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

1、二三維一體化CAD系統(tǒng)中工程圖紙自動生成技術(shù)的研究和實現(xiàn) 曾令衛(wèi)鄧家禔摘要：本文結(jié)合詳細實例對二三維一體化ad系統(tǒng)中，工程圖紙的自動生成技術(shù)進展了深化的討論，給出了剖切視圖和復雜視圖的詳細算法，并介紹了二、三維雙向關(guān)聯(lián)和互驅(qū)動的相關(guān)技術(shù)。1引言隨著ad根底理論和應用技術(shù)的不斷開展，對ad系統(tǒng)的功能要求也越來越高。設(shè)計人員不再僅僅滿足于借助ad系統(tǒng)來到達“甩圖版的目的。而是希望它能從本質(zhì)上減輕大量簡單煩瑣的工作量，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中。由于三維ad系統(tǒng)具有可視化好、形象直觀、設(shè)計效率高、以及能為is工程中各應用環(huán)節(jié)提供完好的設(shè)計、工藝、制造信息等優(yōu)勢，使其取代傳統(tǒng)的

2、純二維ad系統(tǒng)已成為歷史開展的必然。但是，由于經(jīng)濟實力、技術(shù)程度和習慣定勢等的影響，二維圖紙不僅不會在短期內(nèi)全部消亡，反而還會作為工程語言的載體長期存在并不斷開展。據(jù)統(tǒng)計，從目前我國機械行業(yè)的ad應用狀態(tài)來看，根本呈現(xiàn)三角形構(gòu)造。占據(jù)三角形底部的是已被廣泛應用的基于p平臺的二維ad系統(tǒng)，如：autdesk公司的autad系列，國內(nèi)華正的axa電子圖版、高華的ghad、凱思的piad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)Sad系統(tǒng)，如：eulid,atia,pr/e,sdr/i-deas等高端產(chǎn)品。主要被一些大中型企業(yè)所采用，但因其價格、系統(tǒng)開放性、軟件本地化特性和用

3、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)揮應有的作用。從企業(yè)應用的實際需求和市場分析來看，今后ad的用戶類型分布將開展為：從事純二維繪圖和設(shè)計的約占25%，以適應上下游廠商對二維圖形數(shù)據(jù)的需要。從事純?nèi)S設(shè)計的將小于25%,集中用于大型裝配設(shè)計和復雜工程分析。既從事二維繪圖又從事三維設(shè)計的將大于50%,廣泛用于零部件及其一般裝配設(shè)計和分析。目前國內(nèi)外各大ad供應商也都看到了這一開展態(tài)勢，相繼推出p平臺的二、三維一體化系統(tǒng)解決方案。由此可見，研究基于p平臺的二、三維一體化ad系統(tǒng)軟件技術(shù)將具有廣闊的市場前景和現(xiàn)實意義。而根據(jù)三維ad的模型數(shù)據(jù)源自動產(chǎn)生二維圖紙信息是其中一個重要研究方向。本

4、文對基于三維ad模型數(shù)據(jù)源自動生成二維圖紙和二、三維互相關(guān)聯(lián)等相關(guān)技術(shù)進展了深化的討論。并在國產(chǎn)二、三維一體化ad系統(tǒng)“金銀花2000中予以實現(xiàn)。2二三維一體化系統(tǒng)簡介當用戶使用二、三維一體化ad系統(tǒng)進展機械產(chǎn)品的設(shè)計時，首先在三維環(huán)境下開始設(shè)計工作，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)計變得即直觀又快捷。伴隨著零件的設(shè)計過程，三維統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源在sdr的i-deas系統(tǒng)中也稱之為“主模型也就同時生成。利用這一數(shù)據(jù)源可進展裝配件設(shè)計和許多后期試制工作，如進展干預檢查、物性計算、機構(gòu)分析、運動學和動力學分析、真實感顯示等等。當然，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

5、模型數(shù)據(jù)源不僅包括模型的幾何和拓撲信息還包括特征、尺寸、公差、屬性、關(guān)系等信息。因此在生成圖紙時，不僅可以自動產(chǎn)生各種二維視圖等幾何數(shù)據(jù)，同時也可根據(jù)用戶需求生成各種標注和屬性數(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注的更新，反之，對二維投影幾何和尺寸的改變也必須更新三維模型，即：實現(xiàn)二、三維聯(lián)動，這也正是二、三維一體化ad系統(tǒng)的本質(zhì)所在。3二維圖紙自動生成我們知道，一張傳統(tǒng)的二維圖紙上主要包括以下幾類信息：點、線、圓、樣條曲線等各種幾何元素尺寸、公差、粗糙度、基準符號、焊接符號、零件標號和文本注解等標注信息標題欄、明細表、參數(shù)表等表格數(shù)據(jù)其實

