HCCAD計(jì)算機(jī)輔助研析系統(tǒng)的研制

1勢論1-

1.結(jié)論

1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)概述：

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和市場需求的瞬息萬變，產(chǎn)品的

功能、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，新產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期不斷縮短，設(shè)計(jì)在

整個(gè)產(chǎn)品生命周期中占據(jù)了越來越重要的作用。雖然產(chǎn)品開發(fā)中

設(shè)計(jì)所花的費(fèi)用占總成本的5%左右，但產(chǎn)品的成本有80%是在

設(shè)計(jì)過程中決定的，很重要的一點(diǎn)就是產(chǎn)品的可修改性在設(shè)計(jì)階

段比在制造階段強(qiáng)得多。由此可見，設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率是影響產(chǎn)

品經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)過程的效率對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的整

個(gè)生產(chǎn)率起著至關(guān)重要的作用。因此，如何研究、開發(fā)和利用先

進(jìn)的設(shè)計(jì)方法以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率至關(guān)重要。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

(CAD)就是其中重要的一種方法。

1.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)回顧

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)是本世紀(jì)五

十年代末以來設(shè)計(jì)制造業(yè)的一場深刻的技術(shù)革命，經(jīng)過近幾十年

的發(fā)展及在工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用，已成為人們熟悉的并能推動(dòng)生

產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)，在國民經(jīng)濟(jì)的許多重要領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的

作用，并產(chǎn)生了令人矚目的經(jīng)濟(jì)效益。這種技術(shù)的出現(xiàn)使產(chǎn)品設(shè)

計(jì)、制造以至生產(chǎn)的組織模式發(fā)生了巨大的變革，這種變革徹底

改變了設(shè)計(jì)人員的傳統(tǒng)工作方式，不但縮短了產(chǎn)品的研制周期，

最主要是顯著地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和新產(chǎn)品的開發(fā)效率，大量

的產(chǎn)品得以借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，CAD/CAM的技術(shù)水平

和應(yīng)用程度，已成為衡量一個(gè)國家科技和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要

1緒論

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)是用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人

們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改和顯示輸出的一種設(shè)計(jì)方法，同

時(shí)也是一門多學(xué)科的綜合應(yīng)用新技術(shù)，涉及以下各方面的知識(shí)：

計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、工程分析技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和交換技

術(shù)、文檔處理技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)法、人工智能、系統(tǒng)工程等多學(xué)科

領(lǐng)域。

CAD是以1959年MIT(美國麻省理工學(xué)院)召開的CAD規(guī)劃

會(huì)議為起點(diǎn)，“SKETCHPAD”計(jì)算機(jī)圖示設(shè)計(jì)系統(tǒng)是MIT首先提

出的CAD系統(tǒng)。此后，CAD技術(shù)得到迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大

致可分為表1-1所示的四個(gè)階段：

表1-1CAD系統(tǒng)發(fā)展回顧

階段時(shí)間特點(diǎn)

研制成功試驗(yàn)性的CAD系統(tǒng)，其代表是1963

第一階段60年代年Surtherland發(fā)布的Sketchpad系統(tǒng)，它開辟了計(jì)

算機(jī)圖形學(xué)和CAD的新紀(jì)元。

隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)和圖形學(xué)領(lǐng)域的突

第二階段70年代破性進(jìn)展，CAD系統(tǒng)開始實(shí)用化，出現(xiàn)了一批開

發(fā)通用CAD系統(tǒng)的專業(yè)公司.

商品化的三維實(shí)體造型系統(tǒng)投入使用，PC機(jī)

第三階段80年代上的CAD系統(tǒng)迅速普及，集成化CAD系統(tǒng)開始

出現(xiàn)。

CAD系統(tǒng)向集成化、智能化方向發(fā)展，并行工程

第四階段90年代特征造型和參數(shù)化技術(shù)是新一代CAD系統(tǒng)最突出

的特點(diǎn)。

CAD技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。依次經(jīng)

歷了大型機(jī)、小型機(jī)、工作站和微機(jī)等四個(gè)主要階段，各自代表

了CAD技術(shù)四個(gè)不同的發(fā)展階段。例如，由于計(jì)算機(jī)硬件水平

1緒論-3-

的限制，早期的CAD系統(tǒng)，如美國洛克希德公司CADAM系統(tǒng)，

通用汽車公司的DAC-1系統(tǒng)，以及國內(nèi)航空航天部門早期開發(fā)

的CAD系統(tǒng)等，為了滿足CAD系統(tǒng)特有的計(jì)算速度、存儲(chǔ)容量、

繪圖輸出等要求，均是以大中型計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)的，由于成本

高，應(yīng)用受到很大限制。進(jìn)入八十年代以后，由于硬件水平的提

高，性能價(jià)格比的降低，微機(jī)才得到廣泛普及，使基于微機(jī)的CAD

系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，例如人們熟系A(chǔ)utoCAD.CADKEY等。它

們版本升級(jí)速度都較快，例如AutoCAD已推出14.0版。

1.1.2我國CAD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國CAD技術(shù)發(fā)展總體上落后于發(fā)達(dá)國家，其發(fā)展史可以

說是一部‘引進(jìn)史”。機(jī)械行業(yè)從“七五”開始引進(jìn)整套的CAD/CAM

系統(tǒng)，如：CATIA、CADAM等，功能強(qiáng)大但價(jià)格昂貴，軟件比

較復(fù)雜，只有少數(shù)企業(yè)使用?！鞍宋濉逼陂g，我國企業(yè)較多引進(jìn)

工作站級(jí)軟件，如PRO-E>CADDS5.UG-LI等，也比較昂貴且

不符合我國國情，造成“工程設(shè)計(jì)人員掌握不了軟件，能用軟件

的人不搞設(shè)計(jì)”，而且難以形成規(guī)模，實(shí)際上未發(fā)揮多大作用，

盡管如此，還是培養(yǎng)了一批CAD/CAM方面的人才。進(jìn)入九十年

代,微機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)在我國企業(yè)得到大規(guī)模推廣,我國的CAD

進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展時(shí)期。

1.1.3CAD發(fā)展趨勢

(1)計(jì)算機(jī)輔助繪圖的發(fā)展趨勢

伴隨著硬件質(zhì)量和成本的降低，再加上軟件的開發(fā)研究

發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助繪圖正沿以下幾個(gè)方向發(fā)展：

①由靜態(tài)繪圖向動(dòng)態(tài)繪圖方向發(fā)展

由于硬件的迅速發(fā)展，軟件也開始向人機(jī)對(duì)話即交互式發(fā)

