中国作为制造大国,国内外合作日益增多。在合作中,工程图是设计交流的必要工具。企业一般使用个性化的工程图样式,为了生成个性化的工程图,一般在通用三维绘图软件各个环节进行配置,耗时、费力且工作效率低。

模板是从一组相似事物中抽象出特征及基于特征的处理方法。模板具有可变异、可嵌套、可定制和可复用的特征^[1]。模板满足用户个性化需求,用户可以利用基本模板元素组建所需的模板、有效简化繁复重复劳动,提高效率;模板本身可以为一项任务或一种事物提供规范的描述方法,利于标准化的管理^[2]。

模板可以应用于工程图生成。饶上荣^[3]在工程图生成方面完成了相当多的基础研究,包括图纸绘制、图纸管理、标注模板和表格模板,通过引入面向对象、模板、参数化和变量化等技术,构建工程图系统的结构,特别是表格模板的定义^[4]为工程图模板打下了良好的基础,但是数据多为人工输入,和三维信息不关联,效率和正确率仍然有提高的空间。针对系列产品或标准件,使用模板技术将模型参数、零件属性信息定义于三维模型中,结合布局自动调整技术,提高了工程图生成效率和质量^[5-6],但是参数化三维模型的要求限制了在非参数化设计中的应用。针对模具零件,利用零件间的相似性,采用模板匹配的方式,实现工程图自动生成,提高效率^[7],但这要保证有相当数量的工程图作为匹配源,限制了该方法的应用范围。采用交互、数据文件、三维关联配合的方式实现了国标工程图环境,样式上采用宏实现图框和表格的绘制,但限制了样式的快速定制,灵活性差^[8]。通过“块”功能在SolidWorks平台上实现了工程图模板快速定制系统,并借助SolidWorks实现三维模型信息关联,但是并未解决工程图中明细表的模板化、三维信息关联和样式定制等功能^[9]。佘晶^[10]提出的工程图纸智能化生成技术采用模板技术满足工程图样式多样化的要求,并建立产品信息模型实现工程图信息的自动填写,但工程图模板和产品信息间缺乏灵活的关联,限制了工程图表达信息的扩展性。

为了实现快速生成多样化工程图,本文提出了一种基于模板的工程图生成方法,该方法有效提高工程图生成的质量和效率。结合安徽巨一自动化装备有限公司(下文简称巨一)需求,对三维软件CATIA二次开发,开发一套基于模板的工程图生成软件,实现了工程图的多样性,提高了效率。

1 工程图生成方案

基于模板生成工程图模型如图 1所示。数据D、视图V和模板T生成目标工程图。数据D由交互信息、数据文件和三维模型构成。模板T由大量的同一样式的工程图抽象而成,它记录和存储工程图样式,并使用参数与数据D建立关联。视图V是三维模型投影的一组视图。工程图模板定义为T=<ID,O,S,R>。其中标识符ID为在模板库中检索模板的关键字;模板对象集O为由描述工程图样式的线和文本构成的模板元素集;服务集S中定义了与模板对象集O相对应的操作;模板约束集R定义了服务集S操作的规则,如图纸绘制时所需的图纸属性、模板实例化中使用的必要参数等。

1.1 工程图模板

工程图模板是从工程图样式中抽象出的对象及其操作。工程图包含大量繁复的图形和文本以及各类表格。如果将文本视为只有一个单元格且线宽为0的表格,图符视为表格中的插图,则工程图可以被视为一个广义上由多个表格嵌套的复杂表格。本文依据嵌套表格模板设计技术^[11]将工程图样式抽象为一个复杂表格的模板。根据不同模板所需操作不同,将模板划分为常规区域和重复区域。

表格分为普通表格和列表。普通表格将文本参数化形成局部模板。列表由表头、表域2个区域构成。表头可视为一个普通表格。表域则需要对表域的条目进行参数化,并辅以表域展开规则形成局部模板^{[4, 11]}。

