1. 引（yǐn）言
隨著傳統CAD係統在破碎機設備的應（yīng）用普及以及現（xiàn）代設計問題（tí）的複雜化、智能化，人們不再僅僅滿足於用計算機取（qǔ）代人進行手工繪（huì）圖。所（suǒ）幸隨（suí）著計算機圖形學、人工（gōng）智能、計算（suàn）機網絡等基礎技術的發展和計算機集成製造（zào）、並行工程、協同設計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（wéi）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(超變量化)方向發展，幾（jǐ）何造型、曲麵造型、實體造型向特征造型以及語義特（tè）征造型等方向發展；另一方麵，伴（bàn）隨著（zhe）CAD軟件複雜程度的增加和各個不同應用係統間互操作的（de）現實需要，人們（men）希望CAD係統具（jù）有極（jí）佳的開放性同時又能“搭（dā）積木”似的自由拚裝形成不同的功能配置，軟件工程（chéng）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（tí）提供了堅實的基（jī）礎。
組件技術使（shǐ）得各CAD係統開發商們不必再完全遵從“一切從零開始”的（de）開發模式，他們可根據自己的技術優勢在滿足組件接口規範要求下開發不同的構件，然後在得到許可的情況下便（biàn）可以自由使用這些構件來搭（dā）建（jiàn）用戶所需要的CAD係統。這種方式因其開（kāi）發周期短、見效快、係統柔性高、開放性好、以及容易“即插即用”和進行（háng）並行開發等優（yōu）勢而倍受親賴（lài）。
本文主要討（tǎo）論采用組件技術開發國產（chǎn）商品化CAD/CAM係統——“金銀花” 係統的一些關鍵技術。
2. 係統框架（jià）
“金銀（yín）花”是在ACIS幾何建模平台上，采用變量化特征造型技術，基於STEP標（biāo）準——遵循AP214和AP203協議而研製開發出來的商品化三維CAD係統。該係統基本框架（jià）結構如圖一所示，大體（tǐ）分為三（sān）個（gè）層次——數據（jù）層、功能層（céng）、接（jiē）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係統的（de）設計結（jié）果，也是CIMS信（xìn）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，數據是用戶利用係統功能實現的。
功能層是主體部分，主要有三維零件設計、裝（zhuāng）配設計、二維工（gōng）程圖設計三大模塊，由於有主模型的支持（chí），三塊之間相互關聯：即（jí）任一部分的改變都將引起其（qí）它部分相關的自動（dòng）更新。在零件設計中采用特征（zhēng）造型和實體造型相結合、特征模型與實體模型共存，大大方便了後（hòu）續工藝分析和（hé）加工對特（tè）征信息的需求又滿足了顯示、變換、物性計算（suàn）、幹涉檢查等操作對實體（tǐ）信息（xī）的要求。變量化VGX技術主要在草圖設計、特征造型、裝配設計等部分應用，極大的方便了用戶對設計的編輯和修改。
接口層是（shì）提供係統的對外接口，分為功能接口與數據接（jiē）口。功能接口便於用戶進行二次（cì）開發，組件重用等；而數據（jù）接口為其它環節如CAPPCAMCAEPDM等提供一致性的數據訪問方式。
3. 組件結構
係統（tǒng）的組（zǔ）件結構設計是（shì）基於組件技術開發CAD係統的關鍵，主要內（nèi）容是根據應（yīng）用係統的（de）功能需求列（liè）出所有（yǒu）構成組件、各個組件間的依賴關係和接（jiē）口，並（bìng）確定哪些組件自己開發而哪些可直接從組件（jiàn）供應商處購（gòu）買以縮短開發周期。而本係統就是通過從美國（guó）STI公司（sī）(Spatial Technology Inc.)購（gòu）買三維CAD係統所需幾何造型、文件管理、內存（cún）管理（lǐ）等基本功能組（zǔ）件，而集中精力開發支持特征（zhēng）造型、VGX約束求（qiú）解、裝配設計、關聯繪（huì）圖、用戶接口等組件。
