（机械设计及理论专业论文）面向对象的机械cad软件工程方法研究与实践.pdf

够5 3 6 97 s 西安建筑科技大学硕士学位论文 面向对象的机械c a d 软件工程方法研究与实践 专业：机械设计及理论 硕士生：赵锋 指导教师：王永平教授 摘要 本文通过对现代软件技术的发展及软件工程思想，尤其是对面向对象的软件工程 思想的介绍，并结合机械c a d 技术的发展及机械c a d 软件的特点提出：在机械c a d 软件的开发中必须选用先进且适合的软件开发方法面向对象的软件工程方法。通 过对面向对象的机械c a d 系统特点的分析，提出了面向对象的机械c a d 软件的一般 开发过程。并根据机械c a d 系统体系结构的划分，从开发环境、几何( 支撑) 平台及 类结构层次的划分等方面分别论述了面向对象思想在通用机械c a d 系统及专用机械 c a d 系统开发中的运用及其优越性。提出了专用机械c a d 系统开发的原则，并重点 论述了专用机械c a d 系统中类( 对象) 的识别方法。论文中通过对u m l 方法的介绍， 提出将u m l 方法引入到机械c a d 系统的开发中的思想，并结合专用机械c a d 系统 的特点，对u m l 面向对象分析在专用机械c a d 系统开发中的一般过程进行了论述。 并且提出，在系统的开发中，可利用全面支持u m l 的r a t i o n a lr o s e 作为c a s e 工具， 从而在机械c a d 系统开发中实现方法与工具的完美结合。最后，本文以耐火砖模具 c a d 系统的开发为例，对该系统做了比较详细的分析建模，在该系统的开发中使用了 u m l 方法并以r a t i o n a lr o s e 作为c a s e 工具，不仅使分析过程更加符合人们的思维 逻辑，具有更清晰的思路，而且提高了软件开发效率。从而进一步说明u m l 面向对象 方法在专用机械c a d 系统开发中的可行性。在理论与实践上为专用机械c a d 系统的 开发提供了一些有益的思路与方法。 关键词：软件工程面向对象机械c a d 系统u m l c a s e 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o n o fa n 0 b j e c t - o r i e n t e d m e c h a n i c a lc a d s y s t e m s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：z h a o f e n g i n s t r u c t o r ：w a n gy o n g - p i n g p r o f s c a l ea n dl i f ep e r i o do fs o f t w a r ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s ea l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f p r o d u c t i o n ，a sw e l l 嬲m e c h a n i c a lc a ds y s t e m i no r d e rt or e s o l v et h es o f t w a r ec r i s e s ，n o t o n l yt h em e t h o do fs o r w a r ee n g i n e e r i n gb u ta l s ot h et o o l so fc o m p u t e r - a i d e ds o f t w a r e e n g i n e e r i n gm u s tb eu s e d i nt h e d e v e l o p m e n to fs o f t w a r e m e c h a n i c a lc a ds y s t e m d e v e l o p i n gw i t h s t r u c t u r em e t h o dh a sb a dr e a d a b i l i t y , e x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c e t h e o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yp r o v i d e sas a t i s f a c t o r ys o l u t i o nt o o lf o rt h ed e s i g no f l a r g e s c a l e a n dc o m p l e xs y s t e m t h eo b j e c t - o r i e n t e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tm e t h o dh a sr e m a r k a b l e a d v a n t a g e sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to