基于Pro/E 的发射装置设计数据快速转化方法

张凌雲，马 永，张 剑

(1. 中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450000；2. 河南省水下智能重点实验室，河南 郑州 450000)

0 引 言

作为典型的大型复杂产品，发射装置呈现出结构复杂，组成零部件数量、种类众多的特点。在其设计阶段，三维工程软件Pro/E 的成熟应用帮助设计人员极大提高了设计效率，发射装置设计方案得以三维模型的形式清晰立体的呈现。但是，为了适应生产阶段对产品二维图纸的需求，设计人员又不得不将数量巨大的Pro/E 三维模型转换为Auto CAD 环境下二维工程图纸。因此，三维模型与二维图纸割裂导致的工程图纸转换工作量巨大、效率低、错误率高的缺点在发射装置的设计过程中尤为突出。针对该问题，本文结合Pro/E 软件的功能特点，提出基于Pro/E 的发射装置设计数据快速转化方法，通过分别构建以三维模型和二维工程图为表达载体的发射装置三维设计数据模型和发射装置二维设计数据模型，提出三维模型和二维工程图之间的自动映射转换机制，实现三维模型向二维工程图的高效转化。

1 设计数据模型构建

发射装置的设计数据模型全面表达其在设计阶段产生的信息，用于详细反映设计者的设计意图，表达包括发射装置及其零部件的形状、尺寸、名称、材料等设计信息在内的设计方案。从表现形式的角度出发，发射装置设计数据模型包括三维设计数据模型和二维设计数据模型两部分。

1.1 三维设计数据模型

发射装置三维设计数据模型以三维模型为载体表达的发射装置设计信息，更侧重于直观表达发射装置的结构形态，三维设计数据模型包含几何和非几何两大类信息。

几何信息包含：实体模型、构建几何、基准平面和坐标系统4 类。其中，实体模型是由点、线、面、体构成的反映发射装置总体及零部件结构信息的三维实体模型，直观表达出发射装置整体及零部件的形态。构建几何是在创建实体模型过程中用到的具有一定含义的几何信息，如用于拉伸形成实体模型的草绘图等。坐标系则为三维模型的建立提供了位置关系和几何尺寸的度量标准。基准平面是标明基准零位的一个平面，为零件位置的确定提供参照。几何信息是显性信息，软件中打开的三维模型显示的就是三维数据模型的几何信息。

非几何信息包含：尺寸、视图方向、剖面、管理属性信息等，细分管理属性信息应包含零件名称、产品代号、零部件代号、零件代号、零件材料、设计时间、设计人员等内容。其中，尺寸隐含在几何信息上，视图方向和剖面隐含在视图信息表里，管理属性信息隐含在属性信息表里，均不会直观的显示在软件中打开的三维模型上，所以，非几何信息是隐性信息。此外，技术要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度、基准标签等在发射装置设计信息表达中占据重要位置的非几何信息在三维设计数据模型中均未得到体现，所以，三维设计数据模型并不包含这些信息。

根据上述分析，构建发射装置三维设计数据模型如图1 所示。

发射装置通过许多零部件的组合构成了完整的产品，每个零部件均对应一个三维设计数据模型，组成发射装置产品的所有零部件对应的三维数据模型构成了发射装置产品的三维设计数据模型。在Pro/E 环境下，每个零部件均对应一个“*.prt”或“*.asm”文件，“*.prt”和“*.asm”文件便是三维设计数据模型的直接载体。

1.2 二维设计数据模型

发射装置二维数据模型以二维工程图为载体表达的发射装置设计信息，更侧重于详细表达发射装置的生产制造要求。二维数据模型同样包含几何和非几何两大类信息。

图 1 三维设计数据模型组成结构Fig. 1 Structure of 3D design data model

几何信息包含视图和中心线两大类信息。视图是由点、线、面构成的反映发射装置总体及零部件结构信息的平面图形，包括：向视图、剖视图、详细视图等。中心线是辅助视图标识零部件特征结构的特殊辅助线。二维设计数据模型中的几何信息为显性信息。

非几何信息应包含：尺寸信息、技术要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度、基准标签、管理属性信息等常规非几何信息，与三维设计数据模型相同，管理属性信息应包含零件名称、产品代号、零部件代号、零件代号、零件材料、设计时间、设计人员等内容。同时，为了完整表达发射装置的各项设计信息，二维设计数据模型中还应包含图幅目录、零部件明细表等。二维设计数据模型中的非几何信息均为显性信息，与几何信息共同被直观的表达在二维工程图上。

