（机械电子工程专业论文）异形石材cad的开发与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 c a d 技术已广泛应用于机械、电子、建筑、航天航空等领域，为了 满足特殊行业和特定产品的开发需要，通常可在通用c a d 软件上进行 二次开发，以提高产品设计效率和质量。由于石材旋转楼梯的特殊性 及多元化，它常被一些居家建筑所采用，既美观又能满足实用要求， 所以本文鉴于异形石材的加工特点和c a d 系统的基本设计理论，并在 此基础上以最新的a u t o c a d 软件为平台进行了二次开发，将v i s u a l b a s i c 作为开发语言，运用面向对象的程序设计技术和参数化设计思 想，开发了专门针对石材旋转楼梯栏河的c a d 系统。 本论文着重围绕对石材旋转楼梯栏河盖板和侧板进行交互式设 计，以a u t o c a d 为平台，采用程序对石材旋转楼梯栏河盖板和侧板进 行参数化制图，其中主要包括三大部分的研究内容： 1 用微分几何的理论建立了石材旋转楼梯栏河螺旋面的近似加 工方法，推导出用多种方法近似加工石材旋转楼梯栏河盖板螺旋面的 方便适用的误差式和全套尺寸计算式。 2 对盖板和侧板进行参数化分割和编号。采用以分段平面或圆柱 面代替盖板螺旋面的近似加工法，在确保最大误差不超过允许值的条 件下对螺旋装饰表面进行自动分割，并对分割后的每一个板块采用半 自动法进行编号。 3 对石材旋转楼梯栏河的盖板和侧板进行参数化制图。用户可先 在v b 中运行主程序，然后在基本参数表中填入具体参数，程序自动连 接、启动a u t o c a d 应用程序，在其活动页面中自动画出盖板或侧板的 相应视图，从而自动开立加工单。 研究开发的石材旋转楼梯栏河c a d 系统结构合理，界面友好，操 作简便，不仅可以大大的缩短设计周期，提高工作效率，降低设计成 本，而且还可较大的降低劳动强度，提高生产过程的自动化水平，为 c a d 技术在石材旋转楼梯栏河的开发、推广与应用中提供了广阔的发展 前景。 关键词：石材，参数化，c a d ，二次开发，分割 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r so ft h ea b n o r m a ls t o n ea n dt h e p r i m ed e s i g np r i n c i p l eo fc a ds y s t e m t h ea u t h o rh a st h eq u a d r a t i c d e v e l o p m e n tw i t ht h eh e l po ft h en e wa u t o c a d s o f t w a r e t h es y s t e mh a s d e v e l o p e dc a ds y s t e mt os t o n es p i r y s t a i rb a l u s t e rw i t ht h et e c h n o l o g y o fo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n dp a r a m e t r i c a lm e t h o di nv i s u a lb a s i c t h es y s t e mi sa d v a n c e do ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lp a r t sa n dp r o v i d e sa f r i e n d l yi n t e r f a c e ，i tr a i s e st h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e d u c e st h ec o s t t h ep a p e rh a sm a d et h ei n t e r a c t i n gd e s i g nt ot h ec o v e rb o a r da n d l a t e r a lb o a r do ft h es t o n es p i r y s t a i rb a l u s t e r b a s e do na u t o c a ds y s t e m a , t h ec o v e rb o a r da n dl a t e r a lb o a r do ft h es t o n es p i r y s t a i rb a l u s t e ra r e d e s i g n e dp a r a m e t r i c a l l yu s i n g t h e p r o g r a m m e m a i nc o n t e n t s a r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i sa sf 0 1 l o w s ： f i r s t l y ，t h ec o n v e n i e n ta n d d i m e n s i o nc a l c u l a t i o nw h i c