1、三維模型輕量化技術(shù)1模型輕量化的必要性設(shè)計(jì)模型是一種精確的邊界描述(B-rep)模型，含有大量的幾何信息，在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟硬件條件下，使用設(shè)計(jì)模型直接建立大型復(fù)雜系統(tǒng)裝配、維修仿真模型是不可能的，因此需要使用輕量化的模型建立仿真模型，以達(dá)到對(duì)仿真模型的快速交互、渲染。2細(xì)節(jié)層次輕量化技術(shù)90年代中期以來(lái)，模型輕量化技術(shù)得到了快速的發(fā)展，出現(xiàn)了抽殼(hollowshell)技術(shù)和細(xì)節(jié)層次(LevelofDetails,LOD)技術(shù)。抽殼技術(shù)只關(guān)心產(chǎn)品模型的幾何表示而不考慮產(chǎn)品建模的過(guò)程信息，LOD技術(shù)將產(chǎn)品幾何模型設(shè)定不同的顯示精度和顯示細(xì)節(jié)，根據(jù)觀察者眼點(diǎn)與產(chǎn)品幾何模型之間的距離來(lái)使用不同的顯

2、示精度，以此達(dá)到快速交互模型的目的。LOD技術(shù)是當(dāng)前可視化仿真領(lǐng)域中處理圖形顯示實(shí)時(shí)性方面十分流行的技術(shù)之一。LOD模型就是在不影響畫(huà)面視覺(jué)效果的條件下，對(duì)同一物體建立幾個(gè)不同逼近精度的幾何模型。根據(jù)物體與視點(diǎn)的距離來(lái)選擇顯示不同細(xì)節(jié)層次的模型，從而加快系統(tǒng)圖形處理和渲染的速度。保證在視點(diǎn)靠近物體時(shí)對(duì)物體進(jìn)行精細(xì)繪制，在遠(yuǎn)離物體時(shí)對(duì)物體進(jìn)行粗略繪制，在總量上控制多邊形的數(shù)量，不會(huì)出現(xiàn)由于顯示的物體增多而使處理多邊形的數(shù)量過(guò)度增加的情況，把多邊形個(gè)數(shù)控制在系統(tǒng)的處理能力之內(nèi)，這樣就可以保證在不降低用戶觀察效果的情況下，大大減少渲染負(fù)載。通常LOD算法包括生成、選擇以及切換三個(gè)主要部分。目前輕量化

3、的技術(shù)有多種，具有代表性的有JT和3DXML兩種。3DXML是Dassault、微軟等提出的輕量化技術(shù)，JT是JT開(kāi)放組織提出的輕量化技術(shù)。SIEMENS公司的可視化產(chǎn)品都采用JT技術(shù)，如我們使用的VisMockup軟件。JT技術(shù)用小平面表示幾何模型，采用層次細(xì)節(jié)技術(shù)，具有較高的壓縮比，模型顯示速度很快。jt、ajt模型及其結(jié)構(gòu)jt模型文件是三維實(shí)體模型經(jīng)過(guò)三角化處理之后得到的數(shù)據(jù)文件，它將實(shí)體表面離散化為大量的三角形面片，依靠這些三角形面片來(lái)逼近理想的三維實(shí)體模型。模型精度不同，三角形網(wǎng)格的劃分也各不相同。精度越高，三角形網(wǎng)格的劃分越細(xì)密，三角形面片形成的三維實(shí)體就越趨近于理想實(shí)體的形狀。模

4、型曲面精度由Chordal、Angular兩個(gè)參數(shù)控制。圖1(a),Chordal表示多邊形的弦高的最大值，圖1(b),Angular表示多邊形相鄰弦的夾角的最大值。?圖1 Chordal 和Angular 示意圖jt模型有三種結(jié)構(gòu)形式，都保持了原來(lái)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。分別是：(1)Standard(標(biāo)準(zhǔn)結(jié)本形式)。包含一個(gè)裝配文件和多個(gè)零件文件，其中零件文件都放在一個(gè)和裝配文件同名的目錄下。我們建立的虛擬樣機(jī)模型都采用這種結(jié)構(gòu)形式。(2)Shattered(分散結(jié)構(gòu)形式)。包含多個(gè)子裝配文件和多個(gè)零件文件，其中子裝配文件和零件文件都放在一個(gè)目錄下。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是有子裝配文件，并可以直接使用子裝配，

