異構(gòu)裝配信息的統(tǒng)一表達(dá)方法研究＊

劉云華，劉 巍

（華中科技大學(xué)國家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430074）

1 引言

當(dāng)前大型機(jī)械、裝備等產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常在不同三維平臺(tái)中完成，導(dǎo)致裝配體信息表達(dá)方式不一致，在對(duì)模型進(jìn)行裝配仿真時(shí)，需統(tǒng)一到同一三維平臺(tái)，但由于數(shù)據(jù)表達(dá)格式的不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在交換過程中一些必要的三維信息被丟失、或者三維模型信息不一致，如顏色、屬性等信息缺失，特別是三維裝配關(guān)系通常被拋棄［1］，而這些信息往往是裝配序列規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真分析的關(guān)鍵信息［2］。所以，針對(duì)這一問題，需要構(gòu)建一種統(tǒng)一的裝配信息表達(dá)模型，使其能完整地描述產(chǎn)品的信息，不僅是產(chǎn)品的幾何信息，還包括產(chǎn)品的關(guān)系和屬性信息。

通常裝配模型由子部件和零件構(gòu)成，子部件又可以分解為下一級(jí)的子部件和零件，這樣形成了一種層次結(jié)構(gòu)關(guān)系［3］。而裝配模型除了這種層次關(guān)系之外，還存在裝配關(guān)系，裝配體的零部件就是通過這種裝配關(guān)系約束到一起形成整體［4］。最后，為了能夠?qū)⒀b配體正確顯示出來，還需要建立零件信息，主要包括零件的形狀、尺寸等信息。所以，裝配模型信息主要是層次關(guān)系、裝配關(guān)系、零件信息。為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，裝配信息里應(yīng)該包含裝配體內(nèi)的各個(gè)子部件之間的父子關(guān)系信息，建立零部件間的裝配約束關(guān)系，描述零件的尺寸形狀。

歸納總結(jié)目前的產(chǎn)品裝配模型，可以分為層次模型、關(guān)系模型以及兩者相結(jié)合的混合模型［5，6］。這些方法只在裝配結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了一些描述，而在其它方面沒有做更多的分析，并不能解決實(shí)際問題，如混合模型并沒能保留下裝配約束關(guān)系，不適用于實(shí)際的裝配信息建模。此外，隨著大規(guī)模制造的發(fā)展，裝配模型往往比較大，文件過大不利于網(wǎng)絡(luò)傳輸并影響虛擬裝配仿真的效率［7］。

為了能夠清晰反映零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系和裝配關(guān)系，本文采用輕量化的層次和關(guān)系混合模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)CAD平臺(tái)模型的統(tǒng)一表達(dá)。輕量化體現(xiàn)在對(duì)源模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，過濾掉與虛擬裝配仿真無關(guān)的信息，如建模過程信息，僅僅保留模型的裝配結(jié)構(gòu)信息、裝配關(guān)系信息和幾何信息；層次性體現(xiàn)在裝配體從頂?shù)较乱粚訉臃纸庵钡搅慵?，每一層都記錄了相?yīng)的裝配信息和零件信息，呈典型的樹狀結(jié)構(gòu)；關(guān)系性體現(xiàn)在零部件不是簡單地記錄了包含、從屬關(guān)系，而且保留了不同零件的幾何元素間的裝配約束信息，能夠直觀地反映出零部件間的配合關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系等。

綜上所述，為了統(tǒng)一表達(dá)異構(gòu)CAD平臺(tái)的裝配模型信息，本文的輕量化裝配信息混合模型應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）提供零部件間的父子關(guān)系信息，方便零部件的屬性管理。

（2）保留源裝配模型的裝配關(guān)系信息，為之后進(jìn)行的裝配序列規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）保留源裝配模型的零件信息，用于對(duì)裝配體的正確顯示，便于零件幾何元素之間的計(jì)算，如測(cè)量、約束求解等。

（4）對(duì)源模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，縮小后的文件方便在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

2 統(tǒng)一的輕量化裝配信息混合模型

輕量化的層次和關(guān)系混合模型表達(dá)方法如圖1所示，將產(chǎn)品裝配信息分為兩個(gè)部分：裝配結(jié)構(gòu)信息和裝配關(guān)系信息。裝配結(jié)構(gòu)信息里記錄了零部件的層次結(jié)構(gòu)，包含零件的幾何尺寸信息、顯示信息，零部件的父子關(guān)系信息；裝配關(guān)系信息里記錄了不同零件間的約束關(guān)系，在此約束關(guān)系下，零部件形成了一個(gè)聯(lián)系緊密的整體。

Figure 1 Mixed expression model of hierarchy and relationships圖1 層次和關(guān)系混合表達(dá)模型

