（机械电子工程专业论文）三维浮雕cadcam软件系统开发研究.pdf

摘要 、【浮雕以其特有的艺术魅力得到了越来越多人们的青臁，浮雕艺术品的需求 量出现前所未有的增长。为了适应这种需求的变化，我们必须引进先进的计算 机辅助设计，计算机辅助制造( c a d c a m ) 技术去改进浮雕传统的制作加工方 法。r 本文介绍了一个基于a u t o c a d2 0 0 0 平台的应用软件系统三维浮雕 c a d c a m 软件系统。该系统是用o b j e c t a r x2 0 0 0 开发的，因为它提供了面向 对象的c + + 编程接口，而且相应的程序具有更高的执行效率。 正如将在后续章节中所讲述的那样，我们在系统中采用了许多先进的技术， 其中主要包括以下几点：采用分层设计思想，使三维物体的设计得到了简化； 采用先进的实体造型方法。使所建立的实体真实感强；实现了内点自动查找、 多边形方向自动定义等算法，提高了系统的自动化水平；实现了刀具轨迹的自 动生成、优化：实现了数控代码的自动编写，克服了手动编写的缺点；实现了 数控加工仿真，能检验数控代码的正确性和合理性，并能自动检测刀具与工件 之间的干涉。 这些先进的c a d c a m 技术的应用，能帮助企业以最快的速度、最好的质 量、最低的成本、撮优的服务来适应瞬息万变的市场需求，使企业在当今高效 率、高质量、高技术的市场竞争中占据有利地位，从而在激烈的市场竞争中立 于不败之地。 关键词：分层设计，恼，刀具路径，数控编程，加工仿真 a b s t r a c t m o r ea n dm o l q 。p e o p l ec o m e 协l i k et h er e l i e fs c u l p t u r ed u et oi t sp e c u l i a r a z 畦s t i c 垂掘刺，s o t h ed e m a n do f t h e r e l i e f s c u l p t u r e a r t w o r kh a s g r e a t l y i n c r e a s e d t om a k es u i t a b l et ot h i s c h a n g e ，w h a tw ec a r l d oi st oi n t r o d l a c et h ea d v a n c e d c a d c a m t e c h n o l o g y t o i m p r o v e t h et r a d i 薮o n a lm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s o f t b er e l i e f s c u l p t u r e - t 戳l i s p a p e r i n t r o d u c e sa no b j e c t a r xa p p l i c a t i o n 一3 d 糟l e fs c u l p t u r e e a d ，e a ms o f t w a r es y s t e m ，w h i c hw o r k si n s i d ea u t o c a d2 0 0 0 w cs e l e c t o h j e c t a r x2 0 0 0 a so u r m a j o rd e v e l o p m e n tt o o l ，a si tp r o v i d e s 鼢o b j e c t o r i e n t e d c * a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c ea n d h e l p s 泌d e v e l o pf a s t e f f i c i e n t , c o m p a c t a p p l i c a t i o n s a sw i l l 酶d i s c u s s e di nt h en e x tc h a p t e r , 辩h a wt a k e nm a n ya d v a n c e d t e c h n o l o g i e st os o l v ev a r i o u sp r o b l e m so f o u rt a s k s o m em a j o r t e c h n o l o g i e sa r ea 8 f o l l o w s ： t os i m p l i f yt h ed e s i g no f3 do b j e c t , w ea d o p tt a y e r 2 b a s e dd e s i g nt h o u g h t t h r o u g h o u tt h i ss y s t e m 孙m a k et h es o l i dh a v er e a l i s t i c 搿积螽莓姊罄a d o p ta d v a n c e ds o l i dm o d e l i n g m e t h o d - - - c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y - t of r e ee n d - u s e rf r o m o v e l w v o r k ，w e , p r e s e n t s a n dr e a l i z e s m a n y a u t o - p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，s u c h a ss e a r c h i n go f i n n e r - p o i n t , d e f i n i t i o no f p d y g o n s c o u n t e r - c l o c k d s ed i r e c t i o n , a sw e l la sg e n e r m i o no f n u m e r i cc o n t r o lc o d e s c h e c k o u tt h ec o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c eb e t w e e nc u t t e ra n dp a r t ，w e a c c o m p l i s hn u m e r i cc o n t r o lm a c h i n i n gs i m u l a t i o n ，w h i c hc a nh e l pe n d - u s e r v a l i d a t e 姥c o n e c t n e s sa n dr a t i o n a l i t yo fn u m e r i cc o n t r o lc o d e s ，s oi t 弧n e e d l e s st h a t 酗 r e p e t i t i v et e s t c u tb e f o r en o r m a l m a n u f a c t u r e d u et ot h ee x e r t i o no ft h e s ea d v a n c e dc a d 藤a 轰st e c h n o l o g i e s , t 巍e e n t e r p r i s e sa r ea b l et om e e tn e e d so ft h ev a r i a b l em a r k e tr e q u i r e m e n t sw i t ht h e q u i c k e s ts p e e d ，t h eb e s tq u a l i t y ，t h el o w e s tc o s t , t h em o s t e x c e l l e n ts e r v i c e s ot h e e n t e r p r i s e 灞t a k eu p t h ea d v a n t a g e o u sp o r t i o ni nt h e h i g h - e 戆c i e n c y , h i g h - q u a l i t y a n d h i g h t e c h n o l o g y m a r k e t c o m p e t i t i o n ， k e yx x x ) r d s ：l a y e r - b a s e dd e s i g n ，i s l m t , t o o lp a t h , n u m e r i c c o n t r o lp r o g r a m m i n g ， m a c h i n i n g s i m u l a t i o n - h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：刍蠡芝 日期：跏掉3 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢刍旌翩躲丝 日期：棚年) 月7 日 电子科技大学硕士研究生学位论文 刖吾 随着我国经济的不断发展，人们的物质生活水平得到了大幅度的提高。在 追求物质生活水平的同时，人们对自己的精神文化生活水平也提出了更高的要 求。浮雕艺术品因其构图饱满、影像效果突出、对比强烈、立体感强、具有较 强的艺术表现力而得到了越来越多的人们的喜爱，也正因为如此，人们对浮雕 艺术品的需求也日益增加。然而，我国浮雕加工技术还处于比较落后的状态， 虽然目前也存在一些浮雕加工设备，但是因其设计能力有限，操作不便，加工 自动化程度不高，生产周期长等缺陷而没有发挥它应有的作用。而对于国外一 些优秀的产品，普遍存在价格太高的问题，许多厂商只能望而却步。因此，如 果能开发一种自动化程度较高并且价格低廉的浮雕加工系统，那么必将具有较 大的市场前景。本课题正是基于这一背景产生的。利用本软件系统，再配以适 当的硬件系统进行加工，将大大缩短加工时间，也能降低生产成本，另外，由 于良好的设计界面、较强的图案设计和编辑能力，因此它能制作个性化的浮雕 图案。 