（航空宇航制造工程专业论文）基于java3d的acis几何模型显示技术研究.pdf

南京航空肮犬人学硕十学位论文 摘要 协同c a d 是现代c a d c a m 中一个重要的发展方向。随着 i n t e m e f f i n t r a n e t 的飞速发展和设计制造的全球化趋势，它作为协助异地设 计群通过互联网共享3 d 设计模型的工具越来越受到重视。 本文在南京航空航天大学工程研究中心研究开发的w e b s u p e r m a n 协同 c a d 的基础上，刘a c i s 几何模型在客户端j a v a 3 d 中的精确显示做了进 一步的研究和软件开发，主要研究工作和成果如下： l 、在研究网格管理器输出离散三角网格的工作机制和协议的基础上， 实现了w e b s u p e r m a n 专用的网格管理器，并设计了数据结构用于存储和传 输离散网格数据，详细阐述了获得和存储无冗余显示数据的方法。 2 、通过分析j a v a 3 d 用于显示三维形体的场景图节点对象，提出在 j a v a 3 d 中存储和显示离敞网格模型的具体方法。针对w e b s u p e r m a n 中拾取 高散网格的缺陷，分析其根源，并从场景图结构和操作方式两方面提出了 改进方法。 3 、通过分析a c i s 几何元素和j a v a 3 d 对象之间的差异性，提出建立 二者映射关系来支持模型的编辑和更新显示的思路。在建立了有效的命名 机制之后，在建立标识符与对象之间的映射关系的基础上，间接地建立了 对象与对象之闸的映射关系。通过监视模型的变化，获取a p i 调用后变化 的实体，进而对这些实体进行增量离散化和增量传输，更新模型在客户端 的显示并维护映射关系。 关键词：协同c a d c a m ，a c i s ，网格管理器，j a v a 3 d ，映射，显示 基丁j a v a 3 d 的a c i s 儿何模州显示技术研究 a b s t r a c f c o i l a b o r a t i v ec a di sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fm o d e mc a d c a mr e s e a r c h w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t i n t r a n e ta n dg o l o b a l i z a t i o no fd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e ，c o l l a b o r a t i v ec a dh a sb e e na t t a c h e dm o r ea n dm o r e i m p o r t a n c ea s i th e l p sc o l l a b o r a t i v et e a mm e m b e r si nd i f f e r e n tp l a c e st os h a r e 3 dm o d e l st h r o u g ht h ew e b o nt h eb a s i so ft h ew e b s u p e r m a np r o t o t y p es y s t e mr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e db y r e s e a r c hc e n t e ro fc a d c a me n g i n e e r i n go f n a n j i n g u n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，t h ea c i sm o d e l s v i s u a l i z a t i o n b a s e do nc l i e n t sj a v a 3 ds c e n eg r a p hi sf u r t h e ri n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r , a n d f u r t h e r m o r et h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e da sw e l l t h em a i nr e s e a r c h w o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 u n d e rt h ea n a l y s i so fm e c h a n i s ma n dp r o t o c o lt h a tm e s hm a n a g e ru s e d t oo u t p u tf a c e t e dd a t a ，ac u s t o m i z e dm e s hm a n a g e rt a i l o r e df o rw e b s u p e r m a n i s i m p l e m e n t e d c o r r e s p o n d i n gd a t as t r u c t u r ei sd e s i g n e dt oe f f e c t i v e l ys t o r e a n dt r a n s m i tn o n - r e d u n d a n td a t a 。