（机械电子工程专业论文）cmm离线编程系统的研究与实践.pdf

华中科技大学硕士学位论文 诵要 本文剖析了现有三坐标机离线编程技术特点以及存在的问题，开展了专题研究；提 出了一种开发面向三坐标机离线测量模式下的测量程序编制系统的建立方法，它可以减 少入机交互，降低测量程序维护的难度，提高编程效率。 首先，本文利用面向对象的程序分析和设计方法，提出了构建开放的、稳定的且易 于维护的三坐标离线编程软件系统模型，描述了工具系统模块及其之间的关系。基于 d m i s 语法与句法，以及d m i s 程序结构特点；提出了基于d m i s 的测量方案表示方法 和管理策略，说明了测量方案应包含的内容和数据，并用实例进行了说明。 然后，本文研究了c a d 模型的表示方法，提出了两种获取测量元素的方法，以及 测量元素的计算机内容表示策略，利用分层描述的逻辑模型方法，建立了测量数据的获 取算法和数据管理策略。研究了建立测量程序自动规划的其它关键技术，给出了虚拟测 量环境的建立和环境参数的管理方法；介绍了碰撞干涉检测的方法，给出了测量控制点 管理方法和测量轨迹点排序算法。 最后，本文应用面向对象的程序设计技术，开展了软件开发实践，建立基于d m i s 的测量程序自动生成工具原型系统。利用商品化测量软件，对开发的原型工具软件生成 的d m i s 测量程序进行验证，说明了生成的d m i s 程序符合d m i s3 0 标准，能够正确 驱动三坐标设备对测量元素进行测量。 关键词：三坐标测量机d m i s 离线测量计算机辅助测量程序编制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o b l e m so f t h ec u r r e n tg e o m e t r i ce l e m e n tm e a s u r i n g t e c h n o l o g y a n ds o f t w a r ek i t so fc o o r d i n a t i o nm e a s u r e m e n tm a c h i n e ( c m m ) w e r ec o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e da n dt h e nr e l e v a n tr e s e a r c hw a gc a r r i e do u ta c c o r d i n g l y ac m m - o r i e n t e dd m i s p r o g r a md e s i g n i n gm e t h o dw h i c hi m p l e m e n t e di na l lo f f - l i n ee n v i r o n m e n tw a sp r o p o s e di n t h ep a p e r , w h i c hc a l lr e d u c ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e r , d e c r e a s er e q u i r e m e n t f o rp r o g r a m m e rt om a s t e rc o m p l i c a t e dd m i ss t a n d a r da n dt h e nr a i s ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c y ar o b u s ta n do p e ns o f t w a r es y s t e mm o d e l ( a r c h i t e c t u r e ) f o rc m m g e o m e t r i cm e a s u r i n g t o o lw a sp r e s e n t e db ym e a n so fa p p l y i n go b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g nt e c h n o l o g y , w h i c hd e s c r i b e st h ec r i t i c a lm o d u l e sf u n c t i o n a l i t i e sa n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e m t h e p r e s e n t a t i o ns c h e m ef o rd m i sp r o g r a mw a sp r o v i d e da n da l s oi l l u s t r a t e dt h ec o n t e n ta n dd a t a i nd e t a i l sv i aap r a c t i c a le x a m p l e ，w h i c hs h o u l db ei n c l u d e di nt h es c h e m e , o nt