第13講三維CAD系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)簡介

第13講三維CAD系統(tǒng)(xìtǒng)關(guān)鍵技術(shù)

及二次開發(fā)簡介

13.1．CAD系統(tǒng)功能需求及體系架構(gòu)13.1.1三維CAD系統(tǒng)功能需求13.1.2三維CAD系統(tǒng)體系架構(gòu)13.2．CAD系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)（選學(xué)(xuǎnxué)）13.3．CAD系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)13.3.1基于通用CAD平臺的開發(fā)（選學(xué)）13.3.2工程數(shù)據(jù)處理組件開發(fā)13.3.4專業(yè)化應(yīng)用組件開發(fā)（選學(xué)）共五十七頁本章(běnzhānɡ)目的

1．了解三維CAD系統(tǒng)的需求及架構(gòu)2、掌握工程數(shù)據(jù)常用處理方法(fāngfǎ)3、了解三維CAD系統(tǒng)開發(fā)方法及二次開發(fā)過程共五十七頁13.1CAD系統(tǒng)(xìtǒng)功能需求及體系架構(gòu)13.1.1CAD系統(tǒng)功能(gōngnéng)需求SolidEdge

CATIAUGNXPro/EInventor目前最流行的三維CAD系統(tǒng)美、法等國的CAD軟件技術(shù)一直走在世界的前沿，它們擁有許多世界聞名的CAD/CAM系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具備十分強大的功能。國內(nèi):清華大學(xué)、北航、新舟、浙大、華工共五十七頁以國家863國產(chǎn)三維CAD系統(tǒng)評測要求(yāoqiú)為例，三維CAD基本功能需求：真正的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計有賴于三維CAD的應(yīng)用；三維CAD采用(cǎiyòng)直觀的三維模型表達(dá)方式，能直觀清晰地描繪更復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能方便地將設(shè)計、分析、工藝和輔助制造系統(tǒng)相連接；CAD是CAE、CAPP、CAM集成的基礎(chǔ)；三維CAD軟件可大幅度的減少設(shè)計錯誤，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。三維零件參數(shù)化特征建模功能二維工程圖功能三維零件裝配功能三維零件、裝配與二維工程圖關(guān)聯(lián)功能數(shù)據(jù)接口功能系統(tǒng)綜合管理功能系統(tǒng)性能需求共五十七頁三維零件(línɡjiàn)參數(shù)化特征建模功能線框造型：基本幾何定義；曲線插值逼近；NURBS曲線；曲線組合、打斷、光順、延伸、修整(xiūzhěng)、拼接、求交等；過渡、等距曲線和線性變距曲線；曲線變換（平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、陣列等）；曲線分析與計算（切矢、曲率、坐標(biāo)值反求參數(shù)值）等。

曲面造型功能：曲面求交、延伸；直紋面、旋轉(zhuǎn)面、掃成面、點陣面、NURBS曲面；給定邊界定義曲面；曲面和變距曲面；曲面過渡、拼接、光順、剪裁、修型；曲面分析與計算（切矢、法矢、曲率、坐標(biāo)值反求U，V參數(shù)）；取子曲面片、曲面輪廓線、曲線在曲面上的投影；散亂點插值、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征點提取及光順等。實體造型功能：草圖定義、編輯、約束、導(dǎo)航等；基本體素、自定義體素、體素庫（體素庫建立、查詢、刪除等維護）；實體生成方法（平掃、旋轉(zhuǎn)掃、廣義掃、拔模、抽殼及其它方法）；布爾運算（并、交、差）；局部操作（剖切、圓角、倒角、局部拉伸）；實體編輯（拷貝、鏡像、陣列、刪除、回退與重作、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、幾何元素查詢、幾何信息的修改）；曲面轉(zhuǎn)實體；三維實體向二維的轉(zhuǎn)換（生成輪廓圖及消隱）；實體體積、質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩等計算。裝配建模功能裝配建模：裝配環(huán)境下的零件建模，零件導(dǎo)入、抑制、取消，裝配約束管理（裝配約束定義、裝配約束求解），零件干涉檢查，裝配爆炸圖生成等。裝配管理：裝配結(jié)構(gòu)樹維護，生成零件BOM表。擴展功能：可裝配性評價、裝配動畫仿真、機構(gòu)運動仿真。共五十七頁三維零件、裝配與二維工程圖關(guān)聯(lián)(guānlián)功能零件(línɡjiàn)、裝配、工程圖關(guān)聯(lián)：三維模型變化則裝配模型及二維圖形自適應(yīng)變化；二維圖形主要參數(shù)變化則三維模型與裝配模型自適應(yīng)變化；裝配模型變化則三維模型與二維圖形自適應(yīng)變化。數(shù)據(jù)接口功能文件的輸入及輸出；具有某種國際標(biāo)準(zhǔn)接口（如IGES、STEP等）；具有某種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口（如DXF、X_T、SAT、STL、VRML等）。系統(tǒng)綜合管理功能用戶界面：文字或圖符菜單、下拉式菜單、動態(tài)彈出式菜單、對話框、命令語言、數(shù)字化儀、鼠標(biāo)器、功能鍵、快捷鍵、提示信息、出錯信息、動態(tài)導(dǎo)航功能等。二維工程圖功能（參見第4講二維CAD系統(tǒng)，略）圖形顯示：視像定義與修改、多視口顯示、動態(tài)顯示、視圖的管理、透明命令、圖形縮放（Z00M）、圖形曳移；曲面和線框圖顯示及輪廓圖顯示；實體及特征的真實圖與簡圖顯示（簡圖用于二維及三維布置）；正投影圖、軸測圖、透視圖、剖切圖、

