李 力， 郭順生， 黃 浪， 丁 康， 張恒波

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

塑料異型材擠出模工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)研究

李 力， 郭順生， 黃 浪， 丁 康， 張恒波

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

塑料異型材擠出模結(jié)構(gòu)相對固定，但其板塊工程圖冗余廢線較多，尺寸標(biāo)注處理繁瑣。以塑料異型材擠出模為研究對象，在UG平臺上構(gòu)建了塑料異型材擠出模工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)，并就以下方面進(jìn)行了研究：提出板塊冗余廢線識別方法，并采用刪除與轉(zhuǎn)換兩種方式實現(xiàn)各視圖廢線的自動消除；提出孔定位標(biāo)注元素識別方法，并采用四象限遞增排布法實現(xiàn)孔定位尺寸及其公差的自動標(biāo)注；提出孔特征的識別與匹配方法，實現(xiàn)各板塊孔特征規(guī)格、公差與文字的自動標(biāo)注。通過實例分析表明該系統(tǒng)極大減少了圖紙設(shè)計工作量，有效提高了異型材擠出模工程圖的設(shè)計效率。

擠出模；工程圖；消除廢線；遞增排布；自動標(biāo)注

塑料異型材擠出模具是塑料型材生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備[1]，其流道形狀復(fù)雜多變，基于三維模型生成工程圖中冗余廢線較多，消除廢線操作繁瑣；其模架部分裝配件較多，每個板塊包含較多的螺釘孔、銷釘孔及工藝孔，孔的定位與規(guī)格尺寸、公差及文字說明等標(biāo)注繁瑣，重復(fù)性工作較多。工程圖

設(shè)計效率低的問題限制了擠出模設(shè)計的三維化進(jìn)程，為了適應(yīng)市場的變化，必須盡可能縮短擠出模工程圖的設(shè)計周期，提高效率。

目前擠出模具設(shè)計普遍采用AutoCAD設(shè)計，少數(shù)高校對AutoCAD進(jìn)行了二次開發(fā)，從標(biāo)注元素自動提取、公差粗糙度自動標(biāo)注以及尺寸自動排布等方面進(jìn)行了研究[2-4]，在一定程度上提高了圖紙設(shè)計效率。UG(Unigraphics NX)平臺在模具行業(yè)被廣泛運(yùn)用，隨著CAD/CAE/CAM一體化發(fā)展，基于 UG平臺的擠出模型腔曲面的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)模架庫的建立方法被廣泛的研究與應(yīng)用，不斷提升著擠出模三維模型的設(shè)計效率[5-6]。然而UG工程圖是通過邊界投影獲得各視圖線型，視圖元素難以滿足本地化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，在進(jìn)行尺寸放置與布局時需要大量的人工交互操作。擠出模工程圖的設(shè)計工作約占整個設(shè)計工作量的 30%左右，基于擠出模三維模型快速地生成二維工程圖已成為行業(yè)的迫切需要。針對視圖元素混亂的問題，魏永樂等[7]提出了從零件特征模型中提取相關(guān)信息的方法并實現(xiàn)了工程圖的快速生成。針對尺寸標(biāo)注與布局工作量大的問題，Li等[8]提出了動態(tài)規(guī)劃技術(shù)實現(xiàn)了孔特征的定位尺寸自動標(biāo)注；袁波等[9]提出了模擬退火算法并實現(xiàn)了最佳尺寸布局的獲?。粡埪劺椎萚10]提出了基于零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與特征形狀等形體分析的自動標(biāo)注以及基于特征包圍盒的尺寸布局方法。上述研究方法對實現(xiàn)工程圖視圖自動創(chuàng)建與尺寸自動標(biāo)注與布局做出了積極的探索和研究，但這些方法大多只對某些特定形狀的零件有較好的結(jié)果，還無法很好地用于異型材擠出模工程圖的廢線刪除與尺寸自動標(biāo)注，因此對擠出模工程圖的研究十分必要。

