基于OpenCASCADE的三維工廠瀏覽程序的開(kāi)發(fā)
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摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了借助于開(kāi)源的幾何造型內(nèi)核OpenCASCADE把從AVEVA Plant(PDMS)中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)重新以三維展示，類似AVEVA Review的功能；以及利用OCC的數(shù)據(jù)交換功能模塊，將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成常見(jiàn)三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式，便于其它CAD之間的數(shù)據(jù)交換，類似Mechanical Equipment Interface的功能。
關(guān)鍵字：AVEVA Plant、PDMS、AVEVA Review、OpenCASCADE、STEP、IGES、STL
一、引言 Introduction
工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)是工程設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工廠模型設(shè)計(jì)的輔助工具。隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟、硬件的飛速發(fā)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建議規(guī)模的日益擴(kuò)大，在設(shè)計(jì)施工單位進(jìn)行工程招標(biāo)投標(biāo)，都需要有快速有效的反應(yīng)速度。工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)正是幫助工程技術(shù)人員提高設(shè)計(jì)效率的強(qiáng)有力工具。
PDMS（Plant Design Management System）是英國(guó)劍橋CAD中心從1974年起與Isopipe and Akzo Engineering公司合作開(kāi)發(fā)的，1977年后作為產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，至今已有3000多個(gè)用戶，遍及30多個(gè)國(guó)家。我國(guó)目前也有很多用戶。
PDMS的核心是一功能強(qiáng)大的多用戶項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，配合使用1：1全尺寸的三維實(shí)體實(shí)體造型系統(tǒng)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)程中的所有詳細(xì)信息都進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，包括元件的幾何屬性與連接屬性等。項(xiàng)目的規(guī)模和復(fù)雜程度不受限制。
PDMS包括許多集成模塊：如三維建模、圖紙生成、工廠瀏覽等，功能強(qiáng)大。在當(dāng)前的版本中，還提供與應(yīng)力分析軟件CAESAR的接口，與Intergraph的FrameWorks的接口等。PDMS對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性也做了很多工作，可以使用NT授權(quán)，及分配設(shè)計(jì)人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的權(quán)限。
AVEVA Review可以對(duì)三維工廠模型進(jìn)行真實(shí)化的渲染，且對(duì)模型的規(guī)模和復(fù)雜程度不作限制。可對(duì)RVM、STEP、IGES、SAT的模型文件進(jìn)行渲染。這樣對(duì)模型的審核就變得非常便捷，并且可用AVEVA Review來(lái)對(duì)勞動(dòng)者進(jìn)行工廠安全和裝置的操作性上的培訓(xùn)。
Figure 1. AVEVA Review rendered picture
Open CASCADE（簡(jiǎn)稱OCC）平臺(tái)是由法國(guó)Matra Datavision公司開(kāi)發(fā)的CAD/CAE/CAM軟件平臺(tái)，可以說(shuō)是世界上最重要的幾何造型基礎(chǔ)軟件平臺(tái)之一。開(kāi)源OCC對(duì)象庫(kù)是一個(gè)面向?qū)ο?strong>C++類庫(kù)，用于快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用程序。OCC主要用于開(kāi)發(fā)二維和三維幾何建模應(yīng)用程序，包括通用的或?qū)I(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)、制造或分析領(lǐng)域的應(yīng)用程序、仿真應(yīng)用程序或圖形演示工具。OCC通過(guò)有機(jī)組織的C++庫(kù)文件提供了六個(gè)模塊。可視化模塊作為OCC的核心部分，是可視化技術(shù)的具體體現(xiàn)。
OCC對(duì)象庫(kù)提供如下服務(wù)：
