（计算机应用技术专业论文）异构cad系统同步协同设计平台的构建方法研究.pdf

摘壁 摘要+ 协同c a d 作为c a d 技术与c s c w 技术的结合。可以有效地缩短产品开发 周期，充分地利用异地资源降低产品的设计成本，近年来这方面的研究工作正 在不断深入。由于各个商品化c a d 系统之间从上层的建模操作到底层的数据结 构都有较大的不同，这给异构c a d 系统之间的同步协同设计带来了很大的挑战。 为了让异构c a d 系统支持同步协同设计活动，本文就如何在异构c a d 系统间 构建同步协同设计平台的方法开展研究。 针对异构c a d 系统间同步协同设计平台的需求，本文给出一种在异构c a d 系统间构建同步协同设计平台的方法。该方法通过中性建模命令( n m c ) 在异 构c a d 系统问实时交换系统建模操作( s m o ) 来实现同步协同设计。配置在每 个站点中的s m o t o n m c 转换器实时捕获用户的建模操作，立即转换为相应的 中性建模命令并发送到其他站点；当收到其他站点发来的中性建模命令时，立即 通过本地的n m c t o s m o 转换器将其转换成本地c a d 系统的建模操作来执行。 本文用面向对象的方法来表示中性建模命令，并给出系统建模操作和中性建模命 令间的实时转换方法。本文还针对非直接匹配的一对多转换、修改操作和删除操 作的转换、组合特征与用户自定义特征的转换进行研究并给出相应的解决方法。 针对参数化c a d 数据交换的需求，本文拓展同步协同设计平台的功能，增 加对c a d 文件操作的转换，使之支持参数化c a d 数据文件交换，并给出参数 化c a d 数据交换服务的w e bs e r v i c e s 接口。 最后本文给出基于中性建模命令方法的同步协同设计原型系统和参数化 c a d 数据交换原型系统的实现，并分别利用这两个原型系统完成了一个同步协 同设计实例和一个基于标准w e b 服务的参数化c a d 数据交换实例，从而验证了 基于中性建模命令方法进行同步协同设计的有效性。 关键词：中性建模命令，异构c a d 系统，同步协同设计，参数化c a d 数 据交换 本文得到国家自然科学捧会( 编呼6 0 0 2 1 2 0 1 和6 0 2 7 3 0 5 7 ) 和教育揶跨世纪优秀人才培养计划的资助。 i 摘要 a b s t r a c t i n t e g r a t e dw i t h t h ec a d t e c h n o l o g ya n d c s c w t e c h n o l o g y ，t h ec o l l a b o r a t i v e c a d ，w h i c h i sa b l et os h o r t e nt h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tt i m e ，m a k eb e s t u s eo f r e m o t e r e s o u r c e sa n dr e d u c e st h ed e s i g nc o s t ，h a sm a d ea r a p i da n d f u r t h e r p r o g r e s si nt h e p a s td e c a d e t h es y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nw i t h i nh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s b e c o m e sa s i g n i f i c a n tc h a l l e n g eb e c a u s e o f t h e g r e a td i f f e r e n c eb e t w e e n t h e m o d e l i n go p e r a t i o n sa n du n d e r g r o u n dd a t as t r u c t u r e so f d i f f e r e n ts y s t e m s i no r d e rt o e n a b l ei t ，t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ea p p r o a c ht oc o n s t r u c t i n gs y n c h r o n i z e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r mw i t h i nh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s an e u t r a lm o d e l i n gc o m m a n d sb a s e d a p p r o a c h t ob u i l d i n gu pa s y n c h r o n i z e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n p l a