h es y s t e mo n e r so fa u t o c a d i nt h es y s t e m ，t h e ya r e e n c a p s u l a t e di nt h es c rc l a s sa c c o r d i n gt ot h eo o pc o n s u e t u d e ，t h em e m b e r f u n c t i o n si nt h ec l a s sc o u l db eu s e di nd r a w i n gp r o c e s s t h et o p i cc o m p l e t e s t h er e s e a r c ho n2 dp a r a m e t r i cd r a w i n gb a s e do nt h eo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e s t r u c t u r e ，w i t ht h eo p t i m i z i n gp a r a m e t e r s ，c a r r i e so u tt h eo v e r h e a dt r a v e l i n g c r a n es c r i p tf i l ep a r a m e t r i cd r a w i n g t h ei d e a so f o b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y a n d p a r a m e t r i cd e s i g n c o m p u t a t i o na r ec o m b i n e dt o c o n s t r u c tt h i sp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo f o v e r h e a dc r a n eb a s e do no b je c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y t h ec o r r e s p o n d i n g t e c h n o l o g i e sa r ef u l l y u s e dt od e s i g na n dc o m p u t es t r u c t u r eo fo v e r h e a d c r a n e t h i ss y s t e mm a k e st h ed e v i s e r sd e s i g nc o n v e n i e n ta n dd e s i g np e r i o d i ss h o r t e n e d a n da tt h es a m et i m ew o r ke f f i c i e n c yi si m p r o v e d k e yw o r d s ：o v e r h e a dc r a n e ；c a d ；o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y ；p a r a m e t r i c d e s i g n ；p a r a m e t r i cd r a w i n gt h r o u g hs c r i p tf i l e 承诺书承话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师 指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原 科技大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期 间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中 已经注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：赫媾 2 0 0e 年5 月心e l q 绪论 第一章绪论 1 1 起重机设计现状分析 。 