（计算机软件与理论专业论文）fcad中特征管理等关键模块的设计与实现.pdf

范明：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现浙江大学硕士学健堡兰：! ! 竺! ! 旦 摘要 随着c a d 技术的发展，当前的c a d 系统在不断地发展和更新中。新的c a d 系统总是具有更友好的用户界面，更快的响应速度，更强大的功能。在这个形势 之下，我们对实验室8 6 3 研究成果- - g s c a d 系统进行了重新设计和实现，将推 出全新的更强大的版本f c a d 。 本文提出了在f c a d 系统几个最基本和最重要的模块的设计方法和实现方 法。 首先本文对f c a d 系统的整体框架进行了介绍，其中主要介绍了f c a d 系 统中的模块划分，各模块所实现的功能以及模块之间的层次结构。 特征管理是c a d 系统中最重要的部分之一。f c a d 是一个基于历史的参数 化实体造型系统。本文提出了f c a d 系统中零件管理模块的设计方法和实现。 首先给出了实体、特征、操作( 设计历史) 等几个基本概念的解释和定义，并且 给出了如何在这些基本对象之间建立依赖关系。然后，提出了如何在系统中实现 创建、删除、修改、回退、( 取消) 隐去等必需功能以及在用户编辑功能中必不 可少的取消重做操作。最后我们提出了在操作过程中保存快照的方法来减少重 新生成模型的代价。 然后，本文提出了一种简单有效的局部的命名机制，并且在f c a d 系统加 以实现。该方法是基于面的命名方法。每一个面都使用了一个生成面的操作i d ， 一个操作内部分配的i d 和一个邻接面表进行命名。边和点的命名是在面的命名 基础上进行的。我们还特别给出了在面进行分裂和合并的时候的命名规则，使得 匹配过程更为简单。 c a d 系统的文件接口也是必不可少的。本文最后提出了对零件存取功能的 实现方法。在这里，我们很好的借鉴了m f c 中序列化存取的机制，并对之进行 了改进，解决了纯虚基类指针的定向问题和存取指向同一对象的多个指针的处 理。 关键字：c a d 系统，特征管理，命名机制 蔓翌：! 星竺主堑笙笪型竺茎壁堡垫竺堡茎量兰塑 堑坚查兰塑主堂篁笙苎：! ! 竺兰：星 a b s t r a c t t i l ep a s s i n gs e v e r a ly e a r ss a wt h ef a s td e v e l o p m e n to fc a dt e c h n i q u e sa sw e l l a st h eu p g r a d i n go ft h ec o n t e m p o r a r yc a ds y s t e m s n e w e s tc a ds y s t e m sa l w a y s h a v em o r ec o n v e n i e n ti n t e r f a c e s ，s h o r t e rr e a c t i n gt i m ea n dr f l o r ep o w e r f u lf u n c t i o n s i no r d e rt op r o v i d eam o r ee f f i c i e n tc a d s y s t e m ，w er e d e s i g n e df c a d i nb a s eo f o u rl a t e s ta p p l i c a t i o n ，g s c a d ，f r o ml a s ty e a r i nt i f f s a r t i c l e ，t h ea u t h o rp r e s e n t sh o ws e v e r a li m p o r t a n tm o t h f l e si nf c a d s y s t e m a r ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d f i r s t l y , i i n t r o d u c et h em a i ns t r u c t u r eo ff c a ds y s t e m t h eh i e r a r c h ya n d r e l a t i o n s h i p so f a l lm o d u l e si nf c a da n df u n c t i o n so fe a c hm o d u l ea r ed e s c r i b e d o u rf c a d s y s t e mi sah i s t o r y - b a s e dp a r a m e t e r i z e ds o l i dm o d e l i n gs y s t e m i n t h i sk i n do fc a d s y s t e m s ，t h em o d u l et om a n a g ef e a t u r e si sm o s ti m p o r t a n t t h i s a u t h o rm a i n l yp r e s e n t sm e t h o d st o d e s i g na n di m p l e m e n tt h ef e a t u r e m a n a g e m e n t m o d u l ei nf c a d f i r s tie x p l a i ns o m e p r i m i t i v ec o n c e p t si no