三维环境下的工程图自适应优化技术

陆春月, 王宗彦, 郭 星， 虞国军

（中北大学机械工程与自动化学院，山西 太原 030051）

三维环境下的工程图自适应优化技术

陆春月, 王宗彦, 郭 星， 虞国军

（中北大学机械工程与自动化学院，山西 太原 030051）

工程图纸是企业生产的重要依据，对三维环境下的工程图纸进行优化以符合企业的要求很有必要。论文利用模型与图纸的关联性，给出了以模型模板和工程图模板为基础的自适应优化原理。提出了模板定制的原则，并给出了模板普通定制与特殊定制的方法，为后续优化奠定基础。详细论述了实现自适应优化的几个关键技术，包括视图定位，比例匹配，尺寸定位与明细栏优化，获得了大型复杂装配体工程图良好的优化效果。

工程图；模板定制；视图定位；比例匹配；尺寸定位

当今，在制造企业内三维设计软件普遍应用于产品的设计开发，但是由于制造达不到全数字化的要求，不能用三维实体直接指导生产，因此，二维工程图至今还是很重要的生产依据。虽然每款三维软件自身都有三维模型转化成二维图纸的功能，但是转化后的图纸表达凌乱，既不符合国标，也不符合行业或企业的表达习惯。特别是较复杂的大型装配图，存在视图位置交叉、线型表达不正确，全图比例不协调，尺寸及标注混乱，明细表信息不全等缺点。如果用人工去调整的话，工作量太大，设计效率太低，因此设计一套方案用计算机来实现自适应优化是非常必要的。

目前，国外关于此方面的相关文献较少，国内对三维环境下的二维工程图的调整展开了一些研究。王美聪在Pro/E平台上对图框进行了开发[1]，李健也在Pro/E平台上通过建立国标模板及修改配置文件的方法生成工程图[2]，王涛用增量式算法对尺寸布局进行了调整[3]，陈树晓在SolidWorks平台上实现了明细栏的自动生成及调整[4]，刘树林在Inventor平台上实现了工程图上明细栏信息的批处理，标注的导入导出以及公差的修改[5]。上述的这些方法由于在不同的平台上开展的，因此不具备通用性，所生成的图纸格式都较简单（没有局部视图，剖视图等），而且都是对工程图上的局部信息进行了优化，若换一个产品，就不能适用了，因此达不到实用的目的。我课题组在与企业长期的合作中不断探索，研究出一套三维环境下工程图自适应优化的方法，并能直接用于指导生产，大大缩短了企业的设计时间。

1 工程图自适应优化的基本原理

根据产品预先定制好一整套标准的三维模型模板和工程图模板，通过改变模型的参数和配置，驱动后得到一系列新的模型，由于模型与图纸相互关联，从而得到新产品的图纸，在该套图纸的基础上，通过对三维系统进行二次开发，编制其自适应优化算法程序，最终得到符合企业生产的工程图，其具体过程如图1所示。工程图模板的定制内容主要包括三方面：第一，图纸的幅面，图框的大小；第二，字体、尺寸、公差、焊接符号等的标注样式；第三，确定视图的类型并合理地布局。当模型驱动前后的变形较大时，在模板图纸基础上新生成的视图并不能正好充满整个图面，有些超出图纸范围或者多个视图产生重叠，有些在图纸上只占很少的图幅，因此对工程图要进行优化，使之自动适应图纸的幅面，并符合行业的标准。对工程图的自适应优化主要针对所有视图与图幅的匹配，包括视图定位，视图大小的确定，整图比例与局部视图比例的自动选取。除此以外还有尺寸定位，标注样式的优化，明细栏与标题栏的更新。

图1 自适应优化原理

2 关键技术

2.1 工程图模板的定制

1） 模板定制原则

工程图模板是将国标及设计规范固化到图纸上，并对一些视图加以特殊处理，使之能在模型变形后使工程图适应这种变形，并能被程序参数化驱动，它是生成新工程图的基础。因此，模板工程图预处理的好坏直接决定了能否最终生成合格的工程图。制定工程图模板必须遵循以下原则：

