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基于起重机设计流程的设计软件化

1引言

在机械产品设计中应用计算机技术已获得普及。对于大多数企业来说，甩图板工作，即是二维绘图软件应用。这种应用要求设计者先将经过思考得到的产品，通过手工方式用工程草图表达，或在大脑中转换成工程图格式，通过计算机键盘等方式输入计算机，用显示器输出得以与大脑交换信息，用于后续修改、交流、存储、继承、重用等。

随着软件产品水平的提升，机械设计进入了三维软件的应用。而目前的三维机械设计软件，在设计方面的核心均是基于特征的，在图形处理的数学基础方面是基于集合论、矩阵论。在设计流程上为自下而上，从零件的设计开始，经过装配成为整个产品，最后进行整机性能评价和仿真。这些都要求设计者先将产品的总体方案通过大脑思考，并用手工方式表达出来，经过分解获得组成零件，通过计算机键盘等方式输入计算机，由显示器交互的和设计者进行信息交换、修改、交流、存储、继承、重用等。按照传统习惯和机械产品的设计过程，这些软件还不能满足产品的全程设计，尤其是系列化设计的要求。

随着制造业水平的提升，尤其是建设创新型国家，需要大量接受过高等教育的设计者具有自主创新和原始创新的能力。而产品的创新关键在于概念或方案设计时期。如何本着市场决定技术的原则，让计算机在机械设计中发挥更大的作用，如何利用计算机进行产品创新设计和系列化设计，而不仅是甩图板，意义重大。

2产品设计计算机化中的问题

当前机械产品设计的自动化、软件化是机械行业技术升级换代，满足产品的市场需求和适应个性化产品特点的必由之路。但相当多的设计者和中小型机械企业在将产品设计过程与计算机技术结合中，存在一定困惑：如何充分利用计算机及其已经商品化的软件，并在产品设计中进行创新，将思维结果转换为计算机表达的形式，使得产品构造、动力性能、力学性能、设计经验等可以顺畅的通过计算机技术植入设计过程。为此，可以先考察现有的计算机应用状况。考察从软件的应用与开发这2个方面着手。其中关键是软件开发，捷径是软件的2次开发。国内外的机械产品设计过程中涉及到的软件有如下特点。

(1)具有通用性和专用功能的大型软件，如AUTOCAD，CAXA等可用于机械产品的工程图绘制；ANSYS等可用于产品或零部件的力学性能分析；Solidworks、Pre／E等可用于机械产品的三维设计，功能强大，价格昂贵，而已有功能却不能充分发挥作用，所需功能却远远不能具备是其明显特征。

(2)软件业在追逐大而全、大投入、大风险、大回报的软件。使得软件开发成为一项需要大量知识、技术、人力、物力、财力、时间等投入的工程项目。花大量时间和精力研究高深的软件研发技术和知识成为学术潮流，而忽视或脱离实际应用对知识、技术、方法的具体需求，即市场决定技术原则。

(3)大型的、专有化程度高的机械企业(主要是飞机、汽车、船舶等)使用了功能齐全、自动化程度高的设计软件，这是巨额投资得来的。对于中小型企业则不可企及。

(4)软件开发是由专业化的软件开发公司进电阻器行的，其人员组成以计算机专业人才为主。专业化的机械产品设计软件，因种种原因难以面世。以机械工程人员为主的软件开发存在知识缺陷，中小企业存在人员与资金困难等。

