基于VC++的專(zhuān)業(yè)機(jī)械CAD系統(tǒng)研究

田仙云

(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，太原 030027)

0 引言

開(kāi)發(fā)具有行業(yè)特色的產(chǎn)品設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)，是國(guó)外產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用的一個(gè)概念。國(guó)內(nèi)的機(jī)械行業(yè)在部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已經(jīng)應(yīng)用了此技術(shù)，但具體到起重機(jī)行業(yè)卻沒(méi)有專(zhuān)用的參數(shù)化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。盡管?chē)?guó)內(nèi)許多高校與科研機(jī)構(gòu)已對(duì)此立項(xiàng)研究，但由于方法的局限性，研究結(jié)果尚不盡如人意。鑒于此，本文采用現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和參數(shù)化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算模型及方法進(jìn)行技術(shù)提升，用優(yōu)化程序代替設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的命令文件式參數(shù)化繪圖，形成具有橋式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)橋機(jī)）特色的專(zhuān)用CAD系統(tǒng)。本文所述橋機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，能夠完成從設(shè)計(jì)、計(jì)算直到參數(shù)化繪圖的全部過(guò)程，使工程設(shè)計(jì)人員把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新上。其基本理論和方法，對(duì)于各種機(jī)械產(chǎn)品CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)都具有理論指導(dǎo)與工程應(yīng)用價(jià)值。

1 開(kāi)發(fā)工具

VC++6.0是由微軟公司推出的一款Windows環(huán)境下可視化的面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)平臺(tái)。與Turbo C、Borland C++相比，VC++繼承了C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化編程能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠在Windows 2000/NT上建立32位應(yīng)用程序。VC++具有較好的可視化程度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊田L(fēng)格和完全的面向?qū)ο筇匦?。隨著WINDOWS操作系統(tǒng)在微機(jī)上的普遍應(yīng)用，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)也逐漸轉(zhuǎn)向WINDOWS平臺(tái)的面向?qū)ο蠛涂梢暬幊蘙1]。由于VC++源于C又高于C，可以向Java、C#等網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)過(guò)渡，因此是當(dāng)前最佳的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。以往開(kāi)發(fā)人員雖然看好VC++，但因其較難掌握，故而避選該語(yǔ)言作為編譯環(huán)境。筆者認(rèn)為VC++雖然略難掌握，但對(duì)于開(kāi)發(fā)大型軟件系統(tǒng)是非常有益的。而且采用應(yīng)用程序向?qū)ВˋppWizard）工具和MFC（微軟基本類(lèi)庫(kù)）后，VC++程序并不難編寫(xiě)。因此，本文軟件全部選用VC++作為開(kāi)發(fā)工具。

2 優(yōu)化技術(shù)

2.1 優(yōu)化目標(biāo)的確定

箱形橋架作為橋機(jī)的主要承載構(gòu)件，其自重占整機(jī)重量的60%左右[2]。但以往對(duì)橋機(jī)的優(yōu)化中，多數(shù)設(shè)計(jì)方法卻只單純對(duì)主梁進(jìn)行優(yōu)化，這雖能降低計(jì)算成本，卻因考慮因素不全而降低了優(yōu)化效果和整機(jī)性能。因此，本文在確保整機(jī)性能的基礎(chǔ)上，將最大程度地減輕橋架重量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的主要目標(biāo)。

2.2 分析和選取優(yōu)化方法

起重機(jī)優(yōu)化中存在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、幾何尺寸等大量約束，致使優(yōu)化變量的可行域非常復(fù)雜，而最優(yōu)點(diǎn)往往在可行域的邊界上，所以傳統(tǒng)的優(yōu)化方法存在著不容易找到全局最優(yōu)解的缺點(diǎn)。