电子科技大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 c a d c a m ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ) 技术是涉及到计算 机技术、人工智能、信息与通信、计算机图形学等多学科的综合技术。它从根 本上改变了过去的手工绘图、按图纸组织生产过程的管理方式，使之变成为在 计算机上交互设计、用数据文件发送产品定义、在统一的数字化产品模型下进 行产品的设计、分析计算、工艺规划、工艺装备设计、数控加工编程、数控仿 真、数控加工、质量控制等。c a d c a m 技术的应用与发展正在深刻地引起一 场产品工业设计与制造技术革命，并对产业结构、产品结构、企业结构、生产 管理方式以及人才知识结构等方面带来深刻的影响。c a d c a m 技术开发与应 用水平已成为衡量一个国家的科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。 1 1国内外c a d c a m 技术应用发展现状 迄今为止，c a d c a m 技术已经得到了广泛的应用，其发展势头有增无减： 从应用领域看，已经从航天工业、国防工业扩展到电子技术和计算机行业、汽 车工业、金属加工、建筑业、石油化工、橡胶塑料、电气设备乃至气象、体育、 艺术等领域；从应用层次上看，已包括了产品设计、分析、制造和管理，以及 市场预测、报价等；从应用的国家看，已经从发达国家开始推向发展中国家； 从企业规模看，已从大中型企业向小型企业推广。 近年来，c a d c a m 技术开始向着标准化、集成化、智能化的方向发展， 与此同时，面向对象技术、并行工程思想、分布式环境技术及人工智能技术的 研究，也为c a d c a m 技术向高水平发展提供了有利得条件。 1 1 1国外c a d c a m 技术应用的基本概况 国外c a d c a m 技术起步于2 0 世纪6 0 年代，到现在已经经历了四十多 年的发展。由于高额的人力、物力、财力的投入以及激烈的竞争使得国外的 c a d c a m 技术始终保持着适用性、先进性、前沿性。迄今为止，已经出现不 少商品化c a d c a m 软件，较著名的有美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，e d s 公司的u n i g r a p h i c s ，s d r c 公司的i - d e a s ，i b m 公司的c a t i a ，a u t o d e s k 公 电子科技大学硕士研究生学位论文 司的a u t o c a d 、m d t ( a u t o d e s km e c h a n i c a ld e s k t o p ) 等。这些软件已经广泛 应用于机械、电子、航空、航天、汽车、造船、轻工、纺织、建筑等许多行业。 据统计，在发达国家中，c a d c a m 技术在制造企业中的应用，其覆盖率高达 7 0 以上。一些大中型企业的产品设计，几乎全部由计算机完成。如美国的通 用汽车公司、日本的大隈公司、m a z a k 公司等，在c a d c a m 技术的应用方面 均已达到了非常高的水平。 1 1 2 国内c a d c a m 技术应用的基本概况 作为一个发展中国家，我国非常重视c a d c a m 技术的发展，于1 9 8 6 年3 月提出了8 6 3 c i m s 主题计划，并把c a d c a m 技术确定为该8 6 3 计划主题中 的一项关键技术进行重点研究与开发。近2 0 年来，在国家大力倡导下，我国已 形成了支c a d 开发队伍，c a d c a m 技术的开发和企业的应用都取得了可喜 的成果，开发出了一批商品化的2 dc a d 系统，同时，3 dc a d 系统已经初步 形成，在国内市场开始崭露头角。如开目c a d 、g h c a d 、i n t e c a d 、大天 c a d c a m 、利玛c a d 、p c c a d 等2 d 系统以及清华同方“同方三维几何造型 系统g e m s ”、华中天喻信息公司的i n t es o l i d 、航空航天大学与广州合办的广 州红地公司的金银花3 dc a d 、浙江大学大天公司的g s - m c a d 等3 d 系统。 这些商品化的c a d 系统投入市场，改变了国内的c a d 软件系统由国外软件一 统天下的局面。据统计，国产c a d 软件在国内已拥有了3 0 以上的用户群， 有些行业国产c a d 软件市场占有率达6 0 以上。当然，我国自行开发的 c a d c a m 系统目前与国外同类系统相比还有一定差距，进一步开展c a d ，c m 技术的研究、开发并在企业中推广应用，仍是我国从事c a d 技术工作的人员的 一项繁重而紧迫的任务。 1 2 论文的选题背景、研究内容 经过2 0 多年的努力，我国的c a d c a m 技术在硬件生产、应用软件的开 发与应用方面都取得很大进展，起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、 减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。