h eb a s i so f s t u d y i n ga n du n d e r s t a n d i n gt h es y n t a x , a c c i d e n c ea n dp r o g r a ms t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f d _ ss t a n d a r d t w om e t h o d so fa c q u i r i n g ( a c c e s s i n g ) m e a s u r i n ge l e m e n t sf r o mc a dm o d e la n dt h e p r e s e n t a t i o ns t r a t e g yf u rt h ea c q u i r e dm e a s u r i n ge l e m e n t sw e r ed i s c u s s e d ，a n dt h er e l a t e d a l g o r i t h mf o ra c q u i r i n gt h ed a t aa n dd a t am a n a g e m e n tm e t h o dw o g ep r o p o s e dv i ab u i l d i n ga h i e r a r c h i c a ll o g i c a lm o d e l t h eo t h e rc r i t i c a lt e c h n i c a lp o i n t sf o rb u i l d i n gm e a s u r i n gp r o g r a m a u t o m a t i cp l a n n i n gw e r ed i s c u s s e da n dam e t h o df o rs e t u pav i r t u a lm e a s u r i n ge n v i r o n m e n t a n de n v i r o n m e n td a t am a n a g e m e n tw e r ei n t r o d u c e d a l s ot h ec o l l i s i o nf r e ed e t e c t i o nm e t h o d w i t sd i s c u s s e d ，t h ep r o b l e m so fm e a s u r i n gc o n t r o lp o i n t sm a n a g e m e n tw a ss o l v e d ，a n dt h e o r d e r i n ga l g o r i t h mo f t h ec o n t r o lp o i n t sw a sp r o v i d e d t h i sp a p e ra p p l i e do b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t e ds u r w a r e d e v e l o p i n gp r a c t i c e ap r o t o t y p et o o lo fa u t o m a t i cg e n e r a t i n gd m i sp r o g r a mw a sd e v e l o p e d i tw a sp r o v e dt h a tt h ed m i sp r o g r a m sg e n e r a t e db yt h ep r o t o t y p et o o lc o m p l e t e l ys a t i s f yt h e d m i ss t a n d a r dv 3 ，0a n dt h e yc a nw o r kw e l lo nr e a lc m mm a c h i n ew h i c hr u n n i n gt h e c o m m e r c i a lc i v l v ls o f t w a r e k e yw o r d s ：c o o r d i n a t i o nm e a s u r i n gm a c h i n e ，d m i s ，o f f - l i n em e a s u r i n g , c o m p u t e r a i d e dm e a s u r i n gp r o g r a mp l a n n i n g 独创性声明 y1 0 1 7 0 1 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴做储獬：歉虢 曰期：c 如。多年8 月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密d 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 熬鲫妒 日期：。沙石年，。