[科普中国]-交互式计算机辅助设计

近代，不少工厂企业采用计算机辅助设计系统以提高产品设计的效率和质量。然而，为创建一般的计算机辅助设计系统，存在着需要存储和处理的图形和数据量极大的问题;设计新产品零件时，不能充分利用原有的设计资料，存在着不必要的重复性工作。若以成组技术的基本原理指导研制计算机辅助设计系统，就能满意地解决上述问题。通过成组技术的相似性分析和零件分类编码系统，可以把大量的图形和数据标准化，形成各种设计指导文件，因而大大减少了存入计算机的数据量并简化了程序。

在技术领域内，采取了许多方法使设计合理化，目前常用的方法是产品设计的系列化、通用化和标准化但它们的应用范围毕竟有限，没有涉及到占产品零件总数70%以上的相似类型件。应用成组技术基本原理可开展对这类零件的标准化工作。使用相似类型件分级的方法，可以使设计的零件总能达到相应的标准化程度，使产品设计合理化。研制的计算机辅助设计系统，就是在对相似类型件进行分级的基础上建立起来的CAD系统。

针对某轻机广的轮盘类零件而研制的交互式计算机辅助设计系统具有以下的功能:

(1)能根据所输入的GT码检索出待设计零件的所属类型(重复使用件、主要类型、基本类型或单一类型);

(2)可用交互方式确定零件图形中有关的功能要素，以及功能要素的排列方式等，并可将选定的图形显示在屏幕上；

(3)可用交互方式对显示的图形确定尺寸等设计参数或进行修改；

(4)能从绘图仪输出设计零件的工作图，也可以输出无尺寸和技术条件的“哑图”。

(5)技术条件由设计人员根据零件功能按显示的提示信息选用，并直接从绘图仪输出，也可以不标注技术条件。

系统主要由四个独立的程序块组成，分别完成检索，图形显示、修改及绘图，技术条件标注，图纸边框及标题栏绘制等功能。系统仅需设计人员输人待设计零件的GT码，根据屏幕显示的菜单或提示信息进行交互式设计，在对显示的图形输入尺寸或参数进行修改，由设计人员判定正确无误后，系统即可输出零件工作图。1

在建立各级相似类型件图形库之前，首先应对产品零件进行统计分析，以建立各设计族。然后按零件的功能要素、基本形状和功能要素的排列进行设计族的分级。通过分析综合，建立设计族各级的标准化设计模式，并使之计算机化。

(1)重复使用件

重复使用件的特征是零件的重复使用频数较小，对其进行标准化工作的花费与今后获得效益相比，前者为大，故对这类零件就不加任何修改直接存入计算机，以便今后选用。如果待设计的零件经计算机检索是重复使用件，则可直接从图形库调出，而不加任何修改就从绘图仪输出图纸。

(2)主要类型

属于主要类型的零件，其基本形状、功能要素及功能要素的排列均予以实现标准化，仅尺寸等设计参数是由设计人员选择。为此，首先用设计族相似特征码域矩阵筛选出属于主要类型的零件。对这部分零件按功能要素、基本形状和功能要素排列等进行统计分析，并进行标准化工作，给出尺寸参数的推荐值，上述有关主要类型设计标准化的图形、参数等信息皆存入计算机，以备设计时利用。

(3)基本类型和单一类型

基本类型着重于对基本形状和功能要素进行分析，并使之实现标准化。在进行基本形状标淮化时，考虑到外部形状有更大的共性，故让在一种标准化外部形状的情况下，允许有若干种内部形状形式的变化，这样有助于简化基本形状图形库的建立。某些功能要素由设计人员根据标准化了的功能要素菜单进行选择，功能要素排列则可根据推荐的排列菜单进行选择。对于单一类型，仅有功能要素实现了标准化。在对全族的功能要素进行统计分析的基础上，对功能要素进行了标准化工作，并把标准化了的功能要素以一个“块”的形式存入计算机。若经计算机判定待设计的零件为单一类型，则可直接调用绘图软件包，并在设计时调用相应的功能要素块插人到指定位置即可。

(4)技术条件子程序库

按各设计族统计各种技术条件，使之规格化，标准化。然后，将每一技术条件用一个子程序来表示。各子程序的编写均采用绘图仪的HP—GL绘图语言。

近几年来，各个领域的CAD应用软件的发展速度很快，作为通用机械水泵的设计人员也急盼方便快捷的水泵CAD软件问世。因此，对这类软件的开发以及开发方法的探讨，是急待解决的课题。我国较早的水泵CAD软件的开发单纯依靠高级语言，使软件界面不美观、使用不方便，图形的处理能力也较差，很难满足生产实际越来越高的要求。而采用面向对象的开发思想，以高版本的AutoCAD作为支撑软件，并利用其提供的接口进行二次开发，将是解决上述技术问题的行之有效的途径之一。下面阐述交互式计算机辅助设计在离心泵设计中的开发应用。