本研究針對異型材擠出模工程圖設(shè)計效率低下的問題，構(gòu)建了異型材擠出模工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)。首先自動獲取各視圖中冗余的曲線并進(jìn)行消除，實現(xiàn)板塊各視圖的可視性；其次通過邊界參數(shù)識別與篩選自動獲取標(biāo)注元素，并應(yīng)用四象限遞增排布法實現(xiàn)工藝孔定位尺寸及特殊說明的標(biāo)注與排布；最后根據(jù)邊界歸類與類別匹配，獲得各類工藝孔類型及數(shù)目并實現(xiàn)工藝孔規(guī)格及特殊說明的自動標(biāo)注。該系統(tǒng)有效減少了工程圖的設(shè)計工作量，提高了設(shè)計效率與質(zhì)量，對擠出模設(shè)計有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 自動標(biāo)注系統(tǒng)整體框架

擠出模工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)總體框架如圖1所示，擠出模各板塊工程圖中包含的冗余廢線主要包括型腔部分曲面引導(dǎo)線投影生成的虛線及板塊中的螺釘孔、銷釘孔等投影生成的輪廓線兩大類。應(yīng)用UG特征識別技術(shù)根據(jù)參數(shù)匹配對流道復(fù)雜曲面引導(dǎo)線進(jìn)行識別，自動刪除其投影在各視圖中的虛線。根據(jù)孔直徑參數(shù)匹配自動獲取需進(jìn)行特殊表示的銷釘孔位置，通過定位參數(shù)匹配實現(xiàn)其他輪廓線的刪除。擠出模各板塊工程圖中需要標(biāo)注的尺寸主要包括裝配孔特征的定位尺寸、規(guī)格尺寸、板塊包容尺寸與定位尺寸及尺寸中的公差與文字說明。首先，應(yīng)用UG特征識別技術(shù)獲取圓形邊界并根據(jù)圓心進(jìn)行歸類，并存儲同心圓中的Z坐標(biāo)最大邊界完成定位尺寸標(biāo)注元素的提取，基于標(biāo)注元素應(yīng)用四象限遞增排布法實現(xiàn)孔定位尺寸的自動標(biāo)注；其次，根據(jù)板塊模型獲得板塊整體包容尺寸，根據(jù)參數(shù)匹配獲取板塊邊界，基于板塊邊界與中心線實現(xiàn)板塊包容尺寸與定位尺寸的標(biāo)注；最后，定義階梯孔、通孔、盲孔及螺釘孔的邊界知識庫，根據(jù)圓心及直徑參數(shù)對圓形邊界進(jìn)行歸類并與知識庫進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果實現(xiàn)孔的規(guī)格、公差及文字說明的自動標(biāo)注。

圖1 工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)總體框架

2 自動標(biāo)注系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 冗余廢線自動消除

擠出模各板塊主要分為流道和模架兩部分進(jìn)行設(shè)計，由于直紋面能很好地用于數(shù)控銑床或電火花加工，當(dāng)前擠出模流道曲面主要通過UG直紋面

來進(jìn)行設(shè)計[11]。由于直紋面中包括較多的曲面引導(dǎo)線，故造成板塊投影生成的視圖中也包括較多的雜亂廢線。在側(cè)視圖中需要進(jìn)行說明的主要是銷釘孔、側(cè)面螺釘孔及起模槽等，由于板塊中各類螺釘裝配孔輪廓線較多，造成視圖元素分布雜亂。UG默認(rèn)生成的壓縮板和分流錐工程圖如圖2所示，由于默認(rèn)生成的工程圖雜亂廢線較多，造成人工消除廢線的操作繁瑣，出圖效率低。

