（机械制造及其自动化专业论文）基于特征的面向对象capp零件信息生成系统.pdf

摘 泸 要 工0 3 2 7 3 3 4 f 基于特征的c a d c a p p c a m 集成是c i m s 实现的核心技术之一。) 本文采用面向对象方法，研究了基于特征的c a d c a p p 零件特征信 息的生成及相关技术。f 本课题既是学术界研究的一个热点，又是工 程上的急需，是国家“8 6 3 c i m s ”计划中一个子项目的一部分。 本文首先采用面向对象技术建立了零件的特征信息模型。从特 征在集成环境各子系统中的功能角度，探讨了特征分类、表示等关 键问题，将面向对象技术应用于特征分类，建立了零件的特征信息 模型，解决了特征库的可扩充性问题。据此，对a u t o c a d 进行了二 次开发，源于现存c a d 系统，从c a d 系统中提取几何信息。采用特 征知识库和特征识别规则库实现特征识别。同时，采用交互式特征 信息输入方式，方便用户输入、编辑c a d 系统中不存在或难以识别 的特征信息，最终产生基于用户要求、满足c a p p 需要的特征信息 文件，在利用现有c a d 资源的基础上实现c a d c a p p 的集成。 整个系统程序采用面向对象的设计思想，以系统a u t o c a dr 1 4 为开发平台，a r x 、v c + + 为二次开发工具，由此保证系统具有良好 的可扩充性、可移植性、可靠性及代码可重用性。 关链词：c a d c a p p 集成特征面向对象特征识别 零棒! 掘强悬、丝疋 、 - u 披术 a b s t r a c t f e a t u r e b a s e dc a d c a p p c a mi n t e g r a t i o ni so n eo f k e r n e lt e c h n o l o g yo fc i mi m p l e m e n t a t i o n t h i sp a p e rd e a l s w i t ht h eg e n e r a t i o ns y s t e mo f p a n sf e a t u r e si nc a d c a p p , a s w e l la si t s c o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g y , a n dd i s c u s s e s s o m e i m p o r t a n t i s s u e ss u c ha sf e a t u r e t a x o n o m y , f e a t u r e r e p r e s e n t a t i o nf r o m t h ev i e wo ff e a t u r ef u n c t i o ni ne a c hs u b s y s t e mo fi n t e g r a t i o ne n v i r o n m e n t o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d i s a p p l i e di nf e a t u r et a x o n o m y t oo b t a i ne x p a n s i b i l i t yo ff e a t u r e b a s e w i t ht h eh e l po ff e a t u r eb a s e t h i sp a p e rg o e st ot h e r e c o g n i t i o n o ft h e p a r t s f e a t u r e sa n dt h ee x t r a c t i o no ft h e g e o m e t r i c a l i n f o r m a t i o nf r o mt h e e x i s t i n g c a ds y s t e m m o r e o v e l t h e s y s t e m a l l o w su s e r st o i n p u t a n de d i t i n f o r m a t i o nw h i c hd o n te x i s ti nc a d s y s t e m o ri sd i f f i c u l tt o d i s t i n g u i s hf r o mc a ds y s t e mt h r o u g ht h ei n t e r f a c ep r o v i d e d b y t h e s y s t e m a tl a s t ，t h es y s t e mc a ng e n e r a t e af e a t u r e i n f o r m a t i o nf i l et h a ta c c o r d sw i t ht h en e e do fc a p ps y s t e m w h i c hr e a l i z et h ec a d c a p p i n t e g r a t i o nb a s e d o nt h ec u r r e n t c a dr e s o u r c e t h e s y s t e mi sp r o g r a m m e db yv c + + l a n g u a g e 。