根据上述分析，构建发射装置二维设计数据模型如图2 所示。

发射装置通过许多零部件的组合构成了完整的产品，每个零部件均对应一个二维设计数据模型，组成发射装置产品的所有零部件对应的二维数据模型附加图幅目录和零部件明细表构成了发射装置产品的二维设计数据模型。

2 设计数据快速转化方法

发射装置设计数据快速转化技术是将三维设计数据模型快速转化为二维设计数据模型的技术。由于二维设计数据模型比三维设计数据模型表达的信息更为详细，因此，设计数据快速转化方法包括数据映射和数据补充两部分。数据映射是将三维设计数据模型的信息等价传递至二维设计数据模型并精确表达；信息补充则是通过人机交互的方式将缺失的信息补充完整。

2.1 数据映射

根据被映射数据类别的不同，数据映射方法分为视图映射、继承映射、整合映射和衍生映射。

图 2 三维设计数据模型组成结构Fig. 2 Structure of 2D design data model

1）视图映射

视图映射面向的对象是二维设计数据模型中用来表达发射装置形状和结构信息的平面视图。根据表达信息角度和方式的不同，平面视图可以粗分为向视图、剖视图、详细视图等。但是从映射的角度看，每种类别的视图均由三维设计数据模型中的几何信息投影而来，区别仅在于生成平面视图时的投影方向、投影位置、显示区域及放大比例。生成平面视图的过程中，投影方向由三维设计数据模型中的视图方向决定，投影位置由三维设计数据模型中的剖面位置决定，因此，建立视图映射方法如下：

其中：T为映射函数，即投影；Modi,Dirij,Poij,DiAij,Ratij均为映射参数； Modi为发射装置的第i 个零部件；Dirij为发射装置第i 个零部件的第j 个投影方向；Poij为 发射装置第i 个零部件的第j 个剖面； DiAij为发射装置第i 个零部件对应的第j 个投影视图的显示区域； Ratij为发射装置第i 个零部件对应的第j 个投影视图的缩放比例。 Vieij为发射装置第i 个零部件的第j 个平面视图。

在映射参数中， Modi, Dirij, Ratij不可为空，若Poij和 DiAij同时为空，则 V ieij为向视图；若仅 Poij为空且 Ratij大于1 则 V ieij为局部放大视图；若仅 DiAij为空则 Vieij为剖视图；若所有参数均不为空则 V ieij为局部剖视图。

2）继承映射

在发射装置三维设计数据模型中，零件材料属性、通用管理属性、会签属性隐性的记录在模型参数表中。量化表达产品及零部件形状的尺寸信息则隐性的表达在三维模型上。而在二维设计数据模型中，零件材料属性、通用管理属性、会签属性显性的表达在图幅的标题栏上；尺寸显性的标注在平面视图上。由于三维和二维设计数据模型中的属性信息及尺寸信息完全相同，所以，将三维设计数据模型中的零件材料属性、通用管理属性、会签属性和尺寸信息传递至二维设计数据模型中的过程叫继承映射。建立继承映射方法如下：

其中： T MaIij是继承映射的信息内容； Modi是继承映射信息所属的发射装置第i 个零部件的三维设计数据模型； S Lisij是继承映射信息的标题；J 是映射关系，其含义是从发射装置第i 个零部件的三维设计数据模型 Modi中获得标题为 S Lisij的信息内容 T MaIij并映射给发射装置第i 个零部件的二维设计数据模型。

3）整合映射

在发射装置总装的三维设计数据模型中，装配树表达了产品总体与零部件的隶属装配关系，而在二维设计数据模型中，则是由零部件明细表来表达了组成发射装置各零部件数量及零部件间隶属关系。由三维设计数据模型中的装配树转化得到零件明细表的过程叫整合映射。

假设1：零部件明细表的表达格式为A={ai|i ∈N+,i ≤n} 。其中， A 是 明细表； ai是明细表中的第i 条数据；n 是发射装置所含零部件的种类。 IDi是 ai的序号， Namei是 ai中 记录零部件的名称； W eii是 ai中记录零部件的质量； Cdi是 ai中 记录零部件的代号，是 ai中记录零部件的所属装配号； T pi是 ai中记录零部件的类型；N UMi是 ai中记录零部件在整个发射装置中存在的数量。