f t h ec o m p l e t ep r o d u c ti n f o r m a t i o n m o d e l d e v e l o p m e n t o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o dp r o v i d e san e ws o t t w a r ed e v e l o p i n gm e t h o d i t sad e v e l o p i n g d i r e c t i o nt ou s eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o di i lm e c h a n i c a lc a d s y s t e m u m l as t a n d a r d m o d e l i n gl a n g u a g e o f 0 b j e c t - o r i e n t e d ，a m a l g a m a t e s t h eb a s i c c o n c e p t s o fu s u a l o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d sa n d u n i f i e ss y m b o ls y s t e m ，h a sb e c o m ead o m i n a n tm e t h o di nt h e d e v e l o p m e n to fs o f t w a r ei nt h el a s tf e wy e a r s m o r e o v e r , a sat o o lo fc a s et h a ts u p p o r t s u m lw h i t m a n ya d v a n t a g e s ，r a t i o n a lr o s e h a sb e c o m e m o r ea n dm o r e p o p u l a r i nt h i sp a p e r , t h ei d e aa n dm e t h o d so f t h e o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y a r ep r e s e n t e df o rt h e d 船i g n a n dr e a l i z a t i o no fam e c h a n i c a lc a d s y s t e m i t d i s c u s s e ss o m em e t h o d sa n d p r i n c i p l e so fd e v e l o p m e n tf o ras p e c i a lp u r p o s em e c h a n i c a lc a ds y s t e mb a s e do nu m lb y t h et o o lo f r a t i o n a lr o s e i ti ss i g n i f i c a t i v et oi m p o r tu m lt ot h ed e v e l o p i n go f m e c h a n i c a l c a d s y s t e m a n d t or e s e a r c h t h ea p p l i c a t i o n o f u m l i n m e c h a n i c a l c a ds y s t e m i t w i l l 西安建筑科技大学硕士学位论文 q u i c k t h e d e v e l o p i n g o fo b j e c t o r i e n t e dc a ds y s t e m ，a c c e l e r a t et h e a p p l i c a t i o n o f o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d i ne n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，p r o m o t et h ee x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c eo f s o f t w a r e a sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef i r e b r i c kd i ec a ds y s t e m t h a ti sd e s i g n e d b yo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n d w i t ht h em e t h o do f u m l a l lo ft h e s ew i l lp r o v i d es o m e n e w t h i n k i n ga n d m e t h o d sf o rt h e d e v e l o p m e n t o f m e c h a n i c a lc a d s y s t e m k e y w o r d s ：s o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，o b j e c t - o r i e n t e d ，u m l ， c a s e ， m e c h a n i c a lc a d s y s t e m t h e s i s t y p e ：a p p | i c a t i o n f u n d a m e n t ，匹? 