a n dt h ew a yt oo b t a i na n ds t o r ef a c e t e dd a t ai s d e s c r i b e dj nd e t a i l 2 o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h en o d eo b j e c tu s e dt od r a w3 de n t i t i e si n j a v a 3 ds c e n eg r a p h ，am e t h o di si n t r o d u c e dt os t o r ea n dd i s p l a ya c i sf a c e t e d r e p r e s e n t a t i o n m o d e l t h el i m i t a t i o n o ft h ep i c k i n gi nw e b s u p e r m a ni s r e s e a r c h e da n di m p r o v e db ym e a n so fr e f o r m a t i o ni nj a v a 3 ds c e n eg r a p hd a t a s t r u c t u r ea n do p e r a t i o nm a n n e r 3 w i t ht h ef o u n d a t i o no fa n a l y s i so ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e na c i s g e o m e t r i ce l e m e n t sa n dj a v a 3 do b j e c t s ，an e wi d e a lo fg i v e ss u p p o r tt om o d e l m o d i f i c a t i o na n dt h e i rv i s u a l i z a t i o nu p d a t ei sp r e s e n t e db ym e a n so fb u i l d i n ga m a p p i n g f o rc o r r e s p o n d i n go b j e c t sb e t w e e ns e r v e ra n dc l i e n t a f t e rt h e c o n s t r u c t i o no fe f f e c t i v en a m i n gm e c h a n i s m ，m a p p i n gb e t w e e no b j e c t si sb u i l t o nt h eb a s i so fm a p p i n gb e t w e e no b j e c t sa n di d e n t i t i e s b ym o n i t o r i n gm o d e l c h a n g e ，g e o m e t r i ce l e m e n t s t h a t c h a n g e d a f t e ra na p ic a l l i so b t a i n e d ， i n c r e m e n t a l l yf a c e t e da n dp r o g r e s s i v e l yt r a n s m i t t e dt o t h ec l i e n tt ou p d a t e 南京航空航天人学硕十学何论文 m o d e lv i s u a l i z a t i o na n dm a i n t a i nm a p p i n g k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ec a d c a m ，a c i s tm e s hm a n a g e r ，j a v a 3 d m a p p i n g ，v i s u a l i z a t i o n 1 1 1 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引 用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权 的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 南京航空航犬人学硕十学位论文 第一章绪论 计算机技术与机械制造技术相互渗透，产生了计算机辅助设计和制造 ( c a d c a m ) 这样一门综合性的应用技术。