随着现代工业的发展、生产规模的扩大以及自动化程度的提高，作为物料搬运 重要设备的起重机械在现代化生产过程中的作用越来越大、应用越来越广，世界销 售市场对起重机械的需求量不断增加的同时，对起重机的要求也越来越高，科学技 术的飞速发展推动了现代设计和制造能力的提高，激烈的国际市场竞争也越来越依 赖于技术的竞争，这些都促使国内外各种起重机制造企业在生产中更多地采用各种 先进技术去提高劳动生产率，增强市场竞争力。 1 1 1 国外起重机研究现状 近年来，随着世界销售市场对起重机械需求量的不断增加，国外各种起重机制 造企业在生产中不断的采用优化设计、机械自动化和自动化设备以提高劳动生产率。 有关资料乜儿3 1 表明，美国、德国、日本等一些起重机公司都广泛应用c a d 技术，彻底 抛弃了传统的图板，并且还与计算机辅助工艺规划( c a p p ) 和计算机辅助制造( c a m ) 相衔接，做到了无图化生产。例如德国d e m a g 公司针对系列桥式起重机所做的集计 算机辅助设计和报价于一身的c a d 系统，用户只要在计算机显示的桥式起重机图形 菜单上作直观的基本参数选择，基本结构形式选型，计算机立即进行设计计算和标 准部件的选择，显示并打印所需的起重机总图及各主要技术参数，最后汇集每个零 部件的数量、成本、以及制造工时、运输和安装费用，进行详细报价 4 1 。 国外起重运输机械发展到今天，己经到了比较成熟的地步，其结构形式基本上 都是经过反复优化设计，并经过实践检验的。随着计算机技术的广泛应用，许多国 外起重机制造商应用计算机辅助设计系统( c a d ) ，以及模块化设计方法，尽量使用标 准件设备迅速组合和安装，减少标准件外组合部分的加工制造。组合构件的使用对 生产非标准件起重机来讲，有助于减少成本。 当前，国外桥式起重机发展有四大特征畸儿印： ( 1 ) 大型化和专用化 由于工业生产规模不断扩大，产品生产过程中物料装卸、搬运费用所占比例逐 渐增加，促使大型起重机的需求量不断增长。同时起重量越来越大，工作速度越来 越高，对能耗和可靠性提出更高的要求。 工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机的市场不断扩大，品种也不 断更新，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。例如：德国德马格公 基于面向对象技术的桥式起重机c a d 系统开发方法研究 司研制出一种飞机维修保养的专用起重机，在国际市场打开了销路。 ( 2 ) 自动化和智能化 将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机、微电子、电力电子、模糊控 制等技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效 起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。例如德国采用激光装 置查找起吊物的重心位置，在取物装置上装有超声波传感器引导取物装置自动抓取 货物。此外，变频调速在国外起重机上己经开始应用，日本富士、奥地利伊林公司 己经广泛采用h 1 。该调速方案具有高调速比，甚至可达到无级调速，并有节能等优点。 ( 3 ) 成套化和系统化 为提高生产率，降低生产成本，国外一些大厂把起重运输机械有机的结合在一 起，构成先进的机械化运输系统。例如，生产工程机械的美国卡特皮勒公司金属结 构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统，比原先采用单机操作的工 作效率提高了6 5 ；日本东芝洪川崎工厂用全自动桥式起重机组成的物料输送系统来 搬运柔性加工线上的夹具和工件，为机床运送毛坯或将加工好的零件送到下一工序 或仓库，使车间得到充分利用。 ( 4 ) 模块化和组合化 将起重机中功能基本相同的零件、部件制成有多种用途，有相同联接要素和可 互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重机。设计 新型起重机，只需选用不同模块重新组合，使单件小批量生产的起重机改换成具有 相当批量的模块生产，改善了整机性能，降低了制造成本，充分满足用户需求。 