ha r e a p p l i e de r r o rf o r m u l aa n dt h ew h o l e p r o d u c e db ym a k i n gt h eh e l i c o i do f c o v e rb o a r di ns e v e r a ld i f f e r e n tw a y s ，t h et e c h n i c si sd e d u c e di nt h e m e t h o do fd i f f e r e n t i a l g e o m e t r y ，b a s e d o nt h e g i v e de r r o r ，t h e p a r a m e t r i c a ld i v i s i o na n ds e r i a ln u m b e r s 。 s e c o n d l y ，t h ec o v e rb o a r da n dl a t e r a lb o a r do ft h es t o n es p i r y - s t a i r b a l u s t e rm u s tb ed i v i d e da n dm a d es e q u e n c en u m b e r s ，s ot h ep a p e rg i v e s t h ea p p r o x i m a t ep r o c e s s i n gm e t h o do fc h o o s i n gt ou s et h es e p a r a t ep l a n e a n dc o l u m n a rs e c t i o nt or e p l a c et h eh e l i c o i d i tm a k e st h eh e l i c o i dc a rb e d i v i d e da u t o m a t i c a l l y ，t h em a x i m a le r r o rm u s tb el e s st h a nt h ea l l o w a b l e e r r o r e v e r yp i e c e c a nb e g i v e d t h en u m b e ra f t e rd i v i s i o ni n s e m i a u t o m a t i cm e t h o d ， t h i r d l y ，t h ep a r a m e t r i c a lp l o tt ot h ec o v e rb o a r da n dl a t e r a lb o a r di s m a d e ，t h eu s e rg u n st h ep r o g r a m m ea tf i r s t ，t h e nf i l l si nt h ec o n c r e t e p a r a m e t e r si 1 1 t h ep a r a m e t r i c a ls h e e t s ，a n dc o n n e c t st ot h ea u t o c a d s y s t e ma n dd r a w st h ec o r r e s p o n d i n gg r a p h so ft h ec o v e rb o a r da n dl a t e r a l b o a r di nt h ea c t i v ep a g e k e yw o r d s ：s t o n e ，p a r a m e t r i c a ld e s i g n ，c a d ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ， p a r t i t i o n 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，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， 也不包含为获得武汉理工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傲的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：隧趟日期迦i ：垒丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：毖垒。导师签名：! 写至垒日期塑2 ：垒：! ! 注；请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 异形石材的加工概况 异形石材可以理解为除石材板材制品以外的其它所有石材制品。 如我们平常所见的人物或动物的雕像，挂在墙面上的浮雕、圆柱、拱 门等都可以称为异形石材。 近几十年来，随着科学技术的发展以及人们对大自然的崇尚，石 材制品以其天然的华丽色彩和物理性能使其在建筑装饰、精细加工、 精密检测、生活用具、艺术制品等方面得到大量应用，尤其是在建筑 装饰上得到广泛的应用。 异形石材用途广泛。在建筑方面，可以用做石雕和整型料石，如： 高级建筑与仿古建筑的柱、柱基台阶、台基、水池装修、纪念碑等。 