（机械电子工程专业论文）工程制图模型库的建立及二次开发的应用研究.pdf

t 程制幽模型库的锉印发一次开发的j 衄用研究 工程制图模型库的建立及二次开发的应用研究 摘要 工程制图是工科院校的一门专业基础课，旨在培养学生绘图和阅读工程图样 的能力、空间想象能力、空闻分祈和解决问题的能力。教学模型作为教学手段的 重要组成部分，帮助学生理解教学内容具有积极的作用。然而，在教学实践中存 在着两个问题：一是传统的教学模型因其价高、易损、不便携带、不能修改；二 是使用三维模型和三维动画的多媒体教学软件，对模型结构及尺寸的改变无法实 现交互，使思维发展受到一定限制。 本文对工程制图的教学模型进行了分类对模型库的结构及内容进行了设计， 并在p r o e n g i n e e r 平台上建立了参数化样板模型，运用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 的a p i 接口，在v c + 十集成丌发平台上，实现了对样板模型库的管理及模型的参数 化交互、再生、显示和修改。 本文应用电子计算机软件建立的基于三维建模技术的教学模型库和参数化模 型再生系统，不仅可以克服工程制图传统教学方法存在的缺陷，提高分析和解决 问题的能力，本系统的进一步研究和完善将对工程图学的发展产生影响。 关键词：模型库、a p i 接口、p r o t o o l k i t 、参数化，vc + + 三堡塑笪塞里堡塑些生丝三姿墅堡堕生旦型! 塑 t h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e ll i b r a r yo f t e c h n o l o g yd r a w i n ga n dt h ea p p l i c a t i o n a n ds t u d yo ft h es e c o n de x p l o r a t i o n a b s t r a c t t e c h n o l o g yd m w i n g i sas u b j e c t - s p e c i f i cb a s i ct e s to ft h ei n d u s t r ys c i e n c e u n i v e r s i t i e sa n dc o l l e g e s ，a i m sa tt r a i n i n gt h es t u d e n t sd r a w i n g a b i l i t ya n dt h ea b i l i t yo f s p a c ev i s i o n a r y , s p a c et or e a de n g i n e e r i n gd r a w i n g ，t oa n a l y z ea n ds o l v et h ep r o b l e m 1 1 l et e a c h i n gm o d e li sp l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ea tp o s i t i v ea s s i s t i n gt e a c h i n gd u r i n gt h e p r o c e s so fh e l p i n gs t u d e n t st ou n d e r s t a n dc o n t e n to fc o u r s e sv i v i d l ya st h ei m p o r t a n t c o m p o n e n to f m e a n so f t e a c h i n g b u th a v et h ep r o b l e m so f t w or e s p e c t si no u rt e a c h i n g p r a c t i c e ：o b j e c tt e a c h i n gm o d e li sc a r r i e di n c o n v e n i e n to no n eh a n d a n de a s yt o d a r n a g e ，i n c o n v e n i e n to nb e i n gk e p t ，d o i n gs p o r t sa n dd e m o n s t r a t et h a ta n a l y z ew i t h s p o r t st h a tal o to fd e f e c t se x i s tt o oi no b j e c tt e a c h i n gm o d e l ；o nt h eo t h e rh a n dt h e u s i n go ft e a c h i n g s o t h v a r eo fm u l t i m e d i aw i t ht h r e ed i m e n s i o n a jm o d e ja n d t h r e e d i m e n s i o n a la n i m a t i o nc a l ln o tr e a l i z et h em u t u a lb e h a v i o ru s e r , m a k es t u d e n t s t h i n k i n