劉夫云，耿立冬，江友志，吳 強(qiáng)

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，二維工程圖是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終輸出和生產(chǎn)加工的重要依據(jù)，快速得到符合生產(chǎn)要求的二維工程圖，是降低出錯(cuò)率、提高設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵，尺寸標(biāo)注是二維工程圖幾何信息表達(dá)的重要組成部分，在工程圖繪制或參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)生成過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題，如圖1 所示。（1）尺寸標(biāo)注與輪廓線重疊干涉；（2）尺寸文本線之間間距不相等；（3）同層尺寸文本線之間未對(duì)齊；（4）尺寸標(biāo)注與輪廓線重疊干涉。

圖1 尺寸標(biāo)注問(wèn)題Fig.1 Dimension Problem

二維工程圖中尺寸標(biāo)注布局沒(méi)有具體的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1]，學(xué)者們針對(duì)三維模型參數(shù)化生成二維工程圖進(jìn)行了大量的研究[1-7]，其中文獻(xiàn)[2-4]概述了Solidworks 二維工程圖參數(shù)化調(diào)用API 函數(shù)方法，簡(jiǎn)述了二維工程圖需要調(diào)整的元素。文獻(xiàn)[5-6]提出了一種二維工程圖尺寸標(biāo)注自動(dòng)調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)更新后的水平、豎直、角度尺寸標(biāo)注的調(diào)整，但不能對(duì)非水平非豎直的線性尺寸標(biāo)注進(jìn)行調(diào)整，且局限于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)工程圖中。

針對(duì)上述問(wèn)題，這里通過(guò)自動(dòng)獲取尺寸標(biāo)注信息、對(duì)水平和豎直尺寸標(biāo)注自動(dòng)分層、尺寸標(biāo)注干涉判斷、干涉尺寸微調(diào)整等步驟，實(shí)現(xiàn)了尺寸標(biāo)注自適應(yīng)糾錯(cuò)和調(diào)整，并用此原理開發(fā)了一種尺寸標(biāo)注調(diào)整系統(tǒng)，驗(yàn)證了此方法對(duì)Solidworks二維工程圖尺寸標(biāo)注自適應(yīng)調(diào)整的通用性。

2 尺寸標(biāo)注簡(jiǎn)化及位置基準(zhǔn)確定

2.1 尺寸標(biāo)注的結(jié)構(gòu)組成

如圖2（a）所示，水平尺寸標(biāo)注分為尺寸界線、尺寸線、尺寸數(shù)字和箭頭等四個(gè)部分，其余線性尺寸與水平尺寸的結(jié)構(gòu)劃分相同，僅布局方向不同。

圖2 線性尺寸構(gòu)成及簡(jiǎn)化Fig.2 Linear Dimension Composition and Simplification

角度尺寸標(biāo)注與線性尺寸標(biāo)注的結(jié)構(gòu)劃分相同，如圖3（a）所示，可以通過(guò)判斷尺寸界線是否平行，確定是否是角度尺寸。

2.2 尺寸標(biāo)注結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

在Solidworks二維工程圖中默認(rèn)字體是3.5mm仿宋，字體高度是相對(duì)于A0-A4標(biāo)準(zhǔn)圖紙模板固定，在工程圖中，各個(gè)視圖縮放比例不同，文字注釋字體高度相對(duì)于工程圖的各個(gè)視圖也是不同的，通過(guò)驗(yàn)證，文字注釋在視圖中的相對(duì)高度為：

式中：h—字體在視圖中的相對(duì)高度；k—視圖比例。

用IScaleRatio 函數(shù)可獲取當(dāng)前視圖比例，確定注釋字高h(yuǎn)；用GetArrowHeadAtIndex2（）函數(shù)獲取尺寸線的起始箭頭和終點(diǎn)箭頭坐標(biāo)，連接兩點(diǎn)坐標(biāo)確定尺寸線的具體位置。