消隱圖；渲染圖（真實感圖）；圖像文件輸出（GIF等光柵文件格式）。視圖管理：視圖投影設(shè)置、二維視圖布局，標(biāo)準(zhǔn)視圖和自定義視圖輸出、剖視，圖層控制功能。圖紙輸出：按比例輸出圖形及自動按圖紙設(shè)定輸出比例；輸出圖形預(yù)覽及終止預(yù)覽；對多張圖紙進(jìn)行編輯打?。焕L圖輸出控制線型及粗細(xì)；打印機、繪圖機驅(qū)動。共五十七頁13.1.2CAD系統(tǒng)體系(tǐxì)架構(gòu)以天喻軟件等六家單位申請(shēnqǐng)項目“某航空集團企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計平臺”為例共五十七頁該系統(tǒng)針對某大型集團企業(yè)的創(chuàng)新設(shè)計需求，不僅需要強大的通用功能，同時也需要較強的專業(yè)化設(shè)計功能，系統(tǒng)功能復(fù)雜。為此，采用四層體系結(jié)構(gòu)，其中：系統(tǒng)支撐層：提供CAD軟件運行環(huán)境（如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)庫管理、圖形接口等）?；A(chǔ)核心層：提供共性基礎(chǔ)構(gòu)件，幾何與拓?fù)浜诵臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(shùjùjiéɡòu)，內(nèi)存管理機制、基礎(chǔ)算法引擎及方法。主要包括以下幾個方面：幾何引擎——支持零件造型、裝配造型、高級曲面造型等三維數(shù)字化設(shè)計功能，應(yīng)具有接口兼容、功能齊全、計算穩(wěn)定、幾何覆蓋域?qū)?、多種造型統(tǒng)一表示、可擴展性等特點2D、3D尺寸約束管理——即變量化草圖設(shè)計，能夠支持2D設(shè)計、工程圖和2D輪廓草圖，2D輪廓草圖能夠有效地支持3D參數(shù)化實體模型；支持裝配件和機構(gòu)件的約束管理，能夠支持3D草圖、零件設(shè)計和裝配設(shè)計。此外，支持欠約束和過約束設(shè)計并提供沖突檢測管理，支持實時動態(tài)裝配和機構(gòu)運動仿真等。通用函數(shù)庫——提高共享的常用數(shù)學(xué)運算方法（矢量、矩陣、方程求解、優(yōu)化）。圖形管理——該模塊包括線框顯示、隱藏線消除、快速真實感圖形顯示和高度真實感圖形顯示等三種不同層次的子模塊，以滿足多種形式的用戶需求。專業(yè)應(yīng)用層：提供(tígōng)面向航空制造應(yīng)用設(shè)計分析工具，支持快速產(chǎn)品開發(fā)；接口工具集：提供系統(tǒng)內(nèi)部各層間訪問接口、外部數(shù)據(jù)交換接口、系統(tǒng)集成接口、用戶二次開發(fā)接口。共五十七頁通用平臺層：提供通用設(shè)計、分析工具構(gòu)件,支撐用戶進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配設(shè)計、工程繪圖、工藝設(shè)計、數(shù)控代碼生成。具體包括：特征設(shè)計工具：是基于參數(shù)化的實體造型。包括：草圖設(shè)計、特征生成兩個方面。曲面造型：是復(fù)雜形體型面造型的最有力的工具。包括直紋面、旋轉(zhuǎn)面、掃描面、等距面、過渡面，曲面裁剪、拼接、縫合、延伸、求交等。零件設(shè)計：提供以特征為基礎(chǔ)的零件設(shè)計和管理工具，與裝配和工程圖設(shè)計共同構(gòu)成一個設(shè)計平臺。裝配設(shè)計：支持復(fù)雜產(chǎn)品裝配設(shè)計、干涉檢查。提供面向設(shè)計群體的裝配設(shè)計環(huán)境，支持參數(shù)化自動裝配功能。工程圖設(shè)計：主要包括圖紙生成、編輯、管理及打印輸出等。三維零件或裝配模型能自動生成各種視圖，填充剖面線等；具有國標(biāo)尺寸標(biāo)注、標(biāo)題欄和明細(xì)表等。逆向工程工具：包括數(shù)據(jù)(shùjù)獲取、噪聲點過濾、殘缺數(shù)據(jù)(shùjù)恢復(fù)、區(qū)域分割、特征提取、三角網(wǎng)格化、參數(shù)曲面擬合重建等功能，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速原型設(shè)計。鈑金設(shè)計工具：針對鈑金零件的特點專門設(shè)計供處理鈑金零件造型用的模塊，它根據(jù)鈑金零件的幾何特征進(jìn)行鈑金零件設(shè)計，鈑金零件自動展開、自動排樣計算。動畫與仿真：提供機構(gòu)運動仿真、運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、運動干涉檢查；機械產(chǎn)品可裝配性檢查；提供產(chǎn)品真實效果顯示，機器內(nèi)部的漫游。其它設(shè)計工具集：包括標(biāo)準(zhǔn)件庫工具，材料庫工具，設(shè)計圖表工具，計算工具，協(xié)同管理工具，知識管理工具等。共五十七頁13.2CAD系統(tǒng)(xìtǒng)開發(fā)技術(shù)簡介（選學(xué)）CAD技術(shù)從誕生至今已有近四十多年的歷史，歷經(jīng)二維繪圖、線框模型、自由曲面模型、實體造型、特征造型等重要發(fā)展階段，其間還伴隨著參數(shù)化(變量化)、尺寸驅(qū)動、知識融合等技術(shù)的融入。目前CAD技術(shù)在基礎(chǔ)理論方面(fāngmiàn)日趨成熟，并推出了許多商品化系統(tǒng)，諸如CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等。通常CAD系統(tǒng)軟件的開發(fā)方式主要可分為三種：1）大部分核心模塊自主開發(fā)，少量模塊及技術(shù)購買版權(quán)，該方式周期長、風(fēng)險高，對CAD技術(shù)基礎(chǔ)及軟件開發(fā)技術(shù)要求高。2）基于通用CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)，如基于UG、AutoCAD等。目前商用CAD系統(tǒng)一般提供C，C＋＋等Api函數(shù)供用戶二次開發(fā)。該方式風(fēng)險小，見效快，適合企業(yè)進(jìn)行專業(yè)化應(yīng)用開發(fā)。3）基于商業(yè)化幾何引擎平臺（如Parasolid、ACIS等）的開發(fā)。此類開發(fā)較通用CAD平臺的二次開發(fā)更能深入核心層，其難度及風(fēng)險在二者之間，但引擎平臺的版權(quán)費用昂貴。1）CAD系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)概述共五十七頁CAD系統(tǒng)軟件開發(fā)的基本(jīběn)原則：