u rs y s t e m ，s u c ha se n t i t y , f e a t u r e ，o p e r a t i n gh i s t o r y , a n dh o w t od e f i n et h e i r r e l a t i o n s h i p s t h e nip r e s e n ti n d e t a i lh o wt o i m p l e m e n t s o m en e c e s s a r y f u n c t i o n s ，s u c ha s c r e a t i n g ，d e l e t i n g ， m o d i f y i n g ，r o l l - b a c k i n g ，s u p p r e s s i n g ( a n - s u p p r e s s i n g ) af e a t u r e w e a l s oh a v e d e s i g n e dt h em e c h a n i s mt oa c h i e v et h eu n d oa n dr e d of i m c t i o n s w h i c ha r ev e r y i m p o r t a n tf o rap a r t e d i tp r o c e s s a l lt h e s ef i m c t i o n sa r eb a s e do no u rh i s t o r y b a s e d m e t h o d l a s t ，i no r d e rt od e c r e a s et h ec o s to fr e g e n e r a t i o no fam o d e l it a k e s n a p s h o t sf o ro p e r a t i o n sa ti n t e r v a l s ，w h e nr e g e n e r a t i n gam o d e l ，ir e p l a c et h ec u r r e n t m o d e lw i t ht h el a t e s tv a l i ds n a p s h o t ，a n dt h e n r e d oa l lo p e r a t i o n sa f t e rt h a to p e r a t i o n a n o t h e r i m p o r t a n tp a r ti nac a ds y s t e m ，n a m i n gm e c h a n i s mi sa l s op r e s e n t e d w eu s e da h y b r i d l o c a l n a m i n gm e t h o d ，o u rm e t h o di s af a c e b a s e d n a m i n g m e c h a n i s m t h en a m eo faf a c ei sc o n s i s t e do fa no p e r a t o ri d ，a l li n n e ri da n da n a r m yo f r e f e r e n c e so fi t sn e i g h b o rf a c e s w h g nm e r g i n go rs p l i t t i n ga f a c e ，w e 百v e s o m es p e c i a lr u l e st on a l t l et h en e wf a c e s t h e s er u l e sm a k e f a c e m a p p i n gs i m p l e r n a m i n go f e d g e s a n dv e r t e xa r eb a s e do nt h e n a m i n g o f f a c e s f u n c t i o n st os a v eo rl o a da p a r ta r ea l s ov e r yi m p o r t a n tf o rac a d s y s t e m i nt h e e n do ft h ea r t i c l e ，t h ea u t h o rp r e s e n t st h em e t h o dt os a v e l o a dap a r tt o o w eh a v e i m p r o v e dt h es e r i a l i z i n gm e t h o d su s e di nm f ct of i n i s hs a v i n ga n dl o a d i n ga p a r ti n i i 范明：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现浙江大学碳士学位论文- 2 0 0 4 年2 月 f c a d i no u rm e t h o d ，w eh a n d l es u c c e s s f u l l yp o i n t e r so f p u r ev i r t u a lc l a s s e sa n d i n s t a n t sw i t hm o r et h a no n er e f e f e n c e k e y w o r d ：c a ds y s t e m ，f e a t u r em a n a g e m e n t ，n a m i n gm e c h a n i s m i n 蔓盟! ! ! 