基于ObjectARX實現(xiàn)特征建模的方法

魏永樂， 晁彩霞

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)在機械、建筑、電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，可以加快產(chǎn)品開發(fā)進程、提高生產(chǎn)效率、縮短開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)競爭力。而實現(xiàn)CAD/CAM集成的關(guān)鍵是建立一個包含產(chǎn)品全生命周期各階段信息的產(chǎn)品信息模型，而基于特征的產(chǎn)品信息模型除了包含產(chǎn)品的幾何信息外，還包含材料、精度等制造信息，可以更好地表達產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)管理信息。所以，建立基于特征的產(chǎn)品信息模型被認為是實現(xiàn) CAD/CAM 集成的根本途徑。由于獨立開發(fā)一個基于特征的建模系統(tǒng)需要花費大量的時間和人力，因此，在現(xiàn)有 CAD系統(tǒng)基礎(chǔ)上研究特征建模是實現(xiàn)中小企業(yè)CAD/CAM集成的一條捷徑。

AutoCAD作為通用的CAD軟件以其功能強大、使用靈活、二次開發(fā)方便等優(yōu)點在機械、電子、建筑等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用?？紤]到AutoCAD系統(tǒng)在中小企業(yè)應(yīng)用的廣泛性及其良好通用性和開放性，并且具有實體造型功能，本文將討論在AutoCAD系統(tǒng)平臺上，利用功能強大的ObjectARX開發(fā)工具和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，實現(xiàn)特征建模的方法。

1 特征建模概述

特征是零件或產(chǎn)品在設(shè)計和制造中抽象出來的屬性、功能、關(guān)系和數(shù)據(jù)的集合[1]。

1.1 特征的分類

不同的應(yīng)用領(lǐng)域，特征的抽象和分類方法有所不同。根據(jù)機械零件圖樣信息和加工工藝信息，可將特征分為以下幾種類型[2]：

（1）管理特征 與零件管理相關(guān)的信息集合，包括標題欄信息、材料等信息。

（2）技術(shù)特征 與零件的性能和技術(shù)要求等相關(guān)的信息集合。

（3）材料熱處理特征 與零件材料和熱處理相關(guān)的信息集合。

（4）精度特征 與零件精度相關(guān)的信息集合，如尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。

（5）形狀特征 與零件幾何形狀、尺寸相關(guān)的信息集合。

1.2 特征建模方法

特征建模方法主要有三種[3]。

（1）交互式特征定義 用戶首先建立幾何模型，然后交互拾取圖形，定義特征所需要的幾何要素及其參數(shù)。這種建模方法可靠易行，但是自動化程度低，容易產(chǎn)生人為的錯誤。

（2）特征識別 將零件的幾何模型與預(yù)先定義的特征進行匹配，從而確定特征的具體類型及其它信息。目前特征識別僅對簡單零件有效，且仍缺乏CAPP系統(tǒng)所需要的公差、材料等屬性。

（3）基于特征設(shè)計 從設(shè)計開始，特征就體現(xiàn)在零件模型中，并提供豐富的零件信息，便于與后續(xù)過程實現(xiàn)信息共享和集成。這種方法首先建立用戶定義的特征庫，將各種特征的定義都放在特征庫中，使用時從庫中調(diào)出，并給出它的尺寸、位置參數(shù)和各種非幾何信息，設(shè)計效率高。

1.3 零件特征信息模型

以特征來表示零件的方式即為零件的特征信息模型。為建立相對通用的零件信息模型，滿足不同應(yīng)用的信息需求，可以將零件信息劃分為三層次結(jié)構(gòu)來表達，分別是零件層、特征層和幾何層[2]，如圖1所示。特征層是零件模型的核心，它反映的是零件的所有特征單元信息及特征間關(guān)系信息，形狀特征模型是特征層最重要的子模型，可以用特征樹來描述；精度特征模型、材料特征模型從屬于形狀特征模型，而管理特征模型和技術(shù)特征模型及形狀特征模型直接從屬于零件特征模型。幾何層則反映了CAD系統(tǒng)的底層幾何/拓撲信息，是整個模型的基礎(chǔ)。

圖1 基于特征的零件信息模型

2 特征信息模型的建立

在零件特征信息模型的各類特征中，管理特征和技術(shù)特征較為簡單不必詳述，而形狀特征是建模系統(tǒng)中最重要、最關(guān)鍵的特征。它是零件特征信息模型中表達信息的基本單元，不僅包括了設(shè)計階段的幾何信息，還包括了后續(xù)的CAPP、CAM 所需要的工藝信息和制造信息。在整個CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)中，形狀特征是信息的載體，貫穿產(chǎn)品開發(fā)的始終，是零件特征信息模型的核心。