gd e v e l o p m e n tm u s tb el i m i l e 止t h e yc a n tu t i l i z ec o n v e n i e n c eo nr e n e w a lo f k n o w l e d g ea n ds w i f ta d v a n t a g e t l l i st e x th a sv a r i e dt h et e a c h i n gm o d e lo ft e c h n o l o g yd r a w i n g h a s d e s i g n e d s t r u c t u r ea n dc o n t e n to ft h em o d e ll i b r a r y , a n dh a ss e tu pt h ee n t i t y ( p a r e n t ) o ft h e p a r a m e t e rm o d e lo np r o e n g i n e e rp l a t f o r m h a su s e da p ii n t e r f a c eo fp r o e n g i n e e r w i l d f i r e ，o nvc + + i n t e g r a t e dd e v e l o p i n gp l a t f o r m ，h a v er e a l i z e dm a n a g e m e n ta n d p a r a m e t e rm u t u a l ，r e g e n e r a t i o n , r e v e a l i n ga n dr e v i s i n go f m o d e io f t h em o d e li i b r a r yo f m a k i n gm a p st ot h ep r o j e c t t 1 1 i st e x te m p l o y s 山et e a c h i n gm o d e ll i b r a r yb a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g t e c h n o l o g yw h e r et h ee l e c t r o n i cc o m p u t e rs o f t w a r ei ss e tu pa n dp a r a m e t e rr e g e n e r a t e d s y s t e mo fm o d e l ，c a nn o to n l yo v e r c o m et h ed e f e c tt h a tt h et r a d i t i o n a lt e a c h i n gm e t h o d o ft e c h n o l o g yd r a w i n ge x i s t s ，i m p r o v et h ea b i l i t yo fa n a l y z i n ga n ds o l v i n gt h ep r o b l e m ， b u ta l s ot h a tt h ef i l r t h e rs t u d y i n ga n di m p r o v i n go f t h i ss y s t e mw i l le x e r ta ni n f l u e n c eo f f t e c h n o l o g yg e o m e t r y k e y w o r d s ：i n t e r f a c eo f m o d e ll i b r a r y , a p i p r o t o o l k i t , p a r a m e t e r , vc + + n 浙江= 业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 ：作所取得的研究 成果。除文中已经加以标注引= | f 的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果，也不舍为获得浙江】j 业大学或其它教育机构的学能证- i ；而使川过的材料。对 本文的研究作山重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本卢明的法 律责任。 作者签名 日期：0 7 年月如 学位论文版权使用授权二棒 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学倪论文的规定，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。本人授权浙江1 ：业人学可 以将本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 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学1 ： ) = 论文属于 1 、保密口，在年解密斤适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相麻方框内打“”) 作者签名： 导师签名：如岫 ， 片 片 胁 年 年 叮刀 期 划 日 日 t 程制| 茎i 筷里库的矬讧发二次开发的应用研究 第一章绪论 1 1 国内外围学教学改革现状及趋势 1 1 1 国外国学教学改革 在发达的工业国家，已纷纷丌设与实体造型有关的课程。