王鵬飛，周秋忠，徐萬洪

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司，浙江 金華 321000)

產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)經(jīng)歷了從工程制圖技術(shù)到二維CAD技術(shù)，再到三維建模技術(shù)的發(fā)展歷程［1－2］。如今，CAD 三維建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖樣虛擬繪制技術(shù)在制造企業(yè)中得到了普遍的應(yīng)用，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了巨大的推動(dòng)。盡管三維模型包含二維圖樣所不具備的幾何形狀信息，但卻不包括尺寸、公差、材料、裝配件連接及其它工藝參數(shù)等信息。目前大多數(shù)企業(yè)還處于“三維建模，二維出圖”這樣同時(shí)依賴三維模型和二維圖樣的局面，導(dǎo)致信息不唯一、共享程度低、傳遞過程中容易出錯(cuò)等弊端，尤其在對(duì)信息進(jìn)行修改時(shí)更為繁瑣。波音公司在2004年開始的787客機(jī)設(shè)計(jì)中，為避免上述弊端，全面采用三維標(biāo)注新技術(shù)，將三維數(shù)字化模型作為傳遞設(shè)計(jì)信息的唯一載體并獲得巨大成功，取得了數(shù)字化定義方法的新突破［1］。三維標(biāo)注技術(shù)使三維模型作為設(shè)計(jì)過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)的以工程圖紙為主以三維實(shí)體模型為輔的方法。將三維標(biāo)注技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品數(shù)字化定義信息的管理，可以有效解決信息組織表達(dá)分散、數(shù)據(jù)共享程度低等問題。

本文采用三維標(biāo)注對(duì)產(chǎn)品定義信息進(jìn)行分類表達(dá)和標(biāo)準(zhǔn)化，并開發(fā)產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)，在需要使用標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行標(biāo)注時(shí)直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)信息，可以大大減少設(shè)計(jì)人員的工作量，提高產(chǎn)品定義效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 三維標(biāo)注簡(jiǎn)介

三維標(biāo)注是基于模型的數(shù)字化定義(Model Based Definition，MBD)技術(shù)的應(yīng)用，是將產(chǎn)品的所有制造技術(shù)要求、屬性和管理等非幾何信息都附加到產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)數(shù)字化定義方法，其核心思想是用一個(gè)集成的三維數(shù)字化模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息。

三維標(biāo)注最早依據(jù)美國“ASME Y14.41－2003 Digital product definition data practices”國家標(biāo)準(zhǔn)［3］;ISO 組織制定了“ISO 16792-2006 Technical product documentation digital product definition data practices”標(biāo)準(zhǔn)［4］;我國標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24734 －2009《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》也規(guī)范了三維標(biāo)注數(shù)據(jù)集的基本原則和顯示形式［5］。

三維標(biāo)注在三維數(shù)字化模型上加以標(biāo)注，除了尺寸、公差、基準(zhǔn)、粗糙度等直接與模型相關(guān)的幾何信息外，還包含與產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造相關(guān)的非幾何信息［6］。圖1為應(yīng)用三維標(biāo)注技術(shù)的產(chǎn)品模型。

圖1 基于三維標(biāo)注技術(shù)的產(chǎn)品模型

2 三維標(biāo)注信息的分類和表達(dá)

2.1 三維標(biāo)注信息的分類

三維標(biāo)注的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息分為幾何信息和非幾何信息兩大類。幾何信息為CAD軟件建立的三維模型和尺寸公差等信息，如今已得到了普遍的應(yīng)用。非幾何信息可分為通用管理信息、零件加工制造信息和連接工藝信息。非幾何信息的通用管理信息是用來說明產(chǎn)品定義的管理類信息;零件加工制造信息是指與產(chǎn)品零件加工制造相關(guān)的工藝等信息;連接工藝信息是用來表明產(chǎn)品的零組件在連接裝配時(shí)的一些相關(guān)要求等信息。具體信息的分類如圖2所示。

圖2 三維標(biāo)注信息的分類

2.2 三維標(biāo)注信息的表達(dá)

