1、引言

　　80年代以來，特別是進入90年代以后，在計算機技術的強大支撐下，CAD技術發展非常迅速.CAD從出現到今天，經歷了從一維到三維的發展過程.CAD一開始只是幫助人們進行復雜的設計計算，設計結果只是一堆數據，即一維的CAD.為了將工程設計圖用計算機來實現，出現了二維CAD系統，它基本能滿足傳統工業生產的需要.隨著產品復雜性的增加和數控技術的發展，有的產品很難用二維工程圖來表示，而且二維工程圖的表示容易產生二義性;另一方面根據二維工程設計圖將無法實現三維的數控加工，例如汽輪機葉片、飛機機頭等的加工.由此產生了三維CAD，這是目前較流行的CAD軟件.根據產品開發設計、零件加工制作的需要，三維CAD已不能滿足人們的需要，現代產品設計開發希望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、銷售信息、產品生命周期信息等.因此，下一代的CAD應該是四維CAD，是數據較完備的CAD.回顧CAD的發展，其中一個重要的方向就是朝著數據的不斷完備發展的.在過去近40年的發展中，主要實現了圖形幾何數據的完備性，當今正逐步使非圖形幾何拓撲數據不斷地完備.這也是實現復雜產品開發設計、快速成形加工、CAD/CAPP/CAM集成的基礎.

　　2、解決問題的方法

　　由于生產和市場的需求，為了使CAD數據達到一定的完備性，許多學者進行了大量的研究工作.對于這一問題，較為流行的解決辦法是，用一個標準的數據模型表達CAD的數據.目前大家公認的比較好的標準數據模型是STEP(Standard for the Exchange of Product model data)標準.國際標準化組織于1984年設立了一個委員會ISOTC/18sc/14，以PDES為基礎，同時主要參考了美國的IGES、PDDI、PDES、法國的SEP、德國的VDAFS、歐洲的CAD*I等標準，開發了STEP標準.PDES(Product Data Exchange Specification)標準是IGES技術委員會吸取以前的經驗于1984年組織的一項研究，它不同于IGES，是為集成化系統發展的.用以定義零件或裝配件，使設計、分析、制造、試驗、檢驗及產品支持等等都能直接應用產品定義數據.在PDES基礎上開發出來的STEP標準，不僅包括曲線、曲面、實體、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.它覆蓋產品整個生命周期，如設計、制造、管理、測試及檢驗等所需要的全部信息.而且STEP還在不斷地豐富和完善，STEP將是一個實現CAD/CAPP/CAM集成的、較理想的數據交換標準[3].具有一定規模的CAD軟件公司，都聲稱開發了STEP標準的接口，這為用戶的開發提供了方便，使用STEP標準不失為一種完善CAD數據完備性的有效手段.但是，對于已有的工程設計，要使之符合STEP標準，需要進行大量的數據轉化工作.另外，對于沒有提供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數據，重新開發一套CAD系統是不現實的，目前大多采用在原CAD基礎上增加功能的方法來實現CAD數據的完備.由于解決問題的側重點不同，所以數據完備的側重點也不同.有的注重材料，試圖用CAD設計采用復合材料制成產品的組成結構，以實現快速成形加工.有的注重加工工藝，需要完備CAD的加工工藝數據，實現與CAPP、CAM等的數據交換等等.近期可望有各種分項的CAD數據完備性的研究成果出現，最終的發展將以四維的形式構建CAD的數據模型.本文將提出一個較為簡單的方法，使CAD數據達到一定的完備性.該方法的核心是利用原CAD軟件的開放性及開發功能，獲取或增加必要的CAD加工工藝數據.