t f o r mu p o nh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m si sp r o p o s e d a c c o r d i n g t ot h ee x t e n s i v e r e q u i r e m e n t so f t h i st e c h n o l o g y a no b j e c to r i e n t e d r e p r e s e n t a t i o no f n m c i sg i v e na n d e m p l o y e d t os u p p o r tt h et r a n s l a t i o nb e t w e e n s y s t e mm o d e l i n go p e r a t i o n s ( s m o ) a n d n e u t r a l m o d e l i n g c o m m a n d s f n m c ) m o r e o v e r , t w ok i n d so f t r a n s l a t o r s ，s m o - t o - n m ca n dn m c t o s m o ，a r ee s t a b l i s h e d ， w h i c hc a nd e a l 谢t hm o d i f i c a t i o n d e l e t i o no p e r a t i o n sb e s i d e sc o m m o n c r e a t i o n o p e r a t i o n sa n dc o m p o s i t ef e a t u r e sa n du s e r d e f i n e df e a t u r e s w ee x t e n dt h es y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v e d e s i g np l a t f o r md e v e l o p e db y u st oa p a r a m e t r i cc a d d a t ae x c h a n g ee n v i r o n m e n t aw e bs e r v i c e sb a s e dp a r a m e t r i cc a d d a t ae x c h a n g ei n t e r f a c ei sa l s op r o v i d e df o rs t a n d a r d i z a t i o n f i n a l l y ，an m c b a s e ds y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o t o t y p es y s t e ma n da p a r a m e t r i cc a d d a t ae x c h a n g es y s t e ma r ei m p l e m e n t e d m e a n w h i l e ，a s y n c h r o n i z e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g ns c e n a r i oa n dac a dd a t ae x c h a n g et a s ka l ep e r f o r m e do nt h e s e t w o p r o t o t y p es y s t e m sr e s p e c t i v e l y t h ev a l i d i t yo f n m c - b a s e da p p r o a c hi sc e r t i f i e d k e y w o r d s ：n e u t r a l m o d e l i n gc o m m a n d s ( n m c ) ，h e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m s ，s y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，p a r a m e t r i cc a d d a t a e x c h a n g e t h i st h e s i si ss p o n s o ze db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 0 2 1 2 0 1 & 6 0 2 7 3 0 5 7 ) a n d t r a n s c e n t u r yt r a i n i n gp r o g r a m m ef o u n d a t i o nf o rt h et a l e n t sb yt h ec h i n e s em i n i s t r yo fe d u c a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 在过去四十多年中，c a d 技术的发展为全世界工业的发展起到了很大的促 进作用，单用户的商用c a d 系统日益成熟，功能也不断完善8 山“洲。