（机械制造及其自动化专业论文）基于三维平台的capp软构件库的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 基于三维平台的可重构c a p p 系统代表着c a p p 系统研究和开发的发展方 向。以主流三维c a d 软件为基础平台，主要研究三维环境下c a p p 的基础软构 件库，在对软构件进行增、删、改、查的基础上增加系统建模和软构件集成部 署的辅助功能，实现产品计算机辅助工艺设计过程的3 d - c a d c a p p 同步可视化 表达、三维模型的参数化双向驱动、三维c a p p 工艺资源库的建立与实现， 3 d a p p 与主流系统的集成方式，本文介绍了当前c a p p 系统的存在现状和发 展趋势及其广泛存在的问题，提出了基于三维平台的c a p p 软构件库解决方案， 给出了软构件库的系统组织架构及其探讨了三维c a p p 实现的关键技术、并基 于软构件库开发出一个能根据企业实际情况进行工艺定制的可重构工艺设计系 统。 基于软构件库的c a p p 系统。c a p p 采用软构件库技术，通过动态服务接口 的配置工具，用户可以像插拔硬件模块一样增加或删除提供不同服务的功能模 块，实现系统的动态可调整性及扩展性，增强软件可理解性、可维护性、可复 用性，改变以往软件设计过分依赖前期设计的局面，保持设计的简单性、灵活 性； 基于三维c a d 平台的c a p p 系统。由于二维c a d 系统在许多方面存在不 足，如：零件模型是线框模型，缺乏特征信息、拓扑信息和精度信息等c a p p 所需要的工艺信息，因此，基于三维c a d 平台是本项目的一大特点，也是区别 大多数现有c a p p 的一个特点； 与三维c a d 及其它典型企业信息化软件系统p d m 、e r p 的信息关联、沟 通和共享集成，注重解决工艺设计各个专业口之间、c a d 与c a p p 之间的有效 集成的方法和手段，尤其是与三维c a d 的集成，利用三维c a d 零件模型自定 义属性功能，将工艺设计所必需的产品信息( 如特征信息、拓扑信息、精度信 息以及产品型号、产品名称、零件图号、零件名称、材料牌号等等) 自动带入 工艺设计系统中，实现了与c a d 信息的无缝集成。 基于三维平台的软构件式可重构c a p p 系统以资源库为核心，以交互式为 基础，采用检索、修订、创成等混合策略。使得工艺编制变得更加方便、直观、 实用、规范。基于三维平台的软构件式可重构c a p p 系统全面开发和采用了典 武汉理工大学硕士学位论文 型工艺和知识库技术，大大减少了工艺人员查阅工艺手册及相关资料的时间； 而典型工艺的丰富信息，可以代替人工查阅已设计好的工艺实例，使具有较少 经验的工艺人员，能够设计出具有专家或准专家水平的产品工艺。 关键字：3 d - c a p p ，软构件库，集成，装配可视化，双向驱动 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e 0 0 n f i g u r a b l ec a p ps y s t e mb a s e do n3 dp l a t f o r mr e p r e s e n t st h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c a p ps y s t e m u s i n gt h em a i n s u e a m3 d - c a da st h eb a s i c p l a t f o r m , i tr e s e a r c h e sm a i n l yt h eb a s i cs o f t w a r ec o m p o n e n to fc a p pi nt h e3 d e n v i r o n m e n t , a d d ss o m ea c c e s s o r i a lf u n c t i o n ss u c ha ss y s t e mm o d e l i n ga n ds o f t w a r e c o m p o n 咖i n t e g r a t i o nb a s e do nc a r r y i n go na d d i t i o n 、d e l e t i o n 、m o d i f i c a t i o na n d i n q u i r y t ot h es o f t w a r ec o m p o n e n t , u l t i m a t d y , r e a l i z e ss y n c h r ov i s u a l i z a t i o n e x p r e s s i o no f3 d - c a d c a p p , p a r a m e t r i ct w o - w a yd r i v eb e b v e e n3 dm o d e l s , e s t a b l i s h i n gt h e3 d - c a p pt e c h n o l o g yr g s o u l 懈l i b r a r y t h i st h e s i si n t r o d u c e