機械產品三維互動選型與定制系統

葉建華， 高誠輝， 江吉彬

（1. 福州大學，福建 福州 350108；2. 福建工程學院，福建 福州 350108）

機械產品三維互動選型與定制系統

葉建華1,2， 高誠輝1， 江吉彬2

（1. 福州大學，福建 福州 350108；2. 福建工程學院，福建 福州 350108）

以機械產品設計工程師為服務對象，以機械零部件信息的直觀、準確傳達為目的，引入Web3D技術，融合機械三維CAD技術，實現機械產品三維選型與定制系統的研發。采用基于 SolidWorks的參數化建模技術實現產品系列化與定制模型的實時生成。采用基于Viewpoint的三維動態顯示技術實現產品三維信息的展示。通過文件格式轉換提供通用的二維/三維文件下載功能，以便客戶進行預裝配、分析等。

產品選型；產品定制；虛擬展示；Web3D

隨著市場分工愈加細化、敏捷制造技術快速發展，機械產品中標準零部件和功能零部件占比越來越大。根據要求進行零部件的選型和定制已成為機械產品設計的重要環節，零部件的選用是否合理，直接影響著整機性能。

傳統的以紙質設計手冊和產品樣本為選型工具的方式，不僅手段落后、更新制作成本高，而且選型過程繁瑣、效率低。在網絡、多媒體和制造業信息化技術的推動下，電子化的產品選型系統得到廣泛應用[1]，用戶可以通過分類目錄和參數檢索的方式對產品進行快速、便捷的選型。這些系統對產品信息的描述主要采用語言文字描述法，二維靜態圖片或工程圖法，對用戶所關心的產品可安裝性、尺寸干涉、結構剛度等信息提供缺乏直觀性、完整性和交互性。當前，隨著Web3D技術的發展，產品三維選型與定制系統相繼出現。如CMC2IPC（個性化產品定制系統），通過使用VRML 語言，實現了產品三維模型和部分參數信息的瀏覽[2]。武艷芳等以汽車為對象，以Cult3D為開發平臺，運用相關動作、事件以及JAS 實現了三維模型的形態、色彩的定制以及動態瀏覽[3]。這些系統基于Web3D技術進行開發，主要為整機產品的消費終端服務，提供三維形貌、色彩效果的選型與定制，難以滿足整機產品設計制造對客戶機械產品零部件選型與定制的要求。因此，提出通過融合機械三維CAD技術與Web3D技術，實現機械產品三維選型與定制系統的研發。采用基于SolidWorks的參數化建模技術實現產品系列化變形與定制要求，大幅度減輕建模工作量和系列產品的存儲空間，實現產品的無歧義定制。通過Viewpoint技術實現三維模型動態交換瀏覽。并提供二維/三維文件下載功能，方便客戶實現零部件的預裝配、分析等。

1 系統框架

機械產品三維互動選型與定制系統，目的在于為設計工程師提供一種快速、便捷的選型、定制工具，同時為零部件供應商提供一種產品的全方位宣傳與展示平臺。系統框架如圖1所示，包含系統界面層、業務邏輯層、數據管理層。

圖 1 系統框架圖

1.1 系統界面層

系統界面層是選型、定制的工作平臺，包含信息展示模塊、產品選型模塊、產品定制模塊和系統維護模塊。信息展示模塊在于傳達產品信息，實現產品信息的全方位呈現，包括產品三維互動展示，二維工程圖的瀏覽等，并提供二維/三維文件下載功能，以實現零部件的預裝配、分析等。產品選型模塊在于為工程師提供方便、快捷的零部件選型工具，可通過產品目錄或特征參數檢索的方式進行選型。產品定制模塊是基于已有的系列化功能零部件，對其結構根據要求進行修改，通過人機交互界面定義產品的特征參數，系統實時的把設計結果反饋回選型人員，并向生產廠商反饋客戶需求的產品，為客戶與供應商提供一種協同設計、制造平臺。系統維護模塊為產品樣本的更新，產品類型的擴充，以及各種信息的管理維護提供服務。