也可用做粗面装饰板，如：室外装修、防滑地面、路面等。也可做成抛 光装饰板及板石，如：室内外墙面、地面、楼梯踏步、台阶、踢脚板、 窗台、门框、服务台等。石材在生活用品方面也有广泛的用途，可以 做成石桌、石凳、茶几、卫生间洗台、壁炉文具、烟具、灯具、花盆、 花瓶等。异形石材可以做成家具，给人以典雅和富丽堂皇之感，也可 做成很多非常美丽的工艺品。 目前，异形石材主要应用于建筑装饰上，在世界各国已经成为建 筑装饰业的主流，但由于世界各国的历史文化的不同，在建筑装饰的 表现手法上也体现出地域的不同。近年来，人们对异形石材的要求向 着高档化、多样化、个性化方向发展，石材加工也呈现出品种多、批 量小的特点。 异形石材的分类方式很多，被行业公认的主要是按产品的特点和 加工方式进行分类l ”。 1 、平面异形制品。指形状以二维图形为主的台板面制品，一般带 有边缘花线，如卫生间面盆板、厨房灶台板、花线条、拼花板材等。 2 、曲面异形制品。指具有公共母线或对称中线的曲面板材制品， 武汉理工大学硕士学位论文 如内外圆弧形、s 形或波浪形等墙面、柱面用板材制品。 3 、实体回转面制品。指具有对称中线的柱体制品，如圆柱、工艺 花瓶、栏杆柱、扭纹柱、球体、罗马柱、柱座等，加工设备具有回转 工装。 4 、雕刻制品。指没有对称中线、具有复杂形状的异形制品，包括 平面浮雕和立体雕刻，如画框、透雕窗格、壁炉饰面、各种楼梯扶手、 立体人像、动植物雕刻品等。 随着数控技术、制造技术和计算机技术的发展，异形石材的加工 已由传统的手工作业发展为机械化、自动化的生产。异形石材的加工 工艺不断改善，新的加工技术也不断涌现，最常见的有1 3 】： 1 、仿型技术 异形石材的仿形加工是利用机械或液压机构经一定的运动关系组 合后，使得被加工材料和制品模型具有输入、输出点坐标同步的关系， 从而形成机构仿型的一种机械加工方式。其原理是利用仿形仪作为检 测和反馈元件，根据仿形指的偏移量和其它相关参数计算出机床各坐 标轴上的速度值，直接输出给伺服单元，使仿形指保持规定的偏移量 沿着模型表面作扫描运动。 2 、数控加工技术 数控技术在是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制 的一种方法，现代的数控机床大多都采用计算机作为控制平台。数控 技术和计算机辅助设计与制造技术( c a d c a m ) 的发展，正在使传统的 机械设计与制造方式发生根本的变化。特别是现代化计算机数控机床， 由于采用了计算机辅助数控编程，大大缩短了产品的制造周期，提高 了产品的竞争能力，具有明显的经济效益和广阔的发展前景。 3 、多功能数控加工中心 多功能数控加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设 备，具有高精度、高速度、高效率和高自动化，且能适应多品种小批 量生产的显著特点。从控制系统方面来说，多维数控加工中心一般采 用图形编程和模型扫描两种方法来建立制品造型程序。从结构上说， 这类设备通常是将多个普通数控加工设备的功能集中于一台设备上。 设备的不同功能可以通过增加选配件来实现。 当前用于石材异形制品的加工设备种类繁多，有数控、液压和机 械仿形等多种结构形式。最常见的异形石材加工设备有以下几种1 4 1 ： 1 、单一功能的加工设备 2 武汉理工大学硕士学位论文 专门用于生产某一种类型的异形石材。以各种各样的国产设备为 主，如花线条加工设备、圆弧板加工设备、台面板加工设备、柱体加 工设备。 2 、仿型加工设备 目前用于异形石材的仿形机构有机械和液压等方式。机械仿形机 构多采用由平行四边形机构组合而成的结构形式，液压仿形则是将几 个液压油缸和液压阀组合形成液压仿形油路系统，如卧式液压仿形车 床、立式液压仿形车床等。 3 、数控加工设备 目前常用的数控加工设备有数控车床、数控铣床、数控金刚石串 珠绳锯以及多功能加工中心等。 异形石材制品加工设备的发展直接影响着加工异形石材产品的能 力，对异形石材产品的需求量的增大也促使其加工设备迅速发展。在 石材工业先进的国家里出现的各种高效率的数控加工设备将促使异形 石材制品更加多样化1 5 】。 1 2 国内外石材c a d 的发展现状分析 1 2 1 国内研究开发情况 随着中国经济的飞速发展和人民生活水平的提高，我国的石材 行业得到了飞速的发展，异形石材制品在现代装饰业中已是一种必 不可少的品种。加工异形石材，不仅可以满足市场需求，而且也可 以大幅度地提高产品的附加值。石材制品的品种也逐渐呈现多样化， 除矩形板材外，还出现了各种弧形板、花线条、变截面柱、栏杆和 雕刻品等等。特别是近些年来，欧洲诸国在异形石材加工方面发展 很快，研制出了一大批功能各异的异形石材加工机械，加工出了各 种高质量的异形石材产品，如用于作屋面板的大跨度弧形板、罗马 柱、公园里的靠背座椅等。 虽然我国石材工业的总体发展也相对较快，但是，在制造业c a d 技术日益发展和不断完善的今天，其整体水平离世界发达国家的先 进水平还有较大的差距，石材加工和石材装饰行业c a b 技术的发展也 3 武汉理工大学硕士学位论文 显得相对较为落后。比如生产技术与装备落后，管理水平较低，半 手工加工石材占较大比重，深加工和养护水平也很低，更重要的是 石材技术和加工工艺发展较为缓慢。