跨平台三维模型转换技术研究

◎首都航天机械公司 文帅 高晶 杨薇 陈松涛

◎航天长征火箭技术有限公司 高佳伟

引言

制造业是国民经济的主要支柱，也是今后我国经济“创新驱动、转型升级”的主战场。三维模型作为制造全过程数据信息的重要载体，驱动全局工艺过程的规划，以及各个具体工艺过程的参数设置、工装设计、数控编程、仿真验证、现场操作以及产品检验检测过程，在制造智能化进程中有着至关重要的地位和作用。

然而，由于历史原因和需求差异，不同企业、不同部门，甚至不同小组之间使用的CAD软件平台都不尽相同，较为常见的有NX（UG）、CATIA、CREO（PROE）、SolidWorks，CAXA等。三维模型在不同软件平台间转换时经常出现问题，具体表现为数据丢失、特征缺失、模型畸变，甚至造成转换失败。据估计，即使对于美国这样的技术强国，每年由于几何数据交换问题造成的损失都高达十亿美元。

上述问题严重制约了基于三维模型的智能化设计制造技术的发展。因此，迫切需要研究三维模型在不同CAD软件平台转换过程中的关键技术，尽可能减少出现错误的风险，保证三维模型质量。

一、三维模型的评价要素

完整描述三维模型的数据信息应包括如下三类：

1、模型几何。主要是指产品定义数据中用于描述空间特征的点、线、面等元素；

2、装配关系。主要是指在装配模型中，两个或多个模型几何之间的相对位置关系和约束关系；

3、标注属性。包括与模型几何关联的，用于描述模型特征或属性的尺寸、公差、注释及其它文本。

评价三维模型在不同CAD软件平台之间转换的质量，关键就是检查三类要素能否完整、正确地转换。

二、造型引擎的选择

随着造型理论和计算机软硬件的发展进步，实体造型技术作为当前最为先进和成熟的技术，得到广泛应用。目前工作中接触到的CAD软件平台均基于实体造型引擎开发。

主流实体造型引擎有ACIS（Association for Computer and Information Science），ParaSolid，Open Cascade。其中ACIS由美国Spatial Corporation公司开发，可以将几何模型保存为STEP、IGES、SAT等格式，基于ACIS开发的代表性几何造型系统包括CATIA、CREO；ParaSolid由美国Shape Data公司开发，可以将几何模型保存为STEP、IGES、VRML等格式，基于ParaSolid开发的代表性几何造型系统是NX；Open Cascade由法国Matra Data Vision公司开发，属于开源的三维实体造型引擎，但因工作中使用到的三维软件均未采用该引擎，所以不做详细讨论。

ACIS和ParaSolid都基于边界表示法，几何和拓扑数据相互独立。几何数据描述实体的几何信息，拓扑结构数据描述实体特征之间的连接关系。它们具有相同的本源，但属于两种体系，其几何和拓扑数据并不精确对应（如图1），导致三维模型在基于不同实体造型引擎开发的CAD软件平台间转换时，对于不能满足映射关系的特征，会进行逼近和重构处理，如果转换精度不够，就可能在转换过程中出现问题。

另外，拓扑结构的区别也可能导致软件内部出错，使三维模型产生缝隙、破面、特征丢失甚至无法转换等各种问题。所以，在条件允许的情况下，尽可能选择基于相同造型引擎开发的CAD软件平台进行转换，提高转换的成功率（如表1）。

图1 ACIS和ParaSolid拓扑结构图

表1 ACIS和ParaSolid的几何数据

三、转换方法的选择

（一）通过专用接口进行转换

早期，为了满足在不同CAD软件平台之间转换三维模型的需求，大型企业都设置专职部门和人员，专门开发数据转换接口。优点是专用转换接口能够最大程度保留原三维模型的数据信息，缺点是任何两个软件平台之间都需要单独开发转换接口。所以，CAD软件平台种类较多时，数量庞大的接口开发耗费大量人力财力，而且软件更新升级后，部分转换接口会失效，需要重新开发。

随着三维软件的广泛普及，每种CAD软件平台都有庞大的客户群，因此，近年来是否支持其它软件平台创建模型的导入，也成为评价CAD软件平台功能的重要指标。以NX、CATIA、CREO三大CAD软件平台为例，均有支持其它软件平台三维模型导入的专用接口，保证三维模型在转换后能够较好的保留原始数据信息，但从测试结果来看，主要是投影、剖切及标注、属性等信息无法顺利转换。原因主要有两个方面：一方面，受实际需求和巨大利润驱动，商用CAD软件平台技术发展较快，国际和国家标准的起草、发布速度远远落后，且相应标准只规定了三维模型显示内容和显示效果方面的细则，未规范软件开发层面的数据结构、接口协议等内容，CAD软件开发商采用的往往是行业标准甚至企业内部标准，格式的差异导致许多数据不能进行转换，对于软件新版本中增加的数据形式，此类问题更为明显；另一方面，商业软件公司出于自身利益，极少公布软件内部算法，即使为满足用户二次开发需求，也仅开放极少的接口，这也成为阻止三维模型数据在不同CAD软件平台间顺利转换传递的壁垒。

