（机械电子工程专业论文）基于net框架的nx参数化器件库的研究.pdf

要 基于n e t 框架的n x 参数化器件库的研究 姓名；陈曼华指导教师：薛澄蚊教授 专业：机械工程 摘要 随着c a d 技术的发展，c a d 软件得到了广泛的应用，在这些平台上开发符合企业所需要的零件 库的工作也取得了很大成果。但髓着网络和信息技术的发展，这些零件库的缺点与不足也逐渐显露 了出来，界面不够友好、重复开发现象严重、资源不能共享、移植性和扩展性较差等。 本文首先对c a d 技术进行了描述，阐述了参数化技术的基本理论及参数化器件库建立的基本方 法，确定了采用程序化参数化方式建立零件库的基本思路。 然后基于现有的二次开发存在的问题，对目前新的软件开发平台n 】玎及n l 玎框架、面向对象 的新型编程语言甜的特点和优势进行了分析。在此基础上重点对c a d 软件系统n x 的n xo p e n f o r n e t 的开发方式进行了研究。获取了完整的开发过程，确定了采用基于n e t 的二次开发模 式。 结合个具体的软件系统，对参数化微波器件库进行了需求分析，研究了c s ( 客户机服务器) 的网络构架的特点和优势，据此确定零件库的网络构架然后运用模块化的软件设计和开发思路， 分析了各个功能模块问的交互关系，完成了微波器件库的总体方案设计。 对软件系统实现的关键技术：界面设计与开发、配置文件操作和配置类设计、用户类设计、器 件类设计，以及n x 中新的面向对象的绘图技术、数据库系统访问技术等等，进行了详细的研究和 阐述。 最后本文对器件库软件的服务器端及客户端的安装部署、配置使用进行了介绍。 关键词1 n e t 框架、n x 二次开发、c kn x o 衅n 接口，客户端，服务器模式 东南大学硕士学位论文 t h es t u d y i n go fn xp a r a m e t e rp a r t sl i b r a r y b a s e do n n e tf r a m e w o r k n a m e ：c h e nm a n h u a s u p e r v i s o r ：p r o f x u ec h e n g q i m a j o r , m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a b st r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c a dt e c h n o l o g y ，c a ds o f t w a r ei sw i d e l yu s e d ，p a r t s 1 i b r a r ym e te n t e r p r i s e 3r e q u i r e m e n t sh a sb e e na c q u i r e dc o n s i d e r a b l e a c h i e v e m e n ta tt h e s ep l a t f o r m s b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e8 h o r 七c o m i n go fp a r t sl i b r a r yw i t hs oe n o u g ha s t oc o m et o1 i g h tg r a d u a l l y ，t h ei n t e r f a c ei sn o tf r i e n d l i l y ，t h es e r i o u s p h e n o m e n o no fr e p e t i t i o nd e v e l o p m e n t ，t h en os h a r eo fi n f o r m a t i o nr e s o u r c e s ， t r a n s p l a n t i n ga n de x p a n d i n ga r ew o r s e ， e t c i nt h i sp a p e r ，c a dt e c h n o l o g yi sd e s c r i b e da tf i r s t ，t h e nt h eb a s i c t h e o r i e so fp a r a m e t e rt e c h n o l o g ya n db a s i cm e t h o do fp a r t sl i b r a r y d e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d ，t h eb a s i ct h i n k i n go fd e v e l o p i n gp a r t sl i b r a r y a r ep u tf o r w a r d i nv i e wo ft h ee x i s t i n gs h o r t c o m i n go ft h ec u r r e n ts e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ， t h ec h a r a c t e r i 8 t i ca n d a d v a n t a g e o ft h en e w e s ts o f t w a r e d e v e l o p i n g p l a t f o r m n e ta n d n