（机械电子工程专业论文）复杂刀具cad系统的研究与开发.pdf

西南交通大学研究生学位论文 下g7 摘要 7 j - 滚工 ， 【c a d c a m 技术是_ 项能提高产品质量、缩短产品开发周期和降 低劳动强度的新兴技术。它的研究与应用水平是衡量一个国家科教进 步的重要标志之一，更是现代却械制造业急需解决的当务之急 本丈理沦联系实际，遵循软件工程的原则和方法，创建了复杂刀 具c a d c a m 系统的组成框架。并利用面向对象编程( 0 0 p ) 技术、 开放数据库互连( o d b c ) 技术以及a u t o c a d 实时运行扩展( a r x ) 技术，完成了该复杂刀具c a d 系统的图形用户界面、设计计算模块、 数据库管理系统以及图形系统的研究与开发。 同时，为了满足复杂刀具c a d c a m 系统集成的需要。该复杂刀 具c a d 的图形系统还采用了三维实体造型技术，它不仅能输出2 d 3 d 图形，还支持物理特性分析、惯性矩计算、数控编程等工程应用。并 为复杂刀具c a m 系统预留了接口，从中可方便地撮：职出数控加工不 可缺少的零件的几何信息和拓扑信息 该复杂刀具c a d 系统能提高刀具设计的水平、质量及效率、降 低设计人员的劳动强度，并较好地满足了复杂刀具o o 忙a m 系统集 成的需要，具有很高的使用价值和广阔的应用前景。 乃 关奠阐：c a d 、c a m 、孝杂刀具、软件工程、o o p 、o d b c 、a r x 、 买体造型 复杂刀具c d 系兢的研究与开发c h e n g d u2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 a b s t r a c t c a d c a mt e c h n o l o g yi sae m e r g i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h c a l li m p r o v et h ep r o d u c t 删吼s h o r t e nt h ec y c l eo fp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，a n dr e d u c et h el a b o ri n t e n s i t y i t sr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nl e v e li sn o to n l yo n eo fi m p o r t a n ts y m b o l se v a l u a t i n g t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s so fac o u n t r y , b u ta l s oa u r g e n t a f f a i r so fm o d e mm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gi nn e e do f b e i n gr e s o l v e d t h i sp a p e ri n t e g r a t e s t h e o r yw i t hp r a c t i c e ，f o l l o w st h e p r i n c i p l e s a n dm e t h o d so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，s e t su pt h e c o n s t i t u t e sf r a m eo ft h ec o m p l e xc u t t i n gt o o l s c a d c a m s y s t e m ，a n df i n i s h e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ec a d s y s t e m sg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e ，d e s i g na n dc o m p u t e m o d u l e ，d a t ab a s em a n a g e m e n ts y s t e ma n dg r a p h i c ss y s t e m ， b yu s i n go fo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) t e c h n o l o g y ， o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ( o d b c ) t e c h n o l o g ya n da u t o c a d r u n t i m ee x t e n s i o n ( a r x ) t e c h n o l o g y i no r d e rt om e e tt h en e e do ft h ec o m p l e xc u t