幾何樣機(jī)跨平臺(tái)重構(gòu)技術(shù)研究

魚(yú)瑛，白 燚，楊倩

（金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司（航空工業(yè)信息技術(shù)中心），北京 100028）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAX）的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，數(shù)字樣機(jī)逐漸在飛機(jī)研制過(guò)程中被提出并應(yīng)用。飛機(jī)數(shù)字化幾何樣機(jī)主要通過(guò)三維CAD 技術(shù)描述產(chǎn)品的幾何特征及相關(guān)的非幾何信息，如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何尺寸、空間位置及其他制造屬性等，可用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、干涉檢查、虛擬裝配和三維展示等。飛機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，已進(jìn)入異地多廠所協(xié)同設(shè)計(jì)模式；然而不同企業(yè)會(huì)選用不同的CAD 軟件，從而造成模型和數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，需要跨平臺(tái)重構(gòu)模型，將其轉(zhuǎn)化至統(tǒng)一環(huán)境下，支持異構(gòu)幾何樣機(jī)虛擬裝配、干涉檢查等工作的開(kāi)展[1-2]。

目前，異構(gòu)CAD 軟件之間數(shù)據(jù)交換方法主要是通過(guò)中性文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為此出現(xiàn)了多種產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IGES、STEP、DXF 等，主流的CAD 軟件已支持IGES、STEP 標(biāo)準(zhǔn)的中性文件[3]。但是，這些數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一些不足，在異構(gòu)CAD 重構(gòu)后出現(xiàn)信息丟失、無(wú)法修改等問(wèn)題。為了提高異構(gòu)幾何樣機(jī)轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)完整性，文中提出一種基于建模過(guò)程進(jìn)行重構(gòu)的思路來(lái)實(shí)現(xiàn)幾何樣機(jī)跨平臺(tái)數(shù)據(jù)重構(gòu)。

2 基于建模過(guò)程的幾何樣機(jī)跨平臺(tái)重構(gòu)技術(shù)方案

2.1 基于建模過(guò)程的幾何樣機(jī)跨平臺(tái)重構(gòu)總體思路

通過(guò)對(duì)建模過(guò)程重構(gòu)的思路來(lái)實(shí)現(xiàn)幾何樣機(jī)跨平臺(tái)轉(zhuǎn)化，即將設(shè)計(jì)員設(shè)計(jì)模型的過(guò)程進(jìn)行收集提取，并生成中性模型文件，再依據(jù)生成的中性模型文件，通過(guò)重構(gòu)接口，將設(shè)計(jì)員的創(chuàng)建對(duì)象和操作過(guò)程自動(dòng)創(chuàng)建一遍，創(chuàng)建順序一致、對(duì)象參數(shù)完整，盡可能完整地重構(gòu)模型。幾何樣機(jī)重構(gòu)總體思路如圖1 所示。

圖1 幾何樣機(jī)重構(gòu)總體思路

為了確保每個(gè)創(chuàng)建對(duì)象的參數(shù)完整，基于建模過(guò)程的語(yǔ)義環(huán)境，將模型創(chuàng)建過(guò)程中使用到的對(duì)象和操作過(guò)程抽象為一個(gè)一個(gè)的元模型，元模型中描述了這個(gè)對(duì)象創(chuàng)建所需的參數(shù)，并基于XML 語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行文件存儲(chǔ)描述，將梳理的所有元模型構(gòu)建為一個(gè)中性模型庫(kù)。在重構(gòu)過(guò)程中獲取到對(duì)象后，在元模型中找到這個(gè)對(duì)象的中性存儲(chǔ)描述，將參數(shù)值對(duì)應(yīng)填寫(xiě)，生成符合規(guī)范的中性XML 文件，再通過(guò)重構(gòu)接口，解析XML 文件，按照元模型中的參數(shù)描述，進(jìn)行目標(biāo)CAD 軟件的對(duì)象創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)幾何樣機(jī)的跨平臺(tái)重構(gòu)。

2.2 幾何樣機(jī)跨平臺(tái)重構(gòu)關(guān)鍵步驟

（1）幾何樣機(jī)信息框架梳理 目前，飛機(jī)數(shù)字化幾何樣機(jī)主要通過(guò)三維MBD 技術(shù)描述產(chǎn)品的幾何特征及相關(guān)的非幾何信息，如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何尺寸、空間位置及其他制造屬性等，可用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、干涉檢查、虛擬裝配和展示等[4-5]。包含的幾何信息和非幾何信息如圖2 所示。

圖2 幾何樣機(jī)通用信息框架

（2）基于語(yǔ)義抽象元模型庫(kù) 中性元模型庫(kù)是基于總體重構(gòu)思路和幾何樣機(jī)信息框架中的元素，梳理歸納幾何樣機(jī)建模過(guò)程中常用的對(duì)象（如圖3 所示），再將這些對(duì)象抽象為元模型，元模型中描述了這個(gè)對(duì)象創(chuàng)建時(shí)所需的參數(shù)，并基于XML 語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)描述，將梳理的所有元模型構(gòu)建為一個(gè)中性模型庫(kù)。在重構(gòu)過(guò)程中獲取到對(duì)象后，在中性模型庫(kù)中找到這個(gè)對(duì)象的XML描述，將參數(shù)值根據(jù)創(chuàng)建對(duì)象進(jìn)行設(shè)置。元模型的示例見(jiàn)表1 和表2。