目前已 经广泛应用于机械、电子、航天、化工、建筑等行业。但是，我国的c a d c a m 技术的开发和推广应用方面与发达国家还有相当大的差距。同时，我们应注意 到自己的优势：国外c a d c a m 软件价格十分昂贵，这将很大程度地限制国外 c a d c a m 软件在我国的推广；国外的c a d c a m 软件在工程习惯、工程标准 电子科技大学硕士研究生学位论文 和产业应用层次上与我国存在着很大的差异，再加上非汉化版的语言上的障碍， 给我国工程技术人员学习和应用国外的c a d ，c a m 软件造成了许多不便；相对 国外开发人员来讲，我们将更熟悉我们的国情，更了解本国的市场。另一方面， 世贸的加入使我国经济必将进一步融入全球体化大循环，长期“引进”国外 的软件将使我们始终受制于人，使企业的产品缺乏国际市场竞争力。因此，我 们必须紧跟时代潮流，跟踪国际最新动态，吸收先进的技术，并立足国内，结 合国情，面向国内经济建设的需要，开发出具有自主版权的c a d ，c a m 软件， 使我国经济和我国企业的发展在战略上赢得先机和主动。 现在，附有漂亮的浮雕图案的家具受到了广大消费者的喜爱，浮雕家具的 需求量也出现前所未有的增长。但是，这些浮雕家具多采用传统的手工制作， 这种制作方式已经不能满足人们对产品质量、更新速度的要求，因此，许多家 具厂商迫切需要引进先进的c a d c a m 技术去改进浮雕传统的制作加工方法， 只有这样，他们才能在当今高效益、高效率、高技术竞争的时代，适应瞬息万 变的市场要求，提高产品质量，缩短生产周期，才能在市场竞争中占据有利地 位，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。目前，国内已经有一些企业和研 究院所对三维浮雕c a d c a m 技术做过一些研究和开发，但总体上来说还处于 一个起步阶段，相关核心技术还不成熟，如：三维实体的建模、轮廓干涉和刀 具干涉的模拟和自动检测、仿真切削过程的几何表示、快速真实感图形的显示、 过切欠切的验证等。因此我们仍然有很多问题需要深入的研究。 本论文主要研究内容如下： 提出合理的解决方案，满足浮雕设计的功能要求； 为软件系统选择合适的开发平台和应用平台，选择的开发平台要具有强 大的编辑、调试和帮助功能，而应用平台的选取要有利于今后产品的推广。 应用面向对象的系统分析和设计方法对软件进行总体分析和设计。 建立浮雕三维造型系统，提供浮雕设计、修改、加工仿真等功能。 以工程实际应用为背景，提出并实现在浮雕设计和仿真过程中的一些关 键算法。如：凹凸岛的定义和自动识别、凹多边形方向定义、清除余料、加工 仿真、干涉检测与处理等。 设计出良好的用户界面，便于操作员与计算机的交互操作。 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 1a u t o c a d 第二章开发环境简介 a u t o c a d 是美国a u t od e s k 公司开发的计算机辅助绘图软件，它是交互 式通用型的绘图软件包。随着版本的不断升级，a u t o c a d 的功能日趋完善，具 有直观的用户界面、下拉式菜单、易于使用的对话框和定制工具条，以及完整 的二维绘图、编辑功能与强大的三维造型等功能，而且还支持网络和外部引用。 在当前的计算机辅助设计领域中，a u t o c a d 是目前在w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 环境中应用最广泛、使用人数最多的c a d 软件，自2 0 世纪8 0 年代以来一直独 领风骚，成为各工程领域首选的c a d 系统。a u t o c a d 已经成为事实上的世界 范围内的计算机辅助绘图标准。a u t o c a d 开放式的体系结构，使开发人员可以 结合自己专业应用的特点，通过对a u t o c a d 系统的定制开发各种专用型c a d 系统。 2 2v i s u a lc + + 6 0 v i s u l a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 推出的新一代面向对象的集成编程环境，是用 于w i n d o w s 开发的m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 工具的一部分。由于它功能强大，使 用方便，因此已经成为当前最流行的基于w i n d o w s 平台的c + + 编程环境。它是 m i c r o s o f t 最新的c + + 编译器，v i s u a lc + + 开发包集成了v i s u a lc + + 编译器和开 发工具，包括源代码的编辑、代码连接( 编译和链接) 、代码调试等。使用开发 包中提供的类向导c l a s s w i z a r d 、应用程序向导a p p w i z a r d 等向导，结合微软基 础类库( m f c - ) ，我们可以方便而快速地进行应用程序的开发。 2 3a u t o c a d 二次开发工具综述 自a u t o c a d2 1 8 版本至a u t o c a d2 0 0 0 版本的短短十几年间里，a u t o d e s k 公司就相继推出了三代二次开发工具。