0 引言

    隨著現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品復(fù)雜度和技術(shù)含量的提高，單一企業(yè)常常受到技術(shù)和資源等方面的限制，不能勝任產(chǎn)品開發(fā)的全過程，必須進(jìn)行跨專業(yè)、企業(yè)、地域的合作以獲得整體優(yōu)化。當(dāng)前三維模型已成為表達(dá)產(chǎn)品信息的核心媒介，在產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)的過程中，各企業(yè)根根自身發(fā)展需要會(huì)選擇合適的三維CAD系統(tǒng)，甚至同一企業(yè)內(nèi)部也同時(shí)存在多種三維CAD系統(tǒng)，造成了產(chǎn)品模型往往由異構(gòu)的CAD模型組成，異構(gòu)CAD模型裝配和干涉檢查困難。此外，目前由于協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)(PLM)在企業(yè)中的廣泛使用，使得在協(xié)同的環(huán)境中快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD模型的干涉檢查需要解決的問題更多。本文在分析目前解決異構(gòu)CAD模型干涉檢查過程中存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，提出一種基于3D輕量化技術(shù)異構(gòu)CAD模型快速干涉檢查方法，對該方法的體系結(jié)構(gòu)和干涉檢查原理算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論并給出了軟件實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用實(shí)例。

1 異構(gòu)CAD模型干涉檢查問題分析

    目前異構(gòu)CAD模型干涉檢查方法主要有兩種，第一種方法是將異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換為中間幾何文件格式(STEP、IGES、SAT等)，然后在單一的三維系統(tǒng)中完成裝配和干涉檢查。這種做法存在如下問題：①各三維系統(tǒng)對中間格式的支持標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，不同系統(tǒng)生成的中性文件并不一定能在其他系統(tǒng)中正確打開；②中間文件為了保證其通用性，犧牲了模型顯示速度，導(dǎo)致中間文件在顯示速度上效率很低，尤其是大裝配體模型，打開時(shí)間長；③各三維系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的中間文件的數(shù)據(jù)可能不一致，在三維系統(tǒng)中裝配困難，在此基礎(chǔ)上所做的干涉檢查的精確性得不到保證。總的來說，這種方式難以適應(yīng)異構(gòu)CAD模型快速干涉檢查。第二種方法是將異構(gòu)的cAD模型導(dǎo)入單一的三維系統(tǒng)中，完成裝配過程，然后利用三維系統(tǒng)中的干涉檢查功能對其進(jìn)行干涉檢查。這種做法存在如下問題：①在單一的三維系統(tǒng)中對異構(gòu)CAD模型進(jìn)行干涉檢查時(shí)，導(dǎo)入異構(gòu)CAD模型時(shí)裝配樹會(huì)丟失，無法準(zhǔn)確定位干涉部位；②單一的三維系統(tǒng)對其他三維系統(tǒng)的支持程度有限，不能支持所有的主流三維系統(tǒng)，而且對所支持的三維系統(tǒng)的版本也有限制要求。另外，協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)工作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)計(jì)完成的模型文件通過協(xié)同設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源共享，在這種情行下，上述兩種方法又都會(huì)存在以下問題：①對于較大的CAD模型，尤其是中間文件可能比模型的原始文件更大的CAD模型，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低；②原始CAD模型對于設(shè)計(jì)者是透明的，這使產(chǎn)品數(shù)據(jù)的安全性得不到保證。

    針對異構(gòu)CAD模型干涉檢查存在的問題，本文采用一種基于3D輕量化技術(shù)的異構(gòu)CAD模型干涉檢查方法進(jìn)行干涉檢查。該方法利用三維模型輕量化技術(shù)，首先將異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的輕量化模型，將異構(gòu)CAD模型的輕量化模型進(jìn)行預(yù)裝配，利用輕量化模型的多層次精細(xì)度LOD模型，設(shè)計(jì)一種新的逐層過濾干涉檢查算法，最后根據(jù)輕量化模型的干涉情況來確定原始異構(gòu)CAD模型干涉情況。該方法使設(shè)計(jì)者能夠?qū)Ω缮鏅z查的結(jié)果作出很快的響應(yīng)。設(shè)計(jì)了一種基于協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)PI。M的協(xié)同插件，從而能充分利用企業(yè)的協(xié)同環(huán)境實(shí)時(shí)快速地進(jìn)行干涉檢查。