t i n gt o o l s c a d c a mi n t e g r a t e d s y s t e m ，t h ec a d sg r a p h i c ss y s t e m a d o p t st h r e ed i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hn o t o n l yc a no u t p u t2 da n d3 dg r a p h ，b u ta l s oc a ns u p p o r tm a n y e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，s u c ha sp h y s i c a lp r o p e r t ya n a l y s i s ， i n e r t i am o m e n tc o m p u t e ，n cp r o g r a m i ta l s o p r e a s s i g n s a i n t e r f a c ef o rc a m s y s t e m ，f r o mw h i c hc a ne x p e d i e n t l yo b t a i n p a r t sg e o m e t r yi n f o r m a t i o na n dt o p o l o g i c a li n f o r m a t i o n , w h i c h a r e i n d i s p e n s a b l ef o rn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n g t h e c o m p l e xc u t t i n gt o o l s c a ds y s t e mc a ni m p r o v et h e 复杂刀具c d 系统的研究与开发c h o n g d u2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第3 页 一 l e v e r , q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fc u t t i n gt o o l sd e s i g n ，a n dr e d u c e t h el a b o ri n t e n s i t yo fd e s i g n e r i ta l s op r e f e r a b l ym e e t st h e n e e d o f t h ec o m p l e xc u t t i n gt o o l s c a d c a mh a t e g r a t e ds y s t e m ，h a v i n g v e r yh i g hu s ev a l u ea n d w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：c a d 、c a m 、c o m p l e x c u t t i n gt o o l s 、s o f t w a r e e n g i n e e r i n g 、o o p 、o d b c 、a r x 、s o l i d m o d e l i n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 页共7 0 页 第幸绪论 1 1 敞的选题 近年来，计髯狮殁其相关技术日新月异的发展，给传统的棚械行 业带来了巨大影响。多年以来的实践经验表明，将计算机、信息技术 应用于机稿濒域，是初裱行业进_ 步发展的必由之路。同时，初械设 计是产品从设计、制造、装配、销售和使用整个生命周期的第一个环 节，也晨最重要的环节，它对产品性能的影响通常占8 0 。然而，机 械设计是一个设计一评价一再设计”的反复选代、不断优化的过程， 在人工设计的情况下，设计的周期长、成本高、质量差，在加上产品 更新换代日益频繁，使得传统的设计方法已不能适应现代化设计的需 要。因此，发展计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n - - c a d ) 技 术是机椭行业的迫切要求。 c a d 技术的广泛研究和应用彻底改变了传统的设计方法，它无 论在设计速度，设计精度、图面质量和出错率等方面，都有传统设计 方法无法比拟的优点。它能够促进科研成果的应用、开发和转化，减 轻人的脑力劳动、提高工程和产品的设计质量，缩短产品的研制开发 周期，实现设计的科学性和创遗性，是加速产品更新换玳及提高市场 竞争力的一项关键技术和强大工具。同时，c a d 技术也推动着现代设 计方法和设计技术进入了一个新的发展时期，正促进设计领域发生根 本i 陆的变革，它具有巨大的社会效益和经济效益，已成为衡量一个国 家科技与工业现代化水平的重要标志之一。 金属切削刀具是直接对零件进行切削加工的生产工具，因此刀具 的性能直接形响切削加工的效率，精度和表面质量，进而影响产品的 质量。因此研究和改进刀具的设计方法，对整个机械制造业具有重要 的现实意义和经济意义。 