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中圉科学院研亢生t 它颇士学位论文：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 摘要 本文首先概述了铁塔放样的重要性及主要困难。结合国内铁塔制造企业的现 状与国际c a d 技术的发展历程，分析了中国铁塔放样及相关软件的发展历史。 详细论述了面向对象( o o ) 的编程技术，方法及设计要点：数据库系统的进展 及其相对于其它数据管理方式的特点；三维图形的坐标变换理论及具体应用时应 注意的问题；铁塔放样中经：转出现的皮翻心问题及采用空间矢量的解决方法等诸 多开发中涉及的问题。 考虑到铁塔放样中数据量大的问题，采取以单线图为先导，由工程人员自出 生成相关构件的方案。并在此基础上结合面向对象的软件设计思想，分别建立了 型材，连接板和孔的数学模型。对基于a u t o c a d 的o b j e c t a r x 、可用于高性能 图形和交互式视景处理的o p e n g l 语言以及基于s o l i de d g e 的二次开发方案进行 了比较，选择基于a u t o c a d 这一个强大数据库可视化系统的o b j e c t a r x 作为丌 发工具。同时，探讨了关系数据库的设计步骤、数据规范化的要求以及相关的关 系模式，提出了铁塔数据存储与检索方面的具体实施方案。 最后，结合笔者所开发的铁塔三维放样系统的具体工程实践，详细讨论了基 于0 b j e c t a r x 铁塔虚拟装配动态连接库( d l l ) 的开发思路，并结合铁塔放样的工 程实践，论述其具体应用， 关键词：铁塔放样面向对象坐标变换关系数据库动态连接库( d l l ) 关 系模式 中国科学阮研宽生院硕士学住论主：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 a b s t r a c t t h ei m p o r t a n c ea n dm a j o rd i f f i c u l t i e st h a te l n c r g ed u r i n gt h ec o m p u t e ra i d e d t o w e rv i r t u a la s s e m b l ya r eb r i e f l ys u m m a r i z e d c o m b i n e dw i t ht h eh i s t o r yo f o v e r s e a s c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) t e c h n o l o g ya n dd o m e s t i c l o w e rm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s c a p a b i l i t y ，d o m e s t i ct o w e rv i r t u a la s s e m b l ya n di t sr e l a t e ds o f t w a r e s d e v e l o p m e n ta r es t a t e d a sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h et h e s i s ，t h ef o i l o w i n gs u b j e c t sa r et h o r o u g h l y d i s c u s s e d ：o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , m e t h o d sa n dk e r n e l s ；d a t a b a s e s y s t e m sd e v e l o p m e n th i s t o r ya n di t sp r i o r i t i e st oi t sf o r m e rc o u n t e r p a r t s ；t h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r ya n di t s a p p l i c a t i o nh i n t s ； r i d g e t o - d i r e c w i xo p e r a t i o na n di t ss o l v i n gt e c h n i q u e sw i t hs p a t i a lv e c t o r s w i t ht h ei n c o n v e n i e n c eo fc o n s t r u c t i n ga l lt h es o l i d so ft h ec o m p l e t et o w e r b e i n gt a k e ni n t oa c c o u n t ，t h ef r a m e w o r kw i t hl i n e sr e p l a c i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs