叶建华， 高诚辉， 江吉彬

（1. 福州大学，福建 福州 350108；2. 福建工程学院，福建 福州 350108）

机械产品三维互动选型与定制系统

叶建华1,2， 高诚辉1， 江吉彬2

（1. 福州大学，福建 福州 350108；2. 福建工程学院，福建 福州 350108）

以机械产品设计工程师为服务对象，以机械零部件信息的直观、准确传达为目的，引入Web3D技术，融合机械三维CAD技术，实现机械产品三维选型与定制系统的研发。采用基于 SolidWorks的参数化建模技术实现产品系列化与定制模型的实时生成。采用基于Viewpoint的三维动态显示技术实现产品三维信息的展示。通过文件格式转换提供通用的二维/三维文件下载功能，以便客户进行预装配、分析等。

产品选型；产品定制；虚拟展示；Web3D

随着市场分工愈加细化、敏捷制造技术快速发展，机械产品中标准零部件和功能零部件占比越来越大。根据要求进行零部件的选型和定制已成为机械产品设计的重要环节，零部件的选用是否合理，直接影响着整机性能。

传统的以纸质设计手册和产品样本为选型工具的方式，不仅手段落后、更新制作成本高，而且选型过程繁琐、效率低。在网络、多媒体和制造业信息化技术的推动下，电子化的产品选型系统得到广泛应用[1]，用户可以通过分类目录和参数检索的方式对产品进行快速、便捷的选型。这些系统对产品信息的描述主要采用语言文字描述法，二维静态图片或工程图法，对用户所关心的产品可安装性、尺寸干涉、结构刚度等信息提供缺乏直观性、完整性和交互性。当前，随着Web3D技术的发展，产品三维选型与定制系统相继出现。如CMC2IPC（个性化产品定制系统），通过使用VRML 语言，实现了产品三维模型和部分参数信息的浏览[2]。武艳芳等以汽车为对象，以Cult3D为开发平台，运用相关动作、事件以及JAS 实现了三维模型的形态、色彩的定制以及动态浏览[3]。这些系统基于Web3D技术进行开发，主要为整机产品的消费终端服务，提供三维形貌、色彩效果的选型与定制，难以满足整机产品设计制造对客户机械产品零部件选型与定制的要求。因此，提出通过融合机械三维CAD技术与Web3D技术，实现机械产品三维选型与定制系统的研发。采用基于SolidWorks的参数化建模技术实现产品系列化变形与定制要求，大幅度减轻建模工作量和系列产品的存储空间，实现产品的无歧义定制。通过Viewpoint技术实现三维模型动态交换浏览。并提供二维/三维文件下载功能，方便客户实现零部件的预装配、分析等。

1 系统框架

机械产品三维互动选型与定制系统，目的在于为设计工程师提供一种快速、便捷的选型、定制工具，同时为零部件供应商提供一种产品的全方位宣传与展示平台。系统框架如图1所示，包含系统界面层、业务逻辑层、数据管理层。

图 1 系统框架图

1.1 系统界面层

系统界面层是选型、定制的工作平台，包含信息展示模块、产品选型模块、产品定制模块和系统维护模块。信息展示模块在于传达产品信息，实现产品信息的全方位呈现，包括产品三维互动展示，二维工程图的浏览等，并提供二维/三维文件下载功能，以实现零部件的预装配、分析等。产品选型模块在于为工程师提供方便、快捷的零部件选型工具，可通过产品目录或特征参数检索的方式进行选型。产品定制模块是基于已有的系列化功能零部件，对其结构根据要求进行修改，通过人机交互界面定义产品的特征参数，系统实时的把设计结果反馈回选型人员，并向生产厂商反馈客户需求的产品，为客户与供应商提供一种协同设计、制造平台。系统维护模块为产品样本的更新，产品类型的扩充，以及各种信息的管理维护提供服务。

