異構(gòu)三維ＣＡＤ模型集成轉(zhuǎn)換及共享方法研究

摘 要：為解決異構(gòu)CAD平臺(tái)間的三維模型轉(zhuǎn)換和共享問題，提出一種新的基于特征模型的集成轉(zhuǎn)換和共享方法。該方法通過集成轉(zhuǎn)換工具實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD平臺(tái)的專用模型文件與共享中間文件的轉(zhuǎn)換。首先建立特征模型，分析其信息構(gòu)成及表達(dá)方法；研究了模型文件轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵技術(shù)，提出基于CAD平臺(tái)應(yīng)用層的幾何元素標(biāo)志方法及標(biāo)志轉(zhuǎn)換方法；最后設(shè)計(jì)了集成轉(zhuǎn)換工具的結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)該模型編程驗(yàn)證了上述方法的可行性。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)； 模型轉(zhuǎn)換； 特征； 幾何元素； 標(biāo)志

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-3695(2008)08-2342-03

Research on integration exchanging and sharing of 3D model among

heterogeneous CAD systems

SUN Wei1， MA Tie-qiang1， GAO Tian-yi2， HUANG Yu-jun1， LI Tao1

(1.Key Laboratory for Precision Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education， Dalian University of Technology， Dalian

Liaoning 116023， China; 2. School of Mechanical Engineering， Dalian Fisheries University， Dalian Liaoning 116023， China)

Abstract:Aimed at exchanging and sharing the 3D model among heterogeneous CAD systems， this paper proposed a new integration-exchange-and-share method based on feature model， in which the integration-exchange tool was used to exchange data between the special model files from heterogeneous CAD systems and shared unified model files. Firstly， built a feature model， and analyzed the information constitutes and expression of the feature model. Secondly， studied the key technologies in the exchange process of model files， and put forward an identification solution of geometric elements based on application layer of CAD systems. Furthermore， presentedthe exchange approach of geometric-elements identification. Finally， dosigned and rea-lized the architecture model of integration-exchange tool to verify the method above.

Key words：heterogeneous; model exchange; feature; geometric element; identification

一直以來，異構(gòu)CAD平臺(tái)間的三維模型轉(zhuǎn)換和共享是產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的瓶頸問題，許多學(xué)者和國際組織對此作了大量研究，其研究方法總體分為三類：a)以特征及操作為轉(zhuǎn)換對象^[1~5]，通過CAD平臺(tái)的API開發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD平臺(tái)間的特征層模型轉(zhuǎn)換。該方法是學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)，具有轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)量少、工程語義完備、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，能正確轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)意圖。但CAD平臺(tái)封裝了幾何核心，通過API函數(shù)難以獲取其底層拓?fù)湫畔ⅲ虼艘源祟惙椒ㄞD(zhuǎn)換三維模型將造成特征約束關(guān)系損失，目標(biāo)模型不能變型或變型歧義。b)研究異構(gòu)CAD平臺(tái)的內(nèi)存模型邊界表示模式^[6，7]，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD平臺(tái)間的一一邊界模型轉(zhuǎn)換。該方法應(yīng)用較廣，如UG提供的CATIA模型(*.model)導(dǎo)出接口即屬此類。其優(yōu)點(diǎn)在于能有效轉(zhuǎn)換模型的幾何、拓?fù)湫畔ⅲ秉c(diǎn)是易丟失設(shè)計(jì)歷史信息，目標(biāo)模型不能反映設(shè)計(jì)者意圖，編輯及變型困難。c)通過制定數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)的中性文件輸入/輸出接口，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD平臺(tái)間的模型轉(zhuǎn)換^[8~10]。目前，包括ISO在內(nèi)的國際組織正致力于此方面的研究。長遠(yuǎn)來看，該方法是解決異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題的最終途徑，但現(xiàn)有研究成果尚不能完全滿足實(shí)際工程需要。以STEP為例，由Pro/E輸出的基于STEP的中性模型文件(*.stp)導(dǎo)入到CATIA、UG等系統(tǒng)后，會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)歷史丟失、模型不能編輯等問題。通過分析上述三類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文在第一類方法基礎(chǔ)上，提出了一種新的異構(gòu)三維CAD模型轉(zhuǎn)換及共享方法，該方法能有效解決異構(gòu)三維CAD模型轉(zhuǎn)換過程中的幾何元素標(biāo)志方法及標(biāo)志轉(zhuǎn)換方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)約束轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)模型可變型、可編輯，能正確反映設(shè)計(jì)者意圖。

