賀 強 楊曉強

(中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

基于XML的逆向重建模型表示與應(yīng)用*

賀 強 楊曉強

(中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

為了利用CAD系統(tǒng)對逆向重建模型展開創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)計了基于XML逆向重建模型表示。采用CSG/B-rep混合表達(dá)的方式表示了重建的實體特征模型。建立了該模型基于XML表示的數(shù)據(jù)文件，通過CAD系統(tǒng)二次開發(fā)實現(xiàn)了XML數(shù)據(jù)文件的解析，從而在CAD系統(tǒng)中生成了該模型。實驗的結(jié)果表明該方法能將重建模型的特征信息和約束信息完整地傳遞到CAD系統(tǒng)中，實現(xiàn)了逆向重建結(jié)果與CAD系統(tǒng)的緊密集成，可有效支持基于原型的創(chuàng)新設(shè)計。

逆向重建；XML；CAD；二次開發(fā)

逆向工程作為先進(jìn)制造技術(shù)的一個重要組成部分，已經(jīng)從低層次的原型復(fù)制逐步發(fā)展成為支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計及開發(fā)的重要技術(shù)手段[1]。利用先進(jìn)的CAD系統(tǒng)對逆向重建模型進(jìn)行改型設(shè)計是加速新產(chǎn)品開發(fā)的有效途徑。將同時包含了幾何參數(shù)、幾何約束、可行建模序列等原型設(shè)計意圖的逆向重建實體特征模型無縫導(dǎo)入到CAD系統(tǒng)，就能利用CAD系統(tǒng)強大的參數(shù)化設(shè)計能力來實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。因此，如何利用CAD系統(tǒng)實現(xiàn)逆向重建模型的創(chuàng)新設(shè)計是逆向工程技術(shù)中一個亟待解決的問題，具有重要意義。

基于CAD系統(tǒng)的逆向重建模型創(chuàng)新設(shè)計本質(zhì)上是異構(gòu)CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題，即逆向重建模型與CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。隨著計算機集成制造技術(shù)的深化發(fā)展，不同CAD系統(tǒng)之間的模型交換具有迫切的工業(yè)需求。國內(nèi)外許多學(xué)者致力于這一問題的研究，出現(xiàn)了很多不同的解決方案?；緢D形交換規(guī)范(initial graphics exchange specification, IGES)和產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(standard for the exchange of product model data, STEP)這兩個幾何數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，使得CAD系統(tǒng)間的幾何模型數(shù)據(jù)交換得到成功應(yīng)用。但到目前為止，該類技術(shù)還不能完全保證交換數(shù)據(jù)的有效性和一致性[2]。特別地，該類交換技術(shù)針對低層次的幾何數(shù)據(jù)，因而不能傳遞模型高層次的幾何參數(shù)，約束和特征等信息，從而丟失了原始的設(shè)計意圖，以致交換后的模型只是計算機可讀的而不能進(jìn)行修改。宏參數(shù)法[3-4]是一種基于設(shè)計歷史的CAD模型數(shù)據(jù)交換方法。該方法利用宏文件來實現(xiàn)參數(shù)化特征信息以及設(shè)計歷史的交換。宏文件由一系列標(biāo)準(zhǔn)的CAD建模命令構(gòu)成，隱式地記錄了約束、參數(shù)、設(shè)計歷史和特征等設(shè)計意圖信息。該數(shù)據(jù)交換方法分為兩個層次：CAD系統(tǒng)的命令集與標(biāo)準(zhǔn)命令集之間的映射；CAD系統(tǒng)的宏文件與標(biāo)準(zhǔn)宏文件之間的映射。以Pratt教授為首的研究團(tuán)隊參與了ISO的有關(guān)參數(shù)化特征信息交換的STEP標(biāo)準(zhǔn)制定，發(fā)布了過程與混合表示的標(biāo)準(zhǔn)STEP10303。該標(biāo)準(zhǔn)能對CAD模型的創(chuàng)建歷史、參數(shù)化模型的參數(shù)和約束進(jìn)行表示，并為可變參數(shù)、維數(shù)、約束和草圖提供了表示方法[5-7]。以高曙明教授為首的研究團(tuán)隊的異構(gòu)CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)[8-9]是一種基于操作命令交換的異構(gòu)CAD系統(tǒng)在線集成技術(shù)。該方法建立了基于異構(gòu)CAD系統(tǒng)的實時協(xié)同平臺，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了復(fù)雜特征操作、約束和用戶自定義特征等的在線交換。