2 異構(gòu)CAD模型干涉檢查

2．1 異構(gòu)CAD模型輕量化和裝配

    要對異構(gòu)CAD模型進(jìn)行干涉檢查，首先需要對其進(jìn)行同構(gòu)處理，即將異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式的輕量化模型。本文所采用的輕量化實(shí)現(xiàn)方法是筆者前期對產(chǎn)品模型輕量化進(jìn)行研究的成果。該方法中多層次三維幾何模型輕量化表示的文件結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示，借鑒當(dāng)前三維平臺(tái)中將裝配文件與零件分開的做法，用不同的文件記錄裝配信息、零件顯示和幾何信息。將顯示信息和幾何信息關(guān)聯(lián)起來，既可快速顯示，還保留了零件的幾何和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

    圖1 輕量化文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

    裝配結(jié)構(gòu)信息包括子零部件的數(shù)量、名稱、相對位置、配合關(guān)系，以及零件幾何顯示屬性等。零件列表記錄零件信息，零件列表中的零件不直接顯示，根據(jù)其在不同裝配下的引用生成一個(gè)顯示實(shí)例，然后利用該零件在裝配體下的變換矩陣實(shí)現(xiàn)在整個(gè)裝配模型的正確顯示。零件數(shù)據(jù)包括顯示數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)。顯示數(shù)據(jù)利用三角面片來實(shí)現(xiàn)，模型顯示數(shù)據(jù)包括三角化面、三角化邊和點(diǎn)信息。三角化面和三角化邊實(shí)際上是對幾何模型中的面和邊進(jìn)行三角化之后的結(jié)果。三角化面和三角化邊以幾何模型中的面和邊為單位進(jìn)行組織，實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與零件幾何數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)，有利于在圖形區(qū)進(jìn)行交互選擇和顯示。利用另外一個(gè)鏈表來記錄與三角化面和三角化線對應(yīng)的幾何信息。面幾何信息包含了對構(gòu)成面邊界的三角化邊的引用，在邊的幾何信息中記錄了邊端點(diǎn)的引用。這樣就將零件的顯示信息和幾何信息關(guān)聯(lián)起來，形成零件完整的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可快速顯示零件的幾何模型，還保留了零件的幾何和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

    采用該輕量化模型作為異構(gòu)CAD模型干涉檢查的實(shí)際處理對象，有以下優(yōu)點(diǎn)：①該輕量化模型支持多精細(xì)度LOD模型，是本文干涉檢查算法原理的基礎(chǔ)；②輕量化文件大小一般為原模型的1／50到1／10之間，網(wǎng)絡(luò)傳輸方便；③文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也可以使原始模型的裝配樹保留，既有利于干涉檢查的計(jì)算，又可在結(jié)果處理中準(zhǔn)確定位干涉項(xiàng)；④文件數(shù)據(jù)中的顯示信息和幾何信息，保證了干涉檢查計(jì)算過程中精確的幾何數(shù)據(jù)，顯示信息使干涉檢查結(jié)果能進(jìn)行可視化處理。

