计算机辅助机械产品设计090135分解.docx
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计算机辅助机械产品设计090135分解
3.5软件应用与开发
这是问题的两个方面，应用与开发者的设计思想有关，开发要考虑应用者的思维与人们的表达习惯。
软件应用与开发可以从各自的角度来阐述。
简单说来，应用主要考虑软件的架构、内部运行机制、界面操作方法、人机交互内容与数据输入等。
开发主要考虑机械产品设计中的阶段、表征形式与自然表征与计算机表征的转换、软件架构与层次性、信息交互方式与操作方法等。
这里的机械设计智能表达、非专利技术表达是要再研究的问题。
1.软件应用开发简介
软件开发问题主要有：
开发的理论问题（思想、方法等）、技术问题（分析、工具、实现等）、管理问题（项目策划、人员组织、资金、质量与进度等）等。
总之，软件开发就像机械产品的生产过程一样，是个工程问题，需要规划。
机械产品需要市场调研、设计制造、试验销售等，需要项目策划、可行性研究、人员组织、资金、设计与加工设备、场地、生产过程的质量与进度管理等等。
软件产品也需要市场调研、设计制造、试验销售等，需要项目策划、可行性研究、人员组织、资金、设计与加工设备、场地、生产过程的质量与进度管理等等。
对机械产品来说，小型的、简单的、数量个别的机械产品可以由单人完成，但是，复杂的、批量的、成套的机械产品依靠单人完成是不可想象的，必须是团队和集团化的协作，企业化的运作和生产。
软件产品也是如此，小型的、简单的、专用的软件产品可以由单人完成，但是，复杂的、大量的软件产品依靠单人完成是不可想象的，也必须是团队和集团化的协作，企业化的运作和生产。
2.软件应用的计算机基础
软件应用的计算机基础，主要是操作系统的基本知识。
如对多数的PC机用户来说，就是WINDOWS操作系统的基本知识。
而WINDOWS操作系统基本知识的操作基础是消息驱动机制及函数（处理过程指令集）概念。
这种操作系统的界面（人机交互方式）是以图标或菜单的形式来显示计算机中的内容与操作目的、任务，以菜单或图标单（双）击的形式接受该任务而发出消息，用函数（过程、子程序等）处理该消息相关的事件，用视觉能接收的适当形式应答事件处理结果。
a）在VB中鼠标单击产生的时间、发送的消息、处理函数（过程）及其响应与结果输出
b）
在界面上看到的是图标、按钮、菜单等形式的操作对象（参见图3-16、图3-15）。
该对象的表面上标明了操作的目的（对象、事件、方法等），其后台连接着一个事件的处理过程及其处理结果、输出形式等（参见图3-17）。
如两个窗体（对话框）之间的切换，其计算机语言的指令是：
PrivateSubCommand1_Click（）‘私有过程，按钮Command1，操作是单击Click，其下是过程内容
Form1.Hide‘对象Form1的方法Hide，Hide是VB提供的一个标准的处理函数
Form2.Show‘对象Form2的方法Show，Show是VB提供的一个标准的处理函数
EndSub‘过程结束指令
该处理过程的编码实现，参见图3-17。
处理结果与输出形式参见图3-18。
从这些图所表示的形式中可见基于WINDOWS的操作系统的人机交互方式，从而有助于理解各种机械设计软件操作的基本方法与信息交换方式。
也就是人机应答方式的一般原理，进而掌握机械设计软件的操作应用。
c）在VC++中鼠标单击产生的时间、发送的消息、处理函数（过程）及其响应与结果输出
在VC++中，有同样的格式，只是指令（计算机语言）有所不同而已。
例如，单击按钮以结束一段工作，代码实现为：
voidCADlg:
:
OnExit（）//相当于VB中的PrivateSubCommand1_Click（）
{
//TODO:
Addyourcontrolnotificationhandlercodehere//其余各行为自动添加。
OnOK（）;//本行为设计者（程序员）手工添加。