1)支持多種主流的計算平臺，包括Windows、UNIX等；

2)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，具有封裝性、多態(tài)性、繼承性，使對象模塊化、即插即用；

3)采用軟件組件技術(shù)與開放式結(jié)構(gòu)?；诮M件技術(shù)可為設(shè)計者提供很大程度的柔性，這也為系統(tǒng)的開放性奠定良好的基礎(chǔ)；4)支持混合維造型——線框模型、曲面模型、實體模型，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層采用統(tǒng)一的精確邊界表示(biǎoshì)，支持流形與非流形拓?fù)洌?/p>

5）支持約束驅(qū)動的參數(shù)化特征造型等用戶化的功能；

6)支持知識融合與知識重用，實現(xiàn)知識驅(qū)動的設(shè)計，提高系統(tǒng)智能化程度；

7）支持裝配、零件及工程圖統(tǒng)一建模，并實現(xiàn)全關(guān)聯(lián)設(shè)計；

8）提供良好的圖形交互、顯示及渲染；

9）提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能，即提供了一個集造型、可視化、交互、數(shù)據(jù)管理為一體的集成化開發(fā)環(huán)境。共五十七頁2）基于商業(yè)幾何引擎(yǐnqíng)ACIS的開發(fā)技術(shù)介紹目前市場上較為成熟的商用三維CAD幾何引擎主要有ACIS、

Parasolid等。其中：1）基于Parasolid開發(fā)的CAD系統(tǒng)UG、Solidworks、Solidedges等獲得了廣泛的應(yīng)用；2）基于ACIS開發(fā)的CAD系統(tǒng)Inventor憑借AutoCAD擁有的市場優(yōu)勢得到迅速推廣；3）也有研究機構(gòu)基于開源(kāiyuán)幾何引擎（