為充分保證模型的一致性，本文采用數(shù)據(jù)記錄方式盡量使三維模型數(shù)據(jù)保持一致，將三維裝配信息和零件分開表達(dá)。用裝配文件記錄裝配結(jié)構(gòu)信息和裝配關(guān)系信息，記為裝配層信息；零件文件記錄幾何信息，記為零件層信息。然后，裝配文件通過數(shù)據(jù)引用的方式將零件文件的幾何信息顯示在正確的位置。裝配層中的裝配關(guān)系信息需要利用零件層中的幾何信息來建立，而零件層中的幾何信息需要通過裝配層中裝配結(jié)構(gòu)信息調(diào)用來顯示。下面將分別詳細(xì)介紹裝配層和零件層的信息表達(dá)。

2.1 裝配層表達(dá)

裝配層表達(dá)的是層次與關(guān)系的混合模型，反映了整個(gè)三維模型的框架，記錄了裝配體下面的零部件結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系。裝配層表達(dá)主要包括裝配關(guān)系信息表達(dá)和零部件引用表達(dá)。

裝配關(guān)系信息分為三類：配合關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、聯(lián)結(jié)關(guān)系［8］。

配合關(guān)系是兩個(gè)零件的幾何特征之間的接觸約束關(guān)系，它描述兩個(gè)相互配合的零件如何通過零件上若干幾何表面的相互接觸來實(shí)現(xiàn)他們之間的相互聯(lián)系，是產(chǎn)生產(chǎn)品裝配順序和評(píng)價(jià)可裝配性的重要依據(jù)。配合關(guān)系包括：平面與平面貼合、柱面與柱面同軸、平面與回轉(zhuǎn)面相切、點(diǎn)面接觸等類型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：配合關(guān)系信息 ＝ ｛裝配零件1，裝配零件2，幾何元素1，幾何元素2，配合關(guān)系類型｝。

運(yùn)動(dòng)關(guān)系是構(gòu)成裝配的零部件之間存在的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)品完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)力做功的基礎(chǔ)。

聯(lián)接關(guān)系是若干零部件通過其他聯(lián)接零件或自身的聯(lián)接特征聯(lián)接在一起，構(gòu)成穩(wěn)定的整體的特殊裝配關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：運(yùn)動(dòng)（聯(lián)接）關(guān)系信息＝｛裝配零件1，裝配零件2，運(yùn)動(dòng)（聯(lián)接）關(guān)系類型，運(yùn)動(dòng)（聯(lián)接）關(guān)系詳細(xì)信息｝。

零部件引用記錄了零部件的名稱、ID號(hào)、文件相對(duì)路徑、相對(duì)變換矩陣。裝配層信息中只記錄零部件的文件路徑，對(duì)其進(jìn)行引用，并不記錄具體的幾何拓?fù)湫畔ⅲ@樣會(huì)減少數(shù)據(jù)的冗余，減小文件大小。

2.2 零件層表達(dá)

零件信息是數(shù)字化產(chǎn)品裝配信息的關(guān)鍵內(nèi)容，沒有零件就無法構(gòu)成產(chǎn)品。零件是構(gòu)成產(chǎn)品的基本單元。

零件信息分為幾何信息和顯示信息。幾何信息是用來描述零件的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)以及幾何形狀的尺寸，可以用具體的函數(shù)來精確表達(dá)。例如，圓柱體零件包含的幾何信息對(duì)象有圓、平面、柱面，圓對(duì)應(yīng)的幾何屬性有圓心坐標(biāo)和半徑，平面的幾何屬性有定位點(diǎn)坐標(biāo)和法矢。顯示信息是指將零件的幾何對(duì)象三角化后得到的三角化面、三角化邊和點(diǎn)的信息，因?yàn)槿敲嫫軌蚴鼓Ｐ图铀亠@示，所以我們采用三角面片來顯示圖形。

因此，零件層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：零件層信息 ＝｛幾何信息，顯示信息｝；幾何信息 ＝ ｛幾何對(duì)象類型，幾何對(duì)象屬性｝；顯示信息 ＝ ｛三角化面，三角化邊，點(diǎn)｝。

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于第2節(jié)提出的輕量化混合裝配信息表達(dá)模型，為了進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)冗余，使之后的裝配序列規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)仿真更加快速、有效，有幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步討論，包括裝配體屬性管理和零件顯示機(jī)制。

3.1 裝配體屬性管理

裝配體從顯示上來看是簡單的父子層次結(jié)構(gòu)，而實(shí)際在內(nèi)部數(shù)據(jù)方面，并非是簡單的父子關(guān)系，而是父－實(shí)例－零件的三層關(guān)系。因此，裝配體中的屬性就不僅只有父和子零件的屬性，還存在一個(gè)子在父中實(shí)例的屬性，這一屬性表示，當(dāng)一個(gè)零件被裝配到某一特定裝配體下時(shí)，該實(shí)例零件還可以擁有與原零件不同的屬性信息，如顏色、外形等等。為了使同一個(gè)零件在不同部件中能夠顯示不同的屬性，本文的裝配信息表達(dá)方法是將零件的這些屬性保存在其上一級(jí)的父裝配體文件中。通過修改裝配體文件中被引用零件的相關(guān)屬性信息，實(shí)現(xiàn)零件的多形態(tài)顯示。這樣可以解決裝配體上的顏色設(shè)置、變型件問題。

