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。

    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 （Spatial Technology Inc.）購(gòu)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(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：ACIS 3D Toolkit（核心模塊）和 Optional Husks（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)洹��?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(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關(guān)系，其中核心組件詳情可參見(jiàn) ACIS6.0核心組件依賴關(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 LmSuperElement（詳見(jiàn)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(yīng)用的主要功能部件均在這一層實(shí)現(xiàn)。用戶的不同需求會(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，也是與用戶直接進(jìn)行交互操作管理的組件層，所以主要有處理鼠標(biāo)事件MouseTool的LM_MT和管理系統(tǒng)界面中涉及到的對(duì)話框、菜單、工具條等資源的組件。

    可見(jiàn)，這種組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不僅極大的方便了不同用戶需求系統(tǒng)的配置，而且將系統(tǒng)的用戶接口與功能的具體實(shí)現(xiàn)分開(kāi)，便于針對(duì)不同語(yǔ)種、不同操作系統(tǒng)平臺(tái)、不同使用習(xí)慣開(kāi)發(fā)豐富多彩的界面，也從技術(shù)角度實(shí)現(xiàn)了與ACIS幾何引擎的無(wú)縫集成。

    4. 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

    采用軟件組件技術(shù)建立組件依賴關(guān)系為三維CAD系統(tǒng)架設(shè)了總體結(jié)構(gòu)，但具體實(shí)現(xiàn)還需解決許多關(guān)鍵性技術(shù)，以下主要以特征造型技術(shù)為例說(shuō)明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

    由于ACIS本質(zhì)上一個(gè)幾何實(shí)體造型的平臺(tái)，通過(guò)B-rep表示提供實(shí)體幾何、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完整描述，但它并不直接支持特征造型。因此，如圖三所示系統(tǒng)在實(shí)體模型和特征模型之間通過(guò)引入構(gòu)造點(diǎn)、邊、面的機(jī)制建立一種映射關(guān)系。每個(gè)特征中不僅包含工藝制造信息還包含其具體構(gòu)造點(diǎn)、邊、面信息，這些構(gòu)造元素再與實(shí)體模型中的點(diǎn)、邊、面建立聯(lián)系。

    其中LmFeature最終派生于ACIS的ENTITY，以便于進(jìn)行內(nèi)存管理、文件存儲(chǔ)和模型操作管理。m_Construction屬性記錄該特征的所有構(gòu)造點(diǎn)LmSuperPoint、邊LmSuperEdge、面LmSuperFace（三者均派生于LmSuperElement），它們又分別記錄ACIS的VERTEX，EDGE，F(xiàn)ACE和部分幾何參數(shù)以及特定的語(yǔ)義信息；同時(shí)在每個(gè)ACIS拓?fù)湓�素（FACE，EDGE， VERTEX）中通過(guò)屬性ATTRIB機(jī)制又嵌入其對(duì)應(yīng)的LmSuperElement.這種雙向鏈表結(jié)構(gòu)方式不僅便于實(shí)現(xiàn)特征造型和實(shí)體造型間的無(wú)縫鏈接和快速查找，而且也為系統(tǒng)重建時(shí)維護(hù)拓?fù)潢P(guān)系奠定了基礎(chǔ)。因?yàn)閮H記錄ACIS拓?fù)湓�素（FACE，EDGE，VERTEX）是不可能保證拓?fù)潢P(guān)系一致的。m_OtherInfo屬性主要用于存放特征語(yǔ)義、工藝信息等，另外還為用戶提供了手工添加特征語(yǔ)義的接口， 為真正支持CIMS環(huán)境下信息集成奠定了基礎(chǔ)。

    在特征創(chuàng)建\刪除\修改或模型重建過(guò)程中，為維護(hù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖關(guān)鍵在于維護(hù)模型修改前后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系即：拓?fù)湟恢滦�，因此必須考慮拓?fù)渚幋a的問(wèn)題。系統(tǒng)通過(guò)為每個(gè)從ENTITY派生的實(shí)體引入索引標(biāo)志的方法解決，該索引標(biāo)志不僅記錄全局唯一標(biāo)志符，而且通過(guò)充分利用 ACIS ENTITY中的ATTRIB 和ANNOTATION 類對(duì)模型操作的具體變化做了詳細(xì)的記錄：操作前有那些面、邊、點(diǎn)，操作后又產(chǎn)生了那些新的面、邊、點(diǎn)等等。操作后系統(tǒng)自動(dòng)重新整理，保證了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    要支持特征造型，還必需維護(hù)特征之間的依賴關(guān)系，以便修改特征參數(shù)后重建所有依賴特征，這些關(guān)系一般形成樹(shù)形結(jié)構(gòu)，又稱特征樹(shù)。 特征樹(shù)方便了對(duì)特征的管理，但這種關(guān)系往往也限制了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，并且還可能出現(xiàn)：父特征的刪除導(dǎo)致所有子特征的刪除，如果某特證的參數(shù)依賴于其后續(xù)特征的參數(shù)導(dǎo)致系統(tǒng)重建時(shí)的崩潰等現(xiàn)象。于是系統(tǒng)采用雙重坐標(biāo)方法： 即對(duì)每個(gè)特征既記錄其相對(duì)父特征的坐標(biāo)，也記錄其在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。這樣，當(dāng)父特征不存在時(shí)，子特征可在全局坐標(biāo)系下生存；另外， 采用VGX技術(shù)，將約束關(guān)系從幾何關(guān)系中獨(dú)立出來(lái)，建立全局約束鏈，相對(duì)獨(dú)立的約束求解器， 結(jié)合代數(shù)方法和數(shù)值求解方法對(duì)約束整體聯(lián)立求解，既增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)約束添加和動(dòng)態(tài)修改機(jī)制又保證了模型的修改可以超越設(shè)計(jì)歷史樹(shù)的限制，使得設(shè)計(jì)人員隨時(shí)、隨地、隨意修改成為現(xiàn)實(shí)。

    5. 結(jié)論

    軟件組件技術(shù)的發(fā)展為大型復(fù)雜的三維CAD/CAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了極好的解決之道，它完全改變了傳統(tǒng)CAD/CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的低效率模式，使得該類復(fù)雜系統(tǒng)也可以“搭積式”的快速構(gòu)建。本文深入研究了基于組件技術(shù)開(kāi)發(fā)三維CAD系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，介紹了具體實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)給出了系統(tǒng)組件層次結(jié)構(gòu)，可為開(kāi)發(fā)該類系統(tǒng)提供一定的參考。

    參 考 文 獻(xiàn)1 CFACA：Component framework for feature-based design and process planning.  Computer-Aided Design 32（2000）  397-408.
           2 王剛。 金銀花系統(tǒng)中曲面特征造型模塊的研究與實(shí)現(xiàn)。  北京航空航天大學(xué)碩士論文。1998.3
           3  Online Help for ACIS Version 6.0.  .
           4  J.C.H. Chung et al. Framework for integrated mechanical design automation.  Computer-Aided Design 32（2000）  355-365. 5  R.Bidarra，W.F.Bronsvoort. Semantic feature modelling.   Computer-Aided Design 32（2000） 201-225.