王境宇，鄧立營(yíng)

WANG Jing-yu1,DENG Li-ying2

（1. 沈陽理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，沈陽 110159；2. 北方重工集團(tuán)有限公司 盾構(gòu)機(jī)分公司，沈陽 110141）

0 引言

數(shù)字化定義技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展正迅速改變著制造業(yè)的工作模式和應(yīng)用體系。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法和手段來看，產(chǎn)品定義技術(shù)從手工工圖到二維CAD技術(shù)，再到三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從平面投影技術(shù)到全三維實(shí)體模型數(shù)字樣機(jī)以及完整數(shù)字化產(chǎn)品定義的轉(zhuǎn)變，并越來越多地依賴計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來完成產(chǎn)品性能以及制造能力的分析和驗(yàn)證[1,2]。三維建模技術(shù)是一項(xiàng)所見即所得的數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)，它直觀地表達(dá)出了產(chǎn)品真實(shí)的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。但當(dāng)前的三維建模技術(shù)只能解決結(jié)構(gòu)形狀信息的表達(dá)問題，而不能表達(dá)出生產(chǎn)中必須的尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法等非幾何制造信息[3～5]。因此，在當(dāng)前的三維建模技術(shù)中，三維數(shù)字化模型只是作為輔助制造依據(jù)，仍然需要將三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化成作為主要制造依據(jù)的二維工程圖[3～5]。

從1997年1月起，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）聯(lián)合制造業(yè)巨頭共同發(fā)起關(guān)于三維標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)的起草工作。2003年7月，該標(biāo)準(zhǔn)被美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)批準(zhǔn)為三維建模新標(biāo)準(zhǔn)。隨后，UG、PTC、Dassault等公司將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于各自的CAD系統(tǒng)中，對(duì)三維標(biāo)注技術(shù)進(jìn)行了支持，使三維實(shí)體模型作為唯一制造依據(jù)成為現(xiàn)實(shí)。作為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)起者之一，波音公司在最新的波音787項(xiàng)目中首次應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù),并將它命名為MBD（Model Based Definition,基于模型的定義）技術(shù)，引起了飛機(jī)制造技術(shù)的重大變革。

三維標(biāo)注技術(shù)真正開啟了全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造時(shí)代，真正實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化、無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)制造技術(shù)，使二維工程圖或工程圖紙成為歷史，即使有也不再是制造權(quán)威依據(jù)，只是在特定條件下作為數(shù)據(jù)的一種輔助表達(dá)方式。三維標(biāo)注技術(shù)的應(yīng)用將引起產(chǎn)品制造過程的根本變化，徹底改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造模式，簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和管理過程，充分展示數(shù)字化技術(shù)帶來的優(yōu)點(diǎn)。本文借鑒波音公司成功應(yīng)用三維標(biāo)注技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，全面論述基于CATIA的產(chǎn)品信息表達(dá)與組織方法。

1 產(chǎn)品信息的三維表達(dá)方法

三維標(biāo)注技術(shù)是在三維數(shù)字化實(shí)體模型上對(duì)產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術(shù)要求等非幾何制造信息進(jìn)行組織、表達(dá)、操作管理的一項(xiàng)技術(shù)，它使得用一個(gè)集成的三維數(shù)字化實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息成為現(xiàn)實(shí)[4,5]。三維標(biāo)注技術(shù)下的產(chǎn)品三維數(shù)字化實(shí)體模型通過圖形和文字表達(dá)的方式，直接地或通過引用間接地揭示了一個(gè)物料項(xiàng)的物理和功能需求[6]。在CATIA系統(tǒng)中，可以通過標(biāo)注與屬性的方法來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品非幾何制造信息的表達(dá)。

