范德軍，文勁松，徐 勇，宋 建

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基于SolidWorks的可視化定制研究

范德軍1,2，文勁松1,2，徐 勇1,2，宋 建1,2

(1. 華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640)

針對可視化定制系統(tǒng)中如何實時自動裝配和交互瀏覽的問題，提出一種基于SolidWorks二次開發(fā)自動裝配的方法。用戶在網(wǎng)頁上確定定制方案后，服務(wù)器端和與服務(wù)器有固定聯(lián)系的一臺主機遠程通訊，對SolidWorks二次開發(fā)后的自動裝配程序安裝在此主機上，服務(wù)器端遠程啟動主機上的自動裝配程序，并接收裝配完整的eDrawings文件，將三維模型反饋到網(wǎng)頁上顯示，用戶可以在網(wǎng)頁上實現(xiàn)虛擬交互瀏覽。該方法可以實現(xiàn)三維模型在多選擇方案下的實時自動組裝和網(wǎng)頁上的虛擬交互。

SolidWorks二次開發(fā)；自動裝配；虛擬交互；可視化定制

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的逐步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子商務(wù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在電子商務(wù)的定制系統(tǒng)中與定制產(chǎn)品虛擬交互，可以滿足顧客的個性化需求，提高用戶滿意度和企業(yè)影響力[1-2]。目前在可視化定制和自動裝配領(lǐng)域中已有許多學者做了大量工作。周軍偉[3]運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立了基于Unity3D的可視化定制系統(tǒng)；劉喜平等[4]利用NIST開發(fā)VRMLToX3D轉(zhuǎn)化模塊實現(xiàn)了變型產(chǎn)品實時定制的功能；還有一些學者利用SolidWorks、Pro/E和WEB3D技術(shù)實現(xiàn)模型裝配和虛擬交互[5-8]。通過綜合使用三維設(shè)計軟件和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，滿足了用戶對模型的交互需求，增強了用戶體驗。

目前，基于網(wǎng)頁上的可視化定制需要企業(yè)根據(jù)用戶要求手動將定制信息導(dǎo)入三維設(shè)計軟件，然后將設(shè)計模型導(dǎo)入其他軟件如3D Max中二次處理，設(shè)置交互效果并導(dǎo)出適于網(wǎng)頁瀏覽的文件格式，才可以實現(xiàn)在網(wǎng)頁上的虛擬交互。此開發(fā)過程繁瑣耗時，無法實現(xiàn)定制過程的連續(xù)性和實時性，而且由于軟件之間的兼容性問題，三維設(shè)計軟件文件格式和網(wǎng)絡(luò)化虛擬產(chǎn)品格式間的轉(zhuǎn)換過程限制了虛擬產(chǎn)品的真實程度。此外目前的研究若要實現(xiàn)定制過程的連續(xù)性和實時性，需要用戶安裝大型設(shè)計軟件如Pro/E、SolidWorks和開發(fā)的插件，對用戶計算機的硬件和軟件要求較高，用戶體驗效果較差，在實際應(yīng)用中具有很大的局限性。

本文以SolidWorks軟件為基礎(chǔ)，使用VB.NET對其進行二次開發(fā)，當網(wǎng)絡(luò)用戶在普通瀏覽器確定電視機定制方案后，按照定制方案實時自動裝配生成裝配模型(eDrawings文件)并自動反饋到網(wǎng)頁上，實現(xiàn)三維模型的在線三維交互。本研究方法在保證實時自動裝配的同時，提高了三維模型的真實性，簡化了開發(fā)流程，且用戶無需安裝大型設(shè)計軟件SolidWorks，在普通瀏覽器即可完成可視化定制，提高了用戶滿意度。

1 可視化定制系統(tǒng)設(shè)計

為方便網(wǎng)絡(luò)用戶的使用，采用B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計。B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下用戶無需安裝SolidWorks軟件，只是通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁前端界面，將組裝方案的指令發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器接收到指令時需與服務(wù)器有固定聯(lián)系的另外一臺電腦“主機”遠程通訊，根據(jù)TCP/IP協(xié)議發(fā)送組裝方案指令給“主機”的偵聽程序，主機上的偵聽程序接到指令后，啟動對SolidWorks二次開發(fā)后的自動裝配程序自動裝配，最后把裝配好的模型文件(eDrawings文件)傳送給服務(wù)器，將三維模型反饋到瀏覽器網(wǎng)頁前端供用戶查看，整個過程無需人工參與，全部由程序自動完成。在B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，基于SolidWorks二次開發(fā)的可視化定制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于SolidWorks二次開發(fā)的可視化定制系統(tǒng)架構(gòu)圖

