協(xié)同環(huán)境中基于輕量化的3D異構(gòu)CAD模型干涉檢查
為了解決異構(gòu)CAD產(chǎn)品模型干涉檢查比較困難等問題，提出了一種基于輕量化模型的對(duì)異構(gòu)CAD產(chǎn)品模型進(jìn)行干涉檢查的實(shí)現(xiàn)方法，利用輕量化模型的精細(xì)度模型，采用分層過濾的方法，實(shí)現(xiàn)了快速干涉檢查，并對(duì)干涉結(jié)果從可視化顯示和分析報(bào)告兩方面進(jìn)行處理，然后將協(xié)同設(shè)計(jì)插件作為設(shè)計(jì)端與協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)(PLM)的中間層，及時(shí)把干涉檢查結(jié)果發(fā)布給設(shè)計(jì)者以便作出修改。該方法已經(jīng)在商品化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可視化平臺(tái)InteVue中得到應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，其干涉檢查結(jié)果可以作為模型設(shè)計(jì)的有效參考。
引言
隨著現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品復(fù)雜度和技術(shù)含量的提高，單一企業(yè)常常受到技術(shù)和資源等方面的限制，不能勝任產(chǎn)品開發(fā)的全過程，必須進(jìn)行跨專業(yè)、企業(yè)、地域的合作以獲得整體優(yōu)化。當(dāng)前三維模型已成為表達(dá)產(chǎn)品信息的核心媒介，在產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)的過程中，各企業(yè)根根自身發(fā)展需要會(huì)選擇合適的三維CAD系統(tǒng)，甚至同一企業(yè)內(nèi)部也同時(shí)存在多種三維CAD系統(tǒng)，造成了產(chǎn)品模型往往由異構(gòu)的CAD模型組成，異構(gòu)CAD模型裝配和干涉檢查困難。此外，目前由于協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)(PLM)在企業(yè)中的廣泛使用，使得在協(xié)同的環(huán)境中快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD模型的干涉檢查需要解決的問題更多。本文在分析目前解決異構(gòu)CAD模型干涉檢查過程中存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，提出一種基于3D輕量化技術(shù)異構(gòu)CAD模型快速干涉檢查方法，對(duì)該方法的體系結(jié)構(gòu)和干涉檢查原理算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論并給出了軟件實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用實(shí)例。
1、異構(gòu)CAD模型干涉檢查問題分析
目前異構(gòu)CAD模型干涉檢查方法主要有兩種。
第一種方法是將異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換為中間幾何文件格式(STEP、IGES、SAT 等)，然后在單一的三維系統(tǒng)中完成裝配和干涉檢查。這種做法存在如下問題：
�、俑魅S系統(tǒng)對(duì)中間格式的支持標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，不同系統(tǒng)生成的中性文件并不一定能在其他系統(tǒng)中正確打開;
②中間文件為了保證其通用性，犧牲了模型顯示速度，導(dǎo)致中間文件在顯示速度上效率很低，尤其是大裝配體模型，打開時(shí)間長(zhǎng);
�、鄹魅S系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的中間文件的數(shù)據(jù)可能不一致，在三維系統(tǒng)中裝配困難，在此基礎(chǔ)上所做的干涉檢查的精確性得不到保證�？偟膩碚f，這種方式難以適應(yīng)異構(gòu)CAD模型快速干涉檢查。
第二種方法是將異構(gòu)的CAD模型導(dǎo)入單一的三維系統(tǒng)中，完成裝配過程，然后利用三維系統(tǒng)中的干涉檢查功能對(duì)其進(jìn)行干涉檢查。這種做法存在如下問題：
�、僭趩我坏娜S系統(tǒng)中對(duì)異構(gòu)CAD模型進(jìn)行干涉檢查時(shí)，導(dǎo)入異構(gòu)CAD模型時(shí)裝配樹會(huì)丟失，無法準(zhǔn)確定位干涉部位;
�、趩我坏娜S系統(tǒng)對(duì)其他三維系統(tǒng)的支持程度有限，不能支持所有的主流三維系統(tǒng)，而且對(duì)所支持的三維系統(tǒng)的版本也有限制要求。
另外，協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)工作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)計(jì)完成的模型文件通過協(xié)同設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源共享，在這種情行下，上述兩種方法又都會(huì)存在以下問題：
�、賹�(duì)于較大的CAD模型，尤其是中間文件可能比模型的原始文件更大的CAD 模型，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低;
�、谠糃AD模型對(duì)于設(shè)計(jì)者是透明的，這使產(chǎn)品數(shù)據(jù)的安全性得不到保證。