由於ACIS是完全基於組件技術開發的，其所有（yǒu）基礎功能均通過不同的組件（表現為動態聯接庫DLL）實現。在（zài）ACIS6.0中大約有五十多個DLL，所有這些DLL實際可劃歸為兩部分：ACIS 3D Toolkit（核心模塊）和Optional Husks（可選模塊）。其中核心組件提供構造係統所需的基本功能（如：基本幾何（hé）和拓撲、內存管理、模（mó）型管理、顯示管理、圖形交互等），這部分是ACIS幾何（hé）建模的核心（xīn），類似於飛機（jī）的發動機，其中包括許多開發商的必選構（gòu）件；而另一部分可選組（zǔ）件則提供一些更專業化和更高級的功能（néng）（如：高級過渡、高（gāo）級渲染、可變形曲麵、精確消（xiāo）影、拔模、抽殼、與CATIA和Pro/E等係統的數據接（jiē）口等），這部分作為（wéi）可選組件由用戶根據實際開發的係統需要自由挑選、搭配和組合，當然（rán）用戶也（yě）可用（yòng）自己開發的組件取代ACIS的部分組件。ACIS的各組件（jiàn）之間（jiān）存在一定的（de）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（huā）係統組（zǔ）件結構（gòu）是在對係統功能需求和總體框架結構分析基礎上（shàng）得出的，同時也參照了ACIS的組件劃分思想。圖二給出了係統組（zǔ）件依賴關係簡圖（為節（jiē）省篇幅，主要表示了（le）三維零（líng）件設計部（bù）分的組件，而（ér）沒（méi）有詳細表示關（guān）聯繪（huì）圖和裝配部分的組件），為方便組件（jiàn）的集中管理和調用係統采用了層次（cì）結構，主要（yào）分為核心組件、功能組件、接口（kǒu）組件三層，上層組件可任（rèn）意調用（yòng）下層組件提供的所有服務。以下（xià）對圖二作（zuò）一些（xiē）介紹：
◆ 核心組件層：該層包含了係統較重要和較基本（běn）的組件，是三維特征造型、二維關聯繪圖、部件（jiàn）裝（zhuāng）配（pèi）、動態仿（fǎng）真（zhēn）等模塊的共享部分。ACIS核心組件也位於其（qí）中，為係統提供（gòng）ACIS幾（jǐ）何造型基本（běn）功能；LM_GI是提供底（dǐ）層顯示（shì）支持，如：對OpenGL的調用、對（duì）屏幕刷新的操作、基本幾何元素的繪製；LM_PUBFUN中提（tí）供通用數學運算以及公用鏈（liàn）表、隊列（liè）、堆棧的類定義；LM_RUB包容了各種幾（jǐ）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（tài）約束添加（jiā）以及裝配模塊中的動態幹涉檢查等的基本組件；LM_KERN包括本係統特征（zhēng）造型功能和ACIS幾何造型引擎連接相關的類LmSuperElement(詳見4)，以及為上層提供的管理類、約束類、特征類等提供超類。
◆ 功能組件層：該層建於核心層之上，係統麵向應用（yòng）的主要功能部件均在這一層實現。用（yòng）戶的不同需求會希望配置不同功能的軟件（jiàn）係統，從該（gāi）層選折所需組件（jiàn）集進行不同（tóng）配置即可（kě）。圖二（èr）所示為三維部分的核心組件LM_KERNPART、特征造（zào）型組件LM_FEATURE、VGX約束管理（lǐ）器組件LM_VGX、處理選折對象的組件LM_PICK、和（hé）負責總（zǒng）體協調管理（lǐ）的組件LM_MANAGE等（děng）。而其（qí）中特征造型和VGX組件中又（yòu）分別進一步細化（huà）為：草圖特征、高級特征、自定（dìng）義特征和VGX約（yuē）束操作、約束（shù）管理約（yuē）束求解等組件。
◆ 接口組件層（céng）：是係（xì）統的較高（gāo）層，也是與用戶直接進行交互操作管理的組（zǔ）件層，所以（yǐ）主要有處理鼠（shǔ）標事件MouseTool的LM_MT和管理係（xì）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僅極大的方便（biàn）了不同用戶需求係統的配置，而且將（jiāng）係（xì）統的用戶接口與功能的具體實（shí）現分開，便於（yú）針對不同語種（zhǒng）、不同操作（zuò）係統平（píng）台、不同使用習慣開發豐富（fù）多彩（cǎi）的界麵（miàn），也從（cóng）技術角（jiǎo）度實現了與ACIS幾何引擎的無縫集成。
4. 關鍵技術實現
采用軟件組件技術建立組件依賴關係為三維CAD係統架設了總體結構，但具體實現還需解（jiě）決許多關鍵性（xìng）技術，以下主要以特征造型技術為例（lì）說明係統的（de）設計思路。
