（机械设计及理论专业论文）cadcam系统分析、开发中对象和特征技术理论与实现研究.pdf

摘要 本文阐述了产品数据管理、智能c a d 技术、特征技术与面向对象技术等 c a d 新技术的发展历史、核心内容及应用价值，提出了特征技术和面向对象技 术在c a d 系统用户化开发中是统一的观点；论述了知识的表示、知识库的组织 策略、知识的检索方法等智能c a d 关键技术。结合实际课题以p d m 技术为指导， 设计并实现了集成于p r o e 系统中的产品数据管理模块，并将智能c a d 技术、 特征技术与面向对象技术应用于齿轮设计系统( g d s ) 的开发中，使得齿轮设计 系统精确、有效。 关键词：产品数据管理、智能c a d 、特征、面向对象 a b s t t a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ep r i n c i p l eo ft h en e wt e c h n o l o g ya p p l i e d i nc a d ，w h i c hi n c l u d e s p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t 、i n t e l l i g e n t c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n df e a t u r em o d e l i n g i tp r e s e n t st h em e t h o d t h a ta sb r a n c h e so fc a dc u s t o m i z e d d e v e l o p m e n t ，t h ef e a t u r et e c h n o l o g y a n d o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a n m i n g a r ec e n t r a l i z e d t w oi s s u e sa r e a d d r e s s e di nt h i sr e s e a r c h ：( 1 ) t h e a p p l i c a t i o n o f p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t ( 2 ) d e v e l o p m e n to fg d s ( g e a rd e s i g ns y s t e m ) w h i c hb a s e do r t h e i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n 、o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n d f e a t u r et e c h n o l o g y k e y w o r d s ：p r o d u c td a t a m a n a g e m e n ti n t e l l i g e n tc o m p u t e r a i d e dd e s i g n f e a t u r eo b j e c t o r i e n t e d 第一章概述 本章简要介绍c a d 技术的起源、发展现状和趋势，同时对国内相关 领域的研究成果作综述。并对本论文的课题来源及研究重点加以归纳。 1 1c a d 技术的起源、发展及趋势 1 1 1 c a d 技术的发展历程及现状 1 9 6 3 年，美国麻省理工学院( m i t ) 2 4 岁的研究生i e s u t h e r l a n d 首次提c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 的术语与概念，并在当年的美 国计算机联合会的年会上发表了s k e t c h p a d - a ，一种人机对话系统 一文，介绍了一个完全意义上的设计工作系统，标志着c a d 技术的诞生。 c a d 技术的发展可以从两个方面加以概括：核心技术和硬件设备。 从核心技术方面而言，诞生初期的c a d 技术以三维绘图建模为主要目标 并一直延续到7 0 年代中期。7 0 年代飞机与汽车工业的蓬勃发展对c a d 技术提出了新的要求，突出表现在对曲面建模技术的迫切需要，由此引 发第一次c a d 技术革命一一曲面造型技术的出现，突出代表的软件系统 为c a t i a 、u g 。8 0 年代初，基于对表面模型难以描述质量、重心、惯性 距等工程特征的改进，提出了实体造型技术并被工业界广泛认同，成为 c a d 发展史上的第二次革命，其代表软件商有美国的c o m p u t e r v is i o n 等 公司。进入到8 0 年代中期，c v 公司的一批人提出了一种比无约束自由 造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。