北京航天控制儀器研究所□胡權(quán)威 張曉玲 惠宏超

首都航天機(jī)械公司□魏

三維建模技術(shù)的不斷成熟，使得三維產(chǎn)品的完整并且準(zhǔn)確的定義成為可能。三維模型作為產(chǎn)品數(shù)字化定義的核心內(nèi)容，形象逼真地表達(dá)了產(chǎn)品的外觀形狀，而產(chǎn)品的屬性信息、管理數(shù)據(jù)信息等非圖形化信息也需要圍繞三維模型以結(jié)構(gòu)化的形式表達(dá)，從而使產(chǎn)品數(shù)字化定義達(dá)到完整并且易用的程度。隨著數(shù)字產(chǎn)品定義 （Digital Product Definition,DPD）的發(fā)展，表達(dá)方式由之前二維工程圖逐漸發(fā)展為三維模型。三維建模技術(shù)的不斷成熟，使得對(duì)三維產(chǎn)品完整并且準(zhǔn)確定義成為可能。隨著ASME Y 14.41:2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)范》的出臺(tái)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)集和參考文檔相應(yīng)的要求逐漸被建立，該規(guī)范也成為基于模型的定義 （Model Based Definition,MBD）基本規(guī)范要求的前提。隨后，ISO組織基于ASME Y 14.41制定了ISO 16792:2015《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)三維標(biāo)注提出的全面規(guī)范，使得三維產(chǎn)品定義技術(shù)的應(yīng)用得到了全面發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)在波音公司的飛機(jī)項(xiàng)目中得到廣泛使用；從波音737項(xiàng)目開(kāi)始，該技術(shù)被波音公司應(yīng)用和實(shí)施到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，到波音787飛機(jī)項(xiàng)目時(shí)，波音公司要求其合作企業(yè)采用MBD模型作為整個(gè)產(chǎn)品制造過(guò)程中的惟一依據(jù)。

在基于MBD的產(chǎn)品定義過(guò)程中，產(chǎn)品信息被賦予在三維模型中，三維標(biāo)注信息的復(fù)雜程度可能會(huì)產(chǎn)生 “刺猬”現(xiàn)象，影響可讀性，本文從提高三維標(biāo)注信息管理能力的角度，研究在Pro/E環(huán)境下基于層樹(shù)、層、定向和組合視圖的標(biāo)注信息協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的規(guī)范性管理。

1 基于MBD規(guī)范的三維產(chǎn)品定義

基于DPD規(guī)范對(duì)MBD數(shù)據(jù)集的定義，形成如圖1所示的MBD數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容。MBD模型包含設(shè)計(jì)模型、標(biāo)注以及屬性三部分內(nèi)容。其中，設(shè)計(jì)模型是以圖形化方式進(jìn)行表達(dá)，由簡(jiǎn)單幾何元素組合構(gòu)成的三維模型；通常情況下，設(shè)計(jì)模型利用點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系統(tǒng)等幾何元素構(gòu)建輔助幾何與模型幾何，最終通過(guò)模型幾何以及輔助幾何形成三維實(shí)體，從而描述產(chǎn)品的幾何形狀信息；同時(shí)，設(shè)計(jì)模型中還包括一些工程說(shuō)明以及關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。標(biāo)注信息主要包括精度要求、尺寸公差、符號(hào)注釋等信息，此類信息一般直接附著在三維模型中，不需要外部處理即可呈現(xiàn)，利用標(biāo)注主要描述生產(chǎn)要求所必須的約束信息。屬性信息主要指產(chǎn)品的內(nèi)置信息，例如分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求以及原材料規(guī)范等，通過(guò)此類信息定義產(chǎn)品以及產(chǎn)品特征的相應(yīng)內(nèi)容。

圖1 MBD模型的內(nèi)容

通過(guò)對(duì)MBD數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容分析可知，一個(gè)完整的MBD零件模型可以概括為幾何信息和非幾何信息，圖2所示為MBD零件模型的信息分類。從圖2中可以看出，幾何信息由設(shè)計(jì)模型（由簡(jiǎn)單幾何元素及模型幾何和輔助幾何形成）、坐標(biāo)系統(tǒng)以及關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)組成。非幾何信息則由標(biāo)注 （精度要求、尺寸公差、符號(hào)注釋等）、屬性信息 （原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求等）以及工程說(shuō)明信息 （標(biāo)注注釋、零件注釋、標(biāo)注說(shuō)明等）組成。