標(biāo)注表達(dá)法是將產(chǎn)品非幾何制造信息通過特定符號(hào)或文本表達(dá)在三維幾何實(shí)體模型的顯示區(qū)域，它們具有與幾何特征元素一致的操作方法。在CATIA中進(jìn)行產(chǎn)品定義時(shí)，包括尺寸、公差、制造技術(shù)要求在內(nèi)的所有非幾何制造信息都可以通過標(biāo)注表達(dá)的方法將它們與幾何信息定義在幾何顯示區(qū)域中。在CATIA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)零件模型中非幾何制造信息的標(biāo)注表達(dá)如圖1所示。在產(chǎn)品非幾何制造信息中，尺寸、公差、基準(zhǔn)、表面粗糙度、旗注、關(guān)鍵特性等非幾何制造信息是與產(chǎn)品特定幾何特征密切相關(guān)，因此它們需與幾何特征元素保持關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且這種關(guān)聯(lián)關(guān)系通過指引線來表達(dá)實(shí)現(xiàn)；而對(duì)制造技術(shù)要求作為對(duì)整個(gè)零件的描述，不需指引線來關(guān)聯(lián)幾何特征。

標(biāo)注表達(dá)法可以解決所有非幾何制造信息在三維模型中的定義問題。但由于非幾何制造信息種類多、數(shù)量大，將所有非幾何制造信息同時(shí)定義在實(shí)體顯示區(qū)域，會(huì)造成整個(gè)模型信息非常混亂且不利于操作與瀏覽。因此，需要將各類信息進(jìn)行歸類表達(dá)。對(duì)于以文本描述的信息通過屬性表達(dá)。屬性表達(dá)法是將以文本字符串類型的獨(dú)立參數(shù)放在CATIA三維模型結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的屬性項(xiàng)中，每一條屬性描述由屬性標(biāo)識(shí)名稱與屬性值組成，形式上如“屬性項(xiàng)=數(shù)據(jù)值”描述。在CATIA平臺(tái)上通過結(jié)構(gòu)特征樹實(shí)現(xiàn)對(duì)零件模型的屬性表達(dá)如圖1所示。在描述產(chǎn)品的非幾何制造信息中，零件管理類信息、建模說明類信息、批準(zhǔn)發(fā)放類信息、零部件技術(shù)要求及材料類信息等都適合用屬性來表達(dá)。

圖1 三維模型中的標(biāo)注與屬性表達(dá)方法

2 產(chǎn)品信息的組織管理

基于三維標(biāo)注技術(shù)的三維模型集成了以前分散在三維實(shí)體模型與二維工程圖中的所有設(shè)計(jì)與制造信息。構(gòu)建一個(gè)完整的三維模型將包括的數(shù)據(jù)元素有：關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)體模型、坐標(biāo)系、尺寸和公差標(biāo)注、工程說明、材料需求及其它定義數(shù)據(jù)。其中，工程說明由標(biāo)準(zhǔn)說明、零件說明、標(biāo)注說明（特殊特征工程需求有關(guān)的說明）組成。與包含圖紙的數(shù)字化定義方法不同，基于CATIA的三維標(biāo)注技術(shù)完全采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的方法來組織管理所有產(chǎn)品信息。結(jié)構(gòu)規(guī)范樹通過關(guān)聯(lián)各種類型信息結(jié)點(diǎn)的方法，將幾何模型、相關(guān)的幾何特征描述、相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與附加元素融合在一起，為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品定義內(nèi)容的集成提供了接口。結(jié)構(gòu)規(guī)范樹解決了產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型眾多內(nèi)容的組織管理問題，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的可操作性和便利性，對(duì)產(chǎn)品信息的組織定義也提出了相應(yīng)的要求。