在對(duì)三維標(biāo)注信息分類后，需考慮三維標(biāo)注信息的表達(dá)，一般采用屬性表達(dá)法和標(biāo)注表達(dá)法進(jìn)行信息的表達(dá)［6］。屬性表達(dá)法是以文本類標(biāo)識(shí)進(jìn)行表達(dá)，標(biāo)注表達(dá)法則對(duì)應(yīng)旗注等符號(hào)類標(biāo)識(shí)的表達(dá)形式。其中，文本類標(biāo)識(shí)是將產(chǎn)品信息以文本字符串的形式表達(dá)在特征結(jié)構(gòu)樹上的信息標(biāo)識(shí)方法，符號(hào)類標(biāo)識(shí)則是指使用旗注、粗糙度、基準(zhǔn)等符號(hào)對(duì)幾何特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)表達(dá)的標(biāo)識(shí)方法。各種類型的非幾何信息根據(jù)需要采用合理的表達(dá)形式進(jìn)行組織定義，將三維標(biāo)注的產(chǎn)品定義信息表達(dá)清楚。

在CATIA軟件中，產(chǎn)品定義的三維標(biāo)注信息主要通過屬性表達(dá)法的文本字符串形式進(jìn)行表達(dá)，而以標(biāo)注表達(dá)法的符號(hào)類標(biāo)識(shí)作為輔助，充分利用三維模型的結(jié)構(gòu)特征樹來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定義信息的表達(dá)和管理。

屬性表達(dá)法將文本字符串類型的用戶自定義參數(shù)放在三維模型的特征結(jié)構(gòu)樹中，每一條屬性描述由屬性標(biāo)識(shí)編號(hào)、名稱與屬性值組成，如“屬性 =數(shù)據(jù)值”這樣的描述，且文本字符串一般按照“A丨B丨C丨…”的格式(|為shift+)，其中A、B、C等表示不同的參數(shù)字段，其數(shù)量需根據(jù)企業(yè)自身制定的表達(dá)規(guī)范和三維標(biāo)注信息的類型而定［7］。

符號(hào)類標(biāo)識(shí)是使用CATIA的三維標(biāo)注模塊(FT＆A)的功能，將產(chǎn)品非幾何信息通過特定符號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)或文本表達(dá)在三維幾何實(shí)體模型顯示區(qū)域的表達(dá)方法［7］。它通過旗注等符號(hào)將存放于特征樹上的標(biāo)識(shí)信息與模型特征保持關(guān)聯(lián)關(guān)系，最適合用于表達(dá)有區(qū)別的局部關(guān)鍵特征。圖3為在CATIA中某零件三維標(biāo)注的文本標(biāo)識(shí)和旗注標(biāo)識(shí)。

圖3 基于CATIA三維標(biāo)注的文本標(biāo)識(shí)和旗注標(biāo)識(shí)

3 產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)體系

當(dāng)產(chǎn)品定義的三維標(biāo)注信息使用重復(fù)率高且信息內(nèi)容較為固定時(shí)，有必要對(duì)三維標(biāo)注信息進(jìn)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步構(gòu)建企業(yè)自己的產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)信息體系。產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)體系包括通用管理標(biāo)準(zhǔn)、零件制造標(biāo)準(zhǔn)和連接工藝標(biāo)準(zhǔn)三類標(biāo)準(zhǔn)信息。

通用管理標(biāo)準(zhǔn)信息不對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行描述，用來說明產(chǎn)品通用的管理類信息，是三維標(biāo)注數(shù)據(jù)集中必須包含的。通用管理標(biāo)準(zhǔn)信息可分為授權(quán)說明、建模平臺(tái)和建模規(guī)范等類型。授權(quán)說明類型用來說明產(chǎn)品的類型、授權(quán)系統(tǒng)、公司地址等信息;建模平臺(tái)類型是建模所使用軟件的名稱、版本等信息;建模規(guī)范類型說明建模所需遵循的規(guī)則和要求等信息。它們一般都可直接從產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)中選取調(diào)用。

