第一章 緒論
1-1 研究背景與動機
產品的發展過程必須經由構想、設計、繪圖、原型製造、測試、修 改及生產等階段。其中以設計與繪圖階段最為重要，因有良好之設計與 繪圖，即可避免後續製程不必要之人力、時間與金錢之浪費。而電腦輔 助設計製圖(Computer Aided Design & Drafting,CADD)軟體的大量應 用，提供了良好快速的設計環境並且帶動了相關性軟體的研發與改良。
同時，在教育上，亦漸漸使用電腦輔助設計進行機械設計與繪圖之教學。
新一代的 3D CAD 軟體已是市場主流，乃因 2D CAD 的應用主要是延 續以往工程製圖的觀念，將物體造型應用投影的原理以線條來表現，與 以往手工繪圖的差別只在於工具的不同[1]。但 3D CAD 軟體在塑型過程中 必須理解模型的幾何結構，甚至產品設計原理，才能忠實完整的將模型 建構出來。而建立 3D 模型之主要目的是為了可由各個視角去觀測，實際 量測幾何資料，甚至分析與計算物理特性。由於有實際的模型資料存在，
後續可將這些模型資料轉至 CAM 軟體作 CNC 加工設計、轉至 CAE 軟體作 有限元素分析、轉至彩現軟體作材質模擬、光影模擬並可做模具設計、
干涉檢查、機構分析、結構分析、設計變更及各種產品資訊、行銷維護 等後續資料分析[2]。然現今學校教學僅止於現成電腦輔助軟體之操作與 繪製，對 3D 電腦輔助設計軟體有更進一步的瞭解與運用極為匱乏。
又因工業產品之大量生產，為降低生產成本、維護費用以及延長產 品之使用壽命，遂有產品標準化與機械互換性之要求，而經標準化之機 械元件稱為「標準元件」。如齒輪、螺絲、軸承等，而這些標準零件有相 當多的番號，如果逐一的將每個番號零件都做成檔案，這幾乎是種曠日 費時，且不具意義的工作，因此藉由電腦強大的計算能力，讓電腦自動 為我們做設計，使零件外型可做隨心所欲的控制。該類元件之生產依據 國家標準，或其他權威性標準之規定，經嚴格品質管制大量製造，具有 絕對互換性，如非必要不需重新設計、繪圖與製造，可輕易自市面上購
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買使用。[3]。
由於機械元件在組合圖中使用之頻率極高，且在設計過程中亦需繪 製繁雜之工作圖，若以傳統繪圖方式則必耗時頗鉅，若以 2D 電腦繪圖方 式，雖可將元件樣式製成聚合模組(Block)以供繪圖時插入使用[4,5]，但 其缺乏彈性，又無法解決元件設計遭遇之困難，因此實用性有限。過去 有關此方面之研究涉及層面極廣，其中蕭建利[6]提出標準元件參數設計 繪圖之改良作法。吳定川等[7]與陳家豪等[8]介紹有關標準元件之圖形分析 及模組化與人性之設計觀念，提供標準元件庫建立之方向。
klueh 與 Cashman[9]在其研究中提出設計與製造系統連結模式之分 析。Bardasz 等[10]及 Barley 等[11]針對機械設計系統之記憶認知模式與結 構開發方法提出探討。Adachi 及 Matsuoka[12]則以變速齒輪為例，提出元 件設計滿意度之探討，以使元件設計尺寸與結構符合實際需求。
由以上的文獻分析得知，機械元件自動設計部分尚未連結至外部資 料庫，去直接引用外部資料庫的功能，其 CAD 資料無法與其他部門分享 與共用。在自動繪圖部分則是以 2D 自動繪圖為主，失去了得到完整特徵 資料的機會。而在建立一套 3D 自動設計與繪圖系統的架構上亦無一套完 整的解決方案。
本論文參考相關文獻設計理念，針對齒輪設計理論及 3D 齒輪立體圖 繪製規範加以探討。擬使用 Solide Edge 3D 電腦繪圖軟體為基礎繪圖環 境，引用 Solid-Edge 繪圖物件，與 Solid-Edge 的圖形資料結合；在 Mirosoft Windows NT 作業系統環境的規畫下，使用 Visual Basic 6.0 程式語言為系統程式發展工具並運用物件導向程式(OOP)與物件連結和 嵌入技術(OLE)，銜接資料庫的功能且建立自動化機械元件設計與繪圖系 統。並以齒輪的設計為例，通過以上步驟，使齒輪類零件設計的效率提 高，以減輕設計勞動量，設計周期，提供完整解決方案，得到完整的特 徵資料，以期達到機械元件圖形資料分享、設計人性化與自動化的目標。
