CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在歸檔方面的研究與應(yīng)用

梅敬成 李建勛 楊欣

摘要：在當(dāng)前航天產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)中，三維數(shù)字化模型逐步成為設(shè)計的主要數(shù)據(jù)來源。但是數(shù)字化模型存在隨時間推移而逐漸失效的問題，為了解決這個問題，提出了一種基于中性格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的長期歸檔方法。首先研究面向航天產(chǎn)品三維設(shè)計信息的數(shù)字化描述機理，建立統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述方法和規(guī)范;然后參照STEP標(biāo)準(zhǔn)體系，研究、擴展并制定產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成、交互和長期存檔的標(biāo)準(zhǔn)體系;最后實現(xiàn)了長期歸檔系統(tǒng)，并通過實驗驗證了航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)長期存檔的有效性。

關(guān)鍵詞：三維歸檔;STEP;數(shù)據(jù)交換;數(shù)字化

一、三維數(shù)字化模型歸檔存在的問題

三維數(shù)字化模型的特點是分散化、多版本和多格式等。一般一個模型都是由各個分散的模型組成，同一零件或部件需要進行多次工程更改或版本更新。不同的CAD軟件有不同的數(shù)據(jù)格式。例如：Sohdworks軟件的原始格式的后綴為.S1dasm，PRO/E（CREO）軟件的原始格式的后綴為.asm，Invetor軟件的原始格式的后綴為.iam。各自的數(shù)據(jù)格式由各自的軟件所識別和讀取。而這些數(shù)據(jù)的存檔期限往往要求30年以上，甚至更長。若干年后，要保證這些模型數(shù)據(jù)可讀，可用，安全，有效，并能被大多數(shù)CAD軟件識別和讀取，成為了當(dāng)前面臨的難題。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀

歐美發(fā)達(dá)國家航空、航天及船舶組織在上世紀(jì)九十年代相繼啟動了一系列面向產(chǎn)品數(shù)據(jù)長期歸檔保存的重大研究計劃，涉及三維模型歸檔。例如美國航天局NASA的PGEF項目、歐洲航天PDE項目和歐洲航空組織LOTAR項目等，這些項目都圍繞數(shù)據(jù)電子歸檔項目研究并建立了適合自己的、基于中性開放格式的相應(yīng)軟件系統(tǒng)。為了保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的長期安全可控，三維模型需要建立在一個更持久的數(shù)據(jù)格式上，不依賴具體的軟件及系統(tǒng)。以CAD領(lǐng)域的三大巨頭CATIA、SIEMENS和PTC為例，三大軟件都定義了自己的模型格式，而且這些模型格式被嚴(yán)格保密，相關(guān)數(shù)據(jù)解析也僅僅是通過軟件廠商提供的數(shù)據(jù)接口來實現(xiàn)，國內(nèi)用戶很難獲取底層數(shù)據(jù)的核心結(jié)構(gòu)信息。因此，早在20世紀(jì)70年代末，國際上對數(shù)據(jù)交換進行了大量研究和制訂工作，誕生了10余種數(shù)據(jù)交換技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。有以下幾種是國際或業(yè)界公認(rèn)的數(shù)據(jù)格式。

1、DXF：圖形交換格式

DXF是AutoCAD的CAD數(shù)據(jù)文件格式，由Autodesk開發(fā)作為他們的解決方案啟用的AutoCAD和其他程序之間的數(shù)據(jù)互操作性。DXF主要是以2D為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)格式。

2、IGES：初始圖形交換標(biāo)準(zhǔn)

IGES（初始圖形交換規(guī)范）是為了實現(xiàn)不同的CAD/CAM系統(tǒng)之間交換產(chǎn)品模型的定義數(shù)據(jù)而制定的美國標(biāo)準(zhǔn)，已覆蓋了越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域，被大多數(shù)CAD系統(tǒng)所接受。IGES標(biāo)準(zhǔn)最早是ANSI于20世紀(jì)80年代初制定的，主要描述產(chǎn)品設(shè)計和制造信息，它的數(shù)據(jù)文件是多個實體的集合，用幾何和非幾何的信息描述產(chǎn)品，其中幾何信息包括了點、線、圓弧、參數(shù)曲線/曲面、NURBS曲線/曲面和剪裁曲面等多種元素。非幾何信息包括標(biāo)注、定義和組織等。