　　3、實施方案分析

　　3.1　需要解決的具體問題

　　我們在進行CAD/CAPP/CAM的集成研究中，碰到了CAD與CAPP/CAM間進行數據交換的問題.目前商品CAD/CAM軟件實現的CAD/CAPP/CAM集成，嚴格地說是CAD/NC-CAPP-CAM的集成.而我們研究的項目是較廣義的CAD/CAPP/CAM集成，它不僅包含為數控加工設備生成NC代碼程序需要的NC-CAPP，還包含對傳統非數控加工制造進行工藝設計、生產調度和生產管理，生成符合我國標準的加工工藝文件等需要的CAPP.這就要求CAPP根據CAD的設計結果完成各類加工工藝的設計，CAD的設計圖形幾何拓撲信息已經可以采用OLE技術傳給CAPP，但是非幾何拓撲信息還不能直接獲得.CAPP的設計結果(如加工工序尺寸等)還應傳回CAD系統，CAD系統應能根據CAPP的設計結果對工程設計圖進行必要的修改，然后又將結果傳給CAPP.只有進行反復多次數據交換后，才能完成CAPP設計.在此需要解決的一個首要問題是，CAD加工工藝數據的完備性.要求CAD產品設計的數據中應包含大量的非幾何拓撲信息，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、材料、熱處理、加工技術要求等.為實現CAD數據完備性重構CAD系統，難度較大，對一般用戶而言還不具備開發的力量.本研究決定探索在原CAD軟件系統的統一構架上，根據實際需要，進行CAD數據完備性實施性研究.

　　3.2　可行性分析

　　要使CAD的數據在原有的基礎上得到進一步的完備，實現的必要條件是，原CAD系統必須具有一定的開放性或可開發性.這一點大多數商品CAD軟件都考慮到了，即使是具有STEP標準接口的CAD軟件也有開發功能模塊.研究中我們選擇了一種具有開發功能接口、暫時沒有STEP標準接口、在我國應用極為廣泛的CAD軟件作為研究的對象，說明如何使CAD的數據較為完備，如何解決一些可能碰到的技術問題.

　　AUTOCAD軟件在我國應用最為廣泛.凡有CAD應用的地方，幾乎都有AUTOCAD軟件.不少廠家的產品都是采用AUTOCAD來設計的.本研究要使CAD的數據在原有的基礎上加以完備，這對工廠的生產實踐具有一定的現實意義和指導意義.AUTOCAD軟件價格便宜，對硬件環境的要求不高，對用戶具有良好的開放性，升級后的AUTOCAD軟件對用戶的前期開發工作具有良好的繼承性，等等.選擇AUTOCAD作為研究對象，具有一定的普遍意義和普及推廣應用價值.

　　要使CAD的數據滿足加工工藝的要求，除了產品的幾何拓撲信息外，還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、熱處理等加工技術要求.在AUTOCAD中這些非圖形幾何信息是以3種形式儲存的，即“TEXT”或“MTEXT”(文本標注形式)、“DIMENSION”(尺寸標注形式)以及“ATTRIB”(屬性形式).其中“TEXT”(或“MTEXT”)形式、“ATTRIB”形式較為簡單，而“DIMENSION”形式較為復雜，下面就這2種形式的數據格式進行分析[4]，以找出獲得這些非圖形幾何信息的方法.

　　“TEXT”形式數據存儲格式：

　　((-1.　(0.“TEXT”)　　　　; 圖元類型

　　(8.“0”)　　　　　　; 圖層名

　　(10 8.0 6.0 0.0)　　; 文本的插入點

　　(40.0.2)　　　　　; 文本的高度

　　(1.“R50”)　　　　; 文本值

　　(50.0.0)　　　　　; 旋轉角度

　　(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)　　　　　　; 文本生成標志

　　(72.0)　　　　　　;水平定位選項

　　(73.0)　　　　　　;垂直定位選項

　　(210 0.0 0.0 1.0)　　; 拉伸矢量

　　)

　　“DIMENSION”形式數據存儲格式：

　　((-1.　(0.“DIMENSION”)　　　;圖元類型

　　(8.“0”)　　　　　　　;圖層名

　　(2.“*D0”)　　　　　　;無名塊名稱

　　(10 6.99385 7.05435 0.0)　　;尺寸樣式的定義點

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

　　(12 0.0 0.0 0.0)　　;針對Baseline與Continue標注的插入點

　　(70.0)　　　　;尺寸標注類型代碼

　　(1.“”)　　　;由用戶鍵入的尺寸標注文本值

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

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

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

　　(16 0.0 0.0 0.0)　　;角度尺寸標注的尺寸弧線定義點

　　(40.0.0)　　　　　　;引出線長度

　　(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

　　)

　　由以上圖元數據結構可知，對于“TEXT”形式，數據值是跟在組碼1后面的組值.對于“DIMENSION”形式，則分為2種情況，一種情況是，在尺寸標注時用戶鍵入了尺寸值，其數據值就是跟在組碼1后面的組值;另一種情況是，在尺寸標注時用戶確認了尺寸測量值，則組碼1后面的組值為空(“”)，其數據值以“無名塊”的形式隱含在“DIMENSION”圖元中.無名塊的結構與一般的塊結構不同，不能用查找“INSERT”圖元的方法訪問.