根據(jù)獲取的注釋字高h(yuǎn)和尺寸線位置，對(duì)獲取的尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2（b）所示。簡(jiǎn)化的尺寸由矩形框和尺寸文本線組成，其中兩箭頭點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離稱為尺寸的寬度，矩形框用來(lái)確定尺寸線之間的位置間距，大小為h，用兩端箭頭坐標(biāo)確定的尺寸線，通過(guò)判斷尺寸線段間是否相交，確定尺寸線之間是否存在干涉。其余線性尺寸均與水平尺寸簡(jiǎn)化相同。

角度尺寸的簡(jiǎn)化，如圖3（b）所示。同理用GetArrowHeadAt-Index2（）函數(shù)獲取文本線的起始箭頭和終點(diǎn)箭頭坐標(biāo)，連接兩點(diǎn)，將弧形文本線簡(jiǎn)化為直線，其余部分與線性尺寸簡(jiǎn)化相同。

圖3 角度尺寸構(gòu)成及簡(jiǎn)化Fig.3 Angle Dimension Composition and Simplification

2.3 確定尺寸標(biāo)注在視圖中的位置基準(zhǔn)

二維工程圖是用各種不同角度的視圖來(lái)表達(dá)三維零件的幾何特征信息的，尺寸標(biāo)注是表述視圖中幾何特征信息的精確數(shù)據(jù)，確定各個(gè)視圖中的基準(zhǔn)是尺寸標(biāo)注自適應(yīng)調(diào)整的基礎(chǔ)。

在Solidworks二維工程圖中，每一個(gè)視圖都存在一個(gè)視圖邊界框，視圖邊界框是一個(gè)將當(dāng)前視圖完全包圍的框，具有隨視圖大小變化自動(dòng)調(diào)整的特點(diǎn)，用Solidworks API中GetOutline（）函數(shù)可以獲取當(dāng)前視圖邊界框?qū)屈c(diǎn)（最小點(diǎn)和最大點(diǎn)）坐標(biāo)；用position（）函數(shù)獲取視圖中點(diǎn)坐標(biāo)，即視圖中心坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 視圖基準(zhǔn)示意圖Fig.4 The Sketch Map of View Benchmark

通過(guò)尺寸線的位置坐標(biāo)與視圖中點(diǎn)和視圖包絡(luò)框?qū)屈c(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)比，確定尺寸在視圖中的相對(duì)位置。

將GetOutline（）、position（）函數(shù)獲取的視圖信息放入數(shù)組中，最小點(diǎn)坐標(biāo)放入數(shù)組Xmin（）、Ymin（）中，最大點(diǎn)坐標(biāo)放入數(shù)組Xmax（）、Ymax（）中，中點(diǎn)坐標(biāo)放入數(shù)組Xmid（）、Ymid（）中，以便后期數(shù)據(jù)處理和調(diào)用。

3 水平、豎直尺寸自動(dòng)分層調(diào)整

3.1 尺寸標(biāo)注的布局特點(diǎn)

在二維工程圖中，常用的尺寸布局方式有兩種，如圖5所示。

圖5 常用的兩種標(biāo)注方式Fig.5 Two Commonly Used Annotation Methods

最短的尺寸標(biāo)注分布在第一層，根據(jù)此特點(diǎn)，可對(duì)尺寸進(jìn)行布局，尺寸標(biāo)注按尺寸值大小依次排序，最小尺寸放在靠近輪廓的第一布局層。

判斷尺寸標(biāo)注與前一個(gè)尺寸是否存在包含關(guān)系，然后依次布局，若存在包含關(guān)系，則第n個(gè)尺寸布局層計(jì)算公式，如式（2）所示。

若不存在包含關(guān)系，則第n個(gè)尺寸布局層計(jì)算公式，式（3）所示。

式中：P（n）—第n個(gè)尺寸布局層的層數(shù)；P（n-1）—第n-1個(gè)尺寸布局層的層數(shù)；Δ—布局層之間的固定間距。

3.2 尺寸標(biāo)注自動(dòng)分層算法實(shí)現(xiàn)

