【文章內容簡介】 d Sutherland 研制出了世界上第一臺利 用光筆的交互式圖形系統(tǒng)一 SKETCHPAD，這是一個實時的交互式圖形系統(tǒng)。 20 世紀 60 年代后期，很多企業(yè)都 開始使用 CAD 系統(tǒng)，計算機圖形學和 CAD 技術得到了迅速發(fā)展。 （ 3)成熟和推廣期 (20 世紀 70 年代 )。 70 年代是 CAD 技術的成熟和推廣階段， 各功能模塊逐漸趨十完善。但是當時的 CAD 系統(tǒng)還是以二維繪圖和二維線框圖形系 統(tǒng)為主， 而且 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構尚不統(tǒng)一，應用主要集中在繪圖和有限兀分析方面，集 成性較差。 （ 4)突飛猛進期 (20 世紀 80 年代 )。這段時期幾何造型技術已經成熟，成為 CAD 系統(tǒng)的核心技術。 CAD 技術由二維繪圖發(fā)展到二維造型、自由曲面設計、有限 兀分析、機構分析與仿真等工程應用系統(tǒng)。此時，特征建模和參數(shù)化設計系統(tǒng)開始出 現(xiàn)。 （ 5)新的發(fā)展時期 (20 世紀 90 年代以后 )。這是 CAD 技術廣泛普及、繼續(xù)完 善和向更高水平發(fā)展的時期。 CAD 技術的主要發(fā)展方向為 :標準化、智能化、集成 化和網(wǎng)絡化。 綜上所述， CAD 技術從誕生至今己有五十多年的歷史，歷經準備期、成長發(fā)展 期、成熟推廣期、突飛猛進期以及新的發(fā)展時期。在這個過程中，同時伴隨著 CAD 軟件技術的發(fā)展， 它經歷了二維繪圖、線框造型、曲面造型、實體造型、特征造型等 重要發(fā)展階段，其間還伴隨著參數(shù)化、變量化、尺寸驅動等技術的融入。經過五十多 年的努力， CAD 技術在基礎理論及軟件產業(yè)方面口趨成熟，推出了如 UG, Pro/Engineer, CATIA, IDEAS, Solid Works 不 I I Solid Edge 等許多優(yōu)秀的 CAD 系統(tǒng)， 在汽車、航空航天和機械電子等制造業(yè)得到了廣泛應用，大大提高了制造業(yè)產品設計 水平。 20 世紀 70 年代，我國開始 CAD 技術的研究。由十當時只有一些比較有實力的 大 型企業(yè)、科研單位和部分高校參加，所以進展速度很緩慢。到了 20 世紀 90 年代的 “八五 ”和 “九五 ”計劃期間，國家大力進行 CAD 技術的推廣應用，啟動了 CAD 應用工程。正是由十國家的重視和大規(guī)模 CAD 技術的研究和引進，我國 CAD 技術 得到了較快的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面 : （ 1) CAD 技術得到了應用和普及，并取得了顯著的增值效益。據(jù)統(tǒng)計， 2021 年全國已有 29 個省 (市 )， 4 個行業(yè)，近 600 家示范企業(yè)， 3000 個重點應用單位，約 10 萬個企業(yè)和設計院應用和普及了 CAD 技術。對 5 個省 (市 )(四川、陜 西、河北、 天津、武漢 )進行了 CAD 應用和綜合效益測算，平均的投入產出比為 1: （ 2)提高了企業(yè)的技術創(chuàng)新能力、產品開發(fā)能力和市場競爭能力。各省、市均 有一些有關這方面的典型例子，在此不一一列舉。 （ 3)以應用和市場為導向，推動了國產 CAD 軟件產業(yè)化。據(jù)統(tǒng)計，國產 CAD 軟件形成了有自主版權的 11 個系列 50 多個目標產品，覆蓋 CAD 所需軟件產品類型 的 85%。