老司机午夜福利视频機械三維CAD係統開發的關鍵技術研究

1. 引言

    隨著傳（chuán）統CAD係統在破碎機設備的應用普及以及現代設計（jì）問題的複雜化、智（zhì）能化，人們不再僅（jǐn）僅（jǐn）滿足於（yú）用計算機取代人進行（háng）手工繪圖。所幸隨著計算機圖形學、人工智能、計算機網絡等基礎技術的發展（zhǎn）和計算機集成製（zhì）造、並行工程、協同設計等現代設計理論和方法（fǎ）的研究，使得CAD係統也（yě）由（yóu）單純二維繪圖向三維智能設（shè）計、物（wù）性分（fèn）析、動態仿真方向（xiàng）發展，參數（shù）化設計向變量化和VGX(超變量化)方向發展（zhǎn），幾何造型、曲麵造型、實體造型向特征造型以及語義特征造型（xíng）等方向發展；另（lìng）一方麵，伴隨著（zhe）CAD軟（ruǎn）件複雜程度的（de）增加和（hé）各個不同應用係統間互操作的現實需要，人們希（xī）望（wàng）CAD係統具有極佳的開放性同時又能“搭積木”似的自由拚裝形成不同的功能配置，軟件工程技術特別是組（zǔ）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實的基礎。
    組件（jiàn）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（kě）根據自己的技術優勢在滿足組件接口規範（fàn）要求下開發不同的構件，然後在得到許可的情況下便可以自由使用這些構件來搭建用戶所需要的CAD係（xì）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（jí）容（róng）易“即插即用（yòng）”和進行並行開發等優勢而倍受親賴。
    本文主要（yào）討（tǎo）論采用組件技術開發國產商品化CAD/CAM係統——“金銀花” 係統的一些關（guān）鍵技術。

    2. 係統框架

    “金銀花”是在ACIS幾何建模平台（tái）上，采用變量化特征造型技（jì）術，基於STEP標準——遵循（xún）AP214和AP203協議而研製開發（fā）出來的商品（pǐn）化三維CAD係統。該係統基本框（kuàng）架（jià）結構如圖一所示，大體分為三個層次（cì）——數據（jù）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（jù）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，由於本係統是符（fú）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功能實現的。
    功能層是主體部分，主要有三維零（líng）件設計、裝配設計（jì）、二維工程圖設計三大模（mó）塊，由於（yú）有主模型的支持，三塊之間相互關聯：即任一部分（fèn）的改變都將引起其它（tā）部分相關的自動更新。在零件設計中采（cǎi）用特（tè）征造（zào）型和實體造型相結合、特征模型與實體模型共存，大大方便了後續工（gōng）藝分析和（hé）加工對特征信息的需求又滿足了顯示、變換、物性計算、幹涉檢查等操（cāo）作對實體信息的要求。變（biàn）量化VGX技術主要在草圖設計、特征造型（xíng）、裝配設（shè）計等部分應用，極大的（de）方便了用戶對（duì）設計的編輯（jí）和修改。
    接口層（céng）是提（tí）供係統的對外接口，分為（wéi）功能接口與數據接口。功能接口便於用戶進行二次開發，組件（jiàn）重用等（děng）；而數據接口為其它環節如CAPPCAMCAEPDM等提供一致性的數據訪（fǎng）問方式。

    3. 組件結構

    係統的組件結構設計（jì）是基於組件技術開發CAD係統的關鍵，主（zhǔ）要內容（róng）是根據應（yīng）用係統的功能需求列出所有構成組件、各個組件（jiàn）間的依賴關係和接口，並確定哪些組件自己開發而哪些（xiē）可直接從組件供應商處（chù）購買以（yǐ）縮短開發周期。而本係統就（jiù）是通過從美國STI公司(Spatial Technology Inc.)購買三維（wéi）CAD係（xì）統所需幾何（hé）造型、文件管理、內存管理等基（jī）本功能組件，而集中精力開發支持特征（zhēng）造型、VGX約（yuē）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，其所有基礎功能均通過（guò）不同的（de）組件（表現為動態聯接庫DLL）實現。在ACIS6.0中大約有五十（shí）多個DLL，所有這些（xiē）DLL實際可劃歸為兩部分：ACIS 3D Toolkit（核心模塊）和Optional Husks（可選模塊）。其中核心組件提供（gòng）構造係統所需的基本功能（如：基本幾何（hé）和拓撲、內存管理、模型管理、顯示管理、圖形交互等），這部分是ACIS幾何建模的核心，類似於飛機的發動機，其中包括許多開發商的必選構件；而另一部分可選組件（jiàn）則提供一些更專業化和更高級的功能（如：高級過渡、高級渲染、可變形曲麵、精確消影、拔模、抽殼、與CATIA和Pro/E等係統的數據接口等），這部分作為可選組件由用戶（hù）根據實際開發的係統（tǒng）需（xū）要自由挑選、搭（dā）配和組合，當然用戶也可用自己開發的組件取代ACIS的部（bù）分組件。ACIS的（de）各組件之間存在一定的依賴關係，其中（zhōng）核心組件詳情可參見ACIS6.0核（hé）心組件依賴關係圖。

