CAD基于组件的三维CAD系统开发的关键技术研究

1、CAD基于组件的三维CAD系统开发的关键技术研究基于组件的三维AD系统开发的关键技术研究摘要：研究了组件技术和特征造型技术，并以“金银花系统的开发为实例对基于组件开发三维AD系统的相关技术和实现方法进展了深化研究，给出了实现系统的框架构造和组件构造。关键词：AD组件变量化(VGX)实体造型特征造型1.引言随着传统AD系统在工业界的应用普及以及现代设计问题的复杂化、智能化，人们不再仅仅满足于用计算机取代人进展手工绘图。所幸随着计算机图形学、人工智能、计算机网络等根底技术的开展和计算机集成制造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的研究，使得AD系统也由单纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态

2、仿真方向开展，参数化设计向变量化和VGX(超变量化)方向开展，几何造型、曲面造型、实体造型向特征造型以及语义特征造型等方向开展；另一方面，伴随着AD软件复杂程度的增加和各个不同应用系统间互操作的现实需要，人们希望AD系统具有极佳的开放性同时又能“搭积木似的自由拼装形成不同的功能配置，软件工程技术特别是组件开发技术的研究应用和逐渐成熟为解决这一问题提供了坚实的基矗组件技术使得各AD系统开发商们不必再完全遵从“一切从零开场的开发形式，他们可根据自己的技术优势在满足组件接口标准要求下开发不同的构件，然后在得到答应的情况下便可以自由使用这些构件来搭建用户所需要的AD系统。这种方式因其开发周期短、见效快

3、、系统柔性高、开放性好、以及容易“即插即用和进展并行开发等优势而倍受亲赖。本文主要讨论采用组件技术开发国产商品化AD/A系统“金银花系统的一些关键技术。2.系统框架“金银花是在AIS几何建模平台上，采用变量化特征造型技术，基于STEP标准遵循AP214和AP203协议而研制开发出来的商品化三维AD系统。该系统根本框架构造如图一所示，大体分为三个层次数据层、功能层、接口层：数据层包括物理数据文件、数据库和逻辑数据模型两部分，它是AD系统的设计结果，也是IS信息集成的主模型，由于本系统是符合STEP标准的，故可以通过标准数据存取接口(SDAI)进展操作，数据是用户利用系统功能实现的。功能层是主体部

4、分，主要有三维零件设计、装配设计、二维工程图设计三大模块，由于有主模型的支持，三块之间互相关联：即任一部分的改变都将引起其它部分相关的自动更新。在零件设计中采用特征造型和实体造型相结合、特征模型与实体模型共存，大大方便了后续工艺分析和加工对特征信息的需求又满足了显示、变换、物性计算、干预检查等操作对实体信息的要求。变量化VGX技术主要在草图设计、特征造型、装配设计等部分应用，极大的方便了用户对设计的编辑和修改。接口层是提供系统的对外接口，分为功能接口与数据接口。功能接口便于用户进展二次开发，组件重用等；而数据接口为其它环节如APPAAEPD等提供一致性的数据访问方式。3.组件构造系统的组件构造

5、设计是基于组件技术开发AD系统的关键，主要内容是根据应用系统的功能需求列出所有构成组件、各个组件间的依赖关系和接口，并确定哪些组件自己开发而哪些可直接从组件供给商处购置以缩短开发周期。而本系统就是通过从美国STI公司(SpatialTehnlgyIn.)购置三维AD系统所需几何造型、文件管理、内存管理等根本功能组件，而集中精力开发支持特征造型、VGX约束求解、装配设计、关联绘图、用户接口等组件。由于AIS是完全基于组件技术开发的，其所有根底功能均通过不同的组件表现为动态联接库DLL实现。在AIS6.0中大约有五十多个DLL，所有这些DLL实际可划归为两部分：AIS3DTlkit核心模块和pti

6、nalHusks可选模块。其中核心组件提供构造系统所需的根本功能如：根本几何和拓扑、内存管理、模型管理、显示管理、图形交互等，这部分是AIS几何建模的核心，类似于飞机的发动机，其中包括许多开发商的必选构件；而另一部分可选组件那么提供一些更专业化和更高级的功能如：高级过渡、高级渲染、可变形曲面、准确消影、拔模、抽壳、与ATIA和Pr/E等系统的数据接口等，这部分作为可选组件由用户根据实际开发的系统需要自由挑癣搭配和组合，当然用户也可用自己开发的组件取代AIS的部分组件。AIS的各组件之间存在一定的依赖关系，其中核心组件详情可参见AIS6.0核心组件依赖关系图。金银花系统组件构造是在对系统功能需求

