机床电气CAD系统研究与开发

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1　前言
　　随着市场的发展，传统手工设计方式已难以适应市场竞争的需要，采用CAD设计已势在必行。而目前用于机械CAD的软件已趋于完善，但适合机床的电气CAD软件却很少。机床电气设计包括电路图、接线图、安装图、接线盒和电柜(包含按钮站)，这五部分之间不是孤立存在的，而是相互联系的。如接线图上的元件和电路图上的元件是相互对应的，要求电气CAD系统各模块间既能实现信息共享，又能单独执行，前后呼应，保持整个系统的完整性。因此，开发一套专业化的机床电气CAD系统，以提高设计质量和效率，缩短设计周期，减轻人工劳动，是适应市场发展的迫切需要。
2　系统的设计思想
" f) G# A' Q9 T% p　　机床电路图设计是整个系统的核心，在开发时主要考虑了以下问题：(1)按国家标准GB4728并结合企业标准，优化整理出常用图形符号并建立图形符号库；(2)对元件标注、电路图图幅格式、纵横坐标分区制订统一格式；(3)电路图输入时，对符号的查找、调用、插入、删除应快速、简单、方便、灵活；(4)考虑用户设计过程中自己扩充常用符号功能模块，以减少重复性劳动，系统需具有扩充模块管理工具；(5)为提高作图效率，图形符号和文字标注分开进行，不同的元件其标注内容是不同的，系统应能自动识别，标注的内容应能提取，为生成接线图作准备，标注采用顺序编号法，同时提供界面友好的对话框，方便交互进行；(6)触点和线圈相对坐标位置的确定，手工设计时需逐张查找图纸，效率低，容易漏掉且易出错，系统开发时应充分利用计算机的先进性，由系统自动完成这一功能。
　　接线图和电路图有密切的联系，除机床外形和元件安装位置外，其他信息都可从电路图内提取，而机床外形和元件安装位置可直接调用机械设计员已经画好的图形，也就是说，系统应能从电路图半自动生成接线图。
# f8 F. y5 r% Q" T9 r  d　　安装图的开发，主要考虑解决标准件和外购件的查询及目录生成。
# Y# Z$ q2 {) E* z　　接线盒在机床电气设计中的工作量比较大，但由于其形状比较规范，尺寸规格参数系列化，因此采用参数化设计比较合适。
' w7 a; @$ l6 o3 A# ]! a　　电柜设计包括安装图和接线图，为方便将按钮站设计归入电柜，其共同特点是重复工作量大，系统采用模块化设计。
　　除上述外，系统应具有辅助作图工具，如图层设置、图幅设置、标题栏填充、自动出图等。考虑用户使用方便，全部界面应实现汉化且友好，同时提供有机床电气CAD系统使用手册。
" _$ |2 F  `2 S8 k9 W5 Q: c( Y( a3　系统的总体结构和功能特点
　　基于上述设计思想，开发出的机床电气CAD系统的总体菜单结构见图1。该系统包括六大功能模块，每一模块又包含若干子菜单。各模块选项的功能如下：
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/ l" w/ p9 j! W% s图1　系统组成菜单
, B, g1 ^% p1 r　　电路图设计模块：采用每次输入一段回路再插入元件的方法，线段自动断开，元件方向及位置随电路走向自动调整。文字标注采用顺序编号法，由符号标注程序来完成。线圈及触点对应坐标位置的标注是在电路图全部绘完后，由程序自动提取并进行标注。同时亦可从电路图提取元件功能位置清单。用户可以通过自建符号库功能，建立和管理自己在设计过程中常用的符号功能块。对常用的典型结构开发了功能小部件，可直接进行调用。另外，用此模块建立了包含继电器控制和PLC控制的典型电路图图库，共125张。用户通过输入简单的几个参数，即可调出所需要的电路图。
　　接线图设计模块：通过符号代号和接线号全自动提取程序，由程序代替人工自动搜索每张电路图内的符号代号和接线号，再经过程序对提取出的信息进行处理，如接线号自动合并排序等，即产生接线图。
　　安装图设计模块：系统通过此模块可以对标准件和外购件进行查询、标注和目录生成。
　　接线盒设计模块：从对话框列表栏内选择接线盒尺寸，并输入各面安装管接头型号及规格，则接线盒安装图及开孔图即可参数化生成。
: ]: Q6 Z8 E- W6 |+ k8 G　　电柜设计模块：直接从图形菜单内调用所需要的模块，很容易生成电柜接线图、安装图和按钮站安装图。
　　辅助工具模块：主要辅助上述各模块，使作图效率更快、更方便，如全自动批处理出图功能，比手工出图效率提高至少10倍以上。