1楮論一4一

展，目前大部分實(shí)用繪圖系統(tǒng)已由過去的靜態(tài)繪圖轉(zhuǎn)為交互式的

動(dòng)態(tài)繪圖。

②由二維圖形軟件向三維實(shí)體造型軟件發(fā)展

③向CAD、CAM、CAG三者一體化方向發(fā)展

目前軟件的發(fā)展已將三者有機(jī)地結(jié)合起來，形成所謂一體化

的軟件包，包含二維和三維圖形軟件包模塊，三維幾何造型模塊，

有限元前后處理模塊，數(shù)控編程模塊以及三維數(shù)控刀具軌跡模塊

等，這樣的軟件包可以完成從產(chǎn)品的幾何造型、設(shè)計(jì)、分析直至

最后生成數(shù)控加工帶。

④向分布式高檔微機(jī)工作站方向發(fā)展

微機(jī)系統(tǒng)作為CAD/CAM最新平臺(tái)，以其較高的性能價(jià)格比，

使大規(guī)模推廣CAD/CAM系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。

(2)機(jī)械CAD發(fā)展趨勢

CAD在機(jī)械行業(yè)應(yīng)用廣泛，涵蓋機(jī)械設(shè)計(jì)各個(gè)方面，包括零

部件的設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫建立、有限元分

析、參數(shù)化繪圖等方面。機(jī)械CAD有以下發(fā)展趨勢：①是集成

化，CAD越來越和CAPP、數(shù)控編程及CAM緊密結(jié)合、高度集

成，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的重要組成部分，推

動(dòng)設(shè)計(jì)和制造自動(dòng)化的大幅提高：②是智能化，人工智能技術(shù)特

別是專家系統(tǒng)技術(shù)與傳統(tǒng)CAD相結(jié)合，形成智能化CAD是機(jī)械

CAD的必然發(fā)展趨勢；③是標(biāo)準(zhǔn)化，符合標(biāo)準(zhǔn)化的CAD越來越

顯示了其重要性。

1.2機(jī)械CAD應(yīng)用開發(fā)方法

1.2.1開發(fā)途徑

CAD軟件從功能上分，大致可分為計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件和

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，從用途可分為專用系統(tǒng)和通用系統(tǒng)。機(jī)械

1緒論-5-

CAD應(yīng)用開發(fā)可以基于以下兩條路子：

(1)在高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言平臺(tái)上運(yùn)用多種開發(fā)工具進(jìn)行自主

版權(quán)的CAD系統(tǒng)開發(fā)，但其要投入大量人力物力，沒有一定數(shù)

量開發(fā)人員所構(gòu)成的集團(tuán)組織，對(duì)一般工程人員來說不適宜采用

這一條途徑。

(2)在已有的通用CAD系統(tǒng)軟件下，針對(duì)具體的機(jī)械產(chǎn)品，

組織力量進(jìn)行二次開發(fā)，使通用CAD系統(tǒng)中增加一個(gè)專用于某

一具體產(chǎn)品的CAD環(huán)境和功能模塊。這種開發(fā)前提是通用CAD

系統(tǒng)支持用戶再開發(fā)并提供再開發(fā)資源和工具?；谕ㄓ肅AD

系統(tǒng)二次開發(fā)是一種投資小見效快的開發(fā)途徑，就我國大多數(shù)中

小企業(yè)的財(cái)力狀況來說，發(fā)展針對(duì)某行業(yè)的以微機(jī)為基礎(chǔ)的專用

CAD系統(tǒng)是較好的選擇。通用系統(tǒng)提供二次開發(fā)功能，專用系

統(tǒng)可以利用通用CAD系統(tǒng)的繪圖環(huán)境和基本繪圖指令等，大多

數(shù)的二次開發(fā)軟件以AutoCAD為開發(fā)平臺(tái)，AutoCAD提供了比

較完善的二次開發(fā)功能，如Auto】isp、C語言的ADS-C開發(fā)接口、

SCR文件接口、DXF文件接口等二次開發(fā)功能。

1.2.2針對(duì)通用CAD系統(tǒng)的幾個(gè)開發(fā)方面：

(1)建立各種標(biāo)準(zhǔn)件及基本零部件的參數(shù)化、變量化的參數(shù)

化圖庫。建庫工作是從事CAD開發(fā)的基礎(chǔ)。各種標(biāo)準(zhǔn)件或通用

件，如螺釘、螺母、墊片、齒輪、彈簧等，應(yīng)建立參數(shù)化圖庫。

針對(duì)開發(fā)對(duì)象的基本零部件，應(yīng)采用先進(jìn)的變量幾何技術(shù)，建立

變量圖形庫。圖形庫越豐富，CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力越高。

(2)建立各種繪圖及標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫。主要為生成二維工作圖提

供各種標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，如粗糙度符號(hào)、形位公差符號(hào)、標(biāo)題欄符號(hào)以

及其他各種繪圖符號(hào)等。

(3).建立設(shè)計(jì)專用數(shù)據(jù)庫。這包括機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的各種

1緒論-6-

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及上述參數(shù)化圖形庫所對(duì)應(yīng)的參數(shù)序列。

更加完善的數(shù)據(jù)庫還應(yīng)包括各種圖形文件、數(shù)據(jù)文件的文檔管理

數(shù)據(jù)。

(4).建立上述圖形庫、數(shù)據(jù)庫的開放式管理模塊，并在一定

程度上向用戶開放，便于維護(hù)和擴(kuò)充。這種擴(kuò)充與完善來源于用

戶的使用過程。

(5)針對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象建立設(shè)計(jì)過程程序。這是從計(jì)算機(jī)輔助繪

圖向輔助設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要方面，有些產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著一套較為

規(guī)范的步驟，每一步又涉及到復(fù)雜的計(jì)算及有關(guān)的數(shù)據(jù)查詢，建

立一套計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序，可大大提高設(shè)計(jì)速度。

(6)進(jìn)行各種分析和校驗(yàn)。CAD應(yīng)該包括計(jì)算機(jī)輔助分析

(CAE)的內(nèi)容。比如有限元分析、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析、誤差分析等，

以便進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.3液壓缸CAD開發(fā)的意義和目的

液壓缸在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，是一種重要的液壓動(dòng)

力執(zhí)行元件。例如在礦業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，每個(gè)液壓支架有十多個(gè)液壓

千斤頂(液壓缸)，一個(gè)工作面100多架，就有1000多個(gè)液壓缸。

液壓缸的設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型，根據(jù)需要的工作參

數(shù)，計(jì)算液壓缸的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)。還要進(jìn)

行穩(wěn)定性分析，強(qiáng)度校核等；然后根據(jù)所形成的數(shù)據(jù)繪出圖形，

有時(shí)還需要對(duì)參數(shù)反復(fù)對(duì)比調(diào)整和多方案選擇，這一系列的工作

量是很大的。而多年來，工程液壓缸一直依靠傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)完成，

費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又容易出錯(cuò)，直接影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高，計(jì)算機(jī)

輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用于液壓缸的設(shè)計(jì)將會(huì)提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，從

而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，為了推動(dòng)CAD技術(shù)在液壓缸設(shè)

計(jì)中的運(yùn)用，本課題選定液壓缸的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1毋論-7-

(HCCAD)作為開發(fā)對(duì)象，目的是希望通過該軟件開發(fā)應(yīng)用，

提高液壓缸的設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)水平，使生產(chǎn)廠家能根據(jù)用戶要求

快速設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的市場適應(yīng)性和競爭力。

L4課題的主要任務(wù)

液壓缸計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，簡稱HCCAD,內(nèi)容包括了從結(jié)