2.1 結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的內(nèi)容

結(jié)構(gòu)規(guī)范樹采用分類集合的方法，將產(chǎn)品相關(guān)的信息分類組織，替代了傳統(tǒng)意義的層表和層表過濾器。通過在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹上的選取，則可以快速獲得相關(guān)的產(chǎn)品定義信息。對(duì)于任何三維模型，都包括Standard Notes、Part Notes、Annotation Notes、Approval Status類型結(jié)點(diǎn)，用來組織產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的字符型描述信息。PARTBody、Axis Systems、Material Description類型結(jié)點(diǎn)是零件類三維模型所必需的，分別用來描述產(chǎn)品的幾何形狀、相對(duì)空間位置關(guān)系與零件材料說明。Joint Definitions、Shim Definitions、Sealant Definitions結(jié)點(diǎn)是裝配安裝類三維模型必需的，用來描述產(chǎn)品零件之間的裝配連接關(guān)系與工藝要求。而其它如External References、Construction Geometry、Engineering Geometry、Reference Geometry、Annotation Set、Datum Targets、Publication等常用類型結(jié)點(diǎn)則根據(jù)各類具體三維模型的實(shí)際需要采用。另外，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)增加其它特殊類型的組織結(jié)點(diǎn)。表1列出了完整的三維模型結(jié)構(gòu)規(guī)范樹結(jié)點(diǎn)類型。

表1 結(jié)構(gòu)規(guī)范樹結(jié)點(diǎn)類型

2.2 相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的要求

2.2.1 工程幾何（Engineering Geometry）

工程幾何信息是對(duì)最基本并必需的建模元素的定義，是整個(gè)模型建立的基礎(chǔ)，其中主要包括坐標(biāo)系統(tǒng)與基準(zhǔn)面兩類。任何一個(gè)零件在產(chǎn)品都具有確定的位置關(guān)系，這種空間位置關(guān)系在產(chǎn)品數(shù)字化定義系統(tǒng)中通過坐標(biāo)軸系統(tǒng)來描述。當(dāng)零件在一個(gè)具有上下文設(shè)計(jì)關(guān)系的環(huán)境中定義時(shí)，零件模型默認(rèn)的原點(diǎn)表示設(shè)備或產(chǎn)品坐標(biāo)系統(tǒng)，并需要建立表示零件局部軸和主要基準(zhǔn)的軸系統(tǒng)，被命名為“局部軸系統(tǒng)”。當(dāng)零件非上下文關(guān)聯(lián)時(shí)，即不在上下文環(huán)境中設(shè)計(jì)時(shí)，零件模型默認(rèn)原點(diǎn)必須有一個(gè)絕對(duì)軸，并命名為“局部軸系統(tǒng)”。在建模、定義輔助基準(zhǔn)和制造輔助元素時(shí)，根據(jù)需要可以建立符加軸。這些符加軸應(yīng)該根據(jù)用途或目的命名。

2.2.2 外部基準(zhǔn)（External Reference）

外部基準(zhǔn)是模型中的一個(gè)關(guān)聯(lián)到其它父產(chǎn)品實(shí)例的局部幾何元素，這一局部元素是父子產(chǎn)品模型間關(guān)聯(lián)關(guān)系的載體。外部基準(zhǔn)必須隨時(shí)維護(hù)并且必須是已經(jīng)發(fā)布的全局性幾何參數(shù)。在修訂產(chǎn)品之前，所有外部基準(zhǔn)必須進(jìn)行與父產(chǎn)品的同步操作以保持最新狀態(tài)。在產(chǎn)品發(fā)放之前，要首先取消零件中的外部基準(zhǔn)的有效性，這樣做的原因在于零件具有與父產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)，而零件發(fā)放過程與父產(chǎn)品模型不是保持同步的。無效操作使得外部基準(zhǔn)數(shù)據(jù)被凍結(jié)，以確定產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)放后的狀態(tài)。

2.2.3 構(gòu)建幾何（Construction Geometry）

構(gòu)建幾何中的信息不是為了描述制造工藝等內(nèi)容而設(shè)定的，而是用來保存建模過程中的必需信息，即在外部基準(zhǔn)信息與工程幾何信息的基礎(chǔ)上構(gòu)建模型所需的中間幾何數(shù)據(jù)。這些附加的特征屬性必須適當(dāng)?shù)拿⒔M織和關(guān)聯(lián)，以便后續(xù)的用戶易于使用。構(gòu)建幾何在一般情況下定義為隱藏狀態(tài)。