但是，IGES在實際應(yīng)用中還存在一系列的問題，如：（1）數(shù)據(jù)文件過大，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理時間長;（2）某些幾何類型轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定;（3）只注意了圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而忽略了其它信息的轉(zhuǎn)換等。

3、STEP：標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換

STEP是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO組織）下的“產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)外部表示”分委員會SC4所制定的一個實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，它是由多個部分組成的ISO標(biāo)準(zhǔn)，它已經(jīng)成為國際公認(rèn)的CAD模型文件全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

STEP標(biāo)準(zhǔn)是為CAD/CAM系統(tǒng)提供中性產(chǎn)品數(shù)據(jù)而開發(fā)的公共資源和應(yīng)用模型，它既是一種產(chǎn)品信息建模技術(shù)，又是一種基于面向?qū)ο笏枷敕椒ǖ能浖嵤┘夹g(shù)。它支持產(chǎn)品從設(shè)計到分析、制造、質(zhì)量控制、測試、生產(chǎn)、使用、維護到廢棄整個生命周期的信息交換與信息共享，目的在于提供一種獨立于任何具體系統(tǒng)而又能完整描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的表示機制和實施的方法與技術(shù)。

STEP保持良好的兼容性，在格式轉(zhuǎn)換的過程中，損失的信息相對較少。它不僅能夠描述幾何信息，而且還包括參數(shù)化數(shù)據(jù)、特征和非幾何數(shù)據(jù)等。STEP還將進一步擴展更多更高層次的設(shè)計信息。它的信息覆蓋面廣泛、體系結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、可擴充性強以及成熟度高，得到軟件商和國家層面的支持，成為CAD模型長期歸檔的首選格式。

在國內(nèi)，利用中性格式進行CAD模型歸檔研究的較少，也沒有從國家或者行業(yè)層面提出解決框架或方案。

三、基于中性格式轉(zhuǎn)換技術(shù)的三維歸檔

由于STEP格式尚未支持如MBD的信息以及視圖管理等信息，如果僅用CAD軟件自身的STEP轉(zhuǎn)換進行歸檔，在歸檔時就會丟失這部分信息，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

又因為CAD模型格式被嚴(yán)格保密，所以本文提出了直接讀取方式，直接對CAD數(shù)據(jù)文件進行解析，將其中定義的幾何、約束、裝配、圖紙、管路、線纜和PMI等所有歸檔要素的信息解析出來，然后按照STEP的定義創(chuàng)建輸出。至于STEP目前標(biāo)準(zhǔn)中不支持的要素類型，則通過XML擴展對其進行定義。在此需要提取解析CAD模型信息，分析優(yōu)化模型中結(jié)構(gòu)物理、數(shù)學(xué)和描述模型間的耦合關(guān)系，歸集形成本元信息模型，描述CAD中的線纜、PMI和圖紙等數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上完成中性格式文件前/后處理器對中性格式文件的讀寫，即前處理器把CAD的內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成中性格式文件;后處理器讀入中性格式文件，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式是為了存儲數(shù)字信息而用的對信息的特殊編碼方式，用于識別內(nèi)部存儲資料的載體。長期存檔選擇的格式至少要滿足以下原則：（1）適用于多種環(huán)境;（2）應(yīng)當(dāng)支持從專用環(huán)境向通用環(huán)境的遷移;（3）標(biāo)準(zhǔn)化程度較高;（4）被業(yè)界或用戶廣泛支持的格式;（5）可擴展性強的格式;（6）數(shù)據(jù)可真實完整地被用戶讀出并理解。

而STEP格式可以實現(xiàn)不同廠商、不同版本的CAD數(shù)據(jù)模型的互栢轉(zhuǎn)換，并可以被絕大部分的CAD軟件所識別。因此，本文提出基于STEP格式的長期存檔系統(tǒng)。然而，目前STEP格式并不能覆蓋三維模型所有的信息，因此，對STEP中不支持的要素類型，則通過XME擴展對其進行定義。