表1 基于圓心和半徑創(chuàng)建的圓的元模型示例

表2 拉伸元模型示例

圖3 常用的幾何樣機(jī)建模過(guò)程對(duì)象

中性元模型庫(kù)是為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)軟件的模型數(shù)據(jù)交換而根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一套中性的元模型。通過(guò)這套中性模型集合可以映射到異構(gòu)CAD 工具中的具體功能函數(shù)。

針對(duì)梳理的元模型，其中包含模型靜態(tài)屬性，也包括建模的過(guò)程屬性。靜態(tài)屬性參考STEP 標(biāo)準(zhǔn)，使用XML語(yǔ)言進(jìn)行對(duì)象的中性存儲(chǔ)表達(dá)，所有對(duì)象的中性存儲(chǔ)表達(dá)構(gòu)建成中性元模型庫(kù)。中性元模型庫(kù)的表達(dá)與CAD 平臺(tái)無(wú)關(guān)。以上表中兩個(gè)對(duì)象為示例，中性XML 存儲(chǔ)描述表達(dá)見(jiàn)表3。

表3 元模型對(duì)象的XML 描述

（3）基于中性文件的轉(zhuǎn)化接口 針對(duì)幾何樣機(jī)的跨平臺(tái)重構(gòu)，需要針對(duì)重構(gòu)的軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化接口。轉(zhuǎn)化接口根據(jù)中性模型文件的信息描述規(guī)范驅(qū)動(dòng)CAD 軟件完成相應(yīng)的模型解析或新建工作。中性模型文件面向不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，轉(zhuǎn)化接口需要根據(jù)不同的異構(gòu)CAD 軟件平臺(tái)單獨(dú)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，針對(duì)每一個(gè)軟件，使用其開(kāi)放的API函數(shù)，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的解析讀取與寫(xiě)入創(chuàng)建的功能，其轉(zhuǎn)化流程如圖4 所示。

圖4 異構(gòu)幾何樣機(jī)模型轉(zhuǎn)化流程

3 應(yīng)用實(shí)例

按照上述幾何樣機(jī)跨平臺(tái)重構(gòu)思路，開(kāi)發(fā)了基于建模過(guò)程的CATIA V5 R18 與NX 9.0 之間的重構(gòu)插件。實(shí)現(xiàn)幾何樣機(jī)跨CATIA V5 R18 與NX 9.0 之間的模型重構(gòu)。模型重構(gòu)界面及文件如圖5 所示。

圖5 模型重構(gòu)界面及文件

插件支持基于零件和裝配件的重構(gòu)，在進(jìn)行裝配件的轉(zhuǎn)化時(shí)，自動(dòng)將參與裝配的零組件同時(shí)進(jìn)行重構(gòu)。

將CATIA 模型重構(gòu)為NX 9.0 的模型，重構(gòu)后的裝配件由獨(dú)立的零組件組成，裝配約束、零組件信息均可修改，如圖6b 所示。將CATIA 模型轉(zhuǎn)化為.stp 中性文件，再通過(guò)NX 進(jìn)行.stp 文件查看，重構(gòu)時(shí)所有信息均在一份.stp文件中，轉(zhuǎn)化后的零件無(wú)法獨(dú)立使用，模型無(wú)法進(jìn)行修改，如圖6c 所示。

圖6 各模型示例

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)幾何樣機(jī)重構(gòu)技術(shù)的研究，形成了一種基于建模過(guò)程的異構(gòu)幾何樣機(jī)重構(gòu)思路。基于建模過(guò)程重構(gòu)中性文件與STEP 標(biāo)準(zhǔn)差異見(jiàn)表4，基于該重構(gòu)的語(yǔ)義環(huán)境下，確定了模型重構(gòu)流程，制定了模型轉(zhuǎn)化常用對(duì)象的元模型，并通過(guò)XML 語(yǔ)言對(duì)中性模型對(duì)象進(jìn)行存儲(chǔ)描述，形成了建模過(guò)程重構(gòu)語(yǔ)義環(huán)境下中性模型庫(kù)。該重構(gòu)思路保留了設(shè)計(jì)員的設(shè)計(jì)過(guò)程，支持對(duì)模型的繼續(xù)修改，提升幾何樣機(jī)跨平臺(tái)重構(gòu)后的數(shù)據(jù)完整性和可復(fù)用性。

表4 基于建模過(guò)程重構(gòu)中性文件與STEP 標(biāo)準(zhǔn)差異

1）利用模型抽象方法將幾何樣機(jī)模型常用的創(chuàng)建對(duì)象和操作過(guò)程抽象為元模型，并通過(guò)XML 語(yǔ)言進(jìn)行描述，構(gòu)建中性元模型庫(kù)，通過(guò)調(diào)用異構(gòu)CAD 接口自動(dòng)重構(gòu)模型，盡可能完整地實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)。

2）實(shí)現(xiàn)裝配件的完整重構(gòu)，在進(jìn)行裝配件重構(gòu)的過(guò)程中，將參與裝配的零組件自動(dòng)進(jìn)行重構(gòu)，提高重構(gòu)效率，推動(dòng)模型重構(gòu)的工程應(yīng)用更進(jìn)一步。