零件制造標(biāo)準(zhǔn)信息用來描述材料和加工制造工藝規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)信息。材料標(biāo)準(zhǔn)信息為企業(yè)常用的原材料材質(zhì)、尺寸等信息。零件加工制造工藝規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)信息為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的加工制造工藝規(guī)范信息，按照零件類型可分為機(jī)加件、鈑金件、鑄造件等。在并行工程中，工藝設(shè)計(jì)的一些要求需要工藝人員參與認(rèn)定，在可制造的前提下定義在三維標(biāo)注數(shù)據(jù)集中。其中標(biāo)準(zhǔn)的加工制造工藝信息是從產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)中選取調(diào)用，非標(biāo)準(zhǔn)工藝信息則由設(shè)計(jì)人員編輯輸入。

連接工藝標(biāo)準(zhǔn)信息描述零組件連接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)信息。不同類型的連接定義有不同的連接要求，所以必須在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)規(guī)范樹中對(duì)各類連接定義信息進(jìn)行分類組織。連接工藝標(biāo)準(zhǔn)信息可分為鉚接工藝標(biāo)準(zhǔn)信息、膠接工藝標(biāo)準(zhǔn)信息、密封工藝標(biāo)準(zhǔn)信息和焊裝工藝標(biāo)準(zhǔn)信息等。每類工藝標(biāo)準(zhǔn)信息可繼續(xù)往下細(xì)分，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要選用下一層的分類。比如，焊裝工藝標(biāo)準(zhǔn)信息可分為電阻點(diǎn)焊、螺柱焊、氣體保護(hù)縫焊和其他焊裝。各種分類的最下層就是各標(biāo)準(zhǔn)信息的具體內(nèi)容。圖4為產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)體系。

4 產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)的開發(fā)

產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建完成后，可將標(biāo)準(zhǔn)信息錄入數(shù)據(jù)庫，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要編輯輸入某條標(biāo)準(zhǔn)信息時(shí)從數(shù)據(jù)庫中直接選取調(diào)用。按此思路，開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信息的錄入和選取調(diào)用管理，可極大的提高工作效率。

圖4 產(chǎn)品數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)體系

4.1 系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是基于CATIA開發(fā)的IPSM(集成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)管理)系統(tǒng)與CATIA的接口，需在PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)系統(tǒng)和ERP(企業(yè)資源管理)系統(tǒng)支持下工作［8］。

產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)包含的模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)主要包括標(biāo)準(zhǔn)信息管理和標(biāo)準(zhǔn)信息調(diào)用兩部分程序，系統(tǒng)的使用分為系統(tǒng)管理員、標(biāo)準(zhǔn)信息管理員和產(chǎn)品設(shè)計(jì)員三類用戶。系統(tǒng)各個(gè)功能在PDM管理軟件的支持下使用，各類用戶共享數(shù)據(jù)庫信息，各自獨(dú)立擁有不同的功能模塊，可在同一時(shí)間并行進(jìn)行各自的任務(wù)，這樣可大大提高工作效率。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)用戶和其權(quán)限的管理、目錄結(jié)構(gòu)及信息的維護(hù)和錄入信息的審核;標(biāo)準(zhǔn)信息管理員主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)信息的添加刪除和修改，完成后需經(jīng)系統(tǒng)管理員審核是否通過;產(chǎn)品設(shè)計(jì)員負(fù)責(zé)從標(biāo)準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)庫中選取調(diào)用所需標(biāo)準(zhǔn)信息添加到特征樹節(jié)點(diǎn)。

