滾動軸承選型設(shè)計程序開發(fā)探析
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摘要：計算機程序輔助機械師設(shè)計，高效、準(zhǔn)確、全面、經(jīng)濟的完成設(shè)計。機械設(shè)計分為條件輸入、信息檢索及處理、輸出三個過程，旨在降低手冊對機械設(shè)計的約束、降低新產(chǎn)品設(shè)計周期進而提高企業(yè)競爭力。通過對滾動軸承選型實驗，其能高效且準(zhǔn)確的得到的軸承代號解集。本設(shè)計思想能夠解決軸承選型設(shè)計的一般問題，能給后續(xù)基礎(chǔ)工業(yè)軟件的開發(fā)者提供一些解決問題的方法和途徑。
關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；滾動軸承；模塊化程序設(shè)計；三大結(jié)構(gòu)
0引言
傳統(tǒng)機械設(shè)計過程過于繁瑣、于設(shè)計者設(shè)計門檻高、于企業(yè)市場競爭力低、于產(chǎn)品資源浪費較多等。過去強大全球制造業(yè)基礎(chǔ)給計算機的普及提供了可能，今天迅猛發(fā)展的電腦技術(shù)也再次給制造業(yè)注入新的血液。CAD、ANSYS、UG等軟件如雨后春筍般，計算機助力機械設(shè)計已成了大趨勢，對于基礎(chǔ)機械設(shè)計程序的開發(fā)對于一個國家的重要性就不言而喻了。軟件開發(fā)的難點主要集中在問題的轉(zhuǎn)換、防御系統(tǒng)的搭建、數(shù)據(jù)庫的建立、算法設(shè)計、代碼的后期維護上。針對問題轉(zhuǎn)換：不同設(shè)計內(nèi)容，從細(xì)節(jié)來講不盡相同，但從宏觀上來講大致可以看作：初始邊界工況和期望參數(shù)的輸入、中間數(shù)據(jù)庫檢索及邏輯處理分流、最后工程結(jié)果的輸出。問題轉(zhuǎn)換困難主要在中間環(huán)節(jié)，邏輯與數(shù)據(jù)庫用C語言實現(xiàn)。但基于任何事件都可以用選擇、循環(huán)、順序來實現(xiàn)的理論之上，這個問題是解的。防御性系統(tǒng)：將不合法、不符設(shè)計的輸入清除，并在人機交互界面提示重新輸入。防御性設(shè)計用以保證程序的健壯性；數(shù)據(jù)庫建立及圖表查詢實現(xiàn)：在讀寫文件的時，考慮數(shù)表的復(fù)雜性，采用結(jié)構(gòu)體數(shù)組來存儲。特殊的某些圖表查詢，用SPSS軟件擬合曲線將信息方程化，進而完成讀圖。
1編寫預(yù)處理
滾動軸承PAD圖為整個程序編寫核心之所在，可以更加直觀地展示。由圖1可以得出，已經(jīng)把復(fù)雜的軸承設(shè)計過程轉(zhuǎn)化成了一個由選擇、循環(huán)、順序問題。
2機械設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)的基本思想
機械設(shè)計程序是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其劃分成若干個層次，各層次分別獨立的完成各自層級的功能，同類層與同類子層之間進行信息交換，高層向次高層發(fā)送命令，次高層為對應(yīng)的高層服務(wù)并返回執(zhí)行結(jié)果，通過“定義主程序”將各層“定義子程序”聯(lián)動起來，實現(xiàn)程序功能。具體而言，劃分層次依次是主程序?qū)?、功能模塊層、工況期望儲備層、邏輯判斷層、中央數(shù)據(jù)庫調(diào)用層、工程結(jié)果輸出層。以軸承為例，主程序選擇軸承功能，提示用戶輸入相應(yīng)軸承的邊界工況以及用戶期望的軸承期望壽命等參數(shù)，邏輯判斷層通過工況期望儲備層里的信息進行邏輯判斷調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)庫并進行運算，得到結(jié)果。關(guān)系示意如圖2所示。為保證代碼的一致性，舍棄使用return語句來實現(xiàn)主要數(shù)據(jù)交流，有破則必有立，核心數(shù)據(jù)的交流它法有二，一喚指針，二曰引用。這里指針包括函數(shù)指針、指針函數(shù)、結(jié)構(gòu)體指針等。引用在代碼簡化上有很大的作用。以指針為例，程序通過地址讀改數(shù)據(jù)。在僅希望數(shù)據(jù)被閱讀，也對應(yīng)的采用了常量指針。另外return一般只做運行狀態(tài)反饋用。程序?qū)ν獍l(fā)展的基本原則：其一，必須符合我國基本國情，符合我國的相關(guān)法律。其二，始終堅持以需求驅(qū)動、效益驅(qū)動的雙驅(qū)原則?；脭?shù)、宏定義、const常量及其代碼的可讀性：設(shè)計過程中，難免會遇到類似的常量，其復(fù)用性高。若代碼里直接出現(xiàn)，久而久之，就演變成了幻數(shù)。在這里我們采用宏定義或const常量。宏定義：使用實例：另外為了保證函數(shù)名與宏定義有別，一般宏定義均為全大寫字符，加下劃線組合單詞。高層與次高層函數(shù)名的定義：由于每一模塊的程序內(nèi)部交流的信息不盡相同，故特定模塊的高層與次高層的函數(shù)名應(yīng)當(dāng)也有一定繼承性。模塊主函數(shù)：模塊子函數(shù)：有部分功能在各模塊都會用到，我們把它們列入通用函數(shù)之列，具體而言有緩存區(qū)清除函數(shù)、數(shù)據(jù)合法性函數(shù)判斷函數(shù)等。函數(shù)聲明的后面有詳細(xì)的函數(shù)功能說明。另外有數(shù)字編號，可以把它們理解成函數(shù)的別名，在程序運行時其不起任何作用，但在代碼編寫時，它的存在會方便檢索。
