基于XML的CAD系统和虚拟装配系统之间的数据转换

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机械设计与制造　

一

４６一　

●Ｏ●Ｏ●Ｏ

Ｍａｃｈｉｎｅｒｖ　Ｄｅｓｉｇｎ　＆　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　

●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ●Ｏ　．．０．．０．．．ｏ‘．０．．０．．０　

第１１期　

２００６年１　１月　

文章编号：ｌＯＯ１—３９９７（２Ｏ０６）１１—００４６—０３　

基于ＸＭＬ的ＣＡＤ系统和虚拟装配系统之闻的数据转换　

杨洪君　宁汝新郑轶（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京１０００８１）　

Ｄａｔａ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　ＣＡＤ　ｔｏ　ｖｉｒｔｕａｌ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＸＭＬ　

ＹＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｊｕｎ，ＮＩＮＧ　Ｒｕ—ｘｉｎ，ＺＨＥＮＧ　Ｙｉ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００８　１，Ｃｈｉｎａ）　

。。。‘。。。。。　。‘。。。　‘。’。‘。　。‘。　。　。　。。。。　。。。。。　。‘。。　‘。’。　。‘ｏ。ｏ　。‘ｏ‘ｏ　ｏ’。‘。　ｏ’ｏ．。．。　、　

【摘要】针对计算机辅助设计系统和虚拟装配系统之间的模型转换问题，提出了基于特征的统５　

一

的产品层次信息模型，采用ＸＭＬ中性文档和三角面片模型文件，通过信息分解的方法，分别将在　

产品建模系统中建立的产品层次信息模型中的装配信息和几何拓扑信息与三角面片信息通过数据；　

转换接口转换到虚拟装配系统中，并在虚拟装配系统中通过映射关系进行模型重构，较好地解决了　５　

计算机辅助设计系统和虚拟装配系统之间信息共享的问题，通过实例验证了研究成果的可行性。　｛　

关键词：产品层次模型；计算机辅助设计；虚拟装配；模型转换；可扩展标记语言　｛　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ　ｅｆａｔｕｒｅ—ｂａｓｅｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　

ｍｏｄｅｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｉ。　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｂｅｔｗ口ｅ　ＣＡＤ　ｎｎｄ＂ｉｒｔｕａｆ　ｓｅｍｂＺｙ　ｓｙｓｔｅ，ｎ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｆ　ｉｓ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｉｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ　２　

ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｕｓｉｎｇ　ＸＭＬ—ｂｓａｅｄ　ｎｅｕｒａｌｉｆｌｅ　ａｎｄ　ｔｒｉａｎｇｌｅ　ｐｏｌｙｇｏｎ　ｏｍｄｅｌｉｆｌｅ，ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｉｎｆｏｍｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　２　

ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔａｉｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｅｍｄ　ｉｎｔｏ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｏｚｓｅｍｂｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄａｔａ　２　

ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｍｄｅｌ　ｉｓ　ｒｅ—ｃｏｎｓｔｒｃｕｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍａｐｐｉｎｇ　ｒｅｌａｔｉｏｓｎ　ｂｅｔｗｅｅｎｐｏｌｙｇｏｓｎ　ａｎｄ　２　

ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｅｌｅｅｍｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｅｍｎｔｉｏｎｅｄ　ａｂｏｖｅ　５ｏｌｖｅｓ　ｄａｔａ　ｓｈａｒｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＣＡＤ　ａｎｄ　ｖｉｒｔｕａｌ盼　３　

ｓｅｍｂｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒ　ｖｅｒｆｉｙｉｎｇ￡＾ｅｆｅｓａｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．　３　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ　ｍｏｄｅｌ；ＣＡＤ；Ｖｉｒｔｕａｌ　ａｓｓｅｍｂｌｙ；Ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＸＭＬ　３　

．。．　。　．　。　．　。　．　．　一．　，．．　，．。．。．　。　．．，　一　。　．。．　。　．　。　．　。　．．　，．．　……．　。　．　。　一．。．　。　．　。　．　。　．　。　．。一．　．。．。．。．　。，．　。　．　。　．。．．．　．　。　．　。　．　。　．　。　．　。　．。．。．。．　。　．。．　。　．　。　．．．　．．。，．　

中图分类号：ＴＨ１２２文献标识码：Ａ　

随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展和产品复杂程度的增加。装配　测方面处理简单、计算量小，而且现有的图形硬件大多支持三　