e tf r a m e w o r k ，o b je c t o r i e n t e dn e wp r o g r a m m i n gl a n g u a g e c 势a r ei n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，t h ec a ds o f t w a r es y s t e mn x a n dd e v e l o p m e n tw a ya r e r e s e a r c h e d ，t h ew h o l ec o u r s ei sd e s c r i b e d ，a n do u rd e v e l o p m e n th a sb e e n d e t e r m i n e d r e f e r st o ac o n c r e t es o f t w a r es y s t e m ，t h er e q u i r e m e n t so fp a r e m e t e r m i c r o w a v ep a r t sl i b r a r ya r ea n a l y z e d ，t h ea d v a n t a g eo fc s ( c l i e n t s e r v e r ) n e t w o r ka r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e d ，a n dt h ec sa r c h i t e c t u r ei su s e di no u r p a r t sl i b r a r y t h e nt h em o d u l es o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tm e t h o di sa p p l i e di nt h e d e s l g no ft h ep a r t s1 i b r a r y k e yt e c h n o l o a i e so f t h es o f t w a r es y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s ： g r a p h i ci n t e r f a c ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t ，c o n f i g u r ef i l eo p e r a t i o na n d c o n f i g u r ec l a s sd e s i g n ，u s e r sm a n a g e m e n td e s i g n ，p a r t s m a n a g e m e n td e s i g n ， a n dt h en e wo b je c t - o r i e n t e dd r a w i n gt e c h n o l o g yi nn x d a t a b a s ea c c e s s t e c h n o l o g y ，h a v ec a r r i e do nd e t a i l e dr e s e a r c ha n de x p o s i t i o n t h ei n s t a l l a t i o na n dc o n f i a u r a t i o na b o u tt h ep a r t sl i b r a r yi 8m e n t i o n e d i n t h e e n do f t h i sp a p e r k | yw o r d s ：n e tf r a m e w o r k ，n xs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 、c 双n xo p e nf o r n e t ，c l i e n t s e v e r n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一躲避一吐孚 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 虢晔名：私 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1c a d 技术概述 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 是指工程技术人员在人和计算机 组成的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、分析、绘图等工作，并达到提高产品 设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。广义的c a d 技术除了计算机辅助设 计外，还包括计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助工艺规划( c a p p ) 、计算机辅助制 造( c a m ) 和产品数据及图档管理( p d m s ) f 1 1 本论文中所提到的c a d 未作声明均采用狭义定义 c a d 是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设 计、有限元分析( f e a ) 及优化设计、数控加工编程( n c p ) 、仿真模拟及产品数据管理等 内容。