二三維一體化CAD系統(tǒng)中工程圖紙自動(dòng)生成技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)

二三維一體化CAD系統(tǒng)中工程圖紙自動(dòng)生成技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)  
發(fā)布時(shí)間： 2003-4-20  作者：曾令衛(wèi) 鄧家禔  
摘要：本文結(jié)合具體實(shí)例對(duì)二三維一體化CAD系統(tǒng)中，工程圖紙的自動(dòng)生成技術(shù)進(jìn)行了深入的探討，給出了剖切視圖和復(fù)雜視圖的具體算法，并介紹了二、三維雙向關(guān)聯(lián)和互驅(qū)動(dòng)的相關(guān)技術(shù)。

    1 引言

    隨著CAD基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)CAD系統(tǒng)的功能要求也越來越高。設(shè)計(jì)人員不再僅僅滿足于借助CAD系統(tǒng)來達(dá)到“甩圖版”的目的。而是希望它能從本質(zhì)上減輕大量簡(jiǎn)單煩瑣的工作量，使他們能集中精力于那些富有創(chuàng)造性的高層次思維活動(dòng)中。由于三維CAD系統(tǒng)具有可視化好、形象直觀、設(shè)計(jì)效率高、以及能為CIMS工程中各應(yīng)用環(huán)節(jié)提供完整的設(shè)計(jì)、工藝、制造信息等優(yōu)勢(shì)，使其取代傳統(tǒng)的純二維CAD系統(tǒng)已成為歷史發(fā)展的必然。但是，由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力、技術(shù)水平和習(xí)慣定勢(shì)等的影響，二維圖紙不僅不會(huì)在短期內(nèi)全部消亡，反而還會(huì)作為工程語言的載體長期存在并不斷發(fā)展。
    據(jù)統(tǒng)計(jì)，從目前我國機(jī)械行業(yè)的CAD應(yīng)用狀態(tài)來看，基本呈現(xiàn)三角形結(jié)構(gòu)。占據(jù)三角形底部的是已被廣泛應(yīng)用的基于PC平臺(tái)的二維CAD系統(tǒng)，如：AutoDesk公司的AutoCAD系列，國內(nèi)華正的CAXA電子圖版、高華的GHCAD、凱思的PICAD等均擁有大量用戶群。高居三角形頂端的是少量基于UNIX工作站的純?nèi)�維CAD系統(tǒng)，如：Euclid, Catia,  Pro/E,SDRC/I-DEAS等高端產(chǎn)品。主要被一些大中型企業(yè)所采用，但因其價(jià)格、系統(tǒng)開放性、軟件本地化特性和用戶素質(zhì)要求等眾所周知的限制，多數(shù)企業(yè)并未使其發(fā)揮應(yīng)有的作用。從企業(yè)應(yīng)用的實(shí)際需求和市場(chǎng)分析來看，今后CAD的用戶類型分布將發(fā)展為：
    ◆從事純二維繪圖和設(shè)計(jì)的約占25%，以適應(yīng)上下游廠商對(duì)二維圖形數(shù)據(jù)的需要。
    ◆從事純?nèi)�維設(shè)計(jì)的將小于25%,集中用于大型裝配設(shè)計(jì)和復(fù)雜工程分析。
    ◆既從事二維繪圖又從事三維設(shè)計(jì)的將大于50%,廣泛用于零部件及其一般裝配設(shè)計(jì)和分析。
    目前國內(nèi)外各大CAD供應(yīng)商也都看到了這一發(fā)展態(tài)勢(shì)，相繼推出PC平臺(tái)的二、三維一體化系統(tǒng)解決方案。由此可見，研究基于PC平臺(tái)的二、三維一體化CAD系統(tǒng)軟件技術(shù)將具有廣闊的市場(chǎng)前景和現(xiàn)實(shí)意義。而根據(jù)三維CAD的模型數(shù)據(jù)源自動(dòng)產(chǎn)生二維圖紙信息是其中一個(gè)重要研究方向。本文對(duì)基于三維CAD模型數(shù)據(jù)源自動(dòng)生成二維圖紙和二、三維相互關(guān)聯(lián)等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入的探討。并在國產(chǎn)二、三維一體化CAD系統(tǒng)“金銀花2000”中予以實(shí)現(xiàn)。

