基于Open CASCADE平台的CAD系统开发研究

丁华王忠

(西南科技大学制造科学与工程学院 四川绵阳 621010)

随着科学技术的飞跃发展，CAD/CAM技术在冲压工业中的应用将愈加广泛，而我国目前几乎还没有专用于冲压行业的商用CAD/CAM软件。因而对该领域的CAD/CAM研究仍旧具有十分重要的意义。大部分CAD/CAM软件都是在几何内核的基础上开发的［1］。目前，可用于开发CAD系统的底层几何内核平台有美国Spatial technology公司的ACIS、英国EDS公司的Parasolid平台以及法国Matra Datavision公司的Open CASCADE等。如著名的Auto CAD软件使用的开发平台是ACIS，Unigraphics，Solid Works使用的是 Parasolid［2］。Open CASCADE 作为一款开源开发工具包，因其功能上的全面和强大，在业内也颇受好评，如HeeksCAD，MIDAS FX+等软件均选用Open CASCADE作为开发平台［3］。考虑到开源库在开发研究中具有更大的优越性，故选择Open CASCADE作为底层开发工具。

1 Open CASCADE平台

1.1 Open CASCADE 平台简介

Open CASCADE是一款功能强大的软件开发平台，它包括3D曲面和实体建模组件、可视化组件、数据交换组件和适合快速开发的应用程序开发框架(OCAF－Open CASCADE Application Framework)。Open CASCADE技术可以用于数字仿真软件的开发，包括CAD，CAM，CAE，PDM 等应用程序。该技术是20世纪90年代中期出现的，已经被许多不同领域的商业客户用来开发自己的软件产品。

Open CASCADE提供了一个巨大的类库，可以帮助用户进行快速开发。类库实际上就是几何内核，定义了图形数据的存储格式以及大量的图形算法，包含了许多方便快速设计面向对象的功能类。基于Open CASCADE的应用程序可以开发处理二维、三维几何模型等其他目的的CAD系统，如:制造、分析应用和仿真应用等。

1.2 Open CASCADE 功能特点

作为一款底层开发平台，Open CASCADE提供了全面而强大的图形运算类、快速开发应用框架OCAF、图形显示操作功能包等［4］。主要功能特点有:(1)支持多系统平台开发。Open CASCADE支持Linux，Windows NT和 Sun Solaris等 3种操作系统［5］。(2)提供快速软件应用框架，简化用户CAD应用的开发［6］。(3)提供基于建模数据分离可视化操作服务，便于图形显示的选择和管理。(4)使用Open CASCADE平台独有的组件定义语言(CDLComponent Definition Language)，既方便用户使用，又为用户自定义功能开发提供了规范。(5)提供丰富、全面的几何运算功能，主要如下:支持几何实体创建，如创建六面体、柱体、锥体等;支持自由曲面造型，如Bezier曲面、NURBS曲面等;支持几何实体布尔操作，提供与、或、交集运算;支持基于特征的几何运算，如倒角、偏置、脱壳、拔模等;支持常用几何运算，如求相贯线、投影、曲面缝合等。

1.3 Open CASCADE 几何类库

Open CASCADE提供了由大量C++类文件构成的几何类库［7］，不仅功能丰富，而且便于使用和开发。功能相关的类被组织成包，相关的包被归类成不同的模块。Open CASCADE类库共包括六大模块［8］，如表 1 所示。

表1 类库的模块和功能Table 1 Class library modules and their functions

在六大类模块中，与CAD系统几何功能开发和数据处理关系尤为密切的模块为基础类、造型数据类、造型算法类以及数据转换类等4个模块。

1.3.1 基础类模块

基础类模块提供一系列基础服务，如定义基本实体类型、根类、内存管理、异常处理、数组操作、数据文件保存基础服务等。例如gp_Pnt类定义几何点，gp_Dir类定义空间向量，TColgp_Array2OfPnt定义一维点数组，gp_Ax3定义三维坐标系，Materials_Color定义颜色属性等等。

1.3.2 造型数据类模块

该模块提供了各类二维、三维几何模型的数据结构定义。其中Geom2d类包集合了各种二维模型数据结构类，每种数据类名前冠以前缀Geom2d_，如Geom2d_BSplineCurve表示二维B样条曲线;Geom类包中集合了各种三维模型数据结构类，每种数据类名前冠以前缀Geom_，如Geom_Curve定义了三维曲线，并提供各种相应的运算方法，包括求参数空间值范围、曲线连续性、周期性等运算，其子类涵盖圆锥、Bezier、B样条、剪裁线等各种类型曲线;Geom_Surface类及其子类则定义了各种类型的空间曲面及相关运算方法;TopoDS_Shape类及其子类则定义了各种拓扑数据结构和运算方法。

