（航空宇航制造工程专业论文）基于acis几何平台cad系统开发下应用的初步实践.pdf

蝴蛳沃人吲学位做 r 3 7 2 8 9 3 摘要 f c a d c a m 技术足当代i 大最杰出的工程技术成就之一，它的发展和应用水甲 已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。作者在攻读硕 士学位沦文刺问参加了国家“九五”重点科技攻关专题与江苏省“九五”科技攻关 项目，初步在美国s p a t i a lt e c h n o l o g y 必的a c i s 几何平台上进行了c a d 系统丌发 的实践，丌发了n h c a d 原型系统j 论文的主要内容如r ： 介绍了a c i s 的基本内容，包括它的形成，开发特点，数据结构，a c i s m f c 以及a c s 类的层次定义。 洋细讨论了n h c a d 系统的总体设计，遵循“软件工程”的思想，列系统进 行了统一的舰划，把庞大的系统设计分成若于子类，独立丌发，缩短了系统的研发 用l j ，提高了系统的兼容性和稳定性。 设计了良好的用户界面，使人机列话变为更加直观，操作更加简捷。 沦述了系统的功能实现方法，包括线架造型、曲面造型、实体造型及其操作。 作为n h c a d 系统的进一步应用，丌发了2 4 轴线切割软件。 关键词：c a d c a ma c i s线切割软件面向对象技术 。_ 蕉! 垒曼坚! ! 丛垩鱼里垒里墨竺堑茎! ! 查! ! 塑塑型生壅壁- - 一 a b s t r a c t c a d c a mt e c h n o l o g yi so n eo f t h et e nc o n t e m p o r a r ym o s to u t s t a n d i n gt e c h n o l o g i c a l a c h i e v e m e n t si ne n g i n e e r i n g t h ed e v e l o p m e n t a ll e v e l so f c a d c a ma n di t sa p p l i c a t i o n 1 1 a v eb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tc r i t e r i o n st oe v a l u a t et h em o d e r n i z a t i o n l e v e lo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g ya n dt h ei n d u s t r i a l i z a t i o nd e g r e e t h ea u t h o rt a k e sp a r ti nt h er e s e a r c ho f t h e n a t i o n a la n dj i a n g s up r o v i n c ep i v o tr e s e a r c ht a s k sd u r i n gs e e k i n gt h em a s t e r sd e g r e e ，a n d d e v e l o p st h ep r o t o t y p eo fac a ds y s t e m m n h c a do nt h ea c i sg e o m e t r i cm o d e l i n g e n g i n eo fs p a t i a lt e c l m o l o g y i n c t h em a i nc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 7 f h eb a s i cc o n t e n to fa c i si si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g i t s o r g a n i z a t i o ns y s t e m ， d e v e l o p m e n tf e a t u r e s ，d a t as t r u c t u r e s ，a c i s m f c a n dt h eh i e r a r c h yo f a c i s sc l a s s e s t h es y s t e m a t i cd e s i g no fn h c a di sd i s c u s s e di nd e t a i l f o l l o w i n gt h ei d e a so f s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h es y s t e mi sc o m p r e h e n s i v e l yp l a n n e d t h eh u g es y s t e mi s c l a s s i f i e di n t os e v e r