【正文】 考慮到產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到消亡的整個(gè)生命周期中的所有因素。它的目標(biāo)是提高設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)全過程的全面質(zhì)量，降低產(chǎn)品全生命周期的成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，包括減少設(shè)計(jì)反復(fù)，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)準(zhǔn)備發(fā)送所占用的時(shí)間使產(chǎn)品以最快的速度上市。此處所說的集成是指信息集成。為了提高系統(tǒng)的集成水平，CAD 技術(shù)必須在以下幾個(gè)方面提高水平： (l）數(shù)字化產(chǎn)品建模（集成產(chǎn)品信息模型）。(2）產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換。(3）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。(4）繼續(xù)改進(jìn)與開發(fā)各種CAX( CAD , CAE , CAPP … ）以及DFX ( DFA , DFM ,…. ）并使它們有機(jī)地集成起來。該環(huán)境具有電子會(huì)議、協(xié)同編輯、共享電子白板、圖形和文字的瀏覽與批注、異構(gòu)CAD 和PDM 軟件的數(shù)據(jù)集成等功能，使用戶能夠進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。3 ．智能化 現(xiàn)有的CAD 技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中只能處理數(shù)值型的工作，包括計(jì)算、分析與繪圖。這些工作依賴于一定的知識(shí)模型，采用符號推理方法才能獲得圓滿解決。以下幾個(gè)問題應(yīng)給予更多的注意：(1）發(fā)展新的設(shè)計(jì)理論與方法。它們都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。(2）繼續(xù)深人研究機(jī)械設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的一些基本理論與技術(shù)問題。4 ．標(biāo)準(zhǔn)化隨著CAD 技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化問題越來越顯出它的重要性。第二章 機(jī)械CAD系統(tǒng)的組成機(jī)械CAD系統(tǒng)組成：1）硬件系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)及外設(shè)，是CAD的物質(zhì)基礎(chǔ)； 2）軟件系統(tǒng)：是CAD的核心，它決定CAD系統(tǒng)的功能。它適用于使用不頻繁的數(shù)據(jù)，目前已較少采用。1 ）硬盤。2 ）軟盤。軟盤的容量及存取速度雖不如硬盤，但攜帶方便，價(jià)格便宜，因此得到了廣泛的應(yīng)用。光盤是利用激光進(jìn)行讀寫，比軟盤具有更大的存儲(chǔ)容量，被譽(yù)為“海量存儲(chǔ)器”，又由于激光頭與介質(zhì)無接觸，沒有退磁問題，所以信息保存時(shí)間長，但其讀寫速度不如硬盤。用戶不僅要求能快速輸入圖形，而且還要求將輸入的圖形以人機(jī)交互方式進(jìn)行修改，以及對輸人的圖形進(jìn)行圖形變換（如縮放、平移、旋轉(zhuǎn)）。目前，CAD 系統(tǒng)常用的輸入設(shè)備有如下幾類：( l ）鍵盤：鍵盤用來輸人數(shù)據(jù)和程序；輸人命令或執(zhí)行命令；或者對屏幕圖形、程序進(jìn)行特殊的處理。當(dāng)鼠標(biāo)器移動(dòng)時(shí)，顯示屏上的光標(biāo)也隨之移動(dòng)。( 3 ）數(shù)字化儀：數(shù)字化儀也稱圖形輸人板，其分辨率高、作圖精度高、傳輸速度快、使用方便、功能強(qiáng)，通常是大中型CAD 系統(tǒng)中較常采用的圖形輸人設(shè)備之一。 圖 21 數(shù)字化儀 圖22 圖形輸入板( 4 ）工程圖樣自動(dòng)掃描輸人系統(tǒng)：工程圖樣自動(dòng)掃描輸入．系統(tǒng)可高速完成圖樣輸人任務(wù)，能對藍(lán)圖進(jìn)行消藍(lán)、去污以及平滑處理，利用光盤存儲(chǔ)，是建立大型圖庫常用的CAD設(shè)備。四、 圖形輸出設(shè)備( l ）圖形顯示器：選擇CAD 圖形顯示系統(tǒng)時(shí)，分辨率越高，顯示效果也越好，但價(jià)格也隨之升高。