針對(duì)目前研究較熱的全局優(yōu)化方法，依據(jù)“綜合就是創(chuàng)新”的思想，眾多學(xué)者相繼提出了將不同類(lèi)算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以構(gòu)造新的混合型算法的思路。雖然已有許多成形的求解軟件，但幾乎都是針對(duì)特定問(wèn)題求解的，有一定的專(zhuān)用性和局限性，尚不存在適合解決任何全局最優(yōu)解問(wèn)題的通用算法與軟件。為此，本文在充分分析目前流行的全局和局部最優(yōu)化算法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了混合離散變量?jī)?yōu)化（MDOD）方法和正交網(wǎng)格法，針對(duì)正交網(wǎng)格法雖能得到全局穩(wěn)定解但其效率低下，MDOD 方法雖然效率高，但受初始點(diǎn)影響解的穩(wěn)定性差，甚至找不到最優(yōu)解的特點(diǎn)，通過(guò)綜合策略設(shè)計(jì)出一種新的串行結(jié)構(gòu)的混合全局優(yōu)化方法，即以MDOD和正交網(wǎng)格法為基本框架，盡可能利用MDOD方法優(yōu)化速度快的優(yōu)點(diǎn)提高算法的性能，同時(shí)利用正交網(wǎng)格法解決MDOD法中存在的不穩(wěn)定性協(xié)同尋優(yōu)。由于該算法具有“強(qiáng)優(yōu)弱劣”的綜合機(jī)制，因而可以獲得較好的尋優(yōu)效率和效果。

2.3 優(yōu)化算法

本文的優(yōu)化算法程序基于Windows操作系統(tǒng)，以VC++為開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制，數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)采用Access實(shí)現(xiàn)。綜合策略是：首先利用正交表提供的信息在優(yōu)化變量上下限空間內(nèi)的可行域中尋找一個(gè)局部最優(yōu)點(diǎn)，并以此最好水平點(diǎn)作為子空間輪變搜索的初始可行點(diǎn)；然后利用目標(biāo)函數(shù)和約束條件的信息，加快搜索進(jìn)程；最后通過(guò)“查點(diǎn)”策略以盡可能少的計(jì)算代價(jià)找到所有點(diǎn)中的最優(yōu)點(diǎn)。

3 參數(shù)化繪圖

3.1 參數(shù)化繪圖技術(shù)

參數(shù)化繪圖是在給定結(jié)構(gòu)形式的條件下，依據(jù)參數(shù)自動(dòng)生成圖紙的一種技術(shù)。由于能夠自動(dòng)出圖，因而可極大地提高設(shè)計(jì)效率，是開(kāi)發(fā)起重機(jī)等專(zhuān)業(yè)機(jī)械CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

參數(shù)化繪圖系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，在可視化VC++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用命令文件方式對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，即用支持AutoCAD的編程語(yǔ)言訪問(wèn)AutoCAD對(duì)象模型，把AutoCAD功能集成到應(yīng)用程序中，實(shí)現(xiàn)圖形的自動(dòng)生成[3]。不同型號(hào)的同類(lèi)產(chǎn)品只需通過(guò)參數(shù)的改變即可引起所有與它相關(guān)尺寸的自動(dòng)改變，從而使圖形局部或整體發(fā)生聯(lián)動(dòng)來(lái)更新原設(shè)計(jì)，避免了交互式繪圖繁瑣的重復(fù)勞動(dòng)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加高效、快捷。

3.2 參數(shù)化繪圖的工作過(guò)程

1）參數(shù)確定。本軟件的參數(shù)來(lái)源主要有：結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的文本數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)文件、優(yōu)化后的主要數(shù)據(jù)參數(shù)、經(jīng)過(guò)基本參數(shù)計(jì)算確定的參數(shù)[4]；

2）各類(lèi)參數(shù)傳遞到繪圖模塊后，執(zhí)行VC++6.0編制的橋機(jī)繪圖命令程序，生成繪圖命令文件*.SCR；

3）啟動(dòng)AutoCAD，執(zhí)行繪圖命令文件，在計(jì)算機(jī)屏幕上繪出所需要的圖形；

4）對(duì)圖形進(jìn)行校核和修改，修改可以在程序中進(jìn)行，重復(fù)以上步驟；

5）連接繪圖儀，繪出圖紙。

3.3 參數(shù)化繪圖的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 參數(shù)化繪圖程序的編制步驟

