基于Open CASCADE平臺的CAD系統(tǒng)開發(fā)研究

丁華王忠

(西南科技大學制造科學與工程學院 四川綿陽 621010)

隨著科學技術的飛躍發(fā)展，CAD/CAM技術在沖壓工業(yè)中的應用將愈加廣泛，而我國目前幾乎還沒有專用于沖壓行業(yè)的商用CAD/CAM軟件。因而對該領域的CAD/CAM研究仍舊具有十分重要的意義。大部分CAD/CAM軟件都是在幾何內核的基礎上開發(fā)的［1］。目前，可用于開發(fā)CAD系統(tǒng)的底層幾何內核平臺有美國Spatial technology公司的ACIS、英國EDS公司的Parasolid平臺以及法國Matra Datavision公司的Open CASCADE等。如著名的Auto CAD軟件使用的開發(fā)平臺是ACIS，Unigraphics，Solid Works使用的是 Parasolid［2］。Open CASCADE 作為一款開源開發(fā)工具包，因其功能上的全面和強大，在業(yè)內也頗受好評，如HeeksCAD，MIDAS FX+等軟件均選用Open CASCADE作為開發(fā)平臺［3］?？紤]到開源庫在開發(fā)研究中具有更大的優(yōu)越性，故選擇Open CASCADE作為底層開發(fā)工具。

1 Open CASCADE平臺

1.1 Open CASCADE 平臺簡介

Open CASCADE是一款功能強大的軟件開發(fā)平臺，它包括3D曲面和實體建模組件、可視化組件、數(shù)據(jù)交換組件和適合快速開發(fā)的應用程序開發(fā)框架(OCAF－Open CASCADE Application Framework)。Open CASCADE技術可以用于數(shù)字仿真軟件的開發(fā)，包括CAD，CAM，CAE，PDM 等應用程序。該技術是20世紀90年代中期出現(xiàn)的，已經被許多不同領域的商業(yè)客戶用來開發(fā)自己的軟件產品。

Open CASCADE提供了一個巨大的類庫，可以幫助用戶進行快速開發(fā)。類庫實際上就是幾何內核，定義了圖形數(shù)據(jù)的存儲格式以及大量的圖形算法，包含了許多方便快速設計面向對象的功能類?；贠pen CASCADE的應用程序可以開發(fā)處理二維、三維幾何模型等其他目的的CAD系統(tǒng)，如:制造、分析應用和仿真應用等。

1.2 Open CASCADE 功能特點

作為一款底層開發(fā)平臺，Open CASCADE提供了全面而強大的圖形運算類、快速開發(fā)應用框架OCAF、圖形顯示操作功能包等［4］。主要功能特點有:(1)支持多系統(tǒng)平臺開發(fā)。Open CASCADE支持Linux，Windows NT和 Sun Solaris等 3種操作系統(tǒng)［5］。(2)提供快速軟件應用框架，簡化用戶CAD應用的開發(fā)［6］。(3)提供基于建模數(shù)據(jù)分離可視化操作服務，便于圖形顯示的選擇和管理。(4)使用Open CASCADE平臺獨有的組件定義語言(CDLComponent Definition Language)，既方便用戶使用，又為用戶自定義功能開發(fā)提供了規(guī)范。(5)提供豐富、全面的幾何運算功能，主要如下:支持幾何實體創(chuàng)建，如創(chuàng)建六面體、柱體、錐體等;支持自由曲面造型，如Bezier曲面、NURBS曲面等;支持幾何實體布爾操作，提供與、或、交集運算;支持基于特征的幾何運算，如倒角、偏置、脫殼、拔模等;支持常用幾何運算，如求相貫線、投影、曲面縫合等。

1.3 Open CASCADE 幾何類庫

Open CASCADE提供了由大量C++類文件構成的幾何類庫［7］，不僅功能豐富，而且便于使用和開發(fā)。功能相關的類被組織成包，相關的包被歸類成不同的模塊。Open CASCADE類庫共包括六大模塊［8］，如表 1 所示。

表1 類庫的模塊和功能Table 1 Class library modules and their functions

在六大類模塊中，與CAD系統(tǒng)幾何功能開發(fā)和數(shù)據(jù)處理關系尤為密切的模塊為基礎類、造型數(shù)據(jù)類、造型算法類以及數(shù)據(jù)轉換類等4個模塊。

