（机械设计及理论专业论文）工程图学综合问题三维分析系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 在传统的工程图学教学过程中，教师在进行点、线、面综合问题的讲授时， 往往采用“二维式 教学，即无论是在在黑板上或是在多媒体课件中几乎都是 以平面的方式讲授此类问题的解题方法。虽然有部分教学课件实现了三维的解 题演示过程，但仅仅是一个制作好了的固定的静态的演示过程，而不是真正的 实时的交互的解题过程。这样的结果势必会造成部分同学因为空间想象力差而 难以理解，使得整体教学效果较差。为此，本论文在总结前人的理论和研究的 基础上，开展了工程图学综合问题三维分析系统的研究。 本论文开发了一个动态c a 工程图学教学软件，旨在将传统的二维工程图 学点、线、面综合问题转化到a u t o c a d 环境下，运用三维重建的方法动态地、 实时地进行解决。本系统是基于a u t o c a d 2 0 0 7 平台，运用其内嵌语言v i s u a l l i s p 进行二次开发而设计，系统开发出来后直接内嵌到a u t o c a d 环境下，无 需设计其他系统界面，避免了使用时的接口转化问题，具有在进行教学演示时 教师使用方便、学生易学易用的优点。 本论文在分析二维工程图学点、线、面综合问题解题方法的基础上，通过 三维重建，把此类综合问题在三维空间中进行分析求解，该三维分析系统继承 了传统的解决综合问题的方法，即一般图示图解法和换面法，该系统可将该两 种方法进行三维的演示，使得解题过程直观而易懂。 该三维分析系统主要用于工程图学教学中，用于辅助学生进行工程图学综 合问题空间分析，达到培养学生空间思维和空间想象能力的教学目的。另外该 系统还可以解决工程实际中的一些度量与定位问题。 关键词：c a i ，工程图学，三维重建，分析系统 a b s t r a c t i nt h ec o n v e n t i o n a le n g i n e e r i n gg r a p h i c st e a c h i n gp r o c e s s ，t e a c h e r sg e n e r a l l y u s et h e2 dm o d ew h e nt h ec o m p r e h e n s i v ep r o b l e m sa b o u tp o i n t ，l i n ea n df a c ea r e c o n c e r n e d n a m e l y ，n om a t t e rw h e t h e rb l a c k b o a r d so rm u l t i m e d i ac o u r s e w a l e si s i n v o l v e d ，p l a n a rm a n n e ri sa l m o s te m p l o y e d a l t h o u g hs o m eo fc o u r s e w a r e s h a v e d o n e3 dp r o c e s sa b o u tt h es o l u t i o n s ，t h e ya l ej u s ts o m ef i x e d a n ds t a t i c d e m o n s t r a t i o n p r o c e s s e s w h i c hh a v e b e e n d o n eb e f o r e t e a c h i n g a n dc a n t d e m o n s t r a t et h er e a l t i m es o l u t i o np r o c e s s e s s os o m es t u d e n t sc a n te n t i r e l y u n d e r s t a n dt h e mb e c a u s eo fb e i n gs h o r to fd i m e n s i o n a li m a g i n a t i o n s a sar e s u l t ， t h et e a c h i n ge f f e c ti sn o tv e r yg o o d f o rt h i sr e a s o n ，b a s e do ns u m m a r i z i n gt h e o r i e s a n dr e s e a r c h e so fo t h e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t a r t st h er e s e a r c ho f3 da n a l y s i ss y s t e mi n e n g i n e e r i n gg r a p h i c sc o m p r e h e n s i v ep r o b l e m s t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p e sad y n a m i ce n g i n e e r i n g g r a p h i c st e a c h i n gs o f t w a r e ， i