1 集成轉(zhuǎn)換和共享方法

異構(gòu)CAD平臺(tái)間的模型轉(zhuǎn)換方法主要有點(diǎn)對點(diǎn)轉(zhuǎn)換、利用中性文件轉(zhuǎn)換以及通過第三方工具軟件轉(zhuǎn)換等三種方法，它們各有利弊^[11]。本文在繼承其各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的模型轉(zhuǎn)換和共享方法，原理如圖1所示。該方法的主體采用集中式轉(zhuǎn)換方式，利用集成轉(zhuǎn)換工具實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD平臺(tái)輸出的專用模型文件（special model file，SMF）與統(tǒng)一模型文件（unified model file，UMF）之間的相互轉(zhuǎn)換。作為標(biāo)準(zhǔn)格式的共享中間模型文件，UMF在異構(gòu)CAD平臺(tái)輸出的SMF之間起到轉(zhuǎn)換橋梁作用。該方法的難點(diǎn)在于CAD平臺(tái)自帶的數(shù)據(jù)接口輸出的SMF（如UG的*.prt文件、CATIA的*.model）文件格式及數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)對普通CAD二次開發(fā)人員不透明，通過簡單編程難以解析和生成該類SMF。為此，本文采用繞行策略，利用CAD平臺(tái)提供的API開發(fā)異構(gòu)CAD平臺(tái)的專用數(shù)據(jù)接口，輸出顯式格式的SMF。同時(shí)，為減少工程語義損失、降低數(shù)據(jù)傳輸量，本文采用高層特征模型對SMF、UMF的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)與組織。

2 特征模型信息構(gòu)成、表達(dá)

首先根據(jù)完備性及最小化等原則^[12]，確定面向三維模型轉(zhuǎn)換和共享的特征模型信息組成、結(jié)構(gòu)，建立信息模型。一般來說，要保持目標(biāo)模型與源模型間的幾何和拓?fù)湟恢拢枰獙μ卣髂Ｐ椭斜硎編缀魏屯負(fù)湫畔⒌膮?shù)、約束、及布爾關(guān)系等信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同時(shí)，為保持轉(zhuǎn)換前后模型的材料、密度、單位等基本屬性一致，特征模型也包含此類屬性信息。綜合上述信息建立特征模型，其構(gòu)成情況如圖2所示。

該特征模型由屬性信息和特征序列組成。屬性信息包括名稱、材料、密度、單位等宏觀屬性，它們只對模型本身有效，不能遞歸傳遞到裝配引用的零部件模型。特征序列泛指包括參考特征、草圖特征、設(shè)計(jì)特征、細(xì)節(jié)特征、操作特征以及裝配特征等在內(nèi)的特征及操作，它們按設(shè)計(jì)歷史進(jìn)行有序排列。同時(shí)，特征序列有別于設(shè)計(jì)歷史，它僅包含模型最終組成特征及操作。表1是特征的信息構(gòu)成即特征信息的BNF表中只是各類型特征的總體信息構(gòu)成及一般表達(dá)方法，但由于各類型特征的幾何、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，必須針對具體平臺(tái)下的具體特征建立相應(yīng)的信息組織模式。另外，文中提到的SMF和UMF均按上述特征模型組織信息，區(qū)別在于特征類型覆蓋范圍不同。若有n種CAD平臺(tái)，其SMF的特征類型集合分別是Ci(1≤i≤n)，則UMF的特征類型集合C=C1∩Ck∩…∩Cn∪ΔC。其中ΔCC1∪C2∪…∪Cn，C必須完備。

3 模型文件轉(zhuǎn)換及其關(guān)鍵技術(shù)

模型文件SMF、UMF均按圖2所示模型組織信息，其主體框架相同，兩者間的轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)是按照特征序列進(jìn)行特征轉(zhuǎn)換。特征層面上，特征轉(zhuǎn)換分為1∶1、1∶N、N∶1等類型。其中絕大多數(shù)是1∶1轉(zhuǎn)換；少數(shù)類似非對稱雙向拉伸→簡單拉伸、沉孔→簡單孔等^[2]由復(fù)雜特征向簡單特征分解的轉(zhuǎn)換為1∶N轉(zhuǎn)換；而N∶1轉(zhuǎn)換則是由多個(gè)簡單特征合并為復(fù)雜特征，該類轉(zhuǎn)換出現(xiàn)幾率較少。數(shù)據(jù)層面上，模型文件轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為特征的屬性、參數(shù)、約束及布爾關(guān)系轉(zhuǎn)換，難點(diǎn)是約束關(guān)系轉(zhuǎn)換。約束轉(zhuǎn)換直接關(guān)系到目標(biāo)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及可變形能力。如表1所示，約束建立在幾何元素基礎(chǔ)上，因此需正確標(biāo)志幾何元素，并對其標(biāo)志進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