由於ACIS本質（zhì）上一個幾何（hé）實體（tǐ）造型的平（píng）台，通過B-rep表（biǎo）示提供實體幾何、拓撲結構的完整描述，但它（tā）並不直（zhí）接支持特征造型。因此，如圖三所示係（xì）統在實體模型和特征模型之間通過引入構造點、邊、麵的機製建立一種映射關係。每個特征（zhēng）中不（bú）僅包含工藝製造信息（xī）還包含其具體構（gòu）造點、邊（biān）、麵（miàn）信息（xī），這些構造元（yuán）素（sù）再與實體模（mó）型（xíng）中的點、邊、麵建（jiàn）立聯係。
其中LmFeature較（jiào）終派生（shēng）於ACIS的ENTITY，以便於進行內存（cún）管理、文件存（cún）儲和模型操（cāo）作管理。m_Construction屬性記錄該特征的（de）所有構（gòu）造點LmSuperPoint、邊LmSuperEdge、麵LmSuperFace（三者均派生於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（de）語義信息；同時（shí）在每個ACIS拓撲元素（sù）（FACE，EDGE，VERTEX）中通過屬性ATTRIB機製（zhì）又嵌入其對應（yīng）的LmSuperElement。這種（zhǒng）雙向鏈（liàn）表結構方式不僅便於實（shí）現特征造型和實體造型間的無縫鏈接和快速查找，而且也為係統重（chóng）建時維護拓撲關係（xì）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係一致的。m_OtherInfo屬性主要用（yòng）於存放特征（zhēng）語義、工藝信息等，另外（wài）還為用（yòng）戶提（tí）供了（le）手工添加（jiā）特征語義（yì）的接口， 為（wéi）真正支持CIMS環境下信息集成奠定了基礎。
在特征創建刪除\修改或模型重（chóng）建過程中，為維護設（shè）計者的設計意圖關鍵在於維護模型修改前後拓撲結（jié）構的（de）對應關係即：拓撲（pū）一致性，因此必須考慮拓撲編碼的問題。係統通過為（wéi）每個從ENTITY派生的實體引入索引標誌（zhì）的方法解（jiě）決，該索引標誌不僅記錄全局**標誌（zhì）符，而且通過充分利用ACIS ENTITY中的（de）ATTRIB 和ANNOTATION 類對模型（xíng）操作的具體變化做了詳細的記錄：操作前（qián）有那些麵、邊、點，操作後又產生了那些新的麵、邊（biān）、點等等。操作後係統自動重新整理，保證了拓撲結構的對應（yīng）關係（xì）。
要支持特征造型，還必需維護特征（zhēng）之間的依賴關係，以便修改特征參數後重建所有依賴特征（zhēng），這（zhè）些關係一般形成樹形結構，又稱特征樹。 特征（zhēng）樹方便了對（duì）特征的管理（lǐ），但（dàn）這種關係往往也限製了設計（jì）人員的設計思路，並且還可能出現：父特征的刪除導致所（suǒ）有（yǒu）子特（tè）征的刪除（chú），如果某（mǒu）特證的參數依賴於其後續（xù）特征的參數導致係統（tǒng）重建時的崩潰等現象。於是（shì）係（xì）統采用雙重坐標（biāo）方法： 即對每個特征既記錄其（qí）相對父特（tè）征的坐標，也記錄其在（zài）全局坐標（biāo）係下的坐標。這樣，當父特征不存在時，子特征可在全（quán）局坐標係下"生存"；另外， 采用VGX技術，將約束關（guān）係從（cóng）幾何關係（xì）中獨（dú）立出來，建立全局約束鏈，相（xiàng）對獨立的約束求解器， 結（jié）合代數方法和數值求（qiú）解方法對約束整體聯立（lì）求解，既增加了（le）係統的動態導航、動態約束添（tiān）加和動態修改機（jī）製又保證了模型的修改可以超越設計曆史樹的限製（zhì），使得設計（jì）人員（yuán）隨時、隨地（dì）、隨意修改成為現實。
5. 結論
軟（ruǎn）件組件技術的發展為大型複雜的三維CAD/CAM係統的開發提供了極好的解決之道，它完全改（gǎi）變了（le）傳統（tǒng）CAD/CAD係統（tǒng）開（kāi）發的低（dī）效率模式，使得該類複雜係統也可以“搭積式”的快速構（gòu）建。本文深入研究了基於組件技術開發三（sān）維CAD係統的相關技術，介紹了具體實現方法，同時給（gěi）出了係統（tǒng）組件層次結構，可為開發該類係（xì）統（tǒng）提（tí）供一定的（de）參（cān）考。