进入九 十年代，随着产品开发全球化趋势的不断发展，需要跨地区在异地进行协同设计 的产品日益增多，人们对传统的c a d 技术提出了新的要求i m 9 9 4 n 9 8 1 。用户希 望能够通过应用现有的网络技术和协同框架，来支持由单机单用户操作环境向分 布式网络环境的转变，以实现同步协同设计的需求以及异构系统的无缝集成 r e g l 晰】【w “曲o ”。支持c a d 协同设计的系统框架设计和功能集成是c a d 技术发展 的主要方向之一。 1 1 协同c a d 概述 随着网络的普及和产品开发的全球化发展趋势，人们意识到如果充分利用异 地资源可以大大的加快产品开发的效率，从而有效降低设计成本。协同c a d 是 从二十世纪九十年代才发展起来的新兴的产品设计方式。从斯坦福大学设计研究 中心的c u t k o s k y 等人开始的对协同c a d 方面的最初的探索血咄“k y 9 习到c s c w 技 术与c a d 的各个分支领域相结合，不断向底层和深层发展8 删“啪】。目前，协同 c a d 已经成为了国际上的c a d 领域的一大研究热点。 协同设计系统的类型是多种多样的，根据各个站点在协同中的地位和分布情 况，协同设计系统可以分为集中式协同设计系统和复制式协同设计系统，以及混 合式协同设计系统：根据各个站点的响应情况，可以分为同步协同设计系统和异 步协同设计系统：根据各个站点中采用的c a d 系统的相似与否，可以分为同构 系统和异构系统等。在实际应用中，可以根据具体需要采用不同的协同设计系统， 如复制式异构同步协同设计系统。 早期的协同c a d 大部分都是异步协同设计系统。异步协同设计是种松散 耦合的协同工作。其特点是：多个协作者在分布集成的平台上围绕共同的任务进 行协同设计工作，但各自有不同的工作空间，可以在不同的时间内进行工作，但 通常不能迅速地从其他协作者处得到反馈信息 c a 0 0 4 。其代表性的工作有斯坦福 大学的c u t k o s k y 领导的s h a r e 项目和m a d e f a s t 项目 c u t k o s k y 9 3 】：加州大学伯克利 第一一章绪论 分校的w r i g h t 等人研究开发的c y b e r c u t 系统【a h n 0 。1 ；k i m 等人开发的c y b e r v i e w 系统等【k i 9 甜。 而同步协同设计是一种紧密耦合的协同工作，多个协作者在相同的时间内， 通过共享工作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅速地从其他协作 者处得到反馈信息。因此近年来，其正在成为协同设计领域研究的热点之一。这 方面的代表性研究工作主要有：韩国的l e e 等人开发的基于w e b 的协同特征造 型系统n e t f e a t u r e t 8 9 9 ，荷兰d e l f t 大学b i d a r r a 等开发的基于特征的协同建模 系统w e b s p i f f i 洲帅1 】【”0 们，德国的l u k a s 等人研发的t o b a c o o ”1 。研1 和香港 的c h a r t 等人开发的c s m 系统【曲神们。 1 。2 同步c a d 协同设计的系统结构 1 2 1 同步c a d 协同设计系统的集中式结构 集中式的同步协同设计系统采用客户机服务器结构，其中服务器用于放置 共享的建模系统和中心模型，负责提供建模服务，生成中心模型；客户端则主要 负责建模操作的交互输入和模型显示。 集中式的同步c a d 协同设计系统的代表工作主要有：荷兰d e l f t 大学b i d a r r a 等开发的基于特征的协同建模系统w e b s p i f f l 8 “”8 0 1 】【”孤0 0 1 ，美国c o c r e a t e 公司 开发的协同c a d p l m 应用系统o n e s p a c e n e t 【0 0 c 觚】和a l i b r e 公司的协同c a d 系统a l i b r ed e s i g n a l i b 栅甜。 w e b s p i f f 是一个典型的集中式协同设计系统，服务器集成了w e b 和造型功 能，客户端则是基于j a v a 3 d 的显示终端。用户基于客户端的显示模型和部分特 征信息向服务器提交特征操作。当服务器接收到用户操作之后，执行该操作得到 结果实体。w e b s p i f f 先将精确结果模型转换为图像文件传输给客户端，以便用 户能及时的对结果进行预览。之后，再将精确结果模型转换为显示模型，并将该 模型整体传输到客户端进行更新并显示。 商品化的集中式协同系统o n e s p a e e n e t 是一个支持产品开发组成员之间在 线协同的轻量级协同工具。它集成了诸如工程组织、安全消息传递、在线感知和 实时在线会议等概念，并提供了一整套方案，使设计组之间能够通过w e b 进行 第一章绪论 知识共享和问题解决。