含设计意图的3D模型在异构CAD系统间实时交互的研究

含设计意图的3D模型在异构CAD系统间

实时交互的研究

王钰，韩平畴

青岛大学山东，青岛，266071

Email: ywang@https://www.360docs.net/doc/0b14739705.html,

摘要：通过对流行的商用3D CAD系统建模方法与共性的分析，本文提出了一种在异构3D CAD系统之间，实现实时交换包含设计意图的3D几何模型的新方法。该方法对模型的描述采用层次结构，适合于用XML进行表达和网络的实时传输。本文只限于研究体特征数据的描述，内容包括草图、特征创建方式以及特征间的相互合成。另外，本文也介绍了在协同设计时，如何保证被交换的模型数据在异构CAD系统间的一致性。

关键词：含设计意图的数据交换，实时数据交换，协同设计，异构CAD系统

1. 前言

从发展的角度看，在设计领域始终会存在着不同的CAD系统，因此，不同CAD系统之间设计信息的交换，就成了非常关键的一项任务，目前，成为标准而被广泛应用的CAD 设计数据交换规范有DXF、IGES和STEP。这些交换标准都是以文件的形式来实现的，DXF 主要用于2D设计信息的交换，IGES用于空间面模型的交换，而STEP是一个内容非常庞大的数据交换标准，可用于三维产品数据的交换，若简单地从数据交换的意义上来理解的话，这些标准已能很好地满足数据交换的要求了。

但随着现代制造技术的深入发展和Web网络技术的不断进步，制造业的全球化已从理念变为现实，因而，基于Internet的协同设计变得日益重要起来。然而，协同设计要达到理想的效果，就必须要解决两个最基本的问题：被交换的设计数据应包含设计意图；交换数据应能较好地满足实时传输的要求。针对目前流行的商用CAD系统而言，设计意图包含三个方面：设计过程（即设计历史）、参数化（变量约束）和几何约束。而实时性则要求在设计过程中，每一次的增量设计或编辑数据，能单独在网络上进行实时交换，而不是每次必须通过文档交换整体数据。显然，对于这两项基本要求，前面提到的交换标准无法得到满足。针对这一挑战性的问题，有许多文章从不同的角度进行了研究，下一节将对此有详细的论述，但都没有达到全面而实用的效果。

对此，本文通过对流行商用CAD建模方法的分析与总结，提出了一种用于3D几何模型数据的交换描述格式，该格式用XML来实现，不仅可完整地包含设计意图，同时也能满足增量设计与编辑数据在网络上实时传输的要求。

2. 已有的研究工作

STEP的203应用协议，即AP203（Configuration controlled 3D design of mechanical parts and assemblies），是用来描述3D零件和其装配关系的标准，它的第一版（AP203e1）在1994年发布，但不包含设计意图的描述。目前，AP203e2正在测试中[1]，它将实现包含设计意图的3D模型数据的描述，但由于STEP的AP描述采用EXPRESS信息建模语言书写，难以实现网络的实时传输，更无法实现增量信息的实时网络传输。

最近，ISO推出了一个称为“EXPRESS驱动数据的XML表示”，实质是将EXPRESS表示的数据形式映射为XML表示的数据形式[2]，但对于一个复杂的3D CAD数据集在两种语言之间映射，极易造成语义精度上的损失，同时，数据的交换效率也将受到很大的影响，即数据交换的实时性难以保证。

文献[3]论述了基于复制原理，实现将包含设计过程的几何模型数据，通过网络同步交换的基本方法，但没有进一步论述约束信息和增量设计信息的同步交换方法应如何实现。文献[4][5]则是在文献[3]的基础上，建立了基于Web Services的设计数据的交换，不同终端的设计信息通过Web Services进行统一，来实现多用户的协同设计。文献[6]也表达了与文献[4][5]相同的设计思想，即将不同CAD系统生成的设计数据在网络服务器上，转换为统一的产品表达（Universal Product Representation）格式，来实现网络化的协同设计，但均没有给出具体设计意图的描述格式和增量设计信息如何实现实时传输的解释。