　　提取用“DIMENSION”形式標注的尺寸數據的方法有3種.第1種方法為直接提取法，條件是標注的尺寸是由用戶鍵入的，可采用直接提取組碼1后面的組值獲得數據.第2種方法為“炸開”提取法，先用“EXPLODE”命令，使“DIMENSION”形式標注的尺寸圖元“炸開”，分裂成單個的圖元，這時尺寸數據便成為“TEXT”形式的圖元，然后再采用提取“TEXT”圖元組碼1后面的組值，而獲得數據.第3種方法為訪問無名塊提取法，利用tlbserach函數(對于AUTOCAD R12以后的版本還可以利用nentsel函數)獲取進入無名塊的通道，再利用entnext函數獲取無名塊中的各個子圖元，從“TEXT”的子圖元提取組碼1后面的組值，而獲得數據.

　　第1種方法是有條件的提取法，有較大的局限性.第2種方法比較簡便，而且可以與“TEXT”的標注方式統一處理.缺點是破壞了原“DIMENSION”標注的結構，而且“無名塊”的“炸開”，將增大零件圖的存儲量.例如對一項普通的尺寸標注而言，“炸開”后，尺寸線、尺寸界線、箭頭等都將成為獨立的圖元實體.采用第2種方法的最大不足是，“DIMENSION”中無名塊的“炸開”將給以后的圖形修改帶來很大的麻煩.第3種方法編程較復雜，但保護了原“DIMENSION”標注的結構，尺寸數據仍然按無名塊的結構方式儲存，既提取了數據信息，又沒增加存儲量，是一個較好的方法.

　　3.3　ACAD上的實施

　　AUTOCAD本身帶有AUTOLISP用戶開發工具，R11.0以后的版本還支持用C語言來開發，這為用戶加入自己設計的功能提供了很好的條件.AUTOLISP具有很強的符號處理功能，下面就用它來開發獲取非圖形幾何信息的功能.

　　1)獲取“TEXT”圖元中的數值，其中namet為實體名

　　(setq ent(entget namet))　　　　　　;獲取圖元數據

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

　　(setq datum(cdr(assco 1 ent)));是文本則提取數據

　　)

　　2)獲取“DIMENSION”圖元中的數值.利用tlbserach函數編制訪問無名塊提取法的程序段，這樣在R10以上的版本中都可以運行.

　　(setq ent(car(entsel)));選擇尺寸標注圖元，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)));取出塊中第一個子圖元名

　　(while(/=entname nil)　　　　若有子圖元則繼續

　　(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;若為文本子圖元則繼續

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

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

　　(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　　　　;若為文本子圖元則繼續

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

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

　　(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，則提取文本數值(上偏差)

　　)　　　　　　　　;提取上偏差結束

　　)　　　　　　　　　　;提取下偏差結束

　　)　　　　　　　　　　;提取尺寸數值結束

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

　　3.4　實施效果

　　完備CAD加工工藝數據后，為實現CAD與CAPP間的加工工藝數據的交換打下了良好的基礎，CAPP可獲得從CAD傳來的工程圖形(幾何拓撲信息)及加工工藝信息(非幾何拓撲信息)，以實現產品的計算機輔助加工工藝設計.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，并實現了自動地修改工序圖所需的工序數據，完成了CAD與CAPP的集成.

　　4、結束語

　　本文提出了CAD數據完備性的設想，指出CAD可能從三維發展到四維，這是產品開發設計、零件加工制作的需要.根據這一設想，在AUTOCAD軟件上進行了具體的實施研究，找出了實施中需要解決問題的關節點，為工廠在現有CAD技術資料的基礎上，完備CAD數據，使現有技術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平臺上實現CAD/CAPP/CAM的集成提供了重要基礎.