0 引言
隨著現代企業產品復雜度和技術含量的提高，單一企業常常受到技術和資源等方面的限制，不能勝任產品開發的全過程，必須進行跨專業、企業、地域的合作以獲得整體優化。當前三維模型已成為表達產品信息的核心媒介，在產品模型設計的過程中，各企業根根自身發展需要會選擇合適的三維CAD系統，甚至同一企業內部也同時存在多種三維CAD系統，造成了產品模型往往由異構的CAD模型組成，異構CAD模型裝配和干涉檢查困難。此外，目前由于協同設計管理平臺(PLM)在企業中的廣泛使用，使得在協同的環境中快速準確地實現異構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CAD模型干涉檢查過程中存在問題的基礎上，結合協同設計管理平臺，提出一種基于3D輕量化技術異構CAD模型快速干涉檢查方法，對該方法的體系結構和干涉檢查原理算法等關鍵技術進行討論并給出了軟件實現和應用實例。
1 異構CAD模型干涉檢查問題分析
目前異構CAD模型干涉檢查方法主要有兩種，第一種方法是將異構CAD模型轉換為中間幾何文件格式(STEP、IGES、SAT等)，然后在單一的三維系統中完成裝配和干涉檢查。這種做法存在如下問題：①各三維系統對中間格式的支持標準不盡相同，不同系統生成的中性文件并不一定能在其他系統中正確打開；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，打開時間長；③各三維系統轉換的中間文件的數據可能不一致，在三維系統中裝配困難，在此基礎上所做的干涉檢查的精確性得不到保證。總的來說，這種方式難以適應異構CAD模型快速干涉檢查。第二種方法是將異構的cAD模型導入單一的三維系統中，完成裝配過程，然后利用三維系統中的干涉檢查功能對其進行干涉檢查。這種做法存在如下問題：①在單一的三維系統中對異構CAD模型進行干涉檢查時，導入異構CAD模型時裝配樹會丟失，無法準確定位干涉部位；②單一的三維系統對其他三維系統的支持程度有限，不能支持所有的主流三維系統，而且對所支持的三維系統的版本也有限制要求。另外，協同設計管理平臺的應用，使設計工作在網絡協同的環境下進行，設計完成的模型文件通過協同設計管理系統實現資源共享，在這種情行下，上述兩種方法又都會存在以下問題：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，網絡傳輸效率低；②原始CAD模型對于設計者是透明的，這使產品數據的安全性得不到保證。
針對異構CAD模型干涉檢查存在的問題，本文采用一種基于3D輕量化技術的異構CAD模型干涉檢查方法進行干涉檢查。該方法利用三維模型輕量化技術，首先將異構CAD模型轉換為統一的輕量化模型，將異構CAD模型的輕量化模型進行預裝配，利用輕量化模型的多層次精細度LOD模型，設計一種新的逐層過濾干涉檢查算法，最后根據輕量化模型的干涉情況來確定原始異構CAD模型干涉情況。該方法使設計者能夠對干涉檢查的結果作出很快的響應。設計了一種基于協同設計管理平臺PI。M的協同插件，從而能充分利用企業的協同環境實時快速地進行干涉檢查。
2 異構CAD模型干涉檢查
2．1 異構CAD模型輕量化和裝配
要對異構CAD模型進行干涉檢查，首先需要對其進行同構處理，即將異構CAD模型轉換成統一格式的輕量化模型。本文所采用的輕量化實現方法是筆者前期對產品模型輕量化進行研究的成果。該方法中多層次三維幾何模型輕量化表示的文件結構關系如圖1所示，借鑒當前三維平臺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聯起來，既可快速顯示，還保留了零件的幾何和拓撲信息。
圖1 輕量化文件數據結構
裝配結構信息包括子零部件的數量、名稱、相對位置、配合關系，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，根據其在不同裝配下的引用生成一個顯示實例，然后利用該零件在裝配體下的變換矩陣實現在整個裝配模型的正確顯示。零件數據包括顯示數據和幾何數據。顯示數據利用三角面片來實現，模型顯示數據包括三角化面、三角化邊和點信息。三角化面和三角化邊實際上是對幾何模型中的面和邊進行三角化之后的結果。三角化面和三角化邊以幾何模型中的面和邊為單位進行組織，實現顯示數據與零件幾何數據的一一對應，有利于在圖形區進行交互選擇和顯示。利用另外一個鏈表來記錄與三角化面和三角化線對應的幾何信息。面幾何信息包含了對構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的引用。這樣就將零件的顯示信息和幾何信息關聯起來，形成零件完整的幾何拓撲結構，既可快速顯示零件的幾何模型，還保留了零件的幾何和拓撲信息。
采用該輕量化模型作為異構CAD模型干涉檢查的實際處理對象，有以下優點：①該輕量化模型支持多精細度LOD模型，是本文干涉檢查算法原理的基礎；②輕量化文件大小一般為原模型的1／50到1／10之間，網絡傳輸方便；③文件數據結構也可以使原始模型的裝配樹保留，既有利于干涉檢查的計算，又可在結果處理中準確定位干涉項；④文件數據中的顯示信息和幾何信息，保證了干涉檢查計算過程中精確的幾何數據，顯示信息使干涉檢查結果能進行可視化處理。
本文對異構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。以汽車模型設計為例，首先構建整車骨架模型，其中包括定義整車各零部件的基準坐標系、約束關系等，然后把相關骨架模型和設計文檔提交到協同設計管理平臺PLM中。各汽車零部件設計者根據實際需要選擇合適的三維平臺，并在骨架模型和相關設計文檔的整體框架下初始化零件的基準坐標系等，完成零件設計，然后將各異構三維模型生成輕量化模型，提交到PLM管理系統中。要對異構CAD模型進行干涉檢查，首先從PLM中獲得相關異構CAD模型的輕量化模型，因為各模型的裝配約束關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放置，即完成了模型裝配。
2．2 異構CAD產品模型干涉檢查原理
