机械CAD的可视化开发模型及支持环境

    摘要： 
    介绍CAD应用软件的开发过程模型，基于该模型的支持库结构，特征或标准件的通用显示管理，以及用户界面管理系统。在过程模型支持下开发了特征可视化生成环境的实验系统。它是在软件界面和数据箱柔性制造系统思想的基础上扩充对约束及设计方法的可视化处理，以支持用户通过可视化方法生成特征、标准件及相关文档。
    关键词：CAD；可视化方法；模型  
    中图分类号：TH128 文献标识码：A 

    0 引言 
 
    传统CAD系统仅能表达产品的几何信息，不能表达语义、功能及与制造等具体应用领域有关的非几何信息。实体造型以体素为单位，将多个简单形体经过布尔操作构成复杂形体，但这种方法设计人员并不习惯，工程应用领域需要的是赋予功能语义的结构要素（如螺纹孔、花键特征等），而不是纯几何形体（点、线、面）。
    特征设计起源于各种应用（CAD、CAPP、CAM）领域对产品信息的集成与共享需求。前期主要是避免产品数据重复输入所产生的数据冗余与输入错误，为产品信息集成提供统一的表示，后期发展为并行设计、DFX等设计哲理提供过程的支持及实现机制。目前，特征设计仍是CIMS过程集成，以及在虚拟制造环境下设计的关键。几十年来，在这方面，虽已取得了许多理论及应用成果。然而，特征设计及在现有CAD系统上开发的基于特征设计的软件效果并不理想，主要表现在［1～3］：特征设计软件主要以某一领域来建模（如制造约束），很难对其功能进行再扩充；缺少将数据结构、方法及约束融合在一起的可扩展模型，系统的柔性差，不适应企业竞争对产品设计的高柔性要求；目前，某些商业CAD软件系统一般只提供编程环境，不具有可视化的开发及重组能力。可视化方法［4］强调对感兴趣信息的可视描述和可视信息的直接处理，由于它具有直接、方便、面向用户等特点，目前在界面设计的可视化、科学计算的可视化、程序设计的可视化等方面得到广泛的应用。但是，现有可视化方法一般只能对数据结构进行可视化处理。 而不能对CAD特征及其动态组装进行可视化生成，笔者已完成的特征可视化生成系统（Visu al Production System for Feature，VPSF），是由一组工具组成的集成环境，通过可视化方法对约束及设计方法协调进行处理，以支持用户生成特征、标准构件及相关文档，再由可视化方法进行程序设计组装，成为特定领域且可扩展的CAD系统。
 
    1 机械CAD软件开发的可视化方法 

    1.1 设计思想??  
    要设计一个支持用户在设计过程中扩充特征及对特征维护的方法，必须满足：
    可扩展的模型应包括数据、数据结构、低层约束和高层约束；
    可扩展的模型独立于推理显示FDM（Feature Display Management），以保证FDM对不同特征显示的单一性及通用性；??  
    FDM相对于核心程序的独立性，使特征可视生成及其组装的算法代码能并行开发；
    核心构件能方便地与FDM代码在统一的环境下进行编码，使程序员能方便地由特征装配成为特定CAD应用系统；??  
    集成环境应支持用户对数据结构和约束同时进行可视化处理加工，以保证特征、标准构件的生成效率和质量，同时支持特征或标准件的对话框可视调整，特征组成的浮动窗口菜单的可视布置以及相关程序代码的生成。 

