基于UG的定型模工程圖自動標注研究

黃 浪， 郭順生， 唐紅濤， 李 力， 吳 嶸

(武漢理工大學機電工程學院湖北省數字制造重點實驗室，湖北 武漢 430070)

基于UG的定型模工程圖自動標注研究

黃 浪， 郭順生， 唐紅濤， 李 力， 吳 嶸

(武漢理工大學機電工程學院湖北省數字制造重點實驗室，湖北 武漢 430070)

針對定型模板塊形狀復雜不規則，內部孔特征多，尺寸標注工作量大且布局混亂等問題，分析了定型模的結構特征，基于UG NX(Unigraphics NX)平臺，開發了定型模工程圖自動標注系統。總結了定型模工程圖標注需求，創建了工程圖模板；基于特征提取，對定型模三維模型自動轉二維工程圖時產生的冗余邊線進行自動刪除；基于提取的標注基準，對工程圖中氣孔、水孔、定位鍵等特征的定位尺寸、定形尺寸進行了自動標注，并根據其位置，對工程圖標注進行合理布局。通過實例分析驗證了該工程圖自動標注系統的實用性。該研究簡化了定型模工程圖設計流程，提高了其設計效率。

工程圖；自動標注；定型模；UG二次開發

擠出模具是生產擠出制品的基礎工藝裝備，主要分為模頭和定型模，其中定型模是型材冷卻定型的主要結構。隨著計算機輔助工程(computer aided engineering, CAE)和計算機輔助制造(computer aided manufacturing, CAM)技術的發展，擠出模具企業逐漸運用三維軟件進行三維建模、數控仿真和數值模擬[1-3]。而由于生產水平與協作需求，二維設計和三維設計同步進行，又必須通過二維工程圖紙指導普通車間生產。盡管許多三維軟件如 UG、Pro/E(Pro/Engineer)、SolidWorks都有工程圖模塊，但是在三維模型出二維工程圖的效果上不盡人意，存在圖紙邊線不全或邊線冗余的現象，出圖效率低。如何通過三維模型快速準確生成工程圖已成為企業的迫切需求。

目前，利用三維模型出工程圖，國內外學者已作了大量的研究。王美聰等[4]基于Pro/E在圖紙模板制作上簡化了工程圖出圖流程，但是在工程圖標注方面的優化比較少；李生元等[5]基于SolidWorks實現了縱封輥工程圖的標注，但是模型局限于簡單軸類零件；趙富強等[6]提出了一種齒輪工程圖標準化設計方法，實現了齒輪工程圖與三維模型的全尺寸參數化聯動設計；陳奇等[7]則在計算機圖形輔助三維交互應用(computer graphics-aided three-dimensional interactive application, CATIA)中實現了變位齒輪的精確建模和工程圖的快速繪制；王曉慧等[8-9]通過建立工藝尺寸和裝配尺寸路徑圖，對尺寸標注進行布局優化；陸春月等[10]提出了一種工程圖自適應優化方法，利用三維模型與二維圖紙關聯性從視圖定位、比例匹配、尺寸定位及明細欄等方面對圖紙進行了優化，但在前期三維模型出工程圖方面幫助不大；魏永樂和晁彩霞[11]利用ObjectARX二次開發工具在 AutoCAD平臺下三維模型快速得到工程圖，但其標注對象及相關參數還是靠設計員來選擇設置，自動標注水平不高；歐陽世嘉等[12]提出一種工程圖尺寸自動標注算法，建立了尺寸標注的干涉模型，對尺寸標注的布局有一定的借鑒意義；羅易彬等[13]提出了基于 UG宏和二次開發的工程圖自動標注方法，對于特定模型具有較好效果；Chen等[14-15]開發了一種基于特征提取的智能標注方法，其核心是對面和邊各種組合特征分類和識別，并基于特征分布進行尺寸智能布局；Martínez和Félez[16]提出了一種基于草圖完全約束的尺寸標注方法，通過提取草圖約束對特征進行標注并布局；Zou和Lee[17]同樣通過提取三維模型的草圖約束進行三維工程圖標注；Cheng等[18]提出了一種基于動態幾何元素的三維尺寸標注完整性檢測方法，通過對面元素之間的鄰接關系和距離、曲率、點等屬性判定面是否固定，從而進一步檢查工程圖三維標注是否完整。

本文基于UG平臺，開發了基于UG的定型模工程圖自動標注系統。在分析其結構特征的基礎上，提出了定型模 4種板塊類型，建立了符合定型模標注要求的工程圖模板文件；通過人機交互的方式，批量化設置更改標題欄；通過特征提取，自動刪除工程圖冗余廢線，進一步自動標注和布局，從而實現定型模工程圖的快速標注。該系統簡化了工程圖設計過程，有效提高了定型模設計效率。