st h e s t a t u s 、d e v e l o p m e n tt r e n da n de x i s t e n tp r o b l e m so ft h ec u r r e n tc a p ps y s t e m ，p u t s f o r w a r dt h es o l u t i o n st oc a p ps o f 慨d r ec o m p o n e n tb a s e do n3 dp l a t f o r m , c o m p l e t e s t h e d e s i g nt os y s t e m s t r u c t u r eo fs o f t w a r e c o m p o n e n t , r e s e a r c h e ss o m ek e y t e c h n i q u e so f 3 d - c a p p , a n dd e v e l o p sar e c o n f i g u r a b l ec a p ps y s t e mw h i c h i sa b l et o c u s t o m i z et e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h ef a c t u a ls i t u a t i o no fae n t e r p r i s eb a s e do n s o f t w a r ec o m p o n e n t c a p ps y s t e mb a s e do n 行船陀c o m p o n e n t c a p ps y s t e mi sn o tu n i v e r s a l s o f t w a r e m u s tb ei m p l e m e n t e di na c c o r d r a c ew i t ht h ef a c t u a ls i t u a t i o no fk i n d so f e n t e r p r i s e sa n db ee m p h a s i z e de v e r yc l i e n t sr e q u i r e m e n tc a p ps y s t e ma d o p t s s o f t w a r ec o m p o n e n tt e c h n i q u ea n dc o n f i g u r a t i o nt o o l so fd y n a m i cs e r v i c ei n t c r f a c o , 北甜i z c s s y s t e m sd y n a m i ca d j u s t a b m t ya n de x p a n s i b i l i t y , e n h a n c e s s o f t w a r e u n d e r s t a n d a b i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t y , r e u s a b i l i t y , c h a n g e s t h es i t u a t i o nw h i c hi s e x c e s s i v e l yr e l i a b l eo nt h ei n i t i a ld e s i g n ，a n dk e e p sd e s i g ns i m p l e n e s sa n df l e x i b i l i t y c a p ps y s t e mb a s e do n3 d - c a d t h e r e 撕m a n yd e f i c i e n c i e so f2 d - c a d s y s t e m , f o ri n s t a n c e , ap a r tm o d e lw h i c hi se x p r e s s e db yl i n e f l a l n el a c k sn e c e s s a r y t e c h n o l o g yi n f o r m a t i o ns u c ha sf e a t u r ei n f o r m a t i o n , t o p o l o g yi n f o r m a t i o n , p r e c i s i o n i n f o r m a t i o n , a n ds oo n t h e r e f o r e b a s i n go n3 d - c a dp l a t f o r mi st h ed i s t i n c t c h a f a e t g l o f t h i sc a p ps y s t e ma n di sa l s od i f f e r e n tf r o mt h ec u r r e n tc a p ps y s t e m i t i n t e g r a t e s 、硝m3 d c a da n do t h e rt y p i c a le