基于XML的逆向重建模型表示與應用*

賀 強 楊曉強

(中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 廣漢 618307)

基于XML的逆向重建模型表示與應用*

賀 強 楊曉強

(中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 廣漢 618307)

為了利用CAD系統對逆向重建模型展開創新設計，設計了基于XML逆向重建模型表示。采用CSG/B-rep混合表達的方式表示了重建的實體特征模型。建立了該模型基于XML表示的數據文件，通過CAD系統二次開發實現了XML數據文件的解析，從而在CAD系統中生成了該模型。實驗的結果表明該方法能將重建模型的特征信息和約束信息完整地傳遞到CAD系統中，實現了逆向重建結果與CAD系統的緊密集成，可有效支持基于原型的創新設計。

逆向重建；XML；CAD；二次開發

逆向工程作為先進制造技術的一個重要組成部分，已經從低層次的原型復制逐步發展成為支持產品創新設計及開發的重要技術手段[1]。利用先進的CAD系統對逆向重建模型進行改型設計是加速新產品開發的有效途徑。將同時包含了幾何參數、幾何約束、可行建模序列等原型設計意圖的逆向重建實體特征模型無縫導入到CAD系統，就能利用CAD系統強大的參數化設計能力來實現產品的創新設計。因此，如何利用CAD系統實現逆向重建模型的創新設計是逆向工程技術中一個亟待解決的問題，具有重要意義。

基于CAD系統的逆向重建模型創新設計本質上是異構CAD系統之間的數據交換問題，即逆向重建模型與CAD系統的數據交換。隨著計算機集成制造技術的深化發展，不同CAD系統之間的模型交換具有迫切的工業需求。國內外許多學者致力于這一問題的研究，出現了很多不同的解決方案。基本圖形交換規范(initial graphics exchange specification, IGES)和產品模型數據交換標準(standard for the exchange of product model data, STEP)這兩個幾何數據交換標準的發布，使得CAD系統間的幾何模型數據交換得到成功應用。但到目前為止，該類技術還不能完全保證交換數據的有效性和一致性[2]。特別地，該類交換技術針對低層次的幾何數據，因而不能傳遞模型高層次的幾何參數，約束和特征等信息，從而丟失了原始的設計意圖，以致交換后的模型只是計算機可讀的而不能進行修改。宏參數法[3-4]是一種基于設計歷史的CAD模型數據交換方法。該方法利用宏文件來實現參數化特征信息以及設計歷史的交換。宏文件由一系列標準的CAD建模命令構成，隱式地記錄了約束、參數、設計歷史和特征等設計意圖信息。該數據交換方法分為兩個層次：CAD系統的命令集與標準命令集之間的映射；CAD系統的宏文件與標準宏文件之間的映射。以Pratt教授為首的研究團隊參與了ISO的有關參數化特征信息交換的STEP標準制定，發布了過程與混合表示的標準STEP10303。該標準能對CAD模型的創建歷史、參數化模型的參數和約束進行表示，并為可變參數、維數、約束和草圖提供了表示方法[5-7]。以高曙明教授為首的研究團隊的異構CAD系統數據交換技術[8-9]是一種基于操作命令交換的異構CAD系統在線集成技術。該方法建立了基于異構CAD系統的實時協同平臺，在此基礎上實現了復雜特征操作、約束和用戶自定義特征等的在線交換。

盡管眾多的學者致力支持產品創新設計的CAD模型的數據交換技術，也取得了豐碩的研究成果，但是實現無縫的異構CAD系統間的數據集成依然是一個未能完全解決的問題，并且較少的研究針對逆向重建模型。針對這一現狀，本文提出一種基于XML描述的逆向重建模型表示，通過對CAD系統的二次開發，將逆向重建模型導入到CAD系統中，從而利用CAD系統強大的參數化設計能力開展基于模型的創新設計。

1 基于XML的逆向重建模型表示

1.1 逆向重建模型的組成

針對基于實體特征融合的重建模型，其含有實體特征、幾何約束以及布爾運算關系。實體特征主要包括特征的類型和特征的幾何參數，主要由基本體特征和基于草圖的特征組成。基于草圖的實體特征通過對輪廓截面草圖進行拉伸、放樣、旋轉和掃掠等操作的方式生成。相對于基本實體特征，其幾何形狀較為復雜。常見的實體特征如圖1所示。

實體特征間及實體特征內的約束通常可歸納為共面約束、平行約束、同軸約束、距離約束、垂直和對稱約束等六種類型。特征加約束構成了逆向重建的實體模型。實體模型的計算機表示方法以構造實體幾何法(CSG)和邊界表示法(B-rep)為主，并向多重模式的方向發展。其中，CSG/B-rep混合表示方法將兩種方法有機結合，整體模型用CSG樹表示，各個終端節點則用B-rep表示，使得表示的模型具有清晰的模型整體結構，同時低層元素(頂點、邊、面)完整。綜上所述，本文采用CSG/B-rep混合表示方法來表達逆向重建模型。

如圖2所示，逆向重建模型的特征二叉樹反映了建模歷史，是原始模型正向造型過程的一種可行解。特征間的布爾運算關系和約束反映了設計意圖。這樣的重建模型導入到CAD系統中，就繼承了原型的設計意圖，這對基于原型的創新尤為關鍵。