声明 本人郑重声明我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。尽我所知，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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一问工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名吻锋导师签名：易糸千吼吒 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 软件及软件工程概述 软件已经成为基于计算机的系统及产品的关键组成部分。在过去的4 0 年中，软件 已经从特定的问题解决和信息分析工具演化为一门独立的产业。但早期的“程序设计” 文化和历史产生了一系列至今还存在的问题，软件已经成为计算机系统演化过程中的 阻碍因素。如何有组织、有计划地进行专业应用软件开发已成为计算机进一步发展的 关键。软件是由程序、数据和文档组成。这些条目构成了软件工程过程中的配置项， 软件工程的目的就是为建造高质量的软件提供一个框架。 1 1 1 软件 1 9 8 3 年，i e e e 组织明确的给软件( s o f t w a r e ) 下了一个定义：软件是计算机程序、 方法、规则相关的文档以及在计算机上运行它时所必需的数据。其中程序称为软件的 实体部分。人们认识到软件是人的劳动产品，因此软件的编制需要一定的周期。在软 件编制过程中所有与软件相关的阶段成果都应该归结为软件。这些阶段成果往往表现 为各种文档，如需求文档、设计文档、程序文档、测试文档、用户手册掣。 随着计算机应用的日益普及，软件变得越来越复杂，规模也越来越大，这就使得 人与人、人与机器问相互沟通，保证软件开发与维护工作的顺利进行显得特别重要， 因此，文档( 即各种报告、说明、手册的总称) 是不可缺少的。特别是在软件日益成为产 品的今天，文档的作用就更加重要。 1 1 2 软件危机 1 1 2 1 软件怠机及其表现 软件危机( s o f t w a r ec r i s i s ) 是指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列 严重问题。概括地说，软件危机包含下述两方面的问题：如何开发软件，怎样满足对 软件日益增长的需求；如何维护数量不断膨胀的已有软件。具体的讲，软件危机主要 有下列表现： 产品不符合用户的实际需要。 西安建筑科技大学硕士学位论文 软件开发生产率提高的速度远远不能满足客观需要，软件的生产率远远低于硬 件生产率和计算机应用的增长，使人们不能充分利用现代计算机硬件提供的巨 大潜力。 软件产品的质量差。软件可靠性和质量保证的定量概念刚刚出现不久，软件质 量保证技术( 审查、复审和测试) 没有贯穿到软件开发的全过程，这些都导致软件 产品发生质量问题。 对软件开发成本和进度的估计常常不准确。实际成本比估计成本有可能高出一 个数量级，实际进度比预期进度拖延几个月甚至几年。这种现象降低了软件开 发者的信誉。而为了赶进度和节约成本所采取的一些权宜之计又往往降低了软 件产品的质量，从而不可避免地会引起用户的不满。 软件的可维护性差。很多程序中的错误是难以改正的，实际上不能使这些程序 适应硬件环境的改变，也不能根据用户的需要在原有程序中增加一些新的功能。 没能实现软件的可重用，人们仍然在重复开发功能类似的软件。 软件文档资料通常既不完整也不合格。 软件的价格昂贵，软件成本在计算机系统总成本中所占的比例逐年上升。 1 1 2 2 产生软件危机的原因 产生软件危机的原因，一方面与软件本身的特点有关，另一方面也和软件开发与 维护的方法不正确有关，具体有以下几个方面： ( 1 ) 对问题的目标没有充分地分析。对问题只有模糊了解就匆忙上阵着手编制程序。 ( 2 ) 没有研究一个好的算法。有的人写软件开发任务书，连他要开发一个什么软件， 他的软件具有什么功能、性能，用什么方法来实现这些功能和性能都搞不清楚。有入 习惯于无计划工作，甚至连框图都不画，采取“边走边瞧”的工作方法，碰到什么问 题解决什么问题。 