基于Pro/E 的發射裝置設計數據快速轉化方法

張凌雲，馬 永，張 劍

(1. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450000；2. 河南省水下智能重點實驗室，河南 鄭州 450000)

0 引 言

作為典型的大型復雜產品，發射裝置呈現出結構復雜，組成零部件數量、種類眾多的特點。在其設計階段，三維工程軟件Pro/E 的成熟應用幫助設計人員極大提高了設計效率，發射裝置設計方案得以三維模型的形式清晰立體的呈現。但是，為了適應生產階段對產品二維圖紙的需求，設計人員又不得不將數量巨大的Pro/E 三維模型轉換為Auto CAD 環境下二維工程圖紙。因此，三維模型與二維圖紙割裂導致的工程圖紙轉換工作量巨大、效率低、錯誤率高的缺點在發射裝置的設計過程中尤為突出。針對該問題，本文結合Pro/E 軟件的功能特點，提出基于Pro/E 的發射裝置設計數據快速轉化方法，通過分別構建以三維模型和二維工程圖為表達載體的發射裝置三維設計數據模型和發射裝置二維設計數據模型，提出三維模型和二維工程圖之間的自動映射轉換機制，實現三維模型向二維工程圖的高效轉化。

1 設計數據模型構建

發射裝置的設計數據模型全面表達其在設計階段產生的信息，用于詳細反映設計者的設計意圖，表達包括發射裝置及其零部件的形狀、尺寸、名稱、材料等設計信息在內的設計方案。從表現形式的角度出發，發射裝置設計數據模型包括三維設計數據模型和二維設計數據模型兩部分。

1.1 三維設計數據模型

發射裝置三維設計數據模型以三維模型為載體表達的發射裝置設計信息，更側重于直觀表達發射裝置的結構形態，三維設計數據模型包含幾何和非幾何兩大類信息。

幾何信息包含：實體模型、構建幾何、基準平面和坐標系統4 類。其中，實體模型是由點、線、面、體構成的反映發射裝置總體及零部件結構信息的三維實體模型，直觀表達出發射裝置整體及零部件的形態。構建幾何是在創建實體模型過程中用到的具有一定含義的幾何信息，如用于拉伸形成實體模型的草繪圖等。坐標系則為三維模型的建立提供了位置關系和幾何尺寸的度量標準。基準平面是標明基準零位的一個平面，為零件位置的確定提供參照。幾何信息是顯性信息，軟件中打開的三維模型顯示的就是三維數據模型的幾何信息。

非幾何信息包含：尺寸、視圖方向、剖面、管理屬性信息等，細分管理屬性信息應包含零件名稱、產品代號、零部件代號、零件代號、零件材料、設計時間、設計人員等內容。其中，尺寸隱含在幾何信息上，視圖方向和剖面隱含在視圖信息表里，管理屬性信息隱含在屬性信息表里，均不會直觀的顯示在軟件中打開的三維模型上，所以，非幾何信息是隱性信息。此外，技術要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度、基準標簽等在發射裝置設計信息表達中占據重要位置的非幾何信息在三維設計數據模型中均未得到體現，所以，三維設計數據模型并不包含這些信息。

根據上述分析，構建發射裝置三維設計數據模型如圖1 所示。

發射裝置通過許多零部件的組合構成了完整的產品，每個零部件均對應一個三維設計數據模型，組成發射裝置產品的所有零部件對應的三維數據模型構成了發射裝置產品的三維設計數據模型。在Pro/E 環境下，每個零部件均對應一個“*.prt”或“*.asm”文件，“*.prt”和“*.asm”文件便是三維設計數據模型的直接載體。

1.2 二維設計數據模型

發射裝置二維數據模型以二維工程圖為載體表達的發射裝置設計信息，更側重于詳細表達發射裝置的生產制造要求。二維數據模型同樣包含幾何和非幾何兩大類信息。

圖 1 三維設計數據模型組成結構Fig. 1 Structure of 3D design data model

幾何信息包含視圖和中心線兩大類信息。視圖是由點、線、面構成的反映發射裝置總體及零部件結構信息的平面圖形，包括：向視圖、剖視圖、詳細視圖等。中心線是輔助視圖標識零部件特征結構的特殊輔助線。二維設計數據模型中的幾何信息為顯性信息。