月彩曰 导教师签名：知夕刁才 日期：v 移易年o 月7 6 已 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源、意义及目的 1 绪论 1 1 1 课题来源 本课题根据三坐标离线编程软件的发展现状，面向实际应用需求而提出的，属于本 课题组的自选课题。 1 1 2 课题研究的目的 通过对三坐标离线编程技术现状开展研究，剖析现有三坐标离线编程软件在实际应 用中存在的问题，开展专题研究。课题研究的目的可以概述为：( 1 ) 应用先进的软件开 发技术，构建开放的、稳定的且易于维护的三坐标离线编程软件系统模型，进行软件开 发实践；( 2 ) 分析c m m 离线编程的关键技术，研究测头行走轨迹控制点管理的策略、 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 模型的表示及其测量元素的获取方法，以及测量方案的 表示与管理；( 3 ) 研究d m i s ( d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gi n t e r f a c es t a n d a r d ) 标准及其语法， 探索适合离线d m i s 程序编制和修改的方法，易于在人机交互情况下，修改自动生成的 d m i s 程序，降低测量程序维护的难度。 1 1 3 课题研究的意义 随着现代工业的迅猛发展，c m m ( c o o r d i n a t i o nm e a s u r i n gm a c h i n e ) 技术的研究和 应用得到了越来越广泛的重视。从国内外的实际应用情况看，c m m 设备仍然还是检测 精密零件的尺寸和公差的主要工具和常用方法，因此，开展面向c m m 的三坐标几何测 量软件技术的研究，改进和克服现有技术的不足，对于推动高精度零件检测技术的发展， 既具有非常重要的现实意义，又具有一定的学术价值。主要表现在下面三个方面。 ( i ) 通过分析现有离线编程软件中存在的不足，根据d m i s - i n 和d m i s o u t 的思 想，提出离线式的计算机辅助d m i s 测量程序编制方法，降低测量程序的维护难度，提 高测量程序的易阅读性和可维护性。 ( 2 ) 根据d m i s 标准与语法规则，提出基于d m i s 的测量方案的表示和数据管理方 法，保证在异构c m m 系统应用中能够不损失有关测量信息和数据。 ( 3 ) 由于离线测量程序编制系统不依于硬件环境，同时，不需要那些复杂的几何计 算( 如曲线、曲面拟合算法) 和其他功能，简化了软件系统的复杂性，降低了软件系统 华中科技大学硕士学位论文 的成本，使得系统在企业有限资源情况下，能有更多的d m i s 程序员参与到测量程序编 制和管理工作中，从而提高c m m 设备的利用率。 1 2c m m 硬件与软件技术的发展历史回顾 检测的过程是将产品图纸中定义的规格或标准与实际加工的零件进行比较，以判断 实际加工的零件是否满足设计的要求。要进行检测活动，首先需要编制检测规划，编制 检测规划的目的是以最少检测时问和最少不确定性因素，按照一定的顺序，将测量要素 进行排序，以指导实际检测活动。通常，在产品开始制造的时候，就需要对产品中的零 件分别进行检测规划，内容包括确定如何可靠地测量待测尺寸，如何用合适的检测设备 和方式进行检测，以及检测的顺序等。在制造过程中，常常需要通过定义基准点和基准 面的方法来保证零件能够得到正确的加工，使得零件中的几何尺寸和公差易于得到保 证；同样，在检测过程中，测量人员也需要利用测量器具来获取这些信息，保证测量活 动的有效性f 1 】。在过去，由于条件限制，对于零件的几何尺寸和位置公差需要分别多次 测量、选择多种器具来实现；而三坐标测量机( c m m ) 可以通过一次安装和对c m m 设 备( 包括测头) 进行预定义后，一次完成所有几何尺寸和位置公差的测量【2 1 。由于c m m 设备集成了光、机械、数字控制和计算机等技术，具有较大的测量范围和较高精度，因 此在制造过程中，c m m 已经成为首选的测量设备，特别是在汽车制造业中得到了广泛 应用【3 1 。 1 2 1c m m 设备发展概述 c m m 及其技术最早出现于6 0 年代初，具有代表性产品有意大利d e a ( d i g i t a l e 1 e c t r o n i ca u t o m a t i o ns p a ) 生产的硬测头式便携式c m m 设备，英国f e r r a n t im e t r o l o g y 公司生产的具有固定测头且可以读取三维坐标的c m m 设备，以及d c c ( d i r e c t c o m p u t e r a s s i s t ) c m m 设备，英国l k 生产的桥式c m m 设备等。随后，悬臂式、桥式、台架式、 水平臂式、移动式、移动工作台式、具有关节臂式等各类配置的c m m 开始出现。到目 前为止，世界上每年有6 0 0 0 台c m m 设备出厂，它们既可以用以测量零件，也可以作 为c n c 机床的检测工具1 4 - 6 1 。 目前，欧洲的主要c m m 设备制造商以l k ，z e i s s 和i m s 为代表。