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浅论应用ＣＡＤ技术的现代机械设计 摘要：在机械设计中引入CAD技术,可以解决机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题,缩短产品开发周期,具有巨大的经济效益和应用前景。 关键词：机械设计；CAD技术 1 CAD技术的发展 CAD(Computer Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和产品数据管理技术（Product Data Management，PDM）及计算机集成制造系统（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一体。 产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(Intelligent CAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。 以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。 2 三维CAD技术在机械设计中的优点 通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点: 2.1 零件设计更加方便 使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。 2.2 装配零件更加直观 在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。 2.3 缩短了机械设计周期 采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。 2.4 提高机械产品的技术含量和质量 由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CAD CIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。 3 CAD技术在机械设计中的应用 3.1 零件与装配图的实体生成 3.1.1 零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。 对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。 3.1.2 实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。 3.2 模具CAD/CAM的集成制造 随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。 一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。 3.3 机械CAE软件的应用 机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。 4 CAD前沿技术与发展趋势 4.1 图形交互技术 CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。 4.2 智能CAD技术 CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。 4.3 虚拟现实技术 虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。 参考文献 [1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社. [2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,2002. [3]徐平,虚拟现实技术研究,文秘杂烩网 2009.8.31. [4]葛海霞,刘村.AutoCAD2004/2005辅助设计[M].上海:上海科学普及出版社,2004. [5]秦志峰,齐月静,胡仁喜,等.AutoCAD2005机械设计及实例解析[M].北京:机械出版社,2005.
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基于嵌入式技术楼宇智能化控制系统*摘要:为了解决智能楼宇控制点种类和数量多的问题,设计了基于嵌入式技术的智能楼宇控制系统,系统采用MODBUS通讯协议,485/232总线结构,最大通讯距离达1200m,通过区域控制器与控制模块数目自由组合组成控制网络的方法成功解决这个问题,效果良好。关键词:智能楼宇 MODBUS协议 485/232总线 区域控制器0 引 言智能楼宇最早出现在美国,我国的智能楼宇起源于20世纪90年代,楼宇智能化是现代工业高科技的结晶,是未来“信息高速公路”的主节点,是进入“数字时代”新兴的产物。所谓楼宇自动化系统是对中央空调系统、通风系统、给排水系统、照明系统、变配电系统、电梯系统进行监控。随着高新信息技术和计算机网络技术的高速发展,对建筑物的结构、系统、服务及管理的最优化组合的要求越来越高[4]。系统控制的方式由过去的中央集中监控,转而由高处理能力的现场控制器所取代的集散控制系统,本文设计的楼宇自动化智能控制系统是专门为楼宇智能化所设计,同霍尼韦尔、西门子等楼宇控制产品相比结构灵活,控制简便,并且易于针对个体需求进行软件的二次开发。1 网络结构控制系统结构如图1所示,分为三个控制层。上层为PC远程集中监控,下层为控制模块,中间层为现场区域控制器。层与层之间通过RS232/485总线联网。远程集中监控平台主要功能为提供即时的数据显示、历史数据的保存维护和查询显示、故障报警和故障历史查询、参数修改和查询。PC远程监控平台为主要人机界面,所以上位机软件设计体现了如下三个优点:一是将控制网络WEB化,可以将不同来源、不同格式的信息转变为统一的格式,供具有统一界面的客户机浏览器浏览,以更好地适应信息化社会的使用需要;二是建立了基于SQL SERV-ER数据库的管理信息系统,提高了信息管理的功能;三是采用开放式设计的网络结构,可以更方便地与其他系统(如安保系统、消防系统)进行集成。软件基于delphi平台开发,加载大量图形操作,简单方便。控制模块包括四种,即数字量输入模块(Digital In-put)、数字量输出模块(DigitalOutput)、模拟量输入模块(Analog Input)、模拟量输出模块(AnalogOutput)。控制模块是控制系统的主要执行机构,即采集数字量信号和模拟量信号,也输出数字量信号和模拟量信号。因此每种模块各自拥有单独的控制芯片,既接受现场区域控制器的控制命令,又需要根据控制命令完成模块的输入输出功能。