（机械设计及理论专业论文）基于uml的立磨机cad系统分析与设计.pdf

基于u m l 的立磨机c a d 系统分析与设计 专业：机械设计及理论 硕士生：张磊 指导教师：张晓钟副教授 摘要 随着生产实践的发展，机械c a d 系统的软件规模不断增大，生命期不断加长，对 机械c a d 系统重用性、扩充性、维护性等提出了更高的要求。采用结构化方法开发 的机械c a d 系统可读性、可扩充性、可维护性都很差。面向对象方法提供了一种新 的软件开发方法，将其应用于机械c a d 系统，是机械c a d 今后发展的方向之一。 u m l 融合常用面向对象方法中的基本概念，统一符号体系，成为面向对象标准建 模语言。将u m l 引入专用机械c a d 系统开发，研究u m l 在专用机械c a d 中的应用， 对于加快面向对象c a d 系统发展，促进面向对象方法在工程软件中的应用，提高软 件可维护性和可扩充性等具有重要意义。 本文在对结构化方法和常用面向对象方法分析比较的基础上，以面向对象思想为 指导，采用u m l 为建模语言，依照r u p 开发过程，完成立磨机c a d 系统开发。提出 了将u m l 用于立磨机c a d 系统开发的方法，给出利用u m l 进行立磨机c a d 系统分析 设计的一般步骤、实现原则和实现方法。分析立磨机零部件对象之间的关系，并给 出计算机内的表示方法。利用基于特征的零件参数化方法确定了立磨机零件对象的 属性，并对各特征类和零件类进行定义。采用关系数据库对立磨机c a d 系统对象模 型持久化，确定了对象模型向关系数据库映射的方法。采用m f cv c 、m sa c c e s s 、 o b j e c t a r x 等对系统实现，实现的关键技术给出实现方法，并且实现了立磨机c a d 系统部分功能。 通过研究u m l 在立磨机c a d 系统开发中的应用，提出将u m l 应用于专用机械c a d 系统开发的新思路，确定了基于u m l 的专用c a d 系统开发的步骤及具体实现方法； 提出确定零部件对象间关系的一般方法；采用基于特征的零件参数化确定零件对象 的属性，相对于一般的参数化技术能更有效地对数据进行组织、实现。相对于结构 化方法和一般面向对象方法，基于u m l 的面向对象方法更能提高机械c a d 系统的可 扩充性、可维护性等。 关键词：u m l ；立磨机：面向对象：系统分析设计；r u p ；机械c a d ：产品建模；特 征 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 v i b r o n e r g y m i l lc a d s y s t e ma n a l y s i s & d e s i g n b a s e d0 1 3u m l s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：z h a n g l e i t u t o r ：a s s o c i a t ep r o f z h a n gx i a o z h o n g a b s t r a c t s o f t w a r es c a l ea n d1 i f e p e r i o d o fm e c h a n i c a lc a d s y s t e mc o n t i n u o u s l y i n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n i tr e q u e s tb e t t e rr e u s a g e e n l a r g e m e n t ，m a i n t e n a n c e e t c m e c h a n i c a ! c a ds y s t e md e v e l o p e d w i t h s t r u c t u r em e t h o dh a sb a dr e a d a b i l i t y ，e x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c e d e v e l o p m e n t o b j e c t o r i e n t e dm e t h o dp r o v i d e an e ws o f t w a r e d e v e l o p i n g m e l h o d i t sa d e v e l o p i n gd i r e c t i o nt ou s eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o di nm e c h a n i c a lc a ds y s t e m u m l ，as t a n d a r dm o d e l i n gl a n g u a g eo fo b j e c t o r i e n t e d ，a m a l g a m a t e s t h e b a s i cc o n c e p t so fu s u a lo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d