l k 公司的产品 包括g s 0c m m , g 9 0c m m , g s o cc m m , g 9 0 cc m m ，这些设备使用的是l kd m i s 或 c a m e oc m m 软件。i m s 的产品包括i m p a c tc m m , m e r l i nc m m , 以及u m p i r ec m m , 2 华中科技大学硕士学位论文 p r e m i e r 等。z e i s sc m m 制造商是继w e n z e l ，m o r a , 和s t e i f f i m e y e r 三家以水平测量臂设 备为代表的公司之后发展起来的后起之秀，是欧洲发展最快的c m m 制造商，也是c m m 业界著名的测量头制造商r e n i s h a w 的最大用户。z e i s s 公司主要生产高精度c m m 设备， 配备精密扫描测头和r e n i s h a w 的触发式测头，它的产品在动力机车、汽车工业中长期 占据着主导地位l ”。 美国的c m m 制造商包括a p o l l or sc m m , c o r d a xc m m , s h e f f i e l d ，它们生产手动 c m m 和d c cc m m 设备。其中，s h e f f i e l dc m m s 在上世纪8 0 年代中期与g i d d i n g s l e w i s 合并，成为现在的s h e f f i e l d 测量公司。它开发的c m m 软件当时被称为直接检查 和测量系统( d i r e c ti n s p e c ta n d m e a s u r e m a x ) ，是著名的c m m 编程软件之一，可以利 用c a d 数据，进行c m m 程序编制。后来，b r o w n & s h a r p e ( b n s ) 收购了l e i t z 和d e a ， 成为当时世界上最大的c m m 设备制造商。它生产的产品包括x c e lc m m ，m i c r o v a lc m m , r e f l e xc m m , m i s t r a lc m m ，s c i r o c c oc m m , g l o b a lc m m , g a g e2 0 0 0c m m 。它开发的 c m m 软件包括m m 4 ，a v a i l ，t u t o rf o rw i n d o w s 以及p cd m i s 。随后，瑞典的h e x a g o n 收购了b n s 公司。 日本的著名c m m 制造商是m i t u t o y o ( m t d ，它生产桥式c m m 和桥，悬臂c m m 设备是全球最畅销的设备之一。 1 2 2c m m 软件发展概述 许多c m m 设备制造商和软件公司开发了一系列的c m m 软件。其中，a t t 公司开 发了c a p p s 系统，e d g e s 公司率先开发了基于c a d 的测量软件；美国e n t e l e g e n c e s o f t w a r es o l u t i o n s 开发了v i r t u a ld m i s ，法国的m e t r o l o g i c 公司开发了m e t r o l o gi i 软件 系统。这些软件从功能上看，都可以对棱柱体零件进行检查，并支持曲线和曲面的几何 测量功能。 在c m m 技术发展的过程中，为了解决不同软件提供商所提供的c m m 之阔存在测 量程序兼容的问题，c m m 业界提出了公共的c m m 编程语言d m i s 。在现有的商品化 c m m 软件中，美国e n t e l e g e n c es o f t w a r es o l u t i o n 开发的v i r t u a ld m i s 系统对d m i s 的 兼容性设计的较好，它可以直接读写d m i s 程序以及其它应用系统输出的d m i s 程序； 除此之外的c m m 软件，如b r o w n & s h a r p e 开发p cd m i s 则提供的是一个d m i s 转换， 而不是从数据结构底层直接兼容d m 【s 。 从c m m 软件技术研究情况看，许多研究结构和专业公司已经投入了大量的人力物 力，成功地开发了一些的c m m 检测规划系统，如表1 1 所述。 华中科技大学硕士学位论文 表1 11 9 8 9 年2 0 年部分研究机构研发的c m m 软件汇总 蓑墅开发者时闯瑟舻自主要特色功能 使用盼软件工具 t r a b a n da n d检测系统自动提取公差信 a u t o l i s p , 直接读取c a d1 9 8 9c a d 模型 m e i d e i r o s m l息a u t o c a d 开发了一个预处理器，支 基于知识的直接 p h a m e t a l 1 9 11 9 9 1 c a d 模型持在c a d 模型输出时，生f 搿皿4 读取c a d 成一个中性文件 r e i n m a n nm a d 几何模型数 开发了一个专家系统，可 基于知识1 9 9 3以优化检测计划，模拟测 e p s - ld