三維模型輕量化技術

1、三維模型輕量化技術1模型輕量化的必要性設計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)有的計算機軟硬件條件下，使用設計模型直接建立大型復雜系統(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，以達到對仿真模型的快速交互、渲染。2細節(jié)層次輕量化技術90年代中期以來，模型輕量化技術得到了快速的發(fā)展，出現(xiàn)了抽殼(hollow shell)技術和細節(jié)層次(Level of Details, LOD)技術。抽殼技術只關心產(chǎn)品模型的幾何表示而不考慮產(chǎn)品 建模的過程信息，LOD技術將產(chǎn)品幾何模型設定不同的顯示精度和顯示細節(jié)，根據(jù)觀察者 眼點與產(chǎn)品幾何模型之間的距離來

2、使用不同的顯示精度，以此達到快速交互模型的目的。LOD技術是當前可視化仿真領域中處理圖形顯示實時性方面十分流行的技術之一。LOD模型就是在不影響畫面視覺效果的條件下，對同一物體建立幾個不同逼近精度的幾何 模型。根據(jù)物體與視點的距離來選擇顯示不同細節(jié)層次的模型，從而加快系統(tǒng)圖形處理和渲染的速度。保證在視點靠近物體時對物體進行精細繪制，在遠離物體時對物體進行粗略繪制，在總量上控制多邊形的數(shù)量，不會出現(xiàn)由于顯示的物體增多而使處理多邊形的數(shù)量過度增加 的情況，把多邊形個數(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，大大減少渲染負載。=通常LOD算法包括生成、選擇以及切換三個主

3、要部分。目前輕量化的技術有多種， 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， JT是JT開放組織提出的輕量化技術。 SIEMENS公司的可視化 產(chǎn)品都采用JT技術，如我們使用的 VisMockup軟件。JT技術用小平面表示幾何模型，采用層次細節(jié)技術，具有較高的壓縮比，模型顯示速 度很快。jt、ajt模型及其結構jt模型文件是三維實體模型經(jīng)過三角化處理之后得到的數(shù)據(jù)文件，它將實體表面離散 化為大量的三角形面片，依靠這些三角形面片來逼近理想的三維實體模型。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)格的劃分越細密， 三角形面片形成

4、的三維實體就越趨近于理想實體的形狀。模型曲面精度由Chordal、Angular兩個參數(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模型有三種結構形式，都保持了原來的產(chǎn)品結構。分別是：(1) Standard(標準結構形式)。包含一個裝配文件和多個零件文件，其中零件文件都放在 一個和裝配文件同名的目錄下。我們建立的虛擬樣機模型都采用這種結構形式。(2) Shattered(分散結構形式)。包含多個子裝配文件和多個零件文件，其中子裝配文件和零件文件都放在一個目錄下。這種結構的

5、優(yōu)點是有子裝配文件，并可以直接使用子裝配，缺點是文件管理比較亂、不清晰。1Monolithic(單一結構形式)。所有的裝配體和零部件都在一個文件中。另外，在Word、PowerPoint文件中嵌入的jt模型也采用這種結構形式。TessUG.config文件中的structureOption控制著jt的輸出結構。ajt是jt裝配文件的文本文件，并可編輯，由裝配節(jié)點和零件節(jié)點的層次構成，每個節(jié) 點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)點的位置、層次、 屬性、位置變換矩陣、隸屬關系等。見附錄D。jt工具集提供了如下幾個命令：(1) asciitojt.exe。將文本結構

6、的jt裝配文件轉換為二進制結構的jt文件。(2) jttoascii.exe。將二進制結構的jt裝配文件轉換為文本結構的jt裝配文件。jt模型文件不能被轉換為文件結構的jt文件。(3) jtcreateassembly.exe。將多個jt裝配文件合成為一個 jt裝配文件。使用該命令可以復制的 設備及組件基于輕量化模型的CAD/CAP系統(tǒng)集成技術研究0.引言隨著計算機集成制造系統(tǒng) (Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)在企業(yè)中應用的不斷深入，作為連接設計與制造橋梁的計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Plann