, ^% e, f  _* ]6 E$ D/ _4　程序设计及关键技术
3 |2 |2 A  W( i$ K1 i+ x' n2 W1 \4.1　程序设计
　　系统的程序设计主要采用了ADS(Autocad Development System)、Autolisp、dbaseⅢ等，其支撑平台选用Autocad R12。
4.2　关键技术
, C% M$ x! P* S# M0 [/ Z9 H4.2.1　全自动批处理技术
　　该系统多次提到“全自动批处理”这个术语，如全自动批处理实现触点线圈坐标位置标注，全自动批处理出图等等。那么它到底是什么含义呢?实际上因为机床电路图一般少则几张多则几十张不等，而程序一般只能在一个图形过程中执行，要想全部提取出每张图形所包含的信息，靠人工逐张打开图形再执行程序，用户劳动强度大自不必说，而如果机器运行速度又慢，其效率之低是可想而知的。为此，首先编写处理多图文件的程序，通过程序装入如图2所示的对话框，由用户交互选择输入要处理的图形文件，并将其读入一临时文件内，然后程序打开该临时文件，把对每一图形文件要进行的具体操作按SCR(SCR文件是AutoCAD的命令文件，可通过AutoCAD的Script命令进行调用)文件格式写进一事先定好的扩展名为.SCR的文件内。对文件进行的操作，调用子程序来完成。全部文件处理完毕，关闭该SCR文件。然后通过编辑下拉式菜单在程序后面加上由该程序产生的SCR文件，当点中菜单后，程序即自动执行。例如：［全自动批处理出图……］^C^CAUTOPLOT;－script;aplot.scr;通过上述处理，整个过程只需2～3分钟即可完成。利用上述技术，成功地完成了触点线圈坐标位置全自动标注、线号全自动提取、多图文件全自动批处理打印等手工难以做到的事情。
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( O1 G9 V+ Y4 e图2　全自动批处理用户输入界面
4.2.2　自动参数化技术
5 [( e: t0 {% w　　参数化设计，一般多指形状相似、尺寸各异的零件图。而这里所说的参数化既包含尺寸各异又包含形状各异，既是安装图又包括零件图，既是局部参数化又是整体参数化。接线盒本身有多种规格，其各面安装的管接头同样有多种规格，对应的开孔尺寸也不一样。随着接线盒规格的不同，其内置导轨也不同，相应的接线端子也不一样。可以看出，接线盒设计看似简单，但包含的内容却相当复杂。手工设计时要反复查阅手册，对相邻两管接头之间的距离要通过计算来进行判断，有时要反复好多次。为此，在进行智能CAD设计时，将上述所有参数或以结构数组或以子程序的方式输入进程序。用户只用从对话框选择接线盒尺寸，输入各面管接头型号及规格，再选择安装图或开孔图，系统就可自动完成全部设计任务。设计任务以“黑匣子”的形式进行。同时系统具有智能判断功能，如某面管接头太多，系统会及时提醒你：“此面管接头太多，超出最小间距。”图3是接线盒参数化用户输入界面。
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图3　接线盒参数化用户输入界面
& h! Z" R. n9 K- W  @4.2.3　数据交换技术
4 `, K/ ^4 I# ]0 v- L( y　　在现代CAD系统中，随着数据种类与数据总量的急剧增加，数据有从CAD系统中独立出来的趋势，即把CAD过程中的数据组成单独的数据库，独立进行管理。AutoCAD提供了与数据库(如DBASEⅢ、ORACLE等)的接口，即ASE(AutoCAD SQL Extension)。这样，不同的应用程序都可借助数据库实现数据交换，这就是所谓的数据库方法。该方法将程序与数据相对独立，减小了各程序模块间的相互依赖，修改或增减模块均不会影响其它的模块，且提高了管理效率。该系统在开发过程中，除涉及到设计手册和各种标准中五花八门的数据表和图表外，还涉及到标准件库和外购件库，且数量多，格式杂。通过利用上述技术，将它们或表示成显示插图的数据表格，或用DBASEⅢ单独建库。
. a8 P" B) \. j2 ~2 M' T9 P+ Q5　结论
/ c# K5 ^3 W! _4 Q. Z　　该系统历经多次修改和完善，到目前为止，已成功地应用于数十种上百台产品的电气设计中，CAD出图率达100%。实践表明，它是一套实用性强、功能完善的系统。对提高产品设计质量，缩短产品设计周期，降低成本，赢得市场起着重要的作用。
' T2 E7 u, H& ?文章关键词： 机床