n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns o f t w a r es u c ha s p d ma n de r p , p a y sa t t e n t i o nt om e t h o d sa n dm e a n so fi n t e g r a t i o nb e t w e e ne v e r y 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 s p e c i a l t yi n t e r f a c e , b e t w e e nc a d a n dc a p p e s p e c i a l l y , i n t e g r a t i n gw i t h3 d - c a d ，i t a u t o m a t i c a l l yb r i n g s s o m e n e c e s s a r yp r o d u c ti n f o r m a t i o n ( s u c h a s ：f e a t u r e i n f o r m a t i o n , t o p o l o g yi n f o r m a t i o n , p r e c i s i o ni n f o r m a t i o n ，p r o d u c tt y p e ，p r o d u c t n a i n e ，p a r tn u m b e r , p a r tl l a l n e , m a t e r i a l 啉a n ds oo n ) t ot e c h n o l o g yd e s i g ns y s t e m a n df m a n yr e a l i z e sc o m p l e t ei n t e g r a t i o nw i t hc a di n f o r m a t i o n r e c o n f i g u r a b l ec a p ps y s t e mb a s e do n3 dp l a t f o r mi sa lt h ec , o r eo fr e s o u r c e l i b r a r y , i so nt h eb a s i so f i n t e r a c t i v ep e r f o r m a n c e , u s e sr e t r i e v a l , r e v i s i o n , i n n o v a t i o n , a sw e l la so t h e rh y b r i ds t r a t e g y , c o n s e q u e n t l y , m a k e st e c h n o l o g ye s t a b l i s h m e n tm o r e c o n v e n i e n t , i n t u i t i o n i s t i c ，p r a c t i c a l ，c a n o n i c a l i ta d o p t st y p i c a lt e c h n o l o g yk n o w l e d g e l i b r a r y , g r e a t l yd e c r e a s et e c h n o l o g i s t s t i m eo fl o o k i n gf o rt e c h n o l o g yh a n d b o o k s a n d r e l a t i v ed a t u m f u r t h e r m o r e , t h ea b u n d a n tt y p i c a lt e c h n o l o g yi n f o r m a t i o ns u b s t i t u t e s m a n u a lw o r kw h i c hl o o k sf o rd e s i g n e dt e c h n o l o g yi n s t m l c e s , h e l p st e c h n o l o g i s t sw h o a r el e s se x p e r i e n c et ow o r ko u te x c e l l e n tp r o d u c tt e c h n o l o g yw h i c hi sc l o s et oe x p e r t l e v e l k e yw o r d s ：3 d - c a p p ， s o f t w a r ec o m p o n e n t d i m e n s i o nd r i v e n 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究的背景 第1 章绪论 c a p p 的研究和开发，最初是在2 0 世纪6 0 年代末，挪威正式推出第一个 c a p p 系统a u t o p r o s ，在c a p p 发展史上具有里程碑意义的是设在美国的国 际性组织c a m i 于1 9 7 6 年开发的c a p p ( c o m p u t e ra u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 系 统【2 0 世纪8 0 年代初，c a p p 技术开始受到工艺界的重视，在1 9 8 5 、1 9 8 6 年， 美国机械工程师协会( a s m e ) 连续召开c a p p 技术会议；1 9 8 5 、1 9 8 7 年国际 生产工程研究会( c 啦) 连续召开c a p p 专题会议经过这几次国际上比较有 影响力的会议，使c a p p 技术的研究工作在世界范围内推广开来，进而掀起了 研究c a p p 技术的高潮。