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面向對象工程模板數據模型研究
摘要：根據冷沖模ＣＡＤ系統的設計特點，將面向對象思想與模板的知識表達方式相融合，提出了面向對象工程模板，建立了設計與制造活動的有機聯系，實現了幾何信息與制造信息的集成和分離的對立統一，將復雜對象、層次結構及動態的數據結構用相對簡單且組織嚴密的方式組織起來。關鍵詞：數據模型 面向對象工程模板 冷沖模
隨著計算機輔助設計（ＣＡＤ）的迅速發展，集成化ＣＡＤ系統的研制與開發成為當今計算機集成制造系統（ＣＩＭＳ）環境下ＣＡＤ的發展方向。產品的設計制造過程實質是對信息的采集、傳遞、加工和處理過程，其本質體現在以信息集成為特征的技術集成和人的集成兩方面?１?。信息集成是指將ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＩＭＳ工程設計中涉及的數據和信息（尤其是圖形數據、結構化數據和非結構化非圖形信息）集中起來管理。由于工程設計過程的特殊性，設計過程是一個不斷反復、試探、選擇、完善的過程，會面臨大量需要組織的設計數據和試驗數據；同時還會因為同一設計對象的多個版本而產生大量的重復數據，這些都給數據組織帶來了很大的困難。因此如何及時、有效地組織和管理工程數據成為工程設計人員迫切需要解決的問題。
傳統的數據模型工程設計中沒有足夠的能力表達工程數據的全部語義結構，表達工程數據的數據模型應當具有以下幾個方面的特性：
·隨著工程設計的逐步深入，設計人員能夠定義新的數據類別，并對已有的數據類別進行改進和重新定義；
·可以允許定義靜態和動態的數據種類，靜態實體屬于設計環境的一部分，可用它創建表示設計對象的動態實體；
·在提供基本數據結構的同時，可以建立設計中數據結構的抽象數據類型；
·提供描述復雜對象的數據描述標準框架，使得不同的設計者從不同的角度描述同一設計對象時，它們的視圖是相關的；
·在數據模型里可以按照一定的格式描述任意一個產品設計信息及其語義信息，滿足設計要求；
·滿足設計和生產要求的一切產品都能為數據模型所描述。
１ 面向對象與模板
模板的基本思想是從一組相似的事物中抽象出一種框架型的模式，任何一個類似的事物都可作為以模板為超類派生的實例。將模板概念引入到工程ＣＡＤ領域，這與工程ＣＡＤ領域的設計特色有密切的關系。工程設計是設計人員具有創造性的思維活動，其特點具體表現在創造性、變異性、模式重復性、繪圖工作量大等方面。采用工程模板的設計思想使設計人員在設計的不同階段都能按照自己的要求進行操作；而面向對象模型可以描述很復雜的事物，并能在統一概念化的基礎上處理有關數據。因而把對面向對象模型的研究和對工程模板設計理論與方法學的研究結合起來設計面向對象工程模板，使產品數據信息模型可以從更本質的基礎上建立起來。
模板的應用很廣泛，如在程序設計語言中（如ＶＣ＋＋）引入了面向對象類（函數）模板用于支持程序設計的參數化、多態性。模板函數可以使某個類型范圍之內的各種類型的對象達到一些相同或相似的功能，但這種類型要求參數個數相同，因而函數模板適用于函數名相同、算法相同、參數個數相同，只是類型不同的問題。與面向對象類（函數）模板相比，面向對象工程模板有以下特點：
·描述數據的結構信息采用半結構化數據模式，不是對數據結構進行強制性的約束；
·可以利用工程模板的嵌套、層次結構描述具有復雜語義的數據類型；
·數據模式的自描述性；
·可以支持產品全生命周期的信息建模。
圖1 冷沖模設計信息的面向對象模板數據模型
２ 面向對象工程模板定義
定義１：ＴＥＭＰＬＡＴＥ::＝＜ＩＤ?ＶＥＲＳＩＯＮ?ＯＢＪＥＣＴＳＥＴ?
ＲＵＬＥＳＥＴ?ＡＳＳＥＭＢＬＹ?ＡＲＲＡＮＧＥＳＥＴ， ＳＴＯＲＡＧＥ＞?其中：ＩＤ是模板的唯一標識，ＶＥＲＳＩＯＮ是工程設計的版本號，ＯＢＪＥＣＴＳＥＴ是對設計中的對象類集的描述，ＲＵＬＥＳＥＴ是對象之間的約束信息的定義描述，ＡＳＳＥＭＢＬＹ是零件裝配信息的描述，ＡＲＲＡＮＧＥＳＥＴ描述對象之間的上下、左右相互間的位置信息，ＳＴＯＲＡＧＥ將對象類集中對象進行存儲。
定義２：ＯＢＪＥＣＴＳＥＴ::＝?＜ＮＡＭＥ＞?＜ＶＥＲＳＩＯＮ＞?
