第13讲-三维CAD系统架构及系统开发技术简介

第13讲三维CAD系统关键技术及二次开发简介13.1．CAD系统功能需求及体系架构13.1.1三维CAD系统功能需求13.1.2三维CAD系统体系架构13.2．CAD系统开发技术（选学）13.3．CAD系统二次开发技术13.3.1基于通用CAD平台的开发（选学）13.3.2工程数据处理组件开发13.3.4专业化应用组件开发（选学）本章目的1．了解三维CAD系统的需求及架构2、掌握工程数据常用处理方法3、了解三维CAD系统开发方法及二次开发过程13.1CAD系统功能需求及体系架构13.1.1CAD系统功能需求SolidEdgeCATIAUGNXPro/EInventor目前最流行的三维CAD系统美、法等国的CAD软件技术一直走在世界的前沿，它们拥有许多世界闻名的CAD/CAM系统，这些系统具备十分强大的功能。国内:清华大学、北航、新舟、浙大、华工以国家863国产三维CAD系统评测要求为例，三维CAD基本功能需求：真正的产品创新设计有赖于三维CAD的应用；三维CAD采用直观的三维模型表达方式，能直观清晰地描绘更复杂的产品结构，能方便地将设计、分析、工艺和辅助制造系统相连接；CAD是CAE、CAPP、CAM集成的基础；三维CAD软件可大幅度的减少设计错误，提高产品设计质量，缩短产品研发周期。三维零件参数化特征建模功能二维工程图功能三维零件装配功能三维零件、装配与二维工程图关联功能数据接口功能系统综合管理功能系统性能需求三维零件参数化特征建模功能线框造型：基本几何定义；曲线插值逼近；NURBS曲线；曲线组合、打断、光顺、延伸、修整、拼接、求交等；过渡、等距曲线和线性变距曲线；曲线变换（平移、旋转、镜像、阵列等）；曲线分析与计算（切矢、曲率、坐标值反求参数值）等。曲面造型功能：曲面求交、延伸；直纹面、旋转面、扫成面、点阵面、NURBS曲面；给定边界定义曲面；曲面和变距曲面；曲面过渡、拼接、光顺、剪裁、修型；曲面分析与计算（切矢、法矢、曲率、坐标值反求U，V参数）；取子曲面片、曲面轮廓线、曲线在曲面上的投影；散乱点插值、数据预处理、特征点提取及光顺等。实体造型功能：草图定义、编辑、约束、导航等；基本体素、自定义体素、体素库（体素库建立、查询、删除等维护）；实体生成方法（平扫、旋转扫、广义扫、拔模、抽壳及其它方法）；布尔运算（并、交、差）；局部操作（剖切、圆角、倒角、局部拉伸）；实体编辑（拷贝、镜像、阵列、删除、回退与重作、平移、旋转、缩放、几何元素查询、几何信息的修改）；曲面转实体；三维实体向二维的转换（生成轮廓图及消隐）；实体体积、质量、质心、惯性矩等计算。装配建模功能装配建模：装配环境下的零件建模，零件导入、抑制、取消，装配约束管理（装配约束定义、装配约束求解），零件干涉检查，装配爆炸图生成等。装配管理：装配结构树维护，生成零件BOM表。扩展功能：可装配性评价、装配动画仿真、机构运动仿真。三维零件、装配与二维工程图关联功能零件、装配、工程图关联：三维模型变化则装配模型及二维图形自适应变化；二维图形主要参数变化则三维模型与装配模型自适应变化；装配模型变化则三维模型与二维图形自适应变化。数据接口功能文件的输入及输出；具有某种国际标准接口（如IGES、STEP等）；具有某种工业标准接口（如DXF、X_T、SAT、STL、VRML等）。系统综合管理功能用户界面：文字或图符菜单、下拉式菜单、动态弹出式菜单、对话框、命令语言、数字化仪、鼠标器、功能键、快捷键、提示信息、出错信息、动态导航功能等。二维工程图功能（参见第4讲二维CAD系统，略）图形显示：视像定义与修改、多视口显示、动态显示、视图的管理、透明命令、图形缩放（Z00M）、图形曳移；曲面和线框图显示及轮廓图显示；实体及特征的真实图与简图显示（简图用于二维及三维布置）；正投影图、轴测图、透视图、剖切图、消隐图；渲染图（真实感图）；图像文件输出（GIF等光栅文件格式）。视图管理：视图投影设置、二维视图布局，标准视图和自定义视图输出、剖视，图层控制功能。