c a d c a m 是当代最重要的工程技术 之一，在许多重要的应用领域获得了巨大的成功，它推动了几乎一切领域 的设计革命。其发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业王见 代化水平的重要标志之一l l i 。 c a d c a m 技术从诞生至今已有三十多年的历史，历经二维绘图、线框 模型、自由曲面模型、实体造型、特征造型等重要发展阶段，其间还伴随 着参数化、变量化、尺寸驱动等技术的融入。通过三十多年的努力，c a d c a m 技术在基础理论方面日趋成熟，推出了许多商品化系统。另一方面，伴随 着计算机软硬件技术的高速发展，c a d c a m 系统的开发正向着更高、更深 层次方向发展。 1 1c a d c a m 技术的发展趋势 随着c a d c a m 技术不断研究、开发与广泛应用，制造_ , 1 2 x q 。c a d c a m 技 术的要求也越来越高。c a d c a m 技术将朝着如下几个方向发展。 ( i ) 集成化 c a d 系统的集成化主要包括三个方面：产品数据模型的集成化、产品 设计过程的集成化以及产品设计功能的集成化。产品数据模型的集成化要 求系统支持产品从功能设计到详细设计整个生命周期的产品信息，既要包 括产品的几何形状信息，也要包括大量的非几何信息：既要支持产品的完 整精确信息，又要支持不确定、不完整的产品信息。产品设计过程的集成 化要求系统支持产品整个设计生命周期，不同的设计阶段能在一个集成化 的环境下进行。设计功能的集成化要求系统将众多的单独设计功能组合成 一个统一的设计环境，为设计人员提供设计过程中各种设计活动的支持。 ( 2 ) 并行化 传统的设计、开发过程是一种串行工作模式，容易造成产品开发过程 的反复，使产品开发的周期过长，导致成本增力。而并行工程则是把产品 基丁j a v a 3 d 的a c i s 儿何模刑显示技术研究 开发、设计中的串行过程尽可能地转变为并行过程。并行工程的实施使设 计直接面向产品的整个生命周期，使设计从一开始就可以综合考虑用户需 求、制造成本、生产进度和产品质量等多种因索，从而可以大大缩短产品 的开发周期，提高产品质量和降低产品成本。并行工程使设计与后续环节 密切联系使产品开发者从一开始就有一个明确的全局观点。并行工程是 一种系统的集成方法，它采用并行的、一体化的方法处理产品设计及其相 关过程。这种方法可以使开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到 消亡的全生命周期的所有因素。 ( 3 ) 智能化 c a d 系统的目的犹在于使人们尽可能从繁重的设计活动中解放出来并 提高设计效率。因为设计活动是人类特有的智能行为，从而要求c a d 系统 也要具有智能性以提高设计的自动化程度。虽然提高c a d 系统的智能性难 度很大，但人们仍将为此作出不懈努j 。 ( 4 ) 网络化 一个复杂产品的设计开发，如飞机的设计制造，往往要把整个设计分 懈成多个设计任务，由不i 司的人员或团体协同完成。为提高效率，要求产 品设计能够通过网络在异地异构的设计环境下并行协同地进行。而计算机 通讯和网络技术的发展也为此提供了可能。 1 2 协同c a d 上述c a d c a m 技术发展趋势中讨论的网络化涉及到协同设计的问题。 协同设计是指一个群体在计算机技术支持的环境中协同工作，共同来完成 一项设计任务。协同设计的最终目标是充分利用现有网络资源与技术，使 得分布在异地的工程技术人员能够共享设计成果或在同一设计区上合作， 并行协调地开展设计制造，从而降低新产品的开发周期，提高产品开发质 量，降低产品开发成本，增强企业市场竞争力。分布式产品开发中的协同 活动可以分为两个层次：项目协同和设计协同【2 l 。项目协同是指围绕整个 开发项目的组织协调，包括项目的组织管理、任务管理和工作流管理，完 成项目协同需要异步| 力、同工具的支持。设计协同是指设计人员就某个具体 的设计问题进行实时、同步的协同讨论和问题求解，完成设计胁同需要同 南京航空航天人学硕十学何论文 步协同工具的支持。本文讨论的协同c a d 系统主要用于支持设计协i w 3 i 。 1 3 协同c a d 的国内外研究现状 1 3 1 国外协同c a d 的研究状况 从2 0 世纪9 0 年代中后期到现在，协同c a d c a m 已成为c a d ，c a m 领域里的一个重要研究方向。欧美等国在这方面的研究和实践处于领先地 位，这得益于他们在c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，协同工 作) 4 l 领域进行了较广泛的研究。主要的研究方向有以下几类1 5 i ： 1 、执同】：作环境中三维c a d 模型的可视化、信息查询与批注； 2 、协同工作环境中三维c a d 模型的协同建模； 3 、主流c a d 产品间的格式转换： 4 、c a d 图肜文件网上传输标准。 第一炎研究关注于c a d 模型的观察，不考虑实时实体建模。实际上这 类系统只是支持协同工作的工具，不能称为严格意义上的c a d 系统。k i m 等人开发了一个基于浏览器服务器模式的具有标注功能的三维交互系统 c y b e r v ie w 【6 l 。