2 3 3 时，砖长尺寸：1 0 0 减去0 5 ，1 0 1 3 0 0 减去1 ：3 0 1 4 5 0 减去1 ，5 ， 4 5 0 减去0 5 砖宽尺寸 2 3 3 时：均减去1 焦炉砖缩尺后的半成品尺寸= ( 砖的成品尺寸x1 0 0 ) ( 1 0 0 + 膨胀率) 2 边、堵板上的上、下死尺寸和底盖板上的尺寸，在没有热处理之前，根据尺 寸的大小在模型图上加上热处理缩量，如下图所示： 摸越商精度砖厚进堵掘羹板底板 1 8 01 _ s3 0 7 60 7一o a1 j 2 0 01 57 7 ，9 0一仉7一o j1 j 2 密ol - 59 1 1 0 5一o 7一仉a1 j 2 5 01 51 0 8 1 2 5一轨7一o 31 j 2 7 021 2 6 1 3 5一lo 3一1 e 3 2【3 6 l 鲫 一l o 3一1 i 3 0 02 。5 1 8 0 lo j1 奠曩蔫囊崖砖辱 避培襁整板雇板 1 9 01 s3 0 - 7 6 一l一0 51 9 1 0l - s7 7 一8 9一lo 一1 2 8 021 2 b 1 3 j一1 to 5一1 s 3 i o2l 3 6 l s 5一i 4一o 51 s 3 6 02 sl s 6 1 8 - q一1 6o 52 j 1 1 02 - 5l 8 4 ，2 3 21 60 52 1 t 6 033 3 一2 e c一2一o 52 5 图4 3 高铝质模型设计参数图4 4 硅质砖模型设计参数 西安建筑科技大学硕士学位论文 模型高度稍度砖厚边堵盏援底板 h = 1 8 0m 一23 0 7 61一o 5一1 5 2 0 02 57 7 9 0一1 2一o 3一1 7 2 2 02 59 1 1 0 51 2一o 3 1 7 2 5 02 51 0 61 2 5一1 10 3一1 6 2 7 02 51 2 6 1 3 5一1 10 3一1 6 3 0 02 51 3 6 1 6 0lo 3一1 5 图4 5 镁质砖实用常数表 3 有关模板厚度的尺寸规定：边扳、堵板厚2 3 r a m ，盖板厚2 7 r a m ，底板厚3 7 m m 。 4 对于模型用的排气孔制作有如下要求： ( 1 ) 砖宽大于1 8 0 r a m 时钻= s m m 的排气孔： ( 2 ) 排气孔的形状与规格可设计成如下图所示。 5 对于焦炉砖的盖板，要根据尺寸大小，形状特异的不同，要设计2 4 个m 1 6 深 2 3 的丝孔，供上锤头使用。具体的形状与规格如下图所示。 ii j 夺 、，、 叶否 y ；= = i i：令广一 图4 6 排气孔的形状图4 7 丝孔的形状 以上是有关耐火砖在工艺加工过程中的部分加工工艺处理要求，由于不能面面俱 到，故只能对主要部分作说明。 4 4 系统描述 本系统用于耐火砖模具的设计。当设计者打开耐火砖类型分类窗口时系统启动， 根据用户对成品砖的要求，设计者向该窗口中的相应位置分别输入成品砖重量、厚度 尺寸、量尺数量、大小尺寸比、凹角及圆弧总数、沟及舌的总数、锐角数量等参数后， 系统进行成品砖的类型划分，将该成品砖确定为标型、普型、异型或特型耐火砖中的 西安建筑科技大学硕士学位论文 一种。当设计者确定了该砖的类型后，按确定按钮进入匹配砖型选择窗口，在该窗口 中，设计者选择与用户要求的成品砖具有相同形状的耐火砖，确定后进入所选砖型参 数窗口，按照用户提出的成品砖尺寸要求输入各部分尺寸，按确定按钮则系统自动进 行工艺处理并生成对应的半成品砖，设计者可选择是否察看半成品砖的三维模型，系 统根据半成品砖自动经过工艺计算生成耐火砖模具的装配图及边、堵、底、盖等各模 板的三维模型，设计者可分别点击生成装配图、生成盖板图、生成边板1 图、生成边 板2 图、生成堵板1 图、生成堵板2 图、生成凸块及生成斜铁等按钮来察看各模板的 三维模型及简单的三视图，设计者分别对其进行确认后，系统自动生成各模板的零件 图，该零件图包含完整的尺寸标注、工艺说明等内容。设计者对生成的图纸进行检查， 可以对不满意处进行进步的修改。待设计者完全满意后，点击系统自定义的下拉菜 单中的“模具图保存”命令，在出现的产品图档数据管理窗口中分别输入产品名称、 产品图号、设计者姓名、设计日期、绘图比例、产品数量、产品材料、图形文件名、 审图人姓名及审图日期等内容后，本次设计的图档及相关信息被自动存入产品图档数 据库中，并可方便的进行图档数据的浏览、查询、编辑及修改等。 在该系统的设计过程中可考虑系统在以后的进步完善中与c a m 、p d m 等系统 的集成。 4 5 模具c a d 系统用例分析 用例是u m l 的一个重要模型元素。它定义和描述了系统的外部可见行为，是分析、 设计直至组装测试的重要依据。 用例是一组动作序列的描述，系统执行该动作序列来为参与者产生一个可观察的 结果值。用例图是用例的图形表示，包括角色、使用案例( 用例) 和角色与用例间的 关联。它给系统划分出边界并定义系统的功能，表达从用户角度理解的计算机系统， 进一步描述用户对需要的需求。角色是与所建系统交互的人或物。用例描述系统范围 内的一切，而角色描述系统范围外的一切。 用例分析主要包括提取角色、提取用例、分解和细化用例、用活动图说明用例等 步骤。 疆安建筑科技大学硕士学位论文 4 5 i 火砖模具c a d 系统角色、用例的识别 通常我们首先要和系统的用户进行广泛而深入的交流，明确系统的主要功能，参 与系统工作的用户的责任等。这个过程往往需要反复多次，并且通过结合用例的识别 一起进行。我们通过深入调查并向用户提出以下问题完成对角色的识别。 谁使用系统的主要功能? 谁需要系统的支持以完成其日常工作任务? 