葉建華， 高誠輝， 江吉彬

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

機械產(chǎn)品三維互動選型與定制系統(tǒng)

葉建華1,2， 高誠輝1， 江吉彬2

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

以機械產(chǎn)品設(shè)計工程師為服務(wù)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(shù)，融合機械三維CAD技術(shù)，實現(xiàn)機械產(chǎn)品三維選型與定制系統(tǒng)的研發(fā)。采用基于 SolidWorks的參數(shù)化建模技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品系列化與定制模型的實時生成。采用基于Viewpoint的三維動態(tài)顯示技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品三維信息的展示。通過文件格式轉(zhuǎn)換提供通用的二維/三維文件下載功能，以便客戶進行預(yù)裝配、分析等。

產(chǎn)品選型；產(chǎn)品定制；虛擬展示；Web3D

隨著市場分工愈加細化、敏捷制造技術(shù)快速發(fā)展，機械產(chǎn)品中標(biāo)準零部件和功能零部件占比越來越大。根據(jù)要求進行零部件的選型和定制已成為機械產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，零部件的選用是否合理，直接影響著整機性能。

傳統(tǒng)的以紙質(zhì)設(shè)計手冊和產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)、多媒體和制造業(yè)信息化技術(shù)的推動下，電子化的產(chǎn)品選型系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[1]，用戶可以通過分類目錄和參數(shù)檢索的方式對產(chǎn)品進行快速、便捷的選型。這些系統(tǒng)對產(chǎn)品信息的描述主要采用語言文字描述法，二維靜態(tài)圖片或工程圖法，對用戶所關(guān)心的產(chǎn)品可安裝性、尺寸干涉、結(jié)構(gòu)剛度等信息提供缺乏直觀性、完整性和交互性。當(dāng)前，隨著Web3D技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品三維選型與定制系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。如CMC2IPC（個性化產(chǎn)品定制系統(tǒng)），通過使用VRML 語言，實現(xiàn)了產(chǎn)品三維模型和部分參數(shù)信息的瀏覽[2]。武艷芳等以汽車為對象，以Cult3D為開發(fā)平臺，運用相關(guān)動作、事件以及JAS 實現(xiàn)了三維模型的形態(tài)、色彩的定制以及動態(tài)瀏覽[3]。這些系統(tǒng)基于Web3D技術(shù)進行開發(fā)，主要為整機產(chǎn)品的消費終端服務(wù)，提供三維形貌、色彩效果的選型與定制，難以滿足整機產(chǎn)品設(shè)計制造對客戶機械產(chǎn)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(shù)與Web3D技術(shù)，實現(xiàn)機械產(chǎn)品三維選型與定制系統(tǒng)的研發(fā)。采用基于SolidWorks的參數(shù)化建模技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)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(chǎn)品的存儲空間，實現(xiàn)產(chǎn)品的無歧義定制。通過Viewpoint技術(shù)實現(xiàn)三維模型動態(tài)交換瀏覽。并提供二維/三維文件下載功能，方便客戶實現(xiàn)零部件的預(yù)裝配、分析等。

1 系統(tǒng)框架

機械產(chǎn)品三維互動選型與定制系統(tǒng)，目的在于為設(shè)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(yīng)商提供一種產(chǎn)品的全方位宣傳與展示平臺。系統(tǒng)框架如圖1所示，包含系統(tǒng)界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)管理層。