1.2 業務邏輯層

業務邏輯層是系統的核心，接收系統界面層的輸入信息，同時輸出結果信息給系統界面層，并與數據管理層關聯。支撐業務邏輯層的關鍵技術包括機械產品的數字化建模技術、Web3D展示技術、人機交互技術、三維模型參數化技術、數據格式轉換技術等。機械產品數字化建模技術為選型定制系統提供具體型號的二維/三維模型源文件，是產品展示、信息傳遞的前提。Web3D展示技術為用戶提供產品三維信息的交互瀏覽功能，直觀傳達產品的三維結構信息。人機交互技術是系統的必備，人機交互是否友好，直接影響系統的工作效率和客戶的接受程度。三維模型參數化技術具有通過尺寸驅動修改圖形的功能，是實現產品系列化設計和定制模型自動生成的有效手段。數據格式轉換技術，實現模型信息在不同場合的應用要求，實現設計信息與展示信息的有機融合。

1.3 數據管理層

數據管理層借助數據庫管理系統對各種數據信息進行有效管理與維護，對圖形、圖像和文字信息進行存儲、檢索、更新與修改等。本系統涉及的信息復雜多樣，既有結構化信息，也有非結構化信息，包括產品的文字數據信息、產品二維圖像信息、產品圖形信息（二維工程圖、機械三維CAD模型數據和Viewpoint三維展示數據等）、產品的分類目錄信息和產品的特征參數信息等。

2 系統實現的關鍵支撐技術

本系統的實現采用客戶機/服務器結構。服務器端完成數據信息管理、選型過程的數據檢索、數據格式轉換和數據模型的系列化與變形處理，其中數據模型的構建、數據模型的系列化與變形處理、數據模型轉換采用后臺支撐軟件為SolidWorks。客戶端完成人機交互工作，接收選型與定制的信息輸入，輸出選型與定制的結果，其中三維信息的互動瀏覽以Viewpoint三維動態顯示技術為支撐。

2.1 基于SolidWorks的參數化建模技術

Solidworks是一款基于Windows平臺開發的全參數化機械三維CAD軟件[4]。具有強大的零件設計、模具設計、焊件設計、鈑金設計、裝配設計和工程圖設計等功能，能滿足機械領域的各種設計要求，是全球裝機量最大的機械三維CAD軟件。具有易用、高效的特點，采用全尺寸約束、尺寸驅動的方式實現產品模型的參數化設計，擁有豐富的數據轉換功能。同時SolidWorks為用戶提供了使用方便、功能完整的二次開發接口(API)和多種二次開發方式。其中通過編程語言以Stand-alone application (*.EXE)或 Add-in application (*.DLL)的方式最為靈活、通用[5]。因此，本系統采用SolidWorks進行標準件或功能零部件的產品建模，對模型形狀進行全尺寸約束，通過尺寸控制產品的幾何形狀。然后利用編程語言通過SolidWorks的API定制尺寸并驅動產品幾何形狀的改變，從而實現系列零件或定制產品模型的自動生成。

2.2 基于Viewpoint的三維動態顯示技術

Web3D融合了Web技術和3D技術，是3D圖形技術在互聯網上的拓展，能很好的克服機械三維CAD模型在離開設計環境時就難以實現三維效果展示的不足。同時Web3D也是虛擬現實技術的實現形式，具有真實感強的特點，可以建構虛擬場景，對展示的產品進行三維立體瀏覽，支持旋轉、平移、縮放等。

目前Wed3D廣泛應用于房地產行業、城市規劃、電子商務、網絡娛樂、遠程教育、信息可視化等領域[6]。實現技術層出不窮，如VRML、Viewpoint、Cult3D、Virtools、Java3D等，以上各項技術都各有特點，其中Viewpoint擁有逼真的渲染引擎，能近乎完美的表現產品的三維質感，具有友好的人機交互能力，數據文件的壓縮比是現有的Web3D壓縮技術中最高的一種，能把數據量龐大的機械CAD三維模型壓縮成極小的流文件，很適合應用在機械產品的三維展示上。因此，以Viewpoint為支撐進行機械產品的三維互動展示。

