1、引言

　　80年代以來(lái)，特別是進(jìn)入90年代以后，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)大支撐下，CAD技術(shù)發(fā)展非常迅速.CAD從出現(xiàn)到今天，經(jīng)歷了從一維到三維的發(fā)展過(guò)程.CAD一開(kāi)始只是幫助人們進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果只是一堆數(shù)據(jù)，即一維的CAD.為了將工程設(shè)計(jì)圖用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了二維CAD系統(tǒng)，它基本能滿(mǎn)足傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的需要.隨著產(chǎn)品復(fù)雜性的增加和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，有的產(chǎn)品很難用二維工程圖來(lái)表示，而且二維工程圖的表示容易產(chǎn)生二義性;另一方面根據(jù)二維工程設(shè)計(jì)圖將無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維的數(shù)控加工，例如汽輪機(jī)葉片、飛機(jī)機(jī)頭等的加工.由此產(chǎn)生了三維CAD，這是目前較流行的CAD軟件.根據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、零件加工制作的需要，三維CAD已不能滿(mǎn)足人們的需要，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)希望CAD中能包含更多的信息，如加工工藝信息、裝配工藝信息、性能信息、銷(xiāo)售信息、產(chǎn)品生命周期信息等.因此，下一代的CAD應(yīng)該是四維CAD，是數(shù)據(jù)較完備的CAD.回顧C(jī)AD的發(fā)展，其中一個(gè)重要的方向就是朝著數(shù)據(jù)的不斷完備發(fā)展的.在過(guò)去近40年的發(fā)展中，主要實(shí)現(xiàn)了圖形幾何數(shù)據(jù)的完備性，當(dāng)今正逐步使非圖形幾何拓?fù)鋽?shù)據(jù)不斷地完備.這也是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、快速成形加工、CAD/CAPP/CAM集成的基礎(chǔ).

　　2、解決問(wèn)題的方法

　　由于生產(chǎn)和市場(chǎng)的需求，為了使CAD數(shù)據(jù)達(dá)到一定的完備性，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作.對(duì)于這一問(wèn)題，較為流行的解決辦法是，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型表達(dá)CAD的數(shù)據(jù).目前大家公認(rèn)的比較好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型是STEP(Standard for the Exchange of Product model data)標(biāo)準(zhǔn).國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1984年設(shè)立了一個(gè)委員會(huì)ISOTC/18sc/14，以PDES為基礎(chǔ)，同時(shí)主要參考了美國(guó)的IGES、PDDI、PDES、法國(guó)的SEP、德國(guó)的VDAFS、歐洲的CAD*I等標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)了STEP標(biāo)準(zhǔn).PDES(Product Data Exchange Specification)標(biāo)準(zhǔn)是IGES技術(shù)委員會(huì)吸取以前的經(jīng)驗(yàn)于1984年組織的一項(xiàng)研究，它不同于IGES，是為集成化系統(tǒng)發(fā)展的.用以定義零件或裝配件，使設(shè)計(jì)、分析、制造、試驗(yàn)、檢驗(yàn)及產(chǎn)品支持等等都能直接應(yīng)用產(chǎn)品定義數(shù)據(jù).在PDES基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的STEP標(biāo)準(zhǔn)，不僅包括曲線、曲面、實(shí)體、形狀特征等幾何信息，還包括許多非幾何信息，如公差、表面粗糙度、材料等.它覆蓋產(chǎn)品整個(gè)生命周期，如設(shè)計(jì)、制造、管理、測(cè)試及檢驗(yàn)等所需要的全部信息.而且STEP還在不斷地豐富和完善，STEP將是一個(gè)實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成的、較理想的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)[3].具有一定規(guī)模的CAD軟件公司，都聲稱(chēng)開(kāi)發(fā)了STEP標(biāo)準(zhǔn)的接口，這為用戶(hù)的開(kāi)發(fā)提供了方便，使用STEP標(biāo)準(zhǔn)不失為一種完善CAD數(shù)據(jù)完備性的有效手段.但是，對(duì)于已有的工程設(shè)計(jì)，要使之符合STEP標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作.另外，對(duì)于沒(méi)有提供STEP接口的CAD軟件，要加上STEP功能，也不是一件容易的事.

