网络协同设计的异源 CAD 模型数据集成装置及集成方法 【技术领域】
本发明涉及一种计算机辅助设计装置与方法， 尤其涉及网络协同设计的异源 CAD 模型数据集成装置及集成方法。背景技术
随着经济全球化进程的加速， 许多复杂产品的设计需要由分布在不同地点的产品 设计人员协同完成， 不同企业或同一企业的不同部门之间需要在异构 CAD 系统之间进行协 同设计， 通过异地协同进行的产品设计的工业需求日益增多， 这迫切需要一种能够支持在 不同 CAD 系统之间进行协同设计的技术方法与装置。因此， 开发一种面向网络协同设计的 异源 CAD 模型数据集成方法， 并维护三维协同设计模型与各异源 CAD 源模型之间的对象链 接与数据一致性， 具有重要的应用价值。
在网络协同设计中， 基于异源 CAD 模型的虚拟装配、 协同标注是关键操作。通常， 圆锥曲面、 平面、 直线、 顶点或圆心等拓扑元素常被用作定义装配约束、 标注的参照对象。 基 于离散网格的三维 CAD 模型表示方法， 由于其数据结构简单、 图形绘制效率高、 不需要额外 的模型解释与数据转换流程， 在异源 CAD 模型的图形交换中被广泛应用。然而， 由于离散网 格模型只能采用有限的几何分辨率， 且不包含几何元素之间的高级拓扑信息， 丢失了几何 精度， 也无法表示几何造型中的工程语义信息 ( 包括尺寸标注信息、 几何约束信息、 装配约 束信息、 拓扑命名、 零件的属性信息等 )， 因而难以支持模型之间的虚拟装配、 标 注等交互 操作 ； 另外， 由于上述两类模型在几何信息上的不对称性， 离散网格模型与基于精确拓扑结 构描述的 CAD 实体模型之间， 难以实现拓扑元素之间的对应与互相关联。这些问题构成了 将离散网格模型直接应用于 CAD 网络协同设计的主要障碍。
在 CAD 特征造型技术中， 拓扑元素的永久命名机制是重要的核心技术之一。它基 于实体拓扑元素之间的位置关系、 特征建模的操作历史， 是用于描述单个拓扑元素与整个 B-Rep 实体之间唯一标识关系的技术。拓扑元素永久命名机制的作用在于 ： 对于一个实体 建模过程中的反复修改与重新计算， 通过唯一标识技术保持对某个具体拓扑元素的跟踪。 所有的实体、 特征、 面、 边、 顶点在其创建的时候可以被永久命名标识。在很多 CAD 系统中， 永久命名是由一组 8 位整数型数据组成的长短不一的数组。拓扑元素的永久命名作为 CAD 特征建模的共性关键技术， 曾长期被封装于 CAD 系统的内核。近年来， 新一代的 CAD 系统普 遍提供了基于 COM 技术的二次开发接口， 并提供了对永久命名机制的访问。第三方软件可 以方便地访问并存储一个拓扑元素的永久命名， 并在需要的时候通过永久命名机制重新找 回 B-Rep 模型中的对应拓扑元素， 即使该 B-Rep 模型已经发生了修改。利用这个机制， 用户 可以在第三方模型与 CAD 源模型之间在拓扑元素层次上建立永久性的链接机制。 发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足， 提供网络协同设计的异源 CAD 模 型数据集成装置及集成方法， 能够将不同 CAD 特征造型系统之间的零件模型以及装配模型集成于一个统一的网络协同设计代理模型中， 进行协同批注、 协同虚拟装配。
本发明通过下述技术方案实现 ：
网络协同设计的异源 CAD 模型数据集成装置， 包括依次连接的 CAD 特征造型系统， 数据转换插件模块、 网络协同设计代理模块、 网络协同设计客户端模块、 网络协同设计客户 端模块、 数据通讯模块、 网络协同设计服务器模块 ； 所述数据转换插件模块通过组件对象模 型接口与 CAD 特征造型系统相连接 ；
数据转换插件模块， 其安装于网络协同设计的客户端主机， 并以 CAD 特征造型系 统的插件模块形式存在， 用于对 CAD 源模型 ( 包括零件模型、 装配模型 ) 进行数据转换， 生 成统一的 XML 格式的文件， 以代理 CAD 源模型进行网络协同设计操作 ；