( 2 ）繪圖機(jī)：繪圖機(jī)是一種高速、高精度的圖形輸出裝置，它可將已輸人到CAD 系統(tǒng)中的工程圖樣，或?qū)⒃趫D形顯示屏上已完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖形繪制到圖紙上，進(jìn)行硬拷貝。自動(dòng)繪圖機(jī)按其工作方式分成兩大類：l ）平臺(tái)式繪圖機(jī)：平臺(tái)式繪圖機(jī)由繪圖平臺(tái)、導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、筆架等幾部分組成，具有x 方向及Y 方向兩組導(dǎo)軌，橫梁可沿X 方向?qū)к壱苿?dòng)，筆架則沿固定在橫梁上的Y 方向?qū)к壱苿?dòng)，它均由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖24 平臺(tái)式繪圖機(jī)2 ）滾筒式繪圖機(jī)：滾筒式繪圖機(jī)的主要特點(diǎn)是將橫梁沿X 方向的運(yùn)動(dòng)，由滾筒帶動(dòng)圖紙的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、圖紙長度不受限制、價(jià)格便宜、占工作室面積比平臺(tái)式小等優(yōu)點(diǎn)，但繪圖精度比平臺(tái)式低。圖25滾筒式繪圖機(jī) 圖26 筆架的走步方向 圖 27 用折線逼近直線用折線近似逼近的方法叫插補(bǔ)原理，即將線段分解和加密，補(bǔ)進(jìn)許多點(diǎn)，“以折代直”或“以折代曲”。目前已有許多插補(bǔ)算法，如逐點(diǎn)比較法、正負(fù)法、數(shù)值微分分析法（DDA 法）等，其中最常用的是逐點(diǎn)比較法，現(xiàn)有的繪圖機(jī)為了提高繪圖效率，都使用專用的插補(bǔ)器。撞擊式打印機(jī)以輸出字符為主，有時(shí)也利用它輸出一些精度不高的圖形。選擇打印機(jī)時(shí)，應(yīng)注意其工作的可靠性、打印速度、工作壽命、漢字功能、圖形效果及性能價(jià)格比。 圖28 CAD軟件層次一、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要用于計(jì)算機(jī)的管理、維護(hù)、控制及運(yùn)行，以及計(jì)算機(jī)程序的翻譯、裝入和運(yùn)行。操作系統(tǒng)的主要功能有：① 文件管理，即在磁盤上建立、存儲(chǔ)、刪除、檢索文件；② 設(shè)備管理，即管理計(jì)算機(jī)輸入輸出等硬件設(shè)備。有了編譯系統(tǒng)，用戶就可應(yīng)用接近于人類自然語言和數(shù)學(xué)語言的方式來編寫程序，翻譯成機(jī)器指令，這樣就有可能使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的各類工程技術(shù)人員很容易地應(yīng)用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)其目的。它是為滿足CAD 作業(yè)中一些用戶的共同需要而開發(fā)的通用軟件。l、 計(jì)算分析軟件：它主要用來解決工程設(shè)計(jì)中各類數(shù)值計(jì)算問題，主要有：l ）數(shù)值計(jì)算程序庫：它可提供諸如解微分方程、線性代數(shù)方程、數(shù)值積分、有限差分以及曲線曲面擬合等數(shù)學(xué)問題的計(jì)算機(jī)程序。有限元法在理論與方法上均已比較成熟，在工程設(shè)計(jì)上應(yīng)用十分廣泛。3 ）優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件：它是在最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)尋求設(shè)計(jì)的最佳方案。圖形處理軟件：圖形處理軟件可分為圖形處理語言及交互式繪圖軟件兩種類型。它通常以子程序或指令形式提供一整套繪圖語句，供用戶在以高級語言編程時(shí)調(diào)用。此外，還有繪圖機(jī)指令RD / GL 、DM / PL 、HP / GL 等均屬此類。遺憾的是，這類圖形處理語言往往由硬件生產(chǎn)廠家提供，因而受到硬件設(shè)備型號的制約，不像程序設(shè)計(jì)中的高級語言那樣有良好的通用性，使編制的程序也只能在規(guī)定的硬件環(huán)境下才能執(zhí)行，因此為推廣應(yīng)用造成一定困難。它可用人機(jī)交互式（如菜單方式、問答式）生成圖形，進(jìn)行圖形編輯（對圖形增刪、縮放、平移等）、標(biāo)注尺寸、拼裝圖形等圖形處理工作，省卻了編程的麻煩。此外，國內(nèi)外流行的三維實(shí)體建模軟件有IDEAS 、Solidedge 、Solidworks 等，它們的可執(zhí)行語句在10 萬句一50 萬句之間，軟件規(guī)模很大，并具有較強(qiáng)的三維幾何建模、消除隱藏線及生成陰陽圖像能力。