1. 引言
隨著傳統CAD係統在（zài）破碎機設備的應用普及以及現代設計問題的複雜化、智能（néng）化（huà），人們不再僅僅滿（mǎn）足於用計算（suàn）機取代人進（jìn）行手工（gōng）繪圖。所幸隨著計算機圖形學、人工智能、計算機網絡等基礎（chǔ）技術的（de）發展和計算機集成製造、並行工程、協同設計（jì）等現代設計理論和方法的研究，使得CAD係統也由單純二維繪圖向三維智能設計、物性分析、動態仿真方向發展，參數化設計向變量化和VGX(超變（biàn）量化)方向發展，幾何造型、曲麵造型、實體造型向特征造型以及語義特征造型等方向發展；另一（yī）方麵，伴隨著CAD軟件複雜程度的增加和各個不同應（yīng）用係統間互操作的現實需要，人們希（xī）望CAD係統具有極佳的開放性同時又（yòu）能“搭積木”似的自由拚裝形成不同的功能配置，軟件工程技術特別是組件開發技術的研究應用和逐漸成熟為解決這一（yī）問題提（tí）供（gòng）了堅實的基礎。
組（zǔ）件技術使得各CAD係統（tǒng）開發商們不必再完全遵從“一切（qiē）從零開始”的開發模式，他們可根（gēn）據自己的技（jì）術優勢（shì）在滿足組件接口規範要求（qiú）下開發不同的構件，然後在得到（dào）許可的情（qíng）況下便可以自由使用這些構件來搭建用戶所需要的CAD係（xì）統。這種方式（shì）因其開發周期短、見（jiàn）效快、係統柔性高、開放性好、以及容易“即插即用”和進行並行開發等（děng）優勢而（ér）倍受親賴。
本文（wén）主要討（tǎo）論（lùn）采用組件技術開發國產商（shāng）品化CAD/CAM係統——“金銀花” 係（xì）統的一些關（guān）鍵技（jì）術。
2. 係統框（kuàng）架
“金銀花”是在ACIS幾何建模平台上，采用（yòng）變量化特征造型技術，基於STEP標準——遵循AP214和AP203協議而研製開發（fā）出來的商品化三維CAD係統。該係統基本框架結構（gòu）如圖一所示，大體分為三個層次——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（liǎng）部分（fèn），它是CAD係統的（de）設計結果（guǒ），也是CIMS信息集成的主模型，由於本係統是符合STEP標準的，故可以通過標準數據存取接口(SDAI)進行操作，數（shù）據是用戶利用係統功能實現的。
功能層（céng）是（shì）主體部分，主（zhǔ）要有三維零件設計、裝（zhuāng）配設計、二維工程圖設計三大模塊，由於有主模型的支持，三塊之間相互關聯：即（jí）任一部分的改變（biàn）都將引起其它（tā）部分相關（guān）的自動更新。在（zài）零件設計中采用特征造型和（hé）實體造（zào）型相結合、特征模型與實體模型共存，大大方便了後續工藝分析和加工對特征信息的需求又滿足了顯示、變換、物性計算、幹（gàn）涉檢查等（děng）操作對實體信息的（de）要求（qiú）。變量化VGX技術主要在草圖設計（jì）、特征造型、裝（zhuāng）配設計等（děng）部分應用，極大的方便了用戶對設計（jì）的編輯和修改。
接（jiē）口層是提（tí）供係統的對外接口（kǒu），分為功能接口與數據接口。功能接（jiē）口（kǒu）便於用戶進行二次開發（fā），組件重用等；而（ér）數據接口為其它環節如（rú）CAPPCAMCAEPDM等提供一致性的數據訪問方式。
3. 組件結構
係統的組件結構設計是基於組件技術開發CAD係統的關鍵，主要內容是根據應用（yòng）係統的功能需（xū）求列出所有構成組件、各個組件間的依賴關係和接（jiē）口，並（bìng）確定哪些組件（jiàn）自己開發而哪些可直接（jiē）從（cóng）組件供應商處購買以縮短開發周期。而本係統就是通（tōng）過從美（měi）國STI公司（sī）(Spatial Technology Inc.)購買三維（wéi）CAD係統所需幾何造型（xíng）、文件管理、內存管理等基本功能組（zǔ）件，而集（jí）中精力開發支持（chí）特征造型、VGX約束求解、裝配（pèi）設計、關聯繪圖、用戶接口等組件。