sa n du n i f i e ss y m b o ls y s t e m i tis s i g n i f i c a t i v et oi m p o r t u m lt ot h ed e v e l o p i n go fs p e c i a lm e c h a n ic a l c a ds y s t e ma n dt or e s e a r c ht h ea p p li c a t i o no ! u m li ns p e c i a ! m e c h a n i c a lc a d s y s t e m i tw i l l q u i c k t h e d e v e l o p i n g o f o b j e c t o r i e n l e d c a d s y s t e m ， a c e e l e r a t et h ea p p l i c a t i o no fo b j e c t o r i e n t e dm e t h o di ne n g i n e e r i n gs o f t w a r e p r o m o t et h ee x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c eo fs o f t w a r e t h i s p a p e rf i n i s h e dv i b r o e n e r g ym i l l ( v e h ) c a ds y s t e ma c c o r d i n gt o r u p d e v e l o p i n gp r o c e s s ，w i t ht h eb a s eo ft h ea n a l y s i s & c o m p a r e o fs t r u c t u r em e t h o d a n du s u a lo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，w i t hu m la sam o d e l i n gl a n g u a g e ，w i t ht h e i n s t r u c t i o no fo b j e c t o r i e n t e dt h o u g h t t h em e t h o di so f f e r e dt ou s eu m li n v e mc a d s y s t e md e v e l o p i n g t h e u s u a l p r o c e s s ，r e a l i z i n gp r i n c i p l e a n d r e a li z i n gm e t h o do fa n a l y s e d e s i g nv e mc a dw i t hu i d li sg i v e n t h er e l a t i o n o fv e m p a r t s a n da s s e m b l e si s a n a l y s e d a n d e x p r e s s e d i n c o m p u t e r t h e a t t r i b u t eo fv e mp a r to b j e c ti s s p e c i f i e dw i t hp a r a m e t r i cm e t h o db a s e do n f e a t u r e t h ef e a t u r ec l a s s e sa n dp a r tc l a s s e sa r ed e f i n e d v e ms y s t e mo b j e c t m o d e li sp e r s is t e dw i t hr e l a t i o n a la n dt h em e t h o do fm a p p i n gd a t am o d e lt o r e l a t i o n a ld a t a b a s ei ss p e c i f l e d t h es y s t e mi sr e a l i z e dw i t ha d o p t i o no f m f cv c ，m sa c c e s s ，o b j e c ta r x e t c t h er e a li z i n gm e t h o do fc r i t i c a lt e c h n i c 西安建筑科技大学硕士学位论文 i so f f e r e da n dp a r t i a lf u n e t i o no fv e mc a ds y s t e mi s r e a l i z e d n e ww a vo ft h i n k i n gt h a tu m lisa p p l l e di ns p e c i a lm e c h a n i c a lc a ds y s t e m d e v e l o p is b r o u g h tu p a