谁负责维护、管理并保持系统正常运行? 系统需要应付( 或处理) 哪些硬设备? 系统需要和哪些外部系统交互? 谁( 或什么) 对系统运行产生的结果( 值) 感兴趣? 通过角色的识别可以进一步识别用例，用例识别是应用u m l 进行面向对象分析关 键的一步，是后继工作的基础，可以通过对以下问题的解决来帮助我们识别用例： 某个角色要求系统为其提供什么功能? 该角色需要做哪些工作? 角色需要阅读、创建、销毁、更新或存储系统中的某些信息吗? 系统中的事件一定要告知角色吗? 角色需要告诉系统什么吗? 那些系统内部的 事件从功能的角度代表什么? 系统需要什么样的输入输出? 输入来自哪里? 输出去往哪里? 总之，通过与用户的密切合作及一系列的分析与调查识别耐火砖模具c a d 系统的 角色主要有：用户、设计者、管理者、制造者、c a m 系统及p d m 系统等组成。用例 主要包括：提出砖型要求、设置砖型参数、工艺处理、绘制板图、图形输出、提供帮 助、文档输出及人员信息管理等。 最后，经过进一步分析角色与用例间的关联得到耐火砖模具c a d 系统用例图如图 4 8 所示。 4 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 8 耐火砖模具c a d 系统用例图 得到用例图后，经过仔细检查角色和用例的各个环节、及早的和用户讨论，直至 用户对用例模型表示认可为止。各用例简单说明如下： 提出砖型要求用例由用户提出产品要求，管理者对产品要求、设计能力、生成 能力及工厂年度计划进行核查后，与用户签订合同，并将设计及生成任务下达给设计 者和制造者。 设置砖型参数用例设计者根据砖型要求进行砖型参数的设置，主要包括材质归 类及分型归类处理，系统检索所设计砖的设计参数，最后形成工艺处理所需的反映该 设计的特征参数。若成品砖型库中无此砖型，则进行新砖型的设计。 工艺处理用例依据砖型参数模块中所处理的砖的产品尺寸参数，进行半成品砖 模板的加尺、减尺、稍度、汽渗孔、汽渗槽、凸块、斜铁等工艺处理及计算，从而产 生砖所对应的模板图及其对应的半成品处理数据。 绘制板图用例从工艺处理模块中获取砖号、缩放尺、模板图名称及其相应图形 的半成品计算尺寸，工艺处理加工要求数据，分别进行各模板图图形生成及尺寸处理， 并生成相应的图形、尺寸信息处理数据。 图形输出用例对绘制模板图中产生的信息进行处理后，确定各模板的尺寸标 注、加工说明、图框、砖名、图名等特殊处理并最终生成零件图。 提供帮助用例对设计者在设计过程中进行实时帮助。 西安建筑科技大学硕士学位论文 文档输出用例将零部件h n - r 信息传递给制造者及c a p p 系统，将产品结构信息、 零件明细表等传递给p d m 系统，将材料需求及外构件信息传递给管理者。 人员信息管理用例对设计者、设计时间等信息进行管理。 4 5 2 用活动图建模事件流 使用案例开始描述系统的作用。要实际建立系统，则需要具体的细节。这些细节 需要通过建立事件流文档来实现。事件流的目的是建档用例中的逻辑流程。这个文档 详细描述系统用户的工作和系统本身的工作。事件流独立于实现方法，其目的是描述 系统干什么，而不是怎么干。事件流主要包括简要说明、前提条件、主事件流、其他 事件流、事后条件等。 活动框图是另一种建模事件流的方式。当逻辑比较复杂并且有许多其他事件流或 客户对框图更加熟悉时则可以采用活动框图。 活动图与u m l 的其它图不同，它的技术思想主要源自于j i m o d e l l 的事件流、s d l 状态建模技术和p e t r i 网，以上技术主要用在描述工作流程和并行过程方面。因此，活 动图也就成了支持工作流建模和多线程编程的理想工具。在软件开发初期，常常使用 活动图来分析用例。首先考虑的是需要采取哪些动作以及这些动作之间的依赖关系， 而不需要将方法分配给各个对象，将方法分配给对象是在后期进行更具体的分析时所 要做的工作【19 1 。 为了进一步说明耐火砖模具c a d 系统中的各用例的实现过程，我们对设置砖型参 数、工艺处理、绘制板图、图形输出等几个典型用例通过其活动框图建模事件流。 ( 1 ) 设置砖型参数用例活动图 在用例设置砖型参数中的活动主要包括设计者选材，确定耐火砖的材质( 粘土质、 高铝质、硅质、镁质等) ，然后根据用户提出的耐火砖尺寸、重量、大小尺寸比、凹角、 沟、舌、孔、洞或圆弧的数量进行耐火砖的分型并在成品砖型库中进行查询，查询出 同类型耐火砖后，对该类型耐火砖的具体尺寸根据用户要求进行重新输入直到符合要 求为止并生成生成工艺处理所需数据文件。其活动图如下图所示。其中活动“进行新 砖型设计”一项属于系统扩充方面的内容，在此暂不论述。图4 9 为设置砖型参数用例 活动图。 ( 2 ) 工艺处理用例活动图 4 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 由工艺处理数据文件确定半成品砖的设计参数，经过计算生成半成品砖的数据文 件，根据半成品砖与模具各模板间的关系，分别对盖板、底板、堵板、边板、凸块及 斜铁等进行计算并生成模板工艺处理文件和各模板尺寸处理文件。其活动图如图4 1 0 所示。 ( 3 ) 绘制板图用例活动图 根据模板工艺处理文件和尺寸处理文件生成模板装配图并分别对盖板、底板、堵 板、边板、凸块及斜铁等进行尺寸处理计算。