参数化变型设计中工程图调整技术优化研究

黄启良， 王宗彦， 吴淑芳， 秦慧斌



参数化变型设计中工程图调整技术优化研究

黄启良， 王宗彦， 吴淑芳， 秦慧斌

（中北大学CAD/CAM工程技术研究中心，山西太原 030051）

针对工程图调整技术所存在的方法不完善，耗时长，过程繁杂等不足，对其进行了优化。分析了常用视图比例调整方法的优缺点，完善了其调整过程。研究了模型边线的伸缩规律，提出了尺寸直角的概念，并通过绘制基于尺寸直角的装配布局草图，简化了视图位置调整过程。提出了标注约束元的概念，论述了其对尺寸、注释位置变化的影响，并通过采用基于标注约束元的标注方法，简化了尺寸、注释调整过程。

工程图学；工程图优化；参数化变型设计；尺寸直角

工程图是参数化变型设计的最终输出，是产品生产加工的重要参考。但是，三维模型驱动后自动生成的工程图，存在视图比例不合理，布局较差，尺寸标注不整洁，注释错位等缺点（如图1、图2所示），因此需要对其进行调整。目前，国内外学者对工程图调整技术进行了大量研究，并取得了不少成果。文献[1]依据计算机图形和基于知识的专家系统，通过模仿有经验的设计师的思维模式，研究了一种由机械产品三维装配体模型自动生成装配体工程图的智能方法。文献[2]研究了三维模型驱动后工程图视图布局、比例、尺寸、焊接符号、零件序号的调整方法，以及部件图明细表的自动生成与调整方法。文献[3]提供了一种通过改变SolidWorks软件的各种常用设置，创建符合国家标准的工程图模板的方法。但当前工程图调整技术仍存在以下不足：

（1）视图比例可能出现漏调、误调现象；

（2）需要调整每一个视图的位置，耗时长；

（3）不能调整视图内部尺寸；

（4）需要调整工程图中所有的注释，过程繁杂，易出错。

针对以上不足，本文提出了完善的视图比例调整方法、基于尺寸直角的装配布局草图绘制方法和基于标注约束元的标注方法，优化了工程图调整过程，提高了工程图调整效率。

图1 工程图模板

图2 模型驱动后自动生成的工程图

1 基本原理

参数化变型设计是指在保持产品基本功能、原理和总体结构不变的情况下，根据需求的变化，对产品局部结构、尺寸和约束关系进行调整或变更，以形成新的产品。它不仅包括传统参数化所包括的对部分特征尺寸的修改，而且包括对工程视图的布局、比例、注释、公差、BOM表等相关部分的更新。因此，工程图调整是参数化变型设计的一部分。

在工程图调整过程中，视图比例和视图位置调整占据了其绝大部分时间，对以上两者进行改进能极大地提高工程图调整效率；而尺寸、注释调整过程非常繁杂，对其进行改进可以简化工程图调整过程。当前常用的两种视图比例调整方法各有优劣，合理的使用这两种方法既可以避免漏调、误调现象的出现，又可以提高视图比例调整的效率。在参数化变型设计中，采用恰当的方法建立零部件模型和工程图模板可以简化工程图调整过程。在该思想的指导下，本文研究了基于尺寸直角的装配布局草图绘制方法和基于标注约束元的标注方法，并以此简化了视图位置和尺寸注释的调整过程。

2 优化工程图调整过程的关键技术

2.1 视图比例调整过程的优化

当前，常用的视图比例调整方法主要有两种，下面分别予以介绍。

方法1 调整图纸比例。遍历所有视图，计算出由所有视图组成的图纸区域的宽和高，然后将其与图幅大小进行比较，并以此为依据对图纸比例进行调整。计算公式为

（2）

式中、分别为图纸区域的宽、高；maxWDim、maxHDim分别为每个视图在宽度、高度方向的最大尺寸；VScale为视图比例；WSpace、HSpace分别为视图之间或视图与图框之间在宽度、高度方向的空白区域大小；、分别为工程图宽度、高度方向视图的数量；、分别为工程图宽度、高度方向空白区域的个数。