当前，国内许多企业在刀期殳计中大多数是在a u t o c a d 软件上 由设计人员交互绘图，由于刀具设计尤其是复杂刀具设计是一个复杂 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论丈第2 页共7 0 页 繁硕的过程，采用交互绘图不光设计劳动强度大，而且设计效率，精 度也低，难以满足实际生产的需要，因此很有必要开发一套c a d 软 件以提高刀具设计的质量和效率。同时，刀具与其他产品零件相比， 更具有规范化的特点，即对一种特定的刀具( 如插齿刀、滚刀) 来说， 其结构都是近似的，其拓扑关系是相同的，只是由于原始条件的改变 使刀具参数值的选取不同而形成适合某一零件加工的刀具图纸因 此，开发c a d 软件以实现刀具的自动化设计也是能够实现的。 本文正是密切关注这一实际需求及紧跟计算机软件技术的最新 发展，遵循软件工程的思想、利用多种软件开发技术，提出了种复 杂刀具c a d 实现的总体方案，并开发出了高效、实用的刀具c a d 应 用软件。 1 建立起复杂刀具c a d c a m 系统的总体框架 2 开发出方便、友好的图形用户界面 3 建立起复杂刀具c a d 的数据库管理系统 4 开发出复杂刀具c a d 的图形系统 5 满足复杂刀具c a d c a m 系统集成的需要 6 利用该c a d 系统，完成矩形花键孔插齿刀设计，并实现三维 实体造型、2 d 3 d 图形输出以及提取插齿刀的h 何信息与拓 扑，为实现插齿刀c a d c a m 系统集成奠定基础 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文第3 页共7 0 页 第二章c a d 系统概述 2 1 c a d 的硼欹夏其发展趋势 2 1 1c a d 技术的理耿 目前c a d 技术在一些先进的工业国家中已经得到了广泛的应 用，在美国，c a d c a m 公司已超过3 0 0 家，日本有8 0 0 o p 7 , 上的公 司在不同程度e 应用了c a d 技术。c a d 的应用领域从大翔模生产 企业，发展到中、小型民用工业。同时，c a d 基础软件的商品化 工作在这些国家毙展更为迅速，如在图形系统方面，美国a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 绘图软件，其强大的绘图与图形编辑功能、良好 的二次开发j 陛以强使用的方便陛馊之砜靡世界。其他如s 公司 的i d e s a 、e d s 公司的u n i g r a p h i c s ! p t c 公司的p r o - - - e n g i n e e r i n g 等都具有很强绘图功能的图形基础软件。除此之外，在有限元分析、 优化设计、数据库管理系统等方面也相继推出了许多实用性彳艮强的 商品化软件。上述商品化软件大量投放市场，极大地l 促进了c a d 技术在企业中的应用。 我国对c a d 技术的研究始于7 0 年代中期，经过二十多年的努 力，特别是“七五”和“八五”的攻关，使我国c a d 拄术在硬件 生产、支撑软件的开发、产品应用软件的开发和应用等方面都嗥得 了较大的进展，在国民经济建设中取得了良好的经济效益。一些大 型企业通过引进较成熟的c a d 系统并进行= 坎开发，也取得了一 定的成果。一些研究单位也开发出了自己的c a d 系统，但总的来 说与国外的软件相比存在较大的差距。 近年来，c a d 技术的发展趋势总的来说有以下几最： 1 ) 可视化 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文第4 页共7 0 页 由于采用鼠标、菜单驱动的工作模式以及图形用户界面较直观方 便，用户易于接受，因此要求应用软件的处理过程和设计结果尽量达 到可视化，并且对设计结果还要术达到动态实时显示。 2 ) 集成化 要求将设计计算、文档编写理数据库管理等各个环节集成到一个 统一的系统中，实现资源的共享和信息集成。同时，为适应设计与制 造自动化的要求，特别是计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e r i n t e r g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的要求，c a d c a m 是集成化的一 个重要方向。 3 1 智能化 把人工智能技术与c a d 技术相结合，将专家的知识和经验归纳 成一些规则，形成知识库。再利用推理机制，进行推理强判断，最终 获得具有专家水平的设计结果。是机械c a d 发展的必然趋势。 4 1 标准化 随着c a d 技术的发展，工业标准化问题越来越显出它的重要 生， 如：面向图形设备的标准c g i ，面向用户的图形标准g k a s ，p h i g s ， 面向不同c a d 系统的数据交换标准i g e s 和s t e p 等，这些标准指出 了c a d 技术进一步发展的道路。 2 2 c a d 系统的妇成反其作用 c a d 系统由硬件和软件两大部分组成。 硬件由三部分细戍：计算机( 中央处理器c p u 、键盘与图形显 示终端) 、图形输 设备和图形输出设备。如图2 2 一l 所示。 