客户端包括v r m l 浏览器、标注界面和产品v r m l 模型，服务 器端由浏览标注管理器、模型转换器和数据库管理系统组成。该系统能使 多个用户对服务器端的三维模型进行浏览和标注，从而达到一定程度的协 同设计，不足之处是只能在高速网络下实现协同浏览。德国f r a u n h o f e r 计 算机图形研究所的c o o p e r a t i v ea r c a d e 项目| 7 l 通过图形 o 管理器实现场 景图的数据共享，提供s t e p 几何数据和产品结构的分布可视化、协同浏览、 讨论和标注等功能。s p a t i a l 公司的h o o p s3 d p a r tv i e w e rf o ra c i s 8 1 支持多个用户对a c i s 零件的同步观察、批注以及精确的尺寸度量。 第二类研究中的c a d 系统通常由四个部分组成：组管理、零件建模、 知识库和消息机制。它们能被协同小组使用，建立起有效的共享模型设计 的分布式工作空间。荷兰d e l f t 大学b i d a r r ar 等对协同特征造型进行了 研究，扩展了已有的单机版c a d 系统s p i f f ，增加了事件管理器( e v e n t m a n a g e r ) 和客户管理器( c li e n tm a n a g e r ) ，采用c s 框架结构，利用j a v a 语言开发了一个协同特征造型原型系统w e b s p i f i 。该系统为用户提供了 设计与制造工艺规划两个视图，支持复杂特征的可视化技术祁有效性维护 基rj a v a 3 d 的a c i s 儿何模型显示技术研究 功能。新加坡国立大学设计实验室研发的c y b e r c a d 1 0 , 1 1 1 为用户供了虚拟的 协同工作环境，采用“控制者一观察者”机制实现点对点的设计模式，但 是目前只开发了两点间的协同系统，多点阱同还在研究中。c o c r e a t e 公司 的o n e s p a c e 【i2 l 以在线会议的形式为用户提供协作平台，包括协同观察、查 询、批注、造型等服务。通过数据库存储共享模型，并指定模型的读写权 限。此外，系统还能跟踪数据库中的文档版本和历史。印度国家信息中心 开发的c o ll a b c a d 【i3 】使用m y s q l 作为后台的数据库，使用o p e nc a s c a d e 作 为几何平台，在客户端采用j a v a 3 d 技术来显示模型。参与防同的小组成员 能实时设计和共享2 、3 维模型，进行草图设计、曲面建模和实体造型等操 作，通过i g e s 进行数据交换，同时提供基本的数控加工功能。 第三类研究方向关注于在现有四大c a d 主流系统的尺寸驱动特征模型 问进行格式转换，使得p r o e ，u g ，c a t i a ，卜d e a s 可以双向交换产品数据。 以实现使用异构c a d 系统的设计人员能够交换数据，进而协同工作。在这 方面成果比较突出的是以色列的p r e f i c i e n c y 公司和美国的 1 - ( 7 r r a n sl a t i o nt e c h n o l o g i e si n c ) ”“。p r o f i c i e n c y 公司的软件产品称 作c o ll a b o r a ti o n g a t e w a y ( 简称c ( ；) 。c ( j 的核心是自定义一种通用产品 表示( u n i v e r s a lp r o d u c tr e p r e s e n t a t i o n ，简称u p r ) 格式，用以详细记 录零件的技术管理属性、特征生成历史、几何数据、约束、元数据、装配 件结构和图样等。在u p r 基础上建立c g 服务器，用以管理网上设计合作过 程。服务器将c a d 数据转换作业提交对口设计代理( d e s i g n a g e n t ，简称 d a ) ，并将转换后的结果发送接收方。d a 根据服务器的指令，从c a d 原应 用方提取u p r ，并将其转换成接收方的c a d 应用格式。用户从i e 或n e t s c a p e 浏览器通过标准w e b 协议进入c g 系统，客户端不必单独安装软件。c g 目 前支持的c a d 版本是p r o e 2 0 0 0 i ，c a t i a v 4 ，u g v l 6 ，i - d e a s v 8 。美国t t i1 9 9 8 年创建于华盛顿州，2 0 0 t 年4 月开始向媒体报道产品a c c u t r a n s 软件， 用j ：翻译四大c a d 主流系统的零件特征模型，保证模型精确，可以自由修 改，达到异构c a d 系统闸互操作的目的il 5 , l 6 1 。 第四类方向侧重于研究适合于在网上传输的c a d 图形标准格式。 s o l i d w o r k s 在1 9 9 9 年1 1 月推出e d r a w i n g s 新产品，为客户提供网上共享 c a d 数据的一种新的文件格式。e d r a w i r i g s 数据文件紧凑，。