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计算机图形学与 CAD 技术

计算机图形学与 CAD 技术. 华中科技大学 国家 CAD 支撑软件工程技术研究中心 王彦伟 Ywwang_cad@mail.hust.edu.cn. 目标. 1) 了解 CAD 系统开发的问题及其特点； 2) 了解 CAD 系统二次开发的步骤和开发模式； 3) 了解 CAD 二次开发的体系结构和对 CAD 系统自身的要求； 4) 了解 AutoCAD 二次开发的方式； 5) 掌握 AutoCAD 二次开发中 VBA 方式的基本步骤，能够用 VBA 进行简单形体的绘制； 6) 了解复杂二次 CAD 开发的大致过程和应注意的方面；

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计算机图形学与 CAD 技术

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  1. 计算机图形学与CAD技术 华中科技大学 国家CAD支撑软件工程技术研究中心 王彦伟 Ywwang_cad@mail.hust.edu.cn

  2. 目标 1) 了解CAD系统开发的问题及其特点； 2) 了解CAD系统二次开发的步骤和开发模式； 3) 了解CAD二次开发的体系结构和对CAD系统自身的要求； 4) 了解AutoCAD二次开发的方式； 5) 掌握AutoCAD二次开发中VBA方式的基本步骤，能够用VBA进行简单形体的绘制； 6) 了解复杂二次CAD开发的大致过程和应注意的方面； 7) 了解常用三维CAD系统二次开发的方式及其支撑模块名称和作用； 8) 了解Pro/Toolkit二次开发的基本设置过程； 9) 掌握ProE二次开发中菜单接口和参数化接口的实现。

  3. 内容 7.1、机械CAD系统的要求 7.1.1 机械CAD系统的特点 7.1.2 机械CAD系统的开发模式 7.1.3 机械CAD系统的开发步骤 7.2、机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.1 对二次开发系统的要求 7.2.2 机械CAD系统的体系结构 7.2.3 二次开发模式及开发接口 7.3、基于二维CAD系统的二次开发 7.3.1 AutoCAD二次开发工具 7.3.2 基于Auto Lisp的二次开发 7.3.3 基于VBA的二次开发 7.4、基于三维CAD系统的二次开发 7.4.1 Pro/Toolkit和Pro/develop 7.4.2 Pro/E二次开发步骤 7.4.3 Pro/E开发关键技术

  4. 7.1 机械CAD系统的要求 7.1.1 机械CAD系统的特点 1、机械产品设计的特点 机械零件设计计算要涉及到零件材料及热处理方法的选择，设计参数确定。几何尺寸计算、结构设计、强度、刚度计算，使用寿命要求，标准件选择等多方面的问题，具有设计要求多、计算公式多、设计参数多、图表多等特点。因此机械零件设计计算程序要有合理的数学模型，具有对数表、线图的存储和自动检索能力，对标准参数的选取、圆整能力，还要具有对设计参数修改的应变能力。

  5. 7.1 机械CAD系统的要求 7.1.1 机械CAD系统的特点 （1）设计资料的处理 机械产品的设计计算中需要用到很多参数、系数，它们当中绝大多数需要从数表、线图中查取，有的参数（如齿轮传动的模数）需按国家标准圆整为标准值，有的参数需要圆整为整数，因此，机械CAD系统开发需要解决设计资料的处理问题，具体方法详见第六章。 （2）设计参数分析、判断和调整 机械产品设计应满足的条件较多，如齿轮传动设计应满足齿面接触强度要求、齿根弯曲强度要求、胶合和塑性变形条件、螺旋角合理范围要求等，因此机械CAD系统的开发应解决设计参数分析、判断及调整修改问题。 （3）计算与数据管理、造型之间的关系 完整的机械产品设计包括：设计计算、数据管理、零件造型及装配、工程图生成等几部分，相关内容都是相对独立的内容，机械CAD系统需要解决相关功能模块之间的联络连接问题。 （4）良好的用户界面 机械CAD系统用户界面的设计是一项关系全局且体现软件设计水平的工作。用户界面是人与计算机进行交互的接口，人-机交互由最早的批处理作业方式、问答方式逐步发展成为菜单交互方式，又发展成为今天的图形交互接口。机械CAD系统的用户界面应保证进行机械产品设计时，整个设计过程思路清晰、界面简洁，操作方便。

  6. 7.1 机械CAD系统的要求 7.1.2 机械CAD系统的开发模式 目前的三条思路： 1）从底层平台开始开发 2）购买几何引擎，进行通用平台和专业应用开发 3）基于成熟商用系统进行专业化二次开发