3 系統主要功能的實現

3.1 尺寸驅動模型變形的實現

標準件和功能零部件的種類多，而且同一系列產品的具體型號往往多達幾十種甚至上百種。當前的三維選型系統一般是為每一個具體型號的產品建立模型，這種方法工作量很大，且要占用海量的存儲資源。本文利用SolidWorks的參數化建模技術，通過尺寸驅動三維模型的更新，實時生成出符合要求的產品模型，則能很好的解決以上問題。只需為一系列的產品構建一個標準的三維模型，給標準三維模型定義正確的幾何關系以增加產品模型變形的整體協調性，并為模型的每一特征尺寸進行命名。接著根據標準模型制作對應的二維工程圖。然后通過SolidWorks的API接口實現不同型號或定制產品的三維模型和二維工程圖的自動生成。通過 VS2010以Stand-alone application的方式利用SolidWorks的API接口實現三維模型根據尺寸的自適應生成的具體步驟為：

1） 導入SolidWorks類型庫“sldworks.tlb”和常量類型庫“swconst.tlb”。

2） 初始化COM接口，并采用ATL智能指針定義CComPtr＜ISldWorks＞ swApp變量。

3） 通過 CoCreateInstance()函數創建SolidWorks的 COM 實例對象，并獲得SolidWorks的API接口。

4） 通過接口函數OpenDoc6 ()打開已經建構的標準模型。

5） 通過尺寸名稱獲得定義產品的每個特征尺寸，并通過IDimension接口的SetValue()函數設置具體型號的產品模型尺寸。

6） 調用bool EditRebuild3()使標準模型根據修改的尺寸進行重建，得到具體型號的產品模型。

7） 釋放COM接口。

其中步驟5)中，驅動模型變形的尺寸可以是存儲在數據庫列表中的規范化尺寸，也可以是通過定制模塊由用戶輸入的數值。三維模型自適應生成后，與其關聯的工程圖也即自動修改生成。如圖2所示, 是采用上述方法實現的三維模型變形效果圖。

圖2 尺寸驅動模型變形效果圖

3.2 數據格式轉換的實現

SolidWorks的參數化建模技術，可以實時的通過尺寸驅動獲得各種型號的產品模型。然而SolidWorks是采用自身的數據組織方式進行各種信息的描述與存儲的，離開 SolidWorks開發環境，生成的模型數據就不能為外界所用。而選型定制系統面向的用戶，可能采用其他的機械三維或二維CAD軟件進行產品的設計開發工作，如Catia、UG、ProE、SolidEdge、Invertor和AutoCAD等。因此，需要把SolidWorks的模型格式轉換成這些系統兼容的格式文件，如三維的 step、iges等和二維的DXF等，以便用戶能進行預裝配、分析等工作。同時在選型定制系統的客服端，采用的小數據量、高質感效果的Viewpoint模型數據進行三維展示，同樣需要把模型數據轉換成Viewpoint要求的mts和mtx格式的文件。其中mts文件是Viewpoint的三維模型數據文件，mtx文件定義場景參數和交互操作，它們成對生成、相互關聯。

通過SolidWorks的API接口調用文件格式的換接口，以實現數據格式的轉換，文件格式的轉換流程，如圖3所示。其中以Viewpoint模型數據格式為例描述其過程為：

1） 使用 ISldWorks接口的 LoadAddIn()函數加載支持Viewpoint數據格式轉換的MTS插件。

2）利用 ISldWorks接口得到下級的IModelDoc2接口對象。

3） 通過IModelDoc2接口的SaveAs3 ()接口函數即完成數據的轉換生成mts和mtx文件。

圖3 轉換的流程圖

3.3 三維互動展示的實現

本選型系統在客戶端通過Viewpoint插件實現三維模型互動展示功能，而Viewpoint是互聯網絡的三維虛擬現實技術，因此，需要先把網頁瀏覽功能嵌入到系統中，然后再在網頁中嵌入Viewpoint瀏覽插件。具體的實現流程如下：