所以尽快发展c a d 技术在我国 石材加工和石材装饰行业中的比重无疑有着重要而深远的意义。 在我国的石材加工和石材装饰行业中，对石材的加工设计和装 饰设计通常也都是采用手工设计制图，手工进行石材分割设计，手 工进行石材编号，手工开具加工单，因此造成设计周期长、费工费 料、效率低下等现状，严重制约了企业的发展。此外，由于石材行 业的特殊性，石材品种繁多，花色各异，装饰方案也是多种多样的， 这就给设计带来一定的困难，从而影响了石材的装饰性能和合理利 用。 a u t o c a d 是目前国内最为流行的微机绘图软件，是大多数设计人员 使用的工具。石材加工与a u t o c a d 相结合，成为a u t o c a d 的一个新实 体，扩充了a u t o c a d 的绘图功能，运行该程序时，可进行交互输入石 材制品所要求的参数就可以产生所需的图形，实用方便。通过计算机 的图形显示，有利于石材加工的发展，同时将其它软件与a u t o c a d 进 行交互式运用，快捷方便，可以成为设计师的好助手。 随着计算机及应用技术的飞速发展，c a d 技术在制造加工业中的 应用也越来越普及，但是在石材加工和石材装饰行业中，c a d 技术的 发展相对滞后，这主要是由于以下几方面原因造成的： 1 在石材的加工设计绘图过程中，由于没有统一的行业标准， 各个生产厂家均借助于机械制图中的国家标准加以简化移植过来， 因此绘图标准的混乱造成石材加工行业间的交流十分不便，也给c a d 技术在石材加工和石材装饰行业中的应用带来困难。 2 石材不同于金属材料，具有其特殊的物理性能和化学性能， 因此在设计和加工中均有其特殊性，再加上石材品种繁多，花色各 异，都会给设计带来困难，影响了石材的装饰性能，也加大了c a d 技术的应用和发展的难度。 由于上述种种原因，目前c a d 技术在石材加工和石材装饰行业 中的应用多以计算机软件手工绘图为主，发展远没有其它制造行业 普及。特别是由于没有统一的行业标准，甩图板工程依然任重道远。 4 武汉理工大学硕士学位论文 近几年来，国内已经有了针对石材加工设计的应用软件面世，由 沈阳建筑工程学院与中国石材工业协会石材杂志合作开发的装 饰石材c a d 软件s c 一1 ，在国内外各种建筑装饰软件的基础上，开发出 多种较先进而实用的功能并集石材优化下料、石材类型选择、石材 自动铺设、小面加工、柱面及弧面处理、干挂湿挂方案设计、装饰 艺术拼花、铺设效果渲染等为一体的综合性应用软件。在此之后， 又开发出了装饰石材c a d 软件的升级产品s c - 2 ，其主要功能如下”： 1 绘图功能。此功能利用c a d 程序具有强大的平面及三维建筑 模型设计，设有专用石材设计主菜单及相应的下拉菜单，为石材装 饰加工设计简单方便的操作指令及对话框。 2 自动石材铺设。根据欲铺设的平面、弧面及任意曲面的尺寸 及型材尺寸提供方案并能自动进行多种类型的石材铺设。 3 自动石材编号。石材铺设完毕后，可根据铺设石材尺寸大小 进行分组编号。 4 自动填制加工单。进行自动尺寸标明，铺设面积统计，填制 加工工艺。 5 优化下料。根据装饰尺寸，输入各种大板尺寸及各种工程板 尺寸，以最大出材率为石材加工厂提供最优下料组合方案及切割方 向。 6 拼花设计。拼花设计功能为用户提供基本单元图形，由基本 图形及基本工具可以拼出各种图案。同时对各加工图形进行编号， 采用加工单进行填制并给出相应的加工尺寸。该软件备有拼花库供 用户进行选择。 7 自动生成效果图。根据上述功能设计的铺设模型及拼花图 案，选用石材材质库中的各种石材对设计方案表面进行粘贴效果渲 染。 8 管理库。设置有国内外石材厂、工具厂、矿山等各种信息和 数据库，供用户填制和选择，同时该软件具有工程统计和预算功能。 9 墓碑设计及异形石材。根据石材厂家需要，设计一些墓碑图 案及异形石材图案，可自动选取、修改、设计，同时可根据用户需 求设计一些专用程序或部分程序。该程序使用简单、可操作性强， 武汉理工大学硕士学位论文 功能较全，经多家用户使用证明，适合我国石材企业使用，提高企 业科技和加工设计管理水平。 1 2 2 国外研究开发情况 国外的石材加工软件以日本t e c h n o a 株式会社的建筑石材c a d 软件包p i e t r av e r 3 5 为代表。日本株式会社t e c h n o a 于1 9 9 0 年7 月受日本石材会社委托，与石材专家通力合作，开始开发和销售建 筑石材专用c a d 软件。1 9 9 3 年7 月推出建筑石材c a d 软件包p i e t r a 日语版( e w s u n i x ) ，p i e t r a 开始在日本国内畅销。1 9 9 6 年4 月推 出英文版p i e t r a ，并出展美国迈阿密国际石材展览会，p i e t r a 开始 在欧美销售。1 9 9 7 年2 月推出中文台湾版p i e t r a ，并出展台湾花莲 国际石材展览会。p i e t r a 开始在台湾和香港销售。1 9 9 8 年1 月推出 p c w i n d o w sn t 版的建筑石材c a d 软件包p i e t r a ，p c 版p i e t r a 开 始取代e w s 版在世界各地销售。