为简化区域划分,本文将模板对象集O分为常规区域集和重复区域集,见图 2。常规区域集包括普通表格、列表表头;重复区域集仅包含表域。模板的服务集S即是将抽象出的对象集实例化的操作:常规区域集通过获取具体数据形成对应实例;重复区域集则在成组的数据支持下多次实例化后展开形成一个与数据对应的表域。模板的约束集R定义包括:图纸的图幅、比例和标准等属性的定义,以及重复区域集实例化过程中所需的参数,包括起始位置、步进长度和步进方向。

2种区域集均由线、常规文本和参数文本3种元素构成。其中,参数文本是指以标识符和参数名构成的作为数据填写接口的文本。由于采用了工程图文件,各模板元素的位置坐标及样式属性均可设置并保存在模板中,如图 3所示。

通过以上对模板的设计,实现了利用一个工程图文件定义存储工程图样式的目标。为工程图样式的复用和继承、工程图样式的快速部署,以及工程图的快速生成打下了基础。

1.2 数据设计

模板是工程图样式的抽象;数据是工程图真正表达的内容。将数据应用于模板生成模板实例就是将工程图的内容按照预定的样式呈现。数据设计分为数据定义和接口。数据定义的设计影响用户添加数据的便利性和灵活性;数据的接口是数据与模板的纽带,决定着工程图生成系统的效率和灵活性。

工程图生成的信息可分为以下几类:描绘产品几何形状的几何形状信息,反映零部件相对位置和层级关系的装配信息,直接描述零部件的属性信息,与生产加工直接相关的工艺信息,用于生产管理的管理信息^[12]。根据不同数据的特点,设计数据的定义:三维模型定义了装配信息和几何形状信息,属性信息可以通过自定义属性或参数定义到三维模型文件中;工艺信息采用数据文件定义;管理信息采用交互的方式输入。数据信息管理模型如图 4所示。

数据接口要解决用户自定义参数名的多样性,使得用户数据无法与参数建立关联的问题。为此数据定义采用变量名和变量值2个字符串:变量名匹配模板中的参数文本,变量值用于存储用户的数据。管理信息的参数文本在模板定义中使用特定标识符。系统获取模板中定义的管理信息,在用户界面上供用户填写,再将填写的数据应用到模板中。

1.3 工程图生成

吕学庚^[13]提出的工程图自动出图技术通过开发多种功能模块以满足工程图生成的各种需求,但将这些功能模块进行有机的组合可以进一步提高工程图生成的效率。通过模板T和数据D的设计,实现模板和数据的定制,再添加一组投影视图V,便生成了目标工程图。工程图生成流程由选择模板、解析模板、提取并管理数据、工程图模板填写、获取主视图方向和添加视图所构成,如图 5所示。

模板定义了工程图样式,数据定义了模板的数据,视图定义了投影的方向,通过模板的解析、填写和添加视图,实现了工程图的生成。利用对象化思想,将一张工程图的生成流程抽象为工程图的生成类。

当用户需要批量输出工程图时,可以利用生成类生成工程图。如部件由装配体和零件两级构成。部件的工程图由部件装配图和多张零件图组成。部件装配图的明细表和零件图的标题栏都使用同一组属性信息、工艺信息和管理信息。通过选择2个模板定制装配体和零件图,利用工程图生成类一次性批量导出一个部件的一组工程图。

2 系统实现

应用第1节基于模板设计的工程图生成方法,结合巨一具体的设计生产需要,采用CATIA CAA开发了汽车生产线夹具工装工程图生成软件。图 6给出了工程图的生成流程,图 7为采用此流程生成的工程图。

汽车生产线包含多个工位,每个工位是由一个底座Base部件和多个单元Unit部件所组成的工装夹具。夹具的零部件分为专用件、标准件和外购件。工程图生成模板包含装配图、专用件零件图和Base特定图纸的样式信息。定义了总装配图、Unit和Base 3种出图模式。总装配模式以一个工位的工装夹具装配图为生成目标;Unit模式针对底座Base部件或Unit部件出图;Base模式是专门为Base特定的功能型图纸进行定制,生成Base焊接图和Base车身坐标加工图。

2.1 模板定制

创建模板库是工程图生成的首要任务。模板文件选用便于利用CAA提供的接口和类进行模板解析的CATDrawing文件格式。模板定制过程中,通过参数创建模板T与数据D之间关联为主,结合具体样式修改所绘制二维几何元素的样式。