模型干涉通常分為靜態干涉和動態干涉兩種。靜態干涉是指模型在空間中的位置是可變化的，但不隨時間變化；動態干涉與時間相關，即物體在空問中的位置是隨時間變化的。干涉檢查也分為靜態干涉檢查和動態干涉檢查兩種。本文研究異構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，即裝配零部件的構尺寸可更改，但模型在裝配空間中的位置并不隨時間而變化，所以本文討論的重點是靜態干涉檢查。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上結合輕量化模型的LOD模型數據結構，提出一種逐層過濾可變精度快速干涉檢查的方法，并利用可視化技術對干涉檢查結果進行處理，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、面包圍盒以及實際的面的三角面片模型。兩部件發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和縮短干涉檢查的時間。
2．3 異構CAD產品模型干涉檢查
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，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果為干涉零件對。以對裝配中的零部件P進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果作進一步干涉檢查，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行高精度的干涉檢查，確定最終發生干涉的位置、性質等參數。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，從而能得到發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的相交程度以及干涉類型等。另外，可以根據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果，實現干涉檢查結果的可定制化。
2．4 干涉結果的處理
在干涉檢查完成后，需要對結果進行處理，以便直觀地反饋給產品模型設計者。本文干涉結果處理的過程也就是對干涉面片集T處理的過程。對干涉結果的處理包括三個方面：①選擇性地顯示干涉部位；②生成干涉分析報告；③干涉分析報告的發布。結合這三方面的處理，形成完整的干涉結果處理方案，再提交到產品模型設計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識。生成干涉分析報告后，就對裝配體干涉的計算結果進行整理，按照產品裝配設計中零件及其參數、裝配關系等具體要求，形成完整的干涉結果分析報告。干涉報告主要包括干涉精度、干涉項列表、零部件的設計者、修改時間、干涉項快照等。利用協同插件對設計端進行方便有效的管理，通過建立各零部件與設計端的關聯關系，準確向各設計端發送相關的干涉報告，作為返工修改的重要參考依據。
3 干涉檢查實現和應用實例
3．1 異構CAD模型干涉檢查實現
協同設計環境中基于輕量化模型的異構CAD模型干涉檢查方法在華中科技大學CAD支撐軟件工程技術研究中心開發的產品設計可視化平臺InteVue中得到應用，同時在筆者開發的基于PLM的協同插件工具TeamCAD也得到了使用。具體實現的體系結構如圖3所示。
圖3 異構CAD干涉檢查體系結構
為了支持目前主流的三維CAD模型輕量化，在輕量化技術的基礎上開發了對主流三維平臺的輕量化文件的生成接口，將異構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)。協同設計插件是基于協同平臺PLM管理系統的協同設計插件，與三維CAD系統和虛擬裝配平臺集成作為CAD端或裝配平臺與PLM交互的中間層。從圖3可以看出，設計端不直接與PLM交互，這樣能使設計者可以更專注于模型設計、裝配或干涉檢查等工作。另外，通過協同插件能夠有效地管理干涉檢查結果，使之合理使用，提高產品模型的設計質量和效率。
對異構CAD模型干涉檢查的過程如下：
(1)產品總體設計者將產品總體骨架模型的布局模型及相關設計文檔通過協同插件提交到PLM；
(2)零部件設計者通過協同插件獲得骨架模型和設計文檔來定義零件設計的基準坐標系等，完成設計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)通過協同插件獲得需要進行干涉檢查異構CAD的輕量化模型，在產品可視化平臺InteVue中按零部件的絕對坐標顯示，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行干涉檢查，并處理干涉結果；
(5)通過與可視化平臺集成的協同插件向發生干涉CAD模型的設計端發送干涉報告，設計者參考該報告修正三維模型，然后提交到PLM；
(6)不斷重復步驟(3)～(5)，直到異構CAD模型符合設計要求。
3．2 應用實例
下面以某汽車車架的三維模型為對象進行實例分析。各設計部門在協同的環境中采用不同三維系統完成各零部件的設計，現對該車架的異構CAD模型進行干涉檢查。該汽車車架模型由汽車公司提供，輕量化零件已生成，以下主要是驗證干涉檢查過程：
(1)通過與可視化平臺集成的協同插件從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，對整個車架裝配體進行干涉檢查時，共產生692處干涉。操作中也可以選中某個零部件，然后對其進行干涉檢查，找出在當前的裝配環境中，與其發生干涉的零部件。
對干涉結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1和干涉項2，如圖4a所示；②非干涉項透明，如圖4b所示；③非干涉項隱藏，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告，對發生干涉模型的修改提供有效可靠的參考。干涉報告可根據具體的要求進行定制，如干涉檢查精度只對某一項或幾項進行特定的干涉檢查，過濾可以接受的干涉項或不關注的干涉項，使干涉檢查報告更具有針對性，效率也更高。
圖4 對干涉結果顯示屬性的處理方法
將所有干涉項的基本信息以相應的格式生成文本文件和干涉快照文件夾。通過協同插件記載每一個零部件相關信息，并將該裝配體的干涉檢查報告發送給相關設計端，因此設計者可以及時地根據干涉檢查報告來修正各自的三維模型。
4 結束語
本文提出的干涉檢查方法較好地解決了異構CAD模型干涉檢查時存在的問題。將該方法應用到可視化設計平臺InteVue中，成功地實現了干涉檢查的功能。在國內某汽車制造企業的實際應用表明，該干涉檢查方法可以幫助設計人員及時發現產品設計上的缺陷，降低了設計成本，提高了設計效率。
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