n dt h ep r o c e s sa n dc o n c r e t er e a l i z i n g m e t h o d is s p e c i f i e dt h r o u g ht h er e s e a r c h o fa p p l y i n gu 札i nv e rc a ds y s t e md e v e l o p c o m m o nm e t h o do fs p e c i l y i n gt h er e l a t i o no fp a r ta n da s s e m b l eo b j e c t s isp u t f o r w a r d s i t sm o r ee f f i c i e n c y t o o r g a n i z ea n dr e a l i z ed a t au s i n gp a r t p a r a m e t r i cm e t h o dt os p e c i f yt h ea t t r i b u t e so fp a r t o b j e c t s i nc o m p a r is o n w i t hc o m m o np a r a m e t r i ct e c h n i c t h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o db a s e do nu m l is m o r ea v a i l a b l et oe n l a n c et h ee x p a n s i o na n dm a i n t e n a n e ec o m p a r e d w i t h s t r u c t u r em e t h o da n dc o m m o no b j e c t o r i e n t e dm e t h o d k e yw o r d s u m l ；v i b r o _ e n e r g ym i l l ；o b j e c t o r i e n t e d ；s y s t e ma n a l y s i s & d e s i g n ； r u p ；m e c h a n i c a lc a d ；p r o d u c tm o d e l ；f e a t u r e t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：张勃 日期：劲口孑、夕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：张_ 貔导师签名：游科目期：渺弓矗夕 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 立式振动磨机概述 1绪论 1 1 1 立式振动磨机简介 振动磨机是近年来发展起来的一种有效的细磨和超细磨设备。它利用机械振动理 论，通过粉磨介质对物料施加强烈的冲击、摩擦和剪切等一系列作用，使被加工物 料达到断裂、粉碎、研磨、细化、混合等目的。它克服了传统滚筒式球磨机生产效 率低、能量消耗大的缺点，具有粉碎效率高、能耗低、结构简单等优点，已经广泛 应用于水泥、建筑材料、化工原料、医药、粉末冶金等工业部门，越来越受到人们 的重视1 。 立式振动磨( 简称立磨机) 是一种新型振动磨机，其结构与传统的卧式振动磨机 不同，它能使工作介质在整个空间内的能量分布趋于均匀，改善能量应用，提高粉 磨效率。立磨机与传统卧式振动磨机相比，具有介质充填率高、破磨作用力多样、 能量利用率高、微粉碎充分、粒度均匀、高效节能、污染少、噪音小等一系列优点口。 1 1 2 立式振动磨机的构造和工作原理 立式振动磨机的激振轴和磨腔采用铅垂布置方式，属于一种空间单轴式惯性振动 机械。磨腔为环形筒，下部用弹簧支撑，腔中的工作介质采用短圆柱体。环形磨腔 的中空部装有激振轴。轴的上部和下部各有两块偏心块，两偏心块之间的夹角可任 意调节。轴的下端采用弹性联轴器与电机相连。当电机旋转时，偏心块产生激振力 驱动机体做复杂的三维高频振动n 1 。 立式振动磨的工作介质介质形状多采用短圆柱形，介质为线接触和面接触共同作 用，磨腔内的物料在大接触面的状态下被粉磨。从而提高了磨机的粉磨效率。立式 振动磨的介质充填率和料介比有较大的调整范围，能够适应不同的粉磨情况。 立式振动磨机的磨腔外筒和内筒之间是工作介质，内筒中间是激振轴。内筒消除 了传统磨机的中央惰性区，通过内筒向远离外筒的中心部分工作介质传递能量，将 中心部分的惰性介质激活。当磨机振动时，工作介质在整个空间内的能量分布均匀， 改善了能量利用，提高了粉磨效率。立式振动磨机结构图见图1 1 1 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图1 1 立式振动磨机结构示意图 1 ，1 3 立式振动磨机的设计特点 立式振动磨机属于一种工艺设备，其基本结构相同。不同型号的立磨机零部件数 量基本不变，各零部件之间的相互关联比较简单，而且变化不大。零部件的变化大 多仅是几何尺寸的改变，而几何形状很少变化。