其中有 4}5 種 CAD 支撐軟件和 10 余種 CAD 應用軟件，性能優(yōu)良。國產 CAD 軟件擁有了 30%的市場占有率。 （ 4)建立 CAD 人才培訓網(wǎng)絡，提高了企業(yè)應用 CAD 技術的水平。培訓網(wǎng)有 9 大培訓中心及一、二、二級網(wǎng)點組成，基本覆蓋了整個沿海地區(qū)及大部分內陸地區(qū)。 （ 5)組建咨詢服務體系，促進了 CAD 咨詢服務業(yè)的形成和發(fā)展。 CAD 咨詢服 務工作成為 CAD 技術推廣應用中溝通政府、企業(yè)、開發(fā)上的橋梁和紐帶。 （ 6)制定技術標準，加快了 CAD 應用工程向廣度和深度發(fā)展的步伐。先后發(fā)布 了《 CAD 通用技術規(guī)范》、 +CAD 文件管理》、 +CAD 電子文件應用光招 ?存儲歸檔與檔 案管理要求》等規(guī)范和國家標準。 盡管我國在 CAD 技術的普及方面已經取得了一定的成績，但與發(fā)達國家相比仍 有較大差距。主要表現(xiàn)在 : （ 1) CAD 的應用集成化程度較低，很多企業(yè)仍停留在繪圖、 NC 編程等單項技 術的應用上 。 （ 2) CAD 系統(tǒng)的軟、硬件均依靠進口，自主版權的軟件較少 。 （ 3)缺少人才和技術力量，致使有些企業(yè)盡管引進了 CAD 軟件系統(tǒng)，但其功能 沒能得到充分發(fā)揮。 造成這種差距的原因，不只是技術上的原因，還有思想觀念和管理上的原因等。 單從技術上講，我國 CAD 技術的應用還很不平衡，仍然需 要同時向廣度和深度上進 行擴展。 2. 2 參數(shù)化設計的發(fā)展概況 通常，參數(shù)化設計是指在零件或部件形狀的基礎上，用一組尺寸參數(shù)和約束定義 該幾何圖形的形狀。尺寸參數(shù)和約束與幾何圖形有顯示的對應關系，當尺寸或約束發(fā) 生改變時，相應的幾何圖形也會進行相應的變化，可達到驅動該幾何圖形的目的，充 分反映了設計過程中設計者的設計理念 [5]。 根據(jù)參數(shù)化設計發(fā)展過程中的不同特點，可以將其劃分為以下幾個階段。 萌芽期 (20 世紀 60 年代到 20 世紀 70 年代中期 )[6]。 1962 年美國麻省理工學 院博士生 Ivan Edward Sutherland 研制出了世界上第一臺 利用光筆的交互式圖形系統(tǒng)一 SKETCHPAD，這是一個實時的交互式圖形系統(tǒng)，使用 者可以在屏幕上進行圖形的設計與修改。 1963 年，他在畢業(yè)論文中提出利用約束作 為輔助手段進行零件的生成，成為參數(shù)化設計理論的萌芽。 成長期 (20 世紀 70 年代末期到 20 世紀 80 年代初期 )[79] 在這個階段里，出現(xiàn)了一些參數(shù)化設計的基本思想和理論，并逐漸形成了參數(shù)化 設訓一方法。 1978 年， R. lyard 等把尺寸和 公差視為特征點間約束，通過尺寸和視圖指定 零部件的形狀，利用給定的尺寸方案來判定零件圖是欠約束、過約束還是完全約束。 1981 年，美國麻省理工學院計算機輔助實驗室 David Gossard 教授提出變量幾何 的概念，幾何約束是通過在繪圖命令中引入約束信息來取得，并給出利用多維線性方 程組進行變量幾何法求解的基本原理和方法。 1982 年，美國的 Robert Light 不 II David Gossard 在論文《 Modification of geometric models through variational geometry》中提出采用變量幾何法修改實體，將尺寸約束等 式劃分為水平距離、垂直距離、點線距離和角度尺寸等多種類型，利用柔性過程來定 義和修改幾何模型，尺寸變量決定幾何模型的形狀和大小，通過修改尺寸變量來修改 模型，并將該方法應用十草圖和系列化零件的設計。 