e c a i ，w h i c ha i m st ot r a n s f e rt h ec o m p r e h e n s i v ep r o b l e m sa b o u tp o i n t , l i n ea n d f a c et ot h ef o r m sw h i c ha l es o l v e dw i t hd y n a m i ca n dr e a l - t i m ep r o c e s sb y3 d r e c o n s t r u c t i o nw a yb a s e do na u t o c a dp l a t f o r m t h es y s t e ma p p l i e sv i s u a ll i s pt o r e d e v e l o pp r o g r a m so na u t o c a d2 0 0 7p l a t f o r m i ti se m b e d d e di n t oa u t o c a d 2 0 0 7a n dn e e d n td e s i g no t h e rs y s t e mi n t e r f a c e s ot h a ti ta v o i d st h ep r o b l e mo f i n t e r f a c et r a n s f o r mw h e nu s e d a n di th a st h em e r i to fb e i n gu s e dc o n v e n i e n t l yi n t h et e a c h i n gd e m o n s t r a t i o nb yt e a c h e r sa n db e i n gl e a r n e da n d u s e de a s i l yb y s t u d e n t s a f t e ra n a l y z i n gt h ec o m p r e h e n s i v e2 de n g i n e e r i n gg r a p h i cp r o b l e m sa n d s o l u t i o n sa b o u tp o i n t ，l i n ea n df a c e ，t h ed i s s e r t a t i o nc a ns o l v et h e mi nt h e3 d c i r c u m s t a n c e b y3 d r e c o n s t r u c t i o n t h e 3 d a n a l y s i ss y s t e m i n h e r i t st h e c o n v e n t i o n a lm e a n so fs o l v i n gt h ec o m p r e h e n s i v ep r o b l e m s ，n a m e l y ，t h ei l l u s t r a t i n g m e a n sa n dt h es u r f a c ee x c h a n g i n gm e a n s t h es y s t e mc a nd ot h e3 dd e m o n s t r a t i o n s o ft h et w om e a n sa n dt h es o l u t i o n sa r ei n t u i t i o n i s t i ca n du n d e r s t a n d a b l e t h e3 da n a l y s i ss y s t e mi sm o s t l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n gg r a p h i c st e a c h i n g w h i c hh e l ps t u d e n t st od ot h ec o m p r e h e n s i v ee n g i n e e r i n gg r a p h i c sp r o b l e m s 锄1 y s l s i t st e a c h i n gp u r p o s ei st oe n h a n c et h ed i m e p s i o nt h i n k i n ga 1 1 di m a g i n a t i o n a b i l i t i e so fs t u d e n t s i na d d i t i o n ，t h i ss y s t e mc a na l s ob eu s e dt os o l v es o m ec o m m o n p r a c t i c a lp r o b l e m sa b o u tm e a s u r e m e n ta n do r i e n t a t i o ni ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：c a i ，e n g i n e e r i n gg r a p h i c s ，3 dr e c o n s t r u c t