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计算机辅助机械产品设计090144.docx

1、计算机辅助机械产品设计09014448 机械产品设计中开发软件的表征与软件架构技术从方案到实现的过程,由于图形处理技术的发展,已大大拓展了计算机辅助的领域与范围。可以全程实行计算机处理,这就需要软件(产品)开发。软件产品开发是和机械产品开发一样的过程,也就是存在着从需求到实现的设计过程设计活动。不过其思维方式和表征方式有所不同。软件产品设计中的思维基本上是逻辑的,软件表征也就是逻辑的。其需求仍然是功能,但实现功能的构造是一个关于逻辑及其关系(关联)的架构方案。这样,软件设计的主要活动是解决问题的转化问题翻译、映射等。也就是说,要将各种传统的表征(客观存在的、脑内的心理表征、脑外的文字图式表征等

2、)转换为计算机语言的形式,在经过翻译、映射等转化传统形式的表征。所有这些表征也需要前期处理,就是利用各种人可以理解的模型来逐层转化、将复杂性分解、将表征形式变化,逐级从抽象向具体、从自然表征向计算机语言表征转换(翻译)。因此说,前期处理就是翻译、转换、模型化、逻辑描述、计算机语言描述等一系列的转换过程。尤其是将机械产品的各种表征数据化处理问题,以适应计算机内部的二进制数字化处理方式。4.8.1 机械产品设计与软件产品设计机械产品设计的软件化源于机械产品的设计,归于软件产品的设计。前面的章节提到,机械的发展解放了人类自身。人改进了机械,又发明了计算机,使机器具备了一定的智力功能。由代替人的肢体,

3、发展到帮助人脑进行工作。这里需要强调两点。机械产品设计是一门艺术,是一个过程。应用机械的基本原理、将基本机械零件巧妙的构造结合,获得具有指定功能的机械产品。设计方法因不同的设计人、不同类型的产品而有所不同。但其共性的规律是客观存在的,基本方法是共有的。这就是从抽象到具体、从发散到具体、从继承、继承创新结合到创新、从综合与分析交互进行到最终评价性能、做出决策。按照传统的观点,机械产品的设计步骤是市场调查、产品预测、方案设计、技术设计、施工设计、试生产样机、性能试验、方案的、技术和施工的设计改进、工业试验、继续改进等。使用了计算机之后,内容不变,方法却有极大不同。主要是设计次序相互渗透、交替结合,

4、各个阶段没有明显的界限,每个工序都必须在正式进行以前,接受其它工序的限制条件,优化本阶段的工作,使最终的机电产品性能一次达到最优。这在传统设计中是根本不可能的。软件产品设计也是一门艺术,也是一个过程。应用软件工程的基本原理、将基本的计算机语言功能巧妙的构造结合,获得具有指定功能的软件产品。设计方法因不同的设计人、不同类型的产品而有所不同。机械产品设计软件化,实际上是获得一个进行机械产品设计的软件产品。既然是产品,则有共性。从此可以类比出机械产品设计的软件产品的设计步骤。市场调查、方案设计、系统分析、软件模型、技术设计、程序编制、软件测试、软件维护、用户反馈、继续改进等。当然,软件产品的设计有其

5、特点,它不是单一的技术,而是一个完整地解决方案。软件产品有自身特有的设计目的、设计过程(机械产品设计过程类比)、设计知识(涉及到的与计算机软硬件相关的知识)、设计方法(因人而异的一门艺术)、设计工具(计算机、绘图设备、显示器、计算机语言、编译软件(加工零部件的机床类比)、支撑软件(部件和标准件类比)等。进行机械产品设计的软件产品,更有其特点,这便是机械产品设计的技术秘密问题。这使得进行机械产品设计的软件产品的开发受到了极大的限制。机械产品设计软件化的目的是为了提高机械产品设计的水平,提高设计效率,降低劳动强度,降低设计成本和生产成本,缩短设计周期,实现优化设计与个性化设计。需要两种艺术的创造性

6、结合。机械产品设计软件化涉及到的知识经验,可和机械产品设计中涉及到的知识进行类比。以便尽快获得创新的动力源。作为产品应有工程管理的知识、设计的知识、加工生产的知识、安装调试的知识等。设计的知识主要包括,机械产品设计的全部知识和经验(机械专业的科目),软件分析与建模的知识与经验(计算机概论、计算机硬件基础等、计算机操作基础 (DOSWINDOWS)、计算机语言基础(VB、VC+等)、系统分析、数据抽象与数据结构等、编译原理等、软件工程基础、计算方法等等)。加工生产的知识主要包括,编译工具、计算机语言和支撑平台。如果利用机械产品设计的观点来学习软件产品设计会大有郫益。软件产品的设计是整个一个过程,

