互動式計算機輔助設計

計算機輔助設計是指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作，但存在著需要存儲和處理的圖形和數據量極大的問題。而以互動式技術組建的互動式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助製造)系統，功能強大，可以輕鬆實現各種複雜實體及造型的建構。

基本介紹

• 中文名：互動式計算機輔助設計
• 外文名：interactive computer aided design
• 優點：輕鬆實現各種複雜實體及造型建構
• 系統組成：由四個獨立的程式塊組成
• 功能：可用互動方式對圖形設計參數等
• 套用學科：機械工程、建築學、計算機科學

簡介

研究背景

近代，不少工廠企業採用計算機輔助設計系統以提高產品設計的效率和質量。然而，為創建一般的計算機輔助設計系統，存在著需要存儲和處理的圖形和數據量極大的問題;設計新產品零件時，不能充分利用原有的設計資料，存在著不必要的重複性工作。若以成組技術的基本原理指導研製計算機輔助設計系統，就能滿意地解決上述問題。通過成組技術的相似性分析和零件分類編碼系統，可以把大量的圖形和數據標準化，形成各種設計指導檔案，因而大大減少了存入計算機的數據量並簡化了程式。

系統研製

在技術領域內，採取了許多方法使設計合理化，目前常用的方法是產品設計的系列化、通用化和標準化但它們的套用範圍畢竟有限，沒有涉及到占產品零件總數70%以上的相似類型件。套用成組技術基本原理可開展對這類零件的標準化工作。使用相似類型件分級的方法，可以使設計的零件總能達到相應的標準化程度，使產品設計合理化。研製的計算機輔助設計系統，就是在對相似類型件進行分級的基礎上建立起來的CAD系統。

系統功能及原理

針對某輕機廣的輪盤類零件而研製的互動式計算機輔助設計系統具有以下的功能:

(1)能根據所輸入的GT碼檢索出待設計零件的所屬類型(重複使用件、主要類型、基本類型或單一類型);

(2)可用互動方式確定零件圖形中有關的功能要素，以及功能要素的排列方式等，並可將選定的圖形顯示在螢幕上；

(3)可用互動方式對顯示的圖形確定尺寸等設計參數或進行修改；

(4)能從繪圖儀輸出設計零件的工作圖，也可以輸出無尺寸和技術條件的“啞圖”。

(5)技術條件由設計人員根據零件功能按顯示的提示信息選用，並直接從繪圖儀輸出，也可以不標註技術條件。

系統主要由四個獨立的程式塊組成，分別完成檢索，圖形顯示、修改及繪圖，技術條件標註，圖紙框線及標題欄繪製等功能。系統僅需設計人員輸人待設計零件的GT碼，根據螢幕顯示的選單或提示信息進行互動式設計，在對顯示的圖形輸入尺寸或參數進行修改，由設計人員判定正確無誤後，系統即可輸出零件工作圖。

系統圖形庫的建立

在建立各級相似類型件圖形庫之前，首先應對產品零件進行統計分析，以建立各設計族。然後按零件的功能要素、基本形狀和功能要素的排列進行設計族的分級。通過分析綜合，建立設計族各級的標準化設計模式，並使之計算機化。

(1)重複使用件

重複使用件的特徵是零件的重複使用頻數較小，對其進行標準化工作的花費與今後獲得效益相比，前者為大，故對這類零件就不加任何修改直接存入計算機，以便今後選用。如果待設計的零件經計算機檢索是重複使用件，則可直接從圖形庫調出，而不加任何修改就從繪圖儀輸出圖紙。

(2)主要類型

屬於主要類型的零件，其基本形狀、功能要素及功能要素的排列均予以實現標準化，僅尺寸等設計參數是由設計人員選擇。為此，首先用設計族相似特徵碼域矩陣篩選出屬於主要類型的零件。對這部分零件按功能要素、基本形狀和功能要素排列等進行統計分析，並進行標準化工作，給出尺寸參數的推薦值，上述有關主要類型設計標準化的圖形、參數等信息皆存入計算機，以備設計時利用。

(3)基本類型和單一類型

基本類型著重於對基本形狀和功能要素進行分析，並使之實現標準化。在進行基本形狀標淮化時，考慮到外部形狀有更大的共性，故讓在一種標準化外部形狀的情況下，允許有若干種內部形狀形式的變化，這樣有助於簡化基本形狀圖形庫的建立。某些功能要素由設計人員根據標準化了的功能要素選單進行選擇，功能要素排列則可根據推薦的排列選單進行選擇。對於單一類型，僅有功能要素實現了標準化。在對全族的功能要素進行統計分析的基礎上，對功能要素進行了標準化工作，並把標準化了的功能要素以一個“塊”的形式存入計算機。若經計算機判定待設計的零件為單一類型，則可直接調用繪圖軟體包，並在設計時調用相應的功能要素塊插人到指定位置即可。

