面向對象方法在專用CAD系統(tǒng)建模中的應用

隨著市場競爭的日益激烈，如何提高產(chǎn)品設計效率，適應快速多變的市場需求已成為企業(yè)十分關注的問題。正因如此，計算機輔助設計已成為設計中必不可少的工具。隨著基于幾何模型的CAD系統(tǒng)的日趨完善，人們對于計算機輔助設計系統(tǒng)的要求也越來越高，于是提出了產(chǎn)品模型的概念，希望它能對整個設計過程給予全面的支持。事實上，由于實際情況的復雜性和多變性，產(chǎn)品模型基本上還停留在理論探討的基礎上。實際的需求與理論上的滯后導致了人們另求出路。于是，設計一個在一定程度上能實現(xiàn)產(chǎn)品裝配模型的專用CAD系統(tǒng)，開始成為許多有特定設計過程的企業(yè)的自然選擇。本文通過對一個面向產(chǎn)品模型的專用CAD系統(tǒng)的設計實例來展示如何用利用面向對象的方法作工具以實現(xiàn)此目標。

1　設計實例——空調機柜CAD系統(tǒng)

　　空調機柜是大型中央空調機必不可少的組成部分。它主要由風機室、盤管室、混氣室等組成，并為空調機提供一整套熱交換設施。通過風機室抽取外部空氣，在混氣室混合，然后在盤管室中與空調機進行熱交換。大型空調不同于家用空調，它不是批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，往往是單件產(chǎn)品，一般由空調機柜生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶的不同需求，去設計定制和組裝。由于不同的安裝形式和安裝地點、不同的設計參數(shù)（如功率等的要求），形成了產(chǎn)品圖形基本相似，但局部小結構有所不同，尺寸也是各異，規(guī)格品種復雜多樣的特定設計過程。對于每一個用戶，企業(yè)必須設計多套全新的圖紙，費時費力，使得設計能力往往跟不上實際生產(chǎn)能力，無法滿足用戶需求。為此廠家希望能有一個專用的基于產(chǎn)品模型的CAD系統(tǒng)，達到以下的功能：
　　^。 根據(jù)用戶的需求自動生成原始裝配圖；
　　^。 能夠在裝配圖上以零件為基本元素進行交互式的修改，并自動維護裝配關系的一致性，三維視圖的一致性；
　　^。 能夠根據(jù)修改后的裝配圖，自動生成加工信息，如工藝卡、NC代碼等。

2　面向對象方法的選擇 　　面向對象方法建立在任何事物都可以用對象來表示的基礎上。在系統(tǒng)分析和設計時，對象將數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)操作行為結合起來，作為一個集成的整體來對待。對系統(tǒng)的修改只需改變和增刪一些操作，其基本的對象結構并不發(fā)生變化。面向對象分析方法中的對象是客觀世界對象的直接映射，采用面向對象方法進行分析、設計的系統(tǒng)，比采用面向過程的分析方法設計的系統(tǒng)更易理解，增強了系統(tǒng)的可維護性。 　　面向對象方法的優(yōu)點使它適應了現(xiàn)代軟件工程的需要，也使它非常適合于產(chǎn)品裝配模型的設計。對象是計算機語言對客觀事物的抽象；對象之間的基本關系，如關聯(lián)、依賴、包容、繼承等，則是對客觀事物之間紛繁復雜關系的抽象。在產(chǎn)品模型的過程設計中，將機械零部件直接映射為對象，將它們之間的裝配關系映射為對象之間的關聯(lián)是一種非常直觀的表示方法。在系統(tǒng)設計中，可以更加側重于用如何用計算機語言來對現(xiàn)實世界進行精確的描述，而不是對數(shù)據(jù)的處理，使得整個設計過程更為自然。 　　根據(jù)我們的實際情況，決定在基于參數(shù)化的二維CAD系統(tǒng)上進行二次開發(fā)，采用面向對象的方法來進行建模。 　　現(xiàn)在國內較為流行的面向對象的設計方法有OMT，BOOCH等，本設計采用基于UML的ROSE建模工具。各種建模思想各有側重，然而它們的基本思想是一致的，在這里重要的并不是采用何種面向對象的建模方法，而是如何在計算機中對客觀世界進行抽象的描述。 3　專用CAD系統(tǒng)的設計 3.1　系統(tǒng)的原理結構 圖1為經(jīng)簡化了的專用CAD系統(tǒng)的基本模塊劃分及其功能示意圖。其中： 　　規(guī)則庫：由廠家多年的生產(chǎn)經(jīng)驗積累而成。它包含了在不同型號、不同要求情況下，各零部件的尺寸、位置的生成規(guī)則。是自動出圖的關鍵。