o l i d s i s p u tf o r w a r dt og u i d e u s e r st ov i s u a l i z et h e s o l i d st h a tm e e tt h e i rd e m a n d s t h r e e d i m e n s i o n a lt o w e rm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e e d i m e n s i o n a lt o w e ri ss e t u p0 1 3 t h eb a s i so fo b j e c t o r i e n t e d ( 0 0 ) s o f t w a r et h o u g h t s a u t o c a j 3 - b a s e df u r t h e r d e v e l o p m e n tt o o l o b j e c t a r x ( o b j e c ta u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) i ss e l e c t e da s t h es d kw i t ho b j e c t a r x ，o p e n g ll a n g u a g ea n ds o l i d e d g e b a s e d f u r t h e r d e v e l o p m e n tt o o lb e i n ge v a l u a t e d f u r t h e r m o r e ，s p e c i f i ct o w e rd a t as t o r i n ga n d i n d e x i n gs c h e m ei sp r o p o s e da n dc a r r i e do u ta f t e rr e l a t i o n a ld a t a b a s e s ( r d b ) d e s i g n s t e p s ，d a t an o r m a l i z a t i o na n dr e l a t i o n a lp a r e m sa r ea n a l y z e d t h el a s tp a r to ft h et h e s i si sa s s i g n e dt od i s c u s st h ec o m p u t e ra i d e dt o w e r v i r t u a la s s e m b l yd y n a m i c a l l yl i n k i n gl i b r a r y ( d l l ) i nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es p e c i f i c d e v e l o p m e n tm e t h o d sa n dd l l s u t i l i z a t i o n sw h e na p p l i e d t oa s s i s tt h et o w e r s v i s u a l i z a t i o n 2 中困科学陀研究生= 屯硕士学位论文：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 k e yw o r d s ：t o c rv i r t u a la s s e m b l y , o b j e c t o r i e n t e d c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n ；r e l a t i o i l a ld a t a b a s e ，d y n a m i c a l l yl i n k i n gl i b r a r y , r e l a t i o n a lp a t t e r n s 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 但纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律 责任。 长春光学精密机械与物理研究所 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 5 年月日 一一 兰二兰丝兰 第一章概述弟一早僦还 1 1 铁塔放样的重要性及面临的主要困难 1 1 1 铁塔放样的重要性 铁塔通常是具有对称性的刚性桁架结构。铁塔放样作为铁塔加工的前置关键 工序，在铁塔生产中起着重要的技术依据作用，如果此关键工序遇到困难不仅会 延误全厂的加工生产，而且会造成生产加工中的经济损失。因此，搞好放样工作 具有十分重要的意义 。 1 1 2 铁塔自动放样所面临的主要困难 铁塔结构的复杂性及自动放样的困难f 3j 主要体现在以下几个方面： 铁塔为空间立体结构 结构方式多变 零件排列无序 存在大量不规则特殊加工 孔位分布杂乱 计算机技术的限制 需要大量图形处理 用户输入量的控制 1 2 国内铁塔制造企业的现状 国内现有铁塔制造企业2 0 0 余家。