表明结束，该处理函数为VC++提供。
}
3.软件开发的计算机基础
软件开发的计算机基础主要是技术与方法基础。
在进行软件产品设计的过程中，必备的技术基础主要有，机械产品的机械建模技术、数学物理建模技术，图形处理技术，资料处理技术，软件建模技术，程序编写技术，程序测试技术等。
这里主要阐述与计算机基础有关的几个概念。
1）函数
函数的概念是软件开发中最基本的概念之一，可以从数学中函数的概念来理解。
一般说来，函数是指一个自变量X发生变化时，另一个因变量Y会按照某种规则f而发上改变，记为Y=f（X）。
请注意这里的三个关键点：
一个是有自变量，一个是有关联规则，最后一个是规则控制下的另一个变量。
可以将其称之为有一个输入，有一个处理规则，最后一个是经过处理后的输出（响应）。
这里的处理规则就是程序指令所描述的处理过程，也就是相对计算机硬件来说的操作过程，或说计算机的行为。
由于计算机处理的是数据，故可称之为数据的处理为操作，或称之为对用户的服务，或称之为对事件的处理方法等。
多个函数有机的组织在一起，并和相应的数据被打包而构成对象及类。
这样的函数有称之为成员函数，而数据则相应的称之为数据成员。
对象是类的一个特例，或说一个具体的实例，而类是对大量有共性的对象或实例的抽象。
2）过程
过程的概念是软件开发中最基本的概念之一，可以从最初的计算机高级语言及其最简单和基础的计算机数据计算的程序实现开始理解。
从程序实现中子程序、模块等的概念来理解。
在VisualBasic中，可以使用两种类型的过程：
一种是没有返回值的Sub过程，称为子过程，有时也简称为过程；另一种是拥有返回值的Function过程，称为函数。
3）结构化方法
结构化方法是传统的、基本的软件开发方法，它通过数据流图、数据字典、结构化语言、权限制定、判定表等工具来逻辑的描述一个系统。
这种方法使用面向功能思想，根据用户需求的功能画出数据流图，然后再对要求的功能进行分解，得到系统的子功能，继续进行这种分解直至得到的每个子功能都是可以管理的。
然后把这些数据流图变换成对应的软件结构。
结构化方法将软件开发过程分为三个阶段：
结构化分析、结构化设计、结构化编程等。
（1）结构化分析结构化分析阶段，开发者定义系统需要做什么（处理需求），需要存储和使用那些数据（数据需求），需要什么样的输入和输出以及如何把这些功能结合在一起来完成任务。
在结构化分析中使用的表示工具是数据流图（DFD）。
它是系统需求的主要图形模型，显示了系统的输入、处理、存储和输出以及如何在一起协调工作。
（2）结构化设计结构化设计阶段包括系统设计（概要设计）和详细设计两部分。
系统设计的任务是提出实施方案，包括将系统划分成模块，决定每个模块的功能，决定模块的调用关系，决定模块的界面（模块间信息的传递）等；详细设计包括代码设计、数据库设计、输入设计、输出设计、人机对话设计、处理过程设计等。
（3）结构化编程结构化编程采用自顶向下程序设计，把复杂的程序分解为程序模块的层次图。
每个程序模块都有一个开始和一个结束，在程序执行过程中，执行的逻辑进程的每一步都由计算机语言的顺序语句、选择语句、循环语句等组成。
系统所需数据的模型根据系统需要存储信息的事物类型使用实体联系图（ERD）模型分析。
实体联系图的数据实体对应于数据流图中的数据存储。
图3-19说明了从结构化分析到结构化设计再到结构化编程的顺序及内容。
结构化方法已经成功地使用了几十年，是目前应用比较广泛的一种软件工程方法，它具有以下特点。
（1）面向用户的观点用户的要求是系统开发的出发点和归宿。
整个开发过程中始终与用户保持联系，不断的让用户了解工作的进展情况，校准工作方向。
（2）严格区分工作阶段每个阶段都有明确的任务和应得的结果。
强调按时间顺序、工作内容将系统开发划分为系统分析阶段、系统设计阶段、实施阶段以及运行维护阶段等。
（3）自顶向下完成系统的研制工作在系统分析阶段将系统逐层逐级进行分解，构建系统的信息模型。
