基于滾動軸承選型設(shè)計(jì)的程序開發(fā)

蔚福強(qiáng) 楊文超 羅霽

摘要： 計(jì)算機(jī)程序輔助機(jī)械師設(shè)計(jì)，高效、準(zhǔn)確、全面、經(jīng)濟(jì)的完成設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)分為條件輸入、信息檢索及處理、輸出三個(gè)過程，旨在降低手冊對機(jī)械設(shè)計(jì)的約束、降低新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期進(jìn)而提高企業(yè)競爭力。通過對滾動軸承選型實(shí)驗(yàn)，其能高效且準(zhǔn)確的得到的軸承代號解集。本設(shè)計(jì)思想能夠解決軸承選型設(shè)計(jì)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。

Abstract： Computer program to assist mechanics design， efficient， accurate， comprehensive， economic completion of the design.Mechanical design is divided into three processes： conditional input， information retrieval and processing， and output. The purpose is to reduce the constraints of manual on mechanical design， reduce the cycle of new product design and improve the competitiveness of enterprises. Through the rolling bearing selection experiment， the bearing code solution set can be obtained efficiently and accurately.This design idea can solve the general problem of bearing selection design， can provide some methods and approaches to solve the problem for the developers of basic industrial software.

關(guān)鍵詞： 機(jī)械設(shè)計(jì);滾動軸承;模塊化程序設(shè)計(jì);三大結(jié)構(gòu)

Key words： mechanical design;rollingbearing;modularprogramming;the three structures

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0001-03

0 ?引言

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)過程過于繁瑣、于設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)門檻高、于企業(yè)市場競爭力低、于產(chǎn)品資源浪費(fèi)較多等。過去強(qiáng)大全球制造業(yè)基礎(chǔ)給計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)助力機(jī)械設(shè)計(jì)已成了大趨勢，對于基礎(chǔ)機(jī)械設(shè)計(jì)程序的開發(fā)對于一個(gè)國家的重要性就不言而喻了。軟件開發(fā)的難點(diǎn)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(jì)、代碼的后期維護(hù)上。

針對問題轉(zhuǎn)換：不同設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。但基于任何事件都可以用選擇、循環(huán)、順序來實(shí)現(xiàn)的理論之上，這個(gè)問題是解的。

防御性系統(tǒng)：將不合法、不符設(shè)計(jì)的輸入清除，并在人機(jī)交互界面提示重新輸入。防御性設(shè)計(jì)用以保證程序的健壯性;數(shù)據(jù)庫建立及圖表查詢實(shí)現(xiàn)：在讀寫文件的時(shí)，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(jìn)而完成讀圖。

1 ?編寫預(yù)處理

滾動軸承PAD圖為整個(gè)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(jì)過程轉(zhuǎn)化成了一個(gè)由選擇、循環(huán)、順序問題。

2 ?機(jī)械設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)的基本思想

機(jī)械設(shè)計(jì)程序是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其劃分成若干個(gè)層次，各層次分別獨(dú)立的完成各自層級的功能，同類層與同類子層之間進(jìn)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(shí)現(xiàn)程序功能。

具體而言，劃分層次依次是主程序?qū)印⒐δ苣K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(jìn)行邏輯判斷調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行運(yùn)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(shí)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(yùn)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(jiān)持以需求驅(qū)動、效益驅(qū)動的雙驅(qū)原則。

幻數(shù)、宏定義、const常量及其代碼的可讀性：設(shè)計(jì)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(shí)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(yùn)行時(shí)其不起任何作用，但在代碼編寫時(shí)，它的存在會方便檢索。

3 ?建立程序防御性系統(tǒng)及增強(qiáng)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(shí)，為保證程序的健壯性，我們有必要對程序進(jìn)行防御性設(shè)計(jì)。用戶的指令先進(jìn)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(jìn)行下一步，否則就會把判定攻擊指令進(jìn)行清除，并在人機(jī)交互界面打印出提示語，讓用戶重新輸入指令。其工作機(jī)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(jī)結(jié)合。緩存區(qū)清除主要用于規(guī)避錯(cuò)誤指令進(jìn)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(xiàng)，但是選項(xiàng)是特定的，如若鍵入失誤，得不到正確的進(jìn)程，故而采用以下代碼設(shè)計(jì)防止非法字符的進(jìn)入。

函數(shù)核心代碼：

防御性不拘于獨(dú)立存在，有時(shí)復(fù)用性地就零散幾條代碼，復(fù)用性高就獨(dú)立于成函數(shù)。

4 ?數(shù)據(jù)庫的讀取實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫背景及數(shù)表的讀取：數(shù)據(jù)庫是機(jī)械設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)讀取函數(shù)來實(shí)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(shí)現(xiàn)，可將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)學(xué)問題。即通過識取圖上的特別點(diǎn)，將點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)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(diǎn)的位置，最后得到需要的過程參數(shù)。圖5是傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過程。

5 ?結(jié)論

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，需要查閱大量的圖表及繁雜的運(yùn)算以試錯(cuò)的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，時(shí)常運(yùn)算到最后由于初始參數(shù)選擇失誤導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。本設(shè)計(jì)程序整體充分運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，程序代碼具有很好的可維護(hù)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(diǎn)，面對數(shù)據(jù)庫的建立問題，我們采用外置的.txt來實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的建立，最后實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的目的;防御性系統(tǒng)設(shè)計(jì)讓程序的健壯性及穩(wěn)定性得到了很大的提高;運(yùn)用軟件將一些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以簡化編程難度或?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)識圖;現(xiàn)目前軸承選型設(shè)計(jì)已經(jīng)可以完全不用翻閱設(shè)計(jì)手冊、資料，只需鍵入邊界條件便可以完成設(shè)計(jì)，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(jìn)行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，其可更快、更方便地幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本機(jī)械設(shè)計(jì)程序思想能夠解決軸承選型設(shè)計(jì)的一般問題，目前在指導(dǎo)帶傳動設(shè)計(jì)、齒輪設(shè)計(jì)、軸設(shè)計(jì)、鍵連接設(shè)計(jì)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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基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，通用機(jī)械零件輔助設(shè)計(jì)程序開發(fā)（項(xiàng)目編號202112056026Y）。

作者簡介：蔚福強(qiáng)（1995-），男，重慶人，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì);楊文超（1999-），男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與程序開發(fā);羅霽（通訊作者）（1982-），女，江蘇南通人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。