随着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，异地、 协同、虚拟设计及实时仿真也得到广泛应用。 c a d 技术集中体现在c a d 系统上，c a d 系统是最终用户用来实现设计思想、加速产品 和工程设计的信息化工具。 c a d 体系结构大体可分为基础层、支撑层和应用层三个层次。基础层由计算机及外围设 备和系统软件组成，系统软件在工作站上流行u n i x 加m o t i f 操作系统，在微机上流行 w i n 9 5 9 8 n t 操作系统。系统软件还包括支撑软件、系统开发和维护的工具软件。支撑层 包含了数据管理、网络支撑、几何造型、人机交互等内容，随着网络的广泛使用，异地协同 虚拟c a d 环境将是c a d 支撑层的重要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求有各自的 c a d 专用软件来支持相应的c a d 工作，如机械、建筑、汽车等等。 c a d 系统作为计算机应用系统的一个重要分支，经历了三个发展阶段，即：多用户共享 一台计算机；一个用户使用一台计算机；一个用户共享多台计算机。从系统结构上看，c a d 系统大致可分为两类，即集中式系统和网络系统。集中式系统要求有功能较强的计算机，一 次投资大，使用起来不灵活，在8 0 年代中期以前应用比较广泛。从工作站和高性能微机问 世以后，大多数用户采用工作站和微机网络系统来代替这类集中式c a d 系统，形成网络化 的系统2 l 3 】【“。 1 i 1c a d 技术的发展历程和趋势 c a d 技术产生于本世纪5 0 年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件 技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。c a d 技术是一项综合性的，集计算机图形 学、数据库，网络通讯等计算机及其他领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要 组成部分，也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。在 c a d 技术发展的初期，c a d 仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件技术的飞速发 展，c a d 技术才从三维平面绘图发展到三维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面 造型以及实体造型技术1 5 j 。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了 它的许多不利之处。它的成功应用，为c a d 技术的发展提供了更大的空间和机遇。参数化 及变量化设计思想和特征造型则代表了当今c a d 技术的发展方向t 6 。 c a d 技术的发展趋势主要体现在以下几方面： 标准化 c a d 软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决c a d 系统支持异构跨平台的环境问题。目前，除了c a d 支撑软件逐步实现i s o 标准和工业标准 外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为c a d 系统中的必备内容，且向合 东南大学硕士学位论文 理化工程设计的应用方向发展。 开放性7 】 开放性是决定一个系统能否真正达到实用化并转化为现实生产力的基础，这主要体现 在系统的工作平台用户接口、应用开发环境及与其他系统的信息交换等方面。 c a d 系统目前广泛建立在开放式操作系统视窗9 5 9 8 2 0 0 0 n t 和u n i x 、l i n u x 平 台上，为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自己 的c a d 系统。 集成化8 1 c a d 技术的集成化将体现在三个层次上：其一是广义c a d 功能， c a d c a e c a p p c a m c a q p d m e r p 经过多种集成形式，成为企业一体化解决方案，通过 集成能最大限度地实现企业信息共享，建立新的企业运行方式，提高生产效率。新产品设计 能力与现代企业管理能力的集成，将成为企业信息化的重点；其二是将c a d 技术采用的算 法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高c a d 系统的使用效率；其三是c a d 基於 计算机网络环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚 拟企业就是该集成层次上的应用。例如，在美国通用汽车公司的生产过程，大量的零部件生 产、装配都通过”虚拟工厂”，”动态企业联盟”的方式完成，本企业只负责产品总体设计和 生产少数零部件，并最终完成产品的装配。 网络化8 1 网络化，矩形化、微型化和智能化是当今计算机发展的四个方向。网络技术是计算机技 术和通信技术相互渗透、密切结合的产物，在计算机应用和信息传输中起着越来越重要的作 用。计算机辅助设计作为计算机应用的一个重要方面，同样离不开网络技术。