m i s s a l 韬s 1 0 l据库 头行走轨迹 开发了一个检测知识库， 面向对象且基于 m a r e f a t d a l 1 1 1 |1 9 9 3 实体模型支持检测规划生成，优化8 m a l l t a l k 特征 检测方案 直接读取c a dy a n a n d m e n q 1 2 11 9 9 4实体模型测头路径规划 f o r t r a n ，c a t i a 面向对象且直接 r o ye ta 1 1 1 3 l1 9 9 4c a d 数据库检测顺序规划 c o n c e p tm o d e l e f 读取c a d 面向对象且基于 g ua n d c h a r t 叫 1 9 9 6s 1 ，模型检测过程和路径规划 s m a u t a 止, a u t o c a d s t e p 模型 a j r e a la n d 撕 基于知识1 9 9 8实体模型 归类分析 习 测头路径和路径控制点规 直接读取c a df a n a a d l e u t o l1 9 9 8实体模型a u t o c a d 划 l i m a e i m a a d 可测性与归类分析 a c i s ，a u t o c a d , 直接读取c a d1 9 9 9 实体模型 e l m a r a g h y 【1 1 检测顺序和路径规划l 璐p c + + 基于特征的规划，图示化a l p s ( 一种过程描 基于知识和特征 m c s s i n a d a l 嗍2 0 0 0 实体模型驱动零件摆放，基于知识 述语言xe x p r e s s ， 的检测控制c * v a a f e e s a t 锄d 特征的可测性分析，归类c l h 妇1 峨c ， 直接读取c a d2 0 0 0实体模型 e l m a r a g h yl l 分析 m a t l a b 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 国内外商品化c m m 软件系统发展现状 目前，国外较为流行的商品化c m m 软件系统有b r o w n s s h a r p 开发的p cd i m s 系统和e n t e l e g e n c es o i t w a r es o l u t i o n 开发的v i r t u a ld m i s 系统。国内的商品化c m m 软 件系统研发情况少有报道。 1 3 1p c d i m s 系统 p c - d m i s 为几何测量的需要提供了较好的解决方案，该系统可以方便地对简单的 箱体类工件和复杂轮廓和曲面等对象进行测量。用户界面简捷，具有引导用户进行零件 编程、参数设置和工件检测的功能，能够将检测数据生成可视化的文本和图形报告。 p c d m l s 的主要技术特征包括；( 1 ) 模块化配置，满足客户的特定需要；( 2 ) 可 定制的、直观的图形用户界面( g u i ) ；( 3 ) 支持多语言；( 4 ) 完善的测头管理、零件 坐标系管理和工件找正功能；( 5 ) 支持多种标准规定的形位公差评定功能；( 6 ) 通过了 p t b 认证；( 7 ) 具有强大c a d 功能的通用测量软件；( 8 ) 预留基于用户需要的二次开 发接口；( 8 ) 具有各种智能化扫描模式，完成复杂型面的扫描；( 9 ) 强大的薄壁件特 征测量程序库；( 1 0 ) 便捷的逆向设计测量功能；( 1 1 ) 互动式超级图形报告功能，增加 了报告格式和数据处理的灵活性；( 1 2 ) 系统支持测量数据的统计分析功能。 1 3 2v i r t u a ld m i s 系统 v i r t u a ld m i s 可以在离线和在线两种情况下运行，可以满足大多数用户的应用需求。 从功能上看，v i r t u a ld m i s 除了支持普通几何元素的尺寸和形位公差测量外，还支持直 齿和斜齿轮的测量。其中，测量范围包括齿形、齿向、齿厚、周节、跳动等公差项；齿 轮测量模块支持a g m a 、d i n 以及i s o 标准。此外，v i r t u a ld m i s 还支持测量数据的统 计分析功能，可以对重复测量对象生成x - b a r 图、r 表、柱图等，通过对采样数据分析， 可以给出c p ，c p k 偏差。 v i r t u a ld m i s 具有宜人的用户界面。系统提供了一个全三维的c m m 设备以及 r e n i s h a w 测头的真实显示环境，c m m 模型库中包含i m s 公司生产的各类c m m 设备， 用户可以对c m m 模型进行仿真操作运行，使得用户可以在虚拟c m m 设备、具有转向 关节的测头等数字化环境下，进行d m i s 程序编制、验证和仿真。此外，系统提供了一 个c a d 模型交互工具，可以移动、旋转c a d 模型，以及重新定义c a d 模型的坐标系。 系统提供了一种图标化的d m i s 编制界面，支持用户用更高级的语言来表示d m i s 华中科技大学硕士学位论文 语句，降低了编程人员对d m i s 标准掌握的要求。