構(gòu)選型一?設(shè)計(jì)計(jì)算f強(qiáng)度校核一?結(jié)構(gòu)設(shè)id—~?結(jié)構(gòu)繪圖。

本課題首先選定了軟件的開發(fā)環(huán)境是基于Win98平臺(tái)，用Visual

Basic5.0作軟件的界面、計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在AutoCAD下開

發(fā)HCCAD的繪圖環(huán)境和繪圖程序，完成結(jié)構(gòu)圖的繪制。

HCCAD應(yīng)具有以下幾個(gè)主要的特點(diǎn)：

(1)界面友好，操作方便。

(2)設(shè)計(jì)效率高，通用性好，以滿足不同的液壓缸企業(yè)的需

要。HCCAD系統(tǒng)繪圖模塊應(yīng)建立在通用軟件的基礎(chǔ)之上，使一

些在專用系統(tǒng)中難以解決的問題可以借助于通用軟件得到解決，

并且操作過程符合圖形化界面潮流。

本課題的主要任務(wù)：

(1)按照軟件工程的方法對(duì)HCCAD的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，

完成系統(tǒng)的功能定義與模塊劃分，為系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

(2)進(jìn)行液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算一?得出主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)一?進(jìn)

行強(qiáng)度校核計(jì)算一?部件的變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)

可作為零件加工工藝流程的參數(shù)，進(jìn)一步使CAD與CAM連接。

(3)研究利用已有的計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件進(jìn)行專用CAD軟件

的開發(fā)方法，解決設(shè)計(jì)計(jì)算與通用繪圖軟件的接口問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)

計(jì)過程、計(jì)算過程、繪圖過程的正確連接。

(4)在AutoCAD下進(jìn)行專業(yè)化開發(fā)一生成專有化的界面

變結(jié)構(gòu)參數(shù)化程序的編制f調(diào)用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)—繪制各部件的

1緒論-8-

工程圖形。

(5)完成系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計(jì)。

1.5應(yīng)用軟件介紹：

1.5.1Windows98簡介

Windows98是繼Windows95之后的新一代操作系統(tǒng)，它

采用圖形用戶界面(GraphicsUserInterface,GUI)。具有較好的

內(nèi)存管理方式和資源管理方式、可同時(shí)打開和執(zhí)行幾個(gè)窗口所對(duì)

應(yīng)的應(yīng)用程序、利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換方式在不同的應(yīng)用程序之間進(jìn)

行數(shù)據(jù)交換等特點(diǎn)外，還具有全新的用戶界面，簡便、快速的操

作途徑。它增加了許多新穎而好用的特性，如Web集成、多顯示

支持、電源管理、通用串行總線(USB)的高級(jí)即插即用功能，

使計(jì)算機(jī)更容易使用。Windows98的系統(tǒng)文件檢查器、磁盤掃描、

注冊表檢查程序和備份功能提高了計(jì)算機(jī)的可靠性。Windows98

可將本地資源和Web資源集成到單個(gè)視圖中，如Internet連接向

導(dǎo)、活動(dòng)桌面、頻道、電子郵件等。引入高性能、視頻和對(duì)硬件

的支持等新特性后使計(jì)算機(jī)更具娛樂性。由于Windows系統(tǒng)的各

種優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)基于Windows平臺(tái)上的軟件，已是軟件業(yè)發(fā)展的潮

流。HCCAD系統(tǒng)正是想以Windows98作為開發(fā)平臺(tái)。

1.5.2VisualBasic簡介

VisualBasic是一種具有很好圖形用戶界面(GUI)的程序

設(shè)計(jì)語言，同時(shí)有是一種完全支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的面向?qū)ο蟮?/p>

程序設(shè)計(jì)語言，VB綜合運(yùn)用了Basic語言結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)及可視化

設(shè)計(jì)工具、各種控制圖、下拉式菜單、窗口、對(duì)話框等，既具有

1勢論

Windows優(yōu)越的圖形工作環(huán)境，又利用了Basic語言編程的簡便

性，既是一種可供專業(yè)程序設(shè)計(jì)者使用的專門的Windows應(yīng)用程

序設(shè)計(jì)語言，又是一種可供非計(jì)算機(jī)專業(yè)者學(xué)習(xí)和掌握Windows

編程的簡單易學(xué)的程序設(shè)計(jì)語言。

VisualBasic的出現(xiàn)，使Windows應(yīng)用程序開發(fā)變得相當(dāng)容

易。過去，一個(gè)大的應(yīng)用程序，大概有90%的程序代碼是用來處

理用戶界面，只有10%的代碼真正用來處理應(yīng)用工作。利用Visual

Basic來設(shè)計(jì)程序，編程人員不必編寫用戶界面代碼，程序設(shè)計(jì)

的效率會(huì)提高數(shù)倍。同時(shí)，它又提供編程的簡易性。菜單、字體、

對(duì)話框和所有的其他構(gòu)件的設(shè)計(jì)變得相當(dāng)容易。除了編程的簡易

性外，VisualBasic的另一個(gè)特色是事件驅(qū)動(dòng)的編程機(jī)制。傳統(tǒng)的

編程面向過程，程序按順序執(zhí)行，用戶無法干預(yù)程序的執(zhí)行。而

現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，許多情況需要用戶來控制程序的運(yùn)行。事

件驅(qū)動(dòng)機(jī)制就可解決這個(gè)問題，讓用戶控制程序的運(yùn)行。程序員

只要編寫響應(yīng)用戶動(dòng)作的程序如選擇命令、按鼠標(biāo)器按鈕、移動(dòng)

鼠標(biāo)等，而不必編寫精確順序執(zhí)行的每一步驟。

VisualBasic作為一種程序設(shè)計(jì)語言，有許多獨(dú)到之處：它有

強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和字符串處理功能；靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)組；豐富的圖形命

令；支持隨機(jī)文件訪問和順序文件訪問；完備的運(yùn)行錯(cuò)誤處理功

能；豐富的圖標(biāo)庫。所以選用VisualBasic來進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和數(shù)

據(jù)處理。

1.5.3AutoCAD簡介

AutoCAD是美國Autodesk公司推出的商品化軟件之一，它

是當(dāng)今國際上最優(yōu)秀的微機(jī)CAD繪圖軟件平臺(tái)之一。它可用人

機(jī)交互的方式迅速準(zhǔn)確地繪圖；也能編制程序?qū)υO(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行計(jì)

算，進(jìn)而繪出圖形，最后可借助于外部設(shè)備提供清晰而準(zhǔn)確的圖

1緒論-10-

紙，它被廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、電子及各種工程、廣告設(shè)計(jì)、

幻燈制作、包裝設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

AutoCAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有充分開發(fā)性，它不僅向用戶提供了

豐富的繪圖命令和編輯功能，而且為用戶提供了發(fā)揮自己聰明才

智的用武之地。AutoCAD向用戶提供了各種各樣的開發(fā)工具，

其中包括菜單、線型、宏命令（SCR）、與外部文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交

換的手段，以及內(nèi)嵌的程序設(shè)計(jì)語言Autolisp.C語言開發(fā)環(huán)境

ADS-C等。AutoCAD的二次開發(fā)是最具有吸引力的地方。本系

統(tǒng)選擇AutoCAD作為HCCAD的開發(fā)平臺(tái)。

2HCCAD系統(tǒng)功能分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-11-

2HCCAD系統(tǒng)功能分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1概述

該軟件的研制與開發(fā)旨在逐漸取代液壓缸設(shè)計(jì)人員繁重的設(shè)

計(jì)計(jì)算與繪圖工作，幫助設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)完成方案設(shè)計(jì)、

方案選擇、修改方案及自動(dòng)生成工程圖紙的過程。充分發(fā)揮工程

人員的主觀能動(dòng)性，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。同時(shí)，迅速準(zhǔn)