  7. Solid Edge 7.1 机械CAD系统的要求 7.1.2 机械CAD系统的开发模式 Inventor Pro/E UG NX CATIA 美、法等国的CAD技术一直走在世界的前沿，它们拥有许多世界闻名的CAD/CAM系统，这些系统具备十分强大的功能。 国内:清华大学、北航、新舟、浙大、华工

  8. 7.1 机械CAD系统的要求 7.1.3 机械CAD系统的开发步骤 （1）明确设计任务、要求、适用范围和功能； （2）确定设计计算准则、计算方法，建立数学模型； （3）列出设计计算步骤、计算公式、设计参数符号及变量对照表； （4）根据设计计算内容、方法、步骤制定程序流程图； （5）确定有关数表、线图处理方法，完成图、表数据存储和自动检索等模块的开发，以及有关数据文件或数据库的建立工作； （6）开发各功能模块，将设计计算与数据库文件、结构参数化造型、二维工程图绘制连接起来，形成机械零件CAD模块。

  9. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.1 对二次开发系统的要求 进行机械CAD系统二次开发工作，应着重关注以下几点要求： （1）平台的易用性。二次开发的最终目标是使通用的CAD系统能够更好地为专业的用户服务，因此要特别重视二次开发系统的易用性。 （2）技术的先进性。二次开发技术应尽量保持与软件技术的同步，尽量以最新版的软件为技术平台进行开发。 （3）执行的高效性。确保二次开发所获得的系统具有较高的执行效率，可以在相应的CAD系统中快速创建出实体模型或工程图。 （4）平台的稳定性。保证所开发软件系统能够稳定运行，也是任何软件系统的最基本的保证。

  10. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.1 对二次开发系统的要求 二次开发的内容 机械CAD系统二次开发工作主要包括以下内容： （1）交互式系统的完善。 （2）交互式系统、数据库管理系统、数值计算分析系统间的连接和相互调用，主要是各个系统与高级语言的接口设计。 （3）参数化设计模块的设计，主要包括相关零部件的参数化造型、参数化设计计算和校核计算等几个子程序。 （4）界面设计，主要包括图标菜单的设计、对话框的设计等。 （5）国家标准数据库的建立。 （6）工程符号和汉字的处理。

  11. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.2 机械CAD系统的体系结构

  12. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 两种模式 一种是借助于CAD软件自身提供的二次开发工具进行开发。 另一种是利用COM或Automation技术，用一种编程软件调用三维CAD软件的对象及属性进行开发，这种开发模式是目前最流行的一种开发模式，例如SolidWorks、CATIA和UG等均提供API函数，可利用VB、VC、Delphi等面向对象的语言调用这些函数实现二次开发。 另外，基于CAD系统二次开发模式又分为外模式和内模式两种。外模式是指二次开发的程序具有独立运行的进程和界面，如Win32执行程序，通过宿主程序API或组件实现对CAD系统的功能调用；内模式是指二次开发程序只能在宿主程序界面框架下运行，通常是一种动态链接库，供宿主程序调用。

  13. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 要进行二次开发，前提是宿主程序（即平台CAD软件系统）要提供二次开发接口。 C/C++语言二次开发的步骤： （1）编辑C/C++源程序，使用该平台提供的二次开发接口API函数或类。 （2）编译、链接，生成可在该通用平台下运行的可执行程序.EXE或.DLL。编译时使用API函数支持“#include”相关的头文件。链接时支持在C/C++工程中导入该API函数的库索引文件“LIB”。 （3）在通用平台下载入可执行程序，执行得到相关的结果。运行时支持提供该API函数所在的库执行文件“DLL”，需要在生成的可执行程序目录下，或在该通用平台指定的搜索路径下。

  14. CATIA二次开发简介 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 宏命令方式：直接将过去的命令过程录制成Macro, 修改其中的参数，即可重新生成。但是，宏在执行过程中无法交互修改，智能化程度低，适合简单的重复性操作过程。优势是平台兼容性好。 两种模式： • In-Process Application（进程内） • Out-Process Application（进程外） 两类方法： • CAA • Automation

  15. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 • CAA C++是CATIA的一整套C++函数库，该函数库在CATIA运行时加载。用户通过安装RADE (Rapid Application Development Environment)模块，用户可以在VC++编程环境下编制程序，与CATIA进行通信。 • CAA C++可以进行最有效率的应用程序开发，但入门困难。 • 利用CAA可以进行从简单到复杂的二次开发工作，而且和原系统的结合非常紧密，如果没有特别的说明，无法把客户所研发的功能从原系统中区分出来，这非常有利于用户的使用和集成。