針對(duì)異構(gòu)CAD模型干涉檢查存在的問題，本文采用一種基于3D輕量化技術(shù)的異構(gòu)CAD模型干涉檢查方法進(jìn)行干涉檢查。該方法利用三維模型輕量化技術(shù)，首先將異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的輕量化模型，將異構(gòu)CAD模型的輕量化模型進(jìn)行預(yù)裝配，利用輕量化模型的多次精細(xì)度LOD模型，設(shè)計(jì)一種新的逐層過濾干涉檢查算法，最后根據(jù)輕量化模型的干涉情況來確定原始異構(gòu)CAD模型干涉情況。該方法使設(shè)計(jì)者能夠?qū)Ω缮鏅z查的結(jié)果作出很快的響應(yīng)。設(shè)計(jì)了一種基于協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)PLM 的協(xié)同插件，從而能充分利用企業(yè)的協(xié)同環(huán)境實(shí)時(shí)快速地進(jìn)行干涉檢查。
2、異構(gòu)CAD模型干涉檢查
2.1、異構(gòu)CAD模型輕量化和裝配
要對(duì)異構(gòu)CAD模型進(jìn)行干涉檢查，首先需要對(duì)其進(jìn)行同構(gòu)處理，即將異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式的輕量化模型。本文所采用的輕量化實(shí)現(xiàn)方法是筆者前期對(duì)產(chǎn)品模型輕量化進(jìn)行研究的成果。該方法中多層次三維幾何模型輕量化表示的文件結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示，借鑒當(dāng)前三維平臺(tái)中將裝配文件與零件分開的做法，用不的文件記錄裝配信息、零件顯示和幾何信息。將顯示信息和幾何信息關(guān)聯(lián)起來，既可快速顯示，還保留了零件的幾何和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>
圖1 輕量化文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
裝配結(jié)構(gòu)信息包括子零部件的數(shù)量、名稱、相對(duì)位置、配合關(guān)系，以及零件幾何顯示屬性等。零件列表記錄零件信息，零件列表中的零件不直接顯示，根據(jù)其在不同裝配下的引用生成一個(gè)顯示實(shí)例，然后利用該零件在裝配體下的變換矩陣實(shí)現(xiàn)在整個(gè)裝配模型的正確顯示。零件數(shù)據(jù)包括顯示數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)。顯示數(shù)據(jù)利用三角面片來實(shí)現(xiàn)，模型顯示數(shù)據(jù)包括三角化面、三角化邊和點(diǎn)信息。三角化面和三角化邊實(shí)際上是對(duì)幾何模型中的面和邊進(jìn)行三角化之后的結(jié)果。三角化面和三角化邊以幾何模型中的面和邊為單位進(jìn)行組織，實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與零件幾何數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)，有利于在圖形區(qū)進(jìn)行交互選擇和顯示。利用另外一個(gè)鏈表來記錄與三角化面和三角化線對(duì)應(yīng)的幾何信息。面幾何信息包含了對(duì)構(gòu)成面邊界的三角化邊的引用，在邊的幾何信息中記錄了邊端點(diǎn)的引用。這樣就將零件的顯示信息和幾何信息關(guān)聯(lián)起來，形成零件完整的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可快速顯示零件的幾何模型，還保留了零件的幾何和拓?fù)湫畔�。采用該輕量化模型作為異構(gòu)CAD模型干涉檢查的實(shí)際處理對(duì)象，有以下優(yōu)點(diǎn)：
�、僭撦p量化模型支持多精細(xì)度LOD模型，是本文干涉檢查算法原理的基礎(chǔ);
②輕量化文件大小一般為原模型的1/50到1/10之間，網(wǎng)絡(luò)傳輸方便;
�、畚募䲠�(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也可以使原始模型的裝配樹保留，既有利于干涉檢查的計(jì)算，又可在結(jié)果處理中準(zhǔn)確定位干涉項(xiàng);④文件數(shù)據(jù)中的顯示信息和幾何信息，保證了干涉檢查計(jì)算過程中精確的幾何數(shù)據(jù)，顯示信息使干涉檢查結(jié)果能進(jìn)行可視化處理。
本文對(duì)異構(gòu)CAD模型裝配的解決方法，采用了三維模型常用的自頂向下的建模方法。以汽車模型設(shè)計(jì)為例，首先構(gòu)建整車骨架模型，其中包括定義整車各零部件的基準(zhǔn)坐標(biāo)系、約束關(guān)系等，然后把相關(guān)骨架模型和設(shè)計(jì)文檔提交到協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)PLM 中。各汽車零部件設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的三維平臺(tái)，并在骨架模型和相關(guān)設(shè)計(jì)文檔的整體框架下初始化零件的基準(zhǔn)坐標(biāo)系等，完成零件設(shè)計(jì)，然后將各異構(gòu)三維模型生成輕量化模型，提交到PLM 管理系統(tǒng)中。要對(duì)異構(gòu)CAD模型進(jìn)行干涉檢查，首先從PLM 中獲得相關(guān)異構(gòu)CAD模型的輕量化模型，因?yàn)楦髂Ｐ偷难b配約束關(guān)系在骨架模型中已定義，所以將輕量化模型按其自身的絕對(duì)坐標(biāo)放置，即完成了模型裝配。
4、結(jié)束語
本文提出的干涉檢查方法較好地解決了異構(gòu)CAD模型干涉檢查時(shí)存在的問題。將該方法應(yīng)用到可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)InteVue中，成功地實(shí)現(xiàn)了干涉檢查的功能。在國(guó)內(nèi)某汽車制造企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用表明，該干涉檢查方法可以幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的缺陷，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了設(shè)計(jì)效率。