当用户的工艺系统提出立磨机要求 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 时，其磨机型号因用户工艺不同而变更，零件设计计算、绘图等工作量很大。而当 前各种绘图软件功能强大，自动化程度高，充分利用当前功能强大的绘图软件功能， 使之与设计计算部分连接，可以极大减少工作量，降低出错几率，缩短生产周期。 针对立磨机的设计特点，将计算机辅助设计技术引入立磨机设计可以减少设计人 员工作量、缩短设计周期、提高设计效率。 1 2 机械c a d 概述 1 2 1 机械c a d 简介 机械c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 是指以计算机为工具，完成整个机械产品的 设计过程。机械产品设计过程是指从接受产品的功能定义开始到设计完成产品的材 料信息、精度要求和技术要求等，并且以零件图、装配图的形式作为输出的过程。 机械c a d 系统的功能模型如图1 2 1 。 新 图1 2 机械c a n 功能模型图 广义的机械c a d 包括设计和分析、构造、绘图等多个方面。设计是指构造零件 的几何形状、选择零件材料，以及为保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要 求和技术要求等。设计一般分为概念设计、工程设计和详细设计三个阶段。概念设 计是指根据设计协议，把产品的功能、构造、价格、使用寿命、尺寸轮廓要求、质 量要求等量化为设计过程所需的参数信息。工程设计过程完成几何形状设计、完整 的零件表及物料清单输出。详细设计给出符合功能要求、加工要求和装配要求的详 细零件图和装配图。分析是指应用数学造型技术，如有限元分析法、优化设计方法 等，从理论上对产品性能进行模拟、分析和测试，以保证产品设计的可靠性。 1 2 2 机械c a d 的发展趋势 为满足产品创新设计，需要建立智能化、集成化、网络化、可视化的机械c a d 系统 73 。 ( 1 ) 集成化集成指的是信息集成，它是以统一产品数据模型及工程数据库为 基础，在系统之间及系统内部实现信息传递、响应、分析及反馈，从而达到各模块 之间的无缝集成。集成的核心是实施标准及建立基于特征的统一产品数据模型和工 西安建筑科技大学硕士学位论文 程数据库。 ( 2 ) 智能化人工智能技术在机电产品设计过程中各环节深入的应用，并使以 逻辑思维为特征的专家系统技术和以形象思维为特征的神经网络技术有机的结合起 来，使其应用各得其所。 ( 3 ) 网络化为分布式并行协同处理提供软、硬件环境，使实施并行产品设计 及制造和基于i n t e r n e t 的t e l e d e s i g n 和t c l e m a n u f a c t u r i n g 具有坚实的基础。它必须 具有分布式计算机网络系统及协同求解系统的系统决策的产品设计质量评价体系、 规范及方法。 ( 4 ) 可视化综合利用科学计算可视化技术、计算机仿真技术、虚拟现实技术 及多媒体技术。 1 2 3 机械c a d 的关键技术 为了适应先进制造技术发展，机械c a d 关键技术主要有： ( 1 ) 系统开发方法口3开发机械产品c a d 系统首要的工作是采用合适的软件 工程方法。软件工程方法选择正确与否将直接决定所开发c a d 系统的质量、可扩充、 可维护性等。当前c a d 开发中大多使用传统的结构化方法，所开发系统已不能够适 应c a d 软件系统的发展需求。因此，利用先进的软件工程方法构建c a d 系统成为 当前机械c a d 系统开发的关键技术。面向对象方法是一种先进的软件开发方法，已 在信息系统等商用软件中大量使用，将其应用于机械c a d 系统开发，研究面向对象 方法在机械c a d 中的应用，是当前c a d 研究的一个热点。 ( 2 ) 产品建模技术”：如何实现产品数据在计算机内的存储，建立产品信 息模型，是机械c a d 实现的基础。目前常用的产品建模方法是基于特征技术的产品 建模，但是从根本上讲特征设计是零件级的设计，无法支持概念设计和自顶向下的 设计方法，也不支持产品设计的全过程。如何建立一个产品模型，既能支持概念设 计，又能支持后期详细设计：还符合并行工程的要求，达到网络环境下的分布协同 设计，成为目前c a d 领域的研究热点。 ( 3 ) 零件造型技术h 门在零件造型方面相继出现了几何模型、线框模型、表面 模型、实体模型、g t 代码以及特征模型等。特征模型从产品整个生命周期各阶段的 不同要求来描述零件，能够完整的、全面的描述零件信息。基于特征的零件建模是 有效实现c a d ，c a m 系统集成的一种新型建模技术。 ( 4 ) 工程数据库n 2 ”1工程数据库是工程设计和工程信息系统的核心，它支 持着整个工程设计和管理过程，记录其中各种复杂信息。而目前工程数据库技术很 不成熟，常用的工程数据库实现方法是在现有关系数据库的基础上进行扩展，其关 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 键是如何将工程数据向关系数据模型转换。 1 3 课题的研究目的和内容 1 3 1 课题的研究目的 现有立磨机c a d 系统n3 的系统分析和设计均采用结构化方法，零件建模采用一 般参数化方法，在系统扩充和维护等方面存在一些不足之处。