国内是从8 0 年代开始研究c a p p 技术的，最早开发的 是同济大学的修订式t o j i c a p p 系统 2 1 和北京航天航空大学的创成式b h c a p p 系统。 到目前为止，在国内学术会议、刊物上发表的c a p p 工具系统很多( 如： 开目c a p p 、众望c a p p 、思普c a p p 、天河c a p p 等) ，但真正被工厂、企业正 式应用的只是少数，形成商品化的c a i p 更是屈指可数。目前在市场上流行的 c 幻) p 系统有如下几种类型： 采用w o r d 。e x c e l 、a u t o c a d 等工具软件 3 1 。此类应用只解决了工艺文件 的电子化问题，设计效率和质量并没有提高，反而有所下降；所生成的工艺文 件是以文件的形式存在的，无法对其工艺数据加以利用，不能对工艺数据进行 有效的管理。目前，此种类型的c a p p 是企业应用最多的一种。 采用低端关系型数据库开发的c a p p 系统。此类系统的技术特点是易于开 发，优点主要体现在工艺数据的管理和利用方面，缺点是实用性很差、数据量 不大。不少企业采用低端的关系型数据库自行开发了c a p p 系纠4 l ，但最终因技 术实力等原因没有长期应用下去。 从底层开发的基于文件系统的c a p p 。此类系统的技术特点是基于文件系统 和自定义的文件格式；优点是基于自主平台和基本上可实现“所见所得”的操 作；缺点是采用自定义的文件格式，开放性差，不易集成。 7 基于a u t o c a d 图形平台开发的c a p p 系统。此类系统的技术特点是以 武汉理工大学硕士学位论文 a u t o c a d 作为交互平台，工艺文件以d w g 格式存储，工艺数据存储在数据库 中，开发比较容易实现；优点是绘图功能强，实用性好，工艺数据存储在数据 库中可以有效地管理和利用；缺点是工艺文件和工艺数据分离，管理工艺文件 和管理工艺数据需要两套技术系统，不成体系，同时受a u t o c a d 的制约，隐藏 着很多难以解决的问题。 基于自主图形平台开发的c a p p 系统。此类系统的技术特点是基于文件系 统和自定义的文件格式；优点是基于自主平台和基本上可实现“所见所得”的 操作，实用性好，图形功能较强，以鲫。工具化”作为重点追求的技术目标； 缺点是采用自定义的文件格式，开放性差，不易集成 5 1 。 基于大型网络数据库开发的平台类c a p p 系统，其优点是具有网络协同环 境和自主平台，可实现工艺知识和制造资源的智能化利用，系统采用完全开放 的体系结构，提供二次开发系统，便于工艺数据的管理和利用；缺点是小企业 实施和应用时由于成本较高而受到限制。 1 2 c a p p 发展的国内外现状 c a p p 的研究和开发，综合我国c a p p 系统的发展历程，二十余年时间内经 历了如下演变和发展嘲： ( 1 ) 第一类c a p p 系统 1 9 8 2 年至今，目标为工艺设计自动化，即自动工艺设计问题的c a p p 系统 在相当长时间内，c a p p 系统一直以代替工艺人员的自动化系统为目标，强调工 艺决策的自动化，开发了若干派生式( v a r i a n t ) 、创成式( g e n e r a t i v e ) 以及综合式 ( h y b r i d ) 的c a p p 系统。早期c a p p 系统中，无论是派生式或创成式，都以利用 智能化和专家系统方法，自动或半自动编制工艺规程为主要目标。 至今为止国内外还没有兼具实用性和通用性、真正商品化的、自动工艺设 计的c a p p 系统。2 0 世纪9 0 年代中期以来，主流的c a p p 系统开发者已基本停 止了这类系统的研制，但多年来积累的研究成果、经验和教训仍然值得重视。 ( 2 ) 第二类c a p p 系统 1 9 9 5 年至今，基于服务顾客、优先解决事务性、管理性工作的理念开发的 c a p p 工具系统，这类系统以解决工艺管理问题为主要目标。 2 0 世纪9 0 年代中后期，c a p p 工具系统在实用性、通用性和商品化等方面 2 武汉理工大学硕士学位论文 取得了突破性进展。这类c a p p 工具系统在认真分析顾客需求的基础上，以解 决工艺设计中的事务性、管理性工作为首要目标，首先解决工艺设计中资料查 找、表格填写、数据计算与分类汇总等繁琐、重复而又适合使用计算机辅助方 法的工作 第二类c a p p 系统对企业需求进行了认真分析：第一，企业的工艺部门的 个性很强，随企业的产品不同、生产模式不同，工艺方面差异很大，要求c a p p 软件必须是一种工具化的产品，能够通过定制或配置，满足企业的需求。