基于DELMIA的三維模型屬性數(shù)據(jù)提取及重構(gòu)的研究

張開(kāi)運(yùn)

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都610213）

0　引言

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)的集成化程度越來(lái)越高，特別是汽車(chē)工業(yè)、飛機(jī)制造工業(yè)等，產(chǎn)品的最終生產(chǎn)完成是經(jīng)歷了若干企業(yè)社會(huì)化協(xié)作的結(jié)果。在不同企業(yè)之間及企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，數(shù)據(jù)交換頻繁發(fā)生，CAD模型作為傳遞數(shù)據(jù)的主要方式，在不同CAD系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換方式主要有三種：①直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換（包括通過(guò)IGES、STEP等標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換）；②使用第三方CAD軟件系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；③開(kāi)發(fā)專(zhuān)用格式轉(zhuǎn)換程序[1]。在實(shí)際的CAD模型格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)上述三種方式之一和CAD系統(tǒng)本身的創(chuàng)建修復(fù)功能，模型的幾何信息和拓?fù)湫畔⒒究梢员Ａ?，但?jīng)常出現(xiàn)模型的屬性信息數(shù)據(jù)丟失或傳遞錯(cuò)誤的問(wèn)題[2]，如何解決這一問(wèn)題成為當(dāng)前許多企業(yè)面臨的主要問(wèn)題。筆者在利用DELMIA軟件進(jìn)行產(chǎn)品工藝仿真的過(guò)程中，經(jīng)常遇到從其它CAD系統(tǒng)導(dǎo)入進(jìn)來(lái)的三維模型存在幾何尺寸、材料牌號(hào)、密度和質(zhì)量等屬性數(shù)據(jù)丟失或傳遞錯(cuò)誤的問(wèn)題，從而導(dǎo)致后續(xù)的零件拆裝工藝仿真及輻射場(chǎng)計(jì)算的順利實(shí)施，為此不得不采用人工錄入的方法逐條對(duì)三維模型進(jìn)行屬性添加，其缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，在錄入過(guò)程中極易造成輸入錯(cuò)誤，且錄入的數(shù)據(jù)與原始屬性數(shù)據(jù)是否一致難以檢查[3]。

目前，對(duì)三維模型格式轉(zhuǎn)換方式和接口的研究比較多，技術(shù)比較成熟，格式轉(zhuǎn)換后基本可以得到完整的結(jié)構(gòu)模型，但是針對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程中三維模型屬性數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤的問(wèn)題研究的還比較少，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的解決方法。為此，本文基于DELMIA軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的解決方案，即將DELMIA軟件能正確識(shí)別的三維模型的屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)提取出來(lái)，將格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中丟失和錯(cuò)誤的屬性數(shù)據(jù)以及自定義的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行批量重構(gòu)，二者統(tǒng)一存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中作為新模型的屬性信息，從而滿(mǎn)足后續(xù)工藝設(shè)計(jì)制定、計(jì)算、分析和驗(yàn)證的需求。

1　三維模型數(shù)據(jù)分析

三維模型是由空間的點(diǎn)、線、面以及紋理、材質(zhì)等組成，具有空間性和非空間性的雙重特征，通過(guò)點(diǎn)、線、面的空間分布來(lái)表現(xiàn)三維形體對(duì)象的空間狀態(tài)，可以直觀地表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果。三維模型一般是由幾何（Geometry）、拓?fù)洌═opology）和屬性（Attribute）等數(shù)據(jù)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，幾何數(shù)據(jù)描述構(gòu)成三維實(shí)體邊界的頂點(diǎn)、棱線、表面的位置坐標(biāo)，曲線曲面方程等；拓?fù)潢P(guān)系描述組成邊界的各頂點(diǎn)、棱線、表面等之間的相互連接關(guān)系；屬性數(shù)據(jù)包括零件幾何尺寸、質(zhì)量、慣性矩陣、約束、公差標(biāo)注、材料特性、零件明細(xì)表等內(nèi)容。

