基于XML的逆向重建模型表示与应用*

贺 强 杨晓强

(中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川 广汉 618307)

基于XML的逆向重建模型表示与应用*

贺 强 杨晓强

(中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川 广汉 618307)

为了利用CAD系统对逆向重建模型展开创新设计，设计了基于XML逆向重建模型表示。采用CSG/B-rep混合表达的方式表示了重建的实体特征模型。建立了该模型基于XML表示的数据文件，通过CAD系统二次开发实现了XML数据文件的解析，从而在CAD系统中生成了该模型。实验的结果表明该方法能将重建模型的特征信息和约束信息完整地传递到CAD系统中，实现了逆向重建结果与CAD系统的紧密集成，可有效支持基于原型的创新设计。

逆向重建；XML；CAD；二次开发

逆向工程作为先进制造技术的一个重要组成部分，已经从低层次的原型复制逐步发展成为支持产品创新设计及开发的重要技术手段[1]。利用先进的CAD系统对逆向重建模型进行改型设计是加速新产品开发的有效途径。将同时包含了几何参数、几何约束、可行建模序列等原型设计意图的逆向重建实体特征模型无缝导入到CAD系统，就能利用CAD系统强大的参数化设计能力来实现产品的创新设计。因此，如何利用CAD系统实现逆向重建模型的创新设计是逆向工程技术中一个亟待解决的问题，具有重要意义。

基于CAD系统的逆向重建模型创新设计本质上是异构CAD系统之间的数据交换问题，即逆向重建模型与CAD系统的数据交换。随着计算机集成制造技术的深化发展，不同CAD系统之间的模型交换具有迫切的工业需求。国内外许多学者致力于这一问题的研究，出现了很多不同的解决方案。基本图形交换规范(initial graphics exchange specification, IGES)和产品模型数据交换标准(standard for the exchange of product model data, STEP)这两个几何数据交换标准的发布，使得CAD系统间的几何模型数据交换得到成功应用。但到目前为止，该类技术还不能完全保证交换数据的有效性和一致性[2]。特别地，该类交换技术针对低层次的几何数据，因而不能传递模型高层次的几何参数，约束和特征等信息，从而丢失了原始的设计意图，以致交换后的模型只是计算机可读的而不能进行修改。宏参数法[3-4]是一种基于设计历史的CAD模型数据交换方法。该方法利用宏文件来实现参数化特征信息以及设计历史的交换。宏文件由一系列标准的CAD建模命令构成，隐式地记录了约束、参数、设计历史和特征等设计意图信息。该数据交换方法分为两个层次：CAD系统的命令集与标准命令集之间的映射；CAD系统的宏文件与标准宏文件之间的映射。以Pratt教授为首的研究团队参与了ISO的有关参数化特征信息交换的STEP标准制定，发布了过程与混合表示的标准STEP10303。该标准能对CAD模型的创建历史、参数化模型的参数和约束进行表示，并为可变参数、维数、约束和草图提供了表示方法[5-7]。以高曙明教授为首的研究团队的异构CAD系统数据交换技术[8-9]是一种基于操作命令交换的异构CAD系统在线集成技术。该方法建立了基于异构CAD系统的实时协同平台，在此基础上实现了复杂特征操作、约束和用户自定义特征等的在线交换。

尽管众多的学者致力支持产品创新设计的CAD模型的数据交换技术，也取得了丰硕的研究成果，但是实现无缝的异构CAD系统间的数据集成依然是一个未能完全解决的问题，并且较少的研究针对逆向重建模型。针对这一现状，本文提出一种基于XML描述的逆向重建模型表示，通过对CAD系统的二次开发，将逆向重建模型导入到CAD系统中，从而利用CAD系统强大的参数化设计能力开展基于模型的创新设计。

1 基于XML的逆向重建模型表示

1.1 逆向重建模型的组成

针对基于实体特征融合的重建模型，其含有实体特征、几何约束以及布尔运算关系。实体特征主要包括特征的类型和特征的几何参数，主要由基本体特征和基于草图的特征组成。基于草图的实体特征通过对轮廓截面草图进行拉伸、放样、旋转和扫掠等操作的方式生成。相对于基本实体特征，其几何形状较为复杂。常见的实体特征如图1所示。

实体特征间及实体特征内的约束通常可归纳为共面约束、平行约束、同轴约束、距离约束、垂直和对称约束等六种类型。特征加约束构成了逆向重建的实体模型。实体模型的计算机表示方法以构造实体几何法(CSG)和边界表示法(B-rep)为主，并向多重模式的方向发展。其中，CSG/B-rep混合表示方法将两种方法有机结合，整体模型用CSG树表示，各个终端节点则用B-rep表示，使得表示的模型具有清晰的模型整体结构，同时低层元素(顶点、边、面)完整。综上所述，本文采用CSG/B-rep混合表示方法来表达逆向重建模型。

如图2所示，逆向重建模型的特征二叉树反映了建模历史，是原始模型正向造型过程的一种可行解。特征间的布尔运算关系和约束反映了设计意图。这样的重建模型导入到CAD系统中，就继承了原型的设计意图，这对基于原型的创新尤为关键。

