陸春月, 王宗彥, 郭 星， 虞國(guó)軍

（中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051）

三維環(huán)境下的工程圖自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)

陸春月, 王宗彥, 郭 星， 虞國(guó)軍

（中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051）

工程圖紙是企業(yè)生產(chǎn)的重要依據(jù)，對(duì)三維環(huán)境下的工程圖紙進(jìn)行優(yōu)化以符合企業(yè)的要求很有必要。論文利用模型與圖紙的關(guān)聯(lián)性，給出了以模型模板和工程圖模板為基礎(chǔ)的自適應(yīng)優(yōu)化原理。提出了模板定制的原則，并給出了模板普通定制與特殊定制的方法，為后續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。詳細(xì)論述了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)化的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括視圖定位，比例匹配，尺寸定位與明細(xì)欄優(yōu)化，獲得了大型復(fù)雜裝配體工程圖良好的優(yōu)化效果。

工程圖；模板定制；視圖定位；比例匹配；尺寸定位

當(dāng)今，在制造企業(yè)內(nèi)三維設(shè)計(jì)軟件普遍應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，但是由于制造達(dá)不到全數(shù)字化的要求，不能用三維實(shí)體直接指導(dǎo)生產(chǎn)，因此，二維工程圖至今還是很重要的生產(chǎn)依據(jù)。雖然每款三維軟件自身都有三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖紙的功能，但是轉(zhuǎn)化后的圖紙表達(dá)凌亂，既不符合國(guó)標(biāo)，也不符合行業(yè)或企業(yè)的表達(dá)習(xí)慣。特別是較復(fù)雜的大型裝配圖，存在視圖位置交叉、線(xiàn)型表達(dá)不正確，全圖比例不協(xié)調(diào)，尺寸及標(biāo)注混亂，明細(xì)表信息不全等缺點(diǎn)。如果用人工去調(diào)整的話(huà)，工作量太大，設(shè)計(jì)效率太低，因此設(shè)計(jì)一套方案用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)化是非常必要的。

目前，國(guó)外關(guān)于此方面的相關(guān)文獻(xiàn)較少，國(guó)內(nèi)對(duì)三維環(huán)境下的二維工程圖的調(diào)整展開(kāi)了一些研究。王美聰在Pro/E平臺(tái)上對(duì)圖框進(jìn)行了開(kāi)發(fā)[1]，李健也在Pro/E平臺(tái)上通過(guò)建立國(guó)標(biāo)模板及修改配置文件的方法生成工程圖[2]，王濤用增量式算法對(duì)尺寸布局進(jìn)行了調(diào)整[3]，陳樹(shù)曉在SolidWorks平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了明細(xì)欄的自動(dòng)生成及調(diào)整[4]，劉樹(shù)林在Inventor平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了工程圖上明細(xì)欄信息的批處理，標(biāo)注的導(dǎo)入導(dǎo)出以及公差的修改[5]。上述的這些方法由于在不同的平臺(tái)上開(kāi)展的，因此不具備通用性，所生成的圖紙格式都較簡(jiǎn)單（沒(méi)有局部視圖，剖視圖等），而且都是對(duì)工程圖上的局部信息進(jìn)行了優(yōu)化，若換一個(gè)產(chǎn)品，就不能適用了，因此達(dá)不到實(shí)用的目的。我課題組在與企業(yè)長(zhǎng)期的合作中不斷探索，研究出一套三維環(huán)境下工程圖自適應(yīng)優(yōu)化的方法，并能直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)，大大縮短了企業(yè)的設(shè)計(jì)時(shí)間。