图标化的d m i s 编制功能还支持d m i s 宏命令，例如j u m pt o ，i f - a n d e l s e 等语句，丰富了d m i s 程序编制的功能。 系统提供了两种测量方式：( 】) 通过拾取待测对象，可以实现基于元素的测量。( 2 ) 系统还提供了待测元素的自动识别功能，其中，智能测量算法可以自动识别测量元素的 类型，支持手工c m m 设备和c n c 驱动的c m m 设备，大大简化了人机交互操作。此 外，系统支持碰撞干涉检查，验证d m i s 程序的正确性。 v i r t u a ld m i s 支持各类测量报告格式的输出( 文本方式和图形方式) ，同时，也可以 自定义输出报告格式，可以满足不同用户的需求。v i r t u a l d m i s 还有个数据管理模块， 支持基于w e b 的数据管理模式。v i r t u a ld m i s 将输出报告以d d m l 的格式发送至数据 管理模块，即可实现异地数据访问。 1 3 ，3 国产c m m 软件 北京航空精密机械研究所是国家级多学科综合技术研究所，是国内最早从事三坐标 测量机开发、研制的单位。从1 9 7 2 年开始研制三坐标测量机，1 9 7 8 年三坐标测量机商 品化，是国内第一家生产测量机的企业，现己销售6 0 0 多台，至今己有十种不同系歹i j 品 种的测量机。该所早期从事过c m m 软件的开发，虽然在市场上曾经有过销售过，但是， 目前没有资料说明该所仍然继续在开发c m m 软件。目前，该所在代理美国e n t d e g e n c e s o f t w a r es o l u t i o n 开发的v h - t u a ld m i s 软件。因此，从资料显示，国产商品化c m m 软 件基本处于空白。 1 4 论文的研究内容及创新点 本学位论文的主要研究内容概括如下： ( 1 )研究了c m m 软件的关键技术和当今商品化c m m 软件，提出了一种c m m 离线 测量程序编制方法，进行了软件开发实践。 ( 2 )全面学习了d m i s 标准，了解了d i v l i s 语法与句法，建立了基于d m i s 的测量方 案表示方法和测量方案的构成，解决了测量程序的存储和管理问题。 ( 3 )研究了c a d 模型的表示方法和模型访问的算法，建立了测量数据的获取算法， 并给出了测量数据的管理和表示方法。 ( 4 )研究了测量环境的建立和环境参数的管理方法，介绍了本文采用的碰撞干涉检测 测量，提出了测量路径控制点的管理方法，以及对测量轨迹点进行排序的算法。 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 )应用面向对象的程序设计技术，开展了软件开发实践，开发了一个c m m 离线编 程系统原型。 本学位论文的主要劬新点有： ( 1 )提出了一种符合d m i s 标准的测量程序自动编制的方法，支持人机交互编辑修改 生成的d m i s 程序，开展了软件开发实践。 ( 2 )建立了基于c a d 模型( 如b r 印模型) 的测量数据获取算法和数据管理策略， 解决测量元素获取问题。 ( 3 )提出了虚拟测量环境的建立和环境参数的管理方法，给出了测量路径控制点管理 方法以及测量轨迹点的排序算法。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 离线编程系统框架 开展c m m 离线编程系统的研究，首先需要应用合适的系统建模技术来进行系统功 能分析，抽象系统功能，并将接口对象和实现内容进行分离，以降低系统模块问的偶合 性，提高系统的可维护性。在系统模型的建立过程中，还需要给出系统模型建立的开发 环境和支撑技术，为软件开发的实践提供方法和依据。 2 1 离线编程系统建模 2 1 1 建模方法和实现技术概述 目前常用的系统建模方法是面向对象( o b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i s ，o o a ) 技术。o o a 是一种基于事物抽象的分析方法( 即认识事物本职的方法) ，它通过将事物的特性和消 息封装，将其作为一个独立的、具有可继承性、多态性的实体处理，使得整个程序由这 些有机的实体搭建而成，从而保证系统的可重用性、可维护性、易扩展性和易维护性等 特性。在面向对象程序设计方法中，将这些实体称为类( c l a s s ) ，而对于那些类能够处 理的消息，则称为方法或者成员函数( m e t h o d s ，o rm e m b e rf u n e f f o n s ) 。 将建立的系统模型转化为物理代码的过程就是程序编制，常用的方法主要有面向对 象的程序设计技术( o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n , o o d ) 。程序编制是通过将程序语句和函数 的组合、集成到一个单元中，形成独立的单元代码，从而可以完成一些特殊的、定义明 确的任务。为了保证程序单元代码的可理解性和可维护性，在规划和建立c m m 离线编 程系统时就应该采用o o d 的程序设计方法，来有效地解决这个问题。 