91视频下载機械三維CAD係統開發（fā）的關鍵技術研究（jiū）

1. 引言

    隨著（zhe）傳統CAD係統在破碎機設備的應用普及以及現代設計問題的複雜化、智能化，人們不（bú）再僅僅滿足於（yú）用計算機取代人進行手工繪圖。所幸隨著（zhe）計算機圖形學、人（rén）工智能、計算機網絡等基礎技（jì）術的發展和計算機集成製（zhì）造（zào）、並行工程、協同設計（jì）等現代設計理論和方法的研究（jiū），使得CAD係（xì）統也由單純二維（wéi）繪（huì）圖向（xiàng）三維智能設計、物性分析、動態仿真方向發（fā）展，參數（shù）化設計向變量化和VGX(超變量化（huà）)方（fāng）向（xiàng）發展，幾何造型、曲麵造型、實體造型向特征造（zào）型以及語義特征造型等方向發展；另一方麵，伴（bàn）隨著CAD軟件複雜（zá）程度的增加和（hé）各個不同應用係統間互操作的現實需要，人們希望CAD係統具有極佳的開放性同時又能（néng）“搭積木”似的自由拚裝（zhuāng）形成（chéng）不同的功能配置，軟（ruǎn）件（jiàn）工程技術（shù）特別是組件（jiàn）開發技術的（de）研究應（yīng）用和逐漸成熟為解決這一問題提供了堅實的基礎。
    組件技術使得各CAD係統開發商們不必再完全遵從“一切從零開始”的開發模式，他們可根據自己的技術優（yōu）勢（shì）在（zài）滿足組（zǔ）件接口規範要求下開發不同的構件（jiàn），然（rán）後在得到許可的情況下便（biàn）可以自（zì）由使用這些構件來搭建（jiàn）用戶所需要的CAD係統。這種方式因其開發周期短、見效快、係統柔性高、開放性好、以及容易“即插即用”和進行並行開發等（děng）優勢而倍受親賴。
    本文主要討論采用組件技（jì）術開發國產商品化CAD/CAM係統——“金銀花” 係統的（de）一些關鍵技術。

    2. 係統框架

    “金銀花”是在ACIS幾（jǐ）何建模平台上，采用變量化特（tè）征造（zào）型技術，基於STEP標（biāo）準——遵循AP214和AP203協議而研製開發出來的商品化三維CAD係（xì）統。該（gāi）係（xì）統基本框（kuàng）架結構如圖一所示，大體分為三個層次——數據層、功能層、接口層：

   數據層包括物理數據文件、數據庫和邏輯數據模型兩部（bù）分，它（tā）是CAD係統的設計結果，也是CIMS信息（xī）集成的（de）主模型，由於本係統是符合STEP標準（zhǔn）的，故可以通（tōng）過標準數據存取接口(SDAI)進（jìn）行操作，數據是用戶利用（yòng）係（xì）統功能實現的。
    功能層是主體部分，主要有三維零件設計、裝配設計、二維（wéi）工程圖設計（jì）三大（dà）模（mó）塊，由（yóu）於有主模型的支持，三塊之間相互關（guān）聯（lián）：即任一（yī）部分的改變都將（jiāng）引起其（qí）它（tā）部分（fèn）相關的自動更新。在零件設計中采用特征造型和實體造型相結合、特征模（mó）型與實體（tǐ）模型共存（cún），大大方便（biàn）了後續工藝分析和加工對（duì）特征信息的需求又（yòu）滿足了顯示、變換、物性計算、幹涉檢查等（děng）操作對實體信息的要（yào）求。變量化VGX技術主要在草圖設計、特征造型、裝配設計等部（bù）分應用，極大的方便了用戶對設計（jì）的編（biān）輯和修改。
    接口層是提供係統的對外接口，分為功能接口（kǒu）與數據接口。功能接（jiē）口（kǒu）便於用戶進行二次開發，組件（jiàn）重用（yòng）等（děng）；而數據接口為（wéi）其它環節如CAPPCAMCAEPDM等（děng）提供一致性的（de）數據訪問（wèn）方（fāng）式。