在系统设计阶段，把系统功能作为一个大模块，逐层分解，完成系统模块结构设计。
在实施阶段，先实现系统的框架，自上而下完善系统功能。
（4）工作结果文献化、标准化每个开发阶段的成果都用文字、图表等表达出来，资料格式要求标准化、格式化。
随着软件规模的不断增大，软件复杂程度的不断提高，软件功能的逐步完善和改进，由结构化开发方法得到的软件的弊端和不适应性主要表现在，
（1）软件结构严重依赖于系统功能在软件开发过程中，为用户提供最佳的解决方案是首要问题，而用户的功能需求是最不稳定的开发因素。
用户随着软件开发过程的进行而加深对软件的认识，因而改变其需求。
这些改变会导致软件结构的相应改变，给软件的开发以及维护造成很大的困难。
（2）模块数据和操作相互分离通过编制功能模块和全局数据结构来完成软件系统，如需要修改某项功能，那么必须修改数据库结构的某一部分，同时修改或增加某个模块，这给软件维护带来很大的困难。
结构程序设计术采用自顶向下逐步求精的设计方法，单入口单出口的计算机处理控制结构。
这种控制结构有三种基本形式，即：
顺序、选择、循环结构，其对信息的处理过程可以用计算机语言按照流程图的要求变换为机内指令。
对于计算机最底层的有关函数的指令设计与实现，仍然需要结构化方法。
4）面向对象方法
面向对象方法源于结构化方法，确别于结构化方法，是一种新的软件开发方法。
同传统的结构化方法相比，有利于提高软件的可理解性、可维护性和重用性，更符合人们解决问题的思维形式和过程。
面向对象方法按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题，将自然界中的任何事物、概念都看作是对象。
在计算机中建立的对象与现实世界存在的对象是一一对应的。
对应的人们分析问题和解决问题的过程，就是对计算机中的对象进行分析和加工的过程。
从机械产品设计到软件实现的整个过程中，用面向对象思想进行思考、分析、组织、模型化表达等，显然容易从机械产品设计过渡到软件实现。
面向对象方法采用对象观点，主要思想如下：
（1）客观世界是由许多对象组成的，每种对象都有其自身的状态和改变其状态的运动规律。
（2）面向对象方法利用“抽象数据类型”对客观世界进行拟合。
在对象中，现实世界中对象的状态用数据来描述，状态的改变规律用处理过程（操作）来描述。
相似的对象抽象为类。
类由数据和操作共同组成，并进行必要的封装。
对象由类来生成并自动拥有类所定义的特性。
（3）对象之间相互通讯的唯一方式是消息传递。
系统内各对象之间的联系是通过消息通讯方式进行的。
这不仅真实地模拟了现实世界，而且使得构建的软件系统呈柔性，是真正的松耦合系统。
面向对象方法将软件开发过程分为系统分析、系统设计、系统实现等阶段。
（1）系统分析系统分析阶段涉及对应用领域的理解及现实系统的建模。
它以问题描述作为出发点，说明要解决的问题并提供对构建系统的概念总览。
通过同用户不断对话来了解客观世界背景知识。
系统分析的结果是一个形式化模型。
该模型概括了系统的三个本质因素：
对象及对象之间的关系、动态的控制流以及带有约束的功能数据变换。
（2）系统设计系统设计分为体系结构设计阶段和对象设计阶段。
系统体系结构设计阶段以对象模型为指导，把对象组织成聚集的并发任务；对数据存储及实现、动态模型中的对象间相互通信等要制定全面的策略；在权衡设计方案时要建立优先顺序，进而确定整个系统的体系结构。
对象设计阶段精心考虑和细化分析模型，将对象设计重点从应用概念转到计算机概念上来。
（3）系统实现系统实现阶段主要实现系统设计阶段提出的物理模型，按实施方案完成一个可以实际运行的系统，交付用户使用。
这个阶段的主要任务包括硬件设备的购买、安装调试，系统软件、数据库管理系统等的购买和相关程序的编写，文档编制和人员培训等内容。
4.工具基础
机械产品的软件化所需工具主要是计算机及其软硬件。
将其可以细化为，图形支撑工具（如：
AutoCAD、CAXA、UG、SOLIDWORKS等），数据支撑工具（如：