圖 1 系統(tǒng)框架圖

1.1 系統(tǒng)界面層

系統(tǒng)界面層是選型、定制的工作平臺，包含信息展示模塊、產(chǎn)品選型模塊、產(chǎn)品定制模塊和系統(tǒng)維護模塊。信息展示模塊在于傳達產(chǎn)品信息，實現(xiàn)產(chǎn)品信息的全方位呈現(xiàn)，包括產(chǎn)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(xiàn)零部件的預(yù)裝配、分析等。產(chǎn)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(chǎn)品目錄或特征參數(shù)檢索的方式進行選型。產(chǎn)品定制模塊是基于已有的系列化功能零部件，對其結(jié)構(gòu)根據(jù)要求進行修改，通過人機交互界面定義產(chǎn)品的特征參數(shù)，系統(tǒng)實時的把設(shè)計結(jié)果反饋回選型人員，并向生產(chǎn)廠商反饋客戶需求的產(chǎn)品，為客戶與供應(yīng)商提供一種協(xié)同設(shè)計、制造平臺。系統(tǒng)維護模塊為產(chǎn)品樣本的更新，產(chǎn)品類型的擴充，以及各種信息的管理維護提供服務(wù)。

1.2 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)的核心，接收系統(tǒng)界面層的輸入信息，同時輸出結(jié)果信息給系統(tǒng)界面層，并與數(shù)據(jù)管理層關(guān)聯(lián)。支撐業(yè)務(wù)邏輯層的關(guān)鍵技術(shù)包括機械產(chǎn)品的數(shù)字化建模技術(shù)、Web3D展示技術(shù)、人機交互技術(shù)、三維模型參數(shù)化技術(shù)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換技術(shù)等。機械產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)為選型定制系統(tǒng)提供具體型號的二維/三維模型源文件，是產(chǎn)品展示、信息傳遞的前提。Web3D展示技術(shù)為用戶提供產(chǎn)品三維信息的交互瀏覽功能，直觀傳達產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)信息。人機交互技術(shù)是系統(tǒng)的必備，人機交互是否友好，直接影響系統(tǒng)的工作效率和客戶的接受程度。三維模型參數(shù)化技術(shù)具有通過尺寸驅(qū)動修改圖形的功能，是實現(xiàn)產(chǎn)品系列化設(shè)計和定制模型自動生成的有效手段。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)模型信息在不同場合的應(yīng)用要求，實現(xiàn)設(shè)計信息與展示信息的有機融合。

1.3 數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層借助數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)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(tǒng)涉及的信息復(fù)雜多樣，既有結(jié)構(gòu)化信息，也有非結(jié)構(gòu)化信息，包括產(chǎn)品的文字數(shù)據(jù)信息、產(chǎn)品二維圖像信息、產(chǎn)品圖形信息（二維工程圖、機械三維CAD模型數(shù)據(jù)和Viewpoint三維展示數(shù)據(jù)等）、產(chǎn)品的分類目錄信息和產(chǎn)品的特征參數(shù)信息等。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵支撐技術(shù)

本系統(tǒng)的實現(xiàn)采用客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。服務(wù)器端完成數(shù)據(jù)信息管理、選型過程的數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)模型的系列化與變形處理，其中數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)模型的系列化與變形處理、數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)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(jié)果，其中三維信息的互動瀏覽以Viewpoint三維動態(tài)顯示技術(shù)為支撐。

2.1 基于SolidWorks的參數(shù)化建模技術(shù)

Solidworks是一款基于Windows平臺開發(fā)的全參數(shù)化機械三維CAD軟件[4]。具有強大的零件設(shè)計、模具設(shè)計、焊件設(shè)計、鈑金設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖設(shè)計等功能，能滿足機械領(lǐng)域的各種設(shè)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(qū)動的方式實現(xiàn)產(chǎn)品模型的參數(shù)化設(shè)計，擁有豐富的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fā)接口(API)和多種二次開發(fā)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(tǒng)采用SolidWorks進行標(biāo)準件或功能零部件的產(chǎn)品建模，對模型形狀進行全尺寸約束，通過尺寸控制產(chǎn)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(qū)動產(chǎn)品幾何形狀的改變，從而實現(xiàn)系列零件或定制產(chǎn)品模型的自動生成。

2.2 基于Viewpoint的三維動態(tài)顯示技術(shù)

Web3D融合了Web技術(shù)和3D技術(shù)，是3D圖形技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上的拓展，能很好的克服機械三維CAD模型在離開設(shè)計環(huán)境時就難以實現(xiàn)三維效果展示的不足。同時Web3D也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)形式，具有真實感強的特點，可以建構(gòu)虛擬場景，對展示的產(chǎn)品進行三維立體瀏覽，支持旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等。