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)除了可保證數(shù)據(jù)資源共享、信息保密、數(shù)據(jù)安全之外，還能盡量減少數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)的重復(fù)。CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，而且信息往往是動(dòng)態(tài)的，因此，適用于CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，有別于商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程軟件：網(wǎng)絡(luò)型CAD 系統(tǒng)將成為微機(jī)及工作站CAD 的主要使用環(huán)境之一。如NETWARE 就是NOVELL公司專門為該公司微機(jī)局域網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件，它包括服務(wù)器操作系統(tǒng)、文件服務(wù)器軟件、通信軟件等。三、CAD 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是在系統(tǒng)軟件、支撐軟件基礎(chǔ)上，針對某一專門應(yīng)用領(lǐng)域而研制的軟件。舉例：第三章 工程手冊的數(shù)據(jù)處理在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，往往需要從有關(guān)的工程手冊或設(shè)計(jì)規(guī)范中查找各種系數(shù)或數(shù)據(jù)，如何將這種人工查找轉(zhuǎn)變成在CAD 進(jìn)程中的高效、快速處理，這就是本章要討論的中心問題。即在應(yīng)用程序內(nèi)部對這些數(shù)表及線圖進(jìn)行查表、處理或計(jì)算。( 2 ）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。本章只討論程序化問題。程序化時(shí)可定義3個(gè)一維數(shù)組，并將表中數(shù)值填寫在程序中，使數(shù)組初始化，再定義一個(gè)整型變量i 代表型號，當(dāng)i = 0時(shí)代表Y 型，i = 1時(shí)代表z 型，以此類推。int i。二、平鍵和鍵槽的剖面尺寸（見表3 一2 ，圖3 一 1）查表時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)中計(jì)算出來的直徑dgiven ，決定它位于表3 一2 軸徑的哪個(gè)范圍內(nèi)，由此查出b , h , t , t1的值。以下是變量和數(shù)組的定義：int i 。 /*dgiven 為已知軸徑*/float D[12] ＝{ 10 . 0 , 12 . 0 ，… ，75 . 0 , 85 . 0 } 。 /* 存放表中b的值*/float kh[12] ＝{ 3 . 0 , 4 . 0 ，… ，12 . 0 , 14 . 0 }。 /* 存放表中t的值*/float ktl[12] ＝{ 1 . 4 , 1 . 8 ，… ，4 . 9 , 5 . 4 } 。三、包角影響系數(shù)K （見表3 一3 ） 表33 包角影響系數(shù)K2α（186。但因計(jì)算所得的實(shí)際包角α1可能不會(huì)正好是表3 一3 中所列的α值，自然相應(yīng)的K2值也不會(huì)正好是表中之值，因此要用一元函數(shù)插值求解（后面將敘述）。float K2[10]＝{ 0 . 68 , 0 . 74 ，… ， 0 . 98 , 1 . 00 } 。四、齒輪傳動(dòng)工況系數(shù)KA (見表3 一4 ) 決定工況系數(shù)KA值時(shí)有兩個(gè)自變量，即原動(dòng)機(jī)的載荷特性和工作機(jī)的載荷特性，它們原本無數(shù)值概念，現(xiàn)分別定義整型變量i =0~2 及j=0~2 代表不同工況，用一個(gè)二數(shù)組KK [ 3 , 3 ]記錄表中系數(shù)值。有關(guān)變量及數(shù)組的定義如下：float KA 。float KK [ 3 ][ 3 ] = { { 1 . 0 , 1 . 2 5，1 . 7 5 } , { 1 .2 5 , 1 . 5 0 , 2 . 0 0 } , { 1 . 5 , 1 . 75 , 2 . 25 } } 。五、軸肩圓角處理論應(yīng)力集中系數(shù)αa（見表3 一5 ) 決定系數(shù)αa時(shí)有兩個(gè)自變量，即：r / d 和D / d ，因此這是一個(gè)二維查表問題。這個(gè)查表問題的特殊之處是兩個(gè)自變量及系數(shù)αa均有可能是連續(xù)量，這是因?yàn)橛稍O(shè)計(jì)所得的D , d 及r值在一定范圍內(nèi)是隨機(jī)的，因此必須采用二元函數(shù)插值?？蓪⒈碇蠵1 值記錄在一個(gè)三維數(shù)組中，例如NN ( 4 , 4 , 14 ）?？