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，266071Email: ywang@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<Part part_id part_name><Feature feat_id feat_name feat_type feat_ops>……</Feature>……</Part>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：<Feature feat_id feat_name feat_type feat_ops/><Profiles/><Opeations</Feature>其中，<Profiles />为轮廓集合子元素，<Opeations />为生成特征的操作过程子元素，它们的具体描述如下：<Profiles><Profile prof_id prof_name>……</Profile>……<Profile prof_id prof_name>……</Profile>/><Variables/><Constraints</Profiles><Profiles>集合元素由多个轮廓元素<Profile>、一个变量约束集合元素<Variables>和一个几何约束集合元素<Constraints>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。

<Profile prof_id prof_name><Ref ref_id ref_name refed_id refed_type value X0 Y0 Z0 Xn Yn Zn Xvup Yvup Zvup>……</Ref>/><Lines/><Cones<Splines/></Profile>其中，<Ref>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<Lines>集合下描述；圆锥曲线，主要指圆、圆弧、椭圆和椭圆弧，在<Cones>集合中描述；样条曲线，即自由格式曲线，在<Splines>集合中描述。

3）参考面的描述<Ref ref_id ref_name refed_id refed_type value X0 Y0 Z0 Xn Yn Zn Xvup Yvup Zvup>/><Lines<Cones/>/><Splines</Ref>参考面元素<Ref>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。