（二）通过中性格式进行转换

从20世纪80年代开始，国际上陆续推出了一些标准化的中间格式，一定程度上缓解了转换接口过多的问题。IGES（Initial Graphics Exchange Specification）和STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）是最为常见的两种格式，IGES标准推出时间较早，内容相对简单，只存储了几何尺寸和点线面的拓扑关系，对几何元素的描述缺乏精度且标准层次不齐，模型加载速度慢，拓扑关系容易丢失，现在已较少使用；STEP支持的数据信息相对较为丰富，其中STEP214相对STEP203协议，对模型颜色、标注等信息的支持更加完备。

以NX、CATIA、CREO三大主流CAD软件平台为例测试，标准中间模型STEP在各软件平台间均能够传递，但是主要出于兼容性考虑，中间格式数据结构较为简单，很多CAD软件的数据格式无法完全映射到中间格式，致使转换后特征残缺或出现其它错误。

（三）通过专用软件进行转换

Collaboration Gateway、AccuTrans 3D、3DTransVidia、TransMagic，CADfix等都是进行CAD模型转换的专用工具，允许使用者在数据转换过程中，采用交互式手段，对软件不能正确识别或表达不清晰的环节判别修正。

以AccuTrnas 3D为例，作为参数化特征信息交换工具，AccuTrnas 3D支持NX、CATIA、CREO等主流CAD软件平台创建的三维模型，采用IMX（Interactive Modeling Exchange Format）存储中性的模型数据，可以在目标CAD平台正确重建、编辑和修改参数化特征模型。通过多重特征转换器结合，可以将零件的全几何显式模型导入到装配体模型中，AccuTrnas 3D提供FCA（Feature Creation Analysis）功能对转换后的特征进行几何校验，在此基础上还可以通过MMC（Mirror Model Comparator）进行更精确的双向校验。但问题是需要专门购买转换工具，且需要根据CAD平台版本更新情况相应升级。

由此可见，采用专用接口、中间格式和专用转换工具，具有各自的优势，同时也存在各自的问题。实际使用过程中，应优先选用专用接口导入的方式，无需单独耗资购置专用工具，在转换过程中较好保存三维模型携带的全部信息。

四、软件版本的选择

为了在更大范围内推广软件，提升公司影响力，各大软件公司都在不断改进扩充软件功能，同时增强对其它软件平台的兼容性。主流CAD软件平台基本每年都会有大的版本升级，小版本更新则更为频繁。一般情况下，对于同一软件的新旧版本，可以做到向上兼容，即新版本完全支持来自旧版本的模型信息。但是，对于不同的软件平台，则导入平台的发布时间应晚于导出平台的发布时间。因为前者发布后，后者才有可能有针对性的开发导入接口，从而正确识别并更好地支持前者数据信息。

五、建模时的注意事项

（一）适当提高造型精度

造型精度是衡量三维模型质量的重要指标。软件内部需要对几何特征进行大量近似处理，拓扑关系在容差造型系统中有时也会被近似处理。不同软件造型精度存在差异，如NX默认精度为0.00254mm，CATIA默认精度为0.001mm，CREO默认精度为0.0012mm，而高、低精度软件对同一模型特征的解释并不完全相同。所以在CAD软件平台之间进行模型转换时，应适当提高三维模型的造型精度，并尽量消除模型中出现与精度设置等级相近的微小尺寸特征，避免转换过程中因为精度不同出现问题。例如，两个曲面的边界距离为0.001mm，在低精度CAD软件中认为两个曲面有共同边界，而高精度CAD软件中则认为两个曲面之间存在缝隙。再如，一条曲线的长度为0.001mm，在高精度CAD软件中可以正常存储显示，而低精度CAD软件中却无法存储该曲线信息。

当然，模型精度和资源消耗量紧密相关，应根据实际需求合理选择模型精度，而不是一味追求高精度。

（二）避免使用复杂特征

一般认为，曲线曲面的阶次越高，造型就越灵活，NX、CATIA、CREO等高端CAD软件平台，支持超过20次的高次NUR BS曲线、曲面。但是，如果考虑到后续可能需要在其它软件平台中转换使用，则在建立三维模型时，对于曲线、曲面等特征尽量不要采用过高阶次。因为很多低端CAD软件尚未达到如此高次的造型能力，含有高次NURBS曲线、曲面特征的三维模型在从高端CAD软件平台到低端CAD软件平台转换过程中，很可能出现精度降低、特征丢失等诸多问题。同样道理，对于很多CAD软件平台新版本中提供的其它复杂特征，也尽可能减少使用。