1 定型模結構特征及其工程圖自動標注需求

1.1 定型模的結構特征

擠出模的冷卻系統一般由3~5節結構相似的定型模組成，而每一節定型模都由上型板(上板)、下型板(下板)、前型板(前板)、后型板(后板)等板塊構成。以圖1所示定型模為例，該定型模主要分為上板、前板一、前板二、下板、后板一、后板二、后板三等7塊板，這些板塊是定型模加工制造的基本單元。定型模工程圖主要是對這些板塊進行標注。

圖1 定型模及其各板塊

在定型模各板塊中，每一塊板都存在水孔、氣孔、氣槽、螺釘、刻字槽等特征，都可能存在氣室、定位鍵、定位銷、起模槽等特征。從工程圖系統標

注的準確性上考慮，這些可能存在且需要標注的特征必須加以識別。然而，每個特征在不同板塊位置上存在差異；各板塊在外輪廓邊界的直邊識別上有較大出入；標注特征一般位于分型面上，而分型面在各板塊上的分布也不盡相同，難從整體上進行區分；最后，不同板塊由于標注視角的不同，難以制作出統一的工程圖模板。

本文將各類定型模的板塊分為4種類型，分別對應上板、下板、前板和后板類型。同一類型板塊的基準邊、分型面、特征分布以及特征識別方法、標注形式、模板基本相同，可以進行模板制作、特征提取、自動標注、排布等一系列工程圖優化設計。圖2為4種板塊模型的三維模型。

圖2 定型模4種板塊類型

1.2 定型模工程圖自動標注需求

工程圖主要用來表達模型形狀、結構等幾何信息，是指導加工、裝配的重要技術文件。在功能上，定型模工程圖的自動標注需求包括以下幾點：

(1) 工程圖模板。包括圖紙大小，視圖、技術要求、加工說明等信息。

(2) 可標注視圖。即滿足標注需求的視圖，包括某一視角、視圖數量、類型，視圖中邊線完整且不含其他雜亂邊線。

(3) 尺寸標注及其布局。標注包括定位尺寸、定形尺寸、配合尺寸，規格、基準等，還需附加文字的說明；標注布局主要是對以上尺寸標注進行合理布局，且排布美觀、規范。

(4) 對定型模工程圖的標注。包括水氣孔、工藝槽、裝配孔、銷、鍵等的定位、定形尺寸，水孔的加工說明，求標題欄信息等。

定型模工程圖的自動標注還應滿足操作簡單、標題欄等文字信息能參數化且具有批量修改等功能。

1.3 系統總體框架

定型模工程圖自動標注系統采用分板塊設計方案，通過UG二次開發的技術手段，達到參數化驅動、自動標注、快速標注的目的。采用此方案，無論對同一節定型模，還是同一生產線上的其他定型模，同一板塊類型的工程圖在視圖設計、技術要求、加工說明、標題欄設計上均高度一致。這帶來了 2個優點：①模板高度集成，即制作模板時，可以將相似的工程圖圖元集成到模板中；②參數化驅動，在三維軟件上進行文字輸入與格式修改比較繁瑣，但通過模板和標注系統可以實現這些附加文字標準化配置，簡化了整個新建工程圖的流程。同時，分板塊設計對三維模型特征的提取、冗余線的刪除、尺寸標注及其布局、系統操作流程，均可保持設計良好的一致性，使工程圖設計規范化、簡便化。

整個定型模工程圖系統包含了上板、各前、后板、下板等標注模塊，不同模塊在特征提取方式及標注對象上均有差異。其總體流程是根據不同板塊的結構點定制模板，通過在前臺設置修改圖紙或視圖的屬性參數來實現技術要求、粗糙度、標題欄的快速修改；再進行特征提取，篩選得到標注對象，根據標注需求對標注對象進行自動標注；最后根據標注對象位置進行標注排布。系統總體框圖如圖3所示。

圖3 定型模工程圖標注系統總體框架

2 基于UG的定型模工程圖自動標注系統關鍵技術

2.1 特征提取

工程圖自動標注的基礎是對標注對象進行識別，即特征提取。其簡單包括基本點、線、邊、面、片體、實體等幾何特征，拉伸、孔等；用戶特征包括定型模中的水孔、氣孔、氣室、鍵、銷、螺紋孔、刻字槽、起模槽等。

對定型模的標注主要是根據不同的結構特征，制定相應的特征提取流程和標注方案。其特征提取流程是：基于幾何特征，獲取板塊特征邊界面、分型面。再對板塊中實體特征遍歷，對點、線、邊、面等幾何特征進行分析，根據邊線類型可分為直線、圓弧線、不規則曲線(包括樣條邊線、橢圓邊線、相貫線等)等3大類；根據面的位置可將平面分為端面、側面、分型面；根據線共點情況，可將邊線分為斷線、重線、封閉環線等。對用戶特征的特點進行總結，不同用戶特征在邊的類型、極點位置，面的類型、面的邊、方向、位置上均有不同體現，典型的用戶特征及其特點見表1。最后根據不同用戶特征不同邊線面的特點，對上述幾何特征進行篩選匹配，提取出標注對象。同理，提取出冗余邊線，并對其進行刪除操作。

