基于Web的CAD零件图库系统应用研究.pdf

机械设计 2 0 0 2年 1 o月N Q 1 0 童壁 设 计 理论 与 方 法 9 文章编号 1 0 0 1 2 3 5 4 2 0 0 2 1 0 0 0 0 9 0 4 基于 We b的 C AD零件 图库系统应用研究 宋大虎 韩新 民 机械科学研究院 系统分析研究所 北 京1 0 0 0 4 4 摘要 介绍了如何利用戍组技术和面向对象方法组建基于 w e b的 C A D零件图库系统的研究 提出了零件库 系统在 网络协同设计环境下的两种应用方式 并讨论了网络协同设计的关键技术 关键词 C AD零件 图库 系统 体 系结构 成组技 术 网络 协 同设计 中图分 类号 T P 3 9 1 7 2 文献标识 码 A 1 前言 C A D技术起步于 2 O世纪 5 O年代后期 随着计算 机图形学的发展而不断壮大 它最早产生于 飞机工业 中 进入 2 O 世纪 6 0 年代 出现大量专门从事计算机图 形学研究和 C AD应用产品开发的公 司 极大地推动了 C AD 的研发和应用 它不仅改变了人们设计制造产品 的手段 而且改变 了产品设计制造 的方式 C AD技术 经历了四次大的里程碑革命 从最初 的二维线 框技术 到无约束 自由曲面建模和实体造型的三维技术 从无 约束的 自由造型三维技术到让人耳 目一新的参数化技 术 从参数化技术到更加灵活快捷 的变量化技术 每一 次技术变革都带来 了巨大的经济和社会效益 没有一 种技术是常青树 C 技术一直处于不断 的发展与探 索之中 现代设计是以 I T技术为基础的 以创新 为灵 魂 由需求驱动基于知识并 以知识获取为中心对整个生命 周期负责 信息技术加快 了发明创新 的 自身 发展 使 大量数据的处理工作变得简单方便 大大减少设计时 间和成本 由于新知识的获取需要各种资源的合作和 支持 需要横向的 分布式的资源共享与协作 因此 支 持异地系统的企业信息化解决方案则成为市场的迫切 需要 近年来 I n t e r n e t 技 术 P DM 技术 网络数据库 和 XML等新技术 的飞速 发展 为计 算机辅助设 计 和 制造技术赋予 了新的生命力 从产品开发工程 的角度 看 从以往的专注 于个人 设计应用转 向群 体 T E AM 协同产品开发 这对 于跨 区域 的大型公 司尤其重 要 C AD 软件正从 一种单一 的生产工具变成 一种集成方 案的部件 转向以协同产品开发为特征 的设计方式 也 是 P D M E R P等大型软件的重要协同部分 制造业计 算机软件应用工程技术 已从部 门级 的 C AD C AM 和 工程数据库发展到了延伸型企业实施产品生命周期管 理阶段 利用 网络技术 数 据库技 术 以及计算机通信 技术建立异地 协同设计 系统 在这种完整 的产 品数字 化开发环境中完成整个产 品生命周期 从概念设计 到 详细 设计 C AD 到 分 析 i 平估 C A E 到加 工 制造 C AM 到产品数据管理 P D M 在 I n t e r n e t 环境下 的协同设计可 以形成动态 的随 产品 组 合的 产品虚 拟开发组织 集成异构分布环境下各对象系统之间的 协同工作流和互操作 设计数据库 系统管理解决设计 过程 中数据的一致性 安全性和版本管理 问题 目的 资源共享 快速 响应市场 缩 短开发 周期 降低 成本 指导方针 分散建设 网上结盟 市场驱动 强强联合 C AD零件库是计算机辅助技术 的重要组成部分 是实现计算机辅助设 计与制造 计算机产 品数据集 成 等技术的基础 在激烈的市场竞争 和新的产品开发环 境下 与 技术本身的角色变化一致 C AD零件库 也必然与网络技术结合 成为协同产品开发环境下的 Ab s t r a c t P r o b l e ms o f 3 D l a y o u t b e l o n g t o N r p c o mp l e t e p r o b l e m a n d p r o b l e m o f c o mb i n a tor y o p t i mi z a t i o n I t i s a n e f f e c t i v e wa y t o s o l v e t h e p r o b l e ms o f 3 D l a y o u t b y u t i l i z i n g t h e p o we r f u l a b i l i t i e s o n