1 工程圖自適應(yīng)優(yōu)化的基本原理

根據(jù)產(chǎn)品預(yù)先定制好一整套標(biāo)準(zhǔn)的三維模型模板和工程圖模板，通過(guò)改變模型的參數(shù)和配置，驅(qū)動(dòng)后得到一系列新的模型，由于模型與圖紙相互關(guān)聯(lián)，從而得到新產(chǎn)品的圖紙，在該套圖紙的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)三維系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編制其自適應(yīng)優(yōu)化算法程序，最終得到符合企業(yè)生產(chǎn)的工程圖，其具體過(guò)程如圖1所示。工程圖模板的定制內(nèi)容主要包括三方面：第一，圖紙的幅面，圖框的大小；第二，字體、尺寸、公差、焊接符號(hào)等的標(biāo)注樣式；第三，確定視圖的類(lèi)型并合理地布局。當(dāng)模型驅(qū)動(dòng)前后的變形較大時(shí)，在模板圖紙基礎(chǔ)上新生成的視圖并不能正好充滿(mǎn)整個(gè)圖面，有些超出圖紙范圍或者多個(gè)視圖產(chǎn)生重疊，有些在圖紙上只占很少的圖幅，因此對(duì)工程圖要進(jìn)行優(yōu)化，使之自動(dòng)適應(yīng)圖紙的幅面，并符合行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)工程圖的自適應(yīng)優(yōu)化主要針對(duì)所有視圖與圖幅的匹配，包括視圖定位，視圖大小的確定，整圖比例與局部視圖比例的自動(dòng)選取。除此以外還有尺寸定位，標(biāo)注樣式的優(yōu)化，明細(xì)欄與標(biāo)題欄的更新。

圖1 自適應(yīng)優(yōu)化原理

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工程圖模板的定制

1） 模板定制原則

工程圖模板是將國(guó)標(biāo)及設(shè)計(jì)規(guī)范固化到圖紙上，并對(duì)一些視圖加以特殊處理，使之能在模型變形后使工程圖適應(yīng)這種變形，并能被程序參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，它是生成新工程圖的基礎(chǔ)。因此，模板工程圖預(yù)處理的好壞直接決定了能否最終生成合格的工程圖。制定工程圖模板必須遵循以下原則：

（1） 最大化原則 由于圖紙是設(shè)計(jì)意圖的最終表現(xiàn)形式，其承載了大量的制造、裝配等信息，在制定模板時(shí)，充分考慮裝配體結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，變形最大的情況，將所有的相關(guān)信息都包含在模板中。

（2） 簡(jiǎn)化原則 由三維模型直接轉(zhuǎn)化而來(lái)的工程圖線(xiàn)條冗余，線(xiàn)型繁雜，在定制模板的時(shí)候，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，要最大限度接近原始圖，將多余的邊線(xiàn)隱藏起來(lái)。隱藏時(shí)按先隱藏零部件，后隱藏邊線(xiàn)的原則進(jìn)行[6-7]。

（3） 定位原則 直接由三維模型轉(zhuǎn)化而來(lái)的工程圖表達(dá)凌亂，其主要原因是視圖位置漂移、比例不匹配、尺寸及標(biāo)注混亂，序號(hào)不整齊等。因此，在定制模板時(shí)就要固定所有視圖及尺寸的位置，為后續(xù)布局優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

2） 模板的普通定制

為了使國(guó)標(biāo)或企業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范固化到模板上，與文獻(xiàn)[2，4-6]所述的方法類(lèi)似，必須對(duì)模板的作一些常規(guī)的設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容如下：

圖層設(shè)定 根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定好可能用到的圖層，并按照?qǐng)D層的功能命名，如尺寸層、各種線(xiàn)型、文字及標(biāo)注等。

屬性設(shè)定 根據(jù)企業(yè)的要求設(shè)置文字的字體及大小，尺寸線(xiàn)及箭頭的樣式，視圖名稱(chēng)的標(biāo)注樣式（包括剖視圖、輔助視圖、局部視圖等），單位的設(shè)定（包括長(zhǎng)度、密度、體積等）。

鏈接設(shè)定 為了使圖紙標(biāo)題欄中的內(nèi)容隨模型的驅(qū)動(dòng)而更新，需將標(biāo)題欄中相應(yīng)的內(nèi)容與三維模型文件的自定義屬性進(jìn)行鏈接，如零部件名稱(chēng)、零部件代號(hào)、零部件重量等。

存放設(shè)定 為了在模型驅(qū)動(dòng)完后能直接調(diào)用工程圖模板，應(yīng)將圖紙模板文件存放到三維軟件安裝目錄下的相應(yīng)文件夾內(nèi)，不同的系統(tǒng)略有差別，如SolidWorks的工程圖模板文件應(yīng)存放路徑為“SolidWorks/lang/ Chinese-simplified/data/Tutorial”。

3） 模板的特殊定制

工程圖模板如果只完成上述的普通定制，最終的圖紙質(zhì)量無(wú)法達(dá)到企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@只對(duì)圖紙的一些基本的屬性進(jìn)行了設(shè)置，解決不了視圖錯(cuò)位，尺寸混亂，比例不調(diào)的問(wèn)題，必須對(duì)工程圖作一些特殊的設(shè)置，才能通過(guò)二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖紙的自適應(yīng)優(yōu)化。

