基于DELMIA的三維模型屬性數據提取及重構的研究

張開運

（中國核動力研究設計院，四川成都610213）

0　引言

隨著科技的發展，現代工業的集成化程度越來越高，特別是汽車工業、飛機制造工業等，產品的最終生產完成是經歷了若干企業社會化協作的結果。在不同企業之間及企業內部設計制造過程中，數據交換頻繁發生，CAD模型作為傳遞數據的主要方式，在不同CAD系統之間的轉換方式主要有三種：①直接進行轉換（包括通過IGES、STEP等標準格式轉換）；②使用第三方CAD軟件系統進行轉換；③開發專用格式轉換程序[1]。在實際的CAD模型格式轉換過程中，通過上述三種方式之一和CAD系統本身的創建修復功能，模型的幾何信息和拓撲信息基本可以保留，但經常出現模型的屬性信息數據丟失或傳遞錯誤的問題[2]，如何解決這一問題成為當前許多企業面臨的主要問題。筆者在利用DELMIA軟件進行產品工藝仿真的過程中，經常遇到從其它CAD系統導入進來的三維模型存在幾何尺寸、材料牌號、密度和質量等屬性數據丟失或傳遞錯誤的問題，從而導致后續的零件拆裝工藝仿真及輻射場計算的順利實施，為此不得不采用人工錄入的方法逐條對三維模型進行屬性添加，其缺點是勞動強度大，效率低，在錄入過程中極易造成輸入錯誤，且錄入的數據與原始屬性數據是否一致難以檢查[3]。

目前，對三維模型格式轉換方式和接口的研究比較多，技術比較成熟，格式轉換后基本可以得到完整的結構模型，但是針對轉換過程中三維模型屬性數據丟失和錯誤的問題研究的還比較少，沒有一個統一的解決方法。為此，本文基于DELMIA軟件進行二次開發了一個通用的解決方案，即將DELMIA軟件能正確識別的三維模型的屬性數據自動提取出來，將格式轉換過程中丟失和錯誤的屬性數據以及自定義的屬性數據進行批量重構，二者統一存儲到后臺數據庫中作為新模型的屬性信息，從而滿足后續工藝設計制定、計算、分析和驗證的需求。

1　三維模型數據分析

三維模型是由空間的點、線、面以及紋理、材質等組成，具有空間性和非空間性的雙重特征，通過點、線、面的空間分布來表現三維形體對象的空間狀態，可以直觀地表達產品的設計效果。三維模型一般是由幾何（Geometry）、拓撲（Topology）和屬性（Attribute）等數據構成，其結構如圖1所示，其中，幾何數據描述構成三維實體邊界的頂點、棱線、表面的位置坐標，曲線曲面方程等；拓撲關系描述組成邊界的各頂點、棱線、表面等之間的相互連接關系；屬性數據包括零件幾何尺寸、質量、慣性矩陣、約束、公差標注、材料特性、零件明細表等內容。

圖1　三維模型數據結構

三維模型在不同的CAD系統之間進行格式轉換時，其幾何數據和拓撲結構基本可以正確地傳遞，加上軟件自身的算法和創建修復功能，可以得到完整的結構模型（不在本文的研究范圍之內）。但由于各CAD軟件系統之間的底層算法和精度不同，在三維模型格式轉換和數據傳遞過程中經常出現模型屬性數據丟失和傳遞錯誤的問題，如核電站反應堆壓力容器在Autodesk Inventor軟件中設計時的屬性信息如圖2所示，將其格式轉換導入到DELMIA軟件后的屬性數據如圖3所示，經對比分析發現，三維模型在格式轉換過程中，其屬性數據材料特性丟失，從而導致傳遞的密度、質量及慣性矩陣屬性數據發生錯誤，而面積、體積和重心等屬性數據被正確地傳遞且在軟件中識別出來。因此，在CAD系統交互過程中，為提高設計效率，一方面應盡量實現屬性數據的自動提取，另一方面對轉換錯誤和遺失的數據則需要采取方法和工具進行重構。在本例中，壓力容器的面積、體積和重心信息需要自動提取，而材料特性、密度、質量和慣性矩陣等數據則需要重構，由于在此后的輻射場計算中還需要壓力容器的輻射劑量率值，因此輻射劑量率值也是需要重構的屬性數據。

圖2　壓力容器設計時的屬性數據

圖3　壓力容器格式轉換后的屬性數據

2　三維模型屬性數據自動提取技術路線

法國達索公司作為“數字工程”解決方案的技術領導者，為制造業提供了當今世界最完整的3D數字制造解決方案——DELMIA，運用以工藝為中心的技術，針對用戶的關鍵性生產工藝，實現端到端的解決方案，使用戶能夠利用數字化產品模型完成產品工藝的規劃和驗證。

在利用DELMIA軟件進行產品生產工藝設計時，需要用到三維模型的屬性數據來對工藝路線進行分析和驗證，因此將三維模型的屬性數據自動提取和保存起來可以保障分析和驗證工作的順利實施。在DELMIA軟件中，一次只能查看一個模型的屬性信息，要查看所有模型的屬性信息將花費較長時間且不利于產品工藝數據之間的對比分析，為此，基于DELMIA軟件進行二次開發來自動提取所有三維模型的能夠正確識別的屬性數據。