由于得不到c v 公 司的支持，这批人从c v 公司独立出来，成立了今天c a d 软件研制的世 界第一企业一一p t c ( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p ) 公司，并推出其 主要产品p r o e n g i n e e r ，引发了c a d 技术的第三次革命。从硬件设备方 面讲，6 0 年代到7 0 年代初的主导系统是i b m 主机带2 2 5 0 光笔图形终端， 以后出现了p d p 一1 1 、h p 、n o v a 等小型机和t e k t r o n i x 存储图形显示器。 7 0 年代末开始，盛行各种软硬件配套系统，称作交钥匙( t u r n k e y ) 系统。 8 0 年代工作站和微机并起，成为c a d 硬件环境的主流。进入9 0 年代， 微机性能的飞速发展和应用普及促使c a d 技术向微机平台的全面倾斜， 大有取代工作站的态势。 1 1 2 c a d 技术的发展趋势 经过三十多年的发展，c a d 技术已相对成熟。但企业对c a d 技术要 求的不断更新，使得9 0 年代c a d 技术的发展呈现出许多新的趋势：( 1 ) 变量化技术的兴起。s d r c 公司针对参数化的某些缺陷提出了变量化设计 的全新概念，并在其i d e a s 产品中得以实现。( 2 ) c a d 与c a p p c a m c a e 的集成化。c a d 技术最终面向的是制造业，基于p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ) 技术的c a p p c a d c a m 的集成化就成为了c a d 技术当前的发 展热点。( 3 ) i c a d 的研究与实践。以往的c a d 系统均面向产品的几何设 计，更多的关注尺寸，结构和机械特性等产品信息，而不是真正意义上 的面向概念设计的系统。在c a d 技术中引入人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 概念形成的i c a d 系统成为该领域研究的重要方向。( 4 ) 并行设计与网络化。信息产业的迅猛发展，i n t e r n e t 的不断壮大促使 c a d 技术必须不断创新以适应这种趋势，并行设计与c a d 技术网络化正 是这一创新的体现。国内的一些高校和企业针对中国c a d 发展的现状在 上述领域作了许多探索，华中理工大学、西北工业大学、清华大学、浙 江大学和上海交通大学在相关的学术刊物上也发表了大量学术论文，并 有专著出版。但真正在上述领域实现一定规模产品化的还为数不多。所 以，研究成果的产业化是中国c a d 软件面临的重大课题。 1 2 论文的课题来源及研究重点 1 2 1 论文的课题来源 2 本文研究的课题着眼于可商品化的c a d 系统开发，主要研究p d m 、 a i 、特征技术和面向对象技术的基础理论、相关技术并加以实践。最终 的目标是在p r o e n g i n e e r 平台上借助p r o t o o l k i t 二次开发包开发一 套齿轮零件的辅助设计系统g d s ( g e a rd e s i g ns y s t e m ) ，体现出p d m 、 a i 、特征技术和面向对象技术在c a d 技术中的应用。 1 2 2 本文的研究重点 综上所述，本文的研究重点可做如下归纳： a 形状特征的分类，针对课题实际的详细分类方案，并确定特征之间 的相互关系。 b 形状特征在程序实现上的面向对象的描述方法。 c 产品数据库的建立，层次结构的划分，产品信息间的相互关联，产 品数据库的管理系统实现。 d 人工智能在c a d 技术中的应用，知识库的组织与表达，针对课题实 际的设计经验总结与归纳以及系统人机界面的智能化。 e 面向对象的程序设计方法，面向对象技术与特征技术的集成。 f 齿轮设计系统( g d s ) 的设计、开发、调试。 第二章p d m 技术及应用实践 本章着眼于p d m 技术的发展历程及趋势，针对实际课题中用户的需 求对p d m 技术加以实践；以模块的方式将p d m 技术集成到c a d 系统中， 实现统一平台下的产品数据管理。 2 1p d m 技术 2 1 1 p d m 的基本概念 单从字面上理解p d m 是p r o d u c td a t am a n a g e m e n z 的缩写，是指某 一类软件的总称。因为它是一门新兴的技术，所以不同学者或公司从不 同的角度或应用层次给与了不同的定义。以应用层次的不同，p d m 可分 为项目组级的p d m 和企业级的p d m “，前者的特点在于面向设计团体， 针对具体的开发项目，主要以一两种应用软件为特定的集成内容，使用 的规模在几台至百台左右，运行环境为局域网；而后者除具有前者的所 有功能外，可按用户需求以任意规模组成多硬件平台、多网络环境、多 数据库、多层分布式s e r v e r 、多种应用软件一起集成的跨产业、跨地区 超大型p d m 系统，为企业提供基于并行工程分布式的完整解决方案。