w h i c h e n t r u et h e s y s t e mg o o de x t e n d i b i l i t y a n d r e p e t i t i o n a l u t i l i7 ：a t i o n k e yw o r d s ：c a d c a p pi n t e g r a t i o n ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ， f e a t u r e ，o b j e c t o r i e n t e d 第一牵绪论 第一章绪论 1 1 前言 集成产品生命周期中的所有活动是现代设计和生产制造系统的 基本要求，c i m s ( c o m p e e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 是实 现这目标的有效途径。c i m s 的出现，标志着制造业的发展己进 入一个崭新的时代。c i m s 是在柔性制造技术、计算机技术、信息 技术、系统科学和管理科学的基础上，按一定的规范和标准将企业 的全部生产经营活动集成为一体的高效益、高柔性的制造系统。预 计到2 1 世纪，c i m s 将会对我国制造业的技术改造和技术进步产生 巨大的影响 2 6 1 。 1 2 文献综述 1 2 1c a d c a p p 集成系统的需求 c i m s 集成系统的关键是信息集成，基于特征的c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 计算机辅助设计) 、c a p p ( c o m p e e ra i d e dp r o c e s s p l a n n i n g 计算机辅助工艺规程设计) 、c a m ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g 计算机辅助制造) 的集成是实施c i m s 的重要环节 之一，其最终目的是实现c a d c a p p c a m 的集成。在c a d c a p p c a m 集成系统中，c a p p 需从g a d 的零件模型中获取所有准备加工的几 何、拓扑信息及相应的高层次信息，然后将所获取的设计信息转换 成制造信息传递给c a m 系统。因此，c a p p 是c a d 与c a m 问的桥梁， 是c i m s 的重要组成部分，它的研究开发对c a d c a p p c a m 的有效 集成具有关键作用。 在c a d 、c a m 技术的发展日趋成熟的今天，c a p p 技术却相对滞 后，这种状况不仅与c a p p 在c i m s 中所处的地位极不相符，而且 也成为c i m s 技术发展的一个“瓶颈” 1 4 1 。其中，c a p p 系统如何 第一霹绪论 2 自动识别c a d 系统中的几何、工艺及制造特征信息，即c a d c a p p 的集成是造成c a p p 技术相对滞后的主要原因。 c a d c a p p 集成的基础是一致的信息特征模型，特征是集成制 造系统中用于在c a d 、c a p p 、c 棚间传递产品模型信息的媒介。一 个好的特征规范应该统一以上三个方面的要求，使设计人员在产品 没计过程中选用的特征可以顺理成章，直接为工艺人员的生产准备 j 作服务，以此避免设计和加工中特征的再区分，造成再识别和理 解的困难。但由于c a d 和c a p p 的侧重点和目的不同，两者虽然选 用相同的特征，但在对同一种特征的表示、组织、调用、参数处理 等方面仍然存在一定差异c 2 0 i 。 对于c a d 应用特征的表示既要包括细节信息( 组成特征的边 界边和边界面) ，也要包括高层信息( 特征的参数、位置、方向) 。 而c a p p 和工程图输出需引用特征的类型、参数、公差等，因此这 时对特征表示的要求是高层信息。 其次是用特征组成零件的方式不同。尽管特征之间都存在层次 关系，但在c a d 中特征本身均处于同一级，没有主、辅之分，父、 予关系只是记录特征的生成顺序。回转体零件c a p p 中特征也分层， 但并不是按父子关系组成树，而是以主型面为基础，在主型面上逐 级附加辅助型蕊。 另外，c a p p 中作为主型面的特征是固定的，不随零件改变而 改变。而c a d 中特征之间的父子关系是相对的，某一特征在一个零 件中或零件的某部分可能是其它特征的父，但在另外的情形下就 可能是子。 这种特征表示方式和组织方式的不同，反映在特征的调用形式 上表示为特征信息的集中和分散引用。c a d 中每个特征的信息集中 表示在特征的数据结构中，它同时包含了特征自身的定义( 特征的 参数、位置、方向等) 以及它与相邻特征之间的关系。而c a p p 中 特征信息分散表示，为了了解一个特征的组成及其与相邻特征之间 的关系，必须同时找到几个相关的谓词，才能了解该特征所处位置。 笙。至鲨笙i 综上，c a d c a p p 间零件信息的传递一直未能很好解决，从而 制约了c a p p 的发展和c a d c a p p c a m 的有机集成。