目前Wed3D廣泛應(yīng)用于房地產(chǎn)行業(yè)、城市規(guī)劃、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)娛樂、遠程教育、信息可視化等領(lǐng)域[6]。實現(xiàn)技術(shù)層出不窮，如VRML、Viewpoint、Cult3D、Virtools、Java3D等，以上各項技術(shù)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(xiàn)產(chǎn)品的三維質(zhì)感，具有友好的人機交互能力，數(shù)據(jù)文件的壓縮比是現(xiàn)有的Web3D壓縮技術(shù)中最高的一種，能把數(shù)據(jù)量龐大的機械CAD三維模型壓縮成極小的流文件，很適合應(yīng)用在機械產(chǎn)品的三維展示上。因此，以Viewpoint為支撐進行機械產(chǎn)品的三維互動展示。

3 系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)

3.1 尺寸驅(qū)動模型變形的實現(xiàn)

標(biāo)準件和功能零部件的種類多，而且同一系列產(chǎn)品的具體型號往往多達幾十種甚至上百種。當(dāng)前的三維選型系統(tǒng)一般是為每一個具體型號的產(chǎn)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(shù)化建模技術(shù)，通過尺寸驅(qū)動三維模型的更新，實時生成出符合要求的產(chǎn)品模型，則能很好的解決以上問題。只需為一系列的產(chǎn)品構(gòu)建一個標(biāo)準的三維模型，給標(biāo)準三維模型定義正確的幾何關(guān)系以增加產(chǎn)品模型變形的整體協(xié)調(diào)性，并為模型的每一特征尺寸進行命名。接著根據(jù)標(biāo)準模型制作對應(yīng)的二維工程圖。然后通過SolidWorks的API接口實現(xiàn)不同型號或定制產(chǎn)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(xiàn)三維模型根據(jù)尺寸的自適應(yīng)生成的具體步驟為：

1） 導(dǎo)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(shù)創(chuàng)建SolidWorks的 COM 實例對象，并獲得SolidWorks的API接口。

4） 通過接口函數(shù)OpenDoc6 ()打開已經(jīng)建構(gòu)的標(biāo)準模型。

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

6） 調(diào)用bool EditRebuild3()使標(biāo)準模型根據(jù)修改的尺寸進行重建，得到具體型號的產(chǎn)品模型。

7） 釋放COM接口。

其中步驟5)中，驅(qū)動模型變形的尺寸可以是存儲在數(shù)據(jù)庫列表中的規(guī)范化尺寸，也可以是通過定制模塊由用戶輸入的數(shù)值。三維模型自適應(yīng)生成后，與其關(guān)聯(lián)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(xiàn)的三維模型變形效果圖。

圖2 尺寸驅(qū)動模型變形效果圖

3.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

SolidWorks的參數(shù)化建模技術(shù)，可以實時的通過尺寸驅(qū)動獲得各種型號的產(chǎn)品模型。然而SolidWorks是采用自身的數(shù)據(jù)組織方式進行各種信息的描述與存儲的，離開 SolidWorks開發(fā)環(huán)境，生成的模型數(shù)據(jù)就不能為外界所用。而選型定制系統(tǒng)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(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)工作，如Catia、UG、ProE、SolidEdge、Invertor和AutoCAD等。因此，需要把SolidWorks的模型格式轉(zhuǎn)換成這些系統(tǒng)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(yù)裝配、分析等工作。同時在選型定制系統(tǒng)的客服端，采用的小數(shù)據(jù)量、高質(zhì)感效果的Viewpoint模型數(shù)據(jù)進行三維展示，同樣需要把模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)文件，mtx文件定義場景參數(shù)和交互操作，它們成對生成、相互關(guān)聯(lián)。

