基于图纸反写的二维可配置参数化设计技术

摘要：在物流装备制造业中，由于产品应用场景的多样化，其结构设计（如输送设备长度、宽度、高度等）有着较高的参数化设计要求。目前参数化设计在三维机械结构设计领域有较广泛的应用，可通过输入参数快速生成对应尺寸规格的产品。但这种设计需以完整的三维模型及预先配置的设计逻辑为前提，对设计制造企业原始数模数据和人员素质要求较高。本文结合物流装备制造业的实际业务，提出一种基于二维图纸的可配置参数化设计方法，结合自研图纸反写技术快速自动输出生产图，有效降低了传统物流装备制造业参数化设计转型的门槛与难度。

关键词：参数化设计、二维设计、可配置逻辑库、CAD接口、图纸反写

一、引言

随着物流装备行业高速发展，其产品的使用场景日趋复杂多样，产品交付周期也被不断压缩。设计人员往往需要根据客户的需求及其实际使用场景，如场地空间、功能需求等，快速调整设计生成产品生产图。这在传统的设计中面临巨大挑战，而参数化设计方法可以很好地满足此需求，这是一种在设计过程中使用参数和变量来定义和控制设计元素的方法。这些参数可以是尺寸、形状、颜色等等，通过调整这些参数的值，可以快速生成不同产品的设计。这种方法可以提高设计的灵活性和可复用性，使设计师能更高效地尝试不同的设计方案并进行修改，同时也能够在不同的环境中适应不同要求[1]。这种技术最初从机械设计领域诞生，如今已扩展到工业设计等其他领域 [2]。

由于三维建模能够更清晰地表达零部件的完整尺寸与约束关系（相比于二维建模），且当前大多数三维设计软件的底层设计逻辑是尺寸驱动的实体建模。因此，现有的参数化设计技术，大多以三维设计软件（如SolidWorks，UG等）为主体，通过调用软件API接口开发插件完成相关的功能[3]。其技术路线，如图1所示。

图1三维参数化设计的技术路线

三维参数化设计需以完整的三维产品数模为基础，并提前设置参数计算逻辑与配置关系，对制造企业的原始产品数据和人员能力要求较高。对于当前很多仍采用二维设计与生产的传统中小型制造企业而言，这种三维参数化设计的实现门槛较高，转型周期较长。

因此，本文提出了一种基于图纸反写的二维可配置参数化设计技术，这种参数化设计技术以二维图纸为基础，利用PLM软件数据库配置参数化的计算逻辑，并采用Excel VBA开发调用Autocad进行图纸自动反写（自动将运算得到图纸相关参数写到图纸参数表中）快速输出生产图并传回PLM进行图纸下发，如图2所示。这种方式可以显著提高技术人员出图效率，降低错误率。通过参数表结合二维图的表达方式，可大大减少出图数量，便于生产加工。

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图2 基于图纸反写的二维参数化设计技术

二、基于图纸反写的参数化设计技术路线

1.关键技术方法与整体作业流程

与三维参数化的技术路线相似，在基于二维图纸反写的参数化设计技术路线中，同样存在数据初始化配置与参数化图纸设计两个阶段。与之对应的两个关键技术方法为可配置的参数化运算逻辑库与图纸反写技术。在数据初始化配置阶段，高级工程师或产品标准化工程师可进行参数化产品的设计和参数化逻辑配置，包括产品输入参数、输出参数、计算逻辑、参数是否反写等信息。以辊筒机为例，其参数化图纸以及上述信息的设置，如图3所示。

图3 辊筒机参数化图纸及参数设置

在参数化设计阶段，普通工程师或项目设计工程师只需填写输入参数、产品数量等信息，即可完成参数自动计算，并反写生成生产图。

2.可配置的参数化运算逻辑库设计

本文在可配置的参数化运算逻辑库设计中，依托于C/S架构的PLM系统进行二次开发，有利于对标准母图（未反写的参数化图纸）的调用以及生产图（完成反写的派生图）的版本管理与权限控制。