在c m m 离线编程系统设计中，我们运用o o a 技术分析系统功能，建立系统的分层 模型，然后应用o o d 技术抽象功能模块对应的类图，进而得出类的方法和数据成员， 进行系统的原型系统开发与实践。 2 1 2 开发环境和支撑技术 ( i ) 开发工具 目前，流行的开发工具是m i c r o s o f t 开发的v i s u a lc + + ，它以功能强大的m f c 内库 为基础，提供了功能全面的函数供用户直接调用，可支持复杂的应用程序开发，大大地 缩短了系统开发周期。因此，在进行系统建立时，将采用v i s u a lc h 为平台，进行原型 8 华中科技大学硕士学位论文 系统的开发实践。 ( 2 ) o p i n v e n t o r3 d 图形显示引擎 o p e ni n v e n t o r3 d 是t g s 公司的研发的产品。t g s 是一个致力于在u n i x 系统下进 行3 d 图形交互软件开发的提供商，其产品支持j a v a , a e t i v e x , o p e n g l 以及v r m l 等语 言标准。1 9 9 5 年4 月，t g s 开发了基于p c 机的3 dv r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n g l a n g u a g e ) 1 浏览器( w e b s p a e en a v i g a t o r ) ，获得了1 7 家i n t e m e t 软件和硬件开发的厂商 的认证，建立了以o p e n i n v e n t o r 为基础的v r m l 浏览软件。随后t g s 快速发布了3 d c + + 和a c t i v e x 开发工具，以支持3 d m a s t e r s u i t e 的3 d v r m l 浏览，获得了包括m i c r o s o f t 、 s u n 、h p 等公司的认证。t g s 应用产品能够创建和使用3 d 图形，范围包括可以加入到 m i c r o s o f to f f i c e 中的3 d 艺术插件( l i v e w o r k3 d ) ，可以在w e b m a s t e r s 中利用拖放的 方式生成应用的三维工具( 3 s p a c ep u b l i s h e r ) ，以及在a m a p i 环境下进行n u r b s 造型 的工具。 o p e ni n v e n t o r3 d 开发工具是一个面向对象的系统，它将图形编程的任务简化成一系 列易于使用的对象，具有w i n d o w s 环境下应用系统的许多特性。这些对象包括了底层 以数据为中心的对象，例如，球、照相机、材料、光源、组，以及高级应用的对象，例 如场景浏览、材料编辑等。在i n v e n t o r 中的一个基本概念是“场景数据库( s c e n e d a t a b a s e ) ”，用户可以在应用程序中，直接使用这些数据库中定义的对象。当使用i n v e n t o r 创建、编辑图形时，可以将这些对象组合为一个分层的3 d 场景图形数据库。许多基本 的应用操作，例如，场景的渲染、拾取、事件处理和文件读写等都与数据库中对象相关 联，使得在使用i n v e n t o r 时，易于调用这些相应的功能。 由于i n v e n t o r 是一个面向对象的c + + 程序，因此，用户可以通过定义新的类来方便 地扩展。i n v e n t o r 用户创建的许多类，例如有b e z i e r 曲面、c s g 对象、动画对象、特殊 浏览器等。i n v e n t o r 的渲染功能采用了o p e n g l 显示技术，因此，在对每个对象自动渲 染时，需要掌握正确地调用o p e n g l 的方法。此外，o p e n g l 渲染支持高速缓存技术， 使得渲染数据库的生成速度较快。i n v e n t o r 拾取工具非常有效，在拾取时没有渲染开销。 当利用i n v e n t o r 拾取工具拾取对象时，系统将返回拾取元素类型的详细信息，用户可以 1 v r m l 是一种被用于i n t e m e t 上传输三维几何数据的文件格式。单一的对象和全部的场景都可以用v r m l 来表示。 大多数的v r m l 格式直接可以从o p e ni n v e n t o r 文件格式中获取，并且o p e ni n v e n t o r 节点可以与v r m l 节点混合 o p e ni n v e n t o r 支持将v r m l 节点作为原始的o o c ni l l 删t o r 节点，这样，使得o p e ni i l 啪t o r 可以强有力地支持利用 v r m l 文件格式，在i n k r n c t 上传输3 d 图形。 9 华中科技大学硕士学位论文 方便地获得拾取对象的有关数据。此外，i n v e n t o r 的拾取效率较高，响应速度快，支持 三维元素的高亮显示等操作。 ( 3 ) o p e nc a s c a d e 几何引擎 o p e nc a s c a d e 对象库是用于快速开发三维造型系统的一套用面向对象c + + 编写 的函数库，它的典型应用包括开发通用的计算机二维c a d 系统和三维c a d 系统，制造 分析和模拟工具等。