  16. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 几个概念： • COM:(对象组件模型)：COM是微软公司提出的目的在不同程序中共享对象标准。 • Automation: Automation是一种微软公司的技术，目的是在开发环境里使用COM对象。 • ActiveX组件是一种微软标准，目的是在开发环境里共享不同程序的对象。 • OLE:（对象链接及嵌入）意味着一个文件可以被另外的一个程序的文件链接。这种链接及嵌入的对象可以被其他的程序在编辑区编辑。

  17. Visual Basic, VBA, VBScript之间的区别 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 • Visual Basic(Visual Basic专业版)：VB是个完全的版本。 • 可以编制独立的程序。 • 也可以创建ActiveX和程序服务器。 • 可以被编译。 • VB提供了自己的文档——《在线帮助》 • VBA(Visual Basic for Application)：VBA是VB的一个子集。 • VBA是程序中的主机，就象Word,Excel。 • 它提供了一个带有编辑器、除错器、帮助、对象浏览器、完成器的完整的开发环境。 • 利用它的Tools-Reference菜单可以声明使用的对象库。这在完成和对象浏览器之间建立了一个通道。 • VBScript(Visual Basic Script)：VBScript是VB的一个子集。 • 更简单的VB解释语言。 • 可以调运CATIA对象。 • 没有数据类型的区别。系统总是动态的调用函数和对象属性。(迟绑定调用对象通过他们的Idispatch接口)

  18. VB应用与CATIA通讯 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 Dim Doc as Document Set Doc = CATIA.Documents.Add(“Part”) Dim Doc as Document Set Doc=CATIA.Documents.Open(“E:\Parts\DocumentToOpen.CATPart”)

  19. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 取得或创建一个零件体： 当创建一个零件文件时，系统会自动创建一个默认的零件体。 可以获得并使用它： Set MyBody = MyDocument.Part.Bodies.Item("PartBody") 也可以创建一个新的零件体并使用： Set MyNewBody = MyDocument.Part.Bodies.Add()

  20. 实例：凸轮轴 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口

  21. 7.2 机械CAD系统二次开发技术基础 7.2.3 二次开发模式及开发接口 ‘创建凸轮组 Sub CreateCamSet(dAngle As Double, dRefDis As Double) CreateBearing dCamSetDis, dRefDis CreateCam dAngle, dCamSetDis - 3 * dCamThickness + dRefDis CreateCam dAngle, dCamSetDis - dCamThickness + dRefDis End Sub ‘ 创建驱动轮 Sub CreateDriveWheel(dRefDis As Double) CreateBearing dCamSetDis, dRefDis … End Sub

  22. 7.3 基于二维CAD系统的二次开发技术 7.3.1 AutoCAD二次开发模式 1、Auto Lisp技术 Lisp语言是一种表处理语言，是广泛应用于人工智能的语言。Auto Lisp语言完全嵌套在AutoCAD内部，同AutoCAD有机结合成一体，它继承了Lisp语言的语法、传统约定和基本函数与数据类型，并扩充了强大的图形处理功能，语法简洁、表达能力强、函数种类多、程序控制结构灵活，既能完成常用的科学计算和数据分析，又能直接调用绝大多数AutoCAD的命令，具备一般高级语言所没有的图形处理能力，进行AutoCAD的二次开发。 2、ARX（C++）技术 ObjectARX编程环境为编程人员提供了以对象为导向的C++、C#和VB.NET应用编程接口，支持其使用、定制和扩展AutoCAD软件和基于AutoCAD的产品。ObjectARX类库提供了丰富的工具，能够帮助用户充分利用AutoCAD软件的开放式体系结构，支持直接访问AutoCAD数据库结构、图形系统和本地命令定义。 3、VBA技术 AutoCAD中的ActiveX Automation对象模型和VBA集成后构成建立了一个定制AutoCAD软件程序的框架。有了使用VBA开发的ActiveX控件和其他应用（如Microsoft Office），在开发面向AutoCAD软件的定制解决方案时就不存在对象限制问题。