方法2 调整视图比例。在工程图调整之前，记录模板中每个视图的大小，并将其存放在部件的DAT文件中。在视图比例调整时，将模型驱动后的视图大小和DAT文件中记录的相应数据相比较，并以此为依据进行视图比例调整。

方法1具有速度快，耗时短的优点，但它只能调整使用图纸比例的视图，不能调整使用自定义比例的视图（如局部视图，剖面视图等）。方法2需要对每一个视图进行比例调整，速度慢，耗时长，且当它遇到下例所示情况时会出错。

例：图1中前视图、右视图、俯视图均使用图纸比例，比例为1:10，模型驱动后参数、减小一半，不变。此时，如果使用方法2进行视图比例调整，调整后前视图、右视图的比例保持不变，而俯视图的比例变为1:5，这显然不符合图纸要求。

为了又快又好的调整视图比例，应该先采用方法1对使用图纸比例的视图进行调整，再采用方法2对使用自定义比例的视图进行调整，并且对于外轮廓尺寸变化不大的工程图（变化范围在0.8~1.2倍之间），可以不进行视图比例调整。这样既可以提高视图比例调整的速度，又可以避免漏调、误调现象的出现。主要程序如下：

Set Sheet = swview.Sheet

ret = Sheet.SetScale(1, vScale(1), ScaleAnno- Position, ScaleAnnoTextHeight) '设置图纸比例

……

If swview.UseParentScale = True Or swview. UseSheetScale = True Then

Exit Sub

Else '如果该视图使用的是自定义比例

swview.ScaleRatio = vScale '设置视图比例

End If

2.2 视图位置调整过程的优化

当前常用的视图位置调整方法为先将模板中每个视图的中心位置记录在部件的DAT文件中，模型驱动完成后对视图位置进行调整时，使视图的新中心位置与DAT文件中所记录的原中心位置相重合。此法能有效地改善视图布局，但耗时长，调整效率低。笔者在参数化变型设计过程中发现采用基于尺寸直角的装配布局草图绘制方法和两侧对称拉伸的建模方式，可以简化甚至省去视图位置调整过程，下面对其进行介绍。

2.2.1 模型边线的伸缩规律

模型驱动后，工程图视图原点位置的改变是由模型边线的伸缩引起的。由于模型是通过装配布局草图驱动的，所以模型边线的伸缩首先取决于装配布局草图中几何要素（点、线、基准面）的伸缩情况，然后取决于零件的建模方式，而前者又取决于它的绘制方法，如约束添加方法等。

2.2.2 尺寸直角的定义和作用

尺寸直角是指装配布局草图中决定工程图视图原点位置的驱动尺寸的集合。由于这些尺寸构成一个直角，所以叫尺寸直角。尺寸直角是为了简化甚至省去工程图视图位置调整过程而提出的，它是装配布局草图正确绘制的依据。图1中前视图当前常用的装配布局草图如图3(a)所示，其中决定工程图视图原点位置的尺寸有3个，尺寸值分别为12、250、289。图3(b)为图3(a)的尺寸直角。

2.2.3 基于尺寸直角的装配布局草图绘制方法

要想使视图原点位置在模型边线伸缩过程中保持不变，在绘制装配布局草图时必须遵循以下步骤和原则：

（1）分析图纸，确定模型的驱动尺寸和装配布局草图的形状；

（2）确定装配布局草图的尺寸直角；

（3）绘制装配布局草图，先绘制尺寸直角中各个尺寸对应的草图线，然后找出尺寸直角的3个顶点、、对应的草图端点，并使、和、对应的草图端点关于草图中心线对称，最后绘制其它草图元素，结果如图3(c)所示。

如果使用图3(a)所示的装配布局草图，模型驱动完成后，工程图中模型边线相对于视图原点不是两侧对称伸缩，视图原点位置会变，所以必须对视图位置进行调整。而当使用图3(c)所示的装配布局草图时，由于决定视图原点位置的模型边线相对于视图原点两侧对称伸缩，视图原点位置不变，所以不需要对视图位置进行调整。