VF），理论分析支撑工具（如：
SAP、MATLAB、ANSYS等），编程支撑工具（如：
VB、VC++、VJ等）,语言支撑工具（如：
BASIC、FORTRAN、C与C++、PASCAL、JAVA、汇编等），操作平台（WINDOWS、UINX等）。
对这些工具的了解，如同对机械加工工具（如：
机床）的了解一样，要了解其基本原理、基本构造、使用方法、主要性能、输入输出接口等。
对语言支撑工具BASIC、FORTRAN、C与C++、PASCAL、JAVA、汇编等的了解，应该非常详细。
可以抓住基本概念来进行，这个支撑工具的根本实质是语言，是自然语言与计算机这个机器的语言。
语言之间的翻译成为另一个对问题理解的关键。
语言基础还可以从人类、数控机器、语言学和语言构造等方面来理解。
人类语言的基本要点是发音器官的构造决定的，无论是西语系、拉丁语系、汉语系，都是以韵母（元音）、声母（辅音）的组合来发音和来区别的，都有字、词、句、段、篇及其标点符号，计算机语言也不例外。
这个机器的语言特点是满足各种信息的数字化处理，这个机器的语言的基本要点是：
（1）具有约定的数据类型与格式。
（2）具有对数据进行处理的操作指令及格式（如：
赋值语句）。
（3）具有对数据处理的操作进行控制的指令及格式（如：
跳转语句）。
尤其要理解C++语言中的函数概念与含义，并与BASIC,FORTRAN语言中的函数、子程序加以比较。
计算机是对数字进行自动化处理的机器，处理语言中使用函数这个名词，是利用了由数学语言的概念扩充而来，其本质是具有设定功能的信息或数据处理程序段。
5.机械工程师的理论与经验基础
对机械工程师而言的，首先应该熟知机械产品设计与制造理论，具备机械产品设计与制造的丰富经验，尤其是在理论与经验总结的基础上获得的设计思想（传统的、现代的、创新的、系列化的、改造的等）、分析计算方法（传统的、现代的、解析的、数值的、近似的、精确的、物理模型处理、数学模型处理等）。
中心目的在于熟悉机械产品设计中使用的理论、工具（设计工具、加工制造工具、安装调试工具、运输工具等）及其原理与特点、材料、资料、经验、设计顺序等。
其次，应该详细了解软件产品的理论、工具（设计工具、加工制造工具、安装调试工具等）及其原理与特点、材料、资料、经验、设计顺序等、软件分析的原则与方法（系统论）、软件设计的原则与方法（编译原理）、数据抽象的理论与方法（离散数学）、工程数据库、工程项目策划与管理等，尤其是高级语言的理论与经验。
机械产品的设计过程是一种艺术创造过程。
设计过程与方法因人而异、灵活性中带来创造性。
软件产品的设计过程是一种艺术创造过程。
设计过程与方法因人而异，两种艺术的结合本身就是一种艺术。
两种艺术结合的灵活性代来更大的创造性，同时带来的还有对理论与经验的渊博要求和解决问题的艰难性。
从设计思想上要综合考虑灵活性与规格、戒律之间的矛盾及其解决方法，要巧妙的构造系统框架和严密的逻辑过程。
机械设计基础知识、软件设计基础知识、计算机基础知识三者的有机结合与统一，
分析计算方法（传统的、现代的、解析的、数值的、近似的、精确的、物理模型处理、数学模型处理等）的进入，传统方法的程序化、传统方法的精确化模型（物理的、数学的等），解析表达的数值化，数据函数关联的结构化，静态问题的动态化，数据结果的图形化以及模拟与仿真等，都是现代机械工程师应该了解与掌握的。
通过计算机高级语言（如：
QBASIC）的反复编程练习积累经验，是机械产品设计软件化必须经历的过程。
在应用各种计算机软件时（如：
WINDOWS,OFFICE,WPS,AUTOCAD,CAXA,SOLDWORKS等），应该特别留意他们的交互界面，包括菜单布局，操作方式，提示与警告等。
机械产品设计的软件化的基础涉及到两个方面，对于机械工程师来说，应该学习掌握计算机及其软硬件方面的知识，尤其是软件开发方法与工具。
对于软件工程师、计算机工程师来说，应该学习掌握机械产品设计方面的知识，尤其是产品设计方法与工具。
