【正文】 2 CAD 的應(yīng)用與概況 由于計算機(jī)具有運算速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲量大和具有邏輯判斷功能等特點，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計中分析、計算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與各種現(xiàn)代設(shè)計法結(jié)合的不可替代的重要工具。這種人機(jī)交互式的設(shè)計方法，就是計算機(jī)輔助設(shè)計 CAD(puter aided design)。 產(chǎn)品的生產(chǎn)分設(shè)計與制造兩大部分，設(shè)計過程中除了需求分析及可行性 研究與分析這兩個環(huán)節(jié)很難用計算機(jī)實現(xiàn)外，其余從概念設(shè)計到設(shè)計結(jié)果 都可用計算機(jī)實現(xiàn)，從而構(gòu)成了 CAD 過程。制造過程是指從工藝過程設(shè)計開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進(jìn)入市場為止。在這個過程中，工藝設(shè)計以及采用數(shù)控機(jī)床時的加工編程等，從工藝過程設(shè)計到裝配的一系列環(huán)節(jié)同樣也可以用計算機(jī)實現(xiàn)，由此構(gòu)成了廣義的 CAM 過程。在 CAM 過程中主要包括兩類軟件，一類叫計算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計 (CAPP： Computer Aided Proess Planning) ，另一類叫數(shù)控編程 (NCP： NC Programming)。這兩個過程的計算 機(jī)化促進(jìn)了設(shè)計與制造自動化的程度。自動化程度的進(jìn)一步提高則有賴于這兩個過程的進(jìn)一步集成。 3 計算機(jī)輔助設(shè)計的軟件系統(tǒng) CAD 的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三個層次。 與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，用于對系統(tǒng)資源的管理，對輸和輸出設(shè)備的控制等。 支撐軟件是在系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場上所見到的各種商業(yè)化的 CAD 軟件大多屬于支撐軟件。支撐軟件主要用來實現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設(shè)計計算和分析等功能。 CAD／ CAM 軟件 集成化 CAD／ CAM 軟件支持二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。如 AutoCAD 等。但近年來隨著實體造型技術(shù)的日趨完善，不少 CAD 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實體造型技術(shù)來定義產(chǎn)品的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。目前較為成熟的 CAD／ CAM 集成系統(tǒng)包括：UG， Pro— Engineer， CATIA， DUCT， CADDS— 5 等。 計算和分析軟件主要用于解決工程設(shè)計中的各種數(shù)值計算和分析。包括： ① 數(shù)學(xué)計算軟件，如 MATLAB、 MATHCAD 等 。② 有限元機(jī)構(gòu)運動分析 6 分析軟件，如 I— Deas， SAP— 5， ADINA， ANSYS 等，目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟，這些軟件還包含了較強(qiáng)的前、后處理功能。③優(yōu)化設(shè)計軟件，如 IBM 公司的 ODL、我國的 OPB— 2 等。 目前流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件很多，如 FoxPro、Oracle、 Access 等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。適用于 CAD 工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關(guān)系很復(fù)雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動態(tài)的。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很難滿足上述要求。因此，在設(shè)計者要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程 序。 4 CAD 的發(fā)展趨勢 進(jìn)入 21 世紀(jì)， CAD 造型技術(shù)在理論上并沒有出現(xiàn)人們期待已久的重大突破，但是在應(yīng)用和實用技術(shù)方面還是取得了不少的進(jìn)展，這表現(xiàn)在以下幾個方面：圖形交互功能改進(jìn) CAD 軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具。既為工具，則務(wù)求易學(xué)好用、得心應(yīng)手，形成一個友好的、具有某種智能化的工作環(huán)境。這樣的工作環(huán)境可以開拓使用者的思路，解放其大腦，讓其集中精力于設(shè)計創(chuàng)作，而并非軟件的操作次序或使用規(guī)則。 Lisp 語言簡介及在仿真方法 Autolisp是由 Autodesk公司開發(fā)的一種采用 Lisp程序 語言的編程工具 .