网络协同设计代理模块， 其安装于网络协同设计的客户端主机， 用于根据 XML 格 式的网络协同设计代理文件， 创建并管理网络协同设计代理模型 ；
网络协同设计客户端模块， 其安装于网络协同设计的客户端主机， 用于管理网络 协同设计过程中的用户交互操作 ；
数据通讯模块， 其安装于网络协同设计的客户端主机， 用于与网络协同设计服务 器模块进行数据传输， 上传 / 下载网络协同设计代理模型， 传送与接收网络协同设计操作 指令与操作数据 ；
网络协同设计服务器模块， 其安装于网络协同设计的服务器主机， 用于管理和传 送网络协同设计代理模型， 并管理和传送网络协同设计操作指令与操作数据。
所述网络协同设计代理模块包括 ： 结构化的几何对象代理单元、 虚拟拓扑元素代 理单元， 其中，
所述结构化的几何对象代理单元， 用于代理 CAD 源模型的几何外形， 并以面为单 位组织 CAD 源模型几何外形的离散网格数据 ；
所述虚拟拓扑元素代理单元， 与所述的结构化的几何对象代理单元相连接， 用于 代理 CAD 源模型中适用于虚拟装配与标注操作的各类拓扑元素。
上述网络协同设计的异源 CAD 模型数据集成装置的集成方法， 包括以下步骤 ：
步骤 1 ： 数据转换插件模块， 用户根据网络协同设计的需要， 选择所需的 CAD 零件 模型或者装配模型 ；
步骤 2 ： 数 据 转 换 插 件 模 块， 通 过 CAD 特 征 造 型 系 统 所 提 供 的 组 件 对 象 模 型 (Component Objeet Model， 简称 COM) 接口， 依次访问所选择的 CAD 零件模型中的实体对 象， 获取构成该实体对象的每张面的离散网格数据、 并获取每张面的拓扑元素永久命名 ；
步骤 3 ： 数据转换插件模块， 将 CAD 零件中的实体对象依次转换成以面为基本数据 单元、 面的拓扑元素永久命名为标识符、 面的离散网格数据为内容的结构化的几何模型 ；
步骤 4 ： 数据转换插件模块， 通过 CAD 特征造型系统所提供的 COM 接口， 依次访问 步骤 2 所述的实体对象中的拓扑元素， 选择与虚拟装配、 标注等协同设计有关的拓扑元素 类型， 获取其拓扑永久命名与几何特征数据， 创建基于拓扑元素永久命名的虚拟拓扑元素 代理对象。
其中， 所述的与虚拟装配、 标注等协同设计有关的虚拟拓扑元素类型主要包括 ：
平面虚拟拓扑元素 ；
圆锥曲面虚拟拓扑元素 ；直线边界虚拟拓扑元素 ；
圆弧边界虚拟拓扑元素 ；
顶点虚拟拓扑元素。
其中， 所述的虚拟拓扑元素代理对象的主要数据内容包括 ：
该拓扑元素在特征实体模型中的拓扑元素永久命名， 用作该对象的标识符 ； 该拓 扑元素的几何特征数据。
步骤 5 ： 数据转换插件模块， 通过 CAD 特征造型系统所提供的 COM 接口， 依次访问 并记录 CAD 装配模型的装配层次结构、 装配体的位置变换矩阵、 装配体之间的装配关系定 义。
其中， 所述的装配体之间的装配关系定义的纪录方法中， 将引用步骤 4 所创建的 虚拟拓扑元素代理对象， 以替代 CAD 装配模型中用于定义装配关系的实体模型的拓扑元 素。
步骤 6 ： 数据转换插件模块， 将步骤 3、 4、 5 所创建的模型存储为统一基于 XML 表示 的文件格式， 形成与 CAD 源模型相链接的网络协同设计代理模型， 其主要包括以下数据内 容： 步骤 3 所记录的装配层次结构 ；
步骤 3 所记录的装配体的位置变换矩阵 ；
步骤 3 所记录的装配体之间的装配关系定义 ；
步骤 4 所创建的结构化的几何模型 ；
步骤 5 所创建的虚拟拓扑元素代理对象信息。
步骤 7 ： 网络协同设计代理模块， 读入步骤 6 所创建的 XML 格式的网络协同设计代 理模型， 在客户端模块的图形窗口显示该模型几何外形、 并显示虚拟拓扑元素代理对象的 几何特征 ；