CAS.CADE）進(jìn)行研究開發(fā)。ACIS是美國SpatialTechnology公司的三維幾何造型引擎，它集線框、曲面和實體造型于一體，并允許這三種表示共存于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，為各種3D造型應(yīng)用開發(fā)提供幾何造型平臺。共五十七頁ACIS核心(héxīn)模塊庫：ACIS產(chǎn)品由兩部分構(gòu)成：核心模塊（ACIS3DToolkit）和多種可選模塊。在核心模塊中提供了基本、通用功能，而在可選模塊中提供了一些更為高級的和更專用的功能。其主要功能包括：構(gòu)造曲面技術(shù)、求交與布爾運算、過渡(guòdù)曲面、模型分析、顯示與交互、模型管理等。共五十七頁基于ACIS的開發(fā)接口(jiēkǒu)有3種：API函數(shù)、C++類和DI函數(shù)。下圖中AMFC（ACISMicrosoftFoundationClassComponent）是專門為MicrosoftWindows平臺提供的與MFC的接口。API函數(shù)：提供了應(yīng)用與ACIS間的主要接口，應(yīng)用通過調(diào)用API函數(shù)建立、修改或恢復(fù)數(shù)據(jù)，無論ACIS底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或函數(shù)如何修改，這些函數(shù)在各版本中均保持不變。C＋＋類：ACIS以C++類的形式(xíngshì)提供的接口，用于定義模型的幾何、拓?fù)湟约皩崿F(xiàn)其它功能，開發(fā)者可根據(jù)需要從ACIS類派生出自己的類，類接口在各版本中可能變化。DI函數(shù)：提供不依賴于API而對ACIS造型功能可直接訪問的接口，與API不同的是，這些函數(shù)在各版本中可能有變。ACIS接口方式共五十七頁ACIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(shùjùjiéɡòu)如下圖所示：圖中的黑虛線框中是幾何信息(xìnxī)，藍(lán)虛線框中是拓?fù)湫畔?。幾何（Geometry）、拓?fù)?Topology)和屬性(Attribute)構(gòu)成了ACIS模型，三者統(tǒng)一由最基礎(chǔ)的抽象類ENTITY所派生。ENTITY本身不代表任何對象，但在ENTITY中定義了所有子類應(yīng)具有的數(shù)據(jù)和方法（如存儲、恢復(fù)、回溯等）。ACIS采用CSG＋BREP混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中拓?fù)湫畔˙ODY（體）、LUMP（塊）、SHELL（殼）、SUBSHELL（子殼）、FACE（面）、LOOP（環(huán)）、WIRE（線框）、COEDGE（共邊）、EDGE（邊）和VERTEX（頂點）。ACIS把線框（WIREFRAME）、曲面（SURFACE）和實體（SOLID）模型存儲在統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，這種機制使ACIS支持混合維模型和各種非閉合模型的統(tǒng)一建模。幾何信息拓?fù)湫畔⒐参迨唔撏負(fù)?tuòpū)信息：BODY：是ACIS模型中最高層次的實體；LUMP：一個有邊界、連通的區(qū)域，一個BODY可有多個LUMP；SHELL：完全相連的面或線的集合；SUBSHELL：是為了內(nèi)部(nèibù)計算加速需要增加的一個結(jié)構(gòu)層次；WIRE：一組互連的邊框的集合；FACE：是形體邊界表面的一部分，一個面只有一個外環(huán)，可有0～n個內(nèi)環(huán)；所對應(yīng)的幾何信息為SURFACE。LOOP：是面的封閉邊界的有向邊(COEDGE)的集合，環(huán)有內(nèi)環(huán)和外環(huán)之分；COEDGE：形體邊（EDGE）在一個面上構(gòu)成環(huán)的有向邊界情況，所對應(yīng)的幾何信息為PCURVE。EDGE：形體棱邊的表達(dá)，多為形體表面交線；一條邊與多條COEDGE關(guān)聯(lián)；所對應(yīng)的幾何信息為CURVE。VERTEX：是面的角點，邊的端點，對應(yīng)的幾何信息為APOINT。幾何信息：TRABNSFORM：實現(xiàn)體的模型變換；SURFACE：一個面（FACE）的數(shù)學(xué)定義（如B樣條曲面）；CURVE：交線邊（EDGE）的數(shù)學(xué)定義（3維B樣條曲線）；PCURVE：面的有向邊（COEDGE）的方程定義（2維B樣條）；APOINT：頂點的位置坐標(biāo)定義（3維空間坐標(biāo)）。utu2u1t2t1PS2S1S2wvw2w1v2v1PS1共五十七頁ACIS的拓?fù)浼皫缀?jǐhé)類成員訪問關(guān)系共五十七頁近年來，Spatial公司推出AGM框架，該框架建立在ACIS、HOOPS和InterOp基礎(chǔ)之上的應(yīng)用程序框架，右圖所示為AGM的架構(gòu)圖。AGM中提供了對底層Spaital3D組件的訪問(fǎngwèn)接口，3D應(yīng)用程序可使用AGM中提供的接口訪問底層的3D組件，也可直接訪問底層3D組件。AGM可選模塊中提供了面向行業(yè)的應(yīng)用，如創(chuàng)新的2D草繪模塊、CAE前后處理模塊、機構(gòu)運動和仿真模塊以及和解釋性語言Scheme進(jìn)行集成等，用戶可在商品化軟件中直接使用這些模塊，大大簡化這些行業(yè)用戶的開發(fā)。目前，AGM已經(jīng)提供了對VC6.0和C++.NET平臺的支持，而且AGM的內(nèi)部是采用標(biāo)準(zhǔn)C++實現(xiàn)的，因此用戶可以很容易移植(yízhí)到其它平臺。另外，用戶可以參考AGM中提供的實例增加更加豐富的造型、可視化和數(shù)據(jù)交換等功能。AGM包括基本模塊和可選模塊。AGM基本模塊中實現(xiàn)了ACIS模型和HOOPS顯示對象之間的映射、模型建立和可視化范例、視圖操作、檢取高亮、歷史回退管理以及顯示對象保存等功能，用戶可非常方便地進(jìn)行建模和可視化操作。ACIS的AGM框架：共五十七頁13.3CAD系統(tǒng)(xìtǒng)二次開發(fā)技術(shù)13.3.1基于通用(tōngyòng)CAD平臺的開發(fā)（選學(xué)）1）基于CATIA的二次開發(fā)CATIAV5是達(dá)索公司推出的CAD軟件，該軟件能在Unix及Windows等平臺上運行，是目前市場影響最大的CAD軟件。CATIAV5開放了大部分接口，并提供了很好的二次開發(fā)平臺。其二次開發(fā)主要有兩種方法，采用CAAC++技術(shù)，或采用Automation技術(shù)。CAA方法（ComponentApplicationArchitecture）CAA是CATIA的一套C++函數(shù)庫。具有強大的交互、集成和用戶特征定義功能，并有自己的體系架構(gòu)。該函數(shù)庫在CATIA運行時加載，用戶可通過RADE模塊在VC++編程環(huán)境下編寫程序，與CATIA進(jìn)行通信?；贑AA方法可進(jìn)行最有效率的程序開發(fā)，可以進(jìn)行從簡單到復(fù)雜的二次開發(fā)工作，而且和原系統(tǒng)的結(jié)合非常緊密，但入門困難。共五十七頁AutomationAPI使用自動化接口的宏，采用交互方式定制，允許用戶獲取CATIA的數(shù)據(jù)模型。該方法提供交互的方式，讓用戶記錄操作過程，通過VBScript（或JavaScript）來錄制(lùzhì)宏，從而自動生成代碼。Automation技術(shù)是建立在COM基礎(chǔ)之上（如下圖），提供了約360個接口對象。Automation技術(shù)并不直接處理數(shù)據(jù)，而是間接利用對象方法和屬性來獲取及處理數(shù)據(jù)，允許一個應(yīng)用程序操作另一個應(yīng)用程序。CATIA與應(yīng)用程序之間傳遞消息用接口對象來與外部進(jìn)行通信，接口對象就是(jiùshì)API。使用Automation技術(shù)。AutomationAPI具備了與任何OLE所兼容的平臺進(jìn)行通訊的能力。Automation方法共五十七頁使用VB語言開發(fā)相對容易些（VC較困難些）。一般先用宏錄制過程，然后將vB與catia鏈接(liànjiē)，其流程如右圖：例：用VB開發(fā)(kāifā)要對CATIA進(jìn)行操縱，首先是要連接到他的COM接口，主要有GetObject和CreateObject兩種方法。先用GetObject方法連接，即：DimCATIAAsObject

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CATIA的基本操作主要是通過幾個API(ApplicationProgrammingInterface)對CATIA進(jìn)行文件操作，視圖操作等。零件操作主要是進(jìn)行CATIA實體建模，如草繪、約束、實體等操作。VB應(yīng)用與CATIA通訊共五十七頁如果CATIA啟動，用GetObject連接到CATIASetCATIA=GetObject(,"CATIA.Application")

如果CATIA沒有運行，則先用CreateObject啟動CATIAIfErr.Number<>0Then

SetCATIA=CreateObject("CATIA.Application")