確地得出設(shè)計(jì)方案，以便在競爭中充分發(fā)揮優(yōu)勢。

液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算中對(duì)于諸多參數(shù)的反復(fù)調(diào)整以及多方案的

計(jì)算比較，對(duì)設(shè)計(jì)人員來說顯得工作量很大，也容易出錯(cuò)，因此，

用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)是很有必要的，液壓缸的圖紙生成基本上

靠設(shè)計(jì)人員手工繪制出來，以致重復(fù)工作量大，修改不方便，設(shè)

計(jì)效率很低，CAD技術(shù)及參數(shù)化自動(dòng)成圖技術(shù)用于系列化和標(biāo)

準(zhǔn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，能夠大幅度提高設(shè)計(jì)效率，液壓缸已經(jīng)基本

實(shí)現(xiàn)系列化，特別是大量的通用件圖紙需要自動(dòng)形成工程圖，很

適合于CAD的開發(fā)，在液壓缸設(shè)計(jì)之中，使用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)參

數(shù)化繪圖是可行的。本課題的目標(biāo)是開發(fā)一套適應(yīng)當(dāng)前條件的液

壓缸CAD系統(tǒng)。

2.2功能分析

HCCAD系統(tǒng)是集液壓缸計(jì)算機(jī)工程分析和自動(dòng)繪圖的軟件系

統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)效率提高主要體現(xiàn)在專用軟件各種功能的高度集成

特性上，即需要同時(shí)能夠在系統(tǒng)中完成以下工作：

2.2.1工程分析能力：

工程分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和繪制零部件圖及裝配圖的基礎(chǔ)，液壓

2HCCAD系統(tǒng)功能分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-12

缸的工程分析主要集中于幾個(gè)方面：

(1).液壓缸型式的分類和選擇

系統(tǒng)應(yīng)提供準(zhǔn)確的液壓缸型式分類、各分類的應(yīng)用范圍及特

點(diǎn)等大量的知識(shí)和信息，讓設(shè)計(jì)人員利用人機(jī)對(duì)話的方式選擇液

壓缸型式。

(2).液壓缸原始參數(shù)輸入與基本結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)應(yīng)有方便的參數(shù)輸入功能，以對(duì)話框的形式輸入液壓缸

原始參數(shù)：系統(tǒng)壓力P,流量Q,速比Sa,推力人,拉力尸”

行程S等。在輸入?yún)?shù)后就可進(jìn)行液壓缸內(nèi)徑、外徑、桿徑等參

數(shù)的計(jì)算。

(3).在基本結(jié)構(gòu)參數(shù)生成后，進(jìn)行強(qiáng)度校核、穩(wěn)定性分析及有

限元分析

(4).結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主體結(jié)構(gòu)參數(shù)生成后，進(jìn)行缸體、活塞桿、活塞、導(dǎo)向套

等零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立各部件型式分類庫和各型式的結(jié)構(gòu)參數(shù)

庫，根據(jù)實(shí)際情況并和設(shè)計(jì)人員交互確定各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(5).數(shù)據(jù)管理功能

在軟件的使用過程中，HCCAD生成的數(shù)據(jù)量是比較大的，

有總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，還有用戶數(shù)據(jù)輸入的問題，

這就牽涉到數(shù)據(jù)管理的問題，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行妥善管理，并非一

項(xiàng)簡單的問題。

2.2.2工程圖紙繪制能力

在CAM沒有建立或沒有完全建立之前，工程圖紙依然是生產(chǎn)

過程中必不可少的關(guān)鍵資料。液壓缸零部件圖的繪制是設(shè)計(jì)過程

中工作量最大、重復(fù)勞動(dòng)最多、最費(fèi)時(shí)間的工作，在使用計(jì)算機(jī)

輔助繪圖軟件繪制液壓缸零部件圖后，設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)條件和勞動(dòng)

2HCCAD系統(tǒng)功能分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-13

效率都有了一定的改善。但是利用通用計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件(如

AutoCAD.PICAD等)繪制液壓缸零部件圖，仍然存在著效率

低下的問題，即便是利用針對(duì)機(jī)械行業(yè)的軟件，例如，國內(nèi)開發(fā)

的大恒CAD、北京天河PCCAD、華中理工的開目CAD等，對(duì)

于繪制專用機(jī)械零部件圖，效率也不是太高。其原因如下：

(1)軟件功能的定位問題，一般基于微機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)繪

圖軟件功能比起工作站級(jí)和大型機(jī)的繪圖軟件是有限的，而作為

商品，這些軟件又盡可能提供給更多的用戶，因此，大多數(shù)軟件

只具備基本繪圖、編輯、修改、標(biāo)注等功能，繪圖專業(yè)化很低。

(2)通用繪圖軟件的圖形輸入形式比較簡單,一般是直線、

圓、弧等幾何圖素，這和工程繪圖的原理是相同的，但是由于脫

離原有手工繪圖模式，提高繪圖速度對(duì)這類軟件來說，實(shí)際上是

提高使用計(jì)算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)的熟練程度，這與提高設(shè)計(jì)效率的宗

旨是極不相稱的。

(3)通用軟件大多是整體式結(jié)構(gòu)，自成一體。軟件的再開

發(fā)需要專門技術(shù)，一般工程設(shè)計(jì)人員較難掌握。

但是，通用計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件已基本具備了工程圖紙繪制

的常用功能，在CAD軟件的開發(fā)過程中，不應(yīng)重復(fù)這些基本功

能的開發(fā)，而應(yīng)充分利用這些基本功能，這樣既可減少軟件開發(fā)

的工作量，又可提高CAD軟件與其它CAD系統(tǒng)的兼容性。因此。

提高專用CAD繪圖能力的解決方法是利用通用繪圖軟件所提供

的開發(fā)接口、資源和開發(fā)工具，進(jìn)行功能上的進(jìn)一步開發(fā)。

HCCAD的工程圖紙繪制功能是在通用繪圖軟件AutoCAD

平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，利用AutoCAD的二次開發(fā)接口

和功能進(jìn)行程序驅(qū)動(dòng)的方式編制了液壓缸各部件的繪圖模塊，利

用了AutoCAD的基本繪圖環(huán)境和編輯繪圖功能，又提高了繪圖

2HCCAD系統(tǒng)功能分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14-

的專業(yè)化程度。

2.3HCCAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于以上對(duì)HCCAD系統(tǒng)的功能分析，HCCAD軟件系統(tǒng)的

設(shè)計(jì)中采用軟件集成的方法實(shí)現(xiàn)了上述的幾項(xiàng)主要功能。在系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)上，HCCAD可以分為VB編譯環(huán)境下工程分析和AutoCAD

集成環(huán)境下的繪圖模塊兩大部分。具體功能在以后章節(jié)中詳細(xì)論

述。其系統(tǒng)原理圖如下：

VB編譯環(huán)境AutoCAD繪圖環(huán)境

一一__入.