本文建立形狀特征庫時，采用了C++語言面向?qū)ο蟮拈_發(fā)機制，定義了一個基特征類，用于定義和存儲所有形狀特征的公共屬性和方法，所有形狀特征類均由基特征類派生而來，如圖2所示。進行基于特征的設(shè)計時，用戶只需要從形狀特征庫中提取所需的特征進行實例化即可?；卣黝惖臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下[4-5]：

圖2 特征的關(guān)系與結(jié)構(gòu)

class CFeature:public AcDbObject

{ public: //各種形狀特征公共的方法

ACRX_DECLARE_MEMBERS(CFeature);

CFeature();

Acad::ErrorStatus SetFeatID(char*); //設(shè)置ID……

//對象信息寫入圖形數(shù)據(jù)庫及從中讀出

virtual Acad::ErrorStatus dwgInFields(AcDbDwgFiler*);

virtual Acad::ErrorStatus dwgOutFields(AcDbDwgFiler*);

protected: //各種形狀特征公共的屬性

char* m_FeatClass; //特征類名

char* m_FeatID; //特征ID

char* m_ParentID; //父特征ID

char* m_ChildID; //子特征ID

AcGePoint3d m_LocaPoint; //特征定位點

//定形和定位尺寸公差

CShapDimeTole* m_ShapDimeTole;

CPosiDimeTole* m_PosiDimeTole;

CRoughness* m_Roughness; //表面粗糙度

CMateHeat* m_MateHeat; //局部熱處理

……

};

由基特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，基特征是由ObjectARX開發(fā)工具中的AcDbObject類派生而來的，特征對象所包含的信息可以作為AcDbObject類的對象通過調(diào)用 dwgInFields(AcDbDwgFiler*)函數(shù)存入AutoCAD的圖形數(shù)據(jù)庫，并通過調(diào)用 dwgOutFields(AcDbDwgFiler*)函數(shù)從圖形數(shù)據(jù)庫中取出?；卣鞫x了各種形狀特征的公共屬性（如特征類名、特征 ID等）及其非幾何信息（尺寸公差、表面粗糙度、熱處理等），而特征的幾何信息則在具體特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中進行定義，例如圓孔特征、柱形沉頭孔特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

class CHole:public CFeature //圓孔特征

{ public:

CHole(); //類的構(gòu)造函數(shù)

……//設(shè)置和獲得對象屬性的方法

protected: //圓孔幾何信息

double m_HoleDiameter; //孔直徑

double m_HoleDepth; //孔深度

double m_TipAngle; //孔底角

AcBrFace* m_Placement; //孔放置面

};

class CCounBore:public CHole{//柱形沉頭孔特征

{ public:

CCounBore(); //類的構(gòu)造函數(shù)

……//設(shè)置和獲得對象屬性的方法

BOOL Validity(); //參數(shù)有效性檢驗

BOOL Create(); //創(chuàng)建實體

BOOL UpDateExteDB(); //更新外部數(shù)據(jù)庫

protected: //柱形沉頭孔幾何信息

double m_BoreDiameter; //沉頭直徑

double m_BoreDepth; //沉頭深度

};

由圓孔特征和柱形沉頭孔特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，圓孔特征是由基特征派生而來的，柱形沉頭孔特征是由圓孔特征派生而來的，故柱形沉頭孔特征可以繼承圓孔特征和基特征的屬性和方法，提高了代碼的利用率，加快了程序的開發(fā)進程。形狀特征庫中的其它形狀特征亦是如此。

3 特征的生成過程

特征的生成過程如圖3所示，其主要步驟主要包括[6]：

圖3 特征生成過程

（1）選取特征放置面

圓孔特征、凸臺特征等一般都是附著于某個表面的，因此創(chuàng)建此類特征時必須要選取特征的附著表面，而對于圓柱特征、拉伸特征等可以創(chuàng)建零件模型的基體，故可以不選取放置表面。

（2）特征參數(shù)輸入

特征參數(shù)的輸入包括特征的幾何屬性（尺寸、位置等）和非幾何屬性（尺寸公差、表面粗糙度等）。為了方便用戶輸入特征參數(shù)，利用ObjectARX 中的MFC類庫提供的對話框設(shè)計功能，設(shè)計出的用戶操作界面均為流行的Windows風格對話框，與AutoCAD系統(tǒng)界面保持了良好的一致性[3]。幾何屬性在創(chuàng)建特征時由用戶直接輸入，非幾何屬性可以在創(chuàng)建特征時輸入，也可以在建立零件實體模型后，通過特征樹輸入，如圖9和圖10所示。