本文希望通过将先进 的软件分析设计方法和产品建模、零件建模、工程数据库等c a d 技术结合起来，对 立磨机c a d 系统进行分析、设计、实现、测试等，以提高软件的可重用性、易扩充 性、易维护性等，并且为专用机械c a d 系统开发提供一些应用理论与技术方向的研 究。 1 3 2 课题的研究内容 本文以以面向对象方法为指导，以u m l 为建模语言，依照r u p 开发过程，对立 磨机c a d 系统进行开发。对立磨机产品建模、基于特征的零件参数化等关键技术进 行研究。 ( 1 ) 基于u m l 的立磨机c a d 系统分析以r a t i o n a lr o s e 为c a s e 工具，探 讨基于u m l 的立磨机c a d 系统分析的方法、步骤。通过立磨机常规过程分析、立 磨机c a d 系统需求分析、系统静态分析、系统动态分析等步骤，建立了立磨机c a d 系统的需求模型，确定了系统的静态模型和动态模型。 ( 2 ) 立磨机c a d 产品建模分析了机械零部件之间的各种关系类型，寻找确定 了立磨机零部件之间的关系。给出了在计算机内的实现方法。 ( 3 ) 基于特征的立磨机零件参数化将零件看作特征的组合，利用特征技术建 立立磨机零件的信息模型，以确定零件的完整属性。对各特征给出了实现方法，建 立了立磨机零件特征库。 ( 4 ) 立磨机系统设计确定了立磨机c a d 系统的体系结构，对u m l 对象模型 采用关系数据库进行持久化，给出了对象模型向关系数据模型转换的方法。 ( 5 ) 立磨机c a d 系统实现选择v cm f c 、m sa c c e s s 、o b j e c t a r x 为开发工 具，对系统实现关键技术给出了实现方法，简单介绍了各子系统的实现方法。对立 磨机c a d 系统部分功能进行了实现。 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 面向对象方法 机械产品的市场竞争迫切要求加快产品设计速度，提高设计效率。针对某种机械 产品开发专用c a d 系统是机械产品设计自动化的有效途径。机械c a d 系统作为一种 工程应用软件，具有一般软件开发的特点外，还有自身的特点。在机械c a d 开发过 程中，利用工程方法来指导软件的开发，将机械设计的所有问题转化为计算机中的 数字问题。 在具体的软件开发方面，常用的开发方法有结构化方法和面向对象方法。 2 1 结构化方法 结构化方法是传统的、基本的软件开发方法，它通过数据流图、数据字典、结构 化语言、权限制定、判定表等工具来逻辑的描述一个系统。这种方法使用面向功能 思想，根据用户需求的功能画出数据流图，然后再对要求的功能进行分解，得到系 统的子功能，继续进行这种分解直至得到的每个子功能都是可以管理的n “。然后把 这些数据流图变换成对应的软件结构。 2 1 1 结构化方法内容 结构化方法将软件开发过程分为三个阶段：结构化分析、结构化设计、结构化编 程等。53 1 “。 ( 1 ) 结构化分析结构化分析阶段，开发者定义系统需要做什么( 处理需求) ， 需要存储和使用那些数据( 数据需求) ，需要什么样的输入和输出以及如何把这些功 能结合在一起来完成任务。在结构化分析中使用的表示工具是数据流图( d f d ) 。它 是系统需求的主要图形模型，显示了系统的输入、处理、存储和输出以及如何在一 起协调工作。 ( 2 ) 结构化设计结构化设计阶段包括系统设计( 概要设计) 和详细设计两部 分。系统设计的任务是提出实施方案，包括将系统划分成模块，决定每个模块的功 能，决定模块的调用关系，决定模块的界面( 模块间信息的传递) 等；详细设计包 括代码设计、数据库设计、输入设计、输出设计、人机对话设计、处理过程设计等。 ( 3 ) 结构化编程结构化编程采用自顶向下程序设计，把复杂的程序分解为程 序模块的层次图。每个程序模块都有一个开始和一个结束，在程序执行过程中，执 行的逻辑进程的每一步都由计算机语言的顺序语句、选择语句、循环语句等组成。 系统所需数据的模型，根据系统需要存储信息的事物类型，使用实体联系图 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( e r d ) 模型分析。实体联系图的数据实体对应于数据流图中的数据存储。 图2 1 说明了从结构化分析到结构化设计再到结构化编程的顺序及内容。 图2 1 结构化方法顺序内容 2 1 2 结构化方法特点 结构化方法在几十年的成功应用中，具有以下特点“： ( 1 ) 面向用户的观点用户的要求是系统开发的出发点和归宿。在整个开发过 程中，始终与用户保持联系，不断的让用户了解工作的进展情况，校准工作方向。 ( 2 ) 严格区分工作阶段每个阶段都有明确的任务和应得的结果。强调按时间 顺序、工作内容将系统开发划分为系统分析阶段、系统设计阶段、实施阶段以及运 行维护阶段等。 ( 3 ) 自顶向下完成系统的研制工作在系统分析阶段将系统逐层逐级进行分解， 构建系统的信息模型。在系统设计阶段，把系统功能作为一个大模块，逐层分解， 完成系统模块结构设计。在实施阶段，先实现系统的框架，然后自上而下完善系统 功能。 ( 4 ) 工作结果文献化、标准化每个开发阶段的成果都用文字、图表等表达出 来，资料格式要求标准化、格式化。 