1.2 业务逻辑层

业务逻辑层是系统的核心，接收系统界面层的输入信息，同时输出结果信息给系统界面层，并与数据管理层关联。支撑业务逻辑层的关键技术包括机械产品的数字化建模技术、Web3D展示技术、人机交互技术、三维模型参数化技术、数据格式转换技术等。机械产品数字化建模技术为选型定制系统提供具体型号的二维/三维模型源文件，是产品展示、信息传递的前提。Web3D展示技术为用户提供产品三维信息的交互浏览功能，直观传达产品的三维结构信息。人机交互技术是系统的必备，人机交互是否友好，直接影响系统的工作效率和客户的接受程度。三维模型参数化技术具有通过尺寸驱动修改图形的功能，是实现产品系列化设计和定制模型自动生成的有效手段。数据格式转换技术，实现模型信息在不同场合的应用要求，实现设计信息与展示信息的有机融合。

1.3 数据管理层

数据管理层借助数据库管理系统对各种数据信息进行有效管理与维护，对图形、图像和文字信息进行存储、检索、更新与修改等。本系统涉及的信息复杂多样，既有结构化信息，也有非结构化信息，包括产品的文字数据信息、产品二维图像信息、产品图形信息（二维工程图、机械三维CAD模型数据和Viewpoint三维展示数据等）、产品的分类目录信息和产品的特征参数信息等。

2 系统实现的关键支撑技术

本系统的实现采用客户机/服务器结构。服务器端完成数据信息管理、选型过程的数据检索、数据格式转换和数据模型的系列化与变形处理，其中数据模型的构建、数据模型的系列化与变形处理、数据模型转换采用后台支撑软件为SolidWorks。客户端完成人机交互工作，接收选型与定制的信息输入，输出选型与定制的结果，其中三维信息的互动浏览以Viewpoint三维动态显示技术为支撑。

2.1 基于SolidWorks的参数化建模技术

Solidworks是一款基于Windows平台开发的全参数化机械三维CAD软件[4]。具有强大的零件设计、模具设计、焊件设计、钣金设计、装配设计和工程图设计等功能，能满足机械领域的各种设计要求，是全球装机量最大的机械三维CAD软件。具有易用、高效的特点，采用全尺寸约束、尺寸驱动的方式实现产品模型的参数化设计，拥有丰富的数据转换功能。同时SolidWorks为用户提供了使用方便、功能完整的二次开发接口(API)和多种二次开发方式。其中通过编程语言以Stand-alone application (*.EXE)或 Add-in application (*.DLL)的方式最为灵活、通用[5]。因此，本系统采用SolidWorks进行标准件或功能零部件的产品建模，对模型形状进行全尺寸约束，通过尺寸控制产品的几何形状。然后利用编程语言通过SolidWorks的API定制尺寸并驱动产品几何形状的改变，从而实现系列零件或定制产品模型的自动生成。

2.2 基于Viewpoint的三维动态显示技术

Web3D融合了Web技术和3D技术，是3D图形技术在互联网上的拓展，能很好的克服机械三维CAD模型在离开设计环境时就难以实现三维效果展示的不足。同时Web3D也是虚拟现实技术的实现形式，具有真实感强的特点，可以建构虚拟场景，对展示的产品进行三维立体浏览，支持旋转、平移、缩放等。

目前Wed3D广泛应用于房地产行业、城市规划、电子商务、网络娱乐、远程教育、信息可视化等领域[6]。实现技术层出不穷，如VRML、Viewpoint、Cult3D、Virtools、Java3D等，以上各项技术都各有特点，其中Viewpoint拥有逼真的渲染引擎，能近乎完美的表现产品的三维质感，具有友好的人机交互能力，数据文件的压缩比是现有的Web3D压缩技术中最高的一种，能把数据量庞大的机械CAD三维模型压缩成极小的流文件，很适合应用在机械产品的三维展示上。因此，以Viewpoint为支撑进行机械产品的三维互动展示。