通過SolidWorks的API接口調(diào)用文件格式的換接口，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，文件格式的轉(zhuǎn)換流程，如圖3所示。其中以Viewpoint模型數(shù)據(jù)格式為例描述其過程為：

1） 使用 ISldWorks接口的 LoadAddIn()函數(shù)加載支持Viewpoint數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)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(shù)即完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換生成mts和mtx文件。

圖3 轉(zhuǎn)換的流程圖

3.3 三維互動展示的實現(xiàn)

本選型系統(tǒng)在客戶端通過Viewpoint插件實現(xiàn)三維模型互動展示功能，而Viewpoint是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)，因此，需要先把網(wǎng)頁瀏覽功能嵌入到系統(tǒng)中，然后再在網(wǎng)頁中嵌入Viewpoint瀏覽插件。具體的實現(xiàn)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(tǒng)中嵌入網(wǎng)頁瀏覽功能。

2） 設(shè)計三維交互瀏覽頁面模板，在模板中采用OBJECT和EMBED標(biāo)簽進行Viewpoint的嵌入。

3） 根據(jù)用戶的選型或定制要求，把通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成的 mts和 mtx寫入到模板頁面的Viewpoint的調(diào)用接口中。

4） 通過 CWebBrowser2瀏覽器控件的Navigate()函數(shù)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(yīng)用實例

機械產(chǎn)品三維選型定制系統(tǒng)采用VS2010在Win7系統(tǒng)上開發(fā)實現(xiàn)。服務(wù)器端基于SolidWorks 2010二次開發(fā)實現(xiàn)，系統(tǒng)的支撐數(shù)據(jù)庫為 SQL Server 2008，客服端的三維互動顯示采用Viewpoint技術(shù)。實現(xiàn)客戶端包含產(chǎn)品簡介、產(chǎn)品選型、產(chǎn)品定制等頁面，如圖4所示，是產(chǎn)品選型的界面圖。左側(cè)為系列產(chǎn)品目錄樹，通過產(chǎn)品分類目錄樹可以快速定位到用戶關(guān)心的系列產(chǎn)品位置。當(dāng)雙擊產(chǎn)品系列名稱時，中下部就列出該系列的所有型號產(chǎn)品的詳細信息。相應(yīng)的中上部的“產(chǎn)品信息”標(biāo)簽頁就可了解產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家、材質(zhì)、功能、用途、選型參數(shù)說明等信息；“三維顯示”標(biāo)簽頁就可顯示出該系列的三維標(biāo)準模型，當(dāng)選中列表中的某一具體型號時，通過服務(wù)器端的基于 SolidWorks參數(shù)化變形驅(qū)動后的與型號參數(shù)匹配的三維模型就替換顯示出來，并可以通過鼠標(biāo)進行旋轉(zhuǎn)、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(cè)的特征參數(shù)文本下拉框進行參數(shù)檢索與過濾。中上部的“二維顯示”則顯示的是系列產(chǎn)品對應(yīng)的二維工程圖。定制頁面與選型頁面的不同之處在于右側(cè)為定制尺寸的輸入框。對于用戶選中或定制的具體產(chǎn)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(yù)裝配、分析等用。

圖4 系統(tǒng)客戶端

5 結(jié) 論

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

[1] 楊 育, 張曉冬, 劉 勝, 等. 網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同產(chǎn)品定制及其系統(tǒng)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(xié)同設(shè)計定制系統(tǒng)[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2012, 33(3): 56-60.

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

[4] 高曙明, 何發(fā)智. 異構(gòu) CAD系統(tǒng)集成技術(shù)綜述[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 2009, 21(5): 561-568.

[5] 于 洋, 賀 棟, 魏蘇麒. 基于 SolidWorks二次開發(fā)的智能裝配技術(shù)研究[J]. 機械設(shè)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(tǒng)仿真學(xué)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(yè)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(dǎo)師，博士，主要研究方向為摩擦學(xué)、表面工程和數(shù)字化設(shè)計。E-mail：gch@fzu.edu.cn