垒里! 堑笙笪兰竺茎壁堡生堕堡生量塞里 塑垩查兰塑主堂竺笙兰：里旦尘曼三旦一 1 1c a d 系统的发展 第一章绪论 c a d 技术是指使用计算机帮助设计者进行产品和工程的设计的技术。这种 技术结合了计算机高速而精确的计算能力、存储能力和数据处理能力与设计者的 综合分析能力、逻辑判断能力和创造性思维，很大程度上缩短了设计过程所需耍 的时间，减少了设计成本，并且大大地提高了产品的质量。 1 计算机辅助设计( c a d ) 技术作为电子信息技术的一个重要组成部分，是 促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动 化，增强企业及其产品在市场上的竞争能力，加速国民经济发展和国防现代化的 一项关键性的高技术，也是进一步向计算机集成制造( c r m s ) 发展的重要技术基 础。从广义上说，c a d 技术包括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、 数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术( c a d c a e c a m ) 的集成技术等。本章将主要对c a d 技术以及c a d 系统的发展历史和现状进行 简单的介绍。 2 ，3 ，4 5 ，6 7 ，8 ，9 1 1 1 1 二维c a d 技术的发展 c a d 技术起步于5 0 年代后期。进入6 0 年代后，随着在计算机屏幕上绘图 成为可能，c a d 技术开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时 和低精度的传统手工绘图。当时，c a d 技术的出发点是用传统的三视图方法来 表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。c a d 的 含义仅仅是图板的替代品，即c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g 的缩写。以二维绘图为主 要目标的算法一直持续到7 0 年代末期。随着技术的发展，c a d 系统介入产品设 计过程的程度越来越深，系统功能越来越强，逐步发展成为真正的计算机辅助设 计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 。 1 1 2 曲面造型技术与三维c a d 系统的发展 6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框 造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于 缺乏形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。 范明：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现浙江大学硕士学位论文：! ! ! ! 笙! 旦 7 0 年代飞机和汽车工业的蓬勃发展给三维c a d 带来了良好的机遇。为了解 决飞机和汽车设计制造中遇到的大量自由曲面问题，法国人提出了b e z i e r 算法， 使得人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可以操作，同时也使得法国的达索飞 机制造公司的开发者们能在二维绘图系统c a d a m 的基础上，提出以表面模型 为特点的自由曲面造型方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。c a t i a 的出现 标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次 实现了在计算机内较完整地描述产品零件的主要信息，同时也为c a m 技术的开 发打下了基础。曲面造型系统带来了第一次c a d 技术革命，它改变了以往只能 借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。 曲面造型系统带来的技术革新使汽车开发手段有了质的飞跃。新车型开发速 度也大幅度提高：许多车型的开发周期由原来的6 年缩短到约3 年。汽车工业对 c a d 系统的大量采用，反过来也大大促进了c a d 技术本身的发展。 1 1 3 实体造型技术与三维c a d 系统的发展 8 0 年代初，c a d 系统价格依然令一般的企业望而却步。这使得c a d 技术 无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的 份额，以c v 、s d r c 和u g 为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。7 0 年代 末到8 0 年代初，c a e 和c a m 技术也有了较大发展。表面模型使c a m 问题基 本得到解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件 的其它特性，如质量、重心和惯性矩等，对c a e 十分不利。在当时星球大战计 划的背景下，为降低巨大的太空实验费用，许多专用分析模块得到开发。基于对 c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完 全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件一i d e a s 。