     金銀花係統組件結構是（shì）在對係統功能需求和總體框架結構分（fèn）析基礎上得出的，同時也參照了ACIS的組（zǔ）件劃分（fèn）思想。圖二（èr）給出了係統組件（jiàn）依賴（lài）關係簡圖（為節省篇幅，主（zhǔ）要表（biǎo）示了三維零件設計部分的組件，而沒有詳（xiáng）細表示關聯繪圖和（hé）裝配部分（fèn）的組件），為方便組件的集中管理和調用係（xì）統采用了層次結構（gòu），主要分為核心組件、功能組件、接（jiē）口組件三層（céng），上（shàng）層組（zǔ）件可任意（yì）調用下層組件提供（gòng）的所有服務。以下對圖二作一些介紹：
    ◆ 核（hé）心組件層：該層（céng）包含了係統較重要和較基本的組件，是三維特征造型（xíng）、二維關聯繪（huì）圖、部件（jiàn）裝配（pèi）、動態仿真等模塊的共享部分（fèn）。ACIS核心組件也位於其中，為係統提供ACIS幾（jǐ）何造型基本（běn）功能；LM_GI是提供底層顯示支持，如：對OpenGL的調用、對屏幕刷（shuā）新（xīn）的操作、基本幾何元素的繪（huì）製；LM_PUBFUN中（zhōng）提供通用數學運算以及（jí）公（gōng）用（yòng）鏈表（biǎo）、隊列、堆棧的類定義；LM_RUB包容了各（gè）種幾（jǐ）何元素的橡皮條——rubberband，該（gāi）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（shè）檢查等的基本組件（jiàn）；LM_KERN包括本（běn）係統特征造（zào）型（xíng）功能和ACIS幾（jǐ）何造（zào）型引擎（qíng）連接相關的類LmSuperElement(詳見4)，以及為上層提供的管理類（lèi）、約束類（lèi）、特征類等提供超類。
    ◆ 功能組件層：該層建於核心層之上，係統麵向應用的主要功能部件均在這一（yī）層（céng）實現。用戶的不同需求會希（xī）望配置不同功能的軟件係統，從該層選折（shé）所需組件集進行不同配（pèi）置即可。圖（tú）二所示為三維部分的核心（xīn）組件LM_KERNPART、特征造型組件LM_FEATURE、VGX約束管理器組件LM_VGX、處理選折對象的組件LM_PICK、和負責（zé）總體（tǐ）協調管理的組件LM_MANAGE等。而（ér）其中特征（zhēng）造型和VGX組件中又分別進一步細化為：草圖特征、高級特征、自（zì）定義特征（zhēng）和（hé）VGX約束操作、約（yuē）束管理約束求解等（děng）組件。
    ◆ 接口組件層：是係統的較高層，也是與用戶直接進行交互操作管理的組件層，所以主要有處理（lǐ）鼠標事件MouseTool的（de）LM_MT和管理係統界麵中涉及到的對話框、菜單、工具條等資源的組件。
    可見，這種組件設計結構不僅極大（dà）的方便了不同用戶需求係統的配置，而且將係統（tǒng）的用戶接（jiē）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）用習慣開發豐富多彩的界麵，也從技術角度實現了（le）與ACIS幾何引擎（qíng）的無縫集成。