该系统的客户端为o n e s p a c e n e t 模型浏览器，如图l - 1 所 示，能够让用户对工程数据( 诸如2 d 或者3 d 模型) 进行精确的协同可视化、 查询和标注。同时o n e s p a c e n c t 采用应用若享( a p p l i c a t i o n - s h a r i n g ) 技术作为辅 助，如图1 - 2 所示，使设计者- i d a 查看任何协作者的桌面程序。 图卜1o n e s p a c e n e t 的模型浏览器图卜2o n e s p a c e n e t 的应用共享 集中式的同步协同设计系统的优点是系统结构简单、并发控制容易，但也存 在网络负载重、通信延迟明显、中心服务器易成瓶颈等问题。而且从现有的研究 和商品化系统来看，采用集中式结构的同步c a d 协同设计系统往往都是基于同 构c a d 系统或者同构建模客户端的，目前还没有基于异构c a d 的集中式系统 出现。 1 2 2 同步c a d 协同设计系统的复制式结构 复制式同步建模系统采用在每个站点都放置建模系统和存储共享模型的方 法，通过使所有站点同步执行相同的建模操作，生成同样的三维模型，实现同步 仂l 同建模。复制式的同步c a d 协同设计系统的代表性工作主要有：英国n a m 等人 开发的c o l i i d e n a m g s a “4 m 9 8 叼环境和s y c 0 3 d 系统【n ”叭1 ，德国的l u k a s 等人研发的 t o b a c o t 肼。岍。h g 1 和美国i m p a c t x o f t 公司开发的i xs p e e dv 5 平台 1 “p ”8 0 5 1 。 c o i i i d e 环境是为多个协同用户使用独立的c a d 系统提供接口的插件程序， s y c 0 3 d 则是在c o l i i d 基础上设计的基于复制式结构的同步协同设计系统。 c o i i i d e 环境使用了p r i v a t es t a g e s h a r e ds t a g e 结构，分离用户在不同时刻需要的 第一章缝论 不同设计平台，例如用户在平时只关注于p r i v a t es t a g e ，而在需要协同时通过锁 机制允许用户单独将p r i v a t es t a g e 中的结果提交到s h a r e ds t a g e 进行协同。 t o b a c o 系统中客户端的能力得到增强，具备了操作处理的能力。而服务 器则作为初始联络的手段，不再具有造型操作处理能力。t o b a c o 利用c o r b a 进行网络通讯，采用f l o o r c o n t r o l 的方法进行并发控制，通过在站点之间传递c a d 命令来更新结果模型，并通过任务管理器和历史纪录来辅助协同过程。 i xs p e e dv 5 系统是基于c a t i av 5 的第三方协同设计环境。i xs p e e d 系统 支持处于迭代式开发阶段的用户，通过电子邮件或者无线设备进行设计变更的共 享与合并，能够显著缩短设计周期。如图1 3 是一个设计小组使用i xs p e e dv 5 套件进行设计的实例。在上面的图中，设计者设计零件的光滑外壳，然后加入到 协同环境中把变更共享给协同者。在下面的图中，当设计者设计完成顶面和底面 之后，便把零件模型共享给封装工程师。该系统的特点在于支持功能建模 ( f u n c t i o n a lm o d e l i n g ) ，能够让设计者用种与创建顺序无关的方式定义设计 行为和功能性规则，而由设计环境自动生成相应的几何模型。 图卜3i xs p e e dv 5 系统的一个应用实例 第一章绪论 复制式同步协同建模的优点是网络负载轻、站点的交互功能强、响应速度快， 其主要不足在于系统结构复杂、不同建模系统之间的语义通信和数据通信困难、 并发控制困难等。据我们所知，目前采用复制式结构的同步c a d 协同设计系统 也都是基于同构c a d 系统或者同构建模客户端的，目前还没有基于异构c a d 的复制式系统出现。 1 3 协同设计中的数据交换 在协同设计过程中，为了使异地站点之问实现有效的资源共享，设计者需要 在各个站点之间进行数据交换。按照交换模型的类型来分，目前主要的数据交换 方式主要有两种，即基于几何的数据交换和基于参数化特征的数据交换。 l - 3 1 基于几何的数据交换 基于几何的数据交换按交换技术来分又可以分成两种即整体模型传输和 增量模型传输。 整体模型传输 用户通过网络将整个c a d 模型全部传送到其他站点，但由于c a d 模型的 复杂性，这种传输方法可能需要耗费比较多的时间，因而这种方法只在异步协同 设计系统中使用。根据不同的应用场合，所需传输的c a d 模型可以为累进的面 片模型或者是精确的三维c a d 模型，如实体边界模型。为了使其他站点的用户 更快的得到传送过来的模型信息，也可以采用流化的方式分步传输，或者用逐步 细化的方式进行传输。如美国t o l e d o 大学s a r m a 等人凯删提出了一种边界表示 模型的流化传输方法，该方法是把三维实体模型基于实际应用进行分割，把得到 的分割体分别编码并将其传输，通过这种方法实现边界表示的流化传输。 