3产品设计及软件开发的特点

3．1机械产品、设计过程及表达

机械产品和软件产品都是人造物。作为人造物的机械产品的形成过程是人的大脑思维的连续变化过程，是对人造物需求的认知过程，是抽象概念的具体化过程，是人对设计资源的运用过程。而思维的连续性受制于大脑的短时记忆特性，这样，分段和脑外记载的辅助方式成为必然，而这种记载受制于人的认知方式及其专业训练。其次，思维的层次性通过短时记忆而能抓住本质，人们解决问题会将其逐级分解，从抽象到具体，从大概念到小概念(内涵、外延)，同层次概念按等级在相应的层次予以考虑和解决等。基于大脑思维与产品概念表达的层次性，传统的设计过程是从市场需求、概念设计、方案设计、技术设计到施工设计。这些设计活动，通常都会有形象思维与逻辑思维相伴，有概念、参数、图形、图像相随。可以用语言、文字、图形与图像、各种符号等来表达。由于设计过程中的各个阶段要利用不同学科的知识，设计不同的阶段则要使用恰当1.拉力机感应系统采取世界箸名传感器制造商美国威世世铨传感器的表达形式构成相应的机械产品模型。由各个不同阶段组成设计过程模型，以利于人的思考和相互沟通。人的思维取决于对问题的认知、对需求的理解，包括机械产品的工作原理、基本构造、系统的动态特性、加工制造、形态与美学、环境与应用等。思维的结果是创造一个更符合当前或未来的需求的新东西。就机械产品创新设计而言，要将概念具体化为功能、性能、构造、机构、加工制造要求等具体参数。

人们在思考问题时，由于短时记忆的特点，通常会关注最有价值、信息量最大、最熟悉、已经证明是成功的东西。就是通常说的，为了能使问题的解决抓住本质，分级建立模型是必要的。首先应该建立机械产品从雏形到实体的全局模型，也就是机械产品设计过程模型或说设计规划，以便弄清楚机械产品实体如何在脑内产生，如何从抽象到具体，这就是设计流程。

3．2机械产品设计的特点

(1)艺术性机械产品设计的过程是一个形象思维与抽象思维共同创造的过要实满足这1要求其实不困难程。同样的产品，但是1旦有定单不同的人会有不同的设计过程，会获得不同的设计结果。这是不同的人因不同的经历和知识积累对需求的不同理解造成的。而在大脑中抽象概念是由形象思维，也就是由图像、及其包含特征的图形简化形式来表达的。

(2)工艺性大量的机械产品都是为特定的工艺过程及其各阶段的功能要求而设计的，这使得特定的、优良的机械产品必须具有满足给定工艺要求的功能，它决定了产品设计的个性特征。另一方面还涉及机制工艺问题。

(3)个性与优化随着需求的个性化张扬，机械产品更趋于含有特殊元素、异化特征的个性化设计和生产。市场使得个性化与人性化的产品必须经过优化而获得高性价比的产品。优化是建立在计算机技术基础上的。

(4)适应与更新大量的中小型机械企业设计更新能力差，很难适应时刻变化的市场需求。这些特点与当今流行的计算机辅助设计软件的特点之间存在着很大的鸿沟。使得大量的中小型企业对计算机辅助设同时还要满足B1級氧指数值OI (B2級氧指数值OI 26%)计的应用难以深入进行。同时由于产品的更新能力差，市场竞争力降低，造成计算机应用人员匮乏，加剧了企业的生存困难程度。

3．3机械产品设计软件化的特点

(1)软件设计的艺术性软件开发实质上是软件产品的设计过程，也是一个创造性的过程。同样的软件产品，不同的人会有不同的设计过程，获得不同的解决方案。

(2)专业化机械产品都是为特定的工艺过程而设计的，产品设计过程软件化必然具有专有功能，使得软件开发带有典型的专用特征。

(3)设计经验与技术保密软件化需要大量的计算机专业人员参与，这使得机械产品的技术保密成为难题，使得机械设计师的经验与灵感的应用成为障碍。

(4)专业计算机知识与技术软件化对计算机软硬件方面的知识与技术的需求使得设计者望而却步。人力、财力、时间与精力的投入使得中小型机械企业想要获得软件开发更是异想天开。可将机械产品与软件产品设计的2种艺术结合在一起，解决人力、财力、时间与精力的投入问题。按照总体规划将机械产品设计流程参数化，通过数据库技术、交互技术等转化为软件化的设计过程。

