基于复杂装配体特征抑制的轻量化方法

董 健，董玉德，刘 福，王 帅，时晓蕾，陶高周

基于复杂装配体特征抑制的轻量化方法

董 健1，董玉德1，刘 福1，王 帅1，时晓蕾2，陶高周2

(1. 合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009；2.阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088)

针对大型复杂三维模型加载速度慢，装配体在装配时由于零部件众多导致装配效率低的问题，提出一种基于装配体特征抑制的轻量化方法。在充分分析装配体组织结构的基础上，给出装配约束父子关系以及特征路径提取思路，以保留装配接口为前提，首先采用无关零部件抑制、按体积抑制比抑制、微小特征抑制等方法，实现复杂装配体的轻量化表示；然后提出特征恢复技术，实现轻量化模型的特征还原；最后以Creo 2.0为二次开发平台，结合MFC对话框技术开发出一套装配体轻量化系统，并应用于企业产品模型测试。实验结果表明，利用该系统得到的轻量化模型简化效果明显，模型数据量大大减小，不仅加快了模型加载速度，而且提高了装配效率。

装配接口；轻量化方法；特征抑制；特征还原；对话框

CAD/CAM技术的飞速发展，大大提高了产品的设计周期和设计效率。随着产品复杂度的提高出现装配件占内存越来越大、装配定位效率低下、硬件设备跟不上等一系列问题[1-2]。轻量化三维模型成为一种趋势[3]。众多学者在三维模型简化及轻量化问题上已经做过许多研究工作，韩国的SONG和LEE[4]提出的将复杂模型分成一系列细节层次的片段对模型进行边界表示以期达到模型简化目的；LI等[5]提出了一种利用两个标准来控制3D VRML模型中边缘的折叠过程以减少信息量的关键因素的算法来达到模型简化目的；GAO等[6]提出一个基于特征抑制的CAD网格模型简化框架，利用泊松方程和用于混合特征的方法简化CAD网格模型；耿维忠等[7]充分利用CAD模型的特征参数和草图中所蕴含的细节特征信息采用比较特征投影尺寸，识别草图中短图元等手段快速识别并抑制细节特征；王启富等[8]提出一种复杂产品模型数据轻量化算法，算法基于非几何信息过滤，曲线、曲面简化，通过数据压缩对初始模型进行简化；葛超群[9]利用Pro/E提供的二次开发接口采用零部件特征删除以及零部件融合技术来减少装配体的数据量，但得到的模型仅有特征标识，无法进行特征操作；闫涛等[10]提出一种基于三角形删除的简化算法，通过删除相应的三角网格模型区域，达到模型简化目的；杨荣等[11]采用参数手段描述并替代CAD模型表面的简单曲面来实现模型的压缩；上述学者提出的三维模型简化方法取得了很好的简化效果，但有的轻量化模型如网格模型只有三角面片信息，缺乏几何特征信息[12]，大量的原始数据丢失，装配拓扑关系失效，无法进行约束定义；有的轻量化方法只针对简单曲面进行简化，对于模型其他设计特征未作处理，简化程度不高。同时，目前已研究的模型轻量化方法大都是单向简化，即轻量化的不可逆性，轻量化后的模型无法进行模型还原。

基于上述情况，本文提出一种装配体轻量化以及轻量化模型的特征恢复方法，并以Creo 2.0为二次开发平台，开发出一套复杂装配体轻量化系统。主要解决以下问题：

(1) 在不改变模型数据结构和保留装配接口的前提下，利用MFC树控件筛选装配接口，通过装配体模型Id表获得元件路径，结合特征遍历技术抑制干扰装配的元件。

(2) 提取装配体元件体积信息，并按体积抑制比快速实现模型简化，缩短轻量化用时；通过特征标识号获取所有特征类型，匹配特征类型抑制所有倒圆/角、孔等微小特征，进一步减少模型数据量。

(3) 匹配状态标识识别所有被抑制的特征，重新将这些特征调入内存，实现轻量化模型后续操作完成后的特征还原。

1 装配体特征关系

参数化建模软件建立的装配体模型均由特征构成。对装配体而言，元件是其特征，并由一些零件或子装配体组成；对零件而言，拉伸、孔等特征是其基本特征。基于特征抑制的轻量化方法的关键研究对象是复杂模型的特征。模型特征路径的获取以及对特征之间依赖关系的探究是轻量化技术实现的前提。

