机械CAD软件系统面向对象建模方法研究解读

1、机械CAD软件系统面向对象建模方法研究0引言在机械设计过程中，将大量复杂而繁琐的设计计算、图表查询等任务交 给计算机去完成，是机械 CADS统要完成的主要工作之一。过去，这种 CADS 统的开发均采用面向过程的建模方法，用这种方法所得到的程序提供的一个面 向工程的减速器设计计算程序，不仅可读性差，更致命的是条件稍作更改，程 序要作相当大的变动，且可扩充性及可维护性差。将9 0年代的设计方法一一 面向对象技术应用于这类系统之上，是机械 CADS统今后发展的方向之一。 适应这一发展要求，进行机械CADS统面向对象建模方法研究具有重要的意 义。1 面向对象建模思想 面向对象方法采用对象建模观点，其主

2、要思想如下：（1）客观世界是由许许多多的对象所组成的，每种对象都有其自身的 状态和改变其状态的运动规律。（2）面向对象利用“抽象数据类型”对客观世界进行拟合，在对象 （模块）中，用数据来描述现实世界中对象的状态，用处理过程（操作）来描 述其状态的改变规律，相似的对象抽象为类，类由数据和操作组成，对象由类 来生成并自动拥有类所定义的特性。（3）对象之间相互通讯的唯一方式是消息传递。换句话说，系统内各 要素（对象）之间的联系是通过消息通讯方式进行的，这不仅真实地模拟了现 实世界，而且使得软件系统呈柔性，是真正的松耦合系统。传统的面向过程的系统建模过程是一种顺序的线性过程，这种模型强调 开发中的每一

3、过程的完整性和独立性，后一过程必须在前一过程之后才能进 行，这显然不符合人们认识世界是一个渐进往复的过程这一客观规律；同时， 传统方法以功能分解为出发点，虽然容易较快地得到早期的系统结构，但只是 一种短期行为，从长远来看，这种行为具有灾难性：当功能发生变化或需求定 义有欠缺时，设计者将面临的是重新设计。而面向对象方法则不同，它以识别 “对象”和“对象的功能”为出发点，通过把问题域作为一系列相互作用的实 体进行建模，把整个开发阶段的每个过程看作是互相交迭的不断深化的过程， 从而使得问题空间和求解空间保持一致。相比较而言，“对象”要稳定得多， 即使个别对象发生变化，对全局造成的影响也小得多，因此，

4、用面向对象的方 法开发出的软件，系统易于扩充和维护。2 面向对象建模过程建模的过程实际上就是一个分析的过程，根据 Coad-Yourdon 法观点， 面向对象分析过程分为标识对象、标识结构、标识主题、定义属性、定义服务 五个步骤，作者在认真研究机械 CADS统特点的基础上，采用 Coad-Yourdon法 进行面向对象的分析建模，开发了广泛用于机械零件课程设计的减速器设计系统。对机械CAD系统采用面向对象分析建模，完成 Coad-Yourdon法五个步 骤的工作便可确定组成机械系统的对象、系统的结构、系统中各成分对象之间 的联系和相互作用以及系统与外界的联系等，现分述如下：2.1 标识对象对象

5、是一组信息及其上面的操作的描述，标识对象一般从问题空间、文 字资料和图片资料入手。对减速器设计CAD系统而言，首先从各种类型的减速器装配图入手，由 装配图明细表大致圈定有可能成为对象的名词，然后根据设计手册和其它有关 设计资料剔除类型相同的部分，剩余的就是我们要标识的对象。这样，我们可 以标识出螺栓、螺母、垫片、键、销、齿轮、蜗轮、轴承、挡圈、套筒、毡 圈、密封圈、箱体、轴承盖、套杯、视孔盖、油标、起吊螺钉、通气塞、油塞 等对象。2 . 2 标识结构系统是依据基本对象间相互作用联系而构成的有序集合，正是由于系统 的结构性，系统才成为一个有特定功能的整体。因此，为了构造软件系统，完 成系统预定的