2.2.4 引用幾何（Reference Geometry）

2.2.5 標(biāo)準(zhǔn)說明（Standard Notes）

標(biāo)準(zhǔn)說明不是用于描述零件，而是對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和有關(guān)管理信息的說明，如財(cái)產(chǎn)說明和建模說明。因此，標(biāo)準(zhǔn)說明必須包含在所有的三維數(shù)模中。所有標(biāo)準(zhǔn)說明放在以“Standard Notes”命名的結(jié)點(diǎn)中，該結(jié)點(diǎn)駐留在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的主分枝上，如圖2所示。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)說明都有一個(gè)獨(dú)立的字符串類型參數(shù)，并將這些參數(shù)放入“Standard Notes”結(jié)點(diǎn)中。標(biāo)準(zhǔn)說明定義的具體內(nèi)容由設(shè)計(jì)公司決定。通常，標(biāo)準(zhǔn)說明的內(nèi)容有工程內(nèi)容概述、裝配說明、安裝要求、版權(quán)說明、企業(yè)名稱、完整性要求、尺寸公差標(biāo)注遵循的標(biāo)準(zhǔn)、通用最終處理說明、尺寸單位、數(shù)據(jù)集遵循的數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)集模型尺寸比例等。

2.2.6 零件說明（Part Notes）

零件說明是針對(duì)整個(gè)零件的制造工藝要求，包括如熱處理、零件最終處理和零件說明等信息。所有的零件說明放置在以“Part Notes”命名的結(jié)點(diǎn)中，并在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的主分枝上，如圖2所示。每個(gè)零件說明是一個(gè)單獨(dú)的字符串型參數(shù)。每個(gè)零件說明文本字符串一般采用這樣的格式：A|B|C。其中A為零件標(biāo)識(shí)號(hào)；B為工藝規(guī)范；C為URL。

2.2.7 標(biāo)注說明（Annotation Notes）

對(duì)于零件特定結(jié)構(gòu)特征的加工工藝需求，用標(biāo)注說明定義。標(biāo)注說明采用旗注標(biāo)識(shí)和包含一個(gè)參數(shù)的旗注定義聯(lián)合說明。旗注是與特征相關(guān)的，被放在適當(dāng)?shù)臉?biāo)注平面中，并用一根導(dǎo)引線指向被描述的相關(guān)聯(lián)特征上，是用于描述所有完成零件特征的特殊工程文本。旗注定義則是對(duì)旗注所關(guān)聯(lián)特征的加工工藝要求說明，它放在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹上以“Annotation Notes”命名的結(jié)點(diǎn)中。旗注名字在三維模型中有唯一的號(hào)，放在旗注符號(hào)中。描述旗注的旗注定義以特征ID號(hào)命名。特征ID是以大寫字母FL開頭、緊跟一個(gè)空格的旗注號(hào)，例如旗注1，旗注名是1和標(biāo)注說明的特征ID號(hào)是FL，如圖2所示。每個(gè)標(biāo)注說明有一個(gè)單獨(dú)的字符串型參數(shù)。每個(gè)標(biāo)注說明文本字符串一般采用這樣的格式：A | B | C| D。根據(jù)標(biāo)注說明的不同數(shù)據(jù)來源，A、B、C、D分別有不同的含義。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)說明、零件說明及標(biāo)注說明定義

3 標(biāo)注信息操作管理

全三維模型的最大特點(diǎn)是具有與幾何模型關(guān)聯(lián)在一起表示的各類標(biāo)注信息，如基準(zhǔn)、尺寸、幾何公差及注解，它們表達(dá)了零件或產(chǎn)品的特殊非幾何制造信息。為了便于統(tǒng)一高效管理這些標(biāo)注信息，除在幾何模型區(qū)標(biāo)注外，CATIA還對(duì)全三維模型中的標(biāo)注信息通過標(biāo)注集功能集中管理。在CATIA中，對(duì)全三維模型的各類三維標(biāo)注信息采用標(biāo)注平面（或視圖）和FT&A（Functional Tolerance & Annotation，功能性公差與標(biāo)注）捕獲面的方法來解決組織和顯示問題。標(biāo)注平面為有利于標(biāo)注信息的組織與管理，而捕獲面則有利于標(biāo)注信息的快速查找與顯示。