图纸输出：按比例输出图形及自动按图纸设定输出比例；输出图形预览及终止预览；对多张图纸进行编辑打印；绘图输出控制线型及粗细；打印机、绘图机驱动。13.1.2CAD系统体系架构以天喻软件等六家单位申请项目“某航空集团企业创新设计平台”为例复合材料设计航空钣金设计航空工装设计基础核心层通用平台层专业应用层系统支撑软件（数据库、操作系统等）API接口CAX/PDM应用接口总线用户1用户2用户3用户n数字化协同工作平台PDM/PLMAPI接口专用管路设计航空电器设计航空布线设计航空数字样机人机工程其它应用航空知识处理设计资源管理机制零部件管理机制知识处理机制草图设计曲面建模特征建模工业渲染约束求解引擎几何建模引擎通用图形管理知识推理引擎基础算法类库其它基础类库优化设计引擎概念设计工程绘图零件设计装配设计钣金设计逆向工程运动仿真其它工具干涉分析工艺设计加工平台车削加工铣削加工可制造性分析加工仿真基于组件的二次开发接口与ERP、CRM、SCM等其它系统接口各种数据交换接口与其它CAD/CAM系统接口（CATIA、UG、Pro/E等）标准数据接口（IGES、STEP、SAT、X_T、DXF、VRML等）工程分析系统接口（NASTRAN、ANSYS、CFDADAMS等）办公自动化软件接口（Word、Excel等）该系统针对某大型集团企业的创新设计需求，不仅需要强大的通用功能，同时也需要较强的专业化设计功能，系统功能复杂。为此，采用四层体系结构，其中：系统支撑层：提供CAD软件运行环境（如操作系统、网络协议、数据库管理、图形接口等）。基础核心层：提供共性基础构件，几何与拓扑核心数据结构，内存管理机制、基础算法引擎及方法。主要包括以下几个方面：几何引擎——支持零件造型、装配造型、高级曲面造型等三维数字化设计功能，应具有接口兼容、功能齐全、计算稳定、几何覆盖域宽、多种造型统一表示、可扩展性等特点2D、3D尺寸约束管理——即变量化草图设计，能够支持2D设计、工程图和2D轮廓草图，2D轮廓草图能够有效地支持3D参数化实体模型；支持装配件和机构件的约束管理，能够支持3D草图、零件设计和装配设计。此外，支持欠约束和过约束设计并提供冲突检测管理，支持实时动态装配和机构运动仿真等。通用函数库——提高共享的常用数学运算方法（矢量、矩阵、方程求解、优化）。图形管理——该模块包括线框显示、隐藏线消除、快速真实感图形显示和高度真实感图形显示等三种不同层次的子模块，以满足多种形式的用户需求。专业应用层：提供面向航空制造应用设计分析工具，支持快速产品开发；接口工具集：提供系统内部各层间访问接口、外部数据交换接口、系统集成接口、用户二次开发接口。通用平台层：提供通用设计、分析工具构件,支撑用户进行产品结构设计、装配设计、工程绘图、工艺设计、数控代码生成。具体包括：特征设计工具：是基于参数化的实体造型。包括：草图设计、特征生成两个方面。曲面造型：是复杂形体型面造型的最有力的工具。包括直纹面、旋转面、扫描面、等距面、过渡面，曲面裁剪、拼接、缝合、延伸、求交等。零件设计：提供以特征为基础的零件设计和管理工具，与装配和工程图设计共同构成一个设计平台。装配设计：支持复杂产品装配设计、干涉检查。提供面向设计群体的装配设计环境，支持参数化自动装配功能。工程图设计：主要包括图纸生成、编辑、管理及打印输出等。三维零件或装配模型能自动生成各种视图，填充剖面线等；具有国标尺寸标注、标题栏和明细表等。逆向工程工具：包括数据获取、噪声点过滤、残缺数据恢复、区域分割、特征提取、三角网格化、参数曲面拟合重建等功能，实现产品的快速原型设计。钣金设计工具：针对钣金零件的特点专门设计供处理钣金零件造型用的模块，它根据钣金零件的几何特征进行钣金零件设计，钣金零件自动展开、自动排样计算。动画与仿真：提供机构运动仿真、运动协调关系、运动范围设计、运动干涉检查；机械产品可装配性检查；提供产品真实效果显示，机器内部的漫游。