根据上述假设，建立统计映射过程如下：

步骤1 读取发射装置总装三维设计数据模型装配树，获取装配树的零部件总数 nz，初始化i=0，j=1；

步骤2遍历发射装置总装三维设计数据模型装配树，从装配树中取出第j 个零部件并从参数表中获取其代号 Cdj、名称 Namej、质 量 W eij、所属装配号Parj和零部件类型T pj；

步骤3 检索明细表A 中是否已存在ax={IDx,Namex,Weix,Cdx,Parx,T px,NUMx} 使得C dx=Cdj，若是，执行步骤4，若否，执行步骤5；

步骤4 NUMx+ +，执行步骤6；

步骤5i++，在明细表 A 中 增加ai={IDi,Namei,Weii,Cdi,Pari,T pi,NUMi} ，令 IDi=i ， Namei=N amej，Weii=Weij， Pari=Parj，Cdi=Cdj，T pi=T pj，NUMi=1；

步骤6判断j 是否等于 nz，若“否”则执行步骤7，若“是”则执行步骤8；

步骤7j++，执行步骤2；

步骤8 整合映射结束。

4）衍生映射

在发射装置的二维设计数据模型中，图幅目录通过表格的形式表达全套图纸的数量和尺寸信息，是重要的管理信息。在发射装置的三维设计数据模型中，包括比例、图幅、张数等在内的图幅信息隐性的储存在每个零部件三维设计数据模型的参数表中。由三维设计数据模型中的图幅信息生成二维设计数据模型图幅目录的过程叫衍生映射。

假设2：图幅目录的表达格式为B={bi|i ∈N+,i ≤n} ，bi={BIDi,BCdi,BT pi,BPNi,BNUMi}。其中， B 是图幅目录； bi是图幅目录中的第i 条数据；n 是发射装置所含零部件的种类； BIDi是 bi的序号；BCdi是 bi中 记录零部件的代号； BT pi是 bi中记录零部件的图幅类型，枚举字段，内容为“A0、A1、A2、A3、A4”； BPNi是 bi中记录零部件的图纸张数；BNUMi是bi中记录零部件的图纸折合A4的总张数。

基于上述假设，建立衍生映射方法如下：

步骤1初始化i=1；

步骤2 从明细表A 中读取ai={IDi,Namei,Weii,Cdi,Pari,T pi,NUMi} ，获取 ai对应的零部件的图幅类型 BT pi和张数B PNi；

步骤3 判断 BT pi，若 BT pi=A0，f=1 6；若BT pi=A1，f=8；若 BT pi=A2，f=4；若 BT pi=A2，f = 4 ； 若 BT pi=A3， f = 2 ； 若 BT pi=A4， f = 1 ；BNUMi=f ×BPNi；

步骤4 在图幅目录 B 中增加bi={BIDi,BCdi,BT pi,BPNi,BNUMi} ， BIDi= i ， BCdi=C di， BT pi、BPNi已 在步骤2 中读取得到， BNUMi在步骤3 中计算得到；

步骤5 判断i 是否等于n，若“否”，执行步骤6，若“否”，执行步骤7；

步骤6i++，执行步骤2；

步骤7 衍生映射结束。

2.2 信息补充

发射装置三维设计数据模型经过上述4 种映射的转化后得到初始二维设计数据模型，此时距完整的二维设计数据模型还欠缺公差、中心线、粗糙度、技术要求等信息的有效表达。利用人机交互的方式在二维设计数据模型上补充公差、中心线、粗糙度、技术要求等信息，完成发射装置三维设计数据模型到二维设计数据模型的转化。

图 3 发射装置设计数据转化过程Fig. 3 The conversion process of launch device design data

2.3 转化过程

在三维设计数据模型向二维设计数据模型的转化过程中，通过视图映射、继承映射、整合映射和衍生映射将三维设计数据模型中的相关信息传递至二维设计数据模型，形成二维设计数据模型的初始化模式。采用人机交互的方式完成缺失信息的补充，通过标注工具将技术要求、形位公差、中心线等三维设计数据模型中缺失的信息补充在二维设计数据模型中使其完善。当发射装置的三维设计数据模型转化得到二维设计数据模型后，视图映射、继承映射、整合映射和衍生映射四种映射关系仍然发挥作用，当三维设计数据模型中的某一项信息发生改变，映射关系会将改变内容实时传递至二维设计数据模型中使其同步更新至最新状态，该过程无需人工参与。