成熟期 (20 世紀 80 年代中期到 20 世紀 90 年代初期 ) 在這段時期內，隨著人工智能技術的發(fā)展，人們逐漸將幾何推理和神經網(wǎng)絡等人 工智能技術應用到參數(shù)化設計中來，由此產生了基十幾何推理的參數(shù)化設計方法。幾 何推理法一般建 立在專家系統(tǒng)的基礎上，采用謂詞表示幾何約束，通過推理機導出幾 何細節(jié)。這種方法既可以檢查約束模型的有效性還可以進行局部修改。同時，在這個 階段里，人們將參數(shù)化技術應用到實體造型中形成了特征造型技術。 廣泛應用期 (20 世紀 90 年代至今 ) 這個階段參數(shù)化設計的特點是基十知識。以 Jae Yeol Lee 提出的利用圖表示的基 十知識的幾何推理法和 XiaoShan Gao 提出的約束傳播法為主要代表。隨著基十知識 的參數(shù)化設計理論的逐漸完善，參數(shù)化設計方法在實踐中得到廣泛應用。 目前，參數(shù)化設 計已經成為新一代智能化、集成化 CAD 系統(tǒng)的核心內容，也是 當前 CAD 技術的研究熱點。參數(shù)化設計技術以其強有力的草圖設計、尺寸驅動修改 圖形的功能成為初始設計、產品建模及修改、系列化設計、多種方案比較和動態(tài)設計 的有效手段。 2. 3 同步帶傳動 CAD 系統(tǒng)的發(fā)展概況 隨著計算機技術的快速發(fā)展， CAD 技術也不斷得到新的發(fā)展。到目前為止， CAD 技術已經發(fā)展成熟目 _應用相當廣泛。有許多企業(yè)根據(jù)其具體產品的系列化特點，在通 用的 CAD 系統(tǒng)平臺上，開發(fā)出了專用的 CAD 系統(tǒng)，再度提高設計效率、產品質量、 降低成本 。 目前，市場上有很多關十齒輪傳動的 CAD 系統(tǒng)，模具 CAD 系統(tǒng)的發(fā)展也比較 快。張效偉在《齒輪傳動 CAD 系統(tǒng)研究與開發(fā)》中，對齒輪傳動 CAD 系統(tǒng)進行了 研究和開發(fā)，具體內容包括 :基十機械設計理論，以 AutoCAD2021 為開發(fā)平臺，以 Visual C++ 和 Obj ectARX2021 為開發(fā)工具，對齒輪傳動系統(tǒng)進行了參數(shù)化設計與 開發(fā)。設計效果是 :輸入原始參數(shù)，系統(tǒng)會自動計算設計出各個必備的參數(shù)，并進行 校核，再根據(jù)實際情況設計出最優(yōu)的變位系數(shù)，最后利用 AutoCAD2021 注冊的命令 自動繪 制出所需的齒輪嚙合圖和零件圖 [10]。雷曉在《錐齒輪傳動機構運動仿真分析與 集成 CAD 系統(tǒng)研究》一文中，在分析現(xiàn)有機構設計 CAD 技術應用概況的基礎上， 綜合應用 Solid Works, Adams, Delphi 等軟件，進行錐齒輪傳動機構的二維實體造型、 運動仿真、性能分析的研究工作，在此基礎上開發(fā)出錐齒輪傳動機構集成 CAD 系統(tǒng)， 并探討機構設計資源、機構創(chuàng)新設計集成的方法 [11]。土文波在《 PDM 平臺下齒輪零 件 CAD 系統(tǒng)的研究與開發(fā)》一文中，采用特征技術與面向對象建模技術對齒輪類零 件進行分析，定義了適 用十系統(tǒng)開發(fā)的齒輪類特征概念，通過對齒輪特征之間的關聯(lián) 關系的分析，從數(shù)據(jù)和對象的角度建立了齒輪的信息模型，構建了系統(tǒng)的功能模塊和 框架，并對各功能模塊進行闡述。