随着软件规模的不断增大，复杂程度的不断提高，功能的逐步完善和改进，由结 构化开发方法得到的软件的弊端和不适应性越来越暴露出来，主要表现在n “： ( 1 ) 软件结构严重依赖于系统功能在软件开发过程中，为用户提供最佳的解 决方案是首要问题，而用户的功能需求是最不稳定的开发因素。用户随着软件开发 过程的进行而加深对软件的认识，因而改变其需求。这些改变会导致软件结构的相 应改变，结构化方法很难适应这种改变。 ( 2 ) 模块数据和操作相互分离通过编制功能模块和全局数据结构来完成软件 系统，如需要修改某项功能，那么必须修改数据库结构的某一部分，同时修改或增 加某个模块，结构化方法对此改变需过度增加开销。 为了解决软件需求与开发中的诸多问题，在结构化方法的基础上，融合人们的思 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 维方式和计算机的工作特点，演化出了面向对象方法。 2 2 面向对象方法 面向对象方法( o b j e c t o r i e n t e d m e t h o d ，简称0 0 ) 是九十年代软件开发的热点， 源于结构化方法，却别与结构化方法，是一种新的软件开发方法。同传统的结构化 方法相比，有利于提高软件的可理解性、可维护性和重用性，更符合人们解决问题 的思维形式和过程。 2 2 1 面向对象方法思想 面向对象方法按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题，将自然界 中的任何事物、概念都看作是对象。在计算机中建立的对象与现实世界存在的对象 是一一对应的。人们分析问题和解决问题的过程，在计算机中，就是给对象进行分 析和加工的过程。 面向对象方法采用对象观点，主要思想如下n 盯n ”： ( 1 ) 客观世界是由许多对象组成的，每种对象都有其自身的状态和改变其状态 的运动规律。 ( 2 ) 面向对象方法利用“抽象数据类型”对客观世界进行拟合。在计算机中， 现实世界中对象的状态用数据来描述，状态的改变规律用处理过程( 操作) 来描述。 相似的对象抽象为类。类由数据和操作共同组成，并进行必要的封装。对象由类来 生成并自动拥有类所定义的特性。 ( 3 ) 对象之间相互通讯使用的唯一方式即：消息传递。系统内各对象之间的联 系是通过消息通讯方式进行的。这不仅真实地模拟了现实世界，而且使得构建的软 件系统呈柔性，是真正的松祸合系统。 面向对象方法将软件开发过程分为系统分析、系统设计、系统实现等阶段陋o 。 ( 1 ) 系统分析系统分析阶段涉及对应用领域的理解及现实系统的建模。它以 问题描述作为出发点，说明要解决的问题并提供对构建系统的概念总览。通过与用 户不断对话来了解客观世界背景知识。系统分析的结果是一个形式化模型。该模型 概括了系统的三个本质因素：对象及对象之间的关系、动态的控制流以及带有约束 的功能数据变换。 ( 2 ) 系统设计系统设计分为体系结构设计阶段和对象设计阶段。系统体系结 构设计阶段以对象模型为指导，把对象组织成聚集的并发任务；对数据存储及实现、 动态模型中的对象间相互通信等要制定全面的策略：在权衡设计方案时要建立优先 顺序，进而确定整个系统的体系结构。对象设计阶段精心考虑和细化分析模型，将 西安建筑科技大学硕士学位论文 对象设计重点从应用概念转到计算机概念上来。 ( 3 ) 系统实现系统实现阶段主要实现系统设计阶段提出的逻辑模型，按实施 方案完成一个可以实际运行的系统，交付用户使用。这个阶段的主要任务包括硬件 设备的购买、安装调试，系统软件、数据库管理系统等的购买和相关程序的编写， 文档编制和人员培训等内容。 2 2 2 常用面向对象方法 面向对象方法自八十年到问世以来，被计算机各领域竞相采用，出现了许多面向 对象方法，其中c o a d y o u r d o n 、b o o c h 、o m t 、j a c o b s o n 等方法得到了广泛认可 2 2 o ( 1 ) c o a d y o u r d o n 方法该方法严格区分o o a ( o b j e c t o r i e n t e da n a l y s i s 面向 对象分析) 和o o d ( o b j e e t o r i e n t e dd e s i g n 面向对象设计) 。o o a 主要考虑领域对 象、对象在结构及相互作用上的关系；建立以对象模型为中心，由类和对象层、属 性层、服务层、结构层、主题层等构成的概念模型。o o d 建立由问题域、用户界面、 任务管理、数据管理等组成的设计模型。c o a dy o u r d o n 方法的优点为图示符号相 当明确简洁，分析步骤很明确。其缺点则是动态行为模型较弱，没有明确寻找对象 的步骤；对设计方面的描述较缺乏。该方法较适合小型商业系统的开发。 ( 2 ) b o o c h 方法该方法强调基于类和对象的系统逻辑视图与基于模块和进程 的系统物理视图之间的区别以及系统的静态模型和动态模型的区别。b o o c h 方法优 点是具有丰富的符号体系，包括类图、对象图、状态转移图、时态图、模块图、进 程图等；缺点是重在静态描述，而动态描述较少； ( 3 ) o m t 方法该方法从三个视角描述系统，提供对象模型、动态模型和功能 模型。对象模型描述对象的静态结构和它们之间的关系，主要包括类、属性、操作、 继承、关联、聚集等。