WINDOWS98操作系統(tǒng)平臺(tái)

圖2.1HCCAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一15一

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1液壓缸榻述

3.1.1液壓缸分類

液壓缸是液壓傳動(dòng)中的執(zhí)行元件，它將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械

能，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。與杠桿、連桿、曲軸、

齒條、凸輪等機(jī)構(gòu)連用，能擴(kuò)大液壓缸使用范圍和機(jī)構(gòu)的靈活性,

它的運(yùn)動(dòng)速度可以通過液壓閥控制在工作過程進(jìn)行較大范圍的無

級(jí)變速，而且調(diào)速比很大，操縱力很小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，所以得

到廣泛的應(yīng)用。液壓缸型式分類見圖3-1

液壓缸

推力液壓缸擺動(dòng)液壓缸

U

單葉片擺動(dòng)液壓缸雙葉片擺動(dòng)液壓缸

單作用液壓缸

伸

單

伸

雙

齒

多

增

串

縮

活

縮

活柱活

條

位

壓

聯(lián)

套

塞

塞

套

式

式

塞式

塞式

桿

筒

桿

筒

式式

式

式

式

式

圖3-1液壓缸分類圖:

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-16-

液壓缸的型式是多種多樣的，分類方法也各不相同。按照液

壓缸的運(yùn)動(dòng)方式可分為推力液壓缸（直線運(yùn)動(dòng)液壓缸）和擺動(dòng)液

壓缸。推力液壓缸按照其動(dòng)作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為不同的型

式。設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先了解液壓缸分類情況，才能根據(jù)液壓缸的作

用設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)。

3.1.2雙作用單活塞桿液壓缸

雙作用單桿液壓缸應(yīng)用廣泛，工程液壓缸均為雙作用單桿液

壓缸，工程液壓缸應(yīng)用情況見圖3-2<,鑒于此，本論文課題主要

研究雙作用單活塞桿液壓缸。

圖3-2工程液壓缸應(yīng)用

3.2液壓缸CAD智能化的研究

液壓缸的選型及設(shè)計(jì)牽涉到多種因素，需要豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)

和設(shè)計(jì)知識(shí)，并且這些經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)不能提煉成數(shù)值算法，這就有

必要引入專家系統(tǒng)的理論，進(jìn)行液壓缸CAD智能化方面的研究。

3.2.1專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是迅速發(fā)展起來的一個(gè)人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域。在機(jī)

械設(shè)計(jì)方面，專家系統(tǒng)與CAD技術(shù)相結(jié)合，形成了設(shè)計(jì)型的專

家系統(tǒng)，即智能CAD系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的功能主要依賴于存儲(chǔ)有

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-17-

大量知識(shí)的知識(shí)庫，按一定的推理策略去解決問題。凡是傳統(tǒng)CAD

無能為力之處，凡必需依賴設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和智力才能解決的問

題，都有可能借助于專家系統(tǒng)技術(shù)來求解。這種可能是否能夠?qū)?/p>

現(xiàn)，則取決于是否有足夠豐富和成熟的所需領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

專家系統(tǒng)是知識(shí)基系統(tǒng)（基于知識(shí)的系統(tǒng)）。設(shè)計(jì)型的專家系

統(tǒng)主要由知識(shí)庫、推理機(jī)、解釋部分、數(shù)據(jù)庫和知識(shí)獲取五部分

構(gòu)成，如圖3-3所示。

圖3-3設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的構(gòu)成

3.2.2液壓缸CAD智能化要求

液壓缸是一個(gè)有代表性的機(jī)械產(chǎn)品，它的設(shè)計(jì)通常是由設(shè)計(jì)

者依據(jù)對(duì)執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的要求設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)中除了參數(shù)計(jì)

算、強(qiáng)度校核外，還包括液壓缸類型的選擇，液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、

材料選擇等。后者需要依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)的效

率和質(zhì)量的人為影響很大。這就不利于生產(chǎn)設(shè)計(jì)效率的提高，并

且這些設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)CAD難以完成的工作。而專家系統(tǒng)的建立就

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-18-

可以解決這些問題。依靠專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來整理、分析、比較

而完成。

液壓缸的類型和結(jié)構(gòu)型式比較多，型式的選擇應(yīng)依靠專家系

統(tǒng)完成。本系統(tǒng)在具體設(shè)計(jì)中涉及到的是雙作用單活塞桿HSG

系列及相類似的工程用液壓缸。而液壓缸的結(jié)構(gòu)（如缸筒與缸蓋

的連接結(jié)構(gòu)、活塞與活塞桿的連接形式、液壓缸的密封形式等）

在設(shè)計(jì)中常常是通過分析比較，參照某種常用的結(jié)構(gòu)型式，在尺

寸上略作修改完成，液壓缸包含主要非標(biāo)準(zhǔn)零件有缸頭、缸體、

活塞桿頭、導(dǎo)向套等，除了主要零件外，還有許多諸如卡鍵、卡

鍵帽、支承環(huán)等輔助非標(biāo)準(zhǔn)零件，各種零件往往又有多種結(jié)構(gòu)形

式，同一結(jié)構(gòu)的零件又有很多型號(hào)的系列種類，在邏輯結(jié)構(gòu)上是

一種層次結(jié)構(gòu)模型。進(jìn)行結(jié)構(gòu)和零件的設(shè)計(jì)，應(yīng)建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知

識(shí)庫，用專家系統(tǒng)來完成。

知識(shí)的表示就是把專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)用適當(dāng)?shù)男问奖硎境?/p>

來，它既具有一定的獨(dú)立性，又與推理方法密切相關(guān)。液壓缸CAD

知識(shí)庫分為三種：液壓缸類型選擇知識(shí)庫、材料選擇知識(shí)庫和結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)庫，因?yàn)橹R(shí)庫的建立是一個(gè)浩大的工程，尤其對(duì)液

壓缸種類繁多，結(jié)構(gòu)形式多樣的特點(diǎn)，建立這樣的知識(shí)庫，需要

占有大量資料和豐富現(xiàn)場設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及諸多設(shè)計(jì)人員相互協(xié)作

才能得以完成。本論文研究了液壓缸類型選擇知識(shí)庫和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

知識(shí)庫的知識(shí)表達(dá)方法和推理策略，為知識(shí)庫建立奠定了基礎(chǔ)。

3.2.3液壓缸類型選擇知識(shí)庫

液壓缸的類型通常根據(jù)對(duì)它的運(yùn)動(dòng)形式、速度及推力的要求、

行程以及某些結(jié)構(gòu)要求來選擇。設(shè)計(jì)時(shí)往往要求設(shè)計(jì)人員了解每

種液壓缸的特點(diǎn)，并加以分析、比較，從中選出滿意的結(jié)果。在

構(gòu)造專家系統(tǒng)時(shí)，要把每種類型的液壓缸的特點(diǎn)加以總結(jié)并作為

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-19-

知識(shí)存入知識(shí)庫中。知識(shí)庫將每種類型液壓缸的特點(diǎn)以事實(shí)形式

來描述。

為了建立知識(shí)庫，下面給出了液壓缸知識(shí)庫中代碼的含義。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式和特殊要求設(shè)置代碼：

ZX——直線運(yùn)動(dòng)

BD——擺動(dòng)