文献[7]则采用了一种与上述方法完全不同的描述形式，即基于宏指令的描述，但这里存在着不同系统之间宏指令对应的问题，存在着难以保证在不同的CAD系统之间，实现宏指令间的精确对应转换。

3. 数据交换格式的设计

为了使CAD的交换数据能全面地包含设计意图，其数据格式的设计应从现有的商用CAD创建几何模型的过程出发，根据设计者在设计过程中特征的建立顺序、参数的定义方式以及约束的定义方式，建立三维CAD几何模型的交换数据描述格式。

目前流行的3D商用CAD软件，均采用特征建模的方式来创建几何模型，本文从总体上将特征分为三大类：V olume Feature（Form Feature），Surface Feature（Free From Feature），Transitional Feature（Chamfer etc.）。

体特征与面特征的创建方法是一致的，即都采用在一参考面内的一个或多个由各种线段元素构成的轮廓作截面，沿一条或多条路径扫掠一段空间而构成所需的特征；过渡特征则是以两个面相交形成的棱边，或多个面相交形成的顶点为参照，而创建的修剪特征。之所以要称其为“修剪”特征，是因为过渡特征在创建后，一般要将其参照棱线或顶点删除掉。

本文只考虑由体特征组成的零件几何模型。体特征的创建特点是，先选择一个参考面，在参考面上设计出封闭的截面轮廓，对截面轮廓施加变量约束和几何约束，将截面轮廓沿某一方向或某一条或多条空间路径扫掠，截面区域扫过的空间就构成了所需的特征体。

由此可见，在体特征的创建过程中，具体的数据描述主要涉及到参考面及坐标的描述、组成截面轮廓的图元描述、截面轮廓的变量约束及几何约束的描述、截面轮廓在空间中的扫掠方式与扫掠过程等。最终的零件几何模型是通过多个体特征的“加”或“减”操作来形成的，习惯上将其称为“加材料”或“减材料”操作。

通过上述分析可见，一个包含设计意图的零件几何模型，数据描述主要包括：

确定参考面。包括参考面的定位，参考坐标的建立，与其他面的相对关系，如平行距离、夹角等。

轮廓图元设计。包括各种基本线段图元的描述，如直线、圆、圆弧、样条曲线等。

变量约束设计。即描述对轮廓标定的约束尺寸，变量约束是建立尺寸驱动的基础。

几何约束设计。即描述轮廓图元间的平行、垂直、共线等的几何约束关系。

确定轮廓扫掠方式。包括方向与距离、扫掠到面、沿空间路径以及多截面放样等。

确定生成特征的操作类型。即“加材料”、“减材料”操作。

通过上述分析，下面将详细论述基于XML描述含设计意图的三维几何模型的数据交换格式的实现。

3.1 过程建模的数据格式描述

设计过程（或设计历史）的描述，主要表现在特征创建的顺序上，具体数据格式描述如下：

1）零件模型的描述

……

……

其中，feat_id：特征的识别码，具有唯一性

feat_name：特征的名称

feat_type：表示该特征为挤出特征，还是旋转特征

feat_ops：特征生成的操作类型，即“加”或“减”材料操作

为了确保参与最终零件模型创建的所有元素都有一个唯一的识别码（ID），本文采用多个十进制位来统一定义ID的格式，如下所示：

VV

–

AAA BBB C DD EEE

其中： AAA：代表零件的ID编码

BBB：代表特征的ID编码

C：代表截面轮廓的ID编码

DD：代表参考面的ID编码

EEE：代表组成轮廓的图元的ID编码

VV：代表版本号，记录不同的编辑历史

譬如，编号为001002000000-01的ID表示版本号为1的第1个零件模型中的第2个特征，而编号为001001101003-02的ID则表示一个已被修改过一次的图元，该图元的编号为3，它属于编号为1的截面轮廓和参考面，而该截面轮廓所创建的特征编号为1，该特征属于编号为1的零件模型。通过这种方式定义的ID，可以唯一地表示任何一个构建的元素。