利用SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)可以實現(xiàn)對定制方案的自動裝配，由于可視化定制是基于網(wǎng)絡(luò)下的定制，在實際測試中，如果在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下直接啟動服務(wù)器(Window Server 2008 R2 Enterprise，Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620 v3@2.4 GHz)上的SolidWorks軟件，用于自動裝配的SolidWorks在服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行會出現(xiàn)無響應(yīng)的錯誤。因此，利用TCP/IP協(xié)議對服務(wù)器和另外一臺主機建立聯(lián)系，SolidWorks軟件安裝在此主機上，當主機上偵聽到服務(wù)器端傳來定制方案的指令后，啟動主機上的自動裝配程序組裝，可避免SolidWorks軟件在服務(wù)器環(huán)境下運行，同時充分利用SolidWorks強大的二次開發(fā)功能。

目前，大多數(shù)三維設(shè)計軟件的模型無法直接通過網(wǎng)頁上瀏覽，通常需要人工導(dǎo)入到其他軟件如3D Max轉(zhuǎn)換文件格式，并且需要在軟件中手動設(shè)置交互效果，過程復(fù)雜耗時，而且容易因為軟件之間的兼容性導(dǎo)致模型失真。利用SolidWorks二次開發(fā)的功能直接將裝配體模型保存為eDrawings格式文件，eDrawings格式為SolidWorks軟件自身的一種輕量化文件格式，可以保證模型的完整，實現(xiàn)從裝配到網(wǎng)頁交互的自動化，不需要人工參與。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SolidWorks二次開發(fā)

SolidWorks憑其強大的三維設(shè)計功能，得到越來越廣泛的應(yīng)用。企業(yè)為提高市場競爭力，紛紛對SolidWorks開發(fā)出滿足自身特殊使用要求的功能。SolidWorks提供了幾百個API(application program interface)函數(shù)，這些函數(shù)是COM或者OLE的接口，開發(fā)人員可以使用VB.NET、C等編程語言對其進行二次開發(fā)，建立滿足用戶需求的功能模塊[9-10]。本文以Visual Studio 2010為開發(fā)工具，VB.NET為開發(fā)語言對SolidWorks 2012進行二次開發(fā)。

本文對SolidWorks的二次開發(fā)從建立零件庫和程序代碼兩部分進行介紹。

2.1.1 建立零件庫

自動裝配的零件庫建立步驟如下：

(1) 建立零件模型。使用SolidWorks軟件建立模型，或直接利用公司原有的模型文件；

(2) 建立合適的裝配基準。裝配過程中需要選擇定位基準和添加約束類型，其中常用的約束類型有重合、平行、垂直等。為了簡化裝配過程，便于SolidWorks自動裝配的二次開發(fā)，將所有零部件的配合類型設(shè)置為重合[11-12]。使用SolidWorks軟件對所有零件建立合適的定位基準，定位基準的命名按照一定規(guī)則命名，比如直接按照零部件的名稱進行命名。結(jié)構(gòu)類似的零部件可以選擇相同類型的基準，例如具有兩個孔的底座，可以將兩個孔的軸線作為兩個基準軸，底座的上平面為基準面。同樣的，在與底座聯(lián)接的部件對應(yīng)位置也建立兩個基準軸和一個基準面，裝配時分別選擇基準軸、基準面重合約束，實現(xiàn)底座的完全 約束。

2.1.2 二次開發(fā)程序

與其他三維設(shè)計軟件如Pro/E等類似，SolidWorks裝配時首先根據(jù)模板文件創(chuàng)建一個裝配體，然后插入零部件，對每個零部件添加配合約束，最后保存導(dǎo)出。不同的是，在SolidWorks自動裝配的二次開發(fā)中，需在插入零部件之前先打開零部件，將零件讀入內(nèi)存中才可以插入零部件，然后進行下一步的裝配。SolidWorks二次開發(fā)自動裝配流程圖如圖2所示。