1 1 2 国内起重机设计现状及存在的问题 自从八十年代中期以来，我国在起重运输机械方面的研究已经取得了很大进展。 西南交通大学研制了伸缩臂式铁路救援起重机c a d 系统；武汉水运工程学院研制了 港口机械起升机构设计计算系统；哈尔滨建筑工程学院对桥架式臂架的c a d 进行了 研究；天津大学研制的带式运输机计算机辅助设计系统也已经用于实践：太原重型 机械学院为太原重工集团开发的铸造起重机的参数化绘图软件等，为我国c a d 技术 的推广使用起到了很大的作用。 虽然c a d 技术在国内起重机行业得到广泛的应用，但应用水平却参差不齐，关 键问题是由于“设计 上的差异。国内一些应用水平较高的部门已真正做到了计算 机辅助设计，而还有相当一部分用户仍停留在传统型c a d 应用系统上，对一些重大 非标准起重机产品设计，设计是在设计人员的头脑中完成，再利用计算机实现几何 2 绪论 信息的处理，把c a d 技术作为一种绘图、描图的工具。起重机方案图设计也只是把 预先设计外形尺寸及主要参数输入到计算机内，显示并打印出所需起重机的图纸， 不能对结构应力进行分析，不能进行设计计算和标准部件的选择。一些起重机厂家， 对成系列、成批量的通用起重机产品，为了降低成本、简化生产管理，通用化设计 也只能做到对车轮组、滑轮组、卷筒组和联轴器的通用化设计，对于运行机构、小 车架仍只能按不同起重量设计，桥架端梁则按不同起重量，不同小车轨距多款设计， 对桥式起重机的设计不能使整机与机构、机构与部件、部件与零件之间的参数匹配【8 】。 由于上述原因，国内制造的起重机交货期约为国外先进企业的两倍，远远不能 适应市场经济的要求，使企业失掉了不少机遇。因此，国内大型桥式起重机生产企 业的c a d 设计系统的实际应用及推广任务仍然十分艰巨。 1 2 起重机现代设计方法 针对上述情况，国内起重机的发展必须引入现代设计方法，才能设计出更符合 实际使用工况，更注重功能性、经济性和可靠性的起重机。 起重机现代设计方法主要有1 1 1 - 1 2 l ： 1 2 1 计算机辅助设计( c a d ) 利用计算机快速准确的计算功能、强大的数据处理能力以及便利的绘图功能， 通过人机对话实现产品设计过程的自动化即c a d 技术。c a d 已逐步深入到设计的各 个阶段和设计工作所涉及的各个领域，试图最大限度的发挥设计人员的创造力和经 验。所有这些新的设计计算方法都借助于计算机这一现代化工具，从广义上讲，所 有新的设计计算方法都可以通称为计算机辅助设计方法。 1 2 2 模块化设计n 3 1 根据市场调查预测的统计数字和积累的资料、图表、图线规律，在严密的科学 理论指导下，设计一些基本模块单元，通过不同的组合形成不同的产品，以满足用 户的多种需求。起重机模块化设计以功能分析为基础，将起重机上同一功能的基本 部件、元件、零件设计成具有不同用途、不同性能的模块，这些模块具有相同的连 接要素，可以互换。选用不同模块进行组合可形成各种不同类型和规格的通用或专 用起重机。 1 2 3 有限元设计 有限元设计是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。它能整体、 全面、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析，对完成复杂结构或 基于面向对象技术的桥式起重机c a d 系统开发方法研究 多自由度系统的分析十分有效。有限元设计能针对起重机实际使用结构边界条件进 行定量的分析计算，提供丰富的、反映实际工况的计算结果，并可配有丰富的动态 图形显示功能。国内外已涌现出大量有关有限元分析的成熟软件，这将促使有限元 法的不断推广和应用。 1 2 4 优化设计 优化设计是数学规划与计算机技术相结合的产物，是解决复杂设计问题的一种 有效方法。由于起重机设计长期以来一直采用经验类比设计方法，不仅需要花费较 多的设计时间，设计的周期也长，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较分析， 同时选择的方案也没有十分精确的评价标准来衡量其优劣，一般很难得到最优的设 计方案。随着电子计算机技术的发展与应用，可以用优化设计方法快速有效的建立 设计过程最优方案的自动择取。 起重机设计采用优化方法，能根据产品要求，合理确定和计算各项参数，以期 达到最佳的设计目标，例如重量、成本、性能和承载能力等。