表1 特征信息構(gòu)成及表達(dá)類別子類BNF表達(dá)屬性特征標(biāo)志〈特征標(biāo)志〉::= \"ID\" 〈標(biāo)志值〉特征類型〈特征類型〉::= \"type\" 〈類型名值〉順序號〈順序號〉::= \"No\"〈順序號值〉參數(shù)幾何參數(shù)〈參數(shù)〉:: = “參數(shù)名”〈參數(shù)值〉一般參數(shù)約束幾何約束〈幾何約束〉::=〈約束類型〉〈邊界幾何元素1〉〈邊界幾何元素2〉 [〈約束值〉]，〈約束類型〉::=〈平行〉|〈垂直〉|…|〈距離〉|〈角度〉，位置約束〈定位約束〉::=〈定位約束〉|〈絕對坐標(biāo)〉|〈方向向量〉，〈定位約束〉::=〈約束類型〉〈定位幾何元素〉〈定位參考幾何元素〉 [〈約束值〉]，〈約束類型〉::=〈同軸〉|〈對齊〉|〈匹配〉|…〈絕對坐標(biāo)〉::= \"X\"〈X坐標(biāo)值〉\"Y\"〈Y坐標(biāo)值〉\"Z\"〈Z坐標(biāo)值〉，〈方向向量〉::= \"X\"〈X分量〉\"Y\"〈Y分量〉\"Z\"〈Z分量〉拓?fù)浼s束〈拓?fù)浼s束〉::=〈父特征標(biāo)志〉〈依賴幾何元素〉算術(shù)約束〈算術(shù)約束〉::=〈表達(dá)式1〉〈操作符〉〈表達(dá)式2〉，〈操作符〉::= \"＜\"|\"＞\"|\"≤\"|\"≥\"|\"≤\"|

\"＝\"布爾〈布爾關(guān)系〉::=〈特征對象標(biāo)志〉〈布爾值〉關(guān)系〈布爾值〉::= 交|并|差|異或|空3.1 基于CAD平臺(tái)應(yīng)用層的幾何元素標(biāo)志方法

CAD平臺(tái)分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層為幾何核心層，外層為應(yīng)用層。因應(yīng)用層封裝了幾何核心層，難以通過應(yīng)用層的API穩(wěn)定標(biāo)志底層幾何元素。本文提出一種基于CAD平臺(tái)應(yīng)用層的幾何元素標(biāo)志方法，用戶無須了解幾何核心層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即可通過該方法穩(wěn)定標(biāo)志幾何元素。為方便闡述和理解，首先給出以下幾個(gè)相關(guān)定義。

定義1 特征幾何元素(feature geometric element， FGE)是構(gòu)成特征體邊界的邊界元素(邊界面、邊和點(diǎn))，是特征模型中的基本及原生幾何元素。

定義2 派生幾何元素(derived geometric element， DGE)是通過特征間的交、并、差等正則運(yùn)算產(chǎn)生的幾何元素，如分裂面、線等。

已知特征F、F中某種類型(組成點(diǎn)、組成線、組成面)幾何元素構(gòu)成集合{ei|1≤i≤n}，通過CAD平臺(tái)的API可獲得ei(1≤i≤n)的標(biāo)志列表List。List中的標(biāo)志由CAD平臺(tái)的編碼體系動(dòng)態(tài)生成，具有不穩(wěn)定性。但實(shí)驗(yàn)表明，標(biāo)志列表List中的指針位置卻與幾何元素ei(1≤i≤n)存在1∶1映射關(guān)系，以下是兩個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

a)以圖3中的模型A和B為例，A是具有單一block特征的模型，B是由block和extrude特征通過布爾減運(yùn)算得到的模型。對B中extrude特征實(shí)施抑制，使其block特征的組成面和A中block特征的組成面相同，均為FGE。在UG平臺(tái)下，分別對A、B中block特征進(jìn)行組成面標(biāo)志提取及高亮順序?qū)嶒?yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：A、B中block特征的組成面高亮順序分別為f0f1f2f3f4f5和S0S1S2S3S4S5，高亮順序相同。

