1. 引言

    隨著(zhù)傳統CAD系統在破碎機設備的應用普及以及現代設計問(wèn)題的復雜化、智能化，人們不再僅僅滿(mǎn)足于用計算機取代人進(jìn)行手工繪圖。所幸隨著(zhù)計算機圖形學(xué)、人工智能、計算機網(wǎng)絡(luò )等基礎技術(shù)的發(fā)展和計算機集成制造、并行工程、協(xié)同設計等現代設計理論和方法的研究，使得CAD系統也由單純二維繪圖向三維智能設計、物性分析、動(dòng)態(tài)仿真方向發(fā)展，參數化設計向變量化和VGX(超變量化)方向發(fā)展，幾何造型、曲面造型、實(shí)體造型向特征造型以及語(yǔ)義特征造型等方向發(fā)展；另一方面，伴隨著(zhù)CAD軟件復雜程度的增加和各個(gè)不同應用系統間互操作的現實(shí)需要，人們希望CAD系統具有極佳的開(kāi)放性同時(shí)又能“搭積木”似的自由拼裝形成不同的功能配置，軟件工程技術(shù)特別是組件開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究應用和逐漸成熟為解決這一問(wèn)題提供了堅實(shí)的基礎。
    組件技術(shù)使得各CAD系統開(kāi)發(fā)商們不必再完全遵從“一切從零開(kāi)始”的開(kāi)發(fā)模式，他們可根據自己的技術(shù)優(yōu)勢在滿(mǎn)足組件接口規范要求下開(kāi)發(fā)不同的構件，然后在得到許可的情況下便可以自由使用這些構件來(lái)搭建用戶(hù)所需要的CAD系統。這種方式因其開(kāi)發(fā)周期短、見(jiàn)效快、系統柔性高、開(kāi)放性好、以及容易“即插即用”和進(jìn)行并行開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢而倍受親賴(lài)。
    本文主要討論采用組件技術(shù)開(kāi)發(fā)國產(chǎn)商品化CAD/CAM系統——“金銀花” 系統的一些關(guān)鍵技術(shù)。

    2. 系統框架

    “金銀花”是在A(yíng)CIS幾何建模平臺上，采用變量化特征造型技術(shù)，基于STEP標準——遵循AP214和AP203協(xié)議而研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的商品化三維CAD系統。該系統基本框架結構如圖一所示，大體分為三個(gè)層次——數據層、功能層、接口層：

   數據層包括物理數據文件、數據庫和邏輯數據模型兩部分，它是CAD系統的設計結果，也是CIMS信息集成的主模型，由于本系統是符合STEP標準的，故可以通過(guò)標準數據存取接口(SDAI)進(jìn)行操作，數據是用戶(hù)利用系統功能實(shí)現的。
    功能層是主體部分，主要有三維零件設計、裝配設計、二維工程圖設計三大模塊，由于有主模型的支持，三塊之間相互關(guān)聯(lián)：即任一部分的改變都將引起其它部分相關(guān)的自動(dòng)更新。在零件設計中采用特征造型和實(shí)體造型相結合、特征模型與實(shí)體模型共存，大大方便了后續工藝分析和加工對特征信息的需求又滿(mǎn)足了顯示、變換、物性計算、干涉檢查等操作對實(shí)體信息的要求。變量化VGX技術(shù)主要在草圖設計、特征造型、裝配設計等部分應用，極大的方便了用戶(hù)對設計的編輯和修改。
    接口層是提供系統的對外接口，分為功能接口與數據接口。功能接口便于用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，組件重用等；而數據接口為其它環(huán)節如CAPPCAMCAEPDM等提供一致性的數據訪(fǎng)問(wèn)方式。