1.1 装配体特征路径获取

以Pro/E软件为例，装配体的组成结构以树形图呈现[13]，图1为装配体的树形结构图。其中圆代表装配体，方框代表零件，由图可知一个顶层装配体由许多零件和子装配件组成，子装配件同样由零件和次子装配体组成，且同一个零件可能出现多次，因此Pro/E在内部给每个零部件标记一个唯一Id号。装配体中某元件(零件或子装配件)在装配件的位置可以用Id表表示，如图1元件E的Id表为：

table_num=3

comp_id_table[0]=3

comp_id_table[1]=8

comp_id_table[2]=6

其中，comp_id_table为元件的Id表；table_num为元件中元素个数。要获得元件的路径，需要用到MFC对话框树控件，并在树控件的树节点存放一个参数记录元件的Id号，通过获得父节点的隐藏参数，依次访问到元件所在节点，整个访问过程结束得到元件完整的Id表，元件的路径即被确定。

图1 装配体树形结构图

1.2 元件父子特征约束关系

元件父子特征定义：装配体中作为约束参考对象并优先加入装配体的元件称为父特征，依赖于父特征定义约束后装配进来的元件称为子特征。

装配接口定义：用于元件之间定义约束关系的面、边等基准。

如图2所示，装配体D由零件E和零件F组成，首先在软件装配界面添加零件E，零件F以零件E为参考定义装配约束后添加进来，因此零件F对零件E来说属于子特征，零件E对于零件F属于父特征。零件E和零件F之间存在多个约束关系，在参数化软件中，父特征的级别高于子特征，当子特征被抑制时，父特征仍然保留，而父特征被抑制后子特征将一并被抑制。复杂装配体装配存在2种情况：一是已经装配好的模型作为子装配体装配到其他组件下且不与除顶层装配体外的其他元件存在约束关系；二是作为装配主体需要添加其他元件。对于第二种情况需要考虑装配接口所属元件是否存在父子特征关系，若存在，首先应打断子特征与父特征的约束参考关系。通常的三维建模软件在进行装配时会提供重合、平行、共面以及固定等约束类型，除固定约束外，其他约束需要定义元件之间约束关系，因此可利用固定约束打断父子关系，其虽与其他元件没有约束关系，但实际上，软件内部会为其自动分配一个参考。以Pro/E为例，该参考为“默认”，在坐标系统中，该参考实质上是屏幕坐标系，屏幕坐标系是一个二维坐标系统，用来描述当前窗口位置，利用屏幕坐标系作为约束参考来替换原有的约束，实现元件父子关系的打断。关系被打断后，元件所有约束变为单一固定约束，原先父特征任何信息的改变不会对该元件产生影响。

图2 父子特征约束

屏幕坐标系作为约束参考打断元件父子关系过程如下：

步骤1. 通过元件装配关系确定装配接口面所属元件是否含有父特征，若有，执行下一步；否则，转步骤5。

步骤2. 获取元件路径，并遍历得到元件与父特征的所有约束，执行下一步。

步骤3.剔除步骤得到的所有约束，获得屏幕坐标系，并将屏幕坐标系作为约束参考，设置约束类型为固定，执行下一步。

步骤4. 刷新屏幕，模型重生。

步骤5. 退出。

2 复杂装配体轻量化技术实现

本文在深入研究模型特征特点的基础上，结合CAD建模软件二次开发接口提供的API抑制和还原函数提出了无关零部件抑制、按体积抑制比抑制、微小特征抑制以及特征恢复技术对复杂装配体进行轻量化处理，如图3所示，本文方法主要分为特征抑制和特征还原2大模块。

图3 轻量化模块

对装配体特征从不同层面进行抑制达到模型轻量化的思维框图如图4所示。

图4 轻量化思维框图

(1) 首先加载待轻量化的装配体，标记装配接口并用前文所述方法打断约束关系；

(2) 从无关零部件抑制和按体积抑制比抑制层面对模型进行简化初步得到轻量化模型；

(3) 遍历装配体所有零件特征，孔、倒圆等特征作抑制处理，进一步得到轻量化模型。

不同装配件装配接口的选取没有统一标准，视具体装配而定，对于设计人员而言，需清楚组件中的装配接口，因此，先确定要保留的零部件，对不参与装配的零部件进行抑制。

2.1 装配接口的筛选

对装配体轻量化之前，必须筛选出装配接口所属元件，为了让系统自动识别设计人员期望保留的元件，利用MFC的带复选功能的树状结构，记录元件保留状态，如图5所示。MFC树控件由众多节点组成，每个节点前附加复选框，复选框通常存在2种状态：选中和未选中。

