基于OCCT的三維矢量彎管軟件的開發和研究

盧宇坤 王梓榆

（常州固高智能裝備技術研究院有限公司，江蘇常州 213000）

0.引言

彎管作為大多數氣體、液體的輸送結構，在許多領域都擁有著廣泛的應用，如汽車工業、航天航空等，隨著彎管應用市場進一步擴大，傳統的繞彎式彎管機，壓彎式彎管機等已經不能夠滿足工業上的應用要求，因此發展出了最新的三維矢量彎管機，這種彎管機的工作原理比傳統彎管機更為復雜，因此需要在進行彎制前，能夠實現對于管材模型的顯示，便于技術人員更好的加工管材。

本文旨在基于Open CASCADE Technology這一開源的幾何內核，研究開發出一款專門針對三維矢量彎管機的小型軟件平臺[1]。通過該軟件能夠便捷地導入外部管材的STEP模型，實現STEP模型的整體展示，并能夠對于模型進行操作。開源幾何內核再實際的開發應用中具有許多優勢，并且針對三維矢量彎管開發相應的軟件平臺，能夠大大降低成本，同時還能夠保證后續加工的穩定性，這無疑有著廣闊的前景和市場。

1.Open CASCADE Technology簡介

Open CASCADE Technology簡稱OCCT，是基于C++開發出的一個幾何內核，提供了多種C++的類，旨在快速生成復雜的特定領域CAD/CAM/CAE應用程序。使用OCCT開發的典型應用程序處理通用或專用計算機輔助設計（CAD）系統、制造或分析應用程序、模擬應用程序甚至插圖工具中的二維或三維（2D或3D）幾何建模。利用OCCT開發特定領域CAD/CAM/CAE應用程序，具有功能模塊化和可擴展性高的優點，以下各項為OCCT所提供主要C++類：

基本數據結構（幾何建模、可視化、交互式選擇和特定于應用程序的服務）；建模算法；網格數據處理算法；IGES、STEP格式的數據互操作性。

Open CASCADE 采用C++11中的新特性智能指針來管理引用，這種管理機制利用句柄來實現。Open CASCADE中的句柄由Standard_Transient（臨時）類或Standard_Persistent（持久類）類派生。同時Open CASCADE提供了一個宏預處理函數Handle（）。通過聲明句柄的方式來創建出需要處理的對象，并采用new操作符初始化句柄。在本文的研究與開發中，常需要利用到該特點[2]。

2.三維矢量管材模型軟件平臺的開發與研究

基于Open CASCADE Technology平臺，采用Visual Studio 2019編程平臺和C++編語言來開發。開發出一款具有可視化界面，能夠實現三維矢量管材STEP文件導入以及對于管材模型操作的軟件平臺[3-4]。

2.1 可視化界面的開發

可視化界面的開發是整體軟件平臺的框架，選用Qt作為可視化界面開發框架具有較好的可操作性。Open CASCAS CADE與程序的交互環境接口通過AIS_Interactive-Context類實現，該類通過接受一個高級的API信號控制顯示過程。本文選擇在文檔類中實現對象的創建與初始化，在視圖類中設置程序交互環境界面背景。部分實現代碼如下：

其可視化界面的初始化界面如圖1所示。

圖1 可視化界面的初始化界

2.2 STEP文件導入技術

OCCT中，模型是使用B-rep（邊界表示法）描述的。所以STEP文件導入是實現將STEO文件表示的模型，轉換為OCCT使用的B-rep表示的模型。

描述一個物體的方法有許多，而在實體建模中，經常使用物體的一個封閉的邊界來描述一個物體，這個方法就叫作邊界表示法。因為通常情況下來說，一組面的集合可以組成一個完全封閉的邊界，所以說邊界表示法是高效且準確的描述出整個模型的。在OCCT中，有一個總的拓撲類叫作TopoDS_Shape,以此類作為父類，派生出許多的子類，這些子類能夠基本上概括出組成模型的所有基本拓撲類型，其中與邊界表示法最為相關的的幾大子類分別如下：