3建立程序防御性系統(tǒng)及增強程序健壯性的途徑
考慮到用戶不免會輸入失誤，所以在程序架構(gòu)時，為保證程序的健壯性，我們有必要對程序進行防御性設(shè)計。用戶的指令先進入的是防御性系統(tǒng)，在判斷其合法的情況下才會調(diào)用指定執(zhí)行函數(shù)，執(zhí)行函數(shù)在用戶指令或數(shù)據(jù)庫的共同作用下執(zhí)行命令之后進行下一步，否則就會把判定攻擊指令進行清除，并在人機交互界面打印出提示語，讓用戶重新輸入指令。其工作機理由圖3所示。防御性系統(tǒng)是防御性函數(shù)和防御性代碼的有機結(jié)合。緩存區(qū)清除主要用于規(guī)避錯誤指令進入程序，程序的異常執(zhí)行和意外崩潰死循環(huán)等。函數(shù)核心代碼：菜單指令捕捉函數(shù)：菜單有諸多的選項，但是選項是特定的，如若鍵入失誤，得不到正確的進程，故而采用以下代碼設(shè)計防止非法字符的進入。函數(shù)核心代碼：防御性不拘于獨立存在，有時復(fù)用性地就零散幾條代碼，復(fù)用性高就獨立于成函數(shù)。
4數(shù)據(jù)庫的讀取實現(xiàn)
數(shù)據(jù)庫背景及數(shù)表的讀取：數(shù)據(jù)庫是機械設(shè)計電算的基礎(chǔ)。數(shù)表讀取的方法：困難在于讀取表格的多樣性。對于讀取函數(shù)，考慮到一類數(shù)據(jù)具有很大的相似性，所以我們統(tǒng)一定義一個最大的結(jié)構(gòu)體，其結(jié)構(gòu)體成員是各類型數(shù)表屬性的并集。結(jié)構(gòu)體成員名與機械設(shè)計參數(shù)有差異，是因C/C++本身對變量名的定義有限定所致。取讀取函數(shù)成員集合為READ；對于數(shù)據(jù)庫本身，將數(shù)表本身也要進行特殊處理，由于讀取的函數(shù)和數(shù)據(jù)庫有差別，但我們可以通過在數(shù)據(jù)庫里加入一列列的“-1”數(shù)據(jù)來占位，來使數(shù)據(jù)庫可以統(tǒng)一用一個讀取函數(shù)來實現(xiàn)，降低了編程難度，如圖4所示。取數(shù)據(jù)庫成員集合依次為A、B、C，。解析識圖的實現(xiàn)，可將其轉(zhuǎn)換成一個數(shù)學(xué)問題。即通過識取圖上的特別點，將點的坐標(biāo)進行數(shù)據(jù)擬合，得到其表達(dá)式，再通過特定的判別式來判斷其點的位置，最后得到需要的過程參數(shù)。圖5是傳統(tǒng)機械設(shè)計過程中需要算公式查數(shù)表讀圖的過程，圖6則是我們現(xiàn)在用程序思維進行機械設(shè)計的過程。
5結(jié)論
傳統(tǒng)的機械設(shè)計，需要查閱大量的圖表及繁雜的運算以試錯的方式來進行設(shè)計，時常運算到最后由于初始參數(shù)選擇失誤導(dǎo)致設(shè)計失敗。本設(shè)計程序整體充分運用模塊化程序設(shè)計思想，程序代碼具有很好的可維護性及可讀性，方便后期程序升級及程序兼容；在問題分解與轉(zhuǎn)換上以三大結(jié)構(gòu)為落腳點，面對數(shù)據(jù)庫的建立問題，我們采用外置的.txt來實現(xiàn)，適當(dāng)?shù)摹?1”列可作為未來國標(biāo)更新的預(yù)改空間，使用文件讀取，結(jié)構(gòu)體數(shù)組儲存來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的建立，最后實現(xiàn)計算機輔助設(shè)計的目的；防御性系統(tǒng)設(shè)計讓程序的健壯性及穩(wěn)定性得到了很大的提高；運用軟件將一些數(shù)據(jù)進行擬合，可以簡化編程難度或?qū)崿F(xiàn)計算機識圖；現(xiàn)目前軸承選型設(shè)計已經(jīng)可以完全不用翻閱設(shè)計手冊、資料，只需鍵入邊界條件便可以完成設(shè)計，并且充分的考慮到了工廠的需求，可以選擇現(xiàn)有的資源進行設(shè)計。與傳統(tǒng)的設(shè)計相比，其可更快、更方便地幫助設(shè)計者進行設(shè)計。本機械設(shè)計程序思想能夠解決軸承選型設(shè)計的一般問題，目前在指導(dǎo)帶傳動設(shè)計、齒輪設(shè)計、軸設(shè)計、鍵連接設(shè)計已經(jīng)取得階段性成果，能夠給后續(xù)基礎(chǔ)工業(yè)軟件的開發(fā)提供一些解決問題的方法和途徑。
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作者:蔚福強 楊文超 羅霽 單位:南通理工學(xué)院