a lc l a s s e st h a ta r ed e v e l o p e di n d i v i d u a l l y t h er & d p e r i o do f t h e s y s t e mi ss h o r t e n e d ，a n dt h ec o m p a t i b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e mi sh e i g h t e n e d n i c e ru s e r si n t e r f a c ei sd e s i g n e d t h em a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o nb e c o m e sm o r e i n t u i t i o n i s t i c ，a n dt h eo p e r a t i o n i sm o r ec o n v e n i e n t t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h es y s t e mf u n c t i o n sa r ed e s c r i b e d w h i c hi n c l u d e t h ed e s i g na n do p e r a t i o no fw i r e f r a m e ，s u r f a c ea n ds o l i dm o d e l s a so n eo ft h ef u r t h e ra p p l i c a t i o n so fn h c a d s y s t e m a2 - 4 一a x i sw e d m s o f t w a r ei s d e v e l o p e d k e y w o r d s ：c a d c a m a c l sw e d ms o f t w a r eo o p 堕室堕窒堕鲞盔兰堡圭竺焦丝苎一 第一章绪论 汁算机辅助设计( c o m p u t e a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 是指技术人员以有高速计算 能力和显示图形的计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行绘图、分析计算和编 写技术文什等设计活动的总称。c a d 把计算机快速、精确的计算能力、巨大的存储容 景和号_ k 人员的经验与能力结合起来，大大缩短了新产品的开发周期，提高了产品的 质量，也对产品的设计思想和设计方法提出了更高的要求。计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a l 】u f a c t u r i n g ，简称c a m ) 是指发计人员根据c a d 过程提供的信息，进行零部 件加工工艺路线的控制和加工状况的预显，以及生成控制零件加工过程的信息进行产 品的制造加工。c a d c a m 技术是一项综合性的高新技术，是人的智慧和创造力与汁 算机系统功能的巧妙结合。 i 1c a d c a m 的产生、发展和作用 汁算机是以处理科学汁算而诞生的，后来被广泛用于数据处理，所以c a d c a m 技术的兴起、发展及其应用范围的不断扩大与计算机和外部设备的发展密切相 关。 c a d c a m j 支术的发展大致分为4 个阶段： l5 0 年代末期，绘图机和交互式图形显示技术的诞生，标志着c a d c a m 技术的兴起。 26 0 ；l - ：, f e q 一期后，西方一些经济实力雄厚和技术力量较强的大型企业和研 究单位投入巨资对c a d c a m 技术进行研究开发，研制了一些c a d c a m 系统，它们都规模庞大、价格昂贵。主要功能仅仅是二维设计和绘图。 其巾美国c d c 公司开发的作为商品销售的d i g i g r a p h i cc a d 系统的问 1 = ，标志若c a d c a m 技术的发展阶段。 3 6 0 年代末到7 0 年代，随着计算机硬件的性能价格比不断提高，数据库管 理系统等软件陆续开发，c a d c a m 系统的硬件和软件配套齐全，即“一 揽予”系统( t u r n k e ys y s t e m ) 。主要功能有三维造型、二维绘图、有限元 分析和数控加工编程，它是多个数据库的软件系统，但是从设计到加工 的全过程仍以传统的顺序方式( 串行方式) 进行。这段时期c a d c a m 技术得到进一步发展扩大，标志着c a d c a m 技术的成熟阶段。 4 8 0 年代中期后以工程工作站为基础的c a d c a m 系统发展很快，其功能 达到甚至超过小型机c a d c a m 系统，在软件设计技术上有了重大突 破，对原来( f j c a d c a m 系统进行了彻底改进，以三维设计为基础，采 1 基 a c i s j l i j 平c a d 系统开发与应用的初步实践 一一 用了参数化技术和特征技术，把所有功能在单一的公用数据库下集成起 来，使设计到制造的全过程巾的所有工作能同时完成，改变了传统的顺 序r 作方式，以并行方式进行，广泛被用于航空、电子和机械工业等领 域，标志着c a d c a m 技术进入深入发展阶段。 