基于异构cad平台的可参数化Web三维模型库构建
2016年12月机床与液压 Dec. 2016第 44 卷第 23 期MACHINE TOOL & HYDRAULICS Yol. 44 No. 23 DOI：10.3969/j. issn. 1001-3881. 2016. 23. 033
基于异构c a d平台的可参数化Web三维模型库构建
何丽\孙文磊\王宏伟2，刘建爽1
(1.新疆大学机械工程学院&机械工程博士后流动站，新疆乌鲁木齐830047;
2.新疆机械研究院股份有限公司，新疆乌鲁木齐830054)
摘要：构建网络三维模型库的目的在于实现对大量零部件三维C A D模型资源的规范化组织和高效集中管理。基于异构 C A D平台构建了可参数化W e b三维模型库系统架构，并对基于0S G的三维模型网络可视化、基于异构C A D系统的三维模 型参数化驱动设计及二次开发接口统一封装、三维C A D模型及参数加密等关键技术进行了讨论；给出了原型系统及其在复 杂产品—节能抽油机快速虚拟样机设计过程中的应用实例。结果表明：开发的基于异构C A D平台的可参数化W e b三维
模型库不仅能满足不同C A D用户需求，且支持在线三维模型浏览和参数化驱动设计，提高了产品开发效率。
关键词：异构C A D平台；参数化驱动；三维C A D模型；Web3D
中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1001-3881 (2016) 23-140-4
Construction of Web-Based and Parameterized Three-Dimensional CAD
Model Library on Heterogeneous CAD Platforms
HE Li1, SUN Wenlei1, WANG Hongwei2, LIU Jianshuang1
(1. School of Mechanical Engineering &Center for Post-doctoral Studies of Mechanical Engineering,
Xinjiang University, Ummqi Xinjiang 830047，China；
2. Xinjiang Machinery Research Institute Co., Ltd.，Ummqi Xinjiang 830054，China)
A bstract：The purpose of 3D model library construction was to realize standardization organization and efficient, centralized man-agement of mass 3D CAD models resource of components and parts. Based on heterogeneous CAD platforms, the system architecture for web-based and parameterized 3D CAD model library was built. And three key technologies were discussed, including OSG-based 3D model network visualization, 3D model parametric drive design, unified encapsulation of secondary development interfaces，and the encryption of 3D CAD model and its parameters. A prototype system was developed and its application process was given for complex product ( e. g. energy saving pumping unit) rapid virtual prototype design. The results show that the developed Web-based and parame-terized 3D CAD model library on heterogeneous CAD platforms can not only meet the demand of different CAD user, but also support online browsing and parametric drive design of 3D model parametric 3D model driven design, and improve the efficiency of product de-velopment.