(4)技術條件子程式庫

按各設計族統計各種技術條件，使之規格化，標準化。然後，將每一技術條件用一個子程式來表示。各子程式的編寫均採用繪圖儀的HP—GL繪圖語言。

套用

離心泵互動式計算機輔助設計軟體

近幾年來，各個領域的CAD套用軟體的發展速度很快，作為通用機械水泵的設計人員也急盼方便快捷的水泵CAD軟體問世。因此，對這類軟體的開發以及開發方法的探討，是急待解決的課題。我國較早的水泵CAD軟體的開發單純依靠高級語言，使軟體界面不美觀、使用不方便，圖形的處理能力也較差，很難滿足生產實際越來越高的要求。而採用面向對象的開發思想，以高版本的AutoCAD作為支撐軟體，並利用其提供的接口進行二次開發，將是解決上述技術問題的行之有效的途徑之一。下面闡述互動式計算機輔助設計在離心泵設計中的開發套用。

　操作主選單

(1)水力設計。該軟體中包括葉輪水力設計和蝸殼水力設計兩個子系統。調用葉輪設計子系統，在給定原始參數揚程、流量、轉速、允許吸上真空度和效率後，便依據速度係數法逐步進行設計計算，設計過程中，設計人員可通過對話框給定或選擇某些參數，來獲得滿意的設計結果。該子系統可繪製出葉輪木模圖，並將有關數據寫入葉輪結構參數數據檔案(檔案名稱為pump_structure)和前後蓋板型線數據檔案(檔案名稱為blade_projection)中。同樣，調用蝸殼水力設計子系統，也可以互動方式設計出蝸殼，並繪製出蝸殼的木模圖。

(2)裝配圖設計。裝配圖是由各零件裝配組成的，因此，基本思路是首先按照葉輪、泵體、懸架、泵蓋、泵軸等零件在水泵中的相對位置進行整機結構設計，並順序初步計算出各零件的主要幾何參數，畫出其在裝配圖中表現的草圖;然後，這些零件草圖按照在裝配圖中的相互關係自動組合，形成裝配圖草圖;最後，通過互動修改，生成正確的裝配圖。

該階段的軟體設計需解決好以下兩方面的問題:

①為了充分發揮設計者的創造力和經驗，應提高軟體對零件設計的靈活性。

②各零件間是相互影響與制約的，相鄰零件間應有正確的配合關係，完全靠用戶人為控制會無形中增加設計難度。

(3)強度計算。根據機械設計手冊介紹的方法和裝配圖設計階段獲得的各零件的數據，分別調用泵軸、葉輪、泵體、螺拴強度計算和軸承壽命計算等子系統進行強度計算，如發現不滿足要求的零件應返回裝配圖設計階段進行重新設計。

(4)零件圖繪製。零件圖的繪製，包括各個視圖的圖形繪製和尺寸、公差等標註。它是根據裝配圖設計階段計算出的各零件的數據，再進行進一步的詳細設計計算並繪製出來的。由於裝配圖設計階段已經過反覆計算確定了各零件的控制參數，因此，零件圖的繪製階段基本上是自動進行的，不需要人為過多的干預。

因軟體開發過程中不可避免的存在著考慮不周之處，因此，實際套用中也可能會遇到圖中某局部形狀或尺寸標註有不合適之處，這時用戶可藉助AutoCAD的功能進行修改處理。這種工作對一般設計人員並不困難。隨著我們對該軟體的進一步完善，將會使這些問題不斷得到解決。

(5)圖形存儲與輸出。因為該軟體是在AutoCAD的基礎上開發的，AutoCAD的所有圖形處理功能均可使用，因此，用之可方便地對設計中產生的圖形進行修改、存儲、輸出等處理。

凸輪機構的互動式計算機輔助設計

凸輪機構是機械設備的一種常用機構，套用廣泛。主要由凸輪、從動桿和機架組成。凸輪是一個具有曲線輪廓的構件，只要適當地設計凸輪輪廓曲線，就可以使從動桿得到預期的運動規律，而且結構簡單，所以在機械化、自動化裝置中得到廣泛套用。隨著自動化程度的提高，套用將會愈來愈高。

凸輪機構中的主要構件是凸輪，設計凸輪機構主要就是繪製凸輪廓線。凸輪廓線繪製準確與否，直接影響了凸輪的精度。手工繪圖確實難以保證其精確性。一般教材中也僅以介紹手工繪圖的方法為主。但隨著計算機的普及，我們可以利用計算機繪圖。尤其是可視化編程，可以實現互動式設計。通過輸入不同的參數，得到不同的凸輪廓線，經過數次、方便的調整，可以達到比較滿意的凸輪廓線。

只要給出從動桿的運動規律，我們就可以通過編程，自動繪出凸輪廓線。尤其是基圓半徑，經過數次調整，可以達到滿意的凸輪廓線。

對滾子移動從動桿盤形凸輪機構的凸輪廓線，設計方法與尖頂對心移動從動桿盤形凸輪輪廓曲線的設計方法基本相同，其差別僅在於將滾子中心視為尖頂作出理論輪廓曲線，再以理論輪廓曲線上各點為圓心，以滾子半徑為半徑畫一系列滾子圓，並作出這些滾子圓的內外包絡線，即為凸輪的實際輪廓曲線。用計算機繪製更能顯示其優越性。它能在繪出理論廓線後，繪出一系列滾子圓，數量之多，是手工繪圖無法做到的。並且可以非常方便的調整滾子半徑。下面是一個例子的代碼及運行結果。

當間隔取得大些，可以清楚地看到一系列滾子圓。