3.2.1 水平尺寸和豎直尺寸的分類

在一個(gè)線性尺寸標(biāo)注中存在兩個(gè)箭頭，用GetArrowHeadAt-Index2（）函數(shù)獲取箭頭坐標(biāo)，其中GetArrowHeadAtIndex2（0）表示獲取的是第一個(gè)箭頭，GetArrowHeadAtIndex2（1）表示獲取的是第二個(gè)箭頭。設(shè)定數(shù)組AHS（）、AHE（）滿足式（5），用于存放當(dāng)前尺寸箭頭信息，其中數(shù)組中第一個(gè)元素是箭頭X坐標(biāo)，第二個(gè)元素是箭頭的Y坐標(biāo)。

根據(jù)獲取的尺寸標(biāo)注箭頭坐標(biāo)，對(duì)尺寸標(biāo)注進(jìn)行劃分。將尺寸線兩端的箭頭坐標(biāo)對(duì)比，若Y坐標(biāo)相等，則劃分為水平尺寸；若X坐標(biāo)相等，則劃分為豎直尺寸；其余尺寸則劃分為其它尺寸。

將當(dāng)前視圖中所有起始箭頭的X坐標(biāo)存放入Xstart（）中、起始箭頭的Y坐標(biāo)存放入Ystart（）中、終點(diǎn)箭頭的X坐標(biāo)存放入Xend（）中、終點(diǎn)箭頭的Y坐標(biāo)存放入Yend（）中，如圖6所示。

圖6 尺寸標(biāo)注坐標(biāo)分類數(shù)組關(guān)系圖Fig.6 Dimension Coordinate Classification Array Diagram

對(duì)獲取的尺寸標(biāo)注進(jìn)行排序，用來(lái)確定尺寸標(biāo)注的位置，便于對(duì)需要調(diào)整的尺寸標(biāo)注進(jìn)行調(diào)整，序號(hào)從1開始，每獲取一個(gè)尺寸后加1。

在數(shù)組中，數(shù)組下標(biāo)默認(rèn)是從0開始，而序號(hào)排列是從1開始，故在數(shù)組中下標(biāo)為n的元素，其屬于第n+1個(gè)尺寸標(biāo)注；若滿足式（6），證明當(dāng)前視圖中第n+1個(gè)尺寸標(biāo)注是豎直尺寸，將其序號(hào)存入數(shù)組V（）中；若滿足式（7），證明當(dāng)前視圖中第（n+1）個(gè)尺寸標(biāo)注是水平尺寸，將其序號(hào)存入數(shù)組H（）中；剩余尺寸存放入數(shù)組O（）中。

3.2.2 自動(dòng)布局算法

根據(jù)上文獲取的視圖位置基準(zhǔn)（視圖邊界框和視圖中點(diǎn)坐標(biāo)），對(duì)獲取的當(dāng)前視圖中水平尺寸標(biāo)注序號(hào)數(shù)組H（）和豎直尺寸標(biāo)注序號(hào)數(shù)組V（）進(jìn)行分布區(qū)域劃分。

水平尺寸的分層，如圖7所示。把視圖分為從上至下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)區(qū)域。

圖7 水平尺寸標(biāo)注區(qū)域劃分圖Fig.7 Horizontal Dimension Marking Area Division Drawing

根據(jù)尺寸標(biāo)注坐標(biāo)，對(duì)尺寸標(biāo)注進(jìn)行分區(qū)，尺寸標(biāo)注的Y坐標(biāo)大于Ymax為I區(qū)域，將其序號(hào)放入子數(shù)組H1（）中；尺寸標(biāo)注的Y坐標(biāo)大于Ymid且小于Ymax為Ⅱ區(qū)域，將其序號(hào)放入子數(shù)組H2（）中；尺寸標(biāo)注的Y坐標(biāo)大于Ymin且小于Ymid為Ⅲ區(qū)域，將其序號(hào)放入子數(shù)組H3（）中；尺寸標(biāo)注的Y坐標(biāo)小于Ymin為Ⅳ區(qū)域，將其序號(hào)放入子數(shù)組H4（）中。

