跨平臺三維模型轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

◎首都航天機械公司 文帥 高晶 楊薇 陳松濤

◎航天長征火箭技術(shù)有限公司 高佳偉

引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主要支柱，也是今后我國經(jīng)濟“創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型升級”的主戰(zhàn)場。三維模型作為制造全過程數(shù)據(jù)信息的重要載體，驅(qū)動全局工藝過程的規(guī)劃，以及各個具體工藝過程的參數(shù)設(shè)置、工裝設(shè)計、數(shù)控編程、仿真驗證、現(xiàn)場操作以及產(chǎn)品檢驗檢測過程，在制造智能化進程中有著至關(guān)重要的地位和作用。

然而，由于歷史原因和需求差異，不同企業(yè)、不同部門，甚至不同小組之間使用的CAD軟件平臺都不盡相同，較為常見的有NX（UG）、CATIA、CREO（PROE）、SolidWorks，CAXA等。三維模型在不同軟件平臺間轉(zhuǎn)換時經(jīng)常出現(xiàn)問題，具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)丟失、特征缺失、模型畸變，甚至造成轉(zhuǎn)換失敗。據(jù)估計，即使對于美國這樣的技術(shù)強國，每年由于幾何數(shù)據(jù)交換問題造成的損失都高達十億美元。

上述問題嚴重制約了基于三維模型的智能化設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展。因此，迫切需要研究三維模型在不同CAD軟件平臺轉(zhuǎn)換過程中的關(guān)鍵技術(shù)，盡可能減少出現(xiàn)錯誤的風(fēng)險，保證三維模型質(zhì)量。

一、三維模型的評價要素

完整描述三維模型的數(shù)據(jù)信息應(yīng)包括如下三類：

1、模型幾何。主要是指產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)中用于描述空間特征的點、線、面等元素；

2、裝配關(guān)系。主要是指在裝配模型中，兩個或多個模型幾何之間的相對位置關(guān)系和約束關(guān)系；

3、標注屬性。包括與模型幾何關(guān)聯(lián)的，用于描述模型特征或?qū)傩缘某叽纭⒐?、注釋及其它文本?/p>

評價三維模型在不同CAD軟件平臺之間轉(zhuǎn)換的質(zhì)量，關(guān)鍵就是檢查三類要素能否完整、正確地轉(zhuǎn)換。

二、造型引擎的選擇

隨著造型理論和計算機軟硬件的發(fā)展進步，實體造型技術(shù)作為當前最為先進和成熟的技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。目前工作中接觸到的CAD軟件平臺均基于實體造型引擎開發(fā)。

主流實體造型引擎有ACIS（Association for Computer and Information Science），ParaSolid，Open Cascade。其中ACIS由美國Spatial Corporation公司開發(fā)，可以將幾何模型保存為STEP、IGES、SAT等格式，基于ACIS開發(fā)的代表性幾何造型系統(tǒng)包括CATIA、CREO；ParaSolid由美國Shape Data公司開發(fā)，可以將幾何模型保存為STEP、IGES、VRML等格式，基于ParaSolid開發(fā)的代表性幾何造型系統(tǒng)是NX；Open Cascade由法國Matra Data Vision公司開發(fā)，屬于開源的三維實體造型引擎，但因工作中使用到的三維軟件均未采用該引擎，所以不做詳細討論。

ACIS和ParaSolid都基于邊界表示法，幾何和拓撲數(shù)據(jù)相互獨立。幾何數(shù)據(jù)描述實體的幾何信息，拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)描述實體特征之間的連接關(guān)系。它們具有相同的本源，但屬于兩種體系，其幾何和拓撲數(shù)據(jù)并不精確對應(yīng)（如圖1），導(dǎo)致三維模型在基于不同實體造型引擎開發(fā)的CAD軟件平臺間轉(zhuǎn)換時，對于不能滿足映射關(guān)系的特征，會進行逼近和重構(gòu)處理，如果轉(zhuǎn)換精度不夠，就可能在轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)問題。

另外，拓撲結(jié)構(gòu)的區(qū)別也可能導(dǎo)致軟件內(nèi)部出錯，使三維模型產(chǎn)生縫隙、破面、特征丟失甚至無法轉(zhuǎn)換等各種問題。所以，在條件允許的情況下，盡可能選擇基于相同造型引擎開發(fā)的CAD軟件平臺進行轉(zhuǎn)換，提高轉(zhuǎn)換的成功率（如表1）。