例如美国在图学教学 改革方面的成就比较突出，美国从8 0 年代未期就在国家科学基会( n f s ) 资助下研 究有关的教学改革问尉“。在教学中突出三维立体的地位与作用，从三维立体入手 全面理解物体的构成原理与表达方法。1 9 9 7 年在全美范围己成立了网络图形实验 室。这种新的教学系统与方式具有时代特点，它将以计算机几何造型为核心的图 形学与工程设计紧密结合为一体，培养学生现代设计意识，从根本上改变了现有 的工程制图的教学面貌。 美国得克萨斯大学开设了工程设计绘图课程，该课程将实体建模作为课程的 核心，从并行工程的角度说明了三维几何模型作为设计制图核心的必要性，并充 分考虑了与机械零件、数学、计算机图形学以及现代工程设计实践等课程的配合。 这门课程由教师讲课、学生手工绘制草图、上机练习三部分组成。整个安排分为5 个部分：( 1 ) 计算机绘图及设计概论：( 2 ) 实体建模；( 3 ) 工程分桥与制造；( 4 ) 建立 设计文档；( 5 ) 大作业。其中第血部分的大作业是一个设计课题，该课题可由老师 选择进行，其内容是让学生对由几个零件组成的实体模型进行装配，得到该装配 体的三维渲染图，然后对装配体零件进行分析和快速成型，最后，直接从实体模 型数据库中生成装配体零件的工作图，标注零件图的尺寸，从而得到一整套工程 图。从美国大学工程设计课程的设置及教学内容泉看制图的改革不能孤立存在， 应在设计教育的大背景下统一进行，应考虑与相关课程的融合，图学教育应培养 学生的工程意识培养学生走向社会及创新设计的能力1 2 j 。俄罗斯一州立大学。 丌设了三维造型及画法几何的课程i j j 。 美国国家自然科学基金会资助的工程教育综合改革由康乃尔大学、斯坦福大 学、加州伯克利大学等八所大学承担。具体目标是：( 1 ) 多学科综合，分割不要过 细：( 2 ) 面向并行工程，贴近工程实践；( 3 ) 加强实践与动手能力：( 4 ) 加强通信交 流密切联系社会；( 5 ) 具有先进的学 - 3 环境。根据这一宗旨，他们在课程设置、教 学内容、教学方法、所需学时等方面与我国有很大差别。 从国外的情况来看，一些先进工业国家，制图课程中传统的面法几何内容及 t 程制幽模型库的建0 ：厦_ 二次开发的j 衄用研究 制图技能的培训所占的学时逐渐减少，取而代之的是三维实体造型技术和曲面造 型技术的应用，并强调与c a e c a m 相结合。 1 1 2 国内圈学教学改革 由于二维表达的基础是画法几何，三维表达的基础是计算机几何造型理论。 北航 4 1 突出设计和三维的观点改革工程图学教学。目前教学改革的主要目标是创建 以“设计”为主线，以“三维”为核心的现代工程设计图学( m e i x ；- m o d e r ne n g i n e e r i n g d e s i g ng r a p h i c s ) 的新教学体系。新教学体系改革的主要方向为：首先，着眼于 工程设计的全过程，构建新的课程体系。其次，调整原工程图学课程的内容加强 培养学生的三维分析和表达能力。最后，引入计算机绘图的同时注意培养学生的 先进设计思想和表达意识。 北京科技大学建立了以机械设计为主线1 5 l ，以培养设计能力和创新能力为目标 的教学体系，将画法几何及工程制图、机械原理、机械零件、a u t o c a d 及其应用、 创新设计实践等课程内容，根据人的认知规律和现代工程要求有机地整合为一个 整体，命名为“机械设计制图”。 北京理工大掣6 】将工程图学改革与机械设计课程群体的整体优化结合起来。在 经典工程图学内容中引入创造学原理、创造性构型设计，计算机绘图等现代化内 容。 1 9 9 6 年我国国家教委在浙江大学设立了工科基础课工程图学教学基地【7 】o 浙江 大学工程图学教学基地除了面向全校学生开设“画法几何和工程制图”课程外， 还对工程教育高级班丌设“计算机图形学”必修课，基本培养方针是“重基础、 重设计、重刨造”，对非工程教育高级班丌设“工程设计与计算机绘图”选修课。 为此。对工程制图总的设想是：图样画法应从目前的二维逐步转到以实体造型 或基于特征的实体造型为主( 三维) 的绘图方法，作为过渡，先把实体造型融会贯通 到工程制图的内容之中，最终以三维图样画法取代二维绘图技术。 1 1 3 图学教学改革的趋势 通过以上的分析可以看出，无论是国内还是国外，图学教育改革均有一个共 同点，即工程制图课程的教学不再是简单意义上的传授制图知识，而是将工程设 计思想融入教学当中，注重培养学生的创新设计能力。 因此，通过计算机技术和丌发新的教学方式来帮助学生理解书本上所讲解的 2 t 程制幽模型库的矬以及一次开发的麻用研究 内容，并以此提高和保证教学效果及教学质量，己成为教学改革的必然【舢。 1 2 国内外参数化设计技术研究现状 自从p t c 公司于1 9 8 5 年推出参数化c a d 系统p r o e n g i n e e r 以来，参数化 设计技术才真f 受到工程技术界和学术界的重视，各大计算机软件公司相继推出 自己的参数化c a d 系统或在原有系统上增加参数化功能，展丌激烈的竞争。目i ； ， 我国c a d 市场上有两大类参数化c a d 系统：国外丌发的大型全参数化c a d 系统；国 内的二维参数化c a d 系统嗍。 