优化设计把设计变量 表示为产品性能指标、结构指标或运动参量的函数( 称目标函数) ，然后在产品规定的 性态、几何运动及其它限制( 称约束函数) 的范围内，寻找使目标函数最大或最小的设 计变量组合，起重机设计采用优化方法，可根据产品要求，合理确定和计算各项参 数，以期达到最佳的设计目标，例如重量最轻、成本最低、性能最优、承载能力最 大等。 1 2 5 可靠性设计 可靠性设计就是从安全和经济两方面考虑，事先确定出产品最小失效概率的一 种设计方法，其目的就是在费用允许的条件下，尽量防止产品失效的发生，设计出 高可靠性的产品。可靠性设计包括确定可靠性指标及其量值、失效分析、可靠性分 析、可靠性分配、可靠性验证等。 1 2 6 反求工程设计 目前世界各国都充分利用国际先进科技成果并加以消化吸收，发展自己的新技 术和新产品。反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术 的组合，它通过实物或技术对已有的先进产品进行分析、研究、解剖和试验，从而 了解其参数、性能、构造和功能，掌握其关键技术、工作机理和工艺原理，以进行 仿制、改进或发展新产品。 1 2 7 极限状态设计 绪论 国外8 0 年代初把概率论、数理统计、可靠性理论等学科引进到起重机设计中， 出现了以概率统计法为基础的起重机极限状态设计方法。该方法把载荷、材料性质、 构件实际尺寸等均看作基于某种概率分布的统计计算，通过大量实测与调查得到各 基本变量的分布概率及参数，然后应用概率可靠性知识，计算失效的概率( 风险大小) ， 从而估计起重机钢结构的安全度。起重机的设计从定值许用应力法发展到概率极限 状态设计法是设计理论的重大发展。 1 2 8 动态仿真设计 起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种因素的影响， 运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述。动态仿真设计用计算机对机构与 结构在各种工况下承受载荷进行运行状态及随时间变化过程仿真模拟，得到仿真输 出参数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分 析计算时采用。 1 3 c a d 技术概况及发展趋势 本系统在综合考虑上述方法的基础上，采用了将计算机辅助设计与优化设计、 可视化设计、参数绘图、三维建模等技术相结合的方法，由整个课题组共同进行了 桥式起重机c a d 软件开发。 1 3 1c a d 技术概述n 蚰 在设计过程中，利用计算机作为工具，帮助工程师进行设计的一切实用技术的 总和称为计算机辅助设计( c a d - - c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 。 计算机辅助设计包括的内容很多，如：概念设计、优化设计、有限元分析、计 算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。在工程设计中，一般包 括两种内容：带有创造性的设计( 方案的构思、工作原理的拟定等) 和非创造性的 工作，如绘图、设计计算等。创造性的设计需要发挥人的创造性思维能力，创造出 以前不存在的设计方案，这项工作一般应由人来完成。非创造性的工作是一些繁琐 重复性的计算分析和信息检索，完全可以借助计算机来完成。一个好的计算机辅助 设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力， 即要找到人和计算机的最佳结合点。 早期的c a d 技术只能进行一些分析、计算和文件编写工作，后来发展到计算机 辅助绘图和设计结果模拟，目前的c a d 技术正朝着人工智能和知识工程方向发展， 即所谓的i c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ) 。另外，设计和制造一体化技术即c a d c 舢技术 基于面向对象技术的桥式起重机c a d 系统开发方法研究 以及作为一个主要单元技术的c i m s 技术都是c a d 技术发展的重要方向。 在工业化国家如美国、日本和欧洲，c a d 已广泛应用于设计与制造的各个领域 如飞机、汽车、机械、模具、建筑、集成电路中，基本实现1 0 0 的计算机绘图。