二三维一体化CAD系统中工程图纸自动生成技术的研究和实现

    1 引言

    随着CAD基础理论和应用技术的不断发展，对CAD系统的功能要求也越来越高。设计人员不再仅仅满足于借助CAD系统来达到“甩图版”的目的。而是希望它能从本质上减轻大量简单烦琐的工作量，使他们能集中精力于那些富有创造性的高层次思维活动中。由于三维CAD系统具有可视化好、形象直观、设计效率高、以及能为CIMS工程中各应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，使其取代传统的纯二维CAD系统已成为历史发展的必然。但是，由于经济实力、技术水平和习惯定势等的影响，二维图纸不仅不会在短期内全部消亡，反而还会作为工程语言的载体长期存在并不断发展。
    据统计，从目前我国机械行业的CAD应用状态来看，基本呈现三角形结构。占据三角形底部的是已被广泛应用的基于PC平台的二维CAD系统，如：AutoDesk公司的AutoCAD系列，国内华正的CAXA电子图版、高华的GHCAD、凯思的PICAD等均拥有大量用户群。高居三角形顶端的是少量基于UNIX工作站的纯三维CAD系统，如：Euclid, Catia,  Pro/E,SDRC/I-DEAS等高端产品。主要被一些大中型企业所采用，但因其价格、系统开放性、软件本地化特性和用户素质要求等众所周知的限制，多数企业并未使其发挥应有的作用。从企业应用的实际需求和市场分析来看，今后CAD的用户类型分布将发展为：
    ◆从事纯二维绘图和设计的约占25%，以适应上下游厂商对二维图形数据的需要。
    ◆从事纯三维设计的将小于25%,集中用于大型装配设计和复杂工程分析。
    ◆既从事二维绘图又从事三维设计的将大于50%,广泛用于零部件及其一般装配设计和分析。
    目前国内外各大CAD供应商也都看到了这一发展态势，相继推出PC平台的二、三维一体化系统解决方案。由此可见，研究基于PC平台的二、三维一体化CAD系统软件技术将具有广阔的市场前景和现实意义。而根据三维CAD的模型数据源自动产生二维图纸信息是其中一个重要研究方向。本文对基于三维CAD模型数据源自动生成二维图纸和二、三维相互关联等相关技术进行了深入的探讨。并在国产二、三维一体化CAD系统“金银花2000”中予以实现。

    2 二三维一体化系统简介

    当用户使用二、三维一体化CAD系统进行机械产品的设计时，首先在三维环境下开始设计工作，在“变量化的三维特征造型系统”的支持下，三维零件的设计变得即直观又快捷。伴随着零件的设计过程，三维统一模型数据源（在SDRC的I-DEAS系统中也称之为“主模型”）也就同时生成。利用这一数据源可进行装配件设计和许多后期试制工作，如进行干涉检查、物性计算、机构分析、运动学和动力学分析、真实感显示等等。当然，该数据源也是生成二维工程图纸的唯一数据来源。三维统一模型数据源不仅包括模型的几何和拓扑信息还包括特征、尺寸、公差、属性、关系等信息。因此在生成图纸时，不仅可以自动产生各种二维视图等几何数据，同时也可根据用户需求生成各种标注和属性数据。由于采用了统一模型数据源，为维护模型数据的一致性，三维模型的更改必须保证二维视图和标注的更新，反之，对二维投影几何和尺寸的改变也必须更新三维模型，即：实现二、三维联动，这也正是二、三维一体化CAD系统的本质所在。

    3 二维图纸自动生成

    我们知道，一张传统的二维图纸上主要包括以下几类信息：
    ◆点、线、圆、样条曲线等各种几何元素
    ◆尺寸、公差、粗糙度、基准符号、焊接符号、零件标号和文本注解等标注信息
    ◆标题栏、明细表、参数表等表格数据
    其实，二维图纸自动生成也主要集中在这几方面。其中几何元素是以视图方式进行创建和管理的。因此，以下主要研究视图、标注、属性三个方面的自动生成技术。

    3.1 视图自动生成

    3.1.1 视图分类
    当前国内外PC平台二、三维一体化CAD系统中一般将视图分为如下几类：基本视图、向视图、剖切视图、截断视图、局部放大视图等。

其中剖切视图又可分为阶梯剖、展开剖、旋转剖（展开剖的一种特例），结果可为剖面图和剖视图。这种分类方法概念清晰，实现自动生成较为简单，而且也能满足大多数用户的需要。但在实际工程表达中视图是很复杂的，以上分类和生成方法并不能完全满足用户的需要。（如图5中这些视图我们在图纸中经常可以遇到，但目前市面上的该类CAD系统对自动生成它们大都无能为力，对这类视图用户往往不得不采用以前纯二维系统的老方法--徒手绘制。本文提出“分割视图”的概念并将视图按图1所示分类，通过分割视图，用户可以随心所欲的创作出理想的视图表达方式,包括由以上各种视图组合而形成的组合剖切视图和局部剖切视图，半剖视图等等复杂形式（详细说明见后），从而彻底解决了二维视图的自动生成问题。

    3.1.2 视图生成算法
    二维视图自动生成的基本原理是：三维实体在某一个观察方向上经过消阴计算和投影变换后，转换到二维视图坐标中。观察方向和视平面参数是由所要生成的目标视图确定的。由于视图种类繁多，因此自动生成算法也不尽相同，但基本流程是一样的。如图2所示：图中矩形虚线框内为生成基本视图和向视图的原理图也是其它各种视图生成时必经的过程，右边是产生剖切视图的原理图。以下分别进行说明：

  (1) 基本视图：是指那些不需要依赖于任何父视图直接将三维实体在某一观察方向上消阴并投影变换而成的视图。例如：常见的主视图、俯视图、左视图、右视图、上视图、下视图以及轴测图等。这些视图均含有明确的投影方向信息。假设世界坐标系(OXYZ)如右图3所示：如果用户希望沿X轴负向看去得到图中长方体的主视图，只要将矢量Vec1（-1，0，0）作为主视图的投影方向，YOZ平面作为视平面，Z轴作为向上Up矢量就可得到理想的结果。(其中xoy为二维视图坐标系)转贴于 酷文网-论文下载中心 http://www.coolwen.net