为此，本课题将 研究c a d 与c a p p 的接口问题，以期有效地解决c a d c a p p 问的信息 传递。 目前，实现c a d c a p p 集成的方法主要包括： ( 1 ) 特征识别法 对c a d 的输出结果进行分析，按一定的算法识别、提取出c a p p 系统能识别的工艺信息。它的不足之处在于它能够识别的特征是很 有限的，许多复杂的几何特征不能自动识别。而且很难处理象公差 和加工信息这样的非几何信息。 ( 2 ) 基于特征拼装的计算机绘图与零件信息的描述和输八方法 c a d 系统不是按通常的一条线一条线绘制，而是一个特征一个 特征进行绘制，即绘图基本单元是参数化的几何形状特征，如圆柱 面、圆锥面、圆角、倒角、退刀槽等。在拼装各个特征的同时，即 赋予各个形状特征尺寸、公差、表面粗糙度等信息，通过一定的算 法，使c a p p 系统能自动识别这些信息。但自动识别过程的难度较 大，并对c a d 系统有一定的要求，因此在实现上有定的困难。 ( 3 ) 基于三维零件信息描述和输入方法 在三维空间对零件进行设计、绘图，然后提取、识别零件的特 征，由于识别算法复杂、特征难于定义等原因，致使该方法的实现 难度很大 6 】_ 【”，从而限制了它的应用。 ( 4 ) 基于产品数据交换标准s t e p 的产品建模与信息输入方法 s t e p 的目标是为产品的全生命周期定义各单元的物理和功能 特性，这些定义必须完整、无歧义，并且计算机可以解释。浚方法 首先建立一个完整的、语义。一致的产品信息模型，可以满足产品全 生命周期各阶段对产品信息的不同需求，保证产品信息理解的致 性，并使各c a x 系统能直接从该模型中提取信息。它的整个框架包 括应用协议、集成资源、产品数据共享实现方法、一敛性测试、抽 象测试集( 1 。【z l l 】s t e p 应用协议反映各行业专业领域的各种应用需 要，象p a r t 2 0 7 是钣金模具的计划和设计，p a r t 2 0 8 是产品全生命 周期中的更改步骤，p a r t 2 0 9 是电子印刷电路的装配、设计和制造， p a r t 2 1 2 是电力技术厂，p a r t 2 1 4 是汽车机械设计过程的核心数据 等。p a r t 2 0 1 2 0 6 是共性的应用协议，即将2 0 1 一显示制图，2 0 2 一 相关制图，2 0 3 一具有构型控制的设计，2 0 4 一使用边界表示的机械 设计，2 0 5 一使用曲面表示的机械设计，2 0 6 一使用线框的机械设计 1 2 0 1 。 从千变万化的应用协议中抽取最大限度的共性内容构成了集成 资源。集成资源又分为两个层次，p a r t 4 1 等是更基础的通用资源 p a r t l 0 1 后为集成应用资源。 应用协议相当于数据库组织中的外模式，反映不同用户对于不 同数据类型的不同使用要求：集成资源相当于概念模式，将所有用 户的需求归纳成严密、统一的逻辑模型：最后的内模式将概念上的 逻辑模型转换成具体的物理存储映像，在计算机上加以实现。s t e p 提供四个层次的产品数据共享实现方法：a s c i i 码文件、访问内存 数据结构的应用程序界面、共享数据库、共享知识库。p a r t 2 1 规定 了s t e p 标准的物理文件格式，这是现阶段最容易实现的交换和共 事产品数据的方法，但是数据交换的效率也最低。第二个层次是使 应用系统通过软件界面访问产品数据，利用c 、c + + 等通用程序设计 语言调用内存缓冲区的共享数据，这种方法的存取速度最快，但是 要求不同的应用系统采用相同的数据结构。共享数据库是实现系统 集成的理想途径，是近期的努力目标。共享知识库是更高层次的系 统集成，难度最大，有待于进一步开展研究i 2 】。 因此，此方法的系统庞大，开发周期长难以适应中小，钽企业 的需要。 1 2 2 特征技术发展概况 特征f e a t u r e 名词的出现，最早见到的文献是1 9 7 8 年荧闻麻 省理工学院g o s s a r d 教授指导的一篇论文“c a d 中基于特征的零件 表示” 3 7 1 和1 9 7 9 年的另篇论文“轴类零件的c a d 特征描述系统”。 此后，经过几年的酝酿，特征技术的研究便蓬勃展开1 1 5 1 巾l 。1 9 8 8 年未公布的s t e p 标准草案将形状和公差特征等列为产品定义的基 本要素，使它从此获得了国际标准的法定地位。在此后特征技术的 发展中，象美国m a s s a c h u s e t s 大学的j o h nd jx o n 教授”i ，美国 a r i z o n a 州立大学的s h a h 教授忙】- i ”，意大利数学研究所的b i a n c a f a l c i d i e o n 教授 7 1 ，台肥工业大学 3 9 1 ，上海交通大学1 4 0 1 ，清华大 学1 ”1 - 【“1 ，北京理工大学l a 3 l 等的论著，都对特征技术的发展和应用 作出了贡献。 特征技术在c a d 领域主要应用于产品的特征设计和产品的特征 造型。与其它相关技术相比，特征技术具有以下特点： ( 1 ) 过去的c a d 技术从二维绘图起步，经历了从三维线框、表 面造型和实体造型发展阶段，重点着眼于完善产品的几何描述能 力：而特征则是着跟于完整的几何、技术和生产管理表达产品的信 息，为建立产品的集成信息模型服务。 ( 2 ) 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作 对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素和结构要素， 象螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现了设计意图，使 得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，特别是便于与c a p p 系统的集成和为c a p p 系统使用，设汁人员可以将更多的精力用在 创造性构思上。 ( 3 ) 它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各 部门间的鞋系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且 及时得到后者的意见反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型 的c a d c a p p c a m 集成系统创造条件。 1 2 3 面向对象方法简介 曲向对缘技术是8 0 年代发展起来的一种革命性的设计思想 l ，它使描述问题的问题空间与解决问题的方法空间在结构上尽可 能敏，即使方法和技术的处理过程贴近人们对客观世界事物的处 理因此更符合对现实世界模型的自然描述和表达。面向对象的方 锖一牵绪论6 法学认为，世界上的任何事物，大至工厂、飞机，小至一针一线， 还有抽象的概念，如虚数、实数，都可以看成是对象。一组对象的 抽象定义为对象类或类( c l a s s ) ，每个类定义了一组具有共同特征 的数据和可以作用于其上的一组操作。不同对象的组合及相巨作用 就构成了我们要分析、研究和构造的客观世界。 一个零件可以看成是一个对象，一个复杂的零件实际上是由一 系列相对简单的零件对象按不同的关系组合而成的，所以，将面向 对象方法应用于c a d c a p p 系统零件建模，可以有效、清晰地解 决问题。 1 2 4a r x 开发环境 迄今为止，在c a d 的设计开发中，大都采用结构化分析设计 方法。结构化分析设计方法的特点是功能分解，即从系统整体功能 出发，自顶向下不断把复杂的处理分解为若干子处理，层层分解直 至满足功能要求的所有子处理都易于实现为止，并写出各个最底层 子处理的处理描述。这种方法基本上是基于瀑布模型的，在软件工 程中得到了广泛的应用。但由于结构化分析设计方法的本质是面向 过程的，因此用户需求的变化往往会对整个系统的结构、没计、程 序等产生较大的影响，影响系统的稳定性、可修改性和可靠性。 针对结构化分析设计方法的不足，近年来逐渐兴起了面向对象 的分析设计方法。自w i n d o w s 问世以来，面向对象分析设计技术得 到了进一4 步的发展。这种方法的基本原则是按照人们习惯的思维方 式建立问题域的模型，设计开发出尽量直观、自然地表现求解方法 的软件系统。由此开发的系统具有通用性好、可靠性高、可重用性 高等特点。 为了采用面向对象技术进行应用系统的开发，首先应该选用支 持面向对象技术的语言，如c + 十等。如果要开发的是事务处理一类 的普通应用系统，那么单纯使用具有类库的编程语言是可以胜任 的。但是，由于c a d 应用系统的专业对象造型复杂、种类繁多， 采用具有普通类库的编程语言实现c a d 应用系统的功能是卜分刚 里至堕笙 ! 难的。为了进行c a d 深层次、强功能的开发，完成真正意义上的 基于面向对象的应用系统，应该尽可能使用c a d 专业平台和专用 丌发系统。为此，根据目前国际上c a d 的发展动向和国内机械c a d 的应用现状，我们选用a u t o d e s k 公司的c a d 开发平台a u t o c a d r l 4 和a r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) 开发系统。a u t o c a d r l 4 是 a u t o d e s k 公司1 9 7 7 年发表的c a d 开发平台，a r x 2 0 1 则是在a r x l 0 的基础上与a u t o c a d r l 4 同时发表的第二代面向对象开发系统，这 是a u t o d e s k 公司把a u t o c a d 的开发从传统的过程编程转向面向对 象编程的进一步尝试，它为a u t o c a d 面向对象的开发和智能化设 计提供了一个崭新的开发环境。 a r x 是以v c + + 为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口， 其数据体系具有数据抽象性、可封装性、可继承性及多态性等特点， 基于a r x 开发的c a d 工程软件具有结构性好、系统的扩充性及代码 的重用性强、内部功能高效实现等优点。a r x 应用程序以动态链接 唯( d l l ) 的形式与a u t o c a d 共享地址空阆，使开发人员可直接调 f ja u t o c a d 的核心函数，并可直接访问a u t o c a d 的图形数据库，以 便能在运行期间扩展a u t o c a d 具有的类及其功能，创建能够全面享 受a u t o c a d 固有命令特权的新命令。 