不 论是项目组级的p d m 还是企业级的p d m ，它都是一种工具、一种技术、 种思维方式甚至是企业的运作方式，从本文p d m 的应用领域及实际需 求出发，作者给出p d m 的如下定义：隧是丝信息撞苤盏基趟：丝坌些 的篮：显鳘堡趁县拯盟王县：丕遮进趣煎! 壁堡登堂皇焦：垦蘧苤鲍绪佥： 基奎厦盐犍延墨亘塞班塑便接1 2 1 2 p d m 产生的技术背景 p d m 技术的提出是基于如下三方面的事实： 4 ( 1 ) 知识经济推动信息交流与管理：在知识经济的推动下，企业的 生产方式和生产速度正发生着巨大而深刻的变化。就生产方式而言，大 批量集成化生产方式逐渐为小批量、多品种、短周期、低库存的生产方 式所取代，而生产速度的转化就迫使企业把对市场的响应放在经营的第 一位。从而淘汰那些成本虽低廉但生产周期过长的产品和企业。上述两 方面的转变使得在管理中引入信息技术成为必然，也成为p d m 技术的直 接需求和主要推动因素。 ( 2 ) 数据膨胀及数据标准化和共享性的要求：企业的发展、产品的 丰富多样及新产品的不断涌现造成了企业数据的急剧膨胀。就制造业而 言，各种不同类型的产品数据( 如图纸、工艺规则、b o m 表、说明书、 几何模型、测试数据、分析结果等) 产生并存在于不同的产品研发阶段， 以多种不同的形式存储( 图纸、磁盘、文字、表格等) 且随时间的增长 而增多，加大了管理的难度。而数据的生命周期贯穿于企业的设计、生 产、测试及销售各个领域，相对应的数据的标准化及共享性就成为了不 可避免的技术难题，而p d m 技术正是解决这一难题的现实方案。 ( 3 ) 企业生产过程和生产关系的重组：市场的激烈竞争迫使企业寻 求最优化的生产方式，企业内部生产过程重组和生产关系的重组是实现 最优化生产的现实途径，p d m 技术是实现上述重组的基础技术。 由此可见，企业的下述四项期望成为p d m 技术产生和发展的最直接 原因与动力： 1 实现产品数据共享，以最少的时间代价来获取有用的数据。 2 实现企业重组，实现企业目标。 3 加速新产品投放市场，改进产品质量，降低生产成本。 4 与国际标准接轨，遵从国际或行业标准。 2 1 3 基于p d m 的并行设计与c a d c a p p c a e c a m 的集成 并行工程是计算机集成制造( c i m ) 的一个新阶段，它是集成地、 并行地设计产品及其相关过程的系统化方法，其主要内容属于设计领 域，同属于设计领域的c a d 、c a p p 、c a m 一样是产品开发过程的重要环 节，而c a d c a p p c a m 的集成是实现并行工程的关键“。就目前的状况 而言，c a d 、c a p p 与c a m 集成无外乎下述两种方式：一是通过专用接口 或标准的数据交换格式( i g e s 、d x f 、s t e p 等) 来实现不同的c a d 、c a p p 、 c a m 系统间的集成。二是开发功能强大的集成的c a d c a p p c a m c a e 系统， 通过系统内部统一的产品信息模型和数据库管理系统来实现不同应用 间的无缝连接。显而易见后者相对于前者在技术上和可靠性方面均具有 较大的优势。基于上述思想，在c a d 阶段建立并有效地管理设计、生产、 工程分析全过程的统一产品信息数据库就成为实现p d m 应用切实可行的 方案，而这一方案的基础是产品数据管理。在整个设计和制造过程中， 产品数据管理系统以一种安全的电子文本形式存贮产品及设计信息。该 信息包括实体模型、绘图、装配指令、产品之间的关系和工程计划等。 它是以产品生命周期管理为基础，具有极强的浏览、查询、审计功能以 保证技术文档管理高效、安全。基于p d m 和c a d c a p p c a m c a e 系统集 成框架的体系结构如图2 一l 所示。 电童电惠电一 图2 1 基于p d m 的c a d c a p p c a m c a e 集成系统框架的体系结构 2 2p d m 技术在实际项目中的实现 2 2 1 项目内容及技术要求 该项目是长丰汽车制造股份有限公司研究所委托湖南大学c a d 中心 的横向课题，其项目名称为”猎豹汽车整车结构c a d 建模系统”。经两方 协商以合同方式提出如下技术要求： 1 在p r o e 环境下建立猎豹汽车一个车型的车架、车身及底板各块 曲面零件的三维c a d 模型。 2 在p r o e 环境中实现上述各零件的装配，得到整车结构的三维 c a d 模型，该模型可以进行修改，生成各平面视图以供设计改型使用。 3 实现三维c a d 模型的高效管理，形成产品数据库框架。 2 2 2 总体方案设计 2 2 2 1 技术要求的细化及系统主要功能划分 针对长丰公司设计制造现状以及产品构成特点，以合同技术要求为 蓝本。我们对实现三维c a d 模型的高效管理，形成产品数据库框架一项 进行了更细致的划分，提出了三个层次的产品信息管理服务： 1 产品结构服务： 产品结构服务提供了一种组织、控制和管理数据的机制，所形成的 产品结构是对产品的全面描述，是面向产品接个生命周期的。它应提供 以下功能： 维护产品的装配关系，即组成产品的零部件之间的关系。 木将零部件与描述零部件的文件( 如图形、模型、说明书、计划、 工艺文件等) 联系起来，形成完整的产品信息树。 