6、，二維圖紙自動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展創(chuàng)立和管理的。因此，以下主要研究視圖、標注、屬性三個方面的自動生成技術(shù)。3.1視圖自動生成3.1.1視圖分類當前國內(nèi)外p平臺二、三維一體化ad系統(tǒng)中一般將視圖分為如下幾類：根本視圖、向視圖、剖切視圖、截斷視圖、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。這種分類方法概念明晰，實現(xiàn)自動生成較為簡單，而且也能滿足大多數(shù)用戶的需要。但在實際工程表達中視圖是很復雜的，以上分類和生成方法并不能完全滿足用戶的需要。如圖5中這些視圖我們在圖紙中經(jīng)?？梢杂龅剑壳笆忻嫔系脑擃恆d系統(tǒng)對

7、自動生成它們大都無能為力，對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，半剖視圖等等復雜形式詳細說明見后，從而徹底解決了二維視圖的自動生成問題。3.1.2視圖生成算法二維視圖自動生成的根本原理是：三維實體在某一個觀察方向上經(jīng)過消陰計算和投影變換后，轉(zhuǎn)換到二維視圖坐標中。觀察方向和視平面參數(shù)是由所要生成的目的視圖確定的。由于視圖種類繁多，因此自動生成算法也不盡一樣，但根本流程是一樣的。如圖2所示：圖中矩形虛線框內(nèi)為生成

8、根本視圖和向視圖的原理圖也是其它各種視圖生成時必經(jīng)的過程，右邊是產(chǎn)生剖切視圖的原理圖。以下分別進展說明：(1)根本視圖：是指那些不需要依賴于任何父視圖直接將三維實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)世界坐標系(xyz)如右圖3所示：假設(shè)用戶希望沿x軸負向看去得到圖中長方體的主視圖，只要將矢量ve1-1，0，0作為主視圖的投影方向，yz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xy為二維視圖坐標系)當然，實際算法要復雜一些，因為三維消陰后，產(chǎn)生的是離散線段，必

9、須先經(jīng)過擬合處理詳細方法可參閱參考文獻2才能投影；在投影構(gòu)造視圖中的幾何元素時，必須同時考慮原三維對應幾何點、邊、面的屬性問題。比方：在二維線段中記錄對應三維邊、面的id號以便修改模型重建視圖幾何時能匹配相關(guān)的標注信息；記錄對應三維邊、面的可見屬性以確定是否用虛線表示物體的內(nèi)部構(gòu)造等。(2)剖切視圖：是指用一個或幾個相交平面特殊情況下也可能是曲面切開三維實體，然后在指定方向上投影并進展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)計環(huán)境中創(chuàng)立，然后用來切分三維實體，這樣比較直觀。但在實際應用中，這種做法對用戶反而不太方便，因為用戶在進展二維設(shè)計時，更希望直接在圖紙上描繪出剖切

10、方式，由系統(tǒng)自動產(chǎn)生所要的剖切視圖。鑒于此，我們?yōu)橛脩籼峁┝酥苯釉诙S視圖內(nèi)創(chuàng)立剖切線生成剖視圖的方法。剖切視圖創(chuàng)立流程見圖2。下面通過一個實例見圖4介紹剖切視圖生成的詳細算法。假定用戶已用前述根本視圖創(chuàng)立方法在圖紙中生成了視圖vie1,然后在vie1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自動切開實體產(chǎn)生剖切視圖a-a，詳細算法如下：1得到vie1的視點eye,目的點target,up矢量等投影參數(shù)；2計算實體從三維視平面投影變換到二維視圖vie1所進展的投影變換trans1和視窗變換(trans2)，那么三維到二維的總變換：deltvietrans=transf

11、1*transf2；3由于二維視圖vie1中剖切線a-a是由直線段line1構(gòu)成，只要將line1從vie1中變換到三維視平面即可。假設(shè)該變換為vietdeltrans,顯然vietdeltrans就是deltvietrans的逆變換，即有：vietdeltrans=deltvietrans.inverse();4設(shè)line1變換到三維視平面后如圖示為line1，那么有：line1=line1*vietdeltrans;5同時將剖切線a-a的方向矢量ve1也變換到三維視平面即投影方向ve1；6)將直線邊line1沿圖中掃描方向ve2掃描形成一平面fae1;7)用fae1與原三維實體bdy1進展

