（计算机软件与理论专业论文）图形参数化自适应衍生技术的研究.pdf

中国科学技术大学硕士论文摘要 摘要 利用c a d 进行图纸设计已经成为工程设计的个晕要方法，如何能够方便 的进行图形的生成，摆脱繁琐的点、线等基本图素的重复绘制，提高作图效率， 已经成为当前的迫切需求，木文就是针对这种现状来展开研究的。主要是研究图 形的演化和自适应扩展，具体工作如下所示：首先研究了图形的内部数据结构， 了解了描述图形的各种数据表达形式深入了解组成图形的所有数据信息。从图 形的构造上看。图形可由多个图元复合组成，并且各个基本图元可以间存在复杂 的约束关系。同时研究了o b j e c t a r x 和外部数据库的连接，以实现内部和外部 数据库问的数据交换。第二对图形参数化方法进行了研究，了解参数化绘图的各 种实现方法，同时在图形的约束求解方面做了深入的研究。第三对o b j e c t a r x 界面设计方面作了研究，力求开发出的界而和a u t o c a d 风格保持一致。凭借这 些知识我们实现了模块技术，将整个系统分为图库菜单管理模块、图库扩充和图 库复用模块。最后在这螋研究工作的基础上开发了个自适应参数化c a d 图形 数据库系统，建立了相应的图元库和约束库，以及进行图块管理的菜单节点库。 这个系统在帮助设计人员调用以前的罔形，并且进行原有图形的扩展方面非常有 效，大大提高了设计效率。 关键字：自适应，参数化，约束求解，数据库，图形 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e w a y i nd r a w i n g d e s i g nb y c a di si m p o r t a n ti ne n g i n e e r i n gd e s i g n ，a n dh o w t od r a w g r a p he a s i l y , n o td r a wp o i n ta n dl i n er e p e a t e d l y , m a k ee f f i c i e n t l y i nd r a w i n g i sa nu r g e n td e m a n d ，t h i sp a p e rt a k e sr e s e a r c ht om e e tt h ec u r r e n tn e e dt h e 、p a p e r r e s e a r c hi n t oe v o l u t i o na n ds e l f - a d a p t a b l ee x p a n s i o no fa u t o c a dg r a p h t h em a i n w o r k sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y r e s e a r c hi n t ot h ed a t as t r u c t u r eo fg r a p h ，k n o wo fa l l k i n d so fm e t h o di nd e s c r i b i n gg r a p h ，a n dt h ea t t r i b u t eo fap i c t u r ef r o mt h ec o n s t r u c t o f g r a p h ，t h eg r a p hc a nb em a d eu po fm a n y b a s i cg r a p hu n i t s ，a n dt h eb a s i cu n i th a s m a n yc o m p l i c a t e dc o n s t r a i n tr e l a t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rr e s e a r c hi n t ot h e c o n n e c t i o nb e t w e e no b j e c t a r xa n de x t e r n a ld a t a b a s e ，i no r d e rt o e x c h a n g ed a t a i n f o r m a t i o nb e t w e e ni n t e r n a la n de x t e r n a ld a t a b a s e s e c o n d l y , t h er e s e a r c hw o r k so n p a r a m e t e r i z e d m e t h o d sb a s e do no b j e c t a r xw a sd o n e ，t ol e a r no fa l lk i n d so f p a r a m e t e r i z e dm e t h o d si ng r a p h ，a tt h e s a m et i m e ，t h ep a p e rd or e s e a r c ho nt h e g e o m e t r i cc o n s t r a i n ts o l v i n g t h i r d l y , t h er e s e a