Keywords：Heterogeneous CAD platform；Parameter-drive；Three-dimensional CAD model；Web3D
〇前言
随着CAD/CAM技术的快速发展，虚拟样机设 计[1]、参数化设计[2]、变形设计[3]、模块化设计[4]及设计知识重用[5]等现代先进设计技术成为实现产 品快速设计的重要方式。且据研究表明[6]，企业设计 活动中有高达70%的信息和知识来自原有的设计，因此，不管采用上述何种快速设计方法，三维CAD 模型等设计资源共享和重用在复杂产品快速设计和创 新设计中起着至关重要的作用。
面向多类型CAD用户构建可参数化的Web三维 模型库目前在于对产品设计过程中的大量三维CAD 模型资源的网络化集中管理，以实现资源高度共享和 重用，并实现零部件在线参数化驱动设计，进而实现 产品的快速设计。本文作者B/S模式构建了 Web三 维CAD模型库系统架构，并对其构建过程中涉及的 3个主要关键技术进行了讨论；最后开发了原型系
统，并给出了其在复杂产品——节能抽油机快速虚拟
样机设计过程中的应用实例。
1W eb三维CAD模型库系统架构
基于B/S模式，构建了基于异构CAD平台的 Web三维CAD模型库系统架构，如图1所示，大致
可分为用户层、业务逻辑/功能层、接口层、数据/资
收稿日期：2015-10-11
基金项目：新疆大学博士毕业生科研启动基金（BS130121);新疆维吾尔自治区高校科研计划项目（XJEDU2014S008);新 疆维吾尔自治区科技计划重大专项（201130110)
作者简介：何丽（ 1986—），女，博士，讲师，在站博士后，主要研究方向为网络化制造、数字化设计与制造研究。
E-mail: heli66@ 163. com 。
第23期
何丽等：基于异构CAD 平台的可参数化Web 三维模型库构建
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源层和C A D 应用程序服务层共5个层次。图1 W eb 三维C A D 模型库系统架构
(1)
用户层：在用户层，按用户角色不同可分
为游客、企业级用户、个人注册用户、系统运营商及
系统管理员用户等；而按使用三维C A D 软件不同可 分为U G 用户、P r o /E 用户、S o lid E d g e 用户、C A T IA 用户等。不同用户通过W e b 浏览器、三维模型可视 化插件等工具即可实现对三维模型的浏览和参数化驱
动设计等在线应用。
(2) 业务逻辑/功能层：该层是系统运行的核心 层，包括三维C A D 模型可视化、在线参数化驱动设 计、三维C A D 模型及参数加密等数据安全管理、用 户管理、模型库动态扩展、模型资源检索等功能 模块。(3) 接口层：该层次是连接业务逻辑层与数据
库、异构三维C A D 软件的中间桥梁。通过对异构三
维
C A
D 软件二次开发接口的统一封装，实现对各 C A D 软件的统一调用和操作；通过数据库访问接口 A D O . N
E T 、文件访问接口分别实现对数据库及文件
的各项操作。
(4) 数据/资源层：作为整个系统的数据支撑， 该层包括可用户信息库、3D 模型资源信息库、参数 化模板文件库、浏览模型文件库等内容。
(5) C A D 应用程序服务层；各异构C A D 系统通 过二次开发接口为系统提供外部服务，通过接收接口 传递的命令实现文件打开/关闭、参数提取、参数化 驱动、模型数据转换等操作，进而实现系统功能。
2
可参数化
Web 三维模型库构建关键技术
2. 1 基于O S G 的三维模型网络可视化
W eb 3D
技术是一种基于虚拟现实的三维立体网
络展示技术，且在V R M L 、X 3D 、JA V A 3D 等众多实 现技术中，V R M L 因使用文本编码格式的文件（*.
w r l )
来存储和传输三维模型数据，具有网络传输速
度快等优势，成为当前互联网上较为常用的一种 W eb 3D 实现方法之一[7]。
考虑通过各异构三维C A D 软件二次开发接口均 可实现由模型文件到V R M L (*. w r l )文件格式的自 动转换。在
B /S 模式下，只需在客户端安装一款
V R M L
浏览器插件即可查看和旋转等交互操作三维立
体模型。基于O S G 平台（Open Scene G raph ，一^种开
放源代码的基于O p e n G L 的较为成熟的三维模型可视
化
A P I )，并利用A T L
框架下的A c tiv e X 控件开发技
术，开发了一个基于V R M L
文件的三维模型网络可
视化插件。在
H T M L
页面中，可通过〈object 〉或〈em -
bed 〉 标签调用该 A ctiveX 控件 ，关键代码如下：
< object
id = a 3D V iewer
classic ! = ： CLSID ：
E 53D AC 43-
F 0D 8-4B E E -A 5A 1-3D 702452D 1B 7”〉