圖2 MBD零件模型的信息分類

在三維CAD系統(tǒng)中，MBD零件模型的幾何信息一般以圖形化的方式表達(dá)在三維模型中，而非幾何信息以文字的方式附在幾何模型上或者直接存在于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)中。同時(shí)，在實(shí)際的應(yīng)用中，MBD零件模型的幾何信息和非幾何信息可以根據(jù)MBD數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容，按照企業(yè)的需求在內(nèi)容或形式上進(jìn)行擴(kuò)充和重組，但是不能影響數(shù)據(jù)的完整性及結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性。

2 Pro/E三維零件結(jié)構(gòu)樹(shù)

零件模型是零件制造的依據(jù)，圖3所示是基于Pro/E模型的結(jié)構(gòu)樹(shù)，模型的幾何以及非幾何信息都存在于結(jié)構(gòu)樹(shù)中。對(duì)于任何三維模型，零件幾何體、坐標(biāo)系系統(tǒng)是零件類模型所必須的，分別用來(lái)描述產(chǎn)品的幾何形狀、相對(duì)空間位置關(guān)系。注釋包括零件注釋、通用注釋等用來(lái)描述模型的字符型信息。而標(biāo)注集則描述精度要求、尺寸公差等信息。

（1） 坐標(biāo)系

在Pro/E中，坐標(biāo)系包括FRONT（xy平面）、RIGHT （yz平面）、TOP （zx平面） 和軸系中的絕對(duì)軸系統(tǒng)，坐標(biāo)系是建立三維模型的參考基準(zhǔn)。

圖3 產(chǎn)品規(guī)范結(jié)構(gòu)樹(shù)

（2） 零件幾何

零件幾何是在Pro/E建模過(guò)程中產(chǎn)生的所有與幾何相關(guān)的數(shù)據(jù)，不僅包含最終零件實(shí)體形狀的零件模型幾何體，主要指建模過(guò)程中生成的一系列特征，是產(chǎn)品的主幾何體；同時(shí)，根據(jù)需要在主幾何體會(huì)延伸出一些輔助幾何體，如引用的點(diǎn)、線、面等。

（3） 注釋

注釋用來(lái)描述零件注釋、通用注釋等相關(guān)信息。其中，通用注釋用于整個(gè)模型的文字注釋，不要求關(guān)聯(lián)性，一般應(yīng)包括企業(yè)標(biāo)識(shí)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、密級(jí)控制、生產(chǎn)控制、出口控制和模型注釋等；通用注釋用來(lái)描述公差、表面粗糙度、熱處理等的注釋內(nèi)容。

（4） 標(biāo)注集

基于MBD的全三維模型包含了與幾何模型關(guān)聯(lián)在一起表示的各類標(biāo)注信息，即標(biāo)注集，有基準(zhǔn)、尺寸、幾何公差等，它們表達(dá)了零件或產(chǎn)品的特殊非幾何制造信息。為了統(tǒng)一高效管理這些標(biāo)注信息，便于制造、檢驗(yàn)過(guò)程中接收和采集下游信息的順暢，需要對(duì)全三維模型中的標(biāo)注信息進(jìn)行集中管理。

3 Pro/E三維標(biāo)注信息的組織和管理

采用Pro/E進(jìn)行三維標(biāo)注的實(shí)質(zhì)是對(duì)二維工程圖紙的擴(kuò)展，是將二維圖中的尺寸、公差、粗糙度、基準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)要求等信息在三維實(shí)體中標(biāo)注，標(biāo)注的結(jié)果都存在于零件結(jié)構(gòu)樹(shù)中。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，標(biāo)注尺寸多而復(fù)雜，容易出現(xiàn)標(biāo)注混亂而且不易讀懂，因此需要研究標(biāo)注信息的組織和管理方法。在Pro/E中，為了方便對(duì)零件信息的查看，通過(guò)圖層和視圖可以進(jìn)行標(biāo)注信息的管理。通過(guò)選擇不同的視圖，用戶可以方便地對(duì)三維模型進(jìn)行觀察，而圖層則能有效地管理組織特征、組件中的零件。控制圖層的隱藏與顯示，能控制三維模型特征和標(biāo)注信息的顯示與隱藏。本文進(jìn)行三維標(biāo)注信息的組織和管理研究中，主要針對(duì)指圖3中的注釋和標(biāo)注集。