整個(gè)圖紙布局的自適應(yīng)優(yōu)化主要通過(guò)確定視圖的位置與大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定制模板時(shí)，在每一個(gè)視圖的外輪廓圖層上繪制一個(gè)包含最大外形尺寸的矩形圖框，稱(chēng)之為包絡(luò)框，該包絡(luò)框的大小就是視圖所占圖紙區(qū)域的大小。除此以外還必須給定視圖的定位點(diǎn)，才能使漂移的視圖回到合適的位置，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)定位點(diǎn)為視口的幾何中心，局部視圖的定位點(diǎn)是該局部視圖的完整視圖包絡(luò)框的幾何中心，斷裂視圖的定位點(diǎn)為未斷裂前的視圖包絡(luò)框的幾何中心。因此，定位點(diǎn)位于包絡(luò)框十字交叉線(xiàn)的交叉點(diǎn)，對(duì)其添加約束，使其完全定義，如圖3所示。

圖紙上的尺寸一般標(biāo)注在視圖內(nèi)部的較少，主要有線(xiàn)性尺寸、圓弧尺寸和角度尺寸。絕大部分的尺寸標(biāo)注在視圖外部，一般為水平方向尺寸和豎直方向尺寸，并呈現(xiàn)一定的層次的，根據(jù)其層次性為其設(shè)定不同的圖層，如圖2所示。

圖2 尺寸分層示意圖

圖3 局部視圖定位

2.2 自適應(yīng)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

所謂自適應(yīng)優(yōu)化，就是驅(qū)動(dòng)完成的模型可能放大或縮小，其各視圖的大小也隨之改變，在視圖定位的基礎(chǔ)上，使工程圖表達(dá)內(nèi)容正好充滿(mǎn)整個(gè)圖紙，即圖幅與圖紙內(nèi)容自動(dòng)匹配的過(guò)程。自適應(yīng)優(yōu)化有兩種方式：一是視圖保持工程圖模板大小，改變圖幅的大小來(lái)適應(yīng)工程圖；二是保持圖幅大小不變，改變視圖的大小來(lái)適應(yīng)圖幅。目前大多采用第2種方式，其具體做法是采用視圖遍歷的方法，對(duì)所有已驅(qū)動(dòng)更新的視圖與圖幅進(jìn)行比較，如視圖與圖紙大小不匹配則進(jìn)行優(yōu)化，并且可對(duì)部分特殊零部件（如過(guò)長(zhǎng)、過(guò)高等）采用斷裂視圖的方法。

1） 視圖定位

在三維系統(tǒng)中，一般以工程圖左下角作為圖紙坐標(biāo)系的原點(diǎn)，即為工程圖的絕對(duì)坐標(biāo)系，圖紙上所有的圖素都是通過(guò)這個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行定位的。視圖上的圖素遵循的是三維模型的坐標(biāo)系，當(dāng)模型投影到工程圖上后，在圖紙坐標(biāo)系中，每個(gè)視圖都有一個(gè)定位點(diǎn)，改變?cè)摱ㄎ稽c(diǎn)的坐標(biāo)就能調(diào)整視圖的位置。視圖定位的思想是：獲取模板上對(duì)應(yīng)視圖的定位點(diǎn)坐標(biāo)，并用程序記錄該值；獲取驅(qū)動(dòng)后對(duì)應(yīng)視圖的定位點(diǎn)坐標(biāo)，并用程序記錄。將驅(qū)動(dòng)后視圖的定位點(diǎn)坐標(biāo)返回到對(duì)應(yīng)模板視圖定位點(diǎn)的坐標(biāo)值，這樣錯(cuò)位的視圖會(huì)自動(dòng)回到工程圖中最理想的位置。