圖1 ACIS和ParaSolid拓撲結(jié)構(gòu)圖

表1 ACIS和ParaSolid的幾何數(shù)據(jù)

三、轉(zhuǎn)換方法的選擇

（一）通過專用接口進行轉(zhuǎn)換

早期，為了滿足在不同CAD軟件平臺之間轉(zhuǎn)換三維模型的需求，大型企業(yè)都設(shè)置專職部門和人員，專門開發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。優(yōu)點是專用轉(zhuǎn)換接口能夠最大程度保留原三維模型的數(shù)據(jù)信息，缺點是任何兩個軟件平臺之間都需要單獨開發(fā)轉(zhuǎn)換接口。所以，CAD軟件平臺種類較多時，數(shù)量龐大的接口開發(fā)耗費大量人力財力，而且軟件更新升級后，部分轉(zhuǎn)換接口會失效，需要重新開發(fā)。

隨著三維軟件的廣泛普及，每種CAD軟件平臺都有龐大的客戶群，因此，近年來是否支持其它軟件平臺創(chuàng)建模型的導(dǎo)入，也成為評價CAD軟件平臺功能的重要指標。以NX、CATIA、CREO三大CAD軟件平臺為例，均有支持其它軟件平臺三維模型導(dǎo)入的專用接口，保證三維模型在轉(zhuǎn)換后能夠較好的保留原始數(shù)據(jù)信息，但從測試結(jié)果來看，主要是投影、剖切及標注、屬性等信息無法順利轉(zhuǎn)換。原因主要有兩個方面：一方面，受實際需求和巨大利潤驅(qū)動，商用CAD軟件平臺技術(shù)發(fā)展較快，國際和國家標準的起草、發(fā)布速度遠遠落后，且相應(yīng)標準只規(guī)定了三維模型顯示內(nèi)容和顯示效果方面的細則，未規(guī)范軟件開發(fā)層面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口協(xié)議等內(nèi)容，CAD軟件開發(fā)商采用的往往是行業(yè)標準甚至企業(yè)內(nèi)部標準，格式的差異導(dǎo)致許多數(shù)據(jù)不能進行轉(zhuǎn)換，對于軟件新版本中增加的數(shù)據(jù)形式，此類問題更為明顯；另一方面，商業(yè)軟件公司出于自身利益，極少公布軟件內(nèi)部算法，即使為滿足用戶二次開發(fā)需求，也僅開放極少的接口，這也成為阻止三維模型數(shù)據(jù)在不同CAD軟件平臺間順利轉(zhuǎn)換傳遞的壁壘。

（二）通過中性格式進行轉(zhuǎn)換

從20世紀80年代開始，國際上陸續(xù)推出了一些標準化的中間格式，一定程度上緩解了轉(zhuǎn)換接口過多的問題。IGES（Initial Graphics Exchange Specification）和STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）是最為常見的兩種格式，IGES標準推出時間較早，內(nèi)容相對簡單，只存儲了幾何尺寸和點線面的拓撲關(guān)系，對幾何元素的描述缺乏精度且標準層次不齊，模型加載速度慢，拓撲關(guān)系容易丟失，現(xiàn)在已較少使用；STEP支持的數(shù)據(jù)信息相對較為豐富，其中STEP214相對STEP203協(xié)議，對模型顏色、標注等信息的支持更加完備。

以NX、CATIA、CREO三大主流CAD軟件平臺為例測試，標準中間模型STEP在各軟件平臺間均能夠傳遞，但是主要出于兼容性考慮，中間格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為簡單，很多CAD軟件的數(shù)據(jù)格式無法完全映射到中間格式，致使轉(zhuǎn)換后特征殘缺或出現(xiàn)其它錯誤。

（三）通過專用軟件進行轉(zhuǎn)換

Collaboration Gateway、AccuTrans 3D、3DTransVidia、TransMagic，CADfix等都是進行CAD模型轉(zhuǎn)換的專用工具，允許使用者在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，采用交互式手段，對軟件不能正確識別或表達不清晰的環(huán)節(jié)判別修正。