步骤 8 ： 数据通讯模块， 将步骤 7 所读入的网络协同设计代理上传给在权利要求 1 所述装置的网络协同设计服务器模块， 该服务器模块对此请求做出处理， 为每个上传的装 配体配置单元描述信息节点， 并将节点信息发送给客户端。
[1] 版本， 用 Version 表示 ；
[2] 头部标志， 用 Flag 表示 ；
[3]CAD 源模型类型， 用 Source_Model_Type 表示 ；
[4]CAD 源模型控制用户， 用 Owner_User_Name 表示 ；
[5]CAD 源模型的统一资源定位符， 用 Source_Model_URL 表示 ；
[6] 网络协同设计代理模型数据， 用 Proxy_Model 表示 ；
步骤 9 ： 网络协同设计服务器模块， 当其接收到来自网络协同设计客户端对网络 协同设计代理模型的修改或者更新时， 该服务器模块将通知其它网络协同设计客户端模 块， 通过权利要求 1 所述装置的数据通讯模块进行对下载更新后的网络协同设计代理模 型。
步骤 10 ： 网络协同设计客户端模块， 通过鼠标选取网络协同设计代理模型中的虚 拟拓扑元素代理对象， 进行装配元素之间的约束关系定义、 标注等操作 ；
步骤 11 ： 数据通讯模块， 将步骤 10 所进行的客户端操作以指令的形式上传给权利
要求 1 所述装置的网络协同设计服务器模块， 并通过该服务器模块， 传送给其它的网络协 同设计客户端模块， 以实现步骤 10 所进行的操作在其它客户端模块的同步执行。
与现有技术相比本发明的优点及效果在于 ：
本发明能够支持各异源 CAD 模型与网络协同设计代理模型之间的快速更新， 能够 实现异源 CAD 模型在网络协同设计环境下的自动数据集成， 并能够有效维护网络协同设计 代理模型与各异源 CAD 模型之间的数据链接以及模型数据的一致性。这些优点， 降低了用 户创建与维护网络协用设计模型的负担， 有效地提升网络协同设计的效率。 附图说明
图 1 是本发明网络协同设计的异源 CAD 模型数据集成装置的结构示意图。
图 2 是本发明集成方法中， 网络协同设计操作流程示意图。 具体实施方式
为了更好地理解本发明， 下面结合实施例及附图对本发明作进一步地描述， 但实 施方式不限于此。 如图 1 所示， 本发明面向网络协同设计的异源 CAD 模型数据集成装置， 包括依次连 接的 CAD 特征造型系统， 数据转换插件模块、 网络协同设计代理模块、 网络协同设计客户端 模块、 网络协同设计客户端模块、 数据通讯模块、 网络协同设计服务器模块 ； 所述数据转换 插件模块通过组件对象模型接口与 CAD 特征造型系统相连接 ；
其中， 所述数据转换插件模块通过 CAD 特征造型系统被安装于网络协同设计的客 户端主机内， 用于对 CAD 源模型进行数据转换， 生成统一的 XML 格式的文件， 以代理 CAD 源 模型进行网络协同设计操作， 该 CAD 源模型模块包括零件模型模块、 装配模型模块 ；
所述网络协同设计代理模块， 其安装于网络协同设计的客户端主机， 用于根据 XML 格式的网络协同设计代理文件， 创建并管理网络协同设计代理模型 ；
所述网络协同设计客户端模块， 其安装于网络协同设计的客户端主机， 用于管理 网络协同设计过程中的用户交互操作 ；
所述数据通讯模块， 其安装于网络协同设计的客户端主机， 用于与网络协同设计 服务器模块进行数据传输， 上传或者下载网络协同设计代理模型， 传送与接收网络协同设 计操作指令与操作数据 ；
所述网络协同设计服务器模块， 其安装于网络协同设计的服务器主机， 用 于管理 和传送网络协同设计代理模型， 并管理和传送网络协同设计操作指令与操作数据。
所述网络协同设计代理模块， 包括结构化的几何对象代理单元、 虚拟拓扑元素代 理单元 ； 其中， 所述结构化的几何对象代理单元， 用于代理 CAD 源模型的几何外形， 并以面 为单位组织 CAD 源模型几何外形的离散网格数据 ； 所述虚拟拓扑元素代理单元， 与所述的 结构化的几何对象代理单元相连接， 用于代理 CAD 源模型中适用于虚拟装配与标注操作的 各类拓扑元素。