XD-直線運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)方向上速度相等

BXD一直線運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)方向上速度不等

WL-----反向靠外力

WWL——不靠外力

RSS——有伸縮要求

RZY——有增壓要求

RXCD—要求行程較大

2L——缸的移動(dòng)范圍為缸簡長度的2倍

3L——缸的移動(dòng)范圍為缸筒長度的3倍

缸的類型代碼：

DDG——單作用單桿液壓缸

DZG——單作用柱塞式液壓缸

SDG——雙作用單桿液壓缸

SSSG——雙作用伸縮液壓缸

ZYG——增壓缸

SSG2——缸筒固定的雙作用雙桿液壓缸

SSG3——活塞桿固定的雙作用雙桿液壓缸

DSG——單作用雙桿液壓缸

DSG1——單作用伸縮式液壓缸

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-20-

3.2.4推理策略

根據(jù)知識(shí)庫中的知識(shí)與用戶輸入的有關(guān)信息和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行逐項(xiàng)搜索、匹配。首先，根據(jù)用戶輸入的信息（如運(yùn)動(dòng)要求、

速度要求、推力要求等）進(jìn)行液壓缸的類型選擇。在選擇過程中，

多數(shù)情況為唯一結(jié)果，即只有一種類型與之匹配；個(gè)別情況為兩

種結(jié)果或無結(jié)果。若兩種結(jié)果滿足要求，則系統(tǒng)以菜單形式提示

用戶，以便從中選擇最佳方案；若無結(jié)果，說明推理失敗。類型

選擇好以后，便是液壓缸的結(jié)構(gòu)形式和連接形式選擇。在此要求

用戶輸入的信息有：外形尺寸要求、重量要求、裝缸要求、工藝

要求等。隨后進(jìn)行液壓缸各部分的材料選擇，并將選擇結(jié)果顯示

在屏幕上且提示用戶是否滿意，若不滿意，可立即修改。最后一

步便是設(shè)計(jì)計(jì)算階段，即根據(jù)系統(tǒng)壓力、速度、推力要求等得出

液壓缸的主要幾何尺寸（如缸筒內(nèi)徑、壁厚、活塞桿直徑等），

并將這些數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)起來，以備零件圖和裝配圖繪制

模塊直接調(diào)用。此外，在推理過程中，應(yīng)采用基于邏輯的推理方

式，知識(shí)庫獨(dú)立于程序之外，即知識(shí)庫與推理機(jī)完全分離，知識(shí)

庫存于文件中隨時(shí)調(diào)入內(nèi)存?？纱蟠筇岣呦到y(tǒng)的運(yùn)算速度，同時(shí)

知識(shí)的編輯修改也比較方便。

3.2.5.液壓缸CAD智能化優(yōu)點(diǎn)

⑴專家系統(tǒng)應(yīng)用于液壓缸設(shè)計(jì)，可以取代人在設(shè)計(jì)過程中利

用經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)進(jìn)行判斷和推理的過程，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)CAD難以完

成的。

⑵知識(shí)庫中的內(nèi)容可以進(jìn)一步擴(kuò)充，豐富而成熟的知識(shí)庫可

以使系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21

3.3變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.3.1變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的提出

通過編程建立各種標(biāo)準(zhǔn)液壓缸的圖庫，輸入不同的尺寸參

數(shù)，得到相同結(jié)構(gòu)不同大小的液壓缸，雖然在一定程度上提高了

設(shè)計(jì)的效率，實(shí)現(xiàn)了系列擴(kuò)展，但因其為單一的參數(shù)化繪圖，零

部件局部微小變化后，參數(shù)化程序就得重新編寫，導(dǎo)致編程的重

復(fù)工作量大，且參數(shù)化程序庫也十分龐大，顯得笨重難以管理，

難以適應(yīng)新的變化。

為適應(yīng)設(shè)計(jì)過程的實(shí)際需要，本課題針對(duì)工程實(shí)際中液壓缸

這類應(yīng)用范圍廣泛而又情況各異，基本結(jié)構(gòu)不變而局部結(jié)構(gòu)形式

多變的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提出了一種新的實(shí)用方法一變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法，

探討了其思想方法和實(shí)現(xiàn)過程，并綜合參數(shù)化、智能化設(shè)計(jì)等方

法，應(yīng)用于液壓缸的設(shè)計(jì)之中。

3.3.2變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的定義及組織過程

(1)變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就是針對(duì)某個(gè)具體的機(jī)械零部件，先依

據(jù)其在設(shè)計(jì)使用中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分解為相對(duì)獨(dú)立而又相互關(guān)

聯(lián)的N個(gè)部分，然后針對(duì)某個(gè)部分I,又根據(jù)其作用特點(diǎn)分為k

種結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取所需的N個(gè)部分組合成

所需要設(shè)計(jì)的零部件，分解示意見圖3-4。

例如液壓缸活塞桿，中等復(fù)雜程度，其變化最多的部分是負(fù)

載的聯(lián)接形式，由工作需要而定，基本上有六種結(jié)構(gòu)，有大球頭

聯(lián)接、餃銷聯(lián)接、圓耳頭聯(lián)接、螺栓頭聯(lián)接、軸較頭聯(lián)接、球較

頭聯(lián)接等。活塞桿與活塞及活塞密封部分聯(lián)接的不同也可分為不

同形式。根據(jù)這些特點(diǎn)，就可以將活塞桿分解為桿體、負(fù)載聯(lián)接

部、活塞聯(lián)接部三個(gè)變結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)負(fù)載聯(lián)接形式和活塞聯(lián)接

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-22-

部的形式選擇，來組成適應(yīng)不同工作需要的活塞桿，此可在軟件

的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分用按鈕選擇。

VVV

圖33變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分解示意圖

(2).其組織過程分為以下幾步：

①結(jié)構(gòu)分解

一個(gè)具體的零件如何分解，以及分解為幾個(gè)部分，主要根據(jù)

它的復(fù)雜程度和結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)。一般情況下，零件越復(fù)雜，則應(yīng)

多分幾個(gè)部分。零件結(jié)構(gòu)變化越典型、變化越多的部分，則應(yīng)分

解出來構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的部分。

零件結(jié)構(gòu)分解后，變結(jié)構(gòu)部分越多，則零件的組合形式也越

多，零件設(shè)計(jì)也就越靈活，但是另一方面各部分的連接關(guān)系也相

對(duì)更復(fù)雜，其分解原則是兩者的相對(duì)統(tǒng)一。

②確定連接界面

分解后的各個(gè)部分最終要再組成一個(gè)完整的整體，即零部

件。因此，必須規(guī)定各部分相互之間的連接關(guān)系，稱為連接界面。

連接界面應(yīng)盡可能選在零件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的部位，以便于組合；

并且還應(yīng)該統(tǒng)一，以便于擴(kuò)充。連接界面一般包括：有連接關(guān)系

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-23-

的兩個(gè)變結(jié)構(gòu)部分的圖形連接點(diǎn)；有連接關(guān)系的兩個(gè)圖形尺寸標(biāo)

注點(diǎn)；各部分的剖面線型應(yīng)統(tǒng)一等。有關(guān)的這些關(guān)聯(lián)部分應(yīng)取成

簡明統(tǒng)一的名字。

③結(jié)構(gòu)組合

根據(jù)工作需要和設(shè)計(jì)要求，選取合適的變結(jié)構(gòu)部分，組合成

所需的零件。設(shè)某一零件分解為N個(gè)部分，其中某部分1(1=1,2...,

N)有分為Ki種結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過結(jié)構(gòu)組合最多可組合成M種不同

結(jié)構(gòu)形式的零件：

M=K1?K2.......?Kn.=riKi(i=l,2…，m)