（3）幾何參數(shù)有效性檢驗

在創(chuàng)建特征實體之前，檢驗特征的幾何參數(shù)是否有效是必須要進行的工作，因為無效的幾何參數(shù)將會無法創(chuàng)建實體。特征幾何參數(shù)的有效性檢驗定義成了特征類的一個函數(shù)Validity()，在創(chuàng)建特征實體之前首先要調(diào)用該函數(shù)進行幾何參數(shù)的有效性檢驗，若幾何參數(shù)有效則創(chuàng)建實體，否則要求用戶重新輸入幾何參數(shù)。

以柱形沉頭孔（圖9所示）為例，幾何參數(shù)有效的條件為：

· 孔直徑D＞0；

· 孔直徑D＜沉頭直徑D1；

· 孔深度H＞沉頭深度H1；

· 沉頭深度H1＞0；

· 孔底角α ≤180°。

（4）特征定位

特征定位點的確定主要采用了三種方法：

· 直接輸入定位點 該方法比較簡單，用戶直接輸入定位點的X、Y、Z坐標即可。

· 圓心定位 指用戶在特征的放置面上選取圓或圓弧，然后計算出圓或圓弧的圓心，將圓心坐標作為特征的定位點坐標。當特征的放置面是圓形平面或放置面的邊界包含有圓弧時，在很多情況下圓或圓弧的圓心就是特征的定位點，如圖4所示表示在圓柱體的上端面上鉆一個直孔，上端面的圓心即為直孔的定位點，采用圓心定位可以簡單、方便的獲得特征的定位點。

圖4 圓心定位

圓心定位方法確定定位點的步驟如下：

第一步 利用構(gòu)造選擇集函數(shù)，在特征的放置面上選取圓或者圓弧；

第二步 利用AcBr類庫和AcGe類庫提供的遍歷實體的方法，獲得所選取的圓或圓弧的圓心坐標；

第三步 將圓心坐標值賦予特征的定位點。

· 兩參考邊定位 指用戶在特征的放置面上選取兩條直線或基準線，分別輸入定位點距這兩條直線的距離，然后計算出定位點坐標值，如圖5所示。

兩參考邊定位方法確定定位點的步驟如下：

第一步 利用構(gòu)造選擇集函數(shù)，在特征放置面內(nèi)選取兩條參考邊，然后分別輸入特征定位點與兩條參考邊的距離；

第二步 利用AcBr類庫和AcGe類庫提供的遍歷實體的方法，獲得第一條參考邊的方向V1和邊上的點Pe1，然后由V1和Pe1創(chuàng)建直線對象L1；

第三步 創(chuàng)建另一直線對象L2，使L2過方位點（選擇放置面時，在放置面上選取的一點），L2的矢量方向為L1的正交矢量；

第四步 對L1和L2求交，得到交點P0，由P0和方位點確定方向矢量Vect；

第五步 由P0，d1和矢量Vect，求出距第一條參考邊距離為 d1的點 P1，即P1=P0+d1*Vect，再由V1和P1創(chuàng)建平行與第一條參考邊的直線Line1；

第六步 同理，根據(jù)方位點和第二條參考邊及d2確定平行與第二條參考邊的直線Line2；

第七步 求出Line1和Line2的交點，并將交點坐標值賦予特征的定位點。

圖5 兩參考邊定位

（5）特征實體生成

特征實體的生成首先是采用AutoCAD系統(tǒng)的三維造型方法創(chuàng)建實體，之后利用坐標變換方法將實體變換到定位點，并進行相關(guān)布爾運算。

1）創(chuàng)建特征實體

AutoCAD系統(tǒng)創(chuàng)建實體的方法有：創(chuàng)建基本實體、創(chuàng)建拉伸實體、創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)實體以及創(chuàng)建掃描實體。在ObjectARX二次開發(fā)工具中也提供相應(yīng)的函數(shù)用來生成相應(yīng)實體。下面分別介紹應(yīng)用ObjectARX中的函數(shù)來創(chuàng)建特征實體的過程。