1 9 9 9 年2 月推出中文大陆版p i e t r a v e r 3 0 ，并出展广州国际石材展览会，p i e t r a 开始在中国大陆销售， 如今已向全世界推出建筑石材c a d 软件包p i e t r a 的四种语言版本 v e r 3 5 。t e c h n o a 株式会社的建筑石材c a d 软件包p i e t r a 的开发至 今已有十余年的历史，形成了以下两个系列共7 个版本。 e w s 4 8 0 0u n i x 系列：日文版，英文版，中文( b i 9 5 ) 版。 p cw i n d o w sn t 4 0 系列：日文版，英文版，中文( b i 9 5 ) 版，中 文( g b ) 版。 p i e t r a 在日本已销售了1 0 0 多套，并已广泛被各大石材公司所 采用。在海外已推广至中国大陆与台湾、新加坡和意大利等国家。 在中国大陆，p i e t r a 已经在广东、上海、北京、广西、福建和山东 等全国各地有了用户。p i e t r a 正在为提高中国石材业的设计水平和 工作效率做出贡献。据介绍，p i e t r a 主要有以下4 大功能“”： 1 绘制图面功能与a u t o c a d 基本类似，而且可与a u t o c a d 通过 d w f 方式进行数据交换。此外，还拥有丰富的石材绘图指令，如自动 收头指令，小面加工的自动作图，圆弧圆柱断面的自动作图等等。 2 自动石材分割。根据接缝宽度和石材尺寸，能自动进行石材 6 武汉理工大学硕士学位论文 分割和编排，并生成勾口加工图形。亦能自动进行弧面或圆柱的石 材分割与生成接缝。 3 自动石材编号。石材经分割和编排后，可自动进行石材的编 号和归类，便于加工和管理，而且编号方式可以根据需要进行选择， 如由上至下、由下至上、由左至右、由右至左等等，甚至可以自行 制定编排方式或修改。 4 自动开立加工单。利用制图时输入的资料，能自动开立供石 材加工用的加工单。 5 自动图纸翻译。能实现日本语、英语、中文g b 、中文b i 9 5 之间的图纸的自动翻译，便于实现国际化合作和贸易。 6 数据库。p i e t r a 拥有丰富的石材数据库和高效的工事管理 库，这些数据库可以由用户自由添加、修改和删除。 7 国际用户网络。全世界用户都可以在这个国际用户网络上进 行石材工程的招标、图纸的设计交换、石材交易的洽谈等等。 1 3 选题的目的和意义 石材旋转楼梯扶手栏河是异形石材的一种，常用于大宾馆、大酒 店、大商场、大剧院等高档建筑的装饰。旋转楼梯栏河的上表面一般 是一种空间曲面一一螺旋面，其精确加工须用整块石料在数控铣床上 铣削，既费工又费料，造价昂贵，且不便安装。工程上一般采用饰面 装饰，用石板取代石块，用易加工的表面近似逼近螺旋面，于是在实 际施工中常出现逼近石板在厚度方向和宽度方向错边的问题，处理方 法是现场打磨，但是这种错边误差必须控制在一定的范围之内，严重 的错边常造成逼近石板全部报废，损失往往达数十万元，这在石材行 业里是一个老大难的问题。 本课题研究的目的就是要解决这个老大难的问题。用微分几何的 理论建立近似加工旋转楼梯栏河螺旋面的工艺方法，推导出近似加工 旋转楼梯栏河盖板螺旋面的误差式，根据给定的误差对螺旋面和侧板 的圆弧面进行分割，从而开发出能自动开立加工单的c a d 软件，并对 其他异形石材c a d 的开发进行研究。 7 武汉理工大学硕士学位论文 本课题主要是对石材旋转楼梯栏河盖板( 螺旋面) 和侧板的c a d 进行开发与研究，经调研发现，国内外均无人开发石材旋转楼梯栏河 的c a d 软件，因此研究此课题将具有重大意义。 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 石材旋转楼梯栏河盖板与侧板的相关计算公式 石材旋转楼梯栏河盖板是螺旋面，用分段平面或分段圆柱面来对 螺旋面进行近似加工，这样就产生了误差，为了能够保证石材旋转楼 梯栏河盖板在整体造型上更加接近螺旋面，就需要使这个误差尽可能 小。于是我们用微分几何的方法推导出了这种加工方法产生的误差公 式，利用这个误差公式就可采取合适的分割方法来保证最大误差不会 超过一个允许误差值，从而使整体造型能满足要求。 1 4 2 石材旋转楼梯栏河盖板与侧板的参数化制图 异形石材装饰设计是一种多参数设计系统。平面图的设计要经过 一系列绘图计算过程，尤其是异形石材结构件，由于各构件形状都不 一样，尺寸变化大，给手工设计带来一定的困难，需要花费很长时间， 而利用基本图形，可以进行新的图形设计，由此提出异形石材参数化 设计思想。 石材旋转楼梯栏河盖板和侧板的参数化制图的设计思路是根据用 户要求确定合适的石材旋转楼梯栏河盖板和侧板模型，根据模型结构 修改相关的尺寸参数，即可通过系统完成一套新的石材旋转楼梯栏河 盖板和侧板平面图，方法简单、快捷。同时根据这些参数利用程序自 动连接、启动a u t o c a d 应用程序，在其活动页面中自动画出盖板和侧 板的相应视图。参数的修改是通过对话框来实现的，所有参数直接填 写，在输入参数的窗体上附有相应的石材旋转楼梯栏河盖板和侧板图 案，图上标出参数的局部几何位置及相关的尺寸，用户输入时一目了 然。