t h e c a l c u l a t i o n a n d g r a p h i c o p e r a t io n o f comp u t e r wi t h t h e c o mb i n a t i o n o f a c e r t a i n o p t i mi zat i o n t e c h n i q u e s Th i s p a per e x p a t i a t e d t h e k e y t ech n i q u e a n d t h e f u n c t io n a l s t r u c t u r e o f 3 D a u t o ma t i c l a y o u t s y s t e m con s t r u c t ed o n t h e b a s i s o f Au t o CAI p l a t f o r m b y t h e u s e o f Ob i ect A R X Th e d e s c r i p t i o n to g e n e r a l p r o b l e ms o f 3 D l a y o u t i s a c h i e v ed b y a d o p t i n g t e c h n i q u es o f o b j ect o rie n t a t i o n a n d t h i s i s t h e p r e mi s e f o r d esi g n i n g 3 D a u t o ma t i c l a y o u t s y s t e m Th e con c r e t e 3 D l a y o u t p r o b l e ms h o we v e r a r e d e ri v ed f r o m g e n e r a l 3 D l a y o u t b a s i c c l a s s a c cor d i n g t o i t s s p e c i f ic f eat ures Ke y wo r d s Th r e e d i me n s i o n a l l a y o u t p r o b l e m S i mu l a t ed a n n e a l i n g A u t c A D Ob j ect AR X Ob j ect o ri e n t a t i o n S y s t em ar c h i t ect t J r e F i g 4 T a b 0 R e f 6 J i x i e S h 4 i 1 8 2 2 收稿 日期 2 0 0 2 0 1 1 0 修订 日期 2 0 0 2 0 3 0 2 作者简介 宋大虎 1 9 7 4一 男 四川射洪人 硕士研究生 研究方 向 C A D C A M 维普资讯 1 0设计理论与方法 专题论文 机械设计 2 0 0 2年 1 0月N Q 1 0 一 个重要组成部分 2 C A D零件 图库体系结构 C A D零件库 一般包 括 标准 件 库和 相似零 件 库 一 般来说 构成各种机械的零件 标准件 占2 0 专用 特殊件 占 5 1 0 其它 占 7 0 以上是相似件或 通用相似件 目前 C A D零 件库多为标 准件 因此 建 立相似零件库是非常重要 的 标准件库是依托国家标 准件分类建立 的 相 似零 件库是 用成组 技术的方法 利用零件的相似性将零件分类管理统一编码 将图档 信息及文档信息存放在一起 采用标准的格式进行数 据描述 并配有与 C AD系统 的标准接 口和相应的管理 系统 的软件系统 用户根据设计要求对零 件库进行查 询检索 找到相似的零件 只需简单地修改已有的零件 就可得到所需 的零件 了 这样的 C A D零件库能有效 的控制零件种类 的增多 减少不必要 的重复设计 对于 企业开发产品的标准化和系列化 使产品零件 的种类 和数量合理化 减少不必要的重复设计 降低设计成本 和生产成本都具有非常重要 的作用 零件库有着极其 广泛的应用 它可应用 于机械 电子 轻工 汽车 航空 航天和造船等各个领域 据有关资料报道 采用 C A D 零件库技术可以将新产品设计 时间缩短一半 以上 产 品的生产成本减少 2 0 以上 2 1 新的相似零件图库组建特点 传统零件图库通常是基于几何形状的相似性进行 分类构建和管理的 如将零件分为圆盘状零件类 