b)以模型B為例，在其extrude特征前后，對block特征作高亮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。增加extrude特征前，block特征的組成面高亮順序?yàn)楠玈0S1S2S3S4S5；增加extrude特征后，block特征的組成面高亮順序?yàn)楠玈6S0S1S2S3S4S5。其中，S6是由extrude特征與block特征進(jìn)行布爾減產(chǎn)生的分裂面，是DGE，其余組成面是FGE。大量實(shí)驗(yàn)表明，DGE是在FGE基礎(chǔ)上按一定規(guī)律產(chǎn)生的，其標(biāo)志在標(biāo)志列表中的指針位置具有規(guī)律性和相對穩(wěn)定性。

通過上述實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：原始特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定、持久；標(biāo)志列表的指針位置與特征組成幾何元素（包括FGE、DGE）間存在穩(wěn)定且有規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)可獲得該對應(yīng)關(guān)系。因此，若已知特征F、幾何元素類型，幾何元素標(biāo)志在標(biāo)志列表中指針位置p，則可用三元組(F，Te，p)標(biāo)志該幾何元素。

3.2 幾何元素標(biāo)志轉(zhuǎn)換

由于幾何元素標(biāo)志轉(zhuǎn)換與約束轉(zhuǎn)換、特征轉(zhuǎn)換等因素相關(guān)，其轉(zhuǎn)換過程相對復(fù)雜，必須考慮幾何元素所屬特征及后繼特征中的約束。

假設(shè)Fs為源模型文件中的特征；Ft為目標(biāo)模型文件中由Fs轉(zhuǎn)換而來的特征；es表示Fs中的幾何元素，可用三元組(Fs，Te，ps)標(biāo)志，簡記為TIs；et表示Ft中由Fs的幾何元素es轉(zhuǎn)換而來的幾何元素，可用三元組(Ft，Te，pt)標(biāo)志，簡記為TIt；es和et標(biāo)志間的對應(yīng)關(guān)系用有序?qū)Κ?tis，tit>表示。在此基礎(chǔ)上，模型文件中的幾何元素標(biāo)志轉(zhuǎn)換可分為兩個(gè)過程：

a)若已知源模型文件中任意特征Fs，i(1≤i≤n)，Fs，i轉(zhuǎn)換時(shí)，先根據(jù)特征序列遍歷Fs，i的所有后繼特征{Fs，j|i≤j≤n}。如果Fs，j特征中存在約束引用Fs，i中的幾何元素es，i，k(k≤mi)，那么建立ee，i，k與其轉(zhuǎn)換目標(biāo)幾何元素et，i，k之間的標(biāo)志對應(yīng)關(guān)系，即有序?qū)Κ碩Is，i，k，TIt，i，k〉。特征Fs，i及其所有前驅(qū)特征中的幾何元素標(biāo)志對應(yīng)關(guān)系有序?qū)M成集合TS={〈TIs，i，k，TIt，i，k〉|1≤i≤n，0≤k≤mi}。其中：n為源模型文件中的特征總數(shù)；mi為源模型文件中第i特征中被約束引用的幾何元素總數(shù)。

b)源模型文件中的特征Fs，i轉(zhuǎn)換時(shí)，要對其約束所引用的幾何元素標(biāo)志進(jìn)行轉(zhuǎn)換。先遍歷Fs，i中的約束，求得需轉(zhuǎn)換的約束所引用的幾何元素es，j，k(1≤j≤i，k≤mj)。以es，j，k的標(biāo)志TIs，j，k為檢索條件，從標(biāo)志對應(yīng)關(guān)系有序?qū)溪玊S中檢索TIs，j，k所對應(yīng)的有序?qū)Κ碩Is，j，k，TIt，j，k〉，從中得到由es，jk轉(zhuǎn)換而來的目標(biāo)幾何元素et，j，k的標(biāo)志TIt，j，k。

