第1章 參數(shù)化繪圖程序開發(fā)的技術范疇及應用領域

1.1 CAD技術的開發(fā)——參數(shù)化設計

1.1.1 CAD技術探析

CAD是Computer Aided Design（計算機輔助設計）的縮寫，將人類的聰明才智和創(chuàng)造能力與計算機高速而精確的計算能力、大容量的儲存和數(shù)據處理功能結合起來，幫助設計人員完成繁雜的設計任務，提高工作效率和質量。一個好的計算機輔助設計系統(tǒng)既能充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性，又能充分利用計算機的高速分析計算能力，即要找到人和計算機的最佳結合點。

計算機輔助設計作為一門學科始于20世紀60年代初，當時CAD技術的發(fā)展很緩慢，進入90年代，計算機技術突飛猛進，特別是微機和工作站的發(fā)展和普及，再加上功能強大的外圍設備，如大型圖形顯示器、繪圖儀、激光打印機的問世，極大地推動了CAD技術的發(fā)展，CAD技術已進入實用化階段，廣泛服務于機械、電子、宇航、建筑、紡織等產品的總體設計、造型設計、結構設計、工藝過程設計等環(huán)節(jié)。

在工程設計中，計算機輔助設計一般包括兩種內容：帶有創(chuàng)造性的設計（方案的構思、工作原理的擬定等）需要發(fā)揮人的創(chuàng)造性思維能力，創(chuàng)造出以前不存在的設計方案；非創(chuàng)造性的工作，是一些繁瑣重復性的計算分析和信息檢索，完全可以借助計算機來完成，如繪圖、設計計算等。計算機輔助設計包括的內容很多，如：概念設計、優(yōu)化設計、有限元分析、計算機仿真、計算機輔助繪圖、計算機輔助設計過程管理等。

隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工制圖已經不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的要求。越來越多的企業(yè)對工業(yè)產品的外形和內部結構的要求越來越高，產品更新的速度越來越快，計算機輔助設計技術的引進顯著地提高了制圖的速度和質量，縮短了新產品設計開發(fā)的時間。CAD技術幾乎推動了一切領域的設計革命，CAD技術的發(fā)展與應用水平已成為衡量科學技術現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一。

1.1.2 CAD系統(tǒng)的基本構成

一個CAD系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，要想充分發(fā)揮CAD的作用，必須要有高性能的硬件和功能強大的軟件。

1．CAD硬件的組成

先進的CAD系統(tǒng)的硬件由計算機及其外圍設備和網絡組成。那種單機CAD的工作方式在大中型企業(yè)中將逐漸被淘汰，因為它遠遠不能滿足現(xiàn)代企業(yè)設計的要求。先進的CAD系統(tǒng)都是以網絡的形式出現(xiàn)的，特別是在并行工程環(huán)境中進行產品的并行設計，目前應用較多的是CAD工作站。外圍設備包括鼠標、鍵盤、掃描儀等輸入設備和顯示器、打印機、繪圖儀、拷貝機等輸出設備。網絡系統(tǒng)包括中繼器（增加網線長度）、網橋（同種網相連）、路由器（選擇加工路線）、網關（不同協(xié)議相連）、Modem方式連接到網絡上，以實現(xiàn)資源共享。

如圖1.1.1所示為一個CAD硬件系統(tǒng)的基本構成。

2．CAD軟件的組成

為了充分發(fā)揮計算機硬件的作用，CAD系統(tǒng)還必須配備各種功能齊全的軟件。CAD系統(tǒng)的軟件構成如圖1.1.2所示。

軟件分為兩大類：支撐軟件和應用軟件。支撐軟件包括操作系統(tǒng)（實現(xiàn)對硬件的控制和資源的管理），程序設計語言（Fortran、VB、C++、LISP、二次開發(fā)語言和匯編語言）及其編譯系統(tǒng)，數(shù)據庫管理系統(tǒng)（對數(shù)據的輸入、輸出、分類、存儲、檢索進行管理）和圖形支撐軟件（AutoCAD）。另一類是應用軟件，它是根據本領域工程特點，利用支撐軟件系統(tǒng)開發(fā)，解決本工程領域特定問題。應用軟件的性能對CAD的效率有極大影響，所以應特別重視它的開發(fā)和應用。