上述方法能很好地解決基本視圖的定位問(wèn)題，對(duì)于由裁剪而得的局部視圖或剖面圖，由于發(fā)生了局部放縮和裁剪，其剖切位置與局部放大范圍不定，還會(huì)出現(xiàn)尺寸線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)、視圖懸空和缺失等問(wèn)題，還需作進(jìn)一步的處理。剖切位置的確定是通過(guò)剖切線(xiàn)與模型間建立約束關(guān)系來(lái)解決的。如圖3中，視圖2是視圖1的局部視圖，視圖2的斷裂位置是樣條曲線(xiàn)，將其各節(jié)點(diǎn)與視圖最外邊界建立尺寸約束，得到圖中編號(hào)為1、2、3、4的4個(gè)尺寸，將該些尺寸置于新的圖層上。局部視圖位置的確定則要通過(guò)坐標(biāo)變換，如圖3中，包絡(luò)框1中是完整視圖，其定位點(diǎn)是A；包絡(luò)框2中視圖是1上的局部視圖，其定位點(diǎn)是B。對(duì)局部視圖2進(jìn)行布局時(shí)，用戶(hù)認(rèn)為定位點(diǎn)B為視圖中心，以B的坐標(biāo)為基準(zhǔn)來(lái)布置視圖B的位置。由于從三維模型直接投影過(guò)來(lái)只能得到完整的視圖1，因此，此時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)包絡(luò)框1的定位點(diǎn)A是視圖中心，并以此來(lái)定位。由于用戶(hù)與系統(tǒng)定位的基準(zhǔn)不同，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換，使B點(diǎn)的實(shí)際定位坐標(biāo)用A點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)表示，這樣才能直接用B點(diǎn)進(jìn)行視圖定位，其換算公式如下

Ax、Ay——優(yōu)化前完整視圖的定位點(diǎn)坐標(biāo)；

Ax′、A′y——定位后完整視圖的定位點(diǎn)坐標(biāo)；

Bx、By——優(yōu)化前局部視圖的定位點(diǎn)坐標(biāo)；

Bx′ 、B′y——局部視圖最終的定位點(diǎn)坐標(biāo)。

2） 比例匹配

在視圖完全定位的基礎(chǔ)上，采用不改變圖紙大小的方式，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算整圖的比例使圖形與圖幅匹配。工程視圖比例的匹配要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是判斷何種情況下該用何種比例；二是不同的比例設(shè)定方式下如何進(jìn)行比例的修改。其解決方法是所有視圖的最大外形尺寸以及視圖之間，視圖與圖框之間預(yù)留的空白區(qū)域之和等于圖幅的大小。視圖的最大外形尺寸是指經(jīng)過(guò)比例變換后的尺寸，可以用包絡(luò)框的大小來(lái)確定，因此，包絡(luò)框在視圖定位與比例匹配中起著定位與定形的雙重作用。在大型復(fù)雜的裝配體中，分別對(duì)水平和豎直方向建立求解比例的算法，其計(jì)算公式如下

L——圖框的長(zhǎng)；

W——圖框的高；

VS——視圖比例；

n——視圖的數(shù)量；

m——空白區(qū)域的數(shù)量；

MDx——視圖包絡(luò)框在水平方向的最大尺寸；

MDy——視圖包絡(luò)框在豎直方向的最大尺寸；

SPx——視圖之間或視圖與圖框空白區(qū)在水平方向的尺寸；

SPy——視圖之間或視圖與圖框空白區(qū)在豎直方向的尺寸。

計(jì)算得到新的比例后，并不能直接用于工程圖進(jìn)行圖紙匹配，該比例數(shù)據(jù)的隨意性較大，必須與國(guó)標(biāo)比例進(jìn)行比較，選擇最接近計(jì)算數(shù)據(jù)的國(guó)標(biāo)比例作為視圖的最終比例。如果該國(guó)標(biāo)比例與模板比例相同，則不修改圖紙比例，如果不等，則修改整圖比例，其流程如圖4所示。

圖4 視圖比例自動(dòng)獲取流程

3） 尺寸定位

如前所述，視圖的外部尺寸分為豎直方向和水平方向的尺寸，根據(jù)尺寸標(biāo)注方向和離視圖距離的不同，由內(nèi)到外將尺寸分成不同的層次，同一距離并排的尺寸歸在同一圖層上，如圖2中尺寸 1、2在同一圖層。將視圖的所有尺寸歸入各自的尺寸層，相鄰兩層的尺寸間距是一常量Δ。各尺寸層的命名也有一定的要求，要體現(xiàn)該層尺寸的方向與分布層次，如“豎_+3”的含義是豎直方向尺寸，在視圖右側(cè)從內(nèi)向外第3層。尺寸定位時(shí)，通過(guò)先遍歷所有尺寸記錄其所對(duì)應(yīng)的歸屬圖層，通過(guò)判斷圖層的名稱(chēng)得到尺寸層的類(lèi)型與方向，結(jié)合尺寸間距Δ就可以計(jì)算出尺寸的位置，具體計(jì)算公式如下