圖2 SolidWorks二次開發(fā)自動裝配流程圖

其中，新建裝配體使用NewDocument (TemplateName，PaperSize，Width，Height)，TemplateName為裝配體模板的路徑；打開零部件使用OpenDoc6 (FileName，Type，Options，Configuration，Errors，Warnings)；在打開零部件將其讀入到內(nèi)存之后，調(diào)用AddComponent2 (CompName，X，Y，Z)函數(shù)插入零部件，然后對零部件添加約束。

目前，在裝配零部件選擇基準時通常使用SelectByID2 (Name，Type，X，Y，Z，Append，Mark，Callout，SelectOption)函數(shù)，此函數(shù)在調(diào)用時需要確定所選擇基準的坐標位置，在裝配多個零件時極易出錯。本文采用FeatureByName (Name)函數(shù)來選擇定位基準的名稱，無需計算基準坐標，而是直接按基準的名稱進行選擇。在2.1.1中曾介紹到，所有零部件按照一定的命名規(guī)則創(chuàng)建基準，此時FeatureByName()函數(shù)在調(diào)用時顯得十分靈活。裝配添加約束時調(diào)用AddMate3 (MateTypeFromEnum，Alig-nFromEnum，F(xiàn)lip，Distance，DistanceAbsUpperLimit, DistanceAbsLowerLimit，GearRatioNumerator，GearRatioDenominator，Angle，An-gleAbsUpperLimit，AngleAbsLowerLimit，F(xiàn)orPositioningOnly，ErrorStatus)，其中，MateTypeFromEnum是用數(shù)字表示的配合類型，比如0為重合、1為同心等，本文選擇的配合類型為重合，即數(shù)字0。關(guān)于上述函數(shù)的詳細說明可以參照相應(yīng)的API幫助文檔，在此不再贅述。

在保存裝配好的模型時，使用SaveAs3 (NewName，SaveAsVersion，Options)函數(shù)保存導(dǎo)出裝配體模型。在SolidWorks二次開發(fā)中，此函數(shù)可以將模型保存為多種格式的文件，例如STEP、VRML等格式。將模型保存為eDrawings文件格式“EASM”內(nèi)存較小，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)頁展示，這也是選擇SolidWorks軟件進行二次開發(fā)的主要原因。

2.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下自動裝配

為解決SolidWorks軟件在服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無法運行的問題，利用C#語言開發(fā)遠程服務(wù)模塊解決該難題。在主機上安裝有偵聽程序、自動裝配程序、SolidWorks軟件。其中偵聽程序在主機上始終保持運行，用于時刻偵聽服務(wù)器端的連接請求，自動裝配程序是對SolidWorks二次開發(fā)完成后的異步程序。工作流程如圖3所示

圖3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下自動裝配流程圖

具體流程如下：

(1) 當用戶在網(wǎng)頁確定了定制方案后，服務(wù)器端開始連接主機上的偵聽程序，使用Connect()函數(shù)連接主機的IP地址和端口號，確認連接之后發(fā)送用戶組裝方案指令。

(2) 主機上的偵聽程序使用TcpListener時刻偵聽服務(wù)器端的連接請求，當接收到連接請求之后使用AcceptTcpClient()函數(shù)確認連接請求，然后啟動主機上的“自動裝配程序”，啟動“自動裝配程序”使用Process.Start()函數(shù)，啟動SolidWorks軟件從相應(yīng)的零件庫中調(diào)取零件自動組裝，裝配完成之后將裝配模型文件發(fā)送到服務(wù)器端。

(3) 服務(wù)器端接收來自主機上的模型文件，儲存在服務(wù)器文件夾下，此時如果用戶安裝eDrawings瀏覽器插件，就可以自動讀取服務(wù)器指定文件夾下的模型文件，顯示到網(wǎng)頁上交互瀏覽。