1 2 1 国外发晨现状 国外丌发的具备参数化功能的c a d 系统： ( 1 ) p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司的机械设计自动化软件产品。它是 第一个具有参数化功能的c a d 系统。它通过记录设计历史来捕捉设计意图设计 历史的操作顺序可以修改，同时引入全局设计参数来实现整体的设计修改。 p r o e n g i n e e r 具有在系统中作动态修改的能力，是一个以功能为主的参数化 实体造型系统，它提供双向数据关联，设计的修改能自动更新到出图、分析、制 造以及其它c a d c a m 领域，并具有强大的装配功能。但其中的几何体都必须是完 全约束，进行设计要求预先考虑好整个产品的控制参数以及操作顺序，对一个没 参加刨建的设计者来说，不太容易摘清如何对该项设计进行修改l j 。 ( 2 ) c a d s sc v 公司的c a d s s 通过一个草图生成工具d e s i g nv i e w 来实现参数 化绘图。d e s i g nv i e w 提供了广泛的基于约束的造型功能。包括支持零件之间的约 束、曲面参数约束、代数约束的逻辑分支以及欠约束模型。采用变量几何技术， 约束的顺序不会影响到它的求解结果。界面友好，采用一个灵巧光标动念捕捉图 中约束，能够很方便地显示、增加和删除约束。用户可直观地控制图形当前状念。 工程约束与几何约束融合起来联立求解，是一个优秀的参数化绘图工具。 ( 3 ) d p d ( d e s i g np o s td r a f t i n g ) 是美国c v 公司采用p e l o t a s 平台技术开发 的最新产品，运行于w i n d o w s 环境中，具有强大的参数化设计及绘图功能。其参 数化功能的主要特点是：参数化设计与绘图功能：设计变量的方程式管理： 同时支持参数化与非参数化的混合建模能力：较强的草图设计能力j 。 ( 4 ) s i g r a p h d e s i g 是德国s i m e n sn i x d o r i f 公司的一个智能2 d - c a d 系统。 它与其它的c a d 系统的主要区别在于数据结构。它不仅可以定义和处理数据元素， 3 t 程制幽模型库的建札及_ 二次开发的心用研究 而且可以定义和处理数据元素之白j 的关系，支持从最初的概念设计到详细工程图 绘制的全过程，真正实现变量设计。 ( 5 ) v g x 技术是美国s d r c 公司新近推出一种叫做v g x ( 变量几何技术) 的新型 核心技术。v g x 的最大好处在于，对基于构造过程的参致化方法进行改进，使原有 的参数化基于特征的实体模型在可编辑性及易编辑性方面得到了极大的改善和提 高【l2 1 。当用户打算做预期的模型修改时，再也不用费心去理解和查询设计历程。 基于v g x 的变量化特征允许c a d 用户通过相同零件的特征在3 d 中动态捕捉各种关 系，历程树顺序不影响关系的有效性。v g x 功能扩展了检验产品的约束推理能力， 构图器在已有几何体的某作图面上构图时，自动推断画出的线与己有几何体的相 对位置关系，检测并动态地以预增亮方式显示出所有可能产生的约束，这项新技 术可能成为今后参数化发展的新方向l b 】。 2 2 国内发展现状 国内丌发的具备参数化功能的c a d 系统： ( 1 ) g h i n t e c a o 是高华计算机公司的集成智能化微机机械c a d 系统，基本上 代表了目前国内微机版具有自主版权的c a d 系统的最高水平。其参数化功能主要 体现在自动参数化设计和参数化图素拼装上。它采用基于人工智能的几何推理参 数化设计方法。系统具有草图规整功能，并可识别多视图联动，对于标准件、常 用件可通过参数化图库中的图素进行拼装【1 4 1 。 ( 2 ) p i c a d 一2 d 是中科院北京软件工程研制中心丌发的微机参数化集成工程设 计系统。其参数化功能的主要特点是提供了交互式参量图符设计功能，能进行固 定图符和可变图符的嵌套。 ( 3 ) 丌目c a d 是华中理工大学丌发的。它采用局部求解的参数化设计方法实现 参数化设计，在用户绘图过程中自动记录约束关系，可以通过约束管理器显示、 增加和删除约束，支持达加余种约束。其驱动过程明了，速度快，能驱动较为复 杂的图形，同时可以方便地指示出过约束、欠约束情形，给用户明确的指示，且 在此情况下仍能正确驱动。 另外还有西湖电子信息工程公司的z d d s ，浙江大学的基于结构化变分几何的 h v c a d 变参设计系统等。这些国内的参数化c a d 系统硬件要求低，适合我国国情。 但其参数化功能方面尚有欠缺。 4 t 程制凹模型库的矬以及一二次开发的属用研究 1 3 研究的意义、目的 人类用平面图形表达空闷形体，有着悠久的历史。随着科技的进步，制造业 数字化技术的不断发展，工程图学不再是仅限于包含几何和投影理论以及有关工 程理论与知识的基础性学科，而是发展成一与计算机科学、数学、工程科学，智 能和思维科学等多学科交叉又相对独立的一门现代学科【1 5 1 。 然而，学校的制图教学与计算机图学的发展相比，处于相对滞后的状态。例 如在我们工程制图课程的教学过程中，教学模型作为教学手段的重要组成部分， 在帮助学生形象地理解教学内容的过程中发挥着积极的辅助教学的作用。