i o n ，a n a l y s i ss y s t e m 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密0 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 指导老师虢啼p 同竿 日期： 加，c f 7 讧 面彳 b 常 矽 ：渤1 名 “ 獬 心 者 莎 作 哟 文 2 论 ： 位期学日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本论文是基于a u t o c a d 2 0 0 7 平台，运用其内嵌语言v i s u a ll i s p 进行 二次开发而设计了一个动态c a i 工程图学教学软件，系统开发出来后直接内嵌 到a u t o c h d 环境下。 2 本论文将一些经典的工程图学点、线、面综合问题放在该动态c a i 中， 将题目中涉及到的几何元素进行三维重建，使其以三维的方式直观地显示。 3 本论文运用v i s u a ll i s p 语言开发了一系列三维几何求解功能，用以将 工程图学点、线、面综合问题放在三维空间中动态实时地求解，使得解题过程 直观而易懂。 4 本论文开发的三维分析系统主要用于工程图学教学中，用于辅助学生进 行工程图学综合问题空间分析，达到培养学生空间思维和空间想象能力的教学 目的。另外该系统还可以解决工程实际中的一些度量与定位问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 工程图学的教学现状 1 1 1 工程图学的教学目的、特点 工程图学是工程学科的基础，是学生迈入工业之路的桥梁，在整个教 学体系中占有重要的基础性地位。目前工程图学的教学内容、教学方法正 处于深刻的变革之中。现代工程图学教学体系不仅包括画法几何、制图基 础、零件图、装配图等传统内容，又融进计算机绘图、构形设计及三维造 型、c a d 技术等新内容，使现代工程图学的教学与现代设计方式、生产方 式接轨。工程图学教学目的有： 注重传授基础理论知识，建立形数结合的新体系。 培养学生的丰富的空间想象力和创造性设计能力。 培养学生的思维能力，将形象思维与抽象逻辑思维相结合。 因此，工程图学的教学必然要包含以下两个特点： 教与学对直观教具的高度依赖性。 继承了几何学特有的高度抽象。 1 1 2 工程图学教学中存在的问题 ( 1 ) 为适应我国经济发展的需要，由于近几年来高校持续扩招，使在 校大学生的人数大大地增加，因此造成教学资源短缺，教师工作量增加。 ( 2 ) 随着教学改革的不断深入，工程图学课程的学时在不断减少，部 分高校机械类专业的学时从8 0 年代的1 3 0 学时减到现在的不足9 0 学时， 如何处理好教学学时少与课程内容多、培养质量高以及拓宽知识面之间的 关系，一直是教学中反应较为突出的问题。 ( 3 ) 传统的教学方法与教学手段已远远不能适应现代教育的需要。黑 板、粉笔、教材、挂图和实物模型展示等传统教学手段，因其表现力的贫 乏和使用中的诸多不便已不能满足教学的需求。如挂图只反映静态，不反 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 映动态，模型随教材的更新难以配套。 1 2 国内外c a i 发展现状 1 2 1c a i 的概念 c a i ( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 是计算机辅助教学的简称，是计 算机技术在教育领域应用的一门新兴的交叉学科。它综合应用了计算机科 学、教育心理学、信息论、控制论、系统论、数学、电子技术等多个学科 的成果，是现代教育思想、教学手段和教学方法等发生重大变革的有力保 障，是远程教育中进行培训、学习甚至终身教育的基础平台，是社会现代 化发展的必然产物。它分为两个方面：一是计算机辅助教学( c o m p u t e r a s s i s t e dl e a r n i n g ，缩写为c a l ) ，指用计算机帮助教师执行教学任务， 传递教学信息，直接为学生服务。二是计算机管理教学( c o m p u t e rm a n a g e d i n s t r u c t i o n ，缩写为c m i ) ，指用计算机管理和指导教学过程，帮助教师进 行测验构造与评分，进行教学计划管理、教学资源调度等，直接为教师服 务【1 】o 1 2 2c a i 的发展 c a i 的发展过程，一般可以分为以下几个阶段【2 】。 1 研究试验阶段( 2 0 世纪5 0 年代末到2 0 世纪7 0 年代后期) 最早的计算机辅助教育系统是美国i b m 公司沃斯顿研究所于1 9 5 8 年 开发出来的。它是由一台i b m 6 5 0 计算机连接一台电传机，通过电传打字 机向学生呈现教学内容、提问和接收学生的回答与反馈。1 9 6 0 年问世的伊 利诺斯大学的p l a t o 系统确立了经典的教学策略，即提出问题，核对答 案。除美国之外，其他一些发达国家也相继进行相类似的研究。如：加拿 大从1 9 6 8 年开始进行“计算机辅助学习工程”的开发研究；英国从1 9 7 2 年开始执行“国家计算机辅助学习发展计划”；日本从1 9 6 9 年到1 9 7 8 年 的1 0 年中，研究开发了4 0 个左右的计算机辅助教学系统。