圖2 默認(rèn)生成的壓縮板和分流錐工程圖

針對擠出模各板塊工程圖雜亂廢線龐多的問題，本文提出了雜亂廢線的識別方法，并與UG/Open API相結(jié)合，實現(xiàn)了雜亂廢線的消除。由于成型板、預(yù)型板、壓縮板及機(jī)頸的型腔部分中空，根據(jù)型腔包容尺寸能較好區(qū)分雜亂型腔曲面引導(dǎo)線，因此將其作為常規(guī)板塊，通過刪除方式實現(xiàn)廢線消除。而支架板和分流錐板塊邊界根據(jù)可見性投影將部分邊界變成了實線和虛線兩部分，無法很好地區(qū)分冗余廢線，因此將其作為特殊板塊，采用提取需要虛線和輪廓線并進(jìn)行轉(zhuǎn)化實現(xiàn)廢線的消除。針對常規(guī)板塊型腔廢線的刪除，通過獲取型腔截面草圖并獲取草圖內(nèi)截面線，計算各曲線端點X、Y坐標(biāo)，且對坐標(biāo)進(jìn)行排序獲得型腔XY面的包容尺寸。遍歷板塊模型邊界并獲取端點在包容尺寸內(nèi)的邊界，根據(jù)端點Z坐標(biāo)差值排除型腔端面邊界，從而實現(xiàn)型腔曲面引導(dǎo)邊界的獲取。針對常規(guī)板塊輪廓線的刪除，遍歷圓形邊界并根據(jù)銷釘孔的特殊直徑獲取銷釘孔定位，基于定位參數(shù)匹配獲取多余輪廓線。根據(jù)實體邊界與視圖曲線一一對應(yīng)的規(guī)律，應(yīng)用 API函數(shù)基于獲取邊界完成視圖廢線的刪除。針對特殊板塊的冗余廢線，通過參數(shù)匹配獲取銷釘孔邊界，根據(jù)起模槽與銷釘孔定位關(guān)系獲取邊界，應(yīng)用 API函數(shù)將獲取邊界進(jìn)行轉(zhuǎn)換實現(xiàn)冗余廢線的消除。自動刪除冗余廢線的程序框架如圖3所示，消除廢線后壓縮板和分流錐工程圖如圖4所示，應(yīng)用提出的廢線識別與消除方法，有效避免了刪除廢線的復(fù)雜操作，極大提高了出圖效率。

圖3 自動刪除冗余廢線的程序框架

圖4 消除廢線后壓縮板和分流錐工程圖

2.2 定位尺寸自動標(biāo)注

在擠出模工程圖中，各類型裝配孔的定位尺寸、公差及文字說明是重要組成部分，雖然各板塊螺釘、銷釘孔等裝配孔類型和定位關(guān)系明確。但由于擠出模板塊數(shù)目較多，造成各板塊中孔的類型和數(shù)目較多，其定位尺寸標(biāo)注重復(fù)性多，且極易出現(xiàn)重復(fù)標(biāo)注或干涉等情況，尺寸布局修改工作量大，嚴(yán)重限制了擠出模的出圖效率。