除了Fortran和 Cobol語言，大多數(shù)在 6 0年代初期開發(fā)的編程語言都已經(jīng)很少使用了，但Lisp保留了下來，并演變成了一種在人工智（ AI）領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位的編程語言Autolisp容許用戶建立新命令來實現(xiàn)一個或多個功能。例如，程序員可以用 Autolisp創(chuàng)建程序包來實現(xiàn)用位置數(shù)據(jù)自動生成 3D輪廓圖，生成 3D對象的“展開”的圖案，用一系列尺寸信息繪圖 (參數(shù)繪圖 )。多年來，用戶用 Autolisp來自動地為建筑圖生成樓梯，為機(jī)械圖生成齒輪，以及各種測量圖。使用 Autolisp定制的子程可以創(chuàng)建高效的繪圖系統(tǒng)。無論你是繼續(xù)提高你的 Lisp編程知識并寫出功能強(qiáng)大的子程，還是僅僅有一個一般的理解并寫出簡單的子程，你都會發(fā)現(xiàn) Autolisp會大大加強(qiáng)你的AutoCAD工作。 1 Auto CAD 二次開發(fā) 必要性 機(jī)構(gòu)運動分析 7 AutoCAD 所提供的只是一般的通用的 CAD 功能，如造型、編輯、注釋等。如果不利用 AutoCAD 開發(fā)系統(tǒng)，要想完成某一具體醒目的設(shè)計，就會顯得較為復(fù)雜。例如，我要設(shè)計一臺活塞式發(fā)動機(jī)，就需要根據(jù)發(fā)動機(jī)功率先手工計算出活塞直徑，然后再調(diào)用 AutoCAD 的繪圖命令，一筆一 筆地繪出發(fā)動機(jī)的圖形。這樣，一旦在設(shè)計完成后，要更改發(fā)動機(jī)的功率，則需要重復(fù)剛才的全部內(nèi)容。如果使用 AutoCAD 開發(fā)系統(tǒng)，則我們可以將上述計算和繪圖通過高級語言編制相應(yīng)的程序，在需要設(shè)計時，只一個命令便可以運行該程序，計算和繪圖過程自動完成。顯而易見，這不僅大大提高了設(shè)計效率，而且通過開發(fā)系統(tǒng)可以定制出某些專業(yè)化模塊，甚至大型設(shè)計繪圖軟件。 開發(fā)工具 AutoCAD 系統(tǒng)的定制開發(fā)工具，又稱為 AutoCAD 開發(fā)工具。有時稱作AutoCAD API (Application programming Interface 應(yīng)用編程接口），是將 AutoCAD環(huán)境客戶化的基本手段。在 AutoCAD2021 中，我們使用的開發(fā)工具主要有：ObjectARX、 AutoLISP、 VisualLISP、 Java、 VisualBASIC 和 Delphi 等。 a) AutoLISP和 VisualLISP Visual LISP 是一個對使用 LISP 語言開發(fā)和定制 AutoCAD 的可視化開發(fā)環(huán)境。它擴(kuò)展和增強(qiáng)了現(xiàn)有的 AutoLISP 語言，提供了程序的編寫和調(diào)試環(huán)境，可將LISP 程序編譯成 ObjectARX，大大提高了 CAD 編 程效率和性能，是一個嶄新的一體化可視 CAD 編程環(huán)境。 Visual LISP 提供標(biāo)準(zhǔn) Windows 安裝界面，安裝方便。 Matlab 簡介及仿真應(yīng)用 MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 是 矩陣實驗室 （ Matrix Laboratory） 的簡稱，和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。 MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用機(jī)構(gòu)運動分析 8 的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完相同的事情簡捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點 ,使 MATLAB 成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++ ， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多 的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 1 發(fā)展歷程 20 世紀(jì) 70 年代，美國新墨西哥大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任 Cleve Moler 為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用 FORTRAN 編寫了最早的 MATLAB。 1984 年由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推向市場。到 20 世紀(jì) 90 年代， MATLAB 已成為國際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計算軟件。 