Open CASCADE 开发实践：拉伸、旋转、阵列、字体、布尔运算

Me伟

已于 2025-03-08 11:09:14 修改

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分类专栏： OCC Qt应用文章标签： c++ qt

于 2024-08-11 22:44:56 首次发布

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原文地址：https://blog.youkuaiyun.com/Mechanicoder/article/details/139218495

简介

本文参考Open Geometry Group (OGG)组织的一次建模公开赛比赛要求，选择电风扇为建模对象，使用OCC接口完成所选模型的建模。在电风扇题目做题过程中，涉及拉伸、旋转、阵列、倒圆角等常见的CAD建模功能，以及曲线、曲面的一些基础操作，对OCC初学者可能会有一些帮助，因此整理、总结成这篇文章。

建模

落地扇模型包括底座、立柱、外壳、前罩、后罩、扇叶等零件，建模过程中需要计算确定各零件的几何尺寸信息、彼此之间的相对位置关系，例如立柱高度参数、扇叶相对于立柱的位置参数、前后网罩尺寸参数等。由于这些参数并非直观易得，直接使用OCC建模可能得到尺寸不协调的结果，需要反复调参，增大开发时间。因此，可首先借助于CAD建模软件预先完成设计，然后再通过OCC实现编程建模。

这里采用CrownCAD在线协同建模软件，个人可免费使用建模基础功能，对于落地风扇的设计已足够，设计模型如下图所示，可通过链接在线浏览：落地风扇。
落地风扇扇叶部分落地风扇全貌

以下将根据建模思路，完成各个零件的编程实现。自底向上依次为基座、立柱、外壳、电机支架、电机、风扇、风扇轮毂、扇叶、前网罩和后网罩。各小节仅描述了建模步骤以及使用到的OCC关键接口，代码实现可直接跳转至代码实现总结。建模过程采用CSG方式。

基座

由上、下两个圆台合并而成，用于支撑整个风扇。下半黑色部分是一个下小上大的圆台、上半灰色部分是下大上小的圆台。两个圆台均采用截面旋转360°得到，并将得到的两个实体求并。
建模步骤：

根据下部分轮廓点，依次连点成线，构造一个封闭的多边形，BRepBuilderAPI_MakePolygon
将多边形构造成面，BRepBuilderAPI_MakeFace
由面构造实体，BRepPrimAPI_MakeRevol

上一部分同理可得，最终效果如下：
在这里插入图片描述

立柱

立柱包括下部分柱体、衔接圆锥、按钮圆柱、按钮槽、按钮、数字、衔接球槽特征。
建模步骤：

下部分立柱，构造一个标准圆柱，BRepPrimAPI_MakeCylinder
衔接圆锥，构造一个标准圆锥，BRepPrimAPI_MakeCone
按钮圆柱，按钮圆柱上特征较多，采用实体建模的方式逐步获得
构造标准圆柱，BRepPrimAPI_MakeCylinder
构造顶部裁剪圆锥，即构造一个拉伸体，BRepPrimAPI_MakePrism
构造顶部衔接球槽，即构造一个标准球，BRepPrimAPI_MakeSphere
构造按钮槽，同样头早一个拉伸体，并线性阵列按钮槽，BRepBuilderAPI_Transform
按钮立柱依次裁剪裁剪圆锥、顶部标准球、按钮槽拉伸体，BRepAlgoAPI_Cut, BRepAlgoAPI_Fuse

构造按钮，是一个截面为椭圆形的拉伸体，GC_MakeEllipse
对所有棱边位置倒圆角过渡，BRepFilletAPI_MakeFillet

建模示意图如下所示：

按钮

按钮单独建模，使之可以在3D视图中进行交互操作。例如，鼠标点击按钮①、②、③，实现按钮下沉、风扇按对应级数开始旋转，点击按钮〇实现风扇停转。这些动画交互在之后的动画及交互一节详细说明。
按钮建模步骤：