2.3 eDrawings與虛擬交互

三維模型的網(wǎng)頁展示，可以使用戶更清晰直觀地了解產(chǎn)品信息。三維模型文件尤其是裝配體模型的文件較大，若通過Internet進行數(shù)據(jù)傳送，將占用很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，傳輸數(shù)據(jù)時間較長，甚至會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。VRML文件是目前常用的網(wǎng)頁展示文件格式，VRML文件是ASCII碼格式的純文本文件，文件大小要比STEP等其他格式的模型文件要小，便于進行網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。由于采用優(yōu)化器來減少面片也減小文件大小，因此導(dǎo)致渲染質(zhì)量下降，模型有時會存在破孔、爛面的情況，工程師將花費大量的時間去修復(fù)這些損壞的模型，特別是復(fù)雜模型。因此，為了適應(yīng)虛擬交互產(chǎn)品的趨勢，一些CAD公司相繼開發(fā)出網(wǎng)上瀏覽的文件格式，比如達索公司針對SolidWorks開發(fā)的eDrawings格式文件。

采用eDrawing格式文件的優(yōu)點如下：

(1) 由于eDrawings格式文件只包含模型中的繪圖部分，因此其模型文件占用網(wǎng)絡(luò)帶寬較小，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和顯示。

(2) 通過SolidWorks保存為eDrawings格式的文件，不會因為數(shù)據(jù)壓縮出現(xiàn)破孔、爛面的情況，這是因為其不同于目前的基于三角形的多邊形描述模型，而是采用非線性的自由表面，用戶觀察到的模型更加接近原始模型。

(3) 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下安裝eDrawings瀏覽器插件后，可以自動解讀模型文件顯示在瀏覽器網(wǎng)頁上，用戶通過使用鼠標選擇旋轉(zhuǎn)、縮放、動畫、隱藏、透明等操作實現(xiàn)虛擬交互，觀察虛擬產(chǎn)品的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)特點。

使用SolidWorks二次開發(fā)的保存文件函數(shù)SaveAs3()自動保存并導(dǎo)出裝配體模型。生成的裝配體文件大小大約是原始裝配體模型文件的十分之一，使得基于網(wǎng)頁上的虛擬交互成為可能。

3 應(yīng)用實例

以廣東朝野科技有限公司的電視機自動裝配系統(tǒng)為例詳細說明。根據(jù)電視機的功能和外形可以將電視機劃分為多個系列，而且每一個系列下根據(jù)顯示屏的尺寸大小又劃分為不同的產(chǎn)品，例如“55DN系列”表示“DN系列”下的55英寸電視機。在產(chǎn)品的定制方案中，可供選擇的零部件較多，若將每種可能的選擇方案一一裝配列舉供用戶選擇，將會浪費大量人力、物力，不切實際?！?5DN系列”電視機可供用戶定制選擇的主要部件及其規(guī)格見表1。

僅此型號的的電視機，即可產(chǎn)生1×2×2×3×3×2 ×2×2=288種定制方案，實際中有更多型號和系列的產(chǎn)品，產(chǎn)生的定制方案數(shù)以萬計。因此將本文研究應(yīng)用在該企業(yè)的電視機定制系統(tǒng)中，可以方便地滿足用戶需求。網(wǎng)絡(luò)用戶在普通瀏覽器確定電視機定制方案后，實現(xiàn)自動裝配并供用戶在網(wǎng)頁上瀏覽交互。

采用VB.NET語言設(shè)計網(wǎng)頁前端界面，提供友好人機頁面。用戶登陸系統(tǒng)之后，可以選擇要定制組件的各個型號，每一個型號下會提供可以定制的組件，比如底座、屏幕、音響等組件。系統(tǒng)首頁如圖4所示。

表1 “55DN系列”電視機可供用戶定制選擇項目

圖4 電視機定制系統(tǒng)首頁

在用戶確定組裝方案后，點擊“確定選擇方案”，在右側(cè)的顯示框中會顯示具體的選擇方案，而且“顯示模型”按鈕此時變?yōu)榭牲c擊狀態(tài)。確定是方案后，點擊“顯示模型”按鈕，服務(wù)器端和主機啟動相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)在線自動裝配，之后會自動跳轉(zhuǎn)到如圖5所示的頁面，用戶瀏覽器中如果安裝有eDrawings瀏覽器插件，即可以在網(wǎng)頁上三維預(yù)覽窗口中自動加載出定制方案的裝配體三維模型；如果用戶未安裝該插件，也可根據(jù)提示下載安裝eDrawings瀏覽器插件。在網(wǎng)頁界面提供eDrawings瀏覽器插件的下載鏈接，除了可以對三維模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等基本操作外，還可以實現(xiàn)隱藏、透視、動畫等顯示效果，便于用戶觀察模型的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，直觀展示產(chǎn)品的特征信息。用戶安裝eDrawings瀏覽器插件后，用鼠標在三維預(yù)覽窗口上點擊右鍵，可以選擇操作選項，達到不同的顯示效果。具體操作選項和瀏覽效果如圖5所示。