圖1　空調機框專用CAD系統(tǒng)示意圖

　　推理器：從規(guī)則庫中提取規(guī)則，進行分析，并生成零部件的三維模型。
　　三維模型：它是整個專用CAD系統(tǒng)的核心，不僅包含零件的幾何信息，還必須包含零部件的裝配信息、生產(chǎn)信息等一切有用的信息，是零部件在計算機中的映射。
　　二維視圖：它是零部件在一個平面上的投影，是在圖紙上進行交互修改的基本單元，三維模型與它形成一對多的關系。
　　消隱模塊：根據(jù)三維模型，對于靈便的二維視圖進行通用消隱和特殊消隱。
　　加工信息產(chǎn)生模塊：根據(jù)三維模塊產(chǎn)生加工信息，如CN代碼。
3.2　建模部分的具體實現(xiàn)
　　以下對于設計和實現(xiàn)中的一些關鍵點分別進行論述。
　　(a) 規(guī)則庫的建立
　　規(guī)則庫是圖紙自動生成的關鍵，也是廠家多年生產(chǎn)資料的建庫，這些資料以實例的形式存儲（關于實例的查詢，限于篇幅在此不作討論)。下面以經(jīng)簡化的空調機柜的主要零件——角鐵為例，說明本系統(tǒng)組建實例的基本思想：
　　實例名：實例的名稱。
　　室類型名：空調機柜室名，如前面提到的風機室、盤管室等等。
　　生成規(guī)則：相當于規(guī)則的IF語名，當條件滿足時，才根據(jù)規(guī)則中的信息建立角鐵實體。
　　角鐵ID:紀錄要生成的角鐵的ID號，供其它角鐵(面板或其他零件)對它進行引用。
　　頭部相連角鐵ID，尾部相連角鐵ID：記錄角鐵的裝配關系。
　　尺寸計算式：記錄角鐵的各個尺寸的表達式。
　　經(jīng)檢索后的實例，根據(jù)其中每一個零件的信息生成裝配圖。
　　(b)三維模型
　　三維模型是整個CAD系統(tǒng)的核心，是連接各個模塊的樞紐。是計算機語言對零件的抽象描述。三維模型所需要紀錄的信息分為以下幾類：
　　幾何信息：記錄零件的空間位置；
　　裝配信息：記錄零件與其他零件的裝配關系；
　　生產(chǎn)信息：記錄零件的加工信息，如尺寸等；
　　繪圖信息：說明零件如何在圖紙上表達自身。
　　三維模型不僅是信息的記錄者，更是信息的維護者。各種信息之間存在著復雜的約束關系，它們之間一致性的維護理所當然地由三維模型負責。例如，當用戶在圖紙上改變了零部件中一個視圖的位置，其他兩個視圖也必須作出相應的修改，這必須通過維護繪圖信息與幾何信息的一致性來完成。再如當一個零件的位置或尺寸改變時，與它有裝配關系的零部件也必須作出相應的修改，使裝配關系繼續(xù)得以保持。這就必須維護裝配信息與生產(chǎn)信息的一致性。下面以經(jīng)簡化的角鐵對象為例，說明角鐵三維模型的設計：
　　class JT
　　{
　　　幾何信息：
　　　Point1,Point2：角鐵的兩個定位點在空間的位置
　　　Rotation：角鐵在空間的旋轉角度
　　　裝配信息：
　　　HeadID，TailID： 與角鐵頭尾相連的角鐵的ID號
　　　JointIDArray：與角鐵中部相連的角鐵的ID號序列
　　　生產(chǎn)模型：
　　　Width，Length，Thick：角鐵的三個最基本的尺寸參數(shù)，寬度、長度與厚度
　　繪圖信息：
　　　ViewID［3］：角鐵的三個視圖（頂視、俯視、左視）的ID號
　　　維護幾何信息與繪圖信息的操作：
　　　TranslateViewToModal()：將模型中的一個點轉換為某一視圖中的一個平面點
　　　TranslateModalToView()：將視圖中的一個點轉化為三維空間點
　　　…
　　｝(c) 裝配關系的表達
　　零部件之間的裝配組成關系可以通過對象間的關聯(lián)、繼承、包容加以抽象表示。角鐵之間的連接關系是一種關聯(lián)，室與角鐵之間的關系是包容等等。
　　(d) 系統(tǒng)模型的建立

圖2　面向對象系統(tǒng)建模圖

　　通過上面的分析，系統(tǒng)建模如圖2所示（已予簡化)。

4　結語

　　真正完全實現(xiàn)產(chǎn)品裝配的CAD系統(tǒng)，在理論上與實際上都存在著很大的困難；為某一設計定制的專用CAD系統(tǒng)成為了許多廠家自然的選擇。本文用成功的設計實例闡明了如何通過面向對象的方法來對專用CAD系統(tǒng)建模，供準備從事面向產(chǎn)品的專用CAD系統(tǒng)設計的專業(yè)人員參考。