单台计算机的 处理能力限制了其应用范围，只有通过网络互连起来，才能资源共享和协调合作，发挥更大 的效能。一个复杂的c a d 系统本身可能就由一个计算机网络构成，通过网络连接一个服务 器和多台工作站。辅助设计中所需的所有公共信息，如图形、数据、零件、编码等都存储在 服务器所带的一个公共数据库中，而各台工作站可以通过网络共享其中的数据，进行各自的 设计工作。工作站之间也可以通过网络交换相互所需的中间和最后处理结果。c a d c a m 系 统涉及不同结构、品牌及型号的计算机和外部设备，因而将它们互连的网络应是开放式的和 标准化的。 计算机网络按其覆盖的地理范围可分为局域网和广域网。c a d c a m 系统大都在一栋大 楼、一个车问或一个厂区内，属于局域网的范畴 智能化8 1 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能c a d 是c a d 发展的必然方向。 从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。因此， 智能c a d 不仅是简单地将现有的智能技术与c a d 技术相结合，更重要的是深入研究人类设 计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的c a d 系统，为人工智能 领域提供新的理论和方法。 专家系统是一个能在某个特定领域内，用人类专家的知识、经验和能力去解决该领域中 复杂困难问题的计算机程序系统。它不同于通常的问题求解系统，其基本思想是使计算机的 工作过程能尽量模似领域专家解决实际问题的过程。专家系统在c a d 作业中适时给出智能 化提示，告诉设计人员下一步该做什么，当前设计存在的问题，建议解决问题的几何途径l 或模拟人的智慧。根据出现的问题提出合理的解决方案。 专家系统是基于知识的系统，专家系统技术是知识获取、处理和运用的技术。知识工程 是专家系统技术的基础。专家系统通常由知识库、推理机、知识获取系统、解释机构和一些 2 第l 章绪论 界面组成。 人工神经网络具有下列特征：( 弦包含大量的人工神经元，提供了大量可供调节的变量； 国息是分布式存储的，从而提供了联想与全息记忆的能力； 有高度的自适应能力，高 度的容错能力，很强的计算能力以及自组织能力。 人工神经网络已在语音识别、模式分类、自动控制等领域取得了比较成功的应用，在工 程设计中的应用正在不断地研究发展，如基于人工神经网络的机械设计领域知识表达方法的 研究，智能系统的知识自动获取、基因遗传算法的原理在机械工程中的应用等。 目前，神经网络和专家系统有联合起来的趋势，神经网络也可设计成某种专家系统，实 现专家系统的功能。基于神经网络的专家系统在知识获取、并行推理、适应性学习、联想推 理、容错能力方面明显优于传统的专家系统。 c a d 的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。 虚拟现实( v r ) 与c a d 集成【9 1 v r 技术在c a d 中的应用面很广，首先可以进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验 证设计的正确性和可行性。例如用这种模拟技术进行设计分析，可以清楚地看到物体的变形 过程和应力分布情况。其次它还可以在设计阶段模拟产品装配过程，检查所用零部件是否合 适和正确。在概念设计阶段，它可用於方案优化。特别是利用v r 的交互能力，支援概念设 计中的人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，这对摩托车、汽车、飞机等的设计作用尤 其显著，在协同设计中，利用v r 技术，设计群体可直接对所设计的产品进行交互。更加逼 真地感知到正在和自己交互的实体成员的存在和相互间的活动。尽管v r 技术在c a d 中的应 用前景诱人，不过离广泛推广应用还有一定距离。 1 1 2 本课题的研究内容与背景 在机械产品中，有大约3 0 一7 0 的零件是标准件或非标常用件。这些零件往往结构相 似但尺寸不同。用户不得不反复为这些标准件或非标常用件进行三维造型，宝贵的精力会耗 费在大量的重复劳动中。 n x 是国际著名的三维c a d 软件，在国内许多大型企业都有应用。由于n x 是大型兰维 软件系统，功能多、使用复杂，因此对设计人员要求高，设计速度较二维平面设计慢，这在 一定程度上影响了其应用。然而，三维造型设计取代二维平面设计是工程设计的必然趋势。 就目前来讲，三维造型在可视化设计、装配设计、设计分析、加工仿真等方面有着平面设计 无法比拟的优越性，是提高设计质量的重要手段。问题主要在于：如何使三维造型设计变得 简单、快速，商业通用软件无法解决这个问题，只有结合产品具体设计进行通用软件的用户 定制或二次开发。 为此，本课题的主要工作就是：( 1 ) 对参数化技术及参数化建库方法进行研究；( 2 ) 研究大型c a d c a e c a m 一体化集成软件平台的二次开发方式；( 3 ) 新型的软件开发平台 和软件开发技术，编程语言的应用研究；( 4 ) 结合具体用户需求专用微波器件库，采 用新的软件平台和技术，建立起微波器件参数化零件库，并在设计实现上重点体现软件系统 的继承性、扩展性、界面友好、组网灵活，满足企业局域网实际应用的需要。 3 东南大学硕士学位论文 第2 章参数化设计与器件建库方法 2 1 参数化设计及发展 2 1 1 参数化设计概述 用c a d 方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。 