（1） 最大化原则 由于图纸是设计意图的最终表现形式，其承载了大量的制造、装配等信息，在制定模板时，充分考虑装配体结构最复杂，变形最大的情况，将所有的相关信息都包含在模板中。

（2） 简化原则 由三维模型直接转化而来的工程图线条冗余，线型繁杂，在定制模板的时候，应对其进行简化，要最大限度接近原始图，将多余的边线隐藏起来。隐藏时按先隐藏零部件，后隐藏边线的原则进行[6-7]。

（3） 定位原则 直接由三维模型转化而来的工程图表达凌乱，其主要原因是视图位置漂移、比例不匹配、尺寸及标注混乱，序号不整齐等。因此，在定制模板时就要固定所有视图及尺寸的位置，为后续布局优化提供基础。

2） 模板的普通定制

为了使国标或企业的设计规范固化到模板上，与文献[2，4-6]所述的方法类似，必须对模板的作一些常规的设置，设置内容如下：

图层设定 根据需要预先设定好可能用到的图层，并按照图层的功能命名，如尺寸层、各种线型、文字及标注等。

属性设定 根据企业的要求设置文字的字体及大小，尺寸线及箭头的样式，视图名称的标注样式（包括剖视图、辅助视图、局部视图等），单位的设定（包括长度、密度、体积等）。

链接设定 为了使图纸标题栏中的内容随模型的驱动而更新，需将标题栏中相应的内容与三维模型文件的自定义属性进行链接，如零部件名称、零部件代号、零部件重量等。

存放设定 为了在模型驱动完后能直接调用工程图模板，应将图纸模板文件存放到三维软件安装目录下的相应文件夹内，不同的系统略有差别，如SolidWorks的工程图模板文件应存放路径为“SolidWorks/lang/ Chinese-simplified/data/Tutorial”。

3） 模板的特殊定制

工程图模板如果只完成上述的普通定制，最终的图纸质量无法达到企业的标准，因为这只对图纸的一些基本的属性进行了设置，解决不了视图错位，尺寸混乱，比例不调的问题，必须对工程图作一些特殊的设置，才能通过二次开发来实现图纸的自适应优化。

整个图纸布局的自适应优化主要通过确定视图的位置与大小来实现的。定制模板时，在每一个视图的外轮廓图层上绘制一个包含最大外形尺寸的矩形图框，称之为包络框，该包络框的大小就是视图所占图纸区域的大小。除此以外还必须给定视图的定位点，才能使漂移的视图回到合适的位置，一般来说这个定位点为视口的几何中心，局部视图的定位点是该局部视图的完整视图包络框的几何中心，断裂视图的定位点为未断裂前的视图包络框的几何中心。因此，定位点位于包络框十字交叉线的交叉点，对其添加约束，使其完全定义，如图3所示。

图纸上的尺寸一般标注在视图内部的较少，主要有线性尺寸、圆弧尺寸和角度尺寸。绝大部分的尺寸标注在视图外部，一般为水平方向尺寸和竖直方向尺寸，并呈现一定的层次的，根据其层次性为其设定不同的图层，如图2所示。

图2 尺寸分层示意图

图3 局部视图定位

2.2 自适应优化的实现

所谓自适应优化，就是驱动完成的模型可能放大或缩小，其各视图的大小也随之改变，在视图定位的基础上，使工程图表达内容正好充满整个图纸，即图幅与图纸内容自动匹配的过程。自适应优化有两种方式：一是视图保持工程图模板大小，改变图幅的大小来适应工程图；二是保持图幅大小不变，改变视图的大小来适应图幅。目前大多采用第2种方式，其具体做法是采用视图遍历的方法，对所有已驱动更新的视图与图幅进行比较，如视图与图纸大小不匹配则进行优化，并且可对部分特殊零部件（如过长、过高等）采用断裂视图的方法。