回转 体零件类和杆状零件类等 虽然能够方便设计人员检 索调用 大大提高绘图速度和设计效率 但不能有效支 持后期的工艺设计 制造及装配需要 而且它们是基于 P C机 的 在众多企业纷纷利用网络工具走协同产品开 发道路的今天 越来越暴露出其局限性 正是基于上面的认识 提出了新 的基于 we b的零 件图库系统构想 不仅采用新的建库方法对 图库本身 进行 了重新构建 而且采用了基于网络的体系结构 提 供了与 P DM 系统和 I n t e me t 的接 口 实现与协同产品 开发系统的集成 首先 利用成组技术 的方 法将各 种不同的零件按 照其形状特征相似性 同时考虑其工艺和制造方面的 相似性划分成相似零件族 将形 状特 征和工艺制 造知 识用面向对象方法和产生式规则封装表达 将其 中最 具代表性的零件作为 根 或 元 这种相似零件族根 是对相似零件进行归纳学习产生的一组彼此相关可以 统一描述拓扑关 系的几何实体 和特征 包括工艺及加 工特征 材料特征等 的集合 由此可以分级衍生一系 列的子零件 只要数据库 中的元零件有 良好 的工艺性 和制造性 则新 的零件就得到 了基本保证 图 1 形 似 零 件 族 分 级 衍 生示 意 图 然后对相似零件进行统一 编码 这种编码是在完 整分析机械零件各种功能特 征的基础上设计 的 是一 种可根据需要进行扩充的柔性编码 柔性代码系统是 分段组合式 树 一链混合结构 不定长码位 由材质码 材型码 热处理码 零件功能 结构代码 贴补零件特征 代码和其它代码组成的 同时用格式化表单描述零件 特征信息 对应 于各 个零件 特征 建 立零件 特征信息 库 提出的这种零件库 由零件信息 库 零 件几何 特征 库 零件信息传输接 口 前置处理器和后置处理器 语 法分析器和零件库管理系统等五部分组成 如图 2所 示 图 2搴件 图 库 的 构 成 1 零件特征信息库 记录了零件特征及其所应 具备 的几何特性 以及诸如材料 表面处理 等相关 物理 特性 规定了标准件的具体几何尺寸数据及相关物理 特性数据 并 以相应标准件的事物特性表为基础 使用 G B 1 5 0 4 9标准规定 的形式化语 言来 描述具体 一类零 件的所有特性数据及与相应 的几何程序之间的对应关 系 从而形成符合标准的零件信息文件 2 零件 特征 图形 库 描 述 了各类 特 征在 具体 C A D系统中的几何 模型 分类管理 统一编码 其形 状尺寸随所用的尺寸参数描述 的变化而变 3 零件库管理系统 对零件库数据进行管理 通 过人机界面 根据零件库信息进行检索 查找所需的零 件类 生成符合 G B T1 0 0 9 1的事物特性表 4 零件信息传输接 口 零件信息传输接口包括 前置处理器和后置处理器 前置处理器将 C A D系统 的 模型数据转换为中性 的几何图形程序 后置处理器将 中性几何图形程序转换为 C AD系统 的几何模型 5 语法分析器对零 件信息库的零件文字信息进 行翻译 按一定的格式进行显示 零件库信息描述格式 的标准化非常重要 因为随 缎 慵 维普资讯 机械设计 2 0 0 2年 1 0 月N o l O 专题论文 设计理论与方法 1 1 着经济全球化 的发展和计 算机应用的普及 尤其是信 息技术 网络技术 的发展 C A D零件库数据 的交 换与 共享 已成为 C AD技术广泛应用后所面临 的主要难题 之一 非标准描述格式的数据不能共享 的零件库已成 为阻碍 C AD 技术进 一步应用和发展的巨大障碍 因 此系统 中零件库的零件信息及几何 图形程序均符合有 关标准 通过开放的信息环境 各企业可以将共性机械 零件库扩展成企业机械零 件库 并将供应商库 中的相 关 内容调入本企业的企业库 成为本企业的设计资源 通过 I S 01 3 5 8 4前置处 理器和后 置处理 器 企业 的各 个用户在基于 P DM 的 C a x MR P I I 集成 环境 中实现 企业 内部设计资源的共 享 由此完成 了供应商到企业 设计部门之间信息的传递与交换 2 2 网络协 同设计环境下零件图库系统的应用 随着计算机技术 和网络技术的飞速发展 现代设 计的方式和手段也发生了根本的变化 在激烈 的市场 竞争条件下 设 计越来越要求合作 与协 同 C AD系统 也不再是设计人员一种独立工具 而是实现与其它设 计小组协同甚至是异地协同的手段 同样 零件 图库也 必须能够实现网络下的共 享 才能最大地发挥其资源 优势 利用网络技术 数据库技术以及计算机通信技 