但各企业间技术水平参差不齐，差别很大。 很多小型企业，由于规模和人员技术限制，一直还沿用手工放样并采用手动设 备加工，效率极低，质量也难以保证。也有部分有技术实力的企业，在近几年 开始采用计算机软件放样，并购进大型数控加工设备。但大部分企业的放样工作 并没有与其它业务流程联系在一起，形成个协同工作的集成化系统。下面根据 中国科学院研究生院硕士学侄论文：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 企业的规模及技术水平，将国内的铁塔制造企业分为以下三个等级： 第一等：有5 0 0 k v 生产资质，普遍采用计算机软件放样，并利用数控生产 设备进行铁塔构件的加工生产。这类企业由于较早采用了计算机软件放样，并采 用数控加工设备，在提高生产效率的同时，还可以保证质量。 第二等：有2 2 0 k v 生产资质，在放样技术方面丌始采用计算机软件放样 并利用数控生产设备进行铁塔构件的加工生产。这类企业规模较小，技术力量较 弱，放样部门仅出几个技术骨干组成，不能形成一个具有完善管理机制的大型铁 塔制造企业。企业的放样技术人员也仅仅局限于对现有软件的了解和使用层次 上。创新能力较差。 第三等：除以上两类之外的其余企业，在软技术方面没有采用计算机软件放 样。沿用手工放样或者手工计算放样；在硬设备方面，依旧采用手工设备进行铁 塔构件的加工。这类企业技术实力薄弱，企业生产效率低，产品质量也难以得到 傈证。 1 3 国际c a d 技术的发展和中国铁塔放样及相关软件的发展 1 3 1 国际c a d 技术的发展 计算机辅助设计m 1 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后 期。进入6 0 年代，随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速发展。6 0 年代 出现的三维c a d 系统只是简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表 达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。 进入7 0 年代，法国人针对飞机及汽车制造中遇到的大量的自由曲面问题提 出了贝赛尔算法，同时丌发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三 维曲面造型系统c a t m 。 7 0 年代来到8 0 年代仞，出于计算机技术的发展，c a e 、c a m 技术也开始 有了较大发展。s d r c 公司在当时星球大战计划的背景下，开发出了许多专用分 析模块，同时在c a d 技术方面也进行了许多丌拓。u g 则着重在曲面技术的基 础上发展c a m 技术。基于对于c a d c a e 体化技术发展的探索，s d r c 公司 予1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件 一i d e a s 。 第一章概述 进入8 0 年代中期，c v 公司提出了参数化实体造型方法。并成立了一家参 数技术公司，研制命名为p r o e 的参数化软件。早期的p r o z 软件性能很低，只 能完成简单的工作，但由于实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后 将给设计者带来的方便性。 8 0 年代术，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，很多中小型企业 也开始使用c a d 技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，因 此他们偏向当时属中低档的p r o e 软件。 进入9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来。p t c 先行挤占低端a u t o c a d 市场；继而又进入高端c a d 市场，进入汽车及飞机制造业市场。 s d r c 公司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了变量化技术。从1 9 9 0 至1 9 9 3 年，将软件全部重新改写，推出全新体系结构的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不 利之处。 从2 0 0 1 年l o 月1 同开始，e d s 公司收购合并后的u g s 、s d r c 公司，成 立e d sp l ms o l u t j o n s 美国e d s 公司第五业务部，成为p l m ( 产品全生命 周期管理) 领域中的领先者。2 0 0 3 年i o 月e d sp l ms o l u t i o n s 宣布集成平台 t e a m c e n t e r 软件的战略方向：降聚焦于快速实现工业和产业价值解决方案。进一步 巩固后的t e a m c e n t e r 协同平台将为p l m 数字企业提供更有力的支持。 