CATIA.Visible=TrueEndIfOnErrorGoTo0通過這段代碼，程序即可訪問(fǎngwèn)到CATIA，如果CATIA沒有啟動，則程序先啟動CATIA，再對CATIA進(jìn)行訪問。DimDocasDocumentSetDoc=CATIA.Documents.Add(“Part”)DimDocasDocumentSetDoc=CATIA.Documents.Open(“E:\Parts\DocumentToOpen.CATPart”)共五十七頁操縱零件文檔的一般(yībān)步驟如圖所示：文檔－零件－形體(xíngtǐ)的創(chuàng)建當(dāng)創(chuàng)建一個零件文件時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建一個默認(rèn)的零件體，可以獲得并使用它：SetMyBody=MyDocument.Part.Bodies.Item("PartBody")也可以創(chuàng)建一個新的零件體并使用：SetMyNewBody=MyDocument.Part.Bodies.Add()共五十七頁創(chuàng)建(chuàngjiàn)凸輪軸主要程序段示例：創(chuàng)建(chuàngjiàn)凸輪組SubCreateCamSet(dAngleAsDouble,dRefDisAsDouble)CreateBearingdCamSetDis,dRefDisCreateCamdAngle,dCamSetDis-3*dCamThickness+dRefDisCreateCamdAngle,dCamSetDis-dCamThickness+dRefDisEndSub創(chuàng)建驅(qū)動輪SubCreateDriveWheel(dRefDisAsDouble)CreateBearingdCamSetDis,dRefDis

…EndSub共五十七頁2）基于(jīyú)UG的二次開發(fā)簡介UG是一個優(yōu)秀的機械CAD/CAE/CAM一體化高端軟件，它基于完全(wánquán)的三維實體復(fù)合造型、特征建模、裝配建模技術(shù)，能設(shè)汁出任意復(fù)雜的產(chǎn)品模型。作為通用CAD軟件，UG功能非常強大，但缺乏專業(yè)化應(yīng)用功能。為此，UG軟件提供了一些先進(jìn)的編程工具集，以滿足用戶二次開發(fā)的需要。UG/Open為UG軟件的二次開發(fā)工具集模塊，利用該模塊可對UG系統(tǒng)進(jìn)行用戶化剪裁和定制開發(fā)。UG/Open包括以下幾個部分：UG/OpenMenuscript、UG/OpenUIStyle、UG/OpenAPI、UG/OpenGRIP等開發(fā)工具。UG/OpenUIStyle開發(fā)工具，是一個開發(fā)UG對話框的可視化編輯器，用于創(chuàng)建類似UG的交互界面，生成的對話框能與UG集成。利用該工具，讓用戶更方便與UG進(jìn)行交互操作，可為UG/Open應(yīng)用程序開發(fā)獨立于硬件平臺的交互界面，避免復(fù)雜的GUI的編程，直接將對話框中的基本控件組合生成功能不同的對話框。UG/OpenMenuscript開發(fā)工具，支持UG主菜單和彈出式菜單的設(shè)計和修改，改變UG菜單布局，對UG軟件操作界面進(jìn)行用戶化開發(fā)，無須編程即可對UG標(biāo)準(zhǔn)菜單進(jìn)行編輯重組或在UG軟件中集成用戶自己開發(fā)的軟件功能。添加新的菜單項以執(zhí)行用戶GRIP、API二次開發(fā)程序、UserTools文件及操作系統(tǒng)命令等。共五十七頁UG/OpenAPI開發(fā)工具，提供UG軟件直接編程接口，支持C、C++、Fortran和Java等主要高級語言，是一個允許程序訪問并改變UG對象模型的程序集。UG/OpenAPI封裝了近2000個操作函數(shù)，可在C程序和C++程序中以庫函數(shù)的形式調(diào)用，幾乎所有能在UG界面上的操作都可以用API函數(shù)實現(xiàn)，API程序根據(jù)編譯連接的情況可以運行在兩種不同(bùtónɡ)的環(huán)境中，即Internal與External模式。由于采用API調(diào)用函數(shù)，程序的出錯率較低，但對初學(xué)者掌握UG/OpenAPI函數(shù)的運用比較困難,要特別注意參數(shù)的類型和傳遞形式。UG/OpenGRIP開發(fā)工具，是一種類似APT的UG內(nèi)部的專用圖形交互編程語言，利用該工具用戶可生成NC自動化或自動建模等用戶的特殊應(yīng)用。開發(fā)者可以用GRIP編程的方法自動實現(xiàn)在UG下進(jìn)行的絕大部分操作。GRIP命令很像英語單詞，語法與BASIC和FORTRAN相似，有某些情況下對于一些高級操作，用GRIP編程的方法比用UG交互的方法更有效，在UG交互環(huán)境下可以實現(xiàn)的功能用GRIP幾乎全都可以實現(xiàn)。UG提供(tígōng)了一個名叫UG/OpenGRIP的GRIP語言編輯器，用這個工具可以編輯、修改、編譯、連接程序。GRIP語言與一般的通用語言一樣，有其自身的語法結(jié)構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)、內(nèi)部函數(shù)，以及與其他通用語言程序相互調(diào)用的接口。共五十七頁3）基于(jīyú)AutoCAD的二次開發(fā)簡介AutoCAD是通用二維計算機輔助設(shè)計及繪圖軟件，具有強大的圖形編輯和處理功能、開放性體系結(jié)構(gòu)及良好的性能價格比，已廣泛應(yīng)用于機械、電子、建筑、服裝等領(lǐng)域，深受國內(nèi)外工程設(shè)計人員的喜愛(xǐài)。到目前為止，Autodesk公司已相繼推出四代二次開發(fā)工具，主要包括：AutoLISP，VisualLISP，ADS，VBA，ObjectARX和DotNET，其中ObjectARX和DotNET是全新的的開發(fā)手段，是AutoCAD二次開發(fā)的方向，表1是6種工具之比較?；贏utoLISP/VisualLISP的開發(fā)技術(shù)AutoLISP語言是一種嵌在AutoCAD內(nèi)部的LISP編程語言，既具有一般高級語言的基本結(jié)構(gòu)和功能，又具AutoCAD所特有的圖形處理功能。利用AutoLISP可以直接增加、修改和調(diào)用AutoCAD命令，并能結(jié)合各類標(biāo)準(zhǔn)建立大量的參數(shù)圖形庫，還能夠?qū)Ξ?dāng)前圖形數(shù)據(jù)庫直接訪問和修改等。共五十七頁VisualLISP是一個可視化的LISP語言開發(fā)環(huán)境，AutoCAD從R14版開始支持VisualLISP開發(fā)工具，它是AutoLISP語言的擴展。VisualLISP具有以下特性：1）在可視化的開發(fā)環(huán)境下編寫、調(diào)試；2）經(jīng)編譯后，提高了運行性能(xìngnéng)和保密性；3）LISP代碼通過AutoCAD的ObjectARX接口，提高運行速度；4）本質(zhì)上是一個被建立并裝載的ObjectARX應(yīng)用程序，因而可在AutoCAD外部裝載和更新?；?jīyú)