构造以椭圆为截面的拉伸体，按钮的截面应比前一步中的按钮槽截面略小，GC_MakeEllipse
按钮线性阵列，得到四个按钮，BRepBuilderAPI_Transform
构造按钮表面的文字，分别为0、1、2、3：
构造文字截面，Font_BRepTextBuilder
文字截面拉伸，BRepPrimAPI_MakePrism

每个按钮减去对应文字的拉伸体，可得到带凹陷文字的按钮，BRepAlgoAPI_Cut

按钮建模

外壳

外壳用于支撑风扇电机、衔接前后网罩。
建模步骤：

构造衔接球
1.1. 首先构造一个标准球，同前，BRepPrimAPI_MakeSphere
1.2. 构造外壳内腔，该内腔将容纳风扇，是一个标准的圆柱，BRepPrimAPI_MakeCylinder
1.3. 球减去外壳内腔，即可削去球的顶部，用于承接风扇外壳
构造电机立柱，标准圆柱，用于承接电机，BRepPrimAPI_MakeSphere
使用一个标准圆柱，代表电机
构造前后衔接环，即一个标准的圆环，用于连接前端风扇外壳、后端网罩。由于风扇罩子横截面外形将是一条样条曲线，为方便建模、衔接，特地构造一小段圆环。使用两个圆柱相减即可得到
风扇罩子横截面外形是一条样条曲线，是风扇建模中首次出现样条曲线。
5.1. 构造样条外形，Geom2d_BezierCurve
5.2. 样条偏置，Geom2d_OffsetCurve
5.3. 将两段样条首尾相连，即可得到封闭轮廓、横截面，BRepBuilderAPI_MakeWire, BRepBuilderAPI_MakeFace
5.4. 横截面旋转即得到外壳，BRepPrimAPI_MakeRevol
对以上所得 1~5 结果求并即可得到完整的风扇外壳

需要特殊说明的是，上述步骤 5.1. 中的样条曲线建模及偏置均在 XOY 平面上进行，这是根据作者对OCC的使用经验，2D偏置比3D更稳定一些。当然直接进行3D样条曲线，或许也是可以的。
另外由于OCC底层几何算法一般使用3D曲线 Geom_Curve，对2D曲线 Geom2d_Curve 所作的适配有限，因此，对于2D即 XOY 平面上所得的轮廓，在进行构造面进而旋转之前，需要额外构造几何3D曲线，即确保执行 BRep_Tool::Curve(Edge) 可以得到正确的结果。

BRepLib::BuildCurves3d(Shape)

在这里插入图片描述

风扇

风扇包括连接扇叶的轮毂、叶片两大部分，其中叶片为样条曲面，是整个落地风扇建模过程中最为复杂的部分。
建模步骤：

电机轴，构造一个标准圆柱，BRepPrimAPI_MakeCylinder
风扇轮毂，同样是一个标准圆柱，BRepPrimAPI_MakeCone
扇叶，每个扇叶是自由曲面，可由二维点集构造获得，因此第一步是构造点集。在风扇轮毂、外壳内壁之间构造若干个曲面，并在曲面上构造出风扇的截面线，分别对截面线采样，即可得到二维点集：
3.1. 构造第一个面上曲线，BRep_CurveOnSurface
3.1.1. 构造一个分层B样条曲面，Geom_BSplineSurface
3.1.2. 构造一条参数曲线，Geom2d_Curve
3.1. 构造第二个面上曲线，
…
共构造得到 N 个面上曲线
二维点集拟合，即可得到二维曲面，``
按一周分布 M 个叶片进行旋转阵列，即可得到 M 个叶片
另外，为了增强展示效果，为每个叶片分配了不同颜色。

在这里插入图片描述

前网罩

前网罩包括网条和中心logo环两大部分，其中网条使用Bezier构造。
建模步骤：

前网罩网条通过Bezier曲线及其偏置曲线封闭所得；
风扇前网罩成弧形而非平面，因此再构造一个外形修剪体用来裁剪网条。外形修剪体由两条Bezier曲线封闭得到；
中心圆环以及logo字体通过圆柱体减去字体的拉伸体所得，通用使用外形修剪体进行修剪