1 3 2 中国铁塔放样及相关软件的发展历程 1 3 2 1 中国铁塔放样概况 国内曾经( 或仍然) 采用的几种铁塔放样方法如下： 手工放大样 手工放大样是铁塔放样中最早使用的方法，至今仍普通应用。手工放样是一 种图解法，它依据铁塔设计部门提供的一些基本设计尺寸按照币投影的原理，通 过一系列划线作图而得到空间结构的平面展玎图。通常采用的比例为l ：l 。虽然 放大样比较形象直观：放出大样后，作样板比较方便；便于样杆和样板检查。但 在实际应用中也有许多缺陷。手工放样在处理铁塔的一些关键部位，如地线支架、 塔腿“v ”型断面时，难度较大。同时手工放样周期较长，不适应铁塔加工自动 中田科学院研究生院硕士学位论文：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 流水线作业的需要。 计算器计算法 利用平面三角函数解三角形的方法，计算铁塔单线图中的几何尺寸。利用一 系列的 十算即可箅出展开图中的实际尺寸和角度。虽然比手工放大样法准确度 高，但算法麻烦且易出错。采用这种方法可以处理空问结构简单自鼍塔型。这种方 法要求放样人员具有较深的数学知识，且错误不易查出，所以在处理复杂的空间 结构不采用这种方法。 可编程计算器算法 这种计算法是通过计算机编程处理一些常用的铁塔结构，当碰到这些铁塔结 构时，调用相应的计算程序，输入其所需数据，计算器自动计算，给出计算结果。 这种方法对于一些常见的铁塔结构，其计算效率非常高，而且不容易出错，但其 灵活性和集成性均较差。 1 3 2 2 中国铁塔放样软件的发展历程 中国绘图放样软件已经历了将近二十年左右的发展历程。旦由于发展过程 中，大部分软件是出于个人之手，不能达到企业运营化规模，所出其发展速度远 远落后于其它行业软件的发展水平。根据软件开发的时间及设计思想可以：降国内 绘图放样软件大致分为如下四代： 第代：基于d o s 设计模式，且只能处理二维坐标。数据输入几乎完全依 靠文本数据文件导入。显示界面也是基于d o s 操作系统而设计，可直接输出d x f 文件供a u t o c a d 进行调用并出图。 第二代：基于d o s 设计模式，但能处理三维坐标。数据输入仍主要依靠文 本数据文件导入。显示界面也是基于d o s 操作系统而设计，其余特性基本与第 一代产品相同。 第三代：基于w i n d o w s 设计模式，能处理三维坐标，数据输入依靠交互手 段，但所有的输入、设计及输出工作完全依赖在a u t o c a d 下进= i 亍二次开发完成。 第四代：基于w i n d o w s 模式，能处理三维坐标，基于b r e p 摸型对整塔进行 建模，且可显示构件的三维实体图，数据输入仍主要依赖交互手段输入，但也可 以建立在已有塔型基础之上，利用b r e p 模型进行参数化设计。除输出工程图纸 第一章概述 工作需a u t o c a d 运行环境外，其余工作完全在自主平台下完成。 1 4 论文的主要工作 本文结合面向对象的设计思想，从铁塔中提取出主要的构件并建立了其三 维数学模型( 如图1 1 所示) 。对几种常用的开发工具进行详细讨论之后选定了本 论文的开发工具一o b j e c t a r x 。考虑到具体铁塔构件数量较大，数据的处理量大 幽11 本论文的研究一【作思路 f i 9 1 1s p e c i f i ct h e m eo f t h et h e s i s 的特点，确定了以单线图为先导，由工程人员生成感兴趣构件的开发方案。并在 此前提下，合理设计了铁塔数据库，改变了由文件读取数据的数据存储、检索方 式。最后，结合基于0 b j e c t a r x 的开发，详细阐述了铁塔放样动态连接库的丌 发过程。并结合铁塔放样的工程实践，讨论了其具体应用。 中圃科学院研究生院硕士学位论文：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 第二章铁塔三维模型建立及开发工具选择 2 1 引言 国内目前尚无专业的铁塔三维放样软件，结合实际的开发项目，基于面向对 象的编程思想，提取出铁塔中的关键构件，分别建立了相应的三维数学模型，提 供了类的相关属性：同时还给出了铁塔放样中常用操作的具体算法，为类封装的 操作做准备。最后，详细讨论了几种常用的开发工具，在进行了综合考虑之后， 确定了所采用的开发工具。 2 2 面向对象编程 2 2 1 面向对象技术 思维方式决定解决问题的方式，传统软件开发采用自顶向下 13 】的思想指导程 序设计，即将目标划分为若干子目标，子目标再进一步划分下去，直到目标能被 编程实现为止。面同对象技术陋1 5 】给软件设计领域带来极大的变化，它利用软件 对象来进行程序开发，所谓对象是包含数据和对数据操作的代码实体或者况是 在传统的数据结构中加入一些被称为成员函数的过程，因而赋予对象以动作。而 在程序设计中，对象具有与现实世界的某种对应关系，我们正是利用这种关系对 问题进行分解。 从程序语言角度来看，在一个对象中代码和( 或) 数据可以是这个对象私有 的，不能被对象外的部分直接访问。因而对象提供了一种高级保护以防止程序被 无关部分错误修改或错误地使用了对象的私有部分。当从对象外部试图直接对受 第二章铁塔三维模型建立及开发工具选择 保护的内部数据进行修改时，将被程序拒绝，只有通过对象所提供的对外服务函 数才能够对其内部数据进行必要的加工，从而保证了数据加工的合法性。