第1章 參數(shù)化繪圖程序開發(fā)的技術(shù)范疇及應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 CAD技術(shù)的開發(fā)——參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1.1 CAD技術(shù)探析

CAD是Computer Aided Design（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）的縮寫，將人類的聰明才智和創(chuàng)造能力與計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量的儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)處理功能結(jié)合起來，幫助設(shè)計(jì)人員完成繁雜的設(shè)計(jì)任務(wù)，提高工作效率和質(zhì)量。一個(gè)好的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)既能充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性，又能充分利用計(jì)算機(jī)的高速分析計(jì)算能力，即要找到人和計(jì)算機(jī)的最佳結(jié)合點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)作為一門學(xué)科始于20世紀(jì)60年代初，當(dāng)時(shí)CAD技術(shù)的發(fā)展很緩慢，進(jìn)入90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，特別是微機(jī)和工作站的發(fā)展和普及，再加上功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備，如大型圖形顯示器、繪圖儀、激光打印機(jī)的問世，極大地推動(dòng)了CAD技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段，廣泛服務(wù)于機(jī)械、電子、宇航、建筑、紡織等產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。

在工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)一般包括兩種內(nèi)容：帶有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)（方案的構(gòu)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(shè)計(jì)方案；非創(chuàng)造性的工作，是一些繁瑣重復(fù)性的計(jì)算分析和信息檢索，完全可以借助計(jì)算機(jī)來完成，如繪圖、設(shè)計(jì)計(jì)算等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)包括的內(nèi)容很多，如：概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助繪圖、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的要求。越來越多的企業(yè)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求越來越高，產(chǎn)品更新的速度越來越快，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的引進(jìn)顯著地提高了制圖的速度和質(zhì)量，縮短了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間。CAD技術(shù)幾乎推動(dòng)了一切領(lǐng)域的設(shè)計(jì)革命，CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用水平已成為衡量科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

1.1.2 CAD系統(tǒng)的基本構(gòu)成

一個(gè)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(qiáng)大的軟件。

1．CAD硬件的組成

先進(jìn)的CAD系統(tǒng)的硬件由計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組成。那種單機(jī)CAD的工作方式在大中型企業(yè)中將逐漸被淘汰，因?yàn)樗h(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)設(shè)計(jì)的要求。先進(jìn)的CAD系統(tǒng)都是以網(wǎng)絡(luò)的形式出現(xiàn)的，特別是在并行工程環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，目前應(yīng)用較多的是CAD工作站。外圍設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀等輸入設(shè)備和顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、拷貝機(jī)等輸出設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括中繼器（增加網(wǎng)線長度）、網(wǎng)橋（同種網(wǎng)相連）、路由器（選擇加工路線）、網(wǎng)關(guān)（不同協(xié)議相連）、Modem方式連接到網(wǎng)絡(luò)上，以實(shí)現(xiàn)資源共享。

如圖1.1.1所示為一個(gè)CAD硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成。

2．CAD軟件的組成

為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)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(gòu)成如圖1.1.2所示。

軟件分為兩大類：支撐軟件和應(yīng)用軟件。支撐軟件包括操作系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制和資源的管理），程序設(shè)計(jì)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(jù)庫管理系統(tǒng)（對(duì)數(shù)據(jù)的輸入、輸出、分類、存儲(chǔ)、檢索進(jìn)行管理）和圖形支撐軟件（AutoCAD）。另一類是應(yīng)用軟件，它是根據(jù)本領(lǐng)域工程特點(diǎn)，利用支撐軟件系統(tǒng)開發(fā)，解決本工程領(lǐng)域特定問題。應(yīng)用軟件的性能對(duì)CAD的效率有極大影響，所以應(yīng)特別重視它的開發(fā)和應(yīng)用。

應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括：第一，設(shè)計(jì)計(jì)算方法庫，如常用數(shù)學(xué)方法庫、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法庫、常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法庫、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法庫、可靠性設(shè)計(jì)軟件、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件等；第二，專業(yè)程序庫，如介質(zhì)流程計(jì)算庫、常用構(gòu)件設(shè)計(jì)軟件包等；第三，專業(yè)圖庫，如設(shè)備視圖庫、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫。

1.1.3 CAD軟件的二次開發(fā)

1．CAD軟件二次開發(fā)技術(shù)應(yīng)用前景

CAD軟件工程是一個(gè)復(fù)雜、高智能、高專業(yè)的投入過程，使用好的開發(fā)工具進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)已經(jīng)成了人們的共識(shí)。很多大中型甚至小型企業(yè)都在努力引進(jìn)這一新技術(shù)，以提高企業(yè)自身的技術(shù)素質(zhì)，增強(qiáng)產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上的競爭能力。另外，CAD教學(xué)也得到了各高校的普遍重視，從而全面推廣普及CAD技術(shù)，提高了我國CAD技術(shù)的整體水平。

國內(nèi)許多企業(yè)已成功地將CAD技術(shù)應(yīng)用于二維工程圖的繪制，二維CAD軟件日益成為工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種必備工具。在制造業(yè)、工程設(shè)計(jì)、電氣和電子電路、仿真模擬和動(dòng)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(yīng)用技術(shù)在我國的普及與不斷深入，CAD應(yīng)用技術(shù)已越來越成為促進(jìn)科研成果的開發(fā)和轉(zhuǎn)化、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化、推動(dòng)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、增強(qiáng)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力和競爭能力、加速國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