然而在 我们的教学实践中却存在着以下几个方面的问题： 1 3 1 机械教学实物模型存在的问曩 ( 1 ) 在工程制图课程的教学中，经常需要实物模型帮助学生理解教学内容， 如果没有模型，仅仅依靠讲解，是很难讲清楚一个立体结构的。学生缺少对实物 的感官认识也就更难理解没有模型的讲解，而传统的教学方式是利用教学实物模 型，但实物模型携带不方便，而且容量损坏不便于保管。 ( 2 ) 教学中存在的另一个问题是传统的教学实物模型一成不变，更新换代的 速度慢，而几十年不变的教学模型已不能满足教学和科技时代不断进步的需要。 时代在发展，教学内容在不断更新，当然教学模型也要跟上教学内容的更新，要 想根据教学需要更改实物模型是很困难的。更换新实物模型成本又很高，而旧模 型基本没有再利用的价值，造成很大的浪费。 ( 3 ) 传统的教学模型作运动演示和运动分析也存在很多缺陷，一是学校很难 保证有一套完整的机械专业的教学模型，而且成本也较大：二是有些空问的机构 内部的运动很难观察到；三是装配模型时容易损坏零件，运动容易出故障；四是 运动特性的分析也很困难。 1 3 2 计算机辅助教学眠i 存在的向囊 ( 1 ) 缺乏有效的沟通和应用推广，c m 课件重复制作和重复投入严重。许多同 样内容的课件不得不面对新的技术更新重新制作。 ( 2 ) 教师根据自己的教学特点和教学风格，需要设计制作适用于课堂教学的素 材，便于教师组织自己的电子教案。而现在研制的许多课件大多已经成了完整的 t 程翎幽模型库的建矿艇i 二次开发的艟用研究 课件包，难以重组其中的素材。 ( 3 ) 从现在c a i 教学的发展来看，现在已经有了许多光盘类型的课件，难以适 合网络环境的运行。即使有相应的网络版教学课件，价格往往比较昂贵，对于学 校来说，其性能价格比未必高，尤其是现在知识和信息不断增加的时代，这样的 课件内容更新困难，很容易出现一研制出来就可能落后的状况。所以现在的素材 需要同时适用于单机和网络双重要求，具有符合互联网络技术平台，这要求素材 具有开放、共享和廉价的特点。 ( 4 ) 工程制图e a i 目前过于注重对制图工具的学习和使用，很多专家学者对这 种改革提出异议。对课件和素材的设计与制作就是为了改变现在这种本未倒胃的 工程制图c a i 的现状。工程制图的素材库建设需要建立以内容为核心和各种训 练能力为目的资源库。 为解决这些问题，在分析了参数化设计技术手段的基础上，提出了基于 p r o e n g i n e e r 参数化工程制图教学模型库系统的创建和应用研究。建立一个符合 工程制图分类规律的以参数化三维模型为核心、满足训练空问思维和分析能力为 目的资源库，满足教学过程中随模型结构和尺寸交化模型同步变换的需要。运用 计算机网络技术，充分利用网络平台的丌放、共享和实时的特点，模型资源库将 被有效利用，进一步作为二次丌发的素材，以达到不同教学目的，本文的研究符 合现代技术发展的趋势，并对工程制图的教学和应用具有现实意义。 1 4 研究的主要内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 系统总体方案设计及丌发应用研究； ( 2 ) p r o e n g i n e e r 二次丌发包p r o t o o l k i t 的技术研究： ( 3 ) 参数化工程制图模型库的建立，及相关功能的实现： ( 4 ) p r o e n g i n e e r 与m f c 的接口技术应用； ( 5 ) 基于v c + + 的人机交互程序的实现： ( 6 ) 工程制图模型库在教学中的应用研究。 1 5 本章小结 本章通过对国内外图学教学改革情况、参数化设计技术研究现状的综述，针 对目前图学教学存在的问题提出了基于p r o e n g i n e e r 参数化工程制图教学模型 库系统的创建和应用研究的课题，并归纳了本课题研究的主要内容。 卵 6 t 程制幽模型库的建证及二次开发的心用研究 第二章系统总体方案设计、开发工具及技术 2 1 系统需求分析 系统需求分析是系统开发的重要基础工作，通过需求分析，设计人员可以明确 用户对软件系统的功能要求，以便建立起可实现的、满足用户需求的软件系统。 本系统要求建立一个符合工程制图分类规律以参数化三维模型为核心内容的 资源库，能够满足教与学过程中随模型结构和尺寸变化模型同步变换的要求。并 且要求模型资源库在计算机网络的支持下被有效利用，能够进一步作为二次丌发 的素材。根掘需求的特点，归纳系统应该具备的功能和性能要求如下： 1 功能要求： ( 1 ) 支持模型的参数化设计和再生； ( 2 ) 支持模型库的管理，包括模型及其相关信息的添加、删除和修改等。 ( 3 ) 支持网络共享，允许多用户同时利用该模型库进行设计和查询。 2 性能要求 ( 1 ) 系统具有良好的扩充性； ( 2 ) 系统具有良好的实用性； ( 3 ) 系统具有良好的用户界面，操作方便，尽量减少误操作率； ( 4 ) 系统具有良好的安全机制，防止非法用户入侵和数据遭受破坏。 2 2 系统设计原舅 1 实用性原则 实用性是丌发模型库系统的基本原则，保证系统的使用，满足功能需求是该 系统的基本目标，在实用的基础上再追求其他薪颖的功能； 2 科学性与规范性原则 该原则要求模型库系统在设计和丌发中做到系统结构的科学性，软硬件环境 的合理性，符合现代软件工程技术的规范性，丌发工具与后台接口和输出等技术 规范性； 3 可扩充性原则 该原则要求随软硬件技术的发展而实现系统的扩充，用户需求的扩充、用户 数目的扩充： 4 安全性原则 模型库系统要有严格的安全要求，在系统中，将实行不同层次的用户拥有不 7 丁程制魁模型库的矬妒发- 二次开发的鹿用研究 同的密码，不同的权限。 