7、和总体框架构造分析根底上得出的，同时也参照了AIS的组件划分思想。图二给出了系统组件依赖关系简图为节省篇幅，主要表示了三维零件设计部分的组件，而没有详细表示关联绘图和装配部分的组件，为方便组件的集中管理和调用系统采用了层次构造，主要分为核心组件、功能组件、接口组件三层，上层组件可任意调用下层组件提供的所有效劳。以下对图二作一些介绍：核心组件层：该层包含了系统最重要和最根本的组件，是三维特征造型、二维关联绘图、部件装配、动态仿真等模块的共享部分。AIS核心组件也位于其中，为系统提供AIS几何造型根本功能；L_GI是提供底层显示支持，如：对penGL的调用、对屏幕刷新的操作、根本几何元素的绘制；L

8、_PUBFUN中提供通用数学运算以及公用链表、队列、堆栈的类定义；L_RUB包容了各种几何元素的橡皮条rubberband，该部分是支持VGX动态拖放造型drag-and-drp)、动态约束添加以及装配模块中的动态干预检查等的根本组件；L_KERN包括本系统特征造型功能和AIS几何造型引擎连接相关的类LSuperEleent(详见4)，以及为上层提供的管理类、约束类、特征类等提供超类。功能组件层：该层建于核心层之上，系统面向应用的主要功能部件均在这一层实现。用户的不同需求会希望配置不同功能的软件系统，从该层选折所需组件集进展不同配置即可。图二所示为三维部分的核心组件L_KERNPART、特征造

9、型组件L_FEATURE、VGX约束管理器组件L_VGX、处理选折对象的组件L_PIK、和负责总体协调管理的组件L_ANAGE等。而其中特征造型和VGX组件中又分别进一步细化为：草图特征、高级特征、自定义特征和VGX约束操作、约束管理约束求解等组件。接口组件层：是系统的最高层，也是与用户直接进展交互操作管理的组件层，所以主要有处理鼠标事件useTl的L_T和管理系统界面中涉及到的对话框、菜单、工具条等资源的组件。可见，这种组件设计构造不仅极大的方便了不同用户需求系统的配置，而且将系统的用户接口与功能的详细实现分开，便于针对不同语种、不同操作系统平台、不同使用习惯开发丰富多彩的界面，也从技术角度

10、实现了与AIS几何引擎的无缝集成。4.关键技术实现采用软件组件技术建立组件依赖关系为三维AD系统架设了总体构造，但详细实现还需解决许多关键性技术，以下主要以特征造型技术为例说明系统的设计思路。由于AIS本质上一个几何实体造型的平台，通过B-rep表示提供实体几何、拓扑构造的完好描绘，但它并不直接支持特征造型。因此，如图三所示系统在实体模型和特征模型之间通过引入构造点、边、面的机制建立一种映射关系。每个特征中不仅包含工艺制造信息还包含其详细构造点、边、面信息，这些构造元素再与实体模型中的点、边、面建立联络。其中LFeature最终派生于AIS的ENTITY，以便于进展内存管理、文件存储和模型操作

11、管理。_nstrutin属性记录该特征的所有构造点LSuperPint、边LSuperEdge、面LSuperFae三者均派生于LSuperEleent)，它们又分别记录AIS的VERTEX，EDGE，FAE和部分几何参数以及特定的语义信息；同时在每个AIS拓扑元素FAE，EDGE，VERTEX中通过属性ATTRIB机制又嵌入其对应的LSuperEleent。这种双向链表构造方式不仅便于实现特征造型和实体造型间的无缝链接和快速查找，而且也为系统重建时维护拓扑关系奠定了基矗因为仅记录AIS拓扑元素FAE，EDGE，VERTEX是不可能保证拓扑关系一致的。_therInf属性主要用于存放特征语义、

12、工艺信息等，另外还为用户提供了手工添加特征语义的接口，为真正支持IS环境下信息集成奠定了基矗在特征创立删除修改或模型重建过程中，为维护设计者的设计意图关键在于维护模型修改前后拓扑构造的对应关系即：拓扑一致性，因此必须考虑拓扑编码的问题。系统通过为每个从ENTITY派生的实体引入索引标志的方法解决，该索引标志不仅记录全局唯一标志符，而且通过充分利用AISENTITY中的ATTRIB和ANNTATIN类对模型操作的详细变化做了详细的记录：操作前有那些面、边、点，操作后又产生了那些新的面、边、点等等。操作后系统自动重新整理，保证了拓扑构造的对应关系。要支持特征造型，还必需维护特征之间的依赖关系，以便修改特征参数后重建所有依赖特征，这些关系一般形成树形构造，又称特征树。特征树方便了对特征的管理，但这种关系往往也限制了设计人员的设计思路，并且还可能出现：父特征的删除导致所有子特征的删除，假如某特证的参数依赖于其后续特征的参数导致系统重建时的崩溃等现象。于是系统采用双重坐标方法：即对每个特征既记录其相对父特征的坐标，也记录其在全局坐标系下的坐标。这样，当父特征不存在时，子特征可在全局坐标系下生存；另外，采用VGX技术，将约束关系从几何关系中独立出来，建立全局约束链，相对独立的约束求解器，结合代数方法和数值求解方法对约束整体联立求解，既增加了系统的动态导航、动态约束添