e d s 的 j t ( u p it e rt e c h n o l o g y ) 可视化格式只能生成s o li d e d g e 、u g 和i d e a s 模 南京航空航天人学硕+ 学位论文 型，对于p r o e 和c a t i a 模型需要从e d s 额外购买翻译软件。e d s 不公开 j t 格式。另有一家a c t i f y 公司专作3 d 浏览软件，可以读入i n v e n t o r ，c a t i a v 4 ，i - d e a s ，p r o e ，s o l i d e d g e ，s o l i d w o r k s 和u g 文件，统一转换成更 紧凑的a c t i f y3 d v i e w 格式，以便用e - m a i l 向外发送。a c t i f y 同样不公 开3 d v i e w 存储格式。据c a dr e p o r t 2 0 0 2 年7 月2 5 日报道，i n t e l 要 为网上传输3 dc a d 图形建立标准，为此组成了工作组，作为v r m l 小组的 分支从属于w e b3 d c o n s o r t i u m 。小组成员有3 d l a b s ，a c t i f y ，a d o b e s y s t e m s ，a t it e c h n o l o g i e s ，波音，达索，通用汽车，i 3 d i m e n s i o n s ，l a t t i c e t e c h n o l o g y ，m e n t a li m a g e s ，微软，海军研究生院，美国国家标准与技术， p a r a 1 e l g r a p h i c s ，s g d ls y s t e m s ，t e c hs o f ta m e r i c a o p e nh s f ，计 划用1 8 个月提出标准初稿。 1 3 2 国内协同o a d 的研究状况 国内在这方面的研究起步相对较晚，主要处于理论探索阶段1 1 7 - 2 0 1 。不 过，各个科研单位也相应的开发了一些原型系统。 两北l ：业大学的莫蓉等人1 2 。2 2 。2 3 i 以零件几何模型中的形状特征为信息 共事单元，在i n t e r n e t 环境中开发了零件特征信息的元素级远程查询原 型系统它将特征结构和几何信息以x m l 格式存储，并与几何模型的 v r m l 表示方法建立映射关系通过用户对模型的交互操作，驱动x m l 查 询引擎查询相应的信息，在基于规则的权限控制下，将查询结果返回用 户。同时，他们，提出了与视点相关的三维流式传输算法，实行几何模型的 渐进式显示，缩短了系统显示三维模型的时延。但是，v r m l 数据侧重于模 型外形信息的表达，对于其余的特征信息都不支持，而且专用的v r m l 浏览 器仅能简单地查看模型，不能对模型施加更多的控制m2 引。他们的研究与 国外的第一类研究方向类似。 华中科技大学c a d 中心的赵建军、壬启付等人提出了一种以边界表达 作为c a d 软件问数据交流接口层的方法。针对目前p a r a s o l i d 和a c i s 作为 主流c a d 几何核心这一事实，讨论了如何提取这两大几何核心的b r e p 以 及如何建立它们之间映射关系，继而通过重构b r e p 完成接口转换1 2 “。王健 等人提出的s t e p 到v r m l 的转换算法，最终实现了模型中部分数据的转换， 并通过v r m l 浏览器来实现三维模型的浏览”7 i 。吴杏等给出了i g e s 数据向 基tj a v a 3 d 的a c i s 儿何模玳显示技术研究 w e b 使能数据转换的技术路线，实现了基于w e b 的产品可视化原型系统 1 2 8 1 。他们的研究工作和国外第三类的研究方向类似。 在原型系统的具体实现上，清华大学的吴华鹏等基于c s 模式开发了 基于w e b 的异地协作支持系统c d e s i g n 【2 。哈尔滨工业大学的孔振宇等利 用w e b 服务中的相应网关接口开发了基于i n t e r n e t 的电火化线切割 c a d c a m 系统【3 。南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心设计并实现了 一个基于w e b 的制造过程分析和共享信息管理系统w e b s u p e r m a n 【3 “。东北 大学的于蕾等设计了一个基于w e b 的数控加工3 d 几何仿真系统1 32 1 。西安交 通大学的周光辉等开发了一个基于w e b 的多c a d 系统信息共享集成环境的 原型系统= = 】，实现了在统一的w e b 浏览器界面下、在任意地理位置上不同 c a d 系统的启动和信息交换。浙江大学的何发智等利用协同工具 c o c a d t o o l a g e n t 在a u t o c a d 上开发了一个协同c a d 系统 4 0 ”。南京理工大 学c i m s 研究所开发了基于w e h 的异地协同发计制造系统e c w s | 3 “。 1 4 选题依据及主要研究内容 作者所在的课题组承担了江苏省青年科技基金“基于w e b 的c a d c a m 系统的关键技术研究”和教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划 “叻、同c a d c a m 系统关键技术研究”等项目的研究开发工作。