后网罩

后网罩与前网罩采用相似的方式构造，区别在于后网罩除了外形是弧面之外，内腔亦是弧面，因此进行了两次裁剪。
在这里插入图片描述

动画及交互

在建模之外，增加了一点交互功能，增加这次实践的趣味。即通过鼠标或数字键实现对风扇转速的控制，同时实现按钮被按下的效果。
风扇有1、2、3、0四档，每档转速不同，经测试效果，分别设置转速（RPM）为30、60、90、0。
在这里插入图片描述

进一步地，可以在衔接球位置实现风扇的左右、上下摇头动画。

代码实现总结

以上各步骤的基础建模功能包括拉伸、旋转、阵列、裁剪、合并、倒圆角等。

拉伸

TopoDS_Shape FanMaker::Extrude(const std::vector<TopoDS_Edge>& edges, const gp_Vec& vec) const
{
    TopoDS_Face face = MakeFace(edges);
    if (face.IsNull())
    {
        return TopoDS_Shape();
    }
    TopoDS_Shape extrude_shape = BRepPrimAPI_MakePrism(face, vec);
    return extrude_shape;
}

旋转

TopoDS_Shape FanMaker::Revolve(const std::vector<TopoDS_Edge>& edges, const gp_Ax1& axis) const
{
    TopoDS_Face face = MakeFace(edges);
    if (face.IsNull())
    {
        return TopoDS_Shape();
    }
    TopoDS_Shape revol = BRepPrimAPI_MakeRevol(face, axis);
    return revol;
}

阵列

TopoDS_Shape FanMaker::CircularPattern(const TopoDS_Shape& shape, const gp_Ax1& axis, int num) const
{
    // 网条阵列
    gp_Trsf trsf;
    trsf.SetRotation(axis, M_PI * 2.0 / double(num));
    std::vector<TopoDS_Shape> pattern(num);
    pattern[0] = shape;
    for (size_t i = 1; i < num; i++)
    {
        pattern[i] = BRepBuilderAPI_Transform(pattern[i - 1], trsf);
    }

    return Compound(pattern);
}

字体拉伸

TopoDS_Shape FanMaker::PrismText(const NCollection_String& text,
    const gp_Ax2& loc, const gp_Vec& prism_vec, int pt_size/* = 12*/) const
{
    Font_BRepFont font("consola", Font_FontAspect::Font_FontAspect_Regular, (double)pt_size);
    Graphic3d_HorizontalTextAlignment halign = Graphic3d_HTA_CENTER;
    Graphic3d_VerticalTextAlignment valign = Graphic3d_VTA_CENTER;

    Font_BRepTextBuilder font_brep;
    TopoDS_Shape text_face = font_brep.Perform(font, text, loc, halign, valign);
    TopoDS_Shape text_solid = BRepPrimAPI_MakePrism(text_face, prism_vec);
    return text_solid;
}

布尔运算

合并：

TopoDS_Shape FanMaker::Fuse(const std::vector<TopoDS_Shape>& shapes) const
{
    if (shapes.empty())
    {
        return {};
    }
    else if (shapes.size() == 1)
    {
        return shapes[0];
    }
    else
    {
        TopoDS_Shape result = BRepAlgoAPI_Fuse(shapes[0], shapes[1]);
        for (size_t i = 2; i < shapes.size(); i++)
        {
            if (!shapes[i].IsNull())
            {
                result = BRepAlgoAPI_Fuse(result, shapes[i]);
            }
        }
        return result;
    }
}

裁剪：

TopoDS_Shape FanMaker::Cut(const TopoDS_Shape& s,
    const std::vector<TopoDS_Shape>& cutters) const
{
    BRepAlgoAPI_Cut cut;
    TopTools_ListOfShape args, tools;
    args.Append(s);
    for (const auto& cutter : cutters)
    {
        tools.Append(cutter);
    }

    cut.SetArguments(args);
    cut.SetTools(tools);
    cut.Build();

    if (!cut.IsDone())
    {
        return TopoDS_Shape();
    }

    return cut.Shape();
}