跟踪并保存产品设计、制造和技术支持所需的大量数据，如描述 产品、零部件的图纸、说明书、外购件清单、材料清单等等。 水保存产品设计的历史记录及相互关系。 2 有效性服务 有效性是对象的种属性，描述了对象有效的范围。对于企业产品 数据来讲，就是指某次具体的设计是否用于实际制作。一般而言有效性 服务要处理两种有效性：时间有效性和批次有效性。有效性服务就是要 利用对象的有效性属性来确定具体的对象是否用于某次生产( 即有效) ， 这些对象可以是零部件的某一次具体的设计、材料清单、甚至是某一张 p d m 系统管理的图纸等等。有效性服务对企业很多活动是非常重要的， 特别是对于老产品的售后服务支持。 3 配置服务 配置服务主要针对设计而言，它可以对产品进行分类，建立和维护 产品的模型。并以此为基础，在一定的目标和规则约束下为用户确定各 型号产品的大致结构。 2 2 2 2p d m 模块的功能要求 对应于2 2 2 1 节的三层次服务，应用于建模系统的p d m 模块应具 备如下功能： a 信息完备的产品数据库。产品数据库是信息源，其完备性直接影 响p d m 实现的满意程度。 b 数据库不同库文件间的相互关联。长丰公司的主导产品是猎豹吉 普车，所涉及的零部件、装配相当多，而且相互之间彼此关联，在数据 库的建立过程中应与以充分体现。 c 方便的查询、排序、显示功能。数据库的价值体现在对信息方便、 快捷的查询，只有这样才从真正意义上实现了数据的管理。 d 三维的操作环境。现代c a d 技术的发展促使工程师的设计平台由 二维向三维过渡。三维平台无论是界面友好性、视觉直观性还是信息的 完备性方面都较二维平台有突出优势，因而一个三维的环境成为现代设 计的基本条件。 e 数据库的修改、补充和维护方便。企业的产品时刻在更新，那么 企业的数据库应能及时地反映企业的这种发展。所以数据库的修改，补 充和维护也是p d m 模块中心不可或缺的基本功能。 2 2 3 方案实现 2 2 3 1 开发平台的选取 开发一个三维设计环境下的p d m 模块，既要求技术的先进性，又必 须结合企业的实情及行业特征选取合适的c a d 软件、操作系统平台及程 序调试器，总体要求是应用广泛、性价比高、兼容性好。 1 c a d 平台的选取 完全以企业的需求重新研制一个c a d 建模系统无论从人力、财力及 技术角度均有相当大的难度，故选用世界广泛采用的通用c a d 系统为平 台加以用户化开发不失为较好的解决方案。综合考虑机械及汽车行业常 用的a u t o c a d 、u g i i 、p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 等 几何造型系统。本项目选用全球用户最多的p r o e n g i n e e r 作为c a d 平 台，因为它有如下一些突出的优势： a 强大的造型功能。p r o e n g i n e e r 是基于特征的建模系统，系统 的自有特征相当丰富，而且支持用户的自定义特征。在其基础上，p r o e 支持拉伸、旋转、放样、扫掠、过渡多种造型手段，能构造非常复杂的 三维实体。 b 参数化全约束的设计思想。p r o e 提供了参数化的设计功能。其 主旨是尽可能地复用定型的结构形状，改变定义结构形状的尺寸来驱动 结构形状的重新生成以实现设计意图。参数化的设计手段使零部件的系 列化，成组技术的推广极为便利，而且为设计规范的电子化，信息化提 供了可能。全约束的设计思路用以保证设计的严谨性和完备性，从根本 上保证了三维模型的准确性和实用性。 c 独一无二的关联性。p r o e 提供关联性机制，使得尺寸间、零部 件间、装配件间可依据设计意图建立相互关联，使得修改其中某一尺寸、 9 结构均会引起相关尺寸及结构的变动，从另一方面保证了模型的可靠 性。关联性、变量化与全约束构成了p r o e 核心技术，也是它独步全球 c a d 系统的技术原因。 d 提供完备的二次开发环境和丰富的底层资源。p r o e 提供了用户 化开发的工具包p r o t o o l k i t ，它基于对象的设计思想是第三方应用程 序开发的便捷手段。与p r o t o o l k i t 一起p r o e 提供了c 语言的近千个 a p i 函数，不仅运行效率相当高而且可移植性好。这种开放式的结构为 用户方开发程序提供了极大的自由度。 2 操作系统及硬件配置情况 随着个人电脑性能的飞速发展，早期u n i x 操作系统和工作站配置的 c a d 软件向w i n d o w s n t 平台和个人电脑全面转移。本模块实现的操作系 统为w i n d o w sn t 4 0 ( p a c k 6 ) 。硬件配置如下：p 1 1 3 5 0 c p u 、1 2 8 d r a m 、 8 m ( a g p ) 3 d 图形卡，上述配置较好地满足了软件的运行要求。 3 编译器及数据库选择 w i n d o w s n t 是真正意义上的3 2 位操作系统，所以必须对应3 2 位的 编译器。微软的v i s u a ls t u d i o 提供了强大的语言编译、连接功能，而 且支持n m a k e 的软件维护机制，为应用程序的开发、调试维护提供了极 大的方便。 