TopoDS_Vertex是最基本的拓撲類型，也就是我們常說的頂點；2個頂點可以構成一條線，那么這條線相對應的拓撲類型叫作TopoDS_Edge；當許多條TopoDS_Edge連接起來，就能夠構成一個面，也就是TopoDS_Face；將多個TopoDS_Face拼接，就會獲得一個新的拓撲類型，叫作體，也就是TopoDS_Solid。但我們把多條TopoDS_Edge組成一個集合時，這個集合對應的拓撲類型也就是TopoDS_Wire；把多個TopoDS_Face組成一個集合時，這個由TopoDS_Face組成的集合對應的拓撲類型就是TopoDS_Shell。當我們擁有一個包含了各種拓撲類型的集合時，這個集合稱之為TopoDS_Compound。所有拓撲結構的關系如圖2所示。

圖2 各拓撲之間的結構關系

在OCCT中，有STEPAPI_Reader類，我們可以運用此類來讀取STEP格式的文件，每一個STEP文件中，都包含了自己的網格信息。因為在OCCT中，是采用B-rep表示法來表示一個模型，想獲取STEP模型，就需要將STEP模型里的數據全部轉換為B-rep表示的模型，這個操作我們同時調用STEPAPI_Reader類和STEP Mesh_Mesh類就可以完成。在讀取STEP文件的同時，會獲得該STEP文件中所有的三角面片的信息，這些信息會保存到STEP Mesh_Mesh類中的網格信息中，根據所有獲得的網格信息，就可以生成只擁有單個拓撲結構的TopoDS_Shell模型中，也可以生成擁有多種拓撲結構的TopoDS_Compound模型中。

為了將生成的TopoDS_Shell模型或者是TopoDS_Compound模型顯示出來，OCCT 也提供了相應的顯示模塊，這個模塊叫作AIS（Application Interactive Services）模塊。AIS模塊提供了多種的顯示有關的功能，通過合理的組合使用這些功能，就能夠實現幾何和拓樸對象的顯示、選擇和管理。其中對象的顯示可以顯示出對象的顏色，也可以自己指定顯示模式。對于對象的選擇而言，如果被選中那么就將此對象進行高亮顯示。實現讀取STEP文件的部分關鍵代碼如下：

外部管材STEP文件在本軟件平臺中的顯示效果如圖3所示。

圖3 STEP模型顯示效果

2.3 管材模型的操作

通過AIS模塊可以讀取三維模型文件中的特征，并將三維模型在程序視圖框架中顯示出來，而無法對模型實現旋轉、放縮、移動等基本的交互操作。OCCT提供了V3d_View類，在這個類中有豐富的圖形操作函數，通過枚舉CurAction3d能及時響應渲染模型表面、場景、紋理等，想要完成對于模型的旋轉、平移、縮放等交互。STEP 模型操作顯示如圖4所示。

圖4 STEP模型操作顯示

3.結語

本文基于Open CASCADE Technology這一開源幾何內核，研究并開發出了一款三維模型軟件，并且該軟件應用到三維矢量彎管技術中，從而能夠實現管材STEP文件的顯示，以及對于STEP模型操作的功能，能夠讓工程技術人員更好地了解管材的數據結構，以便于后續的開發。如今，在CADCAM系統中，對于STEP文件進行數據交互在整體的協同工作中占據了重要的地位，但是相比于現較成熟的三維軟件，利用Open CASCADE Technology這一幾何內核，針對性的對于三維矢量彎管開發軟件，并對STEP模型進行處理，在能夠確保降低成本的同時也能獲得較好的穩定性，這無疑能夠給管材加工帶來極大的便利。本文研究的軟件，能夠進一步的再借助Open CASCADE Technology，開發出具有更多功能的軟件平臺，這無疑對有十分重大的意義和更加廣闊的市場前景。