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二三維一體化CAD系統中工程圖紙自動生成技術的研究和實現
二三維一體化CAD系統中工程圖紙自動生成技術的研究和實現發布時間： 2003-4-20 作者：曾令衛 鄧家禔
摘要：本文結合具體實例對二三維一體化CAD系統中，工程圖紙的自動生成技術進行了深入的探討，給出了剖切視圖和復雜視圖的具體算法，并介紹了二、三維雙向關聯和互驅動的相關技術。
1 引言
隨著CAD基礎理論和應用技術的不斷發展，對CAD系統的功能要求也越來越高。設計人員不再僅僅滿足于借助CAD系統來達到“甩圖版”的目的。而是希望它能從本質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造性的高層次思維活動中。由于三維CAD系統具有可視化好、形象直觀、設計效率高、以及能為CIMS工程中各應用環節提供完整的設計、工藝、制造信息等優勢，使其取代傳統的純二維CAD系統已成為歷史發展的必然。但是，由于經濟實力、技術水平和習慣定勢等的影響，二維圖紙不僅不會在短期內全部消亡，反而還會作為工程語言的載體長期存在并不斷發展。
據統計，從目前我國機械行業的CAD應用狀態來看，基本呈現三角形結構。占據三角形底部的是已被廣泛應用的基于PC平臺的二維CAD系統，如：AutoDesk公司的AutoCAD系列，國內華正的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工作站的純三維CAD系統，如：Euclid, Catia, Pro/E,SDRC/I-DEAS等高端產品。主要被一些大中型企業所采用，但因其價格、系統開放性、軟件本地化特性和用戶素質要求等眾所周知的限制，多數企業并未使其發揮應有的作用。從企業應用的實際需求和市場分析來看，今后CAD的用戶類型分布將發展為：
◆從事純二維繪圖和設計的約占25%，以適應上下游廠商對二維圖形數據的需要。
◆從事純三維設計的將小于25%,集中用于大型裝配設計和復雜工程分析。
◆既從事二維繪圖又從事三維設計的將大于50%,廣泛用于零部件及其一般裝配設計和分析。
目前國內外各大CAD供應商也都看到了這一發展態勢，相繼推出PC平臺的二、三維一體化系統解決方案。由此可見，研究基于PC平臺的二、三維一體化CAD系統軟件技術將具有廣闊的市場前景和現實意義。而根據三維CAD的模型數據源自動產生二維圖紙信息是其中一個重要研究方向。本文對基于三維CAD模型數據源自動生成二維圖紙和二、三維相互關聯等相關技術進行了深入的探討。并在國產二、三維一體化CAD系統“金銀花2000”中予以實現。
2 二三維一體化系統簡介
當用戶使用二、三維一體化CAD系統進行機械產品的設計時，首先在三維環境下開始設計工作，在“變量化的三維特征造型系統”的支持下，三維零件的設計變得即直觀又快捷。伴隨著零件的設計過程，三維統一模型數據源（在SDRC的I-DEAS系統中也稱之為“主模型”）也就同時生成。利用這一數據源可進行裝配件設計和許多后期試制工作，如進行干涉檢查、物性計算、機構分析、運動學和動力學分析、真實感顯示等等。當然，該數據源也是生成二維工程圖紙的唯一數據來源。三維統一模型數據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、關系等信息。因此在生成圖紙時，不僅可以自動產生各種二維視圖等幾何數據，同時也可根據用戶需求生成各種標注和屬性數據。由于采用了統一模型數據源，為維護模型數據的一致性，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：實現二、三維聯動，這也正是二、三維一體化CAD系統的本質所在。
3 二維圖紙自動生成
我們知道，一張傳統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、參數表等表格數據
其實，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行創建和管理的。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。
3.1 視圖自動生成
3.1.1 視圖分類
當前國內外PC平臺二、三維一體化CAD系統中一般將視圖分為如下幾類：基本視圖、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、旋轉剖（展開剖的一種特例），結果可為剖面圖和剖視圖。這種分類方法概念清晰，實現自動生成較為簡單，而且也能滿足大多數用戶的需要。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�？梢杂龅剑壳笆忻嫔系脑擃怌AD系統對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基本原理是：三維實體在某一個觀察方向上經過消陰計算和投影變換后，轉換到二維視圖坐標中。觀察方向和視平面參數是由所要生成的目標視圖確定的。由于視圖種類繁多，因此自動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必經的過程，右邊是產生剖切視圖的原理圖。以下分別進行說明：
(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。假設世界坐標系(OXYZ)如右圖3所示：如果用戶希望沿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果。(其中xoy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，產生的是離散線段，必須先經過擬合處理（具體方法可參閱參考文獻[2]）才能投影；在投影構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。比如：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部結構等。