非幾何信息應包含：尺寸信息、技術要求、尺寸公差、形位公差、粗糙度、基準標簽、管理屬性信息等常規非幾何信息，與三維設計數據模型相同，管理屬性信息應包含零件名稱、產品代號、零部件代號、零件代號、零件材料、設計時間、設計人員等內容。同時，為了完整表達發射裝置的各項設計信息，二維設計數據模型中還應包含圖幅目錄、零部件明細表等。二維設計數據模型中的非幾何信息均為顯性信息，與幾何信息共同被直觀的表達在二維工程圖上。

根據上述分析，構建發射裝置二維設計數據模型如圖2 所示。

發射裝置通過許多零部件的組合構成了完整的產品，每個零部件均對應一個二維設計數據模型，組成發射裝置產品的所有零部件對應的二維數據模型附加圖幅目錄和零部件明細表構成了發射裝置產品的二維設計數據模型。

2 設計數據快速轉化方法

發射裝置設計數據快速轉化技術是將三維設計數據模型快速轉化為二維設計數據模型的技術。由于二維設計數據模型比三維設計數據模型表達的信息更為詳細，因此，設計數據快速轉化方法包括數據映射和數據補充兩部分。數據映射是將三維設計數據模型的信息等價傳遞至二維設計數據模型并精確表達；信息補充則是通過人機交互的方式將缺失的信息補充完整。

2.1 數據映射

根據被映射數據類別的不同，數據映射方法分為視圖映射、繼承映射、整合映射和衍生映射。

圖 2 三維設計數據模型組成結構Fig. 2 Structure of 2D design data model

1）視圖映射

視圖映射面向的對象是二維設計數據模型中用來表達發射裝置形狀和結構信息的平面視圖。根據表達信息角度和方式的不同，平面視圖可以粗分為向視圖、剖視圖、詳細視圖等。但是從映射的角度看，每種類別的視圖均由三維設計數據模型中的幾何信息投影而來，區別僅在于生成平面視圖時的投影方向、投影位置、顯示區域及放大比例。生成平面視圖的過程中，投影方向由三維設計數據模型中的視圖方向決定，投影位置由三維設計數據模型中的剖面位置決定，因此，建立視圖映射方法如下：

其中：T為映射函數，即投影；Modi,Dirij,Poij,DiAij,Ratij均為映射參數； Modi為發射裝置的第i 個零部件；Dirij為發射裝置第i 個零部件的第j 個投影方向；Poij為 發射裝置第i 個零部件的第j 個剖面； DiAij為發射裝置第i 個零部件對應的第j 個投影視圖的顯示區域； Ratij為發射裝置第i 個零部件對應的第j 個投影視圖的縮放比例。 Vieij為發射裝置第i 個零部件的第j 個平面視圖。

在映射參數中， Modi, Dirij, Ratij不可為空，若Poij和 DiAij同時為空，則 V ieij為向視圖；若僅 Poij為空且 Ratij大于1 則 V ieij為局部放大視圖；若僅 DiAij為空則 Vieij為剖視圖；若所有參數均不為空則 V ieij為局部剖視圖。

2）繼承映射

在發射裝置三維設計數據模型中，零件材料屬性、通用管理屬性、會簽屬性隱性的記錄在模型參數表中。量化表達產品及零部件形狀的尺寸信息則隱性的表達在三維模型上。而在二維設計數據模型中，零件材料屬性、通用管理屬性、會簽屬性顯性的表達在圖幅的標題欄上；尺寸顯性的標注在平面視圖上。由于三維和二維設計數據模型中的屬性信息及尺寸信息完全相同，所以，將三維設計數據模型中的零件材料屬性、通用管理屬性、會簽屬性和尺寸信息傳遞至二維設計數據模型中的過程叫繼承映射。建立繼承映射方法如下：

其中： T MaIij是繼承映射的信息內容； Modi是繼承映射信息所屬的發射裝置第i 個零部件的三維設計數據模型； S Lisij是繼承映射信息的標題；J 是映射關系，其含義是從發射裝置第i 個零部件的三維設計數據模型 Modi中獲得標題為 S Lisij的信息內容 T MaIij并映射給發射裝置第i 個零部件的二維設計數據模型。

3）整合映射

在發射裝置總裝的三維設計數據模型中，裝配樹表達了產品總體與零部件的隸屬裝配關系，而在二維設計數據模型中，則是由零部件明細表來表達了組成發射裝置各零部件數量及零部件間隸屬關系。由三維設計數據模型中的裝配樹轉化得到零件明細表的過程叫整合映射。