· 創(chuàng)建基本實體 包括長方體、圓柱體、圓錐/圓臺體、球體、楔體和圓環(huán)體六種基本體素，用于創(chuàng)建零件模型中的基本實體?；緦嶓w的創(chuàng)建比較簡單，直接調(diào)用創(chuàng)建基本實體的函數(shù)，輸入相應(yīng)的參數(shù)即可，其生成過程如下：首先調(diào)用要創(chuàng)建的基本實體的對話框，輸入相應(yīng)的幾何參數(shù)，然后調(diào)用 ObjectARX中提供的 createBox()（長方體）、createFrustum()（圓柱體、圓錐/圓臺體）、createSphere()（球體）、createWedge()（楔體）和 createTorus()（圓環(huán)體）等函數(shù)，即可生成質(zhì)心在WCS坐標原點的基本體素，如圖6(a)所示。

· 創(chuàng)建拉伸實體 是將二維面域按指定高度和撥模角度進行拉伸而生成的，用于創(chuàng)建零件模型的拉伸特征，如槽、凹陷和凸臺等特征。其生成過程是：首先，根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán)，組成環(huán)的曲線必須是由 AcDbCurve類派生而來的曲線類型，如AcDbLine、AcDbArc、AcDbPolyline等；然后，調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域；最后，調(diào)用拉伸函數(shù)extrude()生成拉伸實體，如圖6(b)所示。

· 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)實體 是將二維面域繞指定軸旋轉(zhuǎn)而生成的，用于創(chuàng)建零件模型的旋轉(zhuǎn)特征，如孔、圓形凹陷和圓形凸臺等特征實體。其生成過程是：首先，根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán)，組成環(huán)的曲線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型；然后，調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域；最后，調(diào)用旋轉(zhuǎn)函數(shù)revolve()生成旋轉(zhuǎn)實體，如圖6(c)所示。

· 創(chuàng)建掃描實體 是將二維封閉環(huán)沿指定路徑掃描而生成的，用于創(chuàng)建零件模型的掃描轉(zhuǎn)特征。其生成過程是：第一步，根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán)，組成環(huán)的曲線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型；第二步，調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域；第三步，選擇掃描導(dǎo)線，導(dǎo)線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型；第四步，調(diào)用掃描函數(shù)extrudeAlongPath()生成掃描實體，如圖6(d)所示。

圖6 創(chuàng)建特征實體的方法

2）特征實體的坐標變換

零件是各個特征實體之間通過布爾運算生成的。在生成基本特征實體（長方體、圓柱體等）以及拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描特征實體時，可以控制其不與其它實體進行布爾運算（若需要與其它實體進行布爾運算，則可以在創(chuàng)建特征實體后使用AutoCAD系統(tǒng)的 UNION、SUBTRACT、INTERSECT命令）；在生成孔、槽和凹陷等特征實體時，需要控制其與零件基體進行布爾減運算；在生成凸臺等特征實體時，需要控制其與零件基體進行布爾加運算；這樣就可以在零件基體上創(chuàng)建出所需要的特征，最終生成零件模型。但是，在利用ObjectARX提供的函數(shù)創(chuàng)建的特征實體之后，多數(shù)情況下還需要根據(jù)輸入的特征定位點進行適當?shù)淖鴺俗儞Q，將其轉(zhuǎn)換到合適的位置才能與主實體進行布爾運算。例如，長方體、圓柱體等基本實體利用函數(shù)創(chuàng)建后都是質(zhì)心在WCS坐標系原點的實體，圓孔特征、槽特征等實體利用函數(shù)創(chuàng)建后也都是定位點在WCS坐標原點的實體，所以，創(chuàng)建特征實體之后首先要進行適當?shù)淖鴺宿D(zhuǎn)換，然后再與主實體進行布爾運算，從而生成所需要的特征，如圖7所示。

進行坐標變換的步驟如下：

第一步 根據(jù)特征實體的定位點和參考邊確定的新坐標系的原點和X、Y、Z軸的方向；

第二步 根據(jù)新坐標系的原點和坐標軸的方向，調(diào)用函數(shù) setCoordSystem()設(shè)置三維幾何變換矩陣；

第三步 調(diào)用實體的坐標變換函數(shù)transformBy()，將特征實體變換到合適的位置。

圖7 特征實體的坐標變換

（6）特征存儲

特征對象生成之后幾何信息與非幾何信息已存入相應(yīng)變量之中，還需將其存入 AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫（dwg文件），以便永久存儲。