6、功能，必须标识结构。每一个标识出的对象都可以抽象出一个抽 象数据类型，标识结构就是要标识出系统对象和各实例对象之间的共性结构， 从而求出整个系统的“数据结构”。确定结构对于系统各要素之间的联系和相 互作用而发生的通信十分重要。结构可分为分类结构和组装结构，对机械 CAD系统而言，标识对象的组 装结构（整体部分结构）的最佳策略是仔细分析机器的总图和各部分的总 成图，而标识分类结构（一般特殊结构）则要依赖于行业知识。对减速器 而言，由总装图我们可以看出整个减速器是由螺栓、键、齿轮、轴、箱体等许 许多多零件组成，这就构成一个组装结构；而由机械方面的知识可知，键可分 为平键、半圆键、楔键等，这便构成一

7、个分类结构。依此类推，可以标识出整 个减速器的结构。2.3 标识主题主题是用以控制系统庞大性、复杂性的一种机制。根据系统的层次性， 为更好地揭示系统内各要素之间的联系和相互作用，必须确定主题。专业工程中对系统的“整体部分”结构的划分是我们标识主题的基 础。对减速器系统而言，减速器成为最高层次抽象的主题，而减速器又可看成 是由联接部件、传动部件、轴系部件及其它附件组成，这便可构成次一级层次 的主题抽象。同样，我们可以逐次往下，不断增加细节，形成较低层次的主 题。2.4 定义属性 属性是用来描述对象状态的数据，它在类的每个对象中均有自己的值。 属性明确了一个具有确定名字的对象到底是什么，并能为抽象

8、的对象模型提供 更多的细节。定义属性阶段主要完成的工作是识别属性、定位属性和识别实例 连接。标识属性的过程实际上是一个分析和选择的过程，每一个对象不同于其 它对象的独有的特征描述参数都有可能成为该对象的一个属性。在标识属性 时，还要充分利用分类结构中的继承机制来确定属性的位置，将通用的属性放 在结构的最高层，而将特殊的属性放在低层。当然，对于一个属性适用于大多 数类，但却不适用于另外少数几个特殊类的情况，可将属性放在通用的地方， 而在不需要的地方把它覆盖掉。对减速器而言，需要定义的属性很多，属性定位必须仔细分析。比如螺 纹联接件可分为螺栓、螺钉、螺母、垫片等几类，其描述参数有国标号、直 径、长

9、度等，通过分析可知，其共有属性为国标号和直径，而长度则为螺栓和 螺钉的专有属性；再比如齿轮可分为圆柱齿轮和圆锥齿轮，圆柱齿轮又可分为 直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮，其共有的描述参数为齿数、模数、压力角、齿 宽系数等，而斜齿圆柱齿轮和圆锥齿轮还需要用当量齿数来描述，依此法可逐 步确定各级齿轮转动乃至整个减速器系统对象的属性。实例连接是问题域映射模型，反映了一个对象对其它对象的需求，以完 成系统需求。也就是说，实例连接表示了一个对象实例与其它对象实例之间的 联系。属性用以描述对象的状态，实例连接则通过刻画一个对象与其它对象的 映射关系，进一步加强了这种描述能力。对减速器而言，实例连接在轴的结构 设计

10、中表现得最为突出和明显。比如一根轴和一个齿轮之间的装配关系就可以 定义成一个一对一的实例连接，通过实例连接来保持轴的外径和齿轮轮毂孔内 径大小的一致以及齿宽同与之配合轴段长度的一致等。同样的道理，我们可以 根据轴和其它零部件如轴承、密封圈等之间的装配关系确定轴与其它零部件之 间的实例连接，这对于阶梯轴的结构设计中确定各段轴径大小和长度，亦即确 定轴的属性值具有重要的意义。2.5 定义服务服务是指对象收到一条消息后所执行的处理。定义服务也就是要定义对 象的行为和对象之间的必要通信。定义服务可以先从属性入手，完成标识对象 状态、标识服务和标识消息连接等几个方面的工作。对象从创建到删除要经历不同的状