并完成加工说明、加减尺处理、稍度处 理、图框及砖名处理，最终生成模具各零件图的图形文件。其活动图如图4 1 1 所示。 “) 图形输出用例活动图 上一步生成图形文件后需进一步由图形文件和尺寸处理数据文件对盖板、底板、 堵板、边板、凸块及斜铁等进行尺寸标注处理。其次进行加入加工说明、i 蛩框、砖名、 图名等特殊处理后生成零件加工图。其活动图如图4 1 2 所示。 图4 9 设置砖型参数用例活动图 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 1 0 工艺处理用例活动图 图4 1 l 绘制板图用例活动图 4 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 1 2 图形输出用例活动图 4 6 类一& 一对象的识别 类是所有面向对象方法中最重要的一个概念，它是面向对象方法的基础，也是各 种方法的最终目标。u m l 的最终目标是识别出所有必须的类来，并分析这些类之间的 关系，从而通过编程语言来实现这些类，并最终实现整个系统。类反映了一种面向对 象方法看待物理世界的观点，它是面向对象的标志。类的识别是贯穿整个面向对象开 发过程中的一个重要活动：在分析阶段，主要识别问题域相关的类；在设计阶段，则 需加入一些反映设计思想、方法的类以及实现问题域类所需的类等；在编码实现阶段， 因为语言的特点，可能还要加入一些其他的类。 与类紧密相关的概念是对象。对象是现实世界的实体的映射，它反映了一个实体 在问题域内的所有特征。类是具有共性对象的进一步抽象。类描述某一类实体所具有 的特性和能力( 责任) ，但并不描述这一类实体的某个个体的具体特性。因此，对象就 是类的实例化的结果。实际上，类是建立对象时使用的“样板”，按照这个样板建立的 具体的对象，就是类的实际例子，通常称为实例。当使用“对象”这个术语时，既可 以指一个具体的对象，也可以泛指一般的对象，但是，当使用“实例”这个术语时， 西安建筑科技大学硕士学位论文 必然是指一个具体的对象。 “对象一& 一类”是一个专用术语，它的含义是“一个类及属于该类的对象”。在 面向对象分析时可以将类和对象作为一个概念来处理。因此，我们将耐火砖模具c a d 系统中类及对象作为一个概念同时进行寻找、识别。 从问题描述中我们可以看出，耐火砖模具的设计是基于耐火砖原型的，虽然我们 在实际生成过程中存在着很多甚至是复杂的耐火砖原型，但由于耐火砖系列化、标准 化，使我们能够充分利用面向对象的机制。 综合运用的三章提出的各种寻找类( 对象) 的方法，通过对问题描述、系统需求、 用例模型、各用例活动图( 事件流) 及耐火砖模具常规设计过程的分析，获得耐火砖 模具c a d 系统包含以下类一& 一对象： 人员类一& 一对象：设计者、制造者、管理者( 销售科) 等。 实体类一& 一对象：耐火砖、耐火砖模具、边板、堵板、底板、盖板、凸块、斜 铁等。 边界类一一对象：耐火砖分类窗口、砖型选择窗口、耐火砖参数窗口等。 设计参考类一& 一对象设计中需要用到的标准数据对象，如砖型判定文件等。 对于文档类( 对象) ，也可以将其作为实体类或设计参考类( 对象) 的属性来处理。 4 7 耐火砖模具c a d 系统动态分析 任何一个系统都可通过静态模型和静态模型共同进行描述。u m l 的静态建模机制 包括用例图、类和对象图、包图和构件图等，其中用例图用于系统的外部行为；类图 和对象图用来定义和描述类和对象，以及它们的属性和操作；包图则用来管理那些具 有紧密关联的u m l 模型元素。任何实际的系统都是活动的，都通过系统结构元素间的 “互动”来达到系统目标。 动态模型的任务就是定义并描述系统结构元素的动态特征基行为。u m l 动态模型 包括状态模型、顺序模型、合作模型和活动模型，通常以状态图( s t a t ed i a g r a m ) 、顺 序i n ( s e q u e n c ed i a g r a m ) 、合作图( c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m ) 和活动图( a c f i v i t yd i a g r a m ) 来表 示。状态模型关注一个对象的生命周期内的状态及状态变迁，以及引起状态变迁的事 件和对象在状态中的动作等，因此状态模型常用于描述具有复杂控制逻辑的对象，如 界面对象和控制对象等。顺序模型和合作模型都强调对象间的协作关系，通过对象间 西安建筑科技大学硕士学位论文 的消息传递以完成系统的用例。不同的是顺序图强调对象交互的时间特性，而合作图 则强调的是对象的合作视图。活动图用于描述多个对象在交互时所采取的活动，它关 注对象如何相互活动以完成一个事务。 在运用u m l 进行系统分析与建模的过程中，是先建立系统的对象交互图( 顺序图 及合作图) ，还是先建立类图观点不一，有些机构喜欢先创建顺序图和合作图，然后再 创建类图。但有些结构喜欢先创建类图，然后创建顺序图和合作图，用类作为对象与 关系的字典。这两种方法各有利弊。无论那种方法，主要设计工作和设计决策都是在 创建顺序图与合作图和创建类图两个步骤中完成的。 先创建顺序图的一个好处是，可以一步一步认真检查完成事件流功能所需对象， 确保使用每个类。