动态模型描述系统随时间变化的方面，主要包括状态、子状 态、超状态、事件、行为、活动等。功能模型描述系统内部数据值的转换，主要包 括加工、数据存储、数据流、控制流、角色等。该方法将开发过程分为分析阶段、 系统设计阶段、对象设计阶段、实现阶段等四个阶段。o m t 方法是一种比较成熟的 方法，其优点是可以适应不同的建模场合；缺点是各阶段三个模型之间的关系不是 十分清晰，各模型中的许多概念和语义还需要形式化的定义。 ( 4 ) j a c o b s o n 方法该方法涉及到整个软件开发周期，包括需求分析、设计、 实现、测试等阶段。需求分析阶段主要定义角色，识别对象和关系，基于需求规范 说明和角色的需要发现用例( u s ec a s e ) ，详述用例。设计阶段包括从需求分析模型 中发现设计对象，针对实现环境调接设计模型。j a c o b s o n 方法最大特点是面向用例， 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 将用例贯穿于软件整个开发过程，利用用例模型将领域对象模型、分析模型、设计 模型、实现模型、测试模型联系在一起。 各种面向对象方法都规定了自己的图示方法即建模语言，但各建模语言之间存在 很大差别，这极大地妨碍了软件开发人员之间的交流。因此，有必要在精心比较不 同建模语言优缺点及总结面向对象方法应用实践的基础上，努力统一建模语言。这 就有了u m l 的产生。 2 3 基于u m l 的0 0 方法 本文采用以u m l 为建模语言，以r u p ( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s 。r a t i o n a l 统一开发过程) 为指导的面向对象方法开发立磨机c a d 系统。 2 3 i u m l 简介 u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 统一建模语言) 是由著名面向对象专家g r a d y b o o c h 、j a m e sr u m b a u g h 和i v a rj a c o b s o n 发起，在融合各种面向对象方法基本概念 和表示法的基础上而提出的一种面向对象建模语言。目前，u m l 已被o m g ( 0 b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p ) 批准为面向对象标准建模语言。 u m l 的定义包括u m l 语义和u m l 表示法两个部分。u m l 语义描述基于u m l 的精 确元模型的定义。元模型为u m l 的所有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通 用的定义性说明，使开发者在语义上取得了一致，消除了因人而异的表达方法所造 成的影响。元模型包括系统对象结构中的类、接口、属性、关系和对象之间的交互 作用、合作性、状态历史等。u m l 均为它们提供了完整的语义。朝 2 4 o u m l 表示法是u m l 语义的可视化表示。它定义了u m l 符号的表示方法，统一了 开发者或开发工具对u m l 元素的图形符号和文本符号的使用，为系统建模提供了统 一标准。u m l 表示法主要包括用例图、静态图、行为图、交互图、实现图等五类图。 ( 1 ) 用例图从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者。 ( 2 ) 静态图包括类图、对象图和包图等。 ( 3 ) 行为图描述系统的动态模型和组成对象间的相互关系。 ( 4 ) 交互图描述对象间的交互关系。包括顺序图和协作图，顺序图强调对象 之间消息发送的顺序；协作图强调对象之间的协作关系。 ( 5 ) 实现图包括构件图和配置图。构件图描述代码部件的物理结构及各部件 之间的依赖关系；配置图定义系统中软硬件的物理体系结构。 u m l 仅仅是一种语言，是软件开发方法的一部分，它对制品和表示法进行了标 准化，但没有定义一个标准的开发过程。u m l 是独立于过程的，使用者可以选用任 西安建筑科技大学硕士学位论文 何适用于自己项目类型的过程。但无论采用何种过程，都可用u m l 来记录最终的分 析和设计结果。立磨机c a d 系统开发选用的是r u p 开发过程支持u m l 建模。 2 3 2 r u p 开发过程 i v a rj o c o b s o n 、g r a d yb o o c h 、j a m e sr u m b a u g h 等人于1 9 9 8 年提出了一套基于u m l 的通用软件开发过程r u p ( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s ) 。r u p 是一个公共的过程框架， 对过程中应当具有的一些公共要素加以规范，同时给用户留出一定的自由空间，以 便用户采用适合自己项目的技术。 r u p 是一个迭代增量式的周期性开发过程。这个过程要经历若干个开发周期，在 每个开发周期通过增加新的功能使系统得以扩充。采用r u p 开发过程，不是在项目 结束时一次性提交软件，而是分块逐次开发和提交。