    3. 組件結構

    系統的組件結構設計是基于組件技術(shù)開(kāi)發(fā)CAD系統的關(guān)鍵，主要內容是根據應用系統的功能需求列出所有構成組件、各個(gè)組件間的依賴(lài)關(guān)系和接口，并確定哪些組件自己開(kāi)發(fā)而哪些可直接從組件供應商處購買(mǎi)以縮短開(kāi)發(fā)周期。而本系統就是通過(guò)從美國STI公司(Spatial Technology Inc.)購買(mǎi)三維CAD系統所需幾何造型、文件管理、內存管理等基本功能組件，而集中精力開(kāi)發(fā)支持特征造型、VGX約束求解、裝配設計、關(guān)聯(lián)繪圖、用戶(hù)接口等組件。
    由于A(yíng)CIS是完全基于組件技術(shù)開(kāi)發(fā)的，其所有基礎功能均通過(guò)不同的組件（表現為動(dòng)態(tài)聯(lián)接庫DLL）實(shí)現。在A(yíng)CIS6.0中大約有五十多個(gè)DLL，所有這些DLL實(shí)際可劃歸為兩部分：ACIS 3D Toolkit（核心模塊）和Optional Husks（可選模塊）。其中核心組件提供構造系統所需的基本功能（如：基本幾何和拓撲、內存管理、模型管理、顯示管理、圖形交互等），這部分是ACIS幾何建模的核心，類(lèi)似于飛機的發(fā)動(dòng)機，其中包括許多開(kāi)發(fā)商的必選構件；而另一部分可選組件則提供一些更專(zhuān)業(yè)化和更高級的功能（如：高級過(guò)渡、高級渲染、可變形曲面、精確消影、拔模、抽殼、與CATIA和Pro/E等系統的數據接口等），這部分作為可選組件由用戶(hù)根據實(shí)際開(kāi)發(fā)的系統需要自由挑選、搭配和組合，當然用戶(hù)也可用自己開(kāi)發(fā)的組件取代ACIS的部分組件。ACIS的各組件之間存在一定的依賴(lài)關(guān)系，其中核心組件詳情可參見(jiàn)ACIS6.0核心組件依賴(lài)關(guān)系圖。

     金銀花系統組件結構是在對系統功能需求和總體框架結構分析基礎上得出的，同時(shí)也參照了ACIS的組件劃分思想。圖二給出了系統組件依賴(lài)關(guān)系簡(jiǎn)圖（為節省篇幅，主要表示了三維零件設計部分的組件，而沒(méi)有詳細表示關(guān)聯(lián)繪圖和裝配部分的組件），為方便組件的集中管理和調用系統采用了層次結構，主要分為核心組件、功能組件、接口組件三層，上層組件可任意調用下層組件提供的所有服務(wù)。以下對圖二作一些介紹：
    ◆ 核心組件層：該層包含了系統較重要和較基本的組件，是三維特征造型、二維關(guān)聯(lián)繪圖、部件裝配、動(dòng)態(tài)仿真等模塊的共享部分。ACIS核心組件也位于其中，為系統提供ACIS幾何造型基本功能；LM_GI是提供底層顯示支持，如：對OpenGL的調用、對屏幕刷新的操作、基本幾何元素的繪制；LM_PUBFUN中提供通用數學(xué)運算以及公用鏈表、隊列、堆棧的類(lèi)定義；LM_RUB包容了各種幾何元素的橡皮條——rubberband，該部分是支持VGX動(dòng)態(tài)拖放造型（drag-and-drop)、動(dòng)態(tài)約束添加以及裝配模塊中的動(dòng)態(tài)干涉檢查等的基本組件；LM_KERN包括本系統特征造型功能和ACIS幾何造型引擎連接相關(guān)的類(lèi)LmSuperElement(詳見(jiàn)4)，以及為上層提供的管理類(lèi)、約束類(lèi)、特征類(lèi)等提供超類(lèi)。
    ◆ 功能組件層：該層建于核心層之上，系統面向應用的主要功能部件均在這一層實(shí)現。用戶(hù)的不同需求會(huì )希望配置不同功能的軟件系統，從該層選折所需組件集進(jìn)行不同配置即可。圖二所示為三維部分的核心組件LM_KERNPART、特征造型組件LM_FEATURE、VGX約束管理器組件LM_VGX、處理選折對象的組件LM_PICK、和負責總體協(xié)調管理的組件LM_MANAGE等。而其中特征造型和VGX組件中又分別進(jìn)一步細化為：草圖特征、高級特征、自定義特征和VGX約束操作、約束管理約束求解等組件。
    ◆ 接口組件層：是系統的較高層，也是與用戶(hù)直接進(jìn)行交互操作管理的組件層，所以主要有處理鼠標事件MouseTool的LM_MT和管理系統界面中涉及到的對話(huà)框、菜單、工具條等資源的組件。
    可見(jiàn)，這種組件設計結構不僅極大的方便了不同用戶(hù)需求系統的配置，而且將系統的用戶(hù)接口與功能的具體實(shí)現分開(kāi)，便于針對不同語(yǔ)種、不同操作系統平臺、不同使用習慣開(kāi)發(fā)豐富多彩的界面，也從技術(shù)角度實(shí)現了與ACIS幾何引擎的無(wú)縫集成。