假設1：零部件明細表的表達格式為A={ai|i ∈N+,i ≤n} 。其中， A 是 明細表； ai是明細表中的第i 條數據；n 是發射裝置所含零部件的種類。 IDi是 ai的序號， Namei是 ai中 記錄零部件的名稱； W eii是 ai中記錄零部件的質量； Cdi是 ai中 記錄零部件的代號，是 ai中記錄零部件的所屬裝配號； T pi是 ai中記錄零部件的類型；N UMi是 ai中記錄零部件在整個發射裝置中存在的數量。

根據上述假設，建立統計映射過程如下：

步驟1 讀取發射裝置總裝三維設計數據模型裝配樹，獲取裝配樹的零部件總數 nz，初始化i=0，j=1；

步驟2遍歷發射裝置總裝三維設計數據模型裝配樹，從裝配樹中取出第j 個零部件并從參數表中獲取其代號 Cdj、名稱 Namej、質 量 W eij、所屬裝配號Parj和零部件類型T pj；

步驟3 檢索明細表A 中是否已存在ax={IDx,Namex,Weix,Cdx,Parx,T px,NUMx} 使得C dx=Cdj，若是，執行步驟4，若否，執行步驟5；

步驟4 NUMx+ +，執行步驟6；

步驟5i++，在明細表 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；

步驟6判斷j 是否等于 nz，若“否”則執行步驟7，若“是”則執行步驟8；

步驟7j++，執行步驟2；

步驟8 整合映射結束。

4）衍生映射

在發射裝置的二維設計數據模型中，圖幅目錄通過表格的形式表達全套圖紙的數量和尺寸信息，是重要的管理信息。在發射裝置的三維設計數據模型中，包括比例、圖幅、張數等在內的圖幅信息隱性的儲存在每個零部件三維設計數據模型的參數表中。由三維設計數據模型中的圖幅信息生成二維設計數據模型圖幅目錄的過程叫衍生映射。

假設2：圖幅目錄的表達格式為B={bi|i ∈N+,i ≤n} ，bi={BIDi,BCdi,BT pi,BPNi,BNUMi}。其中， B 是圖幅目錄； bi是圖幅目錄中的第i 條數據；n 是發射裝置所含零部件的種類； BIDi是 bi的序號；BCdi是 bi中 記錄零部件的代號； BT pi是 bi中記錄零部件的圖幅類型，枚舉字段，內容為“A0、A1、A2、A3、A4”； BPNi是 bi中記錄零部件的圖紙張數；BNUMi是bi中記錄零部件的圖紙折合A4的總張數。

基于上述假設，建立衍生映射方法如下：

步驟1初始化i=1；

步驟2 從明細表A 中讀取ai={IDi,Namei,Weii,Cdi,Pari,T pi,NUMi} ，獲取 ai對應的零部件的圖幅類型 BT pi和張數B PNi；

步驟3 判斷 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；

步驟4 在圖幅目錄 B 中增加bi={BIDi,BCdi,BT pi,BPNi,BNUMi} ， BIDi= i ， BCdi=C di， BT pi、BPNi已 在步驟2 中讀取得到， BNUMi在步驟3 中計算得到；

步驟5 判斷i 是否等于n，若“否”，執行步驟6，若“否”，執行步驟7；

步驟6i++，執行步驟2；

步驟7 衍生映射結束。

2.2 信息補充

發射裝置三維設計數據模型經過上述4 種映射的轉化后得到初始二維設計數據模型，此時距完整的二維設計數據模型還欠缺公差、中心線、粗糙度、技術要求等信息的有效表達。利用人機交互的方式在二維設計數據模型上補充公差、中心線、粗糙度、技術要求等信息，完成發射裝置三維設計數據模型到二維設計數據模型的轉化。

圖 3 發射裝置設計數據轉化過程Fig. 3 The conversion process of launch device design data

2.3 轉化過程

在三維設計數據模型向二維設計數據模型的轉化過程中，通過視圖映射、繼承映射、整合映射和衍生映射將三維設計數據模型中的相關信息傳遞至二維設計數據模型，形成二維設計數據模型的初始化模式。采用人機交互的方式完成缺失信息的補充，通過標注工具將技術要求、形位公差、中心線等三維設計數據模型中缺失的信息補充在二維設計數據模型中使其完善。當發射裝置的三維設計數據模型轉化得到二維設計數據模型后，視圖映射、繼承映射、整合映射和衍生映射四種映射關系仍然發揮作用，當三維設計數據模型中的某一項信息發生改變，映射關系會將改變內容實時傳遞至二維設計數據模型中使其同步更新至最新狀態，該過程無需人工參與。