2 3 模型库系统体系结构 2 3 1 本系统基于c l s 的霄络构集 模型库系统采用c s 结构的管理系统，即 把整个应用系统处理分为前端和后端两个 部分，前端为用户接口，后端为服务处理， 2 3 2 模型摩的结构 l 制端i 卜 舔“ f 缈端f 埘埴摊夕 叠 ny ， “ 艘 i 缈端i 般 劓 心 p 垃i i p r o z l f ， 如图2 1 所示。 1 警i2 一l 总体设计方案 本文采用参数化模板的方法来生成模型。即模型驱动模块利用p r o e n g i n e e r 平台提供的二次丌发接口，通过读取参数驱动模板模型参数的方法来实现模型的 生成。如图2 2 所示 l j 皇劫一t 。8 il 迁入霉件库li 茹柬程序l 訇圈 蛆，国。团图匪 萄萄i 固圆圈臼i 臼 圈圜闺圉 1 j t l _ r 。1 一 l l - _ _ j 田彤ll - _ 去墙仆l l ”1 人， ，戈 y 幽2 - 2 模艰库结构图 8 t 程制幽模型库的建矿发_ 二次开发的应用研究 2 4 系统的开发工具 2 4 1 应用程序开发工具v h u a lc + + 6 0 v i s u a lc + + 6 0 是美国m i c r o s o f t 公司在多年使用和不断改进的基础上推出 的、目| j 综合性最高的软件开发产品。它提供了前所未有的编程能力和便利，它 的多种多样的工具能适合各种编程风格，在v i s u a lc + + 6 0 中，编辑器、编译器、 链接器、调试器、a p p w i z a r d 、c l a s s w i z a r d 、a p p s t u d i o 等工具巧妙而完美地结 合在一起，采用流水线全自动化的编程模式，大大减小了编程的复杂程度，使得 编程更加简单、快捷。在这一编程模式下，利用a p p w i z a r d 来自动生成具有某种 特性的程序框架；使用c l a s s w i z a r d 向已建立的代码框中添加所需的类、成员变 量及成员函数：利用a p p s t u d i o 来建立应用所需的系列资源；利用c l a s s w i z a r d 来创建相应的成员函数对这些资源进行控制。【j 9 _ 2 4 】 2 4 2 p r o e n g i n e e r 野火版3 0 p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p t c ) 研制的c a d c a m 软件，具有很强的造型 功能。由单一数掘库、参数化、基于特征建模、全相关联等概念。参数化设计是 p r o e n g i n e e r 最基本的特性之一 2 5 1 。 l 、3 d 实体建模 3 d 实体建模除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来 之外，借助于系统参数，用户可随时计算出产品的体积、面积、重心、重量、惯 性大小等，以了解其真实性，并补足传统面结构、线结构的不足。用户在产品设 计过程中，可以随时掌握以上要点，设计物理参数，并减少许多人为计算时自j 。 2 、单一数据库 p r o e 可随时由3 d 实体模型产生2 d 工程图，而且自动标示工程图尺寸。不论在 3 d 还是2 d 图形上尺寸修j 下，其相关的2 d 图形或3 d 实体模型均自动修改，同时组合、 制造等相关设计也会自动修改，这样可以确保数据的币确性，并避免重复修正的 耗时性。山于采用单一数据库，提供了所谓双向关联功能，这种功能也j 下符合了 现代工业中的并行工程思想。 3 、以特征为设计的单位 p r o e 以最自然的思考方式从事设计工作，如打孔、开槽，导圆角等均被视 9 t 程制幽模型库的建札及_ 二次开发的臆用研究 为零件设计的基本特征，除了充分掌握设计思想之外，还在设计过程中导入设计 的制造思想：也正因为以特征作为设计的单元，因此可随8 寸对特征做合理、不违反 几何生成顺序、插入、删除、重新定义等修j 下动作。 4 、参数化设计 配合单一的数据库，设计过程中所有使用的尺寸( 参数、特征) 都存在数据库 中，修改c a d 模型及工程图不再是一件难事，设计者只需要更改3 d 零件的尺寸， 则2 d 工程图、3 d 组合、模具等就会依照尺寸的修改作相应的几何形状、特征的变 化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情况，用户刁可以 运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式。使得可自动计算出应有 的外形，减少尺寸逐一修改的繁琐、费时，并减少错误发生。 2 5 系统开发的技术 2 5 1 参数化设计技术 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是 通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动 完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动【拍1 。 