如圖2所示，在裝配體A中引用了兩個(gè)子裝配體C，分別記為C1和C2。由于C1和C2是同一個(gè)裝配體文件，所以如果通過裝配體C來修改零件D的顏色，會(huì)導(dǎo)致C1和C2中零件D的顏色都會(huì)改變。按照本文的輕量化混合表達(dá)方法，部件C1和C2雖然都來自同一裝配文件，但是在這里是作為兩個(gè)實(shí)例來處理的，那么修改C1中零件D1的顏色只是改變了這個(gè)實(shí)例的顏色，并不會(huì)改變另外一個(gè)實(shí)例C1中零件D2的顏色。

Figure 2 Same part is called in many places圖2 同一部件在多處被調(diào)用

同樣，子部件的這類屬性也是記錄在其上一級(jí)父裝配體文件中。那么，這樣就會(huì)帶來一個(gè)問題，當(dāng)一個(gè)零件和它的父裝配體同時(shí)設(shè)置了某個(gè)屬性時(shí)，該零件應(yīng)顯示哪個(gè)屬性？由于模型的顯示過程是自頂向下的，即讀取屬性的過程是從總裝配體到子裝配體最后到零件，所以當(dāng)零件和其父裝配體的同一屬性設(shè)置了不同值時(shí)，零件會(huì)取最后自身設(shè)置的屬性值。

3.2 零件顯示機(jī)制

在本文的輕量化裝配信息表達(dá)中，所有零部件的幾何信息都是相對(duì)于上一級(jí)父裝配體的位置進(jìn)行保存的，記錄為相對(duì)變換矩陣。為了將零件顯示在正確的位置，就需要計(jì)算零件在裝配體中的絕對(duì)位置，可由零件的上級(jí)所有節(jié)點(diǎn)的變換矩陣相乘得到。若設(shè)某零件的所有上級(jí)節(jié)點(diǎn)的變換矩陣為Mi（i＝1，2，…，n），則該零件的當(dāng)前絕對(duì)位置矩陣為M＝∏ni＝1Mi（i＝1，2，…，n）。

這樣做的意義在于，當(dāng)某個(gè)零件被多個(gè)不同部件調(diào)用時(shí)，其位置顯示問題能夠得以解決。如圖2所示，零件D在兩處被調(diào)用，而它自身的幾何數(shù)據(jù)是確定的，那么要同時(shí)表示兩個(gè)位置，就可以利用相對(duì)位置矩陣。D在C中的相對(duì)位置矩陣為Mdc，C在A中的相對(duì)位置矩陣為Mca，那么零件D在總裝配體A中的絕對(duì)位置矩陣M＝Mca＊Mdc。零件D相對(duì)于子部件C的位置Mdc、子部件C相對(duì)于裝配體A的位置都可以通過修改裝配體文件中的相對(duì)變換矩陣來變化。這樣，通過每一層的數(shù)據(jù)引用，最終可以實(shí)現(xiàn)同一零件多次被調(diào)用時(shí)的顯示問題。

4 應(yīng)用實(shí)例

利用輕量化裝配信息混合表達(dá)模型，可將異構(gòu)CAD平臺(tái)裝配模型的裝配結(jié)構(gòu)信息、裝配關(guān)系信息以及幾何信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示模式，在該統(tǒng)一模型下，還可利用該模型表達(dá)將這些三維模型裝配在一起，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)模型的三維裝配。在裝配模型中不僅保留了零部件的位置信息，還保留了零部件間的約束關(guān)系，利用這個(gè)模型我們可以方便地進(jìn)行三維仿真。

利用HOOPS可視化開發(fā)包，在VS2005上開發(fā)了天喻軟件三維瀏覽器InteVue2012，通過三維CAD軟件提供的二次開發(fā)接口讀取對(duì)方的文件，然后將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的裝配模型表達(dá)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前主流三維軟件模型的瀏覽，如Catia、Solid－Works、ProE等。

圖3是來自Inventor2011和SolidWorks2011的模型，進(jìn)行了文件格式轉(zhuǎn)換后，在InteVue2012中打開，只保留了裝配體的幾何信息、拓?fù)湫畔?、裝配關(guān)系信息以及少量的設(shè)計(jì)信息，文件大小相對(duì)于源文件減小很多，瀏覽速度快，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的移動(dòng)和顏色修改等功能。圖3中顯示了裝配體的層次結(jié)構(gòu)，保留了源文件的裝配關(guān)系，便于后期的裝配序列規(guī)劃以及裝配運(yùn)動(dòng)仿真，之后在兩個(gè)子部件之間又新增加了共軸和重合的約束配合。

5 結(jié)束語

本文提出了一種輕量化的層次和關(guān)系混合模型來表達(dá)異構(gòu)三維CAD平臺(tái)的裝配體模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)CAD平臺(tái)模型的瀏覽，解決了零部件屬性一致性的問題，保留了裝配體的裝配關(guān)系，填補(bǔ)了國內(nèi)三維瀏覽器在裝配關(guān)系建立方面的空白。采用此方法可以有效地提高三維模型瀏覽速度，更好地指導(dǎo)裝配序列規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真。

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