    2 二三維一體化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    當(dāng)用戶使用二、三維一體化CAD系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，首先在三維環(huán)境下開始設(shè)計(jì)工作，在“變量化的三維特征造型系統(tǒng)”的支持下，三維零件的設(shè)計(jì)變得即直觀又快捷。伴隨著零件的設(shè)計(jì)過程，三維統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源（在SDRC的I-DEAS系統(tǒng)中也稱之為“主模型”）也就同時(shí)生成。利用這一數(shù)據(jù)源可進(jìn)行裝配件設(shè)計(jì)和許多后期試制工作，如進(jìn)行干涉檢查、物性計(jì)算、機(jī)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、真實(shí)感顯示等等。當(dāng)然，該數(shù)據(jù)源也是生成二維工程圖紙的唯一數(shù)據(jù)來源。三維統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源不僅包括模型的幾何和拓?fù)湫畔⑦�包括特征、尺寸、公差、屬性、關(guān)系等信息。因此在生成圖紙時(shí)，不僅可以自動(dòng)產(chǎn)生各種二維視圖等幾何數(shù)據(jù)，同時(shí)也可根據(jù)用戶需求生成各種標(biāo)注和屬性數(shù)據(jù)。由于采用了統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源，為維護(hù)模型數(shù)據(jù)的一致性，三維模型的更改必須保證二維視圖和標(biāo)注的更新，反之，對(duì)二維投影幾何和尺寸的改變也必須更新三維模型，即：實(shí)現(xiàn)二、三維聯(lián)動(dòng)，這也正是二、三維一體化CAD系統(tǒng)的本質(zhì)所在。

    3 二維圖紙自動(dòng)生成

    我們知道，一張傳統(tǒng)的二維圖紙上主要包括以下幾類信息：
    ◆點(diǎn)、線、圓、樣條曲線等各種幾何元素
    ◆尺寸、公差、粗糙度、基準(zhǔn)符號(hào)、焊接符號(hào)、零件標(biāo)號(hào)和文本注解等標(biāo)注信息
    ◆標(biāo)題欄、明細(xì)表、參數(shù)表等表格數(shù)據(jù)
    其實(shí)，二維圖紙自動(dòng)生成也主要集中在這幾方面。其中幾何元素是以視圖方式進(jìn)行創(chuàng)建和管理的。因此，以下主要研究視圖、標(biāo)注、屬性三個(gè)方面的自動(dòng)生成技術(shù)。

    3.1 視圖自動(dòng)生成

    3.1.1 視圖分類
    當(dāng)前國內(nèi)外PC平臺(tái)二、三維一體化CAD系統(tǒng)中一般將視圖分為如下幾類：基本視圖、向視圖、剖切視圖、截?cái)嘁晥D、局部放大視圖等。



 其中剖切視圖又可分為階梯剖、展開剖、旋轉(zhuǎn)剖（展開剖的一種特例），結(jié)果可為剖面圖和剖視圖。這種分類方法概念清晰，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成較為簡(jiǎn)單，而且也能滿足大多數(shù)用戶的需要。但在實(shí)際工程表達(dá)中視圖是很復(fù)雜的，以上分類和生成方法并不能完全滿足用戶的需要。（如圖5中這些視圖我們?cè)趫D紙中經(jīng)�？梢杂龅剑�但目前市面上的該類CAD系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)生成它們大都無能為力，對(duì)這類視圖用戶往往不得不采用以前純二維系統(tǒng)的老方法--徒手繪制。本文提出“分割視圖”的概念并將視圖按圖1所示分類，通過分割視圖，用戶可以隨心所欲的創(chuàng)作出理想的視圖表達(dá)方式,包括由以上各種視圖組合而形成的組合剖切視圖和局部剖切視圖，半剖視圖等等復(fù)雜形式（詳細(xì)說明見后），從而徹底解決了二維視圖的自動(dòng)生成問題。