增量模型传输 流化的方法虽然在一定程度上可以使用户减少等待时间，但c a d 模型往往 非常庞大，尤其在要保证实时响应的同步协同设计系统中，用户的操作需要实时 地反应在其他站点中，由于其他站点中已经存有操作前的c a d 模型，因而采用 增量模型传输即只传输操作后变动的部分的方法可以有效减少整体模型中数据 第一章绪论 的冗余，从而大大提高传输效率。s a r m a 等人 w u o l l 在这方面做了较好的工作，他 们用c e l l u l e rm o d e l 作为辅助，根据操作类型将实体模型进行相应分割，将操作 后实体的变动部分( c c m ) 从原先的实体模型中分离出来，再将c c m 传输到其 他站点，并根据c c m 中携带的信息，将其嵌入其他站点的实体模型中。浙江大 学c a d & c g 国家重点实验室协同设计小组也设计了一种直接基于半边数据模型 的增量传输方法【i jo ”。 1 3 2 基于参数化特征的数据交换 由于c a d 主要建模技术已经从几何建模发展成为特征建模，为了解决在数 据交换过程中保留诸如特征、参数和约束等参数化信息的问题，参数化c a d 数 据交换技术主要采用基于a p i 技术的方法。目前采用基于a p i 技术的典型参数 化c a d 数据交换系统有t r a n s l a t i o nt e c h n o l o g i e s 公司开发的a c c 廿t r a n s 系统 t t m 】和p r o f i c i e n c y 公司提供的c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 系统 p r o f i c i e n c y 0 3 。 t r a n s l a t i o n t e c h n o l o g i e s 公司提供的产品a c e u t r a n s 使用基于系统a p i 的技 术，支持在异构c a d 系统间进行无缝的特征级别转换。目前支持的c a d 系统 有s o l i d w o r k s ，c a t i av 5 ，c a t i a v 4 ，p r o e n g i n e e r ，u n i g r a p h i c s 和i - d e a s 。 a c c u t r a n s 的核心技术在于采用交互式建模交换格式( i n t e r a c t i v em o d e l i n g e x c h a n g ef o r m a t ，i m x ) 存储c a d 模型数据，这使得a c e u t r a n s 的用户能够在 任一个c a d 系统中重建或者修改模型，而最终的参数化特征模型可以在目标 c a d 系统中正确构建。同时，通过将b r e p 转换器与参数化特征转换器结合起 来，可以将零件的全几何显式模型导入到装配体模型中。a c c u - t r a n s 系统还支 持特征创建分析( f e a t u r ec r e a t i o na n a l y s i s ，f c a ) 功能，能够在每个特征交换 完成后进行源模型与目标模型的几何校验，同时该系统还可以通过镜像模型对比 器( m i r r o r m o d e l c o m p a r a t o r ，m m c ) 进行更精确的双向校验，如图1 3 所示。 第一章绪论 图卜3a c c - u t r a n s 中的m m c 模块校验到模型转换前后的差异( 红色显示) p r o f i c i e n c y 公司的产品c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 目前支持在c a t i a v 4 、 c a 。r i a v 5 、l - d e a s 1 0 n xs e r i e s 、i - d e a s l ln xs e r i e s 、p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 、 p r o ，e n g i n e e r w i l d f i r e r ”、u n i g r a p h i c s n xl 和u n i g r a p h i c s n x2 等c a d 系统间进行参数化c a d 数据交换。c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 是采用a p l 技术实现 的，其核心技术即为通用产品表示( u n i v e r s a lp r o d u c tr e p r e s e n t a t i o n ，u p r ) 。使用 u p r 技术，c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 在创建一个与具体c a d 系统无关的集特征。 历史，约束和草图于一体的超集，从而支持多种c a d 系统问的参数化特征交换。 通过c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 交换的c a d 数据不仅保留了参数化特征，而且也支 持用户在自顶向下的装配设计过程中使用的参考特征的交换。