第二， 工艺设计企业的加工设备、工艺装备、工艺手段、典型工艺等工艺资源；目前 大部分企业对工艺资源缺乏管理，因此，工艺部门要求c a p p 软件必须提供一 种工具，将企业的工艺资源有效地管理起来。第三，工艺设计由许多不同性质 的子任务组成，涉及到多个部门和人员，这就要求工艺软件提供一种角色和权 限机制，提供产品级的工艺编制功能和零件级的工艺编制功能。 这类系统的实用性和通用性较好，对推动企业信息化进程、培养企业的 c a p p 人才起到了良好作用，是c a p p 系统发展阶段中的一个必由阶段。但第二 类c a p p 系统在将工艺专家的经验、知识集中起来指导工艺设计、为工艺设计 人员提供合理的参考工艺方案、与c a d 、c a m 、p d m 、e r p 等系统共享信息等 方面都有所局限。 ( 3 ) 第三类c a p p 系统 1 9 9 9 年至今，直接由二维或三维c a d 设计模型获取工艺输入信息，基于知 识库和数据库、关键环节采用交互式设计方式并提供参考工艺方案的c a p p 工 具系统。此类系统在保持解决事务性、管理性工作优点的同时，在更高的层次 上致力于加强c a p p 系统的智能化工具能力；将c a p p 技术与系统视为企业信 息化集成软件中的一环，为c a d c a e c a p p c a m p d m 集成提供全面基础。 现有的c a p p 系统在解决事务性、管理性任务的同时，在自动工艺设计和 信息化软件系统集成方面也已经开展了一些工作。如兼容某些典型零件的派生 式工艺设计、基于设计模型可视化工艺尺寸链分析等工作。 在各种c a x 系统集成方面，c a p p 系统需要与其他系统协同发展。如基于 特征的工艺设计要求c a d 系统基于特征的造型，随着国内三维c a d 的发展和 成熟，基于三维特征造型的c a p p 系统将是一个重要的发展方向。 目前，各高校、研究所、软件商都试图开发更适合制造企业应用的c a p p 系统，其主要研究热点在以下几个方面： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 研究和开发基于三维c a d 、p d m 的c a p p 系统，解决c a p p 系统 与其他信息软件系统的集成问题。 。 ( 2 ) 研究和开发可重组的、基于软构件的、平台型的c a p p 系统，解决 c a p p 系统的通用性、个性化适应性问题。 ( 3 ) 研究和开发面向产品和面向产品全生命周期的c a p p 系统，解决 c a p p 系统的深化应用问题。 。 总的来说，c a p p 系统向着集成化、通用化、实用化、综合智能化、构件化、 网络化方向发展，基于三维平台的可重构c a p p 系统代表着c a p p 系统研究和 开发的发展方向f 6 ，7 8 1 。 1 3 论文研究的目的和意义 计算机世界资讯发布的2 0 0 5 年中国行业信息化建设及应用趋势研究成果i 调查显示，虽然中国制造行业的信息化高速增长，但制造行业信息化处于非成 熟阶段，整体应用水平偏低，大部分制造企业实施信息化比较成功的是财务管 理、管理信息系统( m i s ) 、办公自动化系统( o a ) 等初级应用方面，使用基于三维 产品模型的c a p p 技术的企业还不多，且刚起步，实现了c a d c p p ，c a l 讧一体 化应用的企业更少，远未达到与生产融合的高度，仅有不足l 的企业体现出信 息化成熟的特征。 因此，中国c a p p 软件市场作为一个有待成熟的领域，将重新成为中国信 息化软件产业发展的一个热点。计算机世界资讯预计：到2 0 0 8 年中国制造行业 信息化投资总额将达到4 3 7 亿元。中国制造行业在2 0 0 1 - - 2 0 0 4 年进行了大规模 的信息化基础普及之后，自2 0 0 5 年开始，制造业信息化应用及投资将进入新一 轮的高峰，并将逐步转向企业各种应用系统一体化的实施。针对c a d 和c a m 连接纽带的c a p p 系统，从全球市场的产值增长和分布判断，目前正是进入这 一全新c a p p 软件业的最佳时机和导入拐点阶段。 其实，c a p p 软件作为一个热点软件重新受到关注是近几年的事， c a p p 软件的应用在我国也由来已久。自2 0 世纪8 0 年代初c a p p 技术开始受到工艺 界的重视以来，目前在国内学术会议、刊物上发表的c a p p 系统己超过5 0 个， 但真正被工厂、企业正式应用的只是少数，形成商品化的c a p p 更是寥寥无几【9 】。 通过对国内企业的调研，目前在市场上流行的几种类型的c a p p 技术在功能上 4 武汉理工大学硕士学位论文 区别不大，但在体系结构上的差别较大大部分c a p p 在体系结构上存在明显 的问题，尽管可以满足工艺人员的要求，但却很难满足企业对c a p p 的整体要 求。究其原因，在于目前c a p p 系统所存在的一些问题： ( 1 ) 几乎所有的c a p p 系统都难以实现对产品工艺流程变化的良好支 持，其表现在：无法对零件工艺变化做出充分的反应、无法适时地响应客户的 需求。现有的c a p p 软件是把工艺设计制定等的流程固定在程序中，按照程序 的流程来执行，这使得系统二次开发和维护很困难。