    3.1.2 視圖生成算法
    二維視圖自動(dòng)生成的基本原理是：三維實(shí)體在某一個(gè)觀察方向上經(jīng)過消陰計(jì)算和投影變換后，轉(zhuǎn)換到二維視圖坐標(biāo)中。觀察方向和視平面參數(shù)是由所要生成的目標(biāo)視圖確定的。由于視圖種類繁多，因此自動(dòng)生成算法也不盡相同，但基本流程是一樣的。如圖2所示：圖中矩形虛線框內(nèi)為生成基本視圖和向視圖的原理圖也是其它各種視圖生成時(shí)必經(jīng)的過程，右邊是產(chǎn)生剖切視圖的原理圖。以下分別進(jìn)行說明：

   (1) 基本視圖：是指那些不需要依賴于任何父視圖直接將三維實(shí)體在某一觀察方向上消陰并投影變換而成的視圖。例如：常見的主視圖、俯視圖、左視圖、右視圖、上視圖、下視圖以及軸測(cè)圖等。這些視圖均含有明確的投影方向信息。假設(shè)世界坐標(biāo)系(OXYZ)如右圖3所示：如果用戶希望沿X軸負(fù)向看去得到圖中長方體的主視圖，只要將矢量Vec1（-1，0，0）作為主視圖的投影方向，YOZ平面作為視平面，Z軸作為向上Up矢量就可得到理想的結(jié)果。(其中xoy為二維視圖坐標(biāo)系)


    當(dāng)然，實(shí)際算法要復(fù)雜一些，因?yàn)槿�維消陰后，產(chǎn)生的是離散線段，必須先經(jīng)過擬合處理（具體方法可參閱參考文獻(xiàn)[2]）才能投影；在投影構(gòu)造視圖中的幾何元素時(shí)，必須同時(shí)考慮原三維對(duì)應(yīng)幾何點(diǎn)、邊、面的屬性問題。比如：在二維線段中記錄對(duì)應(yīng)三維邊、面的ID號(hào)以便修改模型重建視圖幾何時(shí)能匹配相關(guān)的標(biāo)注信息；記錄對(duì)應(yīng)三維邊、面的可見屬性以確定是否用虛線表示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。
    (2) 剖切視圖：是指用一個(gè)或幾個(gè)相交平面（特殊情況下也可能是曲面）切開三維實(shí)體，然后在指定方向上投影并進(jìn)行剖面填充所生成的視圖。這些相交平面（又稱剖切平面）可以由用戶在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中創(chuàng)建，然后用來切分三維實(shí)體，這樣比較直觀。但在實(shí)際應(yīng)用中，這種做法對(duì)用戶反而不太方便，因?yàn)橛脩粼谶M(jìn)行二維設(shè)計(jì)時(shí)，更希望直接在圖紙上描述出剖切方式，由系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生所要的剖切視圖。鑒于此，我們?yōu)橛脩籼峁┝酥苯釉诙�維視圖內(nèi)創(chuàng)建剖切線生成剖視圖的方法。剖切視圖創(chuàng)建流程見圖2。下面通過一個(gè)實(shí)例（見圖4）介紹剖切視圖生成的具體算法。假定用戶已用前述基本視圖創(chuàng)建方法在圖紙中生成了視圖view1,然后在view1中畫一條直線line1（也可以是多段直線和曲線的組合等）,欲用line1自動(dòng)切開實(shí)體產(chǎn)生剖切視圖A-A，具體算法如下：