这样不会因为一个开发过程太 复杂而使人无从下手，可以在开发过程的早期就能够获得反馈信息。 利用r u p 过程开发一个软件系统每个周期都要经历获取需求、分析与设计、实施、 测试等阶段，每一阶段都是在前一阶段基础上进一步细化，呈增量迭代式发展。每 个阶段着重描述系统的某个方面，最终形成个完整的系统模型n 朝阳“ 2 7 3 。 ( 1 ) 获取需求阶段由用户、分析人员和开发者交流，分析用户对系统的需求 并描述。在此基础上建立业务用例模型、业务对象模型，使用用例模型完整表达和 细化用户需求。 ( 2 ) 分析阶段进行功能抽象和数据抽象。功能抽象得到系统分析图；数据抽 象得到分析类及相互关系。 ( 3 ) 设计阶段细化分析类和相互间关系，细化各子系统接口和交互关系，得 到设计模型。 ( 4 ) 实现阶段编程实现，并进行单元测试、集成测试等。 r a t i o n a l r o s e 是支持u m l 建模的一种c a s e ( c o m p u t e ra i d e ds o f t w a r e e n g i n e e r 计算机辅助软件工程) 工具，它完全支持r u p 开发过程。 2 4 基于u m l 的机械c a d 系统开发 机械c a d 系统作为一种工程软件，除具有一般软件特点外，还具有其独特的开 发特点。因此针对机械c a d 系统开发特点，需要选用先进且适合的软件开发方法。 2 4 1 机械c a d 系统开发特点 机械c a d 系统主要用于机械产品的研发、设计、制造等方面的工作，其软件同 一般软件相比具有以下特点乜“： ( 1 ) 数据形式复杂系统涉及载荷信息、功能信息、精度信息、空间几何信息、 西安建筑科技大学硕士学位论文 力学分析信息、运动学信息、图形处理信息、统计信息和管理信息等。刻画这些信 息的数据结构各不相同，但这些数据又是紧密相关的。 ( 2 ) 系统功能众多需要实现方案设计、结构优化分析、动力性能优化、绘制 施工图、加工工艺编排、零部件材料统计、设计管理等众多功能。 ( 3 ) 用户需求多样化用户的需求会随着市场的变化而变化，因而对系统模型 的可延伸性提出了更高的要求。 过去机械c a d 系统开发均采用结构化方法。用这种方法得到的软件不仅可读性 差，更致命的是用户或市场条件稍作变更，系统就要作相当大的变动，且可扩充性 及可维护性差将面向对象方法应用于机械c a d 系统，是其今后发展的方向之一。 适应这一发展要求，进行机械c a d 系统面向对象建模方法研究具有重要的意义。 2 4 2 面向对象机械c a d 系统建模特点 近年来，很多人对面向对象方法在机械c a d 系统中的应用进行了研究，在面向 对象机械c a d 系统建模方面取得了一定的成果。 面向对象机械c a d 系统建模具有以下特点n ”： ( 1 ) 输入输出以菜单和图形或二者相结合为主。一般软件系统的输入输出 是以数据为主机械c a d 系统则由于其特殊性，其主要任务是以设计计算和图形处 理为主。一般设计要求的输入条件较少，而输出则主要以工程图形的形式表达。在 这个过程中有很多用文字难以表述的内容可以方便地用图形和菜单表达。 ( 2 ) 存储方式中动态存储和静态存储两种方式并用。一般软件系统中存储方式 为以静态存储为主，很少用到动态存储。但机械c a d 系统用于工程设计，设计过程 中很多数据经常改变。这就使得机械cad 系统中数据的动态存储显得格外重要。 ( 3 ) 系统数据量较少，对数据格式要求较高。机械c a d 系统对象多，与对象对 应的抽象数据类型也多，其数据模型涉及载荷、精度、空间几何、力学、图形、材 料等多种信息：故数据格式多样，但数据量不大，对传输速度要求不高。 ( 5 ) 由于工程设计科学再设计的特点，面向对象机械c a d 系统分析建模存在一 个渐进反复的过程。机械系统本身的复杂性，使得即使是机械方面的专家也很难一 次性地将机械系统的结构分析清楚。随着工作的深入开展，可能会发现原来的分析 存在缺点或错误，这样就必须修改原来的模型。面向对象的优点是提供这样个机 制，使得这种修改和反复变得简单易行。 ( 6 ) 面向对象的c a d 系统符合分布计算的要求。对象对消息的响应和处理很 好地说明了这一点。接收消息的对象接收到一条消息后，就按消息名激活本对象内 相应的操作( 方法) ，并执行该操作，返回适当的结果。发送消息的对象可将同一条 西安建筑科技大学硕士学位论文 消息同时发送至多个接收消息的对象中，并允许这些接收同一条消息的对象按照自 身的适当方式加以响应。这样就使消息传递的机制能很自然地与分布式并行程序、 多机系统等模型取得一致，从而强有力地支持复杂c a d 系统的开发与运行。 ( 7 ) 面向对象开发能更好地适应重用和扩充的需要。例如，在c a d 系统开发中， 用户接口设计因工作量较大而令人头痛。在实现多窗口系统时，窗口的基本操作( 如 窗口的打开、关闭、移动等) 是相同的，但每个窗口各自的位置、大小、表示的内容 不同，因而必须进行不同处理。这在用结构化方法来实现时很麻烦；而在面向对象 的c a d 系统中，用类实例来处理则是一致的，因而复用性好。同时，面向对象的 c a d 系统中类具有继承性，用户不必修改旧的类就可以在旧类基础上定义自己的新 类，因而系统可扩充、易修改。 24 3 基于u m l 的机械g a d 系统