1.3.3 造型算法类模块

造型算法类模块集合了大量的用于建模和几何运算的逻辑算法类，按功能主要分为以下几个部分:(1)几何工具。提供二维曲线之间、三维曲线与曲面以及曲面与曲面之间的求交运算，点到曲线、点到曲面及曲线到曲面的投影计算，各类曲线、曲面基于约束的构造运算，曲线、曲面的插值运算等。主要类文件集中在 TKGeomAlgo，GeomAPI，GeomInt等类包中。(2)拓扑工具。提供拓扑型体局部和全局特性定义、几何变换操作以及拓扑型体到NURBS几何表达的转换等运算。主要类文件集中在BRepBuilderAPI，GeomConvert，MAT 等类包中。(3)基本几何构造。主要包括棱柱体、圆柱体、圆锥体和圆环体等拓扑模型的构造。该部分功能主要位于BRepPrimAPI类包中。(4)特征运算。提供基于已有拓扑型体上的形状和机械特征运算，如增加圆柱体、拔模、拉伸、特征旋转、管体等。主要的类包有BRep-Fill，BRepFeat，LocOpe等。(5)其他运算。造型算法模块还提供有布尔操作、消除隐藏线、偏置面、脱壳、缝合、扫略、拓扑型体修补等运算。主要包括BRepAlgoAPI，HLRBRep，BRepOffsetAPI，ShapeFix 等类包。

1.3.4 数据转换类模块

该模块为基于Open CASCADE平台的软件与各种其他CAD软件之间的数据交换提供了转换接口，确保软件具有较好的协同工作能力。能够实现对 IGES，STEP，STL，VRML等通用数据格式的兼容和相互转换［9］。

2 三维CAD系统的开发

基于Open CASCADE平台的CAD系统采用Visual Studio 2010编程平台和C++编程语言来开发。软件实现分为可视化界面搭建和CAD基础功能开发两个部分。

2.1 可视化界面开发

软件框架和可视化窗口为用户使用软件提供了方便和直观感受，是CAD系统很重要的一部分。Open CASCADE提供了MFC和Qt两款GUI应用范例，可以直接作为软件可视化开发基础。Qt是一款基于C++程序设计语言的开源图形用户界面开发框架，它具有优越的图形视觉效果、丰富的应用接口、良好的封装性和可扩展性，支持跨平台开发。因此，选用Qt作为可视化界面开发框架具有较好的可操作性。

在开发过程中，当程序调用了类库的功能，就应该将相应的库文件连接到工程属性的附加依赖项中。可视化界面框架开发的部分重要原代码如下:

在可视化图形界面开发的过程中，还会用到几个重要的类。可视化模块的类AIS_InteractiveContext，V3d_View用来控制几何对象的显示模式、状态、控制图形视窗的尺寸，基础模块中的Quantity_Color用来设置几何模型的显示颜色。创建后的软件界面如图1所示。

图1 软件可视化界面Fig.1 Software GUI

2.2 基本几何功能开发

基本几何功能是CAD软件的核心模块，它提供了必要的几何模型生成和几何运算操作。通过Open CASCADE类库所提供的相关类和函数不仅能够建立各种几何形状，还可以对这些几何模型进行布尔运算、求相贯线以及投影等基本运算操作。

2.2.1 输入输出(IO)设计

IO接口可以使不同CAD/CAM软件之间进行数据交换，为软件间的协同工作提供可能。Open CASCADE在数据交换功能模块提供了对STEP，IGES，STL，VRML等通用标准数据格式的输入输出支持及各数据格式之间的转换功能。

数据转换模块中，类IGESCAFControl_Reader，IGESCAFControl_Writer用于IGES文件和 Open CASCADE模型之间的转换［10］，实现 CAD系统对IGES格式数据文件的输入输出功能;STEPCAFControl_Reader，STEPCAFControl_Writer类则用于实现STEP数据与Open CASCADE模型之间的转换，实现CAD软件对STEP格式数据文件的输入输出功能;类StlAPI_Reader和StlAPI_Writer用于实现STL数据与OCC模型之间的转换，实现CAD软件对STL格式数据文件的输入输出功能。

此外，类BRepTools中的Read和Write函数可以实现对BREP格式数据的输入输出;类VrmlAPI_Writer可以实现OCC模型数据向VRML数据格式的转换。

2.2.2 构造功能开发

Open CASCADE提供了非常丰富的几何构造功能类，用于实现不同类型的曲线、曲面构造功能。例如，类包 Geom，GC，gce，GeomAPI，BRepPrimAPI 提供了数10种几何构造功能函数。下面是部分构造类使用介绍:

类 Geom_Circle，GC_MakeCircle，gce_MakeCirc均可用于绘制圆;Geom_Hyperbola，GC_MakeHyperbola用于绘制双曲线;Geom_OffsetCurve用于绘制偏置于某一曲线一定距离的偏置曲线;Geom_TrimmedCurve用于绘制某一曲线的特定参数区域的一段剪裁曲线;Geom_BezierCurve，Geom_BezierCurve分别用于绘制 Bezier曲线，曲面;Geom_BsplineCurve，Geom_BSplineSurface则分别用于绘制有理B样条曲线曲面;GeomAPI_PointsToBSpline用于离散点拟合B样条曲面;BRepPrimAPI_MakeBox用于创建箱体。