3 技术实现及应用验证

根据上述理论分析，结合Pro/E 本身的功能特点，对软件进行模板定制和功能开发，完成发射装置设计数据快速转化工具的构建，结合某产品对该工具进行了应用验证。

3.1 设计数据模型模板构建

根据上述对发射装置三维设计模型和二维设计数据模型的分析，分别构建二者的标准数据模板。

三维设计数据模型的载体是P r o/E 环境下的“*.prt”和“*.asm”文件。三维设计数据模型的几何信息和尺寸信息均记录在文件的三维模型里；通用管理属性、会签属性、零件材料属性和图幅信息记录在文件的参数表里；视图信息记录在文件的视图管理器里。其中，三维模型模板和视图管理器由Pro/E 软件直接提供，三维模型和视图信息由设计者在完成发射装置设计的过程中完成构建。参数表模板则需根据上述理论分析在Pro/E 提供的“参数”模块里完成构建。完整的三维设计数据模型由三维模型、视图管理器和参数表构成，结合某产品构建的三维设计数据模型。

对于发射装置产品而言，其完整的二维设计数据模型由各个零部件的二维设计数据模型加零部件明细表和图幅目录组成。对于组成产品的零部件而言，其二维设计数据模型的载体是二维工程图。

3.2 映射方法

视图映射、继承映射、整合映射和衍生映射是实现发射装置三维设计数据模型向二维设计数据模型转化的主要过程，利用Pro/E 软件提供的功能模块进行模板定制和二次开发实现4 种映射方法在自动转化过程中的功能。

1）视图映射

Pro/E 软件提供了功能强大的三维建模环境和二维工程图模块，在三维建模环境和二维工程图模块之间，Pro/E 提供了视图映射函数。利用Pro/E 提供的二次开发接口，开发“创建同名工程图”功能，在三维建模环境下调用该功能即可进入当前三维模型对应的二维工程图模块，然后调用Pro/E 提供的视图映射功能模块，通过手动添加映射参数的方式完成视图映射的转换。结合某型产品构建其主视图过程如图4 所示。

图 4 视图映射Fig. 4 View mapping

2）继承映射

Pro/E 软件以黑箱的形式提供了继承映射函数，用户可根据需求以一定的规则引用该函数实现功能定制。根据前述方法分析，结合继承映射函数的引用方法，完成继承映射的功能定制。在“*.frm”模板相应的位置上通过“&+被继承内容所属的字段名”完成继承映射的功能定制。

在由三维设计数据模型转化生成二维设计数据模型的过程中，继承映射函数直接从三维设计数据模型中提取相应的信息传递至二维工程图并显示在“&+被继承内容所属的字段名”所在的位置上。继承映射是实时且可逆的过程，在三维模型中更改，二维会同步变更，在二维中修改，三维中也会同步变更。

3） 整合映射

根据建立的整合映射方法利用Pro/E 软件提供的二次开发模块和模板定制模块构建整合映射方法。构建的发射装置零部件明细栏，整合映射规则利用二次开发的方式嵌入明细栏模板中。

4）衍生映射

根据建立的整合映射方法利用Pro/E 软件提供的二次开发模块和模板定制模块构建衍生映射方法。构建的发射装置零部件图幅目录，衍生映射规则利用二次开发的方式嵌入图幅目录模板中。

3.3 信息补充工具

在表达二维设计数据模型标注信息的过程中，常常遇到大量非常规信息的标注，如形位公差、剖切位置、粗糙度、中心线等。针对标注困难的问题，利用Pro/E 的二次开发功能，开发了专用的快速标注工具。采用快速标注工具直接完成缺失信息的补充可大幅提高二维设计数据模型的转化效率。

4 结 语

本文通过构建三维设计数据模型和二维设计数据模型，进而建立了4 种映射方法，辅以人机交互的补充标注，完成额快速转化方法的构建，采用该方法不仅能提高发射装置产品由三维设计数据向二维设计数据转化的效率，而且整个映射为自动的动态过程，当三维设计数据模型发生更改，二维设计数据模型将自动进行同步更改，最后利用Pro/E 进行模板定制和功能开发建立了转化工具，通过实例验证了方法和工具的可行性。