圖1　三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維模型在不同的CAD系統(tǒng)之間進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí)，其幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本可以正確地傳遞，加上軟件自身的算法和創(chuàng)建修復(fù)功能，可以得到完整的結(jié)構(gòu)模型（不在本文的研究范圍之內(nèi)）。但由于各CAD軟件系統(tǒng)之間的底層算法和精度不同，在三維模型格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)模型屬性數(shù)據(jù)丟失和傳遞錯(cuò)誤的問(wèn)題，如核電站反應(yīng)堆壓力容器在Autodesk Inventor軟件中設(shè)計(jì)時(shí)的屬性信息如圖2所示，將其格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到DELMIA軟件后的屬性數(shù)據(jù)如圖3所示，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，三維模型在格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，其屬性數(shù)據(jù)材料特性丟失，從而導(dǎo)致傳遞的密度、質(zhì)量及慣性矩陣屬性數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，而面積、體積和重心等屬性數(shù)據(jù)被正確地傳遞且在軟件中識(shí)別出來(lái)。因此，在CAD系統(tǒng)交互過(guò)程中，為提高設(shè)計(jì)效率，一方面應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，另一方面對(duì)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤和遺失的數(shù)據(jù)則需要采取方法和工具進(jìn)行重構(gòu)。在本例中，壓力容器的面積、體積和重心信息需要自動(dòng)提取，而材料特性、密度、質(zhì)量和慣性矩陣等數(shù)據(jù)則需要重構(gòu)，由于在此后的輻射場(chǎng)計(jì)算中還需要壓力容器的輻射劑量率值，因此輻射劑量率值也是需要重構(gòu)的屬性數(shù)據(jù)。

圖2　壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)的屬性數(shù)據(jù)

圖3　壓力容器格式轉(zhuǎn)換后的屬性數(shù)據(jù)

2　三維模型屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)提取技術(shù)路線

法國(guó)達(dá)索公司作為“數(shù)字工程”解決方案的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，為制造業(yè)提供了當(dāng)今世界最完整的3D數(shù)字制造解決方案——DELMIA，運(yùn)用以工藝為中心的技術(shù)，針對(duì)用戶(hù)的關(guān)鍵性生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)端到端的解決方案，使用戶(hù)能夠利用數(shù)字化產(chǎn)品模型完成產(chǎn)品工藝的規(guī)劃和驗(yàn)證。

在利用DELMIA軟件進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要用到三維模型的屬性數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)工藝路線進(jìn)行分析和驗(yàn)證，因此將三維模型的屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)提取和保存起來(lái)可以保障分析和驗(yàn)證工作的順利實(shí)施。在DELMIA軟件中，一次只能查看一個(gè)模型的屬性信息，要查看所有模型的屬性信息將花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間且不利于產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)之間的對(duì)比分析，為此，基于DELMIA軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)自動(dòng)提取所有三維模型的能夠正確識(shí)別的屬性數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn)方法如下：首先根據(jù)DELMIA軟件正確識(shí)別的屬性數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)用來(lái)顯示模型屬性的列表框，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊工藝仿真場(chǎng)景中PPR（工藝、產(chǎn)品、資源）結(jié)構(gòu)樹(shù)下的產(chǎn)品模型時(shí)，程序?qū)⒈闅v位于其下所有零部件的屬性數(shù)據(jù)，并將其中傳遞正確的屬性數(shù)據(jù)讀入到列表框中顯示出來(lái)，關(guān)鍵程序代碼如圖4所示[4]。程序遍歷完成之后，所有零部件傳遞正確的屬性數(shù)據(jù)即完成自動(dòng)提取并寫(xiě)入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于及時(shí)分析查看和后續(xù)工藝設(shè)計(jì)制定。

圖4　模型屬性自動(dòng)提取關(guān)鍵程序代碼

3　三維模型屬性數(shù)據(jù)批量重構(gòu)技術(shù)路線

由于格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)致三維模型的部分屬性數(shù)據(jù)丟失和傳遞錯(cuò)誤，導(dǎo)致自動(dòng)提取的DELMIA軟件正確識(shí)別的三維模型屬性數(shù)據(jù)量有限，不能滿(mǎn)足后續(xù)設(shè)計(jì)制定產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和分析驗(yàn)證的需求，為此還需要為模型的屬性數(shù)據(jù)如材料牌號(hào)、基本形狀等以及自定義的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。這里以三維模型材料屬性的重構(gòu)為例，其它的屬性數(shù)據(jù)重構(gòu)類(lèi)似，首先新建TXT格式文本文件，然后將后綴名TXT修改為XML格式并按DELMIA軟件二次開(kāi)發(fā)方式在其中寫(xiě)入程序代碼如圖5所示，從而配置好XML格式文檔并設(shè)置初始值，再將此XML格式文檔存儲(chǔ)到DELMIA軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境變量對(duì)應(yīng)的文件夾內(nèi)，這樣DELMIA軟件啟動(dòng)時(shí)將自動(dòng)加載該XML文檔，最后，根據(jù)XML文檔在DELMIA軟件中開(kāi)發(fā)可以查看重構(gòu)屬性數(shù)據(jù)的功能界面如圖6所示，可以看到模型的材料屬性默認(rèn)為是TIE，當(dāng)材料屬性發(fā)生變化時(shí)，程序只需要將變化的屬性數(shù)據(jù)讀入到此空白框內(nèi)即可。其它的屬性數(shù)據(jù)重構(gòu)只需要在此XML文檔和功能界面內(nèi)按照相同的的格式添加即可，如模型基本尺寸、輻射劑量率值等屬性。