上面是幾何元素標(biāo)志轉(zhuǎn)換的一般過程，通過該轉(zhuǎn)換過程可以間接實(shí)現(xiàn)約束。

4 集成轉(zhuǎn)換工具結(jié)構(gòu)模型

本文將集成轉(zhuǎn)換工具設(shè)計(jì)成一種通用的業(yè)務(wù)邏輯，布置于協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)資源管理等平臺(tái)的服務(wù)容器；同時(shí)，集成轉(zhuǎn)換工具與上述平臺(tái)發(fā)生關(guān)聯(lián)，通過訪問上述平臺(tái)的文檔管理、結(jié)構(gòu)管理模塊可調(diào)用集成轉(zhuǎn)換工具，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)三維CAD模型的轉(zhuǎn)換和共享。集成轉(zhuǎn)換工具的結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，該結(jié)構(gòu)模型劃分上傳接口、下載接口、模型轉(zhuǎn)換引擎、文件解析器、文件生成器、特征轉(zhuǎn)換器以及拓?fù)滢D(zhuǎn)換器等七個(gè)主要模塊。下面以SMF到UMF的轉(zhuǎn)換過程為例，闡述其運(yùn)行機(jī)制：

a)通過上傳接口將SMF上傳到服務(wù)器端，并由上傳接口啟動(dòng)模型轉(zhuǎn)換引擎。

b)模型轉(zhuǎn)換引擎是集成轉(zhuǎn)換工具的主線程，由它調(diào)用文件解析器將SMF解析為內(nèi)存模型。

c)模型轉(zhuǎn)換引擎依據(jù)SMF的特征序列，多次調(diào)用特征轉(zhuǎn)換器將SMF所有組成特征轉(zhuǎn)換為UMF的組成特征，最終得到UMF內(nèi)存模型。

d)模型轉(zhuǎn)換引擎調(diào)用文件生成器，將通過步驟c)得到的UMF內(nèi)存模型寫入到模型文件，生成UMF。

e)模型轉(zhuǎn)換引擎結(jié)束運(yùn)行，執(zhí)行句柄重新交給上述平臺(tái)的文檔管理及結(jié)構(gòu)管理模塊，將新生成的UMF存入共享模型庫。進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，便于日后查詢、共享、轉(zhuǎn)換、重用。

若以UMF到SMF轉(zhuǎn)換過程為例闡述該結(jié)構(gòu)模型運(yùn)行機(jī)制，其過程與以上過程類似，在此不再贅述。

另外，上面提到的特征轉(zhuǎn)換器實(shí)際是包或類庫，內(nèi)含多種特征轉(zhuǎn)換類。特征轉(zhuǎn)換類封裝了特征轉(zhuǎn)換方法及雙方特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每次特征轉(zhuǎn)換時(shí)，模型轉(zhuǎn)換引擎只是調(diào)用了特征轉(zhuǎn)換器的一個(gè)特征轉(zhuǎn)換類。同時(shí)，各種類型特征的幾何元素標(biāo)志轉(zhuǎn)換過程相同，可將其功能提取出來建立拓?fù)滢D(zhuǎn)換器，供特征轉(zhuǎn)換器中的特征轉(zhuǎn)換類調(diào)用。

5 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)本文所述異構(gòu)三維CAD模型集成轉(zhuǎn)換和共享方法開發(fā)了實(shí)驗(yàn)程序。具體方法為：利用EJB開發(fā)運(yùn)行于WebLogic服務(wù)容器下的集成轉(zhuǎn)換工具，實(shí)現(xiàn)模型文件的集成轉(zhuǎn)換。同時(shí)在VC編程環(huán)境下，分別利用UG和Pro/E的API——UG Open API和Pro/Toolkit，開發(fā)輸出SMF的專用數(shù)據(jù)接口。最后，利用上述程序?qū)軞な綋Q熱器的管接頭模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)換前后模型幾何外形相同，目標(biāo)模型較好地保留了源模型的約束及設(shè)計(jì)歷史等信息。在Pro/E環(huán)境下可對轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)模型進(jìn)行編輯、修改等操作。

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于特征模型的異構(gòu)三維CAD模型集成轉(zhuǎn)換及共享方法，分析了特征模型的信息構(gòu)成，研究了基于該特征模型的模型文件轉(zhuǎn)換及其關(guān)鍵技術(shù)，并給出集成轉(zhuǎn)換工具結(jié)構(gòu)模型。與其他轉(zhuǎn)換方法相比，本文所述方法具有約束、特征依賴關(guān)系轉(zhuǎn)換完全等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)換而來的目標(biāo)模型可編輯、可變形。另外，集成轉(zhuǎn)換工具被設(shè)計(jì)為通用業(yè)務(wù)邏輯，可移植性好，可應(yīng)用于基于Web的協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)資源管理等平臺(tái)系統(tǒng)。

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