1.3.1 基礎類模塊

基礎類模塊提供一系列基礎服務，如定義基本實體類型、根類、內存管理、異常處理、數(shù)組操作、數(shù)據(jù)文件保存基礎服務等。例如gp_Pnt類定義幾何點，gp_Dir類定義空間向量，TColgp_Array2OfPnt定義一維點數(shù)組，gp_Ax3定義三維坐標系，Materials_Color定義顏色屬性等等。

1.3.2 造型數(shù)據(jù)類模塊

該模塊提供了各類二維、三維幾何模型的數(shù)據(jù)結構定義。其中Geom2d類包集合了各種二維模型數(shù)據(jù)結構類，每種數(shù)據(jù)類名前冠以前綴Geom2d_，如Geom2d_BSplineCurve表示二維B樣條曲線;Geom類包中集合了各種三維模型數(shù)據(jù)結構類，每種數(shù)據(jù)類名前冠以前綴Geom_，如Geom_Curve定義了三維曲線，并提供各種相應的運算方法，包括求參數(shù)空間值范圍、曲線連續(xù)性、周期性等運算，其子類涵蓋圓錐、Bezier、B樣條、剪裁線等各種類型曲線;Geom_Surface類及其子類則定義了各種類型的空間曲面及相關運算方法;TopoDS_Shape類及其子類則定義了各種拓撲數(shù)據(jù)結構和運算方法。

1.3.3 造型算法類模塊

造型算法類模塊集合了大量的用于建模和幾何運算的邏輯算法類，按功能主要分為以下幾個部分:(1)幾何工具。提供二維曲線之間、三維曲線與曲面以及曲面與曲面之間的求交運算，點到曲線、點到曲面及曲線到曲面的投影計算，各類曲線、曲面基于約束的構造運算，曲線、曲面的插值運算等。主要類文件集中在 TKGeomAlgo，GeomAPI，GeomInt等類包中。(2)拓撲工具。提供拓撲型體局部和全局特性定義、幾何變換操作以及拓撲型體到NURBS幾何表達的轉換等運算。主要類文件集中在BRepBuilderAPI，GeomConvert，MAT 等類包中。(3)基本幾何構造。主要包括棱柱體、圓柱體、圓錐體和圓環(huán)體等拓撲模型的構造。該部分功能主要位于BRepPrimAPI類包中。(4)特征運算。提供基于已有拓撲型體上的形狀和機械特征運算，如增加圓柱體、拔模、拉伸、特征旋轉、管體等。主要的類包有BRep-Fill，BRepFeat，LocOpe等。(5)其他運算。造型算法模塊還提供有布爾操作、消除隱藏線、偏置面、脫殼、縫合、掃略、拓撲型體修補等運算。主要包括BRepAlgoAPI，HLRBRep，BRepOffsetAPI，ShapeFix 等類包。

1.3.4 數(shù)據(jù)轉換類模塊

該模塊為基于Open CASCADE平臺的軟件與各種其他CAD軟件之間的數(shù)據(jù)交換提供了轉換接口，確保軟件具有較好的協(xié)同工作能力。能夠實現(xiàn)對 IGES，STEP，STL，VRML等通用數(shù)據(jù)格式的兼容和相互轉換［9］。

2 三維CAD系統(tǒng)的開發(fā)

基于Open CASCADE平臺的CAD系統(tǒng)采用Visual Studio 2010編程平臺和C++編程語言來開發(fā)。軟件實現(xiàn)分為可視化界面搭建和CAD基礎功能開發(fā)兩個部分。

2.1 可視化界面開發(fā)

軟件框架和可視化窗口為用戶使用軟件提供了方便和直觀感受，是CAD系統(tǒng)很重要的一部分。Open CASCADE提供了MFC和Qt兩款GUI應用范例，可以直接作為軟件可視化開發(fā)基礎。Qt是一款基于C++程序設計語言的開源圖形用戶界面開發(fā)框架，它具有優(yōu)越的圖形視覺效果、豐富的應用接口、良好的封裝性和可擴展性，支持跨平臺開發(fā)。因此，選用Qt作為可視化界面開發(fā)框架具有較好的可操作性。

在開發(fā)過程中，當程序調用了類庫的功能，就應該將相應的庫文件連接到工程屬性的附加依賴項中?？梢暬缑婵蚣荛_發(fā)的部分重要原代碼如下:

在可視化圖形界面開發(fā)的過程中，還會用到幾個重要的類?？梢暬K的類AIS_InteractiveContext，V3d_View用來控制幾何對象的顯示模式、狀態(tài)、控制圖形視窗的尺寸，基礎模塊中的Quantity_Color用來設置幾何模型的顯示顏色。創(chuàng)建后的軟件界面如圖1所示。

圖1 軟件可視化界面Fig.1 Software GUI

2.2 基本幾何功能開發(fā)

基本幾何功能是CAD軟件的核心模塊，它提供了必要的幾何模型生成和幾何運算操作。通過Open CASCADE類庫所提供的相關類和函數(shù)不僅能夠建立各種幾何形狀，還可以對這些幾何模型進行布爾運算、求相貫線以及投影等基本運算操作。

2.2.1 輸入輸出(IO)設計

IO接口可以使不同CAD/CAM軟件之間進行數(shù)據(jù)交換，為軟件間的協(xié)同工作提供可能。Open CASCADE在數(shù)據(jù)交換功能模塊提供了對STEP，IGES，STL，VRML等通用標準數(shù)據(jù)格式的輸入輸出支持及各數(shù)據(jù)格式之間的轉換功能。

數(shù)據(jù)轉換模塊中，類IGESCAFControl_Reader，IGESCAFControl_Writer用于IGES文件和 Open CASCADE模型之間的轉換［10］，實現(xiàn) CAD系統(tǒng)對IGES格式數(shù)據(jù)文件的輸入輸出功能;STEPCAFControl_Reader，STEPCAFControl_Writer類則用于實現(xiàn)STEP數(shù)據(jù)與Open CASCADE模型之間的轉換，實現(xiàn)CAD軟件對STEP格式數(shù)據(jù)文件的輸入輸出功能;類StlAPI_Reader和StlAPI_Writer用于實現(xiàn)STL數(shù)據(jù)與OCC模型之間的轉換，實現(xiàn)CAD軟件對STL格式數(shù)據(jù)文件的輸入輸出功能。

此外，類BRepTools中的Read和Write函數(shù)可以實現(xiàn)對BREP格式數(shù)據(jù)的輸入輸出;類VrmlAPI_Writer可以實現(xiàn)OCC模型數(shù)據(jù)向VRML數(shù)據(jù)格式的轉換。

2.2.2 構造功能開發(fā)

Open CASCADE提供了非常豐富的幾何構造功能類，用于實現(xiàn)不同類型的曲線、曲面構造功能。例如，類包 Geom，GC，gce，GeomAPI，BRepPrimAPI 提供了數(shù)10種幾何構造功能函數(shù)。下面是部分構造類使用介紹:

類 Geom_Circle，GC_MakeCircle，gce_MakeCirc均可用于繪制圓;Geom_Hyperbola，GC_MakeHyperbola用于繪制雙曲線;Geom_OffsetCurve用于繪制偏置于某一曲線一定距離的偏置曲線;Geom_TrimmedCurve用于繪制某一曲線的特定參數(shù)區(qū)域的一段剪裁曲線;Geom_BezierCurve，Geom_BezierCurve分別用于繪制 Bezier曲線，曲面;Geom_BsplineCurve，Geom_BSplineSurface則分別用于繪制有理B樣條曲線曲面;GeomAPI_PointsToBSpline用于離散點擬合B樣條曲面;BRepPrimAPI_MakeBox用于創(chuàng)建箱體。

例如，可以用類GeomAPI_PointsToBSpline提供的功能構建一個B樣條曲面:

TColgp_Array2OfPnt＆Points;//用于構建B樣條曲面的型值點

GeomAPI_PointsToBSplineSurface

*PntToBSurf=new

GeomAPI_PointsToBSplineSurface();//定義一個GeomAPI_PointsToBSplineSurface類型指針

PntToBSurf－ ＞ Interpolate(Points);//將型值點賦給PntToBSurf進行擬合運算

Handle(Geom_BSplineSurface)BSurf=Pnt-ToBSurf－＞Surface();//構建出一個 B樣條曲面BSurf

圖2所示即為用上述方法構造出的一個B樣條曲面。

此外，該部分還進行了掃略曲面、旋轉曲面等功能的開發(fā)工作。圖3為曲線曲面構造功能應用的幾個實例。

圖2 構造B樣條曲面Fig.2 Modeling of B－spline surface

圖3 幾何建模應用實例Fig.3 The examples of geometry modeling

2.2.3 幾何運算功能開發(fā)

