CAD數據轉換技術在歸檔方面的研究與應用

梅敬成 李建勛 楊欣

摘要：在當前航天產品的設計生產中，三維數字化模型逐步成為設計的主要數據來源。但是數字化模型存在隨時間推移而逐漸失效的問題，為了解決這個問題，提出了一種基于中性格式轉換技術的長期歸檔方法。首先研究面向航天產品三維設計信息的數字化描述機理，建立統一的產品數據描述方法和規范;然后參照STEP標準體系，研究、擴展并制定產品數據集成、交互和長期存檔的標準體系;最后實現了長期歸檔系統，并通過實驗驗證了航天產品數據長期存檔的有效性。

關鍵詞：三維歸檔;STEP;數據交換;數字化

一、三維數字化模型歸檔存在的問題

三維數字化模型的特點是分散化、多版本和多格式等。一般一個模型都是由各個分散的模型組成，同一零件或部件需要進行多次工程更改或版本更新。不同的CAD軟件有不同的數據格式。例如：Sohdworks軟件的原始格式的后綴為.S1dasm，PRO/E（CREO）軟件的原始格式的后綴為.asm，Invetor軟件的原始格式的后綴為.iam。各自的數據格式由各自的軟件所識別和讀取。而這些數據的存檔期限往往要求30年以上，甚至更長。若干年后，要保證這些模型數據可讀，可用，安全，有效，并能被大多數CAD軟件識別和讀取，成為了當前面臨的難題。

二、國內外現狀

歐美發達國家航空、航天及船舶組織在上世紀九十年代相繼啟動了一系列面向產品數據長期歸檔保存的重大研究計劃，涉及三維模型歸檔。例如美國航天局NASA的PGEF項目、歐洲航天PDE項目和歐洲航空組織LOTAR項目等，這些項目都圍繞數據電子歸檔項目研究并建立了適合自己的、基于中性開放格式的相應軟件系統。為了保證產品數據的長期安全可控，三維模型需要建立在一個更持久的數據格式上，不依賴具體的軟件及系統。以CAD領域的三大巨頭CATIA、SIEMENS和PTC為例，三大軟件都定義了自己的模型格式，而且這些模型格式被嚴格保密，相關數據解析也僅僅是通過軟件廠商提供的數據接口來實現，國內用戶很難獲取底層數據的核心結構信息。因此，早在20世紀70年代末，國際上對數據交換進行了大量研究和制訂工作，誕生了10余種數據交換技術標準。有以下幾種是國際或業界公認的數據格式。

1、DXF：圖形交換格式

DXF是AutoCAD的CAD數據文件格式，由Autodesk開發作為他們的解決方案啟用的AutoCAD和其他程序之間的數據互操作性。DXF主要是以2D為基礎的數據格式。

2、IGES：初始圖形交換標準

IGES（初始圖形交換規范）是為了實現不同的CAD/CAM系統之間交換產品模型的定義數據而制定的美國標準，已覆蓋了越來越多的應用領域，被大多數CAD系統所接受。IGES標準最早是ANSI于20世紀80年代初制定的，主要描述產品設計和制造信息，它的數據文件是多個實體的集合，用幾何和非幾何的信息描述產品，其中幾何信息包括了點、線、圓弧、參數曲線/曲面、NURBS曲線/曲面和剪裁曲面等多種元素。非幾何信息包括標注、定義和組織等。

但是，IGES在實際應用中還存在一系列的問題，如：（1）數據文件過大，數據轉換處理時間長;（2）某些幾何類型轉換不穩定;（3）只注意了圖形數據轉換而忽略了其它信息的轉換等。

3、STEP：標準產品模型數據交換

STEP是由國際標準化組織（ISO組織）下的“產品模型數據外部表示”分委員會SC4所制定的一個實現三維數據交換的國際標準，它是由多個部分組成的ISO標準，它已經成為國際公認的CAD模型文件全球統一標準。

STEP標準是為CAD/CAM系統提供中性產品數據而開發的公共資源和應用模型，它既是一種產品信息建模技術，又是一種基于面向對象思想方法的軟件實施技術。它支持產品從設計到分析、制造、質量控制、測試、生產、使用、維護到廢棄整個生命周期的信息交換與信息共享，目的在于提供一種獨立于任何具體系統而又能完整描述產品數據信息的表示機制和實施的方法與技術。

STEP保持良好的兼容性，在格式轉換的過程中，損失的信息相對較少。它不僅能夠描述幾何信息，而且還包括參數化數據、特征和非幾何數據等。STEP還將進一步擴展更多更高層次的設計信息。它的信息覆蓋面廣泛、體系結構嚴密、可擴充性強以及成熟度高，得到軟件商和國家層面的支持，成為CAD模型長期歸檔的首選格式。

