基于组件的三维CAD系统开发的关键技术研究.docx

简介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系统的相关技术和实现方法进行了深入研究给出了实现系统的框架结构和组件结构关键字组件变量化实体造型特征造型引言随着传统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行手工绘图所幸随着计算机图形学人工智能计算机网络等基础技术的发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系统也由单纯二维绘图向三维智能设计物性分析动态仿真方向发展参数化设计向变量化和超变量化方向发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发展另一方面伴随着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础组件技术使得各系统开发商们不必再完全遵从一切从零开始的开发模式他们可根据自己的技术优势在满足组件接口规范要求下开发不同的构件然后在得到许可的情况下便可以自由使用这些构件来搭建用户所需要的系统这种方式因其开发周期短见效快系统柔性高开放性好以及容易即插即用和进行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系统金银花系统的一些关键技术系统框架金银花是在几何建模平台上采用变量化特征造型技术基于标准遵循和协议而研制开发出来的商品化三维系统该系统基本框架结构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系统的设计结果也是信息集成的主模型由于本系统是符合标准的故可以通过标准数据存取接口进行操作数据是用户利用系统功能实现的功能层是主体部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相互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涉检查等操作对实体信息的要求变量化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行二次开发组件重用等而数据接口为其它环节如等提供一致性的数据访问方式组件结构系统的组件结构设计是基于组件技术开发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应商处购买以缩短开发周期而本系统就是通过从美国公司购买三维系统所需几何造型文件管理内存管理等基本功能组件而集中精力开发支持特征造型约束求解装配设计关联绘图用户接口等组件由于是完全基于组件技术开发的其所有基础功能均通过不同的组件表现为动态联接库实现在中大约有五十多个所有这些实际可划归为两部分核心模块和可选模块其中核心组件提供构造系统所需的基本功能如基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则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精确消影拔模抽壳与和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选搭配和组合当然用户也可用自己开发的组件取代的部分组件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核心组件依赖关系图金银花系统组件结构是在对系统功能需求和总体框架结构分析基础上得出的同时也参照了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结构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服务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基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核心组件也位于其中为系统提供几何造型基本功能是提供底层显示支持如对的调用对屏幕刷新的操作基本几何元素的绘制中提供通用数学运算以及公用链表队列堆栈的类定义包容了各种几何元素的橡皮条该部分是支持动态拖放造型动态约束添加以及装配模块中的动态干涉检查等的基本组件包括本系统特征造型功能和几何造型引擎连接相关的类详见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行不同配置即可图二所示为三维部分的核心组件特征造型组件约束管理器组件处理选折对象的组件和负责总体协调管理的组件等而其中特征造型和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行交互操作管理的组件层所以主要有处理鼠标事件的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结构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具体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实现了与几何引擎的无缝集成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系统架设了总体结构但具体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本质上一个几何实体造型的平台通过表示提供实体几何拓扑结构的完整描述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具体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系其中最终派生于的以便于进行内存管理文件存储和模型操作管理属性记录该特征的所有构造点边面三者均派生于它们又分别记录的和部分几何参数以及特定的语义信息同时在每个拓扑元素中通过属性机制又嵌入其对应的这种双向链表结构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础因为仅记录拓扑元素是不可能保证拓扑关系一致的属性主要用于存放特征语义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环境下信息集成奠定了基础在特征创建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结构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中的和类对模型操作的具体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结构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结构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如果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加和动态修改机制又保证了模型的修改可以超越设计历史树的限制使得设计人员随时随地随意修改成为现实结论软件组件技术的发展为大型复杂的三维系统的开发提供了极好的解决之道它完全改变了传统系统开发的低效率模式使得该类复杂系统也可以搭积式的快速构建本文深入研究了基于组件技术开发三维系统的相关技术介绍了具体实现方法同时给出了系统组件层次结构可为开发该类系统提供一定的参考