c a d 系统的销售额每年以3 0 4 0 的速度递增，各种c a d 软件的功能越来越完善，越来 越强大。国内于7 0 年代末开始c a d 技术的大力推广应用工作，已经取得可喜的成绩。 1 3 2c a d 系统组成 c a d 系统由硬件和软件两部分组成，如图1 1 所示，要想充分发挥c a d 的作用， 必须要有高性能的硬件和功能强大的软件。 c a d 系统 c a d 硬件系统ll c a d 软件系统 计算机li 外围设备和网络li 应用软件i1 支撑软件 图1 1c a d 系统的基本结构 1 3 2 1c a d 硬件的组成 先进的c a d 系统的硬件由计算机及其外围设备和网络组成。计算机分为大型机， 中、小型机，工作站和微机四大类。目前应用较多的是c a d 工作站，国内主要是微 机和工作站。外围设备包括鼠标、键盘、扫描仪等输入设备和显示器、打印机、绘 图仪、拷贝机等输出设备。网络系统包括中继器( 增加网线长度) 、网桥( 同种网相 连) 、路由器( 选择加工路线) 、网关( 不同协议相连) 、m o d e m 方式连接到网络上， 以实现资源共享。网络的连接方式即网络的拓扑结构，可分为星形、总线形、环形、 树形以及星形和环形的组合等形式。先进的c a d 系统都是以网络的形式出现的，特 别是在并行工程环境中，为了进行产品的并行设计，网络更是必不可少的。那种单 机c a d 的工作方式在大中型企业中将逐渐淘汰，因为它远远不能满足现代企业设计 的要求。 1 3 2 2c a d 软件的组成 为了充分发挥计算机硬件的作用，c a d 系统还必须配备各种功能齐全的软件。 c a d 系统的软件构成如图1 2 所示。 绪论 图1 2c a d 系统的软件组成 软件分为两大类：支撑软件和应用软件。支撑软件包括操作系统( 实现对硬件 的控制和资源的管理) ，程序设计语言( f o r t r a n 、b a s i c 、c 、二次开发语言和汇编语 言) 及其编辑系统，数据库管理系统( 对数据的输入、输出、分类、存储、检索进 行管理) 和图形支撑软件。另一类是应用软件，它是根据本领域工程特点，利用支 撑软件系统开发的解决本工程领域特定问题的应用软件系统。应用软件系统包括： 设计计算方法库( 常用数学方法库、统计数学方法库、常规设计计算方法库、优化 设计方法库、可靠性设计软件、动态设计软件等) 和各种专业程序库( 常用机械零 件设计计算方法库、常用产品设计软件包等) 。应用软件的性能对c a d 的效率有极大 的影响，所以应特别重视它的开发和应用。 1 3 3 我国起重机应用c a d 概况 我国的c a d 技术始于上世纪6 0 年代末，8 0 年代初进人全面推广应用时期，2 0 多 年来，在起重运输机械产品设计中的应用情况如下： c a d 技术应用首先是建立在以“甩图板”为目标的计算机辅助绘图与设计系统 之上，通过直接采用二维c a d 软件，用计算机绘图代替传统手工绘图，使产品设计 效率有了一定程度的提高。c a d 技术在起重机械领域的应用开始于起重机的电气制 图、零部件的参数化绘图、方案分析及其集成化的辅助设计上【1 5 1 1 1 6 1 ，随着研究的深 人，探索并开发了一些诸如装卸桥集成、门座起重机集成、起重机电力传动系统、 起升机构、有轮运行机构等c a d 系统以及带式输送机、减速器及液压元件等基础部 件、塔式起重机三杆式附着架等的c a d 系统设计【1 7 1 1 8 】【1 9 1 。 基于面向对象技术的桥式起重机c a d 系统开发方法研究 9 0 年代后期开始，c a d 技术朝着集成化、智能化和标准化方向发展。如太原重 型机械学院针对定柱式旋臂起重机的特点，基于市场需求优化设计一参数绘图一 数据管理一市场报价的全程c a d 理念；采用面向对象的程序设计、模块化软件设计 方法、数据库技术和参数化图形信息处理与管理技术以及a c t i v e x 技术：以及采用基 于m d o d 算法的优化技术；应用系统集成思想，实现设计、绘图、管理软件以及相 关信息流的链接和集成开发了定柱式旋臂起重机专用c a d 系统。经测试和实践表明， 应用该软件进行设计，大大提高了设计效率和图纸的标准化与规格化，提高了材料 利用率，可减轻钢结构重量2 8 。