    本文對異構(gòu)CAD模型裝配的解決方法，采用了三維模型常用的自頂向下的建模方法。以汽車模型設(shè)計(jì)為例，首先構(gòu)建整車骨架模型，其中包括定義整車各零部件的基準(zhǔn)坐標(biāo)系、約束關(guān)系等，然后把相關(guān)骨架模型和設(shè)計(jì)文檔提交到協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)PLM中。各汽車零部件設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的三維平臺(tái)，并在骨架模型和相關(guān)設(shè)計(jì)文檔的整體框架下初始化零件的基準(zhǔn)坐標(biāo)系等，完成零件設(shè)計(jì)，然后將各異構(gòu)三維模型生成輕量化模型，提交到PLM管理系統(tǒng)中。要對異構(gòu)CAD模型進(jìn)行干涉檢查，首先從PLM中獲得相關(guān)異構(gòu)CAD模型的輕量化模型，因?yàn)楦髂Ｐ偷难b配約束關(guān)系在骨架模型中已定義，所以將輕量化模型按其自身的絕對坐標(biāo)放置，即完成了模型裝配。

2．2 異構(gòu)CAD產(chǎn)品模型干涉檢查原理

    模型干涉通常分為靜態(tài)干涉和動(dòng)態(tài)干涉兩種。靜態(tài)干涉是指模型在空間中的位置是可變化的，但不隨時(shí)間變化；動(dòng)態(tài)干涉與時(shí)間相關(guān)，即物體在空問中的位置是隨時(shí)間變化的。干涉檢查也分為靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查兩種。本文研究異構(gòu)CAD模型的干涉檢查，要求輕量化模型在空間中的位置是可變化的，即裝配零部件的構(gòu)尺寸可更改，但模型在裝配空間中的位置并不隨時(shí)間而變化，所以本文討論的重點(diǎn)是靜態(tài)干涉檢查。目前常見的干涉檢查算法及存在的問題如表1所示。

    表1 常見的干涉檢查算法及存在的問題

    本文在包圍盒干涉檢查算法的基礎(chǔ)上結(jié)合輕量化模型的LOD模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出一種逐層過濾可變精度快速干涉檢查的方法，并利用可視化技術(shù)對干涉檢查結(jié)果進(jìn)行處理，其干涉檢查基本流程圖如圖2所示。

    圖2 干涉檢查流程圖

    采用的輕量化模型所支持LOD模型的三級顯示分別為零件的包圍盒、面包圍盒以及實(shí)際的面的三角面片模型。兩部件發(fā)生干涉的必要條件是它們的包容盒相交，本文干涉檢查方法的基本思想是通過LOD模型的三級顯示模型來逐層過濾發(fā)生干涉的對象，最大限度地用定性干涉檢查的方法剔除包容盒不相交的部件，盡可能地減少精確干涉檢查的次數(shù)和縮短干涉檢查的時(shí)間。

2．3 異構(gòu)CAD產(chǎn)品模型干涉檢查

2．3．1 初步干涉檢查

    干涉檢查的過程是干涉集逐漸縮小的過程。初步干涉檢查時(shí)，在裝配體的各級子零部件集中利用零部件包圍盒來定性地剔除不相交的零部件，逐步縮小干涉集。初步干涉檢查得到的結(jié)果為干涉零件對。以對裝配中的零部件P進(jìn)行初步干涉檢查為例說明本文方法。記總裝配體為A00，其子裝配層為押。

    算法1：

2．3．2 二次干涉檢查

    二次干涉檢查是對初步干涉檢查的結(jié)果作進(jìn)一步干涉檢查，以縮小干涉集。在該過程中，利用組成零件的面的包圍盒是否相交來定性剔除不相交的零件。本次干涉檢查的結(jié)果為成對的干涉面組成的集合。在D中取干涉零件對(p，a)進(jìn)行分析判斷。

    算法2：

2．3．3 可變精度干涉檢查

    組成輕量化模型的最小粒度為三角面片，在三角面片的顯示粒度上進(jìn)行高精度的干涉檢查，確定最終發(fā)生干涉的位置、性質(zhì)等參數(shù)。在本過程中，可以附加干涉檢查的臨界值，用定義中描述的發(fā)生干涉的條件，判斷干涉類別(軟干涉和硬干涉)。在E中取一對干涉面(f1，f2)，干涉面f1和f2由若干三角面片組成，對其進(jìn)行精確干涉檢查。