基于a r x 的上述特点，选择a r x 作为本系统的开发系统，可以 实现面向对象的设计和开发。 l 。3 本课题的主要研究工作 1 基于特征的零件建模 探讨基于特征面向对象的建模原理，分析零件建模的实现过 撑，编制建模过程软件。 2 。零件特征的自动识别技术 基于a u t o c a d 系统零件图表达的特点和对a u t o c a d 图形数抓 文件的研究，对a u t o c a d 进行二次开发。利用所建立的特征知识 库( 以回转类零件为例) 和特征识别规则库。实现零件特征的识别 与组合，并提供信息输入界面，方便用户输入设计信息中不存在或 难以识别的特征信息，如公差信息、表面粗糙度信息等，最终产生 满足c a p p 需要的特征信息文件。 系统以w i n 9 5 ( w i n 9 8 ) 及a u t o c a dr 1 4 为软件平台，a r x 、 v c + + 为二次开发工具。 笫帝系统总概述 第二章系统总体概述 针对我国广泛采用a u t o c a d 生成二维工程图的现状和中、小企 业的实际需求，在分析a u t o c a d 系统零件图表达的特点及图形数据 文件构成的基础上，我们开发了本系统，系统结构如图2 1 所示。 图21系统总体结构 本系统能够从图形数据交换文件中自动识别、提取c a p p 所需 的特征信息。该系统主要由以下功能模块组成： 1 二维工程图输入模块 第章系统总概述 l0 完成二维工程图的输入、二维工程图的三维再现、零件信息交 换文件的输出。 2 零件信息交换文件输入模块 实现零件信息交换文件的输入。 3 特征识别模块 从零件信息交换文件中提取零件的实体数据，通过特征知识库 和特征识别规则库进行特征识别，形成c a p p 所需的零件特征信息。 4 特征信息添加模块 添加c a d 信息交换文件中不存在的特征信息如公差信息、表面 粗糙度信息等。 5 信息交换文件输出模块 根据c a p p 的实际需求，输出零件的特征信息。 + 讹二二币a u t o c a d1 茔| 彤数据殳件的 。1 构 第三章a u t o c a d 图形数据文件的结构 3 1a u t o c a d 图形数据文件 a u t o c a d 是一个完整的交互式图形系统，它维持着一个十分 紧凑的图形数据库，存储着图形的几何信息和拓扑信息。若在应用 程序中能直接利用图形数据库的信息对图形数据库进行操作，将大 大提高程序的效率，并能为许多复杂问题提供有效的解决途径。 虽然a u t o c a d 提供了对数据库进行访问的函数，但系统并不 直接提供图形数据库的内部数据结构，使得难以将某零件对应的数 据从数据库中取出并加以重用。为了实现与其它应用程序间的数据 交换，a u t o c a d 可以将任一图形在图形数据库中对应的所有几何 拓扑转换成与其等价的a s c i i 形式，存放在图形交换文件( d r a w i n g e x c h a n g ef i l e ) ，即d x f 文件中。d x f 文件是a u t o c a d 的标准图 彤交换文件，也是c a d 领域事实上的工业标准交换文件，几乎所 仃的c a d 软件包都支持它。一个d x f 文件是对一个图形的完整描 述，是该图形的完全等价形式，它成为了解图形数据库结构的间接 掰口。 3 1 1d x f 文件的总体结构 d x f 文件由顺序出现的四个区域( s e c t i o n ) 组成，即标题i 式 ( h e a d e rs e c t i o n ) 、表区( t a b l es e c t i o n ) 、块区( b l o c ks e c t i o n ) 、 实体区( e n t i t i e ss e c t i o n ) ，其总体结构如下： 0 s e c t i o n h e a d e r o 标题区开始 辩0 、l t l t lj i ) h - i ，玻批殳 j _ 的 构 e n d s e c o s e c t i o n t a b l e o e n d s e c o s e c t i o n b l o c k 0 e n d s e c 0 ， s e c t i o n e n t i t i e s 标题区结束 表区开始 表区结束 块区开始 块区结束 实体区开始 u e n d s e c实体区结束 0 e o fd x f 文件结束 f 面简介各区的内容： 1 标题区 d x f 文件的标题区用来记录与图形有关的变量的设置。我们可 以川各利，a u t o c a d 的命令为这些变鳖设置新的值，也卅以用命令 显示某些变量的值。每个标题变量都是以组码为9 ，组值为变量名 第三章a u t o c a d | 璺l 形数据文件的结构 1 3 的组开始，其后跟着描述此变量的组。 2 表区 d x f 文件的表区包含多个表，每个表又可以含有数量可变的表 项。每个表都是用带标号“t a b l e ”的一个0 组引入的，然后是命 名该表( v p o r t ，l a y e r ，s t y l e ，v i e w ，d i m s t y l e ，v c s 或a p p i d ) 的第二组，再继之为7 0 组，7 0 组指定跟在后面的最大 数目。