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基于組件的三維CAD系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術研究
摘要：研究了組件技術和特征造型技術，并以“金銀花”系統(tǒng)的開發(fā)為實例對基于組件開發(fā)三維CAD系統(tǒng)的相關技術和實現(xiàn)方法進行了深入研究，給出了實現(xiàn)系統(tǒng)的框架結構和組件結構。
關鍵詞：CAD組件變量化(VGX)實體造型特征造型
1.引言
隨著傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)在工業(yè)界的應用普及以及現(xiàn)代設計問題的復雜化、智能化，人們不再僅僅滿足于用計算機取代人進行手工繪圖。所幸隨著計算機圖形學、人工智能、計算機網(wǎng)絡等基礎技術的發(fā)展和計算機集成制造、并行工程、協(xié)同設計等現(xiàn)代設計理論和方法的研究，使得CAD系統(tǒng)也由單純二維繪圖向三維智能設計、物性分析、動態(tài)仿真方向發(fā)展，參數(shù)化設計向變量化和VGX(超變量化)方向發(fā)展，幾何造型、曲面造型、實體造型向特征造型以及語義特征造型等方向發(fā)展；另一方面，伴隨著CAD軟件復雜程度的增加和各個不同應用系統(tǒng)間互操作的現(xiàn)實需要，人們希望CAD系統(tǒng)具有極佳的開放性同時又能“搭積木”似的自由拼裝形成不同的功能配置，軟件工程技術特別是組件開發(fā)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。
組件技術使得各CAD系統(tǒng)開發(fā)商們不必再完全遵從“一切從零開始”的開發(fā)模式，他們可根據(jù)自己的技術優(yōu)勢在滿足組件接口規(guī)范要求下開發(fā)不同的構件，然后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系統(tǒng)。這種方式因其開發(fā)周期短、見效快、系統(tǒng)柔性高、開放性好、以及容易“即插即用”和進行并行開發(fā)等優(yōu)勢而倍受親賴。
本文主要討論采用組件技術開發(fā)國產(chǎn)商品化CAD/CAM系統(tǒng)——“金銀花”系統(tǒng)的一些關鍵技術。
2.系統(tǒng)框架
“金銀花”是在ACIS幾何建模平臺上，采用變量化特征造型技術，基于STEP標準——遵循AP214和AP203協(xié)議而研制開發(fā)出來的商品化三維CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本框架結構如圖一所示，大體分為三個層次——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)庫和邏輯數(shù)據(jù)模型兩部分，它是CAD系統(tǒng)的設計結果，也是CIMS信息集成的主模型，由于本系統(tǒng)是符合STEP標準的，故可以通過標準數(shù)據(jù)存取接口(SDAI)進行操作，數(shù)據(jù)是用戶利用系統(tǒng)功能實現(xiàn)的。
功能層是主體部分，主要有三維零件設計、裝配設計、二維工程圖設計三大模塊，由于有主模型的支持，三塊之間相互關聯(lián)：即任一部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結合、特征模型與實體模型共存，大大方便了后續(xù)工藝分析和加工對特征信息的需求又滿足了顯示、變換、物性計算、干涉檢查等操作對實體信息的要求。變量化VGX技術主要在草圖設計、特征造型、裝配設計等部分應用，極大的方便了用戶對設計的編輯和修改。
接口層是提供系統(tǒng)的對外接口，分為功能接口與數(shù)據(jù)接口。功能接口便于用戶進行二次開發(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)訪問方式。
3.組件結構
系統(tǒng)的組件結構設計是基于組件技術開發(fā)CAD系統(tǒng)的關鍵，主要內(nèi)容是根據(jù)應用系統(tǒng)的功能需求列出所有構成組件、各個組件間的依賴關系和接口，并確定哪些組件自己開發(fā)而哪些可直接從組件供應商處購買以縮短開發(fā)周期。而本系統(tǒng)就是通過從美國STI公司(SpatialTechnologyInc.)購買三維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，而集中精力開發(fā)支持特征造型、VGX約束求解、裝配設計、關聯(lián)繪圖、用戶接口等組件。
由于ACIS是完全基于組件技術開發(fā)的，其所有基礎功能均通過不同的組件（表現(xiàn)為動態(tài)聯(lián)接庫DLL）實現(xiàn)。在ACIS6.0中大約有五十多個DLL，所有這些DLL實際可劃歸為兩部分：ACIS3DToolkit（核心模塊）和OptionalHusks（可選模塊）。其中核心組件提供構造系統(tǒng)所需的基本功能（如：基本幾何和拓撲、內(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，類似于飛機的發(fā)動機，其中包括許多開發(fā)商的必選構件；而另一部分可選組件則提供一些更專業(yè)化和更高級的功能（如：高級過渡、高級渲染、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根據(jù)實際開發(fā)的系統(tǒng)需要自由挑選、搭配和組合，當然用戶也可用自己開發(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關系，其中核心組件詳情可參見ACIS6.0核心組件依賴關系圖。
金銀花系統(tǒng)組件結構是在對系統(tǒng)功能需求和總體框架結構分析基礎上得出的，同時也參照了ACIS的組件劃分思想。圖二給出了系統(tǒng)組件依賴關系簡圖（為節(jié)省篇幅，主要表示了三維零件設計部分的組件，而沒有詳細表示關聯(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)采用了層次結構，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。以下對圖二作一些介紹：
◆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、二維關聯(lián)繪圖、部件裝配、動態(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OpenGL的調(diào)用、對屏幕刷新的操作、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(tài)拖放造型（drag-and-drop)、動態(tài)約束添加以及裝配模塊中的動態(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的類LmSuperElement(詳見4)，以及為上層提供的管理類、約束類、特征類等提供超類。
◆功能組件層：該層建于核心層之上，系統(tǒng)面向應用的主要功能部件均在這一層實現(xiàn)。用戶的不同需求會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、處理選折對象的組件LM_PICK、和負責總體協(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、約束管理約束求解等組件。
◆接口組件層：是系統(tǒng)的最高層，也是與用戶直
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