5、缺點(diǎn)是文件管理比較亂、不清晰。(3)Monolithic(單一結(jié)構(gòu)形式)。所有的裝配體和零部件都在一個(gè)文件中。另外，在Word、PowerPoint文件中嵌入的jt模型也采用這種結(jié)構(gòu)形式。文件中的structureOption控制著jt的輸出結(jié)構(gòu)。ajt是jt裝配文件的文本文件，并可編輯，由裝配節(jié)點(diǎn)和零件節(jié)點(diǎn)的層次構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有位置變換信息和屬性信息。手工修改ajt文件可以改變jt裝配文件各節(jié)點(diǎn)的位置、層次、屬性、位置變換矩陣、隸屬關(guān)系等。見(jiàn)附錄D。jt工具集提供了如下幾個(gè)命令：(1)。將文本結(jié)構(gòu)的jt裝配文件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制結(jié)構(gòu)的jt文件。(2)。將二進(jìn)制結(jié)構(gòu)的jt裝配文件轉(zhuǎn)換為文本結(jié)構(gòu)的jt

6、裝配文件。jt模型文件不能被轉(zhuǎn)換為文件結(jié)構(gòu)的jt文件。(3)。將多個(gè)jt裝配文件合成為一個(gè)jt裝配文件。使用該命令可以復(fù)制的設(shè)備及組件基于輕量化模型的CAD/CAPP(統(tǒng)集成技術(shù)研究0.引言隨著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Compute門ntegratedManufacturingSystem,CIMS)在企業(yè)中應(yīng)用的不斷深入，作為連接設(shè)計(jì)與制造橋梁的計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)B經(jīng)成為CIMS的關(guān)鍵。在過(guò)去的幾十年中，雖然計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign,CADyCAP可口計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedMa

7、nufacturing,CAM庇各自領(lǐng)域內(nèi)都得到了巨大的發(fā)展，但卻是在相互獨(dú)立的情況下發(fā)展起來(lái)的，忽略了各個(gè)系統(tǒng)之間的相互集成，出現(xiàn)了很多“信息化孤島”。制造企業(yè)越來(lái)越多地采用三維CAD進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但基于三維模型的CAPFW究才剛岡I起步，CAPP仍然沿用傳統(tǒng)的基于二維工程圖的設(shè)計(jì)方式，效率低且不直觀，因此基于三維模型的CAPP已經(jīng)成為企業(yè)的迫切需求。三維模型數(shù)據(jù)繁大，處理效率低，且由于不同CAM件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在異構(gòu)平臺(tái)下不兼容，導(dǎo)致CAD/CAPF三統(tǒng)間三維模型信息的交換和共享比較困難。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)CAD/CAPP1成的方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的探索和研究，如基于中間格式文件(IGES,P

8、DESSTEPSTEP-NC兩系統(tǒng)集成、基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(ProductDataManagement,PDM兩集成、直接集成等，上述研究雖然取得了一定成果，但始終沒(méi)有解決三維模型信息的集成和共享問(wèn)題。為方便三維模型的重用和可視化，各個(gè)主要的CAD廠商都推出了自己的輕量化格式，如達(dá)索的3DXM略式、UGS勺JT格式，但不同格式在異構(gòu)平臺(tái)下不能夠兼容。為解決該問(wèn)題，由英特爾、Adobe和微軟等25家公司組成的3D工業(yè)論壇(3DIndustryForum,3DIF)同歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)(ECMAinternational)聯(lián)合推出了輕量化3D標(biāo)準(zhǔn)通用3D(Universal3D,U3D)文件格式。

9、它通過(guò)去除與顯示無(wú)關(guān)的非幾何信息來(lái)簡(jiǎn)化三維模型，提高了三維模型的顯示與處理效率，使得三維模型的應(yīng)用延伸到了產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的各個(gè)階段。本文在研究U3D標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)基于輕量化模型的CAD/CAPPK,集成模型，并對(duì)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。一l.基于輕量化模型的CAD/CAP晚成模型基于輕量化模型的CAD/CAP陳統(tǒng)集成的功能模型如圖1所示，主要包括輕量化模型的生成、制造特征提取、CAPPT藝設(shè)計(jì)、CAM位軌跡計(jì)算和集成仿真五部分。U3D輕最化模型中僅包含了與顯示有關(guān)的幾何信息，這些幾何信息層次較低，不能?t足CAP隘統(tǒng)的需求。為使CAD/CAP陳統(tǒng)能夠在一個(gè)較高層次上實(shí)現(xiàn)集成，需

10、要從輕量化模型巾提取零件的制造特征，該制造特征不但能夠表示零件的幾何信息，而日.對(duì)于工藝設(shè)計(jì)所需要的形位公差、表面粗糙度、材料等非兒何信息也能夠很好地進(jìn)行表達(dá)。通過(guò)制造特征提取工具，應(yīng)用特征識(shí)別算法提取零件的制造特征，并為每一個(gè)制造特征加入工藝信息，建屯零件的制造特征模型，可以滿足CAPP系統(tǒng)對(duì)信息的需求。r+r 止 iti 凡R4KWE *a國(guó)ii將成忤5相Wfi W tiV-jH .d，f*坐曲*T ：3；)ji. i ,«.哂加肛45'.,*刎根里& il-irnL- 3如前缶尾整，.T號(hào)的” K押.i.,jui百皮耳近機(jī)產(chǎn)_. 3r w .j*Mf*1, .