对于某个c a d 专 有的特征，不能在目标c a d 系统中完全匹配的时候，c o l l a b o r a t i o n g a t e w a y 将 创建一个与特征形体相对应的b r e p 几何体，以便让转换过程继续下去。用户可 以手动将b r c p 几何体用特征操作替换掉，如图1 - 4 所示。c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 系统提供额外的工具用来校验数据交换的质量。在数据交换过程中，通过比较转 换前后的物理属性之差来保证数据转换的质量，超出闽值范围则提醒用户，并且 可以由用户来配嚣校验阈值。 第一章绪论 图卜4 图a 显示的是用c a t i a 设计的装配体，通过c o l l a b o r a t i o n g a t e w a y 来进行转换。从图b 可以看到，当目标c a d 系统不支持拓扑相 交的过渡特征时，c o l l a b o r a t i o ng a t e w a y 将在设计历史中创建一个相 应的几何特征，并将其高亮显示给用户。 1 4 本文的研究目标和结构 通过以上分析可知。目前对异构c a d 系统间的协同设计研究尚处于探索阶 段。据我们所知，目前还没有能够支持异构c a d 系统间同步协同设计活动的平 台或者构建这样的平台的方法出现。 本文的研究目标是通过对多种商用c a d 系统的建模操作进行分析，构建兼 容各个c a d 系统建模操作的中性建模命令集；然后通过中性建模命令的转换， 将每个站点的系统建模操作实时交换到其他站点去协同执行从而达到同步协同 设计的目的。并设计实现个基于中性建模命令的同步协同设计平台原型系统和 一个参数化c a d 数据交换系统。 本文的主要研究内容和组织结构为： 第一章：绪论。介绍本文的研究背景，包括协同c a d 的概况、发展与现状， 目前同步c a d 协同设计系统的体系结构以及协同设计中的数据交换技术。 第二章：基于中性建模命令的同步协同设计平台构建方法。针对在异构c a d 系统间构建协同设计平台的需求，提出一种利用中性建模命令在异构c a d 系统 间实时交换系统建模操作以实现同步协同设计的方法。并给出中性建模命令的构 建原则、中性建模命令的面向对象表示和拓扑信息的表示。 8 第一章绪论 第三章：系统建模操作与中性建模命令的实时转换方法。针对从系统建模操 作到中性建模命令和从中性建模命令到系统建模操作两个方向的实时转换提出 一般的转换方法，并能够对同步协同设计活动特有的修改和删除操作进行转换。 对于在目标c a d 系统不能够直接完全匹配的情况，提出基于特征操作的一对多 转换方法，并给出系统建模操作组的定义。还针对异构c a d 系统间组合特征操 作和用户自定义特征操作给出相应的转换方法。 第四章：基于几何操作的一般性转换方法。针对异构c a d 系统间同步协同 设计系统中，可能存在的基于参数化特征操作无法转换的问题进行初步研究，提 出一种基于几何操作的一般性转换方法。给出与参数化特征操作相对应的几何操 作序列的定义和生成算法，并描述几何操作序列的执行方法。 第五章：基于中性建模命令的数据交换系统构建方法。扩展已开发的同步协 同设计平台的功能，使之支持参数化c a d 数据交换。结合面向服务体系结构的 思想，把数据交换功能封装成标准的w e b 服务供客户调用，并给出该w e b 服务 接口的w s d l 定义。 第六章：系统实现。给出基于中性建模命令方法的同步协同设计原型系统和 参数化c a d 数据交换系统的实现，分别利用这两个原型系统完成了个多站点 参与的异构c a d 同步协同设计实例和一个使用w e bs e r v i c e s 接口的参数化c a d 数据交换的实例，从而验证本文提出的基于中性建模命令方法的有效性。 第七章：结论与展望。分析了在异构c a d 系统间构建同步协同设计平台方 法中的难点，并针对本文方法中的不足之处，提出了未来工作的重点和方向。 第二章基于中性建模命令的| 百j 步协同设计3 f 台构造方法 第二章基于中性建模命令的同步协同设计 平台构建方法 在同步协同设计系统中，因为各个c a d 系统之间的建模操作和数据结构都 不一样，所以实现个异构c a d 系统间的同步协同设计平台要比实现同构c a d 系统间的同步协同设计平台更为困难。如何找到个方法，使之能够有效地支持 在异构c a d 系统之间构建同步协同设计平台，不仅具有重要的学术价值，同时 也具有广阔的应用前景。本章针对异构c a d 系统间同步协同设计平台的需求分 析，提出一种基于中性建模命令的同步协同设计平台的构建方法，能够有效地支 持异构c a d 系统之间的同步协同设计平台的构建，并给出中性建模命令的构建 原则、面向对象表示和拓扑元素的表示。 2 1 异构c a d 系统间同步协同设计平台的需求分析 为了让工作在异构c a d 系统间同步协同设计平台上的设计者能够利用这个 平台有效地开展同步协同设计活动，从而达到加快产品开发效率、降低设计成本 的目的，该平台应该具有以下几个方面的特点，以满足设计者在异构c a d 系统 间进行有效的同步协同设计活动的需求。 1 ) 该平台应该保证同步协同设计的实时响应性。保证实时响应性是给予协 同用户的良好设计体验的基础，否则协同等待的时间过长，会严重干扰 设计者的设计思路，而大幅度影晌协同设计的效率。 