( 如图2 1 所示) 电子科技大学硕士研究生学位论文 第一代开发工具a u t o l i s p 是1 9 8 6 年随a u t o c a d2 1 8 版本提供的二次 开发工具。它是一种嵌入在a u t o c a d 内部的l i s p 语言。在a u t o c a d 的二次 开发工具中，它是唯一的一种解释型语言，任何一个语句键入后就能马上执行， 因此它对于交互式的程序开发非常方便。其主要的缺点是：缺乏集成开发环境， 不具备其他语言常用的跟踪、断点、单步等程序调试手段，难以胜任大型系统 的开发；功能单一，综合处理能力差；解释执行方式决定了a u t o l i s p 程序的运 行速度较慢，不能适应含有大量设计数据计算的c a d 系统；代码可读性差，同 时对源代码的保护机制较差。 o b j e c t a r xv b a 图2 1a u t o c a d 二次开发工具的演变 第二代开发工具- - a d s ( a u t o c a dd e v e l o p m e n ts y s t e m ) 是a u t o c a dr i l 开始支持的一种基于c 语言的灵活的开发环境。a d s 可直接利用用户熟悉的c 编译器，将应用程序编译成可执行文件后在a u t o c a d 环境下运行，从而既利用 了a u t o c a d 环境的强大功能，又利用了c 语言的结构化编程、运行效率高的 优势。与a u t o l i s p 相比，a d s 优越之处在于：具备错综复杂的大规模处理能 力；编译成机器代码后执行速度快；程序源代码的可读性好于a u t o l i s p 。而其 不足之处则在于：c 语言比l i s p 语言难于掌握和熟练应用；实现同样功能， a d s 程序代码比a u t o l i s p 代码要长很多。 第三代开发工具v i s u 址l i s p ，v b a 及o b j e c t a r x 等。v i s u a ll i s p 是 a u t o l i s p 的换代产品，它与a u t o l i s p 完全兼容，并提供它所有的功能，是新 一代的a u t o c a dl i s p 语言。v b a 即m c r o s o f to 蕊c e 中的v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n s ，它为开发者提供了一种新的选择，也为用户访问a u t o c a d2 0 0 0 中丰富的技术框架打开一条新的通道。a r x ( a u t o c a d r u n t i m ee x t e n s i o n ) 是 a m o c a d r l 3 之后推出的一种崭新的开发a u t o c a d 应用程序的工具，它以c + + 为编程语言，采用先进的面向对象的编程原理，提供可与a u t o c a d 直接交互的 开发环境，能使用户方便快捷地开发出高效简洁的a u t oc a d 应用程序。最新 版本是o b j e c t a r x2 0 0 0 ，它能够对a u t o c a d 的所有事务进行完整的、先进的、 面向对象的设计与开发，并且开发的应用程序速度更快、集成度更高、稳定性 更强。 亳予释羲天学硬士研究生学戳论文 2 4 o b j e c t a r x 篙会 a r x 麓a d s 、a u t o l i s p 驽是a u t o c a d 提供麴斑襄式谣言。其中a u t o l t s p 是种解释型语言，它通过内部避狸通讯( i p c ) 苟a u t o c a d 进行通讯；a d s 是瘸c 语富编写豹应用程垮，它以终部函数形式擞载到a u t o c a d 中，需通过 a u t o l i s p 解释器谲雳，氇燕通过i p c 与a u t o l s p 通讯，鬻蘧它稍与a u t o c a d 是相互分离的过程。( 如阉2 - 2 所承) o n e c t a r x 与a u t o l i s p ，a d s 不冠，它采薅w i n d o w s 潜惠传递极裁纛接 与a u t o c a d 通讯，以动态链接库的形式与a u t o c a d 共享地址空间，直接调用 a u t o c a d 豹棱心爨羧，可寰接访辅a u t o c a d 数搬痒魏按心数据缝孛每和代璐， 以使能够在运行期间扩展a u t o c a d 固有的类及其功能，创建能够全瑟拥有 a u t o c a d 蹰有命令特权的薪命令。因此，与前两代开发工具相比，使用 o b j c c t a r x 开发的瘦爝程穿运行速发更快、矍稳定。 直接通讯 强2 - 2a d s 、a r x 戳及a u t o l i s p 瘟鹅程序的区裂 o b j e c t a r x 所提供的s d k ( 开发工具包) 拥有系列面向对象的c + + 类库及 续稷接蜀，瘸户哥毅方便遮壤写在a u t o c a d 臻撬中运行鲢o b j e c t a r x 疲用程 序。