    1.2 机械CAD可视化开发过程模型
    在逻辑上，CAD应用软件的开发过程如图1所示，集成环境由一系列的工具组成，支持最终用户生成特征库、标准件库和界面库，包括对话框及菜单图符组，在集成环境下能构成特定应用的CAD系统原型 （UIMS），且能进行在线仿真，同时又能可视化地修改其结构。UIMS和FDM是集成环境中的一部分，特征库（Feature Data Base，FDB ）、标准件库（Standard Components Data Base ，SCDB）和界面库（Interface   Suppo rt Data Base，ISDB）是软件支持库（Software Support Data Base， SSDB）的一个子映射。所生成的特征库、标准件库和界面库，与特定的核心构件联接后形成可执行的文件，经用户评价后提出修改意见，并在集成环境下对特征库、标准件库和界面库进行可视化修改，直至满足要求为止。?ザ砸桓鎏囟ǖ幕?械CAD应用系统，除了界面库、特征库和标准件库与系统有关外，其它部分与系统无关。不同的应用系统具有不同的界面库、特征库和标准件库，尤其重要的是，在该系统开发的不 同阶段，其相关库能在集成环境下进行可视化处理加工，以便于对 CAD应用系统的质量进行不断地改进。 
    由图1可见，其核心是支持集成环境运行的SSDB。在该数据库支持下将一系列的工具组合在统一的集成环境中进行可视化操作，将引起SSDB的更新，而且通过图形、对话框的直接可视交互，还能将修改的 SSDB直接反映在交互的图形上，通过依赖于特征、标准件的浮动窗口菜单及对话框可构造所设计的CAD原型系统的结构。支持用户界面、特征库或标准件库和核心构件库的并行开发。??   
    SSDB是将数据结构、可变约束、设计方法和界面融合在一起的可扩展模型，用户通过对特征、对话框和浮动窗口菜单的直接交互，可实现对可扩展模型的修改。该模型是将信息组织在一系列有序的结点中，通过可视化环境由用户构成结点与结点之间的动态联接关系，并形成可扩展模型的状态超图结点。其超图结点聚合多个子结点，每个子结点指向的对象包括参数、几何拓扑数据 、低层约束、高层约束或一个设计表格等。按不同抽象层次来组织不同的索引结构,以便于可视化环境能实时地取得相关数据及设计方法。通过结点和超图结点能方便地组成特定的CAD应用系统的结构。图2所示为SSDB的结点之间的关系，A、B为超图结点，a、c为界面窗口结点。
    图3所示为特征柔性模型，它是软件支持库的核心，主要由特征的隐式模型（约束特征的一组参数）、显示模型、约束模型(低层约束和高层约束)及连接模型组成，与以往的特征模型不同之处，是采用面向对象的方法，将约束方法有效封装在特征模型中。其中每个模型都是动态的，随着设计过程的进行，模型中的结构、约束方法在改变并完善。特征的显示模型受约束方法模型中的表达式约束，表达式的变量取值是从隐式模型中通过参数匹配来获取，显示模型与实体之间自动建立对应关系，通过显示模型中的实体可显示特征的精确结构形状。联接模型用来构成特征组装时的动态连接关系。  

    2 基于约束的特征显示管理  

    特征库(FDB)和标准件库(SCDB)是聚合多个子结点的状态超图结点，主要包含特征参数、精度、低层约束、高层约束结点。结点之间的关系及信息的动态扩充是通过可视化环境来完成的。 
    特征显示管理(FDM)是基于FDB或SCDB，又完全独立于FDB和SCDB的一组通用程序代码，其核心部分是表达式的求解及基于高层约束的推理机。主要通过低层表达式的约束快速更改图形的几何坐标点，以得到 一个图形的原型，由高层约束协议完成图形原型的细化，FDM作为目标代码与核心构件联接成为应用系统的原型，这时如发现所设计的FDB或SCDB不满意，还可将其返回到集成环境下修改。??
    设计特征显示管理主要依据可扩展的模型结构及其信息，可扩展模型中的几何、低层约束、高层约束信息及它们之间的关联是在集成环境下由可视化操作完成的。低层约束直接约束几何坐标点，高层约束是由语言规则 （如平行、圆弧过渡等）描述的，用以约束特征中的实体拓扑关系，集成环境将其转换成直接操作的一些协议，通过选项配置，在交互时只显示由低层约束时的特征及标准件的原型，以满足快速交互的目的。对于可视化生成环境而言，FDM是通用的，不同的特征或标准件，所表现的数据结构及其约束方法是不同的，FDM是唯一的。??