    算法3：

    由于Sli記錄了模型上的位置、顏色等參數(shù)，從而能得到發(fā)生干涉的三角面片在模型上的具體位置，也能確定在該位置時(shí)的相交程度以及干涉類型等。另外，可以根據(jù)初始化的臨界值的不同，得到不同干涉程度情況下的檢查結(jié)果，實(shí)現(xiàn)干涉檢查結(jié)果的可定制化。

2．4 干涉結(jié)果的處理

    在干涉檢查完成后，需要對結(jié)果進(jìn)行處理，以便直觀地反饋給產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)者。本文干涉結(jié)果處理的過程也就是對干涉面片集T處理的過程。對干涉結(jié)果的處理包括三個(gè)方面：①選擇性地顯示干涉部位；②生成干涉分析報(bào)告；③干涉分析報(bào)告的發(fā)布。結(jié)合這三方面的處理，形成完整的干涉結(jié)果處理方案，再提交到產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)端以作為模型修改的參考。

    選擇性地顯示干涉部位的處理方式有：①修改干涉部位面片的顏色屬性來突出高亮顯示；②利用調(diào)整各零件的透明度來突出顯示干涉部位。通過這種選擇性可視化處理，用戶可以對干涉有很直觀的認(rèn)識(shí)。生成干涉分析報(bào)告后，就對裝配體干涉的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，按照產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)中零件及其參數(shù)、裝配關(guān)系等具體要求，形成完整的干涉結(jié)果分析報(bào)告。干涉報(bào)告主要包括干涉精度、干涉項(xiàng)列表、零部件的設(shè)計(jì)者、修改時(shí)間、干涉項(xiàng)快照等。利用協(xié)同插件對設(shè)計(jì)端進(jìn)行方便有效的管理，通過建立各零部件與設(shè)計(jì)端的關(guān)聯(lián)關(guān)系，準(zhǔn)確向各設(shè)計(jì)端發(fā)送相關(guān)的干涉報(bào)告，作為返工修改的重要參考依據(jù)。

3 干涉檢查實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用實(shí)例

3．1 異構(gòu)CAD模型干涉檢查實(shí)現(xiàn)

    協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中基于輕量化模型的異構(gòu)CAD模型干涉檢查方法在華中科技大學(xué)CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心開發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可視化平臺(tái)InteVue中得到應(yīng)用，同時(shí)在筆者開發(fā)的基于PLM的協(xié)同插件工具TeamCAD也得到了使用。具體實(shí)現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    圖3 異構(gòu)CAD干涉檢查體系結(jié)構(gòu)

    為了支持目前主流的三維CAD模型輕量化，在輕量化技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了對主流三維平臺(tái)的輕量化文件的生成接口，將異構(gòu)CAD模型生成符合該輕量化格式的輕量化裝配體(．iva)和輕量化零件(．ivp)。協(xié)同設(shè)計(jì)插件是基于協(xié)同平臺(tái)PLM管理系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)插件，與三維CAD系統(tǒng)和虛擬裝配平臺(tái)集成作為CAD端或裝配平臺(tái)與PLM交互的中間層。從圖3可以看出，設(shè)計(jì)端不直接與PLM交互，這樣能使設(shè)計(jì)者可以更專注于模型設(shè)計(jì)、裝配或干涉檢查等工作。另外，通過協(xié)同插件能夠有效地管理干涉檢查結(jié)果，使之合理使用，提高產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

    對異構(gòu)CAD模型干涉檢查的過程如下：

    (1)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)者將產(chǎn)品總體骨架模型的布局模型及相關(guān)設(shè)計(jì)文檔通過協(xié)同插件提交到PLM；

    (2)零部件設(shè)計(jì)者通過協(xié)同插件獲得骨架模型和設(shè)計(jì)文檔來定義零件設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系等，完成設(shè)計(jì)后通過輕量化接口生成輕量化文件，隨原模型文件一同提交到PLM；

