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基于組件的三維CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)研究
摘要：研究了組件技術(shù)和特征造型技術(shù)，并以“金銀花”系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為實(shí)例對(duì)基于組件開(kāi)發(fā)三維CAD系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入研究，給出了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和組件結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：CAD組件變量化(VGX)實(shí)體造型特征造型
1.引言
隨著傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)在工業(yè)界的應(yīng)用普及以及現(xiàn)代設(shè)計(jì)問(wèn)題的復(fù)雜化、智能化，人們不再僅僅滿(mǎn)足于用計(jì)算機(jī)取代人進(jìn)行手工繪圖。所幸隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成制造、并行工程、協(xié)同設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的研究，使得CAD系統(tǒng)也由單純二維繪圖向三維智能設(shè)計(jì)、物性分析、動(dòng)態(tài)仿真方向發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)向變量化和VGX(超變量化)方向發(fā)展，幾何造型、曲面造型、實(shí)體造型向特征造型以及語(yǔ)義特征造型等方向發(fā)展；另一方面，伴隨著CAD軟件復(fù)雜程度的增加和各個(gè)不同應(yīng)用系統(tǒng)間互操作的現(xiàn)實(shí)需要，人們希望CAD系統(tǒng)具有極佳的開(kāi)放性同時(shí)又能“搭積木”似的自由拼裝形成不同的功能配置，軟件工程技術(shù)特別是組件開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究應(yīng)用和逐漸成熟為解決這一問(wèn)題提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
組件技術(shù)使得各CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商們不必再完全遵從“一切從零開(kāi)始”的開(kāi)發(fā)模式，他們可根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在滿(mǎn)足組件接口規(guī)范要求下開(kāi)發(fā)不同的構(gòu)件，然后在得到許可的情況下便可以自由使用這些構(gòu)件來(lái)搭建用戶(hù)所需要的CAD系統(tǒng)。這種方式因其開(kāi)發(fā)周期短、見(jiàn)效快、系統(tǒng)柔性高、開(kāi)放性好、以及容易“即插即用”和進(jìn)行并行開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)而倍受親賴(lài)。
本文主要討論采用組件技術(shù)開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)商品化CAD/CAM系統(tǒng)——“金銀花”系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)。
2.系統(tǒng)框架
“金銀花”是在ACIS幾何建模平臺(tái)上，采用變量化特征造型技術(shù)，基于STEP標(biāo)準(zhǔn)——遵循AP214和AP203協(xié)議而研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的商品化三維CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本框架結(jié)構(gòu)如圖一所示，大體分為三個(gè)層次——數(shù)據(jù)層、功能層、接口層：
數(shù)據(jù)層包括物理數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)和邏輯數(shù)據(jù)模型兩部分，它是CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，也是CIMS信息集成的主模型，由于本系統(tǒng)是符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的，故可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存取接口(SDAI)進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)是用戶(hù)利用系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的。
功能層是主體部分，主要有三維零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、二維工程圖設(shè)計(jì)三大模塊，由于有主模型的支持，三塊之間相互關(guān)聯(lián)：即任一部分的改變都將引起其它部分相關(guān)的自動(dòng)更新。在零件設(shè)計(jì)中采用特征造型和實(shí)體造型相結(jié)合、特征模型與實(shí)體模型共存，大大方便了后續(xù)工藝分析和加工對(duì)特征信息的需求又滿(mǎn)足了顯示、變換、物性計(jì)算、干涉檢查等操作對(duì)實(shí)體信息的要求。變量化VGX技術(shù)主要在草圖設(shè)計(jì)、特征造型、裝配設(shè)計(jì)等部分應(yīng)用，極大的方便了用戶(hù)對(duì)設(shè)計(jì)的編輯和修改。
