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三维模型轻量化技术
1
模型轻量化的必要性
设计模型是一种
精确的边界描述
(B-rep)
模型，含有大量的几何信息，在
现有的计算机
软硬件条件下，
使用设计模型直接建立大型复杂系
统装配、
维修仿真模型是不可能的，
因此
需要使用轻量化的模型建立仿真模型，以达到对仿真模型的快速交互、渲染。
2
细节层次轻量化技术
90
年代中期以来，模型轻量化技术得到了快速的发展，出现了抽壳
(hollow shell)
技术
和细节层
次
(Level of Details, LOD)
技术。<
/p>
抽壳技术只关心产品模型的几何表示而不考虑产品
建模的过程信息
，
LOD
技术将产品几何模型设定不同的显示精度和显示细节，
根据观察者
眼点与产品几何模型之间的距离来使用不同的显示精度，以此达到快速交互模
型的目的。
LOD
技术是当前可视化
仿真领域中处理图形显示实时性方面十分流行的技术之一。
LOD
模型就是在不影响画面视觉效果的条件下，对同一物体建立几个不同逼近精度的几何
模
型。
根据物体与视点的距离来选择显示不同细节层次的模型，
从
而加快系统图形处理和渲
染的速度。
保证在视点靠近物体时对物
体进行精细绘制，
在远离物体时对物体进行粗略绘制，
在总量上
控制多边形的数量，
不会出现由于显示的物体增多而使处理多边形的数量过度增加
的情况，
把多边形个数控制在系统的处理能力之内，
< br>这样就可以保证在不降低用户观察效果
的情况下，大大减少渲染负载。
通常
LOD
算法包括生
成、选择以及切换三个主要部分。
目前轻量化的技术有多种，
具有代表性的有
JT
和
3DXML
两种。
3DXML
是
Dassault
、
微软等提出的轻
量化技术，
JT
是
JT
开放组织提出的轻量化技术。
SIEMENS
公司的可
视化
产品都采用
JT
技术，如我们使用
的
VisMockup
软件。
JT
技术用小平面表示几何模型，采用层次细节技术，具有较高的压缩
比，模型显示速
度很快。
jt
、
ajt
模型及其结构
jt
模型文件是三维实体模型经过三角化处理之后得到的数
据文件，它将实体表面离散
化为大量的三角形面片，依靠这些三角形面片来逼近理想的三
维实体模型。
模型精度不同，
三角形
网格的划分也各不相同。
精度越高，
三角形网格的划分越细密，
三角形面片形成的三维实体就越趋近于理想实体的形状。模型曲面精度由
Chordal
、
Angular
两个参数控制。图
1(a)
，
Ch
ordal
表示多边形的弦高的最大值，图
1(b)
，
Angular
表示多边形
相邻弦的夹角的最大值。
图
1 Chordal
和
Angular
示意图
jt
模型有三种结构形式，都保持了原来的产品结构。分别是：
(1)Standard(
标准结构
形式
)
。包含一个装配文件和多个零件文件，其中零件文件都放
在
一个和装配文件同名的目录下。我们建立的虚拟样机模型都采用这种结构形式。
(2)Shattered(
分散结构形式
)
。
包含多个子装配文件和多个零件文
件，
其中子装配文件和
零件文件都放在一个目录下。
这种结构的优点是有子装配文件，
并可以直接使用子装配，
缺
点是文件管理比较乱、不清晰。
< br>(3)Monolithic(
单一结构形式
)
。
所有的装配体和零部件都在一个文件中。
另外
，
在
Word
、
PowerPoint
文件中嵌入的
jt
模型也采用这种结构形式。
文件
中的
structureOption
控制着
< br>jt
的输出结构。
ajt
是
jt
装配文件的文本文件，并可编辑，由
装配节点和零件节点的层次构成，每个节
点有位置变换信息和属性信息。
手工修改
ajt
文件可以改变
jt
装配文件各节点的位置、
层次、
属
性、位置变换矩阵、隶属关系等。见附录
D
。
< br>
jt
工具集提供了如下几个命令：
<
/p>
(1)
。将文本结构的
jt
装配文件转换为二进制结构的
jt
文件。
(2)
。将二进制结构的
jt
装配文件转换为文本结构的
jt
装配文件。
jt
模型文
件不能被转换为
文件结构的
jt
文件。
(3)
。将多个
jt
装配文
件合成为一个
jt
装配文件。使用该命令可以复制的
设备及组件
基于轻量化模型的
< br>CAD/CAPP
系统集成技术研究
0.