术建立异地协同设计系统 在这种完整 的产品数字化 开发环境中完成整个产品生命周期 网络协同设计是 利用网络机制 将异地分布 的设计资源和设 计工作流 统一起来 在有效的协 同工作机制和支撑平 台工具下 统一信息管理 共 同完成产 品的设计开发 图 3是协 同设计系统结构 图 3协 同设 计 体 系 结构 根据这种体系结构 基于 we b的机械零件 图库系 统采用三层的 C l i e n t S e r v e r 结构 即数据库层 应用服 务器层和客户机浏览器层三部分 1 浏览器 b r o ws e r 层 用户通 过 B r o ws e r 访 问 供应商零件库 直接使用 B r o ws e r 对零件信息进行查 询 修改 下载 在客户端是一个 Ap p l e t 通过 它获得 远程对象 的引用 并调用远程对象的方法 2 应用服务器 serve r 层 供应商的零件库数据 库服务器不直接与客户相联 而是由 We b Serve r 为 中 介 将用户通过 B r o ws e r 查询 的信息 翻译成 HTML语 言 送到客户端 可以通过 J a v a O b j e c t Serve r实现对 零件数据库的操作 而应用服务器上 的程序其主要的 功能是完成对数据 库连接 的配置 数据 库的查 询操作 和把查询结果转换成可序列化的 R e c Set 对象 当客户 端调用远程对象 的远程方法时 就把 它作为参数或返 回值传递给客户端 实现服务器与客户机的通信 客 户端得到查询结果后把它显示 出来 应用服务器同时 也是 We b服务器 因此 只要上 网的计算机通过浏览 器就可 以下载客户端的 Ap p l e t 程序到本地机上运行 3 数据库 d a t a b a s e 层 数据库层主要包括零件 几何 图形程序库和零件信息库 通过 J D B C 对数据库 进行操作 零件的几何 图形程序通过信息传输接 口与 C AD 系统进行联编 零件信息通过语法分析器进行翻 译 并通过 B r o ws e r 送 到用户端 在应用 服务器和数 据库服务器之间是通过 J a v a的 J D B C来连接的 研究认为 零件库 系统 与网络协 同设计系统集成 应用有两种方式 1 一种是集成到企业级的系统中 如 P D M 在统 一 的网络协 同设计 体系 中实现与其它 T e a m 的共享 图库系统在企业 内部 其他成员获得许可后 即可访 问 这是一种分布式 的网络数据库方式 不同企业之间的 产品资源基于各自的零件库 在网络环境的支持下 应 用上述 四种信息交互方式实现不同企业之 间的设计资 源 在不 同设计人员之间充分共享 保证了企业之间更 高层次的协 同设计 2 另一种是零 件库 系统作 为一个独立 的子 系统 存在于统一的协 同设 计体系中 为所有 的成员提供服 务 或者 得 到 授权 的外 来 客 户也 可访 问 这 类 似 于 A S P方式 异地 产品开发 小组在 网络协 同产 品开发 平台上 浏览器可以通过 I n t e me t 调用零 件库系统 减 少设计人员几何造型的时间 更多地专注于产品设计 可大大提高设计效率和缩短产品开发周期 图 4为基于 I n t e r n e t 的协 同产 品开发环境下 的零 件图库系统应用拓扑图 图 4 协 同产 品开 发体 系中的零件库系统 一 般采用三层的 C l i e n t Serve r 结构来完成协同设 计环境中数据库 的系统管理和信息 的传输 如图 5所 示 整个系统包括数据库层 服务器端和客户端程序 在客户端是一个 A p p le t 程序 通过它获得远程对 象 的引用 并调用远程对象 的方法 而应用服务器上 的程序其主要 的功能是完成对数据库连接 的配置 数 维普资讯 1 2设计理论与方法 专题论文 机械设计 2 0 0 2年 1 0月N 0 1 0 据库 的查 询操 作 和 把查 询结 果 转换 成 可 序 列化 的 R e c S e t 对象 当客户端 调用远程 对象 的远程方 法时 就把它作为参数或返 回值传递给客户端 实现 服务器 与客户机的通信 客户端得到查询结果后把它显示出 来 在应用服 务器和数 据库服 务器之 间是通 过 J a v a 的J D B C来连接 的 应用 服务器 同时也是 we b服 务 器 因此 只要上网的计算机通过浏览器就可以下载客 户端的 A p p l e t 程序到本地机上运行 l 一 盯 m m l U l l l l 