3．4机械产品设计软件化方法

本文以机械产品的设计需求为目标，以机械行业的软件需求为宗旨，以设计者的知识为基础和出发点，融合软件设计的最基本知识体系，使设计者在较短的时间内(1年)，经过必要的自修或培训，获得自主进行机械产品设计的软件化工作，最大限度的保护技术秘密和知识产权，发挥设计者的经验和创造性，降低软件开发门槛。使设计者在最少时间和知识投入下，获得机械产品设计软件化的能力，使中小型机械制造企业获得机械产品创新设计的能力，提高设计效率和质量。

通过多年来对若干机械产品设计、制造、开发过程的分析总结，对软件开发方法及其计算机语言的研究总结，获得了一些基本的解决方法。

机械产品的设计过程是1个逐步逼近的过程，相当于数学中求解超越方程的过程。这对有着鲜明时序特点和以严格的逻辑进程为基础进行工作的计算机来说，是1个突出的矛盾。解决这个矛盾的方法是可以利用机械产品的设计流程，用流程中的局部逼近，获得流程整体的时序与逻辑进程。

4塔式起重机设计流程与软件实现

机械产品的设计与产品特点、个人设计习惯密切相关，其设计方法与过程因涉及团队的经历、知识储备、设计经验等而异，其流程也具有多样性，但基本原则和规律还是有章可循的，即可以找到一些共性的东西。如按照机械产品的功能、动力学特性、工作原理、系统特性等分析其设计流程。按照产品的力学原理，比如起重机械，其共性是提升机构有共性，设计益智玩具基本过程基本相同，而支撑构造与产品的用途和工作环境有关。据此可获得图1所示基本流程。流程的软件化实现涉及到如下问题。

(1)模型化将起重机械及设计过程用简约符号表示。这些符号是物理、力学、机械原理与零件等学科中约定的符号。并由物理模型转换油箱为数学模型，即用数学学科中的符号(字母和算法符号)表达数学模型。将物理和数学模型用软件模型中的符号(主要是逻辑关联符号，如框图或流程图)表达设计过程(见图2)，最终翻译为用计算机高级语言描述的指令序列。

图2起重机械子系统设计流程图

(2)工具选择根据现实中设计者的实际情况，以VisualBASIC为开发工具有许多优点。语言易学易用，Visula BASIC可轻易获得友好的界面，有部分的安达面向对象功能，易于后续扩展和重用，可通过ActiveX Automation技术，在零件的特征数据库中获取零件数据，可操纵CAXA或Auto CAD以便由数据库数据自动完成机械零件各图元的绘制。

(3)保密与经验产品的技术保密问题与设计者的设计经验是机械产品软件化的一大障碍。在以设计者为主导的软件化方法中，机械产品设计软件将设计者的设计经验和产品的技术保密设置在运行的软件以外，通过人机交互方式，经设计界面对话得以完成。也可使软件开发的组成单元的扩充。在代码编写阶段由大量掌握设计知识较少的计算机专业或其他人员来处理，可提高保密性，增强软件开发效果。

(4)计算与构造构造问题主要涉及到几何造型，这部分工作变化大、创造性多、形象思维的成分占主导地位，可在软件以外进行。对产品性能影响巨大的、大量的繁琐计算和参数优化则完全通过计算机软件完成，这方面有许多成功的实例借鉴。无论是局部优化与整机优化，核心是参数化问题，在流程中进行逐步逼近主要是这方面的工作。它可以充分发挥计算机的特长。

5结论

面对所有的设计者和中小型机械制造企业，不是简单的甩图板和2次开发。通过该方法的研究，获得简便可行、实用高效、具有极强的可操作性的机械产品设计的软件开发方法，以提高设计者的设计效率、设计质量，提高设计过程的重用性，降低劳动强度。该方法对那些进行改进、变形、系列化的产品设计尤为有用。