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 3 石材旋转楼梯栏河盖板与侧板的参数化分割和编号 石材旋转楼梯栏河盖板参数化分割的基本思路是：用微分几何的 方法推导出利用分段平面或圆柱面近似加工盖板螺旋面的误差式，然 后在a u t o c a d 中打开欲分割的旋转楼梯平面图，选择其中要分割的区 域，输入相应的参数，再根据给定的允许误差，调用相应的功能模块 程序对螺旋装饰表面进行自动分割，分割后可采用半自动法进行编号。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a u t o c a o 二次开发技术概述 对一个系统的开发，通常一套指导系统开发的策略和方法技术是 必不可少的。目前国际上已开发了许多用于系统开发和分析设计的方 法，如结构化生命周期法、快速还原型法、i d e f 方法、数据流程图法 和面向对象方法。由于面向对象方法将功能抽象与数据抽象结合在一 起对问题进行分解，因而模块的独立性、可重用性、可理解性都很好， 所以我们采用完全遵从面向对象的方法原则，以v is u a lb a s i c 为编程 开发语言来对石材旋转楼梯栏河c a d 系统进行开发。 2 1 面向对象的二次开发技术 在早期的机械c a d 二次开发系统中，传统的过程化参数化设计是 较多采用的一种方法。它采用的是结构化的程序设计方法，按功能划 分模块，逐步求精的将给定问题领域中的具体任务细化为若干各子任 务，定义成基本功能模块，模块与模块之间通过数据进行联系。随着 设计与生产制造对c a d 技术的要求越来越高，系统的功能不断提高和 扩充，而它的功能不是最稳定的因素，若需要修改调整时，涉及面很 广，许多程序代码需要重新实现，难度大，导致质量问题严重、开发 效率低及维护困难，所以这种传统的面向过程的软件开发方法已经不 能适应这种要求，因此面向对象的软件设计方法成为主导。它是软件 工程系统的结构化程序设计、模块化、数据抽象、信息隐藏、知识表 示、并行处理等各种概念的积累与发展，该方法更能高效率反映客观 事物的内在特性和内在联系，符合工程设计方法学。它试图模仿人们 建立现实世界的程序设计方法，着眼点是数据而不是功能，其设计思 路是从确定表征客观实体的对象开始，建立对象之间的层次结构，确 定反应对象状态的属性及施加于这些属性之上的操作，对象之间通过 消息相互作用和联系，从而形成软件结构哺1 。 2 1 1 面向对象的c a d 系统的建模分析 面向对象方法以“对象”为核心，“对象”是系统中基本运行和处 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 理的单位，是客观世界中的具有特殊属性( 数据) 和行为方式( 方法) 的实体。对于一个设计问题，我们可将问题逐步分解成一组相互作用 的对象。每个对象都具有它自身独立的含义，这些含义用它的属性特 征来描述，属性可分为两类：一是静态属性特征，它描述对象的状态 结构，在程序设计中用数据结构来实现；二是动态属性特征，它是施 加于对象上的操作，用来改变对象数据结构的状态，在程序设计中一 般用函数来定义。对象之间通过信息传递来实现相互作用与联系。在 某一时刻，对象与对象之间的联系构成了设计问题空间该时刻的既定 状态的变化，当对象与对象之间通过信息传递发生相互作用时，基于 其对象状态的变化，状态的有序变化就使得问题空间从初始状态过渡 到目标状态，从而实现设计问题的求解。 面向对象的二次开发，也就是将面向对象技术应用在待开发的c a d 系统，从要求出发，以对象作为基本概念，通过对对象的确定、分解 和分类，建立相应的对象关系图用来分析面向对象系统。通过行为抽 象和数据结构抽象，描述系统的属性，得到由对象构成的层次结构， 形成对问题领域完整的语义描述，完成c a d 系统模型设计，利用一种 面向对象程序设计语言( 如v i s u a lb a s i c ) 将建立的模型转换成计算机 可接受形式，完成程序编制，实现二次开发。 对石材旋转楼梯栏河c a d 系统进行设计，可将其分为盖板分割以 及对盖板和侧板分别进行平面图设计。 2 1 2 面向对象的c a d 系统的基本特征 面向对象的机械c a d 技术为大型复杂系统设计提供了一种良好的 解决方法。面向对象方法的核心思想是将一切客观实体都看成对象， 每个对象由数据( 描述事物的属性) 和作用于数据的操作( 体现事物的 行为) 构成一个独立的整体，每个对象都属于某个对象“类”。对象之 间通过消息传递相互作用，而操作细节则封装在相应的对象里。抽象 性、继承性、封装性和多态性是对象的基本特征。 其抽象性表现在限制程序对一个对象的数据访问，只能通过其公 共界面，而不允许直接操作其数据，这主要是通过封装来实现的。比 如用户在设计石材旋转楼梯盖板时，只需关心盖板的结构形状，了解 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 其所提供的接口方式及如何向其发送数据即可。输入了广系列的参数， 就可以通过函数来实现操作，这些函数的实现细节都隐藏在系统的内 部，用户无需关心。 继承性是父类和子类之间共享数据和方法的机制。类是在对象之 上的抽象，有了类之后，对象则是类的具体化，是类的实例，同一类 的各个对象具有相同的属性项，但属性项的具体值不同。类可以有父 类，可以有子类，父类反映的是子类的共性，子类描述的是区别于其 它子类的个性，从而形成了类的层次结构。 多态性是指不同的对象收到同一消息时可产生完全不同的结果， 即同一消息可调用不同的方法，而方法实现的细节是由接受消息的对 象自行决定的。 