並引發學生研究與開發 3D 繪圖軟體的興趣及增加專業整合之能力。
1-2 研究目的
研究目的基於上述之研究背景與動機，本研究之目的如下：
一、 探討物件導向程式之設計原理於 3D 電腦輔助設計軟體之開發模式 與架構，作為本研究系統開發之依據。
二、 探討物件連結及嵌入技術(OLE)於 3D 電腦輔助設計軟體之系統整合 與運用，作為本研究系統開發之依據。
三、 探討資料庫存取於 3D 電腦輔助設計系統之開發模式，作為本研究 系統開發之依據。
四、 以機械設計中「齒輪的設計與繪製」為例，實作測試一套齒輪 3D 自動設計與繪圖系統雛型，以印證前述系統之可行性。
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1-3 研究範圍與限制
一、 研究範圍
本研究係探討機械元件之 3D 自動設計與繪圖系統，將齒輪設計與 3D 繪製予以自動化。由於各國對於齒輪設計規範已有一定的標準，故本 研究對於齒輪設計與繪製的原理與方法直接引用，只針對 3D 電腦輔助設 計繪圖的原理與系統整合加以研究。
在電腦自動設計與繪製技術方面：擬以 Window NT4.0 Server 為作 業系統，使用 Visual Basic 物件導向語言、對 Solid Edge 3D 繪圖軟體 以及資料庫連結進行軟體二次開發(Third Party Software)。
在建構系統模式之功能內涵方面：先經由文獻探討電腦輔助軟體對 應用於自動設計與 3D 繪圖之方式，再分析歸納應用於 3D 自動設計與繪 圖系統所應具有之功能內涵，並依據此內涵發展出可運作之 3D 自動設計 與繪圖系統雛型。
在應用實例方面：係以齒輪 3D 自動設計與繪製為例，利用流程圖 法，來發展 3D 自動設計與繪圖系統雛型，以檢驗其適切性與可行性。
二、 研究限制
本研究為一應用技術的探討及實證操作，為維持其架構的一貫化及 完整性，仍須明確界定實質研究的範圍，以免相關研究枝節過於繁複，
影響本研究的執行能力。其界定因子為：
（一） 機械元件方面：
齒輪為機械之主要元件之一，大部分機械傳動機構中又以正齒輪為 主，次以螺旋齒輪、傘型齒輪及蝸桿與蝸輪，本研究使用 CNS（中國國 家標準）齒輪設計規範與繪製方式針對這四種齒輪設計所需要之公式、
計算方法與繪製齒輪 3D 實體圖進行電腦 3D 自動設計與繪製工程開發。
（二） 開發系統平台環境方面：
目前工業界上使用之 3D 電腦繪圖軟體已成為主流。故在測試及推廣 考量下，以其為發展平台，使用物件導向程式為二次開發工具以滿足管
理功能自動化需求。本研究所發展之 3D 自動設計與繪製系統，必須安裝 Solid-Edge 繪圖軟體，並要能存取符合 Microsoft ODBC (Open Date-Base Connectivity)標準之資料庫(本系統使用 Access2000 來建立資料庫)，
與 MS Windows 作業系統或其他同類型之平台。
本研究限於設備、時間、經費等因素，並未建立完整之機械元件 3D 自動設計與繪製系統，僅針對齒輪 3D 自動設計與繪製系統，至於其他機 械元件方面有待進一步之後續研究來完成。
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1-4 重要名詞解釋
一、 物件導向程式設計（object-oriented programming）：一種系統化 的程式設計方法，允許抽象化、模組化的結構描述，具有多元性、
繼承性和封裝，可以建立以物件為基礎的軟體元件[13]。
二、 物件(Object)：物件是一些程式碼和資料的組合，它可以被視為一 個完整單元。物件可以是應用程式的一部份，比如一個控制項或表 單，整個應用程式也可以是一個物件[13]。