根據(jù)AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫的存儲機制，特征對象存入圖形數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵代碼如下（代碼中變量m_Feature為特征對象的指針）：

acdbHostApplicationServices()->workingDatabase()->getNamedObjectsDictionary(pNamedobj,AcDb::kForWrite); //以寫方式打開命名對象詞典//查找形狀特征庫詞典（關(guān)鍵字為PSFDB）if(pNamedobj->getAt("PSFDB",(AcDbObject*&)pDict,AcDb::kForWrite)==Acad::eKeyNotFound)

{ //若不存在，創(chuàng)建形狀特征詞典

pDict =new AcDbDictionary;

AcDbObjectId DictId;

pNamedobj->setAt("PSFDB", pDict, DictId);}pNamedobj->close();

if(pDict) //若存在以寫方式打開

{ CFeature* p=new CFeature;

if(pDict->getAt(m_FeatID,(AcDbObject*&)p,AcDb::kForWrite)==Acad::eOk)//查找該特征 ID是否已經(jīng)存在

{//若已存在，提示用戶重新輸入特征ID

MessageBox("該特征標識已存在，請重新輸入特征ID！");

p->close();

pDict->close();

m_Feature->close();

return; }

p->close();

//若不存在，創(chuàng)建特征實體，然后將特征對象存入數(shù)據(jù)庫

if(!m_Feature->Create()) //創(chuàng)建特征實體

{ pDict->close(); //關(guān)閉特征詞典

m_Feature->close(); //關(guān)閉特征對象

return; }

AcDbObjectId Id;

if(pDict->setAt(m_FeatID,

m_Feature,Id)!=Acad::eOk)

MessageBox("寫入圖形數(shù)據(jù)庫失敗！");

pDict->close();//關(guān)閉特征詞典

}

m_Feature->close();//關(guān)閉特征對象

特征對象存儲之后，如果需要提取某特征對象的信息，可以以“讀”方式打開“形狀特征庫詞典”，利用該特征對象的“特征ID”即可提取出相關(guān)信息。

4 應(yīng)用實例

以齒輪泵泵體零件為例，建立零件特征信息模型。首先分析泵體零件包含的特征類型，如圖8所示，然后根據(jù)這些特征類型建立零件特征信息模型。

圖8 泵體

（1）利用掃描特征創(chuàng)建泵體的基體部分。首先利用AutoCAD二維繪圖功能繪制泵體截面輪廓線及導(dǎo)線，然后采用掃描特征，創(chuàng)建基體。

（2）利用拉伸特征創(chuàng)建泵體的側(cè)面凸臺。首先在基體側(cè)面建立基準面，并在其上繪制側(cè)面凸臺輪廓線，然后采用拉伸特征，創(chuàng)建凸臺。

（3）利用柱形沉頭孔特征和凹陷特征創(chuàng)建泵體的內(nèi)腔，如圖9所示。

圖9 創(chuàng)建沉頭孔特征

（4）利用圓孔特征創(chuàng)建進油孔、出油孔和定位孔等。

（5）利用特征樹輸入泵體各種特征的非幾何屬性，得到齒輪泵泵體的特征信息模型，如圖10所示。

圖10 輸入特征非幾何屬性

5 結(jié) 論

本文首先簡要地介紹了特征的概念、分類以及特征建模方法，然后根據(jù)特征建模的基本理論，詳細闡述了借助功能強大的ObjectARX開發(fā)工具和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，在AutoCAD系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)基于特征建模的方法與步驟。利用該方法可以快速、簡單、高效的創(chuàng)建特征，而且可以方便地輸入特征的幾何信息與非幾何信息，可以為后續(xù)制造過程提供了豐富的信息，便于CAD與后續(xù)的CAPP和CAM集成，實踐證明利用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的實體造型功能，實現(xiàn)基于特征的建模是中小企業(yè)實施 CAD/CAM 集成的一種簡單而有效的方法。

[1]白賀斌, 等. 基于特征的CAD參數(shù)化建模技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 機械設(shè)計, 2005, (2): 14-15.

[2]王賢坤. 機械CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2002. 36-45.

[3]宋玉銀, 等. 基于特征設(shè)計的 CAD系統(tǒng)[J]. 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 1998, (10): 145-151.

[4]李世國. AutoCAD高級開發(fā)技術(shù)ARX編程及應(yīng)用[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1999. 113-155.

[5]虞 春, 等. 特征的面向?qū)ο蠹夹g(shù)表示方法[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 1999, (3): 513-516.

[6]蘇 猛, 等. 基于AutoCAD開發(fā)零件特征建模系統(tǒng)研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2006, (1):123-126.