而且，即使有些部分关键 地方需要根据人员来操作，但这些地方依靠人的比重太大，往往需要工艺人员 经过长期经验积累才能胜任，而且此岗位人员一旦离开，设计新的良好工艺就 会变得非常困难。 ( 2 ) c a p p 软件大多是根据某一领域管理思想定制的，这导致了软件的 通用性差，软件重复开发工作量增加，软件不适应企业产品快速变化所带来的 体系的变化的要求，存在软件生命周期缩短等问题。 ( 3 ) 企业生产工艺是一个共性与个性并存的领域，传统、固化的软件产 品难以满足不同业务模式和领域的所有需求，更难以跟上企业的迅速发展。干 扰c a p p 软件商的核心问题依然是实施、开发和营销的矛盾，如何满足企业的 个性化需求而又能够及时完成项目，如何提高客户的应用效果，根本的出路还 是在于软件技术本身的创新，即实现c a p p 系统软构件化、平台化。科技部在 。十五”8 6 3 现代集成制造系统的技术主题中，将。基于三维c a d 的c a p p ” 专门立项研究和推广 8 1 ，可以预见，3 d - c a p p 系统将为今后研究的热点1 1 0 l 。 鉴于上述原因，基于三维平台的c a p p 软构件库研究与系统开发，不仅要 开发适应制造企业特点的c a p p 系统( 支持工艺卡片绘制、工艺资源与工艺信 息管理等功能) ，更重要的是构造三维c a d 平台下c a p p 的基础软构件库，能 够在对基础软构件进行增、删、改、查的基础上增加系统建模和软构件集成部 署的功能，可根据制造对象、制造资源和企业的工艺需求，通过选择功能模块 和设置重构参数，快速组成满足企业特定工艺设计要求的c a p p 系统，具有对 不同制造企业的通用性和对生产环境变化的灵活性和适应性；同时也致力于解 决一些长期存在且迫切需要处理的c a p p 问题，如支持c a p p 与3 d c a d 的同 步可视化l l “、三维模型的参数化双向驱动等c a p p 技术难题。 目前大多数产品化的c a p p 系统，仍然运行在二维c a d 平台上，由于二维 c a d 系统在许多方面存在不足，如：零件模型是线框模型，缺乏特征信息、拓 武汉理工大学硕士学位论文 扑信息和精度信息等c a p p 所需要的工艺信息，难以对零件信息进行详尽地描 述或描述程序繁琐，而且对于结构复杂的零件信息描述非常困难，这使得众多 基于二维c a d 平台的c a p p 系统“先天发育不足”，只能成为企业工艺人员的 一个功能简单的电子化书写、绘图和工艺文件管理工具。因此，新的c a p p 系 统首先应当是建立在三维c a d 平台下，同时应当能实现产品计算机辅助工艺设 计过程的3 d c 觥a p p 同步可视化表达，保持三维c a d 模型的可见性，让用户 在工艺设计过程中，能方便、直观地查看并获取产品的三维模型属性和各种工 艺资源信息1 1 2 - 1 q 。 另外，现有的c a p p 系统，在生成工序卡片方面，虽然可以做到提取工序 图的功能，但是工序图与c a d 是非关联的，当c a d 模型更改时，难以自动更 新工序图形。因此，新的c a p p 系统应当是基于配置的三维参数化工艺设计， 对产品模型采用三维模型的参数化双向驱动模式，实现工艺过程( 零件特征与 工序内容间) 双向参数化驱动j 工艺问简图( 工序简图( 尺寸等属性) 与零件 模型关联) 双向参数化驱动、零件明细表自动生成，对相同、相似零件，工艺 人员不必重新设计工艺路线，只需要改变零件的相关参数( 比如零件的尺寸、 粗糙度等) ，工艺流程图、工序图将利用检索、创成自动生成相关工艺文件。 正是基于上述思想，本项目“基于三维平台的c a p p 软构件库研究与系统 开发”体现了制造业信息化发展的需要和我国制造业的生产实际的需要，同时 该项目也代表了现代c a p p 技术和系统研究的发展方向。因此，本项目的工作 对于提高我国c a p p 系统的技术和应用水平，对于推进制造业信息化的发展， 对于提高制造企业市场竞争能力具有重要的意义。 1 4 课题来源及主要研究内容 1 4 1 课题来源 本论文受国家自然科学基金重大国际合作项目( 5 0 6 2 0 1 3 0 4 4 1 ，以网络为基 础的数字制造环境的新理论和新技术研究) 、武汉市信息产业局电子发展基金 ( 武信发 2 0 0 7 1 8 号，制造网格资源共享服务平台) 和企业项目“基于三维c a d 平台的产品参数化设计系统”共同支撑。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 , 4 2 课题的主要研究内容 ( 1 ) 基于三维软件平台构建c a p p 的基础软构件库，能够在对基础软构件 进行增、删、改、查的基础上增加系统建模和软构件集成部署的功能，可根据 制造对象、制造资源和企业的工艺需求，通过选择功能模块和设置重构参数， 快速组成满足企业特定工艺设计要求的c a p p 系统，具有对不同制造企业的通 用性和对生产环境变化的灵活性和适应性。 ( 2 ) 零件计算机辅助工艺设计过程的3 d c a d c a p p 同步可视化方法研 究，以便在工艺设计过程中，保持三维c a d 模型的可见性，让用户在工艺设计 过程中，能方便：直观地查看并获取产品的三维模型属性和各种工艺资源信息。 