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    "title": "基于对象的机械 CAD 知识表达模型",
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        "徐彦欣,刘转华"
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    "content": "基于对象的机械CAD 知识表达模型\n徐彦欣\n（西南交通大学 机械工程学院 成都 610031）\n刘转华\n（西南交通大学 峨眉分校 四川峨眉 614202）\n【摘 要】 分析了传统机械CAD 系统由于采用将数据和对数据的操作分离的知识表达方式而无\n法完整地表达设计对象的完整性的缺点。采用面向对象的知识表达方式将机械CAD\n中涉及的知识封装在类结构中，充分利用类的继承、重载和扩充性，建立了机械CAD\n的知识表示模型。\n【关键词】 机械；计算机辅助设计；面向对象；知识表示\n【分类号】 T P391．72；T H128\n1 传统机械CAD 模型的弊端\n  在机械工业自动化领域，利用计算机代替人进行机械产品的设计已被普遍采用，这方面的\nCAD 系统也不少见。这种系统一般是根据用户需求，确定产品类型，而后选取设计参数，利用\n已有参数校核零部件性能。如果达到要求，则生成设计图纸。机械CAD 系统中普遍存在一个\n问题，就是如何对设计的产品及其设计过程进行描述。传统是将产品或零件的特征参数和设计\n过程分离开来，通过参数向设计过程（如某个强度校核函数）中传递信息，生成下一个设计状态\n（属性集合）\n［1］。这种把零件结构特征（数据）与对零件数据进行操作（零件的行为特征）分开来\n的设计模型，忽略了零件特征的完整性，由此建立起来的CAD 系统也会带来使用、维护和理\n解上的困难。对具有相似特征的零件的设计，也必须采用不同的设计过程来处理，而不能利用\n其相似性简化设计过程。\n2 基于对象的知识表示方法\n  可以把机械设计过程理解为问题空间的求解，而问题空间状态的进化即为具体零件的不\n完整描述到完整描述的过程。例如齿轮的设计从模数、齿形的选择到强度校核、工艺过程的生\n成是一个逐渐完善的过程。各种方法（如强度校核公式等）逐渐完善齿轮的各部分参数，这是一\n个问题空间的求解过程。在这种问题空间的分析建模中，采用面向对象的概念模型反映客观事\n物的状态及其行为（方法），把问题领域看成由一组对象集合和对象间的联系组成。每个对象作\n为可单独理解和单独实现的逻辑实体，不仅具有状态结构特性，而且具有动态行为特征，并包\n收稿日期：1997-08-14  徐彦欣：男，1966年生，讲师，硕士。\n第33卷 第2期\n1998年4月\n西 南 交 通 大 学 学 报\nJOURNAL OF SOUT HWEST JIAOT ONG UNIVERSIT Y\nVol．33 No．2\nApr． 1998\n含一系列的操作（方法）。对象间的联系通过消息传递。在任一时刻，对象和对象间的联系构成\n了问题空间的即定状态。当对象间发生作用和消息传递时，引起状态的改变。状态的不断变化\n使得问题对象从初始状态过渡到目标状态。系统的目标就是通过对象间的消息传递和相互作\n用引起状态变化得到实现。从狭义上讲，建立概念模型就是从问题空间出发，以对象作为基本\n概念，通过结构抽象和行为抽象，得到由对象所构成的多维层次结构，形成问题域完整的语义\n描述。\n不同于将数据和设计过程分开的方法，面向对象的知识表示方法是将设计过程中的数据\n和方法封装在称之为类的数据结构之中。任何事物都是对象，从单一的零件如齿轮、螺栓，到整\n部机器如减速器、汽车等。复杂的对象可以由简单的对象以某种方式组合而成。为达到某种目\n的而由对象组成的系统中，最复杂的对象往往是从最原始的对象开始，经过层层组合而成。\n3 机械设计知识的面向对象表示\n3．1 机械设计知识的分类\n机械产品CAD／CAM 知识可分为静态的标准信息数据（如标准零部件数据、材料标准数\n据等）、动态的设计生成数据（用以描述设计结果和各设计子系统间的信息交换数据）对这些数\n据进行操作的各种计算程序等\n［2］。\n（1）零部件／产品模型数据\n包括基本体系和零部件的几何形状、拓扑信息、几何变换等几何描述数据，以及与零部件\n实体相连的物性描述数据。\n（2）工程设计数据和文字数据\n这是设计和加工过程中所涉及到的繁多的非图形数据和文字数据。这里主要是所设计产\n品的结构参数与性能参数及作为基本参数的标准数据。\n（3）工程图纸数据\n包括二维图纸本身的描述性数据和制图国家标准等资料数据。\n（4）知识与推理规则\n这类特殊的知识，其目的是将机械设计领域中的经验归入CAD 系统中，形成智能CAD。