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使c a d 系统具有 交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。日酊它是c a d 技术应用领域内的一个 重要的、且待进一步研究的课题。 l 、参数化设计方法 利用参数化设计手段丌发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而 琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。由 于上述应用背景，国内外对参数化设计做了大量的研究，目前参数化技术大致可 分为如下三种方法： ( 1 ) 基于几何约束的数学方法； ( 2 ) 基于几何原理的人工智能方法； ( 3 ) 基于特征模型的造型方法。 其中数学方法又分为初等方法( p r i m a r ya p p r o a c h ) 和代数方法( a l g e b r a i c a p p r o a c h ) 。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法 简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何 0 t 程 i ；i i 璺i 模型库的圭| 证及一次开发的应用研究 约束转换成代数方程，形成个非线性方程组。该方程组求解较困难，因此实际 应用受到限制；人工智能方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进行 理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好：特征 造型方法是三维实体造型技术的发展，目前正在探讨之中。 2 、参数化设计原理 参数化设计有一种参数驱动机制，参数驱动机制是基于对图形数据的操作。 通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改，但是，在修改的同 时，还要满足图形的约束条件，需要约束触关联性的驱动手段来约束联动，约束 联动是通过约束间的关系实现的驱动方法。对一个图形，可能的约束十分复杂， 而且数量很大。而实际由用户控制的，即能够独立交化的参数一般只有几个，称 之为主参数或主约束：其它约束可由图形结构特征确定或与主约束有确定关系， 称它们为次约束。对主约束是不能简化的，对次约束的简化可以有图形特征联动 和相关参数联动两种方式。 由于参数驱动是基于对图形数据的操作。因此绘制一张图的过程，就是在建 立一个参数模型。绘图系统将图形映射到图形数据库中，设置出图形实体的数据 结构，参数驱动时将这些结构中填写出不同内容。以生成所需要的图形。参数驱 动可以被看作是沿驱动树操作数据库内容，不同的驱动树，决定了参数驱动不同 的操作。由于驱动树是根据参数模型的图形特征和相关参数构成的，所以绘制参 数模型时，有意识地利用图形特征，并根据实际需要标注相关参数，就能在参数 驱动时，把握对数据库的操作，以控制图形的变化。绘图者不仅可以定义图形结 构，还能控制参数化过程，就象用计算机语言编程一样，定义数据、控制程序 流程。这种建立图形模型，定义图形结构，控制程序流程的手段称作图形编程。 在图形参数化中，图形编程是建立在参数驱动机制、约束联动和驱动树基础 上的。利用参数驱动机制对图形数据进行操作，由约束联动和驱动树控制驱动机 制的运行。这与以往的参数化方法不同，它不把图形转化成其他表达形式，如方 程，符号等；也不问绘图过程，而是着重去理解图形本身，把图形看作是一个模 型，一个参数化的依据，作为与绘图者“交流”信息的媒介。绘图者通过图形把 自己的意图“告诉”参数化程序，参数化程序返回绘图者所需要的图形。它关心 的是图形，也就是图形数据库的内容，边理解，边操作，因此运行起来简洁、明 了，实现起来也较方便。 参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操作。因 t 程制幽模型库的业讧度1 二次开发的j 避用研究 此它具有很好的交互性，用户可以利用绘图系统全部的交互功能修改图形及其属 性，进而控制参数化的过程：与其他参数化方法相比较，参数驱动方法具有简单、 方便、易丌发和使用的特点，能够在现有的绘图系统基础上进行二次开发。而且 适用面广，对三维问题也同样适用。 3 、参数化模型 在参数化设计系统中，首先必须建立参数化模型。参数化模型有多种，如几 何参数模型、力学参数模型等等。本系统只建立了几何参数模型。模型用来表示 实际的或抽象的物体和现象。它给出被处理对象的结构和性能，并产生其图形。 建立模型是对被处理对象的结构进行计算、分析、模拟、研究的一个基础。几何 模型描述的是具有几何特性的实体，它包括两个主要概念：几何关系和拓扑关系。 几何关系是指具有几何意义的点、线、面，具有确定的位置( 如坐标值) 和度量值( 如 长度、面积) 。所有的几何关系构成了几何信息，拓扑关系反映了形体的特性和关 系。所有的拓扑关系构成其拓扑信息，它反映了物体几何元素之间的邻接关系。 在计算机辅助设计系统的设计中，不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同， 映射到几何模型中，就是几何信息不同而拓扑信息相同。因此，参数化模型要体 现零件的拓扑结构，从而保证设计过程中几何拓扑关系的一致。 