实体造型技术能够精确 地表达零件的全部属性，有助于统一c a d 、c a e 和c a m 的模型表达，给设计 带来了方便，代表着未来c a d 技术的发展方向。但实体造型技术在带来了算法 的改进和未来发展希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的计算 机硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，离实际应用还有较大的差距。 另外，面对算法和系统效率的矛盾，许多赞成采用实体造型技术的公司并没有下 大力气进行开发，而是转向攻克相对容易实现的表面模型技术。在以后的1 0 年 里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多c a d 系统所采用。 1 1 4 参数化技术与三维c a d 系统的发展 范明：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现浙江大学硕士学位论文2 0 0 4 年兰旦 进入8 0 年代中期，c v 公司提出了一科r 比无约束自由造型更加新颖的算法 参数化实体造型方法。这种方法的特点是它基于特征、全尺寸约束、全数据 相关和尺寸驱动设计修改。由于在参数化技术发展初期，很多技术难点有待于攻 克，又因为参数化技术的核心算法与以往的系统有本质差别，采用参数化技术， 必须将全部软件重新改写，因而需要大量的开发工作量和投资。同时，由于当时 c a d 技术应用的重点是自由髓面需求量非常大的航空和汽车工业，参数化技术 还不能提供解决自由曲面问题的有效工具，所以这项技术当时被c v 公司所否 决。 参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ，p t c ) 就在这样的环境下应运 而生。p t c 推出的p r o e 是世界上第一个采用参数化技术的c a d 软件，它第一 次实现了尺寸驱动的零件设计。8 0 年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大 幅度下降，很多中小型企业也开始有能力使用c a d 技术。处于中低档的p r o e 软件获得了发展机遇，它符合众多中小型企业c a d 的需求，从而获得了巨大的 成功。进入9 0 年代后，参数化技术变得越来越成熟，充分体现出其在许多通用 件、零部件设计时的简便易行等方面的优势。 1 1 5 变量化技术与三维c a d 系统的发展 参数化技术在9 0 年前后几乎成为c a d 业赛的标准，许多软件厂商纷纷起 步追赶。由于c a t i a 、c v 、u g 、e u c l i d 等都已经在原来的非参数化模型基础 上开发或集成了很多其它应用，开发了许多应用模块。重新开发一套完全参数化 的造型系统困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写。因此这些公 司采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部的、小规模的 修补。这样，c v 、c a t l a , 和u g 在推出自己的参数化技术时，均宣称其采用了 复合造型技术。 复合造型技术把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起，难以全面应用 参数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，参数化技术造型进 入非参数化系统之后，还要进行内部转换才能被系统接受，而大量的转换极易导 致数据丢失或产生其它的不利情况。 9 0 年代初，s d r c 公司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了“变量化技 术”。1 9 9 0 至1 9 9 3 年，s d r c 投资一亿多美元，将软件全部重新改写，推出了全 新体系结构的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 。 c a d 技术基础理论的每次重大进展，都带动了c a d c a m c a e 整体技术 蔓塑! ! ! 竺! 塑堑篁堡量鲞壁蔓堡塑堡生要塞翌 塑堑奎兰堕j ：兰壁笙兰：! ! 塑兰王旦一 的提高以及制造手段的更新。技术发展，永无止境。没有一种技术是常青树， c a d 技术一直处于不断的发展与探索之中。 1 2 全球四大造型系统的介绍 1 2 1e d s 的i - d e a s 系统 i d e a s 系统是原s d r c 公司产品。美国s d r c 公司于1 9 6 7 年成立，致力 于c a d c a e c a m 软件的研究和开发。i d e a s 软件以c a d c a e c a m 一体化 著称，分析方面功能比较强大，加工方面功能比较弱。因此在1 9 9 6 年，s d r c 公司收购了世界一流的加工软件c a m a x ，并将它集成到i - d e a s 界面中，使加 工方面得以加强。i - d e a s 提供多种著名软件的接口，其中有用于线性和非线性 有限元分析的m a r c m e n t a t1 1 软件接口，专用于三维设计造型的a l i a sd e s i g n e r 软件接口等。现在i - d e a s 软件广泛应用于汽车，家电产品及工业制造业的复杂 机械产品设计、分析、测试、加工方面。 