7、ing ，CAPP已經(jīng)成為CIMS的關鍵。在過去的幾十年中，雖然計算機輔助設計(Computer Aided Design ， CAD) CAPP和計算機輔助制造 (Computer Aided Manufacturing|CAM)在各自領域內(nèi)都得到了巨大的發(fā)展，但卻是在相互獨立的情況下發(fā)展起來的，忽略了各個系統(tǒng)之間的相互集成，出現(xiàn)了很多“信息化孤島”。制造企業(yè)越來越多地采用三維CAD進行產(chǎn)品設計，但基于三維模型的CAPF研究才剛剛起步，CAPP仍然沿用傳統(tǒng)的基于二維工程圖的設計方式，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C

8、AD軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在異構平臺下不兼容，導致CAD/CAPP系統(tǒng)間三維模型信息的交換和共享比較困難。目前，國內(nèi)外對 CAD/CAPP集成的方法和關鍵技術進行了大量的探索和研究，如基于中 間格式文件(IGES , PDES STEP STEP-NC)的系統(tǒng)集成、基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product DataManagemen| PDM的集成、直接集成等，上述研究雖然取得了一定成果，但始終沒有解決三維模型信息的集成和共享問題。為方便三維模型的重用和可視化，各個主要的CAD廠商都推出了自己的輕量化格式，如達索的3DXMI格式、UGS的 JT格式，但不同格式在異構平臺下不能夠兼容。為解決該問題，由英特爾、A

9、dobe和微軟等25家公司組成的3D工業(yè)論壇(3DIndustry Forum , 3DIF)同歐洲計算機制造商協(xié)會 (ECMA international)聯(lián)合推出了輕量化3D標準通用3D(Universal 3D , U3D)文件格式。它通過去除與顯示無關的非幾何信息來簡化三維模型，提高了三維模型的顯示與處理效率，使得三維模型的應用延伸到了產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的各個階段。本文在研究U3D標準的基礎上構建了一個基于輕量化模型的CAD/CAPFP系統(tǒng)集成模型，并對系統(tǒng)集成的關鍵技術進行了研究。I.基于輕量化模型的 CAD/CAPP集成模型基于輕量化模型的 CAD/CAPP系統(tǒng)集成的功能模型如圖 1

10、所示，主要包括輕量化模型的 生成、制造特征提取、CAPP工藝設計、CAM刀位軌跡計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的幾何信息，這些幾何信息層次較低，不能滿足CAPP系統(tǒng)的需求。為使CAD/CAPP系統(tǒng)能夠在一個較高層次上實現(xiàn)集成，需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.對于工藝設計所需要的形位公差、表面粗糙度、材料等非兒何信息也能夠很好地進行表達。通過制造特征提取工具，應用特征識別算法提取零件的制造特征，并為每一個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)對信息的需求。瞞.HE *VzLl il.U-&

11、#39;1T帀抽內(nèi)IH "IT 3 EIT耳 Id*TO.f«.1-4' ，一，円|百邸打此（MUE耳I II；T也 JI JI. I圖1.基于輕量化模型的 CAD/CAPP統(tǒng)集成功能模型提取制造特征之后，結合工藝資源庫中的工藝知識及企業(yè)資源的使用狀況進行可視化工藝設計，確定零件的加工工序；然后由工序驅(qū)動生成數(shù)字控制(Numerical Control，NC)程序；最后基于輕營化模型財每道工序進行裝夾仿真和加工過程仿真，檢查加工過程中存在的問題，及時反饋給工藝設計和 CAM避免實際加工過程中造成的損失。2.基于輕量化模型的工藝信息建模傳統(tǒng)工藝設計中產(chǎn)品的信息關聯(lián)性差