图5 带复选框的树控件

因此，遍历树节点获得复选框状态，即可记录元件的保留状态。本文设定复选框未选中表示该元件含装配接口，即元件待保留。

2.2 无关零部件抑制

无关零部件指复杂装配体模型进行装配时，大量不包含装配接口的元件，其不仅干扰装配而且占用内存，许多三维软件如Solidwoks，Pro/E等提供了类似“隐藏”功能，通常的做法是用户手动将这些零部件一一隐藏，然后完成装配，这种操作单一重复，非常繁琐，而且容易出错。无关零部件抑制的核心思想即利用三维软件提供的二次开发接口遍历装配体所有元件，事先确定装配接口所属元件，并利用循环语句判断元件的保留状态，调用软件接口提供的抑制函数自动大批量完成所有无关元件的抑制。在剔除元件过程先判断装配接口面与被抑制的元件是否存在父子特征关系，若存在，则在轻量化装配体之前，先利用如前所述的方法将所有父子关系打断。

无关零部件抑制过程如下：

步骤1. 勾选树控件复选框记录待保留元件。

步骤2.打断各个待保留元件的父子特征约束关系，执行下一步。

步骤3.遍历装配体，得到装配体元件总数。

步骤4.循环判断第(从1开始)个元件的复选框check状态，若选中，执行下一步；否则加1，并判断≤是否成立，若成立转步骤4，否则转步骤7。

步骤5. 获得第个元件的存储路径，并利用抑制函数抑制该元件，执行下一步。

步骤6.值加1，并判断是否满足≤，若满足，转步骤4，否则，转步骤7。

步骤7.遍历结束，获得轻量化模型。

2.3 按体积抑制比抑制

将不参与上述装配的所有零部件消去，取得较好的模型简化效果，但当不参与装配的零部件过多，系统处理过程很长，并且装配接口所属元件占整个装配体体积较大时，可以除去占体积较小的元件不仅不影响装配而且处理速度加快很多。采用按体积抑制比抑制零部件[14]的方法可以达到此效果，即通过计算装配体各个零部件的体积，并设置一个体积阈值，系统根据设置的抑制比经过逻辑处理将体积小于体积阈值的所有零部件消去，得到一个简化模型。该模型虽不是最精简模型，但众多不影响装配体外形且不含装配接口的微小零部件及特征得到抑制，可以达到精简装配要求。系统先算出零件加权体积

的前提下，进行如下处理

其中，保留为含装配接口的元件。

图6 体积抑制比设置

2.4 微小特征处理

产品设计是以三维模型的形式进行建模装配，模型是由设计特征组成的，部分常见设计特征见表1。

表1 常用设计特征

复杂装配体存在大量不影响装配体外形以及装配接口的特征，如倒角、孔等，将这些特征称为微小特征。由于这些特征数量众多特导致数据量很大，在三维软件初次打开一个复杂模型时，装配体每一个特征都需要加载至内存，加载时长可达数分钟之久，这无疑加重计算机负担和增加设计人员等待时间。为了进一步减少模型的数据量，加快模型打开速度，利用特征识别技术来剔除这些微小特征。由于孔、倒角等实体特征出现频率高，且多为辅助特征，不影响模型整体结构，主要识别这些特征并抑制。

模型特征识别和提取技术早有研究[15-17]。诸如Pro/E，UG等建模软件设计的特征都会提供对应的特征标识，以Pro/E为例，截取其API文档提供的模型特征类型部分头文件，如图7所示，孔、倒圆、倒角特征标识号分别为911，913，914。通过遍历模型获得所有特征的标识号可以准确判断每个特征的类型，筛选并抑制指定特征。

图7 模型部分特征标识号

以孔特征抑制为例，抑制的基本过程如下：

步骤1.遍历装配体，得到装配体元件总数。

步骤2.遍历第(从1开始)个元件，获得其特征总数目，执行下一步。

步骤3. 获得特征类型记作type，判断第(从1开始)个type=911是否成立，若成立，执行下一步；否则，值加1，并判断≤是否成立，若成立转步骤3；否则判断≤是否成立，若成立，值加1，转步骤2；否则转步骤5。