从这一 意义上讲，把这种代码和数据的联系称为”封装”。封装是将对象封闭保护起来， 是将内部细节隐蔽起来的能力。 2 2 2 面向对象方法综述 八十年代末以来，随着面向对象技术成为研究的热点出现了几十种支持软件 开发的面向对象方法 m 挪1 。特别是统一建模语言u m l ，该方法结合了b o o c h ， o m t 和j a c o b s o n 方法的优点，统一了符号体系，并从其它的方法和工程实践中 吸收了许多经过实际检验的概念和技术。 面向对象方法都支持三种基本的活动：识别对象和类，描述对象和类之间的 关系，以及通过描述每个类的功能定义对象的行为。 为了发现对象和类，开发人员要在系统需求和系统分析的文档中查找名词和 名词短语，通过浏览使用系统的脚本发现重要的对象和其责任是面向对象分析 和设计过程的初期重要的技术。 当重要的对象坡发现后，通过一组互相关联的模型详细表示类之问的关系和 对象的行为，这些模型从四个不同的侧面表示了软件的体系结构：静态逻辑、动 态逻辑、静态物理和动态物理。 静态逻辑模型描述实例化、关联、聚集、和一般化等关系，这被称为对象模 型。般化关系表示属性和方法的继承关系。定义对象模型的图形符号体系通常 是从用于数据建模约实体关系囤导出的。动态逻辑模型描述对象之间的互相作 用。互相作用通过一组协同的对象，对象之间消息的有序的序列，参与对象的可 见性定义，来定义系统运行时的行为。b o o c h 方法中的对象交互作用图被用来描 述重要的互相作用，显示参与的对象和对象之间按时间排序的消息。可见性图用 来描述互相作用中对象的可见性。对象的可见性定义了一个对象如何处于向它发 中国科学院研究生院硕士学位论丈：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 送消息的方法的作用域之中。例如，它可以是方法的参数、局部变量、新的对象、 或当前执行方法的对象的部分。 静态物理模型通过模块描述代码的布局。动念物理模型描述软件的进程和线 程体系结构。 2 2 - 3 面向对象设计要点 1 为实际工作设计 软件是一种工具，一种实现目标的方法，所咀我们的软件设计一定要建立在 软件需求基础上，根据需求确定软件的工作范围，再根据确定的工作范围来进行 软件设计。 2 类的内聚性 一个类应该有且仅有一个职责。类的职责是指引起该类变化的原因，如果一 个类具有一个以上的职责，那么就会有多个不同的原因引超该类变化，便降低这 个类的内聚性。 3 对接口编程 对接口编程是面向对象设计的第一个基本原则。对于所有完成相同功能的组 件，抽象出一个接1 3 ，它们都实现该接口。外部代码只和该接口通讯。当需要用 其它组件完成任务时，只需要替按该接口的实现，而代码的其它部分不需要改变。 当现有的组件不能满足要求时，可以创建新的组件，实现该接口，或者直接对现 有的组件进行扩展，由子类去完成扩展的功能。 4 类层次的最高层是抽象类 在许多情况下，提供一个抽象类有利于做特性化扩展，抽象类的层次越高， 越容易适应变化。 5 优先使用对象组合，而不是类继承 第二章铁塔三维模型建立及开发工具选择 继承和组合各有优缺点，类继承是在编译时刻静态定义的，且可直接使用， 类继承可以较方便地改变父类的实现。但是，由于继承在编译时刻就定义了，所 以无法在运行时刻改变从父类继承的实现。而且，父类至少定义了子类的部分行 为，父类的任何改变都可能影响子类的行为，如果继承下来的实现不适台解决新 的问题，则父类必须重写或被其他更适合的类替换，这种依赖关系限制了灵活性 并最终限制了复用性。对象组合是通过获得对其他对象的引用而在运行时刻动态 定义的。由于组合要求对象具有良好定义的接口，而且，对象只能通过接口访问， 所以组合并不破坏封装性，只要类型一致，运行时刻还可以用一个对象来替代另 一个对象。所以，优先使用对象组合有助于保持每个类被封装，并且具有更多的 灵活性。 6 增加参数的可读性 有大量参数需要传递的方法，通常很难阅读，可以将所有参数封装到一个对 象中来完成对象的传递，这有利于增加程序的可读性，也 有利于错误跟踪。 7 尽量减少对变量的直接访问 对数据的封装原则应该规范化，应该通过访问方法 去保护他们，如果某个属性的名字改变只需要修改它 的访问方法，而不是修改所有相关的代码。 2 3 三维铁塔放样数学模型的建立 2 3 1 型材的数学模型 a 坐标系的规定 为方便起见，采用如图2 1 所示的右手直角坐标 y 幽2 1 坐标系规定 f i 9 2 1c o o r d i n a t es y s t e m 幽2 2 角钢肢卓日向规定 f i 9 2 2a n g l ei r o n sa i mv e c t o r 9 个 中国科学院研究生院硕士学位论文：计算机辅助铁塔虚枞装配技术研究 系 2 j ，x 轴从左向右：y 轴从后( 塔体背面) 向前( 塔体f 面) ；z 轴从上向下， 并置于塔体中心轴线上。 b 单线图 为了方便铁塔放样数据的处理，在型材的准线上，并以其两端对应节点( 3 为端点，按照其实际尺寸划线段，构造出铁塔的单线圈。单线图8 1 的输入采用如 下顺序：先主材 8 1 后斜补材盯。单线图数据分为主要节点，其余节点及补充浇 明三部分。主要结点数据一般指与铁塔主材相关的数据，用于确定主材的位置。 