并可按产品系列( 分类编码) 建立典型工艺或实例、按产品配置建立参数化工 艺、按工艺过程建立参数化工序，同时具备传统的功能齐备的卡片编辑工具 ( 3 ) 产品模型的三维双向参数化驱动方式基于配置的三维参数化工艺 设计，对产品模型采用三维模型的参数化双向驱动模式，实现工艺过程( 零件 特征与工序内容间) 双向参数化驱动、工艺间简图( 工序简图( 尺寸等属性) 与零件模型关联) 双向参数化驱动、零件明细表自动生成，对相同、相似零件， 工艺人员不必重新设计工艺路线，只需要改变零件的相关参数( 比如零件的尺 寸、粗糙度等) ，工艺流程图、工序图将利用检索、创成自动生成相关工艺文件。 ( 4 ) 基于三维平台的软构件式可重构c a p p 原型系统，该系统可通过动 态服务接口的配置工具，支持用户动态增加或删除提供不同服务的功能模块， 主要包括产品结构管理、工艺结构管理、工艺卡片编制、工艺资源管理、典型 工艺管理、用户信息管理、模板定制等基础功能模块。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章3 d c a p p 软构件库系统平台的体系结构 2 1 软构件技术概述 构件( c o m p o n e n t ) 是可复用的软件组成成份，可被用来构造其他软件。它 可以是被封装的对象类、类树、一些功能模块、软件框架( f r a m e w o r k ) 、软件构 架( 或体系结构a r c h i t e c t u r a l ) 、文档、分析件、设计模式( p a t t e r n ) 等。构件分 为构件类和构件实例，通过给出构件类的参数，生成实例，通过实例的组装和 控制来构造相应的应用软件。打个比方，如果有一个开发人员创建了一个构件 能够让一个客户进入公司的数据库。那么，其他程序员就不必重新编写这个功 能，而是从公司的知识库提取这个用户构件，然后直接放入程序使用其功能。 随着软件工程的发展，基于构件的开发c b d ( c o m p o n e n t - b a s e d d e v e l o p m e n t ) 成为软件开发不可阻挡的趋势。软件界提出了不同的基于重用思 想的编程规范和技术，使大规模软件复用成为可能【1 5 1 。软件行业的工业化趋势 导致了软构件的产生，能够像硬件系统那样，将部分软件组合起来构建软件系 统，一直是软件行业多年来追求的目标，特别是对于象很多应用软件的开发， 若能结合系统的实际情况充分利用已有的软件构件，将会大大提高生产效率， 减少大量的重复劳动。可以说，软构件技术的出现是对传统软件开发过程的一 次变革。在这种新的软件开发方式下，软件公司以开发软部件为主要业务，提 供规格化的软部件；系统集成商则汇总部件，组合成能完成不同功能的软构件， 将自己的核心技术构件化；正是这两者之间分工的泾渭分明，将软件行业工业 化逐渐推向成功。 2 2 构件开发的特点 软件构件是软件系统内可标识的、符合某种标准要求的构成成分，类似于 传统工业中的零部件。广义上讲，构件可以是需求分析、设计、代码、测试用 例、文档或软件开发过程中的其它产品；狭义来说，一般指对外提供一组规约 化接口的、符合一定标准的、可替换的软件系统的程序模块。通常情况下软件 8 武汉理工大学硕士学位论文 构件是指后者，其特点如下【临1 司：， 可复用性构件应该能够在二进制代码级被复用，使用软件构件是缩短软 件的交付时间和提高软件质量的一条途径。软件构件复用是指充分利用过去软 件开发中积累的成果、知识和经验，去开发新的软件系统，使人们在新系统的 开发中着重于解决出现的新问题、满足新需求，从而避免或减少软件开发中的 重复劳动。构件复用使人们在软件开发中不必“重新发明轮子”或“一切从零 开始0 提高了软件生产率和质量，缩短开发周期，降低开发成本。软件的重用 中没有材料的消耗，而且软件通过多次重用后其质量和可靠性越来越高。据统 计，软件系统的开发中若复用程度达到5 0 ，则其生产率提高4 0 ，开发成本 降低约4 0 ，软件出错率降低近5 0 易用性指软件构件有很好的包装，能很方便地使用它，一般来讲，软件 构件的包装要符合一定的标准。软件构件可以独立部署，易于第三方整合。” 语言无关性构件是语言( 源程序) 无关的，构件的调用协议是语言无关 的协议。 位置透明性调用者对构件的调用，与构件的位置无关，无论构件位于什 么位置，调用者调用构件( 包括定位构件) 的方法都相同。 自描述性构件是白描述的，调用者应该能够在调用构件之前，通过构件 获取调用构件需要的构件信息( 自描述) ，构件信息也是语言无关的。 安全性构件是安全的，不应该允许任何形式的未授权使甩( 调用) 。 目前，采用软构件思想开发的软件产品相继出台，而主流是以美、日大公 司为首的产品。由于采用其思想的开发工具推出的时间还不足五年，因此，真 正使用软构件的用户还屈指可数。尽管软构件技术还存在着很多不成熟之处， 但人们都相信软构件带来的好处是不可估量的，它代表了新一代软件技术的发 展方向 2 3 软构件技术在3 d c a p p 中的应用 2 3 1 传统的c a p p 系统开发流程 传统的c a p p 系统开发流程一般遵循如下流程：系统需求分析- - - i - 艺标准 化一系统功能设计一系统详细设计一软硬件选择一输入输出接口设计一数据结 9 武汉理工大学硕士学位论文 构和数据库设计一编制系统规格说明一软件开发一编制文档一软件测试1 9 j 。