r c hw o r k so no b j e c t a r xw i n d o w d e s i g nw a sd o n e ，t r yt om a k e t h ed e v e l o p e dw i n d o ws t y l ea ss a m ea st h ea u t o c a d w i n d o ws t y l e b y v i r t u eo ft h e s ek n o w l e d g e ，w er e a l i z e dm o d u l a r i z a t i o nt e c h n o l o g y , d i v i d e dt h es y s t e mi n t ot h r e em o d u l e s ，m e n u g r a p hm a n a g e m e n tm o d u l e 、g r a p h i n s e r t i n gm o d u l ea n dg r a p hr e u s i n gm o d u l ef i n a l l yb a s e do nt h e s er e s e a r c hw o r k ，a n a d a p t i v ep a r a m e t r i cc a dg r a p h i cd a t a b a s es y s t e m i s d e s i g n e d ，t h eg r a p h i cu n i t d a t a b a s e 、c o n s t r a i n td a t a b a s ea n dm e n ud a t a b a s ew a se s t a b l i s h e d ，t h i ss y s t e mc a n h e l pt h ed e s i g n e rr e u s et h ep r e v i o u sg r a p h ，a n de x t e n dt h ep r e v i o u sg r a p h ，t o o s oa t l a s t ，t h ed e s i g n e r c a nd r a w e f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：a d a p t i v e ，p a r a m e t r i c ，c o n s t r a i n ts o l v i n g ，d a t a b a s e ，g r a p h i i 中国科学技术大学硕士论文第l 章绪论 1 1 课题的背景 第1 章绪论 a u t o c a d 作为一款强大的工祝绘图软件，已经成为工程人员工作巾不可缺 ! p 的重要：i 具。a u t o c a d 提供j 二次开发工具a u t o ，j s p 、a d s 和o b j e e t a r x 等， o b j e c t a r x 是新代纂于c + + 的应用程序接| 1 ，它和a u t o c a d 享地址空间并 且直接郡a u t o c a d 进行通信，运行速度比a d s 更快i i i 。矧时，a r x 还可以创建 新的类，充分利膈了面向列蒙编程的特点。在一程人员在c a d 实际设计中，人 们常常需要频繁使用某些图块，却因为没有方便的存储方式而耗时。另一方面， 即使使用c a d 存储了一些图块，却也因为查找费时而效率低下。而且目前根据 参数化设计开发的一些系统，像标准件系统，由于固定了图块形状，限制了用户 在原有条件下设计新的标准件，灵活性差。针对这些情况，本文综合了多种参数 化方法的特点，提出了自适应参数化c a d 图形数据库系统。 1 2 国内外c a d 技术研究动态 1 2 1c a d 技术发展历程 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 ) 1 2 i 是用计算机系统协助产 生、修改、分析和优化设计的技术。随着i n t e m 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了广泛应用。 c a d 作为信息技术的一个重要组成部分，将计算机高速、海量数据存储及处理 和挖掘能力与人的综合分析及创造陛思维能力结合起来，对加速工程和产品的开 发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能 力发挥着重要作用。如果从美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号所配的图形系统 算起，c a d 迄今已有5 0 年历史：若以m 1 t 林肯实验室的i es u t h e r l a n d 发表的 人机通信的图形系统博士论文为开始，也有3 6 年的历史了。 总的来说，c a d 发展经历了以下几个阶段。 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 ( 1 ) 第一次c a d 技术革命 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。进入7 0 年代。