    4. 關鍵技術實現（xiàn）

    采用軟件組（zǔ）件技（jì）術建立組件依（yī）賴關係為三維（wéi）CAD係統架設了總體結（jié）構（gòu），但具體實現還需解（jiě）決（jué）許多關鍵性技術，以下主要以特征造型技術為例說明係統的設計思（sī）路。
    由於ACIS本質（zhì）上一（yī）個幾何（hé）實體造型的（de）平台（tái），通過B-rep表示提供（gòng）實體幾（jǐ）何、拓撲結（jié）構的完整描述，但它並不直接支持特征（zhēng）造（zào）型。因此，如圖三所示係統在實體（tǐ）模型和特征模型之間通過引入構造點、邊（biān）、麵的（de）機製建立一種映射關係（xì）。每個特征中不僅包含工藝製造（zào）信息還包（bāo）含其具體構造點、邊、麵信息，這（zhè）些構造元素再與實體模型中的點、邊、麵建立聯係（xì）。

    其中LmFeature較終派生於ACIS的（de）ENTITY，以便於（yú）進行內存管理、文件存儲和模型操作管理。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)，它們（men）又分別記錄ACIS的VERTEX，EDGE，FACE和部分幾何（hé）參數以及（jí）特定的語（yǔ）義信息；同時（shí）在每個ACIS拓撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）中通過屬（shǔ）性ATTRIB機製（zhì）又嵌入其對應的LmSuperElement。這種雙向鏈表結（jié）構方式不僅便於實（shí）現（xiàn）特征造型和實體造型間的無縫鏈接和快速查找，而且也為係統（tǒng）重建時維護拓撲關係奠定了基礎。因為僅記（jì）錄ACIS拓撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）是不可能（néng）保證拓撲關係（xì）一致的。m_OtherInfo屬性主要用於存放特征語義、工藝信息等，另外還為用（yòng）戶提供（gòng）了手工添加特征語義的接口， 為真正支（zhī）持CIMS環（huán）境下信息集成奠（diàn）定（dìng）了基礎。
    在特征創建刪除\修改（gǎi）或模型重建過程中，為維護設計者的設計意圖關鍵在於維護模型修改前後拓（tuò）撲（pū）結構的對應關係即：拓撲一致性，因此必（bì）須考慮拓撲編碼的問題。係統（tǒng）通（tōng）過為每個從（cóng）ENTITY派生的實體引入索引標誌的方法（fǎ）解決（jué），該索引標誌不僅記錄全局**標誌符（fú），而且通（tōng）過充分利用ACIS ENTITY中（zhōng）的ATTRIB 和（hé）ANNOTATION 類對模型操作的具體變化做了詳細的記錄：操作前有那些麵、邊、點（diǎn），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，以便（biàn）修改特征參數後重建所有依賴特征，這些關係一般形成（chéng）樹形結構，又稱特征樹。 特征樹（shù）方便了對特征的管理，但這種關係往往也限製（zhì）了設（shè）計人員的設（shè）計（jì）思路，並且還可能出現：父特征的（de）刪除導致所有子特征的刪除，如果某特證的參數依賴（lài）於其後續特征的參數導致（zhì）係統重（chóng）建時的崩潰等現象。於是係統采用雙重坐標方法： 即對每個特征既記錄其相對父（fù）特征（zhēng）的坐標，也記錄其在全局坐（zuò）標係下的坐標。這樣，當（dāng）父特征不（bú）存在時，子特征可在全局坐標係（xì）下"生存"；另（lìng）外， 采用VGX技術，將約束（shù）關（guān）係從（cóng）幾何關係中（zhōng）獨（dú）立出來，建（jiàn）立全局約束鏈（liàn），相對（duì）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（lì）求解（jiě），既增加了係統的動態導航（háng）、動態約束添加和動態修（xiū）改機製（zhì）又保（bǎo）證了模型的修改可以超越設計曆史（shǐ）樹的限製，使得（dé）設計人（rén）員隨時、隨地、隨意修改成為現實。

    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好（hǎo）的解決之道，它（tā）完全改（gǎi）變了傳統CAD/CAD係統開發的低效率模式，使得該類複雜係統（tǒng）也可以“搭積式”的快速構建。本文深（shēn）入（rù）研究了基於組件技術（shù）開（kāi）發三維CAD係統的相關技術，介紹了具體實現方法，同時給出（chū）了係統組件層次結（jié）構，可為（wéi）開發該類係統提供一定的參考。