2 ) 该平台涵盖的c a d 系统的数量要多，而且其类型具有代表性，这样才 能够符合大多数设计者的需要。比如尽量涵盖具有不同的几何建模内核 的c a d 系统等等。 3 ) 该平台应该支持广泛使用的产品建模方式。参数化特征建模是当今主要 的产品建模方式，所以该平台必须有效造支持设计者在异构c a d 系统 间以参数化特征建模方式进行同步协同设计。 4 ) 该平台应该支持异构c a d 系统间同步协同设计活动所特有的建模互操 作。比如在同步协同设计活动中，设计者会对已有设计进行修改或删除， 第二章基于中性建模命令的同步协同设计半台构造方法 所以该平台必须支持设计者进行实时的修改和删除操作。同时在异构 c a d 系统间，有很多相互之间不完全对应的建模操作，该平台也应该 支持设计者使用此类操作进行同步协同设计。 5 ) 该平台应该提供给设计者一个友好豹人机界蔼便于用户学习、掌握和使 用，同时也应该提供给用户必要的协同感知功能。 6 ) 由于同步协同装配比同步协同零件设计在工业中具有更大的重要性 b i d 4 r a 0 2 ，所以系统应该支持异构c a d 系统间的同步协同装配。 2 2 基于中性建模命令的同步协同设计平台构建方法 本节将提出一种在异构c a d 系统问构建同步协同设计平台的方法m 3 】【l 。 该方法能够有效地在异构c a d 系统之间构建一个同步协同设计平台，而且用这 种方法构建的异构c a d 同步协同设计平台满足2 1 节提出的1 - 5 点需求。 2 2 1 方法概述 - - - - - - _ - - - - - _ _ - - - ： 站点1 ( c a d 系统1 ) 图2 1 基于中性建模命令的复制式同步协同设计平台结构图 该方法是通过中性建模命令( n e u t r a lm o d e l i n gc o m m a n d ，n m c ) 在异构 c a d 系统闻实时交换系统建模搡作( s y s t e mm o d e l i n go p e r a t i o n ，s m o ) 来实 现同步协同设计的。基于中性建模命令方法构建的异构c a d 系统间同步协同设 计平台的体系结构如图2 1 所示： 第二章基于中性建模命令的硒步协同设计平台构造方法 从图2 1 中可以看出，该系统的体系结构是一种复制式结构。在这样复制式 结构的同步协同设计系统中，每个站点对应着一个异构c a d 系统。本文研究涉 及五个异构商用c a d 系统，分别是a u t o d e s km e c h a n i c a ld e s k t o p6 0 ( 以下统称 为m d t ) 、s o l i d w o r k s2 0 0 3 ( 以下统称为s o l i d w o r k s ) 、p r o e n g i n e e rw i l d f i r e2 0 ( 以下统称为p r o e ) 、a u t o d e s k i n v e n t o r 9 0 ( 以下统称为i n v e n t o r ) 和u n i g r a p h i c s v 1 8 0 ( 以下统称为u g ) 。其中m d t 和i n v e n t o r 使用a c i s i a cr s l 作为其几何建 模内核，而s o l i d w o r k s ，p r o e 和u g 都采用p a r a s o l i d 9 ”训“】作为其几何建模内 核，对采用不同几何建模内核的异构c a d 系统进行研究，具有重要的研究意义 和广泛的应用背景。 在每个站点中，用户都应用本站点的c a d 系统来进行产品建模；除了c a d 系统之外，每个站点还配置有两个转换器，这两个转换器配合c a d 系统协同工 作，来完成同步协同设计的目的。下面将分别介绍这两个转换器的工作原理，其 具体转换方法将在第三章介绍。 s m o t o - n m c 转换器负责把每个由本地用户触发执行的系统建模操 作转化成为一条中性建模命令，并立即将其通过网络发送至其他站点。 n m c t o - s m o 转换器负责接收从其他站点发送来的中性建模命令， 并立即把它转换成为个或者多个本地系统建模操作在本地执行。 正是这两个转换器的实时转换与传输，使得系统建模操作能够在异构c a d 系统间进行实时交换，从而达到同步协同设计的目的。该同步协同设计过程中， 每当一个用户进行一个系统建模操作之后，这个操作立即转化成为相应的中性建 模命令并发送到其他站点去。当中性建模命令对象到达其他站点时，它被立即转 化成为相应的系统建模操作来执行。 2 2 2 方法可行性 在2 2 1 节提出的方法中，各个c a d 系统本地执行的建模操作都转换为中 性建模命令再发送到其他协同站点。所以在异构c a d 同步协同设计平台中，每 个站点的对外通讯都是通过中性建模命令来完成的，从而从逻辑上独立于其他站 点。虽然根据中性建模命令方法构建的同步协同设计平台具有复制式的物理结 构，但是在逻辑上却是以中性建模命令为中心的星型结构，如图2 2 所示。 第二章基于中性建模命令的同步协同设计平台构造方法 图2 2 同步协同设计平台的逻辑星型结构 采用星型结构的好处是实现的复杂度比纯粹的点对点结构要小很多。