数据库的选择我们本着满足功能、应用广泛、可学性好的原则。选 择了v i s u a lf o x p r o ，而且实际应用效果相当好。 2 2 3 2 工程数据库的建立 工程数据库是企业产品的信息集成，必然对应于企业的产品结构， 我们参照建立数据库的完备性与高效性相结合的原则，对长丰集团的产 品结构进行重行划分和定位，确定了如下的三层次结构： a 产品模型：产品模型从功能的角度将产品分解为若干构件( p r o d u c t c o m p o n e n t ) ，构件是一个抽象的信息体，它是能完成此功能的所有零 部件组合。构件包括多个零部件组合，每个零部件组合都能满足构件 的功能要求，由构件形成的产品模型事实上包括了所有可能的配置， 它也是该产品的所有变形设计都必须遵从的模板。产品模型的示意图 如下： 产品层 构件层 部件层 图2 2 产品模型示意图 b 零部件结构，零部件结构描述了零部件的几何构成、相关机械特性 ( 质量、材料等) 及版本信息。零部件是产品模型的最底层结点，维持 着产品模型的结构，它以设计时间及设计人的记录信息维护着设计过程 中的历史纪录，以各种属性的形式记录了与设计文档( 图形、模型、说 明书、计划、工艺文件等) 的关联。为产品模型服务提供了数据支持， 零部件结构示意图如下： 图2 - 3 零部件结构示意图 部件层 特征层 元素层 c 零部件工程图 零部件工程图是面向实际制造的产品结构。其中包含制造所需的图 形及工艺、加工精度等信息。因零部件工程图应与零件或工装一对应， 故产品模型、零部件结构两层次所包含的信息在工程图这一层上也应有 所体现。如设计者、设计时间等。 部件层 特征层 元素层 图2 4 零部件工程图示意图 对应于产品结构的三层次，产品数据库的结构也有从上至下的三 级。用p r o e 的术语即装配层( a s s e m b l y ) 专零部件层( p a r t ) 专工程 图层( d r a w i n g ) ，而且各层次内部还可以作更详细的划分以完备而且简 洁的表述企业的产品结构。各层次之间通过归属和包括的定义来建立联 系，从而构成一个有机的整体，以实现层次间方便快捷的查询，从现实 意义上来实现数据的管理。 鉴于v i s u a lf o x p r o 应用广泛、使用方便、数据结构明了，故本模 块采用v f p 中的d b f 表来构建产品的信息库，零件库的数据结构及具体 实例见表2 1 。 3 2 3 3 模块功能的分解 为了描述问题的方便，这是采用简化的i d e f o 方法。i d e f o 模型由 系列图形所组成。图形包括简单的盒子及箭头，我们把描述功能的盒 子称为活动图形。在活动图形中，方盒表示活动( 或操作) 。盒子四周 有进出的箭头，表示系统处理的事件，左边的箭头表示输入，右边 表2 一1 零件库的数据结构及具体实例 字段名数据类型长度备注实例 零件名字符型( c ) 2 0 标明零件名称的字段 s h a f t 企业内部字符型( c ) 8 标明零件在企业内部产品的数据 0 0 0 0 0 1 0 2 零件号库中的编号 存储位置 字符型( c )4 0标明零件在企业内部电子产品数e ：p a r t s h a f t 据库的位置 材料字符型( c ) 1 0 标明零件的材料 h t 2 0 0 质量浮点型( n ) 8 2标明零件的质量 0 3 7 设计者 字符型( c ) 1 0 标明零件的设计人 肖立军 审核时间 日期型( d )1 0标明零件的最终审核时间，实现 1 9 9 8 7 1 0 时效功能。 所属工装字符型( c ) 2 0建立零件与工装的联系 h o o d 标识逻辑型( l ) l标明零件是否外购件，是否进口 f ( 外购件) 件。 价格 货币( n ) 1 0 标明零件的销售属性 5 5 1 0 的箭头表示输出，上面的箭头表示控制，下面的箭头表示机制。一般整 个系统最抽象的图称为a o 图。a o 图每个盒子可以标记号码l ，2 ，。 每个盒子可再向下分解得到a 1 l 、a 1 2 、。图2 5 为p d m 模块的a o 图，图中四个盒子表示了系统的四项功能： 显示库文件的完整信息； 依条件查询记录： 依条件对记录进行排序： 依条件查询并排序。 整个模块的输入是库文件名及查询或排序条件，包括字符串、数字 等数据类型；而输出的是文本信息，并集成在p r o e 的环境下显示，并 能依条件打开记录所对应的三维产品模型加以修改。 2 2 3 4p d m 模块的界面设计 本模块是在p e n g i n e e r 的基础上实现的，为保持与p r o e n g i n e e r 的一致性，界面采用p r o e 的菜单风格并辅以少量键盘的输入，能实现 人机间的实时交互和快捷操作。 图2 - 5 p d m 模块功能分解图 a p r o e n g i n e e r 菜单开发技术简介 作为一个开放式的三维c a d 系统平台，p r o e n g i n e e r 提供了功能强 大的二次开发包一p r o t 0 0 1 k i t 。后者以c 语言为依托，封装了许多针 对p r o e n g i n e e r 底层资源调用的库函数与头文件，借助第三方的编译 集成环境进行调试。