对于工具，可以从交响乐指挥的角度来理解，他们必须熟悉所有交响乐中所有的乐器性能及其配合，熟悉音乐作曲、演奏、剧场、声像效果等等的理论与技术方法。
经验是必不可少且非常重要的。
本书内容主要是针对机械工程师而言的。
6.机械CAD前处理的关键技术
这里讲的机械CAD的关键技术就是基本技术、当前的难点、爱好者的主攻方向。
而在这里阐述是为计算机及其软件研究提出问题而说。
无论是应用已有软件、硬件环境进行机械产品设计，或是在特定条件下，为某种机械产品设计开发新的工程软件，或是改进外围设备，都将涉及到机械CAD应用中的一些关键技术。
主要有：
产品设计问题的建模、图形处理技术、三维产品造型技术、数据交换技术、有限元分析与前后处理技术、工程数据管理技术等。
国外国内的CAD技术，目前主要是用于大型、特大型企业和财团。
他们人力资源充裕，财力雄厚，承受风险的能力很强，可以进行大投入大产出作业。
以多品种、小批量、快速换型生产为基础的中小型企业，在ＰＣ机上进行此类机电产品的设计，尤其应注意这些技术。
根据我国实际情况和微型计算机的发展，未来的工程师－－大学生们，尤其应该研究这些技术、掌握这些技术、精通这些技术、应用这些技术，用小的投入得到大的收益。
这一点已成为未来的发展方向。
本节概要叙述关键技术的要点，这是本教材的核心内容之一（参见其它章节）。
1）机械产品设计的建模（机械、物理、数学、软件模型）技术
机械产品的设计，首先应提出的议题是产品的基本工作原理和基本结构组成，从概念到方案设计，并且要将这些用自然语言进行描述和表达的内容转换为图形构造。
这需要涉及有关的机械模型、力学模型、数学模型等。
建立这些模型，一方面要考虑使其尽可能接近实际情况，另一方面，还要考虑到将来分析计算的自身特点，能否得到解析解、精确解、数值解及其解的精度等等。
就目前人类对机电产品的要求来看，实际的机械工程设计问题，其精度要求都极高，一般的解析式表达的力学关系与数字关系，远远不能满足实际问题中各量之间的固有特征和内在规律，需要精确的力学、数学描述。
精确的描述是的几何形态复杂化、使得寻找解析解成为不可能，基本上都将转化为近似的数值解问题。
另一方面，具体的产品设计，最终都需将用一个个具体的数字来描述，并非是函数与字母（代数）。
不是抽象的，而是具体的。
不是类属，而是实例。
这些要求与计算机的优点恰好吻合。
设计者要想利用计算机达到最优产品，必须仔细研究产品设计问题的建模。
a）机械与力学建模：
机械与力学建模是机械产品设计的核心。
这是因为方案设计的结果应该是表达功能的构造设计，而这些构造的行为分析、力学性能分析（强度、刚度）、运动形式设计（运动学、动力学），都是围绕功能及其性能（功能的达到程度）进行的。
力学模型又是数学模型的基础，它们从根本上决定了产品的未来性能。
例如：
履带式起重机，它的最基本性能是平稳起吊重物且可短距离移动。
基本性能用具体参数表示为：
最大起重量、最大起吊高度、最大起吊速度、最大回转半径等。
机械与学模型如图3-20所示
b）数学建模
数学模型给方案设计提供产品性能的一般表述，是产品性能在设计阶段就可以进行优化的基石，是机械产品性能数字化的桥梁。
大型的、成套的、机电一体化的、柔性的制造系统尤其如此。
也应该研究某个单件产品的整体性能的数学模型，而这个模型一般来说都是多元方程组。
例如：
变速箱设计。
必须建立整体尺寸、传动比、齿轮尺寸、齿轮轴尺寸、传动功率、传动效率、齿轮轴的强度与刚度、齿轮的强度与刚度、齿轮的齿数、齿轮的模数、轮齿的强度与刚度、齿轮的结构形式、安装与加工、工艺性能、成本与寿命等等诸多参数的数学关系。
将基本的数学关系罗列如下：
a=m（Z+Z）/2,d=mZ,i=Z/Z,
h=hm,h=（h+c）m,h=h+h,d=d+2h,d=d–2h
式中：
a＿＿两齿轮的中心距m＿＿齿轮的模数
Z＿＿齿轮的齿数d＿＿分度园直经
h＿＿齿全高h＿＿齿顶高
h＿＿齿根高K＿＿齿轮强度荷载系数