其它设计工具集：包括标准件库工具，材料库工具，设计图表工具，计算工具，协同管理工具，知识管理工具等。13.2CAD系统开发技术简介（选学）CAD技术从诞生至今已有近四十多年的历史，历经二维绘图、线框模型、自由曲面模型、实体造型、特征造型等重要发展阶段，其间还伴随着参数化(变量化)、尺寸驱动、知识融合等技术的融入。目前CAD技术在基础理论方面日趋成熟，并推出了许多商品化系统，诸如CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等。通常CAD系统软件的开发方式主要可分为三种：1）大部分核心模块自主开发，少量模块及技术购买版权，该方式周期长、风险高，对CAD技术基础及软件开发技术要求高。2）基于通用CAD系统的二次开发，如基于UG、AutoCAD等。目前商用CAD系统一般提供C，C＋＋等Api函数供用户二次开发。该方式风险小，见效快，适合企业进行专业化应用开发。3）基于商业化几何引擎平台（如Parasolid、ACIS等）的开发。此类开发较通用CAD平台的二次开发更能深入核心层，其难度及风险在二者之间，但引擎平台的版权费用昂贵。1）CAD系统开发技术概述CAD系统软件开发的基本原则：1)支持多种主流的计算平台，包括Windows、UNIX等；2)采用面向对象技术，具有封装性、多态性、继承性，使对象模块化、即插即用；3)采用软件组件技术与开放式结构。基于组件技术可为设计者提供很大程度的柔性，这也为系统的开放性奠定良好的基础；4)支持混合维造型——线框模型、曲面模型、实体模型，在数据结构层采用统一的精确边界表示，支持流形与非流形拓扑；5）支持约束驱动的参数化特征造型等用户化的功能；6)支持知识融合与知识重用，实现知识驱动的设计，提高系统智能化程度；7）支持装配、零件及工程图统一建模，并实现全关联设计；8）提供良好的图形交互、显示及渲染；9）提供产品数据管理等功能，即提供了一个集造型、可视化、交互、数据管理为一体的集成化开发环境。2）基于商业几何引擎ACIS的开发技术介绍目前市场上较为成熟的商用三维CAD几何引擎主要有ACIS、Parasolid等。其中：1）基于Parasolid开发的CAD系统UG、Solidworks、Solidedges等获得了广泛的应用；2）基于ACIS开发的CAD系统Inventor凭借AutoCAD拥有的市场优势得到迅速推广；3）也有研究机构基于开源几何引擎（CAS.CADE）进行研究开发。ACIS是美国SpatialTechnology公司的三维几何造型引擎，它集线框、曲面和实体造型于一体，并允许这三种表示共存于统一的数据结构中，为各种3D造型应用开发提供几何造型平台。ACIS核心模块库：ACIS产品由两部分构成：核心模块（ACIS3DToolkit）和多种可选模块。在核心模块中提供了基本、通用功能，而在可选模块中提供了一些更为高级的和更专用的功能。其主要功能包括：构造曲面技术、求交与布尔运算、过渡曲面、模型分析、显示与交互、模型管理等。基于ACIS的开发接口有3种：API函数、C++类和DI函数。下图中AMFC（ACISMicrosoftFoundationClassComponent）是专门为MicrosoftWindows平台提供的与MFC的接口。API函数：提供了应用与ACIS间的主要接口，应用通过调用API函数建立、修改或恢复数据，无论ACIS底层的数据结构或函数如何修改，这些函数在各版本中均保持不变。C＋＋类：ACIS以C++类的形式提供的接口，用于定义模型的几何、拓扑以及实现其它功能，开发者可根据需要从ACIS类派生出自己的类，类接口在各版本中可能变化。DI函数：提供不依赖于API而对ACIS造型功能可直接访问的接口，与API不同的是，这些函数在各版本中可能有变。ACIS接口方式ACIS数据结构如下图所示：图中的黑虚线框中是几何信息，蓝虚线框中是拓扑信息。几何（Geometry）、拓扑(Topology)和属性(Attribute)构成了ACIS模型，三者