\n（5）工艺加工数据\n这是一类专门为CAD／CAM 工艺加工阶段服务的数据，有金属切削工艺数据、磨削工艺\n数据、热处理工艺数据等。\n（6）管理信息数据\n在高度集成的CAD／CAM 系统中，还应包括生产活动各个环节的信息数据。\n（7）程序文件及其他\n包括各种技术文件，通用及专用零部件的设计程序等。\n3．2 面向对象的知识表示\n3．2．1 关系表格类\n这是一类应用范围极广的数据类型，它采用元组（T uple）作为描述实体的基本单位，而元\n175\n第2期        徐彦欣等：基于对象的机械CAD 知识表达模型\n组则是由属性（或称字段Field）构成的。当用关系描述实体时，实体之间的联系表现为元组之\n间或关系表格之间的联系，而实体内部的联系则体现为同一元组中不同属性之间的联系。用关\n系表格类对象可以存放各种国标零件所对应的数据表格和用户在设计过程中生成的各种工程\n数据表格。用C＋＋语言定义如下：\nclass dbfobj ｛\n｛抽象关系表格类｝\n  char dbfname［12］；\n｛关系表格名｝\n  FILE＊dbffile；\n｛数据库文件｝\n  int strulen；\n｛结构段长度｝\n  int recolen；\n｛记录长度｝\n  void dbfobj（void）；\n｛初始化｝\n  virtual void use （void）；\n｛打开数据库文件｝\n  virtual void list（void）；\n｛列表显示关系表｝\n  virtual void delete（void）；\n｛删除元组｝\n  virtual void insert（void）；\n｛插入元组］\n  virtual void index（void）；\n｛建立索引｝\n  virtual void find（void）；\n｛检索元组｝\n｝；\n｛类定义结束｝\n  在该对象类的定义中，不但定义了关系表格的基本数据字段，而且还定义了针对关系表格\n数据字段的基本操作方法，从而使数据和方法有机地结合在同一个对象中。dbfobj 是对所有关\n系表格对象的一种高度抽象和概括。在实际应用中，还可以根据不同关系表格的特点，分别定\n义一些dbfobj 的子类。C＋＋关键字virtual 的意义就在于子类的同名方法可以重新定义。\n3．2．2 图形对象类\n图形数据是机械设计中所要处理的主要对象。在机械CAD／CAM 中，从产品零件的构想\n设计到计算分析，从计算机仿真到NC 数控直至绘制工程图样，主要都是围绕图形数据展开\n的。对图形数据按其特点划分为：基本图形实体（点、直线、圆弧、文字等），组合图形实体（图块\n等）和有名实体（层、字型等）。图象对象类定义如下：\nclass dwgobj ｛\n｛抽象图形类｝\n  char dwgname［12］；\n｛图形名称｝\n  FILE ＊dwgfile；\n｛图形文件｝\n  ENDT HEAD＿T YPE entityhead；\n｛实体头部字段｝\n  virtual void getndxtitle（void）；\n｛读取索引及标题段数据｝\n  virtual void getentinfo（void）；\n｛读取实体段数据｝\n  virtual void entheadproc（void）；\n｛实体头部处理｝\n  virtual void entlineproc（void）；\n｛直线实体处理｝\n  virtual void entpointproc（void）；\n｛点实体处理｝\n  virutal void outdxf（void）；\n｛输出AUT OCAD 的DXF 文件｝\n  virtual void savedwg（void）；\n｛存储图形｝\n｝；\n｛类定义结束｝\n176\n西 \n南 \n交 \n通 \n大 \n学 \n学 \n报       第33卷\n  图形存储格工可以采用标准的AUT OCAD 软件的DWG 文件格式，也可以采用自定义格\n式。\n3．2．3 文本类\n文本数据主要用于存放机械设计规范和一些说明性的文字资料。对文本类数据的操作一\n般有显示、编辑和打印。对文本类的说明如下：\nclass txtobj ｛\n｛抽象文本类｝\n  char txtname［12］；\n｛文本名称｝\n  T EXT txtfile；\n｛T EXT 文件｝\n  virtual void edit（void）；\n｛编辑文本｝\n  virtual void print（void）；\n｛打印文本｝\n  virtual void save（void）；\n｛文本存盘｝\n｝；\n｛类定义结束｝\n3．2．4 图象类\n图象类数据可以用来表示机械设计中经常使用的一些曲线图表。利用扫描仪将图表曲线\n扫描为图象数据，对图象进行杂讯处理、细化、剪枝、网格消除以及矢量化跟踪。自动查找设计\n参数，是图象类操作的主要内容。