参数文本主要有3个功能:数据接口、创建交互输入列表和约束关系辅助标识。参数文本的标识符有“%”和“$”2种:“$”和“%”为数据填写接口的基本标识符;“%”还表示此参数文本需加载到交互列表中供用户输入。列表表域展开规则采用辅助标识定义。结合实际应用,本文使用参数文本“$序号”和“$明细表”做辅助标识。取2个参数文本的y坐标定位重复区域;重复区域起始位置即为重复区域定义位置;步进长度为两参数文本y坐标差的绝对值;步进方向为从“序号”锚点指向“明细表”锚点,如图 8所示。

工程图样式使用各类二维几何元素,包括线、文本。线元素包括几何类型、特征点坐标、线型、线宽和颜色等属性;文本元素包括定位点坐标、字体、字号、锚点(控制对齐方式)、颜色和压缩比等属性。在模板定制阶段,通过设置元素属性,实现工程图样式的所见即所得。

结合巨一实际需求定义同一样式的模板,包括装配图模板、零件图模板、Base焊接图模板和Base车身坐标加工图模板。其中Base车身坐标加工图模板如图 9所示。

2.2 数据定制

数据由三维模型、数据文件和用户输入的信息组成。由于数据是通过模板中参数文本的参数名和数据变量名关联起来,因此在定义数据时要注意两者保持一致。

在三维模型文件内,使用自定义“参数”定义与三维模型直接相关的属性信息,如图 10所示。自定义“参数”显示在模型特征树上,易于检查和修改。结合需求开发“参数”创建工具可进一步提高参数创建效率。为满足巨一对零件分类的需求,属性信息引入名为类型的“参数”标记零件类型。“参数”定义中,“参数”名称作为数据定义的变量名与模板中参数文本的参数名对应。

数据文件用于存储工艺信息,如技术要求、注释信息等。工艺信息通常由不同行业的技术规范组成,为了便捷地定制,数据文件采用txt格式存储工艺信息。每条工艺信息由工艺条目名和工艺内容字符串构成。数据文件的文件名作为变量名,与模板中参数文本的参数名对应。为巨一提供喷漆要求、技术要求和注释打码3个工艺数据文件关联。管理信息通过模板获得,以列表形式显示在交互界面上供用户填写。

用户输入信息的变量名从模板中的参数文本的参数名提取,形成对应关系。

2.3 添加视图

三维模型的坐标系为O-xyz。三维模型投影到工程图,需要使用2个相互正交的矢量定义:投影方向矢量P和摆放方向矢量U。P和U定义的投影二维视图位于坐标系O′-x′y′中(其中:I^O′x′=P×U,I^O′y′=U)^[14],如图 11所示。CATIA注释集的“正视图”元素存储了三维空间中的2个正交矢量和1个点,能够成为定义视图方向的有效载体^[15]。因此,本文采用“正视图”元素定义工程图主视图方向,并根据视图投影关系获得其他视图投影方向^[16]。

视图布局是添加视图的关键,将定义的视图比例和位置插入工程图。通过CAA提供接口获取零件几何体在零件坐标系下的矩形包络盒的参数([x_min,x_max],[y_min,y_max],[z_min,z_max])和零件坐标系到装配体坐标系的齐次变换矩阵T。将零件坐标系下的零件几何体求并获得零件的矩形包络盒,分别对包络盒的8个顶点坐标进行齐次变换T,获取新的值构成零件在装配体坐标系下的包络盒,对新的包络盒求并获取装配体的包络盒,再将包络盒投影到各个视图平面上,获取视图大小([x_Pmin,x_Pmax],[y_Pmin,y_Pmax]),根据图幅调整视图比例选定视图定位点坐标。通过CAA接口添加视图。

3 结 论

针对工程图多样性,采用通用的三维设计软件需要多次配置,低效率的问题,基于模板的方式实现了多样工程图的生成。

1) 实现的软件系统在安徽巨一自动化装备有限公司得到了应用,验证了本文模板设计方法的通用性和易操作性。

2) 该软件系统减少了设计人员枯燥的统计和重复的绘制工作,提高效率可达30%以上。