應用軟件系統(tǒng)包括：第一，設計計算方法庫，如常用數(shù)學方法庫、統(tǒng)計數(shù)學方法庫、常規(guī)設計計算方法庫、優(yōu)化設計方法庫、可靠性設計軟件、動態(tài)設計軟件等；第二，專業(yè)程序庫，如介質流程計算庫、常用構件設計軟件包等；第三，專業(yè)圖庫，如設備視圖庫、行業(yè)標準符號庫。

1.1.3 CAD軟件的二次開發(fā)

1．CAD軟件二次開發(fā)技術應用前景

CAD軟件工程是一個復雜、高智能、高專業(yè)的投入過程，使用好的開發(fā)工具進行軟件設計與開發(fā)已經成了人們的共識。很多大中型甚至小型企業(yè)都在努力引進這一新技術，以提高企業(yè)自身的技術素質，增強產品在國內外市場上的競爭能力。另外，CAD教學也得到了各高校的普遍重視，從而全面推廣普及CAD技術，提高了我國CAD技術的整體水平。

國內許多企業(yè)已成功地將CAD技術應用于二維工程圖的繪制，二維CAD軟件日益成為工程師進行設計的一種必備工具。在制造業(yè)、工程設計、電氣和電子電路、仿真模擬和動畫制作、輕工、紡織、家電、服裝、醫(yī)療乃至體育方面都能覓得其蹤影。隨著CAD應用技術在我國的普及與不斷深入，CAD應用技術已越來越成為促進科研成果的開發(fā)和轉化、實現(xiàn)設計自動化、推動企業(yè)技術進步、增強企業(yè)技術創(chuàng)新能力和競爭能力、加速國民經濟發(fā)展的一項關鍵技術。

隨著掌握微機CAD系統(tǒng)應用與開發(fā)設計的技術隊伍不斷擴大，企業(yè)也能很方便地通過各種渠道獲得來自外部的包括版本升級、二次開發(fā)、應用培訓等的技術支持。CAD技術的推廣已經由“甩圖板”階段跨入到深化應用階段，一些條件較好的企業(yè)，已從原來單機使用CAD軟件轉化為計算機網絡應用，可以用三維設計軟件進行結構三維圖的實體造型，在方案的初期配合三維造型完成各種圖像、動畫，進行方案的預演及匯報，并在設計過程中利用建好的模型進行有限元分析和優(yōu)化設計，達到提高產品設計質量、縮短設計周期的目的。

CAD技術是一種綜合性技術，CAD技術的發(fā)展，除了機械設計的理論和算法外，還帶動了許多新的設計方法和理論的發(fā)展，如計算機圖形學、專家系統(tǒng)、優(yōu)化設計、有限元分析、控制理論等。這些理論和方法的應用，又進一步提高了CAD技術，促進了機械產品的設計和制造。探索CAD軟件二次開發(fā)中的方法與技術，無疑是有現(xiàn)實意義的。

2．CAD軟件二次開發(fā)的現(xiàn)代技術

CAD軟件的開發(fā)也由早期的DOS, UNIX下的冗長繁瑣的程序設計變成了成熟軟件現(xiàn)有基礎上進行的高起點的二次開發(fā)。國際和國內知名的CAD軟件如Pro/E、UG等，都是商品化的通用平臺，基本上覆蓋了整個制造行業(yè)，但專業(yè)針對性差，因而不能滿足各種各樣具體產品的設計需要。在現(xiàn)代的CAD設計中，常選擇某種已有的實體建模軟件作為圖形支撐，某種數(shù)據庫系統(tǒng)作為底層數(shù)據環(huán)境，利用用戶界面工具，使用一種宿主語言，開發(fā)獨立的CAD系統(tǒng)。隨著CAD技術及其應用水平的不斷完善和提升，必將對我國經濟發(fā)展產生積極的影響。