12、，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，由于工藝設計過程中的信息量大、牽涉面廣，而且信息的類型和關系都很復雜，難以保證工藝信息的完整性和一致性。因此，需要建立一個統(tǒng)一的工藝信息模型，并采用可擴展標記語言(eXtensible Markup Language，XML)文件來表示信息， 不但可以實現(xiàn) CAPP與CAD系統(tǒng)間工藝的信息交流，還可以實現(xiàn) CAPP與PDM等系統(tǒng)的信息集成和共享。通過對工藝設計過程涉及 到的各種信息進行分析， 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、設計模型和資源模型三個子

13、模型，如圖2所示。 I旻;I u J-工軸tg i I伽 -itffil «1 -ltfU«M4 Ax'! -FiH if* JrthAfTTlillflV -FH*Ti ；ftju*krr f+-T I-"亠TS專hn -i -ITT! JdVH4*V¥-UN UIM 常詁叮專4，RBK "Ol嗔 BtIM 料U KVi 陰*-m申比mf.Nmc««km .F-ca昭猱瓷茫i匚遢詵r-j- £-Jt i 沁 i-1li卜feAA"l丄畢-丄弘匕4 <1刑 UHon! I"bi&#

14、39;tn 屮-連址tl堆 ini.vd .'.'StCit i aabl 匸1k插r f；h討L| LH.feV*T?V JR -hi i *SJI1L吠爲口 山r"iJLIkR圖2.工藝信息模型制造特征指零件上一個具有語義的幾何實體，它描述一個工件上需要加工的區(qū)域，表達一個加工過程的結果，包括材料特征、精度特征、形狀特征以及該特征的加工方法。通過對企業(yè)內(nèi)所有零件的制造特征進行統(tǒng)計分析，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撲關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制造特征定義相應的加工方法。工藝設計過程是工藝信息不斷產(chǎn)生、

15、流轉和完善的過程，工藝設計模型總體上可分為工藝規(guī)劃信息、工藝設計信息和工藝過程信息。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車間的任務，實現(xiàn)車間資源的有效利用；工藝設計信息描述零件從毛坯到成品的加工方法和過程信息，主要是一些工藝文檔；工藝過程信息描述工藝狀態(tài)、工藝版本及工藝更改等信息。加工元是工藝設計模型的核心，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、有關特征加工所需要的信息實體，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。通過加工元將制造特征模型和工藝設計模型相關聯(lián)，如一個外圓特征的

16、加工方法可以包括粗車、半精車和精車三個加工元。零件的資源模型包括制造資源和工藝資源。制造資源包括機床設備、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程如圖3所示。輕量化模型僅包含了與顯示有關的三角網(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，結合U3D的數(shù)據(jù)結構及工藝需求， 采用邊界表示法（Brep）對三維輕量化模型進行 表示；其次利用制造特征提取工具， 通過遍歷零件的幾何/拓撲信息并與制造特征庫中的特征 進行比較，獲得零件的制造特征;最后對制造特征進行必要地編

17、輯，加人工藝設計所需要的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等工藝信息。閒0恪戍文件制迅掙功矍取具4卜遣特虹伯息amt器（特能空f I就収/* I ZL.U的加択和IfiA)Tlift bra 板匹配理則wor v圖3.制造業(yè)特征的提取過程3.1輕量化模型的邊界表示3.1.1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際意義的點、線、面，建立三角網(wǎng)格和幾何信息之間的映射關系。提取規(guī)則描述如下：(1) 一個三角網(wǎng)格僅屬于一個面。若兩個相互鄰接的三角網(wǎng)格的法矢相同，則兩個三角網(wǎng)格屬于同一個平面；對于圓柱面、錐面和自由曲面，給定一個E>Q若兩個相互鄰接的

18、三角網(wǎng)格的法矢夾角小于 E，則認為這兩個三角網(wǎng)格屬于同一個圓柱面、錐面或自由曲面。|(2) 對于一個面內(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三角網(wǎng)格。若一個三角網(wǎng)格的某條邊僅屬于一個三角網(wǎng)格，則這個邊是邊界邊，否則為內(nèi)邊；然后對邊界邊進行合并，若兩個相互鄰接的邊界邊法矢相同，則兩個邊界邊屬于同一條直線；對于弧線和自由曲線，給定一個E >0,若兩個相互鄰接的邊界邊的法矢夾角小于E，則認為這兩個邊界邊屬于同一弧線或自由曲線。(3) 構成邊界邊的兩個頂點為邊界點。其中，E與輕量化模型的轉化精度有關，精度越高，表面三角剖分越細， E越小；反之，精度越低，E越大。對于中等精度的輕量化