例如，可以用类GeomAPI_PointsToBSpline提供的功能构建一个B样条曲面:

TColgp_Array2OfPnt＆Points;//用于构建B样条曲面的型值点

GeomAPI_PointsToBSplineSurface

*PntToBSurf=new

GeomAPI_PointsToBSplineSurface();//定义一个GeomAPI_PointsToBSplineSurface类型指针

PntToBSurf－ ＞ Interpolate(Points);//将型值点赋给PntToBSurf进行拟合运算

Handle(Geom_BSplineSurface)BSurf=Pnt-ToBSurf－＞Surface();//构建出一个 B样条曲面BSurf

图2所示即为用上述方法构造出的一个B样条曲面。

此外，该部分还进行了扫略曲面、旋转曲面等功能的开发工作。图3为曲线曲面构造功能应用的几个实例。

图2 构造B样条曲面Fig.2 Modeling of B－spline surface

图3 几何建模应用实例Fig.3 The examples of geometry modeling

2.2.3 几何运算功能开发

几何运算功能主要是基于几何实体的运算操作，也是CAD软件不可或缺的功能模块之一。Open CASCADE也提供许多功能类用于实现几何运算操作，比如求交、投影等。以下是对部分几何运算类的开发使用介绍:

GeomAPI_IntCS，GeomAPI_IntSS用来实现曲线与曲面之间以及曲面与曲面之间的求交运算，可以得到交点或者交线;GeomAPI_ProjectPointOnC_urve，GeomAPI_ProjectPointOnSurf可以用来计算点到曲面以及点到曲面的投影运算，得到相应的投影点;类BRepAlgoAPI_BooleanOperation及其子类提供了几何体间的与集、或集、交集等布尔运算功能;BRep-FilletAPI_MakeFillet，BRepFilletAPI_Ma_keChamfer提供了倒直角和倒圆角功能;gp_Trsf提供了旋转、镜像、缩放、比例变换等功能。类Rep_Tool可以用于实现不同数据类型之间的转换操作。

图4所示，为几何运算功能的几个应用实例。通过对几何功能模块以及可视化界面的集成和优化，完成CAD软件的整体开发。图5为通过该方法开发出的CAD系统的部分应用实例，上图为使用旋转、双线性曲面等三维构造功能生成的导弹模型，下图为使用旋转、倒角等三维造型和求余布尔运算等功能绘制的阶梯轴零件。

图4 几何运算应用实例Fig.4 The examples of geometric algorithms

图5 应用实例Fig.5 Application demonstrations

3 结论

本文基于开源几何内核库Open CASCADE，主要做了以下几点研究:(1)研究了该开源几何内核库的体系结构、功能特点以及功能库的使用方法;(2)探讨了基于该平台开发CAD软件的一般方法和重要步骤，并着重介绍了标准数据格式文件的输入输出、三维几何模型的构建、求交和投影等几何运算等功能实现，为同类开发提供了参考;(3)通过VC++编程开发了一款CAD软件，使用该软件可以实现复杂几何模型的构建、图形显示、输入输出等功能，验证了基于该平台开发CAD系统的可行性。

［1］郑盈盈，周来水，孙金虎.基于Open CASADE的 DXF接口研究［J］.中国制造业信息化，2010，(1):45－47.

［2］苑国强，张渊.采用open CASCADE的三维建模平台的开发研究［J］.工程图学学报，2008，(4):146－149.

［3］Open CASCADE TECKNOLOGY.Screenshots［EB/OL］.http://www.opencascade.org/showroom/screenshots，2013.

［4］王玥，付梅艳，陈再高，等.用于全电磁粒子模拟的复杂建模及网格生成技术［J］.强激光与粒子束，2011，23(11):2994－2996.

［5］马铁利.机械CAD几何建模核心技术及其发展趋势［J］.计算机工程，2003，(11):2－3.

［6］Open CASCADE TECKNOLOGY.Object Libraries Application Framework User’s Guide［EB/OL］.http://www.opencascade.org，2013.

［7］MOUNIR H，NIZAR A，ABDELMAJID B.CAD model simplification using a removing details and merging faces technique for a FEM simulation［J］.Journal of Mechanical ScienceandTechnology ，2012，26(11):3539－3548.

［8］李绍珍，张渊.基于Open CASCADE的虚拟三维建模平台的开发研究［J］.第一届中国图形大会，2007，(8):267－268.

［9］张渊.基于Open CASCADE的虚拟三维建模平台的开发［M］.济南:山东大学，2007.61－62.

［10］陈宏宇，刘子建，艾彦迪.基于Open CASCADE的“一元四体”模型实现技术研究［J］.计算机工程与应用，2012，34(3):102 －104.