  23. 7.3 基于二维CAD系统的二次开发技术 7.3.2 基于AutoLisp的二次开发 1 Lisp特点 Auto Lisp成为许多用户首选的AutoCAD二次开发工具，与它易学易用、善于贴切地描述设计者思路的特点分不开。许多用户在开始接触Auto Lisp语言时就可以编写出实现特定功能的程序，但开发完善的机械CAD系统也不是一件容易的事情，其开发涉及较多的具体内容，限于篇幅，这里只能简要介绍基于Auto Lisp的AutoCAD的二次开发相关技术与方法，有兴趣的读者可以进一步参阅相关文献。 2、AutoCAD对话框的定制 AutoCAD对话框新颖直观，在很大程度上简化了程序与用户的交互操作，提高软件的使用效率。AutoCAD对话框功能由定义各对话框控制语言DCL（Dialog Control Language）与对话框驱动程序实现，可以通过AutoLisp语言来管理对话框。

  24. 7.3 基于二维CAD系统的二次开发技术 7.3.3 基于VBA的二次开发 在AutoCAD中实现VBA有四大优点： (1) Visual Basic编程环境易于学习和使用。 (2) VBA可与AutoCAD在同一进程空间中运行，这使程序执行得非常快。 (3) 对话框的构造快速而有效。这使开发人员可以构造原型应用程序并迅速收到设计的反馈。 (4) 工程可以是独立的，也可以嵌入到图形中。这样就为开发人员提供了非常灵活的方式来发布他们的应用程序。 AutoCAD VBA工程是由许多程序模块、类模块和窗体组成的集合，他们同时运行即可完成指定的功能。VBA工程可以保存于AutoCAD图形文件内部，称为内嵌VBA工程；亦可保存为独立的工程，称为全局VBA工程，以*.dvb文件格式保存。 对于内嵌VBA工程，当打开包含该工程的AutoCAD图形文件时，它将被自动加载。因此，在运行内嵌VBA工程程序之前，其用户不须在文件夹中去寻找工程文件并加载该工程，使得工程管理更加方便。 全局VBA工程的功能较多。全局工程可在任何AutoCAD图形中运行，亦可在工程中打开或关闭AutoCAD图形。全局工程容易与其他用户共享，且可制作成共享的宏 资源库，因此应用VBA开发通用应用程序时，应将其保存为全局工程

  25. 7.3 基于二维CAD系统的二次开发技术 7.3.3 基于VBA的二次开发 VBA绘制直线实例 ThisDrawing.Application.Documents.Add ’ 打开新图形 Dim StartPoint(0 To 2) As Double ’ 定义起点坐标 Dim EndPoint(0 To 2) As Double ’ 定义终点坐标 StartPoint(0) = txtXS ’ 提取起点x坐标 StartPoint(1) = txtYS ’ 提取起点y坐标 StartPoint(2) = txtZS ’ 提取起点z坐标 EndPoint(0) = txtXE ’ 提取终点x坐标 EndPoint(1) = txtYE ’ 提取终点y坐标 EndPoint(2) = txtZE ’ 提取终点z坐标 Dim LineObj As AcadLine ’ 定义Line对象 ’ 设置Line对象 Set LineObj = ThisDrawing.ModelSpace.AddLine (StartPoint, EndPoint) ThisDrawing.SaveAs("D:\Line_Ex.dwg") ’ 保存图形

  26. 7.3 基于二维CAD系统的二次开发技术 7.3.3 基于VBA的二次开发 V带设计实例 将相关的资料处理、计算和基于VBA的AutoCAD工程图绘制等程序代码与V带传动CAD软件人机界面关联起来，即可生成V带传动CAD系统。

  27. 7.4 基于三维CAD系统的二次开发 7.4.1 Pro/Toolkit和Pro/Develop Pro/Toolkit和Pro/Develop是PTC公司的Pro/Engineer软件的开发工具包，用C库函数的头文件的方式提供。 Pro/E17版本以前，以Pro/Develop提供；V18以后，两者混用，逐步抛弃Pro/Develop。Pro/develop函数或对象以“pro”开头；Pro/Toolkit函数或对象以“Pro”开头，函数的返回值大都以ProErrors枚举类型数据中，正确返回PRO_TK_NO_ERROR，即0。 Pro/TOOLkit的安装与Pro/E一起，选择API Toolkits的Pro/TOOLkit即可。安装的Pro/Toolkit的目录结构（pro/develop类似）：