(3)變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下幾個(gè)方面：

①模擬設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)和思維方式，即設(shè)計(jì)前先構(gòu)思零件

的主要結(jié)構(gòu)，然后在進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)工作，從而方便了設(shè)計(jì)。

②突破傳統(tǒng)的變參設(shè)計(jì)只改變零件尺寸，而不能調(diào)整零件

結(jié)構(gòu)的缺陷，使零件設(shè)計(jì)變得更為容易，設(shè)計(jì)應(yīng)用更為廣泛。

③部分解決了傳統(tǒng)變參設(shè)計(jì)建庫麻煩的問題，使零件圖形

庫的建立工作更為靈活。

3.4液壓缸結(jié)構(gòu)分解

3.4.1液壓缸的基本結(jié)構(gòu)

如圖3-5所示為一種用途廣泛的雙耳環(huán)雙作用單活塞桿液壓

缸的結(jié)構(gòu)。缸筒、缸頭和缸蓋構(gòu)成一個(gè)密封腔，用以封閉液壓油。

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-24-

1-1—WJF3-??4-#msS-ST%7—BSffI-9S?―文承環(huán)

JO—”一卡戰(zhàn)福X2TK買X3-MffI4-StT!5—17-an

n-tt^TxaaMM19、20、M—OfflaMH21f\KM-K.?Tx??Jt3Z3-fiia

25一|?兒界性卡口

圖3-5典型液壓缸的結(jié)構(gòu)

3.4.2結(jié)構(gòu)分解

液壓缸主要由缸體、活塞、活塞桿、導(dǎo)向套、端蓋、缸底等

組成，其結(jié)構(gòu)分解見圖3-6o各主要部件根據(jù)其作用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

又可再細(xì)分，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。

液壓缸

活塞缸底支承環(huán)

負(fù)

活

缸

缸

載

塞

蓋

缸底桿

連

連

連

連

接

接

接

筒接體

部

部

部

部

圖3-6液壓缸結(jié)構(gòu)分解圖

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-25-

3.4.2主要零部件作用

⑴缸體

缸體由缸筒、法蘭(上圖所示缸為法蘭聯(lián)接)、排氣閥座和

油口焊接而成，它是液壓缸的主體。缸體主要承受很大液體壓力，

因此要求它具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

⑵活塞

活塞是把液壓能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的主要零件，其兩端面的有效

面積大小決定了推力和拉力的大小。與缸體和活塞桿之間均有密

封圈密封，以保證不產(chǎn)生液壓缸的內(nèi)部泄露。

⑶活塞桿

活塞桿是把活塞產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞給負(fù)載的主要零件，一頭

與活塞連接，一頭與負(fù)載連接。為了輸出液壓缸產(chǎn)生的力，必須

保證其有足夠的強(qiáng)度和剛度。

(4)支承座

支承座是缸體端部與導(dǎo)向套之間的過渡零件，以保證導(dǎo)向套

與缸體內(nèi)孔的同軸度。

(5)導(dǎo)向套

導(dǎo)向套是為了保證活塞桿往復(fù)滑移運(yùn)動(dòng)的直線度而設(shè)置的。

(6)缸蓋

缸蓋是液壓缸的“封口”，與缸體的聯(lián)接方式有焊接、螺紋

聯(lián)接、螺栓緊固等多種式。

⑺缸底

缸底是液壓缸底部的“封口”，與缸體的聯(lián)接方式有焊接、

螺紋等多種形式。為了簡化結(jié)構(gòu)，可以在其上直接設(shè)置油口、排

氣閥孔和緩沖腔。

(8)油口、卡鍵、卡鍵帽、彈簧卡圈、油杯、襯套、密封圈等

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-26-

零件的作用也是比較重要的，選用時(shí)根據(jù)液壓缸的具體工作狀況

和條件而定。

液壓缸的基本結(jié)構(gòu)大體差不多，經(jīng)過結(jié)構(gòu)分解，液壓缸可以

分成好多零部件，其零部件又可以再分解，然后再根據(jù)所分解的

部分組合成適合不同需要的液壓缸。在設(shè)計(jì)之時(shí)，要根據(jù)具體的

要求和情況確定結(jié)構(gòu)形式、進(jìn)行部件設(shè)計(jì)、選用標(biāo)準(zhǔn)件。

3.5液壓缸主要幾何尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算

本軟件設(shè)計(jì)主要以雙作用單活塞桿液壓缸為研究對(duì)象，所以

本節(jié)計(jì)算主要針對(duì)單活塞桿雙作用液壓缸進(jìn)行，為了適應(yīng)生產(chǎn)設(shè)

計(jì)需要，軟件的開放性賦予了使用中擴(kuò)展其他類型液壓缸的計(jì)算

設(shè)計(jì)的功能。

3.5.1液壓缸內(nèi)徑Ogrl的計(jì)算：

工程液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算通常有兩種方法，這兩種方法在軟件

的使用之時(shí)通過菜單加以選擇。

(1)根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計(jì)算液壓缸內(nèi)

徑Dgtl

單桿活塞式液壓缸，已知液壓缸推力E和系統(tǒng)工作壓力P

可得出：Dgtl=3.57x0亞彳

(2)根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度要求和選定的液壓泵流量來計(jì)算

Dgtl=8749

Q------進(jìn)入液壓缸的流量

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-27-

V------液壓缸的輸出速度名

不管采用哪一種方式，計(jì)算出的液壓缸內(nèi)徑均應(yīng)按缸筒的內(nèi)

徑尺寸系列圓整成標(biāo)準(zhǔn)值。

3.5.2活塞桿直徑Dhs的計(jì)算

活塞桿徑Dhs的計(jì)算也有兩種方法，在軟件的使用之時(shí)通過

菜單加以選擇。

(1)根據(jù)速度比。計(jì)算活塞桿直徑Dhs,液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度

比一般有2、1.46、1.33、1.25、比5等幾種

式中：Dhs——--活塞桿直徑mm

Dgt\-----缸體內(nèi)徑mm

(P-------速度比

K,--------活塞桿伸出速度%

V2——活塞桿縮回速度么

(2)根據(jù)缸體內(nèi)徑。即1和速比夕來確定活塞桿徑

輸入缸體內(nèi)徑Dg〃和速比。Dg〃和速比。，在桿徑數(shù)據(jù)庫

中搜尋合適的桿徑參數(shù)作為活塞桿的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.5.3液壓缸行程S的確定

液壓缸行程S主要依據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求而定，但為了簡化工藝

和降低成本，應(yīng)盡量采用國標(biāo)所給的標(biāo)準(zhǔn)值。因此行程確定時(shí)，先

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-28-

由用戶提出要求，然后圓整成標(biāo)準(zhǔn)系列值?；钊麠U行程確定流程

圖見圖3-7：

--------------------Y開始〉

用戶輸入所需行程

圓*整—

調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)行程

詵握合適的行程參數(shù)

保存結(jié)果，返回主菜單

圖3-7行程確定的流程圖

3.5.4液壓缸外徑確定：

確定液壓缸外徑也有兩種方法選擇：

(1)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑

在軟件系統(tǒng)中把液壓缸外徑標(biāo)準(zhǔn)系列作成數(shù)據(jù)列表，根據(jù)實(shí)

際工作需要,根據(jù)缸筒內(nèi)徑查表得出標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑。