1 9 7 0 年，召开 了c a i 国际会议，并于1 9 7 7 年明确c a i 为一门交叉学科。在这一时期， 进行了多种类型计算机辅助教育的研究与试验，人们探索了各种可能的应 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用模式，从理论和实践上为8 0 年代c a i 的普及奠定了一定的基础。 2 普及应用阶段( 2 0 世纪7 0 年代末到2 0 世纪8 0 年代末) 7 0 年代中期以后，随着计算机制造水平的提高，计算机微型化，体积 小、速度快、价格便宜，从使用、维护到管理都十分方便，具有一定的容 量和丰富的人机对话功能。许多中小学购买了微型计算机，用于辅助教学、 教育管理和辅助学习。这期间许多发展中国家也认识到计算机辅助教育的 重要意义，纷纷制定计划发展计算机教育，一些国际性的计算机教育应用 会议( w c c e ) 相继召开。8 0 年代，随着各种学习理论的产生与发展，各种 信息技术的发展推动了c a i 的迅速发展，多媒体与c a i 开始结合。利用多 媒体计算机综合处理符号、语言、文字、声音、图形、图像等多种媒体信 息，把多媒体各个要素溶入到计算机辅助教学中，使学生在最佳教学环境 下进行学习。 3 综合发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代末至今) 从2 0 世纪8 0 年代末开始，计算机技术、人工智能、视听技术都得到 了相当大的发展。与此同时，教育教学理论、学习心理学理论的研究有了 新的突破，使得计算机辅助教学的发展迈进了一个新的阶段。 进入9 0 年代后，多媒体技术、人工智能技术、通讯技术、网络技术进 一步发展，c a i 逐渐向着智能化、网络化、远程交互式发展。今后c a i 的 主要趋势是： 智能化将人工智能理论和技术应用于c a i ，能根据学生的学习特 点、学习历史和学习风格，采用不同的教学方法和策略，能更好的体现因 材施教和个别化教学原则。 网络化c a i 与计算机网络结合，使每个终端可在远地通过网络从 主机的大容量存储器中随时提取教学内容进行学习，并与计算机交互。通 过网络，教师可及时获得学生的反馈信息；学生间进行交互学习，在学习 时间、地点、进度的安排上完全具有主动性。 。 协作化协作化学习是指多个学习者对同一问题用不同观点进行的 观察、比较、分析、综合等交互活动，这些交互活动是深化问题理解和获 得高级认知能力的外部条件。协作化c a i 即为学习过程的参与者提供协商 讨论、相互交流和信息共享的环境。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 3 我国的c a i 发展 我国从2 0 世纪7 0 年代末期才开始计算机辅助教育的研究与实践。与 其他发达国家相比，尽管起步较晚，但是发展相当迅速。8 0 年代初，以上 海师大和北师大为首成立了“全国计算机辅助教育学会( c b e ) 。随后 许多院校建立了c a i 研究所、中心实验室。到1 9 8 1 年已经开始研制了一 些计算机辅助教育系统。比如：华东师范大学的“微机辅助b a s i c 语言教 学系统 ，北京师范大学和大连理工大学的“高校课程表白动编排系统 等。此外，清华大学、西安交通大学、华中工学院、大连理工学院等一批 高等院校和研究机构也相继推出了一批c a i 研究成果。1 9 8 4 年，我国在少 数的中小学开始了计算机辅助教学的试验。当时的主要机型是中华学习机， 开发的软件商品化程度低。1 9 8 5 年9 月，在国家教委和中国人工智能学会 的支持下，召开了全国第一届计算机辅助学术交流会，收到论文5 0 多篇， 说明我国已从“学习计算机 教育转向“应用计算机进行学习”。1 9 8 7 年 召开了第二届计算机教育学术交流会暨全国计算机辅助教育学会成立大 会，有力的推动了c a i 的研究和应用工作。此后每两年都定期召开一次全 国计算机辅助教育学术研讨会。1 9 8 7 年开始，在国家“七五”、“八五”、 “九五 、“十五攻关项目中，均将教育软件的开发列入其中。国家教 委制定的有关条例中，把c a i 工作开展作为学校评价的一项指标【3 】。 自1 9 9 3 年起，我国连续参加并多次主办了国际c b l i s 会议、全球华 人计算机应用国际会议g c c c e ；1 9 9 8 年，在北京举办了首届亚太地区国 际计算机教育年会，这标志着我国的计算机教育与国际水平的差距逐步缩 小。1 9 9 9 年，清华大学、浙江大学等几所大学率先开始借助网络进行远程 教育实践。随后其他院校、中学甚至小学等也办起了自己的网站和多媒体 网络课程的开发，对校内、校外的学生进行远程教育。 目前的c a i 课件开发队伍主要包括大学理工科、师范院校。师范院校 对c a i 从教育学、心理学、认知理论方面研究较多。工科院校硬件设备比 较好，教改要求迫切，某些课程已经开发出成套的c a i 课件。国家教委与 高等教育出版社拨专款制作了各类大学理科计算机辅助教学软件及试题 库。华南理工、西南交大、清华大学、北航分别研制了专用教学软件1 4 】。 如今，国内c a i 课件的运行环境、质量评价、操作方法等已逐渐完善。