在國內，利用中性格式進行CAD模型歸檔研究的較少，也沒有從國家或者行業層面提出解決框架或方案。

三、基于中性格式轉換技術的三維歸檔

由于STEP格式尚未支持如MBD的信息以及視圖管理等信息，如果僅用CAD軟件自身的STEP轉換進行歸檔，在歸檔時就會丟失這部分信息，導致數據失真。

又因為CAD模型格式被嚴格保密，所以本文提出了直接讀取方式，直接對CAD數據文件進行解析，將其中定義的幾何、約束、裝配、圖紙、管路、線纜和PMI等所有歸檔要素的信息解析出來，然后按照STEP的定義創建輸出。至于STEP目前標準中不支持的要素類型，則通過XML擴展對其進行定義。在此需要提取解析CAD模型信息，分析優化模型中結構物理、數學和描述模型間的耦合關系，歸集形成本元信息模型，描述CAD中的線纜、PMI和圖紙等數據，并在此基礎上完成中性格式文件前/后處理器對中性格式文件的讀寫，即前處理器把CAD的內部數據轉換成中性格式文件;后處理器讀入中性格式文件，把數據轉換成CAD的內部數據。

數據格式是為了存儲數字信息而用的對信息的特殊編碼方式，用于識別內部存儲資料的載體。長期存檔選擇的格式至少要滿足以下原則：（1）適用于多種環境;（2）應當支持從專用環境向通用環境的遷移;（3）標準化程度較高;（4）被業界或用戶廣泛支持的格式;（5）可擴展性強的格式;（6）數據可真實完整地被用戶讀出并理解。

而STEP格式可以實現不同廠商、不同版本的CAD數據模型的互栢轉換，并可以被絕大部分的CAD軟件所識別。因此，本文提出基于STEP格式的長期存檔系統。然而，目前STEP格式并不能覆蓋三維模型所有的信息，因此，對STEP中不支持的要素類型，則通過XME擴展對其進行定義。

通過數據直接交換技術，研發了數據直接讀入功能，該功能可實現多種主流CAD軟件原格式文件的幾何數據直接讀入。CAD模型的歸檔數據由幾何數據、幾何屬性數據、模型屬性數據、視圖數據、參數數據、標注數據、電纜數據和管路數據等構成。STEP格式支持幾何數據、標注數據的存儲，其它數據則用XML文件存儲，原/歸檔CAD模型歸檔數據域如圖1所示。

上述的轉換流程描述了數據的雙向轉換，即STEP+XML文件的輸入和輸出。STEP+XML輸出采用數據直讀技術，將CAD模型進行解析，按照NURBS曲線、曲面的方式進行原樣轉換，其它屬性數據則直接寫入XML文件存儲.STEP+XML輸入使用不同軟件的數據交換模塊進行導入。

各個數據模塊中又由多個數據要素組成，各數據模塊包含的要素內容，如表1所列。

實際的CAD模型是由零件裝配而成，長期存檔保留原模型裝配結構并遵循原裝配件的物理文件結構，即按照裝配+元件的方式進行輸出，如圖2所示.

在物理文件中，A.STEP文件包含了所有裝配文件的數據，即A.asm和B.asm文件。同時，生成與總裝同名的A.xml文件，如圖3所示。

為了驗證存檔數據的正確性、完整性和有效性，需要導入已轉換為三維模型中性格式的數據，基于全局配準、局部配準及特征點配準等理論方法，與原格式的三維模型進行配準比對。根據CAD數據類型的特點，重新寫入三維模型數據進行比對。

本文實現了數據交換系統，并應用此系統對航天小衛星模型進行了歸檔實驗。

四、實驗對比

本文以Pro/E為例，進行了方法的驗證。利用Pro/E二次開發工具，在Pro/E軟件中增加長期存檔系統模塊。其中數據轉換模塊有模型信息導出和模型信息導入功能。使用航天小衛星數據，通過數據輸出和輸入，進行了原CAD模型和長期存檔數據的效果比對，如圖4-9所示。

五、結論

本文闡述了利用CAD模型直接讀取技術，對CAD模型數據文件進行解析，將其中定義的幾何和非幾何等歸檔數據解析出來，按照STEP的定義創建輸出。STEP不支持的要素類型，則通過XML擴展對其進行定義。將輸出的STEP+XML文件作為長期存檔格式，該格式不依賴于具體的CAD軟件廠商和特定的系統，保證三維模型數據長期安全有效。本文使用航天小衛星數模進行實驗比對，驗證存檔數據的準確性和全面性。

目前，本文僅實現了CAD模型數據的長期存檔，更高要求的長期存檔管理還應該包括過程的標準化。而STEP標準格式也在不停地更新完善中，未來將支持更多的要素類型，這樣使CAD模型數據的長期保存更加的完善。