2 1 3 面向对象的c a d 系统的应用 当前，在c a d 系统的开放式结构中，面向对象技术是主要的实现 形式，即系统的功能、数据和界面以对象的形式暴露给用户，由于目 前已有大量的面向对象的编程工具，利用这些工具开发的应用程序， 可以通过对象的属性和操作来访问控制系统。 采用面向对象的技术方法，可以使像c a d 这样的大系统的开发周 期缩短，错误减少，功能稳定，并充分体现并行工程的思想。比如在 设计石材旋转楼梯栏河的c a d 系统时，首先，按照软件工程的思想方 法进行建模设计，生成系统框架，选择a u t o c a d 作为二次开发平台。 在此基础上，建立一个工程( p r o j e c t ) ，根据系统框架设计系统界面( 包 括系统菜单、工具条、对话框等) ，实现基本功能( 如系统的文档操作、 编辑功能、图形显示功能等) 。然后，相应的开发人员即可进入，按照 系统框架所规定的模式和所要求的功能进行编程。面向对象技术更易 于把复杂的问题分解为许多子问题，为c a d 系统提供优良的开发环境， 从而提高开发效率和系统的稳定性。 2 2 系统开发环境 一个c a d 软件系统应该包括系统软件、支撑平台和应用软件三大类。 武汉理工大学硕士学位论文 1 系统软件 计算机操作系统w i n d o w s9 8 w i n d o w s2 0 0 0 w i n d o w sx p 。用于计 算机的管理、维护、控制、运行。 2 支撑平台 在系统软件的基础上，石材旋转楼梯栏河c a d 系统所需要的基本 应用软件是软件系统中的核心，主要是图形处理软件a u t o c a d 。图形处 理软件a u t o c a d 是系统中的重要支持平台。用于产生各种图形元素， 如点、线、圆等，建立图形，输出图形。 3 应用软件 在选定的系统软件和支撑软件的基础上，开发出面向用户的应用 软件。 自从1 9 8 2 年a u t o d e s k 公司开始在a u t o c a dr e l e a s e1 4 0 1 中支 持v i s u a lb a s i ca p p l i c a t i o n ( v b a ) 以来，已经发布了a u t o c a d 的1 0 多个版本了。m i c r o s o f tv b a 是一个类似于v i s u a lb a s i c ( v b ) 那样提 供了丰富开发能力的面向对象的程序设计环境。v b 和v b a 主要不同之 处是v b a 和a u t o c a d 运行在同一个程序空间，提供了非常快速和合理 的a u t o c a d 设计环境“1 。尽管a u t o d e s k 未宣布过支持v b 进行a u t o c a d 的二次开发，然而v b a 是v b 的一个子集，所以完全可以使用v b 开发 a u t o c a d ，支持的a c t i v e xa u t o m a t i o n 界面的应用程序。幸运的是， 在v b 中a u t o c a da c t i v e x 组件都可以看到，也就是说，可以使用v b 开发程序。由于使用v b 进行开发，所以开发的程序可被编译成二进制 文件，而更利于程序的发布。 采用v b 开发a u t o c a d ，可以较好的使用v b 界面对a u t o c a d 进行控 制，充分发挥v b 在计算、数据处理方面的优点。v b 能很容易的访问数 据库，而且容易设计出友好的界面等，这是其它方式不易实现的。 具体来说，在m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统下，m i c r o s o f tv i s u a l b a s i c 集成式开发环境中建立用户的操作平台，设计人机交互界面，进 行信息处理，利用a c t i v e x 自动化技术( a c t i v e xa u t o m a t i o n ) 处理 图形和输出结果。 简而言之，石材旋转楼梯栏河c a d 系统的软件系统开发配置内容 如下： 武汉理工大学硕士学位论文 m i c r o s o f tw i n d o w sx p 操作系统 m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 集成开发环境 a c t i c e x 自动化技术和a u t o d e s ka u t o c a d2 0 0 6 绘图环境 2 3 a u t o c a da c tiv e xa u t o m a tio n 技术介绍 a u t o c a d 是一种具有高度开放结构的通用c a d 平台软件，它提供给 编程者一个强有力的二次开发环境，但是在r 1 4 版以前的a u t o c a d 中， 能够提供给开发者的二次开发工具极其有限，主要是a u t o l i s p 和以 c c + + 为主的开发工具。自a u t o c a d r l 4 版以后，a u t o c a d 采用了一种在 o l e 2 0 基础上发展起来的新技术，称之a c t i v e xa u t o m a t i o n i n t e r f a c e ( 即我们常说的a c t i v e x 自动化界面技术) 。