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 随着多媒体和网络资源的逐步建设，网上获取信息已经成为人们学习的一 条重要途径。 1 3 工程图学c a i 课件开发的目的与意义 1 3 1 工程图学c a i 课件的现状嘲 现代教育技术的发展，多媒体与网络技术的应用，给工程图学课 程注入了新的活力。多媒体技术和网络技术以图文并茂、声像俱佳、动静 皆宜的表现形式，极大地改善了工程制图课程的教学手段和学习模式。目 前开发的工程图学c a i 课件按其功能可分为助教型和自学型两类。 助教型课件主要应用于课堂教学，呈现教学大纲中精要部分的教学信 息，具体讲解由教师完成。通过计算机形象逼真的演示，给学生提供直观 的图像及变化过程，激发学生的学习兴趣，帮助学生在较短时间内建立准 确的概念或理解抽象概念。助教型课件丰富了教学信息的表现形式，改善 了教学环境，增大了教学信息量，提高了课堂效率。但不同层次学生对知 识吸收程度的差别增大，总体的教学效果并不明显。 自学型课件多是网络课件，主要用于学生自学。学生拥有选择教学速 度、教学内容、教学方式的自主性，在某种程度上，实现了以学生为中心 的教学理念。但此类课件大多是课本搬家，像电子书籍，缺乏趣味性；课件 内容大而全，缺乏针对性。不适应高校的以课堂教学为主的教学模式。 自从课件出现以后，课件的人机界面的设计成为美学应用的新的研究 内容。与此同时，人本主义又重新提到一个很高的位置。因为课件越来越 成为学生自主学习的主要对象。如何使课件的界面设计适合学生自学就变 得更加重要。美作为实现人的自由本质的力量就愈加突现出来。这也就是 说不仅界面的形式要美，关键要有利于人的独立使用，达到教学效果。 1 3 2 传统c a i 课件的缺陷【6 】 工程制图课程是工科院校的一门技术基础课，也是- - l - j 对于教学的交 互性、实践性、自主性要求比较高的课程，其培养目标是使学生通过课程 学习，具有绘制和阅读工程图样的能力、空间想象的能力及应用计算机绘 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 制工程图样的能力。而传统的工程制图c a 很难实现这些教学要求，主要 存在着如下缺陷： 1 缺乏适应能力。当学生使用一个c a i 课件进行学习时，通常只能 按照既定步骤顺序执行，课件各页面之间的流动是固定的。一旦设计好， 就无法改变，且对所有学生都一视同仁，而不能根据不同学生的实际情况 和学习中的不同阶段进行动态调整，因此就不能真正做到因材施教。虽然 有的课件可预先把学生分成几个层次进行学习或通过菜单让学生自己选择 学习内容，但其划分明显不细，且不能根据学生的当前水平和学习中的变 化去指导学生，生成适合于他们的题目。缺乏适应能力是当前c a i 课件制 作中的普遍问题。 2 缺乏交互能力。当前不少c a i 课件人机交互能力差，表现在学生 使用c a i 课件的学习是被动的。学生仅能输入选择答案或是填空内容，而 不能对一些具有个性思维的问题进行解答，特别是在课堂教学中，一般只 能通过教师控制课件流程的操作，学生简单输入答案的方式进行。人机交 互本应是c a i 的优势，但目前却显得过于简单。 3 课件的更新跟不上知识与教学的更新。工程制图计算机辅助教学课 件的开发周期一般比较长，而现代科技的迅速发展使知识的面貌日新月异 人们的教育观念也不断更新。各科知识在不断更新完善，尤其是工程制图 课程，制图国家标准在不断地修改，有关知识也相应地快速更新。一些开 发周期长的课件可能刚刚面世便很快过时，造成资源浪费，这是现在很多 教学软件存在的共性问题。 因此，工程制图多媒体c a i 需要向灵活、多样、开放的方向发展，才 能适应不同教师和不同教学环境，满足教学活动各环节的需求。 1 3 3 本论文的研究背景 目前，工程界所出现的计算机辅助设计及工程表达等方面的研究，大 多集中在三维实体建模及造型设计上，较少将目标指向基于c a d 3 d 技术 的计算机辅助工程图学综合问题图解理论变革，在高等工程图学教育中也 未融进强大的计算机c a d 3 d 技术的图解功能。显然，这是与现代工程设 计的高精度高速度要求所不相容的。一些教师在教学过程中广泛采用了投 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 影、幻灯和录像等手段，但这些方法从实质上来说并没有根本性的变化。 确切地说，目前工程界已有采用三维c a d 方法进行求解的研究，例如， 在a u t o c a d 三维环境下，采用编程或不编程的方法实现投影和图解问题 的求解，试图建立一个基于三维c a d 的计算机辅助现代工程图学图解系 统，此项研究虽有进展，但目前真正将其直接引入教学实践的还很少，值 得进一步研究和应用。 例如，戴立玲、卢章平【7 】提出了这样一种画法几何图解理论体系。首 先对工程设计及表达中画法几何问题进行空间分析并进行实体建模，然后 在三维环境下的实体模型上直接求解及表达，中间省去了投影变换的二维 辅助方法及二，三维的相互转换过程。从而更为直观形象，易于掌握和分 析，可大大提高设计和作图的精度和速度，也更适合于现代化无图纸设计， 表达和制造的生产方式。 又如，张云飞、林大钧【8 】提出的计算机画法几何解题系统是以 a u t o c a d2 0 0 0 i 为图形支撑平台，构建一种计算机辅助画法几何方法以直 观，精确，高效地求解三维空间几何度量与定位问题，提出一种微直径的 线实体和微厚度的面实体处理方法，用以实现高精度的线面求交，面面求 交。