上述面向网络协同设计的异源 CAD 模型数据集成装置的集成方法， 包括以下步 骤：
步骤 1 ： 在上述数据转换插件模块， 用户根据网络协同设计的需要， 选择所需的
CAD 零件模型或者装配模型。
步骤 2 ： 在上述数据转换插件模块， 通过 CAD 特征造型系统所提供的组件对象模型 接口， 依次访问所选择的 CAD 零件模型中的实体对象， 获取构成该实体对象的每张面的离 散网格数据、 并获取每张面的拓扑元素永久命名。
其中面的离散网格模型由三角面片信息层获得， 其中三角面片顶点数据包含了实 体三角面片上的所有顶点信息， 按照一定顺序记录下来， 并给出顶点的坐标值 ； 而真正的三 角面片定义信息只包括了每个三角形的顶点号信息。 由于一个顶点信息可以被多个三角形 网格所共用， 这样的数据结构解决了顶点坐标被多个面重复引用的产生的冗余信息。而以 面的拓扑元素永久命名为标识符， 可以形成与 CAD 源模型在面的拓扑层次上的永久链接。 例如， 在特征造型中， 对一个特征孔的修改往往只影响到实体模型中的三个面， 即该孔所在 的圆柱面、 顶面、 底面。
步骤 3 ： 在上述数据转换插件模块， 将 CAD 零件中的实体对象依次转换成以 面为 基本数据单元、 面的拓扑元素永久命名为标识符、 面的离散网格数据为内容的结构化的几 何模型。
步骤 4 ： 在上述数据转换插件模块， 通过 CAD 特征造型系统所提供的 C0M 接口， 依 次访问步骤 2 所述的实体对象中的拓扑元素， 选择与虚拟装配、 标注等协同设计有关的拓 扑元素类型， 获取其拓扑永久命名与几何特征数据， 创建基于拓扑元素永久命名的虚拟拓 扑元素代理对象。
其中， 所述的与虚拟装配、 标注等协同设计有关的虚拟拓扑元素类型主要包括 ： 平面虚拟拓扑元素， 其数据结构如下 ：
圆锥曲面虚拟拓扑元素， 其数据结构如下 ：
直线边界虚拟拓扑元素， 其数据结构如下 ：
圆弧边界虚拟拓扑元素， 其数据结构如下 ：
顶点虚拟拓扑元素， 其数据结构如下 ：
其中， 所述的虚拟拓扑元素代理对象的主要数据内容包括 ： 该拓扑元素在特征实 体模型中的拓扑元素永久命名， 用作该对象的标识符 ； 该拓扑元素的几何特征数据。
步骤 5 ： 在上述数据转换插件模块， 通过 CAD 特征造型系统所提供的组件对象模型 接口， 依次访问并记录 CAD 装配模型的装配层次结构、 装配体的位置变换矩阵、 装配体之间 的装配关系定义。
其中， 所述的装配层次结构中， 一个装配体可以包括若干子装配体， 子装配体又可 以包括若干零件模型。其中的一个零件模型在整个装配结构中可以存在多个装配对象， 即 分别被父装配体与子装配体同时引用。
其中， 所述的装配体之间的装配关系定义的纪录方法中， 将引用步骤 4 所创建的 虚拟拓扑元素代理对象， 以替代 CAD 装配模型中用于定义装配关系的实体模型的拓扑元 素。
步骤 6 ： 在上述数据转换插件模块， 将步骤 3、 4、 5 所创建的模型存储为统一基于 XML 表示的文件格式， 形成与 CAD 源模型相链接的网络协同设计代理模型， 其主要包括以下 数据内容 ： 步骤 3 所记录的装配层次结构 ； 步骤 3 所记录的装配体的位置变换矩阵 ； 步骤 3 所记录的装配体之间的装配关系定义 ； 步骤 4 所创建的结构化的几何模型 ； 步骤 5 所创建 的虚拟拓扑元素代理对象信息。
具体的 XML 文件格式表述可分为装配体 XML 文件格式和零件 XML 文件格式， 装配 体的 XML 文件结构如下 ：
零件体的 XML 文件结构如下 ：
步骤 7 ： 在上述网络协同设计代理模块， 读入步骤 6 所创建的 XML 格式的网络协同 设计代理模型， 在客户端模块的图形窗口显示该模型几何外形、 并显示虚拟拓扑元素代理 对象的几何特征 ；