　　總而言之，為了獲得較完備的CAD數(shù)據(jù)，重新開(kāi)發(fā)一套CAD系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，目前大多采用在原CAD基礎(chǔ)上增加功能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)的完備.由于解決問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)不同，所以數(shù)據(jù)完備的側(cè)重點(diǎn)也不同.有的注重材料，試圖用CAD設(shè)計(jì)采用復(fù)合材料制成產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)快速成形加工.有的注重加工工藝，需要完備CAD的加工工藝數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與CAPP、CAM等的數(shù)據(jù)交換等等.近期可望有各種分項(xiàng)的CAD數(shù)據(jù)完備性的研究成果出現(xiàn)，最終的發(fā)展將以四維的形式構(gòu)建CAD的數(shù)據(jù)模型.本文將提出一個(gè)較為簡(jiǎn)單的方法，使CAD數(shù)據(jù)達(dá)到一定的完備性.該方法的核心是利用原CAD軟件的開(kāi)放性及開(kāi)發(fā)功能，獲取或增加必要的CAD加工工藝數(shù)據(jù).

　　3、實(shí)施方案分析

　　3.1　需要解決的具體問(wèn)題

　　我們?cè)谶M(jìn)行CAD/CAPP/CAM的集成研究中，碰到了CAD與CAPP/CAM間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題.目前商品CAD/CAM軟件實(shí)現(xiàn)的CAD/CAPP/CAM集成，嚴(yán)格地說(shuō)是CAD/NC-CAPP-CAM的集成.而我們研究的項(xiàng)目是較廣義的CAD/CAPP/CAM集成，它不僅包含為數(shù)控加工設(shè)備生成NC代碼程序需要的NC-CAPP，還包含對(duì)傳統(tǒng)非數(shù)控加工制造進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)管理，生成符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的加工工藝文件等需要的CAPP.這就要求CAPP根據(jù)CAD的設(shè)計(jì)結(jié)果完成各類(lèi)加工工藝的設(shè)計(jì)，CAD的設(shè)計(jì)圖形幾何拓?fù)湫畔⒁呀?jīng)可以采用OLE技術(shù)傳給CAPP，但是非幾何拓?fù)湫畔⑦€不能直接獲得.CAPP的設(shè)計(jì)結(jié)果(如加工工序尺寸等)還應(yīng)傳回CAD系統(tǒng)，CAD系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)CAPP的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)圖進(jìn)行必要的修改，然后又將結(jié)果傳給CAPP.只有進(jìn)行反復(fù)多次數(shù)據(jù)交換后，才能完成CAPP設(shè)計(jì).在此需要解決的一個(gè)首要問(wèn)題是，CAD加工工藝數(shù)據(jù)的完備性.要求CAD產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中應(yīng)包含大量的非幾何拓?fù)湫畔ⅲ绯叽绻睢⑿挝还睢⒈砻娲植诙取⒉牧稀崽幚怼⒓庸ぜ夹g(shù)要求等.為實(shí)現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)完備性重構(gòu)CAD系統(tǒng)，難度較大，對(duì)一般用戶(hù)而言還不具備開(kāi)發(fā)的力量.本研究決定探索在原CAD軟件系統(tǒng)的統(tǒng)一構(gòu)架上，根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)完備性實(shí)施性研究.

　　3.2　可行性分析

　　要使CAD的數(shù)據(jù)在原有的基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步的完備，實(shí)現(xiàn)的必要條件是，原CAD系統(tǒng)必須具有一定的開(kāi)放性或可開(kāi)發(fā)性.這一點(diǎn)大多數(shù)商品CAD軟件都考慮到了，即使是具有STEP標(biāo)準(zhǔn)接口的CAD軟件也有開(kāi)發(fā)功能模塊.研究中我們選擇了一種具有開(kāi)發(fā)功能接口、暫時(shí)沒(méi)有STEP標(biāo)準(zhǔn)接口、在我國(guó)應(yīng)用極為廣泛的CAD軟件作為研究的對(duì)象，說(shuō)明如何使CAD的數(shù)據(jù)較為完備，如何解決一些可能碰到的技術(shù)問(wèn)題.