1） 在三維交互瀏覽頁面位置，添加CWebBrowser2瀏覽器ActiveX控件，以支持系統中嵌入網頁瀏覽功能。

2） 設計三維交互瀏覽頁面模板，在模板中采用OBJECT和EMBED標簽進行Viewpoint的嵌入。

3） 根據用戶的選型或定制要求，把通過數據轉換生成的 mts和 mtx寫入到模板頁面的Viewpoint的調用接口中。

4） 通過 CWebBrowser2瀏覽器控件的Navigate()函數將嵌入Viewpoint模型文件的具有三維模型互動瀏覽功能的頁面打開。

4 應用實例

機械產品三維選型定制系統采用VS2010在Win7系統上開發實現。服務器端基于SolidWorks 2010二次開發實現，系統的支撐數據庫為 SQL Server 2008，客服端的三維互動顯示采用Viewpoint技術。實現客戶端包含產品簡介、產品選型、產品定制等頁面，如圖4所示，是產品選型的界面圖。左側為系列產品目錄樹，通過產品分類目錄樹可以快速定位到用戶關心的系列產品位置。當雙擊產品系列名稱時，中下部就列出該系列的所有型號產品的詳細信息。相應的中上部的“產品信息”標簽頁就可了解產品的生產廠家、材質、功能、用途、選型參數說明等信息；“三維顯示”標簽頁就可顯示出該系列的三維標準模型，當選中列表中的某一具體型號時，通過服務器端的基于 SolidWorks參數化變形驅動后的與型號參數匹配的三維模型就替換顯示出來，并可以通過鼠標進行旋轉、縮放、平移等操作，圖中顯示的是 80SJT-M024C交流伺服電機的Viewpoint模型的三維展示效果。具體型號的選擇也可以通過右側的特征參數文本下拉框進行參數檢索與過濾。中上部的“二維顯示”則顯示的是系列產品對應的二維工程圖。定制頁面與選型頁面的不同之處在于右側為定制尺寸的輸入框。對于用戶選中或定制的具體產品三維模型和二維工程圖可以通過右下角的“下載模型”功能下載，供用戶預裝配、分析等用。

圖4 系統客戶端

5 結 論

當前，在機械產品的設計過程中需要進行選型、定制標準件或功能零部件的占比越來越大，Web3D技術的使用也越來越廣泛。論文在機械產品的選型定制系統中，引入Web3D技術實現產品信息的全面、直觀的表達，并且借助SolidWorks的參數化建模技術，實時產生產品模型，做到定制需求的無歧義表達。采用本文的機械產品三維選型系統，對于用戶能大幅度的降低產品選型的難度、提高產品選型的準確率和效率；對于產品的供應商，是一個很好的產品展示與宣傳的平臺。為用戶和生產廠家提供了統一的交流平臺，從而能快速準確地確定所需產品、縮短開發新產品的時間和成本。

[1] 楊 育, 張曉冬, 劉 勝, 等. 網絡化協同產品定制及其系統集成研究[J]. 中國機械工程, 2003, 14(15): 1290-1294．

[2] 馮開平, 潘光洋. 基于Web3D 的燈飾協同設計定制系統[J]. 圖學學報, 2012, 33(3): 56-60.

[3] 武艷芳. 基于 Web3D 的產品虛擬展示與用戶定制[J].圖學學報, 2012, 33(3): 85-89.

[4] 高曙明, 何發智. 異構 CAD系統集成技術綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報, 2009, 21(5): 561-568.

[5] 于 洋, 賀 棟, 魏蘇麒. 基于 SolidWorks二次開發的智能裝配技術研究[J]. 機械設計與制造, 2011, (3): 60-62.

[6] 王天鵬, 朱文華, 張夢之．基于 web的汽車彈簧三維模型的展示與交互[J]. 系統仿真學報, 2011, 23(10): 85-89.

Product Selection and Customization System

Ye Jianhua1,2, Gao Chenghui1, Jiang Jibin2
( 1. Fuzhou University, Fuzhou FuJian 350108, China; 2. Fujian University of Technology, Fuzhou FuJian 350108, China )

A selection and customization system is presented for mechanical design. 3D parametric model of product is created by SolidWorks. The parametric model is deformed by API of Solidworks to meet customer's requirement. This system uses the Viewpoint technology to display the 3D model and allow user to download 2D or 3D mode. The prototype system is developed and the results are reported. This system can meet the tacks of design.

product selection; product customization; virtual exhibition; Web3D

TP 391

A

2095-302X (2013)05-0121-05

2012-12-27；定稿日期：2013-03-13

福建省工業科技重大資助項目（2012H6003, 2011H6002）；福建省教育廳A類科技資助項目（JA13216, JA12240）；常州市科技支撐計劃資助項目（CE20110055）

葉建華（1980-），男，福建寧德人，講師，博士研究生，主要研究方向為制造過程自動化及信息化。E-mail：yeuser@fjut.edu.cn

高誠輝（1953-），男，福建福清人，教授，博士研究生導師，博士，主要研究方向為摩擦學、表面工程和數字化設計。E-mail：gch@fzu.edu.cn