c a d 的软件可分为三个层次：系统软件、支撑软件和应用软件。 如图2 2 2 所示。本文着重介绍c a d 系统的软件部分。 系统软件保证计算机资源的有效管理、用户任务的有效完茂及操 作的方便，目的是构戍软件的工作环境，供应用软件的开发使用。它 包括：操作系统、计算机语言、窗口系统以及网络通信和管理软件。 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文第5 页共7 0 页 图2 2 1c a d 系统的硬件组成 图2 2 2c a d 软件系统 支撑软件是c a d 系统的核心部分，起承e 启下的作用。一方面 它需要以系绞苒女件为基础，另一方面它又是开发面向用户的应用软件 的基础。它主要由科学计算、图形系统和数据库管理系统三犬部分组 成。般可在市场上买到。 1 、科学计算类支撑软件 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第6 页共7 0 页 这类软件主要用来解决工程设计中各种数值计算问题，主要有以 下几种： 1 ) 常用数学方法程序库。它提供诸如解微分方程、线性代数 方程和曲线拟和等数学问题的计算程序。 2 ) 有限元分析软件。有限元分析实际上就是利用计算机进行 力学分析，是种近似计算方法。它能对物体进行应力、 应变的分析，为工程设计奠定坚实的力学基础。是工程结 构分析最有力自5 r - 具之一。 3 )优化设计软件。它包括两方面的内容：一是针对实际问题 如何建立最优化问题的数据模型，二是如何选择最优方法 利用计算机对该问题求解。 2 、图形系统 图形系统是c a d 系统软件的一个主要组成部分，主要包括以下 两部分： 1 ) 几何建模软件。它的主要任务是建立c a d c a m 系统的几 何模型，即正确描述物体的几何形状，建立相应的数学模 型和数据结构。 2 )图形软件。就是提供绘图功能。绘图软件应能以参数方式 绘制各种基本图形元素。同时具有较强的图形编辑功能， 对已有图形进行各种处理。 3 、数据库系统 适用于c a d c a m 的工程数据库管理系统，要求能管理极大的 数据量和数据类型，数据关系也很复杂，且信息模型也是动态的。但 这类软件目前还不成熟，般是采用商用数据库管理系统，如f o x p r o 、 o r a c l e 等进行必要的开发，以解决工程数据管理的问题。 应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上开发出的，供用户使 用。如本复杂刀具c a d 系统就是利用系统软件：中文w i n d o w s9 8 、 v i s u a lc + + 6 0 和支撑软件：a u t o c a d r 1 4 、o b j e c ta r x2 0 、v i s u a l f o x p r o6 0 等开发出的应用软件。 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e r l g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文第7 页共7 0 页 第三章软件开发环境及技术 3 1 软件开发环境 本文所研究开发的复杂刀具c a d 系统应用软件采用了面向对象 的程序设计技术o o p 、开放式数据库互连技术0 d b c 以及a u t o c a d 二次开发技术o b j e c ta r x 等。该软件的开发环境为： 中文w i n d o w s9 8 v i s u a lc + + 6 o v i s u a lf o x p r o6 0 a u t o c a dr 1 4 o b j e c t a r x2 0 3 2 面向对撕设计( o o p ) 技术 3 2 1 面向对象搴溽设计的概惫屿理| 分 计算枳戢件开发一直被两大难题所困扰：一是如何超越程序复杂 性障碍；二是如何在计算机系统中自然地表示客观世界，即对象模型 面向对爵程守设计( o b j e c t - - o r i e n t e d p r o g r m v a n i n g ，o o p ) 是解决上 述两大难题的2 0 世纪9 0 年代最有希望、最有前途的程序设计方法。 它是软件工程学中的结构化程序设计、模块化、数据抽象、信息隐藏、 知识表示、手阡弘b 理等各种概念积累与发展起来的，它是软件开发方 法的一场革命，代表了新颖的计算机程序设计的思维方法。 面向对耥设计是基于客观世界的对象模型的软件开发技术。 简单地说，对象是作为计算机的模拟思维，表示客观世界的抽象。一 个对象像一个软件构造块，它包含了数据结构和提般相关的操作。面 向对象是把- - 目相互无联系的对象有效地集成在起的软件，而这些 对象都是将数据结构和揉蚱紧密结合在起的，这与传统的程序设计 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第8 页共7 0 页 一将数据结构与行为分离的模式一完全不同。 面向对象的程序设计中心是围绕几个主要概念：抽象数据类型和 类、封装和数据隐藏、继承i 挫和多怒 生。一个抽象数据类型是一个软 件模块，这个模块可以包含可允许数据的值集合和能处理这些数据的 操作集合。