　　AUTOCAD軟件在我國(guó)應(yīng)用最為廣泛.凡有CAD應(yīng)用的地方，幾乎都有AUTOCAD軟件.不少?gòu)S家的產(chǎn)品都是采用AUTOCAD來(lái)設(shè)計(jì)的.本研究要使CAD的數(shù)據(jù)在原有的基礎(chǔ)上加以完備，這對(duì)工廠的生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義.AUTOCAD軟件價(jià)格便宜，對(duì)硬件環(huán)境的要求不高，對(duì)用戶(hù)具有良好的開(kāi)放性，升級(jí)后的AUTOCAD軟件對(duì)用戶(hù)的前期開(kāi)發(fā)工作具有良好的繼承性，等等.選擇AUTOCAD作為研究對(duì)象，具有一定的普遍意義和普及推廣應(yīng)用價(jià)值.

　　要使CAD的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足加工工藝的要求，除了產(chǎn)品的幾何拓?fù)湫畔⑼猓€需要尺寸及其精度要求、形位公差、表面粗糙度等幾何精度要求、材料、熱處理等加工技術(shù)要求.在AUTOCAD中這些非圖形幾何信息是以3種形式儲(chǔ)存的，即“TEXT”或“MTEXT”(文本標(biāo)注形式)、“DIMENSION”(尺寸標(biāo)注形式)以及“ATTRIB”(屬性形式).其中“TEXT”(或“MTEXT”)形式、“ATTRIB”形式較為簡(jiǎn)單，而“DIMENSION”形式較為復(fù)雜，下面就這2種形式的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析[4]，以找出獲得這些非圖形幾何信息的方法.

　　“TEXT”形式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式：

　　((-1.　(0.“TEXT”)　　　　; 圖元類(lèi)型

　　(8.“0”)　　　　　　; 圖層名

　　(10 8.0 6.0 0.0)　　; 文本的插入點(diǎn)

　　(40.0.2)　　　　　; 文本的高度

　　(1.“R50”)　　　　; 文本值

　　(50.0.0)　　　　　; 旋轉(zhuǎn)角度

　　(41.1.0)　　　　　;文本縮放比例因子

　　(51.0.0)　　　　　;文本傾斜角度

　　(7.“STANDARD”) 　; 文本字型名

　　(71.0)　　　　　　; 文本生成標(biāo)志

　　(72.0)　　　　　　;水平定位選項(xiàng)

　　(73.0)　　　　　　;垂直定位選項(xiàng)

　　(210 0.0 0.0 1.0)　　; 拉伸矢量

　　)

　　“DIMENSION”形式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式：

　　((-1.　(0.“DIMENSION”)　　　;圖元類(lèi)型

　　(8.“0”)　　　　　　　;圖層名

　　(2.“*D0”)　　　　　　;無(wú)名塊名稱(chēng)

　　(10 6.99385 7.05435 0.0)　　;尺寸樣式的定義點(diǎn)

　　(11 5.86265 7.05435 0.0)　　;尺寸標(biāo)注文本的中點(diǎn)

　　(12 0.0 0.0 0.0)　　;針對(duì)Baseline與Continue標(biāo)注的插入點(diǎn)

　　(70.0)　　　　;尺寸標(biāo)注類(lèi)型代碼

　　(1.“”)　　　;由用戶(hù)鍵入的尺寸標(biāo)注文本值

　　(13 4.73145 7.31522 0.0)　;線性型和角度型尺寸標(biāo)注的定義點(diǎn)

　　(14 6.79385 7.20652 0.0)　;線性型和角度型尺寸標(biāo)注的定義點(diǎn)