在超人2 0 0 0 c a d c a m 软件的基础上，开发了跨平台同步协同c a d c a m 原型系统 w e b s u p e r m a n ，系统已具备线框、曲面和实体造型、2 3 轴数控加工编程、 加工仿真、后置处理、批注和语音对话等功能，但还有一些地方需要做进 一步的改进和增强： l 、系统中得到的模型离散数据存在较大的冗余，这种冗余数据不适合 网络传输，而剔除兀余数据需要额外的工作。 2 、系统中模型的显示粒度较大，整体的模型中没有单独的点、边和面 的显示数据，无法精确拾取模型的点、边等细节，为进一步交互带来困难。 3 、系统对j 二在客户端对模型进行编辑修改缺乏研究。 针对上述问题，作者做了一系列的研究工作。论文后续的主要内容安 排如下： 第二章介绍w e b s u p e r m a n 的总体设计，并简单介绍系统中关键的几 南京航空航天人学硕十学位论文 项开发技术。 第三章首先分析了采用离散网格显示3 d 图形的优点，并简单介绍了 a c i s 中进行曲面离散的过程。在分析a c i s 中网格管理器的工作机制、协 议等基础上，详细阐述了w e b s u p e r m a n 中实现网格管理器 m y g l o b a l m e s hm a n a g e r 的过程以及存储离散网格的数据结构，最 后给出了在w e b s u p e r m a n 中利用该网格管理器输出离散网格的流程。 第四章首先简要介绍了j a v a 3 d 中用于显示三维形体的场景图结构， 在取得服务器端a c i s 离散网格数据的前提下，提出在j a v a 3 d 中显示a c l s 几何模型的方法。针对以往的拾取方式存在的弊端，提出在j a v a 3 d 场景图 结构和客户端操作方式两方面进行改进，实现对模型细节的精确拾取，并 举例说明了这种改进带来的效果。 第五章首先引入服务器和客户端对象的命名机制，详细介绍其工作机 制，在此基础上，通过对象的标识符间接的建立两端对象间的映射关系。 并介绍了在模型编辑后，获取变更的对象，进行增量离散化和增量传输， 更新客户端显示和维护映射的方法。 第六章对伞文【作进行总结，归纳出本文创新点，展望下一步的研究 1 ：作。 基丁j a v a 3 d 的a c i s 儿何模删显示技术研究 第二章w e b s u p e r m a n 的系统体系结构和支撑技术 南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心在原有s u p e r m a n2 0 0 0 c a d c a m 软件的基础上，设计并实现了一个基于w e b 的协同c a d c a m 系统w e b s u p e r m a n 。它可以使分散在不同地理位置的工程技术人员在 虚拟环境中进行产品的协同设计制造工作。下面具体介绍w e b s u p e r m a n 的 总体设计和开发技术。 2 1w e b s u p e r m a n 系统总体设计 2 1 1 系统需求 传统的协同小组采用一些间接的途径，如电话、会议、电子邮件和传 真，来支持团队合作，然而这些方式耗时且易产生误解。w e b s u p e r m a n 提 供了一种随接的手段以支持设计人员的实时协作，具有效率高和费用低的 优点。系统的实现应满足以下要求： ( i ) 支持i n t e r n e t 为了允许分散的设计人员通过w e b 汾同，w e b s u p e r m a n 应支持 【n t e r n e t 标准和协议，如h t t p 、w w w 、t c p i p 等。 ( 2 ) 平台无天 设计人员的操作平台不定相同，系统应支持异构平台，如w i n d o w s 、 u n i x l i n u x 和m a c i n t o s h 等。 ( 3 ) 可扩展性 w e b s u p e r m a n 应具有良好的扩展性，以便更好地集成新功能。 ( 4 ) 支持开放标准 w e b s u p e r m a n 应基于开放标准，如s t e p 、 g e s 、s a t ，支持数据共事 和互操作，从而提高系统的可用性和适用性。 ( 5 ) 在线3 d 模型操作 作为i n t e r n e t 使能的c a d c a m 系统，w e b s u p e r m a n 必须支持3 d 模型 的可视化和在线操作。 ( 6 ) 协同建模支持 除了支持设计人员的讨论，系统应能为地理位置分散的设计人员提供 一个实时的协同编辑、增加、删除和修改的平台。 南京航j 空航大人学硕+ 学位论文 ( 7 ) 动态性 小组成员能随时加入、退出协同小组，系统运行时能自行修改，完成 动态配置。 ( 8 ) 并发控制和一致性维护 w e b s u p e r m a n 应提供协同会话中共享数据访问和操作的并发控制，要 确保一个设计人员操作的共享数据不能同时被其他人员更改。同时，支持 用户后续加入小组会话，并为其提供与其他小组成员一致的视图。 ( 9 ) 群组感知 w e b s u p e r m a n 应提供群组感知，使得任何一个成员能感受到其他成员 的存在和正在进行的工作，同时不对其他用户行为产生干扰。 2 ，12 系统实旋模式 由于功同设汁与制造的用户具有极大的流动性和不可预知性，因而不 可能在进行协同丁作前对每个用户的计算机进行客户端程序的安装与配 置。所以，本系统采用三层b r o w s e r s e r v e r 结构，这是一种瘦客户机模 式，客户端只需安装网络浏览器作为应用的运行平台，通过 方问服务器根 据需婴自动下绒所需的软件，所有的开发、维护和升级工作集中在服务器， 易j ：管理、系统集成、维护和版本升级口”。用户利用“请求+ 响应”方式 不断触发活动、子活动、动作元，展开其权限范围内的工作，以形成表达 设计进程的动态活动链。客户端具有平台交叉性( 支持多种操作系统平 台) 、易用性( 良好的用户界面和操作风格) 、可扩展性( 易于集成新内容、 新技术) 和良好的开放性。 整个系统必须解决资源与任务的分配和调度，安全传输与通信，以及 实时性保障等问题。j 2 e e 平台( j a v a 2e n t e r p r i s ee d i t i o n ，简称j 2 e e ) 提供了多层的分布式应用模型、组件重用、一致化的安全模型及灵活的事 务控制，满足c a d c a m 系统在智能化w e b 服务上的分布性、开放性、安全 性和平台无关性的要求。故采用它来搭建系统的逻辑结构，形成以应用服 务器为中心的3 层应用程序方案：客户层、中问层和服务器层，不但可以 简化客户机配置，解决客户机过胖问题，而且通过多个对象服务器可平衡 负载。如图2 1 所示。 基rj a v a 3 d 的a c i s 儿何模型显示技术研究 j s p 客户端 中间层服务器层 幽2 1w e b s u p e r m a n 的三层结构 应用服务器负责几乎所有的应用程序功能，负责动态内容的生成及用 户请求的表示和处理，实现核心的应用程序功能并且实施由应用程序定义 的业务规则，管理事务和数据访问的连接合并。数据库服务器是一个后端 信息系统，提供数据管理功能。中间层提供用户的身份认汪，数据的转发 等功能。客户层提供人机交互接口。 浏览器能运行在不同的硬件和操作系统平台上，通过h t m l 、x m l 等 w e b 标准访问w e b 服务器的表示逻辑，并下载a p p e t 为客户层提供图形化 的用户界面以获得w e b 服务器的业务逻辑。w e b 服务器协调相对简单的前 端和较为复杂的后端的功能，由d s p 、x m l 、s e r v l e t 、i a v a b e a n s 组件和 a p p l i c a t i o n 提供表示逻辑和业务逻辑，接收并处理客户层的请求，使用 d b c 连接池和分布式事务特性与d b m s 协调。d b m s 负责数据和资源的管理。 通信技术提供了客户层和中间层拥有的协作对象间进行通信的机制。 主要有以下三种协议： ( 1 ) t c p i p ：采用检查和校验保证数据流从一主机到另一主机的可靠 传递，实现流量控制、差错检验和顺序控制。 ( 2 ) h t t p ：用来从远程主机中获取超文本对象，包括从客户层到中间 层的请求和从中间层到客户层的响应。 ( ：3 ) s s l ：使客户服务器应用程序能够以一种不被窃听或篡改的方式 进行通信。对服务器始终鉴别，对客户机的鉴别是选择性的。 分布式应用程序中，对于在服务器和客户端分担应用程序责任要做一 些权衡：客户端保留的功能越多，用户得到的服务质量越高：服务器提供 的功能越多，分布、部署和管理应用程序越容易。 南京航空航天人学硕十学位论文 w e b s u p e r m a n 客户端基于浏览器，j a v a 小程序( a p p l e t ) 下载到客户端， 故不能太大，否则下载时间过长。一个优化的服务器和客户端功能分配应 能产生一个好的系统平衡，分配原则如下： ( 1 ) 分配工作量：对于带有图形显示的c a d c a m 系统，客户端提供交 互接口和模型显示，并分担一些计算任务，以此减少服务器的负荷； ( 2 ) 提供灵活的用户界面：为客户端提供丰富、自然的界面，使客户 端看起来像客户机本地应用程序： ( 3 ) 处理复杂的数据模型：考虑到客户端计算资源的不定性，服务器 尽可能多的执行复杂的数据计算、处理和会话管理，避免客户端过于“臃 肿”和不堪重负。 2 1 3 系统体系结构及功能模块 w e b s u p e r m a n 以集中式为主，结合复制式的优点，这是一种混合式结 构。共享资源存放在公共结点上，每个用户站点放置一个副本( 本地资源) 。 系统工作时每个站点运行各自的副本本地用户所做的任何对其他用户 有影响的操作通过网络传输到相应的结点，再由相应结点分别处理。这样， 刈各用户站- 氧和服务器的要求部不是很高，同时又很好的保证了用户数据 的l 同步性和一敛性。同时采取组件化的思想，将系统各个功能划分在州对 独立的组件模块中实现，以减轻服务器的负载、提高系统的性能和开发的 便捷性。系统各部分的功能模块见图2 2 所示。 系统由客户端和服务器( w e b 服务器应用服务器数据库服务器) 组 成。