正值飞机和 汽车工业的蓬勃发展时期，此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题。 此时法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得 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，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维 曲面造型系统c a t i a 。它的出现。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，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信 息。同肘也使得c a m 技术的开发有了现实的基础。但直到7 0 年代冷战时期才 有条件独立开发或依托某厂商发展c a d 技术。例如：c a d a m 由美国洛克希德 ( l o c h h e e d ) 公司支持、c a l m a 由美国通用电气( g e ) 公司开发、c v 由美国波音 ( b o c i n g ) 公司支持、i - d e a s 由美国国家航空及宇航局( n a s a ) 支持、u g 由美国 麦道( m d ) 公司开发、c a t i a 由法国达索( d a s s a u l t ) 公司开发，这时的c a d 技术 主要应用在军用工业。但受此项技术的吸引，一些民用主干工业，如汽车业的巨 人也开始摸索开发一些曲面系统为自己服务，如：大众汽车公司s u r f 、福特汽 车公司p d g s 、雷诺汽车公司e u c l i d 、另外还有丰田、通用汽车公司等都开发 了自己的c a d 系统。曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模 式有了质的飞跃，汽车工业开始大星采用c a d 技术。 ( 2 ) 第二次c a d 技术革命 基于对于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 软件一1 d e a s 。由于实 体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、 c a m 的模型表达给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来c a d 技术的发 展方向。可以说，实体造型技术的普及应用标志c a d 发展史上的第二次技术革 命。但是受到当时硬件条件和数据计算量极度膨胀的限制，实体造型技术也就此 没能迅速在整个行业全面推广开。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。在这段时期里，c v 公司最先在曲 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 面算法上取得突破，计算速度提商较大。 ( 3 ) 第三次c a d 技术革命 进入8 0 年代中期，c v 公司内部提出了一种比无约束自由造型更新颍、更 好的算法一参数化实体造型方法。从算法上来说，这是一种很好的设想。它主 要的特点是：基于特征、全尺寸约束、垒数据相关、尺寸驱动设计修改1 3 1 。随后 成立了一个参数技术霄 ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，开始研制命名为p r o e 的参数化软件。进入9 0 年代参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在 许多通用件、零部件设计j _ 二存在的简便易行的优势。可以认为，参数化技术的应 用主导了c a d 发展史上的第三次技术革命。 ( 4 ) 第四次c a d 技术革命 9 0 年代，s d r c 的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技 术更为先进的实体造型技术瘦量化技术【4 t 一1 ，井于1 9 9 3 年推出全新体系结构 的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。在i - d e a sm a s t e rs e r i e s ( 以下简称i - d e a sm s ) 软 件系列中，变量化的理念是按如下步骤步步实现的：1 - d e a sm s1 用主模型技 术统一数据表达，变量化构画草图；i - d e a sm s2 变量化截面接形：i - d e a sm s 3 变量化方程；i - d e a sm s4 变量化扫掠( 曲面) ；i - d e a sm s5 变量化三维特征， v g x ；i - d e a sm s6 变量化装配，p m i 等。变璧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，有效的支持了c a d 的概念化设 计f 6 l 。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。 