3 技術實現及應用驗證

根據上述理論分析，結合Pro/E 本身的功能特點，對軟件進行模板定制和功能開發，完成發射裝置設計數據快速轉化工具的構建，結合某產品對該工具進行了應用驗證。

3.1 設計數據模型模板構建

根據上述對發射裝置三維設計模型和二維設計數據模型的分析，分別構建二者的標準數據模板。

三維設計數據模型的載體是P r o/E 環境下的“*.prt”和“*.asm”文件。三維設計數據模型的幾何信息和尺寸信息均記錄在文件的三維模型里；通用管理屬性、會簽屬性、零件材料屬性和圖幅信息記錄在文件的參數表里；視圖信息記錄在文件的視圖管理器里。其中，三維模型模板和視圖管理器由Pro/E 軟件直接提供，三維模型和視圖信息由設計者在完成發射裝置設計的過程中完成構建。參數表模板則需根據上述理論分析在Pro/E 提供的“參數”模塊里完成構建。完整的三維設計數據模型由三維模型、視圖管理器和參數表構成，結合某產品構建的三維設計數據模型。

對于發射裝置產品而言，其完整的二維設計數據模型由各個零部件的二維設計數據模型加零部件明細表和圖幅目錄組成。對于組成產品的零部件而言，其二維設計數據模型的載體是二維工程圖。

3.2 映射方法

視圖映射、繼承映射、整合映射和衍生映射是實現發射裝置三維設計數據模型向二維設計數據模型轉化的主要過程，利用Pro/E 軟件提供的功能模塊進行模板定制和二次開發實現4 種映射方法在自動轉化過程中的功能。

1）視圖映射

Pro/E 軟件提供了功能強大的三維建模環境和二維工程圖模塊，在三維建模環境和二維工程圖模塊之間，Pro/E 提供了視圖映射函數。利用Pro/E 提供的二次開發接口，開發“創建同名工程圖”功能，在三維建模環境下調用該功能即可進入當前三維模型對應的二維工程圖模塊，然后調用Pro/E 提供的視圖映射功能模塊，通過手動添加映射參數的方式完成視圖映射的轉換。結合某型產品構建其主視圖過程如圖4 所示。

圖 4 視圖映射Fig. 4 View mapping

2）繼承映射

Pro/E 軟件以黑箱的形式提供了繼承映射函數，用戶可根據需求以一定的規則引用該函數實現功能定制。根據前述方法分析，結合繼承映射函數的引用方法，完成繼承映射的功能定制。在“*.frm”模板相應的位置上通過“&+被繼承內容所屬的字段名”完成繼承映射的功能定制。

在由三維設計數據模型轉化生成二維設計數據模型的過程中，繼承映射函數直接從三維設計數據模型中提取相應的信息傳遞至二維工程圖并顯示在“&+被繼承內容所屬的字段名”所在的位置上。繼承映射是實時且可逆的過程，在三維模型中更改，二維會同步變更，在二維中修改，三維中也會同步變更。

3） 整合映射

根據建立的整合映射方法利用Pro/E 軟件提供的二次開發模塊和模板定制模塊構建整合映射方法。構建的發射裝置零部件明細欄，整合映射規則利用二次開發的方式嵌入明細欄模板中。

4）衍生映射

根據建立的整合映射方法利用Pro/E 軟件提供的二次開發模塊和模板定制模塊構建衍生映射方法。構建的發射裝置零部件圖幅目錄，衍生映射規則利用二次開發的方式嵌入圖幅目錄模板中。

3.3 信息補充工具

在表達二維設計數據模型標注信息的過程中，常常遇到大量非常規信息的標注，如形位公差、剖切位置、粗糙度、中心線等。針對標注困難的問題，利用Pro/E 的二次開發功能，開發了專用的快速標注工具。采用快速標注工具直接完成缺失信息的補充可大幅提高二維設計數據模型的轉化效率。

4 結 語

本文通過構建三維設計數據模型和二維設計數據模型，進而建立了4 種映射方法，輔以人機交互的補充標注，完成額快速轉化方法的構建，采用該方法不僅能提高發射裝置產品由三維設計數據向二維設計數據轉化的效率，而且整個映射為自動的動態過程，當三維設計數據模型發生更改，二維設計數據模型將自動進行同步更改，最后利用Pro/E 進行模板定制和功能開發建立了轉化工具，通過實例驗證了方法和工具的可行性。