幾何運算功能主要是基于幾何實體的運算操作，也是CAD軟件不可或缺的功能模塊之一。Open CASCADE也提供許多功能類用于實現(xiàn)幾何運算操作，比如求交、投影等。以下是對部分幾何運算類的開發(fā)使用介紹:

GeomAPI_IntCS，GeomAPI_IntSS用來實現(xiàn)曲線與曲面之間以及曲面與曲面之間的求交運算，可以得到交點或者交線;GeomAPI_ProjectPointOnC_urve，GeomAPI_ProjectPointOnSurf可以用來計算點到曲面以及點到曲面的投影運算，得到相應的投影點;類BRepAlgoAPI_BooleanOperation及其子類提供了幾何體間的與集、或集、交集等布爾運算功能;BRep-FilletAPI_MakeFillet，BRepFilletAPI_Ma_keChamfer提供了倒直角和倒圓角功能;gp_Trsf提供了旋轉、鏡像、縮放、比例變換等功能。類Rep_Tool可以用于實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)類型之間的轉換操作。

圖4所示，為幾何運算功能的幾個應用實例。通過對幾何功能模塊以及可視化界面的集成和優(yōu)化，完成CAD軟件的整體開發(fā)。圖5為通過該方法開發(fā)出的CAD系統(tǒng)的部分應用實例，上圖為使用旋轉、雙線性曲面等三維構造功能生成的導彈模型，下圖為使用旋轉、倒角等三維造型和求余布爾運算等功能繪制的階梯軸零件。

圖4 幾何運算應用實例Fig.4 The examples of geometric algorithms

圖5 應用實例Fig.5 Application demonstrations

3 結論

本文基于開源幾何內核庫Open CASCADE，主要做了以下幾點研究:(1)研究了該開源幾何內核庫的體系結構、功能特點以及功能庫的使用方法;(2)探討了基于該平臺開發(fā)CAD軟件的一般方法和重要步驟，并著重介紹了標準數(shù)據(jù)格式文件的輸入輸出、三維幾何模型的構建、求交和投影等幾何運算等功能實現(xiàn)，為同類開發(fā)提供了參考;(3)通過VC++編程開發(fā)了一款CAD軟件，使用該軟件可以實現(xiàn)復雜幾何模型的構建、圖形顯示、輸入輸出等功能，驗證了基于該平臺開發(fā)CAD系統(tǒng)的可行性。

［1］鄭盈盈，周來水，孫金虎.基于Open CASADE的 DXF接口研究［J］.中國制造業(yè)信息化，2010，(1):45－47.

［2］苑國強，張淵.采用open CASCADE的三維建模平臺的開發(fā)研究［J］.工程圖學學報，2008，(4):146－149.

［3］Open CASCADE TECKNOLOGY.Screenshots［EB/OL］.http://www.opencascade.org/showroom/screenshots，2013.

［4］王玥，付梅艷，陳再高，等.用于全電磁粒子模擬的復雜建模及網格生成技術［J］.強激光與粒子束，2011，23(11):2994－2996.

［5］馬鐵利.機械CAD幾何建模核心技術及其發(fā)展趨勢［J］.計算機工程，2003，(11):2－3.

［6］Open CASCADE TECKNOLOGY.Object Libraries Application Framework User’s Guide［EB/OL］.http://www.opencascade.org，2013.

［7］MOUNIR H，NIZAR A，ABDELMAJID B.CAD model simplification using a removing details and merging faces technique for a FEM simulation［J］.Journal of Mechanical ScienceandTechnology ，2012，26(11):3539－3548.

［8］李紹珍，張淵.基于Open CASCADE的虛擬三維建模平臺的開發(fā)研究［J］.第一屆中國圖形大會，2007，(8):267－268.

［9］張淵.基于Open CASCADE的虛擬三維建模平臺的開發(fā)［M］.濟南:山東大學，2007.61－62.

［10］陳宏宇，劉子建，艾彥迪.基于Open CASCADE的“一元四體”模型實現(xiàn)技術研究［J］.計算機工程與應用，2012，34(3):102 －104.