c a d c a m 技术从兴起到现在已三十多年时间，从技术上讲已经达到实用化阶 段，为了不断提高c a d c a m 系统功能，使产品的生产向自动化方向发展， c a d c a m 技术正朝着集成化、智能化、可视化和标准化的方向发展。 c a d c a m 技术能够提高产品的质量和缩短产品的生产周期，是当代最杰出的 ：f ：程技术成就之一。它从根本上改变了过去用手工绘图、依靠图纸组织整个生产 过程的技术管理模式。因此，它对传统产业的改造、新兴技术和产业的兴起与发 展、提高企业国际竞争力等方面，均起着巨大的推动作用。c a d c a m 技术的发展 与应用程度已成为衡量一个国家科学技术和现代化水平的重要标志之一， c a d c a m 技术正迅速由军事工业向民用z _ 、l k 延伸，由大型企业向中小型企业扩 展，f h 高技术领域的应用向日用家电、轻工产品的设计和制造中普及，广泛应j h f - i ：e 械、电子、轻纺、建筑和工程设计等领域，目i 】 已有批基础软件和专业软 仆商- i 州e ，以满足市场的需要。 1 2 论文选题背景 日| ，据估计罔际上已有的c a d c a m 软件包不少于2 0 0 0 个，较为知名f i j c a d c a m 系统公司有2 0 0 多家，全球c a d c a m 的产值以超过1 5 的年增长率增 t f j | i 。同时，近几年来微机的发展突飞猛进，性能价格比不断提高，图形显示技术 也有了很大发展，新一代, p e n t i u m 芯片的运行速度惊人，所以，基于微机平台的 c a d c a m 系统有着比以往工作站c a d c a m 系统更为广阔的市场。国际上一些著 名的微机c a d c a m 系统如a u t o c a d ，s o l i d w o r k s ，s o i i d e d g e ，m a s t e r c a m ， s u r f c a m ，m e c h a n i c a ld e s k t o ph y p e r m i l l 等在国内的影响日趋增强，并在一些地区 行、j k 占据了主导地位，刺1 二c | 1 国而言，在相当氏的段时期内，加快微0 l c a d c a m 系统的研制步伐和商品化进程是适宜之策。 | | l _ 丁种种原因，国内列c a d c a m 技术的研究及其相关软件的开发工作起步较 晚，与同际先进水平相比，存在较大的差距。正足差距的存在促使我们从更高的 起，r 皇以全新的概念去迎接挑战 充分研究、借茶同外一些著名c a d c a m 系统的成功经验，注重剥国际上 c a d c a m 新技术的消化吸收，将研制与应用紧密结合，按软件工程的最新成果规 划系统的7 r 发，取k 补短，发挥我们自身的优势，尽快研制开发出具有自主版权 的优秀 j c a d c a m 系统软件是当务之急。 塑蔓堕窒墅查奎堂堡主兰垡堡塞一 本课题来源f 国家“九五”重点科技攻关专题“面向制造业的几何造型与数控 加l ：系统u 丌发及商。昆化”及江苏省“九五”利技攻关项目“计算机辅助数控编程 与加一r 过程仿真”。论文以工程应用为背景，以设计制造为目标，研究复杂零什 的造型与数控加工编程理论和技术，在a c i s j l n 平台上研制开发适用于面向制造 、i g c a d 系统。 1 3 沦文内容安排 沦文酮绕基于a c i s j l t , f 平台开发c a d c a m 系统，从分析a c i s 数据结构入手， 采丌j 面向剥象方法，进行了系统的总体发计，建立良好的界面风格，实现具有模 型构造和模型操作功能的c a d 原型系统。 第二章详细介绍a c i s 的特点及其数据结构和a c i s m f c 类。 第三章对系统进行总休设计。 第四尊介绍了系统的界面风格和界面设计。 第五章介绍了系统的功能模块实现，主要是模型构造和模型操作。 第六孳作为n h c a d 系统的进一步应用，开发了2 一4 轴线切割软件。 第七章为沦文的总结与展望 茎! ：垒! 坚! ! 塑! 鱼竺垒里墨堡翌垄兰窒旦塑塑堡壅些一 第二章a c i s 介绍 a c i s 足美国s p a t j a jt e c h n o l o g y 公 的产品，是应用于c a d 系统开发的几何平 台。a c i s 提供从简甲实休到复杂实体的造型功能，以及实体的布尔运算、曲面裁 剪、曲而过渡等多利t 编辑功能，还提供了实体的数据存储功f i 簖 i s a t 文件的输入、 输功能。本章主要介# f a c l s 的基本内容，数据结构，以及a c i s m f c 等。 2 1a c i s 形成背景及应丌j 1 9 7 3 ；v 英国剑桥大学布雷德( b r a i di c ) 以i 尊士论文的形式发表了使用体素拼合 和边界表示的第一个实体造型试验系统，此后经过不断的吸收和创新，1 9 8 6 年底 布甭德等推h j 第三代实体造型软件产品a c i s 。