抽象数据类型的定义和它的实现是分开的，定义模块给 定抽象数据类型的名字和能执行此数据类型为基础的操作接口，实现 模块提供用实现算法处理这些数据的代码。 定义和实现的分开表明软件技术前进了一大步。把数据矛口与之有 关的过程和函数捆绑在起并能操纵该数据，称为“封装；数据的 内部结构不能被存取，称为“数据隐藏。继承机制允许一个或更多 的简单和普通的类中继承其特征和行为，允许根据需要进行更具体的 定义。多态生是面向对象程序设计的又一支柱，它允许序员向一个 对象发送消息来完成一系列动作，无需涉及软件系统如何实现这些动 作。 3 2 2 面向对t m t f t t - t - 1 - 的实现 c _ 卜十语言非常适合于面向对象程序设计。本文采用的的v i s u a l c - 卜十6 0 是一个完善的、功能强大的应用程序开发环境，可以让程序 员充分利用c 州吾言面向对象的特征来创建专业的w m d o w s 应用程 序。同时它还有一个庞大且功能齐全的m f c ，即m i c r o s o nf o u n d a t i o n c l a s sl i b r a r y ( 黼类库1 。类库即c _ h 类集，包括根类、应用程序 结构类、窗口类、o l e 类、教据库类等十几个大类，大类有许多派生 子类，这些类封装了编写w m d o w s 应用程序的各种函数。这方面专著 较多，在此不再赘述。 3 3 开放式数据库互连( o d b c ) 技术 3 3 1 数据库管理技术概逮 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第9 页共7 0 页 表3 3 一l 商用数据库和工程数据库的比较 墓 商用数据库工程数据库 使 记录型稳定 数据共享工程设计和分析 用 计划任务 特 简单的关系 有多种复杂的数据类型 每种数据有大的数据量 有大量的数据 征 静态表示 数据之间有复杂的关系 查询处理对正在运行的数据库从简单 处 的查询到复杂的分析数据库的维护一增、删、改等 短暂瞬间处理查询可能持续很? 长时间 理 处理仅涉及少量数据涉及到大量的记录类型 数据是人类社会发展的一种极为重要的资源，人们的切社会活 动都离不开数据，如何妥善保存和科学管理这些数据是人们长期以来 十分关注的课题。数据管理经历了人工管理到文件管理及数据库管理 几个阶段。 当今的数据库通常是针对商用数据处理的关系型数据库管理系 统，如：o r a c l e 、s y b a s e 以及以p c 机为基础的f o x p r o 、a c c e s s 等而直接应用于c a d c a m 等工程设计方面的数据库管理技术的研 究还在起步阶段，是未采数据库管理系统的一个发展方向。表3 3 一l 综述了商用数据库和工程数据库间的区别。 鉴于工程数据库的不成熟性，该复杂刀具c a d 系统采用以p c 机为基础的f o x p r o 数据库管理系统，并用o d b c ( o p e nd a t a b a s e 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c b e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第1 0 页共7 0 页 c o n n e c t i v i t y 开放式数据库互连) 技术开发而来。 o d b c 应用程序 i t o d b c 驱动程亭管理器 图3 3 一lo d b c 工作原理 在早期的p c 机时代，开发的数据库应用程序只能运行在一台独 立的工作站上，并且只支持一个数据源。应用程序支持的d b m s 通常 提供一个专用的a p i 让该应用程序与该数据库接口。然而一个使用 o d b c 的应用程序能够与任何d b m s 设置接口，只要存在该d b m s 的o d b c 驱动程序即可。显然这赋予数据库开发人员强大的功能和极 大的灵活性以开发数据库应用程序。如果决定支持另一个d b m s ，不 用重新编写应用程序，只需更换d b m s 和o d b c 驱动程序图3 3 一l 表示了o d b c 的工作原理。 从m f c l 。5 版本开始，微软公司就引入了细封装o d b c 功能的 m f c 类。这些类通常被称为数据库类，即c d a t a b a s e 、c r e x o t d s e t 、 c r e c o r d v i e w 、c d b e x c e p t i o n 等类。它们具有相当完善的o d b c s d k a p i ( 应用编程接口) 。 1 )c d a t a b a s e 类 一个c d a t a b a s e 类的对象代表与数据源的一个连接。创建一个 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第l l 页共7 0 页 c d a t a b a s e 对象后，调用o w n 或o p e n e x 成员函数指定一个d s n ( 数 据源名。这样，就建立起了与d s n 的底吕数据源的连接。 