    3 应用系统的UIMS  

    用户界面支持库（ISDB）是由结点组成的复杂网状关系结构，主要有控制应用系统运行的特征或标准件浮动窗口菜单，依赖于特征及标准件的对话框，运行任一时刻的在线帮助。 ISDB的外存机制存储大量的帮助信息，窗口图标菜单放在内存。??   
    UIMS是基于界面支持库，又完全独立于ISDB。主要包括应用系统功能模块管理，来自每一个特征交互对话的控制索引表管理，显示、求助信息的管理等。UIMS联接时作为目标库与核心构件一起组成应用系统 的原型。这时，如发现提示信息有误，还可将ISDB返回到集成环境下修改，应用系统不需重新联编，就可运行特定的CAD应用系统原型。
    UIMS的设计主要依据ISDB的结构、相关特征或标准件的结点。ISDB的结点组成的结构映射为应用系统运行时的控制结构，通过相关特征或标准件的结点能获取对话框参数、图形及尺寸标注等组成友好的特征交互形式。对ISDB而言，不同的CAD应用系统，将会有不同的ISDB，UIMS则是唯一的。?? 
 
    4 特征可视化系统生成(VSPF)的工具  

    集成环境基于Auto CAD for Windows并应用VC++语言编写，主要有以下工具组成：
    特征可视化编辑器 
    在特征可视化编辑器中，能方便地构造特征图形实体，建立特征中实体与低层及高层约束关系，对标准件，还包括特征参数与数据库的动态关联，所建立的特征能在线地检验及修改，并支持最终用户完成特征和标准件的可视化生成。
    UIMS的可视化编辑器 
    在UIMS的可视编辑器中，自动将特征或标准件转换相应的图符，并建立图符与特征或标准件库的对应关系，多个特征图符可视化地组装为一个浮动窗口菜单，由特征的参数可视化地生成特征对话框，以及在线帮助窗信息的可视化编辑；定义浮动窗口、帮助窗以及对话框之间的关系，并对它们进行在线检验及直接修改。 
    支持库的管理 
    通过管理模块能对ISDB、FDB及SCDB进行管理，如从不同的ISDB中挑选有用的结构及信息来快速重组应用系统的结构及交互形式，从FDB与SCDB中挑选有用的特征或标准件进行修改，能方便地组成CAD应用系统新的特征库。 
    环境配置 
    能按用户操作习惯设置集成环境参数。?? 
    应用系统在线仿真 
    在它的环境下能仿真应用系统的UIMS系统、在线帮助系统的结构关系，并支持用户对其结构进行在线修改。?? 
    文档的生成 
    生成特征的EXPRESS描述，既可被计算机理解，也能由设计人员明白的语言；生成访问特征及其标准构件的函数原型；生成特征设计的程序框架（UIMS）结构；生成特征对话框的文档。
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    5 结束语  

    特征可视化生成系统是基于Auto CAD for Window系统，用户界面虽符合国际标准，但在生成特征时还未考虑制造约束，不能对特征组装时的动态调整以及其它核心构件库加以管理，新的特征可视化生成系统将全面吸收FMSS系统的思想，将可视化方法、面向对象技术及人工智能相结合进行系统研究，并从以下方面进一步做了改进，其一，增加特征可视化生成时的制造约束评价；其二，支持用户对制造约束库的可视化修改及扩充，以满足不同工厂对制造约束的要求；其三，增加可视化的特征组装关系的动态调整及对核心构件库的管理。 ??   
    目前，VPSF系统已能完成对特征和标准件的可视生成，并在863项目中的特征及标准件的可视化生成及应用系统的可视化开发方面得到应用。通过实践证明，机械CAD的可视化开发方法具有直观、方便、面 向用户等特点，能大大地提高CAD应用系统的开发效率以及软件的质量。?? 

参考文献 
［1］ Inui M，Kimura F. Using a truth -maintenance system to assist product-model construction for design and process planning［J］. CAD, 1993,  25(1)： 59-70.??
［2］ Gu Peihua, A feature representation scheme for supporting integrated   manufacturing［J］. Computers and Eng. ，1994，26(1)：55-71.?? 
［3］ Edinbarough A L，et al. Visual identification of industrial components using part family classification coding system［J］. Computer in Industry,1995，26(1)：85-91.
［4］ Gameron ed G. Special focus: Modular Visualization Environment   System (MVES)［J］. Computer Graphics,1995，29(2).