1、提供二維和三維幾何造型建模的工具：創(chuàng)建持久化的類，諸如：棱鏡、圓柱、圓錐、圓環(huán)；演示布爾操作(加法，減法和交叉)；應(yīng)用嵌條，倒角和拉伸來(lái)拉伸結(jié)構(gòu)；采用沖抵，去殼，變空，掃描制造結(jié)構(gòu)模型；計(jì)算表面特性諸如表面、體積、重心、曲率；用投影，插值，近似計(jì)算幾何體；管理實(shí)現(xiàn)對(duì)象的顯示與操作行為的可視化服務(wù)，如三維旋轉(zhuǎn)、變焦、遮光等操作。
2、應(yīng)用框架主要有非幾何應(yīng)用數(shù)據(jù)和幾何學(xué)的融匯、模型參數(shù)化以及創(chuàng)建圖形用戶界面的框架（GUI）等特色。
3、提供OCC模型輸入輸出功能和標(biāo)準(zhǔn)版的數(shù)據(jù)交換功能，如IGES和STEP。由于OCC技術(shù)是一個(gè)開(kāi)源的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此在數(shù)值建模軟件如CAD\CAE\CAM的開(kāi)發(fā)上得到了廣泛的應(yīng)用。
本文簡(jiǎn)要介紹在OCC幾何造型平臺(tái)上，將從PDMS中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并將其數(shù)據(jù)導(dǎo)成常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。本文的意義在于：
u 對(duì)開(kāi)源幾何造型平臺(tái)OCC的基本實(shí)體的造型能力進(jìn)行一點(diǎn)檢驗(yàn)；
u 對(duì)AVEVA PDMS產(chǎn)品進(jìn)行深一步的研究；
u 為有使用AVEVA Review需求的用戶提供一個(gè)替代品，從而減輕軟件授權(quán)的費(fèi)用；
u 為有使用Mechanical Equipment Interface需求的用戶也提供一個(gè)方法，使其有能力開(kāi)發(fā)與其它CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的接口程序；
二、數(shù)據(jù)的導(dǎo)出 Export Model
AVEVA提供了三種二次開(kāi)發(fā)的方式：DARs（Data Access Routines）、C#、PML（AVEVA Programmable Macro Language）。
DARs是FORTAN77的一些函數(shù)，可用于創(chuàng)建與其它程序的接口。如編寫生成材料報(bào)表程序、管子應(yīng)力分析程序、生成軸測(cè)圖程序等。使用DAR就像在PDMS中的命令中使用命令一樣方便，對(duì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)航和定位方式相似。
C#是AVEVA使用.NET來(lái)二次開(kāi)發(fā)的推薦語(yǔ)言，功能是這三種二次開(kāi)發(fā)方式中最強(qiáng)大的。
PML是AVEVA內(nèi)置二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)，可以在AVEVA中很快開(kāi)發(fā)出實(shí)用的程序。
為了使用OCC提供的框架，這里選用DARs來(lái)進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。DARs提供從模型中提取屬性必要的函數(shù)。這些函數(shù)分為以下幾種類型：
u 初始化（Initialisation）；
u 數(shù)據(jù)導(dǎo)航（Navigation）；
u 讀取屬性（Attribute retrieval）；
u 錯(cuò)誤處理（Error Handling）；
u 功能函數(shù)（Utility routines）；
上述這些函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)都只有讀的權(quán)限，不能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行寫和更新。DARs程序的運(yùn)行需要FORTRAN的兩個(gè)庫(kù)文件：libifcoremd.dll和libmmd.dll，并且要確保d3lib.dll庫(kù)文件的環(huán)境變量的正確設(shè)置。在AVEVA的安裝目錄中有個(gè)dars文件夾，其中有使用DARs的庫(kù)和示例程序。參考這些文件，對(duì)熟悉C++的人來(lái)說(shuō)使用DARs還是很簡(jiǎn)單的。
OpenCASCADE的數(shù)據(jù)框架（Data Framework）對(duì)來(lái)自不同程序的數(shù)據(jù)提供了統(tǒng)一的處理環(huán)境。這就簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)交換、修改，也保證了數(shù)據(jù)統(tǒng)一性、穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)方法需要用到以下部分：
u 標(biāo)號(hào)Tha tag
u 標(biāo)簽The label
u 屬性The attribute
Figure 2. Contents of a document
如上圖所示，框架樹(shù)的第一個(gè)標(biāo)簽（label）是根標(biāo)簽（root）。每個(gè)標(biāo)簽（label）有個(gè)以整數(shù)表示的標(biāo)號(hào)（tag）。由當(dāng)前標(biāo)簽的標(biāo)號(hào)到根標(biāo)簽的標(biāo)號(hào)，可以得到一個(gè)惟一的標(biāo)號(hào)列表，如：0:1:2:1。