通過數(shù)據(jù)直接交換技術(shù)，研發(fā)了數(shù)據(jù)直接讀入功能，該功能可實現(xiàn)多種主流CAD軟件原格式文件的幾何數(shù)據(jù)直接讀入。CAD模型的歸檔數(shù)據(jù)由幾何數(shù)據(jù)、幾何屬性數(shù)據(jù)、模型屬性數(shù)據(jù)、視圖數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、標(biāo)注數(shù)據(jù)、電纜數(shù)據(jù)和管路數(shù)據(jù)等構(gòu)成。STEP格式支持幾何數(shù)據(jù)、標(biāo)注數(shù)據(jù)的存儲，其它數(shù)據(jù)則用XML文件存儲，原/歸檔CAD模型歸檔數(shù)據(jù)域如圖1所示。

上述的轉(zhuǎn)換流程描述了數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換，即STEP+XML文件的輸入和輸出。STEP+XML輸出采用數(shù)據(jù)直讀技術(shù)，將CAD模型進行解析，按照NURBS曲線、曲面的方式進行原樣轉(zhuǎn)換，其它屬性數(shù)據(jù)則直接寫入XML文件存儲.STEP+XML輸入使用不同軟件的數(shù)據(jù)交換模塊進行導(dǎo)入。

各個數(shù)據(jù)模塊中又由多個數(shù)據(jù)要素組成，各數(shù)據(jù)模塊包含的要素內(nèi)容，如表1所列。

實際的CAD模型是由零件裝配而成，長期存檔保留原模型裝配結(jié)構(gòu)并遵循原裝配件的物理文件結(jié)構(gòu)，即按照裝配+元件的方式進行輸出，如圖2所示.

在物理文件中，A.STEP文件包含了所有裝配文件的數(shù)據(jù)，即A.asm和B.asm文件。同時，生成與總裝同名的A.xml文件，如圖3所示。

為了驗證存檔數(shù)據(jù)的正確性、完整性和有效性，需要導(dǎo)入已轉(zhuǎn)換為三維模型中性格式的數(shù)據(jù)，基于全局配準(zhǔn)、局部配準(zhǔn)及特征點配準(zhǔn)等理論方法，與原格式的三維模型進行配準(zhǔn)比對。根據(jù)CAD數(shù)據(jù)類型的特點，重新寫入三維模型數(shù)據(jù)進行比對。

本文實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，并應(yīng)用此系統(tǒng)對航天小衛(wèi)星模型進行了歸檔實驗。

四、實驗對比

本文以Pro/E為例，進行了方法的驗證。利用Pro/E二次開發(fā)工具，在Pro/E軟件中增加長期存檔系統(tǒng)模塊。其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊有模型信息導(dǎo)出和模型信息導(dǎo)入功能。使用航天小衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輸出和輸入，進行了原CAD模型和長期存檔數(shù)據(jù)的效果比對，如圖4-9所示。

五、結(jié)論

本文闡述了利用CAD模型直接讀取技術(shù)，對CAD模型數(shù)據(jù)文件進行解析，將其中定義的幾何和非幾何等歸檔數(shù)據(jù)解析出來，按照STEP的定義創(chuàng)建輸出。STEP不支持的要素類型，則通過XML擴展對其進行定義。將輸出的STEP+XML文件作為長期存檔格式，該格式不依賴于具體的CAD軟件廠商和特定的系統(tǒng)，保證三維模型數(shù)據(jù)長期安全有效。本文使用航天小衛(wèi)星數(shù)模進行實驗比對，驗證存檔數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。

目前，本文僅實現(xiàn)了CAD模型數(shù)據(jù)的長期存檔，更高要求的長期存檔管理還應(yīng)該包括過程的標(biāo)準(zhǔn)化。而STEP標(biāo)準(zhǔn)格式也在不停地更新完善中，未來將支持更多的要素類型，這樣使CAD模型數(shù)據(jù)的長期保存更加的完善。