11、*圖1.基于輕量化模型的CAD/CAP源統(tǒng)集成功能模型提取制造特征之后，結(jié)合工藝資源庫(kù)中的工藝知識(shí)及企業(yè)資源的使用狀況進(jìn)行可視化工藝設(shè)計(jì)，確定零件的加工工序；然后由工序驅(qū)動(dòng)生成數(shù)字控制(NumericalControl,NC濯序;最后基于輕營(yíng)化模型財(cái)每道工序進(jìn)行裝夾仿真和加工過(guò)程仿真，檢查加工過(guò)程中存在的問(wèn)題，及時(shí)反饋給工藝設(shè)計(jì)和CAM避免實(shí)際加工過(guò)程中造成的損失。2 .基于輕量化模型的工藝信息建模傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的信息關(guān)聯(lián)性差，工藝信息模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非幾何信息通常與三維模型分離，或者工藝信息模型中根本就不涉及三維模型。同時(shí),由于工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息量大、牽涉面廣，

12、而且信息的類型和關(guān)系都很復(fù)雜，難以保證工藝信息的完整性和一致性。因此，需要建立一個(gè)統(tǒng)一的工藝信息模型，并采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(extensibleMarkupLanguage,XML)文件來(lái)表示信息，不但可以實(shí)現(xiàn)CAP*CADK統(tǒng)間的信息交流，還可以實(shí)現(xiàn)CAP叫PD咻系統(tǒng)的信息集成和共享。通過(guò)對(duì)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到的各種信息進(jìn)行分析，建立了基于輕量化模型的工藝信息模型，包括制造特征模型、工藝設(shè)計(jì)模型和資源模型三個(gè)子模型，如圖2所示。斟從苫nrri弋/圖唱Mi 期廣y理也*，步號(hào)HCILfF;電纖I «H-軍丹尼" 。匐U(xiǎn)MW 企好口劇-MW4H-a拒 rF.HKTsfr 正式也

13、飛*我- H胸可i皂*事 HE3 irf|事過(guò)小物， 叫才單tel 4«tMU：ffa刖I內(nèi))！ Itti rtL±Win.)用9制麗”傳iF：*q他w”n : z.feWTftMM/LRV«-等也興上胡收-1- r4i r.總Al小，刊*tnwv 格,“： tM*T<t4-t洋弓 -工汴和* YH"喇 IMP 機(jī)反詼只 川】 4Hum：AUMIU-KH!L1*V<3 IVKhl* sim闊 山E丐n*FB時(shí)便。三也：n5事i.1£PqiKJt-3日qjm iari 地M” M；r mJ一LFT 1 ；thr 1 rtaiH 如山爪

14、尤牲M .1 -,m知J 刀具-jni.MItl一MKJ一吊n西號(hào)1mi-3%同 m降國(guó)* I串審國(guó) d '避" £ '.'d«jjr/口Am先4 FJR植 川“用ft5曲圖2.工藝信息模型制造特征指零件上一個(gè)具有語(yǔ)義的幾何實(shí)體，它描述一個(gè)工件上需要加工的區(qū)域，表達(dá)一個(gè)加工過(guò)程的結(jié)果，包括材料特征、精度特征、形狀特征以及該特征的加工方法。通過(guò)對(duì)企業(yè)內(nèi)所有零件的制造特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取該企業(yè)的典型制造特征，根據(jù)組成特征的面集合及其之間的拓?fù)潢P(guān)系定義制造特征的形狀特征模板，并根據(jù)企業(yè)的制造資源為每一個(gè)制造特征定義相應(yīng)的加工方法。工藝設(shè)計(jì)過(guò)程是