Dx——在圖紙坐標(biāo)系下水平方向的尺寸坐標(biāo)值；

Dy——在圖紙坐標(biāo)系下豎直方向的尺寸坐標(biāo)值；Ax′、A′y——在圖紙坐標(biāo)系下視圖的定位點(diǎn)坐標(biāo)；

MDx——視圖包絡(luò)框在水平方向的最大尺寸；

MDy——視圖包絡(luò)框在豎直方向的最大尺寸；

k——距視圖邊界的尺寸層數(shù)；

?——相鄰兩層的尺寸間距。

4） 明細(xì)欄的優(yōu)化

明細(xì)欄是工程圖很重要的組成部分，反映裝配體中零部件的序號(hào)、數(shù)量、材料等基本屬性，其大多數(shù)信息可以直接從三維模型文件中鏈接而來(lái)，可以隨模型信息的改變而直接更新。明細(xì)欄的優(yōu)化主要是對(duì)行高、列寬的控制，零部件序號(hào)調(diào)整以及明細(xì)欄的折斷等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，模型驅(qū)動(dòng)后可能會(huì)增加或減少零部件種類(lèi)，此時(shí)零部件的序號(hào)就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)或斷續(xù)，編寫(xiě)程序自動(dòng)修改每一個(gè)零部件的序號(hào)并用冒泡法進(jìn)行排序。

3 運(yùn)行實(shí)例

本文以大型復(fù)雜裝配體門(mén)式起重機(jī)的主梁為例，在SolidWorks 2010的平臺(tái)上驗(yàn)證工程圖紙的自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)。門(mén)起主梁模型經(jīng)參數(shù)設(shè)置三維驅(qū)動(dòng)后得到一新的模型，由該模型直接在圖紙模板上生成的工程圖如圖5所示，圖紙的一些基本屬性，如字體、箭頭樣式，粗細(xì)線(xiàn)型等均已符合標(biāo)準(zhǔn)，但視圖還是很凌亂，尺寸間距、視圖大小及位置、整圖比例等，均沒(méi)有優(yōu)化。對(duì)圖5用上述自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行處理后如圖6所示，該圖紙上的比例、視圖位置，尺寸位置及間距，標(biāo)題欄的行高、列寬以及折斷等均得到了很好的優(yōu)化。

4 結(jié) 論

1） 本文在建立工程圖模板的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)圖紙全局進(jìn)行了布局優(yōu)化與比例匹配。

2） 提出了工程圖模板的定制原則，并對(duì)模板采用了普通定制與特殊定制相結(jié)合的處理方法，為后續(xù)的自適應(yīng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

3） 從視圖定位、比例匹配、尺寸定位及明細(xì)欄優(yōu)化等幾方面進(jìn)行詳細(xì)論述，并給出了計(jì)算方法和流程，實(shí)現(xiàn)了工程圖自適應(yīng)優(yōu)化的良好效果。

[1]王美聰, 陳 剛, 傅學(xué)農(nóng), 等. Pro/E工程圖的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)圖框模板開(kāi)發(fā)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2007,(9)：171-173.

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Adaptive optimization technique of engineering drawings in 3D environment

Lu Chunyue, Wang Zongyan, Guo Xing, Yu Guojun
( College of Mechanical Engineering and Automatization, North University of China, Taiyuan Shanxi 030051, China )

Engineering drawing is an important basis for production, so it’s necessary to optimize the 3D engineering drawings to meet enterprises’ requirements. An adaptive optimization principle based on model templates and engineering drawings templates is given by using the correlation between the model and the drawings. Principles of template customization are put forward; the methods with ordinary and special customization are presented to lay the foundation for the subsequent optimization. Several key technologies of adaptive optimization are discussed,including view positioning, scale matching, dimension positioning and part-list optimization. And finally a satisfying engineering drawing of large complex assembly is obtained.

engineering drawing; template customization; view positioning; scale matching;dimension positioning

TP 391

A

1003-0158(2012)01-0019-06

2011-04-06

山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2008012007）；山西省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（20090321024）

陸春月（1979-），女，江蘇無(wú)錫人，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)榧芍圃?、機(jī)電一體化。

圖5 模型驅(qū)動(dòng)完直接得到的主梁工程圖

圖6 優(yōu)化后的主梁工程圖