如果采 用点对点结构，也就是在各个c a d 系统间两两实现一个转换器或者使用一种独 特的转换通讯机制，那么在n 个异构c a d 系统间，其转换器实现工作量的复杂 度是c n 2 。若考虑两个c a d 系统间双向的转换要使用不同实现的话，那么点对 点结构的实现工作量与支持的c a d 数量的关系为公式2 - 1 所示。即随着支持的 c a d 数量n 的增大，实现工作量以n 的平方速度增长。 ( n ) = p n 2 = n + ( n - 1 ) = n 2 - n( 公式2 1 ) 如果采用以中性建模命令为中心的星型结构，平台每增加一个异构c a d 系 统，需要实现s m o t o n m c 和n m c t o s m o 两个转换器，那么实现工作量与支 持的c a d 数量的关系为公式2 2 所示。 o ( n ) = 2 + n( 公式2 2 ) 通过公式2 - 2 和公式2 - 1 的对比可以看出，若平台采用以中性建模命令为中 心的星型结构，其实现工作量要比点对点结构的工作量小很多，基本上和支持的 c a d 数量成线性关系。 根据原型系统实验结果( 支持s o l i d w o r k s2 0 0 3 ，m e c h a n i c a ld e s k t o p6 。 p r o e n g i n e e rw i l d f i r e2 o ) ，采用以中性建模命令为中心的星型结构，系统总体 实现工作量与所支持的异构c a d 系统数量近似成线性关系。 第一二章基于中性建模命的j 司步协同设计平台构造方法 2 3 中性建模命令的构建与表示 2 3 1 中性建模命令的构建原则 因为中性建模命令在各个异构c a d 系统间的实时通讯中担当桥梁作用，故 而中性建模命令的合理构建在整个协同系统的设计中占有很重要的地位。为了保 证构建中性建模命令的有效性及合理性，本方法在构建中性建模命令时遵循两条 主要原贝| j ： ( ”基于参数化特征操作来构建 参数化特征建模方法是当今广泛采用的c a d 产品建模方法，它符合设计习 惯，支持变动设计和智能化设计，是目前最先进的产品建模手段之一。为了让异 构c a d 同步协同设计平台有效地支持参数化特征建模方法，中性建模命令将根 据参数化特征建模操作来构建。也就是说，每条中性建模命令都对应着一个或几 个商用c a d 系统中的参数化特征建模操作。 ， ( 2 ) 通过合并各类参数化特征操作来构建 在当今主流c a d 系统之间，基本的建模操作无论是名称上还是工程语义上 都是相似的。但是由于c a d 厂商相互竞争而积极创新，不同c a d 系统的同类 建模操作的参数之间却总有差异碑a p p o p o r t 0 3 。 模命令集 图2 3 操作的并集图图2 - 4 操作参数的并集 令 为了保证每个系统建模操作能够比较容易地转换成为相应的中性建模命令 中性建模命令集被设计成为平台中各c a d 系统的参数化特征建模操作的并集， 第二章摹于中性建模命令的同步协同设计平台构造方法 如图2 3 所示，如果平台涵盖u g 、m d t 和s o l i d w o r k s 三个c a d 系统，那么将 这三个系统中所有的参数化特征建模操作归纳合并后即为平台所使用的中性建 模命令集合。 对于每条具体的中性建模命令来说，其命令参数采用各c a d 系统中对应操 作的参数的并集，如图2 - 4 所示，表示拉伸特征的中性建模命令的参数采用u g 、 m d t 和s o l i d w o r k s 三个系统中拉伸特征参数的并集。举例来说，在s o l i d w o r k s 和u g 系统中支持双向拉伸操作，而m d t 系统仅支持单向拉伸操作，那么根据 参数并集构建原则，表示拉伸特征的中性建模命令的参数既支持双向拉伸的表 示，也支持单向拉伸的表示。 2 3 2 中性建模命令的表示 为了有效地支持s m o t o - n m c 转化器和n m c t o s m o 转化器的实现，使用 面向对象技术，以类和对象的形式来表示中性建模命令。对于每条中性建模命令， 它都表示为一个类，这个类具有相应的类属性和类函数。在协同设计过程中，该 中性建模命令类实例化为一个对象，便可以调用其对象函数或者访问其对象属 性。除此之外，每个中性建模命令对象都可以转化为相应的字符串表示，该字符 串表示仅包含对象名称和对象属性，用以在网络上传输。 中性建模命令类的u m l 类图表示如图2 5 所示： 第二章基于中性建模命令的同步协同设计i f 台构造方法 图2 5 中性建模命令类的u m l 类图表示 从该u m l 类图中可以看出，n e u t r a l m o d e l i n g c o m m a n d 类是所有中性建模命 令类的父类，也就是说，所有中性建模命令类都是从n e u t r a l m o d e l i n g c o m m a n d 类继承的。 中性建模命令类体系采用只有一个父类的单根继承具有以下优点： 所有中性建模命令类具有一致的对外接口。可以在统一的父类中定义所 有中性建模命令类共有的方法与属性。这样程序在调用中性建模命令共 有的方法与属性时，不必依赖于特定的中性建模命令类来编写代码。 使得中性建模命令类的实现和修改具有封闭性【m 州1 。当需要对某个中 性建