15、工藝信息不斷產(chǎn)生、流轉(zhuǎn)和完善的過(guò)程，工藝設(shè)計(jì)模型總體上可分為工藝規(guī)劃信息、工藝設(shè)計(jì)信息和工藝過(guò)程信息。工藝規(guī)劃信息主要指零部件的工藝分工路線，根據(jù)車間的資源使用情況合理分配每個(gè)車間的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)車間資源的有效利用；工藝設(shè)計(jì)信息描述零件從毛坯到成品的加工方法和過(guò)程信息，主要是一些工藝文檔；工藝過(guò)程信息描述工藝狀態(tài)、工藝版本及工藝更改等信息。加工元是工藝設(shè)計(jì)模型的核心，是組成零件工藝規(guī)程的最基本單元，它是以特征為核心的、有關(guān)特征加工所需要的信息實(shí)體，包括制造特征、該特征的加工方法、加工該特征所需要的機(jī)床和刀具等制造資源以及加工該特征的加工參數(shù)等信息。通過(guò)加工元將制造特征模型和工藝設(shè)計(jì)模型相關(guān)聯(lián)，如一

16、個(gè)外圓特征的加工方法可以包括粗車、半精車和精車三個(gè)加工元。零件的資源模型包括制造資源和工藝資源。制造資源包括機(jī)床設(shè)備、工藝裝備、材料等；工藝資源包括典型零件工藝信息、切削參數(shù)信息等。3 .基于輕量化模型的制造特征提取及其算法基于輕量化模型制造特征的提取過(guò)程如圖3所示。輕量化模型僅包含了與顯示有關(guān)的三角網(wǎng)格信息，這些三角網(wǎng)格層次較低，不便于制造特征的提取。因此，首先需要重新表示輕量化模型，結(jié)合U3D的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及工藝需求，采用邊界表示法（Brep）對(duì)三維輕量化模型進(jìn)行表示；其次利用制造特征提取工具，通過(guò)遍歷零件的幾何/拓?fù)湫畔⒉⑴c制造特征庫(kù)中的特征進(jìn)行比較，獲得零件的制造特征；最后對(duì)制造特征進(jìn)行必

17、要地編輯，加人工藝設(shè)計(jì)所需要的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等工藝信息。淤化模-干的由界衣小ihreM制力特if H劫提取只工藝何識(shí)庫(kù) （制宜伸桿帙 板/匹配理則）制功野征也息曲揖濤伴）此交提取.wor s圖3.制造業(yè)特征的提取過(guò)程輕量化模型的邊界表示基于輕量化模型的幾何信息提取要建立輕量化模型的邊界表示模型，首先從三角網(wǎng)格集合中提取具有實(shí)際意義的點(diǎn)、線、面，建立三角網(wǎng)格和幾何信息之間的映射關(guān)系。提取規(guī)則描述如下:(1) 一個(gè)三角網(wǎng)格僅屬于一個(gè)面。若兩個(gè)相互鄰接的三角網(wǎng)格的法矢相同，則兩個(gè)三角網(wǎng)格屬于同一個(gè)平面；對(duì)于圓柱面、錐面和自由曲面，給定一個(gè)E>Q若兩個(gè)相互鄰接的三角網(wǎng)格的法矢夾角

18、小于E,則認(rèn)為這兩個(gè)三角網(wǎng)格屬于同一個(gè)圓柱面、錐面或自由曲面。(2)對(duì)于一個(gè)面內(nèi)的所有三角網(wǎng)格集合，三角網(wǎng)格中的一條邊至多屬于兩個(gè)三角網(wǎng)格。若一個(gè)三角網(wǎng)格的某條邊僅屬于一個(gè)三角網(wǎng)格，則這個(gè)邊是邊界邊，否則為內(nèi)邊；然后對(duì)邊界邊進(jìn)行合并，若兩個(gè)相互鄰接的邊界邊法矢相同，則兩個(gè)邊界邊屬于同一條直線；對(duì)于弧線和自由曲線，給定一個(gè)E>0,若兩個(gè)相互鄰接的邊界邊的法矢夾角小于E,則認(rèn)為這兩個(gè)邊界邊屬于同一弧線或自由曲線。(3)構(gòu)成邊界邊的兩個(gè)頂點(diǎn)為邊界點(diǎn)。其中，E與輕量化模型的轉(zhuǎn)化精度有關(guān)，精度越高，表面三角剖分越細(xì)，E越小；反之，精度越低，E越大。對(duì)于中等精度的輕量化模型,取E=rad。基于輕量化