(1)水力设计。该软件中包括叶轮水力设计和蜗壳水力设计两个子系统。调用叶轮设计子系统，在给定原始参数扬程、流量、转速、允许吸上真空度和效率后，便依据速度系数法逐步进行设计计算，设计过程中，设计人员可通过对话框给定或选择某些参数，来获得满意的设计结果。该子系统可绘制出叶轮木模图，并将有关数据写入叶轮结构参数数据文件(文件名为pump_structure)和前后盖板型线数据文件(文件名为blade_projection)中。同样，调用蜗壳水力设计子系统，也可以交互方式设计出蜗壳，并绘制出蜗壳的木模图。

(2)装配图设计。装配图是由各零件装配组成的，因此，基本思路是首先按照叶轮、泵体、悬架、泵盖、泵轴等零件在水泵中的相对位置进行整机结构设计，并顺序初步计算出各零件的主要几何参数，画出其在装配图中表现的草图;然后，这些零件草图按照在装配图中的相互关系自动组合，形成装配图草图;最后，通过交互修改，生成正确的装配图。

该阶段的软件设计需解决好以下两方面的问题:

①为了充分发挥设计者的创造力和经验，应提高软件对零件设计的灵活性。

②各零件间是相互影响与制约的，相邻零件间应有正确的配合关系，完全靠用户人为控制会无形中增加设计难度。

(3)强度计算。根据机械设计手册介绍的方法和装配图设计阶段获得的各零件的数据，分别调用泵轴、叶轮、泵体、螺拴强度计算和轴承寿命计算等子系统进行强度计算，如发现不满足要求的零件应返回装配图设计阶段进行重新设计。

(4)零件图绘制。零件图的绘制，包括各个视图的图形绘制和尺寸、公差等标注。它是根据装配图设计阶段计算出的各零件的数据，再进行进一步的详细设计计算并绘制出来的。由于装配图设计阶段已经过反复计算确定了各零件的控制参数，因此，零件图的绘制阶段基本上是自动进行的，不需要人为过多的干预。

因软件开发过程中不可避免的存在着考虑不周之处，因此，实际应用中也可能会遇到图中某局部形状或尺寸标注有不合适之处，这时用户可借助AutoCAD的功能进行修改处理。这种工作对一般设计人员并不困难。随着我们对该软件的进一步完善，将会使这些问题不断得到解决。

(5)图形存储与输出。因为该软件是在AutoCAD的基础上开发的，AutoCAD的所有图形处理功能均可使用，因此，用之可方便地对设计中产生的图形进行修改、存储、输出等处理。2

凸轮机构是机械设备的一种常用机构，应用广泛。主要由凸轮、从动杆和机架组成。凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，只要适当地设计凸轮轮廓曲线，就可以使从动杆得到预期的运动规律，而且结构简单，所以在机械化、自动化装置中得到广泛应用。随着自动化程度的提高，应用将会愈来愈高。

凸轮机构中的主要构件是凸轮，设计凸轮机构主要就是绘制凸轮廓线。凸轮廓线绘制准确与否，直接影响了凸轮的精度。手工绘图确实难以保证其精确性。一般教材中也仅以介绍手工绘图的方法为主。但随着计算机的普及，我们可以利用计算机绘图。尤其是可视化编程，可以实现交互式设计。通过输入不同的参数，得到不同的凸轮廓线，经过数次、方便的调整，可以达到比较满意的凸轮廓线。

只要给出从动杆的运动规律，我们就可以通过编程，自动绘出凸轮廓线。尤其是基圆半径，经过数次调整，可以达到满意的凸轮廓线。

对滚子移动从动杆盘形凸轮机构的凸轮廓线，设计方法与尖顶对心移动从动杆盘形凸轮轮廓曲线的设计方法基本相同，其差别仅在于将滚子中心视为尖顶作出理论轮廓曲线，再以理论轮廓曲线上各点为圆心，以滚子半径为半径画一系列滚子圆，并作出这些滚子圆的内外包络线，即为凸轮的实际轮廓曲线。用计算机绘制更能显示其优越性。它能在绘出理论廓线后，绘出一系列滚子圆，数量之多，是手工绘图无法做到的。并且可以非常方便的调整滚子半径。下面是一个例子的代码及运行结果。

当间隔取得大些，可以清楚地看到一系列滚子圆。3