    4. 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現

    采用軟件組件技術(shù)建立組件依賴(lài)關(guān)系為三維CAD系統架設了總體結構，但具體實(shí)現還需解決許多關(guān)鍵性技術(shù)，以下主要以特征造型技術(shù)為例說(shuō)明系統的設計思路。
    由于A(yíng)CIS本質(zhì)上一個(gè)幾何實(shí)體造型的平臺，通過(guò)B-rep表示提供實(shí)體幾何、拓撲結構的完整描述，但它并不直接支持特征造型。因此，如圖三所示系統在實(shí)體模型和特征模型之間通過(guò)引入構造點(diǎn)、邊、面的機制建立一種映射關(guān)系。每個(gè)特征中不僅包含工藝制造信息還包含其具體構造點(diǎn)、邊、面信息，這些構造元素再與實(shí)體模型中的點(diǎn)、邊、面建立聯(lián)系。

    其中LmFeature較終派生于A(yíng)CIS的ENTITY，以便于進(jìn)行內存管理、文件存儲和模型操作管理。m_Construction屬性記錄該特征的所有構造點(diǎn)LmSuperPoint、邊LmSuperEdge、面LmSuperFace（三者均派生于LmSuperElement)，它們又分別記錄ACIS的VERTEX，EDGE，FACE和部分幾何參數以及特定的語(yǔ)義信息；同時(shí)在每個(gè)ACIS拓撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）中通過(guò)屬性ATTRIB機制又嵌入其對應的LmSuperElement。這種雙向鏈表結構方式不僅便于實(shí)現特征造型和實(shí)體造型間的無(wú)縫鏈接和快速查找，而且也為系統重建時(shí)維護拓撲關(guān)系奠定了基礎。因為僅記錄ACIS拓撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）是不可能保證拓撲關(guān)系一致的。m_OtherInfo屬性主要用于存放特征語(yǔ)義、工藝信息等，另外還為用戶(hù)提供了手工添加特征語(yǔ)義的接口， 為真正支持CIMS環(huán)境下信息集成奠定了基礎。
    在特征創(chuàng )建刪除\修改或模型重建過(guò)程中，為維護設計者的設計意圖關(guān)鍵在于維護模型修改前后拓撲結構的對應關(guān)系即：拓撲一致性，因此必須考慮拓撲編碼的問(wèn)題。系統通過(guò)為每個(gè)從ENTITY派生的實(shí)體引入索引標志的方法解決，該索引標志不僅記錄全局**標志符，而且通過(guò)充分利用ACIS ENTITY中的ATTRIB 和ANNOTATION 類(lèi)對模型操作的具體變化做了詳細的記錄：操作前有那些面、邊、點(diǎn)，操作后又產(chǎn)生了那些新的面、邊、點(diǎn)等等。操作后系統自動(dòng)重新整理，保證了拓撲結構的對應關(guān)系。
    要支持特征造型，還必需維護特征之間的依賴(lài)關(guān)系，以便修改特征參數后重建所有依賴(lài)特征，這些關(guān)系一般形成樹(shù)形結構，又稱(chēng)特征樹(shù)。 特征樹(shù)方便了對特征的管理，但這種關(guān)系往往也限制了設計人員的設計思路，并且還可能出現：父特征的刪除導致所有子特征的刪除，如果某特證的參數依賴(lài)于其后續特征的參數導致系統重建時(shí)的崩潰等現象。于是系統采用雙重坐標方法： 即對每個(gè)特征既記錄其相對父特征的坐標，也記錄其在全局坐標系下的坐標。這樣，當父特征不存在時(shí)，子特征可在全局坐標系下"生存"；另外， 采用VGX技術(shù)，將約束關(guān)系從幾何關(guān)系中獨立出來(lái)，建立全局約束鏈，相對獨立的約束求解器， 結合代數方法和數值求解方法對約束整體聯(lián)立求解，既增加了系統的動(dòng)態(tài)導航、動(dòng)態(tài)約束添加和動(dòng)態(tài)修改機制又保證了模型的修改可以超越設計歷史樹(shù)的限制，使得設計人員隨時(shí)、隨地、隨意修改成為現實(shí)。

    5. 結論

    軟件組件技術(shù)的發(fā)展為大型復雜的三維CAD/CAM系統的開(kāi)發(fā)提供了極好的解決之道，它完全改變了傳統CAD/CAD系統開(kāi)發(fā)的低效率模式，使得該類(lèi)復雜系統也可以“搭積式”的快速構建。本文深入研究了基于組件技術(shù)開(kāi)發(fā)三維CAD系統的相關(guān)技術(shù)，介紹了具體實(shí)現方法，同時(shí)給出了系統組件層次結構，可為開(kāi)發(fā)該類(lèi)系統提供一定的參考。