(2)根據(jù)壁厚計(jì)算液壓缸外徑，生產(chǎn)實(shí)際中，缸筒一般選用無縫鋼

管，計(jì)算出其理論外徑,然后圓整成標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑:

無縫鋼管推薦公式：

20如

式中：Sa——--理論壁厚mm

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-29-

PK----試驗(yàn)壓力Mpa,PK=L5*P

固----許用應(yīng)力MPa

確定液壓缸外徑計(jì)算程序流程圖如下：

圖3-8外徑計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

3.6缸筒、活塞桿的變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.6.1缸簡結(jié)枸設(shè)計(jì)

缸筒是液壓缸的主體零件，它與缸蓋、缸底、油口等零件構(gòu)

成密封的容腔，用來容納壓力油，同時(shí)它還是活塞的運(yùn)動(dòng)“軌道”。

設(shè)計(jì)液壓缸缸筒時(shí)，應(yīng)該正確確定各個(gè)部分尺寸，保證液壓缸有

足夠的輸出力、運(yùn)動(dòng)速度和有效行程，同時(shí)具有一定的強(qiáng)度。

(1)缸體結(jié)構(gòu)分解：

根據(jù)變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行缸體結(jié)構(gòu)分解，結(jié)構(gòu)分解圖如下：

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-30-

圖3-11缸體結(jié)構(gòu)分解圖

對(duì)于缸頭、缸底常用的幾種聯(lián)接方式特點(diǎn)介紹如下：

焊接聯(lián)接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，應(yīng)用廣泛。缸體焊后

可能變形，且內(nèi)徑不易加工。

螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：徑向尺寸小，重量較輕，使用廣泛，缸體

外徑需加工，且應(yīng)與內(nèi)徑同軸；裝卸需專用工具；安裝時(shí)應(yīng)防止密

封圈扭曲。

法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，易加工，易裝卸，使用廣泛，

徑向尺寸較大，重量比螺紋聯(lián)接的大。

拉桿聯(lián)接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)通用性好，缸體加工容易，裝卸方便,

應(yīng)用較廣，它一般外形尺寸大，重量大。用于載荷較大的雙作用缸。

對(duì)于固定機(jī)械，尺寸與重量沒有特殊要求，建議采用法蘭聯(lián)接

或拉桿聯(lián)接；對(duì)于活動(dòng)機(jī)械，推薦采用外螺紋聯(lián)接或外半環(huán)聯(lián)接。

(2)結(jié)構(gòu)組合：

根據(jù)工作需要可選擇不同的缸底聯(lián)接方式、缸蓋聯(lián)接方式和

不同的油口接口方式，組成不同的缸體結(jié)構(gòu)。從理論上講可以組

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-31-

成7X7=49種不同缸體結(jié)構(gòu)（暫不考慮油口與缸筒的接口型式與

位置），如此繁多的結(jié)構(gòu)型式，要進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)建立各種型式

的模型圖、編寫各種型式的繪圖程序，其工作量是浩大的。而采

用變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則可以避免這種問題。

我們現(xiàn)在組合一個(gè)缸體，缸蓋聯(lián)接選擇內(nèi)螺紋式聯(lián)接，缸底

選擇焊接式的缸筒結(jié)構(gòu)，其油口的選擇和布置在參數(shù)化繪圖過程

中與程序交互設(shè)置，各部分結(jié)構(gòu)示意圖如下：

①焊接聯(lián)接部圖：

圖3-13缸體焊接聯(lián)接部圖

②螺紋聯(lián)接部圖：

圖3-14缸體螺紋聯(lián)接部圖

③缸體圖:

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-32-

圖3-15組合形成的缸體圖

3.6.2活塞桿變結(jié)枸設(shè)計(jì)：

活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件，一頭與活塞連接，一頭

與負(fù)載連接?；钊麠U的外端頭部與負(fù)載的聯(lián)接部，為避免活塞桿

在工作中產(chǎn)生偏心負(fù)載力，適應(yīng)液壓缸安裝要求，提高作用效率,

應(yīng)根據(jù)負(fù)載具體情況選擇合適的聯(lián)接形式?；钊c活塞桿的聯(lián)接

形式，應(yīng)根據(jù)活塞及活塞與活塞桿間的密封情況來確定。

(1)活塞桿的結(jié)構(gòu)分解：

圖3-16活塞桿結(jié)構(gòu)組合示意圖

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(2)結(jié)構(gòu)組合：

根據(jù)負(fù)載具體情況選擇合適的負(fù)載連接形式，根據(jù)工作需要

選擇合適活塞形式和活塞連接部形式，從理論上可以組成好多種

活塞桿結(jié)構(gòu)，如果把活塞桿作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)，活塞桿局部的變

化，參數(shù)化程序都要重新編寫，造成編程量大、靈活性差。

采用變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立活塞桿的負(fù)載聯(lián)接部、活塞聯(lián)接部和

桿體的參數(shù)化圖庫，在設(shè)計(jì)之時(shí)，根據(jù)不同需要，調(diào)用不同聯(lián)接

型式，來組合成所需的活塞桿，就可以大大減輕設(shè)計(jì)的工作量。

現(xiàn)在我們設(shè)計(jì)一個(gè)活塞桿，負(fù)載聯(lián)接部選為雙耳環(huán)聯(lián)接，活

塞聯(lián)接部選山形密封焊接聯(lián)接方式。

①負(fù)載聯(lián)接部模型圖：

圖3-17活塞桿負(fù)載聯(lián)接部圖

②活塞聯(lián)接部模型圖：

圖3-18活塞并活塞聯(lián)接部圖

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

③桿體模型圖

圖3-19活塞桿桿體圖

然后把所分解的部分組合成一個(gè)完整的活塞桿圖如下:

圖3-20活塞桿圖

3.6.3液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)庫

液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)液壓缸設(shè)計(jì)中占有很大的比重。結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)庫中存儲(chǔ)的是很多種常用結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及形式。它包含

缸體結(jié)構(gòu)知識(shí)子庫、活塞桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)子庫、活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知

識(shí)子庫，缸蓋結(jié)構(gòu)知識(shí)子庫、活塞連接形式子庫?，F(xiàn)以缸底結(jié)構(gòu)

知識(shí)子庫為例闡述知識(shí)的表達(dá)方法。

缸底與缸筒的連接形式有多種，常用的有七種結(jié)構(gòu)形式，每

種形式賦予一個(gè)代碼用A、B、C、D、E、F、G分別表示。設(shè)計(jì)

人員在實(shí)際設(shè)計(jì)中往往要考慮多種因素，從中選出合適的結(jié)構(gòu)。

3液壓缸概述及其變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-35-

這些因素一般包括如下內(nèi)容：①缸筒、缸蓋的材料：②結(jié)構(gòu)工藝

性（好：HH,差：CC）；③結(jié)構(gòu)簡單或復(fù)雜（簡單：JD,復(fù)雜：FZ）；

④承載能力（大：DD,?。篨X）；⑤徑向尺寸（大：DD,?。篨X）；

⑥對(duì)缸筒強(qiáng)度有無影響（有：YY,無：WW）0知識(shí)庫中就是要表

達(dá)出每種結(jié)構(gòu)形式的上述特點(diǎn)，括號(hào)中為特點(diǎn)代碼。

4CAD開發(fā)方法的研究及變結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成