p r o e n g i n e e r 平台上的菜单开发信息是以菜单资源 文件为载体( 以m n u 和a u x 为后缀) 。菜单资源文件有其规范的格式， 具体如下： 1 4 菜单标识名一菜单标识文本 # # 选项名 覆盖选项名 一菜单选项显示文本 ( 提示信息) 一鼠标划过或停留在菜单项时显示的提示 文本 覆盖提示信息 选项名 覆盖选项名 所有菜单资源文件均需菜单载入、菜单项定义、完成动作定义三个 基本流程，才能在p r o e n g i n e e r 菜单系统中注册，然后通过库函数进行 激活等相应操作菜单项可相互激活，由主及次构建成所需层次式菜单 系统。上述菜单开发机制能快速定义出菜单系统的架构，然后根据实际 需要将 覆盖选项名 和 覆盖提示信息 加上，以替换原选项名和原提示 信息，十分灵活地实现设计意图，而程序源代码无需修改，极大地提高了 开发效率。 b p r o e n g i n e e r 菜单分类 依据新建菜单与p r o e n g i n e e r 原始菜单的相互关系，菜单可分 为如下两大类： 主菜单：完全独立于原有菜单，层次结构完备，对应于后缀名m n u 的 菜单资源文件，用以构建新的应用系统。 辅菜单：对p r o e n g i n e e r 原有菜单项的增加和修改，依托于原有的 菜单体系，对应于后缀名为a u x 的菜单资源文件，是对p r o e n g i n e e r 原 有功能的补充和修改。 以对鼠标点击动作的不同响应和外观差异，菜单又可如下细分： ( 1 ) 强制菜单：该菜单弹出后，必须选定其中某一菜单项，否则无法 击活屏幕上其它菜单栏中的任一菜单项其目的在于减少误操作的可能 性，保证设计流程的连续性和正确性，广泛应用于设计过程中重要参数 和型号的选择等必不可少的步骤。 ( 2 ) 自由菜单：此类菜单弹出后，如果在未点击其上菜单项的情况 下，击活了屏幕上另外的菜单，该自由菜单消失，软件按另外菜单的定义 进行响应其目的在于方便设计过程中一些次要信息的修改和重定义， 以体现设计师的突发灵感。 ( 3 ) 变量菜单：设计过程中常常涉及到一些全局性的参数或变量设 定，对于这一类设置有其专用的菜单类别这类变量菜单均带有标识框 以显示参数的设定，常用于显示的控制和字体的指定等设计环境的选择。 ( 4 ) 复选菜单：赋值菜单仅返回一个值，而复选菜单可返回多个值， 且不同类数值的数值项在菜单外观上有区别，不易混淆其目的在于提 供一种参数类型多，但同一类参数可选项少的设计表达手段是复杂设 计过程中必不可少的技术之一。 ( 5 ) 赋值菜单：此类菜单对鼠标点击的响应是数值的返回，而非函 数的调用。它对应于产品设计中的参数和类型选择，其菜单项的显示文 本即为返回值或可选择类型，在标准化零部件的设计过程中频繁出现。 菜单上的菜单项，在特定的领域或设计流程中，常出现相互矛盾的情 形，p r o e n g i n e e r 通过设定菜单项禁选属性来处理这类异常，并灰显该 菜单项，以避免设计过程的混乱，提高系统的健壮性。而且因划分标准不 同，应用软件的某一菜单可同时属于多类菜单。 c 模块菜单的结构： 图2 6 是p d m 模块菜单的总体结构。以此图为例简要地说明p d m 模块的操作。 1 6 模块的引入菜单，是应用程序与p r o e 资源的接口。 模块的主控菜单，用以选择模块的主要功能。 信息显示的主控菜单，依据用户的选择有相应提示。 查询功能的主控菜单。图2 6 中( 8 ) 菜单是( 4 ) 菜单点击后的 字段选择菜单，用以提示并输入查询条件。图2 - 6 中( 9 ) 菜单对应着 查询后三维模型的操作。 排序功能主控菜单。图2 - 6 中( 7 ) 菜单定义排序的条件及类型 ( 升序或降序) 。 排序兼查询功能主控菜单。图2 - 6 中( 1 0 ) 菜单定义排序类型及 查询方式。 下附图2 6 中( 2 ) 菜单的菜单资源文件： p d m # 茸 一d i s p l a y # i n f o r m a t i o n d i s p l a ya 1 1i n f o r m a t i o ni nt h eo p e n e dd a t a b a s ef i l e # 一q u e r y # r e c o r d q u e r yt h ei n f o r m a t i o ny o uw a n t # 一s o r t # r e c o r d s o r tt h er e c o r da c c o r dt 0t h ec o n d i t i o n # 一q u e r y & s o r t q u e r ya n ds o r tt h er e c o r d # 一d o n e e x l t f r o m t h i sm e n u 2 2 3 5f o x p r o 数据库文件结构 f o x p r o 中d b f 数据库文件的结构可分为两部分：第部分为库本身 结构说明，第二部分才是数据库的数据内容。 