工艺已成为制约先进制造技术发展的薄弱环节。采用基于虚拟　角形绘制的加速，因此，三角面片模型能够很好地满足虚拟现　

现实技术的虚拟装配技术可以在设计阶段就验证零件之间的　

实环境实时性的要求。而ＣＡＤ模型一般采用精确的数学形式表　

配合和可装配性，保证设计的正确性，极大地缩短产品开发周　

达模型的几何信息，这种以数学形式表达的ＣＡＤ几何模型需要　

期和节约开发成本，为提高产品装配工艺水平和装配质量提供　

耗费大量的时间用于模型的显示，难以实现复杂模型的实时交　

一

种新的低成本环境和手段。　

互显示。（２）目前大多数ＣＡＤ环境都提供了面片模型格式输出　

装配建模是虚拟装配的首要任务。虽然现有的虚拟现实软　

能力，因此三角面片模型为虚拟装配系统处理异构ＣＡＤ平台的　

件也具有一定的建模能力，可以建立一些简单的几何形体（如　

零件对象提供了可能，即虚拟装配系统中的零件模型可以来自　

长方体、圆柱体、球体等），但对复杂的零部件，仅依靠虚拟现实　

于不同ＣＡＤ系统。　

软件建模远不能满足要求。目前通用的方法是采用三维计算机　然而，采用三角面片模型进行虚拟装配产品信息表达也存　

辅助设计软件（如ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ和Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ等）进　在着一些不足之处：（１）三角面片模型损失了零件模型的几何信　

行产品建模，然后通过数据转换将模型转换到虚拟环境中。但是　息与拓扑信息。使得设计者在虚拟环境中难以对产品模型进行　

ＣＡＤ系统与虚拟装配环境中描述物体的方法不同，大多的ＣＡＤ　精确的分析；（２）丢失了ＣＡＤ产品信息模型包含的大量工程设　

系统采用参数化实体建模，而在虚拟装配系统中采用三角形面　

计信息。这些信息的丢失，使得虚拟装配系统难以捕捉和维护　

片模型来进行产品信息的表达，它们之间存在着产品数据转换　产品设计意图与产品设计约束等工程信息，同时也为表达与确　

问题。本文提出了面向ＣＡＤ系统和虚拟装配系统统一的产品层　

定零件间的装配关系带来了困难。针对以上问题，我们提出了　

次模型。通过对ＣＡＤ系统二次开发，实现装配建模，并将产品模　

基于特征的统一的产品层次信息模型，在ＣＡＤ系统中建立统一　

型传递到虚拟装配系统中，实现了产品信息得共享。　

的产品模型，通过数据转换将产品模型转换到虚拟装配环境　

１基于特征的统一的产品层次信息模型　

中。实现产品信息共享。　

在虚拟装配系统中采用三角形面片模型来进行产品信息　

基于特征的统一的产品层次模型如图１所示共分为五层：　

的表达，其优点在于“Ｉ：（１）三角面片模型在模型显示和碰撞检　

产品层、零件层、特征层、几何层和三角面片层　１。　

★来稿日期：２００６—０３—２０　

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第ｌ１期　杨洪君等：基于ＸＭＬ的ＣＡＤ系统和虚拟装配系统之间的数据转换　一４７一　