3.1 標(biāo)注平面

標(biāo)注平面是一個(gè)三維空間已定義的平面，其上可以定義三維標(biāo)注的信息。FT&A數(shù)量眾多，不可能在一個(gè)標(biāo)注平面中全部顯示。因此，對(duì)于不同角度與位置的FT&A，需要有不同的標(biāo)注平面。對(duì)于每個(gè)標(biāo)注平面，為了便于管理與識(shí)別，通過視圖形式來對(duì)其進(jìn)行組織，每個(gè)標(biāo)注平面采用與它所包含標(biāo)注信息相一致的最合適名稱來命名標(biāo)識(shí)，如它定義的特性與視圖的方向，并把所有標(biāo)注平面組織到結(jié)構(gòu)特征樹標(biāo)注集結(jié)點(diǎn)下的視圖分類結(jié)點(diǎn)中。對(duì)每個(gè)包含F(xiàn)T&A的標(biāo)注平面，數(shù)據(jù)集必須包含一個(gè)已命名視圖。為了下游用戶在數(shù)據(jù)集中快速游覽可以創(chuàng)建必需的多個(gè)命名視圖。如圖3所示是按視圖對(duì)標(biāo)注平面及標(biāo)注信息進(jìn)行全面管理。

圖3 按視圖標(biāo)注平面標(biāo)注信息

3.2 捕獲面

同樣，對(duì)于數(shù)量眾多的標(biāo)注平面，它們之間可能相互干涉重疊，全部顯示導(dǎo)致整個(gè)三維模型非?；靵y和不直觀，不方便制造等下游用戶使用與瀏覽。為了在三維模型內(nèi)快速查找與使用各類信息，必須采用相關(guān)方法和按照一定規(guī)則對(duì)FT&A數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和顯示管理。在CATIA系統(tǒng)中，采用捕獲面的方式來實(shí)現(xiàn)這種需求。捕獲面是CAD系統(tǒng)的一個(gè)視角方向信息記錄，它記錄了使用者從哪個(gè)最清晰的視角觀察產(chǎn)品的幾何模型。一個(gè)三維模型根據(jù)需要建立所需的捕獲面的數(shù)量，原則上以準(zhǔn)確、清晰、全面反映所有信息為依據(jù)。每個(gè)捕獲面有明確的標(biāo)識(shí)，與視圖命名類似，這種標(biāo)識(shí)應(yīng)該使用最能描述視角所反映信息的類型進(jìn)行標(biāo)識(shí)，如標(biāo)注信息的特性與類型、視角方向等。所有的捕獲面信息組織在標(biāo)注集結(jié)點(diǎn)下的捕獲分類結(jié)點(diǎn)中，以達(dá)到方便管理和后續(xù)應(yīng)用的目的，如圖4所示。

圖4 按捕獲功能分類顯示標(biāo)注信息

4 結(jié)束語

三維標(biāo)注技術(shù)摒棄二維工程圖，使三維數(shù)字化模型成為產(chǎn)品信息的唯一載體，所有工作都將在三維環(huán)境下完成。因此，在生產(chǎn)研制的各個(gè)環(huán)節(jié)中，所有技術(shù)人員或操作工人無須人工閱讀二維圖，及在大腦中形成產(chǎn)品立體模型并理解設(shè)計(jì)意圖后再進(jìn)行后繼工作，而是從三維模型中直觀地理解設(shè)計(jì)信息。這種三維的數(shù)據(jù)表達(dá)方式更能準(zhǔn)確、直接反映設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖，并被其他使用人員理解，減少因數(shù)據(jù)理解不一致導(dǎo)致出錯(cuò)的可能性，從而縮短研制周期，降低研制成本，將引起數(shù)字化制造技術(shù)的重大變革。

[1] 盧鵠.大型飛機(jī)的并行數(shù)字化定義技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),2007.

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