針對上述定位尺寸標(biāo)注效率低的問題，本文提出了孔定位標(biāo)注元素識別方法。由于UG實際的建模精度為0.001，基于建模精度本文將位于X正半軸、Y正半軸、X負(fù)半軸、Y負(fù)半軸的定位點依次歸類為一、二、三、四象限。根據(jù)擠出模各板塊孔的定位尺寸以型腔中心線作為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)注，本文提出了四象限遞增排布法，實現(xiàn)了板塊各孔位特征的定位尺寸及其公差的自動標(biāo)注，如圖5所示。孔定位標(biāo)注元素識別過程如下：①遍歷板塊邊界并根據(jù)類型和角度獲取所有的圓形邊界；②根據(jù)圓形邊界的圓心X、Y坐標(biāo)進(jìn)行匹配，將同心圓進(jìn)行分組；③根據(jù)圓心Z坐標(biāo)對各組邊界進(jìn)行排序，獲取每組中Z坐標(biāo)最大圓形邊界并進(jìn)行存儲。根據(jù)以上方法所存儲的孔邊界即為板塊所需標(biāo)注的定位元素，基于提取的定位標(biāo)注元素，應(yīng)用四象限遞增排布法的具體過程如下：①獲取圓心的X、Y坐標(biāo)，并根據(jù)坐標(biāo)確定圓心的象限分布，將標(biāo)注元素分為4個象限分布存儲；②分別根據(jù)每個象限X、Y坐標(biāo)距中心距離從小到大進(jìn)行排序，獲取每個邊界在 X、Y方向的標(biāo)注序號；③根據(jù)參數(shù)匹配獲取銷釘孔、導(dǎo)柱孔及工藝孔的邊界并作為特殊邊界進(jìn)行存儲；④獲取視圖中心坐標(biāo)并根據(jù)板塊邊界尺寸確定各象限初始標(biāo)注位置，并將邊界類型分為3類：第一類孔圓心坐標(biāo)為 0或與前一個坐標(biāo)相同則不進(jìn)行標(biāo)注，當(dāng)前標(biāo)注位置不變；第二類孔邊界屬于常規(guī)邊界，不需要標(biāo)注公差或文字，當(dāng)前標(biāo)注位置增加7；第三類孔邊界屬于特殊邊界，需要標(biāo)注公差或文字進(jìn)行說明，當(dāng)前標(biāo)注位置增加12；⑤根據(jù)板塊整體尺寸獲取邊框最大邊界，獲取水平和豎直當(dāng)前最大標(biāo)注位置并增加12，完成板塊整體尺寸及偏心尺寸的標(biāo)注。應(yīng)用提出的標(biāo)注元素識別方法與四象限遞增排布法，結(jié)合UG/Open API函數(shù)，實現(xiàn)了定位尺寸及公差的自動標(biāo)注。應(yīng)用的API函數(shù)及具體功能如表1所示，自動生成的定位尺寸如圖6所示，該方法有效避免了尺寸標(biāo)注與排布的重復(fù)性工作，不但提高了出圖效率而且提高了圖紙質(zhì)量。

圖5 定位尺寸自動標(biāo)注過程

表1 應(yīng)用的API函數(shù)及具體功能

2.3 規(guī)格尺寸自動標(biāo)注

在擠出模工程圖中，孔的規(guī)格尺寸及其公差和定位是其重要組成部分，由于擠出模各板塊模型中包含較多的緊固孔和工藝孔，需要對各種類型的孔進(jìn)行歸類并標(biāo)注孔的數(shù)目與直徑。螺釘孔需進(jìn)行特殊標(biāo)注，部分工藝孔需標(biāo)注公差并通過文字進(jìn)行說明。在實際標(biāo)注過程中進(jìn)行尺寸修改添加孔的數(shù)目、公差和文字操作繁瑣，且文字與尺寸間缺乏關(guān)聯(lián)，增大了修改工作量，降低了模型的容錯性，限制了擠出模的出圖效率。

針對上述規(guī)格尺寸標(biāo)注效率低的問題，本文總結(jié)了板塊中階梯孔、通孔、盲孔及螺釘孔的邊界結(jié)構(gòu)特點，并定義了各類別孔的邊界知識庫?；诙x的邊界知識庫，本文提出了孔位特征的識別與匹配方法，包括板塊邊界特征的識別與歸類、孔位類型的匹配及孔位特征的信息提取與標(biāo)注，實現(xiàn)了各板塊孔位特征規(guī)格、公差與文字信息的自動獲取及標(biāo)注。具體的孔位特征規(guī)格尺寸自動標(biāo)注過程如圖7所示，應(yīng)用提出的孔位邊界識別與匹配模型及標(biāo)注方法，能有效解決孔規(guī)格、公差及文字說明標(biāo)注效率低下的問題，減小了重復(fù)性工作量，并使各標(biāo)注元素之間存在關(guān)聯(lián)性，有效提高了模型的容錯性。