  28. 7.4 基于三维CAD系统的二次开发 7.4.2 Pro/E二次开发步骤 1、VC下环境的设置 可以用Make文件创建Pro/TK应用，也可以在网上下载protoolkit.awx的Pro/Toolkit工程向导。 可以直接利用MFC Appwizard(dll)建立Pro/Toolkit应用。以Pro/E2001为例，其工程设置如下： （1）包含头文件; （2）库文件搜索; （3）连接库文件：protk_dll.lib prodev_dll.lib prodevelop.lib protoolkit.lib 2、应用的加载方式 （1）手工加载DAT：在Pro/E菜单命令“辅助应用程序”中加载指定的DAT文件，如3DLib.DAT，其格式为： NAME StdPartLib ALLOW_STOP True EXEC_FILE C：\HUSTCAD\Inte3DLIB for ProE\Proe3dLibFace.dll TEXT_DIR C：\HUSTCAD\Inte3DLIB for ProE startup dll REVISION 23 END

  29. 7.4 基于三维CAD系统的二次开发 7.4.3 Pro/E开发关键技术 • Pro/E原有菜单增加菜单及其命令 • 1 ProMenubarMenuAdd ("StdParts"，"StdParts Design"，"Utilities"，PRO_B_TRUE，MSGFIL); • /在Utilities菜单前增加一个下拉菜单条StdParts，其显示标题为StdParts Design在菜单文件（存放在应用程序的\text\usascii目录下）对应的文本，如下面的“典型零部件设计” • 2= ProMenubarmenuMenuAdd (“StdParts”，“Gear”，“Gear Design Menu”，NULL，PRO_B_TRUE，MSGFIL); • 在菜单条StdParts下增加一个菜单项Gear(为第一个)，其显示标题为Gear Design Menu在菜单文件中对应的下行文本，如这里是“齿轮类零件” • ProCmdActionAdd(“CyGear Command”，(uiCmdCmdActFn)CGearDesign，uiProe2ndImmediate，TestAccessDefault，PRO_B_TRUE，PRO_B_TRUE，&gear_cmdid); • 定义一个命令映射，CyGear Command的执行代码为CGearDesign函数。 • ProMenubarmenuPushbuttonAdd(“Gear”，“Gear1”，“CyGear Design”，“Installation test3”，NULL，PRO_B_TRUE，gear_cmdid，MSGFIL); • 在Gear菜单下添加一个子菜单项Gear1，其显示标题为CyGear Design对应的文本（“圆柱齿轮设计”），其命令为gear_cmdid，即对应CGearDesign函数

  30. 7.4 基于三维CAD系统的二次开发 7.4.3 Pro/E开发关键技术 参数化设计 int ParamDesign(ProMdl model，CString sVarName，double dValue) { status = ProArrayAlloc (0，sizeof (ProFeature)，1，(ProArray *)&fList);//内存分配 eStatus = UserFeatureCollect (model，&fList); //获得模型model的全部特征. //查找参数 //获取属性名和属性值，属性数目 ProParameter *pParams; ProModelitem modelItem; ProMdlToModelitem(model，&modelItem); //将ProMdl类型提取ProModelitem ProUtilCollectParameters(&modelItem，&pParams); //得到模型的全部参数集 int paramNum=0; ProArraySizeGet((ProArray)(pParams)，&paramNum); //得到参数集中参数数目 char paramName[100]; ProParamvalue mValue; }

  31. 7.4 基于三维CAD系统的二次开发 7.4.3 Pro/E开发关键技术 参数化设计 for(i=0; i<paramNum; i++){ ProParameterValueGet(&pParams[i]，&mValue);//得到第i个参数值 if(mValue.type == PRO_PARAM_DOUBLE || mValue.type == RO_PARAM_INTEGER) { ProWstringToString(paramName，pParams[i].id); //参数名字 CString dim_text=CString(paramName); //参数名字字符串转换 if(sVarName == dim_text) { //找到要修改的参数 ProParamvalueSet(&mValue，(void*)&dValue，PRO_PARAM_DOUBLE); ProParameterValueSet(&pParams[i]，&mValue); //重新将参数值赋给参数. } } //end of if } //end of for

  32. 思考与练习 1. 机械CAD系统开发需解决的问题有哪些？ 2. CAD系统开发模式有哪些？ 3. 阐述CAD系统开发的大概步骤。 4. 机械CAD软件进行二次开发都包含哪些内容？ 5. 基于通用CAD平台的二次开发主要有哪些方式，其区别是什么？ 6. AutoCAD二次开发有几种方式？各自特点是什么？ 7. 基于VBA对AutoCAD进行二次开发有哪些优点？ 8. 基于VBA在AutoCAD中画从(0,0,0)到(0,0,1)的直线。 9. 简介ProE二次开发中添加菜单的简要过程及所涉及的函数。 10. Pro/Toolkit中通过参数驱动特征的主要函数有哪些？其功能是什么？

  33. 本章结束

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