（１）产品层包括产品的属性信息（如管理属性、装配性能　

属性等）、组成该产品的各个零部件以及各个零部件之间的装配　

语义关系。　

（２）零件层以零件为基本节点，零件节点信息包括零件的　

管理属性信息（如标识、名称、类别等）、物理属性信息（如质量、　

材料等）、装配属性信息（如装配语义关系、装配单元对等）。　

（３）特征层以特征为基本节点，特征节点的信息包括特征　

的类型、特征参数、特征精度信息、特征装配信息等，特征层是装　

配信息和几何拓扑信息之间信息映射的桥梁。　

（４）几何面层以特征的几何面为基本节点，描述特征组成　

．

．　

而的精确几何信息；　

（５）面片显示层以三角形面片为基本节点，记录了组成零　

件的各小面片的顶点坐标、顶点法失、面片颜色信息；用于在虚　

拟环境中模型的显示绘制与装配过程中的碰撞检测。　

装配单元问的装配语义关系　

特征问、几何元岽问的约束关系　

…一…：

装配特征中的几何元素之问的装７｛己约束关系　

－－－——　：　配体层与零件层、零件层与特征层、特征层　

与几何层的约束映射　

———　

：

层次问数据映射　

图１统一的产品层次信息模型结构示意图　

２统一的产品模型的信息映射　

统一的产品模型是在ＣＡＤ系统的基础上，进行二次开发而　

建立的。由于ＣＡＤ系统和虚拟装配系统的软件平台不同，因此　

我们采用信息分解法　将在ＣＡＤ系统中建立的产品模型信息　

分解为三角面片信息和装配、几何拓扑信息，通过不同的中性文　

件转换到虚拟装配环境中，转换流程如图２。　

（１）对于三角面片信息，利用ＣＡＤ二次开发功能对ＣＡＤ模　

型进行表面三角面片的拆分，使用类型转换接口将这些面片的　

信息写入虚拟现实文档。在虚拟环境中提取虚拟现实文档的几　

何信息，将所有的三角面片显示出来，即得到显示连续的几何实　

体。　

幽２转换流程图　

（２）对于装配信息和几何拓扑信息，根据本文提出的由装配　

体、零件、特征、面和面片组成的产品五层拓扑结构来组织，利用　

ＣＡＤ系统取出每一层次信息存入五层次拓扑结构，实现拓扑信　

息的转换。　

（３）装配信息、几何拓扑信息和三角面片信息并不是孤立存　

在的，三者之间以五层次拓扑信息为桥梁，相互关联，形成一个　

完整、系统的体系结构。　

２．１三角面片信息的转换　

由于在虚拟装配环境中，零件是可操作的最小单元，因此三　

角面片模型是以零件为单位输出的，本文通过在ＣＡＤ系统中二　

次开发类型转换接口，输出ＳＴＬ、Ｒｅｎｄｅｒ、ＶＲＭＬ等格式的三角面　

片模型文件。　

２．２装配信息、几何拓扑信息的转换　

对于装配信息和几何拓扑信息，本文采用ＸＭＬ文件格式来　

进行信息转换。扩展标记语言（ｅＸｔｅｎｓｉｂｌｅ　Ｍａｒｋｕｐ　Ｌａｎｇｕａｇｅ，　

ＸＭＬ）是为满足万维网应用扩展而建立的新国际标准，是标准通　

用标记语言（Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　Ｍａｒｋｕｐ　Ｌａｎｇｕａｇｅ，ＳＧＭＬ）的一　

个子集　】，是一种高效、简单且具有高度开放性、兼容和跨平台　

性能的数据存储和数据交换标准，它的优点主要有：①可扩展　

ｔＯ－＂。ＸＭＬ允许用户创建自己的ＤＴＤ或者Ｓｃｈｅｍａ，有效地创建可　

被用于多种应用的可扩展的标志集。②灵活性。ＸＭＬ提供了一　

种结构化的数据表示方式，使得用户数据与结构分离，不仅能够　

传送数据信息本身，而且能够传递数据结构（相互关系）。ＣＡＤ　

系统与虚拟装配系统之间交换的装配信息和几何拓扑信息具有　

层次化结构，ＸＭＬ表示层次结构具有天然的优越性。③自描述　

性。ＸＭＬ文档一般会包含文档类型声明，因此ＸＭＬ语言是自描　

述性的。ＸＭＩ　独立于具体的操作平台和应用系统，具有很强的　

可重用性。由于ＸＭＬ具有如此多的优点，因此我们选择ＸＭＬ作　

为中间格式实现ＣＡＤ系统与虚拟装配系统之间的数据交换。　

对应产品层次信息模型，描述产品装配信息和几何拓扑信　

息的ＸＭＬ文件也分为四个层次结构，ＸＭＬ文件结构如下：　

（装配体＞　

（装配体属性信息＞……＜／装配体属性信息＞　

＜装配体性能特征）……＜／装配体性能特征＞　

（装配单元＞　

（零件＞　

＜零件面片信息文件名＞……（／零件面片信息文件名＞　

＜零件属性信息＞……＜／零件属性信息＞　

（零件特征信息）　

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Ｎｏ．１１　

——

４８——　机械设计与制造　

ＮＯＶ．２００６　

＜特征＞　

（特征名称＞－…・・＜／特征名称＞　

＜特征标识号＞……＜／特征标识号＞　

＜特征参数信息＞……＜／特征参数信息＞　

＜特征几何信息＞……＜／特征几何信息＞　

＜特征装配信息＞……＜／特征装配信息＞　

＜／特征＞　

＜／零件特征信息＞　

＜零件装配信息＞……＜／零件装配信息＞　

＜／零件＞　

＜零件＞……（／零件＞　

＜／装配单元＞　

＜／装配体＞　

以图３所示的准星座为例．装配体由五个零件组成，与之对　

应的描述准星座装配信息和几何拓扑信息的ＸＭＬ文件见图４。　

●，＿，准星　．　

图３准星座组件装配图　

鬣叠孽　静群璺鲤　

兰　

…Ｉ　■■…　

■　………＇－…Ｉ＿　－　

…１…………　…■■■　■ｔ●■■■，　……●　●　

…　＾ｆ’ｔ　＋…『Ｈ…ｌｌ＾Ｎ¨ＦＴ，’　■…　■　－　

…　■　

”　