引言
随着计算机集成制造系统
(Computer
Integrated Manufacturing System
，
CIMS)
在企业
中应用的不断深入，作为连接设计与
制造桥梁的计算机辅助工艺设计
(Computer Aided
Pro
cess Planning
，
CAPP)
已经成为
CIMS
的关键。
在过去的几十年中，虽然计算机辅助设计
(C
omputer
Aided Design
，
CAD)
、
CAPP
和计算机辅助制造
(Com
puter Aided Manufacturing
，
CA
M)
在各自领域内都得到了巨大的发展，
但却是在相互独立的情
况下发展起来的，
忽略了各
个系统之间的相互集成，出现了很多
“信息化孤岛”。制造企业越来越多地采用三维
CAD
进行产品
设计，但基于三维模型的
CAPP
研究才刚刚起步，
CAPP
仍然沿用传统的基于二维工
程图的设计方
式，效率低且不直观，因此基于三维模型的
CAPP
已经成为企
业的迫切需求。
三维模型数据繁大，
处理效率低，
且由于不同
CAD
软件产生的数据在异构平台下不兼
容，
导
致
CAD/CAPP
系统间三维模型信息的交换和共享比较困难。
目
前，国内外对
CAD/CAPP
集成的方法和关键技术进行了大
量的探索和研究，如基于中
间格式文件
(IGES
，
PDES
，
STEP
，
STEP-
NC)
的系统集成、基于产品数据管理
(Product
Data
Management
，
P
DM)
的集成、直接集成等，
上述研究虽然取得了一定成果，但
始终没有解决三
维模型信息的集成和共享问题。
为方便三维模型
的重用和可视化，
各个主要的
CAD
厂
商都推
出了自己的轻量化格式，如达索的
3DXML
格式、
UGS
的
JT
格式，但不同格式在异构平台下
不能够兼容。为解决该问题，由英特
尔、
Adobe
和微软等
25
家公司组成的
3D
工业论坛
(3D
Industry Forum
，
3DIF)
同欧洲计算机制造商协会
(ECMA in
ternational)
联合推出了轻量化
3D
标准通用
3D(Universal 3D
，
U3D)
文件格式。
它通过去除与显示无关的
非几何信息来简化
三维模型，
提高了三维模型的显示与处理效率
，
使得三维模型的应用延伸到了产品全生命周
期内的各个阶段。
本文在研究
U3D
标准的基础上构建了一个基于轻量化模型的<
/p>
CAD/CAPP
系
统集成模型，并对系
统集成的关键技术进行了研究。
l.
基于轻量化模型的
CAD/CAPP
集成模型
< br>
基于轻量化模型的
CAD/CAPP
< br>系统集成的功能模型如图
1
所示，主要包括轻量化模型的
生成、制造特征提取、
CAPP
工艺设
计、
CAM
刀位轨迹计算和集成仿真五部分。
< br>U3D
轻最化模
型中仅包含了与显示有关的几何信息，<
/p>
这些几何信息层次较低，
不能满足
CAP
P
系统的需求。
为使
CAD/CAPP
系统能够在一个较高层次上实现集成，需要从轻量化模型巾提取零件的制造
特征，该制造特征不但能够表示零件的几何信息，而日
.
对于工艺设计所需要的形位公差、
表面粗糙度、
材料等非儿
何信息也能够很好地进行表达。
通过制造特征提取工具，
应用特
征
识别算法提取零件的制造特征，
并为每一个制造特征加入工艺
信息，
建屯零件的制造特征模
型，可以满足
CAPP
系统对信息的需求。
图
1.
基于轻量化模型的
CAD/CAPP
系
统集成功能模型
提取制造特征之后，
结合工艺资源库中的工艺知识及企业资源的使用状况进行可视化工
艺设计，
确定零件的加工工序
;
然后由工序驱动生成数字控制
(Numerical Control
，
NC)
程序
;
最后基于轻营化模型
财每道工序进行装夹仿真和加工过程仿真，
检查加工过程中存在的问题，
及时反馈给工艺设计和
CAM
，避免实际加工过程中造
成的损失。
2.
基于轻量化模型的工艺信息建模
传统工艺设计中产品的信息关联性差，
工艺信息模型中的尺寸公
差、
形位公差、
表面粗
糙度等非几何信
息通常与三维模型分离，
或者工艺信息模型中根本就不涉及三维模型。
< br>同时，
由于工艺设计过程中的信息量大、
牵涉面广，
而且信息的类型和关系都很复杂，
难以保证工
艺信息的完整性和一致性。
因此，
需要建立一个统一的工艺信
息模型，
并采用可扩展标记语
言
(eX
tensible Markup Language
，
XML
)
文件来表示信息，
不但可以实现
CA
PP
与
CAD
系统间
< br>的信息交流，还可以实现
CAPP
与
PDM
等系统的信息集成和共享。通过对工艺设计过程涉及
到的各种信息进行分析，
建立了基于轻量化模型的工艺信息模型，
包括制造特征模型、
工艺
设计模型和资源模型三个子模型，如
图
2
所示。
图
2.