其余节点用于确定其余角钢的位置。 c 单线图中加入三维数据 建立了单线图之后，铁塔从整体上属于三维结构，但每根角钢仍为二维结构， 从二维模型到三维模型的转换依赖与以下几部分数据： i 角钢肢矢量数据 角钔肢矢量f 8 】主要用于标识角钢的两肢，具体规定为，铁塔的角钢面用如图 2 2 所示的d 、8 、+ 三个矢量宋标识，d 为角钢脊背，t 3 、y 所在的面分别为 目和y 面( 图2 2 ) 。主材0 面为铁塔的正面或背面，斜、补材0 面为与主材搭接 的面。 i i 主材三维模型相关数据 主材提共铁塔的整体框架，铁塔的构建也应先从主材丌始。将主材四根划分 为一组，借助主材四边形和内，外铁的概念，完成其数学模型的定义。 1 1 主材四边形 主材依据主材四边形3 1 确定角钢肢的朝向 如图2 3 所示，j 1 ，j 2 ，j 3 ，j 4 耿自铁塔的一组主材上，j 1 ，j 2 位于铁 薹f1 r 2 b 一i j 北 口28 t 。 7 i ：u = 、 ! 矿1 0 r 幽2 3 主材四边形构造蚓2 4 1 三材定忙圈i图25 士村定位图2 一。勺 第二章铁塔三维模型建立及开发工具选择 塔的正面，j 3 ，j 4 位于铁塔的背面。 直径、角钢型号等数据。 c 1 排序前首先确定斜补材的起，终点。忽略节点号的个位 后，大的那一端为终点。其余的情况参照如图2 6 所示 确定 d ) 排序时终端号码大的排在后，终端号码相同t 比较始端， 号码大的排在后 2 1 依附对象 图2 7 依附芙系圈 幽29 单面扳外形轮廓瞥 f i 9 29p r o f i l eo f u n i p l a n eb o l 一等 固一 数防俐 悯胼 耵 排铘 ，材= 一淼 一一一一一一 斜 u臌咽节将 一一一一一 中国科学院研究生院硕士学住论文：计算机辅助轶塔虚拟装配技术研究 斜补材中斜材两端同主材相连，而补材主要是用于支撑其他的杆件，因此， 在建立斜补材的三维模型时，不能借助“主材四边形”这样的定义来实现斜补材 的定义，为此引入了依附对象8 1 的概念，用于表征铁塔角钢之间的衔接关系。 如果斜补材c d ( 如图2 , 7 所示) ，在节点c 同杆件a b 直接或通过一个板面 间接相连，那么当满足条件：c d 定位时，a b 已实现了空间定位，将a b 选为 c d 的依附对象，通过已定位的a b 来确定c d 如何定位。具体步骤为，斜补材 依据与其相联接的已定位角钢来确定朝向，具体方式如图2 7 所示。原则为相连 接的两角钢肢，连接面相互平行。 2 3 2 连接板的数学模型 2 3 2 1 单面板的数学模型 单面板如图2 8 所示，其数学模型包括以下三部分数据 a 单面板外形轮廓数据 外形轮廓属于二维的范畴，只需给出顶点数目以及各个顶点在规定坐标系中 的坐标。顶点编号按照顺时针方向排列。 b 单面板空间定位数据 给出不在同一直线上的三个空间点用于面的三维空间定位，一般选取板连接 角钢所在的节点。 c 单面板厚度 2 3 2 2 多面板的数学模型 除了给出单面板对应数据外，还需要火曲线以及弯曲角来定义多面板。在定 义外形轮廓时，按照展丌方式定义。火曲线利用距离坐标轴的距离定义，弯曲角 第二章铁塔三堆模型建立及开发工具选择 图2 1 0 多面板幽2 1 1 多面板展开图 幽2 1 2 多面皈弯曲角 f i 9 2 1 1u n f o l d e dp l o to f m u l t i p l a n eb o a r d f i 9 21 0m u l t i p l a n eb o a r d f i 9 2 1 2b e n d i n ga n g l eo fm u l t i p l a n eb o a r d 如图21 2 所示定义。 2 3 。3 孔的数学模型 按照用途划分，孔可分为如下几类： 1 ) 用于型材之间直接连接的孔 通过节点以及连接所有的螺栓定义孔的位置，给出的是二维的数据，但可以 通过坐标变换的方式转换到三维空间以实现孔的单独定位。 2 ) 用于连接型材与单面板之间的孔 通过单面板轮廓定义时定义的局部坐标系给出孔的二维坐标。 3 ) 用于连接型材与多面板之间的孔 给出孔在多面板展开时的数据。 4 ) 用于其他用途的孔 根据具体的用途，单独给出打孔的方式以及位置。 中固科学院研究生院硕士学位论文：计算机辅助铁塔虚礼装配技术研究 图2 1 3 2 1 4 定义型材上的孔，首先确定孔所在角钢肢面，然后在定义的 y o x 图2 1 4 局部坐标系 图2 1 7 多面扳上的孔图2 1 8 局部坐标系 f i 9 2 i7h o l e si nm u l t i - p l a n eb o a r d f i 9 2 ，【4 ，1 6 ，18l o c a lc o o r d i n a t es y s t e m 局部坐标系中定义，方式为：确定i l 系列所在的直线，图中标号1 和2 分别为始 末两个孔的位置，中间孔的位置通过给出的孔数在1 和2 之阳j 采用均布的方式确 4 第二章铁塔三雉模型建立厦开发工具选择 定。孑l 径单独给出。图2 ，1 5 2 1 6 定义单面板上的孔的位置。方式为在定义的 局部坐标系中给出孔的坐标和孔径。图2 1 7 2 1 8 定义多面板上的孔的位置。 方式为首先沿火曲线将多面板展丌，然后在定义的局部坐标系中给出孔的坐标和 孔径。 