ADS的開發(fā)技術(shù)ADS(AutoCADDevelopmentSystem)是AutoCAD的C語言開發(fā)系統(tǒng)，是繼AutoLISP后的第二代開發(fā)工具，從AutoCADR14開始引入，它包括了C語言的全部功能，可以用C語言編寫AutoCAD應(yīng)用程序的頭文件和目標(biāo)庫，可直接利用各種C語言編譯器，將應(yīng)用程序編譯成可執(zhí)行的文件在AutoCAD環(huán)境下運行?；赩BA的開發(fā)技術(shù)自AutoCADR14.01版開始，內(nèi)置了VBA開發(fā)工具，它是一種嵌入AutoCAD內(nèi)部基于對象的集成編程環(huán)境，并被集成到AutoCAD2000以后所有版本中，為開發(fā)者提供了一種新的選擇。VBA和AutoCAD中的ActiveX自動化對象模型的結(jié)合，具有強大的開發(fā)能力，代表了一種新型定制AutoCAD的模式架構(gòu)。共五十七頁VBA可提供強大的窗體創(chuàng)建功能，為應(yīng)用程序建立(jiànlì)對話框及其他屏幕界面；可建立(jiànlì)功能強大的模塊級宏指令；提供類模塊創(chuàng)建功能，利于組件重用；具備完善的數(shù)據(jù)訪問與管理能力?；?jīyú)

ObjeceARX的開發(fā)技術(shù)ObjectARX(AutoCADRun-TimeExtension)是基于AutoCADR14的一種新的編程環(huán)境，它提供了以C++為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口，能真正快速地訪問AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫。ObjectARX程序本質(zhì)上是Windows動態(tài)鏈接庫(DLL)程序，直接訪問AutoCAD數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、圖形系統(tǒng)以及CAD幾何造型核心，以便能在運行期間實時擴展AutoCAD的功能。ObjectARX的核心是兩組關(guān)鍵的API，即AcDb（AutoCAD數(shù)據(jù)庫）和AcE（AutoCAD編譯器）。另外還有其它的一些重要庫組件，如AcRX（AutoCAD實時擴展）、AcGi（AutoCAD圖形接口）、AeGe（AutoCAD幾何庫）、ADSRx（AutoCAD開發(fā)系統(tǒng)實時擴展）。與前幾種技術(shù)相比，該技術(shù)擁有對AutoCAD最深入的控制能力。能夠?qū)崿F(xiàn)很多原來開發(fā)環(huán)境難以實現(xiàn)的功能，提高開發(fā)效率，它是AutoCAD新一代開發(fā)技術(shù)。但對軟件專業(yè)知識要求較高，開發(fā)周期長。共五十七頁新一代基于(jīyú)DotNET的開發(fā)技術(shù)DotNET是基于Mircosoft.NET架構(gòu)直接進(jìn)行AutoCAD二次開發(fā)的一種新技術(shù)。目前能支持DotNET開發(fā)方法的軟件版本為AutoCAD2005之后的版本，事實上能完全支持DotNET開發(fā)方法的軟件為AutoCAD2006之后的版本。在新推出的支持DotNET開發(fā)(kāifā)的AutoCAD版本中，Autodesk公司專門為其開發(fā)增加了.NETAPI，并提供了一系列托管的外包類（Man-agedWrapperClass），使開發(fā)人員可在.NET框架下，使用任何支持.NET的語言，如VB.NET、C、C++等對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)。其優(yōu)點是完全面向?qū)ο?，在擁有與C++相匹配的強大功能的同時，具有方便易用的特點，是較理想的AutoCAD二次開發(fā)工具。小結(jié)目前，第一代的AutoLISP基本上能夠被第三代的VisualLISP完全替代，第三代和第四代開發(fā)工具將成為今后AutoCAD二次開發(fā)的必然選擇。其中主要的四種開發(fā)技術(shù)VisualLISP，VBA，ObjectARX，DotNET分別利用當(dāng)前比較流行的編輯語言LISP，VisualBasic，VisualC++及VisualC#。而ObjectARX著眼于應(yīng)用程序開發(fā)的自動化、智能化，為適應(yīng)未來發(fā)展的需要。DotNET在具有ObjectARX強大功能的同時，也具有VBA使用方便易用的優(yōu)點，同時具有C++的強大功能，是最新的較為理想的開發(fā)工具，與ObjectARX一起代表了AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)的未來發(fā)展方向。共五十七頁13.3.2工程(gōngchéng)數(shù)據(jù)處理組件在機械設(shè)計過程中，往往需要從有關(guān)(yǒuguān)的工程手冊或設(shè)計規(guī)范中查找各種系數(shù)或數(shù)據(jù)傳統(tǒng)方法：設(shè)計人員手工查取，費時、繁瑣現(xiàn)代設(shè)計方法：計算機處理中心問題在：如何將這種人工查找轉(zhuǎn)變成在CAD進(jìn)程中的高效、快速處理，這是CAD二次開發(fā)必須解決的問題。1）概述共五十七頁在CAD二次開發(fā)中，典型的兩種處理(chǔlǐ)方法：程序化

在應(yīng)用程序內(nèi)部(nèibù)對這些數(shù)表及線圖進(jìn)行查表、處理或計算。處理方法有兩種：第一種將數(shù)表中的數(shù)據(jù)或線圖經(jīng)離散化后存入一維、二維或三維數(shù)組，用查表、插值等方法檢索所需數(shù)據(jù)；第二種將數(shù)表或線圖擬合成公式，編入程序計算出所需數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)庫存儲