随着 c a p p 规划的扩大和对开发经验的总结与归纳，传统的c a p p 系统开发方法有： 自顶向下法和快速原型法【9 】。 自项向下法要求开发者首先制定系统的总体规划，然后逐步分离出高度结 构化的子系统，从上至下实现整个系统运用这类方法可以为企业或公司的中 期或长期发展规划奠定基础，同时支持c a p p 的整体性，为系统的总体规划、 子系统的协调和通信提供保证。但它同样也存在缺点：对系统分析、设计人员 要求较高，在大系统中，对下层系统的实施往往缺乏约束力，开发的周期长， 系统复杂，成本较高。 快速原型法的核心是原型，即模型，是系统的早期可运行版本，随着用户 或开发者对系统理解的加深，不断地对原型进行补充和细化，系统的定义是在 逐步发现的过程中进行，这就是快速原型法的基本出发点快速原型法的开发 过程体现了不断迭代的快速修改过程，是一种动态定义技术；快速原型法的最 大优点是能够大大减少软件系统的后期维护费用，使系统功能能正确反映用户 的需求；原型本身及这种方法的不足之处在于，如果原型本身功能设置不齐全、 性能不好，会导致原型的设计和使用超出预期的花费和时间；另一个关键不足 是原型法需要一个合适的软件开发环境，以便原型能直接转换成现实的系统。 以上方法各有其优缺点，白顶向下法开发周期长、见效慢、缺乏灵活性和 适应性；快速原型法虽然具有很明显的优越性，但因其依赖于快速开发工具的 支持，又不能不令许多系统开发者望而却步因此通过对软构件技术的研究， 基于软构件模块，我们可以针对不同的客户需求快速组合一套c a p p 系统，该 种模式好像搭积木一样，组合现有不同资源或者扩充现有资源可以快速成型系 统，我们形象的称其为积木法。 2 3 2 利用软构件技术开发3 d c a p p 系统 采用积木法【l6 】开发c a p p 系统的过程与搭积木的过程很类似，一般是先构 筑系统的总体框架，然后构造各个构件，并依次把构件安装到系统中去。积木 法克服了快速原型法需要快速工具支持的不足，取而代之以软件构件化技术来 构造系统，大部分c a p p 系统，在功能上有类似之处，因而利用软件的重用技 术就可以把开发过程大大简化，积木法的提出正是基于这种设想。积木法在确 定系统总体框架、构筑总体框架、修改总体框架、构造构件以及修改构件等阶 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 段，都同一个叫做“软构件集合”的实体打交道，这个软构件集合也被称为“软 构件库”。在开发c a p p 系统之初就应该着手准备这个软构件集合，比如可以搜 集一些已经开发出的c a p p 系统的总体设计、规范、局部流程以及某些人机界 面、通用功能模块、简单开发工具，开发c a p p 系统的大部分工作都集中在构 造软件阶段，这一阶段的工作特点是尽量使开发出的“积木块”具有较大的灵 活性和变通性，为重用作好准备，每开发出一个“积木块”，都要把该。积木块” 及其功能、调用接口等信息放入软构件集合。采用积木法的关键就是要借助对 积木构件的重用组合技术，系统开发人员绝不能忽视对软构件集合的管理，如 果缺少了这一点，积木法就丧失了优越性，自顶向下法及快速原型法所暴露出 的缺陷也会接踵而至。 2 43 d c a p p 软构件库系统的体系结构 2 4 1 软构件库的管理结构 3 d - c a p p 系统首先应当是建立在三维c a d 平台下，同时应当能实现产品 计算机辅助工艺设计过程的3 d - c a d c a p p 同步可视化表达，保持三维c a d 模 型的可见性，让用户在工艺设计过程中，能方便、直观地查看并获取产品的三 维模型属性和各种工艺资源信息。 与此相适应，除了应继承整体系统的优点外，还应整合相关各种业务应用， 并加入有利于企业应用扩展的系列软构件。管理c a p p 的基础软构件库，能够 在对基础软构件进行增、删、改、查的基础上增加系统建模和软构件集成部署 的功能彻，可根据制造对象、制造资源和企业的工艺需求，通过选择功能模块 和设置重构参数，快速组成满足企业特定工艺设计要求的c a p p 系统，具有对 不同制造企业的通用性和对生产环境变化的灵活性和适应性。如图2 1 所示为 3 d - c a p p 软构件库的管理结构框图。 为了适应多种c a p p 系统开发的需要，软构件库中应含有大量的各类软构 件，但若软构件很多，又会带来软构件的查找、使用和维护的困难，为此，需 要设计软构件库的管理程序。 软构件库的管理程序主要完成以下几个功制17 】： ( 1 ) 软构件查找：在软构件中查找到所要求的软构件； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 软构件扩充：加入一个软构件到软构件库中； ( 3 ) 软构件集成：利用已有的软构件集成软件系统； ( 4 ) 软构件删除：删除一个已存在的软构件： ( 5 ) 软构件修改：修改一个已存在的软构件 3 d - c a p p 应用层 一一- 一一一- - - 一一r 、i 。一一- 一一一- 一一一一一一一一- 图2 13 d c a p p 软构件库的管理结构框图 c a p p 系统采用软构件设计方法，把应用系统划分为若干积木块，把程序生 成问题转化为软构件的设计：处理问题。对于不同的应用系统，通过分析发现 它们之间的共性与个性，把共性部分做成标准软构件，把