圖5　配置XML文檔

圖6　查看重構(gòu)屬性功能界面

屬性數(shù)據(jù)批量重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式如下：首先配置需要重構(gòu)屬性數(shù)據(jù)的XML格式文檔并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的功能界面，然后將需要進(jìn)行重構(gòu)的模型及屬性數(shù)據(jù)整理成Excel表格，程序?qū)⒈砀裰心Ｐ团cDELMIA軟件中的模型進(jìn)行匹配，為了屬性數(shù)據(jù)批量重構(gòu)的順利進(jìn)行，最好將模型以英文字體命名，當(dāng)屬性表格中的模型名字與軟件中的模型名字一致時(shí)，就把屬性表中的屬性信息賦值給模型，然后進(jìn)行下一個(gè)模型的匹配，直至完成所有模型的屬性賦值即完成了三維模型屬性數(shù)據(jù)的批量重構(gòu)，其關(guān)鍵程序代碼如圖7所示。重構(gòu)完成之后，可以在功能界面內(nèi)查看每個(gè)模型屬性的重構(gòu)數(shù)據(jù)，同時(shí)屬性表格中的模型屬性數(shù)據(jù)也寫(xiě)入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于及時(shí)分析驗(yàn)證。

圖7　模型屬性批量重構(gòu)關(guān)鍵代碼

4　應(yīng)用實(shí)例

以格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到DELMIA軟件的核電站反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)主設(shè)備簡(jiǎn)化模型為例，其中，重心、體積、質(zhì)量、慣性中心是正確傳遞的屬性數(shù)據(jù)，需要程序自動(dòng)提取，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊仿真場(chǎng)景PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)中的產(chǎn)品裝配模型時(shí)，位于其下所有模型的正確傳遞的屬性數(shù)據(jù)將自動(dòng)提取并在列表框中顯示，開(kāi)發(fā)的功能界面如圖8所示，點(diǎn)擊“確定”按鈕所有的屬性信息將寫(xiě)入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖8　自動(dòng)提取模型屬性數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)界面

三維模型屬性數(shù)據(jù)批量重構(gòu)可以為CAD模型添加格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中丟失和傳遞錯(cuò)誤的屬性數(shù)據(jù)以及自定義的屬性數(shù)據(jù)，當(dāng)點(diǎn)擊重構(gòu)按鈕時(shí)，程序?qū)?duì)虛擬仿真場(chǎng)景中所有零部件模型需要重構(gòu)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行批量重構(gòu)，程序運(yùn)行完成之后，批量重構(gòu)的屬性信息也將寫(xiě)入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，與程序自動(dòng)提取的屬性數(shù)據(jù)合并在一起，從而滿(mǎn)足后續(xù)設(shè)計(jì)制定產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、計(jì)算、分析和驗(yàn)證的需求，開(kāi)發(fā)的功能界面如圖9所示，可以查看每個(gè)零部件重構(gòu)的屬性數(shù)據(jù)信息。

圖9　模型屬性批量重構(gòu)界面

5　結(jié)束語(yǔ)

從利用DELMIA軟件進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)工藝仿真的實(shí)際出發(fā)，針對(duì)三維模型在格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中出現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)丟失和傳遞錯(cuò)誤的問(wèn)題，基于DELMIA軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了三維模型屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)提取和批量重構(gòu)的功能，解決了手工錄入屬性數(shù)據(jù)效率低下的問(wèn)題，滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)制定的需求，保證了產(chǎn)品生產(chǎn)工藝分析驗(yàn)證和后續(xù)設(shè)計(jì)制造的順利實(shí)施，在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中具有重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]古成中，吳新躍.3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技巧[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（5）：62-64.

[2]樊雪鈺.三維設(shè)計(jì)軟件模型數(shù)據(jù)交換研究[J].黑龍江水利科技，2013，41（10）：13-16.

[3]趙永明，侯少聰.三維模型與屬性數(shù)據(jù)同步的批處理方法研究[J].礦山測(cè)量，2015（5）：17-21.

[4]南世縱.基于DELMIA虛擬裝配技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2012：11-16.