11、态，而其状态可看成是由其属性的值 来决定和表示的，属性值的每次变化均反映了状态的变化。因此，对象状态可 看成是属性值的集合，反映了对象行为的改变。在机械 CAD系统中，所要标识 的服务主要包括零件校验计算中的对属性值的操作和零件选型中的响应外部系 统或对象所传来的消息而作的监控两部分。而消息连接则完全是针对服务而存 在的，它表达了对象之间处理的相关性。消息连接综合了事件响应和数据流两 个方面，即每个消息连接既表示发出了一条消息，也表示接收到一个响应。在减速器CAD系统中，定义服务是一项非常繁琐的工作，必须细致考虑 对象的行为和对象同系统其它部分的处理相关性。现以齿轮结构设计中与轴之 间的一个消

12、息连接为例，分述如下：在齿轮的结构设计过程中，由于要确定齿 轮和轴配合处孔径大小，要向轴发出一个消息询问轴径大小，轴再响应这条消 息将轴径大小反馈给齿轮，齿轮据此完成其结构设计；轴段长又需齿轮轮毂设 计确定之后传给轴才得以确定。其消息连接过程如图1所示。图1 消息连接过程按以上方法和过程逐步完成减速器 CAD系统面向对象的分析过程，将所 得结果进一步抽象，可以将每一个对象的属性和操作的封装抽象为一个抽象数 据类型，而将整个系统的结构抽象为减速器系统的抽象数据结构，该抽象数据 结构的基本组成如图2所示。图2 抽象数据结构的基本组成在图2中用半圆表示分类结构，用三角形表示组装结构，有许多结构仍 可

13、进一步细分，其细分的具体情况略。3 机械CAD系统面向对象建模特点分析由减速器CAD系统面向对象的分析、建模和设计过程，若是推广到一 般，便可总结出机械CAD系统面向对象建模特点如下：(1) 输入/输出(I/O以菜单和图形或二者相结合为主。一般软件 系统的输入/输出是以数据为主，机械 CAD系统则由于其特殊性，其主要任务 是以设计计算和图形处理为主，一般设计要求的输入条件较少，而输出则主要 以工程图形的形式表达，在这个过程中有很多用文字难以表述的东西可以用图 形菜单的形式方便地表达，还有很多东西用菜单或图表表达更为直观，从而可 以方便用户的使用。(2) 存储方式中动态存储和静态存储两种方式并用

14、。一般软件系统中存储方式为以静态存储为主，很少用到动态存储，但机械CAD系统首先是用于工程设计的，设计过程中很多数据可能经常改变，这就使得机械CAD系统中数据的动态存储显得格外重要。(3) 对象多。任何一部机械都是由许许多多的零部件组成的，其中每 一种类型的零部件都有可能成为一个对象，因此，对于一部大型机械而言，其 对象的数量是相当多的，标识对象的任务也相当繁重。(4) 相对于MIS而言，面向对象的机械CADS统数据量较少，但对数 据格式要求高。对于一般 MIS系统而言，其主要任务是处理大量格式相对较简 单的数据，因此，其数据格式较少，但由于牵涉到的数据量大，故对传输速度要求较高。对面向对象的机械 CADS统而言，其对象多，与对象对应的抽象数 据类型也多，其数据模型涉及载荷、精度、空间几何、力学、图形、材料等多 种信息，故数据格式多样化，但其相同对象的数量远不象MIS系统那样多，故数据量不大，对传输速度要求不高。(5) 由于工程设计科学再设计的特点，面向对象的机械CAD系统分析建模过程也存在一个渐进反复的过程。机械系统本身的复杂性，使得即使是机 械方面的专家也很难一次性地将机械系统的结构分析清楚，随着工作的深入开 展，可能会发现原来的分析有这样或那样的缺点或错误，这样就必须修改原来 的模型。面向对象的优点是提供这样一个机制，使得这种修改和反复变得简单 易行。