在齒輪零件 CAD 系統(tǒng)開發(fā)過程中，結合專家系統(tǒng)， 將專家知識融入在齒輪零件 CAD 過程中，實現(xiàn)了設計過程、強度分析的智能化。通 過對 CAD 系統(tǒng)的接口開發(fā)和 PDM 系統(tǒng)的客戶化，實現(xiàn)了 CAD 系統(tǒng)和 PDM 系統(tǒng)的 集成，從 而 完成了基十 PDM 的齒輪零件 CAD 系統(tǒng)的產品信息和文檔的管理 [fill。孫 旭光在《雙圓弧齒輪傳動 CAD 與優(yōu)化設計》中，利用面向對象的 VB 語 言建立了雙 圓弧齒輪傳動計算機輔助設計與優(yōu)化設計系統(tǒng)，著重對雙圓弧齒輪的設計、校核、測 量尺寸、精度與公差計算機輔助設計的工程進行了可視化設計，并調用 DSP 正交網(wǎng) 格優(yōu)化設計方法對設計出的雙圓弧齒輪進行優(yōu)化設計，并很好地集成為一體，具有通 用性，是對雙圓弧齒輪傳統(tǒng)設計的一種改進和提高 [13]。模具是工業(yè)生產的重要工藝裝 備。模具工業(yè)是國民經濟的基礎工業(yè)。用模具生產零件的主要優(yōu)點是材料利用率高， 生產率高，產品的尺寸規(guī)格一致，特別是對大批量生產的機電產品更能獲得價廉物美 的效果。模具 CAD 是 CAD 技術的一個重 要分支和組成部分。模具 CAD 技術發(fā)展很 快，應用范圍口益廣泛。在沖壓模、鍛造模、擠壓模、注塑模和壓鑄模等方面都有比 較成功的 CAD/CAE 系統(tǒng)，并 且 涌現(xiàn)了大量的文獻資料。采用 CAD/CAE 技術是模具 生產革命化的措施，也是模具技術發(fā)展的一個顯著特點。 迄今為止，在國內有許多研究人員就同步帶傳動及其相關技術做了研究。何嘉洲 在《基十模糊約束的同步帶傳動參數(shù)的多目標優(yōu)化設計》中，以飲料灌裝機的同步帶 傳動機構為實例，針對其同步帶設計參數(shù)取值的不確定性，以及影響同步帶傳動各因 素的隨機性與模糊性，在滿足傳 動性能的條件下，建立了模糊優(yōu)化數(shù)學模型 [14]。呂超 群在《基十 MATLAB 的同步帶傳動優(yōu)化設計》中，闡述了同步帶傳動優(yōu)化設計的技 術和方法，以設計軸間距與預定軸間距之間偏差最小為目標，建立數(shù)學模型 。用牛頓 迭代法求解反漸開線函數(shù) 。用混合離散變量直接搜索法求出最優(yōu)解 。用 MATLAB 實 現(xiàn)計算機輔助同步帶傳動優(yōu)化設計，進行了同步帶傳動參數(shù)的多目標優(yōu)化設計 [15]。楊 進在《同步帶傳動》中，闡述了同步帶傳動的結構和特點，介紹了同步帶的名稱型號、 帶與帶輪的設計計算公式、主要參數(shù)以及同步帶傳動的主要失效形式和安裝 要求 [16]張中林在《同步齒形帶傳動的可靠性優(yōu)化設計》中，根據(jù)可靠性理論將有關的設計變 量處理成隨機變量，建立了同步帶傳動的可靠性優(yōu)化設計的概率數(shù)學模型，并結合實 例給出了同步帶可靠性優(yōu)化設計的方法和結果 [17]。姜洪源在《斜齒同步帶帶齒螺旋角 的優(yōu)化設計》中，在用有限兀分析同步帶內應力分布狀況的基礎上，優(yōu)化設計出一種 新型的斜齒同步帶。應力分析表明，該帶應力分布均勻，帶內最大應力比直齒同步帶 有很大的降低，有利十提高承載能力和降低傳動噪音。嚙合原理分析表明，該帶齒形 參數(shù)是合理的 [18]。土麗艷在《同步帶 傳動的計算機輔助設計》中，利用計算機輔助設 訓一，設訓一程序 SBDAP。完成了同步帶傳動設計及帶齒間的載荷分配計算。在傳動設 計基礎上，通過對齒間載荷分配分析，可以調整齒形參數(shù)，以達到提高帶的傳動壽命 [19]。牛海軍等在《同步帶傳動的計算機輔助