产品开发初期零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才 能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息 变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形 状的零件模型“”。 参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不用确定的数值。变化一个参 数值，将自动改变所有与它相关的尺寸。也就是采用参数化模型，通过调整参数来修改和控 制几何形状，自动实现产品的精确造型。参数化设计方法与传统方法相比，其最大的不同在 于它存储了设计的整个过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型。参数化设计以其能够 使得工程设计人员不需考虑细节而能尽快草拟零件图，并可以通过变动某些约束参数而不必 运行产品设计的全过程来更新设计。它成为进行初始设计、产品模型的编辑修改、多种方案 的设计和比较的有效手段，深受工程设计人员的欢迎。该领域的研究工作正在不断深入与发 展，新的设计系统都引进了参数化功能，原有的c a d 系统也纷纷增加参数化设计功能，参 数化设计系统的功能主要有1 j ： ( 1 ) 从参数化模型丽自动导出精确的几何模型。它不要求输入精确图形，只要输入一个 草图，标注一些几何元素的约束，然后通过改变约束条件来自动地导出精确的几何模型。 ( 2 ) 通过修改局部参数来达到自动修改几何模型的目的。这对于大致形状相似的一系列 零件，只需修改一下参数，即可生成新的零件，这在成组技术中将是非常有益的手段之一 在c a d 中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形 的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的 拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如 距离尺寸、角度尺寸，半径尺寸等。工程约束是指尺寸之问的约束关系，通过定义尺寸变量 及它们之问在数值上和逻辑上的关系来表示 在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些 设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护 这些基本关系，即将参数分为两类。其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间 的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够 自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员 的设计意图。 参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专 用c a d 系统开发方面都具有较大的应用价值。目前，参数化设计中的参数化建模方法主要 有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于 三维实体或曲面模型。 2 1 2 参数化技术发展过程 参数化是在实际应用当中提出的技术。参数化技术的研究工作可以追溯到 s u t h e r l a n d 在6 0 年代开发的s k e t c h p a d 系统，在此软件系统中，s u t h e r l a n d 提出 了利用几何约束来进行图形修改的思想。根据参数化设计方法在不同时期的主要特点，可以 将参数化的研究分为以下几个阶段【i 引： ( 1 ) 6 0 7 0 年代中的萌芽期 4 第2 章参数化设计与器件建库方法 这一阶段以s u t h e r l a n d 为代表，他在s k e t e h p a d ( 1 9 6 3 ) 系统中提出利用约束作为 辅助手段进行零件的生成，但没有使用约束定义和修改几何模型。对模型的修改只是一个单 向过程，一旦模型生成后约束不能反过来限制模型 ( 2 ) 7 0 年代后8 0 年代初的开创时期 提出了一些参数化设计的基本思想和理论，并逐渐形成了不周的参数化方法以 h i l l y a r d 提出变量几何和几何约束思想，并由g o s s a r d 及其研究小组进一步发展和完善 了这一方法为标志 美国的r o b e r tl i g h t 和d a v i dg o s s a r d ( 1 9 8 2 ) 提出修改实体的变量几何法，将 尺寸约束等式划分为水平距离、垂寅距离、线性距离、点线距离和角度尺寸等多种类型，利 用一柔性过程来定义和修改几何模型，尺寸变量决定几何模型的形状和大小，通过修改尺寸 变量来修改模型，井将该方法应用于草图和系列化零件的设计。 ( 3 ) 8 0 年代中期9 0 年代初的发展时期 这一时期的一个重要特征是将a i 技术引人参数化设计中，人们分别将几何推理、神经 网络等人工智能方法应用到设计中去，同时，将参数化技术应用到实体造型，形成了特征造 型技术，以a l d e f e l d 、s u z u k i 、v e r r o u s t 提出的基于专家系统的方法为主要代表。 