◎首都航天機(jī)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
制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱,也是今后我國經(jīng)濟(jì)“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(yàn)證、現(xiàn)場操作以及產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測過程,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,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(qiáng)國,每年由于幾何數(shù)據(jù)交換問題造成的損失都高達(dá)十億美元。
上述問題嚴(yán)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。
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(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。
隨著造型理論和計算機(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軟件平臺均基于實(shí)體造型引擎開發(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(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(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)換過程中出現(xiàn)問題。
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,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(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)
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(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)是任何兩個軟件平臺之間都需要單獨(dú)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(fèi)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(biāo)。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(biāo)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(shí)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(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(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。
從20世紀(jì)80年代開始,國際上陸續(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(biāo)準(zhǔn)推出時間較早,內(nèi)容相對簡單,只存儲了幾何尺寸和點(diǎn)線面的拓?fù)潢P(guān)系,對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)信息相對較為豐富,其中STEP214相對STEP203協(xié)議,對模型顏色、標(biāo)注等信息的支持更加完備。
以NX、CATIA、CREO三大主流CAD軟件平臺為例測試,標(biāo)準(zhǔn)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。
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)換過程中,采用交互式手段,對軟件不能正確識別或表達(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(biāo)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(jìn)行幾何校驗(yàn),在此基礎(chǔ)上還可以通過MMC(Mirror Model Comparator)進(jìn)行更精確的雙向校驗(yàn)。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(shí)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(dú)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。
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,同時增強(qiáng)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?yàn)榍罢甙l(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。
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)中有時也會被近似處理。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(jìn)行模型轉(zhuǎn)換時,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)置等級相近的微小尺寸特征,避免轉(zhuǎn)換過程中因?yàn)榫炔煌霈F(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(rèn)為兩個曲面有共同邊界,而高精度CAD軟件中則認(rèn)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(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。
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,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?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。