o b j e c t a r x 开发工具包主要包含a c r x 、a c e d 、a c d b 、a c o i 和a c g e 几组 类痒，其中： a c r x 库挺供了一些系统级类，藤毫：d l l 懿初始讫和链按及运行薅类 电子科技大学硕士研究生学位论文 的注册和标识。该库的基类是a c r x o b j e c t ，它提供如下功能： 对象运行时类标识和继承分析； 对现有类的定义进行扩充； 对象的比较测试： 对象复制。 a c e d 库提供定义和注册新的a u t o c a d 命令的类，新命令的操作性能 与a u t o c a d 内部命令是完全一样的。由于我们定义的新命令与a u t o c a d 内部 命令具有相同的内部堆栈，所以它们可以被当作本地命令使用。a c e d 库还提供 编辑器反应器和一套与a u t o c a d 通信的全局函数。该库中一个重要的类是 a c e d i t o r r e a c t o r ，它监视a u t o c a d 编辑器的状态，当指定事件发生时( 如开始、 终止和删除命令) 通知应用程序。 a c d b 库提供了可以直接访问a u t o c a d 数据库的类，包括实体等图形 对象和层、线型等非图形对象。我们可以使用a c d b 库查询和管理既有的 a m o c a d 实体的实例和对象，并且可以创建新的数据库对象实例。 a c g i 库一一提供了许多图形界面工具用来绘制a u t o c a d 的实体， a c d b e m i t y 成员函数w o d d d r a w ( ) 、v i e w p o r t d r a w ( ) 和s a v e a s ( ) ，及所有标准实 体协议部件都使用a c g i 库；w o r l d d r a w ( ) 函数必须由所有自定义实体类定义。 a c g i w o d d d r a w 对象提供一个a p i ，通过该a p i ，a c d b e n t i t y ：w o r l d d r a w ( ) 可 以在所有视区同时生成其图形表示：同样a c g i v i e w p o r t d r a w 对象也提供一个 a p i ，通过该a p ia c d b e n t i t y ：v i e w p o r t d r a w ( ) 函数可以在每个视区生成不同的 表达图形。 a c g e 库主要包括两卜子集：二维操作类及三维操作类。主要的抽象基 类为a c g e e n t i t y t 2 d 及a e g e e n t i t y 3 d ，另外，其他一些基类( 非派生类) 包括 a c g e p o i n t 2 d 、a c g e v e c t o m 、a c g e m a t r i x 2 d 。这些基类可以用来实现许多普通 的操作，诸如在点上附加向量、两向量相交及转换矩阵操作。 o b j e c t a r _ x 还支持m f c 类库，o b j e c t a r x 与m f c 结合可以设计出更友好、 更高效的交互界面。 综上所述，我们最后选择了a u t o c a d2 0 0 0 作为我们的三维浮雕c a d c a m 软件系统支撑平台，以利于今后我们的浮雕系统的产品化、市场化；选择v i s u a l c + + 以利用其强大的编辑、编译和调试功能：而选择o b j e c t a r x2 0 0 0 作为二 次开发工具则是因为它采用了先进的面向对象的编程原理，提供可与a u t o c a d 直接交互的开发环境，这使得我们的软件系统具有模块性好、独立性强、连接 简单、使用方便、内部功能高效实现以及代码可重用性强等特点，并能简洁高 效地实现许多复杂功能。 电子科技大学硕士研究生学位论文 3 1系统简介 第三章系统总体方案设计 本文研究的c a d c a m 系统主要针对的是家具行业的浮雕设计和制造，同 许多其他同类c a d c a m 系统一样，它也是由硬件系统和软件系统两部分组成 ( 如图3 1 所示) ，当然二者并不是孤立的系统，要构建一个完整的c a d c m 系统必须保证这两个系统能相互匹配并协调工作。其中，硬件系统由计算机及 其外围设备组成，包括主机、存贮器、输入输出设备、网络通信设备以及生产 加工设备；软件系统通常是指程序及相关的文档，包括系统软件、支撑软件和 应用软件。本论文则主要针对的是该系统应用软件的研究和开发。 3 2设计目标 图3 - 1c a d c a m 系统组成 我们的设计目标是：应用先进的计算机辅助设计和制造技术，设计开发出 一套界面友好、功能强大的浮雕c a d c a m 系统，实现浮雕家具从设计到加工 的一体化。系统的应用应该能达到帮助企业提高自动化水平、提高产品质量、 缩短企业新产品的开发周期、降低产品的开发和制造成本，提高企业的市场竞 争力的目的，使企业在激烈的竞争中处于有利地位。 电子科技大学硕士研究生学位论文 3 3设计原则与设计思想 开发c a d c 舢订软件的最终目的是应用c a d c a m 技术，提高企业的设计 和制造水平。因此，系统的设计将遵循“实用性强、操作简单、自动处理能力 高、便于扩展和升级”的原则进行。 