以AccuTrnas 3D為例，作為參數(shù)化特征信息交換工具，AccuTrnas 3D支持NX、CATIA、CREO等主流CAD軟件平臺創(chuàng)建的三維模型，采用IMX（Interactive Modeling Exchange Format）存儲中性的模型數(shù)據(jù)，可以在目標CAD平臺正確重建、編輯和修改參數(shù)化特征模型。通過多重特征轉(zhuǎn)換器結(jié)合，可以將零件的全幾何顯式模型導(dǎo)入到裝配體模型中，AccuTrnas 3D提供FCA（Feature Creation Analysis）功能對轉(zhuǎn)換后的特征進行幾何校驗，在此基礎(chǔ)上還可以通過MMC（Mirror Model Comparator）進行更精確的雙向校驗。但問題是需要專門購買轉(zhuǎn)換工具，且需要根據(jù)CAD平臺版本更新情況相應(yīng)升級。

由此可見，采用專用接口、中間格式和專用轉(zhuǎn)換工具，具有各自的優(yōu)勢，同時也存在各自的問題。實際使用過程中，應(yīng)優(yōu)先選用專用接口導(dǎo)入的方式，無需單獨耗資購置專用工具，在轉(zhuǎn)換過程中較好保存三維模型攜帶的全部信息。

四、軟件版本的選擇

為了在更大范圍內(nèi)推廣軟件，提升公司影響力，各大軟件公司都在不斷改進擴充軟件功能，同時增強對其它軟件平臺的兼容性。主流CAD軟件平臺基本每年都會有大的版本升級，小版本更新則更為頻繁。一般情況下，對于同一軟件的新舊版本，可以做到向上兼容，即新版本完全支持來自舊版本的模型信息。但是，對于不同的軟件平臺，則導(dǎo)入平臺的發(fā)布時間應(yīng)晚于導(dǎo)出平臺的發(fā)布時間。因為前者發(fā)布后，后者才有可能有針對性的開發(fā)導(dǎo)入接口，從而正確識別并更好地支持前者數(shù)據(jù)信息。

五、建模時的注意事項

（一）適當提高造型精度

造型精度是衡量三維模型質(zhì)量的重要指標。軟件內(nèi)部需要對幾何特征進行大量近似處理，拓撲關(guān)系在容差造型系統(tǒng)中有時也會被近似處理。不同軟件造型精度存在差異，如NX默認精度為0.00254mm，CATIA默認精度為0.001mm，CREO默認精度為0.0012mm，而高、低精度軟件對同一模型特征的解釋并不完全相同。所以在CAD軟件平臺之間進行模型轉(zhuǎn)換時，應(yīng)適當提高三維模型的造型精度，并盡量消除模型中出現(xiàn)與精度設(shè)置等級相近的微小尺寸特征，避免轉(zhuǎn)換過程中因為精度不同出現(xiàn)問題。例如，兩個曲面的邊界距離為0.001mm，在低精度CAD軟件中認為兩個曲面有共同邊界，而高精度CAD軟件中則認為兩個曲面之間存在縫隙。再如，一條曲線的長度為0.001mm，在高精度CAD軟件中可以正常存儲顯示，而低精度CAD軟件中卻無法存儲該曲線信息。

當然，模型精度和資源消耗量緊密相關(guān)，應(yīng)根據(jù)實際需求合理選擇模型精度，而不是一味追求高精度。

（二）避免使用復(fù)雜特征

一般認為，曲線曲面的階次越高，造型就越靈活，NX、CATIA、CREO等高端CAD軟件平臺，支持超過20次的高次NUR BS曲線、曲面。但是，如果考慮到后續(xù)可能需要在其它軟件平臺中轉(zhuǎn)換使用，則在建立三維模型時，對于曲線、曲面等特征盡量不要采用過高階次。因為很多低端CAD軟件尚未達到如此高次的造型能力，含有高次NURBS曲線、曲面特征的三維模型在從高端CAD軟件平臺到低端CAD軟件平臺轉(zhuǎn)換過程中，很可能出現(xiàn)精度降低、特征丟失等諸多問題。同樣道理，對于很多CAD軟件平臺新版本中提供的其它復(fù)雜特征，也盡可能減少使用。