2）特征的描述

特征的创建过程被描述为截面轮廓加操作，格式形式如下：

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/>

其中，为轮廓集合子元素，为生成特征的操作过程子元素，它们的具体描述如下：

……

……

……

/>

/>

集合元素由多个轮廓元素、一个变量约束集合元素和一个几何约束集合元素组成。轮廓元素就是由各种图元构成的封闭平面图形，用来建立创建体特征的截面，变量约束就是参数化的具体表现，对于变量约束集合和几何约束集合将在后续小结中给出具体的描述，本节将对轮廓元素给出详细的描述。

……

/>

/>

/>

其中，是描述建立该轮廓所基于的参考面元素。组成轮廓的图元在本文中被分成三类：直线段图元，在集合下描述；圆锥曲线，主要指圆、圆弧、椭圆和椭圆弧，在集合中描述；样条曲线，即自由格式曲线，在集合中描述。

3）参考面的描述

/>

/>

/>

参考面元素所含属性的含义如下：

ref_id：本参考面的识别码

ref_name：本参考面的名称

refed_id：作为本参考面定位基准的对象识别码，一般为一条直线段或一个平面

refed_type：确定本参考面与定位基准间的定位关系，其值分别为：

本参考面与其他对象之间无相对关系

–

1 – 本参考面与定位基准对象平行，此时value为其间距值

本参考面与定位基准对象之间成夹角，此时value为其夹角值

2

–

X0,Y0,Z0：本参考面上的坐标原点

Xn,Yn,Zn：本参考面法矢（n向）的坐标分量

Xvup,Yvup,Zvup：本参考面的观察正向（v向）坐标分量

通过(X0,Y0,Z0)、( Xn,Yn,Zn)和(Xvup,Yvup,Zvup)即可确定参考面的坐标系uvn，而u 向可通过计算u = v x n 生成，习惯上将u和v分别定为参考面上的X和Y方向。

参考元素中的图元集合子元素、和的内容与元素下的图元集合子元素的内容一样，但这里的图元不是用来描述轮廓，而是用来描述落在该参考面内的图形元素，譬如，要在六面体的某个表面上建立一个孔特征，所用参考面即与该表面重合，而六面体的表面边界是4条相互垂直的直线段，这些直线段就将在元素下的集合元素下被描述，可用来作为具体的参考基准使用。

4）轮廓图元的描述

主要描述图元关键点的几何信息，通过这些关键点信息，在不同的CAD系统中，均可以明确地创建出这些图元。有关图元之间的拓扑信息，即约束信息，将在和集合元素下详细描述。

（1）直线段的描述。其描述格式如下：

其中，line_id和line_name分别直线段图元的识别码和名称；(X1,Y1)和(X2,Y2)分别为线段的起点与终点坐标；color为线段的颜色值。

（2）圆锥曲线的描述。这里的圆锥曲线只限于圆、圆弧、椭圆和椭圆弧，其描述格式如下：

其中，cone_id和cone_name分别为圆锥曲线图元的识别码和名称；(X1,Y1)和(X2,Y2)分别为矩形边界框的左下角和右上角坐标；Xort和Yort是椭圆长轴的方向分量，对于圆和圆弧始终有Xort=1，Yort=0；Ang1和Ang2分别是圆弧或椭圆弧的起始角和终止角，对于圆和椭圆，始终有Ang1=Ang2。

（3）样条曲线的描述。分为Bezier曲线和NURBS曲线，其描述格式如下：

其中，spl_id和spl_name分别为样条曲线图元的识别码和名称；spl_type用来说明样条曲线的类型，即Bezier或NURBS曲线；ctrl_no为控制点数；orders为曲线的次方数；(Xs,Ys)和(Xe,Ye)分别是曲线的起始点和终止点坐标；(Xst,Yst)和(Xet,Yet)分别为起始点和终止点处的切矢分量。子元素用来描述控制点的坐标，其属性(CX1,CY1)、(CX1,CY1)等等分别为控制点的坐标值，坐标值个数为ctrl_no的2倍。