库结构说明部分又分为两个部分：前一部分( 共3 2 个字节) 是关于 整个数据库的结构说明，从第3 3 个字节开始为各个字段结构的说明， 库结构示意如图所示，其中库说明部分的前3 2 个字节是库结构说明， 其具体内容与含义如表2 - 2 所列 库说明部分从第3 3 个字节开始，依次存放每个字段结构的说明，每 3 2 字节描述一个字段，其中有用字节的具体内容如表2 - 3 所列： 表2 2 库说明部分的具体内容 l 字节内容含义 18 3 h 或0 3 h d b f 的标志，若含m e m o r y 字段则为8 0 h ，否则为0 3 h 2 4日期文件建立或修改的最后日期( 年、月、日) 5 8 数据库记录个数数据库所含季记录个数，底位在前，高位在后。 9 - i 0库说明部分的长 指出了库说明部分的实际长度。 度 籼1 1 1 1 2记录长度每条记录的总长度。 1 3 3 2o 未用 库说明部分的实际长度= ( 第1 0 字节的值) * 2 5 6 + ( 第9 字节的值) 记录长度= ( 第1 2 字节的值) * 2 5 6 + ( 第1 1 字节的值) 。 字段结构说明部分结束后有一个结束符o d h ，表示库说明部分结束， 下面是数据库的具体数据内容，紧接着库说明结束标志o d h 之后便是数 据区，每条记录按字段顺序依次存放，每条记录第一个字节为删除标志， 若该记录已被删除，则该字节为e a h ( “ ”的a s c i i 码) ，否则存放1 0 h ( 空格的a s c i i 码) 。其后是本记录各字段的a s c i i 码， 表2 - 3 字段结构说明 字节内容含义 1 一1 0字段名以a s c i i 表示的字段名，当字段名不足1 0 个字节时，后补 空格。 l l0保留未用。 1 2字段类型标志用字母c 、d 、l 、n 、m 等的a s c i i 码表示的该字段类型。 1 3 1 4偏移地址首记录中该子段对应内存的偏移地址。 1 5 1 6段地址首记录中该子段对应内存的段地址。 1 7字段长度表示该字段的总长度( 以字节为单位，最多不超过2 5 6 字节) 。 1 8小数位数表示数字型( n 型) 字段的小数部分的位数，否则为0 。 1 9 3 2o保留部分( 末用) 。 各个记录都是定长的，每个记录的字段间无分隔符，纪录也无终止符， 数据区结束符为i a h 标志，这也是整个数据库结束的标志a 2 2 3 6p r o e n g i n e e r 与f o x p r o 的接口技术 在实际应用中，p r o e n g i n e e r 支持c 语言的二次开发。c 语言有较 强的文件操作及计算功能，通过c 语言可以在p r o e n g i n e e r 的应用程 序与f o x p r o 的库文件之间建立匹配的接口。 针对库文件的结构，在应用程序中可建立相对应的数据结构用以接 收库文件中的记录信息，通过文件指针的移动和定位可读取库文件的结 构信息和记录信息，完成数据库信息到应用程序变量或常量之间的转 换。使得p o x p r o 与p r o e n g i n e e r 能无缝的集成。 2 3p d m 模块的实现总结 本章研究了p d m 技术的起源、发展及趋势，并在此基础上针对实际课题 的技术要求对p d m 技术加以实践，所实现的功能满足了企业的需求，结 合研究的实际过程给出如下总结： 在查阅了大量有关p d m 技术及实践论文及书籍的基础上，总结了p d m 技术的发展历程及前沿趋势，分析了p d m 与其它c a d 新技术的相互关系， 提出了自己的观点并以课题为对象定义了p d m 的基本概念。 p d m 技术的关键是产品数据管理的方便、快捷、满足企业的需求，所 以p d m 的实用化是p d m 技术的核心。针对项目合同的技术要求，我们设 计并实现了p r o e 环境下的p d m 模块，真正将p d m 技术集成到了c a d 系 统。 在p d m 的实践过程中，解决了f o x p r o 与p r o e n g i n e e r 数据接口、 p r o e 菜单风格的功能操作界面及结果输出界面、p r o e 环境下数据的 查询及排序等一系列技术难题，为进一步开发电子化国家标准，数据库 驱动的模型设计等模块进行了技术上探讨。 在数据库的设计过程中引入了特征的概念并参照了面向对象技术， 不仅完成了产品的特征归类，建立了包含特征层在内的产品数据结构， 而且在此基础上( 特征层) 进行了更详细的数据对象分类，实现了以特 征数据对象为低层资源的产品数据库构建。 鉴于c 语言在w i n d o w s 风格应用程序开发上的繁琐和缺陷，本模块 未采用o d b c 、d a o 及s q l 等更先进的数据库开发技术，故如何更高效、 方便地开发p r o e 环境下的产品数据库应用程序将是下一步研究的重 点。 第三章智能c a d 系统技术及应用实践 本章研究人工智能在c a d 技术中的应用，并针对齿轮设计的实际问题加以 实践。 3 1 智能c a d 技术 3 1 1 智能c a d 技术的基本概念 c a d 技术的发展与应用已经使机械设计过程发生了革命性的变化，它为 设计者提供了更有效的分析、优化、仿真以及绘图手段，成倍地提高了设计 效率和设计质量。