2 1c r e c o r d s e t 类 一个c r e c o r d s e t 类的对象称为记录集，代表从一个数据源检索出 组记录我们首先用c l a s s w m a r d 创建一个c r e c o r d s e t 的派生类 c n e w s e t ，并构造一个记录集；构造记录集后，设置参数变量为希望 过滤的值；然后调用o p e n 成员函数将按参数变量指定的值过滤，最 后过得到应用程序需要的记录。 3 1c r e c o r d v i e w 类 c r e c o r d v i e w 类是在对话框控件中显示数据库记录。它利用d d x ( d i a l o gd a t ae x c h a n g e 对话数据交换) 和r f x ( r e c o r d f i l e de x c h a n g e 记录字段交换) 槲0 ，使目寸_ 话框中的控件和记录集的字段间数据移动 自动化。 4 ) c d b e x c e p f i o n 类 c d b e x c e p t i o n 类从c e x c e p t i o n 异常类派生而来，用于处理在数 据库操作中产生的异常。异常处理语法只包括三个关键字：n y 、c a t c h 以及t h r o w 。另外，还包括两个参与者：抛出异常的服务器函数和捕 获异常的客户函数。 综上所述，一个o d b c 程序的基本结构如下： 订y c d a t a b a s e d b ； i 桶造个数据薄蚺象 i 坟曲o w n ( “刀具数据库”) )，与“刀具数据库”连接 ( c n e w s e ：t * p n e w s e t = n e wc n e w s e t ( ) ； 构造一个记录集 设置参数变量为希望过滤的值； p n e w s e t - o p e n ( ) ；返回指定的记录 数据处理： 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h c n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学住论文 第1 2 页共7 0 页 p n e w s e t - c l o s e ( ) ； 关闭记录集 d b c l o s e ( ) ； 关闭数据库 c a t c h ( c d b e x c e p t i o n + p e1 捕获异常 a f x m e s s a g e b o x ( p e - m _ s t r e r r o r ) ； p e - d e t e t e ； 3 4 a u t o c a d 实时运行扩展( a r x ) 捌己 3 4 1 a u t o c a d ：献开发概逮 a u t o c a d 是c a d 的开山鼻祖，它是a u t o d e s k 公司贡献给 们 的一个非常优秀的工程设计和绘图软件。自从1 9 8 2 年1 2 月推出 a u t o c a d 的第一个版本以来，便得到了广大工程设计人员的认可和亲 睐。同时a u t o d e s k 公司在开发a u t o c a d 时，采用了开放式的体系结 构，具有强大的二次开发功能和丰富的应用编程接口，欢迎并积极支 持全球的软件开发商在a u t o c a d 的基础上进行增值开发目前已发 布的二次开发工具有：a u t o l i s p 、a d s 、v i s u a l l i s p 、v b a 、a c t i v e ) ( 以及a r x 等。 本文采用a r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n 实时运行扩展) 二次开发技术，它是a u t o d e s k 继a u t o l i s p 、a d s 后的第三代开发工 具，采用全新的面向对象c h 程序设计机制，使对a u t o c a d 的开发 从形式到内容e 发生了巨大的变化，它代表了以p c 机为硬件平台的 c a d 应用软件最先进的开发技术。具有如下优势： 首先是a r x 拙行逋度e 的优势。a r x 的编程环境与a u t o l i s p 和a d s 的编程环境完全不同。a u t o l i s p 是一种解释 生语言，它用一 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页共7 0 页 种分步式的方式与a u t o c a d 建立通信。a d s 是使用c 语言编程和编 译的，但与a u t o l i s p 在本质上相同，因为实质上a d s 是通过调用 a u t o l i s p 实现与a u t o c a d 通信的。而a r x 应用程悴是以动态镒接 库的形式分享a u t o c a d 的地址空间，既便于a u t o c a d 二次开发程序 员能够更加充分利用a u t o c a d 的开放结构，更直接地完成对 a u t o c a d 的深导数据结构、图形系统的编程，又可以被a u t o c a d 直 接调用，避免了解释过程，故a r x 程序的拙行速度要比a u t o l i s p 或 a d s 程序快。a u t o l i s p 、a d s 以及a r x 与a u t o c a d 的关系如图 3 4 _ 一l 所示。 