    3. 組件結構

    係（xì）統的組件結構設計是基於（yú）組件技（jì）術開發CAD係統的關鍵，主要（yào）內容是根據應用係統的功（gōng）能需求列出所有構（gòu）成（chéng）組件、各個組件間的依賴關係和接口，並確定哪些（xiē）組件自己開發而哪些可直接從組（zǔ）件供應商處購買以縮（suō）短（duǎn）開發周期。而本係（xì）統就是通過從（cóng）美國STI公司(Spatial Technology Inc.)購買三（sān）維CAD係統所需幾何造型、文件（jiàn）管理（lǐ）、內存管理等基本功能（néng）組件，而集中精力開發（fā）支持特征（zhēng）造型、VGX約束求解、裝配設計、關聯繪圖、用戶接口等組件（jiàn）。
    由於ACIS是（shì）完全基於組件技術開發的，其所有（yǒu）基礎功能均（jun1）通過不同的組件（表現為動態聯接庫DLL）實（shí）現。在（zài）ACIS6.0中（zhōng）大約有五十多個DLL，所有這些DLL實際可（kě）劃歸為（wéi）兩部分：ACIS 3D Toolkit（核心（xīn）模塊）和Optional Husks（可選模塊）。其中核心組件提（tí）供構造係統所需的基本功能（如：基本（běn）幾何和拓撲、內存管理、模（mó）型（xíng）管理（lǐ）、顯示管理、圖形交互（hù）等），這部分是ACIS幾何建模的核心，類似於飛機（jī）的發動機，其中包括許多開發商的必選構件；而另一部分（fèn）可選組件則提供一些更專（zhuān）業化和更高級的功能（néng）（如：高級過渡、高級渲染、可變（biàn）形曲麵、精確消影（yǐng）、拔模、抽殼、與CATIA和Pro/E等係統的數據接口（kǒu）等），這部分作為可選組件由用戶根據實（shí）際開（kāi）發的係統需要自由挑選（xuǎn）、搭（dā）配和組合（hé），當然用戶也可用自己開發（fā）的（de）組件（jiàn）取代ACIS的（de）部分組件。ACIS的各組件之（zhī）間存在一定的依賴關（guān）係，其中核心組件詳情可參見ACIS6.0核（hé）心組件依賴關係圖。

     金（jīn）銀花係統（tǒng）組（zǔ）件結構是在對係統功能（néng）需求和總體框架結構分（fèn）析基礎上得出的，同時也（yě）參照了ACIS的（de）組件劃（huá）分思想。圖二（èr）給出（chū）了係統組（zǔ）件依賴（lài）關係簡圖（tú）（為節省篇幅，主要表示了三維（wéi）零（líng）件設（shè）計（jì）部分的（de）組件，而（ér）沒有（yǒu）詳細表示關聯繪圖和裝配部分的組件），為方（fāng）便組（zǔ）件的集中管理和調用係統采用了（le）層次結（jié）構，主要分為核心組件、功能組件、接（jiē）口組件三（sān）層，上層組件可任意調用下層組件提供的所有服務。以下對圖二作一些介紹：
    ◆ 核心組件層：該層包含（hán）了（le）係統較重要（yào）和較基本的組件，是三維特征造型、二維關聯繪（huì）圖、部件裝（zhuāng）配、動態仿真等模塊的共享部分。ACIS核心組件也位於其（qí）中，為係統提供ACIS幾何造型基本（běn）功能；LM_GI是提供底層（céng）顯示支持，如：對OpenGL的調用、對屏幕刷新的（de）操作、基本幾何元素的繪（huì）製；LM_PUBFUN中提供通用數學運算以及公用鏈表、隊列、堆棧的類定義；LM_RUB包容了各種幾何元素的橡皮條——rubberband，該部分是支持VGX動態拖放造型（drag-and-drop)、動態約束添加以及裝配模塊中的動態幹涉檢（jiǎn）查等的（de）基本組件；LM_KERN包括本係統（tǒng）特征造型功能和ACIS幾何造型引擎（qíng）連接相關的類（lèi）LmSuperElement(詳見4)，以及為上層提供的管理類、約（yuē）束類、特征類等提供超類。
    ◆ 功能組件層：該層建於核心層之上，係（xì）統麵向應用的主要（yào）功能部件（jiàn）均在這一層實現。用戶的不同需求會希望配置不同（tóng）功（gōng）能的軟件係統，從該層選折所需組件（jiàn）集進行不（bú）同配置即可。圖二所示為三維部分的（de）核心組件LM_KERNPART、特（tè）征造型組件LM_FEATURE、VGX約束管理器組件LM_VGX、處理選折對象的組件LM_PICK、和負責總體協調管理的組件（jiàn）LM_MANAGE等。而其（qí）中（zhōng）特征造型和VGX組件中又分別進（jìn）一步（bù）細化為：草圖特征、高級特征、自定（dìng）義特征和VGX約束操作、約束管理約束求解等組（zǔ）件。
    ◆ 接（jiē）口組件層：是係統的較高層，也（yě）是與用戶直接進行交互操作管理的組（zǔ）件層，所以主要有處理鼠標事件MouseTool的LM_MT和管理係統界麵中涉及到（dào）的對話框、菜單、工具條等資源的組件。
    可見，這種組件設計結構（gòu）不僅極大的方便了不（bú）同用戶（hù）需求係統的配置，而且（qiě）將係統的用戶接口與功能（néng）的具（jù）體實現分（fèn）開，便於針對不同語種（zhǒng）、不同（tóng）操作係統平台、不同使用習慣開發豐富多彩的（de）界（jiè）麵，也從技術角度實現了與ACIS幾（jǐ）何引擎的無縫集成。