X X X .w rl " />利用JavaS cript 脚本语句可实现对该控件的控制 和交互，实现三维C A D 模型网络可视化，如图2所 示，并利用A J A X 等技术进而实现三维C A D 模型的 无刷新快速浏览。
图2三维C A D 模型网络可视化
2. 2
基于异构C
A D
系统的三维模型参数化驱动
在线参数化驱动设计是W e b 三维C A D 模型库网 络化应用的主要功能之一。且目前常用三维C A D 软 件较多，包括 UG N X 、SolidEdge 、Inventor、C A T I A 、
Pro /E 、S o lid W o rk s 等，有必要面向多样化的异构 C A D 系统用户提供在线参数化驱动设计功能。其具
体实现流程如图3
所示。
? 142?机床与液压第44卷
图3在线参数化驱动流程图
由此可知，三维模型参数化驱动过程关键是通过 调用异构三维C A D系统二次开发接口来具体实现。而各异构C A D系统提供的二次开发接口类型和调用 方式不尽相同，这就很大程度上增加了系统开发和维 护的难度。但它们在实现三维模型参数化驱动过程中 的A P I调用流程均可抽象为：“初始化环境”“打 开模型参数化模板文件”“调用相关操作（如获 取与修改驱动参数、生成中性文件等）”—关闭文 件^结束回话”[8]。因此，可利用面向对象编程中类 的多态及继承等特性，对异构三维C A D软件二次开 发接口进行统一封装与调用。先定义一个公共接口 IC A X A P IL ib，包含对接口中方法及属性的定义，保 证接口调用方法的一致性并屏蔽不同C A D软件二次 开发接口的差异性；再依据不同C A D系统类型从此 公共接口派生出具体化的操作类。如图4所示给出了 三维C A D软件S o lid E d g e和In v e n to r的具体操作类 C S E AP ILib和 C In v A P IL ib0
而在通用接口调用过程中，通过识别文件标识号 中的所属C A D系统标识符来选择与之对应的操作类 进行初始化和相应操作。
2.3 三维C A D模型及参数加密
在三维C A D模型文件网络传输过程中，为保证 W e b三维C A D模型库中重要产品三维C A D模型的完 整性、安全性和可用性，除对其进行基于角色的访问 权限控制[9]之外，一般还需从以下两个方面对三维
C A D模型及其参数进行加密处理：
(1)三维C A D模型文件加密：在比较了对称密算法（如D E S-数据加密标准算法、I D E A-欧洲数 据加密标准算法和A E S-高级加密标准算法）和非对 称加密算法（如R S A算法）的优缺点基础上，为满 足三维C A D模型访问控制的需求，且综合考虑C A D
模型进行参数化操作时需要快速响应等问题，系统采 用D E S对称加密算法对库中的三维C A D模型进行批 量加密处理。在.N E T框架下通过创建一个C ry p- to S tr e a m对象来完成一次加密/解密操作。
(2)三维C A D模型参数化信息加密：用于三模型参数化驱动的各参数列表等信息是通过X M L文 档中传递到客户端的，X M L文档中的每个节点代表 着C A D模型资源的一个信息细节。对三维C A D模型 参数化信息加密即对X M L文档中指定元素的加密。利用X M L的D O M编程接口技术选择到需要加密的元 素，如存储参数化信息的元素 图5三维CAD模型参数XML文档加密 3系统开发及应用实例 基于.N E T框架，利用 V is u a l S tu d io2010，SQL S e rv e r 2008等工具开发了网络化的三维零件模型库原 型系统——3D C b u d。其在复杂产品快速虚拟样机设 计中的应用过程如图6所示，以复杂产品节能抽油机 为例。 第23期 何丽等：基于异构CAD 平台的可参数化Web 三维模型库构建 ? 143 ? ? - !** I it *i s w 2^-V m m t j m \ 麵 ? J a H (1)节能抽油机三维CAD 模型库构建 .一 (2)零部件三维CAD 模型查看及下载 (4)虚拟样机总机装配(SolidEdge ) 图6系统开发及应用实例 应用过程大致概况为：（1)依据复杂产品族通 用结构模型树，构建节能抽油机三维C A D 模型库；(2) 通过树形菜单导航，在线查看和调用可重用零 部件的三维C A D 模型，且支持多种C A D 文件格式零 部件模型的下载；（3)还可以通过系统提供在线参 数化驱动设计功能，通过修改关键参数值获得新设计 的零部件，并下载三维C A D 模型；（4)在C A D 系 统—— S olidE dge 装配图环境下，对 步骤（2)和步骤 (3) 中获得的新设计的某型号节能抽油机所需的零 部件三维C A D 模型进行组合装配，完成复杂产品节 能抽油机的数字化虚拟样机设计。经实践表明，Web 三维C A D 模型库在该产品虚拟样机快速设计中的应 用，有效地缩短了新产品开发周期，节约了开发成本。 4 结束语 设计重用的核心思想是最大限度地利用企业在长 期生产活动中积累的设计知识资源，以快速设计出满 足用户需求的新产品。