图象的存储可以采用标准的BM P，PCX，T IFF 和GIF 等格\n工\n［3］。图象类定义如下：\nclass imgobj｛\n｛抽象图象类｝\n  char imgname［12］；\n｛图象名称｝\n  FILE ＊imgfile；\n｛图象格式文件｝\n  virtual void scan（void）；\n｛扫描图象｝\n  virtual void display（void）；\n｛显示图象｝\n  virtual void process（void）；\n｛图象处理，包括细化、矢量化等｝\n  virtual void search（void）；\n｛图表查询｝\n｝；\n｛类定义结束｝\n  以上定义了机械设计CAD 中常用的几个基本类，对于具体的机械设计领域可以由这些\n基本类派生相应的子类，还可以用这些基础类生成复杂的类。\n4 结束语\n  针对机械设计知识的复杂特点，采用面向对象的方法表示，不但可以减少知识库的冗余，\n而且还可以将相似知识按类划分，把类的属性及其方法（函数）封装起来，子类可以继承其超类\n（父类）的属性和方法，也可把几个类组合而成复杂类。这样不但可以提高机械CAD 系统的重\n用性，而且将大大提高系统的可维护性、数据的安全性、软件的可读性。与语义网络、框架系统\n等结构化的知识表示方法相比，面向对象的知识表示方法是最结构化的方法，特别适合于大型\n知识系统的开发与维护。\n177\n第2期        徐彦欣等：基于对象的机械CAD 知识表达模型\n参 考 文 献\n1 戚昌滋．机械现代设计方法学．北京：中国建筑工业出版社，1987；56－60\n2 卢跃平．面向对象工程数据库开发工具的研究与实践．硕士学位论文．西南交通大学，1993\n3 韦晓峰．工程数据库中的图形处理技术的研究．硕士学位论文．西南交通大学，1993\nAn Object┐Oriented Model for Knowledge\nRepresentation of Mechanical CAD\nX u Yanxin\n（School of M echanical Eng．，Southeset Jiaotong U niversity，Chengdu 610031，China）\nL iu Zhuanhua\n（Emei Branch，Southw est Jiaotong U niversity，Emei，Sichuan 614202，China）\n【Abstract 】 Some shortcomings of traditional mechanical CAD systems are dis-\ncussed，in which databases and the operation of the data are seper-\nated，so that the integrity of the object to be designed could not be\nassured．Based on the discussion，an object-oriented model for re-\npressertation of a mechanical CAD system is proposed．It encapsu-\nlates knowledge into class structures by employing object-oriented\nknowledge representation method，and makes full use of inheri-\ntance，multi-loading and expandability．\n【Keywords】 \nmechinery；computer aided design；object-oriented；knowledge rep-\nresentation\n“铁路三大系统企业评价及统计监控的研究”\n荣获铁道部科学技术进步三等奖\n由西南交通大学完成的“铁路三大系统企业评价及统计监控的研究”项目荣获1997年铁道\n部科学技术进步三等奖。该项成果是以铁路运输、工业、建筑三大系统企业为对象，按部、局（公\n司）、分局（工厂、工程局）三个层次，以计算机应用为手段，分别建立企业评价和统计监控系统，\n供各级管理部门对统计数据进行全面、快速、准确的分析。\n这一研究成果发展了企业动态评价技术，完善了企业动态监控技术；首创投入产出聚类分\n析模型；提出了独创性的时间序列回归预测技术－－超灰色预测模型，为铁路各级领导和管理\n部门掌握信息、预测未来、实施宏观调控提供综合咨询和决策支持。\n编辑部\n178\n西 \n南 \n交 \n通 \n大 \n学 \n学 \n报       第33卷\n"
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