◎首都航天機(jī)械公司 文帥 高晶 楊薇 陳松濤

◎航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司 高佳偉

引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要支柱，也是今后我國(guó)經(jīng)濟(jì)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)”的主戰(zhàn)場(chǎng)。三維模型作為制造全過(guò)程數(shù)據(jù)信息的重要載體，驅(qū)動(dòng)全局工藝過(guò)程的規(guī)劃，以及各個(gè)具體工藝過(guò)程的參數(shù)設(shè)置、工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、仿真驗(yàn)證、現(xiàn)場(chǎng)操作以及產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程，在制造智能化進(jìn)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(mén)，甚至不同小組之間使用的CAD軟件平臺(tái)都不盡相同，較為常見(jiàn)的有NX（UG）、CATIA、CREO（PROE）、SolidWorks，CAXA等。三維模型在不同軟件平臺(tái)間轉(zhuǎn)換時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)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(jì)，即使對(duì)于美國(guó)這樣的技術(shù)強(qiáng)國(guó)，每年由于幾何數(shù)據(jù)交換問(wèn)題造成的損失都高達(dá)十億美元。

上述問(wèn)題嚴(yán)重制約了基于三維模型的智能化設(shè)計(jì)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(tái)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，盡可能減少出現(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，保證三維模型質(zhì)量。

一、三維模型的評(píng)價(jià)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(diǎn)、線、面等元素；

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

3、標(biāo)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?、公差、注釋及其它文本?/p>

評(píng)價(jià)三維模型在不同CAD軟件平臺(tái)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(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展進(jìn)步，實(shí)體造型技術(shù)作為當(dāng)前最為先進(jìn)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(tái)均基于實(shí)體造型引擎開(kāi)發(fā)。

主流實(shí)體造型引擎有ACIS（Association for Computer and Information Science），ParaSolid，Open Cascade。其中ACIS由美國(guó)Spatial Corporation公司開(kāi)發(fā)，可以將幾何模型保存為STEP、IGES、SAT等格式，基于ACIS開(kāi)發(fā)的代表性幾何造型系統(tǒng)包括CATIA、CREO；ParaSolid由美國(guó)Shape Data公司開(kāi)發(fā)，可以將幾何模型保存為STEP、IGES、VRML等格式，基于ParaSolid開(kāi)發(fā)的代表性幾何造型系統(tǒng)是NX；Open Cascade由法國(guó)Matra Data Vision公司開(kāi)發(fā)，屬于開(kāi)源的三維實(shí)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(xì)討論。

ACIS和ParaSolid都基于邊界表示法，幾何和拓?fù)鋽?shù)據(jù)相互獨(dú)立。幾何數(shù)據(jù)描述實(shí)體的幾何信息，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)描述實(shí)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?fù)鋽?shù)據(jù)并不精確對(duì)應(yīng)（如圖1），導(dǎo)致三維模型在基于不同實(shí)體造型引擎開(kāi)發(fā)的CAD軟件平臺(tái)間轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)于不能滿足映射關(guān)系的特征，會(huì)進(jìn)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(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。

另外，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)別也可能導(dǎo)致軟件內(nèi)部出錯(cuò)，使三維模型產(chǎn)生縫隙、破面、特征丟失甚至無(wú)法轉(zhuǎn)換等各種問(wèn)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(kāi)發(fā)的CAD軟件平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提高轉(zhuǎn)換的成功率（如表1）。

圖1 ACIS和ParaSolid拓?fù)浣Y(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(guò)專用接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換

早期，為了滿足在不同CAD軟件平臺(tái)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(mén)和人員，專門(mén)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是任何兩個(gè)軟件平臺(tái)之間都需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)換接口。所以，CAD軟件平臺(tái)種類較多時(shí)，數(shù)量龐大的接口開(kāi)發(fā)耗費(fèi)大量人力財(cái)力，而且軟件更新升級(jí)后，部分轉(zhuǎn)換接口會(huì)失效，需要重新開(kāi)發(fā)。

隨著三維軟件的廣泛普及，每種CAD軟件平臺(tái)都有龐大的客戶群，因此，近年來(lái)是否支持其它軟件平臺(tái)創(chuàng)建模型的導(dǎo)入，也成為評(píng)價(jià)CAD軟件平臺(tái)功能的重要指標(biāo)。以NX、CATIA、CREO三大CAD軟件平臺(tái)為例，均有支持其它軟件平臺(tái)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(cè)試結(jié)果來(lái)看，主要是投影、剖切及標(biāo)注、屬性等信息無(wú)法順利轉(zhuǎn)換。原因主要有兩個(gè)方面：一方面，受實(shí)際需求和巨大利潤(rùn)驅(qū)動(dòng)，商用CAD軟件平臺(tái)技術(shù)發(fā)展較快，國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的起草、發(fā)布速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，且相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了三維模型顯示內(nèi)容和顯示效果方面的細(xì)則，未規(guī)范軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)商采用的往往是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)甚至企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，格式的差異導(dǎo)致許多數(shù)據(jù)不能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)于軟件新版本中增加的數(shù)據(jù)形式，此類問(wèn)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(kāi)發(fā)需求，也僅開(kāi)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(tái)間順利轉(zhuǎn)換傳遞的壁壘。