由於ACIS是（shì）完全基於組件技術開發的，其所有基礎功能均通過不同的組件（表現為動（dòng）態聯接庫DLL）實現。在ACIS6.0中大約有五十（shí）多個DLL，所有這些DLL實（shí）際可劃歸（guī）為兩部分：ACIS 3D Toolkit（核心模塊）和Optional Husks（可選模（mó）塊）。其中核心組件提（tí）供構造係統所需的基本（běn）功能（如：基本幾何（hé）和拓撲、內存管理、模型管理、顯示管（guǎn）理、圖形交互等（děng）），這部分（fèn）是ACIS幾何建（jiàn）模的核心，類（lèi）似於飛機（jī）的發（fā）動機，其中包括許多開發商的必選構件；而另一部分可選組件（jiàn）則提供一些（xiē）更專業化（huà）和更高級的功能（如：高級過渡、高級渲染、可變形（xíng）曲麵（miàn）、精確消影、拔模、抽殼（ké）、與CATIA和Pro/E等係統的數（shù）據接口等（děng）），這部分作為可選（xuǎn）組件（jiàn）由用（yòng）戶根據實際開發（fā）的係統需（xū）要（yào）自由挑選、搭（dā）配（pèi）和（hé）組合，當然用戶也可用（yòng）自己開發的組件取代ACIS的部分組件。ACIS的各（gè）組件之間（jiān）存在（zài）一定的依賴（lài）關係，其中核心組件詳情可參見ACIS6.0核心組件依賴關係圖。
金銀花係統組件結構是（shì）在對係統功能需求和總體框架（jià）結構分（fèn）析基礎上得出的，同時也參（cān）照了ACIS的組件劃分思想。圖（tú）二（èr）給（gěi）出了係統（tǒng）組（zǔ）件依賴（lài）關係簡圖（tú）（為節省篇（piān）幅，主要表示了三維零（líng）件（jiàn）設計部分的組件，而沒有詳細（xì）表示（shì）關聯繪圖和裝配（pèi）部分的組件），為（wéi）方便組件的集中管理和調用係統采用（yòng）了（le）層次結構，主要分為核心組件、功能組件（jiàn）、接口組件三層，上層組件可（kě）任意調用下層組件提供的所有服（fú）務（wù）。以下對圖二作一些介紹：
◆ 核心（xīn）組件層：該層包含（hán）了係統較重要和較基本的組（zǔ）件，是三維特（tè）征造型、二維關聯繪圖、部件裝配、動態仿真等模塊（kuài）的（de）共享部分。ACIS核（hé）心組件也（yě）位於其中，為係統提供ACIS幾何造型（xíng）基本功能；LM_GI是提供底層顯示支持，如：對OpenGL的調用、對（duì）屏幕刷新的操（cāo）作、基本幾何元（yuán）素的繪製；LM_PUBFUN中提供通用數學運算以及公用鏈表、隊列、堆棧的（de）類定義；LM_RUB包容了各種（zhǒng）幾何元素的橡皮條——rubberband，該部分是支持VGX動態拖放造型（drag-and-drop)、動態約束添（tiān）加以及裝配模塊中的動態（tài）幹涉檢查等的基本組件；LM_KERN包（bāo）括本係統特征造型功能和ACIS幾何造型引擎連（lián）接相關的類LmSuperElement(詳見4)，以及為上層提供的管理類、約束類、特征（zhēng）類等提供（gòng）超類。
◆ 功能組件（jiàn）層：該層建於核心層之上（shàng），係統麵向應用的主要功能部件均在這一層實現。用戶的（de）不同需求會希望配置不同功能的軟件係統，從該層選折所需組件集進行不同配置即可。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、和負責總體協調管理的組件LM_MANAGE等。而其中（zhōng）特征造型和VGX組件中又分（fèn）別進（jìn）一步（bù）細化為：草圖（tú）特（tè）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：是係統的較高層，也是與用戶直接（jiē）進行交互操作管理的組（zǔ）件層（céng），所以主要有處理鼠標事件MouseTool的LM_MT和管理係統界麵中涉及到的對話框、菜單、工具條等資源的組件。
可見，這種組件設計結構不（bú）僅極大的方便（biàn）了不同用戶需求係統的配置，而（ér）且將（jiāng）係統的用（yòng）戶接口（kǒu）與功能的具體實現分開，便於針對不同語種、不同操作係統平台、不同使用習慣開發豐富多彩的界麵，也從技術角（jiǎo）度實（shí）現了與（yǔ）ACIS幾何引擎（qíng）的無縫集成。
4. 關鍵技術實現
采用軟件組件技術（shù）建立組件依賴（lài）關係為三維CAD係統架設了總體結構，但具體實現還需解決許多關鍵性技術（shù），以下主（zhǔ）要以（yǐ）特征造型技術（shù）為（wéi）例說明係統的設計思路。