實現方法如下：首先根據DELMIA軟件正確識別的屬性數據信息設計用來顯示模型屬性的列表框，當用戶點擊工藝仿真場景中PPR（工藝、產品、資源）結構樹下的產品模型時，程序將遍歷位于其下所有零部件的屬性數據，并將其中傳遞正確的屬性數據讀入到列表框中顯示出來，關鍵程序代碼如圖4所示[4]。程序遍歷完成之后，所有零部件傳遞正確的屬性數據即完成自動提取并寫入到后臺數據庫中，便于及時分析查看和后續工藝設計制定。

圖4　模型屬性自動提取關鍵程序代碼

3　三維模型屬性數據批量重構技術路線

由于格式轉換導致三維模型的部分屬性數據丟失和傳遞錯誤，導致自動提取的DELMIA軟件正確識別的三維模型屬性數據量有限，不能滿足后續設計制定產品生產工藝和分析驗證的需求，為此還需要為模型的屬性數據如材料牌號、基本形狀等以及自定義的屬性數據進行重構。這里以三維模型材料屬性的重構為例，其它的屬性數據重構類似，首先新建TXT格式文本文件，然后將后綴名TXT修改為XML格式并按DELMIA軟件二次開發方式在其中寫入程序代碼如圖5所示，從而配置好XML格式文檔并設置初始值，再將此XML格式文檔存儲到DELMIA軟件開發環境變量對應的文件夾內，這樣DELMIA軟件啟動時將自動加載該XML文檔，最后，根據XML文檔在DELMIA軟件中開發可以查看重構屬性數據的功能界面如圖6所示，可以看到模型的材料屬性默認為是TIE，當材料屬性發生變化時，程序只需要將變化的屬性數據讀入到此空白框內即可。其它的屬性數據重構只需要在此XML文檔和功能界面內按照相同的的格式添加即可，如模型基本尺寸、輻射劑量率值等屬性。

圖5　配置XML文檔

圖6　查看重構屬性功能界面

屬性數據批量重構實現方式如下：首先配置需要重構屬性數據的XML格式文檔并開發相應的功能界面，然后將需要進行重構的模型及屬性數據整理成Excel表格，程序將表格中模型與DELMIA軟件中的模型進行匹配，為了屬性數據批量重構的順利進行，最好將模型以英文字體命名，當屬性表格中的模型名字與軟件中的模型名字一致時，就把屬性表中的屬性信息賦值給模型，然后進行下一個模型的匹配，直至完成所有模型的屬性賦值即完成了三維模型屬性數據的批量重構，其關鍵程序代碼如圖7所示。重構完成之后，可以在功能界面內查看每個模型屬性的重構數據，同時屬性表格中的模型屬性數據也寫入到后臺數據庫中，便于及時分析驗證。

圖7　模型屬性批量重構關鍵代碼

4　應用實例

以格式轉換導入到DELMIA軟件的核電站反應堆一回路系統主設備簡化模型為例，其中，重心、體積、質量、慣性中心是正確傳遞的屬性數據，需要程序自動提取，當用戶點擊仿真場景PPR結構樹中的產品裝配模型時，位于其下所有模型的正確傳遞的屬性數據將自動提取并在列表框中顯示，開發的功能界面如圖8所示，點擊“確定”按鈕所有的屬性信息將寫入到后臺數據庫中。

圖8　自動提取模型屬性數據開發界面

三維模型屬性數據批量重構可以為CAD模型添加格式轉換過程中丟失和傳遞錯誤的屬性數據以及自定義的屬性數據，當點擊重構按鈕時，程序將對虛擬仿真場景中所有零部件模型需要重構的屬性數據進行批量重構，程序運行完成之后，批量重構的屬性信息也將寫入到后臺數據庫中，與程序自動提取的屬性數據合并在一起，從而滿足后續設計制定產品生產工藝、計算、分析和驗證的需求，開發的功能界面如圖9所示，可以查看每個零部件重構的屬性數據信息。

圖9　模型屬性批量重構界面

5　結束語

從利用DELMIA軟件進行產品生產工藝仿真的實際出發，針對三維模型在格式轉換和數據傳遞過程中出現屬性數據丟失和傳遞錯誤的問題，基于DELMIA軟件進行二次開發實現了三維模型屬性數據自動提取和批量重構的功能，解決了手工錄入屬性數據效率低下的問題，滿足了生產工藝設計制定的需求，保證了產品生產工藝分析驗證和后續設計制造的順利實施，在企業實際生產過程中具有重要的作用。

參考文獻：

[1]古成中，吳新躍.3D數據轉換技巧[J].機械設計與制造，2007（5）：62-64.

[2]樊雪鈺.三維設計軟件模型數據交換研究[J].黑龍江水利科技，2013，41（10）：13-16.

[3]趙永明，侯少聰.三維模型與屬性數據同步的批處理方法研究[J].礦山測量，2015（5）：17-21.

[4]南世縱.基于DELMIA虛擬裝配技術的二次開發研究[D].天津：天津工業大學，2012：11-16.