（1）三維標(biāo)注信息的定義方法

在Pro/E中進(jìn)行三維標(biāo)注時(shí)，首先為標(biāo)注信息定義注釋平面，注釋平面通常在三個(gè)基本平面 （xy平面/yz平面/zx平面）的基礎(chǔ)上通過(guò)偏移/旋轉(zhuǎn)等操作建立，然后根據(jù)添加的標(biāo)注類別進(jìn)行標(biāo)注內(nèi)容添加，三維標(biāo)注信息的定義方法如圖4所示。

（2）三維標(biāo)注信息的組織與管理方法

采用三維標(biāo)注信息的定義方法進(jìn)行三維標(biāo)注時(shí)，需要對(duì)標(biāo)注信息進(jìn)行組織，本文采用基于層樹(shù)、層、定向和組合視圖的協(xié)同控制方法進(jìn)行標(biāo)注信息管理，如圖5所示。

為對(duì)標(biāo)注進(jìn)行顯示控制，對(duì)層樹(shù)、層、定向和組合視圖的定義建立如下規(guī)則，其中圖6所示為該規(guī)則下的層樹(shù)、層、定向和組合視圖構(gòu)建實(shí)例。

圖4 三維標(biāo)注信息的定義方法

圖5 三維標(biāo)注信息的組織與管理方法

1）Pro/E模型樹(shù)下建立的標(biāo)注信息命名按照 “注釋”、 “視圖1”、 “視圖2”、 ……、 “剖視1”、 “剖視2”、……的方式來(lái)命名；在層樹(shù)的命名上，分別采用 NOTE、SECTION1、SECTION2、……、VIEW1、VIEW2、……等方式命名； “層”、 “定向”、 “全部 （組合視圖）”的命名應(yīng)該和標(biāo)注信息命名方式一樣；同時(shí)在“層”、 “定向”、 “全部 （組合視圖）” 分別建立“無(wú)標(biāo)注”項(xiàng)目，用來(lái)展示不帶標(biāo)注的三維模型。

2）模型樹(shù)下的標(biāo)注信息與 “層樹(shù)”、 “層”、“定向”以及 “全部 （組合視圖）”應(yīng)具有完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如模型樹(shù)下的 “視圖1”信息完全存在于層樹(shù) “VIEW1”下，層樹(shù) “VIEW1”下標(biāo)注信息通過(guò) “層”下的 “視圖1”來(lái)控制其顯示或隱藏 （當(dāng) “層”激活 “視圖1”時(shí)，只顯示模型樹(shù)下視圖1的標(biāo)注信息），同樣 “定向”下的“視圖1”表示該視圖所采用的定向方向， “全部 （組合視圖）”下的 “視圖1”是最終的呈現(xiàn)結(jié)果，它關(guān)聯(lián)視圖1的 “定向”以及 “層”；以此類推， “NOTE” 與 “注釋” 對(duì)應(yīng)， “SECTION1”、 “SECTION2”、 “SECTION3” 分別與 “剖視1”、 “剖視2”、 “剖視3” 對(duì)應(yīng)。

3）模型樹(shù)下建立的標(biāo)注信息，應(yīng)在同一個(gè)標(biāo)注方向上完成所有相關(guān)信息的添加。例如模型樹(shù)的 “視圖1”應(yīng)該在 “定向”中的 “視圖1”方向標(biāo)注完所有內(nèi)容，模型樹(shù)的 “視圖2”應(yīng)該在 “定向”中的 “視圖2”方向標(biāo)注完所有內(nèi)容。

圖6 層樹(shù)、層、定向和組合視圖構(gòu)建實(shí)例

4 三維標(biāo)注信息組織和管理實(shí)例

本文基于協(xié)同標(biāo)注信息管理方法，開(kāi)發(fā)了功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在Pro/E軟件中自動(dòng)添加滿足前面所定義規(guī)則的層樹(shù)、層、定向和組合視圖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)層樹(shù)、層、定向和組合視圖之間標(biāo)注信息的自動(dòng)匹配，圖7所示為標(biāo)注信息的組織和管理應(yīng)用實(shí)例。

圖7 層樹(shù)、層、定向和組合視圖構(gòu)建實(shí)例

5 結(jié)論

隨著MBD技術(shù)在企業(yè)的廣泛應(yīng)用，三維標(biāo)注信息的組織和管理方法研究是一個(gè)重要研究方向。本文在MBD理論上，利用層樹(shù)、層、定向和組合視圖協(xié)同控制Pro/E三維標(biāo)注信息，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)工具，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品定義信息在三維模型中的有效管理。最后，基于實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，為企業(yè)三維標(biāo)注信息的規(guī)范化應(yīng)用提供了依據(jù)。