1 2 2 参数化c a d 设计 参数化( p a r a m e t r i c ) 设计( 也叫尺寸驱动d i m e n s i o n - d r i v e n ) 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。目前它是c a d 技术应用领域内的一个重要的、且待迸一步研 究的课题。利用参数化设计手段开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r 卜解脱出来，可以人人提高设计速度，并减少信息的存储 量。 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 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 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撼本特征是直接对数据库进行操作。 因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、易开发和使用的特点，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。 目前，参数化设计主要有程序参数化、在线交互式参数化和基于自组织的 离线参数化方法。今后参数化设计将在( 1 ) 欠约束问题的有效处理；( 2 ) 和产 品功能设计联系起来i ( 3 ) 向系统集成化方向发展；( 4 ) 协同环境下的模型设计 等方面展开研究f 7 】。 1 2 3o b j e c t a r x 开发工具的引入 a u t o c a d 是a u t o d e s k 公司的主导产品。a u t o c a d 系统软件它是全球规模 最大，最流行的基于p c 平台的c a d 系统。 a u t o c a d 采用开发式的体系结构允许用户或二次开发商扩充新的功能和设 计各种应用程序。它主要支持三个二次开发环境a u t o l i s p 、v b a 和o b j e c t a r x 。 a r x ( 实时运行扩展) 是美国a u t o d e s k 公司继a u t o l i s p ，a d s 之后的第三代开 发工具，它是个真正面向对象的。面向迅速普及的3 2 位w i n d o w s 图操作系统 的强有力的a u t o c a d 二次开发工具。a r x 环境下的开发技术代表了以p c 为硬 件平台的c a d 应用软件最先进的开发技术。在o b j e c t a r x 环境下开发的程序称 为a r x 应用程序( a r xa p p l i c a t i o n ) 。a r x 应用程序不再是一个独立的进程， 而足一个d l l ( 动态连接库) ，它享a u t o c a d 的地址空间，能够直接利用 a u t o c a d 的内核代码，直接访问a u t o c a d 的数据库，图形系统及几何造型核心， 在运行期问实时扩展a u t o c a d 具有的类及其功能，建立于a u t o c a d 本身的固 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 有命令操作方式相同的新命令。开发a r x 应用程序需要o b j e c t a r x 提供的a r x s d k 。a r xs d k 工具包主要提供了开发a r x 应用程序所需的库文件，头文件， 程序设计示例和有关的使用说明，在a u t o c a d 的不同版本运行的a r x 应用程 序需要不同的0 b j e c t a r x 开发环境的支持和各自的编译连接工具。开发 a u t o c a d2 0 0 0 ，就要用o b j e c t a r x2 0 0 0s d kf o r a u t o c a d 2 0 0 0 。 a r x 库包含了开发工具，开发者利用a u t o c a d 的开发体系结构可方便的 直接访问a u t o c a d 的内部数据结构，图形系统以及进行内部命令定义，a r x 环 境主要由a c r x ，a c e d ，a c d b ，a c g i 和a e g e 类库组成。将m f c ，o d b c 和 0 b j e c t a r x 结合，在v i s u 8 l c 抖环境下进行a u t o c a d 应用程序设计，可以充分 利用m f c ，o d b c 和o b j e c t a r x 的优点，没计出的程序界面友好，数据管理功 能强大，程序运行效率高【8 9 1 。 用a r x 进行a u t o c a d 二次开发，具有无可比拟的优越性，主要表现在i l l ： ( 1 ) 全面支持面向对象的c + + 编程，能充分利用c + + 编程方法的一切优点。 ( 2 ) o b j e , - t h r x 应用程序本身就是一个动态链接库，它共享a u t o c a d 的地址 空间。并可通过多种方式调用a u t o c a d 命令和函数，应用程序中的命令和 a u t o c a d 的内部命令在形式上没有什么区别。 ( 3 ) o b j e c t a r x 应用程序可以直接访问a u t o c a d 的数据结构和图形系统，可 以这样说，在a u t o c a d 编辑环境下的所有动作，在应用程序中都可实现，在 a u t o c a d 编辑环境下不能实现的行为，也可以用应用程序实现。 ( 4 ) 利用o b j e c t a r x ，可以充分利用m f c 的网络编程功能。支持异地协作设 计。 ( 5 ) 移植性好，v c 开发的a r x 可以移植到t h i n k 3 等软件上去。 ( 6 ) 由于共享a u t o c a d 内存地址空间，速度快，可以满足分形理论仿真等速 度要求高的情况。 1 3 课题的总体思路和研究内容 1 3 1 总体思路 为实现对c a d 局部图形的参数化管理，方便工程人员的批量化处理，利用 中餐科学技术大学硕士论文 第1 章绪论 现有c a d 软件的特征化、参数化是一个不错的方法。因为现有c a d 软件的特 征化、参数化技术已经很成熟，在现有软件的基础上进行开发可以省时省力，取 得良好效果适应广大机械设计人员对减轻工作量的迫切需要。 众多软件中，a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 是具有代表性的优秀软件之一。包 含了产品设计、装配、分析仿真、工艺与制造等众多模块，广泛应用于机械、汽 车、轻工、家电、航空航天和船舶等领域。我们利用c a d 强大的参数化功能， 在其基础上进行二次开发来完成我们的工作。 预期所要达到的成果是要完成图形的参数化存储，实现对图形的层次化的类 别管理，从而达到图形的复用和自适应扩展，软件力求达到界面友好、方便管理、 方便使用，能够把工程设计人员从巨大的图纸重复绘制的繁琐工作中解脱出来。 1 , 3 2 主要研究内容 要在a u t o c a d 系统下开发出一个面向自适应功能的图形数据库系统来，必 须围绕以下工作展开。 ( 1 ) 运行环境的深入了解 利用a u t o c a d 第三代二次开发工具o b j e c t a r x 进行进行系统开发，要充分 了解o b j e c t a g x 的运行环境，实现a u t o c a d 和m f c 之间的衔接。深入了解 a u t o c a d p q 部数据库，以及o b j e t a r x 所提供的基础类和扩展类。灵活的实现 a u t o c a d 功能的自定义添加。同时研究o b j e e t a r x 在m f c t 与外部数据库的连 接，包括o d b c 、a d o 和d a o 等的连接，以实现a u t o c a d 数据的外部存储功能， 可以利用外部数据库使管理更加简洁高效。 ( 2 ) 模块化设计程序 程序中模块的捌分是很重要的一步。因为它影响到将来模块的可变性、模 块接口的设计，影响到以后的功能扩充。 ( 3 ) 参数化程序的设计 针对局部图形( 图块) 进行参数化设计，如何在设计过程中保持图形的基 本特征和形状，图形参数没计尤为重要，因此为了显现和扩充图形，设计了图元 库和约束库来实现对图形的描述，同时提供了菜单库对图形进行分门别类的管 理。 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 ( 4 ) 建库工作 建库工作包括图元库和约束库以及管理库的建立。管理库记录了用户先前 操作的所有的图块，可以方便的调用。图元库则记录了某一图块的基本图元的几 何描述，约束库记录了图元间的相互约束关系。当这些库建立起来后，就可以综 合使用以保证图形的完备性和自适应性。 ( s ) 界面设计 界面设计是很重要的一步，因为软件的界面是否人性化，使用是否方便已 经成为评价软件好坏的重要指标。所设计的界面应该简洁明了，并且由于它是在 a u t o c a d 中使用的所以它应该和a u t o c a d 的风格一致，所以应尽量使用 o b j e c t a g x 的a u t o c a d 类库。 ( 6 ) 系统稳定性 所设计的程序力争做到数据结构优秀，提高程序的运行速度。并且由于程 序再运行的过程中经常碰到一些异常情况，所以程序必须处理这些情况以保证正 常运行，o b j e c t a g x 开发程序必须避免内存泄露，否则将引起a u t o c a d 系统崩溃 而自动退出。 ( 7 ) 开发出一个自适应参数化c a d 图库模型 充分了解图形的内在数据构造和组成形式，以及图形内部各个图元间的约 束关系，建立起一个能够完备表达图形信息的数据库系统同时在原图的基础上， 能够根据初始模型，提取出一些特殊图元的约束关系，并且入库保存，最终能够 实现原图形的荐现和自适应的扩展。 1 4 研究特色 本文提出了自适应的图库管理模型，具有以下特色： ( 1 ) 结合图形参数化和参数化设计的思想，建立了通用图形参数化模型， 使得系统能够满足不同设计用户的需求。 ( 2 ) 提出了建立图元库和约束库来实现图形的重构，是描述图形特征的一 种新方法，可以充分利用外部数据库的灵活性，同时又能完备的存储图形信息。 ( 3 ) 此模型同a u t o c a d 内在的图形图块操作命令相比，引入了参数化没计 的思想，可以做出和原图形类似的更多的图形，同时能克服标准件系统扩充性差 7 中国科学技术大学硕士论文第l 章绪论 的缺点，能够在新的标准下，设计出符合新要求的图形来。 ( 4 ) 能方便的实现先前图形的插入，并且可以根据用户需求，在基本形状 不变的情况下，扩展原来的图形，具有很强的应用性。 1 5 全文内容安排 第一章是绪论，介绍论文的研究背景、国内外技术研究动态，本文的研究内 容等，研究特色。 第二章是图元库的设计，主要介绍图_ 形的基本组成结构以及基本图元的参数 属性设计和a u t o c a d 下的内部数据构造，最后介绍了c a d 下的一个操作实体 拖动的类。 第三章是几何约束求解，介绍了约束的简化和分类以及基于几何约束求解的 各种算法，并且在约束求解基础上建立了约束库，最后详细介绍了自适应参数 化c a d 数据库系统的两大功能模块：图库扩充和复用。 第四章是图形嵌入式菜单管理模块的介绍，介绍了菜单管理库和管理界面的 设计。 第五章是介绍了系统整体实现框架和o b j e c t a r x 程序的整体组织架构。 最后是对全文工作的总结和展望。 中国科学技术大学硕士论文第2 章圈元库设计 2 1 图形的结构 第2 章图元库设计 工程设计成果的表现形式为设计图，因此。对图形库的研究是必然的。自 适应参数化c a d 图块系统库是由图元库、约束库和菜单节点管理系统组成的。 图元库是存储图形信息的实体的集合。菜单节点管理系统是开发图形库、修改搜 索图形库和图形输出的操作程序。图元库是图形实体的集合。但图形不同于数据， 数据可以直接存储而图形是不可以直接存储的。图形实体只有经过转换即数值 化，成为数值信息才可能存储。因此，图元库首先面临的是图形的描述，在一种 确定的描述方法下，采用一定的数据结构来存储，从而实现图形的存储问题。图 形虽然很复杂，但任何复杂的图形都有一定的结构，并且都可以分解成一些简单 图形的组合。 2 1 1 图形的关系模式 少量数据可以存放在程序中所涉及的存储机构里，大量的数据要存放在图 形数据库中。目前普遍使用的是关系型数据库。若用关系型数据库存储图形数据， 首先是要给出描述图形的关系模型二维表，其次要解决将数据库中的数据调出来 转换成图形。 图形的关系模型表示如下： 一个工程图，或一个机械零件图，或一个机械装配图，可看成是一系列基 本的简单图形组成。这些图形成为图元。例如：可以把一个图形表示成下列不同 图元的集合。图= 点，直线，圆，圆弧，椭圆，椭圆弧) 。 所有这些图元的关系模型可用关系数据库管理系统提供的数据描述语言来 定义。用户向数据库储存图形数据的过程就是给这些关系模型的相应字段赋值的 过程，而字段赋值可通过嵌入宿主语言的数据操纵语言实现。 在工程中，圈尤其是机械零件图中，还有对物体注有尺寸和加工精度的信 息。这就要求数据库系统除了输入一般图形信息之外，还要存储尺寸、形位公差、 配合、粗糙度等信息。这些信息不仅涉及数字量，而且涉及特殊的图形标记及其 中国科学技术大学硕士论文 第2 章髓元库设计 定位，甚至严格地由有关国家标准确定。 数据库内的数据向图形转换成数据库内豹数据问题。图形存入数据库不是 用户的最终目的。用户使用数据库主要是为了共享数据。图形旦存入数据库， 数据库便随时可被访问。图形信息的编辑、查询、显示和输出都要求从数据库取 出己存储的图形数据。当用户要求用图形终端显示或用绘图仪绘制己存储的一个 图时，数据库应用软件便自动地把数据库内该图的有关数据转换成图的形式加以 显示或输出。其实现的主要思想是：当访问数据库时，即从数据库中取出某个关 系( 对应于某个图元) 时，通过调用显示或绘制相应图元的子程序，而把相应字段 值作为参数传给该过程或函数，于是实现了该图元的显示或绘制。 2 1 2 几何图元的设计 表格2 - l 点的设计 字段名称字段类型说明 主标志号文本图块的主标志号 点标志号文本圈块的点的标志号 点x 坐标d o u b l e点的x 坐标值 点y 坐标 d o u b l e 点的y 啦标值 袤格2 - 2 线的没i = i 字段名称字段类型龅明 主标志号文本罔块的主标志号 线标志号文奉图块的线的标志号 起点x 坐标d o u b l e起点的x 坐标值 起点y 坐标 d o u b l e 起点的y 坐标值 终点x 坐标d o u b l e终点的x 坐标值 终点y 坐标 d o u b l e 终点的y 坐标值 表格2 - 3 圆的设计 字段名称字段类型说明 主标志号文本图块的主标志号 圆标志号文本图块的圆的标志号 圆心x 坐标d o u b l e圆心的x 坐标值 圆心y 坐标 d o u b l e 圆心的y 坐标值 半径 d o u b l e 圆半径值 1 0 中国科学技术大学硕士论文第2 章图元库设计 表格2 - 4 圆弧的设计 字段名称字段类型说明 主标志号文本图块的主标志号 圆弧标志号文本图块的圆弧的标志号 圆心x 坐标d o u b l e圆心的x 坐标值 圆心y 坐标 d o u b l e 圆心的y 坐标值 半径d o u b l e圆弧半径值 起始角d a u b l e圆弧起点的角度 终止角d o u b l e圆弧终点的角度 表格2 - 5 椭圆的设计 字段名称字段类型说明 主标志号文本图块的主标志号 椭圆标志号文本图块的椭圆的标志号 中心点x 坐标 d o u b l e 中心点的x 坐标值 中心点y 坐标 d o u b l e 中心点的y 坐标值 长轴半径d o u b l e 椭圆长轴半径值 短轴半径d o u b l e椭圆短轴半径 端点x 坐标d