图4 参数化运算逻辑库组成与实现逻辑

参数化逻辑运算库由用户层、前端交互层和后端数据层三个部分组成，如图4所示。在数据初始化配置阶段，单机产品设计师或标准化工程师通过系统交互层进行产品参数化逻辑配置与验证，在数据库中形成产品参数化规则数据。在参数化设计阶段，项目工程师或订单设计工程师在系统交互层中选择产品，输入参数和产品数量，即可根据规则在数据库实例化出所需的物料对象和待反写数据。

在可配置的参数化运算逻辑库设计中，需对参数的获得性（输入参数或运算所得参数）和反写性（需要反写到图纸中或仅用于产品设计bom层级间计算传递）进行配置，以输出供反写程序读取的汇总bom。bom层级之间的参数传递方式选择，会影响到数据库设计的复杂度和参数化设计阶段物料实例化的运算速度。以下是两种不同的bom层级之间的参数传递方法，分别是逐层迭代法和顶层配置法，如图5所示。

图5 两种不同的bom层级间参数传递方法

在逐层迭代法中，一层级中运算所得的输出参数将作为二层级的输入参数，二层级中运算所得的输出参数作为三层级的输入参数，以此类推。这种方式是模仿人工进行参数迭代的计算顺序，符合常规计算逻辑，但在计算机计算中效率较低。

而在顶层配置法中，低层级的输入参数均来自产品第一层级，能以输入参数运算得出的参数，尽可能以计算公式表示，以减少输入参数的个数。这种公式表达带来的计算量增加在计算机运算中的影响可以极小，却可以极大降低数据库的复杂度。

同时，为了解决部分产品可能存在低层级部件单独出图的场景，在一层级中未用到的低层级输入参数（如示例中的P参数），也需要进行设置，并在实例化的过程中进行传递。

以物流设备中常见的辊筒机设计为例，上层级辊筒机图纸没有用到辊筒数量N参数，但下层级侧板中有此参数，根据顶层迭代法则需在上层级图纸中有N参数。如图6所示。

图6 辊筒机参数化图纸上下层级图纸

三、可配置的参数化数据表结构设计

1.可配置的参数化设计

可配置的参数化设计要求在前端就能实现对产品配置、参数逻辑的设置，这对数据库的灵活性有着较高的需求，需要将可配置的数据主体进行拆分，利用数据库的关联查询与父子表结构实现上述配置化功能。且由于在一个企业中，产品的参数符号往往具有趋同性，但参数符号在每个不同产品中的定义又有差异性，所以需要数据库可满足同一参数符号（如L）在不同产品中表达不同含义的需求。部分实现参数配置化的关键数据表及其所包含字段，如表1所示。

表1辊筒机参数化配置相关数据表

2.数据库表结构设计

在数据库表结构设计中，需同时满足同一参数符号在不同产品的重复共享及在同一产品中的不同层级的数值传递，以满足参数运算逻辑中的顶层配置法。因此，数据库的表结构设计需同时考虑BOM信息表和参数符号表的关系。部分关键数据库表的关联结构如图7所示，产品表、参数配置表和参数符号表为三个通过引用关系相互关联的表，在此结构下可以实现每个参数化图纸独立配置运算公式，同一参数符号也可被不同产品的参数配置表引用。

图7辊筒机实现参数配置与符号共享的数据库表结构

四、图纸反写技术

1.参数化图纸与物料的对应关系

在参数化图纸中，零部件的某些尺寸以特定的字母表示。设计产品时，设计人员按需求输入关键参数，系统根据产品配置、参数逻辑运算得到图纸反写信息清单。同时以图号为索引，调取参数化图纸母图，通过CAD接口，将反写信息写入图纸特定属性块内，即可产生不同规格的生产图，以物流设备中常见的立柱底板为例，其过程如图8所示。在反写过程中，为了提高图纸的调用效率，需提前为参数化母图设置特定的属性块（如特定名称、特定图层等），使程序无需遍历所有的图元对象来查找反写位置。本文提供两种参数化图纸与物料的对应关系，分别是“一料一图”和“多料一图”的方式。