步骤4. 抑制第个孔特征，并判断≤是否成立，若成立，值加1，并转步骤3；否则，值加1，并判断≤是否成立，若成立，转步骤2；否则转步骤5。

步骤5. 遍历结束，得到抑制孔后的模型。

图8(a)元件表面存在大量孔特征，经过孔特征抑制处理得到简化后的图8(b)模型，所有孔被剔除。倒角、倒圆特征的抑制方法类似。

(a) 简化前(b) 简化后

2.5 特征恢复技术

轻量化后的装配件进行后续的装配及其他操作后，为了保证总装的完整性，需要将被抑制的特征全部还原。

2.5.1 特征恢复的理论依据

经过轻量化处理后，模型大量特征被抑制，装配体数据量大大减小。与三维软件常见的“隐藏”等功能不同的是这些被抑制特征已经在计算机内存中解除占用，软件内存得以释放，模型打开速度以及装配效率得以提升，但实际上，这些特征并没有被彻底删除，仍存在于计算机硬盘中，特征抑制与常见的“隐藏”、“删除”等使特征隐去的功能对比见表2。

表2 不同隐去特征功能对比

由表2可知，被抑制的特征较其他两者相比，不仅不占用内存而且特征可以恢复，揭示了轻量化模型减少计算机计算量提高模型加载效率及装配效率的机制。据此理论，通过检索所有被抑制特征的存放路径，将其再次引用，并调入内存即可实现特征恢复。

2.5.2 特征还原技术的实现方法

模型每个特征对应一个状态，以Pro/E为例，模型存在的特征状态及状态标识见表3。

表3 特征状态标识号

上述状态标识在软件内部对应不同特征的存在状态，其中标识号5代表特征被抑制，要实现特征恢复，首先循环获得每个特征状态；然后将获得的状态与特征标识号5对比，二者若匹配，则将该特征放入一个特征数组里，直到所有状态获取完毕；最后获得每个被抑制特征的Id表得到其存放路径，利用API函数自动将这些特征调入内存并重新加载到软件界面，实现模型特征的还原。

3 轻量化系统及案例分析

3.1 系统个性化定制

为了验证上述复杂模型轻量化理论，设计一套轻量化系统，本系统以参数化软件Creo 2.0为开发环境，借助VS2010和Pro/Toolkit二次开发接口完成系统的设计，系统主界面如图9所示，主要分为装配体的轻量化设计模块和特征恢复模块。

图9 轻量化系统主界面

3.2 实例分析

针对具体装配体模型，来验证系统轻量化效果以及对结果进行相关分析。

3.2.1 轻量化效果

图10为某企业的断路器模型，该模型由许多零部件组成，每个零部件又包含大量细节特征，该装配体主要由箱盖、箱体作为装配接口，其他元件逐一添加进来。现以箱盖、箱体作为待保留元件，验证轻量化系统的轻量化效果。

图10 断路器模型

(1) 验证无关零部件抑制效果。首先遍历整个装配体特征并将遍历结果加载到树形控件(图9)，复选框勾选状态表示元件是否保留(未勾选代表保留元件)，选择好以后，先进行微小特征的抑制(图6)，分别选中倒角/圆以及孔；再单击“抑制”按钮，得到模型(图11(a))，此时大量孔以及倒角、倒圆等特征已被抑制；最后点击“批量选择”按钮，系统开始运行，运行结束得到轻量化模型。如图11(b)所示，除了箱体和箱盖被保留外，其他所有元件均被抑制。

(a) 去除微小特征(b) 轻量化模型

(2) 验证按体积抑制比抑制效果。同样进行相同的前期操作，不同的是，得到如图11(a)的模型后，在图6所示界面，首先计算所有零部件体积及占比，再设置不同的抑制比，分别观察模型简化情况。表4列举了不同抑制比下的模型简化效果。

表4 不同抑制比轻量化效果

由表4可知，随着抑制比增大，元件数量逐渐变少，模型轻量化效果越明显。

无关零部件抑制特征精度高，抑制彻底，相应的处理时间偏长，当装配接口位于大元件上时，采取按体积抑制比，与抑制比无关零部件抑制效率更高。

(3) 验证特征恢复效果。在图11(b)模型左侧加装一系列螺栓得到图12(a)模型，装配完成后，选中图9“恢复所有特征”单选按钮，再点击“抑制特征恢复”按钮，系统开始运行，运行结束得到图12(b)模型，并弹出恢复完成提示，此时模型被抑制的特征全部恢复，实现了特征操作的可逆性。

(a) 特征恢复前(b) 特征恢复后

3.2.2 轻量化结果分析

上述模型轻量化结果表明，在保留装配接口的前提下，模型得到很好的简化效果，为验证被抑制特征从内存解除占用，对轻量化模型进行加载效率测试，规定加载时间为模型调入内存到所有特征生成完毕为止所用时长，以多个不同模型为例，测试结果见表5。