i - d e a s 软件的曲面造型完全基于n u r b s 几何定义的，它提供了组丰富 的曲线曲面生成工具来实现放样、扫掠、缝合曲面等功能，并能对曲面形状进行 灵活控制。在建立在三维实体模型时，i - d e a s 采用了草图设计的概念。该软件 的人机界面能尽可能地模拟设计人员所用习惯采用的概念化思维过程，比较易学 易用。i - d e a s 软件将所有模块有机地集成一体，辅以组数据管理器( t d m ) 等功 能，为设计人员提供了并行设计工程的环境，使没计人员之间可便利地进行数据 交换，实现资源共享。 i - d e a s 提供了一套基于i n t e r n e t 的系统产品开发解决方案，包含了全部的 数字化生产开发流程。i - d e a s 是可升级的、集成的、协同电子机械设计自动化 ( e m d a ) 解决方案。i - d e a s 使用了数字化主模型技术，这种卓越的能力将帮助 客户在设计早期阶段就能从“可制造性”的角度更加全面地理解产品。纵向及横向 的产品信息都被包含在数字化主模型中，这样，在产品开发流程中的每一个部门， 比如制造与生产、市场、管理及供应商等，都将更容易地进行有关全部产品信息 的交流。 数字化主模型帮助客户开发及评估多种设计概念，使得客户的最终产品更贴 近用户的期望。质量成为设计过程自身的一部分，它嵌入在整个过程中而不是简 单的附加。客户可以在制造昂贵的物理样机之前便早早的获悉有关产品形状，性 能和成本的进一步信息。 4 范叫：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现 浙江大学硕士学位论文。2 0 0 4 年2 月 e d s 公司的1 - d e a s 软件是唯一的一个支持数字化主模型的解决方案。它在 航空航天、汽车运输、电子及消费品和工业设备等方面都拥有众多的成功用户。 英国宇航系统与设备公司、福特、丰田、尼桑、雷诺、施乐、西门子等都采用了 该系统进行设计和制造。数字化主模型技术是吸引如此之多的世界著名制造厂商 选择i - d e a s 的关键因素。选择i - d e a s ，客户可以以更快的速度，更低的成本 开发更具竞争力的产品。 1 2 2 e d s 的u g 系列软件 u g 软件起源于美国麦道飞机公司。u g 于1 9 9 1 年并入美国e d s 公司，今 年推出了u g n x 2 0 最新版本软件。它集成了美国航空航天、汽车工业的经验， 成为机械集成化c a d c a e c a m 主流软件之一，主要应用在航空航天、汽车、 通用机械、模具、家电等领域。该软件采用了基于约束的特征建模和传统的几何 建模为一体的复合建模技术，因而在曲面造型和数控加工方面功能强大，但在分 析方面较为薄弱。为了弥补分析方面的不足，u g 提供了分析软件n a s t r a n 、 a n s y s 、p a t r a n 接口，机构动力学软件i d a m s 接口和注塑模分析软件 m o l d f l o w 接口等。u n i g r a p h i c s 提供给公司一个从设计、分析到制造的完全 的数字的产品模型。 u n i g r a p h i c s 采用了基于过程的设计向导、嵌入知识的模型、自由选择的造 型方法，开放的体系结构以及协作式的工程工具。这些技术只是u n i g r a p h i c s 帮 助用户提高产品质量、提高生产力和创新能力所采用的众多独特技术中的一小部 分。u n i g r a p h i c s 的主要技术特点在于： 1 采用了知识驱动自动化( k d a ) 。所谓知识驱动自动化就是获取过程知识并 用以推动产品开发流程的自动化。捕捉并反复利用知识是u n i g r a p h i c s 最重要的 特征。在自动化环境中运用知识的方式使u n i g r a p h i c s 有别于其它任何产品。k d a 是一个革命性的工具，它不仅使知识捕捉成为可能，并使这过程更为有效、实 用和有力。通过将工程过程中可重复的片断自动化，可以帮助那些缺乏经验的工 程师解决复杂的问题，k d a 缩短了产品运行的周期。 2 使用了系统化造型。参数化造型的使用使得客户只要简单地修改模型的 尺寸标注，就能看到该零件各种不同的形状和尺寸。使用系统化造型可以使得客 户能够通过改变产品中任何工件，进行各种变形，来查看完整的产品及其生产过 程。制造企业除了设计零件之外，还要进行装配、子装配以及构件的设计。 u n i g r a p h i e s 技术将参数化造型技术提升到更为高级的系统和产品设计的层面上。 范明：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现 浙江大学硕士学位论文2 0 0 4 年2 月 系统级的设计参数将由产品向下驱动其子系统、装配以及最终的构件。对于产品 定义模板的修改将通过自动化的途径，控制折射到所有相关的系统和构件之上。 3 提供集成化协作的功能。制造企业生产的产品，通常是集体协作的结晶。 u n i g r a p h i c s 涵盖了扩展产品开发团队、客户以及供应链纳入产品开发流程的所 有技术。 4 采用了开放式设计。u n i g r a p h i c s 对于其它c a d 系统是开放的，甚至还为 其它计算机辅助工具提供了基础技术。这样客户就可以同整个开发过程中涉及到 的其它系统轻松地交换数据。u n i g r a p h i c s 拓宽了用户获取设计信息的途径，它 允许用户将几何规则和约束直接应用于所有模型，不论它们来自何处。