91进入蜜桃臀在线播放機械三維CAD係統開發的關鍵技術研究

1. 引言

    隨著（zhe）傳（chuán）統CAD係統在破碎機設（shè）備的應（yīng）用普及以及現代設計問題的複雜化（huà）、智能化，人們不再僅僅滿足於用計（jì）算機取代人進（jìn）行手工（gōng）繪圖。所幸隨著（zhe）計（jì）算機圖形學、人工智能、計算機網絡等（děng）基（jī）礎技術的發展和計算機集成（chéng）製造、並（bìng）行工程、協同設計等現代設計理論和方法的研究，使得CAD係統也（yě）由單純二維繪圖向三維智能設計、物性分析、動態仿（fǎng）真方向發展，參數化設計向變量化和VGX(超變量化)方向發展（zhǎn），幾何造型（xíng）、曲麵造型、實體造型向特征造型以及語義特征造型等方向發展；另一方麵，伴隨著CAD軟件複雜程度的增（zēng）加（jiā）和各個不同應（yīng）用係統間互操作的現實需要，人們希（xī）望CAD係統具有極佳的開放（fàng）性同時又能“搭積木”似的自由拚（pīn）裝形成不同的功能配置（zhì），軟（ruǎn）件工程技術（shù）特別是（shì）組件開發技術的研究應用和逐漸成熟為解決這一問題提供了堅（jiān）實的（de）基（jī）礎。
    組件技術（shù）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（zì）己（jǐ）的技術（shù）優勢在滿足組件接口規（guī）範要（yào）求下開發不同的（de）構件，然（rán）後在得到許可的情況下便可以（yǐ）自（zì）由使用這（zhè）些構件來搭建用戶所（suǒ）需要的CAD係統。這種方式因其開發周期短、見效快、係統（tǒng）柔（róu）性高（gāo）、開放性好、以及容易“即插即用”和進行並行開發等優（yōu）勢而倍（bèi）受親賴。
    本文主要討論采用組件技術開發國產商品化CAD/CAM係統——“金銀花” 係統的一些（xiē）關（guān）鍵（jiàn）技術。

    2. 係統框架

    “金銀花”是（shì）在ACIS幾何建模平台上，采用變量化特征造型技術，基於STEP標準——遵循AP214和（hé）AP203協議而研（yán）製開發出來（lái）的商品化三維CAD係統（tǒng）。該係統基本框（kuàng）架結構如圖一所示，大體分（fèn）為三個（gè）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分，它是CAD係統的設計結果，也是CIMS信息集成的主模型，由於本（běn）係統是符合STEP標準的，故可以通過標準數據存取接口(SDAI)進行操作，數據是用戶利用係統（tǒng）功能實現的。
    功能層是主體部（bù）分，主要有三維零（líng）件設計、裝配設計、二維（wéi）工程圖設計三（sān）大（dà）模塊，由於（yú）有主模（mó）型的支持，三塊之間相互關聯：即任一部（bù）分的改變都將引起其它部分相關的自動更新。在零件設計中采用特征造型和實體造型相（xiàng）結合（hé）、特征模型與實體模型共存（cún），大大方（fāng）便了後續工藝分析和加工對特征信息的需求又滿（mǎn）足了（le）顯（xiǎn）示、變換、物性計算、幹涉檢查等操作對實體信息的要求。變量（liàng）化VGX技術主要（yào）在草圖設計、特征造型、裝配設（shè）計等部分應用，極大的方便了（le）用戶對設（shè）計的編輯和修改。
    接口層是提供係統的（de）對外接口，分為功能接口與數據接口。功能接口便於用戶（hù）進行二次開（kāi）發，組件重用等；而（ér）數據接口（kǒu）為（wéi）其它環節如CAPPCAMCAEPDM等提供一致性的數據訪問方式。