表5 模型加载效率测试

表5中抑制率指被抑制元件数量占元件总数的百分比(装配体先进行微小特征抑制)，对不同模型，轻量化模型的加载时间随着特征抑制率的升高逐渐减少，加载效率最高提升70%左右，极大提升了模型加载效率，同时轻量化模型的装配效率也会提高，表明被抑制的特征在模型重生过程中不会被调用，对于更庞大、更复杂的装配体而言，轻量化极有必要。

3.2.3 轻量化方法比较

为了更直观地展示本文轻量化方法的优缺点，从特征抑制率、模型简化前后大小、算法耗时3个方面与文献[7]算法进行对比说明。文献[7]通过识别草图短图元来识别并抑制特征，将开发的简化系统应用于CATIA R19中，如图13所示。

(a) 轻量化前(b) 轻量化后

图14为本文算法得到的模型轻量化前后对比图。

(a) 轻量化前(b) 轻量化后

2种算法轻量化数据对比见表6。

表6 轻量化方法数据对比

从表中数据可知，同样是对一些微小特征作抑制处理，对于模型大小差不多的模型，在抑制率近似相同的情况下，本文模型简化程度(55.4%)较耿维忠算法(53.7%)更高，算法所用时间也较少。同时，文献[7]算法主要适用于规则机械零件模型的简化，不能识别并抑制自由曲面模型中的特征，抑制结果只体现在零件级别的细节特征消除。而本文算法不仅适用于零件，也适用于装配体，对零件是否规则也没有限制，抑制的结果表现在零件以及特征的消除。在处理复杂装配体时，本文方法更具有优越性。

4 结束语

为减小复杂装配体模型的数据量，提高模型加载和装配效率，文中提出的基于复杂装配体特征抑制的轻量化方法，从模型特征入手，提出一种打断元件父子特征关系的方法实现装配接口的保留，抑制干扰装配的无关零部件，并通过特征标识号识别微小特征，匹配特征类型并抑制，还给出了按体积抑制比抑制元件的快速简化方法。同时解决了已有轻量化方法生成的轻量化模型无法还原特征的问题，即利用特征状态标识匹配法识别被抑制的特征，将特征重新调入内存实现特征的完全恢复。最后，通过实例分析，本文方法生成的轻量化模型大大提高模型加载速度，提高装配效率，针对各种CAD建模软件具有良好的普适性和有效性。但是，该方法仍存在以下问题：

(1) 装配接口的筛选需要人工通过复选框点选，不够智能；

(2) 元件父子特征关系被打断，破坏局部拓扑关系，需提出一种拓扑关系还原方法。这些问题将成为后续研究的关注点。

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Lightweight Method Based on Complex Assembly Feature Suppression

DONG Jian1, DONG Yu-de1, LIU Fu1, WANG Shuai1, SHI Xiao-lei2, TAO Gao-zhou2

(1. School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China;2. Sungrow Power Supply Co., Ltd., Hefei Anhui 230088, China)

Aiming at the problems of the slow loading speed of large complex 3D models and the low assembly efficiency due to the large number of components during assembly, an lightweight method based on feature suppression of assembly is proposed. Based on a thorough analysis of the assembly structure and the retention of the assembly interface, a method of breaking the parent-child relationship of assembly constraints and the idea of feature path extraction were proposed. Firstly, a lightweight representation of a complex assembly is realized by means of irrelevant component suppression, suppression according to volume suppression ratio, slight feature suppression. Then, a feature restoration technology is put forward to achieve feature restoration of the lightweight model. Finally, Creo 2.0 is taken as a secondary development platform which combined with MFC dialog technology to develop an assembly lightweight system for enterprise product model testing. Experimental results show that the lightweight model obtained by the system has obvious simplification effect, and the amount of model data is greatly reduced. It not only accelerates the loading of the model, but also improves assembly efficiency.

assembly interface; lightweight method; feature suppression; feature restoration; dialog

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019050968

A

2095-302X(2019)05-0968-08

2019-04-23；

2019-05-17

国家自然科学基金项目(51775159)

董 健(1993-)，男，安徽合肥人，硕士研究生。主要研究方向为计算机辅助机械产品设计。E-mail：1803060728@qq.com

董玉德(1966-)，男，安徽舒城人，教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为CAD/CAE/PDM、CG、制造业信息化等。E-mail：dydjiaoshou@126.com