a c i s 是三位技术核，心人员的名字 a l a ng r a y e r ，c h a r l e sl a n g ， a nb r a i d 与s o l i d 的字酋。它的特点是采用面向对象的 数据结构，用c + + 编程，使得线架造型、曲面造型、实体造型任意灵活组合使用。 线架造型仅用边和顶点定义物体；曲面造型类似线框造型，只不过多定义了物体 的可视丽；实体造型用物体的大小、形状、密度和属性( 重量，容积，重心) 来 表示。 a c i s 产f 丌i 使用软件匀i f t - 技术，用户可使用所需的部件，也可以用自己，r 发的 部什来替f , a c i s 的部件。a c i s 产品包括一系列的a c i s3 d t ) l 可造型和多种可选 择的软什包，一个软件包类似于个或多个部件，提供一些高级专用函数，可以 午独d i 售给需要特定功能的用户。a c l s 产品可向外出售接口源程序，同时鼓励各 家软件公司存a c l s 核心开发系统的基础上发展与s t e p 标准相兼容的集成制造系 统。 作为商品化的c a d 系统的开发几何平台，a c i s 具有良好的几何造型和数据结 构，被众多软什制造商采用，其中比较著名的有美国a u t o d e s k 公司的m d t 软件， q ，田的金银花软什等。 2 2a c i s 的主要功能与结构 a c i s f f , j 作为面向对象的几何造型平台，功能很多，主要包括： 线架造型功能：该功能提供了多种创建- q t i ! 目素的方式，包括点、直线、圆、 自f 1 曲线等；同时还提供了图素问的操作功能，包括旋转、平移、拷贝、等 距、过渡、裁剪、打断等。 f l 而造，诅功能：该功能包括： 塑塞堕皇堕丕查堂堡主堂垡笙兰 提供了创建各种甲而、柱面、锥面、球面、环面、样条曲面的方式； 提供了曲而问的操作功能，包括旋转、平移、拷贝、等距、过渡、裁剪、延 伸等。 变形h h 面功能该功能允许操作者遵循曲面上固定的点或线，频繁地改变用 交互式方法构造的3 d 自由曲面的几何性。 网格i h 而功能该功能对于具有突变数据平面片和海量数据平面片v , j a c i s 脚f 丽模型均可以用分片l l | 7 面网格多边形表示。 实休造型功能：该功能提供了多种途径创建实体，既可以通过体的拓扑元素 ( 立方块、圆锥体、圆柱体、棱柱、棱锥、球体、圆环体等) 来创建，也可 以通过包围某一区域或扫掠曲面来创建。该功能还包括： 高级过渡模块功能该功能扩展t a c i s 内含的标准过渡功能，对于具有复杂 拓扑和几何关系的模型，提供了多样的过渡类型。 局部操作功能该功能允许操作者在3 d 模型的曲面上进行局部操作，而不会 改变实休模型的拓扑结构；同时允l ：现有的模型特征不通过布尔运算进行操 作，可以保证模型拓扑和几何的完憋性。 壳体构造功能该功能通过给定的距离和实体模型的所有曲面，可以创建或 定义一薄壁的壳体，在工业造型方而具有广泛的应用。 模型渲染功能该功能可以极大缩小开发周期，通过光照、利质、纹理和三 维裁剪创建商质基的、交互式的、具有真实感显示的a c i s3 d 模型。 隐藏线功能该功能可以使实体、f | i | 面、线架造型的隐藏线消失，继续保持 模型的几何性，能够更好地对3 d 模型进行真实感显示，更方便地发现造型的 缺点或矛盾。 a c i s 7 “充功能该功能可以使开发者独自开发的软件( 包括类、函数、属性 等) 自由地添) j l l j j 。充至i | a c i s 功能中。 同叫a c i s 作为成熟的，商品化的几何平台，用户只要熟悉a p i 函数( a p p l i c a t i o n p r o c e d u r a li n t e r f a c e ) 或c + + 类就可以进行二次造型开发。但如何最大限度的发挥 a c i s 的潜能，进行更深层次的生产开发，用户就必须熟悉a c i s 的构造。a c i s 基本 上分为八类，具体如下： 1 )a c i s 的软干1 ：构造，包括大量的对象库； 2 )几何部分； 数学类( ! t l t p o s i t i o n ，v e c t o r ，t r a n s 群) 构造儿何类( 女h c u r v e ，s p h e r e ，s u r f a c e 等) 模型几何类( 如c u r v e ，s p h e r es u r f a c e 等) 3 )模型拓扑 苎! 垒垡! 些塑里鱼曼垒旦至堑卫堡兰堕旦堂堕堡蟹型塑一 边界表示法 拓扑类( 女 j b o d y ，e d g e ，f a c e - 等- ) 4 )实体与e n t i t y 类 5 )模型对象与类的层次关系 6 )属性 属性类型 a t t r i b 类及其派，t 类 7 )记录与刚取 公告板 记录标记 8 )存储与 ：i 1 复 存储文什形式 e n t i t yl i s t 类 2 3a c i s f c j 数据结构 采用而向列象的程序结构后，a c l s 提f j t , t 丰富的模型类，区分出数学类、几 何类、实体类、拓扑类和其它几大类别。