2 4 铁塔放样中的相关算法 皮翻心算法 皮翻心【8 操作在角钢的定位中占有非常重要的地位。在此，对其进行重点分 析。首先引入皮和心的概念。所谓皮，指的是图2 1 9 中的2 ，即角钢的外脊线： 而心指的是图2 1 9 中的1 所代表的直线。其中1 和2 之间的距离可查角钢相关 的标准。所谓皮翻心操作( 或心翻皮操作) 指的便是将在两直线上的点进行投影变 换( 见图2 2 0 和2 2 1 ) 。 以单端皮翻心( 图2 2 0 ) y g 例，分析如何进行皮和心的坐标转换。 1 ) 问题描述 如图2 4 所示，其中点c 和d ，a 和b 是已知坐标点，a b 和e f 问的距离 a c b 圈2 1 9 角钢皮平“心图2 2 0 单端皮翻心 f i 9 2 1 9 a n g l ei r o n l sr i d g ea n d d i r e c t r i x f i 9 2 2 0u n i l m e t a lr i d g e t o d i r e c m x ，为d ，a b 代表皮翻心操作的角钢皮，e f 代表角钢心，做辅助线c c j _ e f ，连接 中国科学院研完生院硕士学住论文：计算机辅助铁塔虚拟装配技术研究 e f r z 占歹 一，一劳 ! a i e b f 幽2 2 1 双端度翻心 f i 9 2 21b i l a t e r a lr i d g e t o d i r e c t r i x d c ( 其中各点均为三维空间中的点) 。求解c 点的坐标。 2 ) 问题求解 采用矢量运算求解，由图2 2 0 得出如下的矢量关系式： 一一? d c = d c + c c 其中c c 为角钢肢矢量否方向上的矢量( 设其单位矢量计为7 ) ，其模为d 。 则上述矢量关系式可转化为 瓦一而：d 7 + 瓦一历j 薇：d ? + 瓦一面+ 一o d 其中0 代表坐标原 点。由后式便可求得点c 的坐标。 第二章铁塔三维模型建立及开发工具选择 e 对于图2 2 1 所示双端皮翻心的情况，可以采用两步单端皮翻心的步骤求解 e e b f 图2 2 2 般端皮翻心f i 9 2 2 2b d a t e r a lr i d g e t o d i r e c t r i x 图22 3 分解豳1 目2 1 2 4 分解图2 f i 9 22 3d i s a s s e m b l e dd r a w i n g f i 9 22 4d i s a s s e m b l e dd r a w i n g 2 e b f 皮翻心之后的节点坐标。分解图如图2 2 3 和2 2 4 所示。具体求解过程可参z 单 娉皮翻心部分。 2 5 开发工具的选择及简介 2 5 1 0 b j e c t a r x 简介 o b j e c t a r x 应用程序环境防二1 1 以c + + 为丌发语言，a t l x 库为丌发工具，采用 中国科学院研究生院硕士学位论文：计算机辅助铁塔虚柑装配枝术研究 比较项目a u t o c a ds o l i de d g e 硬件要求1 二维软件硬件要求较低。碰件要求高于a c a d ，捕本配置为p 3 8 0 0 以上，不过现柱主流的改计i b 脑配置都 拒p 41 2g 以上，址存3 2 m ，完争可以流 畅的完成s e + 二次开发软件系统的设计t 作。 文件大小a c a d 的d w g 二： 件格式较 由于有漂亮的三维模型，三维模型+ t 小。程豳文件相对要丈点 小结：目前三维软件的发展进入了一个相对比较成熟的阶段，以a c a d 为代表的二维软件正在逐步 退出市场，所以开发二维软件的前景并不看好。在所有的3 维软件中s e 是最好学的，操作界面都 很简洁，能为设计者节约很多时间。它是面向工程的软件，参数化殴计能力非常强，足e d s 公司广 受好评的低端产品。能满足一般工业和机械设计的需要。s e 特别适合于设计系统要求的软件造型能 力不是很强，但是整个系统比较复杂，相关的东两也比较多对数据管理的要求比较高。 通过对几种开发工具的比较，结合开发的具体要求，以及考虑到用户的需 求，最终采用了基于o b j e c t a r x 的开发方案。 2 6 小结 本章首先按照面向对象的设计思想建立了铁塔三维放样的数学模型；并讨论 了铁塔放样中常用的皮翻心操作：另外还对o b j e c t a r x ，o p e n g l 以及基于s o l i d e d g e 的二次开发等几种常用的开发工具进行了介绍。最终确定将o b j e c t a r x 作 为开发工具。 2 4 第三章数据库的设计覆数据的检索 第三章铁塔放样数据库的设计及数据检索 3 1 数据库系统概述 3 1 1 数据库系统基础知识 3 1 1 1 数据管理进展 2 1 - 2 5 a 人工管理 2 0 世纪5 0 年代的数据处理都是通过手工进行的，因为当时的计算机主要用 图3 1 应州程序和数据的关系 f i 9 2 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o g r a m sa n dd a t a 于科学计算，计算机上没有专门管理数据的软件，也没有诸如磁盘之类的设备束 存储数据。那时的应用程序和数据之间的关系如图3 1 所示。 