＜ＩＮＨＥＲＩＴＣＬＡＳＳＮＡＭＥ＞，＜ＣＯＭＰＯＳＥＤＣＬＡ ＳＳＮＡ ＭＥ＞，＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＳ＞?＜ＲＵＬＥＳ＞?＜ＭＥＴＨＯＤＳ＞??其中：ＮＡＭＥ是對象類集中的對象類的名稱，ＶＥＲＳＩＯＮ是對象類的版本號，ＩＮＨＥＲＩＴＣＬＡＳＳＮＡＭＥ是該對象類超類的名稱，ＣＯＭＰＯＳＥＤＣＬＡＳＳＮＡＭＥ是被聚合類的名稱，ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＳ是對象類的屬性描述，ＲＵＬＥＳ是對象類內部屬性之間的約束描述；ＭＥＴＨＯＤＳ是對象類的方法描述。
定義３：ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＳ::＝?＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＮＡＭＥ＞?＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＴＹＰＥ＞?＜ＶＡＬＵＥＥＸＰＲＥＳＳ＞?，其中：ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＮＡＭＥ是屬性名稱，ＡＴＴＲＩＢＵＴＥＴＹＰＥ是屬性類型，ＶＡＬＵＥＥＸＰＲＥＳＳ是屬性求值表達式。
定義４：ＭＥＴＨＯＤＳ::＝?＜ＭＥＴＨＯＤＮＡＭＥ＞?＜ＭＥＴＨＯＤＡＴＴＲＩＢＵＴＥ＞?＜ＬＩＢＮＡＭＥ＞?＜ＭＥＴＨＯＤＩＭＰＬＥＭＥＮＤＳ＞?，其中：ＭＥＴＨＯＤＮＡＭＥ是方法名，ＭＥＴＨＯＤＡＴＴＲＩＢＵＴＥ是方法參數列表，ＬＩＢＮＡＭＥ是方法所屬動態鏈接庫名稱，ＭＥＴＨＯＤＩＭＰＬＥＭＥＮＤＳ是方法內部實現接口定義。
定義５：ＲＵＬＥＳ::＝?＜ＫＥＹＷＯＲＤ＞?＜ＡＴＴＲＩＢＵＴＥ＞?＜ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ＞?，其中：ＫＥＹＷＯＲＤ為系統定義的關鍵字，ＡＴＴＲＩＢＵＴＥ為對象屬性名，ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ為屬性求值表達式。
定義６：ＡＳＳＥＭＢＬＹ::＝?＜ＫＥＹＷＯＲＤ＞?＜ＯＢＪＥＣＴ１＞?＜ＯＢＪＥＣＴ２＞?＜ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ＞?，其中：ＫＥＹＷＯＲＤ為系統定義的關鍵字，ＯＢＪＥＣＴ１、ＯＢＪＥＣＴ２是對象類的名稱，ＥＸＰＲＥＳＳＩＯＮ是對象間裝配信息表達式。
定義７：ＡＲＲＡＮＧＥＳＥＴ::＝?＜ＷＡＹ＞?＜ＸＰＯＩＮＴ＞?＜ＹＰＯＩＮＴ＞，＜ＺＰＯＩＮＴ＞??其中：ＷＡＹ是位置排列信息，ＸＰＯＩＮＴ是距離中心點的Ｘ坐標，ＹＰＯＩＮＴ是距離中心點的Ｙ坐標，ＺＰＯＩＮＴ是距離中心點的Ｚ坐標。
定義８：ＳＴＯＲＡＧＥ::＝?＜ＣＬＡＳＳＴＢＬＮＡＭＥ＞?＜ＣＬＡＳＳＦＬＤＮＡＭＥＳ＞?＜ＶＥＲＳＩＯＮ＞??其中：ＣＬＡＳＳＴＢＬＮＡＭＥ是類表名，ＣＬＡＳＳＦＬＤＮＡＭＥＳ是表中的各類對象的名稱，ＶＥＲＳＩＯＮ是版本信息。
面向對象工程模板通過一組定義表示一個復雜的數據類型，它描述的是一種抽象數據類型。應用抽象數據的概念可以從概念的高度，把握事務之間內在的、實質性聯系。面向對象方法進一步發展了抽象數據概念，引入了能把有關事物進行分類、組織成層次的概括?Ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ?機制和把有關對象歸并在一起的聚集?Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ?機制。
面向對象工程模板模型具有充分的柔性和可擴充性。在建模時，利用類的封裝性、繼承性和多態性?６?，采用面向對象的自上而下、從概念抽象開始、逐步細化的方法。每個對象可以按照概括（Ｇ－關聯）關系展開，深入分析，建立下層對象之間的聯系。
由于工程設計的特殊性，在工程設計過程中，不僅要考慮產品的幾何信息和制造信息，如零部件屬性、零部件之間的各種裝配位置關系、約束條件等，同時還應當從面向對象的思想考慮一個零件對象應有的一些方法。例如對于鏈接件對象，它應當有可以將另幾個對象鏈接在一起的方法。這些方法都應當封裝在零件內部，提供給外界一個接口。對于一個類，將它的所有實現方法放在一個ＤＬＬ中，形成一個方法庫，把該類的方法庫與每一個方法的源代碼均當作非結構化數據交給工程數據庫管理系統進行存儲。
