协同环境中基于轻量化的3D异构CAD模型干涉检查

　　为了解决异构CAD产品模型干涉检查比较困难等问题，提出了一种基于轻量化模型的对异构CAD产品模型进行干涉检查的实现方法，利用轻量化模型的精细度模型，采用分层过滤的方法，实现了快速干涉检查，并对干涉结果从可视化显示和分析报告两方面进行处理，然后将协同设计插件作为设计端与协同设计管理平台(PLM)的中间层，及时把干涉检查结果发布给设计者以便作出修改。该方法已经在商品化的产品设计可视化平台InteVue中得到应用，应用结果表明，其干涉检查结果可以作为模型设计的有效参考。

　　引言

　　随着现代企业产品复杂度和技术含量的提高，单一企业常常受到技术和资源等方面的限制，不能胜任产品开发的全过程，必须进行跨专业、企业、地域的合作以获得整体优化。当前三维模型已成为表达产品信息的核心媒介，在产品模型设计的过程中，各企业根根自身发展需要会选择合适的三维CAD系统，甚至同一企业内部也同时存在多种三维CAD系统，造成了产品模型往往由异构的CAD模型组成，异构CAD模型装配和干涉检查困难。此外，目前由于协同设计管理平台(PLM)在企业中的广泛使用，使得在协同的环境中快速准确地实现异构CAD模型的干涉检查需要解决的问题更多。本文在分析目前解决异构CAD模型干涉检查过程中存在问题的基础上，结合协同设计管理平台，提出一种基于3D轻量化技术异构CAD模型快速干涉检查方法，对该方法的体系结构和干涉检查原理算法等关键技术进行讨论并给出了软件实现和应用实例。

1、异构CAD模型干涉检查问题分析

　　目前异构CAD模型干涉检查方法主要有两种。

　　第一种方法是将异构CAD模型转换为中间几何文件格式(STEP、IGES、SAT 等)，然后在单一的三维系统中完成装配和干涉检查。这种做法存在如下问题：

　　①各三维系统对中间格式的支持标准不尽相同，不同系统生成的中性文件并不一定能在其他系统中正确打开;

　　②中间文件为了保证其通用性，牺牲了模型显示速度，导致中间文件在显示速度上效率很低，尤其是大装配体模型，打开时间长;

　　③各三维系统转换的中间文件的数据可能不一致，在三维系统中装配困难，在此基础上所做的干涉检查的精确性得不到保证。总的来说，这种方式难以适应异构CAD模型快速干涉检查。

　　第二种方法是将异构的CAD模型导入单一的三维系统中，完成装配过程，然后利用三维系统中的干涉检查功能对其进行干涉检查。这种做法存在如下问题：

　　①在单一的三维系统中对异构CAD模型进行干涉检查时，导入异构CAD模型时装配树会丢失，无法准确定位干涉部位;

　　②单一的三维系统对其他三维系统的支持程度有限，不能支持所有的主流三维系统，而且对所支持的三维系统的版本也有限制要求。

　　另外，协同设计管理平台的应用，使设计工作在网络协同的环境下进行，设计完成的模型文件通过协同设计管理系统实现资源共享，在这种情行下，上述两种方法又都会存在以下问题：

　　①对于较大的CAD模型，尤其是中间文件可能比模型的原始文件更大的CAD 模型，网络传输效率低;

　　②原始CAD模型对于设计者是透明的，这使产品数据的安全性得不到保证。

　　针对异构CAD模型干涉检查存在的问题，本文采用一种基于3D轻量化技术的异构CAD模型干涉检查方法进行干涉检查。该方法利用三维模型轻量化技术，首先将异构CAD模型转换为统一的轻量化模型，将异构CAD模型的轻量化模型进行预装配，利用轻量化模型的多次精细度LOD模型，设计一种新的逐层过滤干涉检查算法，最后根据轻量化模型的干涉情况来确定原始异构CAD模型干涉情况。该方法使设计者能够对干涉检查的结果作出很快的响应。设计了一种基于协同设计管理平台PLM 的协同插件，从而能充分利用企业的协同环境实时快速地进行干涉检查。

2、异构CAD模型干涉检查

　　2.1、异构CAD模型轻量化和装配

　　要对异构CAD模型进行干涉检查，首先需要对其进行同构处理，即将异构CAD模型转换成统一格式的轻量化模型。本文所采用的轻量化实现方法是笔者前期对产品模型轻量化进行研究的成果。该方法中多层次三维几何模型轻量化表示的文件结构关系如图1所示，借鉴当前三维平台中将装配文件与零件分开的做法，用不的文件记录装配信息、零件显示和几何信息。将显示信息和几何信息关联起来，既可快速显示，还保留了零件的几何和拓扑信息。

图1　轻量化文件数据结构

　　装配结构信息包括子零部件的数量、名称、相对位置、配合关系，以及零件几何显示属性等。零件列表记录零件信息，零件列表中的零件不直接显示，根据其在不同装配下的引用生成一个显示实例，然后利用该零件在装配体下的变换矩阵实现在整个装配模型的正确显示。零件数据包括显示数据和几何数据。显示数据利用三角面片来实现，模型显示数据包括三角化面、三角化边和点信息。三角化面和三角化边实际上是对几何模型中的面和边进行三角化之后的结果。三角化面和三角化边以几何模型中的面和边为单位进行组织，实现显示数据与零件几何数据的一一对应，有利于在图形区进行交互选择和显示。利用另外一个链表来记录与三角化面和三角化线对应的几何信息。面几何信息包含了对构成面边界的三角化边的引用，在边的几何信息中记录了边端点的引用。这样就将零件的显示信息和几何信息关联起来，形成零件完整的几何拓扑结构，既可快速显示零件的几何模型，还保留了零件的几何和拓扑信息。采用该轻量化模型作为异构CAD模型干涉检查的实际处理对象，有以下优点：

　　①该轻量化模型支持多精细度LOD模型，是本文干涉检查算法原理的基础;

　　②轻量化文件大小一般为原模型的1/50到1/10之间，网络传输方便;

　　③文件数据结构也可以使原始模型的装配树保留，既有利于干涉检查的计算，又可在结果处理中准确定位干涉项;④文件数据中的显示信息和几何信息，保证了干涉检查计算过程中精确的几何数据，显示信息使干涉检查结果能进行可视化处理。

　　本文对异构CAD模型装配的解决方法，采用了三维模型常用的自顶向下的建模方法。以汽车模型设计为例，首先构建整车骨架模型，其中包括定义整车各零部件的基准坐标系、约束关系等，然后把相关骨架模型和设计文档提交到协同设计管理平台PLM 中。各汽车零部件设计者根据实际需要选择合适的三维平台，并在骨架模型和相关设计文档的整体框架下初始化零件的基准坐标系等，完成零件设计，然后将各异构三维模型生成轻量化模型，提交到PLM 管理系统中。要对异构CAD模型进行干涉检查，首先从PLM 中获得相关异构CAD模型的轻量化模型，因为各模型的装配约束关系在骨架模型中已定义，所以将轻量化模型按其自身的绝对坐标放置，即完成了模型装配。

4、结束语

　　本文提出的干涉检查方法较好地解决了异构CAD模型干涉检查时存在的问题。将该方法应用到可视化设计平台InteVue中，成功地实现了干涉检查的功能。在国内某汽车制造企业的实际应用表明，该干涉检查方法可以帮助设计人员及时发现产品设计上的缺陷，降低了设计成本，提高了设计效率。