例如，當我們繪制機械圖時，大量機械、電子等系列產品中，同一基本結構形式的零部件的標準化、系列化圖形的繪制，形狀相似而細節(jié)上又有所差別的零件或是機構簡圖中的基本圖元，比如一些螺母螺栓、齒輪凸輪機構、回轉副、槽輪棘輪機構等，若我們逐一繪制，顯然費時費力，事倍功半。系統(tǒng)自帶的圖塊及復制、粘貼、插入等編輯功能又有著難以避免的局限性。因此，有必要對CAD進行二次開發(fā)，建立常用基本圖元庫、標準件圖庫等，實現(xiàn)參數(shù)化繪圖，以簡化繪圖過程，減少重復性工作，真正充分發(fā)揮CAD快速、準確的優(yōu)勢。在工程設計中，傳統(tǒng)的CAD技術缺乏智能性和創(chuàng)新性，已經無法滿足實際發(fā)展的需要，所以將專家系統(tǒng)和人工智能應用于CAD系統(tǒng)是非常必要的。

CAD軟件開發(fā)的目的是將設計出的軟件系統(tǒng)作為設計工具。CAD技術在機械工業(yè)中的一個重要應用就是參數(shù)化設計，能否實現(xiàn)參數(shù)化設計也成為評價CAD系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術指標。早期的CAD二次開發(fā)，過程化的參數(shù)化設計是采用較多的一種方法。當今CAD技術的主要潮流是參數(shù)化造型與變量化造型，而CAD的二次開發(fā)技術也正是基于這兩大理論之上。

目前，在CAD系統(tǒng)的開放式結構中，面向對象的軟件設計方法成為主導，該方法更能高效率反映客觀事物的內在特性和內在聯(lián)系，符合工程設計方法學，面向對象技術是API的主要形式。目前已有大量的面向對象的編程工具，利用這些工具開發(fā)的應用程序，可以通過對象的屬性和操作來訪問及控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)的功能、數(shù)據和界面以對象的形式暴露給用戶。

目前在二維CAD軟件方面，主要包括基于AutoCAD平臺和自主平臺兩類應用軟件。成熟的現(xiàn)代CAD軟件一般都有供用戶進行二次開發(fā)的接口，如AutoCAD是美國Autodesk公司開發(fā)的計算機輔助設計與繪圖相結合的綜合軟件，在AutoCAD 2014版中，Autodesk首次包括了Microsoft的VisualBasic for Applications（VBA），它們給用戶提供一系列工具，可以完成用戶界面定制、宏程序執(zhí)行、編寫外部程序等來擴充系統(tǒng)功能。將AutoCAD和Visual Basic的功能結合在一起，可以創(chuàng)建非常好的應用程序，從而在使用AutoCAD執(zhí)行當前任務時，可以在很短的時間內創(chuàng)建出正常情況下需要好幾個小時才能完成的圖形。

參數(shù)化設計更符合和貼近現(xiàn)代CAD中概念設計以及并行設計的思想，工程設計人員在設計開始階段可快速草擬產品的零件圖，通過對產品形狀及大小的約束最后精確成圖。同時，參數(shù)化設計還能夠使設計人員在設計的同時實現(xiàn)參數(shù)化建立標準件的數(shù)據庫，極大地方便后續(xù)工作。同一系列產品的第二次設計可直接通過修改第一次設計來實現(xiàn)，設計參數(shù)可以來自其他系統(tǒng)。設計參數(shù)不但可以驅動設計結果，而且影響產品的整個開發(fā)周期。參數(shù)化設計又是變量設計的前提，借助變量化設計思想可實現(xiàn)動態(tài)設計、機構設計的運動仿真模擬等。因此，參數(shù)化設計以及建庫工具的研究對進一步提高設計和繪圖效率以及柔性化設計具有十分重要的意義。