工艺信息模型
制造特征指零件上一个
具有语义的几何实体，
它描述一个工件上需要加工的区域，
表达
一个加工过程的结果，包括材料特征、精度特征、
形状特征以及
该特征的加工方法。通过对
企业内所有零件的制造特征进行统计分析，
< br>获取该企业的典型制造特征，
根据组成特征的面
集合及其
之间的拓扑关系定义制造特征的形状特征模板，
并根据企业的制造资源为每一个制
造特征定义相应的加工方法。
工艺设计过程
是工艺信息不断产生、
流转和完善的过程，
工艺设计模型总体上
可分为工
艺规划信息、工艺设计信息和工艺过程信息。工艺规划信息主要指零部件的工艺
分工路线，
根据车间的资源使用情况合理分配每个车间的任务，实现车间资源的有效利用
;
工艺设计信
息描述零件从毛坯到成品
的加工方法和过程信息，主要是一些工艺文档
;
工艺过程信息描
述
工艺状态、
工艺版本及工艺更改等信息。
加工元是工艺设计模型的核心，
是组成零件工艺规
程的最基
本单元，它是以特征为核心的、有关特征加工所需要的信息实体，包括制造特征、
该特征
的加工方法、
加工该特征所需要的机床和刀具等制造资源以及加工该特征的加工参数
等信息。
通过加工元将制造特征模型和工艺设计模型相关联，
如一个外圆特征的加工方法可
以包括粗车、
半
精车和精车三个加工元。
零件的资源模型包括制造资源和工艺资源。
制造资
源包括机床设备、工艺装备、材料等
;
工艺资源包括典型零件工艺信息、切削参数信息等。
3.
基于轻量化模型的制造特征提取及其算法
基于轻量化模型制造特征的提取过程如图
3
所示。<
/p>
轻量化模型仅包含了与显示有关的三
角网格信息，这些三角网格层
次较低，不便于制造特征的提取。因此，
首先需要重新表示轻
量
化模型，
结合
U3D
的数据结构及工艺
需求，
采用边界表示法
(Brep)
对
三维轻量化模型进行
表示
;
其次利用制
造特征提取工具，
通过遍历零件的几何
/
拓扑信息并与制造特征库中的特征
进行比较，获得零件的制造特征
;
最后对制造特征进行必要地编辑，加人工艺设计所需要的
尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等工艺信息。
图
3.
制造业特征的提取过程
3.1
轻量化模型的边界表示
3.1.1
基于轻量化模型的几何信息提取
要建
立轻量化模型的边界表示模型，
首先从三角网格集合中提取具有实际意义的点、
线、
面，建立三角网格和几何信息之间的映射关系。提取规则描述如下：
(1)
一个三角网格仅属于一个面。
若两个相互邻接的三角网格的法矢相同，则两个三角
网格属于同一个平面
;
对于圆柱面、锥面和自由曲面，给定一个
ξ
>O
，若两个相互邻接的三
角网格的法矢夹角小
于
ξ
，则认为这两个三角网格属于同一个圆柱面、锥面或自由曲
面。
(2)
对于一个面内的所有三角
网格集合，三角网格中的一条边至多属于两个三角网格。
若一个三角网格的某条边仅属于
一个三角网格，则这个边是边界边，否则为内边
;
然后对边
界边进行合并，若两个相互邻接的边界边法矢相同，则两个边界边属于同一条直线
;
对于弧
线和自由曲线，
给定一个
ξ
>0
，
若两个相互邻接的边界边的法矢夹角小于
ξ
，
则认为这两个
边界边属于同一弧线或自由曲线。
<
/p>
(3)
构成边界边的两个顶点为边界点。其中，
< br>ξ
与轻量化模型的转化精度有关，精度越
高，表面三角剖
分越细，
ξ
越小
;
反之，精度越低，
ξ
越大。对于中等精度的轻量化模型，<
/p>
取
ξ
=0.1
rad
。
3.1.2
基于轻量化模型的拓扑信息构建
为有效提取制造特征
，定义面之间的约束关系
Ci
，其中：
式中：
分别表示面之间的垂直、平行、凸邻接、凹邻接、相切邻接
、同轴、共面和阵列关系。
面之间的约束关系可以分为邻接关
系和非邻接关系，
一条边唯一确定两个面之间的邻接
关系，将邻
接关系记为