如图21 所示给出了a c l s 的数据结构表示 形式。 图2ia c i s 的数据结构 数学类提供基木的数学工具，以便在右于直角坐标系中定义和操作各种几何元 6 塑塞堕窒堕丕查兰婴主兰垡堕茎 素。运j l j 了c + + 的功能重载机制，使得加、减、乘、除、点积、叉积等算子可以应 用f i 不同的操作剥象。 数学类包括： 位霞一直角坐标系巾的一个点； 矢蹙一氧角坐标系巾的一个位移； 甲位矢景一矢罱的派生类； e i i 乍一3 + 3 射影变换； 变换一4 * 4 矩阵，作用于齐次形式的三维矢量； 参数一曲线上点的浮点参数值； 位冠参数一一| j j i 而上点f t g ( u 、v ) 参数值； 参数域矢晟一一参数平面上的矢量( d u ，d v ) ： 参数域方向一参数平而j z f j 9 单位矢量； 参数域包闸盒( 1 0 w u ，h i g h u ，l o w v ，h i g h v ) 四元组。 儿何类用来定义通用的曲线、曲面和实体等几何元素。a c i s 将几何分成两个层 次，通用几何类属于底层，并不与物体的数据结构建立永久性联系。在物体的固 定数据结构巾再设置一层对应的上层几何类。几何类分作； 曲线基本类，下面再细分为直线、椭圆、交线等子类。每种曲线都可看 作是参数曲线向三维矢量空间的一种映射； 直线由一点及一单位方向矢量定义，无限延伸。 椭圆一一包含圆和椭圆，走向按平而法矢的右手法则确定正负； 交线兼含一般空问曲线和两张参数曲面的交线。两者的区别在于具 有不同的逼近容差，前者误差为零。交线必须二阶可微，而且对参数的一阶 导矢有连续的方向变化。 参数域f u i 线一一空问参数曲线在参数平面上的二维影射，二阶可微，一阶导 矢连续。a c i s 中的空问参数曲线总是依附于某一曲面； 帅i 基木类，下面派生以下几种子类； 、f 丽d i 一点和单位法矢定义，在实体中法矢指向面的外侧； 圆锥丽正椭圆锥，用底丽椭圆及半锥角的正弦和余弦值定义。当截锥的 上顶面小于下底面时，c o s 与s i n a 异号：相反，c o s 与s i n 口同号。圆柱体的 s i n a = o ： 样条曲雨i 一一参数| | l | 面，二阶可微，法线方向连续。 实体类( e n t i t y ) 用来描述a c i s 模型的共性数据结构和共性功能，统一管理 数据的存取、查询和备份、通讯。从通用n 勺实体类再派生出各种a c s 模型的具休 数据结构。实体类下含7 l l i ，拓扑项：体( b o d y ) 、壳( s h e l l ) 、子壳( s u b s h e l l ) 、 7 墨! 垒里堕些盟! 鱼里垒里墨堕翌垄皇堕星塑塑鲨堡堕一 训( f a c e ) 、环( 1 0 0 p ) 、边( c o e d g e ) 、边( e d g e ) 、顶点( v e r t e x ) 和线( w i r e ) ； 氕种儿何项：点、帅线、参数域曲线( p c u r v e ) 、曲面和交换；另有个通用项： 属性。当然用户也可以在应用程序巾定义其他属性，作为通用属性的予类。a c i s 的经销公司统一防凋备家用户二次开发中自己追加的属性名，以免在a c l s 甲台l 开发的应用系统相互集成时发生冲突。 拓扑类包含： 体| 1 1 封闭表面围成的有限空问。 壳是方向一致的一组面的集合，是一个完整物体的到闭边界。 子壳壳或子壳的一个分割，系统用它来提高壳与壳间相关性判断的算法 效率。 而物体表丽的一部分，是有界、不相交的连通表面，带有方向性。面的 有效范同巾一个外环和若干内环界定。面可以无内环，但必须有外环。一张 而只能属于一个壳。 环环是而边界的连通部分，即是由有序、有向边组成的封闭周界。环不 能自交。 共边用来存放一条边与相邻边以及与环的关系。 边边是一条空问曲线的有界部分。边有方向，从起点指向终点，边不能 自交。 顶点是而的角点，指向物体空问的一个点及一条边，该顶点构成该条边 的端点。 线边的有序连接。 儿何类巾的点、m 线、曲丽都分别记录被干f j 关顶点、边和面引用的次数。当引 ，h 次数降到零时，相应的几何项才允许删除。 其他杂项类有包围盒和区间( i n t e r v a l ) 。包围盒用来加快测试两个体、壳或面 足甭有交。当壳岔有多张面时，一般将它分割成多个子壳，使一个子壳只包容一 张而，能够加快求交判断。区问类用来支持包围盒的相贯测试。 a c i s 实休造型部分的数据结构，既反映了经典的实体模型的计算机表示，又 突体现了实体造型技术的当前发展趋势，就是将原来的以正规形体为基础的纯 多i 斫休模型扩展到引入精确表示的参数曲面，允许线、面、体共存与一个物体模 型之巾，而、环、边可以不封闭或无界，同n 寸又允许加入零件属性等，为更灵活、 通用的产品建模提供了强有力的工具。如图22 所示给出t a c i s 实体的派生类结 构。 