表1 典型用戶特征及其特點

如圖4所示，不論是標注對象、標注基準、排布基準還是冗余邊線，其特征提取的過程均是找出該特征在邊線的形狀、面的位置、點共線情況等方面的特點，并根據其特點進行篩選。后續則根據標注需求進行冗余線刪除和自動標注操作。

圖4 特征提取

2.2 刪除冗余線

在UG工程圖中，由三維模型自動生成的工程圖中，各視圖均存在投影線雜亂的現象。刪除冗余線成為了定型模三維模型出工程圖的先決條件，也是當前UG工程圖應用的瓶頸。

定型模中孔特征眾多，許多冗余線都是相貫邊構成的，同時，許多冗余直線則是由型腔、刻字槽特征投影生成。由于冗余線數量龐大，手動刪除工作量大，通過二次開發程序遍歷篩選的方式可以快速自動刪除。本研究對定型模進行特征提取，冗余線刪除步驟如下：

步驟 1. 提取定型模的邊界框線，獲取定型模

各分型面的邊界和位置。

步驟 2. 提取定位基準邊和標注基準邊，創建擠出中心線。

步驟 3. 篩選出相貫邊、橢圓邊等非直邊、圓弧邊，刪除。

步驟 4. 在直邊中篩選除邊界外的長邊，即型腔邊，刪除；在側面邊界根據位置和尺寸遍歷刻字槽邊，刪除。

步驟 5. 遍歷直邊，根據特征空間位置和所在視圖篩選出干擾直邊，刪除。

步驟6. 其他與視圖相對應的圓弧篩選和刪除。

圖5是某定型模下板右視圖刪除冗余邊線效果圖。首先提取出邊界框線，對于相貫邊、橢圓邊、樣條等非直邊、圓弧邊，直接刪除，完成了部分水孔冗余線的刪除。對于直邊，結合下板特征，應去除其中的小氣室投影直線、刻字槽投影線，通過特征提取找到冗余對象后刪除。最后進行螺紋孔等圓弧邊的冗余線刪除。

圖5 刪除冗余線效果圖

2.3 尺寸自動標注及其布局

尺寸標注占據了工程圖繪制較大的工作量，自動標注有助于提高出圖效率。尺寸標注中主要包括定形尺寸、定位尺寸、配合尺寸及附加文字等。定型模各板塊工程圖主要由主視圖、俯視圖、右視圖等3個視圖構成，即：

(1) 俯視圖。側面進出水孔定位尺寸和相應的規格尺寸、文字說明；刻字槽的定形尺寸、定位尺寸。

(2) 主視圖。氣孔、定位鍵、銷、起模槽的定位尺寸，引水孔的定形尺寸等。

(3) 右視圖。端面孔的定位尺寸，氣孔的定形尺寸等。

同時，還需要對這些尺寸標注進行合理布局，步驟如下：

步驟 1. 對整體邊界和分型面邊界進行提取，通過 UG識別的簡單特征和幾何信息提取用戶特征，獲取標注基準、標注對象、排布基準以及冗余邊線。

步驟2. 根據規范和設計經驗添加坐標尺寸標注、水平標注、豎直標注，孔徑、附加文字等標注。

步驟 3. 根據特征相對邊界位置和定型模結構特征，以及尺寸標注經驗分配排布基準邊界。

步驟 4. 對同一標注基準邊界的標注特征進行排序，并依序進行等距排布。

表2 工程圖主要涉及的函數及對應功能

其中，采用UG二次開發進行自動標注的相關應用程序編程接口(application programming interface, API)函數見表 2，對于定型模而言，標注對象主要包括端面水孔、引水孔、進出水孔、氣孔/氣室、定位鍵/銷/螺釘孔、刻字槽、起模槽等，對以上特征進行標注主要是對其進行定位尺寸標注和定形尺寸標注。具體表現為水平標注、豎直標注、坐標尺寸標注、直徑標注等，結合前文提到的特征提取和刪除冗余線，尺寸自動標注及布局總體流程如圖6所示。對同一排布基準的同類型標注按照離排布基準距離進行排序，再采用不同方向等差加7 mm的方式排布。需要說明的是，坐標尺寸標注采用距離排布基準恒定10 mm的方式，當存在2個坐標尺寸干擾時，后

者標注時將距離排布基準改為20 mm。直徑的標注分區域，當排布在視圖上下側時(+Y或者–Y方向)，上下側偏移基準30 mm，而在X方向(+X，–Y視標注對象位置而定)上保證15 mm偏移量，左右側同理。