5）复制图元的描述

这些图元主要通过对已有图元进行镜像、复制等操作所生成，具体描述格式如下：

其中，dup_type 属性表示复制类型，即为镜像还是一般的复制；若为镜像复制，则A、B、C和D为镜像轴直线方程的系数，当为一般复制时，这些系数均为0；ent_duplicated _id属性表示被复制图元的ID。

3.2 变量约束的描述

变量约束在集合元素下描述，该集合元素是轮廓集合元素的子元素。在商业CAD软件中，变量约束是在草图环境下，通过对轮廓图元进行标注来设定，其表达式可以是一个明确的标注值，也可以是由其他变量构成的表达式，变量约束是尺寸驱动的基础，常被称为参数化设计。具体描述格式如下：

X:ent2_id Y:ent2_id />

……

X:ent2_id Y:ent2_id />

其中，vname:ent1_id:ent2_id代表系统变量名为vname的变量约束，该约束建立在图元识别码ent1_id和ent2_id代表的图元之间，expression为变量约束的具体表达式；(X:ent1_id, Y:ent1_id)和(X:ent2_id, Y:ent2_id)分别代表该变量约束在ent1_id和ent2_id代表的图元上的标注点坐标。

3.3 几何约束的描述

几何约束描述两图元之间存在平行、垂直、共线或连接等约束，属于拓扑信息描述。在具体描述过程中，只需知道两图元间的约束类型信息即可，因此，不需要建立表达式描述，具体描述格式如下：

!平行约束

……

!垂直约束

……

……

其中，ent1_id:ent2_id表示该几何约束，是建立在图元识别码ent1_id和ent2_id代表的图元之间。

3.4 特征构建的描述

本文前面已提到，当前商业三维CAD软件在创建体特征，均采用将一截面轮廓从一个位置扫掠到另一个位置来实现，这种扫掠方式可分成两大类：绕固定轴旋转扫掠和非旋转扫掠。

非旋转扫掠又可细分为：

沿方向挤出式。轮廓截面沿给定方向（主要是法向）扫过给定的距离，或者是扫掠到某一表面为止，许多CAD软件将第二种方式称之为修剪到面。

沿路径扫掠式。路径为空间曲线，可以是一条，也可以是多条。

沿多截面放样式。在空间中给出一系列截面轮廓，通过设定的对应点，建立体特征。生成体特征的操作格式，从总体上可描述为：

! 沿方向挤出的描述

! 沿路径扫掠的描述

! 多截面放样的描述

在实际应用中，根据对体特征生成的具体操作，元素下代表三种具体操作的子元素，每次只能择其一。下面对这些操作的具体描述展开介绍。

1）沿方向挤出操作的格式描述

! 沿固定长度的挤出描述

! 挤出到面的描述

进一步的描述如下：

其中，当DDs=1时，表示截面轮廓沿参考面正反法向双向挤出，此时，始终有D1=0，当DDs=0时，则沿单方向挤出；(Xd,Yd,Zd)用来确定挤出方向的分量；D1和D2分别用来确定截面轮廓挤出时，距截面轮廓所在参考面的起始和终止距离，而当D2=-1时，表示终止距离无穷大。

其中，D1的含义与上相同；(X0,Y0,Z0)和(Xn,Yn,Zn)是用来确定终止挤出面的位置坐标和法矢的方向分量，以此确定终止挤出面。

2）沿路径扫掠操作的格式描述

……

其中，path_no属性表示扫掠路径的条数。本文认为生成的路径均为NURBS曲线，因为该曲线的描述可以将直线、圆锥曲线和自由格式曲线精确地统一在一起。其他的属性含义与上面对样条曲线的描述一样。