隨著掌握微機(jī)CAD系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)設(shè)計(jì)的技術(shù)隊(duì)伍不斷擴(kuò)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(jí)、二次開發(fā)、應(yīng)用培訓(xùn)等的技術(shù)支持。CAD技術(shù)的推廣已經(jīng)由“甩圖板”階段跨入到深化應(yīng)用階段，一些條件較好的企業(yè)，已從原來單機(jī)使用CAD軟件轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可以用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維圖的實(shí)體造型，在方案的初期配合三維造型完成各種圖像、動(dòng)畫，進(jìn)行方案的預(yù)演及匯報(bào)，并在設(shè)計(jì)過程中利用建好的模型進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期的目的。

CAD技術(shù)是一種綜合性技術(shù)，CAD技術(shù)的發(fā)展，除了機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和算法外，還帶動(dòng)了許多新的設(shè)計(jì)方法和理論的發(fā)展，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、專家系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、控制理論等。這些理論和方法的應(yīng)用，又進(jìn)一步提高了CAD技術(shù)，促進(jìn)了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。探索CAD軟件二次開發(fā)中的方法與技術(shù)，無疑是有現(xiàn)實(shí)意義的。

2．CAD軟件二次開發(fā)的現(xiàn)代技術(shù)

CAD軟件的開發(fā)也由早期的DOS, UNIX下的冗長繁瑣的程序設(shè)計(jì)變成了成熟軟件現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行的高起點(diǎn)的二次開發(fā)。國際和國內(nèi)知名的CAD軟件如Pro/E、UG等，都是商品化的通用平臺(tái)，基本上覆蓋了整個(gè)制造行業(yè)，但專業(yè)針對(duì)性差，因而不能滿足各種各樣具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要。在現(xiàn)代的CAD設(shè)計(jì)中，常選擇某種已有的實(shí)體建模軟件作為圖形支撐，某種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為底層數(shù)據(jù)環(huán)境，利用用戶界面工具，使用一種宿主語言，開發(fā)獨(dú)立的CAD系統(tǒng)。隨著CAD技術(shù)及其應(yīng)用水平的不斷完善和提升，必將對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

例如，當(dāng)我們繪制機(jī)械圖時(shí)，大量機(jī)械、電子等系列產(chǎn)品中，同一基本結(jié)構(gòu)形式的零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化圖形的繪制，形狀相似而細(xì)節(jié)上又有所差別的零件或是機(jī)構(gòu)簡圖中的基本圖元，比如一些螺母螺栓、齒輪凸輪機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)副、槽輪棘輪機(jī)構(gòu)等，若我們逐一繪制，顯然費(fèi)時(shí)費(fèi)力，事倍功半。系統(tǒng)自帶的圖塊及復(fù)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(duì)CAD進(jìn)行二次開發(fā)，建立常用基本圖元庫、標(biāo)準(zhǔn)件圖庫等，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪圖，以簡化繪圖過程，減少重復(fù)性工作，真正充分發(fā)揮CAD快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢。在工程設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的CAD技術(shù)缺乏智能性和創(chuàng)新性，已經(jīng)無法滿足實(shí)際發(fā)展的需要，所以將專家系統(tǒng)和人工智能應(yīng)用于CAD系統(tǒng)是非常必要的。

CAD軟件開發(fā)的目的是將設(shè)計(jì)出的軟件系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)工具。CAD技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的一個(gè)重要應(yīng)用就是參數(shù)化設(shè)計(jì)，能否實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)也成為評(píng)價(jià)CAD系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)。早期的CAD二次開發(fā)，過程化的參數(shù)化設(shè)計(jì)是采用較多的一種方法。當(dāng)今CAD技術(shù)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(shù)也正是基于這兩大理論之上。

目前，在CAD系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)中，面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法成為主導(dǎo)，該方法更能高效率反映客觀事物的內(nèi)在特性和內(nèi)在聯(lián)系，符合工程設(shè)計(jì)方法學(xué)，面向?qū)ο蠹夹g(shù)是API的主要形式。目前已有大量的面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸眠@些工具開發(fā)的應(yīng)用程序，可以通過對(duì)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(jù)和界面以對(duì)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(tái)和自主平臺(tái)兩類應(yīng)用軟件。成熟的現(xiàn)代CAD軟件一般都有供用戶進(jìn)行二次開發(fā)的接口，如AutoCAD是美國Autodesk公司開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與繪圖相結(jié)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(kuò)充系統(tǒng)功能。將AutoCAD和Visual Basic的功能結(jié)合在一起，可以創(chuàng)建非常好的應(yīng)用程序，從而在使用AutoCAD執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)時(shí)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建出正常情況下需要好幾個(gè)小時(shí)才能完成的圖形。

參數(shù)化設(shè)計(jì)更符合和貼近現(xiàn)代CAD中概念設(shè)計(jì)以及并行設(shè)計(jì)的思想，工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)開始階段可快速草擬產(chǎn)品的零件圖，通過對(duì)產(chǎn)品形狀及大小的約束最后精確成圖。同時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)還能夠使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建立標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)庫，極大地方便后續(xù)工作。同一系列產(chǎn)品的第二次設(shè)計(jì)可直接通過修改第一次設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)參數(shù)可以來自其他系統(tǒng)。設(shè)計(jì)參數(shù)不但可以驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果，而且影響產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)周期。參數(shù)化設(shè)計(jì)又是變量設(shè)計(jì)的前提，借助變量化設(shè)計(jì)思想可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)仿真模擬等。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)以及建庫工具的研究對(duì)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)和繪圖效率以及柔性化設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。