7、涉及到诸多的知识、方法、技术、人力、财力、管理等,最主要的是创造性。创造性通过软件建模体现出来。这个过程可以从简单机械零件的设计编程到整机的软件产品设计中获得,最终应获得机械产品设计的软件化的思想和方法。软件产品的规模可大可小,可以单人开发用于自己的专业应用,可以多人开发用于某个特定目标,可以集团开发用于某个系列产品或市场销售。4.8.2 软件开发的基本概念所谓基本概念,是指软件产品设计过程中用到的最基础的知识单元。用这些基础单元可以获得软件产品设计与开发的思想与方法,可以获得构建机械产品设计软件的原料与技术,可以获得创新的原动力。软件是指硬件之外的全部,庞大的程序集合及其管理文档。这个程序集

8、是有明显时序特征的指令序列集合及其管理文档。软件产品是具有设定功能的、为某个特定目标而开发与销售的软件。机械产品设计软件是适用于特定机械产品设计过程的软件。工程是指需要大量人力、财力、物力支撑的工作系统或事务系统。如土木工程、水利工程、石化工程等。软件工程是采用工程的概念、原理、方法和技术(管理、研发、编程等)来开发与维护软件。机械产品软件化的目的,是将机械产品转换为数据形式的、机内虚拟形式的机械产品。将机械产品及其产品元素(零部件及其参数、整机性能、加工装配等等)转换成软件产品中所规定的表述形式,即数据及其操作。机械产品的软件化方法,是将机械产品的产品元素按照软件结构抽象成(划分成)软件元素

9、,主要是计算机语言(BASIC、C+、汇编、VB、VC等)中的元素(数据类型、操作指令运算、转向等、数据结构、对象、数据成员、成员函数、类)等。将的机械产品的软件元素应用软件工程、分析设计等理论、高级语言的约定相互关联(数据流、物理关系、状态图等)、确定其软件模型(虚拟形式的机械产品框架)。同时可以得到其程序指令形式的表述方式。机械产品设计时使用的设计方法和内容是确定机械产品的设计目标、顺序、零部件构成和关联等,由机械工程师完成。机械产品设计软件的目标和顺序;机械产品与机械零部件的数据属性、数据结构、数据交换、数据存储等。设计软件开发时使用的设计方法、内容和工具等,由软件工程师、计算机工程师和

10、机械工程师共同完成。软件的开发环境、条件、方法、过程、人员组织、资金调用等,由项目管理工程师完成。团队组织、合作与协调是至关重要的。当前流行的软件设计方法主要由,数据流方法(机械产品设计过程与顺序)和面向对象方法。随着计算机软硬件的进步,随着软件开发理论与技术的进步,全新的软件设计方法会随之而来。4.8.3 机械产品设计软件化的特点用于设计机械产品的软件,是将传统的与现代的机械产品设计过程转换为指令形式的、在计算机内以数字形式进行的机械产品设计过程。机械产品的软件设计,是将现实世界中、物质实在的机械产品转换为数据形式的、在计算机内以虚拟形式存在的机械产品。将机械产品的产品元素按照软件结构抽象成

11、(划分成)软件元素,主要是计算机语言(BASIC、C+、汇编等)中的元素(数据类型、操作指令运算、转向等、数据结构、对象、数据成员、成员函数、类等)。将软件元素应用软件工程、分析设计等理论、高级语言的约定相互关联(数据流、物理关系、状态图等)、确定其软件模型(虚拟形式的机械产品框架)。同时可以得到其程序指令形式的表述方式。用人脑进行的机械产品设计过程,是多变量、综合方法、多途径、反复交叉的创新过程。是一种艺术(充分发挥想象力与创造性,非确定性特点突出)。计算机的设计过程,是按照严格的单一通道(时序特征突出)的指令序列进行的工作过程。如何使二者统一起来,是软件分析与设计的核心工作。作为软件产品的

12、设计过程,软件设计也是一种艺术(充分发挥想象力与创造性,确定性特点突出)。机械产品设计的软件化最突出的特点是应用通用软件设计的共性,获得个性化的设计过程。而机械产品设计的软件化过程中,机械产品特有的技术信息的保密问题是产品设计人员和软件设计人员沟通的障碍。对于机械产品的软件化来说,研究机械产品设计时使用的设计方法和内容;确定机械产品的设计目标和顺序。确定机械产品设计软件的目标和顺序,使用的设计方法、内容和工具。研究机械产品设计的计算机化(数字化、程序化),寻找适合计算机工作的内容与方式等,都是要遵循机械产品设计的特有规律的。4.8.4 计算机与计算机语言特点前面已经反复提及,计算机是用数字式电