為了更好地說明本研究的先進性，引入系統(tǒng)響應(yīng)時間作為評價指標。因為作為一個面向用戶的系統(tǒng)，其響應(yīng)時間直接關(guān)系到良好的用戶體驗。用戶完成定制方案后，向主機發(fā)送指令、主機進行自動裝配、生成裝配文件、發(fā)送到瀏覽器頁面，大部分時間主要花在主機上的自動裝配和發(fā)送到瀏覽器頁面上，自動裝配主要與主機的計算機性能有關(guān)，發(fā)送階段與裝配體文件大小和網(wǎng)絡(luò)速度有關(guān)，不同尺寸大小的電視機對應(yīng)的文件大小不同。當用戶確定定制方案顯示到網(wǎng)頁界面上，整個過程的系統(tǒng)響應(yīng)時間大約為20~30 s，如果條件允許，可以選擇更好配置的主機進行自動裝配，將會大大縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間。(測試所用瀏覽器：Internet Explorer 6.0；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：操作系統(tǒng)Window Server 2008 R2 Enterprise，處理器 Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620 v3@2.4 GHz，內(nèi)存 2 GB；主機：操作系統(tǒng) Windows 7，處理器 AMD A8-4500M APU with Radeon(tm) Graphics 1.9 GHz 內(nèi)存：4 GB)。

圖5 eDrawings瀏覽器插件下的瀏覽效果

當用戶對定制的電視機滿意時，可以下單繼續(xù)完成交易，如果不滿意可以重新選擇定制。此外，該實時自動裝配與交互瀏覽方法還可以應(yīng)用在公司員工培訓、工廠裝配車間等場合，讓用戶全方位的掌握組裝產(chǎn)品的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點。

4 結(jié) 論

本文基于SolidWorks的二次開發(fā)，提出網(wǎng)絡(luò)下實時自動裝配和虛擬交互的方法，可按照用戶定制方案自動調(diào)取零部件組裝，然后以三維模型的形式在網(wǎng)頁展示，用戶通過瀏覽器對產(chǎn)品模型交互操作。該方法實現(xiàn)了自動裝配的實時性和連續(xù)性，提高了虛擬模型的真實性，增強了可視化定制系統(tǒng)的用戶體驗，已被應(yīng)用于廣東朝野科技有限公司的電視機自動裝配系統(tǒng)中，并取得了良好的效果。

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Research on Visual Customization Based on SolidWorks

FAN Dejun1,2, WEN Jingsong1,2, XU Yong1,2, SONG Jian1,2

(1. The National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China;2. The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

In order to solve the problem of real-time automatic assembly and interactive browsing in visual customization system, an automatic assembly method based on secondary development of SolidWorks in network environment is proposed. User defined customized solutions on the web page and a remote communication between a server and a server that has a fixed connection. The automatic assembly program secondary development of SolidWorks installed on the host. The server automatic assembly program remote boot on the host and receive the complete assembly of eDrawings files. The 3D model is fed back to the web page. The user can browse the web page in the realization of virtual interaction. This method can realize the real time automatic assembly and virtual interaction of the 3D model under the multi choice scheme.

secondary development of SolidWorks; automatic assembly; virtual interaction; visual customization

TH 122

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030573

A

2095-302X(2018)03-0573-06

2017-09-08；

2017-11-20

國家自然科學基金項目(51435005)；佛山市科技創(chuàng)新項目(2016AG100262)

范德軍(1992–)，男，山東臨沂人，碩士研究生。主要研究方向為SolidWorks軟件二次開發(fā)、CAD/CAE/CAM。E-mail：de_jun_fan@163.com

宋 建(1971–)，男，廣東廣州人，高級工程師，本科。主要研究方向為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)裝備智能技術(shù)、計算機測控技術(shù)。E-mail：songjian@scut.edu.cn