3 系统主要功能的实现

3.1 尺寸驱动模型变形的实现

标准件和功能零部件的种类多，而且同一系列产品的具体型号往往多达几十种甚至上百种。当前的三维选型系统一般是为每一个具体型号的产品建立模型，这种方法工作量很大，且要占用海量的存储资源。本文利用SolidWorks的参数化建模技术，通过尺寸驱动三维模型的更新，实时生成出符合要求的产品模型，则能很好的解决以上问题。只需为一系列的产品构建一个标准的三维模型，给标准三维模型定义正确的几何关系以增加产品模型变形的整体协调性，并为模型的每一特征尺寸进行命名。接着根据标准模型制作对应的二维工程图。然后通过SolidWorks的API接口实现不同型号或定制产品的三维模型和二维工程图的自动生成。通过 VS2010以Stand-alone application的方式利用SolidWorks的API接口实现三维模型根据尺寸的自适应生成的具体步骤为：

1） 导入SolidWorks类型库“sldworks.tlb”和常量类型库“swconst.tlb”。

2） 初始化COM接口，并采用ATL智能指针定义CComPtr＜ISldWorks＞ swApp变量。

3） 通过 CoCreateInstance()函数创建SolidWorks的 COM 实例对象，并获得SolidWorks的API接口。

4） 通过接口函数OpenDoc6 ()打开已经建构的标准模型。

5） 通过尺寸名称获得定义产品的每个特征尺寸，并通过IDimension接口的SetValue()函数设置具体型号的产品模型尺寸。

6） 调用bool EditRebuild3()使标准模型根据修改的尺寸进行重建，得到具体型号的产品模型。

7） 释放COM接口。

其中步骤5)中，驱动模型变形的尺寸可以是存储在数据库列表中的规范化尺寸，也可以是通过定制模块由用户输入的数值。三维模型自适应生成后，与其关联的工程图也即自动修改生成。如图2所示, 是采用上述方法实现的三维模型变形效果图。

图2 尺寸驱动模型变形效果图

3.2 数据格式转换的实现

SolidWorks的参数化建模技术，可以实时的通过尺寸驱动获得各种型号的产品模型。然而SolidWorks是采用自身的数据组织方式进行各种信息的描述与存储的，离开 SolidWorks开发环境，生成的模型数据就不能为外界所用。而选型定制系统面向的用户，可能采用其他的机械三维或二维CAD软件进行产品的设计开发工作，如Catia、UG、ProE、SolidEdge、Invertor和AutoCAD等。因此，需要把SolidWorks的模型格式转换成这些系统兼容的格式文件，如三维的 step、iges等和二维的DXF等，以便用户能进行预装配、分析等工作。同时在选型定制系统的客服端，采用的小数据量、高质感效果的Viewpoint模型数据进行三维展示，同样需要把模型数据转换成Viewpoint要求的mts和mtx格式的文件。其中mts文件是Viewpoint的三维模型数据文件，mtx文件定义场景参数和交互操作，它们成对生成、相互关联。

通过SolidWorks的API接口调用文件格式的换接口，以实现数据格式的转换，文件格式的转换流程，如图3所示。其中以Viewpoint模型数据格式为例描述其过程为：

1） 使用 ISldWorks接口的 LoadAddIn()函数加载支持Viewpoint数据格式转换的MTS插件。

2）利用 ISldWorks接口得到下级的IModelDoc2接口对象。

3） 通过IModelDoc2接口的SaveAs3 ()接口函数即完成数据的转换生成mts和mtx文件。

图3 转换的流程图

3.3 三维互动展示的实现

本选型系统在客户端通过Viewpoint插件实现三维模型互动展示功能，而Viewpoint是互联网络的三维虚拟现实技术，因此，需要先把网页浏览功能嵌入到系统中，然后再在网页中嵌入Viewpoint浏览插件。具体的实现流程如下：