３ 面向對象工程模板應用
以冷沖模ＣＡＤ設計為例，用面向對象模板組織模具設計中的各種工程設計信息，設計信息的面向對象工程模板數據模型如圖１所示。冷沖模是由模架、沖頭、鏈接件、凹模、墊板等元件組成。在面向對象工程模板模型中，不僅表示元件特征信息，而且描述了元件的位置分布關系、連接關系、操作關系等語義信息，明確地表示了元件之間的關聯信息。其中Ｇ－關聯?Ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ?用ＩＳ－Ａ表示，Ａ－關聯?Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ?用Ａ表示。圖１中顯示的是零件聚集關系的展開，既可以在一類對象的共性上對其進行分析和處理，也可以對其中的某個具體對象的個性進行分析和處理。從數據模式中可以看出，從設計活動一開始，面向對象模板就建立了設計和制造活動的有機聯系，實現了幾何信息與制造信息的集成和分離的對立統一。
面向對象工程模板數據模型采用面向對象技術定義模板的組織結構，利用定義的模板描述語言（ＴＤＬ）進行工程設計，一方面有效地組織工程設計中的各種數據，另一方面能夠很好地模擬工程中的復雜對象，能表示其層次結構，支持動態的數據結構，在設計對象這一較高層次上進行管理。由于考慮了產品的設計工藝、制造工藝以及約束條件等信息，將設計中的各種信息、數據集成在面向對象工程模板中，從而使得設計人員在進行初期的功能設計和裝配設計時就能保證產品設計的可行性及合理性，并及時發現設計中存在的各種問題；在設計結束階段形成了以模板的版本號為根目錄的整個產品的工程數據，在試驗中取得了良好的應用效果。
下面給出一個模板整體框架，主要以注釋方式給出模板含義的解釋。
／／ 對象列表；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ｏｂｊｅｃｔ?
ｉｎｈｅｒｉｔ?
ｂａｓｅｂｏｘ?ｓｈａｎｇｄｉａｎｂａｎ?ｇｕｄｉｎｂａｎ?
ａｏｍｏ?ａｏｍｏ?
ｃｈｏｎｇｔｏｕ?ｃｈｏｎｇｔｏｕ?
……
ｐａｒｔ?
ｕｐｍｏｊｉａ?ｓｈａｎｇｍｏｊｉａ?ｄａｏｚｈｕ? ／／上模座由上模架和導
柱組成
……
ｅｎｄ ｏｆ ｏｂｊｅｃｔ
／／ 對象屬性集合段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ?
ｄｅｆａｕｌｔ ｍｏｂｉｎ．ｄ ５０ ／／模柄直徑的默認值為５０
ｔａｂｌｅ ｌｕｏｄｉｎ３．ｄ ｍｏｂｉｎ ｄ３ ｄ＝ｍｏｂｉｎ．ｄ
／／螺釘３的ｄ為模柄中的ｄ３
字段，條件為模柄ｄ
……
ｅｎｄ ｏｆ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ
／／ 位置約束段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｏｎ
ｌｕｏｄｉｎ１ １? ９５，４５ ／／以第一種方式排列距中心
點ｘ 坐標９５，ｙ坐標４５
ｄａｏｈｕａｌｄ１ ３? ３０?０ ／／以第三種方式排列距中心
點ｘ 坐標３０，ｙ坐標０
……
ｅｎｄ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
／／ 裝配約束段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｅ
ｌｕｏｄｉｎ?ｌｕｏｄｉｎ１ ?ｓｈａｎｇｍｏｊｉａ?ｓｈａｎｇｄｉａｎｂａｎ?ｇｕｄｉｎｂａｎ?
／／表示螺釘１連接上模座、上墊
板和固定板
……
ｅｎｄ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｅ
……
／／產品設計描述、版本等信息描述段；
ｂｅｇｉｎ ｏｆ ｄｅｓｃｒｉｂｅ
ｎａｍｅ?ｌｕｏｌｉａｏｍｏ
ｖｅｒｓｉｏｎ?１．１．１
ｄｅｓｉｇｎｅｒ?ｗａｎｇｊｕｎ
ｄｅｓｉｇｎｄａｔｅ?２００２－０５－２５
……
ｅｎｄ ｏｆ ｄｅｓｃｒｉｂｅ
本文通過面向對象工程模板建立數據模型可以使設計人員節省大量的時間、減少工作量、統一設計風格、設計標準化、確保效果與效率；同時建立了設計和制造過程中產品數據的統一模型，并在此基礎上建立面向對象工程數據庫處理的工程數據。設計人員可以通過面向對象工程數據庫系統對工程數據進行及時、有效的管理。
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