1.2 基于XML的重建模型表示

可擴展標記語言XML是一系列規則的集合[10]，能夠存儲CAD模型的幾何參數、特征、約束和設計歷史等知識，因而已經廣泛應用于不同CAD系統之間的數據交換[11]。特別地，XML可以方便地表達CSG/B-rep混合表示的逆向重建模型。其表示的重建模型的CSG樹形結構與CAD系統正向造型過程生成的特征樹相對應。每個特征樹都對應一顆XML樹，XML樹則通過一個XML文檔表示。基于XML的逆向重建模型表示獨立于CAD系統平臺，對CATIA、NX、Pro/E等主流的CAD系統進行簡單的二次開發后即可以導入逆向重建模型的XML文檔表示，進而生成可參數化驅動的CAD模型。

1.2.1 基于XML的模型表示

重建模型是若干個實體特征經過一系列布爾運算得到，形成了一顆特征樹。該特征樹中，所有的終端節點表示一個實體特征，而所有的父節點均為布爾運算關系。重建模型的XML表示如下。

……

+

+

……

+

+

對重建模型中的各個特征也進行了基于XML的表示，篇幅關系此處僅給出拉伸體的XML表示：

其中，“BasicSketch”是拉伸體的輪廓草圖，“NumOfLine”存儲了該輪廓草圖包含圖元的數量。對輪廓草圖，本文定義了直線、圓弧、樣條等圖元類型的XML表示，它們的有機組合構成了“BasicSketch”。

1.2.2 基于XML的約束表示

實體特征內的約束主要包括尺寸約束、幾何關系約束、位置約束等。針對本文所定義的基本實體特征，其隱式約束在數據交換文件中直接定制添加。基于草圖的特征的幾何約束通常是顯式約束，表示為：

< Constraint Type=”Vertical” Obj1_ID = ”Line_ID”Obj2_ID=”Line_ID”/>

……

其中，Type標簽表示了約束的類型，Obj1ID，Obj2ID表明了被幾何約束作用的圖元索引。

實體特征之間的約束主要包括定位約束、拓撲約束和對稱約束以及尺寸鏈約束。定位約束對實體特征間的相對位置進行限制。針對基本實體特征具有的拓撲平面設計了基準面的XML表示舉例如下：

35

40

其中，BasePlaneDef標簽表明該特征的草圖基準面依賴FeatureIndex標簽所指定的特征，f1標記的是所依賴特征的面，ParaH和ParaV標記的是特征的輪廓草圖在基準面上的定位參數。

拓撲約束主要針對實體特征間的布爾運算關系。基于XML的重建模型表示的“樹形”結構確定了特征間的拓撲約束。對稱約束主要包括反射、平移和旋轉對稱。基于XML的對稱約束表示如下(以圓柱體為例)：

……

// 對稱面

旋轉對稱與平移對稱分別對應CAD系統的環形、矩形陣列特征。針對矩形陣列的XML表示，XML文件存儲了某一方向陣列特征的個數和間距。針對環形陣列的XML表示XML文件存儲了環形陣列特征的個數和夾角，以及旋轉軸。由于對稱約束的XML表示類似，本文僅給出了反射對稱約束的XML表示。

尺寸鏈約束的獲取需要完全理解模型的原始設計意圖，然而設計意圖的完全理解目前還難以完全依賴計算機完成。因此，在基于XML的重建模型導入CAD系統后，通過人工交互的方式建立模型完整的尺寸鏈約束。

2 基于CATIA的實例驗證

選擇DOM作為XML的解析方法，對CAD系統進行二次開發后，解析數據交換文件并在CAD系統中生成該模型。采用廣泛應用在航天、航空等領域的CAD系統CATIA作為驗證平臺，并基于自動化應用接口的宏(Automation API)來進行二次開發。圖3為逆向重建模型基于XML的表示，圖4a為CATIA系統解析該XML模型表示后生成的可參數化驅動的模型，圖4b為該模型基礎上的再設計。實驗的結果表明，基于XML的逆向重建模型表示包含了原始模型的設計意圖，與主流CAD系統能夠很好地集成，從而能利用CAD系統強大的設計能力實現逆向創新設計。

3 結語

為了實現逆向工程基于原型而高于原型的創新設計要求，設計了一種能支持重建模型在CAD系統中進行創新設計的、基于XML的逆向重建模型表示。采用CSG/B-rep混合表達的方式表達了重建的實體特征模型。依據該表示，對特征、約束和重建模型進行基于XML的表示并對CAD系統進行二次開發以解析該表示，從而實現了逆向重建結果與CAD系統的集成。利用CATIA系統驗證了基于XML表示的逆向重建模型的創新設計，實驗的結果證明，該方法能將逆向重建模型的特征信息和約束關系等高層信息完整地傳遞到CAD系統中，進而驅動逆向重建模型的參數化設計，為創新設計奠定基礎。

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XML based representation and application of the reverse reconstructed model

HE Qiang, YANG Xiaoqiang

(Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, CHN)

For innovative redesign of the reverse reconstructed model by making use of modern CAD system, a new XML based reconstructed model representation is designed. The reconstructed model was expressed as hybrid CSG/B-rep mode. A XML-based data file depending on the hybrid model was established which could be parsed in CAD systems. After second development of CAD systems, the file was imported and feature-based CAD model was rebuilt. The experimental result shows that this XML based file can completely transfer the feature information and constraint information into the CAD system. It achieves the integration between the reverse reconstruction and CAD systems which can support innovative redesign effectively.

reverse reconstruction; XML; CAD; second development

*國家自然科學基金資助項目(51175434)

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.015

賀強，男，1985年生，博士，講師，主要研究復合材料數字化制造、維修技術與適航審定技術等。

?穎) (

2016-03-29)

160920