8 壹塞塑窒堕蒌盔兰婴主堂丝堡兰一 要素基类 砾1lf 壳lll 面i 有向边| | i 顶点 而冈眄曰j 予壳jj 环jj 边jj 线架 2 4a c i s m f c 简介 曲线iil 曲面 点ifi 参数曲线lil 坐标变换 椭圆曲线l fj 球面平面样条曲面 直线ll 自由曲线jj 圆锥面jj 圆环面 产皂丽钢啊蓠丽 m f c 是而向对象设计语言v i s u a lc + + 设计的类库，是v i s u a lc + + 语言的开发工具软 件包( m i c r o s o rd e v e l o p e rs t u d i o ) 的应用基础。m f c 包含了大约2 0 0 多个c + + 类，可 使w i n d o w s 编程更为简便、快捷。由于m f c 提供了一种重复使用的代码，应用软件可 根据需要从m f c 继承强大的功能函数；同时由于基础类库提供的接口从它的第层应用 事件丌始，很大程度上不受约束，故应用软件使用m f c 相当便捷。 大部分的a c l s m f c 由m f c 类派生出来，只不过为了使操作更为方便简单，添加 了一砦新的t 具类，例如鼠标移动、橡皮筋操作、布尔操作、画线、画圆等。 a c i s m f c 类和函数的目的是双重的： 1 ) a c i s 本身- t ：j m f c 具有棚同的接口。 2 ) 它们提供了一个最初的基于m f c 的a c i s 应用程序的框架结构。 ( i ! m f c f ( , j 2 0 0 多个类巾，剥于a c i s m f c 最重要的是c d o c u m e n t ，c w n d ，c w i n a p p ， 与c o l e s e r v e r l t e m 。a c i s f ( j a c i sa p p w i z a r d 均从这些类中派生。所有的新类除了均 指向a c l s m f c 类，电均指向a c l s 类。 如图23 所示，用a c i sa p p w i z a r d g i j 建了一个“m y ”工程。四个新类c m y d o c 、 c m y v i e w ，c m y a p p 和c 1 1 1 y s e r v e r 均从m f c 类派生，o l e 支持在建立应用程序时是可以 选择f 门。 a c i s g i 建并提供j 一个新类：l a w 。l a w 具有从1 1 维儿何空间到m 维几何空间的计 算功能，提供解决复杂的全局n 勺数学问题的一种能力，能够通过l a w l j 勺若于派生类提 基于a c i s 几何f 台堡垒里墨竺堑垄望查旦竺塑生壅堕 一 一 供种有效的使用方式。l a w 实质上是已知维数的c + + 类的一种树状结构，如何汁算 它们，如何通过相关的变量得到它们的派生类是比较关键的。 2 5 本章小结 图23 a c i s m f c 与m f c 的关系 木章主要介绍了a c i s 的功能结构、数据结构和a c i s v l f c 等内容。作为成熟的， 商品化的几何平台，a c l s 既反映厂经典的实体模型的汁算机表示，又突出地体现了 实体造删技术的当前发展趋势，将原来的以正规形体为基础的纯多面体模型扩展到引 入精确表示的参数曲丽，允许线、面、体并存丁二一个物体模型之中，面、环、边可以 不封闭或无界，同吲允许加入零件属性等，为更灵活、通用的产品建模提供了强有力 的1 + 具。 1 0 t 塑塞堕窒堕丕盔堂堡三竺堂垡堡兰一 一一 第三章n h c a d 系统总体设计 n h c a d 系统是花a c i s 几何平台上开发的，遵循面向对象设计的方法，具有统一 的数据结构、数据管王f l 怫1 用户界面；力求使各模型的操作风格统一、用户界面友善、 易于掌握、使用方便；开发性好，用户可根据自己的需要方便地进行二次开发。 3 1 主要设计思想 n h c a d 系统作为一种应用软件，主要实现c a d c a m 作业过程中的造型功能，以 w i n d o w sn t 为操作系统，以a c i s 为几何平台。系统的研究开发遵循软件工程的思想， 以“分而治之，各个击破”为原则，在设汁的初始阶段，重点确定系统的结构，即划 分系统模块和确定模块之间的联系，在数据流程图和软件功能描述的基础上逐步展 7 i ：，其中，模块是程序巾可单独编址和调用的元素，它有自己的程序编码和数据，能 完成规定的功能：模块的划分是以最短的时间开发出界面友好、操作灵活、稳定性好 f i , j c a d 系统的基础。以下主要对系统丌发的设计技术和系统的功能模块划分以及类的 层次定义进行介绍。 3 2 系统类结构层次 在而向对象方法r ，类是系统构造的唯一机制。一个面向剥象的软件系统建立 稚：一系列类上，这些类刻画了系统巾所有要处理的基本数据类型的行为。每个类的许 多实例可通过引用该类的方法来操纵，即向这些实例发送消息，而这些消息表示了可 花这个类的刘象集合上发g - a f , 操作。 良好的类结构对c a d ，c a m 系统开发的支持必不可少。在方案设汁阶段，将系 统分解为多个小部分一予系统；子系统足类、关联、操作、事件和约束的集合。予系 统通常由其所提供的服务来确定，所i l l l l i 务即若干有共同目标的相关功能的集合。 