12、布爾運算，即用fae1將bdy1剖切成上下兩局部;8根據(jù)ve1的方向決定保存下半局部實體bdy2，刪除另一局部;9)在剖切面即圖中bdy2的上外表內(nèi)搜索出邊環(huán)并記錄；10根據(jù)用戶指定的視圖定位點和投影方向ve1等信息，創(chuàng)立新的剖切視圖vie2;11)對bdy2在視線方向上消陰、擬合并投影到bdy2到視圖vie2中，產(chǎn)生所有投影幾何，并根據(jù)三維邊屬性對投影幾何賦屬性值；12將剖面線邊環(huán)同時投影到視圖vie2中并填充剖面線。以上是產(chǎn)生普通剖切視圖的算法，對于復雜視圖還需要對算法做局部修改。對于裝配件在填充剖面線時還必須區(qū)分不同零件分別填充。(3)分割視圖：是指在根本視圖或剖切視圖的根底上繼續(xù)剖分或

13、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的組合可產(chǎn)生各種復雜視圖，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根本一致，但是在上述算法的步驟7處布爾運算得到的兩局部實體并不是簡單的按照8的方式保存一局部刪除另一局部。根據(jù)選項對兩局部進展不同的處理如：一局部直接投影，另一局部進展剖面填充即可生成不同視圖種類，圖5是用此方法自動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、截斷視圖等，這些視圖的生成方法與剖切視圖也很相似，差異也主要集中在剖切后對實體的處理方式不一樣，此不再贅述。3.2標注自動生成用戶在設(shè)計

14、三維零部件的同時一般也會添加尺寸、標注公差、粗糙度等，這些幾何參數(shù)和加工要求信息與幾何、拓撲信息同等重要。圖紙設(shè)計時用戶當然不愿意再去重復這些枯燥的操作，因此一個好的系統(tǒng)也應該提供自動生成標注的才能。生成標注的根本思路可概括為：一一對應、投影賦值、符合國標。一一對應是指二維標注與三維標注應該是對應的；投影主要是指標注符號的幾何表示應該從三維中投影到二維視圖；賦值即將尺寸的數(shù)值，公差、粗糙度的大孝類型等不變數(shù)值直接傳給對應的二維標注。由于圖紙中的各種標注必須符合國標，因此投影賦值后系統(tǒng)還必須進展一些標準化處理和調(diào)整才能生成既與三維標注對應又符合國標的二維標注。由于尺寸的數(shù)量一般相對較多，在投影和

15、標準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、無干預、分布明晰合理。3.3屬性值的生成屬性值主要指邊、面的唯一索引id號、邊是否為相切邊或陰影邊、特征是否已隱藏、裝配件中一樣零件或標準件的個數(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根本視圖局部已經(jīng)提到。雖然屬性值的生成方法比較簡單，而且對用戶來說一般也是透明的，但作為系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)人員假設(shè)能充分利用它們，就可大大進步圖紙生成和重建的準確率。有些數(shù)據(jù)對于自動填充明細表、生成b報表以及標注零件標號也是非常重要的。4二、三維雙向關(guān)聯(lián)由于二三維一體化ad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

16、據(jù)三維模型自動生成的。因此二三維之間是一致的、互相關(guān)聯(lián)的。當任何一方模型改變時，系統(tǒng)將向另一方發(fā)送更新消息，然后自動同步更新當然，用戶也可根據(jù)需要選擇放棄更新的操作。對于設(shè)計人員來說，為了在設(shè)計后期細化、更正自己的設(shè)計意圖，或進展變異設(shè)計等，一般只需要在二維或三維環(huán)境下簡單的修改某些尺寸參數(shù)，系統(tǒng)就可以自動更新所有相關(guān)零部件或圖紙。盡管操作很簡單，但重新生成的算法實現(xiàn)是很復雜的。我們在系統(tǒng)中采用唯一id號的方式在重建過程中對幾何和標注等信息進展逐一匹配，理論證明，效果相當理想。限于篇幅，其詳細算法另文闡述。5結(jié)論隨著p機圖形圖象顯示和處理才能的增強以及ad軟件根底技術(shù)的開展，基于p平臺的二、三維一體化ad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、友好的用戶界面和低廉的本錢贏得了設(shè)計人員的普遍歡迎。工程圖紙的自動生成與傳統(tǒng)的二