许多面向对象化 编程的语言( 如v i s u a lb a s i c 、c c + + 、j a v a 、w o r d 、e x c e l 等) 和应 用程序，都可以通过a c t i v e x 与a u t o c a d 进行通信，并可以操纵a n t o c a d 的许多功能哺1 。 2 3 1 a u t o c a da c t ；v e x 技术简介 a c t i v e x 是基于构件对象模型( c o m ) 的技术，是一种对a u t o c a d 图 形库进行访问的新的编程方法。能够使用a c t i v e x 自动化界面的语言 环境有很多，这是使用a c t i v e x 技术的一大优点。换言之，一种具备 a c t i v e x 技术的应用程序，可为开发人员提供多种可选择的开发工具。 采用a c t i v e x 技术的另一优点是，应用程序之间可以很好地共享数据， 如a u t o c a d 与m se x c e l 和m sw o r d 等应用程序之间的数据共享。 a u t o c a da c t i v e x 提供了一种机制，该机制可使编程者通过编程手 段从a u t o c a d 的内部或外部来操纵。a u t o c a da c t i v e x 是由一系列的对 象，按一定的层次组成的一种对象结构，每一个对象都代表了a u t o c a d 中的一个明确的功能，比如说画圆、画多义线、图块定义等等。a c t i v e x 所具备的绝大多数a u t o c a d 功能，均以方法和属性的方式被封装在 a c t i v e x 对象中，我们只要使用某种方式，使a c t i v e x 对象得以“暴露”， 那么就可以使用各种面向对象编程的语言对其中的方法、属性进行引 用，从而达到对a u t o c a d 实现编程的目的。如a c a d t e x t 和a c a d l i n e 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 就是a u t o c a da c t i v e x 用来封装a u t o c a d 中的创建文本( t e x t ) 和画直 线( l i t i e ) 功能的类对象，而声明语句： d i mt e x t o b ja sa c a d t e x t d i m1 i n e o b ja sa c a d l i n e 就是“暴露”a c t i v e x 对象的一种方式，或者说通过声明语句，类对象 把它的内部特征赋予给了实例，即通过对象变量将类实例化，其原因 是因为类对象被设计的目的主要是作为一个可重用的组件。而语句： s e t1 i n e o b j = t h i s d r a w i n g m o d e l s p a c e a d d l i n e ( s t a r t p n t ，e n d p n t ) 就是引用已“暴露”的a c a d l i n e 对象中的a d d l i n e 方法，实现在当前 图形文档( t h i s d r a w i n g ) 的模型空间( ( m o d e l s p a c e ) 中画出一条直线的 目的。 2 3 2 a u t o c a d 中的a c t i v e x 对象模型 a u t o c a d 的对象模型是层次结构。最高层次对象为a u t o c a d a p p l i c a t i o n ，它包含p r e f e r e n c e ( 参数对象) 和a c t i v ed o c u m e n t ( 文 档对象) 两个子对象。p r e f e r e n c e 性质返回设置对象，即与a u t o c a d 系统中参数设置相对应的对象，等价于a u t o c a d 的p r e f e r e n c e 对话框， 包含了a u t o c a d 的系统参数设置。d o c u m e n t 性质返回文档对象即可为 当前c a d 图形，d o c u m e n t 包含了图形对象和非图形对象集合，图形对 象可通过m o d e l s p a c e 和p a p e r s p a c e 性质获得，非图形对象通过同名 的性质得到，这样用户可以实现图形二维和三维处理及人机交互、打 印输出等功能心”。 2 4 应用程序和a u t o c a d 的连接 用v b 实现a c t i v e xa u t o m a t i o n 开发a u t o c a d 的关键是获得 a u t o c a d 的指针及创建a u t o c a d a p p l i c a t i o n 对象，进而创造a u t o c a d 文档对象，以实现对a u t o c a d 中其它对象的访问，完成与a u t o c a d 的 连接。 c r e a t eo b j e c t 和g e to b j e c t 函数返回一个应用程序对象，用来 实现a u t o c a d 和v b 的连接。以下代码可进行v b 和a u t o c a d 的连接： 武汉理工大学硕士学位论文 全局变