按照不同的服务分类，c a d c a m 系统可分解为：用户界面子系统、存储管理子 系统、内存管理子系统、几何造型子系统和加工核心子系统。 在c a d c a m 系统巾，零件几何模型是系统的服务列象，几何造型和数控加工 编程是系统对服务对象所要完成的服务。因此，c a d c a m 系统的基本对象为“零件 一儿何模型”。需要建j ：揣述基本对象的拓扑、几何信息的类和描述基本对象的加工信 息的类。诒：引入l ：述几何模型类的同时还需引入：( f | 工属性类。这样，与系统的基木剥 象的没计； l l i l i t l 造相关的信息和操作，都桐应地蚓装在这些类内部的属性和方法r | 1 ，当 这蝼类的对象接收到外界传递来的消息时，根据其内部特性，完成特定的操作。剥 苎! ：垒望! 些盟：! 鱼堡垒旦墨笙堑垄皇丝型塑望生壅壁一 c a d c a m 系统来说，则是通过合理组织和安排消息传递队列，从而完成零件的设汁 和制造仃务。 为实现设计制造一体化，几何造型子系统与数控加工子系统共享相同的几何数 据库。它们在一个几何平台上进行开发。基本的数据结构为表征零件拓扑结构和几何 模犁的类。酋先，对产品几何模型进行高度的抽象性描述，建立基本模型类( 超类) ， 它用来捕述构造的模利的共性数据结构和共性功能，统一管理数据的存取、查询和备 份、通讯。然后根据设计和制造环境的具体要求设汁基本模型类的予类，每一个子类 又n j 作为新的父类，f ：派生出它的予类。每一类的共性抽象出来作为公共属性置于超 类1 1 ，减少对不同对象共性的说明。将i 儿l ：r = ： 艺信息、产品管理信息和具体应用环节 信息归入属性类，并可不断充实、修改。在属性类巾，建立与几何类的接口成员函数， 使几何类与属性类连接起来。 为使刑儿何模型的操作风格统，a c i s 提供了一鼠标工具类- - m o u s e t o o l ，该 类f hm f c 的c v i e w 类派，l 三丽来，用于处理鼠标消息，如鼠标左( 右) 键的按下、抬 起、双寸等。其他操作予类均从该类派生。只要针对具体情况，在这些操作予类巾加 入棚应的成员与方法，就能生成处理新的功能。 系统的儿何构造类分为线架几何构造类、曲面几何构造类和实体几何构造类。 线架儿何构造类包括直线构造类、圆弧构造类、样条曲线构造类等：曲面几何构造类 包括直纹而、列表丽、蒙皮而构造类等；实体几何构造类包括立方体、圆柱体、球、 圆锥体、拉仲休构造类等。它们均派生予m o u s e t o o l 类，并扩充实现对键盘的处理功 能。 系统的操作类分为加工基类由m o u s e t o o 类派生而来，包含对加工的基本操作 框架，加工刀轨的屈示，刀轨文矿f ：的生成和输出等。 ：i 维加工类由加工綦类派生而来。它继承了加工基类的所有内容和功能，归纳 了：维加i 二操作的共性内容，虫操作方式、轮廓环( 线) 的检取等。而不同方式的加 工了类( 二维行切虮r 子类、二维环切t f i l 工子类、二维轮廓加工予类等) 均自该二维 加l ：类派生，并添加具体操作所需的数据成员和方法。 三维加工类的层次结构与二维加工类的相似。它增加了面和体的检取功能。某 些= = = 维加： ：予类直接从二维加工予类派生而来，如三维层切法加工予类派生于二维环 切( 或行切) 加工予类。 这样的层次结构对系统的扩充和功能的升级非常方便。 3 , 3 系统总体结构设计 n h c a d c a m 系统是集几何造型、数控加工、后置处理、，( l 工仿真为一体的 c a d c a m 系统。系统n 勺总体结构图如图3l 所示。 1 2 塑室堕窒堕丕查兰堡圭堂堡! 垒茎一一 系 统 文件管理 坐标系管理 显示管理 模型管理 数控编程 后置处理 加工仿真 模型构造 模型操作 线i ；j j 割加工 线架模型构造 二轴线切割加工 四轴线切割加工 二维数控加工 三维数控加工 铣床加工仿真 车床加工仿真 轮廓加工 型腔加工 粗加工 精加工 图31 系统总体结构图 系统1 ：要功能： 文仆管理文什管理包括新文件、打开文件、关闭文件、保存文件、另存文件及插入 文件等。创建一新的模型，用户可以在此模型管理体系下建立线架、曲而、 实体等应用模型，以后可以以文件( + s a t ) 的形式存储。 坐标系管理坐标系管理包括： j 、通过列现坐标系进彳亍平移，在系统中新建一坐标系； 2 、通过对现坐标系进行旋转，在系统中新建一坐标系； 3 、通过输入三点，在系统巾新建一坐标系； 4 、通过选择实体平面上的一点，在系统中新建一坐标系以及选择系统中 的。一坐标系作为用户坐标系。 显示舒理晁示管理包括： 1 、 从所定义的各个方向观察所建立的模型( 顶视图、底视图、前视图、 历视图、左视图、右视图、等轴侧视图) ； 造二造=作二作二作 构二构二操二操二操 一一恻一一一刺一恻 一一一一一一一一一 苎三垒篁堕些堡! 鱼! 垒里堑竺堑垄望生卫盟塑生茎壁一 2 、进行模型的平移、旋转、放大、缩小、窗口缩放、全屏显示； 3 、隐去图形r 卜属性相同的一部分( 隐去图形) ，重新显示所隐去的图形 ( 恢复硅示) ； 4 、将系统的显示模式在线架模型和光照模型之间进行转换。 模型管理模型管理包括模型构造、模型操作、模型编辑。 