由於ACIS本質（zhì）上一個幾何實體造型的平台，通過B-rep表示提供實體幾何、拓撲結構的完整描述，但它並不直接支持特征造型。因此，如圖（tú）三所示係統在實體模型（xíng）和特征模型之間（jiān）通過引（yǐn）入構造點、邊、麵的機製建立一種映射關係。每個（gè）特征（zhēng）中不（bú）僅包含工藝製造信息還包含其具體構造點、邊、麵信息，這些構造（zào）元素再與實體（tǐ）模型中的點、邊、麵建立聯係。
其（qí）中LmFeature較終派生於ACIS的ENTITY，以便於進行內存管理、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LmSuperPoint、邊LmSuperEdge、麵LmSuperFace（三（sān）者均派生於LmSuperElement)，它們又分別記錄（lù）ACIS的VERTEX，EDGE，FACE和部分幾何參數（shù）以（yǐ）及特定（dìng）的語（yǔ）義信息；同時在每個（gè）ACIS拓撲（pū）元素（FACE，EDGE，VERTEX）中（zhōng）通過屬性ATTRIB機製又嵌入其對應（yīng）的LmSuperElement。這種雙向鏈表結構方（fāng）式不僅便於實現特征造型和實體造型間的無縫（féng）鏈（liàn）接和快（kuài）速（sù）查找（zhǎo），而且也為係統重建時維（wéi）護拓撲關係奠定了基礎（chǔ）。因（yīn）為僅記錄（lù）ACIS拓（tuò）撲元素（FACE，EDGE，VERTEX）是不可能（néng）保證拓撲關係一致的（de）。m_OtherInfo屬性主要用於存放特征語（yǔ）義（yì）、工藝信（xìn）息等，另外還為用戶提供了手工添加（jiā）特征語義的接口， 為真正支持CIMS環境下信（xìn）息集成奠定了（le）基礎。
在特（tè）征創（chuàng）建刪除\修改或模型重（chóng）建過程中，為維護設計者的設計意圖關鍵在（zài）於維護（hù）模型修改前後拓撲結構的對應關係（xì）即（jí）：拓撲一致性，因此必須考慮（lǜ）拓（tuò）撲編碼的問題。係統通過為（wéi）每個從ENTITY派生的實體引入索引標誌的方法解決，該索引標誌不僅記錄全（quán）局**標誌符，而且（qiě）通過（guò）充分利用ACIS ENTITY中的ATTRIB 和ANNOTATION 類對模型操作（zuò）的具體變化做了詳細（xì）的（de）記錄：操作前（qián）有（yǒu）那些麵、邊、點，操作後（hòu）又產生了那些新的麵、邊、點等等。操（cāo）作後係統（tǒng）自動重新（xīn）整（zhěng）理，保證了拓撲結構的對應關係。
要支持（chí）特征造型，還必（bì）需維護特征之間的依賴（lài）關係，以便修改特征參數後重建所有依賴特征，這些關係一般形（xíng）成樹形結構，又稱特征樹。 特征樹方便了對特（tè）征的管理，但（dàn）這種關係往往也限製了設計人員的設計思路，並（bìng）且還可（kě）能出現：父特征的刪除（chú）導致（zhì）所有子特征的刪除，如（rú）果某特證（zhèng）的參數依賴於其後續特征的參數導致係統重建時（shí）的崩潰等現象。於是係統采用雙重坐標方法： 即對每個特（tè）征既記錄其相對父特征（zhēng）的坐標，也記錄其在全局坐標係下（xià）的坐標。這樣，當父特征不存在時，子特（tè）征可在全局坐標係下"生存"；另外， 采用VGX技術，將約束關係從幾何關係中獨立出（chū）來，建立全局約束鏈，相對獨立的約束求解器， 結合代數方（fāng）法和數值求解方法對約束整體聯（lián）立求解，既增加（jiā）了係統的動態導航、動態約束添加（jiā）和動態修改機製又保（bǎo）證（zhèng）了模型的修改可以超越設計（jì）曆史樹（shù）的限製，使得（dé）設計（jì）人員隨時、隨地、隨意修改成（chéng）為現實。
5. 結論
軟件組件技術的發展為大（dà）型複雜的三維CAD/CAM係（xì）統的開發（fā）提供了極好的解決之道，它完全（quán）改變了傳統CAD/CAD係統開發的低效率（lǜ）模（mó）式，使得該類（lèi）複雜係統也可以“搭積式”的快速構建。本文（wén）深入研究了基於組件技術開發三維CAD係統的相關（guān）技術，介紹（shào）了具體實現（xiàn）方法，同時給出了係統組件層次結構，可為開發該類係統提供一定的參考。
