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机械产品设计中的电气CAD系统
陈宗舜 吴春燕
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当前机械产品设计CAD技术的发展趋势
集成化
计算机集成制造系统是在新的生产组织原理指导下，所形成的一种新型生产模式，它要求从产品整体角度将CAD/CAPP/CAE/CAM集成起来，建立新的设计、制造、分析及技术管理一体化，而不是将这些独立系统进行简单的连接，CAD模型将最大限度地被后续的分析、加工、工艺和彷真所利用。目前，基于产品数据管理PDM的CAD/CAPP/CAE/CAM一体化集成，已成为协同开发环境和实施计算机集成制造、并行工程、敏捷制造等先进制造技术的关键基础之一。
网络化
企业生产过程是一个包括产品规划、产品设计、工艺准备、零部件生产、标准件/外购件采购、产品组装检验、产品销售及服务等的信息协作过程，并行工程等先进制造技术的发展，要求现代CAD系统实现从单机到网络化的转变。当前，随着互联网的发展，建立动态联盟制造体系已成为全球化制造系统的发展趋势，发展网络化的CAD技术，将支持动态联盟中协同设计所需的环境和设计技术。
标准化
随着CAD系统的集成化和网络化，制定各种CAD产品设计和数据的标准化及完备的图库、数据库结构，充分发挥CAD系统的作用是势在必行。
我国这方面存在的问题及解决途径
停留在零部件绘图的“甩图板”阶段
这种以计算机代替图板及绘图仪器的二维辅助绘图，还不能实现真正的辅助产品设计，它对产品的创新设计、提高产品的整机设计质量、缩短产品的设计制造周期等，都无法起到根本性的作用。
缺乏完善、实用和开放的集成应用环境
由于商品化的CAD支撑软件系统，通常只是提供CAD/CAM等技术的基本应用平台，如：几何造型系统、工程图处理系统、物性计算系统、图形输入输出系统，较高档的还提供有限元分析系统、数控加工系统等，并没有提供一个产品设计全过程所需各种信息的辅助设计系统，如各种专业产品设计所需方法、数据、计算公式、产品标准、技术要求、外购件与原材料优选手册，以及本企业产品的典型结构、经验数据、工装情况等。因此，要把商品化的CAD硬、软件的支撑环境变成设计人员得心应手的工具，需要进行二次开发，以建成能较全面支持设计人员应用的软件开发环境。
解决问题的途径
开发适合设计人员操作的和开放的CAD应用软件开发环境，应有良好的CAD应用框架结构、基于特徵的参数化或变量化产品建模、完备的图库、数据库结构，营造开放环境，使设计人员可以根据需要补充开发，建立起该企业的应用软件系统。
机械产品设计中电气设计的系统分析
市场经济的发展，传统的手工设计方式已难于适应市场竞争的需求，采用CAD技术是必然趋势。从20世纪80年代以来，各种CAD支撑软件开发应用已日渐成熟，但是应用CAD支撑软件进行设计，它仅仅提供了设计绘图的工具，而缺乏设计过程中所需设计规范、设计数据、资料、标准等。由于机械设计应用CAD比较早，故此已出现了在应用CAD支撑软件的基础上通过二次开发形成的机械设计应用软件，如德国西门子公司开发SIGRAPH-DESIGN智能型机械CAD系统，包含了机械设计从概念到结构设计的全过程，为机械产品设计系统化、通用化、标准化以及CAD/CAM一体化提供了统一解决方案。因为机械产品离不开电气部分，所以电气设计也必须有通过二次开发形成的电气设计应用软件。
电气设计的特点
机械产品的电气化已有悠久的历史，从常规电气设计发展到应用现代电子技术、与计算机技术互相结合，目前向机电一体化发展，电气设计的工作量与复杂程度也在不断增加。
另外，由于电气元器件在国际、国内标准化程度较高，电气设计方式因而以元器件组合达到系统的功能、性能为主。
电气设计存在的问题
重复劳动量大。因为电气设计方式以组合元器件为主，而电气元器件标准化程度较高，所以设计工作中重复劳动量大；
设计周期增长。由于机械产品电气复杂程度不断增加，电气设计的工作量也随之增加，设计周期必然增长；
设计自由度大，设计不规范。电气设计中电气元器件标准化程度较高，但电气元器件品种规格非常多，而且更新换代非常快，如何组合元器件以达到系统功能、性能要求没有规范或规范不全，设计自由度将非常大，同时影响产品功能、性能、结构的标准化，以及电气元器件采购、产品成本与交货期。
基于传统机械产品设计中电气设计方式、方法无法适应现代市场经济快变、多变的需求，为此必须改变传统机械产品设计中电气设计方式、方法。
机械产品设计中电气CAD系统的设计
电气CAD系统的目标与范围
机械产品电气设计包括电路图、接线图、安装图、接线盒和电柜以及按钮站的设计，这五个部分之间不是孤立存在的，而是互相联系，这五个部分既能单独运行又能实现信息共享。为此电气CAD系统的目标与范围是：建立适应完成以上功能要求、保证设计质量又能提高效率、缩短设计周期、减少人工劳动的电气CAD系统，包括电路图、接线图、安装图、接线盒和电柜、按钮站的设计。
电气CAD系统拟采用的设计方式
首先，根据机械产品设计中电气设计的特点及存在的问题，必须采用检索式设计方式，以解决电气设计中设计自由度大、设计不规范问题，使电气元器件选用实现标准化，电气设计功能、性能达到规范化，满足降低产品成本的要求，并能解决电气设计中大量的重复劳动，缩短设计周期以达到缩短交货期的目的，把设计人员从大量的重复劳动中解放出来，去从事创造性的劳动。
在传统机械产品电气设计中已积累了大量的资料，可以整理、归纳由元器件组合为一定功能的常用的组件或小部件，这为电气CAD系统建立通用组件或小部件图形库、数据库奠定基础，也为进一步发展模块化设计创造了条件。
再者，通过对机械产品电气设计中部分零部件的分析，发现不单其形状较规范和相似，而且尺寸也比较规范，有很多品种和规格，根据这些条件完全可以采用参数化设计方法。
为了提高电气设计的水平，在检索式设计的基础上，总结电气设计的经验，使之形成设计规则，并利用检索式设计已建立的各种数据库、图形库，将系统提升为专家系统。
电气CAD系统的功能设计
实现信息共享并达到以上的目标，系统必须有以下功能：
—建立统一电气设计图面、图幅、元件标注、标题栏格式；
—建立共享数据库、图形库，包括按国家标准GB4728与行业、企业标准相结合的电气图形符号库；
—提供用户建立、扩充图形符号库的功能；
—提供对系统内图形符号库的快速、简便、灵活检索功能，包括查询、调用、插入、删除等。
—分别提供标注图形符号与标注文字的功能，标注图形符号时能自动识别不同元件图形符号，并提取相应的标注内容，为生成接线图作好准备；
—能自动确定在图纸上触点和线圈的相对应坐标位置，减少人工查找劳动，提高工作效率，避免人工查找容易发生的错误；
—能调用机械CAD完成的图形，完成电气安装图的设计；
—系统能读取电路图中信息，半自动生成接线图；
—系统能读取标准件、外购件库，对安装图进行标注并生成标准件、外购件明细表或标准件、外购件清单。
—接线盒的设计应用参数化设计方法，接线盒形状比较规范、尺寸规格参数可以系列化，采用参数化设计方法效果最佳；
—电柜、按钮站的设计应用模块化设计方法，电柜、按钮站的功能与形状相似性很高，设计工作重复工作量大，应用模块化设计方法效果最佳。图1是电气CAD系统的功能设计。