应用服务器是整个系统的核心，任务的分配、管理及复杂技术的支持 部由它来实现。应用服务器启动相应的模块处理客户端无法实现的复杂形 体间的运算，如曲线、曲面造型，二维轮廓加工、三维型腔加工、三维粗 加工、三维精加工等刀具轨迹的计算。它同客户端及数据库服务器交互， 肩负着管理、维护整个系统的运行和安全保障的重任。系统的升级也是在 应用服务器进行，这样就保证了客户端下载到的总是最新的操作界面，与 服务器保持版本一致。 w e b 服务器完成用户注册、注销、身份验证、口令管理等工作：负责 发送c a d c a m 用户操作窗口( 人机交巨界面，与传统的c a d c a m 软件窗口 相似) 到客户端并使其同应用服务器建立连接；在网页上提供有笑使用本 系统进行设计的帮助信息。 基rj a v a 3 d 的a c i s 儿何模h 显示技术研究 w e b 服务器 通信模块 刚户管理模块服务器 客户端 发布模块 _ 1 4 j 户服务层 在线帮助模块 数据库服务器 通信服务模块 应川服务器 川户数据库 协作代理模块 通信管理模块数据夯询 文什数据库 界面管理摸块 防同管理模块 标准什数据库 模刑显示模块 任务管理模块 刀具数据库 更新维护 模掣殴计模块 数据管理模块 材利数据苹 模删编辑模块 造砸模块 协作信息数据庠 模删加i 模块 实体加1 ：模块 安全模块 安全管理模块 操作系统、网络支撑系统操作系统、网络支撑系统 硬件、物理网络砹备f 崾什、物理网络改器 1 u卜 幽2 2w e b s u p e r m a n 的功能模块划分 客户端由网络浏览器和用户操作窗1 3 组成。设计人员通过浏览器登陆 服务器的w e b 页面，经由身份验证后下载操作窗口到客户端。随后，可以 在此窗口中完成所有c a d 设计和c a m 加工编程，而不必关心具体功能 模块是由客户端还是应用服务器实现。在应用服务器的统一管理和协调 f ，用户可以随时进入、退出设计环境，并能与服务器进行可靠、实时的 交互，从而保证了系统的开放性与灵活性。 数据服务器用来存储整个系统的相关信息，包括用户数据库、标准件 数据库、刀具数据库、材料数据库、文件数据库等。 用户服务器主要功能模块： 南京航空航天人学硕十学能论文 ( 1 ) 通信服务模块完成将客户端信息发送到服务器上和接收由服 务器传递来的信息的工作。 ( 2 ) 协作代理模块客户端的核心模块，处理数据和群体感知信息， 操纵设计对象，以及与客户端其它功能模块配合。 ( 3 ) 界面管理模块提供人机交互操作的环境，使用户不必关心具 体功能模块是由服务器还是客户端实现的。 ( 4 ) 模型显示模块提供具体的同步协作显示，以达到所见即所得 ( w y s i w i $ ，w h a ts e ei sw h a trs e e ) 。 ( 5 )模型设计、编辑和加工模块分别完成三维形体的设汁、编辑 和加工前端操作。 ( 6 ) 安全模块实现客户端安全策略的配置，与服务器安全管理模 块结合，完成用户登陆和数据传输的安全。 w e b 服务器主要功能模块： ( 1 ) 通信模块用j 二和客户端及应用服务器建立连接并进行数据交 互。 ( 2 ) 用户管理模块实现用户注册、注销、身份验证、口令更改、 职责分配和权限管理等工作。 ( 3 )发布模块将各小组的动态信息发布在网上，为后续用户提供 参考。 ( 4 ) 在线帮助模块在网页上提供有关本系统进行设计、制造的帮 助信息。 应用服务器主要功能模块： ( 1 ) 通信管理模块完成服务器上消息的编码发送和解码、分析处 理、重构、 ( 2 ) 定向转发并实现服务器的主动服务，包括用户连接的建立与拆除。 ( 3 ) 协同管理模块整个系统的控制中心，负责某一建模任务中所 有客户问的通信转发、会话管理、一致性维护和并发控制。 ( 4 ) 任务管理模块为建模任务分配独立的工作空间。 ( 5 ) 数据管理模块连接多个不同的数据库，对数据库进行有效管 理，防止非法和未经授权操作。 ( 6 ) 造型模块负责具体c a d 业务，通过主流几何引擎据客户请求 基rl a v a 3 d 的a c l s 儿何模型显示技术研究 进行真正意义上的几何造型运算，并把复杂的几何模型离散为面 和边，以便客户端显示。 ( 7 ) 实体加工模块负责具体c a m 业务，如二维轮廓加工，三维型 腔加工，三维粗、精加工刀轨计算。 ( 8 ) 安全管理模块实现用户身份认证、数据安全传输和数据库的 安全管理。 数据库层主要功能模块： ( 1 )用户数据库记录系统中已注册用户的详细信息及操作权限。 ( 2 ) 文件数据库存储模型文件、数控加工刀具轨迹文件、系统日 志文件等。 ( 3 ) 标准件数据库存放用户进行设计时可以调用的标准件。 ( 4 ) 刀具数据库包括各种刀具的型号及相关参数。 ( j )材料数据库零件加工材料性能及参数指标。 ( 6 )仂作信息数据库记录协作小组组名、用户操作等信息。 214 几何造型功能开发策略 本系统的几何造型功能的实现主要建立在a c i s 平台上。在a c i s 平台 上建立产品几何模型具有诸多优势。首先，a c i s 本身是一个几何造型器， 它提供了曲线曲面的求交、布尔运算、圆角、抽壳等几何造型编辑和较为 完善的视图切换等功能：其次，a c i s 将线架、曲面和实