4 、参数化设计的优点 参数化设计技术以其强有力的尺寸驱动，修改图形功能，为初始产品设计、 产品建模、修改系列产品设计提供了有效的手段。能够充分满足设计具有相同或 相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要。 参数化技术以约束为核心，是一种比约束自由造型技术更新颖、更好的造型 技术。该技术将复杂的设计过程分解为三个子过程，即草图设计、对草图施加约 束以及约束求解。参数化技术具有以下三方面的优点： ( 1 ) 设计人员的初始设计要求低。无须精确绘图，只须勾绘草图即可，然 后可通过适当的约束得到所需精确图形。 ( 2 ) 便于系列化设计。一次设计成型后，可通过尺寸的修改得到同种规格 零件的不同尺寸系列。 ( 3 ) 便于编辑、修改，能满足反复设计需要。当在设计中发现有不适当的 部分时，设计者可通过修改约束而方便地得到新的设计。 这些优点使得参数化技术非常适合于对整个设计过程的支持。因为设计的目 的是为了满足一定的功能需求，而这些功能需求往往可以转化为适当的设计约 2 t 程制l 鳘i 模型库的建札及_ 二次开发的麻甩研究 束。设计者通过对一设计约束的控制可以方便灵活地实现产品的功能。 2 5 g p r o e i n e e r 的二次开发工具 p r o e n g i n e e r 是一个功能强大的三维产品设计软件。它融入了单一数据库、 参数化、基于特征、全相关的设计概念可以将设计至生产全过程集成到一起，让 所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。 p r o e n g i n e e r 在提供强大的设计、分析、制造功能的同时，也为用户提供了多种 二次开发工具。常用的二次开发工具有：族表( f a m i l yt a b l e ) 、用户定义特征 ( u d f ) p r o p r o g r a m , i - 1 i n k ，p r o t o o l k i t 等。 p r o t o o l k i t 同j - l i n k 一样也是p r o e n g i n e e r 中自带的二次丌发工具。不过 它是基于c 语言的。p r o t o o l k i t 能实现与p r o e n g i n e e r 的无缝集成，是 p r o e n g i n e e r 自带的功能最强大的二次开发工具。本系统丌发应用了 p r o i t o o l k i t 。 2 6 本章小结 本章针对参数化工程制图模型库的实际需求进行了总体方案设计，对于参数 化设计技术和系统丌发工具v i s u a lc + + 6 0 、p r o e 野火版3 0 作了简要分析，本 文将选用参数化设计技术和p r o e n g i n e e r 的二次丌发工具p r o t o o l k i t 作为系统 开发的技术支撑。 t 程制削模型库的业记技一次开发的应用研究 第三章p r o e n g in e e r 二次开发的实现方式 3 1 p r o e n g i n e e r = 次开发方法介绍 所谓“二次丌发”就是在商业应用软件的基础上丌发本地化应用程序的过程。 p r o e n g i n e e r 的二次开发方法有两种：一是基于a u t o m a t i o ng a t e w a y 的二次丌发 过程；一是基于p r o t 0 0 k i t 的二次丌发过型韧。 3 1 1 基于h u t n t i c me c a t a y 的= 次开麓 a u t o m a t i o ng a t e w a y 是r a n d 公司开发的针对p r o e n g i n e e r 软件的二次丌发工 具，它直接利用v i s u a lb a s i c 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发工作。a u t o m a t i o n g a t e w a y 最显著的特点就是可以用简单易用的v b 建立甩户需要的应用程序，通过这 个应用程序可以控制p r o e n g i n e e r 模型的建立过程，从而开发适合客户需要的应 用程序。图3 - 1 所示为v i s u a lb a s i c ，a u t o m a t i o ng a t e w a y 和p r o e n g i n e e r - - - 者之 间的关联图。利用v i s u a lb a s i c ，在m i c r o s o f to f f i c e 产品和p r o e n g i n e e r 对象 之间进行数据交换。应用a u t o m a t i o ng a t e w a y 以自动实现p r o e n g i n e e r 任务、创 建用户界面，完全实现自动设计任务。并且可以把任何支持a c t i v e x 的应用程序和 p r o e n g i n e e r 建立直接联系 幽3 一l 三者之间的关系酗 从图中，可以看出，a u t o m a t i o ng a t e w a y 在v i s u a lb a s i c 和p r o e n g i n e e r 之问起 到桥梁和纽带的作用。通过a u t o m a t i o ng a t e w a y ，就可以利用v