但把类放进模型中而不使用并不会有什么影响。另外，顺序图是很 好的组织方法。先创建顺序图可以灵活地把设计人员组织起来，得到更有效的设计， 根据需要创建与删除对象，直到得到最佳设计。不限于已经定义的类清单。另一方面， 这也可能造成设计问题。不同小组可能用大不相同的方法设计框图，造成类责任的重 叠、设计的不一致和最终造成体系结构问题。例如，如果不先布置类及其关系，则小 组可以让用户界面直接与数据库通信，而这是不符合体系结构要求的。 如果先创建类图，则可以在生成顺序图之前确定体系结构层和通信模式。后面生 成顺序图时，只要符合c l a s s 框图中建立的关系，就不会破坏体系结构。但这个方法的 限制较严，小组可能在布置顺序图时要修改类图，以便在顺序图中修改。 使用这两种方法时，都可以跟踪整个过程的需求。事件流反映需求中确定的规则。 顺序图与合作图中的步骤应对应于事件流中的步骤( 不是一对一关系，但顺序应相 同) 。顺序图与合作图中的对象应对应于类图中的类。一个类可能在多个顺序图与合作 图中出现，也可能在同一个顺序图与合作图中显示为同一类的不同对象并多次出现。 在耐火砖模具c a d 系统分析中，采用先建立顺序图和合作图，然后建立类图的方 法对系统进行动态分析。 u m l 使用顺序模型和合作模型来表示交互模型。其中顺序模型侧重于描述对象交 互的时间特性，而合作模型则关注交互的对象的空间特性。所谓时间特性即可以描述 某个行为的发生时间和持续时间等，而空间特性则是指与某个对象有交互行为关系的 所有对象可以很方便地在合作图中表现出来。一般情况下，如果对象数目不多，交互 情况也不复杂，顺序图与合作图可以相互替换，如果系统关心对象交互行为的时间特 西安建筑科技大学硕士学位论文 性，应该选择顺序图，如果对象数目很多，且交互情况校复杂，可能使用合作图，但 是其中的某些“场景片段”可以使用顺序图来专门描述其时间特性。由于本设计采用 r a t i o n a lr o s e 作为u m l 工具，该工具在建立顺序图( 合作图) 的同时，系统内部自动 建立了与之对应的合作图( 顺序图) ，并且可以在两者之间进行任意切换。这也进一 步体现了r a t i o n a lr o s e 作为c a s e 工具的优越性。 在耐火砖模具c a d 系统动态分析中，我们并没有给出所有用例的对象交互模型， 实际上，对于某些简单的用例( 如文档输出、人员信息管理及提供帮助等) 来说，也 没有必要。这里分别以设置砖型参数、工艺处理、绘制板图用例说明耐火砖模具c a d 系统的动态分析。 4 7 1 设置砖型参数的动态模型 以具体的镁质拱脚砖d 一1 6 来说明设置砖型参数用例的动态过程。参与该用例的对 象分别有设计者( z i - i f ) 、耐火砖分类窗口、砖型列表、匹配砖型选择窗口、拱脚砖 d 一1 6 、工艺处理文件等对象。 图4 1 3 是镁质拱脚砖d 1 6 的设置砖型参数的顺序图，从中可以看出镁质拱脚砖 d 1 6 的砖型参数的设置过程。从图中可以看出，设计者z h f 所需完成的工作仅仅是向 耐火砖分类窗口中输入材质和各个已知参数、在匹配砖型选择窗口中选取所需砖型、 在镁质拱脚砖参数窗口中输入砖号为d 一1 6 的砖的尺寸参数并确认等工作。当向镁质拱 脚砖参数窗口中输入d 1 6 的相应参数后，获得拱脚砖d 一1 6 ，经对象内部的操作 工艺计算后获得相应的工艺处理文件。 图4 1 4 是镁质拱脚砖d 1 6 的设置砖型参数的合作图。从中可以清楚地看出进行镁 质拱脚砖d 1 6 的参数设置时各参与对象及其所提供的服务。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 1 3 设置砖型参数顺序图 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 7 2 工艺处理动态模型 图4 1 4 设置砖型参数的合作图 以镁质拱脚砖d 1 6 盖板的工艺处理为例，参与工艺处理用例的对象包括：工艺处 理窗口、工艺处理文件、半成品砖d 1 6 、模板装配工艺处理、d 1 6 盖板工艺处理文件 及尺寸处理文件等。图4 1 5 是镁质拱脚砖d 1 6 盖板的工艺处理顺序图，图4 1 6 是其 相应的合作图。 关 五士匿囝圈固固匿 ；! ；三苎熊壅；iil； i；至量盛鲁；ii ii 3 ：按职参敲 ! i ii 1 ；i jii4 ：半戚晶砖尺寸计算li l；i。：获器尹lll ilr 西蔽耐l ；i _ f 弱参数 i； lii 卜1 丽耐i ： ：一 ： ii 里壅塑查墼li 图4 1 5 工艺处理顺序图 话安建筑科技大学硕士学位论文 4 7 3 绘制板图动态模型 图4 1 6 工艺处理合作图 以镁质拱脚砖d - 1 6 盖板的绘制为例，参与绘制板图用例的对象包括：绘制板图按 钮、d 一1 6 模板装配工艺处理、d 1 6 盖板、d 1 6 盖板尺寸处理文件、d 1 6 盖板图等。 图4 1 7 是镁质拱脚砖d 1 6 盖板的绘制的顺序图，图4 1 8 是其合作图。 