a u b l e端点的x 坐标值 端点y 坐标 d a u b l e 端点的y 坐标值 表格2 - 6 椭圆弧的设计 字段名称字段类型说明 主标志号文本图块的主标志号 椭圆标志号 文本图块的椭圆的标志号 中心点x 坐标 d o u b l e中心点的x 坐标值 中心点y 坐标 d o u b l e 中心点的y 坐标值 长轴半径d o u b l e 椭圆长轴半径值 短轴半径d o u b l e椭圆短轴半径 端点x 坐标d o u b l e端点的x 坐标值 端点y 坐标 d o u b l e 端点的y 坐标值 起始角d o u b l e椭圆弧起点的角度 终止角d o u b l e椭圆弧终点的角度 表2 - i 至2 - 6 是二维图形的基本图元点、线、圆、圆弧、椭圆的数据库设计， 用来记录图形的所有的图元的网素信息。 实际图形虽然很复杂，但任何复杂的图形都有一定的结构，并且都可以分 解成一些简单图形的组合，复杂图形基本上是上面各种基本图元的组合。 中国科学技术大学硕士论文 第2 章图元库设计 2 2 基本图元的特征 2 2 1 图元的属性 前而设计的图元表存储了备种图元的信息，由这些基本信息可以获得图元 的其他属性。比如存储了某一图元线段的信息，想要获取此线段的长度，只需提 取出此线段的起点和终点坐标，然后做相应的几何计算即可，同理可求出此线段 的方向矢量。存储了某一圆弧图元的信息时，此时可以获得的信息是圆弧的半径、 起始角和终止角，如果设计人员想获取圆弧的起始点坐标或终止点坐标，则只需 进行( 4 】) 计算即可： 髂x l = y x 。o + r + r o 翥 ，y a ) 为网心坐标，r 为半径，日为起始角 ( 4 - 1 ) 反之。实际获取信息时若只得到圆弧的起始坐标和终止坐标，只需如( 4 2 ) 计算，即可反演得至i l 相应的起始熊和终止角。 j 口2 a s i n ( ( y i y o ) ( x t x 口) )x l x 。 ( ( 4 2 ) i 目= a s i n ( ( y 1 一y o ) ，( xj x o ) ) + x l x o 它调用a c e d j i g ：s a m p l e ) 函数。s a m p l e r o 函数调用s e t k e y w o r d l i s t ( 函数建立关键字表( 如果有的话) ，调用s e t s p e c i a l c u r s o r t y p e o i 噩i 数指定光标类型 ( 如果需要的话) ，并调用s e t u s e d n p u t c o n t r o l s o f f l 数建立任何用户的输入控制。 之后其调用a c q u i r e x x x 0 i 函数之一获取一个几何值( 角度、距离或点) 。该函 数在查询到当前点设备位置之后总会立即返回。 ( 3 )s a m p l e r ( ) 函数应该检奄取来的几何值是否有什么变化。如果没有，则 s a m p l e r ( ) 函数应返回k n o c h a n g e 值，i ：m 至u 第一步。这一步允许屏幕上的图像 得到最后的更新。这对于包含曲线的图像尤其重要。 ( 4 ) 即使取来的几何值己更改，s a m p l e r ( ) i 函数也能返回k n o c h a n g e 值( 图 像末被更新) 并回到 1 ) 去。如果取来的值已更改且图像需要更新，则到( 5 ) 。 ( 5 )拖动过程调刚u p d a t e ( ) 函数，用获得的几何值更新实体。 ( 6 )拖动过程然后调用e n t i t y ( ) 函数，代入要被再次生成的实体的地址指 针。然后，拖动对实体调用w o r l d d r a w 0 函数再次生成它。 6 中国科学技术大学硕士论文第2 章图元库设计 除非通过点设备的选择产生了当前拖动事件或按动了c a n c e l 键、或者发 出一个串终结符结束拖动，否则转到( 1 ) 。 2 5 小结 图2 - 2 拖动循环的顺序 b k a c f l j i g ：d r a 9 0 返回 本章论述了图形的构造，详细介绍了基本图元点、线、圆、圆弧和椭圆等的 中国科学技术大学硕士论文第2 章圈元库设计 属性库的设计，可以充分的描述一个基本图元的特征，同时介绍了图元库的命名 规则，然后介绍了c a d 内部数据库的结构层次图，此内部数据库与图元的修改 更新上密切相关，最后介绍了由基本图元组成的图形实体插入所用到的拖动循环 类和详细的运行过程。 中国科学技术大学硕士论文第3 章几何约束求解 第3 章几何约束求解 参数化设计作为产品建模的一个重要手段在系列化产品设计中得到较好的 应用。早期的c a d 系统是先绘制出图形，然后通过人机交互进行尺寸标注，由 于系统是用固定的尺寸值定义几何元素，因此设计者只有对产品的形状、大小、 各种属性有了完整的构思后，才能用计算机生成和输出图形，但在其几何模型数 据库中只有图素的几何信息，各图素之间没有约束关系，系统缺乏对非图形信息， 如设计知识、设计约束、功能条件等的表达和处理能力，修改设计变得相当困难。 这种设计方法只存储了设计的最后结果，而丢失了设计的过程信息。