    3. 組件結構

    係統的組件結構設計是基於組件技術開發（fā）CAD係統的關鍵，主要（yào）內容（róng）是根（gēn）據應用係統的功能需求列（liè）出所有構成組件、各個（gè）組件間的依賴關係和接口，並確定哪（nǎ）些組件自己（jǐ）開發而哪（nǎ）些可直接從組件供（gòng）應商處購買以（yǐ）縮短開發周期。而本係（xì）統就是通過從美國STI公司(Spatial Technology Inc.)購買三維CAD係統所需幾何造型、文件管理、內存管理（lǐ）等基（jī）本功能組件，而集中精力開（kāi）發支持特征造型、VGX約束求解、裝配設計、關聯繪圖、用戶接口等組件。
    由於ACIS是完全基於組件技術開發的，其所有基（jī）礎功能均通過不同的組件（表現為動態聯接庫DLL）實現。在ACIS6.0中大約有五十多個DLL，所（suǒ）有這些DLL實際可劃歸為兩部分：ACIS 3D Toolkit（核心模塊）和Optional Husks（可選模塊（kuài））。其中核心組件（jiàn）提供構造係統所需的基本功能（如：基本幾何和拓（tuò）撲、內存管理、模型管理、顯示管理、圖形交互等（děng）），這部（bù）分是ACIS幾何建模的核心，類似於飛（fēi）機的發（fā）動機，其中包括許多開發商的（de）必（bì）選構件；而另一部分可選組件則（zé）提供一些更專（zhuān）業化（huà）和更高級的功（gōng）能（如：高級過（guò）渡、高級渲染、可（kě）變形曲麵、精（jīng）確消影、拔模、抽殼、與CATIA和Pro/E等係（xì）統的數據接口等），這部分作為可選組件由用戶根據實際開發的係統（tǒng）需要自由挑選、搭（dā）配和組合，當（dāng）然用戶也可用自己開發的組件取代ACIS的部分組件。ACIS的各組件之間（jiān）存在一定的依賴關係，其中核心組件詳情可參見ACIS6.0核心組件依賴（lài）關係圖。

     金銀花係統（tǒng）組件結（jié）構是在對係統功能需求和（hé）總體框架結（jié）構分析基（jī）礎上得出的，同時也參照了ACIS的組件劃分思（sī）想。圖二給出了係統組（zǔ）件（jiàn）依賴關係（xì）簡圖（為（wéi）節省篇幅，主要表（biǎo）示了三維零件設計部分的組件，而沒有詳細表示關聯繪圖和裝配部分的組件），為方便組件的集中管（guǎn）理和調用係（xì）統采用了層次（cì）結構，主（zhǔ）要分為核心組件、功能組件、接口組件三層，上層（céng）組件可任意調用下（xià）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：該層包含了係統較重要和較基本的組件，是三維特征（zhēng）造型、二維關聯繪（huì）圖（tú）、部件裝配、動態仿真等模塊的共享部分。ACIS核心組件也位（wèi）於其中，為係統提供ACIS幾（jǐ）何造型基本功能；LM_GI是提供底層顯示支持，如：對OpenGL的調（diào）用、對屏幕刷新的操作、基本幾何元素的繪製；LM_PUBFUN中提供（gòng）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（gè）種幾何元素的橡皮條——rubberband，該部（bù）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（zhōng）的動態（tài）幹涉檢查等的基本組（zǔ）件；LM_KERN包括本係統特征造型功（gōng）能和（hé）ACIS幾（jǐ）何造型引擎連接相（xiàng）關（guān）的類LmSuperElement(詳（xiáng）見4)，以及為上（shàng）層提供（gòng）的管理類、約束類、特征類等提供超類。
    ◆ 功能組件層：該（gāi）層建於核心層之上，係統麵向應用的主要功（gōng）能部件均在這（zhè）一層實（shí）現（xiàn）。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（céng）選（xuǎn）折（shé）所需組（zǔ）件集進行不同配（pèi）置即可。圖二所示為三（sān）維部分的核心組件LM_KERNPART、特征造型組件LM_FEATURE、VGX約束管理器組件LM_VGX、處理選（xuǎn）折對象的組件LM_PICK、和負責總體協調管理的組件LM_MANAGE等。而其中特（tè）征造型和VGX組件中又分（fèn）別（bié）進一步細化為：草圖特征、高級特征、自定義特征和VGX約束操作、約束管理約束（shù）求解等組件。
    ◆ 接口組件層：是係（xì）統的較高層，也是與用戶直接進行交互操作管理的組件層，所以主（zhǔ）要有（yǒu）處理鼠標事件（jiàn）MouseTool的（de）LM_MT和管理係統界麵（miàn）中涉及到（dào）的對話框、菜單、工具（jù）條等資源的（de）組件。
    可見，這種組件（jiàn）設計結構不僅極大的方便了不同用（yòng）戶需求係統的配置（zhì），而且將係統的用戶接口與功能的具體實現分開，便於針對不同語種、不同操作係統平台、不同使（shǐ）用習慣（guàn）開發豐富多（duō）彩的界麵，也從技術角度實現了與（yǔ）ACIS幾何引擎的無縫集成。