中间层现场区域控制器既与PC远程监控平台进行通讯,接受控制命令并上传实时数据,又通过控制模块采集数据、执行控制命令。显然,现场区域控制器是整个控制系统的核心枢纽,其重要性不言而喻,因此整个区域控制器的软硬件设计无疑成为整个系统的重点和难点。2 区域控制器2.1硬件电路区域控制器硬件电路主要由CPU、上下位机通讯接口、EEPROM和时钟、键盘和触摸屏、液晶以及数字量/模拟量输入输出单元组成。硬件结构如图2所示。区域控制器CPU选用STC89C516RD2,这是一款新一代抗干扰/高速/低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机[1-3]。区域控制器自身带有一定数目的数字量/模拟量输入输出单元,可以在智能楼宇控制系统中作为控制模块的补充,同时也可以使区域控制器单独作为产品配套控制器使用,灵活多变。时钟和EEPROM通过I2C总线与区域控制器CPU连接。I2C总线用两条线(SDA和SCL)在芯片和模块间传递信息。SDA为串行数据线, SCL为串行时钟线,这两条线必须用一个上拉电阻与正电源相连,其数据只有在总线不忙时才可传送。CPU是主设备,时钟和EEPROM是从设备[9]。上位机通讯接口由控制器CPU通过SPI总线访问异步通讯芯片MAX3100来实现。SPI总线采用三线同步接口。主要特点是可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等;下位机通讯接口以串行口中断的方式实现半双工通讯。为了满足多种输入方式,控制器同时带有键盘和触摸屏,即可以以按键方式键入控制命令,也可以直接点击触摸屏实现。键盘采用独立式键盘;触摸屏选用电阻式触摸屏,电阻式触摸屏屏幕主要由两个导电层组成,当手指触摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了接触,电阻发生变化,在X和Y两个方向上产生信号,然后由触摸屏控制器侦测到这一接触点并计算出(X,Y)的位置。2.2软件流程智能楼宇控制系统所控制的点位种类多样,如温度、湿度、流量、开关等。硬件电路依据数字量、模拟量以及输入、输出提供了通用的接口,因此具体识别控制每个点位则完全由软件完成。现场区域控制器作为整个系统的控制核心,既要检测自身输入输出单元,完成显示,报警等功能,又要根据上位机(PC)、控制模块提供信息发出控制决策。因此软件流程包括初始化、故障检测与处理、控制算法实现、上下位机通讯等(图3),初始化包括数值初始化、中断初始化,通讯初始化,显示初始化;故障检测包括通讯故障,反馈故障,逻辑故障等;控制部分主要是程序算法的实现,对输入输出的智能控制,包括键盘/触摸屏输入及液晶输出,上位机通讯即远程PC与区域控制器通讯,而下位机通讯则是区域控制器与控制模块之间通讯[5-6]。楼宇自动化控制系统故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。楼宇自动化控制系统故障种类多样,故障处理方法又各有不同,因此故障的检测和处理就成为程序设计的一个难点,针对这种情况,程序采用了查表法(表1),成功的解决了这一难题。表中分5列,第一列为故障号;第二列为故障处理方法,如1(停机),2(关机), 3(重启)···;第三列判断是否联动,如0(否), 1(是),主要判断一些相互有关联的部分出现故障是否需要同步处理;第四列所谓的报警延时主要指某一现象视为故障的重复出现时间,目的是为了消除抖动引起的误报;第五列延迟寄存器则存放报警延时,如1(0.1秒级延时寄存器), 2(秒级延时), 3(分级延时)。每条故障都要对应于表中的一条,实际应用中只需填写表格,快捷方便。上下位机通讯程序都采用MODBUS通讯协议[7-8],Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。控制器通信使用主—从技术,即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。此系统中当主设备为上位PC机时,现场区域控制器为从设备,当现场区域控制器为主设备时,控制模块为从设备。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Mod-bus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。例如:当主设备(现场区域控制器)发送如表2请求时,此控制器连接的所有控制模块都接受这请求,但是只有地址为1的控制模块对此请求应答,其他地址的控制模块自动丢弃这帧数据,经CRC检验数据正确后,根据功能码来处理此帧数据,此例中功能码为06,即向此寄存器地址写寄存器数据,完成后从设备需回应与主机请求相同的信息。置区域控制器和各种控制模块数量,结构灵活多变,可以适应多种输入输出信号,根据用户的实际需求开发控制软件,真正达到量身定做成为一大特色。本智能控制系统已经在多个楼宇智能化控制中使用,控制准确,运行稳定;另外,区域控制器也可单独使用,作为产品配套控制器,成功应用于除湿机、冷干机、Vocs气体清除装置等。参考文献1于洪洲·51系列单片机软件抗干扰设计[J]·集成电路通讯·2007,25卷,2期:16-182汪文,陈林·单片机原理及应用[M]·华中科技大学出版社3Yu ShouqianWang Jianhua Kou Jinqiao. Embedded Integrated Servo-controllers for IntelligentModularActuators[J]·HIGH TECHNOLOGYLETTERS.2006,12,1:37-41.4 B. Surrogate·Developmentofan IntelligentEnergyManagementNetworkforBuilding Automation, PROGRAMMABLE CONTROLLER FAC-TORY AUTOMATION(PLC FA)·2005,3:28-305黄鑫,宋洋·软件抗干扰技术及其在单片机上的应用·现代电子技术,2007年9期:90-926朱国飞·单片机在工业控制上的应用[J]·中国科技信息, 2005年18A期:77-797田拥军,赵光强,曾健平·基于RS485总线技术的PC机与单片机多机通讯设计[J]·湖南工程学院学报:自然科学版, 2007年17卷2期:19-238肖凯,张贤斌·Modbus协议在串口通讯中的研究及应用[J]·长江工程职业技术学院学报,2007年1期:30-329赵学军·RS485总线测控模块的MODBUS扩展协议设计[J]·自动化与仪表,2007年2期:37-40
据新华社消息，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点
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