    4. 關鍵技術實現

    采用軟件組件技術建立組件依（yī）賴關係為三維CAD係統架設了總體結構，但（dàn）具體實現還需解決許（xǔ）多關鍵性（xìng）技術，以（yǐ）下（xià）主要以特征造型技術為例說明係統的設計思路（lù）。
    由於ACIS本質上一個幾何實體造型的平台，通過B-rep表示提供實體幾何、拓撲結構的完整描述，但它並不直接支持特征造型。因此，如圖（tú）三所示係統在實體模型和特征模型之間通過引入構造點、邊、麵的機製建立（lì）一種映射關（guān）係。每個特征中不僅包含工藝製造信息還包含其具體構造點、邊、麵（miàn）信息，這些構（gòu）造元素再與實體模型中的點、邊、麵建立聯係。

    其中LmFeature較終派生於ACIS的ENTITY，以便於進行內存管理、文件存儲和模型操作管理。m_Construction屬性記錄（lù）該特征的所有構造點LmSuperPoint、邊LmSuperEdge、麵LmSuperFace（三者均派生於LmSuperElement)，它們又分別記錄ACIS的VERTEX，EDGE，FACE和部分幾何參數以及特定的語義信息；同時在每（měi）個ACIS拓（tuò）撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）中通過屬性ATTRIB機製又嵌入其對應的（de）LmSuperElement。這種雙向鏈表結構方式不（bú）僅便於實（shí）現特征造型和實體造型間的無縫鏈接（jiē）和快速查找，而且也為係統重建時維護拓（tuò）撲關係奠定了基礎。因為僅記錄ACIS拓撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）是不可能保證拓撲關係一致（zhì）的。m_OtherInfo屬性主要用（yòng）於（yú）存放特征語義、工藝信息等，另外（wài）還為用戶提供了手工添加特征語義的接口， 為真正支持CIMS環境下信（xìn）息集成奠（diàn）定了基礎。
    在特（tè）征創建刪除（chú）\修改或模型重建（jiàn）過程中，為（wéi）維護設（shè）計者的設計意圖關鍵在於維護模（mó）型修改前（qián）後拓撲結構的對應關係即：拓撲（pū）一致性，因此必須考慮拓撲編碼（mǎ）的問題。係統通過為每（měi）個從ENTITY派生的實體引入索引標誌的方法解決，該索引（yǐn）標誌不僅記（jì）錄全局**標誌符，而且（qiě）通過充分利用ACIS ENTITY中的ATTRIB 和ANNOTATION 類對模型操作的具體變化做了詳細（xì）的記錄：操作前有那些麵、邊、點，操作後又產生了那些新的麵、邊、點等等。操作後係統自動重新整理，保證了（le）拓撲結構的對應關係。
    要支持特征造型，還必需維護特征之間的依賴關係（xì），以便修改（gǎi）特征參（cān）數後重建（jiàn）所有依賴特征，這些關係一般形成樹形結（jié）構，又稱特征樹。 特征樹方便了對特征的管理，但這種關係（xì）往往也限製了設計（jì）人員的設計（jì）思路，並且還可能出現：父特征的刪除導致所有子特征的刪除，如果某特證的參數依賴於其後續特征的參數（shù）導致係統重建時的崩潰等現象。於是係統采用雙重坐標方法（fǎ）： 即對每個特征既記錄其相對父特征的坐標，也記錄其在全局坐標係下的坐標。這樣，當父特征不存在時，子特（tè）征可在全局坐（zuò）標係下"生存（cún）"；另外（wài）， 采用VGX技術，將約束關係從幾何關（guān）係中獨立出來，建立全局約束（shù）鏈，相對獨立的約束求（qiú）解器， 結合代數方法（fǎ）和數值（zhí）求解方法對約束整體聯立求解，既增加了（le）係統的動態導航、動態約束添加和動態修改機製又保（bǎo）證了模型的修改可以超（chāo）越設計曆史樹的限製，使得設計人員隨時、隨（suí）地、隨（suí）意修改成為現實。

    5. 結論

    軟件（jiàn）組件技術的發展為大型（xíng）複雜的三維CAD/CAM係統的開發提供了極好的解決之道，它完全（quán）改變了傳統（tǒng）CAD/CAD係統開發的低效率（lǜ）模式，使得該類複雜係統也可以“搭積式”的快（kuài）速構建。本文深入研究了基於組件技術開發三維CAD係統的相關技術，介紹（shào）了（le）具體實（shí）現（xiàn）方（fāng）法，同時給出了係統（tǒng）組件（jiàn）層次結構，可為開發該類係統提供一定的參考。