但是传统的c a d 技术对设计活动的支持还是很有限的。对 于设计活动中最具有创造性同时也是对设计质量最具影响力的几个阶段：功 能定义、概念设计和初步设计，基本上不支持。1 。因此c a d 技术的进一步发展 应该是建立能支持整个设计过程的辅助设计系统，也即智能c a d 系统 ( i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e m ) 。使c a d 系统具有智能的一 种方法是借助于专家系统，将设计有关的知识转化为专家系统的知识库，用 知识库来支持设计的全过程。更先进的方法是机器学习，即让c a d 系统具有 自学习功能，其核心是c a d 系统能对设计者在使用该系统时运用的知识、经 验或标准等加以归纳总结并用于其后的设计。应当指出的是该项技术仍处于 研究发展中，在文本输入方面已有成功应用，但在通用c a d 系统中未见成熟 产品。 3 l2 机械设计型问题的特点 机械设计问题是一个复杂的病态结构问题，整个设计过程是一个从概念 设计、初步设计到分析、评价与再设计这样一个循环反复的过程啸1 。如图3 1 所示。 下面以齿轮为例来说明机械设计问题的特点： ( 1 ) 知识形式的多样性。机械设计问题所涉及的知识多种多样，从比较模糊的 设计经验知识到比较严格的计算公式，而且各种知识交织在一起构成设计过 程的知识支持。在初步设计阶段，所用到的知识以定性的设计经验为主；在 2 t 详细设计阶段群用到的知识戬精确的计算公式戈主。在齿轮的设计过程中， 确定某些参数的值，材料的选择等主要依攒设计者的经验；而在疲劳强度校 骏过程中则依据现成的设计计算方法。 ( 2 ) 设计润题嚣囱对象以及可分怒与合成的特点。 车凡械设计闯趱越一个典翟的面向对象的阐蘑， 从最初的设计目标到各个层次的部件都构成 了设计对象。不同层次灼设计对象枣句成了一 棵设计树，英校节点是设计晷标，每个部件 都占据一个中间节点，每个零件剐占据个 时节点。 ( 3 ) 设计过稷具有整体确定性和局部不确 定往的特点。设计过程从整体上看有“献 上到下”和“设计一分析一评价再设计” 豹镶环，瑟且这个过理贯穿设计过理始终， 从概念设计、初步设计到详编设计，该循环 在设计对象树的不同层次上针对每个对象羹 复避行。但对于不同的设计对象，设计、分 析、评价和再设计的具体过程不同，因此具 有局部的不确定往。 图3 - 1 一般设计过程模型 3 1 。3 知识的表示 在智能c a d 系统中，知识按其瞬的不闻可以分为两类：一类是关于设计 对象的知识；另一类是关于设计过程知识。 设计过程的淹容主要包含以下几个方西：当前设计对象的设计过程的建 立，当前设计对象的分解和子对象设计顺序建立。因诧，关予设计过程静知 识也具有西向对象的特点，其形式与关于设计对象的知识完全一样。因此采 用与设计对象相困的形式表示。 如前所述，智能c a d 中所荫的知识其有形式的多样性，既寄经验知识， 又有事实和计算公式。因此对不同类型的知识应该采用不简的表示方法。夜 g d s ( g e a rd e s i g ns y s t e m ) 系统中，事实多采用多阶段复合谓词逻辑表示， 这样可以方便准确地表示设计中所用到的所有事实。计算公式用零阶谓词逻 辑，以一种类似设计程序语言的方式表示。经验知识采用产生式规则表示， 规则的前提与结论采用用“与”或“或”联接的多阶复合谓词逻辑表示。以 下就是几条齿轮设计知识的形式： 事实：包含( 确定工况) ，采用( 圆柱齿轮) ，采用( 圆锥齿轮) ) 这条事实用于分解设计目标，表示确定工况形式包含圆柱齿轮和圆锥齿轮 两种方案。 公式： 互= 9 5 9 + 1 0 0 0 0 0 + 弓n 1 这是一个计算齿轮传递转矩的公式，采用程序设计语言形式表示。在推理器 中包含一个专门的公式处理器，用于解释这种形式的知识并能自动检索 所需的数据，完成计算过程，返回计算结果。 规则：i f 可靠性要求高t h e n 采用( 合金钢) ； 这是一条用于齿轮材料选择的规则，条件和结论部分都用谓词逻辑表示。 3 1 4 知识在知识库中的组织策略 从以前介绍的设计知识的特点可以看出，设计知识是多种形式交织在一 起的。但无论是关于设计目标还是关于设计过程的知识，都是为特定的设计 对象服务的，因此采用面向对象的方法来组织是适宜的。另外从设计过程来 看，一个设计对象中不同知识的使用目的也不同，如有的知识是用于规划该 对象的设计过程的，有的知识是用于直接设计该对象的某个部分等，因此根 据使用目的的不同，又可以将一个对象的知识分成为不同目的服务的知识 组。对于一般的设计对象，其知识可以分成以下十一个组： ( 1 )方法选择组：该组的知识用于根据给定的工艺条件、已知参数和已有 的设计结果，选择当前对象的设计方法。 ( 2 )设计过程确定组：该组的知识用于确定当前对象的设计过程，设计过 程以日程表的形式保存在黑板结构中，用于控制当前对象的设计顺序。 ( 3 ) 初步设计组：该组的知识用于设计当前对象，它的作用是在日程表的 指导下、在该对象作进一步分解前，初步设计该对象。 ( 4 )初步分析组：该组的知识是在初步设计的基础上，从功能、性能等方 面分析设计结果。 ( 5 ) 初步评价组：该组的知