武汉理工大学和中国长江航运集团红光港机厂联合 开发了轮胎起重机智能c a d c a m 系统，并获2 0 0 3 年度中国航海学会科学技术奖三等 奖。工程兵工程学院开发建立了塔式起重机c a d 整体信息模型。通过此模型可以在 整机性能参数的统一控制下完成总体布局、外观造型设计、整机稳定性计算、钢结 构强度和刚度优化设计、零部件的结构优化、可靠性分析、整机模型动态试验等设 计过程，并对设计结果进行计算机评价，结合运用资源库、绘图c a d 等，绘制塔式 起重机的整套设计文件，自动生成产品的工艺文件。这些过程基于对塔式起重机设 计时c a d 信息空间进行分析，构造出整机的c a d 信息模型，为设计过程中的信息交 换、数据共享提供基础蹭，。 实践表明，推广和应用c a d 技术对改造传统产业、发展新兴产业、提高劳动生 产率，降低工程造价与产品成本，增强国际竞争力等有着巨大的推动作用【1 0 1 。 1 4 课题的研究价值及主要内容 1 4 1 课题的目的和意义 起重机设计过程复杂而严格，实际的生产设计中常常需要对同一类型但不同规 格的系统做大量的相似设计。设计过程中不可避免地要多次反复修改，进行形状和 尺寸的综合协调、优化，设计、计算与选型，性能及工作特性分析、比较，最后确 定出最佳的设计方案。虽然起重机设计在工程应用中已渐趋成熟，但在设计过程中 有时会根据工程要求有一些变化，即使是最微小的变化，也需要设计人员重新设计、 计算。为能在短期内设计出符合客户要求的产品，有必要设计一套集可视化设计、 计算、优化设计、参数绘图、三维建模为一体的c a d 系统，把设计人员从繁重的重复 劳动中解放出来。 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 作为一个概念，起先是软件系统设计与实现的一种 新方法，由于这种思维方式的巨大优势已使得它在其它的各个领域也产生了越来越 绪论 广泛的影响。面向对象设计的可扩充性和可重用性大大提高了系统的开发速度，它 通过设计参数的封装和隐藏、设计与实现分离来控制产品的复杂性和可维护性。本 课题把面向对象技术以及参数化设计技术用于起重机c a d 软件的开发，它与传统的设 计分析方法相比，具有如下特点： 面向对象的思想体现了一种试图模仿人们建立现实世界模型的方法，符合人 们对客观世界的认识过程，形成的软件结构克服了传统软件的一些缺陷。 参数化设计计算系统的应用，解决了计算工作量大、重复性劳动的问题，提 高了设计效率。 在设计参数确定后，设计结果可以即时显示，同时利用参数化绘图模块自动 生成工程图纸，作为设计输出，减轻设计人员的劳动强度。 本课题正是在这样的背景下提出来的，论文针对实际设计计算工作的需要，进 行了w i n d o w s 环境下面向对象技术的c a d 软件开发研究。 基于面向对象技术的c a d 系统，能有效的将参数化设计与面向对象技术相结合， 充分的利用了各种相关技术。在整个设计过程中，需要用户干预的部分较少，可以 达到很高的设计效率，提高了设计质量。当然本系统并不尽善尽美，尚有许多需要 改进的部分，但力求能在工程实际中有实用效果，以在具体实践中得到检验。相信 随着软件技术和计算机技术日新月异的发展，这类应用软件系统的开发将更加完善。 1 4 2 课题的主要内容 本课题是以w i n d o w s 操作系统作支撑系统，a u t o c a d 为图形支撑软件，命令文 件作接口，以可视化程序设计语言v c + + 6 0 为开发平台，开发一个面向对象的起重机 c a d 系统，它主要包括以下四个方面的内容： 1 ) 面向对象的程序结构的建立。 该系统运用了面向对象技术，建立了c a d 的系统模型。考虑到系统的可扩展性以 及代码模块的可重用性，系统以c a d 类作为基类，子类有起重机类、叉车类、输送机 类等，起重机的子类又包括桥机类、门机类、塔机类等。基类的成员函数包括：优 化函数集、参数绘图函数集、三维建模函数集、计算说明书生成函数集、读数据库 函数集、软件界面函数集等。系统采用面向对象技术的思想抽象出桥式起重机类来 表述桥式起重机对象，该类封装了桥式起重机结构的基本信息并对这些信息进行计 算分析和操作。 2 ) 桥式起重机结构验算模块。 