1） 视图定位

在三维系统中，一般以工程图左下角作为图纸坐标系的原点，即为工程图的绝对坐标系，图纸上所有的图素都是通过这个坐标系进行定位的。视图上的图素遵循的是三维模型的坐标系，当模型投影到工程图上后，在图纸坐标系中，每个视图都有一个定位点，改变该定位点的坐标就能调整视图的位置。视图定位的思想是：获取模板上对应视图的定位点坐标，并用程序记录该值；获取驱动后对应视图的定位点坐标，并用程序记录。将驱动后视图的定位点坐标返回到对应模板视图定位点的坐标值，这样错位的视图会自动回到工程图中最理想的位置。

上述方法能很好地解决基本视图的定位问题，对于由裁剪而得的局部视图或剖面图，由于发生了局部放缩和裁剪，其剖切位置与局部放大范围不定，还会出现尺寸线过长、视图悬空和缺失等问题，还需作进一步的处理。剖切位置的确定是通过剖切线与模型间建立约束关系来解决的。如图3中，视图2是视图1的局部视图，视图2的断裂位置是样条曲线，将其各节点与视图最外边界建立尺寸约束，得到图中编号为1、2、3、4的4个尺寸，将该些尺寸置于新的图层上。局部视图位置的确定则要通过坐标变换，如图3中，包络框1中是完整视图，其定位点是A；包络框2中视图是1上的局部视图，其定位点是B。对局部视图2进行布局时，用户认为定位点B为视图中心，以B的坐标为基准来布置视图B的位置。由于从三维模型直接投影过来只能得到完整的视图1，因此，此时系统默认包络框1的定位点A是视图中心，并以此来定位。由于用户与系统定位的基准不同，必须进行坐标变换，使B点的实际定位坐标用A点的坐标来表示，这样才能直接用B点进行视图定位，其换算公式如下

Ax、Ay——优化前完整视图的定位点坐标；

Ax′、A′y——定位后完整视图的定位点坐标；

Bx、By——优化前局部视图的定位点坐标；

Bx′ 、B′y——局部视图最终的定位点坐标。

2） 比例匹配

在视图完全定位的基础上，采用不改变图纸大小的方式，通过自动计算整图的比例使图形与图幅匹配。工程视图比例的匹配要解决两个问题：一是判断何种情况下该用何种比例；二是不同的比例设定方式下如何进行比例的修改。其解决方法是所有视图的最大外形尺寸以及视图之间，视图与图框之间预留的空白区域之和等于图幅的大小。视图的最大外形尺寸是指经过比例变换后的尺寸，可以用包络框的大小来确定，因此，包络框在视图定位与比例匹配中起着定位与定形的双重作用。在大型复杂的装配体中，分别对水平和竖直方向建立求解比例的算法，其计算公式如下

L——图框的长；

W——图框的高；

VS——视图比例；

n——视图的数量；

m——空白区域的数量；

MDx——视图包络框在水平方向的最大尺寸；

MDy——视图包络框在竖直方向的最大尺寸；

SPx——视图之间或视图与图框空白区在水平方向的尺寸；

SPy——视图之间或视图与图框空白区在竖直方向的尺寸。

计算得到新的比例后，并不能直接用于工程图进行图纸匹配，该比例数据的随意性较大，必须与国标比例进行比较，选择最接近计算数据的国标比例作为视图的最终比例。如果该国标比例与模板比例相同，则不修改图纸比例，如果不等，则修改整图比例，其流程如图4所示。

图4 视图比例自动获取流程

3） 尺寸定位

如前所述，视图的外部尺寸分为竖直方向和水平方向的尺寸，根据尺寸标注方向和离视图距离的不同，由内到外将尺寸分成不同的层次，同一距离并排的尺寸归在同一图层上，如图2中尺寸 1、2在同一图层。将视图的所有尺寸归入各自的尺寸层，相邻两层的尺寸间距是一常量Δ。各尺寸层的命名也有一定的要求，要体现该层尺寸的方向与分布层次，如“竖_+3”的含义是竖直方向尺寸，在视图右侧从内向外第3层。尺寸定位时，通过先遍历所有尺寸记录其所对应的归属图层，通过判断图层的名称得到尺寸层的类型与方向，结合尺寸间距Δ就可以计算出尺寸的位置，具体计算公式如下