模型构造包括： 1 、线架模型构造包括点、直线( 两点直线、平行线、垂直线、切线、公 切线、成角度线、折线) 、圆( 三点圆、两点圆、圆心半径、相切圆) 、 劂弧( 三点圆弧、圆心起点角度、相切圆弧) 、样条线( 型值点、控 制顶点) 、椭圆： 2 、曲丽模型构造包括平面( 二点构造平面、一点一线构造平面、一点一 法矢构造甲而、参数平面) 、直纹曲面、列表曲面、蒙皮曲面和扫掠 曲而； 3 、实休模型构造轮廓拉伸、轮廓旋转、轮廓扫掠和截面实体。 模型操作包括： l 、线架模型操作包括裁剪、过渡、等距、延伸、修改： 2 、肌丽模型操作包括求交、过渡、等距、延伸； 3 、实休模型操作包括轮廓拉伸、轮廓旋转、轮廓扫掠、圆角过渡、刳切 面过渡。 模型编辑包括拷贝、平移、旋转、删除、改变属性、阵列拷贝、镜像平移、 镜像甲移。 3 4 木章小结 本章介绍了系统的总体结构设计。系统采用面向对象的方法，并充分体现了并行 r 程的思想，进行建模设i , t ，生成了系统框架。在开发中可根据子系统的划分，建立 相府的文件夹，使每位开发人员在各自的文件夹中工作，互不干扰，他们的数据传递 和功能协调均通过接n 一类的数据成员和成员函数实现。使系统的开发周期缩短，错 误减少，系统功能更加稳定。 1 4 塑塞堕窒些鲞查堂婴- 上兰篁堡苎- 一 第四章系统界面设计 用户界而( u s e ri n t e r f a c e ) 足用于处理人机交互活动的软件，是用户控制系统运 行的有效r 段，由它来i 办凋计算机系统、应用软件系统和用户之间的关系。它既是整 个软什系统的脸面，又是用户和系统应用程序之间的桥梁。用户界面的好坏很大程度 上影响整个系统的质量，是衡量一个应用软什性能的重要指标。 4 1 界而设i = 卜原则与设计思想 砹计用户界而的日的是使用户友好地操作应用程序，完成一定的任务，所以用户 界而设计应根据如何方便用户与应用程序之间的通信为原则进行设计。从用户角度考 虑，要求用，r l l 界面操作简单，以方便非熟练用户；并提供操作应用程序的快捷途径， 以，j 便熟练用，“。从应用程序设计者的角度考虑，要求用户界面与应用程序分离。 用户界面与应用程序分离是设计高质量软件系统的基础。两者之问的关系通常可 分为内部调用方式1 1 1 # 1 - 部调用方式。内部调用方式是指应用程序调用用户界面函数， 将用广，界而和应用程序混合在一起，修改用户界面函数时，严重影响到应用程序。外 部凋用方式是指用户界而与用户结合后才调用应用程序，应用程序完全独立于拥护界 面，修改用户界面时，不影响应用程序。这种方式能使应用程序与用户界面很好地分 离 c a d 系统的特点是：系统功能多，要求界面布局合理；操作失误的可能性大，要 求系统具有回溯功能：系统功能复杂，要求界面提供帮助信息；应用程序关联紧密， 要求界而使用选巾组合技术；交互方式多样，要求界面提供多种交互方式等。因此， n f t c a d 系统的界面设汁遵循以下思想： 1 ) 用户界面和应用程序分离，为一独立的部分。 2 ) 界面设计多样化，接口规范化，界面风格要保持一致。 3 ) 界面设计功能的完栏性、先进性、稳定性。 4 2 苍于窗i - i 牙而向对象的界面设计 f 斫向对象( o b j e c to r i e n t a t i o n ) 是当前汁算机软件技术领域关心的一个重点，足 9 0 年代软件发展的主流。用户界面系统的开发和面向对象的关系密切。窗口系统是由 事什驱动，消息传递则是触发枣件的基本机制，用户界面的进一步发展，则更加需要 依谨而向对象技术的支持。 以前图形用广i 界而( g u i ) 软件因不同的应用不断地被重复开发，功能几乎是相 苎! 垒里竖些塑! 鱼曼垒旦墨堕翌垄兰查旦堕皇垡望韭生一 同或只是少量地被修改，浪费了大量的人力与物力。面向对象的编程技术初步解决 了这个0 q 题。_ 旦一个类被定义并被测试，就可以用它作为一个基础块来构造程序。 如果需要修改或需要新晌功能，新的类就可以从已有的类派生，基类中已证明可靠的 性能就无需再重新开发。丌发人员只要写新的代码而不必再写一遍原有的东西。同 时，刑于处理窗口事什，而向列象方法的多态性和迟后联结机制可以完美地解决直到 运1 亍叫刻才能确定哪个窗口过程被触发的事件机制。 现在最能体现界而设计原则的莫过t 。w i n d o w s 操作系统的诞生和它的快速发展。 因为w i n d o w s 和d o c 的很大差别的最重要一点就是w i n d o w s 拥有一个图形用户界面。 同时w i n d o w s 的程序接r l 是广泛的、复杂的，开发人员拥有大量的窗口类型可供选 择。对于程序的执行方式、方法、窗口尺寸、内存分配等，开发人员也可根据不同的 情况加以选择。随着v c 语言的发展，m f c 的应用，w i n d o w s 编程更为简便、准确， 并f 1 w i n d o w s 应用程序界而的尺寸可以控制。这主要是因为v c 语言开发了大量的 w i n d o w s 程序编程选项，并把这些选项融于标准类中，开发人员可以直接从这些类中 派牛向己所需的对象。 m f c 类库提供了盘下几种软件界面模式： m d l ( 多文档