图3 仁la u t o l i s p 、a d s 、a r x 与a u t o c a d 的关系图 a r x 除了速度上的优势，安奎生也是一个重要方面，a r x 类库 包括以下的库： 1 ) a c r x 用以生成一个运行类的注册和声明的应用程序类 2 ) a c e d 用以注册命令和系统事件通告的类。 3 1a c d ba u t o c a d 的数据库类 4 ) a c g i 用以渲染实体的图形界面 5 ) a c g e 用于线性和集合对象的应用库 6 1a d s用以生成应用程序的c 语言库。 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页共7 0 页 耳采用标准的c _ 卜+ 类库封装形式，这大大提高了程序员编程的可靠性 和效率。 a r x 的另一个巨大优势是可以充分利用w i n d o w s 资源、微：软基 本类库m f c 和先选的v _ i s u a lc + + 可枫化编程语言和工具，从而可以 方便、高效地设计出具有w i n d o w s 风格的c a d 应用程序。 在o 均e c t a r x 环境下开发的程序称为- 虹应用程序。a r x 应 用程序不再是一个独立的进程，而是一个动态链接库。固此，a r x 程 序与a u t o c a d 在同一个地址空间运行，能够直接利用a u t o c a d 的内 核代码，直接访问a u t o c a d 的苏湘库、图形系统及几何造型核心， 并在运行其问实时扩展a u t o c a d 具有的类及其功能，建立与 a u t o c a d 本身的固有命令操作方式相同的新命令。 开发娜应用程序需要o b j e c t a r x 提供的a r xs d k ( s o t b x , a r e d e v e l o p m e n tk i t ，软件开发工具包) 。它主要提供开发a r x 应用程 序所需的库文件、头文件等。本文采用o b j e c t a r x 2 0 ，在a u t o c a d r 1 4 环境下运行。 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第1 5 页共7 0 页 第四章复杂刀具c a d 系统三维实体造型 早期的c a d 是利用计算机图形学采提高二维零件的设计效率和 绘图精度。此时c a d 与c a m 是彼此独立的，c a d 系统基本上是以 二维绘图为特征生成产品的二维线框模型。它杈杈输出形体的图形而 已，不菱持数控加工等各种工程应用。为了满足c a d c a m 系统集成 的需要，人们开始致力于三维， 胸造型技术的研究与开发。，i d 吼生型 技术也先后从线框造型、曲面造型、实体造型发展到今天的特征造型。 线框造型是利用对象形体的棱边和顶点来表示其几何形状的一 种模型。它的数据结构中缺少边与面、面与体之间关系的信息，即所 谓的拓扑信息，不能构成实体。因此，线框造型主要用于二维绘图。 曲面造型是在线框造型的基础e 发展起来的。它把然框造型中棱 线所围的部分定义威形体的表面，然后利用形体表面的集合来描述形 体的形状。但仍缺乏面、体之间的拓扑关系，不能全面地描述物体的 形状。 实体造型是由许多具有一定形状和体积的基本体素通过布尔运 算组合而成。可完整地描述形体，并能自动地计算物性、检测干涉、 消除隐藏线、剖切形体等。因此，实体造型能较好地满足c 觥a m 系统的要求，得到了广泛的应用。本文的复杂刀具c a d 就采用了三 维实体造型技术。 基于产品定义的特征造型技术是目前研究的热点，它比实体造型 具有更高的抽象，包含了更为丰富的信息，但还处于发展之中，技术 有待完善。 目前，几何造型主要研究的问题有以下几个方面： l 、造型中形体表示的方法。即如何在计算机内描述一个形体的 几何形状信息。如体素构造表示法、边界表示法、单元分解法等。 2 、几何造型的关键算法。如几何形体表示的各种方法的建立及 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h o n g d u 2 0 0 i 3 西南交通大学研究生学位论文 第1 6 页共7 0 页 相互转换、曲线曲面相交、边体分类等算法。 3 、几伺造型的工程应用。如真实感图形显示、工程图生成、物 体特生计算、动态干涉检测、数控代码生成与校验、产品特征定义及 建模等。 4 2 实体造型理论夏表示方法 4 2 1 正刖集与有效凡舸形体 几何形体是三维空间中的一个点集，但并非任意的点集都是有效 的几何形体。如带有一条悬边或悬面的物体，就不是有效的几何形体。 要得到有效的几何形体，我们必须定义正则集。 所谓正则集，就是给定一个集合s ，如果此集合的内部闭包与给 定的原集合相等，则集合s 为正则集。其定义式如下： s = k is 一( 式4 2 1 ) 式中：k 表示闭包，i 表示内部，s 表示集合。 由此可知，空间点的正则集就是有效的，i 何体。直观上可认为这 种几何体就是由其内部的点集及紧包着这些点的表皮组成。 4 2 2 正刖集舍的运算 正则集合的运算有并( u ) 、交( n ) 和差( 一) 运算。为了保证 正则集合运算后的图形仍为正则集，就必须定义一套正则化的集合算 子并( 乙降) 、交( n + ) 与差( 一+ ) ，以区别于常规的集合算子u ”、 “n ”和“一”。