（图片）

图1　电气CAD系统功能设计图

电气CAD系统的结构设计
按照电气CAD系统功能设计，电气CAD系统的总体结构设计如图2：

（图片）

图2　电气CAD系统结构

电气CAD系统数据库、图形库设计
图形库结构
图形库是该系统重要基础，建立图形库需要收集大量的资料，并进行分析、整理，根据图形特徵、用途来分类，对经常出现的图形组合，还可建立功能小部件图形库。为了用户使用方便，不但各图形库是开放的，而且专门设立了用户自建图形库，其结构如图3：

（图片）

图3　图形符号库结构

图形库内容
包括：开关符号、组合符号、功能小部件、电机、变压器、些特殊符号、常用文字、术语库等。
数据库的建立与检索
为了方便检索，数据库按外购件分类建立。
电气CAD系统设计采用的关键技术
第一，与先进的设计方法相结合。电气CAD系统设计充分采用先进的设计方法，为了发挥CAD技术的作用，对电气设计进行了系统分析后，得出电气设计中元器件的标准化程度很高，设计过程基本上是元器件功能与结构的组合，其中部分可形成模块化设计，如电柜、按钮站，有不少小的功能部件可以作为通用部、组件，还有一些零部件已形成系列化设计，可以采用参数化设计方法。为此系统设计中首先决定大量采用检索式CAD，将设计过程中可能用到的元器件建立数据库，对元器件的符号、代号、接线号建立图形库，对经常使用的符号组合、小功能部件、模块化部件建立图形库，并对其中系列化部分可建立参数化图库，这样把CAD技术与先进的设计方法有机的结合起来，形成一个现代化、数字化的电气设计平台。
第二，采用全自动批处理技术。一台机器尤其是功能完备的装备，一般其电气设计图纸少则几张多则几十张，而程序一般只能在一个图形过程中执行，但是电气设计几十张图都有相互联系，要想全部提取每张图纸的信息，如果依靠人工一张一张的打开，一张一张的执行提取程序，既繁琐又费时，工作效率低，为此采用批处理技术功能，通过编辑菜单在程序后面加上由该程序产生的SCR（SCR文件是AUTOCAD的命令文件，可通过AUTOCAD的SCRIPT命令调用）文件名，再点菜单，程序即能自动执行。由于SCR文件相当于批处理文件，整个过程不需人工参与，这是处理大批量图纸的有效方法。
第三，采用参数化技术。一般机器上接线盒外形已形成系列化，但各面安装的管接头有多种规格，对应的开孔尺寸也不一，而且不同接线盒的内置导轨不同，相应的接线端子也不一样，在一般交互式设计时，往往要反覆多次查阅手册进行计算、判断，为了使这一设计过程自动化，在程序设计时把所有参数以结构数组或以子程序方式嵌入程序中，这样设计时只需从对话框中选择接线盒尺寸，输入各面安装的管接头型号及规格，再选择安装图或开孔图，系统就可自动完成全部设计任务。在设计过程中对一些关键尺寸具有智能判断能力，及时提出判断防止不良设计。
第四，采用数据库技术。数据、图形是CAD应用系统的重要组成部分，在实施PDM前，把数据与图形从CAD程序中独立出来，建立单独的数据库，进行独立管理。目前大多数的CAD软件都提供了与数据库的接口ODBC，这样不同的程序都可与数据库交换信息，实现数据共享。数据与程序的分离，减少了各程序模块的依赖性，方便了程序的修改与扩充，而且提高了管理效率，为应用先进的设计方法（系列化、通用化、模块化等）和标准化技术提供了条件。

（图片）

图4 电路图设计实例

最后是原理图与接线图标注数据共享。图4是电路图设计实例。 4/26/2005

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