盡管眾多的學(xué)者致力支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的CAD模型的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，也取得了豐碩的研究成果，但是實現(xiàn)無縫的異構(gòu)CAD系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成依然是一個未能完全解決的問題，并且較少的研究針對逆向重建模型。針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種基于XML描述的逆向重建模型表示，通過對CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)，將逆向重建模型導(dǎo)入到CAD系統(tǒng)中，從而利用CAD系統(tǒng)強大的參數(shù)化設(shè)計能力開展基于模型的創(chuàng)新設(shè)計。

1 基于XML的逆向重建模型表示

1.1 逆向重建模型的組成

針對基于實體特征融合的重建模型，其含有實體特征、幾何約束以及布爾運算關(guān)系。實體特征主要包括特征的類型和特征的幾何參數(shù)，主要由基本體特征和基于草圖的特征組成?；诓輬D的實體特征通過對輪廓截面草圖進(jìn)行拉伸、放樣、旋轉(zhuǎn)和掃掠等操作的方式生成。相對于基本實體特征，其幾何形狀較為復(fù)雜。常見的實體特征如圖1所示。

實體特征間及實體特征內(nèi)的約束通常可歸納為共面約束、平行約束、同軸約束、距離約束、垂直和對稱約束等六種類型。特征加約束構(gòu)成了逆向重建的實體模型。實體模型的計算機表示方法以構(gòu)造實體幾何法(CSG)和邊界表示法(B-rep)為主，并向多重模式的方向發(fā)展。其中，CSG/B-rep混合表示方法將兩種方法有機結(jié)合，整體模型用CSG樹表示，各個終端節(jié)點則用B-rep表示，使得表示的模型具有清晰的模型整體結(jié)構(gòu)，同時低層元素(頂點、邊、面)完整。綜上所述，本文采用CSG/B-rep混合表示方法來表達(dá)逆向重建模型。

如圖2所示，逆向重建模型的特征二叉樹反映了建模歷史，是原始模型正向造型過程的一種可行解。特征間的布爾運算關(guān)系和約束反映了設(shè)計意圖。這樣的重建模型導(dǎo)入到CAD系統(tǒng)中，就繼承了原型的設(shè)計意圖，這對基于原型的創(chuàng)新尤為關(guān)鍵。

1.2 基于XML的重建模型表示

可擴展標(biāo)記語言XML是一系列規(guī)則的集合[10]，能夠存儲CAD模型的幾何參數(shù)、特征、約束和設(shè)計歷史等知識，因而已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換[11]。特別地，XML可以方便地表達(dá)CSG/B-rep混合表示的逆向重建模型。其表示的重建模型的CSG樹形結(jié)構(gòu)與CAD系統(tǒng)正向造型過程生成的特征樹相對應(yīng)。每個特征樹都對應(yīng)一顆XML樹，XML樹則通過一個XML文檔表示。基于XML的逆向重建模型表示獨立于CAD系統(tǒng)平臺，對CATIA、NX、Pro/E等主流的CAD系統(tǒng)進(jìn)行簡單的二次開發(fā)后即可以導(dǎo)入逆向重建模型的XML文檔表示，進(jìn)而生成可參數(shù)化驅(qū)動的CAD模型。

1.2.1 基于XML的模型表示

重建模型是若干個實體特征經(jīng)過一系列布爾運算得到，形成了一顆特征樹。該特征樹中，所有的終端節(jié)點表示一個實體特征，而所有的父節(jié)點均為布爾運算關(guān)系。重建模型的XML表示如下。

……

+

+

……

+

+

對重建模型中的各個特征也進(jìn)行了基于XML的表示，篇幅關(guān)系此處僅給出拉伸體的XML表示：

其中，“BasicSketch”是拉伸體的輪廓草圖，“NumOfLine”存儲了該輪廓草圖包含圖元的數(shù)量。對輪廓草圖，本文定義了直線、圓弧、樣條等圖元類型的XML表示，它們的有機組合構(gòu)成了“BasicSketch”。

1.2.2 基于XML的約束表示

實體特征內(nèi)的約束主要包括尺寸約束、幾何關(guān)系約束、位置約束等。針對本文所定義的基本實體特征，其隱式約束在數(shù)據(jù)交換文件中直接定制添加?；诓輬D的特征的幾何約束通常是顯式約束，表示為：

< Constraint Type=”Vertical” Obj1_ID = ”Line_ID”O(jiān)bj2_ID=”Line_ID”/>

……

其中，Type標(biāo)簽表示了約束的類型，Obj1ID，Obj2ID表明了被幾何約束作用的圖元索引。

實體特征之間的約束主要包括定位約束、拓?fù)浼s束和對稱約束以及尺寸鏈約束。定位約束對實體特征間的相對位置進(jìn)行限制。針對基本實體特征具有的拓?fù)淦矫嬖O(shè)計了基準(zhǔn)面的XML表示舉例如下：