盯 lo P 亡 J R M I 接 I J W e b 服 务 器H T T P 网 足J C O R B A 接 l J J A V A事物逻辑 l J A V A对象关系 影射 l J D B C T y p e 1 1 O r a c le 8 D r iV e r l rN J 一 S Q L S er v c r O rac le 8 l 国 5 协同工作应用系统体 系结构 支持协同设计体系的主要关键技术是计算机技术 和网络技术以及工作流模式和控制机制 在相似零件 库系统 开发 中采 用 S QL s e r v e r为平 台构 建 图形 数据 库 在与 协 同系 统 的集 成 应用 研 究 中认 为 X ML和 C OR B A技术是两种很关键的技术 X ML技术 X ML是新出现的一种网络元语 言 它 将成为网络数据传输最重要的基础性语言 X ML通 过 D T D定义了文档 的词法 语法和部分语 义 X S L规 定了文档的表现形式 而 X L i n k和 X P o i n t e r 定义 了文 档之间的关系 从而为基于 We b的各种应用提供 了一 个描述数据和交换 数据的有效手段 X ML文件可 自 行定义数据的类型 可以建立结构化的数据库 还可 以 通过筛选条件进行数据排序与查询 X ML文件本身就 是一种通用性 的数据库 可以用不同的程序语言来解 读 它能够定 义与平 台无关的数据交换协议 在协同 设计系统中采用 X ML定 义文件和数据格 式 保证 数 据库信息的一致性 所有的用户都可以方便地查找和 使用其中的信息 可以使用相同的工具进行高效地沟 通和共享信息 这样就创造出一种全新的协同工作模 式 C O R B A技术 O MG组 织定义了对象管理体系结 构 0 MA 作为分布在异构环境中的对象之间交互的 参考模型 在动态方式下 用户需要查 询相应 的服务 对象的界面描述信息 在静态的方式下 这些信息是 由 I D L文件来描述的 这些信息 由一个称 为界面仓库 的 C OR B A部件来提供 界面仓库通常是以 I D L描述 文件为输入 将界面描述信息进行处理后存放在文件 数据库或者其它形式的存储部件中 并提供一组标准 的调用接 口供用户查询使用 采用 C O RB A技术能够 处理分布对象请求和解决分布图形数据库之 间的通信 问题 3 结束语 信息技术加快 了发 明创新 的 自身发展 使 大量数 据的处理工作变得简单方便 大大减少设计时 间和成 本 I n t e r n e t 技术 P D M 技术 网络数据库和 X ML等 新技术的飞速发展 为计算机辅助设计和制造技术 赋 予 了新的生命力 以往的专注于个人设计应用正转 向 群体 T E AM 协 同产品开发 这对 于跨 区域 的大型公 司尤其重要 新知识的获取需要各种资源的合作和支 持 需要横向的 分布式的资源共享与协作 因此 支持 异地系统的企业信息化解决方案正成为市场 的迫切需 要 结合相似零件库的构建和体系结构的研究 探索 了零件库系统在网络环境下 的两种应用方式 参考文献 1 j Al l Ka mmn i P r o d u c t d e s i g n f o r mo d u l a r i t y MJ B o s t o n KI u we r a c a d e mi c p u b l i s h e r s 2 0 0 0 2 周迎 柔性编码 系统在 C AD C A PP C A M 集成系统 中的应用 J 西安 理工大学学报 1 9 9 9 1 5 1 2 3 2 6 3 尤德一面向中小企业 的计算 机信息 集成 系统研 究 J j 机械科 学研 究院学 报 2 0 0 0 1 2 5 6 4 张优云 现代设计方法 J j 西安交通大学学报 2 0 0 0 8 1 8 2 2 5 操 云浦机械零件 库系统研究 cj 现代集成制造系统 1 9 9 8 6 秦光里C A D零件库 零件 信息 描述 的新 方法 J CI MS标准化 研究 动态 2 0 0 0 8 3 7 史美林 计算机 支持 的协 同工作理论 与 应用 M 北京 电子工 业出版社 2 0 0 0 8 赵天奇 P D M C P C的概念及典 型应用领域 c 1 9 9 9 Re s e a r c h o n t h e 叩 p l i c a t i o n o f CAD p a r t s g r a p h i c l i b r a r y s