对于图1中的右视图，也可以采用此法来简化其位置调整过程，而对于图1中的俯视图，只要该装配体中所有零件均采用两侧对称拉伸的建模方式就能省去其位置调整过程。

(a) 当前常用的装配布局草图 (b) 尺寸直角 (c) 基于尺寸直角的装配布局草图

2.3 尺寸与注释调整过程的优化

模型驱动后，工程图中模型边线的长度和位置会发生变化，而未与模型边线添加几何约束关系的标注项目（尺寸、注释、焊接符号、粗糙度符号、技术要求等）的位置不会变，所以会出现错位现象，需要对尺寸、注释等进行调整。

2.3.1 标注约束元的定义和作用

标注约束元是指控制标注项目位置变化的元素，有点和线两种类型。当标注约束元为点时，标注项目完全定位；当标注约束元为线时，标注项目未完全定位，它还能在标注约束元所在的直线上滑动。所以，选择合适的标注约束元进行标注可以简化尺寸、注释调整过程。

2.3.2 尺寸调整过程的优化

现有尺寸调整方法根据视图外部尺寸的层次性，将其放置在不同的图层，然后通过设置不同图层之间的距离来调整尺寸的位置。此法可以快速、整齐地调整视图外部尺寸的位置，但是由于视图内部尺寸分布散乱，不具有层次性，所以它不能调整视图内部尺寸。笔者发现采用基于标注约束元的标注方法可以保证模型驱动后视图内部尺寸相对于模型边线的位置不变，因而不需要对其进行调整，下面进行介绍。

（1）直线尺寸的四种标注方法及其性质

如图4所示，有1、2、3、4四条直线，有、、、四个顶点，现要标注直线1的尺寸，有以下四种方法：一线法（选中直线1进行标注）、两点法（选中顶点、进行标注）、一点一线法（选中顶点、直线2或顶点、直线4进行标注）、两线法（选中直线2和4进行标注）。采用以上四种方法标注的尺寸的性质如表1所示。由表1可知，一线法和两点法本质相同，两线法一般不应采用。

图4 直线尺寸标注的四种方法

（2）采用不同方法标注的尺寸在工程图中的变化情况

表1 采用不同方法标注的尺寸的性质

由表1可知，模型驱动后采用不同方法标注的尺寸在工程图中的变化情况也不同，如图5所示。图5中，零件草图(a)除去顶部草图线外，其他草图线均已添加了水平或竖直几何关系，(d)~(h)为模型驱动后（零件草图中两条竖线的长度分别变为30和50）采用不同方法标注的尺寸在工程图中的变化情况。由(f)、(g)可知，一点一线法有两种形式，其中只有(g)所示的标注才是正确的，即一点一线法中的点应是位置高的点，线应短线。

综上所述，当尺寸方向始终与直线平行时，应采用一线法或两点法标注；当尺寸方向始终保持水平或竖直时，应采用一点一线法标注。这样标注的视图内部尺寸在模型驱动后不会出现错位现象，不需要调整。

(a) 零件草图 (b) 零件模型 (c) 前视图 (d) 一线法

(e) 两点法 (f) 一点一线法 (g) 一点一线法 (h) 两线法

图5 采用不同方法标注的尺寸在工程图中的变化情况

2.3.3 注释调整过程的优化

这里所说的是广义的注释，它包括注释、焊接符号、粗糙度符号、零件序号、技术要求等。当前常用的注释调整方法为先记录工程图模板中每个注释的位置信息和所在视图的相关信息，并将其存放在部件的DAT文件中，模型驱动完成后对注释位置进行调整时，根据DAT文件中的相关信息计算出注释的相对位置，最后将注释放置在相应的位置上。此法能够快速、有效地调整注释的位置，但是调整过程过于繁杂，且容易出错。笔者发现只要在注释和模型边线之间添加约束几何关系，使其完全定位，就可以确保模型驱动后其相对于模型边线的位置不变，因而可以简化甚至省去注释调整过程。

（1）注释的完全定位

这里指的是狭义上的注释，它有两种类型，带箭头的注释和不带箭头的注释。对于带箭头的注释，可以通过以下过程使其完全定位：首先，新增一个图层，并在其上绘制一个完全约束的草图点，该点位于要添加的注释附近；然后，在相应的图层上插入一个注释（有引线和箭头），并使其指向草图点；最后，将草图点所在的图层设为不可见。此时，注释的标注约束元为箭头所指向的点，注释完全定位。