开放的o p c nc a s c a d e 对象库是o p e nc a s c a d e 公司利用 c a s c a d e 技术开发的，它们基于模块化，具有较强的扩展性。例如，系统独立的类可 以支持定义数据结构( 几何造型、显示和图形拾取) 、实现复杂算法，以及提供应用编 程接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) 。 o p e nc a s c a d e 函数库可以帮助用户快速开发原型系统，提供的功能包括： _ 2 d 和3 d 几何造型工具，支持用户建立任何类型的几何对象。 创建类似棱柱体、圆、圆锥、凸台等简单几何体。 _ 执行b o o l e a n 运算( 布尔并、布尔交、布尔减) 。 _ 利用斜面、轴等元素构建螺旋体。 利用偏置、抽壳、蒙皮、扫出等方法构建几何体。 _ 计算曲面、体的几何属性，例如重心、曲率等。 - 利用投影、插值、拟合来计算几何对象。 可视化服务，支持用户管理对象的显示和视图操作。例如，旋转、缩放、投影、 线框模型、关联非几何数据与几何体等操作。 - 模型的参数化。 支持用户创建自己的图形用户界面。 支持载入和输出c a s c a d e 格式的模型，以及转换为i g e s 、s t e p 等标准文件 格式。 这些库分为六个模块( 最小的模块是基础类，包括两个函数库；最大的模块是造型 算法模块，包括八个库) ，具体库的层次结构如下面图2 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 g e o m e t r y g l i l i f i e sf i l l ma n d o m 衙s ，d v i d i z 砒i a p 2 0 3 a p p l i c a t i o n d e s k t o p t o p o l o g y o f f d s s e 娜t s , d r a 舡s c w 血 e x l e a p 2 1 4 n d e dd a t a f e a t t t r e s e x c h a n g e ( x d e ) h i d d e nl i n er e m o v a l g e o m e t r i c t o o l s t o p o l o 咖a lt o o l s 图2 1o p e nc a s c a d e 几何引擎系统 ( 4 ) d m i s 标准 d m f s 标准是一个表示测量数据的词汇表，它建立了一个面向检测程序与检查结果 数据的中性格式。d m i s 编制的主要目的是自动设备间的通讯互访，同时，也为了能够 支持可读、可手工书写程序，而不需要计算机的帮助。利用增强的高端语言扩展，d m i s 能够作为d m e 语言。通常，c m m 利用d m l s 程序进行检测，测量的结果数据则传回 给一个分析系统，或者是一个存储系统，例如，质量信息系统。这个手工界面能够支持 d m l s 程序的手工书写，结果分析，而无需利用计算机 下面的图2 2 给出了d m i s 标准的应用环境。d m i s 一个检测程序可以采用多种形 式直接访问。检测程序的生成，可以利用c a d 系统、非图形系统、自动系统或手工构 造。一个程序系统可能需要预处理，可以将程序转换为d m l s 格式；一个d m i s 检测程 序可以在不同的尺寸测量设计( d m e ) 中使用和执行。图2 ，2 中，c m m 设备1 的应用情 况有一个d m j s 的预处理器和后处理器，可以将d m j s 数据转换为难一的数据格式： c m m 设各2 的应用情况可以将d m i s 作为自己原始数据格式，因此，不需要预处理或 后处理，即将d m i s 程序解码，而直接使用。总之，d m i s 独立于个人和系统，是一个 公共的通用格式。 华中科技大学硕士学位论文 非图形离线编程系 统 预处理 图形分析系统 后处理 c a d 图形d 枷s 离 线编程系统 c a d 图形编程与分 析系统 预处理和后处理 d m i s 标准 结构数据分析系统 后处理 质量信息系统 后处理 d m i s 自动编程系 统 剥 c m m 设备z 。m 蟮手工编程 一 l设备2ild m i s 手工编程 预处理和后处理ll 图2 2d m i s 标准的应用环境 2 1 3 离线编程系统模型 根据应用要求，运用上述方法可以将c m m 离线系统的模块抽象为四个层次，形成 如图2 3 所示的离线编程系统的层次模型。各层的作用分别是：( 1 ) 外部应用系统层。 该层可以利用c m m 离线编程系统的提供的a p i ，实现异构c a d 系统和c m m 生产厂 商开发的测量系统与其进行交互，如将异构的c a d 模型载入当前系统，将生成的d m i s 测量程序输出至c m m 软件系统中，供实际测量用。( 2 ) 应用界面层。该层主要提供 c m m 离线编程系统的工具按钮和菜单，图形显示和管理，文件的输入，输出等人机交 互的管理功能。( 3 ) 功能组件层。该层是c m m 离线编程系统的关键层和核