正则集合的运算定义如下： a u + b = k i ( a u b l a n + b _ k i ( a n b ) ( 式4 2 - - 2 ) a 一+ b = k i ( a b )j 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h c n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 茅1 7 页共7 0 页 由于正则集合就是有效的，i 可体，因此，正则集合的运单就是几 何体间的并、交、差运算。它是构造复杂形体的最基拳手段，也是h 何造型的核心运算之一。 4 2 3 实伴造型的表示方法 实体的表示方法就是确定采用什么形式的抽象几何实体去代表 实际实体目前常用的有：体素调用、空间点列、单元分解、扫描变 换、构造实体几何( c s g ) 和边界表示( b r e p so 其中，后两种方法 使用最为普遍。目前，国际上一些著名的几何造型系统大都采用 c s g b r e p s 的混合表示模式，以取长补短，使信息更加完整。 构造实体几何( c s g ) 是把若干简单形状的体素，采用正则集合 运算细合起来，构成一个复杂形体的表示模式。本文的复杂刀具实体 造型主要就是采用这种方法。详见后述。 边界表示( b r e p s ) 是以形体表面的细节，即以顶点、边、面等 几何元素及其相互关系表示形体。 4 3 实体造型技术的实现 a u t o c a d 系统提供了上述的三种造型技术：线框造型、曲面造 型和实体造型。其中三维实体造型具有体的特征，能够校全面地反映 形体的物理特性。同时，在复杂刀具c a d 中，利用实体造型技术用 户不仅可以通过并、交、差布尔运算生成所需的零部件模型，而且还 能够对形体进行剖切生成剖视图以及进行体积、重心和 畀矩等物陛 计算和分析，进而在实体模型的基础上生成n c 代码，为复杂刀具 c a d c a m 系统集成奠定基础。 在a u t o c a dr 1 4 环境中，具有精确、迅速的三维实体造型核心 a c i s ( a m e r i c a nc o m m i t t e ef o ri n t e r o p e r a b l es t a n d a r c t s ) , 系统。在编写 a r x 应用程序时，我们直接生威崮据库对象及调用a c d b 3 d s o l i d 类的 成员函数便可进行三维实体造型。具体实现过程请参见6 4 2 小节。 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n 鲥u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文 第1 8 页共7 0 页 第五章复杂刀具c a d 系统概要设计 随着软件规模愈来愈大，复杂程度愈来愈高，造成软件质量低 下、成本过高、研制周期不易估计、维护困难等局面，称为“软件危 机。为了摆脱这一困境，兴起了“软件工程”这一新学科。它采用 工程化的原理与方法对软件进行规划、开发和维护，从而提高了软件 的生产率和可靠性。 图5 1 1 瀑布模型 阶段 复杂刀具c a d 系统的开发便是严格遵循软件工程的原理扣方 法，采用瀑布模型开发而来。如图5 1 一l 所示，瀑布模型扣戢件的生 存期分为：软件计划、需求分析、概要设计、详细设计、程序编写、 软件测试和垂行雒护七个步骤。这些步骤又可划分为三个阶段：定义 阶段、开发阶段和维护阶段。本文主要对开发阶段的需求分析、概要 设计和详细设计进行研究。 复杂刀具c a d 系统的研究与开发c h e n g d u 2 0 0 1 3 西南交通大学研究生学位论文第1 9 页共7 0 页 需求分析的主要任务在于弄清用户对软件系统的全部需求，并用 需求期掐顿朋书的形式准确地表达出来。它是软件开发期的第一个阶 段，也是关系到软件开发成败的关键步骤。软件产品质量低下的主要 原因之一就是没有全面、准确地理解或表达需求，造成献件达不到预 期的i f i 标，以至反复修改，甚至酿戚不良后果。 结构化分析( s a ，s t r u c t u r e da n a l y s i s ) 方法是最普遍采用的一种 需求分析方法。它分析的最终结果是需求规格说明书，其中包括一 套分层的数据流图、一奉数据字典和一份加工说明等一整套文档。 5 2 。1 数据流圈 数据流图( d f d ，d a t af l o wd i a g r a m ) 是用采描述数据流从输入 到输出的变换过程。它的基本成分及其图形表示如图5 _ 2 1 所示。 + 数据流 图5 1 2 1d f d 的基本成分及图示 口 源宿 复杂刀具c a d 系统的分层数据流图的画法如下： 1 ) 画系统的输入和输出：把整个系统看成一个大的加工，然后 根据系统从外界的那些源接受那些数据流，以及系统的那些数据流送 到外界的那些宿，就可以画出系统的输入和输出图，这张图称为项层 图。如图5 2 2 所示。把复杂刀具c a d 系统作为一个大力口工，它接 受用户的输入，并向用户，绘图机和c a m 系绞输出韵抿 2 )画系统的内部：将项层图中的加工分解成若干个加工，并用 数据流将这些加工连接起来，使得顶层图中的输