    (3)通過協(xié)同插件獲得需要進(jìn)行干涉檢查異構(gòu)CAD的輕量化模型，在產(chǎn)品可視化平臺(tái)InteVue中按零部件的絕對坐標(biāo)顯示，即完成輕量化模型的裝配；

    (4)干涉檢查工具對裝配空間中的輕量化模型進(jìn)行干涉檢查，并處理干涉結(jié)果；

    (5)通過與可視化平臺(tái)集成的協(xié)同插件向發(fā)生干涉CAD模型的設(shè)計(jì)端發(fā)送干涉報(bào)告，設(shè)計(jì)者參考該報(bào)告修正三維模型，然后提交到PLM；

    (6)不斷重復(fù)步驟(3)～(5)，直到異構(gòu)CAD模型符合設(shè)計(jì)要求。

3．2 應(yīng)用實(shí)例

    下面以某汽車車架的三維模型為對象進(jìn)行實(shí)例分析。各設(shè)計(jì)部門在協(xié)同的環(huán)境中采用不同三維系統(tǒng)完成各零部件的設(shè)計(jì)，現(xiàn)對該車架的異構(gòu)CAD模型進(jìn)行干涉檢查。該汽車車架模型由汽車公司提供，輕量化零件已生成，以下主要是驗(yàn)證干涉檢查過程：

    (1)通過與可視化平臺(tái)集成的協(xié)同插件從PLM獲取車架所有零部件的輕量化模型。

    (2)將需要干涉檢查的模型加載到可視化平臺(tái)中，加載顯示了組車架的所有零部件的輕量化模型。

    (3)在干涉精度為0．5cm下，對整個(gè)車架裝配體進(jìn)行干涉檢查時(shí)，共產(chǎn)生692處干涉。操作中也可以選中某個(gè)零部件，然后對其進(jìn)行干涉檢查，找出在當(dāng)前的裝配環(huán)境中，與其發(fā)生干涉的零部件。

    對干涉結(jié)果的處理在顯示屬性方面有以下幾種形式：①加亮顯示干涉項(xiàng)1和干涉項(xiàng)2，如圖4a所示；②非干涉項(xiàng)透明，如圖4b所示；③非干涉項(xiàng)隱藏，如圖4c所示。上述形式可以與“放大干涉零件”疊加使用。另外還能生成干涉檢查分析報(bào)告，對發(fā)生干涉模型的修改提供有效可靠的參考。干涉報(bào)告可根據(jù)具體的要求進(jìn)行定制，如干涉檢查精度只對某一項(xiàng)或幾項(xiàng)進(jìn)行特定的干涉檢查，過濾可以接受的干涉項(xiàng)或不關(guān)注的干涉項(xiàng)，使干涉檢查報(bào)告更具有針對性，效率也更高。

    圖4 對干涉結(jié)果顯示屬性的處理方法

    將所有干涉項(xiàng)的基本信息以相應(yīng)的格式生成文本文件和干涉快照文件夾。通過協(xié)同插件記載每一個(gè)零部件相關(guān)信息，并將該裝配體的干涉檢查報(bào)告發(fā)送給相關(guān)設(shè)計(jì)端，因此設(shè)計(jì)者可以及時(shí)地根據(jù)干涉檢查報(bào)告來修正各自的三維模型。

4 結(jié)束語

    本文提出的干涉檢查方法較好地解決了異構(gòu)CAD模型干涉檢查時(shí)存在的問題。將該方法應(yīng)用到可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)InteVue中，成功地實(shí)現(xiàn)了干涉檢查的功能。在國內(nèi)某汽車制造企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用表明，該干涉檢查方法可以幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的缺陷，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了設(shè)計(jì)效率。

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本文標(biāo)題：協(xié)同環(huán)境中基于輕量化的3D異構(gòu)CAD模型干涉檢查

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