零部件三维C A D 模型库是设 计资源的一种组织形式，将可重用的资源信息进行标 准化、规范化的组织和管理，使企业现有的设计资源 能快速地应用于新产品的开发中。文中开发的基于异 构C A D 平台的可参数化W e b 三维模型库不仅能满足 不同C A D 用户需求，且支持在线三维模型浏览和参 数化驱动设计，其构建和应用对提高产品开发效率、 提升产品开发质量等有着重要的意义。后续将针对三 维C A D 模型资源的语义检索等关键技术进行深入研 究，以提局二维C A D 梭型资源的利用率。 参考文献： [1 ]许红静，段国林，蔡瑾.面向复杂产品的可重构虚拟样机 技术研究[〗].机械设计，2012,29(9) :25-28. X U H o n g jin g ,D U A N G u o lin ,C A I Jin.R esearch on Te chno l-ogy o f Reusable V irtu a l P rototype fo r Com plex P ro d u c t[ J ]. Journal o f M a chine D e s ig n ,2012,29(9) ：25-28. [2] W A N G J in g a n g ,C U I Z h ich e n g , L IU Lizhong. P aram etric Design o f Jib in R apid D esign System o f Tower Crane [ J ]. Advanced M aterials R e se a rch ,2014,940：232-235. [3] N IU Q inzh ou,S O N G Y a n fa n g.A R apid D esign System In te - grated C br w ith V a ria n t D e sig n [ J ] .A p p lie d M echanics and M a te ria ls ,2014,610： 190-195. [4] GU X in jia n ,Z H U Jianhong.The La ttice Structure C onfigura- tio n D esign fo r Stereolithography Investm ent Casting P attern U sing Topology O ptim ization [ J ]. R apid P roto typing Jour-na l ,2012,18( 5) ：353-361. [5 ] C H E N X ia n g , G AO S h u m in g , Guo Song. A F le xib le Assem - b ly R etrie val A pproach fo r M odel Reuse [ J ]. C o m p u te r-A i-ded D e s ig n ,2012,44：554-574. [6] Z H A N G D o n g m in ,H U D a c h a o ,X U Y u c h u n.A Fram ework fo r D esign Knowledge M anagem ent and Reuse fo r P rod uct- service Systems in C onstruction M a chinery In d u stry [ J ]. Computers in In d u s try ,2012,63：328-337. [7] 刘炀，邵伟，王静，等.V R M L 虚拟现实网络互动仿真装 配平台的研究[J ].图学学报，2012( 1) :87-90. L IU Y a n g , S H AO W e i, W A N G J in g , et al. A p p lic a tio n o f V irtu a l R e a lity in V R M L -b a se d A ssem bly V is u a liz a tio n [ J ]. Journal o f G raphics ,2012( 1) ： 87-90.[8] 王宏伟.基于异构C A D 平台的网络三维零件资源集成 库系统开发[D ].乌鲁木齐:新疆大学，2013. [9] H E L i, SUN W e n le i.A Fin e-graine d Access C ontrol A p - proach fo r Parts Resource Sharing [ J ]. A p p lie d M echanics and M aterials ： M e chanica l E n g in e e rin g , M a nufa curing and A utom ation Technologies ,2015,722 ： 159-163. l i i 一笔 一翁吾三一漭 一