图8 参数化母图反写成为生产图

“一料一图”的对应方式，需要在母图的参数化尺寸标注处设置特定的属性块，根据需求在右上角或者标题栏设定数量传递位置。图纸反写过程中，以图号为索引，调取参数化母图，通过过滤器快速筛选出对应参数的属性块，写入对应数值，同时需要修正标题栏内的图号，以母图图号加上关键参数作为图号唯一性识别，以满足“一料一图”的需求，如图9所示。

图9 一料一图的配置方式

对于“一料一图”的配置方式，需要修正标题栏内的图号属性，以图号加关键参数作为唯一性识别，派生出生产图的图号，如表2所示。

表2母图与派生生产图图号关系

“多料一图”的对应方式，需将母图标注的参数化尺寸用符号表示，同时在图纸某处设置特定的属性块作为产品参数表。生成生产图的过程中，标注的参数化尺寸不会改变，参数表一行表示一种规格产品，增加规格则增加参数表行数，以实现“多料一图”的表达方式。此时母图图号不变，生产人员按规格和数量生产出不同物料，如图10所示。

图10 多料一图的配置方式

2.图纸反写实现逻辑

PLM系统以物料的图号为依据调取参数化图纸母图，根据参数配置表运算得到带反写参数的BOM清单，如图11所示。

图11 PLM系统调取数据

调用CAD接口，通过打开图纸，遍历图元对象，找到特定属性块（如名称为数量栏的块），如图12所示。

图12 特定属性块

写入参数，保存并关闭图纸，完成图纸反写，如图13所示。

图13 写入参数

3.反写接口配置

本文为读者提供两种可行接口，一种是使用C++语言基于ObjectArx的CAD二次开发方式，另一种使用VBA语言基于AutoCAD Type Library的二次开发方式，均可达到写入参数，修正数值，保存关闭的需求[4]。

两种方式都需要配置开发环境，CAD在二次开发的平台上推出一个ObjectARX软件开发包，提供了以C++为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，能真正快速地访问AutoCAD图形数据库[5]。

ObjectARX直接利用AutoCAD核心数据库结构和代码，具有模块性好、独立性强、连接简单等特点，但专业性强，配置复杂，对开发人员要求较高。CAD同时提供VB的接口，可以通过Excel的Visual Basic编辑器引用对应CAD版本的AutoCAD Type Library进行二次开发，此方式环境配置简单，同时可以借助Excel的数据处理能力，降低开发难度 [6]。但对复杂操作存在本身局限性，不支持面向对象编程，功能和扩展性相对有限。

五、结语

本文结合大多数传统物流装备制造企业基于二维图纸的产品设计现状，提出一种基于图纸反写的二维可配置参数化设计技术。在该技术中，利用顶层配置法提升了参数在产品BOM层级间迭代计算的速度。在设计参数化配置逻辑数据库时，通过父子表的关联查询和引用，实现了参数化产品设计逻辑的灵活配置，让用户无需修改代码即可实现对不同产品的参数逻辑配置，同时满足同一参数代号在不同产品中实现不同含义的需求。在生成具体参数化产品时，利用图纸反写技术，自动化地快速生成工程图，减少了重复繁琐的图纸参数反写工作，在提高出图效率的同时有效降低数据出错的可能性。

这种基于图纸反写的二维可配置参数化设计技术可以较好地实现物流装备企业的设计参数化转型，引导产品的参数化设计，具有低门槛和实施周期短的优点。

参考文献:

[1]金建国,周明华,邬学军.参数化设计综述[J].计算机工程与应用,2003(07):16-18+86.

[2]崔强.参数化设计在工业产品设计中的应用研究[D].北京工业大学,2019.

[3]郭书英,赵立胜,李世杰等.基于SolidWorks和Excel二次开发零部件参数化设计研究[J].河北省科学院学报,2022,39(03):21-24.

[4]刘晓花.Auto CAD二次开发技术及其应用研究[J].通讯世界,2017(11):286-287.

[5]章喻龙.基于ObjectARX的CAD图纸基础数据提取与图框批量自动插入方法[J].水电与新能源,2018,32(09):20-21.

[6]王同俊.利用EXCEL的VBA实现CAD图纸批量修改[J].通信与信息技术,2022,(05):51-55.