其缺点主要 表现在1 1 2 】：( 1 ) 不支持草图没汁；( 2 ) 不能支持全部没计过程，而一个机械产品的 整个设计过程包括功能设计、概念设计、初步设计和详细设计等不同阶段；( 3 ) 缺乏对产品内部不同组件关系的表示，不同的组件之间无明显的约束关系，不支 持并行设计；( 4 ) 信息表达不完整，产品的设计过程可看作产品数据的逐步求精 过程，在不同的设计阶段表现出不同的设计属性，另一一方面这些数据信息又表现 出多样性；( 5 ) 不能进行变动和系列化设计，而绝大多数的设计都是属于改进型 的设计。参数化设计正是针对这些不足应运而生的。参数化设计将产品的定义、 功能、特性、形状等属性通过约束表示出来。设计过程是构思设计要求、提出产 品功能、给出相应的结构和几何约束，最后形成设计对象，而不同的设计过程又 是不断循环，直到符合设计结果为止。产品的整个设计过程就是约束规定、约束 变换求解以及约束评估的约束求精过程。而参数化设计不仅记录了必要的几何信 息，而且还保留了图形的拓扑结构，以及各种设计知识、设计约束等信息，对结 构相同而尺寸不同的产- 晶，就可用同一参数化模型描述其几何形状，当产品因某 些定形定位参数发生变化而导致产品的局部形状的更改时，系统能维护原有的设 计意图，在满足原有约束关系不变的条件下，自动生成新的图形，实现参数化设 计。图3 1 给出了图形参数化和参数化设计生成产品的框图，图形参数化用于把 广大企事业单位现有的设计图纸转换成为参数化设计图纸，符合广大企事业单位 现阶段的实际需求；参数化设计则是直接利用参数化设计理论进行产品设计，设 计者只需要给出设计方案，即对产品进行概念设计，绘f 参数化设计图纸。一且 中国科学技术大学硕士论文 第3 章几何约束求解 给定参数则能自动生成所需的、馈计图纸i ”。 ( a )( b ) 圈3 - i 图形参数化和参数化设计框图 3 1 几何约束分类和简化 3 i 1 约束的分类 工程图纸的几何约束集中反映了设计师的设计意图，对于一般的几何约束 系统，可以对其中的约束作如下划分，见图3 - 2 。 田 叵蜀1 盖 臣量1 主 图3 - 2 约束的分类 中国科学技术大学硕士论文第3 章几何约柬求解 几何约束是指几何约束系统中几何元素之间固有的约束关系，它直接反映 了几何体的形状和位置关系。几何约束包含两种类型：结构约束和尺寸约束。结 构约束是指几何元素之间的拓扑结构关系，描述了几何元素的空间相对位置和连 接方式，其属性值在参数化设计过程中保持不变。它在工程中往往是隐含的，并 不明确给出，如平行、垂直、稠切等。尺寸约束则是通过图上的尺寸标注表示的 约束，例如距离、角度等，表3 1 鼹示了基本的几何约束。工程的尺寸标注是几 何体的一个直接和自然的描述，从而提供了修改几何形体的最适合的方式。工程 约束是外部施加的设计变量之问的约束关系，它反映了产品的工程语义上的设计 要求，一般以几何设计参数为变元的约束方程式的形式提供。例如：活塞的直径 往往是由活塞必须传递的功率决定的，可以定义如下工程约束：d = 坷p ) ，其中d 为活塞直径，p 为活塞传递功率。因此根据传递功率可以确定活塞的几何参数， 从而把工程约束转化为几何约束。 表格3 1 基本凡何约束 基本几何尺寸图例 约柬 点与点的距离 ，7 54 0 6 6 m m p 2 1 约束 点与线的距离 pt 约束 l 平行线间的距 l j 离约束 1 15 p ” 半径( 或直径) 约束 商线的角度约 l i 一一一一一一一一 束 = 二；亚 3 i 2 约束的简化 约束类型可分为两大组，核心约束和复杂约束。核心约束是不可分解的。 在不同的系统中，约束的内容和形式均不同，但是最核心的约束都是距离和方向 约束。由于几何元素可表示为二维结构点，因而核心约束简化为两个结构点之间 中国科学技术大学硕士论文第3 章几何约束求解 的距离和方向矢量约束( 简称矢量约束) 。这两类核心约束是尺规作图的抽象， 表3 2 所示为两点p 1 ( x l ，y 1 ) 和p 2 ( x 2 ，y 2 ) f n 司l e l 核心约束。复杂约束可转化为核心约 束的形式。如表格3 - 3 ，工程约束可转化为相应的结构和尺寸约束，结构约束又 可转化为尺寸约束。尺寸约束最终转化为核心约束。在二维工程图中，所有约束 均可转化为点点距离约束和点点矢量约束。 表格3 - 2 横心约束 约束类型模拟的制图工具符号表达代数形式 点点距离约 束d 圆规 d ( p ，p ：) = i p ，_ p ：| ( x i x2 ) 2 + ( y i y 2 ) 2 = d 2 点点矢量约 直尺 v ( p t , p 2 ) 。禹 、：2 x 1 + ? ( 1 ：- - x ?a 。f o ，i i 爿毫v 【y 2 2 yj + 2 ( y 2 一y 1 ) 表格3 - 3 复杂约束转化为核心约束 尺寸约束转化为核心约束 点到垂足的点点距离以及直线和垂线的夹角为9 0 度，并且保 点到直线距离约束 证垂足到直线两端点的点点方向一致( 或相反) 两直线夹角约束线段上相应特征点的方向矢量约束 圆和圆弧的直径或半径约束添加圆心到圆上一点( 端点或切点) 的点点距离约束 结构约束转化为尺寸约束 直线水平直线铅垂两端点间的垂直( 或水平) 距离为零 两直线平行两直线垂直两直线平行两直线垂直 添加点点距离约束，两圆心距离等于两圆半径之和( 外切) 两圆弧相切 或差( 内切) 圆心到切点的距离等于圆的半径，赢线与圆心到切点的直线 线圆相切 的夹角等于9 0 度 添加两个关于直线倾角( 即点点方向矢量)