圖6 尺寸自動標注及其布局

3 實例分析

本研究以某定型模下板、后板為例，運用自動標注系統，得到自動標注后的工程圖。圖7為實例中的下板三維模型示意圖。

圖7 下板三維模型

下板中主要有進出水孔(側面水孔)、端面水孔、定位鍵、起模槽、螺紋孔、氣室、氣槽、氣孔、刻字槽等特征。通過特征提取，刪除冗余邊，自動標注及布局后，主視圖、俯視圖、右視圖工程圖如圖8和圖9所示。

俯視圖主要是將刻字槽、側面水孔等的定位尺寸進行標注，并且分左右基準進行標注排布。同時，對側面水孔的規格和加工說明等給出標注，分別分布在視圖上下兩側。由于，側面水路一般存在擴孔，因此特征提取時需要對同心圓進行篩選加以區分，再進行水孔標注。

主視圖需對氣孔、定位鍵、起模槽、引水孔等的定位尺寸進行標注。其中氣孔定位尺寸以坐標尺寸形式進行標注，分布在視圖上側，而定位鍵、起模槽等豎直標注以上邊為基準標注，分布在視圖右側，等距排布；引水孔豎直標注以下邊為基準邊標注，排布在視圖左側。右視圖主要對氣孔進行定位尺寸標注，排布在模型下端面一側。整個視圖如圖10所示。

圖8 俯視圖尺寸標注及其布局

圖9 右視圖、主視圖標注及其布局

后板三維模型如圖 11所示。相較于上板、下板，后板結構稍簡單，標注量相對較小，但由于整個后板只有一個大平面，其邊界、基準的特征提取較復雜。許多用戶特征都分布在兩側的分型面上，定位鍵、銷、氣孔等排布高度一致，不同分型面上的特征需要篩選并加以區分。其標注布局由于排布基準單一，與上、下板也有所不同。最終自動標注得到圖12所示的三視圖。

圖10 工程圖標注

圖11 后板三維模型

圖12 后板自動標注生成的工程圖三視圖

4 總結與展望

本文針對定型模三維轉二維工程圖效率低的問題，基于UG開發工程圖自動標注系統，提高了設計效率。通過創建的集加工要求、技術要求、標題欄等一體的工程圖模板簡化了工程圖創建和文字設置修改流程。同時，對三維模型自動轉二維工程圖冗余線雜亂問題，基于特征提取自動遍歷篩選，循環刪除。最后，自動識別標注基準，提取標注對象，進行自動標注，并根據標注對象的相對位置和設計經驗進行合理布局。

然而，本文提出的定型模工程圖自動標注系統還存在一定的不足，如存在標注線之間偶爾出現干涉等問題。因此，未來的工作是對標注布局進行更深入地研究，做到標注線之間，標注線與模型之間互不干涉，標注排布合理。同時，提高定型模三維模型轉工程圖的系統的通用性，使之兼容多類型的定型模或模具也需要進一步研究。

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Research on Automatic Dimensioning of the Engineering Drawing of the Calibrators Based on UG

Huang Lang, Guo Shunsheng, Tang Hongtao, Li Li, Wu Rong

(Hubei Digital Manufacturing Key Laboratory, School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China)

Aimed to the problem that the shapes of the calibrator are complex and irregular, there are many internal holes, the workload of the dimensioning and layouts are large, the structural characteristics of the model are analyzed, and based on the three-dimensional software UG NX (Unigraphics NX) platform, the automatic dimensioning system for the engineering drawing of the calibrators is developed. The requirements of the dimension are summarized, and the engineering drawing templates are created. Through feature extraction, the redundant edges of automatic engineering drawings of three-dimensional models are deleted automatically. Based on the extracted mark datum, the vacuum holes, water holes, locating key are dimensioned, and according to the positions, the dimensions are laid out reasonably. A case study presented to verify the practicability of the engineering drawing automatic dimensioning system. The research simplifies the design process and improves the design efficiency.

engineering drawing; automatic dimensioning; calibrator; UG secondary development

TP 391.9；TQ 320.52

10.11996/JG.j.2095-302X.2016050639

A

2095-302X(2016)05-0639-09

2016-03-21；定稿日期：2016-05-11

湖北省科技支撐計劃項目(2014BAA032，2015BAA063)；中央高校基本科研業務費專項資金(2016-zy-017)；材料成形與模具技術國家重點開放課題研究基金項目(P2016-07)

黃 浪(1991–)，男，湖北孝感人，碩士研究生。主要研究方向為數字化模具設計。E-mail：hllwut@163.com

郭順生(1963–)，男，湖北武漢人，教授，博士，博士生導師。主要研究方向為CAD/CAM/PDM/ERP基礎理論及應用。

E-mail：guoshunsheng@263.net