a l d e f e l d ( 1 9 8 5 ) 提出了一种基于符号操作和推理机处理一般几何模型的方法，一维 几何模型被表示成一系列几何元素集和定义约束计划的规则集，他将约束分为结构约束与公 制约束，并用一阶谓词表示这些约束，通过构造计划、规则库与推理机进行求解。 k o n d o ( 1 9 9 0 ) 将约束与对模型的操作联系起来，几何关系是由对模型的操作顺序确定 的，能够根据尺寸的变化对模型进幸亍修改。基于这种构造过程鲍几何造型系统p i g m o d 可 应用于线框、曲面和实体模型。 臼本东京大学s u z u k i ( 1 9 9 0 ) 用规则来表示二维尺寸约束，用约束传播等技术进行模 型参数化，给出了几何模型和约束的逻辑框架，以及几何推理机制。 西班牙c a t a l u n y a 工业大学s o l a n o ( 1 9 9 4 ) 提出一种基于约束的构造过程的参数化设计 方法，它不仅可以支持多维设计，而且还可以支持变拓扑结构设计，同时给出了模型的定义 语言、系统的结构和模型的内部表示 ( 4 ) 9 0 年代中期至今 基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化方法在实践中得到广泛应用这一阶段以利用 图表示的基于知识的凡何推理法和g a ox i a o s h a n 提出的约束传播法为主要代表 韩国p o h a n g 大学l e ej a ey e o l ( 1 9 9 6 ) 提出利用图表示基于知识的几何推理方法，将 完备的约束设计模型和几何规则表示成图，从设计图选择出适当的予图以得到新的事实，并 在规则图中搜索子规则图去匹配模型中的子图，目的是改善推理过程，节省推理时问。 西班牙c a t a l u n y a 大学j o a n - a r i n y or ( 1 9 9 7 ) 等提出了一个基于规则的几何约束 求解器，应用对象为二维几何体求解过程分为两个阶段，第一阶段为建立构造步骤序列， 第二阶段则是根据当前尺寸值和构造步骤生成几何对象的实例。该方法实质上是一种基于圈 和规则的构造过程方法原型系统通过p r o l o g 语言实现，分析器采用前向椎理而构造器 则是一个简单的函数语言解释器。 中科院系统所高夺山和美国w i c h i t a 屠立大学c h o u s h a n g c h i n g ( 1 9 9 8 ) 在几何 约束求解系统中，提出了一种全局传播法和代码计算法，该方法对局部传播方法进行扩展， 全局传播法在确定一个几何元素对象的位置时是从几何元素集中的己知元素推理而来的，推 理过程中不仅使用了显式约束，而且还有约束信息中的隐含约束，并且能判定一几何对象是 过约束，还是欠约束。 2 1 3 参数化技术的发展趋势 参数化设计作为机械c a d 的一项关键技术，它贯穿于从概念设计到详细设计的全部过 5 东南大学硕士学位论文 程，目前土要在以下几个方面进行深入研究 1 1 1 ( 1 ) 欠约束问题的有效处理。欠约束在产品的概念设计，如草图设计阶段普遍存在， 通过对隐式约束优先级的划分，将优先级高的隐式约束强制成显式约束，来表达变参后的设 计意图，但尽管这样还是存在多解的可能，因此，如何有效解决欠约束图的参数化还有待于 进一步探索。 ( 2 ) 参数化设计应当与产品功能设计联系在一起。产品的功能是和其特定的结构联系 在一起的，不同行业的产品又有其特定的设计要求，而现有参数化方法都是针对通用领域的， 因此。如何将参数化设计与每个特定的领域联系起来就有重要意义，一方面要开发一些面向 不同行业的参数化图形库，另一方面要将不同领域的设计知识与参数化过程联系起来。 ( 3 ) 参数化设计要向系统集成化方向发展。以关系数据库为驱动源的参数化设计为零 件、组件、装配体以及产品管理信息的一体化设计提供了信息基础，随着数据库技术的发展， 尤其是c l i e n t ls e r v e r 数据库技术的成熟，其为同一产品在不同地点、不同时问的并 行设计提供了保障 ( 4 ) 研究协同设计环境下基于约束的参数化设计模型现有参数化方法中，约束模型 的建立与求解都是基于单用户环境，是一种集中式的约束管理。在复杂产品的参数化设计中， 各种设计任务在不同的设计者之问如何分配；零件、部件、装配体中存在的局部约束和整体 约束如何进行协同求解：各种设计进程如何管理；约束信息在网络系统中如何存放等一系列 问题，都有待于进一步研究。 2 2 器件建库方法 国内目前研究开发的标准件、非标准件库，大多是基于大型通用商品化c a d c a m 软件 二次开发而成，综合分析这些建库方法，可将其分为三大类：系统建模方式、基于特征库方 式、程序化方式 1 2 】【”】。 2 2 1 系统建模方式 利用系统建模方式这种思想建立标准件库的晟直接方式是为每一个标准件建立一个实 体模型，然后将每个标准件的数据存储起来在需要时则可直接调用。 这种方法的优点是对c a d 系统的要求低，概念简单直观，二次开发难度不高，但其缺 点也是很明显的，由于数据量极大，所以占用大量存储空间，建库工作量大，使用不便，管 理困难；同时，实体模型占用的内存空间较大。 利用系统建模思想建库的另一种方式是利用参数化技术，即利用绘图软件本身具有的参 数化功能。利用这种方法建库的基本步骤为：建模、参数化和管理( 编程或直接利用系统管 理) 。 ( 1 ) 建模 设计标准件实体模型是系统建模思想建库的基础，大多数c a d ca m 系统均提供了高 性能的二维、三维设计及通用几何造型工具，包括特征造型、体素造型、参数化造型等造型 技术，因此可以较为方便的设计出标准件实体模型。 ( 2 ) 参数化 目前支持参数化技术的系统大致可分为两类：参数化设计和后参数化。参数化设计 系统的关键是建立一套描述设计参数和尺寸参数问的约束方程组，然后根据一组新的尺寸求 解新的设计参数。用这类系统设计的特征均已定义好约束并都己参数化需要修改模型的尺寸 可通过系统直接进行，也即可以用具体的参数驱动该模型来生成不同规格的标准件。用这种 系统设计的标准件库的优点是用户自由度较大，不但可以生成不同尺寸系列的标准件，而且 可以获得不同形状系列的标准件，其缺点是目前的参数化技术尚不十分完善，对于复杂的二 维工程图、三维模型来说，参数化设计还没有统一可靠的算法，当约束过于复杂时，求解会 6 第2 章参数化设计与器件建库方法 急剧复杂化甚至不可解。 后参数化技术一般同时支持局部参数化技术) 是在造型时不记录所有的特征约柬，而 是在造型完毕后根据用户的需要。选择需要进行尺寸变动的部分进行约束定义、建立约束方 程，然后根据一组新的尺寸求解新的设计参数，从而达到参数化的目的，对于在支持后参数 化技术的系统中建立的模型，为得到不同尺寸或形状系列的标准件系列，需要对建立的模型 进行局部参数化，必要时可进行全参数化利用系统提供的参数化功能可 对建立的模型进行参数化。其关键是定义特征问的约束关系 ( 3 ) 管理 管理程序负责用户界面与模型库的连接、传递数据、控制操作，通过编程实现参数化模 型的查询、调用、模型与标准件参数库之间的数据传递，以及对模型库、标准件参数库的查 询、增删和修改。 2 2 2 基于特征库方式 基于特征库参数化建库的总体思路为：从大量的具体标准件中抽象、分析、归纳出共有 基本特征，组成参数化特征库，特征库扩充工具允许采用已有的特征相互组合以产生新的特 征模型：利用特征库中元素及其之问的运算建立各类标准件的形状描述，这些形状描述构成 标准件库的类描述库，标准件参数库中具体的参数驱动库中标准件模型产生相应的标准侔。 2 2 3 程序参数化方式 标准件库的标准件模型是用程序表示的。即根据每一种标准件的结构特点，利用软件提 供的底层绘图语言编写出生成标准图形的子程序或函数，当需要生成某一规格的标准件时， 以此标准件的参数作为入口参数，调用相应子程序或函数来生成所需的标准件。标准件的生 成是对相应标准件子程序进行尺寸驱动的过程，即在予程序设定的零件拓扑结构不变的情况 下把零件的尺寸参数定义为尺寸变量，并在子程序中定义变量之间的关系， 当给以不同的尺寸系列值，就可调用相应子程序或函数得到结构相同( 或相近) 而尺寸 不同的零件，每一类标准件对应一个子程序，模型数据存放在相应文本文件中这是一种面 向开发者的设计方法，一般用户难以修改和扩充，编程工作量较大，但生成的标准件模型占 用空间小。生成速度也较快，真正实现了参数化设计的思想。相对于基于特征库方式的建库 思想而言较直观，对数据库设计的要求也比较简单，易于掌握。 从目前的使用情况和以上的对比分析可以看出，这三种方式在建立标准件库的过程中并 不是完全独立或褶互排斥的，面是有着综合的运用和联系。 7 东南大学硕士学位论文 3 1 n x 简介 第3 章n x 二次开发技术 n x 是全球主流m c a d 系统，是计算机辅助设计，辅助制造、辅助工程和产品数据管理 ( c a d 、c a m 、c a e 、p d m ) 一体化的软件系统之一。n x 是u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公 司( 简称u s s ) 的软件产品，原名u n i g r a p h i c s ( 简称u s ) ，2 0 0 4 年推出的新软件版本， 正式更名为n x ，n x 是下一代n e x t g e n e r a t i o n 的缩写，即表示是新一代的技术和产品。 f 1 4 1 n x 是一套复杂产品设计制造的最佳系统，从概念设计到生产产品，n x 广泛的运用在汽 机车韭、航太业、模其加工及设计业、医疗器材产业等等，近年来更将触角深及消费性市场 产业中最复杂的领域一工业设计。 u g s 是全球著名的m c a d 供应商，主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机 械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发( v p d ) 的理念提供多级化的、集成的、企业级的 包括软件产品与服务在内的完整的m c a d 解决方案。u g s 公司的产品主要m c a d 软件n x 、 基于w i n d o w s 的设计与制图产品s o l i de d g e 、集团级产品数据管理系统i m a n 、产品可 视化技术p r o d u c tv i s i o n 以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心 p a r a s o l i d 在内的全线产品。 u g s 在全世界有超过4 0 0 万套软件的装机量和46 0 0 0 个客户。在美国的航空业，安装 了超过1 0 ，0 0 0 套u g ( n x ) 软件；在俄罗斯航空业，n x 软件其有9 0 以上的市场；在北 美汽轮机市场，n x 软件占8 0 。u g s 在喷气发动机行业也占有领先地位，拥有如p r a t t w h i t n e y 和g e 喷气发动机公司这样的知名客户。