豎直尺寸的分層，如圖8所示。同理把視圖分為從左至右的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)區(qū)域。把序號(hào)數(shù)組V（）中的元素根據(jù)不同區(qū)域分為數(shù)組V1（）、V2（）、V3（）、V4（）。

圖8 豎直尺寸標(biāo)注區(qū)域劃分圖Fig.8 Vertical Dimension Marking Area Division Drawing

對(duì)獲取各區(qū)域的子數(shù)組進(jìn)行調(diào)整，如圖9所示。

圖9 尺寸標(biāo)注序號(hào)調(diào)整數(shù)組關(guān)系圖Fig.9 Dimension Sequence Number Adjustment Array Diagram

水平尺寸數(shù)組中，用式（8）計(jì)算各個(gè)元素對(duì)應(yīng)的尺寸標(biāo)注線的長(zhǎng)度，放入尺寸標(biāo)注線長(zhǎng)度數(shù)組LH1（）、LH2（）、LH3（）、LH4（），對(duì)各區(qū)域存放的長(zhǎng)度數(shù)組，進(jìn)行冒泡排序，按照長(zhǎng)度從小到大排序，獲取排序后數(shù)組元素的原下標(biāo)，根據(jù)區(qū)域不同，分別放入數(shù)組H10（）、H20（）、H30（）、H40（）中；

同理豎直尺寸數(shù)組中，用式（9）計(jì)算各個(gè)元素對(duì)應(yīng)的尺寸標(biāo)注線的長(zhǎng)度，放入尺寸標(biāo)注線長(zhǎng)度數(shù)組LV1（）、LV2（）、LV3（）、LV4（），冒泡排序后，將排序后數(shù)組元素的原下標(biāo)分別存放入數(shù)組V10（）、V20（）、V30（）、V40（）中。

根據(jù)調(diào)整后數(shù)組元素的順序?qū)Τ叽鐦?biāo)注位置進(jìn)行調(diào)整，數(shù)組中第一個(gè)元素是最小的尺寸標(biāo)注，放在第一層，其余依次按式（2）、式（3）分層排列，其中水平尺寸標(biāo)注調(diào)整函數(shù)如下：（其中Ⅰ、Ⅲ為正；Ⅱ、Ⅳ為負(fù)）

豎直尺寸標(biāo)注調(diào)整函數(shù)如下：（其中Ⅰ、Ⅲ為負(fù)；Ⅱ、Ⅳ為正）

4 尺寸干涉判斷與自適應(yīng)調(diào)整算法

4.1 尺寸標(biāo)注干涉判斷原理

根據(jù)獲取的視圖中各個(gè)尺寸的起始箭頭和終點(diǎn)箭頭的坐標(biāo)，如圖10所示。

圖10 視圖中尺寸標(biāo)注簡(jiǎn)化圖Fig.10 Simplified Dimension Drawing in View

在Solidworks二維工程圖默認(rèn)的平面直角坐標(biāo)系中（左下角原點(diǎn)），連接各個(gè)起始箭頭和終點(diǎn)箭頭的坐標(biāo)點(diǎn)，得到坐標(biāo)系中代表各個(gè)尺寸線的線段，把尺寸干涉問(wèn)題轉(zhuǎn)換為線段之間是否存在交點(diǎn)的問(wèn)題，判斷平面坐標(biāo)系中線段之間是否有交點(diǎn)，若有交點(diǎn)，則尺寸標(biāo)注之間存在干涉；反之，則尺寸標(biāo)注之間不存在干涉。

設(shè)一條尺寸的起始坐標(biāo)點(diǎn)為A，終點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)為B，另一條尺寸的起始坐標(biāo)點(diǎn)為C，終點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)為D，判斷兩個(gè)尺寸是否干涉即判斷線段AB、CD是否存在交點(diǎn)，用向量積法式（10）判斷：