在系统的分析设计和开发过程中采用了“模块化”和“面向对象”的设计 思想。模块化的设计降低了系统设计的复杂性，并且利于将来系统的维护和升 级。面向对象突破了传统的将数据和操作相分离的模式，具有封装性、继承性、 多形性等优异特性：封装性保证了软件模块的质量和可靠性，有利于系统的维 护；继承性实现了代码的重用，有利于系统的扩充和升级；多形性增加了软件 的灵活性，与继承性相结合，使软件具有更广泛的可重用性和可扩充性。 3 4三维几何造型技术 由于我们要建立一个三维设计系统，因此选择合适的三维造型技术至关重 要。三维几何造型技术经历了从最早的线框模型( w i r e f r a m em o d e l ) ，发展到曲 面模型( s u r f a c em o d e l ) ，又到现在的实体模型( s o l i dm o d e l ) 这三个阶段。值得注 意的是，不同阶段的技术在具体软件产品中往往是并存的。 线框模型结构简单、易于理解、数据存储量少、操作灵活、响应速度快， 是进步构造曲面模型和实体模型的基础，但线框模型建立起来的不是实体， 不能对图形进行剖切、消隐、明暗处理、上色、物性分析、干涉检测等操作。 曲面模型利用各种特征表面( 平面、圆柱面、旋转面等) 来描述图形，这 种模型满足了自由型曲面的设计与制造、曲面相交、消隐、明暗处理、上色等 应用问题的需要，但对形体究竟存在于表面的哪一侧没有明确定义，对于物性 计算、工程有限元分析等应用以及曲面造型在形体的表示上缺少完备性。 实体模型在计算机内提供了对物体完整的几何和拓扑定义，可以在一个完 整的几何模型上实现零件的质量计算、有限元分析、数控加工编程和消隐立体 图的生成等。实体模型造型技术代表着c a d 技术的发展方向，其普及应用标志 着c a d 发展史上的一次革命。实体造型的表示方法主要有：边界表示法( b r e p ) 、 实体几何构造法( c s g 即c o n s t r u e t i v es o l i dg e o m e t r y ) 、八叉树表示法等。 本系统选用的是a u t o c a d 的三维立体造型方法实体几何构造法，它将 布尔运算“并、交、差”应用于一些简单的三维几何实体来表达复杂的三维模 型实体，其数据结构简单，可以表达丰富的特征信息与拓扑信息，适合构造复 电子科技大学硕士研究生学位论文 杂的形体，所得实体真实有效，并且能方便地修改它的形状，现己被广泛用于 运动过程仿真和图形显示。a u t o c a d 提供了以下三种构造实体的方法： 基本形体参数设计法：提供长方体b o x 、圆柱c y l i n d e r 、圆锥c o n e 、球 体s p h e r e 、楔形体w e d g e 、环t o m s 六种基本几何形体，用户提供一些必要的 参数就可以得到相应的实体。 扫描法：将二维封闭曲线或曲面绕固定轴旋转一定的角度来得到实体。 拉伸法：它是通过让二维封闭曲线或曲面沿某个方向拉伸得到的封闭空 间来构造实体的。 3 5软件系统结构方案 3 5 1 基本术语定义 基板计算机中对待加工工件( 如木板) 的抽象模型体。根据具体情况 可以分为圆形、长方形或其它任意形状基板。 层( 平台) 层是我们对基板沿厚度方向作的一个划分，它具有一定的 厚度和高度、并且缺省与基板底面是平行的。为避免与a u t o c a d 中“层”的概 念冲突，我们以后将把这里的“层”改称为“平台”。 岛岛是某个平台上的一个凸起或凹下部分， 其中，凸起的称之为凸岛，凹下的称之为凹岛。 岛( 平台) 标识符用来标记一个岛或平台 的一种辅助符号，如图3 2 所示，它由一个圆 和相互垂直的x 线和y 线组成。 x 线 图3 - 2 标识符号 边沟刀具沿岛轮廓进行环切时形成的沟状实心体。 槽槽是由刀具在凸岛内部沿某条曲线( 刀路) 加工而成的凹陷部分。 倒角倒角是去掉岛或槽的边角部分，用以增强图案的造型效果。 实体实体( e n t i t y ) 是a u t o c a d 中带有图形表现的数据库对象，包括 直线、圆、实心体等。 句柄用来标识实体的十六进制挞数。句柄旦定义就不能改变，而且 是唯一的，并与实体一起存入图形文件中。 对等实体即同一种类别的实体。例如在我们的方案中，0 号平台和l 号平台或其它平台就属于对等实体。 电子科技大学硕士研究生学位论文 3 5 2 分层设计方案 在满足功能要求的情况下，为了降低开发成本，我们采用了“分层设计” 模型来实现三维浮雕模型的建立，如图3 3 所示。( 仅以3 层模型示例) 首先 定义基板，图3 3 中的a ) 所示。之后将基板沿厚度方向分成厚度相等或不等的 若干平台，如图3 3 中的b ) 所示。而平台的划分具体情况则由设计者根据所设 计图案的复杂性、设计精细程度灵活掌握。平台划分之后，我们就在不同的平 台上利用各种实体造型方法分别进行浮雕的设计，最后我们就能得到一副三维 立体浮雕图案，如图3 3 中的c ) 示意图所示。 第2 平台 第1 平台 第0 平台 第2 平台 第1 平台 第0 平台 a ) 待加工工件模型基板 b ) 基板平台划分 c ) 效果示意图 图3 - 3分层设计模型图解 电子科技大学硕士研究生学位论文 3 5 3 功能模块划分 针对浮雕c a d c a m 系统的设计要求，遵循模块化的设计思想，我们将整 个系统( 软件部分) 划分初始化、建岛、开槽、倒角、图案编辑、数控加工程 序、辅助显示和加工仿真等主要功能模块来实现。