蓪⒈碇蠵1值放在一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)打開文件，將數(shù)據(jù)讀人三維數(shù)組中。本例可先由帶型及小帶輪直徑查出表中一行數(shù)據(jù)，再根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行一維查表，在后一個(gè)查表中要用一元函數(shù)插值?？傊趯?shí)際程序化時(shí)可靈活掌握。插值的基本思想是，設(shè)法構(gòu)造一個(gè)函數(shù)y = g (x) 作為列表函數(shù)f (x )的近似表達(dá)式，然后計(jì)算g ( x )的值以得到f ( x ) 的值。代數(shù)插值的數(shù)學(xué)含義可表述如下：設(shè)y = f ( x ) 是區(qū)間 [ a , b ]上的連續(xù)函數(shù)，已知它在[ a , b ]上的幾個(gè)互于相同的點(diǎn)x1 , x2 , x3 , …, xn 上的函數(shù)值 y1 , y2, y3, …, yn。插值問題的幾何意義是：通過給定的n個(gè)點(diǎn)（x1 , y1）,(x2 , y2) ,(x3 , y3) ,…,(xn , yn) 作一條n 1次的代數(shù)曲線y = gn1 (x)，用以近似地表示曲線y = f (x)。其幾何意義就是求通過兩點(diǎn)（x1 , y1）, ( x2 , y2）的直線。如果多用一些數(shù)據(jù)點(diǎn)來求y = f ( x )的近似值，其結(jié)果的精確程度就會(huì)改善。其幾何意義是通過三點(diǎn)作一條曲線來近似曲線y =f ( x ）。g2(x)叫做二次插值多項(xiàng)式。一般來說,二次插值的近似程度比線性插值要好些。在實(shí)際進(jìn)行插值時(shí)，通常采用分段插值方法，將插值范圍劃分為若干段，在每一分段上用低階插值(如線性插值或拋物線插值）。二元函數(shù)的插值復(fù)雜，不講。線圖的程序化有以下幾種處理方法。但不是所有的線圖都存在著原來的公式，即使有，有的一時(shí)也難以找到。( 2 ）將線圖離散化為數(shù)表，再用前面所述方法加以處理。( 3 ）用曲線擬合的方法求出線圖的經(jīng)驗(yàn)公式，再將公式編人程序，下一節(jié)將詳細(xì)討論這個(gè)問題。本節(jié)主要敘述采用最小二乘法的曲線擬合。一、 最小二乘法擬合的基本思想已知：由線圖或?qū)嶒?yàn)所得m 個(gè)點(diǎn)的值 ( x1 ，y1 ) , ( x2 ，y2) ，… ，( xm，ym )設(shè)擬合公式為 因此每一結(jié)點(diǎn)處的偏差為： i = 1 , 2 ，… ，m偏差的平方和為 圖37 最小二乘法的曲線擬合 擬合公式y(tǒng) = f ( x ) 具有一定的函數(shù)類型及系數(shù)，例如 即為直線方程，如何決定系數(shù)及的值呢？最基本的要求就是由該系數(shù)決定的直線與各結(jié)點(diǎn)的偏差的平方和最小，因此稱最小二乘法擬合。這一工作由編程人員來決定，一般先將數(shù)據(jù)畫在方格紙上，根據(jù)曲線形態(tài)判斷所采用的函數(shù)類型。 二、最小二乘法的多項(xiàng)式擬合設(shè)擬合公式為： 已知m個(gè)點(diǎn)的值( x1, y1 ), ( x2, y2 ), … ( xm, ym ), 且mn, 結(jié)點(diǎn)偏差的平方和為： 這表明偏差平方和是的函數(shù)，為使其最小，取對各自變量的偏導(dǎo)數(shù)等于零，得： 0, 1, 2, …, n即 0，1，2，…，n求各偏導(dǎo)數(shù)并經(jīng)整理后可得下面的方程組： (35)其中，均為對i = 0, 1, 2, …, m求和。例31．有一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表，它有7個(gè)點(diǎn)，現(xiàn)要求用二次多項(xiàng)式擬合。( 2 )一組數(shù)據(jù)或一條線圖有時(shí)不能用一個(gè)多項(xiàng)式表示其全部，此時(shí)應(yīng)分段處理，分段大都發(fā)生在拐點(diǎn)或轉(zhuǎn)折之處。簡談：為了計(jì)算復(fù)雜函數(shù)的值，前面介紹幾種方法，都是設(shè)法求出其近似式——插值函數(shù)，最優(yōu)平方逼近函數(shù)，最優(yōu)一致逼近函數(shù)，通過計(jì)算近似式的值求得復(fù)雜函數(shù)的近似值。總結(jié)插值和擬合的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)：都是近似函數(shù)（在此都是代數(shù)多項(xiàng)式），內(nèi)插曲線必須經(jīng)過每一個(gè)采樣點(diǎn)，而擬合曲線則不需要通過采樣點(diǎn)，因此內(nèi)插法適用于噪聲很少的采樣數(shù)