35

40

其中，BasePlaneDef標(biāo)簽表明該特征的草圖基準(zhǔn)面依賴FeatureIndex標(biāo)簽所指定的特征，f1標(biāo)記的是所依賴特征的面，ParaH和ParaV標(biāo)記的是特征的輪廓草圖在基準(zhǔn)面上的定位參數(shù)。

拓?fù)浼s束主要針對實體特征間的布爾運算關(guān)系?；赬ML的重建模型表示的“樹形”結(jié)構(gòu)確定了特征間的拓?fù)浼s束。對稱約束主要包括反射、平移和旋轉(zhuǎn)對稱?；赬ML的對稱約束表示如下(以圓柱體為例)：

……

// 對稱面

旋轉(zhuǎn)對稱與平移對稱分別對應(yīng)CAD系統(tǒng)的環(huán)形、矩形陣列特征。針對矩形陣列的XML表示，XML文件存儲了某一方向陣列特征的個數(shù)和間距。針對環(huán)形陣列的XML表示XML文件存儲了環(huán)形陣列特征的個數(shù)和夾角，以及旋轉(zhuǎn)軸。由于對稱約束的XML表示類似，本文僅給出了反射對稱約束的XML表示。

尺寸鏈約束的獲取需要完全理解模型的原始設(shè)計意圖，然而設(shè)計意圖的完全理解目前還難以完全依賴計算機完成。因此，在基于XML的重建模型導(dǎo)入CAD系統(tǒng)后，通過人工交互的方式建立模型完整的尺寸鏈約束。

2 基于CATIA的實例驗證

選擇DOM作為XML的解析方法，對CAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)后，解析數(shù)據(jù)交換文件并在CAD系統(tǒng)中生成該模型。采用廣泛應(yīng)用在航天、航空等領(lǐng)域的CAD系統(tǒng)CATIA作為驗證平臺，并基于自動化應(yīng)用接口的宏(Automation API)來進(jìn)行二次開發(fā)。圖3為逆向重建模型基于XML的表示，圖4a為CATIA系統(tǒng)解析該XML模型表示后生成的可參數(shù)化驅(qū)動的模型，圖4b為該模型基礎(chǔ)上的再設(shè)計。實驗的結(jié)果表明，基于XML的逆向重建模型表示包含了原始模型的設(shè)計意圖，與主流CAD系統(tǒng)能夠很好地集成，從而能利用CAD系統(tǒng)強大的設(shè)計能力實現(xiàn)逆向創(chuàng)新設(shè)計。

3 結(jié)語

為了實現(xiàn)逆向工程基于原型而高于原型的創(chuàng)新設(shè)計要求，設(shè)計了一種能支持重建模型在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的、基于XML的逆向重建模型表示。采用CSG/B-rep混合表達(dá)的方式表達(dá)了重建的實體特征模型。依據(jù)該表示，對特征、約束和重建模型進(jìn)行基于XML的表示并對CAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)以解析該表示，從而實現(xiàn)了逆向重建結(jié)果與CAD系統(tǒng)的集成。利用CATIA系統(tǒng)驗證了基于XML表示的逆向重建模型的創(chuàng)新設(shè)計，實驗的結(jié)果證明，該方法能將逆向重建模型的特征信息和約束關(guān)系等高層信息完整地傳遞到CAD系統(tǒng)中，進(jìn)而驅(qū)動逆向重建模型的參數(shù)化設(shè)計，為創(chuàng)新設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

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XML based representation and application of the reverse reconstructed model

HE Qiang, YANG Xiaoqiang

(Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, CHN)

For innovative redesign of the reverse reconstructed model by making use of modern CAD system, a new XML based reconstructed model representation is designed. The reconstructed model was expressed as hybrid CSG/B-rep mode. A XML-based data file depending on the hybrid model was established which could be parsed in CAD systems. After second development of CAD systems, the file was imported and feature-based CAD model was rebuilt. The experimental result shows that this XML based file can completely transfer the feature information and constraint information into the CAD system. It achieves the integration between the reverse reconstruction and CAD systems which can support innovative redesign effectively.

reverse reconstruction; XML; CAD; second development

*國家自然科學(xué)基金資助項目(51175434)

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.015

賀強，男，1985年生，博士，講師，主要研究復(fù)合材料數(shù)字化制造、維修技術(shù)與適航審定技術(shù)等。

?穎) (

2016-03-29)

160920