此外， u n i g r a p h i c s 还具备良好的柔韧性，它根据客户特定的工作环境和手头上特定的 工作，来组合不同的建模方法。 1 2 3 p t c 的p r o e n g i n e e r 软件 1 9 8 5 年，p t c 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1 9 8 8 年，v 1 0 的p r o e n g i n e e r 诞生了。经过1 0 余年的发展，p r o e n g i n e e r 已经成为三 维建模软件的领头羊。 p t c 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对 大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。p r o e n g i n e e r 还提供 了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。p r o e n g i n e e r 的主要特 性是： 1 全相关性。p r o e n g i n e e r 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品丌 发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程 文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任意 时刻进行修改，而不会造成没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使 开发后期的一些功能提前发挥其作用。 2 基于特征的参数化造型。p r o e n g i n e e r 使用用户熟悉的特征作为产品几何 模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易 的进行修改。例如设计特征有弧、圆角、倒角等等。这些设计特征对工程人员来 说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用了这些领 域独特的特征。通过给这些特征设置参数( 不但包括几何尺寸，还包括非几何属 性) 和修改参数就能很容易地进行多次设计的迭代，实现产品开发。 6 翌望! ! ! 垒旦! 鳖笙笪堡董差堡堡垫竺塑生望壅翌 塑坚查堂婴主兰竺笙堑三! ! ! 兰三旦 3 数据管理。加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了 实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理 模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作。由于使用 了p r o e n g i n e e r 独特的全相关性功能，数据管理的实现成为可能。 4 装配管理。p r o e n g i n e e r 的基本结构能够使用户利用一些直观的命令，例 如“耦合”、“插入”、“对齐”等很容易地把零件装配起来，同时保持设计意图。高 级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限 制。 5 易于使用。菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的 最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容 易学习和使用。 从软件的三维造型特点来看，i - d e a s 和u g 两种软件属于复合建模，适用 于复杂的曲面设计；p r o e n g i n e e r 软件采用了全参数化造型技术，比较适用于零 件相对简单，部件结构比较复杂的产品设计。 1 2 4d a s s a u l t 的c a t i a 软件 c a t i a 是由法国著名飞机制造公司d a s s a u l t 开发并由i b m 公司负责销售的 c a d c a m c a e p d m 应用系统。c a t i a 起源于航空工业，其最大的标志客户即 美国波音公司。波音公司通过c a t i a 建立起了一整套无纸飞机生产系统，取得 了重大的成功。 围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的c a t i a v 5 版本可 以为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可 以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间 的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义 和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。 作为世界领先的c a d c a m 软件，c a t i a 可以帮助用户完成大到飞机小到 螺丝刀的设计及制造，它提供了从2 d 到3 d 到技术指标化建模的完备的设计能 力。同时，作为一个完全集成化的软件系统，c a t i a 将机械设计、工程分析及 仿真和加工等功能有机地结合，为用户提供严密的无纸工作环境，从而达到缩短 设计生产时间、提高加工质量及降低费用的效果。