3）多截面放样操作的格式描述

……

其中，属性secs_no 表示用于放样的截面数；(Xn,Yn,Zn)仍表示截面的法矢分量，但在此处它同时也代表放样的方向；(Xa,Ya,Za)是每个截面轮廓上的放样对齐点坐标；其他的元素与属性的含义同上。

4. 数据一致性的保证

当设计信息通过网络实时地在不同的CAD 系统之间交换时，其一致性是保证协同设计能正确进行下去的基础，这种一致性要求在特征、截面轮廓和基本图元对象上都能得以保证实现，确保任何对象的创建与编辑（修改或删除）在不同的CAD 系统中，都能实时地达到一致。

每种CAD 系统对自己创建出来的对象都有具体的命名，但相互之间是不同的，依靠这些具体的对象命名，是无法保证同一对象在不同CAD 系统中被正确地识别。

SE客户端图元对象名与ID对应表S 客户端图元对象名与ID对应表客户端图元对象名与ID对应表

图4-1 保证不同客户端设计的图元对象一致性的示意图

本文已在前面对特征、截面轮廓和图元等对象，定义了统一的识别码（ID ），通过将统一的识别码加入到不同CAD 系统的对象名称中，在每个客户端建立一个对应表，并在Web Server 中建立一个总的对应表，如图4-1所示。假设现有Solid Edge 、Solid Works 和Unigraphics 三种CAD 系统，经过Web Server 参与实时协同设计。两个同心圆在各自的CAD 系统中都有与其他系统不一样的名称，譬如，在Solid Edge 系统中分别为seCir1和seCir2等，但它们的交换识别码是统一的，分别为001001101001_01和001001101002_02。当交换识别码建立后，将其加入到对应的对象名称中，同时在本地建立一个对象名称与交换识别码的对应表，该对应表是建立Web Server 上的总对应表的基础，通过这种对应检查，就可充分保证各个客户端数据的一致性。这种设计的另一个优点是，每一个CAD 系统都能将最新的对应关系保存在图档中，所以，下次再参与协同设计时，数据的一致性会自然得到满足。

5. 总结

本文对3D几何模型的数据描述方式，遵循了现在流行的商用CAD软件的建模方式，将草图所包含的截面轮廓，采用显式的方式来描述，即通过几何信息确定截面轮廓，而将特征的生成过程采用隐式的方式来描述，即描述为一种操作，这种混合描述方式能充分表达一个体特征的生成过程、特征间的相互作用以及不同约束关系的表达，因此，包含了完整的设计意图。特征的这种构建过程具有完整的层次结构，可用XML进行充分地实现，这使得任何时候进行的增量设计与编辑信息，都能单独地得到表达与传递，能完全满足实时的网络协同设计要求。

最后，本文给出了如何保证在实时协同设计过程中，设计信息的始终保持一致性的方法，该方法使一致性信息分别保存在设计图档中，所以，不会造成意外丢失的后果，具有独特的创新性。

本文只研究了体特征模型，含设计意图的实时交换数据格式的描述，在未来的工作中还将对面特征和过渡特征进行深入的研究。

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Wang Yu, Han Pingchou

Qingdao University, Qingdao, Shandong 266071 China

Abstract

Through analyzing modeling methods and extracting their commonness of popular commercial 3D CAD, this paper frames a novel definition of exchanging 3D model data with design intents among different 3D CAD systems. The framework of describing 3D model format is hierarchical, so it is suitable for the XML expressions and real-time transmission through Web. The studies of this paper focus only on the data representations of volume feature (namely form feature). These representations include the total content of a sketch, creating manners of a feature and inter-combinations between features for a part model. Additionally, this paper also introduces how to insure the coherence of model data when different CAD systems are in collaborative work.

Keywords：Data Exchange with Design Intent, Real-Time Data Exchange, Collaborative Design, Heterogeneous CAD systems

作者简介：王钰（1963- ），山东青岛人，现在青岛大学信息工程学院从事教学与科研工作。主要研究方向是网络协同设计、生物医学图象重构与虚拟现实技术。