產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。目錄結(jié)構(gòu)表用來建立存放和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)信息的目錄結(jié)構(gòu);標(biāo)準(zhǔn)類型表用來存放標(biāo)準(zhǔn)信息分類的類型信息;標(biāo)準(zhǔn)信息表用來存放各標(biāo)準(zhǔn)信息類型下層具體的工藝等標(biāo)準(zhǔn)信息。標(biāo)準(zhǔn)信息表含有ID、編號(hào)、名稱、描述、URL和詳細(xì)說明字段;其中ID為數(shù)據(jù)庫自動(dòng)編號(hào)，編號(hào)為各表的主鍵，是按分類要求定義的7位數(shù)字，用來區(qū)分不同類型的標(biāo)準(zhǔn)信息;名稱為所要定義的標(biāo)準(zhǔn)信息的名稱;描述是對(duì)信息名稱的屬性定義和具體描述;URL是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信息詳細(xì)介紹的鏈接地址;詳細(xì)說明是用來對(duì)該名稱標(biāo)準(zhǔn)信息調(diào)用選擇的指示和建議。圖6上方的三張表通過相關(guān)編號(hào)的字段互相關(guān)聯(lián)。

圖6 系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

功能表、用戶類型權(quán)限表和用戶表用來存放本系統(tǒng)所有的功能模塊、用戶類型、用戶名、用戶名密碼和其對(duì)應(yīng)的權(quán)限信息，也是通過相關(guān)編號(hào)字段關(guān)聯(lián)。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用流程

產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)分為標(biāo)準(zhǔn)信息管理和標(biāo)準(zhǔn)信息調(diào)用兩部分程序，其應(yīng)用流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)應(yīng)用流程

標(biāo)準(zhǔn)信息管理應(yīng)用流程:標(biāo)準(zhǔn)信息管理員打開產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)，登錄進(jìn)入自己對(duì)應(yīng)權(quán)限的界面，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行操作(增加、刪除、修改)。標(biāo)準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)庫中只有經(jīng)審核通過后的標(biāo)準(zhǔn)信息才可供產(chǎn)品設(shè)計(jì)員選擇調(diào)用。

標(biāo)準(zhǔn)信息調(diào)用應(yīng)用流程:產(chǎn)品設(shè)計(jì)員在CATIA軟件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)界面，從定制的宏打開標(biāo)準(zhǔn)信息調(diào)用程序，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征樹上選擇相關(guān)數(shù)據(jù)集節(jié)點(diǎn)，再從標(biāo)準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)庫中選擇所需的標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行調(diào)用，確認(rèn)后添加到特征樹對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

4.3 系統(tǒng)與CATIA接口的實(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)的用戶界面和CATIA V5系統(tǒng)的集成是通過Macro命令執(zhí)行CATScript腳本程序文件，從而實(shí)現(xiàn)非幾何屬性調(diào)用。在信息輸入界面通過選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)信息生成對(duì)應(yīng)的CATScript腳本程序文件，確認(rèn)后執(zhí)行，添加到特征樹節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文基于三維標(biāo)注的先進(jìn)技術(shù)對(duì)三維標(biāo)注信息分類，用文本字符串和旗注符號(hào)類的表達(dá)形式將產(chǎn)品非幾何信息表達(dá)在三維模型中，解決了非幾何信息的表達(dá)問題，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品幾何信息與非幾何信息的集成統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建產(chǎn)品定義信息標(biāo)準(zhǔn)體系，開發(fā)產(chǎn)品數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)。

三維標(biāo)注技術(shù)使三維模型成為設(shè)計(jì)制造的唯一依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的一致性，改變了產(chǎn)品的開發(fā)方式，引起了數(shù)字化制造技術(shù)的重大變革。結(jié)合產(chǎn)品數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)，改變了標(biāo)準(zhǔn)信息定義繁瑣的情況，減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)信息的定義一致性，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，減少開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］盧鵠，韓爽，范玉青.基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2008，31(3):78 －81.

［2］范玉青，梅中義，陶劍.大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2011.

［3］Y14.41 －2003.Digital product definition data practices［S］.

［4］ISO 16792 － 2006.Technical product documentation digital product definition data practices［S］.

［5］潘康華.基于MBD的機(jī)械產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)與研究［D］.北京:機(jī)械科學(xué)研究總院，2012.

［6］周秋忠，查浩宇.基于三維標(biāo)注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28(1):33 －36.

［7］王境宇，鄧立營.基于CATIA的產(chǎn)品定義信息三維表達(dá)及組織方法［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33(11):130－133.

［8］鄭艷銘.基于MBD技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2012，19(12):60 －63.