步骤 8 ： 在上述数据通讯模块， 将步骤 7 所读入的网络协同设计代理上传给在权利 要求 1 所述装置的网络协同设计服务器模块， 该服务器模块对此请求做 出处理， 为每个上 传的装配体配置单元描述信息节点， 并将节点信息发送给客户端。
节点信息包括如下数据内容 ：
[1] 版本， 用 Version 表示， 指装配服务器和各客户端使用的协同软件版本号 ；
[2] 头部标志， 用 Flag 表示， 指协议的标志头 ； [3]CAD 源模型类型， 用 Source_Model_Type 表示， 指各客户端使用的 CAD 软件类 [4]CAD 源模型控制用户， 用 Owner_User_Name 表示， 执行操作的设计用户名 ； [5]CAD 源模型的统一资源定位符， 用 Source_Model_URL 表示， CAD 源模型的地址、 [6] 网络协同设计代理模型数据， 用 Proxy_Model 表示， 装配模型的数据结构信型；
路径 ；
息； 节点 [1]-[5] 作为一个头文件 (header file) 结构， 节点 [6] 作为另一文件结构， 这样的表述有利于将属性信息和设计信息相分离， 便于管理和实施。
如图 2， 网络协同设计客户端向网络协同设计服务器发送上传结果信息， 网络协同 设计服务器对此请求做出处理， 给予响应， 并将节点信息发送给客户端。 这样就完成了设计 用户对装配体单元描述信息的共享。
步骤 9 ： 在上述网络协同设计服务器模块， 当其接收到来自网络协同设计客户端 对网络协同设计代理模型的修改或者更新时， 该服务器模块将通知其它网络协同设计客户 端模块， 通过权利要求 1 所述装置的数据通讯模块进行对下载更新后的网络协同设计代理 模型。
步骤 10 ： 在上述网络协同设计客户端模块， 通过鼠标选取网络协同设计代理模型 中的虚拟拓扑元素代理对象， 进行装配元素之间的约束关系定义、 标注等操作。
步骤 11 ： 通过上述数据通讯模块， 将步骤 10 所进行的客户端操作以指令的形式上 传给权利要求 1 所述装置的网络协同设计服务器模块， 并通过该服务器模块， 传送给其它 的网络协同设计客户端模块， 以实现步骤 10 所进行的操作在其它客户端模块的同步执行。
优选的， 如图 2 所示， 网络协同设计客户端 1 和网络协同设计客户端 2 将源模型的 数据信息转换成网络协同设计代理模型， 并集成到网络协同设计平台中， 同时在此平台上， 网络协同设计客户端 1 和网络协同设计客户端 2 按照步骤 10 分别拾取了模型上的一条直 线虚拟拓扑元素代理对象 (s_line1、 s_line2) 实现其用户所需的装配约束关系， 同时网络 协同设计客户端 1 对 s_line1 进行了设计变更操作， 网络协同设计客户端 1 在对 s_line1 进行设计变更后， 服务器模块将通知网络协同设计客户端 2， 同时网络协同设计客户端 2 将 通过权利要求 1 所述装置的数据通讯模块进行对下载更新后的网络协同设计代理模型， 以 实现该修改操作在网络协同设计客户端 1 和网络协同设计客户端 2 的同步执行 ；
综上所述， 本发明提出的面向网络协同设计的异源 CAD 模型的数据集成装置和方 法， 能够将不同 CAD 系统之间的零件模型、 装配模型集成于统一的基于 XML 格式表示的网络 协同设计代理模型中， 进行协同环境下的虚拟装配、 批注、 与设计验证。本发明能够支持各 异源 CAD 模型与网络协同设计代理模型之间的快速更新， 实现异源 CAD 模型在网络协同设 计环境下的自动数据集成， 有效维护网络协同设计代理模型与各异源 CAD 模型之间的数据 链接以及模型数据的一致性。
虽然先前描述和附图描述了本发明的优选实例， 但是本发明并非仅限于在此明确 描述的上述实例当中。在不脱离本发明的精神和原则的情况下， 凡依本发明申请专利范围 的内容所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。