將數(shù)表及線圖(經(jīng)離散化)中的數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)庫的規(guī)定進(jìn)行文件結(jié)構(gòu)化，存放在數(shù)據(jù)庫中。（如確定字段名、字段類型、字段寬度等）數(shù)據(jù)獨立于應(yīng)用程序，又能為所有應(yīng)用程序提供服務(wù)，這是大規(guī)模工程數(shù)據(jù)的主要處理方法。（需借助專業(yè)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）共五十七頁例：程序化方法(fāngfǎ)共五十七頁2）工程數(shù)據(jù)(shùjù)的擬合插值方法A、一元列表(lièbiǎo)函數(shù)插值插值方法很多，在此主要介紹線性插值和二次插值（拋物插值）等方法。a）線性插值方法算法步驟：1）從一維列表中選取兩個鄰近的自變量x1和x2，并滿足x1<x<x2

2）用過A、B兩點的直線g(x)代替原有函數(shù)f(x)，則由解析幾何可寫出對稱式直線方程的表達(dá)式為：令：整理得：共五十七頁b）拋物線插值方法(fāngfǎ)幾何解釋：通過(tōngguò)三點插值得拋物線g(x)來近似(或逼近)原有函數(shù)f(x)。三點選取原則：三個插值點與待求得插值點臨近（就近原則）共五十七頁例：下表為一組應(yīng)力集中(jízhōng)系數(shù)數(shù)據(jù)，用二次拋物插值計算軸間比為1.4時的應(yīng)力集中系數(shù)。軸間比6．03．01．51．21．11．051．02系數(shù)1．491．461．441．421．391．381．34解：

選點：由于(yóuyú)1.4在[1.5,1.2]之間，且更接近1.5，選擇{3.0,1.5,1.2}三點計算

插值：根據(jù)拋物插值公式有：＝－0.011+1.024+0.512=1.52513共五十七頁B、二元列表(lièbiǎo)函數(shù)插值a）直線(zhíxiàn)－直線(zhíxiàn)插值（即雙線性插值）（1）找出對應(yīng)于a,b,c,d的A,B,C,D，過A、B用線性插值求得點E，再過C、D用線性插值求得F點。（2）過E、F再用線性插值求得K點，此即為所求。注意：雙線性插值計算的順序并不影響計算結(jié)果算法步驟：D/dr/ddcbaefABCDEFK共五十七頁例：階梯軸軸肩圓角過渡處的有效(yǒuxiào)應(yīng)力集中系數(shù)Ka與

B及r/d等有關(guān)。根據(jù)下表，按雙線性插值計算求B＝630MPa，r/d＝0.04時Ka的值。1．611．551．500．11．731．691．640．051．761．711．670．03800700600

BKar/d解：

1）k1=(630-700)/(600-700)*1.67+(630-600)/(700-600)*1.71=1.6822)k2=(630-700)/(600-700)*1.64+(630-600)/(700-600)*1.69=1.6553)ka=(0.04-0.05)/(0.03-0.05)*k1+(0.04-0.03)/(0.05-0.03)*k2=1.6685共五十七頁例：三角形的雙線性插值處理（多邊形填充顏色插值）

（提示：三角形先變換(biànhuàn)到投影面，r、g、b要分別計算）方法1方法2方法(fāngfǎ)

2比方法1少計算1次共五十七頁b）拋物－線性插值算法步驟：根據(jù)(gēnjù)k點的(xk,yk)找出周圍四個點a,b,c,d，并根據(jù)拋物線插值中的取點方法增加2個點，如圖增加e、f二個點，這樣共得六個點找出對應(yīng)上述六個點的A,B,C,D,E,F，過A、B、E用拋物線插值求得點U，再過C、D、F用拋物線插值求得V點。過U、V再用線性插值求得K點，此即為所求。共五十七頁c）拋物－拋物插值（即雙拋物插值）算法(suànfǎ)步驟：共五十七頁3）工程數(shù)據(jù)(shùjù)的公式化處理A）線圖公式化共五十七頁B）最小二乘法(chéngfǎ)逼近共五十七頁用最小二乘法求多項式各個系數(shù)時，應(yīng)注意：（1）開始可用較低冪次數(shù)擬合，如求出的值誤差太大時，再提高冪次數(shù)(一般小于7)擬合；（2）如結(jié)果(jiēguǒ)還是不夠理想．可分段進(jìn)行擬合。共五十七頁13.3.3