若I1×I2＞0，則C、D點(diǎn)在線段的AB的同側(cè)，若同時(shí)I3×I4=0，則相交且交點(diǎn)是A或B，否則不相交；若I1×I2＜0，則C、D點(diǎn)在線段的AB的異側(cè)，若同時(shí)I3×I4＜=0，則相交（=0時(shí)交點(diǎn)是A或B），否則不相交；若I1×I2=0，則C、D點(diǎn)在線段的AB上，若同時(shí)I3×I4=0，則兩線段重合。

4.2 干涉尺寸自適應(yīng)調(diào)整

保持已調(diào)整的水平尺寸標(biāo)注和豎直尺寸標(biāo)注固定，判斷存在干涉后，對(duì)存在干涉的其它尺寸進(jìn)行微調(diào)整，設(shè)起始箭頭坐標(biāo)為A（x1，y1），終點(diǎn)箭頭的坐標(biāo)為B（x2，y2），連接獲取的A、B兩點(diǎn)，得到代表此尺寸線的線段，式（11）是線段AB的垂直平分線，對(duì)每次進(jìn)行微調(diào)整X坐標(biāo)增量為Δ/2，則Y坐標(biāo)的增量，如式（12）所示。

尺寸位置坐標(biāo)的微調(diào)整函數(shù)為：

在水平、豎直尺寸分層調(diào)整中，最短的尺寸標(biāo)注均放在最下層，所以當(dāng)尺寸標(biāo)注在輪廓外即V1（）、V4（）、H1（）、H4（）區(qū)域內(nèi)，對(duì)干涉的其它尺寸進(jìn)行減量調(diào)整即-Δ/2；當(dāng)尺寸標(biāo)注在輪廓內(nèi)即V2（）、V3（）、H2（）、H3（）區(qū)域內(nèi)，對(duì)干涉的其它尺寸進(jìn)行增量調(diào)整即+Δ/2。調(diào)整結(jié)束后，再次循環(huán)，直至沒(méi)有干涉，當(dāng)前視圖調(diào)整完畢，獲取下一個(gè)視圖進(jìn)行調(diào)整，直至所有視圖調(diào)整完畢。

5 程序開發(fā)與驗(yàn)證

5.1 程序開發(fā)

用Visual Basic語(yǔ)言對(duì)該方法進(jìn)行開發(fā)，添加Solidworks API引用，開發(fā)系統(tǒng)界面和調(diào)用API函數(shù)，如圖11、圖12所示。

圖11 軟件操作界面Fig.11 Software Operation Interface

圖12 調(diào)用的API函數(shù)圖Fig.12 The API Function Diagram of the Call

以中繼閥板為例，如圖13所示。

圖13 存在干涉的視圖Fig.13 View with Interference

二維工程圖尺寸標(biāo)注出現(xiàn)不合理現(xiàn)象。其中：①、②尺寸標(biāo)注之間干涉；③尺寸標(biāo)注文本線之間間距不相等；④尺寸標(biāo)注與零件外形輪廓線之間干涉；⑤同層尺寸標(biāo)注文本線未對(duì)齊。

單擊界面中一鍵審查按鈕對(duì)尺寸標(biāo)注調(diào)整，如圖11所示。

首先獲取視圖基準(zhǔn)坐標(biāo)，放入視圖坐標(biāo)列表框；其次獲取視圖中尺寸標(biāo)注箭頭坐標(biāo)，放入尺寸坐標(biāo)列表框；根據(jù)箭頭坐標(biāo)對(duì)尺寸標(biāo)注進(jìn)行分類，將水平、豎直尺寸標(biāo)注放入水平豎直尺寸列表框；對(duì)水平、豎直尺寸標(biāo)注進(jìn)行分層，將分層的尺寸標(biāo)注存放入臨時(shí)數(shù)據(jù)列邊框。