圖6 自動生成的定位尺寸

圖7 規(guī)格尺寸自動標(biāo)注過程

3 應(yīng)用實例

隨著CAD/CAE/CAM一體化發(fā)展，異性材擠出模企業(yè)越來越注重三維參數(shù)化及智能化擠出模設(shè)計，在型腔曲面的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)模架庫的建立方法方面展開了大量的研究。然而當(dāng)前工程圖設(shè)計效率低的問題限制了擠出模設(shè)計的三維化進(jìn)程，基于擠出模三維模型快速地生成二維工程圖已成為行業(yè)內(nèi)的迫切需要。

針對行業(yè)內(nèi)的熱點問題，本文以異型材擠出模為研究對象，綜合擠出模工程圖設(shè)計的實際情況，運(yùn)用VS2010 MFC、UG/Open API構(gòu)建了異型材擠出模工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)，并將板塊冗余廢線識別方法、孔定位標(biāo)注元素識別方法、四象限遞增排布法及孔特征的識別與匹配方法融入系統(tǒng)之中，實現(xiàn)了冗余廢線自動刪除、孔特征定位及規(guī)格尺寸的自動標(biāo)注。

擠出模成型板和支架板三維模型如圖8所示，根據(jù)UG默認(rèn)生成的各板塊工程圖，首先自動提取冗余的型腔曲面引導(dǎo)線及輪廓線并進(jìn)行刪除，得到可標(biāo)注的視圖元素；其次自動提取孔特征的定位標(biāo)注元素并應(yīng)用排布方法完成定位尺寸自動標(biāo)注與排布；最后結(jié)合定義的孔特征類型知識庫自動標(biāo)注孔規(guī)格尺寸，生成的成型板和支架板工程圖如圖9、10所示。

圖8 擠出模成型板和支架板三維模型

圖9 自動生成的成型板工程圖

圖10 自動生成的支架板工程圖

4 總結(jié)與展望

針對擠出模工程圖標(biāo)注效率低下的問題，本文構(gòu)建了基于UG的異型材擠出模工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了冗余廢線識別與刪除方法、孔定位標(biāo)注元素識別與排布方法及孔類型識別與規(guī)格標(biāo)注方法，使工程圖標(biāo)注過程計算機(jī)化、自動化。通過該系統(tǒng)設(shè)計者可根據(jù)擠出模板塊模型在較短時間內(nèi)設(shè)計出符合加工要求的工程圖，有效解決了刪除冗余廢線繁瑣，尺寸標(biāo)注與排布效率低的問題，取得了較好的輔助制圖效果，不僅能夠自動生成所需標(biāo)注的板塊尺寸，人工干預(yù)較少，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計與制造周期，而且生成的尺寸、公差及文字與板塊模型關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，尺寸排布美觀且修改工作量小，提高了工程圖的質(zhì)量，有效促進(jìn)了擠出模CAD/CAE/CAM一體化發(fā)展。

在異型材擠出模工程圖設(shè)計中，涉及到大量不同類型孔的尺寸及位置信息的標(biāo)注，本文構(gòu)建的工程圖自動標(biāo)注系統(tǒng)主要是以型腔中心作為尺寸基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)注，而對于部分包含不同尺寸基準(zhǔn)的擠出模板塊模型，自動標(biāo)注的工程圖還需要一定的人工調(diào)整。在未來的研究工作中，還將進(jìn)一步與企業(yè)實際相結(jié)合，集成擠出模的基準(zhǔn)選擇原則于系統(tǒng)之中，實現(xiàn)不同特征工藝基準(zhǔn)的自動選取，同時完善現(xiàn)有的尺寸自動標(biāo)注與排布方法，實現(xiàn)基于不同基準(zhǔn)的擠出模工程圖的自動標(biāo)注與排布，使本文構(gòu)建的系統(tǒng)更好地應(yīng)用于塑料異型材擠出模行業(yè)，進(jìn)一步提高其工程圖設(shè)計的效率和質(zhì)量。

[1] 張建雨, 馮 剛, 張朝閣, 等. 我國塑料異型材擠出技術(shù)研究概況[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2014, 42(5): 125-129.