19、模型， 取 E =0.1 rad。3.1.2基于輕量化模型的拓撲信息構建為有效提取制造特征，定義面之間的約束關系Ci，其中：(1)式中:分別表示面之間的垂直、平行、凸鄰接、凹鄰接、相切鄰接、同軸、共面和陣列關系。面之間的約束關系可以分為鄰接關系和非鄰接關系，一條邊唯一確定兩個面之間的鄰接關系，將鄰接關系記為cum*，它表示面fm與面fn通過邊lj以方式Ci進行約束，其中,對于面之間的平行、垂直和同軸關系比較容易判別，文獻給出一個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ni，nj分別為面fi ，fj的法向量fi和fj通過邊Ik鄰接，判斷面fi 和面fj之間鄰接關系的方法如下：

20、(1) 首先確定邊Ik相對于面fi的方向。沿著邊Ik的某一方向，若面fi在邊Ik的左側， 則該方向為邊Ik。相對于面fi的方向，并記該方向向量為 計算兩個面法向量ni和nj的叉積，并記v=ni x nj。需要注意的是，若方向向量是相對于面fi的，則計算叉積的第一個操作數(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；若兩個向量 的叉積v為0，則兩個面為相切鄰接。.wor s圖4.面之間的鄰接關系根據(jù)上述判別方法，可以確定圖4中各個面之間的鄰接關系。例如，面fl和面f2之間 的鄰接關系可以表示為，|g（m），面f2和面f3之間的鄰

21、接關系可以表示為Cg （ It t （/z 甲人），面f2和面f4之間的鄰接關系可以表示為3.2制造特征提取一個零件可以認為由若干個制造特征和非制造特征（鑄造圓角、工藝凸臺）組成。因此，可以將一個零件表示為Part = Q U(門列IM JU 心 R八1jH 1I式中:Q表示零件的總體信息；表示第i個制造特征；表示第j個非制造特征;Rk表示特征之間的約束關系，R. RfR =»rhild >式中：Rparent和Rchild分別表示特征之間的父約束和子約束。例如，一個平面特征 上面有一個通孔特征，則平面特征是通孔特征的父特征，通孔特征是平面特征的子特征。制造特征包括形狀特征、特

22、征的工藝信息和加工方法，因此單個制造特征可以表示為FT = U(U I? U <Ul2 1式中:表示該制造特征的形狀特征；lj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。形狀特征可以用構成該形狀特征的面集合以及這些面之間的約束關系來表示:(5)IMIIr = <u /)> u(U an1式中：fj表示組成該形狀特征的一個面;Ck表示這些面之間的約束關系, C * C 1 « Opcrp 1* Qp* * Cco、Cg訶，Ccnhcr制造特征提取實際上是對制造特征形狀特征的識別，通過與預先定義的形狀特征進行比較，提取出零件的制造特征。制

23、造特征提取算法描述如下：(1)確定相鄰表面間的約束關系。通過上述表面間鄰接關系判別方法，遍歷零件的所有 邊，確定表面間的鄰接關系，并將表面問的鄰接關系存儲在二元組中。(2) 確定不相鄰表面間的約束關系。不相鄰表面間的約束關系主要有平行、同軸和共面 約束。若兩個不相鄰表面的法矢相同或相反，且兩表面問兩個頂點連線所形成的向量與面的法向量的點積不為零，則兩表面為平行約束，否則為共面約束；若兩個不相鄰表面具有公共的軸線，則為同軸約束。|(3) 將表面間的約束關系與預先定義的制造特征模板進行比較，識別出所有的制造特征。識別過程中，對于有歧義的特征需要用戶交互操作。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)確定制造特征之間的約束關