本文的參數(shù)化繪圖以Windows操作系統(tǒng)作支撐系統(tǒng)，AutoCAD為圖形支撐軟件，命令文件作接口，以可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言VC++6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。編寫(xiě)生成參數(shù)化繪圖程序的步驟如圖1所示。

圖1 參數(shù)化繪圖程序的編制步驟

3.3.2 編制參數(shù)化繪圖程序的主要技術(shù)

1）專(zhuān)用函數(shù)編制

參數(shù)化繪圖程序的編制中，將多次用到的專(zhuān)業(yè)通用符號(hào)和特殊圖形定義成函數(shù)，可避免重復(fù)工作，增強(qiáng)代碼的可讀性和提高編程效率。由于命令文件的內(nèi)容就是AutoCAD的命令及對(duì)其提示響應(yīng)的數(shù)據(jù)集合，因此在編寫(xiě)程序代碼前，應(yīng)先在鍵盤(pán)上用交互式繪圖的方式將整個(gè)過(guò)程操作一遍，確定其輸入的格式、選項(xiàng)及參數(shù)后，把其中的數(shù)據(jù)作為函數(shù)的參數(shù)即可。判斷是否需要編制專(zhuān)用函數(shù)，采取“事不過(guò)三”的原則，只要程序中有調(diào)用三次以上的程序段，就將其編成函數(shù)，使程序代碼大大縮減，達(dá)到省時(shí)省力、節(jié)省存儲(chǔ)空間之目的。下面是繪制表面粗糙度符號(hào)的專(zhuān)用函數(shù)，其樣式如圖2所示。其他特征圖形、標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)均可依此編制。

圖2 表面粗糙度符號(hào)

2）讀取數(shù)據(jù)文件

由于繪圖程序中的參數(shù)主要來(lái)源于各類(lèi)數(shù)據(jù)文件，因此數(shù)據(jù)文件的正確讀取成為參數(shù)化繪圖執(zhí)行成敗的關(guān)鍵。其核心程序如下：

3）圖幅、比例的確定

各圖形繪制比例與圖幅大小密切相關(guān)，為使不同跨度、噸位的橋機(jī)，都能全面、合理地呈現(xiàn)在圖紙幅面上，程序應(yīng)在確定圖幅大小后，自動(dòng)判斷不同情況下圖中相應(yīng)圖形的適用比例?，F(xiàn)以實(shí)現(xiàn)橋架參數(shù)化繪圖程序中比例的確定為例予以說(shuō)明[5]：

int a=0; /*a為幅面代號(hào)*/

double kd=841;bl=60;

/* kd為幅面寬度尺寸;bl為比例*/

if(H/50+B/50+480-kd〈0) bl=50;

/*H為主梁總高;B為端梁全長(zhǎng)*/

if(H/40+B/40+480-kd〈0) bl=40;

if(H/30+B/30+480-kd〈0) bl=30;

4）坐標(biāo)基點(diǎn)及繪圖坐標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置

計(jì)算坐標(biāo)時(shí)，圖紙上的各個(gè)視圖均應(yīng)選定一個(gè)坐標(biāo)基點(diǎn)，并將同一視圖中所有的位置坐標(biāo)值換算成基點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)，以便靈活地調(diào)整視圖，達(dá)到一張圖紙中所有視圖的位置合理分布。其中，繪圖坐標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置首先要便于繪圖，并達(dá)到預(yù)定的要求，其次是使程序占用的內(nèi)存越少越好。由于屏幕中心位置始終是不變的，以往開(kāi)發(fā)人員通常選擇屏幕中心位置或圖形對(duì)稱(chēng)的起點(diǎn)作為坐標(biāo)基點(diǎn)，但鑒于橋機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，本文繪圖模塊是以各視圖的結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)作為坐標(biāo)基點(diǎn)，其余位置的坐標(biāo)值計(jì)算則以有利于點(diǎn)的表達(dá)確定。