航空业的其它客户还有：b e 航空公司， 波音公司、以色列飞机公司、英国航空公司、n o r t h r o p g r u m m a n 、伊尔飞机和a n t o n o v 。 多年来，u g s 一直在支持美国通用汽车公司实旌目前全球最大的虚拟产品开发项目，同 时u g 也是日本著名汽车零部件制造商d e n s o 公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业 得到了很大的应用，如n a v i s t a r 、底特律柴油机厂、w i n n e b a g o 和r o b e r tb o s c ha g 等。 u g s 于1 9 9 0 年初进入中国，其在中国的业务有了很大的发展，在中国已经有了4 0 0 0 家用户。 2 0 0 3 年5 月u g s 发布c a d 系统软件u n i g r a p h i c sn x2 。u n i g r a p h i c sn x2 在5 个重点战略方面都进行了功能的增强，其中包括知识驱动的自动化、完整的数字化仿 真、基于系统级的建模能力，完整的产品工程和t e a m c e n t e r 的高度集成性。 2 0 0 4 年9 月u g s 发布c a d 系统软件n x3 ，n x3 是集成u i d e a sn x 与 ”u n i g r a p h i c sn x ”的产品。在n x 3 0 中，提供了新的用户界面和导航工具、n x 工业设 计和风格与样式设计，n x 多功能加工能力、n xd e s i g n l o g i c 、用于n x 的通用a p i 、 n x 仿真流程工作室、n x 可管理的开发环境。在n x3 的通用a p i 中，提供了对n e t 的 支持，极大地增强了n x 二次开发的能力 2 4 】 2 0 0 5 年1 2 月u g s 发布了n x4 ，在n x4 中，在数字化模拟、知识捕捉、易用性和 系统工程方面进行了创新。在n x4 中，对n e t 开发的支持再次得到加强，可以采用j a v a 等语言进行二次开发。n x4 对编程语言的良好支持。可以让用户根据自身的需要和最适当 的工具来开发应用程序。 n x 软件系统拥有无缝集成的产品开发环境不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚 拟装配和生成工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动 力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码用 0 第3 章参数化设计与器件建库方法 于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床利用u g 软件，不仅可以实现在产品 开发全过程的各个环节保持相关，而且可以通过网络，使各设计人员之间的数据相关，从而 实现多人异地协同工作。另外，它所提供的二次开发语言o p e ng r i p 、o p e na p i 、o p e n c + + 、n xo p e nf o r n e t ，简单易学、实现功能多，并且支持面向对象程序设计，给用 户开发专用的c a d 系统提供了坚实的基础。 具体而言，n x 软件系统具有如下特点【15 】： 1 具有统一的数据库，真正实现了c a d 、c a d 、c a e 、c a m 等模块之间无数据交换的 自由切换，并且可实施并行工程。 2 采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模，显示几何建模与参数化 建模等建模技术融子一体。 3 采用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程师 的传统的设计方法，并能采用参数驱动。 4 曲面设计采用非均匀有理b 样条作为基础，可用多种方法生成复杂曲面，特别适 合于汽车外形和汽轮机叶片等复杂曲面的造型。 5 二维图功能强大，可方便地从三维实体模型直接生成二维工程图，可以按照i s o 标准和国标生成各种剖视图、标注尺寸、形位公差和汉字说明等。 6 以p a r a s o l i d 为实体建模核心，目前许多著名c a d 、c a e 、c a m 软件均以此作为 实体造型的基础。 7 提供了界面良好的应用开发工具，并能通过高级语言接口，使u g 的图形功能与高 级语言的计算功能紧密结合，便于用户开发专用c a d 系统。 8 具有良好的用户界面，绝大多数功能可以通过图标实现；进行对象操作时，具有 自动推理功能；在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户作出正确的 选择。 3 2n x 二次开发的方式 3 2 1n xo p e na p i n xo p e na p i ，开放应用编程接口，也称为u s e rf u n c t i o n ( 简称u f ) ，是一个函 数集，包含了3 0 0 0 多个c 函数，可以用来实现大部分的n x 操作，通过调用这些函数，应 用程序可以访问和影响n x 的对象模型。用户可以建立、编辑和查询并修改n x 的各种实体 对象( 包括p a r t 文件、点、线、面、特征、坐标系、表达式等) ，实现用户界面的交互， 控制n x 的行为等。另外，除这些函数之外有一些工具可以用n x 期望的方式来编译和连 接程序。 使用n xo p e na p i 可以开发新的功