三、 類別(Class)：定義物件功能以及物件外觀和行為的範本，包含有 關物件的特徵和行為訊息，它是物件的藍圖和框架[14]。亦指一群分 享共同屬性與方法的物件集合，也就是一個或多個相似物件的描述。
四、 方法（Method）：亦稱為操作（Operation）或行為（Behavior），
是物件應用本身或其他物件之屬性資料來改變某些屬性資料之程序 或功能[13]。
五、 屬性：是案例中個體所擁有的資料描述或項目，亦有稱為資料結構 或狀態。有的將靜態的資料稱為屬性，動態的資料稱為狀態[13]。 六、 訊息：個體間的互動乃是透過個體相互間的溝通及個體內部屬性資
料之更新傳遞以達成各自所負之責任。因此個體間要有溝通管道及 模式，當一個體接收到一溝通訊息後，此個體會提供個體內部之屬 性資料，或利用操作方法產生新的資料[13]。
七、 繼承（Inheritance）：又稱為泛化（Generalization）與特殊化
（Specialization）的關係，A 繼承 B 乃指物件類別 A 是物件類別 B 的一種，因此物件類別 A 可以繼承物件類別 B 的屬性與方法。兩個 以上類別泛化後之類別稱為超類別（Superclass）。子類別與超類別 的階層關係是類別階層（Class Hierarchy）的一種。每一類別會定 義所屬之屬性與方法，當此類別被要求提供某種服務而需執行某方 法時，若此類別本身定義有此方法，則可以直接執行此方法，否則 此類別會沿著類別階層由下往上找，直至找到為止。[13]。
八、 封裝性（Encapsulation）：即所謂資訊隱藏（Information Hiding）， 主要是將物件的內外部分開來，其他物件只能藉由外部的界面取得 其提供的資料，物件內部的細節資料則隱藏起來，其他物件即無法 瞭解此物件的內部細節，若不經過允許之窗口（即此物件提供之方 法）便無從更動此物件內之資料[13]。
九、 動態連結：所謂連結是將程式中所使用到的各名稱(包括程式名稱 及變數名稱)，分配到適當的記憶體位置，其中在編譯過程中即完成 連結的稱為靜態連結（Static Binding），又稱為早期連結（Early Binding）。如果是在程式執行過程中才完成連結的，則稱為動態連 結（Dynamic Binding），又稱為延後連結（Late Binding）[13]。 十、 物件連結與嵌入(Object Linking and Embedding:OLE)：OLE 是一
個合成物件基礎伺服器的環境，透過訂製讓伺服器客戶化以及任意 的延伸結構，其作用目的是在各元件之間做充足的整合[13] 。就是透 過它將其他應用程式上的物件加到不同類別的文件上，其方式有連 結與物件嵌入二種[14]。
十一、 ActiveX 元件（Active component）：所謂 ActiveX 元件是指一 個可執行程式碼的單位，比如 exe，dll 或 ocx 檔案，其在提供物件 時會遵循 ActiveX 的規格。利用 ActiveX 技術，程式設計者可將重 覆使用的元件，組裝到應用程式或者購買的 ActiveX 元件。使用 ActiveX 技術可以把以物件為基礎的元件組合起來，而這些元件可 以透過許多不同的工具來建立、ActiveX 專注於整合物件。將物件 包裝入 ActiveX 元件中，即可被支援 ActiveX 技術的程式撰寫工具 運用及進一步延伸[13] 。
十二、 幾何模型(Geometric Modeling)：對三維形體描述方法與儲存幾 何訊息和樸拓訊息的不同，可將幾何模型分為三類，即線框模型
（wireframe model）、表面模型（surface model）和實體模型（solid model）[15]。
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十三、 正齒輪(spur gear)：兩軸同在一平面且平行之齒輪，齒紋為直 線且平行於軸之圓筒齒輪。