根據(jù)臨時(shí)數(shù)據(jù)列邊框中的數(shù)組，對(duì)水平、豎直尺寸標(biāo)注重新布局，布局完畢，清零；判斷視圖中尺寸標(biāo)注干涉，將干涉的尺寸標(biāo)注放入臨時(shí)列表框；對(duì)干涉的尺寸微調(diào)整直至臨時(shí)列表框中元素為零，結(jié)束；判斷視圖與視圖之間是否存在干涉，根據(jù)臨時(shí)列表框中尺寸標(biāo)注坐標(biāo)確定干涉視圖，最后對(duì)干涉視圖位置調(diào)整，結(jié)束。以上步驟均由程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，故稱為自適應(yīng)調(diào)整。調(diào)整后的視圖，如圖14所示。圖13中問(wèn)題均已解決。

圖14 調(diào)整后的視圖Fig.14 Adjusted View

5.2 程序開發(fā)中需要注意的問(wèn)題

5.2.1 尺寸數(shù)量不確定問(wèn)題

不同二維工程圖中視圖數(shù)量和尺寸標(biāo)注數(shù)量是不同的，要充分的獲取每個(gè)尺寸標(biāo)注的信息才能對(duì)圖紙進(jìn)行精確的調(diào)整。本方法把逐個(gè)獲取的尺寸標(biāo)注信息存放入列表框中，定義數(shù)組長(zhǎng)度為列表框的長(zhǎng)度，把列表框中的信息轉(zhuǎn)存到對(duì)應(yīng)的數(shù)組中，實(shí)現(xiàn)數(shù)組長(zhǎng)度根據(jù)各個(gè)視圖中的尺寸數(shù)量自動(dòng)調(diào)整。

5.2.2 尺寸標(biāo)注信息所屬視圖判別問(wèn)題

在尺寸標(biāo)注信息獲取時(shí)，不能準(zhǔn)確辨識(shí)其所屬視圖。二維工程圖中存在多個(gè)視圖，每個(gè)視圖中都有唯一的基準(zhǔn)，不同視圖中的尺寸標(biāo)注不能統(tǒng)一分類調(diào)整。

這里采取按順序調(diào)整視圖的方法，當(dāng)前視圖調(diào)整完成后，清空列表框，再獲取下一個(gè)視圖進(jìn)行調(diào)整，直至所有視圖調(diào)整完畢。

5.2.3 不同視圖之間尺寸標(biāo)注干涉問(wèn)題

尺寸標(biāo)注自適應(yīng)調(diào)整完畢后，有可能出現(xiàn)視圖與視圖之間尺寸標(biāo)注存在干涉，為避免此問(wèn)題，本方法在各個(gè)視圖尺寸標(biāo)注調(diào)整完畢后，獲取圖紙中全部尺寸標(biāo)注進(jìn)行干涉判斷。

若不干涉，則證明各個(gè)視圖之間沒(méi)有干涉；若干涉，則對(duì)干涉尺寸所屬視圖進(jìn)行位置調(diào)整。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)獲取的箭頭坐標(biāo)，將尺寸標(biāo)注分為水平尺寸標(biāo)注、豎直尺寸標(biāo)注和其它尺寸標(biāo)注。

（2）對(duì)水平、豎直尺寸標(biāo)注分層，根據(jù)尺寸標(biāo)注的布局特點(diǎn)重新布局，實(shí)現(xiàn)水平、豎直尺寸標(biāo)注自動(dòng)調(diào)整。

（3）通過(guò)向量積法判斷尺寸線段是否存在交點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)尺寸標(biāo)注自動(dòng)干涉判斷。

（4）對(duì)干涉的其它非水平非豎直尺寸微調(diào)整，消除尺寸標(biāo)注之間干涉。

（5）此方法是一種通用方法，不局限于單一目標(biāo)圖紙調(diào)整。

由于尺寸標(biāo)注的多樣性，在非水平非豎直尺寸標(biāo)注微調(diào)整中，僅能把干涉的非水平非豎直尺寸標(biāo)注調(diào)整到相對(duì)合適的位置，使之不干涉。

這里提出的新方法已編程實(shí)現(xiàn)，在批量二維工程圖校核中，能夠有效的減少手動(dòng)調(diào)整時(shí)間，提高工作效率。