（二）通過(guò)中性格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)際上陸續(xù)推出了一些標(biāo)準(zhǔn)化的中間格式，一定程度上緩解了轉(zhuǎn)換接口過(guò)多的問(wèn)題。IGES（Initial Graphics Exchange Specification）和STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）是最為常見(jiàn)的兩種格式，IGES標(biāo)準(zhǔn)推出時(shí)間較早，內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，只存儲(chǔ)了幾何尺寸和點(diǎn)線面的拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)幾何元素的描述缺乏精度且標(biāo)準(zhǔn)層次不齊，模型加載速度慢，拓?fù)潢P(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(duì)較為豐富，其中STEP214相對(duì)STEP203協(xié)議，對(duì)模型顏色、標(biāo)注等信息的支持更加完備。

以NX、CATIA、CREO三大主流CAD軟件平臺(tái)為例測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)中間模型STEP在各軟件平臺(tái)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(jiǎn)單，很多CAD軟件的數(shù)據(jù)格式無(wú)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(cuò)誤。

（三）通過(guò)專用軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換

Collaboration Gateway、AccuTrans 3D、3DTransVidia、TransMagic，CADfix等都是進(jìn)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(guò)程中，采用交互式手段，對(duì)軟件不能正確識(shí)別或表達(dá)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(tái)創(chuàng)建的三維模型，采用IMX（Interactive Modeling Exchange Format）存儲(chǔ)中性的模型數(shù)據(jù)，可以在目標(biāo)CAD平臺(tái)正確重建、編輯和修改參數(shù)化特征模型。通過(guò)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(duì)轉(zhuǎn)換后的特征進(jìn)行幾何校驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上還可以通過(guò)MMC（Mirror Model Comparator）進(jìn)行更精確的雙向校驗(yàn)。但問(wèn)題是需要專門(mén)購(gòu)買轉(zhuǎn)換工具，且需要根據(jù)CAD平臺(tái)版本更新情況相應(yīng)升級(jí)。

由此可見(jiàn)，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(shì)，同時(shí)也存在各自的問(wèn)題。實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先選用專用接口導(dǎo)入的方式，無(wú)需單獨(dú)耗資購(gòu)置專用工具，在轉(zhuǎn)換過(guò)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(jìn)擴(kuò)充軟件功能，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)其它軟件平臺(tái)的兼容性。主流CAD軟件平臺(tái)基本每年都會(huì)有大的版本升級(jí)，小版本更新則更為頻繁。一般情況下，對(duì)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(lái)自舊版本的模型信息。但是，對(duì)于不同的軟件平臺(tái)，則導(dǎo)入平臺(tái)的發(fā)布時(shí)間應(yīng)晚于導(dǎo)出平臺(tái)的發(fā)布時(shí)間。因?yàn)榍罢甙l(fā)布后，后者才有可能有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)導(dǎo)入接口，從而正確識(shí)別并更好地支持前者數(shù)據(jù)信息。

五、建模時(shí)的注意事項(xiàng)

（一）適當(dāng)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(biāo)。軟件內(nèi)部需要對(duì)幾何特征進(jìn)行大量近似處理，拓?fù)潢P(guān)系在容差造型系統(tǒng)中有時(shí)也會(huì)被近似處理。不同軟件造型精度存在差異，如NX默認(rèn)精度為0.00254mm，CATIA默認(rèn)精度為0.001mm，CREO默認(rèn)精度為0.0012mm，而高、低精度軟件對(duì)同一模型特征的解釋并不完全相同。所以在CAD軟件平臺(tái)之間進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)適當(dāng)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(jí)相近的微小尺寸特征，避免轉(zhuǎn)換過(guò)程中因?yàn)榫炔煌霈F(xiàn)問(wèn)題。例如，兩個(gè)曲面的邊界距離為0.001mm，在低精度CAD軟件中認(rèn)為兩個(gè)曲面有共同邊界，而高精度CAD軟件中則認(rèn)為兩個(gè)曲面之間存在縫隙。再如，一條曲線的長(zhǎng)度為0.001mm，在高精度CAD軟件中可以正常存儲(chǔ)顯示，而低精度CAD軟件中卻無(wú)法存儲(chǔ)該曲線信息。

當(dāng)然，模型精度和資源消耗量緊密相關(guān)，應(yīng)根據(jù)實(shí)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(rèn)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(tái)，支持超過(guò)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(tái)中轉(zhuǎn)換使用，則在建立三維模型時(shí)，對(duì)于曲線、曲面等特征盡量不要采用過(guò)高階次。因?yàn)楹芏嗟投薈AD軟件尚未達(dá)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(tái)到低端CAD軟件平臺(tái)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，很可能出現(xiàn)精度降低、特征丟失等諸多問(wèn)題。同樣道理，對(duì)于很多CAD軟件平臺(tái)新版本中提供的其它復(fù)雜特征，也盡可能減少使用。