此种解题系统适用于传统画法几何求解，也可用于曲柄滑块机构的行 程，运动轨迹等内容的设计。 1 3 4 本论文的研究内容与研究意义 近年来，随着计算机辅助教育的深入发展，计算机辅助教学技术在教 学领域已得到广泛应用。但教师们在多年从事工程图学的教学工作中发现， 学生在涉及工程图学点、线、面综合问题时，缺乏空间想象力而难于理解 和解决。而教师在分析此类问题时，又缺少有效的三维建模手段。随着现 代化教育发展的需要，教师和学生迫切需要有关综合问题三维重建的c a i 软件。所以，本人借助a u t o c a d2 0 0 7 的平台，用v i s u a ll i s p 语言对其进 行二次开发，通过三维重建方法使较复杂的工程图学问题得以在三维空间 中分析求解，对提高学生三维空间的分析能力起到重要作用，具体地本论 文做了以下三方面的工作： 1 动态c a i 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 本论文开发了一个动态c a i 工程图学教学软件，旨在将传统的二维工 程图学点、线、面综合问题转化到a u t o c a d 环境下，运用三维重建的方 法动态地、实时地进行解决。本系统是基于a u t o c a d 2 0 0 7 平台，运用其 内嵌语言v i s u a ll i s p 进行二次开发而设计，系统开发出来后直接内嵌到 a u t o c a d 环境下，无需设计其他系统界面，避免了使用时的接口转化问题， 具有在进行教学演示时教师使用方便、学生易学易用的优点。 2 三维重建 在传统的工程图学教学过程中，教师在进行点、线、面综合问题的讲 授时，往往采用“二维式 教学，即无论是在黑板上或是在多媒体课件中 以平面的方式讲授此类问题的解题方法。部分课件实现了三维的解题演示 过程，但仅仅是一个制作好了的固定的静态的的演示过程，而不是真正的 实时的交互的解题过程。结果部分同学因为空间想象力差而难以理解，使 得整体教学效果较差。为此，本论文将一些经典的点、线、面综合问题放 在该动态c a i 中，先将题目中涉及到的几何元素进行三维重建，使其以三 维的方式直观地显示，然后开发了一系列三维几何求解功能，使得这类问 题得以在三维中以直观的、动态的、交互的方式解决。 3 三维几何求解功能 点、线、面综合问题经过三维重建后要继续在三维中进行求解，该三 维几何求解功能继承了传统的解决综合问题的方法，即一般图示图解法和 换面法，不同的是该功能将该两种方法进行了三维的演示，使得解题过程 直观而易懂。 该系统还具备以下几个优点： 1 和传统的教学相比，它具有丰富形象的信息呈现、迅速及时的信息 反馈以及独特有效的人机交互等特点，在提高教学效率上起到积极作用。 2 该系统是用v i s u a ll i s p 语言对a u t o c a d 2 0 0 7 进行的二次开发， 无接口转化问题，便于学生理解和操作。 3 该系统实现了工程图学点、线、面综合问题的求解过程：从“二维 到“三维”的重建，以及在三维空间中直接求解。 4 该系统还可以解决一些工程设计中的问题，如工程度量问题，无需 将工程图投影在二维平面上进行手工作图求解，而可以在该系统的三维空 间中直接求解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章c a d 二次开发 2 1c a d 技术 9 1 - 【1 2 1 2 1 1c a d 技术概述 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 技术开始于2 0 世纪 5 0 年代。在发展初期，c a d 的含义仅仅是c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( o r d r a f t i n g ) 。6 0 年代后，随着计算机软硬件技术的发展，c a d 技术得到了快 速发展。它经历了从二维模型、三维线框模型、曲面模型、实体模型、产 品模型、特征模型直至最新的生物模型，从静态设计到以参数化特征造型 为基础的动态设计的发展过程。c a d 是集计算机图形学、数据库、网络通 讯等于一体的综合性技术。它可以承担零件设计、装配设计、模具设计、 机构设计与分析、有限元分析、数控加工编程、仿真模拟及产品数据管理 等工作。 c a d 技术是先进制造技术的重要组成部分，也是提高设计水平、缩短 开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。采用c a d 技术进行产品 设计不但可以使设计人员“甩掉图板 ，更新传统的设计思想，实现设计 自动化；还可以使企业由原来的串行式作业变成并行作业，建立一种全新 的设计和生产技术管理机制。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨 头不但广泛采用c a d 技术进行产品设计，而且投入了大量的人力及资金 进行c a d 软件的开发，以保持技术上的领先地位和国际市场上的优势。 2 1 2 我国c a d 技术应用的现状 我国c a d 技术的研究始于7 0 年代初期。