    4. 關鍵技術實（shí）現

    采用軟件組件技術建立組件依賴關係為三維CAD係統架設（shè）了總體結構，但具體（tǐ）實現（xiàn）還需解決許多關鍵性技術，以下主要以特征造型技術為例說明係統（tǒng）的設計思路。
    由（yóu）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（gòu）的完整描述，但它並不直接支持特征造型。因此，如圖三所示係統在實體模型和特征（zhēng）模型之間通過引入構造點、邊、麵的機製建立一種映射關係。每個特征中不僅包含工藝製造信息還包含其具（jù）體構造點、邊、麵信息，這（zhè）些構造元素再與實體模（mó）型中的點、邊、麵建立聯係。

    其（qí）中（zhōng）LmFeature較終派生於ACIS的ENTITY，以便於進行內存（cún）管理、文件存儲和模型操作（zuò）管理。m_Construction屬性記錄該特征的所有構造點LmSuperPoint、邊LmSuperEdge、麵LmSuperFace（三者均派生於LmSuperElement)，它（tā）們又分別記錄ACIS的VERTEX，EDGE，FACE和部分幾（jǐ）何參數以及特定的語義信息；同時在每個ACIS拓撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）中通過屬性ATTRIB機製又嵌入其對應的LmSuperElement。這種雙向（xiàng）鏈表（biǎo）結構方式不僅便於實現特（tè）征造型和實體造型間的無縫鏈接和快速查（chá）找，而且也為係統重建時維護拓撲關係奠定了基礎。因為僅記錄ACIS拓撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）是不可能保證拓撲關係（xì）一致的。m_OtherInfo屬性主要用（yòng）於存放特征（zhēng）語（yǔ）義、工藝信息（xī）等，另外（wài）還為用戶（hù）提供了（le）手工添（tiān）加（jiā）特征語義的接口（kǒu）， 為真正支持CIMS環境下信（xìn）息集成奠定了（le）基（jī）礎。
    在特征創建刪除\修改或模型重建過程中，為（wéi）維護設計（jì）者的設計意圖關鍵（jiàn）在於維護模型修改前後拓撲結構的對應（yīng）關（guān）係即：拓撲一致性，因此必（bì）須考慮拓撲編碼的問題。係統通過為每個從ENTITY派（pài）生的實體引入索引標誌的方法解決，該索引標誌（zhì）不僅記錄全局（jú）**標誌符，而且通過充分利用ACIS ENTITY中的ATTRIB 和ANNOTATION 類對模（mó）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（yòu）產生了那些新的麵、邊、點等等。操作後係統自動重新整理，保證了拓撲結構的對應關係。
    要支持特征造型，還必需維護特（tè）征之間的依賴關係，以便修改特征參數後重建所有依賴特征，這些（xiē）關係一般形成樹形結構，又稱（chēng）特征（zhēng）樹。 特（tè）征樹方便了對特（tè）征的管理，但這種關係往往（wǎng）也限製了設計人（rén）員的設計思路，並且還可能出現：父特征的刪（shān）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導致係統重建時的崩潰等現象。於是係統采用雙重（chóng）坐標（biāo）方法： 即對（duì）每個特征既記錄其相（xiàng）對父特征的坐標，也記錄（lù）其在全局坐標係下的坐標。這樣，當父特征不存在時，子特征可在全局坐標係下"生存"；另外， 采用VGX技術，將約束關係從（cóng）幾何關係中獨立出來，建立全局（jú）約束鏈，相對獨立的約束求解器， 結合代數方法和數值求解方法對（duì）約束整體聯立求解，既增加（jiā）了（le）係統的動態導航、動態約束添加和動態修改機製（zhì）又（yòu）保（bǎo）證了模（mó）型的修改可以超越設計曆史樹的限製，使得（dé）設計人（rén）員隨時、隨地、隨意修改成為現實（shí）。

    5. 結論

    軟件組件技術的發展為大型複雜的三維CAD/CAM係統的開發提供了極（jí）好的解決之道，它完（wán）全改變了傳統CAD/CAD係（xì）統（tǒng）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，介紹了具體（tǐ）實現方法，同（tóng）時（shí）給出了係統組件層次結構（gòu），可為（wéi）開發該類係統提供一定的參考。