1.2 基于XML的重建模型表示

可扩展标记语言XML是一系列规则的集合[10]，能够存储CAD模型的几何参数、特征、约束和设计历史等知识，因而已经广泛应用于不同CAD系统之间的数据交换[11]。特别地，XML可以方便地表达CSG/B-rep混合表示的逆向重建模型。其表示的重建模型的CSG树形结构与CAD系统正向造型过程生成的特征树相对应。每个特征树都对应一颗XML树，XML树则通过一个XML文档表示。基于XML的逆向重建模型表示独立于CAD系统平台，对CATIA、NX、Pro/E等主流的CAD系统进行简单的二次开发后即可以导入逆向重建模型的XML文档表示，进而生成可参数化驱动的CAD模型。

1.2.1 基于XML的模型表示

重建模型是若干个实体特征经过一系列布尔运算得到，形成了一颗特征树。该特征树中，所有的终端节点表示一个实体特征，而所有的父节点均为布尔运算关系。重建模型的XML表示如下。

……

+

+

……

+

+

对重建模型中的各个特征也进行了基于XML的表示，篇幅关系此处仅给出拉伸体的XML表示：

其中，“BasicSketch”是拉伸体的轮廓草图，“NumOfLine”存储了该轮廓草图包含图元的数量。对轮廓草图，本文定义了直线、圆弧、样条等图元类型的XML表示，它们的有机组合构成了“BasicSketch”。

1.2.2 基于XML的约束表示

实体特征内的约束主要包括尺寸约束、几何关系约束、位置约束等。针对本文所定义的基本实体特征，其隐式约束在数据交换文件中直接定制添加。基于草图的特征的几何约束通常是显式约束，表示为：

< Constraint Type=”Vertical” Obj1_ID = ”Line_ID”Obj2_ID=”Line_ID”/>

……

其中，Type标签表示了约束的类型，Obj1ID，Obj2ID表明了被几何约束作用的图元索引。

实体特征之间的约束主要包括定位约束、拓扑约束和对称约束以及尺寸链约束。定位约束对实体特征间的相对位置进行限制。针对基本实体特征具有的拓扑平面设计了基准面的XML表示举例如下：

35

40

其中，BasePlaneDef标签表明该特征的草图基准面依赖FeatureIndex标签所指定的特征，f1标记的是所依赖特征的面，ParaH和ParaV标记的是特征的轮廓草图在基准面上的定位参数。

拓扑约束主要针对实体特征间的布尔运算关系。基于XML的重建模型表示的“树形”结构确定了特征间的拓扑约束。对称约束主要包括反射、平移和旋转对称。基于XML的对称约束表示如下(以圆柱体为例)：

……

// 对称面

旋转对称与平移对称分别对应CAD系统的环形、矩形阵列特征。针对矩形阵列的XML表示，XML文件存储了某一方向阵列特征的个数和间距。针对环形阵列的XML表示XML文件存储了环形阵列特征的个数和夹角，以及旋转轴。由于对称约束的XML表示类似，本文仅给出了反射对称约束的XML表示。

尺寸链约束的获取需要完全理解模型的原始设计意图，然而设计意图的完全理解目前还难以完全依赖计算机完成。因此，在基于XML的重建模型导入CAD系统后，通过人工交互的方式建立模型完整的尺寸链约束。

2 基于CATIA的实例验证

选择DOM作为XML的解析方法，对CAD系统进行二次开发后，解析数据交换文件并在CAD系统中生成该模型。采用广泛应用在航天、航空等领域的CAD系统CATIA作为验证平台，并基于自动化应用接口的宏(Automation API)来进行二次开发。图3为逆向重建模型基于XML的表示，图4a为CATIA系统解析该XML模型表示后生成的可参数化驱动的模型，图4b为该模型基础上的再设计。实验的结果表明，基于XML的逆向重建模型表示包含了原始模型的设计意图，与主流CAD系统能够很好地集成，从而能利用CAD系统强大的设计能力实现逆向创新设计。

3 结语

为了实现逆向工程基于原型而高于原型的创新设计要求，设计了一种能支持重建模型在CAD系统中进行创新设计的、基于XML的逆向重建模型表示。采用CSG/B-rep混合表达的方式表达了重建的实体特征模型。依据该表示，对特征、约束和重建模型进行基于XML的表示并对CAD系统进行二次开发以解析该表示，从而实现了逆向重建结果与CAD系统的集成。利用CATIA系统验证了基于XML表示的逆向重建模型的创新设计，实验的结果证明，该方法能将逆向重建模型的特征信息和约束关系等高层信息完整地传递到CAD系统中，进而驱动逆向重建模型的参数化设计，为创新设计奠定基础。

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[11]吴华鹏, 陈大融. XML在机械工程中的应用[J]. 机械设计, 2001, 11(11):4-7.

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XML based representation and application of the reverse reconstructed model

HE Qiang, YANG Xiaoqiang

(Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, CHN)

For innovative redesign of the reverse reconstructed model by making use of modern CAD system, a new XML based reconstructed model representation is designed. The reconstructed model was expressed as hybrid CSG/B-rep mode. A XML-based data file depending on the hybrid model was established which could be parsed in CAD systems. After second development of CAD systems, the file was imported and feature-based CAD model was rebuilt. The experimental result shows that this XML based file can completely transfer the feature information and constraint information into the CAD system. It achieves the integration between the reverse reconstruction and CAD systems which can support innovative redesign effectively.

reverse reconstruction; XML; CAD; second development

*国家自然科学基金资助项目(51175434)

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.015

贺强，男，1985年生，博士，讲师，主要研究复合材料数字化制造、维修技术与适航审定技术等。

�颖) (

2016-03-29)

160920