轻量化显示三维工艺模型技术

赵庆

摘要：本文提出一种能快速显示、浏览产品三维模型轻量化文件格式，文件中包含零件显示信息和几何信息。主要是将三维软件设计的数模通过非几何信息过滤，曲面曲线简化，数据重构，编码压缩等一系列步骤将其轻量化，之后对轻量化的3DXML文件进行编码，使之进行自动重构，最后通过Dassault Systemes中的3DXML Player浏览器显示出来。因此，文件大小通过数据压缩大幅度地减小，便于在网上发布。

关键词：三维，工艺模型，轻量化，显示

0 前言

随着科技发展，通过计算机辅助工程CAE技术的应用，三维CAD正逐渐取代二维CAD而成为主流设计工具。三维建模、分析、仿真、优化等过程产生大量的数据，而这些数据在网络上传输时间较长、可靠性较差、保密性较差。各个企业所用的三维 CAD系统有所不同，从而交流不便，效率低下。因此，产品数据模型轻量化技术已经引起许多专家及相关的软件供应商的重视。

针对这些问题，本文分析介绍当前三维数据模型信息交换中存在的问题，简述三维模型轻量化技术，并对部分关键技术进行讨论，最后实例演示。

1 当前三维数据模型信息交换中存在的问题

目前三维数据模型数据交换主要有直接三维模型数据交换、中性几何文件格式数据交换和中性显示模型数据交换这三种。

直接三维模型数据交换的交换原则：它要求数据接收方使用相同的3维CAD系统或使用第三方浏览器（如AutoVue、3Dview、Spinfire等），实现产品模型浏览。优点：没有数据损失。缺点：安全保密性差、显示速度慢，网络上传输困难。

中性几何文件格式数据交换的交换原则：利用IGES、STEP、ACIS和Parasolid等中性文件格式作为数据交换的媒介。优点：保留了精确描述零件形状的三维几何和拓扑信息，可实现异构CAD系统间的数据交换。缺点：打开文件需要相当长的时间;数据交换方式不够稳定;存在数据冗余问题。

中性显示模型数据交换的原则：采用三角面片来近似表示零件的几何形状是一种非精确的产品模型表示方式。优点：可快速浏览三维模型。缺点：没有几何信息;文件中没有零件几何表面的概念;没有装配零件结构关系;文件没有压缩，数据量大。

因此，我们提出一种新的三维模型轻量化解决方法，用于实现三维数据模型的快速浏览，从而解决的如下一些问题：

1）能够将三维模型的装配结构关系和零件的几何拓扑信息表现出来，并能支持对零件表面属性修改;

2）包含模型显示数据与几何数据，可实现快速浏览零件;

3）消除装配体中的数据冗余问题，并对模型件进行数据压缩，以尽可能小的文件表示零件模型，方便在网络上进行数据交流;

4）支持在轻量化模型上实现三维装配，并在此基础上实现产品的可视化配置功能。

2 三维模型轻量化技术

根据当前的技术，表达产品信息的核心媒介——三维模型，要在网络上快速发布和传递，就需要对产品三维数据模型进行简化，使数据交换文件变得更小，同时保留几何模型信息，因而采用轻量化的文件来表达和显示结果。

3 轻量化模型显示

轻量化模型的可视化显示是从总产品结构开始，以得到该模型中所有的零件的轻量化模型和子装配，轻量化模型的显示与产品的装配过程比较类似。根据配合关系两两装配，并显示相关的对象（可以是两个零件、一个零件与一个子装配、两个子装配），从而形成新的子装配，再将新生成的子装配与其他零件或子装配再进行装配显示，依次进行。最后的总装配显示将是由一系列的子装配和零件节点构成的二叉树，其中，叶子节点是零件，非叶子节点是子装配。

4 轻量化模型的浏览

在生成轻量化模型文件时，首先从三维系统中读取几何和拓扑信息，并进行三角网格划分;然后将模型中的显示、几何数据利用輕量化文件存储接口保存为轻量化文件。轻量化数据模型文件生成后，要浏览轻量化产品数据，需要为不同的三维CAD软件提供轻量化文件的生成接口，产品数据浏览方式，首先从三维CAD系统生成轻量化文件，然后用轻量化文件专用浏览器进行数据浏览。

5 应用实例

三维数据模型建立后，利用三维CAD软件的轻量化文件生成接口，包括SolidWorks、SolidEdge、Pro/E、CATIA、UG和Inventor这6大CAD系统，得到轻量化3DXML文件后，达索软件基本都可以实现无缝集成，所以利用达索的3DXML player三维浏览器进行浏览（如图1）。CATIA轻量化文件生成接口及三维浏览器已在国内大型航空制造企业投入使用，并实现了与产品数据管理系统PDM的完全集成。

图1所示为某民机货舱门的装配模型，是从CATIA V5R18中生成的轻量化模型，对数模三角化，其中边离散和面离散精度与模型大小有关，精度越高，模型的文件越大。该零件共有48个零件，在3DXML Player浏览器中打开需要5s，在CATIA中打开需要40s。CATIA模型文件74MB，SAT文件160MB，VRML文件16MB，而3DXML文件仅4MB，对比该产品生成的轻量化文件与其他文件格式的大小，可以得出，轻量化文件大小平均约为源文件的1/20。

由于设计部门设计的数模，在装配过程中的顺序与制造部门所采用的装配顺序产生分歧，为了提高制造企业的生产效率，对设计好的三维轻量化模型文件进行编码，使其进行自动重构，从而改变产品的装配顺序，提高了效率。

参考文献：

[1]王启富等，协同产品开发中的产品模型轻量化技术[J]， 计算机辅助设计与图形学学报，2006.1

[2]刘云华等，产品三维数据模型轻量化表示实现[J]，计算机辅助设计与图形学学报，2006.4

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