对于不带箭头的注释，应先采用以上步骤进行标注，然后将注释的箭头类型设为直线，并将引线长度缩短，使其接近为零，如图6所示。此时，虽然箭头和引线均不可见，但是注释和草图点之间的约束关系仍然存在，注释完全定位。

（2）焊接符号、粗糙度符号的完全定位

当焊接符号、粗糙度符号指向模型边线时，其标注约束元为箭头指向的模型边线。此时，它们都附着在模型边线上，因而不需要进行调整。

(a) 带箭头注释的完全定位 (b) 将箭头类型设为直线 (c) 缩短引线 (d) 隐藏草图点所在的图层

3 结 论

本文以SolidWorks为建模、出图工具，以VB为开发平台，对现有工程图调整技术进行了优化，其中包括完善视图比例调整过程，加速视图位置调整过程，简化尺寸、注释调整过程等。该技术已成功应用于某桥式起重机参数化变型设计中，它极大地提高了工程图调整效率。特别是对于大型装配体工程图，效率较现有工程图调整技术提高了50%以上。尽管本文做了不少工作，但是还有以下几个问题尚未解决：

（1）由尺寸直角的定义和形状可知，对于某些外轮廓不规则（如含有圆弧、不规则曲线等）的零部件不能采用本文所介绍的方法来简化其视图位置调整过程。如图7所示，当圆弧半径较小时，它对视图原点位置的影响也较小，在确定尺寸直角时可以将其忽略。此时如果采用本文所介绍的方法，模型驱动后工程图中视图原点的位置变化不大，不需要进行视图位置调整。但是，当圆弧半径较大时，本文所介绍的方法就不适用了，此时应采用文献[2]中所介绍的方法对其进行视图位置调整。

图7 含有圆弧的装配布局草图及其尺寸直角

（2）尽管采用基于标注约束元的标注方法可以保证尺寸、注释相对于模型边线的位置不变，但是模型驱动后不同模型边线之间的相对位置会发生变化，这可能会破坏视图外部尺寸、零件序号的对齐关系，所以仍需使用程序对以上两者进行调整。

[1] Chen Kezhang, Feng Xinan, Ding Lan. Intelligent approaches for generating assembly drawings from 3-D computer models of mechanical products[J]. Computer-Aided Design, 2002, (34): 347-355.

[2] 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.

[3] 刘 莹. 定制符合国家标准的SolidWorks工程图模板[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2008, (12): 63-64.

[4] Zha X F, Sriram R D. Platform-based product design and development: a knowledge-intensive support approach [J]. Knowledge- Based Systems, 2006, 19(7): 524-543.

[5] 刘萍萍, 贡智兵, 李东波. 基于SolidWorks广义参数化的关键技术研究[J]. 机械设计与制造, 2005, (7): 71-72.

[6] 赵利平, 秦慧斌, 王宗彦, 等. 机械产品三维参数化变型设计研究与应用[J]. 机械科学与技术, 2008, 27(10): 1154-1157.

Research on the Optimization of Engineering Drawings’ Adjusting Technology in Parametric Variant Design

HUANG Qi-liang, WANG Zong-yan, WU Shu-fang, QIN Hui-bin

( Engineering Technology Research Center of CAD/CAM, North University of China, Taiyuan Shanxi 030051, China )

Aiming at the existing deficiency of engineering drawings’ adjusting technology, such as the imperfectness of methods, the long consumption of time, the complexity of process, etc, an optimization for them is implemented. The benefits and shortcomings of commonly used view scale adjusting method are analyzed and its adjusting process is optimized. By studying the stretch law of model edges, presenting the concept of dimension angle and drawing the assembly layout sketch based on it, the adjustment of view position is simplified. Through putting forward the concept of annotation binding element, discussing the effect it has on the position of dimensions and annotations, and adopting the marking method based on it, the adjustment of dimensions and annotations is simplified.

engineering graphics; optimization of engineering drawings; parametric variant design; dimension angle

TP 391.72

A

1003-0158(2011)01-0168-06

2009-12-19

山西省科学技术发展计划资助项目（20090321024）

黄启良（1985-），男，湖南洞口人，在读硕士研究生，主要研究方向为CAD/CAM/CAPP一体化。