8 0 年代中期以来，部分大中 型企业和研究所开始采用c a d 技术。到目前为止，c a d 技术已在很多企 业得到实施，特别是9 0 年代以后，p c 机的性能价格比大幅度提高，中小 型企业开始引进c a d 系统。从国内使用的情况来看，虽然取得了一些可 喜的成就，但并不容乐观。目前的国内c a d 的应用主要有以下问题和不 足： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 1 将c a d 作为辅助绘图工具。目前许多企业的图形c a d 系统只能 将设计过程的最后阶段绘图阶段搬到计算机上，设计过程仍在设计师 的头脑中完成，没有真正发挥出c a d 的功能。 2 产品和零部件的标准化不足。由于没注重零部件的标准化工作，越 来越多的零件流入生产流程，造成零件数量的无限制增长。 3 集成化程度不高。c a d c a m q 墟的集成度不高，模型信息、设 计信息和加工信息之间的共享程度低。 4 缺乏完善的数据管理系统和过程管理系统。由于缺乏完善的数据管 理和过程管理，企业的大量数据和设计过程得不到有效的控制和管理，使 得设计任务间的等待时间长，各部门之间的信息传递速度缓慢，数据一致 性差，安全性差。 2 1 3c a d 二次开发的意义 c a d 技术推动了几乎一切领域的设计和制造革命，其开发和应用水平 已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。我国一贯重视c a d 技术的 引进、推广和应用工作，但同时也非常重视c a d 软件的自主开发。目前， 国内实际使用的c a d 系统可分为两大类：一类是国内主权版的c a d 系统， 另一类是国外商品化的c a d 系统。由于国外c a d 系统发展早、技术先进、 产品成熟、售后服务周到，仍占据着主要的市场份额。 国际和国内的知名的c a b i c a m 软件如p r o e n g i n e e r 、u gi i 、i d e a s 、s o l i d w o r k s 以及华正c a x a 系统等，都是商品化的通用平台。这 些通用软件需要考虑各行业、各地区用户的需要，而并非针对某一领域甚 至某种产品的专用软件，因此用它来完成某一具体产品的设计时往往不是 很方便。因为不同企业有不同的产品，其设计方法、产品结构不尽相同， 即使是面向某一类对象的专用的商品化c a d 软件，也难以满足形形色色 的具体需要，所以不可能从软件公司买到适合所有产品设计需要的软件。 因此，欲利用c a d 技术取得积极效果，必须以通用c a d 软件为基础，结 合自身实际情况，进行不同程度的用户化、本地化开发，以建立应用绘图 系统和数据库，形成具有自身特色的c a d 系统，这也是c a d 软件均提供 二次开发手段的原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 根据抽样调查，国内已引进的c a d 系统利用率高、效益好的单位大 约只有2 0 。而据统计，工程设计中绘图工作只占整个设计工作量的1 8 ， 设计者的大部分精力还要花在资料检索及设计思考上。如果能在引进的原 始c a d 系统基础上，根据本企业或行业的常规性产品或工程设计的实际 需要，将设计手册、制造手册中的各种数据、典型的结构、计算方法与公 式及产品标准、技术要求、外构件、原材料的样本、手册，本企业或行业 产品的典型结构、经验数据、工装情况等方面的资料、数据、图形等与现 有c a d 系统有机地融合起来，使设计人员从繁重的重复劳动中解放出来， 做到数据共享；甚至更进一步，将本企业或行业多年来的设计经验总结出 来，形成有特色的设计规范、设计方法、典型结构、标准、通用零部件、 功能模块，并相应地在c a d 系统内建立起数据库、图形库、方法库、知 识库及其应用程序，从而真正发挥c a d 系统的效用和优越性。 c a d 二次开发的意义不仅在于提高设计效率，而且还是提高产品设计 质量的重要途径，是提升c a d 应用水平的重要手段。 2 1 4 国内外研究现状9 】- 【1 3 】 目前，国内c a d 技术的应用己逐步进入高级阶段，许多用户都针对 本行的特点对c a d 进行二次开发，c a d 二次开发技术几乎在各个行业中 都有应用实例，并已有许多商品化软件问世。但各行业c a d 二次开发技 术的发展水平存在较大差距，机械、电子、建筑、航空航天等最早应用二 次开发技术，其二次开发程度也最高。开发出的c a d 系统能够集计算、 参数化画图、数据管理为一体，并直接与计算机辅助制造( c a m ) 和计算 机辅助工艺设计( c a p p ) 有机结合。 目前国内已开发成功一批符合工程需要的应用软件，逐渐形成了批 具有较高素质的研究开发队伍。其他行业的c a d 二次开发技术则相对落 后，有的仅仅是一小部分工程技术人员的个人行为，还没有形成专门从事 c a d 二次开发的研究队伍。虽然也出现了一些c a d 应用软件，但大多数 仅仅针对某一类型的产品或产品的一部份而开发的小型应用系统，解决的 问题也比较有限。 国外成功的c a d 技术开发企业为了加快c a d 技术开发步伐，都选择 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 了高起点的c a d 技术开发战略，即利用已有的技术成果，在此基础上二 次开发自己的c a d 技术，而不是将人力物力浪费在低水平的重复开发上， 这样既可以提高效率，又能保证自己的产品具有较高的技术含量和水平。 