應(yīng)用 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 Matlab 的特點及優(yōu)勢 Matlab 主要 特點是 他 可用于技術(shù)計算 ； 此 開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理 ； 交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計及求解問題 ； 數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等 ； 二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) ； 各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面 ； 各種函數(shù)可將基于 MATLAB 的算法與外部應(yīng)用程序和語言（如 C、 C++、Fortran、 Java、 COM 以及 Microsoft Excel）集成 Matlab 的 優(yōu)勢 主要是 友好的工作平臺和編程環(huán)境 ； 簡單易用的程序語言 ；強(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力 ； 出色的圖形處理功能 ； 應(yīng)用廣泛的模 塊集合工具箱 ； 實用的程序接口和發(fā)布平臺 ； 應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面） 機(jī)構(gòu)運動分析 9 第二章 機(jī)構(gòu)運動分析 機(jī)構(gòu)運動分析的必要性 機(jī)構(gòu)學(xué)在廣義上又 稱 機(jī)構(gòu)和機(jī)器理論 (簡稱機(jī)械原理 )。 18 世紀(jì)下半葉第一次工業(yè)革命促進(jìn)了機(jī)械工程學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)在原來的機(jī)械力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科，通過對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的研究形成了機(jī)構(gòu)學(xué)獨立的體系和獨特的研究內(nèi)容，對于 18～ 19 世紀(jì)產(chǎn)生的紡織機(jī)械、蒸汽機(jī)及內(nèi)燃機(jī)等的結(jié)構(gòu)和性能的完善起了很大的推動作用。 現(xiàn)代機(jī)械已大大不同于 19 世紀(jì)機(jī)械的概念，其 特征是具有計算機(jī)信息處理和控制的手段，從而促使機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)生廣泛、深刻的變化。 運動分析的目的及基本方法 1 運動分析的目的 機(jī)構(gòu)的運動分析，就是根據(jù)加速度、或角位置、角速度，角加速度等運動參數(shù)。其目的在于研究評價機(jī)構(gòu)的運動 給定的原動件 的 運動規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其它構(gòu)件的運 們 動，即求出各構(gòu)件的位置、速度、 及動力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸。總之，運動分析是了解、分析現(xiàn)有機(jī)械或優(yōu)化綜合新機(jī)械的基本手段。 2 運動分析的基本方法 運動分析，一般來講有圖解法和 解析法。圖解法運動概念清楚，形象直觀，簡單容易掌握，但是精度要不高，而解析法相對來說精度要求可能以很高，應(yīng)用較廣，但比較抽象（抽象成數(shù)學(xué)關(guān)系或計算機(jī)程序），就解析法而言，由于所用的數(shù)學(xué)工具的不同，又有許多種方法，但其本質(zhì)上，可以分為約束法和桿組法兩大類。 圖解法 用圖解法作機(jī)構(gòu)的位置圖時，主要采用圓弧相交法。由原動件的已知位置開始，按機(jī)構(gòu)的組成順序，逐步按桿組依次確定各個構(gòu)件的位置。 桿組法 根椐機(jī)構(gòu)組成原理，機(jī)構(gòu)可由 I 級機(jī)構(gòu) 加 基本桿組組成，當(dāng)給定 I級機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律后，機(jī)構(gòu)中各基本桿組的運動是確定的 、可解的。因此，機(jī)構(gòu)的運動分析可以從 I 級機(jī)構(gòu)開始，通過逐次求解各基本桿組來完成。這樣，把 I機(jī)構(gòu)運動分析 10 級機(jī)構(gòu)和各類基本桿組看成是各自獨立的模塊，分別建立其運動分析的數(shù)學(xué)模型并編制程序，對其位置、速度和角速度、加速度和角加速度等運動參數(shù)進(jìn)行求解。對所要進(jìn)行運動分析的具體機(jī)構(gòu)，可以通過調(diào)用原動件和機(jī)構(gòu)中所需的基本桿組的運動分析模塊來解決，這樣，可快速成求解出各構(gòu)件及其上各點的運動參數(shù)。這種方法稱為桿組法。 關(guān)于機(jī)構(gòu)和桿組的基本知識 一個連桿機(jī)構(gòu)，總可以看成是原動件與自由度為 0 的構(gòu)件和機(jī)架相連而組成的。原動件與機(jī)架 組成的機(jī)構(gòu)稱為 I 級機(jī)構(gòu)，如電動機(jī)，杠桿機(jī)構(gòu)或斜面機(jī)構(gòu)等；最簡單的、不可再分的自由度為 0 的構(gòu)件組稱為基本桿組或稱為阿蘇爾組。 平面基本桿組應(yīng)滿足的基本條件為： 32Fn?? 0LPP?? () 式中 n—— 桿組中的構(gòu)件數(shù)目； Lp —— 桿組中所含的 低副數(shù)； Hp —— 桿組中所含的高副數(shù)； F —— 桿組的自由度數(shù)。 其基本桿組全由低副所組成，則基本桿組的條件為： 3 2 0LF n P? ? ? 或 2/3 LnP? () 由于 n 和 PL 都應(yīng)為整數(shù)，故組成基本桿組的條件為： n =2, LP =3。 n =4, LP =6,…… () 最簡單的平面基本桿組是由二個構(gòu)件和三個低副所組成的，稱為 II 級桿組，它是應(yīng)用得最廣泛的基本桿組。由于平面低副中有回轉(zhuǎn)副（用 R 表示）和移動副（用P 表示）兩種類型，對于由二個構(gòu)件和三個低副組成的 II 級桿組，根據(jù) R 副和 P副的數(shù)目和排列順序的不同，它具有表 21 中所示的五種型式。 除 II