1） 在三维交互浏览页面位置，添加CWebBrowser2浏览器ActiveX控件，以支持系统中嵌入网页浏览功能。

2） 设计三维交互浏览页面模板，在模板中采用OBJECT和EMBED标签进行Viewpoint的嵌入。

3） 根据用户的选型或定制要求，把通过数据转换生成的 mts和 mtx写入到模板页面的Viewpoint的调用接口中。

4） 通过 CWebBrowser2浏览器控件的Navigate()函数将嵌入Viewpoint模型文件的具有三维模型互动浏览功能的页面打开。

4 应用实例

机械产品三维选型定制系统采用VS2010在Win7系统上开发实现。服务器端基于SolidWorks 2010二次开发实现，系统的支撑数据库为 SQL Server 2008，客服端的三维互动显示采用Viewpoint技术。实现客户端包含产品简介、产品选型、产品定制等页面，如图4所示，是产品选型的界面图。左侧为系列产品目录树，通过产品分类目录树可以快速定位到用户关心的系列产品位置。当双击产品系列名称时，中下部就列出该系列的所有型号产品的详细信息。相应的中上部的“产品信息”标签页就可了解产品的生产厂家、材质、功能、用途、选型参数说明等信息；“三维显示”标签页就可显示出该系列的三维标准模型，当选中列表中的某一具体型号时，通过服务器端的基于 SolidWorks参数化变形驱动后的与型号参数匹配的三维模型就替换显示出来，并可以通过鼠标进行旋转、缩放、平移等操作，图中显示的是 80SJT-M024C交流伺服电机的Viewpoint模型的三维展示效果。具体型号的选择也可以通过右侧的特征参数文本下拉框进行参数检索与过滤。中上部的“二维显示”则显示的是系列产品对应的二维工程图。定制页面与选型页面的不同之处在于右侧为定制尺寸的输入框。对于用户选中或定制的具体产品三维模型和二维工程图可以通过右下角的“下载模型”功能下载，供用户预装配、分析等用。

图4 系统客户端

5 结 论

当前，在机械产品的设计过程中需要进行选型、定制标准件或功能零部件的占比越来越大，Web3D技术的使用也越来越广泛。论文在机械产品的选型定制系统中，引入Web3D技术实现产品信息的全面、直观的表达，并且借助SolidWorks的参数化建模技术，实时产生产品模型，做到定制需求的无歧义表达。采用本文的机械产品三维选型系统，对于用户能大幅度的降低产品选型的难度、提高产品选型的准确率和效率；对于产品的供应商，是一个很好的产品展示与宣传的平台。为用户和生产厂家提供了统一的交流平台，从而能快速准确地确定所需产品、缩短开发新产品的时间和成本。

[1] 杨 育, 张晓冬, 刘 胜, 等. 网络化协同产品定制及其系统集成研究[J]. 中国机械工程, 2003, 14(15): 1290-1294．

[2] 冯开平, 潘光洋. 基于Web3D 的灯饰协同设计定制系统[J]. 图学学报, 2012, 33(3): 56-60.

[3] 武艳芳. 基于 Web3D 的产品虚拟展示与用户定制[J].图学学报, 2012, 33(3): 85-89.

[4] 高曙明, 何发智. 异构 CAD系统集成技术综述[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2009, 21(5): 561-568.

[5] 于 洋, 贺 栋, 魏苏麒. 基于 SolidWorks二次开发的智能装配技术研究[J]. 机械设计与制造, 2011, (3): 60-62.

[6] 王天鹏, 朱文华, 张梦之．基于 web的汽车弹簧三维模型的展示与交互[J]. 系统仿真学报, 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

福建省工业科技重大资助项目（2012H6003, 2011H6002）；福建省教育厅A类科技资助项目（JA13216, JA12240）；常州市科技支撑计划资助项目（CE20110055）

叶建华（1980-），男，福建宁德人，讲师，博士研究生，主要研究方向为制造过程自动化及信息化。E-mail：yeuser@fjut.edu.cn

高诚辉（1953-），男，福建福清人，教授，博士研究生导师，博士，主要研究方向为摩擦学、表面工程和数字化设计。E-mail：gch@fzu.edu.cn