将计算步骤、公式转换成程序代码，并封装成模块，进行桥式起重机结构的设 9 基于面向对象技术的桥式起重机c a d 系统开发方法研究 计验算，各个验算结果可作为优化设计( 优化方法由同课题组其他同学完成) 的约 束条件和可视化设计的验算部分，包括主梁、端梁的强度验算、疲劳强度验算、静 刚度、动刚度验算、整机稳定性、局部稳定性验算等，并能自动输出计算过程和验 算结果，形成设计文档。只要输入设计参数，便能迅速计算出结果，从而使设计人 员从繁重的手工计算中解脱出来，并有更多精力从事创造性设计。 3 ) 桥式起重机结构几何尺寸计算模块 c a d 软件中的几何尺寸计算模块相当于有限元分析中的边界约束条件，是c a d 软 件必不可少的支撑。几何尺寸计算模块主要实现对几何约束关系的提取、表达约束 求解以及构造参数化几何模型的功能，除描述几何拓扑信息外，还能表达与处理几 何元素间的各种设计关系和约束关系。本系统的几何尺寸计算模块是在全面分析桥 式起重机结构尺寸链的基础上，提取各种参数间环环相扣的约束关系，通过程序表 达参数间的传递、关联、约束等关系，构造桥式起重机结构参数化几何模型。 4 ) 桥式起重机结构参数绘图模块。 以优化设计或可视化设计获得的参数，结合几何尺寸计算模块获得所设计起重 机结构的全部尺寸参数，通过参数绘图模块实现桥式起重机的命令文件式参数绘图。 其模块的主要内容有：参数绘图初始化编制参数绘图函数及成员函数读取 数据文件和数据库布图并确定绘图比例计算坐标调用参数绘图函数绘 制图形一调用成员函数标注并填写标题栏输出命令文件。 本课题的研究是对计算机软件技术和参数化技术相结合的一种有益的探索，将 软件技术的新思想应用在工程设计中，为工程设计方法提供了一种新思路。本论文 以起重机设计为例，基于面向对象的技术完成了起重机c a d 系统，具有一定的理论意 义和实用价值。 基于面向对象的c a d 系统 第二章基于面向对象的c a d 系统 在分析、求解一个设计问题时，主要考虑两个方向：一是问题的表示。没有合适 的问题表示方法，对它的求解也无从下手。另一个是求解方法。通过分析问题的特 征，选择一种合适的求解方法来解决问题。本章重点研究面向对象分析法及其在c a d 系统中的应用，并结合工程实际定义了相关的对象模型。 2 1 面向对象技术 面向对象技术最初是从面向对象的程序设计开始的，它的出现以6 0 年代s i m u l a 语言为标志。8 0 年代中后期，面向对象程序设计逐渐成熟，被计算机界理解和接受， 人们又开始进一步考虑面向对象的开发问题。从9 0 年代开始，面向对象的程序设计 方法得到了很快的发展，并显示出了强大的生命力，使得面向对象技术在系统工程、 计算机、人工智能等领域得到了广泛的应用。在桥式起重机c a d 软件系统的开发中， 由于引入了对象的概念和面向对象的方法，使得设计人员在进行设计时能更容易和 更快捷，也使得设计的自动化程度得到提高，并大大的加强了数据共享，从而提高 了工作效率，大幅度缩短了产品的开发周期。 2 1 1 面向对象方法概述 面向对象是一整套关于如何看待软件系统与现实世界的关系、以什么观点来研 究问题并进行求解、以及如何进行系统构造的软件方法学。面向对象方法的基本思 想是：从现实世界中客观存在的事物( 即对象) 出发来构造软件系统，并在系统构 造中尽可能运用人类的自然思维方式，例如抽象、封装、分类、继承、聚合等等。 这一基本思想反映出面向对象方法的两个基本点：一是构造软件的出发点和基本单 位；二是构造软件时运用的思维方式。具体要点如下口副： 从问题域客观存在的事物出发来构造软件系统，用对象来抽象表示这些事物 并以对象作为系统的基本构成单位。 对象有属性和服务两个方面。属性表示事物的静态特征( 即可以用一些数据 来表达特征) ，服务表示事物的动态特征( 即事物的行为) 。 封装对象的属性和服务，即将对象的属性和服务结合成为一个独立的实体， 对外界屏蔽其内部细节。 对事物进行分类。把与事物对应的具有相同属性和相同行为的对象归为一 类。 运用抽象的原则( 或多或少地忽略事物之间的差异) 建立类之间的一般 1 1 基于面向对象技术的桥式起重机c a d 系统开发方法研究 特殊关系。特殊类继承一般类的属性与服务。 对象之间的动态联系通过消息通信来实现。 对象之间的静态关系通过关联来表达。 因此，在用面向对象方法开发的系统中，对象是系统的基本单位。对象以类的 形式进行描述，以类的实例存在于系统中。对象和问题域中的各个事物对应，对象 内部的属性与服务刻画了事物的静态特征和动态特征。