人工管理数据有两个缺点：应用程序之间依赖性太强；数据组和数据组之间 可能有许多重复数据，造成数据冗余，数据结构性差。 b 文件系统 中国科举院研究生院硕士学住论文：计算机辅助铁塔虚拟装配枝术研究 2 0 世纪5 0 年代后期到6 0 年代，计算机硬件和软件得到飞速发展，计算机 此时有了大容量的磁盘等存储设备，并且已经有了专门管理数据的软件，即文件 系统。在文件系统中，按一定的规则将数据组织成为一个文件，应用程序通过文 图3 2 应用程序数据藕i 文件系统的关系 f i 9 22r e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o g r a m s d a t aa n df i l es y s t e m s 件系统对文件中的数据进行存取和加工。文件系统对数据的管理，实际上是通过 应用程序和数据间的一种接口实现的，如图3 2 所示。 文件系统的最大特点是解决了应用程序和数据之间的公共接口问题使得应 用程序采用统一的存取方法操作数据。同时，应用程序和数据之间不再是直接的 对应关系。但是，文件系统只是简单的存放数据，它们之间并没有有机的联系。 数据的存放衣赖于应用程序的使用方法，不同的应用程序仍然很难共享同一数据 文件，这就使得数据的独立性较差。另外，文件系统对数据存储没有一个相应的 模型约束，数据冗余度较大。 c 数据库系统 2 0 世纪6 0 年代后期，计算机性能得到很大提高，出现了大容量磁盘和存储 器，同时价格也急剧下降。人们克服了文件系统的不足，丌发出了一种软件系统， 称之为数据库管理系统。一般柬浇，数据库系统由计算机软，硬件资源组成。它 实现了有组织地，动态地存储大量关联数据，方便多用户访问，它与文件系统的 重要区别是数据的充分共享，交叉访问及应用程序的高度独立性。数据库也是以 第三章数据库的设计及数据的检索 文件方式存储数据的，但它是数据的一种高级组织形式。在应用程序和数据库之 间，有一个新的数据管理软件d b m s 。数据库管理系统对数据的处理方式和文件 系统不同，它把所有应用程序中使用的数据汇集在一起，并以记录为单位存储起 来，以便应用程序查询和使用。 数据库系统和文件系统的区别是：数据库对数据的存储是按照统结构进行 的，不同的应用程序都可以直接操作这些数据。数据库系统对数据的完整性，唯 一性和安全性都提供了一套有效的管理手段。数据库系统还提供管理和控制数据 的各种简单操作命令，使用户编写程序时容易掌握。 3 【1 2 数据库系统特点 1 实现数据共享 数据共享允许多个用户同时存取数据而互不影响；数据共享包括以下三个方 面： 1 ) 所有用户可以同时存取数据。 2 1 数据库不仅可以为当前的用户服务，两且可以为将来的新用户服务。 3 ) 可以使用多种语言完成与数据库的接口。 2 实现数据独立 所谓数据独立是指应用程序不随数据存储结构的改变而改动。数据独立包括 以下两个方面： 1 ) 物理数据独立：数据的存储格式和组织方法改变时，不影响数据库的逻 辑结构，从而不影响应用程序。 2 1 逻辑数据独立：数据库逻辑结构变化时，不会影响用户的应用程序。 3 ，减少数据冗余度 用户的逻辑数据文件和具体的物理数据文件不必对应，存在着“多对一” 中圆科学院研究生院硕士学位论文：计算机辅助轶塔虚拟装配技术研究 的重叠关系，有效的节省了存储资源。 4 避免数据不一致性 由于数据只有一个物理备份，所以数据的访问不会出现不一致的情况。 5 加强对数据的保护 数据库中加入了安全保密机制，可以防止对数据的非法存取，由于进行集中 控制，故有利于控制数据的完整性。数据库系统采取了并发访问控制，保证了数 据的正确性。另外，数据库还采取了一系列措施，实现了对数据库破坏的恢复。 3 。2 数据库设计概述 3 2 _ 1 数据库设计步骤 数据库设计 2 1 , 2 4 是将现实世界中得信息，根据数据库得组织结构约束，表现 在计算机中，根据数据库体系结构，数据库分为用户级，概念级和物理级，他们 分别对应外模式，概念模式和内模式。因此数据库得设计可分为两大部分，一部 分是数据库的逻辑设计，它包括了对应于概念级的概念模式；另一部分是数据库 图3 3 数据库设计步骤 f i g3 , 3d e s i g - nc o u r s eo f d a t a b a s e 的物理设计，它是在逻辑结构已经确定了得前提下设计数据库的外存储结构。为 完成这两大部分的设计工作，整个设计过程可分为6 个阶段，如图3 3 所示。 a 需求分析阶段 进行数据库设计首先必须准确地了解与分析用户需求( 包括数据和处理) 。需 求分析是整个设计过程地基础。 第三章数据库的设计及数据的检索 b 概念结构设计阶段 概念结构设计是整个数据库设计地关键，它通过对用户需求进行综合，归纳 与抽象，形成一个独立于具体d b m s 的概念模型( 实体模型) 。 c 逻辑结构设计阶段 逻辑结构设计是将概念结构转换为某个d b m s 所支持的数据模型( 关系模 型) ，并对其进行优化。 d 数据库物理设计阶段 数据库物理设计是为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构( 包 括存储结构和存储方法) 。 e 数据库实施阶段 在数据库实施阶段，设计运用d b m s 提供的数据语言及其宿主语言，根据