考慮到時(shí)間長(zhǎng)了修改程序時(shí)，可能記不清坐標(biāo)點(diǎn)的定義方法，所以可采用把詳細(xì)的坐標(biāo)布點(diǎn)圖放在程序內(nèi)部，或在程序中添加注釋語(yǔ)句等方法。本文采用后一種方法。因?yàn)樽⑨尶稍黾映绦虻目勺x性，不僅便于對(duì)程序的閱讀和調(diào)試，也便于對(duì)程序的維護(hù)、移植和擴(kuò)充[6]。

5）循環(huán)、條件語(yǔ)句及夸大畫(huà)法的應(yīng)用

參數(shù)化繪圖的特點(diǎn)是參數(shù)具有可變性，往往需要編制循環(huán)、條件語(yǔ)句。例如：為增加橋機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，常需設(shè)置隔板、加勁肋等，由于其數(shù)量取決于繪圖初始給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并非固定的數(shù)值，因此必須采用循環(huán)語(yǔ)句方能實(shí)現(xiàn)其圖形繪制及相應(yīng)尺寸、件號(hào)、焊縫等標(biāo)注。再如：橋機(jī)主梁因跨度變化幅度大，某些零件的視圖不是每次都能在圖紙上體現(xiàn)其形狀、尺寸，對(duì)此必須運(yùn)用條件語(yǔ)句一一加以判斷選擇，以符合工程實(shí)際需要。

工程制圖中規(guī)定，繪制厚度小于1mm的薄片時(shí)，可將該部分不按原比例而采用夸大畫(huà)法。照此規(guī)定，編制參數(shù)化繪圖程序時(shí)，將橋機(jī)結(jié)構(gòu)中的板厚采用夸大畫(huà)法。凡板厚≥8mm的認(rèn)為是厚板，反之即認(rèn)為是薄板。當(dāng)厚板的實(shí)際繪制尺寸小于1 mm 時(shí)，程序?qū)⑵淇浯螽?huà)為1mm；薄板則夸大畫(huà)為0.8mm。

4 實(shí)例檢驗(yàn)

表1 各種方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)比

為了驗(yàn)證文中所述理論及軟件效果，對(duì)起重量32t、跨度25.5m的橋機(jī)進(jìn)行實(shí)例測(cè)試，結(jié)果表明：

1）混合算法采用了全離散變量，保留了MDOD方法尋找全局最優(yōu)值的能力和高效性，又集合了正交網(wǎng)格法的穩(wěn)定性，可減輕鋼結(jié)構(gòu)重量16%，是一種多樣性和收斂性都較好的新算法。文中所述各種方法與起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的優(yōu)化對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

2）參數(shù)化繪圖系統(tǒng)不僅操作簡(jiǎn)便，而且繪圖結(jié)果更加準(zhǔn)確、快捷，可大大降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)格化，切實(shí)提高CAD 技術(shù)的應(yīng)用水平和檔次。

5 結(jié)論

通過(guò)命令文件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪圖的方式，再配以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)模塊是開(kāi)發(fā)起重機(jī)CAD系統(tǒng)的較好方案。該研究不僅使工程技術(shù)人員可以方便、快捷地設(shè)計(jì)并出圖，而且設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能以其鮮明的個(gè)性化設(shè)計(jì)快速反應(yīng)企業(yè)投標(biāo)的需求，以軟件系統(tǒng)載體為企業(yè)界提供現(xiàn)代化設(shè)計(jì)和繪圖手段。鑒于全局優(yōu)化的理論尚不很成熟，加上全局優(yōu)化問(wèn)題屬于NP難題這一本質(zhì)特征，因此，接下來(lái)還可以嘗試引入并行化方法或者其他方法，對(duì)該系統(tǒng)作進(jìn)一步深入研究，以使所開(kāi)發(fā)橋機(jī)的CAD系統(tǒng)能更好地推動(dòng)企業(yè)的科技進(jìn)步。

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