(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計環境中創建，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，因為用戶在進行二維設計時，更希望直接在圖紙上描述出剖切方式，由系統自動產生所要的剖切視圖。鑒于此，我們為用戶提供了直接在二維視圖內創建剖切線生成剖視圖的方法。剖切視圖創建流程見圖2。下面通過一個實例（見圖4）介紹剖切視圖生成的具體算法。假定用戶已用前述基本視圖創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自動切開實體產生剖切視圖A-A，具體算法如下：
1） 得到view1的（視點eye,目標點target,up矢量）等投影參數；
2）計算實體從三維視平面投影變換到二維視圖view1所進行的投影變換（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構成，只要將line1從view1中變換到三維視平面即可。假設該變換為cViewToModelTrans,顯然cViewToModelTrans就是cModelToViewTrans 的逆變換，即有：
cViewToModelTrans = cModelToViewTrans.Inverse( );
4） 設line1變換到三維視平面后如圖示為LINE1，則有：
LINE1 = line1 * cViewToModelTrans ;
5）同時將剖切線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與原三維實體BODY1進行布爾運算，即用FACE1將BODY1剖切成上下兩部分;
8）根據VEC1的方向決定保留下半部分實體BODY2，刪除另一部分;
9) 在剖切面（即圖中BODY2的上表面）內搜索出邊環并記錄；
10）根據用戶指定的視圖定位點和投影方向VEC1等信息，創建新的剖切視圖view2;
11) 對BODY2在視線方向上消陰、擬合并投影到BODY2到視圖view2中，產生所有投影幾何，并根據三維邊屬性對投影幾何賦屬性值；
12）將剖面線邊環同時投影到視圖view2中并填充剖面線。
以上是產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上繼續剖分或切割而產生的視圖。由于所選父視圖的種類各異、分割線的構成和方向不同、以及生成過程中的不同選項的組合可產生各種復雜視圖，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基本一致，但是在上述算法的步驟7）處布爾運算得到的兩部分實體并不是簡單的按照8）的方式保留一部分刪除另一部分。根據選項對兩部分進行不同的處理（如：一部分直接投影，另一部分進行剖面填充）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，差別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
用戶在設計三維零部件的同時一般也會添加尺寸、標注公差、粗糙度等，這些幾何參數和加工要求信息與幾何、拓撲信息同等重要。圖紙設計時用戶當然不愿意再去重復這些枯燥的操作，因此一個好的系統也應該提供自動生成標注的能力。
生成標注的基本思路可概括為：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；賦值即將尺寸的數值，公差、粗糙度的大小、類型等不變數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還必須進行一些標準化處理和調整才能生成既與三維標注對應又符合國標的二維標注。
由于尺寸的數量一般相對較多，在投影和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、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準件的個數、零件的材料加工要求等等參數。這些參數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，但作為系統設計和開發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確率。有些數據對于自動填充明細表、生成BOM報表以及標注零件標號也是非常重要的。
4 二、三維雙向關聯
由于二三維一體化CAD系統采用了統一模型數據源，圖紙中的絕大多數信息都是根據三維模型自動生成的。因此二三維之間是一致的、相互關聯的。當任何一方模型改變時，系統將向另一方發送更新消息，然后自動同步更新（當然，用戶也可根據需要選擇放棄更新的操作）。對于設計人員來說，為了在設計后期細化、更正自己的設計意圖，或進行變異設計等，一般只需要在二維或三維環境下簡單的修改某些尺寸參數，系統就可以自動更新所有相關零部件或圖紙。盡管操作很簡單，但重新生成的算法實現是很復雜的。我們在系統中采用唯一ID號的方式在重建過程中對幾何和標注等信息進行逐一匹配，實踐證明，效果相當理想。限于篇幅，其具體算法另文闡述。
5 結論
隨著PC機圖形圖象顯示和處理能力的增強以及CAD軟件基礎技術的發展，基于PC平臺的二、三維一體化CAD系統因其采用統一的數據模型、二、三維的相關聯動、友好的用戶界面和低廉的成本贏得了設計人員的普遍歡迎。工程圖紙的自動生成與傳統的二維繪圖系統相比可極大的減輕設計人員的負擔和提高產品的設計效率。本文對工程圖紙的自動生成這一技術進行了深入的探討，給出了一些具體算法，并在商品化CAD系統中全部予以驗證和實現，對于開發此類CAD系統有很好的指導意義。
參考文獻
1 范玉青、馮秀娟、周建華。CAD軟件設計。北京航空航天大學出版社 1996.9
2 評測專家組。三維CAD/CAM軟件評測總結。計算機輔助設計與制造。1999(5)
3 袁波、周昀、胡事民、孫家廣�；谌S模型的二三維一體化設計。計算機輔助設計與制造。1998(6)
4 邵東。迎接MDA規模應用的時代。SDRC中國通訊
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