基于组件的三维CAD系统开发的关键技术研究

1、 基于组件的三维cad系统开发的关键技术研究 摘要：研究了组件技术和特征造型技术，并以“金银花”系统的开发为实例对基于组件开发三维cad系统的相关技术和实现方法进行了深入研究，给出了实现系统的框架结构和组件结构。关键词： cad 组件 变量化(vgx) 实体造型 特征造型1. 引言随着传统cad系统在工业界的应用普及以及现代设计问题的复杂化、智能化，人们不再仅仅满足于用计算机取代人进行手工绘图。所幸随着计算机图形学、人工智能、计算机网络等基础技术的发展和计算机集成制造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的研究，使得cad系统也由单纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真方向发展，参数化

2、设计向变量化和vgx(超变量化)方向发展，几何造型、曲面造型、实体造型向特征造型以及语义特征造型等方向发展；另一方面，伴随着cad软件复杂程度的增加和各个不同应用系统间互操作的现实需要，人们希望cad系统具有极佳的开放性同时又能“搭积木”似的自由拼装形成不同的功能配置，软件工程技术特别是组件开发技术的研究应用和逐渐成熟为解决这一问题提供了坚实的基础。组件技术使得各cad系统开发商们不必再完全遵从“一切从零开始”的开发模式，他们可根据自己的技术优势在满足组件接口规范要求下开发不同的构件，然后在得到许可的情况下便可以自由使用这些构件来搭建用户所需要的cad系统。这种方式因其开发周期短、见效快、系统

3、柔性高、开放性好、以及容易“即插即用”和进行并行开发等优势而倍受亲赖。本文主要讨论采用组件技术开发国产商品化cad/cam系统“金银花” 系统的一些关键技术。2. 系统框架“金银花”是在acis几何建模平台上，采用变量化特征造型技术，基于step标准遵循ap214和ap203协议而研制开发出来的商品化三维cad系统。该系统基本框架结构如图一所示，大体分为三个层次数据层、功能层、接口层：金银花系统组件结构是在对系统功能需求和总体框架结构分析基础上得出的，同时也参照了acis的组件划分思想。图二给出了系统组件依赖关系简图（为节省篇幅，主要表示了三维零件设计部分的组件，而没有详细表示关联绘图和装配部

4、分的组件），为方便组件的集中管理和调用系统采用了层次结构，主要分为核心组件、功能组件、接口组件三层，上层组件可任意调用下层组件提供的所有服务。以下对图二作一些介绍： 核心组件层：该层包含了系统最重要和最基本的组件，是三维特征造型、二维关联绘图、部件装配、动态仿真等模块的共享部分。acis核心组件也位于其中，为系统提供acis几何造型基本功能；lm_gi是提供底层显示支持，如：对opengl的调用、对屏幕刷新的操作、基本几何元素的绘制；lm_pubfun中提供通用数学运算以及公用链表、队列、堆栈的类定义；lm_rub包容了各种几何元素的橡皮条rubberband，该部分是支持vgx动态拖放造型（

5、drag-and-drop)、动态约束添加以及装配模块中的动态干涉检查等的基本组件；lm_kern包括本系统特征造型功能和acis几何造型引擎连接相关的类lmsuperelement(详见4)，以及为上层提供的管理类、约束类、特征类等提供超类。 功能组件层：该层建于核心层之上，系统面向应用的主要功能部件均在这一层实现。用户的不同需求会希望配置不同功能的软件系统，从该层选折所需组件集进行不同配置即可。图二所示为三维部分的核心组件lm_kernpart、特征造型组件lm_feature、vgx约束管理器组件lm_vgx、处理选折对象的组件lm_pick、和负责总体协调管理的组件lm_manage等

6、。而其中特征造型和vgx组件中又分别进一步细化为：草图特征、高级特征、自定义特征和vgx约束操作、约束管理约束求解等组件。 接口组件层：是系统的最高层，也是与用户直接进行交互操作管理的组件层，所以主要有处理鼠标事件mousetool的lm_mt和管理系统界面中涉及到的对话框、菜单、工具条等资源的组件。可见，这种组件设计结构不仅极大的方便了不同用户需求系统的配置，而且将系统的用户接口与功能的具体实现分开，便于针对不同语种、不同操作系统平台、不同使用习惯开发丰富多彩的界面，也从技术角度实现了与acis几何引擎的无缝集成。4. 关键技术实现采用软件组件技术建立组件依赖关系为三维cad系统架设了总体结

7、构，但具体实现还需解决许多关键性技术，以下主要以特征造型技术为例说明系统的设计思路。由于acis本质上一个几何实体造型的平台，通过b-rep表示提供实体几何、拓扑结构的完整描述，但它并不直接支持特征造型。因此，如图三所示系统在实体模型和特征模型之间通过引入构造点、边、面的机制建立一种映射关系。每个特征中不仅包含工艺制造信息还包含其具体构造点、边、面信息，这些构造元素再与实体模型中的点、边、面建立联系。5. 结论软件组件技术的发展为大型复杂的三维cad/cam系统的开发提供了极好的解决之道，它完全改变了传统cad/cad系统开发的低效率模式，使得该类复杂系统也可以“搭积式”的快速构建。本文深入研

8、究了基于组件技术开发三维cad系统的相关技术，介绍了具体实现方法，同时给出了系统组件层次结构，可为开发该类系统提供一定的参考。参 考 文 献1 cfaca:component framework for feature-based design and process planning。 computer-aided design 32(2000) 397-408。2 王刚。 金银花系统中曲面特征造型模块的研究与实现。 北京航空航天大学硕士论文。1998.33 online help for acis version 6.0。 http：/www. spatial. com。4 j.c.h. chung et al. framework for integrated mechanical design automation。 computer-