善：　

≮　＝　鬣　：　ｊ　搿　

图４准星座组件ＸＭＬ文件　

２。３基于装配特征的信息映射的实现　

虽然导出产品装配信息和几何拓扑信息的产品信息模型与　

零件面片模型通过ＸＭＬ文件中名称为零件面片信息文件名的　

属性项相对应，但是在虚拟装配系统中系统拾取的是三角面片　

的信息，而产品的装配信息是通过装配特征来描述的。因此需要　

将零件的装配特征与三角形面片之间进行关联和映射，建立它　

们之间的映射关系，即遍历零件所有的三角形面片。并判断每个　

三角形面片属于哪个装配特征。下面以一个三角形面片是否属　

于一个销孔特征为例进行详细说明。　

通过数据转换接口将ＸＭＬ文件导入到虚拟装配环境中，可　

以获得该销孔特征的特征参数（包括直径、深度等）、特征几何信　

息（包括圆柱面信息、孔的轴线的信息）、特征装配信息等，判断　

一

个三角形面片是否属于该销孔特征的步骤如下：　

步骤１判断三角形面片的顶点到孔的轴线的距离是否等于　

销孔直径的一半，如果不相等，则跳到步骤３。　

步骤２求出三角形面片的法线．判断该法线是否与销孔特　

征的轴线垂直，如果垂直则该面片属于销孔特征，并在该特征的　

端面上，否则该面片属于销孔特征．并在该特征的圆柱面上。　

步骤３面片不属于该销孔特征。　

在虚拟装配环境中，通过装配特征和三角面片的映射关系，　

系统可以方便地将三角面片和装配特征进行关联，从而在装配　

的过程中可以快速定位，提高了效率。　

３应用实例　

根据上述原理，在Ｐｍ／Ｅｎ￣ｎｅｅｒ造型设计支持软件平台上，　

采用Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ二次开发工具开发了一个面向虚拟装配的产品　

建模系统，并开发了建模系统和虚拟装配系统的接口。设计者首　

先利用建模系统建立装配体，然后通过数据转换接口生成包含装　

配体装配信息和几何拓扑信息的ＸＭＬ文件以及各个零件的三角　

面片模型文件，将生成的接口文件传递到虚拟装配环境中．通过　

虚拟装配系统中的数据导人接口，建立ＸＭＬ文件和三角面片文　

件之间的映射关系，实现在虚拟装配环境下的模型重构。图５为　

枪械准星座零件模型导人到虚拟装配环境中的效果图。　

图５模型转换到虚拟装配环境中的效果图　

４结论　

针对ＣＡＤ系统和虚拟装配系统之间信息共享的问题，提出　

了在统一的产品层次信息模型的基础上，通过信息分解转换法，　

分别采用ＸＭＬ文档和三角面片文件，通过数据转换接口实现了　

装配信息、几何拓扑信息和三角面片信息的转换。将装配信息、　

几何拓扑信息和三角面片信息三者在虚拟装配系统中相互关　

联。上述方法已经在产品建模系统和虚拟装配工艺规划系统中　

实现，并应用到航天产品中，较好地实现了建模系统和虚拟装配　

系统的信息共享。　

参考文献　

１刘振宇．谭建荣，张树有．面向虚拟装配的产品层次信息表达研究　

【Ｊ】．计算机辅助设计与图形学学报，２００１，３（１３）：２２３—２２８．　

２刘检华，姚臻，宁汝新．ＣＡＤ系统与虚拟装配系统问的信息集成技　

术研究．计算机集成制造系统，２００５。ＩＩ（Ｉ）；４４—４７．　

３刘江省。姚英学，李建广．ＣＡＤ系统与虚拟装配系统数据转换的研究．　

计算机集成制造系统，２００４，ｌＯ（专刊）：５６—５９．　

４张帆，张友良．基于ＸＭＬ的可重构装配模型．计算机集成制造系统，　

２００３．９（８）：６２６—６２９．