接口層是提供系統(tǒng)的對(duì)外接口，分為功能接口與數(shù)據(jù)接口。功能接口便于用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，組件重用等；而數(shù)據(jù)接口為其它環(huán)節(jié)如CAPP\CAM\CAE\PDM等提供一致性的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式。
3.組件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于組件技術(shù)開(kāi)發(fā)CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要內(nèi)容是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的功能需求列出所有構(gòu)成組件、各個(gè)組件間的依賴(lài)關(guān)系和接口，并確定哪些組件自己開(kāi)發(fā)而哪些可直接從組件供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)以縮短開(kāi)發(fā)周期。而本系統(tǒng)就是通過(guò)從美國(guó)STI公司(SpatialTechnologyInc.)購(gòu)買(mǎi)三維CAD系統(tǒng)所需幾何造型、文件管理、內(nèi)存管理等基本功能組件，而集中精力開(kāi)發(fā)支持特征造型、VGX約束求解、裝配設(shè)計(jì)、關(guān)聯(lián)繪圖、用戶(hù)接口等組件。
由于ACIS是完全基于組件技術(shù)開(kāi)發(fā)的，其所有基礎(chǔ)功能均通過(guò)不同的組件（表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)聯(lián)接庫(kù)DLL）實(shí)現(xiàn)。在ACIS6.0中大約有五十多個(gè)DLL，所有這些DLL實(shí)際可劃歸為兩部分：ACIS3DToolkit（核心模塊）和OptionalHusks（可選模塊）。其中核心組件提供構(gòu)造系統(tǒng)所需的基本功能（如：基本幾何和拓?fù)�、�?nèi)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(lèi)似于飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括許多開(kāi)發(fā)商的必選構(gòu)件；而另一部分可選組件則提供一些更專(zhuān)業(yè)化和更高級(jí)的功能（如：高級(jí)過(guò)渡、高級(jí)渲染、可變形曲面、精確消影、拔模、抽殼、與CATIA和Pro/E等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口等），這部分作為可選組件由用戶(hù)根據(jù)實(shí)際開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)需要自由挑選、搭配和組合，當(dāng)然用戶(hù)也可用自己開(kāi)發(fā)的組件取代ACIS的部分組件。ACIS的各組件之間存在一定的依賴(lài)關(guān)系，其中核心組件詳情可參見(jiàn)ACIS6.0核心組件依賴(lài)關(guān)系圖。
金銀花系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)是在對(duì)系統(tǒng)功能需求和總體框架結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上得出的，同時(shí)也參照了ACIS的組件劃分思想。圖二給出了系統(tǒng)組件依賴(lài)關(guān)系簡(jiǎn)圖（為節(jié)省篇幅，主要表示了三維零件設(shè)計(jì)部分的組件，而沒(méi)有詳細(xì)表示關(guān)聯(lián)繪圖和裝配部分的組件），為方便組件的集中管理和調(diào)用系統(tǒng)采用了層次結(jié)構(gòu)，主要分為核心組件、功能組件、接口組件三層，上層組件可任意調(diào)用下層組件提供的所有服務(wù)。以下對(duì)圖二作一些介紹：
◆核心組件層：該層包含了系統(tǒng)最重要和最基本的組件，是三維特征造型、二維關(guān)聯(lián)繪圖、部件裝配、動(dòng)態(tài)仿真等模塊的共享部分。ACIS核心組件也位于其中，為系統(tǒng)提供ACIS幾何造型基本功能；LM_GI是提供底層顯示支持，如：對(duì)OpenGL的調(diào)用、對(duì)屏幕刷新的操作、基本幾何元素的繪制；LM_PUBFUN中提供通用數(shù)學(xué)運(yùn)算以及公用鏈表、隊(duì)列、堆棧的類(lèi)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(dòng)態(tài)拖放造型（drag-and-drop)、動(dòng)態(tài)約束添加以及裝配模塊中的動(dòng)態(tài)干涉檢查等的基本組件；LM_KERN包括本系統(tǒng)特征造型功能和ACIS幾何造型引擎連接相關(guān)的類(lèi)LmSuperElement(詳見(jiàn)4)，以及為上層提供的管理類(lèi)、約束類(lèi)、特征類(lèi)等提供超類(lèi)。
◆功能組件層：該層建于核心層之上，系統(tǒng)面向應(yīng)用的主要功能部件均在這一層實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)的不同需求會(huì)希望配置不同功能的軟件系統(tǒng)，從該層選折所需組件集進(jìn)行不同配置即可。圖二所示為三維部分的核心組件LM_KERNPART、特征造型組件LM_FEATURE、VGX約束管理器組件LM_VGX、處理選折對(duì)象的組件LM_PICK、和負(fù)責(zé)總體協(xié)調(diào)管理的組件LM_MANAGE等。而其中特征造型和VGX組件中又分別進(jìn)一步細(xì)化為：草圖特征、高級(jí)特征、自定義特征和VGX約束操作、約束管理約束求解等組件。
◆接口組件層：是系統(tǒng)的最高層，也是與用戶(hù)直
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