　　(15 0.0 0.0 0.0)　;直徑型、半徑型和角度型尺寸標(biāo)注的定義點(diǎn)

　　(16 0.0 0.0 0.0)　　;角度尺寸標(biāo)注的尺寸弧線定義點(diǎn)

　　(40.0.0)　　　　　　;引出線長(zhǎng)度

　　(50.0.0)　　　　　　;角度

　　(51.0.0)　　　　　　;水平方向

　　(52.0.0)　　　　　　;尺寸界線角度

　　(53.0.0)　　　　　　;尺寸文本旋轉(zhuǎn)角度

　　(210 0.0 0.0 1.0)　　;拉伸矢量

　　(3.“*UNNAMED”)　　;尺寸樣式名

　　)

　　由以上圖元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，對(duì)于“TEXT”形式，數(shù)據(jù)值是跟在組碼1后面的組值.對(duì)于“DIMENSION”形式，則分為2種情況，一種情況是，在尺寸標(biāo)注時(shí)用戶(hù)鍵入了尺寸值，其數(shù)據(jù)值就是跟在組碼1后面的組值;另一種情況是，在尺寸標(biāo)注時(shí)用戶(hù)確認(rèn)了尺寸測(cè)量值，則組碼1后面的組值為空(“”)，其數(shù)據(jù)值以“無(wú)名塊”的形式隱含在“DIMENSION”圖元中.無(wú)名塊的結(jié)構(gòu)與一般的塊結(jié)構(gòu)不同，不能用查找“INSERT”圖元的方法訪問(wèn).

　　提取用“DIMENSION”形式標(biāo)注的尺寸數(shù)據(jù)的方法有3種.第1種方法為直接提取法，條件是標(biāo)注的尺寸是由用戶(hù)鍵入的，可采用直接提取組碼1后面的組值獲得數(shù)據(jù).第2種方法為“炸開(kāi)”提取法，先用“EXPLODE”命令，使“DIMENSION”形式標(biāo)注的尺寸圖元“炸開(kāi)”，分裂成單個(gè)的圖元，這時(shí)尺寸數(shù)據(jù)便成為“TEXT”形式的圖元，然后再采用提取“TEXT”圖元組碼1后面的組值，而獲得數(shù)據(jù).第3種方法為訪問(wèn)無(wú)名塊提取法，利用tlbserach函數(shù)(對(duì)于AUTOCAD R12以后的版本還可以利用nentsel函數(shù))獲取進(jìn)入無(wú)名塊的通道，再利用entnext函數(shù)獲取無(wú)名塊中的各個(gè)子圖元，從“TEXT”的子圖元提取組碼1后面的組值，而獲得數(shù)據(jù).

　　第1種方法是有條件的提取法，有較大的局限性.第2種方法比較簡(jiǎn)便，而且可以與“TEXT”的標(biāo)注方式統(tǒng)一處理.缺點(diǎn)是破壞了原“DIMENSION”標(biāo)注的結(jié)構(gòu)，而且“無(wú)名塊”的“炸開(kāi)”，將增大零件圖的存儲(chǔ)量.例如對(duì)一項(xiàng)普通的尺寸標(biāo)注而言，“炸開(kāi)”后，尺寸線、尺寸界線、箭頭等都將成為獨(dú)立的圖元實(shí)體.采用第2種方法的最大不足是，“DIMENSION”中無(wú)名塊的“炸開(kāi)”將給以后的圖形修改帶來(lái)很大的麻煩.第3種方法編程較復(fù)雜，但保護(hù)了原“DIMENSION”標(biāo)注的結(jié)構(gòu)，尺寸數(shù)據(jù)仍然按無(wú)名塊的結(jié)構(gòu)方式儲(chǔ)存，既提取了數(shù)據(jù)信息，又沒(méi)增加存儲(chǔ)量，是一個(gè)較好的方法.