该区用来描述线型的定义、各层的定义及状态、字体的定义 和系统必须维护的其它状态等。 3 块区 块区用于记录图形中所有块的定义信息。无论是用户用b l a c k 定义的块还是因h a t c h 命令、相关尺寸标注命令或其它内部操作而 由系统自动生成的无名块，都要在块区中进行详细描述。 块区中的实体格式和实体区中的实体格式相同，块区中的实体 均在b l o c k 与e n d b l k 之间出现。 4 实体区 实体区用于记录图形中所有实体的定义信息。组成图形的所有 实体都要出现在实体区中，组成块的实体都要出现在块区中。同一 类型的实体在块区中和在实体区中出现的形式是完全相同的。本系 统所涉及的主要是实体区所包含的信息。 3 1 2d x f 文件的组码与组值 d x f 文件各区的具体内容是由组( g r o u p ) 构成，第一行为组 码，第二行为组值。组码是一个非负的整数，共占三位，向右对齐， 不足三位时以前导空格字符补足。组值格式取决于该组值的类型， 组码0 - 9 的组值为字符型，1 0 5 9 为实型，6 0 一7 9 为整型。 d x f 文件各区的开始和结束，表区中每种表的开始和结束，块 区中每个块的开始和结束，以及每个表项、每个实体的开始，鄙是 以0 作为组码的。因此，对图形数据库中的数据进行提取时，0 组 是十分有用的。 下面列出几种典型的组码及其组值含义： 瓣二市a u t o c a d 幽彤数赫l i 文件的 1 _ i = j 组码 o b 8 1 0 1 8 2 0 2 8 6 2 组值含义 实体类型 线型名 字体名 层名 点的x 坐标 点的y 坐标 颜色代码 3 2 基本几何实体组码 实体类型组码 p o i n t1 0 2 0 3 0 l i n e ( 或1 0 、2 0 、3 0 3 d 1 j t i e )1 1 、2 l 、3 1 c i r c l e a r e s o l i d 1 0 、2 0 、3 0 4 0 1 0 、2 0 、3 0 4 0 5 0 5 l 1 0 、2 0 、3 0 1 1 、2 1 、3 l 1 2 、2 2 、3 2 含义 x 点的位置 y 点的位置 z 点的位置 起点 终点 中心点 半径 中心点 半径 开始角度 结束角度 第+ 顶t i 第二顶点 第三顶点 销二二币a u u ，c a d 幽i 旺敬搬殳件的结构 1 5 1 4 、2 4 、3 4第四顶点( 若只输入三个 顶点，则此点将等于第三点) p o l y l i n e 6 6 7 0 7 0 7 l 7 2 7 3 7 4 l o 、2 0 、3 0 5 0 锥顺跟随标志“v e r t i c e sf o l l o w f l a g ” 折线标志( 可选择，缺省值为0 ) 1封闭的折线 2加入c u r v e f i t 顶点的选 择 4 加入s p l i n e f i t 顶点的选 择 8三维折线 1 6 三维多边形网格面 3 2 多边形网格面在n 方向 封闭 6 4 多面形网 多边形网格面m 的数目 多边形网格面n 的数目 平滑曲面m 的密度 平滑曲面n 的密度 平滑曲面类型( 可选择，缺省 值为0 ) 0无平滑曲面 5二次b 样条曲面 6三次b 样条曲面 8b e z i e r 曲面 x 、y 、z 所在位置 与光滑曲线相切的切线方向( u f 选择) 瓣川审咖向对象的特缸建模 第四章砸向对象的特征建模技术 4 1 面向对象的基本理论和建模技术 4 1 1 面向对象的基本理论 面向对象技术是8 0 年代发展起来的一种革命性的软件设计思 想，与传统的软件设计思想相比，更符合对现实世界模型的自然描 述和表达，它使描述问题的问题空间与解决问题的方法空间在结构 上尽可能一致，即使方法和技术的处理过程贴近人们对客观世界事 物的处理。面向对象的方法学认为，世界上的任何事物，大至工厂、 飞机，小至一针一线，还有抽象的概念，如虚数、实数，都可以看 成是对象。一组对象的抽象定义为对象类或类( c l a s s ) ，每个类定 义了一组具有共同特征的数据和可以作用于其上的一组操作。不同 对象的组合及相互作用就构成了我们要分析、研究和构造的客观世 界。面向对象方法具有以下特点： ( 1 ) 抽象性( a b s t r a c t i o n ) 抽象是抽取服务于研究目标对象的本质特征，忽略或简化些 次要的非本质的影响因素。对象类是实现了抽象的数据模型，对象 不仅可以实现结构化数据的抽象，而且也能够实现非结构化数据的 抽象，从而使面向对象方法具备很强的建模能力和抽象表达能力， 建模过程更符合人们认识问题、解决问题的思维规律。 ( 2 ) 封装性( e n c a p s u l a t i o i l ) 封装是将一个对象的属性和对象专有的操作捆绑在一起，从而 使操作属性的过程与函数的作用域和可视权被限制在软件系统中代 码的局部区域内。这样，属性和与之相关的操作变得不可分割，并 且它使封装的软件模块内部工作情况尽可能少地在模块接口处暴 露。= = f ；间对象之删通过发送消息进行通讯，消息只告诉一个对象应 该做什么，至于怎样做是由对象利用自己带有的方法来完成的。每 辩v u 掌 恤向对豫的特讯建模 i7 个对象都是自己自主的主体。封装性对软件系统的可靠性和易修改 性起着非常重要的作用。 ( 3 ) 继承性( i n h e r it a n c e ) 类可以进一步细分，形成上下继承的层次关系。先定义的类称 作基类( 超类或父类) ，后增加的类为派生类( 子类) ，后者继承了 前者的属性及其操作，但又允许重新定义和增加新的属性和操作。 ( 4 ) 多态性( p 0 1 y m o r p h i s m ) 子类对超类的覆盖功能通过多态来体现。同一个名字的消息， 发送到不同的对象，可以触发不同的执行方法，同一名字的函数要 根据它所作用的具体对象来区别执行步骤。函数调用和实际执行代 码的连接是动态的，可以在运行时刻才做出决定。在c + + 语言中， 多态性是通过运算符重载、操作名重载以及虚函数来实现的。 下面是c + + 有关几何图形中点元素的描述。屏幕上显示的一个 点必须有位最和显示状态两种属性。这里将位置作为基类，而将点 作为其派生类，点继承了位置的所有属性，又自有可见、不可见、 显示色彩等性质。 e n u l nb o o l e a n f a l s e ，t r u e ： c l a s sl o c a t i o nf p r o t e c t e d ：允许派生类访问私有数掘 i n t x ： i n ty ： p u b l i c ：这些函数允许外界访问 l o c a t i o n ( j n ti n i t x ，i n tj n i t y ) ： i n tg e t x ( ) ： i n tg e t y ( ) ： c l a s sp o i n t ：p u b li cl o c a t i o n 从l o c a t io n 类派生 的点x ，y 坐标继承了l o c a t i o n 中的被保护方j e p r o t e c t e d ： 擒p u 茚刚对釜的特秆建模 b 0 0 1 e a nv is ib 1e p u b l ic ： p o ir l t ( in t1n i tx v o i ds h o w ( ) ： v o i dh i d e o ： 点的派生类有权访问此数据 b o o l e a ni s v is i b l e 0 ： v o i dm o v e t o ( in tn e w x ，i n tn e w y ) 4 1 2 面向对象的建模技术 面向对象方法很好地克服了传统方法的不足，它以对象为基 础，更直接、更自然地反映客观世界。它在处理复杂系统、可重用 性和可扩展性方面有强大的优越性。为各种系统建模提供了一种很 有价值的方法论。 模型是实际对象或系统的抽象及简化表示，是抽取了服务于研 究目标的对象的本质特征，忽略或简化了一些次要的非本质影响因 素后的对象表示法，能帮助人们理解和解决问题。 对象模型通过描述系统中的对象、对象间的关系、对象的属性 和操作来组织系统结构，利用人们对事物分类和抽象的自然倾向， 模仿人们对现实世界事物的认识和了解，保存现实世界事物的信 息。对象建模强调围绕对象而不是围绕功能来构造系统，所以，对 象模型能更自然、更直接地反映客观世界。 ( 1 ) 对象( o b j e c t ) 对象建模的目的就是描述对象。对象是一个现实实体的抽象， 出现实实体的过程或信息特征来定义。一个对象可被认为是一个将 属性年u 过程封装在一起的实体，这个过程产生该对象的动作。对蒙 是个动态的概念，其中的属性反映了对象的当前状态。可以通过返 回对象当前的某个属性值来向外界反映对象的当前状态，或通过改 变对象的某些属性值来改变对象的当前状态。由于对象实现了所包 笙坚兰 婴堕型墨婴盐! ! ：墼堡! ! 含数据和对数据操作的一体化封装因此，对象内部的变化不会影 响系统的其它部分。 ( 2 ) 对象类( c l a s s ) 对象类或类是用来描述具有相同属性和过程的对象的集合，它 定义了该集合中每个对象所共有的属性和过程。类中的一个具体对 象就是该类的一个实例。表4 1 表示了对象类的建模描述。表中上 部描述实体名，中部为属性参数，底部为所属操作，由此实现了数 据和操作的封装。 ( 3 ) 对象类间的联系 对象之间不是相互独立的，而是彼此关联的。对象之间存在着 三种逻辑关系：关联、聚集和继承。 对象之间的相互联系可以用统一的消息传递方法来描述，允许 每个对象以适合自身的方式去响应共同的消息。这种通过发送消息 在对象间所建立的关系即为关联关系。如“操作系统”和“计算机” 是两个完全不同的对象类，但通过“计算机”发出选用“操作系统” 的消息而将两者联系起来。存在于两个对象之问的关系为“二元关 系”，两个对象以上对象之间的关系为“多元关系”。 圆柱孔 d i a m e o r l e n g t h i n p u t ( ) e d jl ( ) d r a w ( ) 表4 1埘象类 在对象模型中，以直线连接表示对象之川的关联关系，如图，1 所示( 阶表示类实例之间的关联元数) 。 第u q 酗 血向对豫的转椒矬模 2 i 1 习1 习皂 0 阶一阶 图4 1关联关系的表示 对象之间的“部分与整体”的关系定义为聚集，即一个对象( 整 体) 是由另外一些对象( 部分) 通过一定的联系构成的。如c p u 、 主板、显示器等通过特有的相互联系构成了计算机。聚集关系用加 在对象之间关联直线上的菱形表示，如图3 2 所示。 从一个基类衍生出个新类的过程，称为继承。