2 2 二次开发的基本理论 2 2 1 二次开发的概念 1 二次开发的含义【“l c a d 软件的二次开发是指在现有的软件基础上，为了提高和完善软件 功能，使之更加符合用户需求，而对软件做的开发工作。其目的是提高设 计质量和效率，充分发挥通用c a d 软件的价值。二次开发将应用对象的 设计规范、构造描述、设计方法等以约束关系的形式集成到通用c a d 平 台中去，以使应用对象的设计智能化、集成化。 c a d 系统二次开发的层次关系如图2 - 1 所示【1 5 】： 图2 - 1c a d 系统二次开发的层次关系 2 二次开发的特点 c a d 二次开发具有以下特点： ( 1 ) 继承性。二次开发是在已有软件的基础上进行的开发，因此开发 后的软件性能在很大程度上取决于支撑软件的性能和开放程度，以及开发 者对支撑软件的理解。 ( 2 ) 专业性。二次开发是针对特定用户进行的，因此开发人员要既懂 专业知识，又要具备软件开发能力。 ( 3 ) 实用性。二次开发是为了满足特定用户的特殊需要，因此成功的 二次开发可以大幅度提高工作效率。 ( 4 ) 紧迫性。二次开发要解决的是实际工作中遇到的问题，直接影响 工作的进度，因此在时间上有紧迫性。 ( 5 ) 复杂性。二次开发不仅涉及具体的应用，而且要求对支撑软件有 深入的了解，因此工作量大，任务复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 2 二次开发的一般原则1 6 】 二次开发要遵循工程化、模块化、标准化和继承性等一系列原则。 1 工程化原则 二次开发应按照软件工程学的方法和步骤进行，突出工程化的思想。 首先对所要解决的问题进行详细定义分析( 由软件开发人员与用户讨论决 定) ，并加以确切地描述，确定软件技术目标和功能目标，编写软件需求 说明书、确定测试计划和数据要求说明书等，然后根据需求说明书的要求， 设计建立相应软件系统的体系结构，编写软件概要设计和详细设计说明书、 数据库或数据结构设计说明书、组装测试计划，从而保证软件的可靠性、 有效性和可维护性。 2 模块化原则 模块化原则要贯穿二次开发的全过程，它是将整个系统分解成若干个 子系统或模块，定义子系统或模块间的接口关系。模块化可以使开发人员 同时进行不同模块的开发，缩短软件开发周期；在软件需要维护和修改时， 也仅对相关模块进行修改即可，避免了对整个程序的修改；在扩展时，只 要把独立的功能模块集成即可运行。最后通过菜单调用把它们集成起来， 与原系统组成一个有机的整体。 3 继承性原则 二次开发不同于一般从底层做起的软件设计，是在已有软件基础上根 据实际需要而进行的再开发，对支撑软件有很强的依赖性和继承性。继承 性既是二次开发的最大特点，它要求开发后的系统在界面风格和概念上与 原软件保持一致，新加入的部分在功能、操作等方面与原系统实现无缝集 成，从而保持系统的一致性和完整性。 4 标准化原则 标准化是开发c a d 软件的基础。首先，在开发过程要遵循c a d 技术 的基础标准，c a d 技术的发展之路同时也是一条标准化发展之路，面向用 户的图形标准g k s 和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 以及窗口标准等都是进行二次开发所必须依据的标准。其次，c a d 系统的二次开发不同于一般软件的设计，它的运行过程是对具体机械设计 过程的模拟，必须符合机械工程设计的特点，机械设计过程也有着严格的 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 国家标准的规定。 2 2 3 二次开发的基本过程 按照工程化原则，二次开发的一般过程如图2 - 2 所示【1 4 1 。 图2 - 2 二次开发的基本过程 二次开发过程基本上可概括为系统分析、系统设计、程序编写、系统 测试四个阶段。 1 系统分析 主要任务是分析、理解整个系统设计的基本要求，在系统分解的基础 上确定整个系统的基本框架，并在此基础上，形成表达系统基本要求及框 架的系统说明书。 2 系统设计 包括系统总体设计( 完成模块说明书) 和建立图形数据库与数据库管 理系。 3 程序编写 将模块说明书转换成用某种c a d 软件编写的程序。 4 系统测试 可分为三步进行，模块测试、综合测试和验收测试。 2 3a u t o c a d 二次开发环境【1 8 】 a u t o c a d 是当今全球p c 级c a d 软件市场占有率最高的计算机辅助 绘图软件，它的强大的绘图功能、丰富的编辑手段以及良好的人机界面等， 使得a u t o c a d 在各行各业中发挥着重要的作用，同时它也提供了一个开 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 放式的平台，给有心开发各行各业的a u t o c a dt h i r dp a r t y 软件厂商一个理 想的环境。在a u t o c a d 平台上进行的二次开发应用软件广泛应用于各个 工程领域，并且用于a u t o c a d 二次开发的方法和开发环境，也在不断地 发展