Dx——在图纸坐标系下水平方向的尺寸坐标值；

Dy——在图纸坐标系下竖直方向的尺寸坐标值；Ax′、A′y——在图纸坐标系下视图的定位点坐标；

MDx——视图包络框在水平方向的最大尺寸；

MDy——视图包络框在竖直方向的最大尺寸；

k——距视图边界的尺寸层数；

∆——相邻两层的尺寸间距。

4） 明细栏的优化

明细栏是工程图很重要的组成部分，反映装配体中零部件的序号、数量、材料等基本属性，其大多数信息可以直接从三维模型文件中链接而来，可以随模型信息的改变而直接更新。明细栏的优化主要是对行高、列宽的控制，零部件序号调整以及明细栏的折断等。根据设计要求，模型驱动后可能会增加或减少零部件种类，此时零部件的序号就会出现重复或断续，编写程序自动修改每一个零部件的序号并用冒泡法进行排序。

3 运行实例

本文以大型复杂装配体门式起重机的主梁为例，在SolidWorks 2010的平台上验证工程图纸的自适应优化技术。门起主梁模型经参数设置三维驱动后得到一新的模型，由该模型直接在图纸模板上生成的工程图如图5所示，图纸的一些基本属性，如字体、箭头样式，粗细线型等均已符合标准，但视图还是很凌乱，尺寸间距、视图大小及位置、整图比例等，均没有优化。对图5用上述自适应优化技术进行处理后如图6所示，该图纸上的比例、视图位置，尺寸位置及间距，标题栏的行高、列宽以及折断等均得到了很好的优化。

4 结 论

1） 本文在建立工程图模板的基础上，对整个图纸全局进行了布局优化与比例匹配。

2） 提出了工程图模板的定制原则，并对模板采用了普通定制与特殊定制相结合的处理方法，为后续的自适应优化奠定了基础。

3） 从视图定位、比例匹配、尺寸定位及明细栏优化等几方面进行详细论述，并给出了计算方法和流程，实现了工程图自适应优化的良好效果。

[1]王美聪, 陈 刚, 傅学农, 等. Pro/E工程图的参数化标准图框模板开发[J]. 机械设计与制造, 2007,(9)：171-173.

[2]李 健, 陈作炳, 石志良. Pro /E高效生成工程图的方法研究[J]. 机床与液压, 2010, 38(4)：89-92.

[3]王 涛, 莫 蓉, 万 能. 工程图尺寸标注自动布局算法及实现[J]. 航空计算技术, 2010, 40(2)：73-76.

[4]陈树晓, 水俊峰, 张晋强, 等. 基于SolidWorks的工程图明细栏自动生成与调整技术[J]. 中国制造业信息化, 2007, 36(3)：44-46.

[5]刘树林. 基于三维CAD的工程图关键技术研究与实现[D]. 武汉：华中科技大学, 2007.

[6]庞雨花, 刘志更, 吴淑芳, 等. 由三维参数化模型生成工程图的自动调整技术[J]. 工程图学学报, 2008,29(3)：156-160.

[7]Wang Zongyan, Huang Qiliang, Wu Shufang, et al.Research on the optimization of engineering drawings'adjusting technology based on parametric variant design [J].Key Engineering Materials, 2011, 450：83- 86.

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

山西省自然科学基金资助项目（2008012007）；山西省科技攻关计划资助项目（20090321024）

陆春月（1979-），女，江苏无锡人，讲师，博士研究生，主要研究方向为集成制造、机电一体化。

图5 模型驱动完直接得到的主梁工程图

图6 优化后的主梁工程图