   1） 得到view1的（視點(diǎn)eye,目標(biāo)點(diǎn)target,up矢量）等投影參數(shù)；
    2）計(jì)算實(shí)體從三維視平面投影變換到二維視圖view1所進(jìn)行的投影變換（cTrans1）和視窗變換(CTrans2)，則三維到二維的總變換：
    cModelToViewTrans  =  cTransf1 * cTransf2；
    3） 由于二維視圖view1中剖切線A-A是由直線段line1構(gòu)成，只要將line1從view1中變換到三維視平面即可。假設(shè)該變換為cViewToModelTrans,顯然cViewToModelTrans就是cModelToViewTrans 的逆變換，即有：
    cViewToModelTrans  =  cModelToViewTrans.Inverse( );
    4） 設(shè)line1變換到三維視平面后如圖示為LINE1，則有：
    LINE1  =  line1 * cViewToModelTrans ;
    5）同時(shí)將剖切線A-A的方向矢量vec1也變換到三維視平面即投影方向VEC1；
    6) 將直線邊LINE1沿圖中掃描方向VEC2掃描形成一平面FACE1;
    7) 用FACE1與原三維實(shí)體BODY1進(jìn)行布爾運(yùn)算，即用FACE1將BODY1剖切成上下兩部分;
    8）根據(jù)VEC1的方向決定保留下半部分實(shí)體BODY2，刪除另一部分;
    9) 在剖切面（即圖中BODY2的上表面）內(nèi)搜索出邊環(huán)并記錄；
    10）根據(jù)用戶指定的視圖定位點(diǎn)和投影方向VEC1等信息，創(chuàng)建新的剖切視圖view2;
    11) 對(duì)BODY2在視線方向上消陰、擬合并投影到BODY2到視圖view2中，產(chǎn)生所有投影幾何，并根據(jù)三維邊屬性對(duì)投影幾何賦屬性值；
    12）將剖面線邊環(huán)同時(shí)投影到視圖view2中并填充剖面線。
以上是產(chǎn)生普通剖切視圖的算法，對(duì)于復(fù)雜視圖還需要對(duì)算法做局部修改。對(duì)于裝配件在填充剖面線時(shí)還必須區(qū)分不同零件分別填充。
    (3) 分割視圖：是指在基本視圖或剖切視圖的基礎(chǔ)上繼續(xù)剖分或切割而產(chǎn)生的視圖。由于所選父視圖的種類各異、分割線的構(gòu)成和方向不同、以及生成過程中的不同選項(xiàng)的組合可產(chǎn)生各種復(fù)雜視圖，如：半剖視圖，局部剖切視圖，局部視圖等。
分割視圖的生成方法與剖切視圖基本一致，但是在上述算法的步驟7）處布爾運(yùn)算得到的兩部分實(shí)體并不是簡(jiǎn)單的按照8）的方式保留一部分刪除另一部分。根據(jù)選項(xiàng)對(duì)兩部分進(jìn)行不同的處理（如：一部分直接投影，另一部分進(jìn)行剖面填充）即可生成不同視圖種類，圖5是用此方法自動(dòng)生成的幾種分割視圖的例子。


  (4) 其它視圖：主要包括局部放大圖、截?cái)嘁晥D等，這些視圖的生成方法與剖切視圖也很相似，差別也主要集中在剖切后對(duì)實(shí)體的處理方式不一樣，此不再贅述。