o 拿圈匿塑雷酗目 卜l 纠2 ：获取参救il !i3 ：卫艺处理计算； ；霉=j i ji 4 ：获取参数、 l 一 ： ： ：5 ：王艺处理计算 闻 获敢参数、： ： if ：i 尺寸计算； ：叠二= ： i 龟：获取参数玉 图4 1 7 盖板绘制顺序图 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 1 8 盖板绘制合作图 4 8 类模型 在建立用例模型过程中我们进一步认识了系统，并澄清了一些需求细节。需求模 型的建立是面向对象分析的目标，其中类模型是很重要的一个子模型。类模型从对象 的角度描述系统组成类( 对象) 及相互间的关系。需求模型中的其他子模型，除 上面的用例模型外，几乎都依赖于类模型。从某种程度上可以说类模型是面向对象分 析的核心。 从面向对象系统的演化来说，类模型也一直是占据中心地位的一个模型。在不同 的开发阶段，我们都依赖该模型来进行细化、设计，从而使类模型的能力得到加强。 在面向对象分析阶段，我们专注与问题域本身的类( 对象) ，即那些用来描述需求的类 ( 对象) 。 经过以上各节的分析可以得出，在耐火砖模具c a d 系统中存在以下主要的类：耐 火砖类、模板类( 包括盖板类、底板类、边板1 类、边板2 类、堵板1 类和堵板2 类 等) 、各种窗口类、接口类及图表、文档类等。 4 8 1 耐火砖类的建立 从整个分析过程中我们可以看出，耐火砖类在系统中处于主导地位，在系统中， 我们将成品耐火砖和半成品耐火砖划归为同一个类耐火砖类，根据接收消息的不 同，分别由生成半成品砖的函数和生成成品砖的函数产生成品砖和半成品砖的实体。 这里，在生成半成品砖的函数中加入关于耐火砖材质的参数。 两安建筑科技大学硕士学位论文 我们将以耐火砖的类模型的建立为例说明系统类模型的建立过程，其他类模型， 如半成品砖类模型、模具及其边、堵、底、盖、凸块、斜铁类模型可按照耐火砖类模 型的建立方法及过程进行。 ， ( 1 ) 耐火砖类的定义 在实际的生成过程中，同一类的耐火砖的模具设计方法及其加工方法基本上是相 同的，模具设计人员交给制造者的零件工作图存在一定的相同之处。因此按照耐火砖 外形的拓扑同构关系来对耐火砖进行类的划分是一个比较理想的处理方法。 ( 2 ) 耐火砖的继承与派生 派生的关键在定义基类，其先决条件是找到同一类耐火砖的共性，包括：几何外 形、工艺处理方法等。我们在对基类进行定义后，其余类的派生就是我们对系统进行 扩充的工作。面向对象的继承机制主张把一组具有相同性质的对象加以概括，把共有 的方法和数据收集在一类中。在继承机制下，新的类自动继承父类的属性，并把自身 的特性传递给子类。于是我们只需针对父类的差异进行编程创建新类。例如，我们对 标准砖进行抽象定义，属于标准砖类的直形砖、厚楔形砖、侧厚楔形砖等的定义均可 以由标准砖类派生得到 ( 3 ) 耐火砖的分类 耐火砖的分类是进行系统构建的基础。图4 1 9 是常见的耐火砖的砖型图。 q 念。 标准砖窄端头楔型砖宽端共楔型砖侧面楔型砖 圆圆。岛 窄端头拱脚砖 么立 f!多 端头拱砖 宽端头拱脚砖侧面拱脚砖 侧面拱砖 圆圆哂 犬面扇形砖扇形砖1 固田 扇形砖2 。岛 辐射形砖1辐射形砖2 削角砖( 拱异型脚砖)牛鼻砖 图4 1 9 常见耐火砖的砖型图 西安建筑科技大学硕士学位论文 从耐火砖砖型图可以看出，耐火砖的砖型结构虽然种类繁多，但是对于同一类耐 火砖如标准砖，其拓扑关系是一致的，因此我们可以按照拓扑同构理论对耐火砖的砖 型结构进行分类。下面我们以标准砖和削角砖来具体说明耐火砖的分类。 图4 2 0 是标准砖中的t - 3 砖、t - 6 砖、t - 1 9 砖、t - 2 2 砖、t - 3 8 砖和t - 4 1 砖。其中 t - 3 砖和t - 6 砖属于直形砖，t - 1 9 砖和t - 2 2 砖属于厚楔形砖，t - 3 8 砖和t - 4 1 砖属于侧 厚楔形砖。 卫：皿 ( a ) t - 3 砖 图4 2 0 标准砖 图4 2 1 和图4 2 2 分别是削角砖系列图。 ( b ) t - 6 砖 隧邕 图4 2 1 削角砖2 系列 西安建筑科技大学硕士学位论文 隧圆 削角砖。系列削角砖2 系列削角砖3 系列 派生类 _ 一基类 添加艰有数据 重载处理函数 添加私有数据 圈4 2 2 削角砖基类与派生类 派生类 可以看出，标准砖系具有相同的拓扑结构，只是外形尺寸不同。因此，我们可以 先定义一个直形砖类，以抽象数据结构来说明。直形砖类将作为标准砖的派生类来处 理，它们继承标准砖的属性及函数。t - 3 砖和t - 6 砖当作直形砖类的派生类处理，再按 其材质的不同继续分为粘土质砖、高铝质砖、硅质砖、镁质砖等。各种不同材质的砖 其边板、底板、堵板、盖板、凸块、斜铁等的生成方法是相同的，材质因素只是影响 到工艺处理参数如热处理、各板厚度等。可以通过重载函数实现模具生成过程中某些 参数的变化。削角砖类可做同样的处理。对耐火砖按拓扑同构理论进行分类并掌握其 中任何一类的处理方法后，其余类的处理也就迎刃而解。耐火砖继承与派生关系可以 按图4 2 3 处理。 按砖型 按砖形 按砖尺 按材质 图4 2 3 砖的分类与继承关系图 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 8 2 耐火砖类模型 图4 2 4 耐火砖类模型图 “耐火砖”类定义如下： c l a s sf i r e _ b r i c k p u b l i c