如图3 - 4 所示，其中： 初始化模块负责三维设计环境的建立，主要包括用户界面的生成、系 统参数的设定、基板模型的建立。 建岛模块负责按用户的意图在已划分的基板各个层上建立不同形状、 不同类型的岛，并进行岛的合理性、干涉检测。 开槽模块负责在选定的凸岛上建立不同形状的槽。 倒角模块负责在选定的岛的边缘进行倒角，并检测倒角的合理性。 图案编辑模块负责对已经建立的图案进行各种编辑操作，如缩放、平 移、旋转等。 数控代码负责按设计者的要求生成数控2 h i 程序，即数控代码。 辅助显示负责对选定的对象进行局部缩放、旋转、着色、渲染等操作， 为设计者提供设计的方便，并能使设计者在设计过程中能及时看到设计的实际 效果，以利于设计者设计出比较理想的图案。 加工仿真负责建立仿真加工环境，在计算机上模拟出刀具和工件切削 过程，并对干涉进行自动检测与处理。 图3 4软件系统功能模块 电子辩鼓大学矮圭磷究生学经论文 3 6数据组织秘警理 3 6 1 窿体数据管理 在a u t o c a d 串，柽僻一个圈澎实体数据都楚按照一定的格式存藏鹣。d x f ( d r a w i n ge x c h a n g ef i l e ) 是标记a u t o c a d 图形信息的一种表淤方法，它采用 缝羁戳致与组码摇对应戆数据镶爨组残懿数据对浓记录鞠形售患，组玛疆表弱 了其后数据值的必型，也指出了数据对于给定对象( 或记录) 类黧的含意。d x f 文件是a u t o c a d 的标准图形交换文件，几乎所有的c a d 软件识都支持它，因 j l l ：它已缀是c a d 领域事实上静王监标猴交换文佟。实舔上，图形文侔审所有用 户指定的信息都能够以d x f 文件格式表示。d x f 记录的图形数据信息可以分 必酱逶数耀秘扩溪数据薅耪，酱遂鼗据怒圭a u t o c a d 蠡动记录豹，莫缀鹤奎予 1 0 0 0 ，而扩展数据则是由应用程序通过o b j e c t a r x 和a u t o l i s p 建立并添加到 对象上的，其组鹤从1 0 0 0 到1 0 7 1 。表3 ，l 列出的是一些普通实体数据的典型组 码及其含义( 表中“固寇”是搔该缝代璐始终裔个阖定静含义，其它翊禳攥 具体情况而定) ，表3 2 列出的是扩展数据的典型组码及含义。 表3 - t普逶数据组羁及含义 组码 维码含义 0表承圈元类型的文字窜符串( 瑚定) 1字符串和属性的慎 2 名称( 属性t a g 、b l o c k 名称等) 3 - 4 其玄名称 5娃十六迸制袭示的实体旬柄( 阁定) 6线型名( 固定) 7文字式样名( 固定) 8图壤名( 固定) 1 0 3 8存放点的坐标值 6 2颜色值( 固定) 6 7空阉，邵模裂空简或黼纸空闻( 固定) 电子科技大学硕士研究生学位论文 表3 - 2扩展数据组码及含义 组码 组码含义 1 0 0 0扩展数据中的a s c i i 字符串( 最长2 5 5 个字节) ( 在 a u t o c a d2 0 0 0 中，d x f 已经去除了2 5 5 个字符的限制 尽管所有行被限制在2 0 4 9 个字节之内，但每行的字节 数却没有直接限制。1 0 0 1 到1 0 0 9 的限制与1 0 0 0 一致。) 1 0 0 1 扩展数据中注册的应用程序名( a s c i i 字符串，最长 3 1 个字节) 1 0 0 2控制串 1 0 0 3与扩展数据相联系的层名 1 0 0 5在图形数据库中的实体的句柄 1 0 1 0 扩展数据中的点的x 值 1 0 2 0扩展数据中的点的y 值 1 0 3 0扩展数据中的点的z 值 1 0 4 0扩展数据的浮点值 1 0 7 0扩展数据中的1 6 位整数 1 0 7 l扩展数据中的3 2 位长整数 在o b j e c t a r x 中，我们常用一种通用的结果缓冲区结构来处理所有的 a m o c a d 数据类型。结果缓冲区结构的定义如下： s t r u c tr e s b u f s t r u c tr e s b u f * r b n e x t ； 链表指针 s h o r t r e s t y p e ； 数据类型码 u n i o na d s _ u _ v a l r e s v a l ； ，数据值 ) ； 其中的联合用于存放与类型代码相对应的数据，定义如下： u n i o na d s _ u v a l a d s _ r e a lr r e a l ； a d s _ r e a lr p o i n t 3 ； s h o r t r i n t ； 电子科技大学硕士研究生学位论文 e l l a r r s t r i n g ； l o n gr l o n g ； s t r u c t a d s _ b i n a r yr b i n a r y ； 絮栗骚得到一个实体翡数攒，胃戳通过调雳诵e g 蜮提供的函数 a c d b e n t g e t ( ) 或a c d b e n