    3.2 標(biāo)注自動(dòng)生成
    用戶在設(shè)計(jì)三維零部件的同時(shí)一般也會(huì)添加尺寸、標(biāo)注公差、粗糙度等，這些幾何參數(shù)和加工要求信息與幾何、拓?fù)湫畔⑼�等重要。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)用戶當(dāng)然不愿意再去重復(fù)這些枯燥的操作，因此一個(gè)好的系統(tǒng)也應(yīng)該提供自動(dòng)生成標(biāo)注的能力。
    生成標(biāo)注的基本思路可概括為：一一對(duì)應(yīng)、投影賦值、符合國標(biāo)。一一對(duì)應(yīng)是指二維標(biāo)注與三維標(biāo)注應(yīng)該是對(duì)應(yīng)的；投影主要是指標(biāo)注符號(hào)的幾何表示應(yīng)該從三維中投影到二維視圖；賦值即將尺寸的數(shù)值，公差、粗糙度的大小、類型等不變數(shù)值直接傳給對(duì)應(yīng)的二維標(biāo)注。由于圖紙中的各種標(biāo)注必須符合國標(biāo)，因此投影賦值后系統(tǒng)還必須進(jìn)行一些標(biāo)準(zhǔn)化處理和調(diào)整才能生成既與三維標(biāo)注對(duì)應(yīng)又符合國標(biāo)的二維標(biāo)注。
    由于尺寸的數(shù)量一般相對(duì)較多，在投影和標(biāo)準(zhǔn)化處理后還要考慮綜合布局的問題，使得尺寸間盡量無重疊、無干涉、分布清晰合理。

    3.3 屬性值的生成
    屬性值主要指邊、面的唯一索引ID號(hào)、邊是否為相切邊或陰影邊、特征是否已隱藏、裝配件中相同零件或標(biāo)準(zhǔn)件的個(gè)數(shù)、零件的材料加工要求等等參數(shù)。這些參數(shù)在投影生成視圖幾何的過程中賦值（在上面基本視圖部分已經(jīng)提到）。雖然屬性值的生成方法比較簡(jiǎn)單，而且對(duì)用戶來說一般也是透明的，但作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)人員如果能充分利用它們，就可大大提高圖紙生成和重建的準(zhǔn)確率。有些數(shù)據(jù)對(duì)于自動(dòng)填充明細(xì)表、生成BOM報(bào)表以及標(biāo)注零件標(biāo)號(hào)也是非常重要的。

    4 二、三維雙向關(guān)聯(lián)

    由于二三維一體化CAD系統(tǒng)采用了統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源，圖紙中的絕大多數(shù)信息都是根據(jù)三維模型自動(dòng)生成的。因此二三維之間是一致的、相互關(guān)聯(lián)的。當(dāng)任何一方模型改變時(shí)，系統(tǒng)將向另一方發(fā)送更新消息，然后自動(dòng)同步更新（當(dāng)然，用戶也可根據(jù)需要選擇放棄更新的操作）。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，為了在設(shè)計(jì)后期細(xì)化、更正自己的設(shè)計(jì)意圖，或進(jìn)行變異設(shè)計(jì)等，一般只需要在二維或三維環(huán)境下簡(jiǎn)單的修改某些尺寸參數(shù)，系統(tǒng)就可以自動(dòng)更新所有相關(guān)零部件或圖紙。盡管操作很簡(jiǎn)單，但重新生成的算法實(shí)現(xiàn)是很復(fù)雜的。我們?cè)谙到y(tǒng)中采用唯一ID號(hào)的方式在重建過程中對(duì)幾何和標(biāo)注等信息進(jìn)行逐一匹配，實(shí)踐證明，效果相當(dāng)理想。限于篇幅，其具體算法另文闡述。

    5 結(jié)論

    隨著PC機(jī)圖形圖象顯示和處理能力的增強(qiáng)以及CAD軟件基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，基于PC平臺(tái)的二、三維一體化CAD系統(tǒng)因其采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、二、三維的相關(guān)聯(lián)動(dòng)、友好的用戶界面和低廉的成本贏得了設(shè)計(jì)人員的普遍歡迎。工程圖紙的自動(dòng)生成與傳統(tǒng)的二維繪圖系統(tǒng)相比可極大的減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)和提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。本文對(duì)工程圖紙的自動(dòng)生成這一技術(shù)進(jìn)行了深入的探討，給出了一些具體算法，并在商品化CAD系統(tǒng)中全部予以驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，對(duì)于開發(fā)此類CAD系統(tǒng)有很好的指導(dǎo)意義。


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