问题与事物之间实际存在的 各种关系通过类之间的继承关系、聚合关系、消息和关联如实地表达。因此，无论 是系统的构成成分，还是通过这些成分之间的关系而体现的系统结构，都可以直接 地映射问题域b 羽。 2 1 2 面向对象设计与面向过程设计 面向对象针对“面向过程”提出，面向过程的方法是将数据和过程分离为相互 独立的两部分，其程序设计的范式是“数据结构+ 算法 ，“过程”是构造软件的基 本组件。面向对象的方法是定义对象及建立对象间的通信关系，其程序设计的范式 是“对象+ 消息”，即程序系统中只有对象和消息两个概念，“对象”是构造软件的 基本组件，消息是对象之间进行通信的唯一手段。 面向对象设计方法将数据( 数据成员) 以及处理这些数据的相应函数( 成员函数) 封装到类( c l a s s ) ，使用类的变量则称为对象。在对象内，只有该对象的成员函数才 可以存取该对象的数据成员，这样其他函数就不会无意中破坏其内容，从而达到保 护和隐藏数据的效果。面向对象编程突破了原来的结构化编程模式，将被操作的数 据和操作函数作为对象的属性和行为，当对象接受一个信息，就引用对象的行为( 动 作) ，这样一个应用程序乃至整个计算机都成为一个对象的集合体，对象彼此之间通 过消息相互作用，程序具有更好的模块化结构，维护更具方便性。在分析阶段，编 程人员主要考虑如何定义程序中的各种数据类；怎样利用类的继承使类定义中的冗 余代码量最小；怎样利用类的封装性，使数据得到保护，而不像以往传统的结构化 设计那样，系统分析阶段主要考虑如何划分功能模块，各个模块完成什么工作。 与传统的面向过程的程序设计方法相比，o o p 方法有三个优点：第一，程序的可 维护性好，便于阅读和理解，程序员只需了解必要的细节，因此降低了程序的复杂 性；第二，程序修改性好，程序员可以很容易地修改、添加或删除程序的属性，这 是通过增加或删除对象来完成的；第三，对象可以使用多次，即可重用性好。程序 员可以根据需要将类和对象保存起来，随时插入到应用程序中，无需作什么修改。 2 1 3 面向对象的c a d 技术 1 2 基于面向对象的c a d 系统 面向对象的c a d 技术就是面向对象方法与c a d 方法相结合的- - 1 7 技术，它研究 的是c a d 面向对象的分析、设计、实现及应用的方法和技术，将面向对象技术应用 于待开发的c a d ，从问题空间出发，以对象作为基本概念，通过对象的确定、分解 和分类，建立能用来进行面向对象系统分析的对象关系图。通过数据结构抽象和行 为抽象，描述系统的属性，得到由对象构成的层次结构，形成对问题领域完整的语 义描述，完成c a d 系统模型设计，利用一种面向对象程序设计语言( 如：v c + + ) 将建 立的模型转换成计算机可接受形式，完成程序编制。 目前，在c a d 系统的开放式结构中，面向对象技术是a p i 的主要形式。即系统 的功能、数据和界面以对象的形式暴露给用户，由于目前已有大量的面向对象的编 程工具，利用这些工具开发的应用程序，可以通过对象的属性和操作访问及控制系 统。如图2 1 所示。 开发工具 属性对 应用程序 操作象 图2 1c a d 开发原理 总之，与传统的面向过程方法相比，面向对象方法更适合于开发大型c a d 软件， 使得系统的组织更自然、更简单，修改、维护和扩充系统更容易。面向对象c a d 软件 技术就是c a d 面向对象分析、设计和应用的方法和技术，开发这种技术能显著改善c a d 软件的性能和提高开发c a d 软件的效率。 2 2 面向对象的系统对象模型的建立 2 2 1 系统类树的建立 由于对机械产品进行计算机辅助设计时大多会采用优化设计、参数绘图、参数 化三维建模等技术，此类软件的开发也通常会涉及到可视化技术、读取数据库技术， 生成计算说明书的技术等，因此本系统本着大处着眼、小处着手的态度，将系统的 基类设置为c a d 类，该类的成员函数包括优化函数集、参数绘图函数集、三维建模函 数集、软件界面函数集、读数据库函数集以及计算书生成函数集，这些成员函数可 以被c a d 类的子类所继承( 起重机类、叉车类、输送机类) ，因而进行起重机、叉车、 输送机的设计都可采用以上技术，只需直接调用从基类中继承的函数集即可。 类的结构如下图所示： 基于面向对象技术的桥式起重机c a d 系统开发方法研究 图2 2