19、模型的拓?fù)湫畔?gòu)建為有效提取制造特征，定義面之間的約束關(guān)系Ci,其中:明，Cpir , C<n 甲 CtMi *(1)式中:Cpi'Cp*，CmtCfaa'Croiii，*,。厘1巾分別表示面之間的垂直、平行、凸鄰接、凹鄰接、相切鄰接、同軸、共面和陣列關(guān)系。面之間的約束關(guān)系可以分為鄰接關(guān)系和非鄰接關(guān)系，一條邊唯一確定兩個(gè)面之間的鄰接關(guān)系，將鄰接關(guān)系記為,它表示面fm與面fn通過(guò)邊lj以方式Ci進(jìn)行約束，其中,cec,CeGG對(duì)于面之間的平行、垂直和同軸關(guān)系比較容易判別，文獻(xiàn)給出一個(gè)判別面之間的凸鄰接、凹鄰接和相切鄰接的方法。如圖4所示，設(shè)ni,nj分別為面fi,fj的法向

20、量fi和fj通過(guò)邊lk鄰接，判斷面fi和面fj之間鄰接關(guān)系的方法如下：(1)首先確定邊lk相對(duì)于面fi的方向。沿著邊lk的某一方向，若面fi在邊lk的左側(cè)，則該方向?yàn)檫卨k。相對(duì)于面fi的方向，并記該方向向量為(2)計(jì)算兩個(gè)面法向量ni和nj的叉積，并記v=nixnj。需要注意的是，若方向向量是相對(duì)于面fi的，則計(jì)算叉積的第一個(gè)操作數(shù)必須是ni,否則為nj。(3)如果方向向量與向量v的方向相同，則面fi和面fj為凸鄰接；若方向相反，則為凹鄰接；若兩個(gè)向量的叉積v為0,則兩個(gè)面為相切鄰接。Cx俏，出/）7%伉)uor s圖4.面之間的鄰接關(guān)系根據(jù)上述判別方法，可以確定圖4中各個(gè)面之間的鄰接關(guān)系。

21、例如，面fl和面f2之間的鄰接關(guān)系可以表示為,3儲(chǔ)，（力，五）,面f2和面f3之間的鄰接關(guān)系可以表示為,面f2和面f4之間的鄰接關(guān)系可以表示為Gw(4才(/"/()制造特征提取一個(gè)零件可以認(rèn)為由若干個(gè)制造特征和非制造特征（鑄造圓角、工藝凸臺(tái)）組成。因此,可以將一個(gè)零件表示為Part=QU(。瑾)U(0殊U(U(2)-1|*VI式中：Q表布零件的總體信息表示第i個(gè)制造特征表示第j個(gè)非制造特征；Rk表示特征之間的約束關(guān)系,R*eR,R.(R,R中hnd式中：Rparent和Rchild分別表示特征之間的父約束和子約束。例如，一個(gè)平面特征上面有一個(gè)通孔特征，則平面特征是通孔特征的父特征，通

22、孔特征是平面特征的子特征。制造特征包括形狀特征、特征的工藝信息和加工方法，因此單個(gè)制造特征可以表示為ft=Fru<0/u<umq,J=11HJ式中:表示該制造特征的形狀特征力表示屬性信息，如精度信息、熱處理信息等；Mk表示加工該特征所采用的加工方法。形狀特征可以用構(gòu)成該形狀特征的面集合以及這些面之間的約束關(guān)系來(lái)表示:?=（U小u（UG）.式中：fj表示組成該形狀牛I征的一個(gè)面；Ck表示這些面之間的約束關(guān)系,制造特征提取實(shí)際上是對(duì)制造特征形狀特征的識(shí)別，通過(guò)與預(yù)先定義的形狀特征進(jìn)行比較，提取出零件的制造特征。制造特征提取算法描述如下：(1)確定相鄰表面間的約束關(guān)系。通過(guò)上述表面間鄰接關(guān)系判別方法，遍歷零件的所有邊，確定表面間的鄰接關(guān)系，并將表面問(wèn)的鄰接關(guān)系存儲(chǔ)在二元組中。(2)確定不相鄰表面間的約束關(guān)系。不相鄰表面間的約束關(guān)系主要有平行、同軸和共面約束。若兩個(gè)不相鄰表面的法矢相同或相反，且兩表面問(wèn)兩個(gè)頂點(diǎn)連線所形成的向量與面的法向量的點(diǎn)積不為零，則兩表面為平行約束，否則為共面約束；若兩個(gè)不相鄰表面具有公共的軸線，則為同軸約束。(3)將表面間的約束關(guān)系與預(yù)先定義的制造特征模板進(jìn)行比較，識(shí)別出所有的制造特征。識(shí)別過(guò)程中，對(duì)于有歧義的特征需要用戶交互操作。(4)提取特征的尺寸信息，如槽的寬度、深度，孔的半徑、深度等信息。(5)