这个新类具有 基类的所有属性和过程，同时它还能拥有自己特有的属性和过程。 继承关系实际就是父类与子类的关系，父类对象是对子类对象的抽 象，子类对象则是父类对象的具体体现。继承关系用加在对象之1 1 日j 关联直线上的小三角形表示，图4 2 表示了计算机的聚集关系和继 承关系。c p u 、主板、显示器是具有不同功能的对象，它们以特有 的相互联系聚集成为计算机。而计算机( 父类) 又可以派生出不同 的子类，如台式计算机、笔记本等。每个子类在继承了父类的特性 外，还都具有自身的属性。 图4 2 计算机的聚集与继承关系 第p q 章山f 埘驭的特f - r 矬模 2 4 2 面向对象的特征建模 4 2 1 特征建模的基本原则 特征是集成制造系统中用以在c a d 、c a p p 、c a m 间传递产 品模型信息的媒介。c i m s 系统中，产品的特征模型贯穿于整个系 统的不同阶段，为了建立个能适应不同阶段需要且满足实际对象 不断发展需要的产品模型，建模时应遵循以下几条基本原则： ( 1 ) 准确性 所建立的模型应能正确地反映实际对象，满足所服务系统的要 求。但客观上百分之百的正确度是不可能达到的，因此实际的原则 是模型要比较准确地反映客观实际，与客观对象保持一定程度上的 一致。 ( 2 ) 完整性 要求模型既能反映对象系统的静态特性，同时也能有丰富的语 义来描述它的动态性能。 ( 3 ) 一致眭 要求所建立的模型能保证从分析阶段到设计阶段的平稳过渡 使设计的系统与目标一致。一致性更重要的体现在于单一模型实现 不同领域问题的描述即该模型能实现c a d 系统、c a p p 系统、c a m 系统的描述。 ( 4 ) 开放性 所建立的模型应陔是开放的、可调整的、可扩充的。在此基础 上设计的系统具有较强的灵活性。 4 2 2 面向对象特征建模方法的实现 针对不同的应用领域、不同的对象，运用面向对象技术实现特 征建模时，尽管模型的内部结构不尽相同但都涉及到一些基本内 容，即定义特征、特征分类、定义属性、建立对象、定义联系、建 立框架。 1 特征的定义与分类 自从特征概念在1 9 8 0 年被p d e s s t e p 标准草案公布以来，对 翌! ! 至婴型! ! 堡业堕! - 些堡! ! 于特征的功能人们已经达成了共识：特征是工程环境中能运用几何 和功能信息进行产品零件造型的关键要素，是集成环境中高层语义 信息的载体和基本传输单元。 由于特征源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，因此 对特征的认识也不尽相同，至今尚无统一的特征定义。但特征表示 零件上几何的工程语义是毋庸置疑。特征是个专业术语，它兼有 形状和功能两种属性，从它的名称语义足以联想它的特定形状和拓 扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。 目前，特征还没有一致的分类体制，但基于特征分类的主要目 的是对零件结构信息的抽象化和形式化，以便于灵活、有效地组织 和处理零件的有关信息，通过对回转类零件的分析，我们将特征分 为以下几类： ( 1 ) 形状类 用于描述具有一定工程意义的功能几何形状，它具有特定的功 能和加工方法集。形状特征又分为主特征与辅特征，主特征用于描 述构造零件的主体形状结构，如圆柱体、圆锥体、齿轮、螺纹、长 方体、成形体、球冠、圆柱孔、圆锥孔等；辅特征是附在主特征之 上，描述零件的次要几何形状，是对主特征的局部修饰，反映形状 的细微结构，一个辅特征也可以附加在另一辅特征上。根据辅特征 的特点，可将其进一步划分为简单辅特征、组合辅特征、复制辅特 征。简单辅特征是指退刀槽、倒角、中心孔、圆角等单一特征： 组合辅特征是由一些简单辅特征组合而成的特征，如阶梯孔、嵌套 槽等；复制辅特征是同一一辅特征按照一定规律在空间不同位置上复 制而成的特征，如周向均布孔、矩形阵列孔等。各种形状特征间存 在一定的关系。就回转体而言，一是主特征问的邻接关系，另一珥中 是主辅特征间的从属关系。一个主特征可能与多个主特征相联，多 个辅特征也可能从属于一个辅特征。 ( 2 ) 技术要求类 描述零件的技术要求信息，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙 一里! ! 至堕塑型墨堕堑! 生些垡! ! 度及其它技术要求。 ( 3 ) 管理类 用于描述零件的管理信息，如生产批量、材料、热处理方式以 及零件的性能作用等相关信息。 提出特征概念的初衷是为了解决几何造型中高层语义信息的不 足。并提高工程设计人员的操作层次。为此，本文提出下面的特征 形式化定义： f3 f ( ，( j ，p ，n ) 其中f ( ) 为定义函数，乇， ，。分别为零件的几何信息、 技术要求信息、管理信息和具体应用环区信息。根据该形式化定义 可以看出，形状几何特征是特征的核心框架，其它信息作为特征的 高层语义与形状几何特征一起融入特征的定义。 包含所有特征的分类方案几乎不可能，而且也没有必要，但建 立可扩充的特征分类机制对于完善系统的集成是很有必要的。面向 对象技术以类和对象为基础提供了强有力的抽象表达能力，是解决 可扩充性和复杂数据结构的有效方法。 首先对特征进行高度的抽象性描述，建立特征超类。然后根据 常用设计和制造环境设计出特征予类，如轴、孔、箱