u o ，1 1 ，1 2 范明：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现浙江大学硕士学位堡苎：! 坚! ! ! 兰旦 1 3 本文的贡献 本文主要提出了我们在设计和实现f c a d 系统过程中，几个重要模块的设 计思想和对实践中所遇到的一些问题的解决方法。 f c a d 是一个三维零件c a d 系统，主要由特征模块，装配模块，草图设计 模块和图纸模块组成。这四个模块分别对c a d 系统中最重要的零件编辑功能， 装配功能，草图设计功能和出图功能进行了实现。在过去的工作中，我们已经完 成了基本框架的设计和实现，并且完成了部分常用特征的定义和实现。我们对上 述的几个模块的设计方法和实现方法分别进行了简单的阐述。 本文主要提出的是在f c a d 系统中如何通过对特征的管理来实现零件的编 辑功能。理论上，对零件进行编辑时，当对零件的拓扑或者几何信息被修改之后， 只需要恢复被修改的操作之前的状态，再将被修改的操作以及后面的所有操作重 做就可以了。但是实际上拓扑操作的逆操作实现起来非常困难，在很多情况下都 无法正确地恢复到操作之前的样子。因为从底层保存的拓扑结构和几何信息，我 们无法分辨新生成的元素和被修改的元素是在哪一个特定的操作中出现的。然而 能够在任何时候恢复到某一操作之前的状态是编辑零件所必须实现的功能。现在 的很多c a d 系统都提供了一套基于历史的方法来完成恢复操作之前状态的功 能。基于历史是指用户的对零件的拓扑或者几何信息的每一次操作都被作为一个 设计历史记录起来，一旦需要恢复某一个操作之前的状态，就能够从头开始将该 操作之前的所有操作重做。 f c a d 系统采用了基于特征和基于历史的参数化方法。在特征管理模块中， 我们采用了面向对象的设计方法，将每一种特征定义为一个类。在每一个实体生 成的时候，他们之间的依赖关系就会被建立起来，以保证修改一个实体的时候能 够自动实现连动地修改。直接地对当前的零件实体的拓扑结构和几何信息进行修 改是非常困难的，所以用户对零件修改的每个操作被作为设计历史保存在零件的 数据结构中。创建特征修改、删除、回退、隐去和取消隐去这些操作都被当成 个操作历史保存起来，如果需要恢复在某一个操作之前的零件状态，我们采取的 方法是删除当前的零件信息，从第一个操作历史开始重新生成。为了节省重新生 成的时间，我们每隔一段操作时间，对零件实体做了一个快照，保存在内存或者 文件中，并用一个快照管理器进行管理。引入了快照机制之后，我们避免了从最 开始的一个节点重新生成，而是从最近的包含有效快照的节点开始重新生成。 命名机制是c a d 系统的关键技术之一。当零件信息被修改并重新生成之后， 就可能在结构上和原来的零件模型存在差异。但是每一个操作中所保存的所有参 范明：f c a d 中特征管理等关键模块的设计与实现 浙江大学硕士学位论文2 0 0 4 年2 月 数是在创建该操作时初始化的，而且在以后的操作中不再发生改变( 除了修改一 个特征的时候) ，因此必须建立原始模型和重新生成的模型之间的对应关系。我 们实现了一套简单有效的命名机制。在f c a d 中，我们采用了局部命名的方法， 以面的命名和匹配作为点和边的命名和匹配的基础，并给出了面的合并和分裂时 候的命名规则。在匹配面和边的过程中，我们提出了一个相似度的概念来查找最 可能的结果集。最后，如果不能从程序上判断，就将决定的权利交给用户。 在将零件、装配体和图纸等保存为文件的时候，我们采用了与m f c 相似的 实现方法，将所有复杂的指针定位问题和类的继承关系的处理都交给一个序列化 类和一个类名的管理机制去处理，从而大大减少了在每个类中编写存盘和读盘函 数的复杂性。 1 4 本文结构 本论文将围绕一下所述的框架对f c a d 系统进行介绍，重点是对其中特征 管理模块进行介绍和分析。本文的组织结构如下： 在第一章中，我们对当前c a d 技术和系统的发展历史进行了介绍，叙述了 从二维c a d 技术到曲面造型，实体造型和参数化设计三维c a d 技术的发展过 程。然后对世界上最流行的四种c a d 软件及其特点进行了介绍。这些软件对我 们设计f c a d 系统起到了指导作用。 第二章对整个f c a d 系统进行了介绍，阐述了每个模块的功能，并且对一 个具体的操作过程中模块之间的依赖和调用关系进行了阐述，并详细介绍了为了 适应多个几何核心而设计的桥模式和适配器模式相结合的结构以及创建特征和 实现装配的流程。 第三章给出了特征管理模块的设计和实现方法。首先定义了各类实体和它们 之间的依赖关系，并且给出了在一个零件实体中记录实体和操作的机制。着重给 出了创建特征、删除特征、修改特征、回退、隐去和u n d o r e d o 的实现方法。 在介绍每一种操作的时候，都对在实践过程中所遇到的问题进行了讨论，并提出 了解决的方法。 第四章着重提出了f c a d 中命名机制的实现方法。命名机制是实体造型的 核心技术之一。我们在f c a d 系统中，参考了前人的命名机制，实现了一种混 合的简单的局部命名的方法和匹配机制。最后我们给出了一个具体实现的例子。 第五章提出了f c a d 中对文件存取的设计和实现方法。文件的存取是c a d 系统中的一个重要的组成部分。我们借鉴和改进了m f c 的序列化存取机制，高 苎塑：! ! 竺生堑堡笪堡量茎壁堡垫塑堡盐望窭里 塑坚查堂堡圭兰竺丝苎：! ! 竺兰：旦一 效地完成了对零件体的二进制存取。 在最后一章中，我们对全文和f c a d 系统中已经完成的工作进行了总结， 并且对以后的工作进行了展望。 o 蔓望! ! 里竺! 堑堡篁型竺茎壁堡些堕丝盐皇塞堡 塑垩查堂堡兰垡丝苎：! ! 竺! 