　　3.3　ACAD上的實(shí)施

　　AUTOCAD本身帶有AUTOLISP用戶(hù)開(kāi)發(fā)工具，R11.0以后的版本還支持用C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)，這為用戶(hù)加入自己設(shè)計(jì)的功能提供了很好的條件.AUTOLISP具有很強(qiáng)的符號(hào)處理功能，下面就用它來(lái)開(kāi)發(fā)獲取非圖形幾何信息的功能.

　　1)獲取“TEXT”圖元中的數(shù)值，其中namet為實(shí)體名

　　(setq ent(entget namet))　　　　　　;獲取圖元數(shù)據(jù)

　　(if(equal(cdr(assco 0 ent))“TEXT”);判別是否為文本

　　(setq datum(cdr(assco 1 ent)));是文本則提取數(shù)據(jù)

　　)

　　2)獲取“DIMENSION”圖元中的數(shù)值.利用tlbserach函數(shù)編制訪問(wèn)無(wú)名塊提取法的程序段，這樣在R10以上的版本中都可以運(yùn)行.

　　(setq ent(car(entsel)));選擇尺寸標(biāo)注圖元，并獲得圖元名

　　(setq entt(entget ent‘(“ACAD”)));獲得圖元定義表

　　(setq named(cdr(assoc 2 entt)));獲取無(wú)名塊的塊名

　　(setq head(tblsearch“BLOCK”named));取出塊頭信息

　　(setq entname(cdr(assoc -2 head)));取出塊中第一個(gè)子圖元名

　　(while(/=entname nil)　　　　若有子圖元?jiǎng)t繼續(xù)

　　(setq ent(entget entname));取出塊中子圖元的定義表

　　(if(equal(cdr(assco 0 ent))“TEXT”);判別是否為文本子圖元

　　(progn;若為文本子圖元?jiǎng)t繼續(xù)

　　(setq datuml(cdr(assco 1 ent)));提取文本數(shù)值(尺寸數(shù)值)

　　(setq entname(entnext entname));取出下一個(gè)子圖元名

　　(setq ent(entget entname));取出子圖元的定義表

　　(if(equal(cdr(assco 0 ent))“TEXT”);判別是否為文本子圖元

　　(progn　　　　;若為文本子圖元?jiǎng)t繼續(xù)

　　(setq datum2(cdr(assco 1 ent)));提取文本數(shù)值(下偏差)

　　(setq entname(entnext entname));再取出下一個(gè)子圖元名

　　(setq ent(entget entname));取出子圖元的定義表

　　(if(equal(cdr(assco 0 ent))“TEXT”);是否為文本子圖元

　　(setq datum3(cdr(assco 1 ent)));是，則提取文本數(shù)值(上偏差)

　　)　　　　　　　　;提取上偏差結(jié)束

　　)　　　　　　　　　　;提取下偏差結(jié)束

　　)　　　　　　　　　　;提取尺寸數(shù)值結(jié)束

　　(setq entname(entnext entname));取出下一個(gè)子圖元名)

　　3.4　實(shí)施效果

　　完備CAD加工工藝數(shù)據(jù)后，為實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP間的加工工藝數(shù)據(jù)的交換打下了良好的基礎(chǔ)，CAPP可獲得從CAD傳來(lái)的工程圖形(幾何拓?fù)湫畔?及加工工藝信息(非幾何拓?fù)湫畔?，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助加工工藝設(shè)計(jì).CAD能從CAPP獲取加工工序尺寸、工序尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等信息，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)地修改工序圖所需的工序數(shù)據(jù)，完成了CAD與CAPP的集成.

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了CAD數(shù)據(jù)完備性的設(shè)想，指出CAD可能從三維發(fā)展到四維，這是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、零件加工制作的需要.根據(jù)這一設(shè)想，在AUTOCAD軟件上進(jìn)行了具體的實(shí)施研究，找出了實(shí)施中需要解決問(wèn)題的關(guān)節(jié)點(diǎn)，為工廠在現(xiàn)有CAD技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，完備CAD數(shù)據(jù)，使現(xiàn)有技術(shù)資料得到充分的利用提供了很好的參考.為在普通通用的軟件系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的集成提供了重要基礎(chǔ).