每個(gè)標(biāo)簽（label）可以一些屬性（attribute），這些屬性可以包含數(shù)據(jù)。每個(gè)屬性由GUID來(lái)區(qū)分。標(biāo)簽最重要的性質(zhì)是其入口只是數(shù)據(jù)框架的一個(gè)地址。
將DARs導(dǎo)出的數(shù)據(jù)結(jié)合OCC的程序框架，得到結(jié)果如下圖3所示：
Figure 3. Export Model and Show in OCAF
三、數(shù)據(jù)的顯示 Display Model
為了顯示PDMS的模型，需要提取出模型類型及相應(yīng)的位置、朝向數(shù)據(jù)等。如下圖所示為一個(gè)設(shè)備中的一個(gè)圓柱數(shù)據(jù)，讀取其中的Type、Position、Orientation、及Diameter、Height的屬性，可以用來(lái)對(duì)一個(gè)圓柱進(jìn)行造型。
Figure 4. Attributes of Cylinder in PDMS
對(duì)管子和型材部件，需要讀取其規(guī)格書SPEC中引用的標(biāo)準(zhǔn)部件庫(kù)的模型數(shù)據(jù)。
Figure 5. Attributes of Flange Componet
如上圖所示為一個(gè)法蘭（Flange）部件的部件數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)模塊中部件的spref屬性找到其部件的catref，根據(jù)catref得到其部件定義的數(shù)據(jù)。部件包含點(diǎn)集（Point set）、形集（Geometry set）、數(shù)據(jù)集（Data set）等，若只需要顯示部件形狀，只需處理其形集Gmref中的幾何形狀數(shù)據(jù)。
如下圖所示為從PDMS中導(dǎo)出的簡(jiǎn)單設(shè)備模型數(shù)據(jù)到OCC中顯示的效果：
Figure 6. Export Model to OCC
四、數(shù)據(jù)的交換 Data Exchange
AVEVA提供了一個(gè)機(jī)械設(shè)備的接口用于將STEP AP203文件導(dǎo)入到3D模型中，和把模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STEP AP203格式與其它CAD系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如下圖所示：
Figure 7. Mechanical Equipment Interface of AVEVA
OCC的Data Exchange模塊提供了豐富的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。如下圖所示：
Figure 8. Data Exchange module of OCC
使用OCC的程序框架（OCAF）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成上圖所示的格式是非常容易的。
五、結(jié)論 Conclusion
通過(guò)使用DARs對(duì)AVEVA PDMS的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，對(duì)PDMS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有了更深入的認(rèn)識(shí)。通過(guò)使用OCC對(duì)導(dǎo)出的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，測(cè)試了OCC的基本實(shí)體的造型算法和顯示算法。對(duì)相對(duì)復(fù)雜些的模型進(jìn)行顯示時(shí)，OCC的速度還是不錯(cuò)的。若只對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)體進(jìn)行造型時(shí)，OCC算法應(yīng)該還是比較正確的。
若需要將PDMS的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到其它CAD系統(tǒng)中，使用OCC還是能完成任務(wù)的。另外OCC是開(kāi)源免費(fèi)的，不會(huì)因軟件授權(quán)而產(chǎn)生額外費(fèi)用。唯一的不足就是可能有些OCC的算法不正確，而解決這些bug可能比較麻煩。
若對(duì)本文或?qū)?strong>AVEVA PDMS、OCC有任何意見(jiàn)、建議都可與我取得聯(lián)系，電子郵箱地址為：eryar@163.com 。
六、參考資料 Bibliography
1. AVEVA Review website
2. AVEVA Mechanical Equipment Interface User Guide
3. AVEVA Data Access Routines User Guide
4. AVEVA Data Model Reference Manual
5. Overview of OCCT Library
6. OCCT Modeling Data User's Guide
7. OCCT Application Framework User's Guide
8. OCCT Modeling Algorithms User's Guide