[2] 王 鈺, 劉建強(qiáng). AutoCAD標(biāo)注組元信息自動提取的研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2007, 28(4): 136-140.

[3] 徐艷山. 基于AutoCAD表面粗糙度的自動標(biāo)注[J]. 機(jī)械工程與自動化, 2012, (1): 169-171.

[4] 賀春山, 胡 冰, 楊東喆. AutoCAD程序設(shè)計中自動標(biāo)注尺寸的方法研究[J]. 長春大學(xué)學(xué)報, 2009, (2): 35-37.

[5] 張 良, 劉雪紅, 唐紅濤, 等. 塑料擠出模頭流道結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2015, 43(7): 77-82.

[6] 李 力, 唐紅濤, 郭順生, 等. 塑料異型材擠出模頭模架CAD系統(tǒng)研究[J]. 塑料工業(yè), 2015, 43(4): 37-41.

[7] 魏永樂, 晁彩云, 呂 鵬. 建立零件特征模型及其向工程圖轉(zhuǎn)化[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2013, 32(5): 680-683.

[8] Li C L, Lee Y H, Yu K M. Automatic datum dimensioning for plastic injection mould design and manufacturing [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2005, 28(3): 370-378.

[9] 袁 波, 黃 鋼, 孫家廣. 一種尺寸自動布局算法[J].清華大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2000, 40(1): 61-64.

[10] 張聞雷, 楊 鵬, 嚴(yán)智遠(yuǎn), 等. 基于形體分析的零件尺寸自動標(biāo)注[J]. 東北大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2012, 33(2): 262-266.

[11] Celik K F, Chitkara N R. Extrusion of non-symmetric U-and I-shaped sections through ruled-surface dies: numerical simulations and some experiments [J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2002, 44(1): 217-246.

The Research of Automatic Dimensioning System for Profile Extrusion Dies

Li Li, Guo Shunsheng, Huang Lang, Ding Kang, Zhang Hengbo

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China)

The structure of extrusion die is relatively fixed, but it has a lot of redundant waste lines in plate engineering drawings, and the processing of dimensioning is not convenient. Taking extrusion die as the research object, the automatic dimensioning system of engineering drawing for profile extrusion die is developed on Unigraphics NX (UG) platform. The following aspects are studied: proposing the method of identifying redundant line of plates to ensure automatic elimination of the lines by deletion or transformation. Presenting the method of recognizing edges for hole positioning dimensioning and adopting the method of four quadrant incremental arrangement to realize automatic arrangement for positioning dimensions. Proposing the method of hole recognition and matching to achieve automatic dimensioning of the specification, tolerance and text. The application result shows the system greatly reduces the workload and improves the efficiency of drawing dimensioning.

extrusion dies; engineering drawing; eliminate redundant line; incremental arrangement; automatic dimensioning

TQ 320.52；TG 76

10.11996/JG.j.2095-302X.2016050632

A

2095-302X(2016)05-0632-07

2016-03-21；定稿日期：2016-04-19

湖北省科技支撐計劃項目(2014BAA032)；材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室開放課題研究基金項目(P2016-07)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(2016-zy-017)

李 力(1992–)，男，湖北天門人，碩士研究生。主要研究方向為CAD/CAE/CAM基礎(chǔ)理論及應(yīng)用。E-mail：lilwhut@qq.com

郭順生(1963–)，男，湖北武漢人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為CAD/CAM/PDM/ERP基礎(chǔ)理論及應(yīng)用。

E-mail：guoshunsheng@whut.edu.cn