至l 一 第二章f c a d 系统结构 2 1f c a d 系统的开发背景 2 1 1研究背景 随着计算机应用的普遍推广和c a d 技术的飞速发展，越来越多的行业引入 了计算机辅助设计，尤其是机械工业制造方面。国际上有相当多的成功的c a d 系统，在机械工业制造和其他行业起着举足轻重的作用，比如s o l i d w o r k s ， s o l i d e d g e ，p r o e 。为了赶上世界科技发展的潮流，实现国内机械制造工业的信息 化，国家8 6 3 高科技研究发展计划将三维c a d 及产品创新设计系统研究开发和 应用列入了8 6 3 “软件重大专项”。我们实验室早在8 6 年就开始着力开发自主产 权的三维c a d 系统g s c a d ，g s c a d 是一个面向实用的产品造型系统，它的 前身z d m c a di i 是作为“集成化c a d c a p p c a m 系统g s i c c c ”中的一 个子课题来开发的，z d m c a d 是在吸收了国际著名c a d 软件的特点的基础上 开发完成的新一代产品设计系统，早在1 9 9 5 年第二届自主版权c a d 软件评测 中荣获三维造型组的最高奖。g s c a d 则是在z dm c a di i 的基础上，经过近 两年时间的改进与完善而完成的完全符合w i n d o w s 风格的实用化三维产品造 型系统，它的设计风格及其技术都是全新的。g s c a d 以产品全局模型为基础， 通过s t e p 中性文件和共享数据库与c a p p c a m 实现集成，并能与产品数据 管理系统g s p d m 进行无缝连接。适用于来做钣金设计、模具设计、通过机械 零件设计等。g s c a d 系统充分利用人工智能学和人机工程学的最新技术，纯 w i n d o w s 风格，友善的全中文图示化界面，多文档、多窗口。拥有智能化草图设 计、智能化草图设计、装配设计、图纸设计等多种功能。2 0 0 0 年6 月，g s c a d 2 0 0 0 被国家高技术计算机综合自动化制造系统专家组评为8 6 3 c i m s 重大目标产品项 目公开评测优秀软件 2 8 1 。 然而随着c a d c a m 投术的不断发展，g s 。c a d 无论在造型手段上还是产 品建模和数据交换上，都已不能满足集成环境及设计师的要求。因此我们从2 0 0 3 年6 月开始，参考了s o l i d w o r k s 2 0 0 4 1 2 7 ，在g s c a d 的基础上，进行重新设计 和实现，采用完全的面向对象的设计模式，结合更新的技术，以达到更高的性能， 在界面上更加友好，更好的满足用户的需求。这就是我们的f c a d 系统。 2 1 2 开发环境 苎型! ! ! 垒旦! 竺堡篓型堇茎丝堡堡堕望盐量壅塑 塑坚查堂堡兰兰堡堕兰二塑竺皇兰l 一 我们在m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 环境下进行了开发。界面部分采用了m f c ， 显示部分采用了o p e n g l ，但是其他核心部分都是完全用c + 十开发的。底层的几 何库和拓扑结构的定义使用了浙大自主开发的几何引擎g e o m l i b 。 2 2f c a d 的系统结构 2 2 1 系统功能和技术特点 f c a d 系统是一个基于特征的，参数化的实体造型系统。 基于特征意味着用户通过定义拉伸、扫掠、切割、孔和槽等特征来创建和装 配零件。因此，设计者可以从一个很高的层次来考虑和设计计算机模型，而由系 统来处理低层次的几何细节。特征是通过设置参考平面，创建方向，形状，标注 和其它元素的值和属性来定义。 参数化是指零件和装配件的物理部分是通过给特征的属性( 主要是指标注) 赋值来驱动的。用户可以在任何时候定义或者修改一个特征的标注或者其它属性 ( 当然也必须在一定的限度内) 。任何变动都将在整个模型中自动的传递。通过 数值上的关联，用户修改任何标注，都能够在保持几何关联的情况下对整个模型 进行相应的改变。 实体造型是指用户所创建的计算机模型能够包含真实世界中实体包含的所 有信息。这个计算机模型是一个体，能够定义它的材料密度。实体造型不像曲面 造型，在实体上打孔或者进行切割时，一个新的曲面会被自动创建，系统能够分 辩该曲面的那一侧是实体物质。实体造型中最有用的特性是它能够保证没有二义 性并且能确保在物理上能够实现。因为在实体造型机制下，用户无法创建一个在 物理上不可能存在的模型。 f c a d 系统的零件设计是完全基于三维空间基础上的，提供了包括实体、草 图和参数化特征造型技术等造型功能，并提供了丰富的基本特征。它可以帮助设 计者快速而且便利地构造一个非常复杂的装配件，并且可以分析设计结果的功能 特点、质量特征以及零件之间的干涉情况。f c a d 中最关键的技术是它支持三参 数化设计，参数化设计使用户可以改变现有几何元素的尺寸，从而在设计的任何 阶段方便地修改零件模型，并且能够将这种修改传播至与之相关的各种模型( 包 括装配模型和图纸模型等) ，并且在修改的图纸尺寸的时候能够实现2 - - 维连动， 引起三维模型的相应变化。 2 苎型! ! ! 垒旦! 竺堡笪堡竺茎壁堡堡塑丝生兰壅翌 塑垩查兰堕主兰些丝苎二羔竺坚蔓l 旦一 2 2 2f c a d 的总体组成 f c a d 系统分为通用平台和核心构件二部分。核心构件包括几何引擎、约束 求解器、零件管理和真实感图形渲染等；通用平台包括草图设计、零件设计、装 配设计、工程图、数据交换接口和通用构件开发工具等。其总体架构如图1 所示。 圈1 )f c a d 系统的总体架构 我们的实体造型部分采用了g e o m l i b 库。该库是浙江大学所开