T＿＿小齿轮传递的扭矩Y＿＿齿形系数
Y＿＿轮齿应力较正系数σ＿＿轮齿危险截面的容许应力
φ＿＿齿宽系数
数学建模的任务就是从它们中间观察和研究其固有的特征和内在的规律，抓住问题的主要矛盾，矛盾的主要方面，提出假设，经过抽象简化，建立反映实际问题的数量关系，简化计算，提高精度。
在数学建模中，要利用深厚的数学基础，也要创造性的建立新的、前人没有建立的数学关系，这些关系往往是由工程技术人员而非专门的数学人员建立的。
有限元方法就是一例。
而建立数学模型的过程就是将自然语言的描述转化为数学符号描述的过程。
在计算机工作原理清楚的基础上，问题会转向为完成机械设计工作而编制的指令序列的编排，为此应该回顾计算机指令的发展过程。
由极少数人使用的仅用于特定计算机工作的机器指令到使用助记符的汇编语言，进而演变成不依赖于机器又便于人们理解、交流、转换的高级语言。
这种过程使得机器与人之间的交流鸿沟在逐步缩小。
当前的条件下，还需要人的思维建立软件模型，以便转化和填补语言鸿沟，这个工作就是
c）软件建模
机械产品设计软件的开发，实际上是机械产品设计过程与设计内容的程序化。
软件建模是未能自动化的手工工作。
需要机械设计的知识与经验，需要计算机高级语言的知识与经验，需要按照软件工程的科学理论与技术，最终用软件学科的语言符号表述机械产品设计过程和内容。
，特别要强调的是建模是一个过程，建模的目的是为了将问题简化。
条理化、系统化，便于团队工作，提高效率，减少错误等。
建模的过程是通过软件的需求分析、系统分析、系统设计等环节完成的。
建模技术与使用的软件开发方法有关，基于数据流的方法和基于面向对象的方法，在需求分析、系统分析、系统设计等环节所关注的重点不同，描述的符号不同，数据的结构形式等都不同。
2）计算机图形处理技术
计算机图形学是图形处理技术的数学与计算机基础。
计算机可以对图形的各种状态快速进行处理，这是计算机应用的重大突破，开拓了机械CAD的新领域。
想把图形信息数字化，经由计算机进行处理，以满足各种图形构成的需要，则要涉及到许多技术问题。
主要有：
用户接口管理、二、三维图形生成，真实感图形显示、图形数据库及其管理、图形软件标准化等。
从计算机自身特性看，这实际上是一个图形软件的接口问题。
它与计算机及其外围设备、应用软件、程序设计语言等均无关。
除此之外，还涉及到汉字处理、图形变换、消隐、剪裁、拖动以及智能化图形处理技术等（模糊数学、模糊控制技术）。
当前，计算机生成图形主要有两种方法：
一是交互式的图形处理；生成一幅图形后，可继续对该图形进行修改、或对该图形进行线性变换，以便从不同角度、用不同比例进行观察，并绘制该图形。
另一种是参数化方法；根据系列化产品的参数编写源程序，以满足系列化产品图形的需要。
同样，可以进行交互式修改工作。
上述两种方法都存在着一定的问题，交互式生成的图形不能参数化，用参数化生成的图形必须编写源程序。
二者的图形形状信息与标注信息的输入工作量很大。
必须设法克服目前图形处理中存在的问题，研究一种更好的图形处理方法。
计算机图形处理研究图形的计算机处理原理、方法、技术，将图形转换为数据的原理、方法、技术和将数据转换为图形的原理、方法、技术，并将图形在显示设备上表达，在绘图及上输出等。
计算机图像处理研究图像的数字化和计算机处理原理、方法、技术等。
总的来说有：
几何模型构造技术，图形生成技术，操作与处理方法，图形信息的存储、检索与交换技术，人机交互与用户接口技术，动画技术，图形输出设备与输出技术，图形标准与图形软件包的开发技术等。
3）三维产品造型技术
三维造型是产品造型的基础，它涉及的问题比较广泛。
目前通用的三维造型与几何建模方式有：
线框模型、表面模型、曲面模型、实体模型、特征造型等。
该技术的主要目的是构造产品的结构特征。
难度在于计算机对模型数据的存储与处理。
用线框模型
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