專業(yè)化應(yīng)用組件開發(fā)(kāifā)（選學(xué)）對工程設(shè)計人員來說，通用CAD設(shè)計軟件（如CATIA、UG、Pro/E、Solidworks等）系統(tǒng)雖然功能齊全，并能提供裝配、零件及工程圖的集成建模環(huán)境，但是這些通用功能本質(zhì)上是圖形建模（3D）或繪圖（2D）工具，只可能考慮一般或普遍的設(shè)計要求，解決產(chǎn)品的幾何表示問題，它不可能考慮各類專業(yè)產(chǎn)品的特殊設(shè)計要求，更不能把設(shè)計計算及設(shè)計員的經(jīng)驗包括進(jìn)去。因此，必須根據(jù)各專業(yè)的設(shè)計需要，利用通用CAD系統(tǒng)平臺提供的二次開發(fā)工具或數(shù)據(jù)接口，將各類專業(yè)設(shè)計技術(shù)開發(fā)成專業(yè)化的設(shè)計工具和知識處理工具，從而(cóngér)使工程設(shè)計能按照專業(yè)化的設(shè)計方式進(jìn)行?；谕ㄓ闷脚_開發(fā)專業(yè)化CAD系統(tǒng)，開發(fā)人員不必過多考慮CAD底層的三維建模及圖形顯示功能如何實現(xiàn)，從而縮短軟件開發(fā)周期。但是，專業(yè)化開發(fā)一定要處理好知識產(chǎn)權(quán)問題，避免不必要的產(chǎn)權(quán)糾紛。在進(jìn)行專業(yè)化CAD系統(tǒng)開發(fā)時，重點應(yīng)考慮以下一些問題：1）用戶需求分析，包括使用功能、應(yīng)用范圍、用戶對象等；2）系統(tǒng)架構(gòu)、軟件技術(shù)、開發(fā)工具、進(jìn)度控制、軟件文檔、維護服務(wù)等；3）工程數(shù)據(jù)的搜集，專業(yè)設(shè)計知識的歸納抽象，設(shè)計理論及方法總結(jié)等；4）專業(yè)化的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文檔、設(shè)計流程整理等。共五十七頁共五十七頁1）專業(yè)(zhuānyè)設(shè)計知識處理在進(jìn)行專業(yè)化CAD系統(tǒng)開發(fā)時，也會涉及到大量的工程設(shè)計知識需要處理，主要包括設(shè)計知識的表達(dá)、知識推理及重用、知識管理(guǎnlǐ)及更新維護等幾個方面。對于具有知識處理能力的CAD軟件系統(tǒng)（如UG、CATIA等），在進(jìn)行設(shè)計知識歸納抽象時，應(yīng)按照該軟件系統(tǒng)所能支持的知識表達(dá)規(guī)范進(jìn)行知識描述，以便于軟件系統(tǒng)進(jìn)行知識推理并驅(qū)動設(shè)計參數(shù)。如UG通過知識融合模塊實現(xiàn)設(shè)計知識與幾何模型的融合，構(gòu)建設(shè)計實例，從而實現(xiàn)智能化及自動化的產(chǎn)品設(shè)計過程。對于缺乏知識處理能力的CAD軟件系統(tǒng)必須開發(fā)自己的知識處理模塊。該模塊需具有知識表達(dá)（如謂詞邏輯、規(guī)則、表達(dá)式、方程及腳本等）、知識推理求解、知識庫管理等功能，并與約束推理相結(jié)合，從而為用戶提供基于知識的設(shè)計方法。通常，用戶只需利用這些知識處理工具，對不同的專業(yè)知識進(jìn)行分類、歸納和抽象，并將這些知識應(yīng)用到具體的設(shè)計對象（零件或部件）中，構(gòu)建不同的基于知識驅(qū)動的設(shè)計實例庫，以便今后設(shè)計實例模型的派生重用及變更修改。共五十七頁2）專業(yè)化計算(jìsuàn)分析工具在實際工程中，設(shè)計人員進(jìn)行專業(yè)設(shè)計時，往往也會涉及到大量的工程分析計算，為了提高設(shè)計效率，必須開發(fā)面向不同專業(yè)的計算分析工具，并形成計算分析組件工具集供用戶調(diào)用。例如，以齒輪減速箱設(shè)計為例，我們可開發(fā)：齒輪強度（彎曲強度、疲勞強度等）校核計算；齒輪軸強度、剛度校核計算；軸承載荷校核計算；減速箱溫度及熱變形計算；減速箱關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化計算等。因此，對于不同的專業(yè)設(shè)計，開發(fā)不同的設(shè)計計算工具將可大大提高設(shè)計效率。但是，需要注意的是，某些復(fù)雜的工程分析計算無法通過簡單的公式組合計算達(dá)到目標(biāo)，有時往往需要借助商業(yè)化的分析軟件進(jìn)行輔助分析計算，如結(jié)構(gòu)分析計算用Nastran、Ansys等，機械系統(tǒng)動力學(xué)分析用Adams、DAS等。這時必須針對這些商用軟件進(jìn)行接口開發(fā)，通過參數(shù)傳遞到這些商用化的軟件中進(jìn)行分析計算，然后再將計算結(jié)果返回(fǎnhuí)到所開發(fā)的專業(yè)化CAD系統(tǒng)中。共五十七頁3）專業(yè)化設(shè)計工具集（組件(zǔjiàn)）開發(fā)在實際工程中，不同的行業(yè)其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不同，復(fù)雜度也不相同，設(shè)計人員進(jìn)行專業(yè)設(shè)計時希望系統(tǒng)提供方便的特征建模工具來提高設(shè)計效率。但是，商業(yè)化通用CAD系統(tǒng)提供的特征建模工具非常有限(yǒuxiàn)，且對各種行業(yè)通用，如拉伸、回轉(zhuǎn)、拔模、抽殼、切角、過渡等特征，這些特征使用，但建模效率較低。因此應(yīng)開發(fā)面向行業(yè)的專業(yè)化設(shè)計工具集可大大提高設(shè)計效率。以建筑設(shè)計為例，我們可開發(fā)不同類型的窗戶特征、樓梯特征、吊頂特征，以及其它常用典型建筑結(jié)構(gòu)特征與外部景觀特征等多種特征設(shè)計工具，顯然這種專業(yè)化的特征工具可大大提高建筑設(shè)計人員的設(shè)計效率。通常利用CAD系統(tǒng)提供的二次開發(fā)接口，將這些特征工具添加到通用CAD系統(tǒng)的菜單、工具條及對話框中，從而形成面向?qū)I(yè)化的設(shè)計系統(tǒng)。共五十七頁4）設(shè)計過程的模板(múbǎn)化處理模板是從一組相似的事物中抽象出一種框架型的模式，由開發(fā)者自己收集、建立(jiànlì)并維護的、可重用的對象統(tǒng)稱為“模板”，模板相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，任何一個類似的事物對象都可作為以模板為超類派生類型的實例。由若干模板類組成一個“模板庫”，對一個設(shè)計模板庫一般包括以下模板類:l)設(shè)計方案類：設(shè)計方案的文字說明及框圖表示，開發(fā)規(guī)范，開發(fā)工具等。2)設(shè)計知識類：某一特定領(lǐng)域的專家知識，操作經(jīng)驗等。3)設(shè)計文檔類：總體設(shè)計，需求分析，概要設(shè)計，詳細(xì)設(shè)計，用戶手冊等。共五十七頁4)設(shè)計(shèjì)模型類：描述系統(tǒng)的功能模型