13、子线路、通过二进制运算来实现各种数据计算的机器。微处理器CPU是整个计算机系统的核心,它是由算术逻辑运算单元(ALU)和控制器组成的。所有的工作都是进行算术逻辑运算,利用存储器将人们要进行的工作与预先存放在其中,使得计算机根据给定的要求迅速进行操作。首先在存储器中装入的程序指令系列,应该是一系列有序组合的指令。而获得一系列有序组合的指令,或说要求计算机执行某种操作(运算)的命令有效的汇集在一起的工作便是程序编制。计算机语言的特点是指挥与控制数字式电子线路进行工作,因此,计算机语言首先应该有运行中使用的参数的严格与确切的定义,又由于计算机是数字计算机器,,因此这些定义主要为数据类型。包括所有的在

14、人类使用中需要的数据类型。如:整数、实数、复数、向量、字符、数组、集合、结构、数据成员等。其格式会因语言不同而有区别。其次是算法,主要有运算符号(、等等)、表达式、逻辑指令集等。第三是“语法”,即(控制指令集)程序的结构与构造。目的是进行数据运算和传输(常规、转向、调用、携带等),子程序与函数的构造、功能实现、数据输入与输出,数据组织和管理等。控制的基本结构包括顺序结构、选择结构、循环结构三种。通过人类的语言与计算机语言的对比,可以从中了解不同的表达方式,有利于将人类的语言转为计算机语言表述的方式。这里必须再一次强调,人的大脑处理问题的过程用自然语言和计算机语言表达的方式及其转换。类比人类语言

15、特点,分析自然语言、数学与物理语言、工程语言、计算机语言等,对于机械产品设计及其过程的描述语言种类、特点、表达、转换等地掌握。理解计算机高级语言的基本构造和原理,便于人们学习理解各种不同的(Basic、Fortran、c+、java等)计算机用高级语言等,对于软件开发中的语言选择和开发工具选择都是极有帮助的。4.8.5计算机指令程序构造计算机程序的构造可以从两个方面来理解,一个是由机械产品设计及其过程的模型转化而来,另一个是由计算机语言的基本构造开始,逐步向复杂问题的机械产品设计及其过程的系统软件靠拢。计算机程序的基本结构之时提出了计算机语言最终可以表述的形式,而实际问题的表述转化,则主要从机

16、械产品设计及其过程的模型转化而来。因此,应该将机械产品设计及其过程用数据类型、算法和表达式(主要是运算符号)构成,还有附加必要的运算控制,而运算控制的附加,应包括两个方面,一个是人的大脑的思维(分析、判断、选择等)控制,另一个是人的大脑以外的科学理论、技术、数据计算等方面的控制。这些控制可以用计算机程序控制的基本结构实现,它们包括顺序结构、选择结构、循环结构,实现复杂功能的程序都是他们的各种组合。计算机的应用就是将现实问题通过各种描述和变换,用计算机高级语言“书写”,并实际运行计算机的各种动作来实现工作。4.8.6 机械产品设计的软件开发简介目的、方法、技术、工具软件开发问题主要有:开发的理论

17、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。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。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。软件产品也是如此,小

18、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。机械产品设计软件化基础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。1. 理论与经验基

19、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

20、(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、

21、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。2. 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

22、的数学物理建模技术,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,有限元前后处理技术,交互技术等。这些技术需要注意掌握和熟练运用。进行软件产品设计,需要了解相关的方法基础。主要有,结构化方法和面向对象方法。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

23、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

24、、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5-1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

25、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

26、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

27、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。面向对象方法源于结构化方法,却别与结构化方法,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。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

28、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20。(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

29、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

30、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。机械产品的软件化还要考虑,单机专用软件及其平台,多机专用软件及其网络平台,单机通用软件及其平台,多机通用软件及其网络平台,二次开发,自主独立开发,时间、资金与人员组织等问题。3. 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、HG等),数据支撑工具(如:VF),理论分析支撑工具(如:SAP、MATLAB等),编程支撑工具(如:VB、VC+、

31、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,是计算机这个机器的语言。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

32、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。4.8.7 机械产品设计软件开发的一般过程通过与机械产品的设计相类比,可以将软件设计一般过程理解为,项目策划,市场调查,方案设计,系统分析,软件模型,详细设计,程序编制,软件测试,软件维护,用户反馈等。对于机械产品的软件化来说,则具体为:1项目策划是一项与工程管理密切相关的工作。它是一个极其重要的、具有开创性的基础性工作。尤其是它的重要地位常常被许多人忽视。项目策划主要包括项目的发现、提出、目标制定、调研、可行性论证、人员组成与协调、资

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