張寶源， 席 平

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

長(zhǎng)久以來(lái)，二維工程圖作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝信息傳遞的主要載體，在機(jī)械行業(yè)不可或缺。二維工程圖紙的別名“藍(lán)圖”成為了宏偉構(gòu)想的代名詞，其重要地位可見一斑。但二維工程圖手工繪制耗時(shí)較長(zhǎng)，修改不便，并且繪制頻繁出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)件等重復(fù)工作較多，這些嚴(yán)重制約了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的效率。

1991年，國(guó)家部委提出“甩圖板”口號(hào)，全國(guó)機(jī)械領(lǐng)域的研究所、企業(yè)和高校經(jīng)過(guò)不懈努力，應(yīng)用以AutoCAD為代表的二維CAD軟件，逐步實(shí)現(xiàn)了工程圖從手工繪制到計(jì)算機(jī)繪制的轉(zhuǎn)變。但產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造信息仍局限于二維層面，不夠直觀。

隨著CAD三維造型技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式演變?yōu)橄壤肅AD軟件構(gòu)建三維幾何模型，再由軟件自動(dòng)完成投影、消隱生成二維工程圖，三維幾何模型與二維工程圖一起向下游設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)傳遞。這種設(shè)計(jì)模式充分發(fā)揮了三維CAD系統(tǒng)的幾何表現(xiàn)能力，但由于沒有有效的制造工藝信息的三維表示方法，在產(chǎn)品加工過(guò)程中仍需要二維工程圖作為輔助。

1997年波音公司發(fā)起了三維標(biāo)注技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的研究，2003年形成美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASME Y14.41－2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義規(guī)程》。緊接著Dassault、UGS、PTC等公司分別在自己的CAD產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了三維標(biāo)注技術(shù)[1]。該技術(shù)的出現(xiàn)使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程最終擺脫二維工程圖的束縛成為了可能。

1 三維標(biāo)注技術(shù)的意義

三維標(biāo)注，從表現(xiàn)形式上看，就是將傳統(tǒng)二維工程圖紙中產(chǎn)品的尺寸、形位公差、粗糙度、基準(zhǔn)、技術(shù)要求等信息利用CAD軟件標(biāo)注在產(chǎn)品的三維模型空間中。如圖1所示。從本質(zhì)和目的上看，就是將傳統(tǒng)二維工程圖紙中產(chǎn)品的制造工藝信息集成到三維模型中，以完成對(duì)產(chǎn)品的全面數(shù)字化定義。三維標(biāo)注技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的三維化，以及基于主模型的設(shè)計(jì)制造一體化。

圖1 三維標(biāo)注示例

1.1 設(shè)計(jì)制造過(guò)程三維化

人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的過(guò)程大多是在三維空間中進(jìn)行的。由于長(zhǎng)久以來(lái)，缺乏有效的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝信息的三維表達(dá)方式，二維圖紙充當(dāng)了全世界工程師的“語(yǔ)言”。產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造必須經(jīng)歷從三維投影到二維，再由工程人員在頭腦中根據(jù)畫法幾何、機(jī)械制圖等知識(shí)從多個(gè)二維視圖中重構(gòu)出三維模型的過(guò)程。引入三維標(biāo)注技術(shù)，使得無(wú)論是產(chǎn)品幾何設(shè)計(jì)信息，還是非幾何制造工藝信息都可以在三維模型空間上表達(dá)，從而省去二維工程圖，免去從三維到二維再?gòu)亩S到三維的曲折，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的三維化，直觀，明確。

1.2 基于主模型的設(shè)計(jì)制造一體化

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳遞工具不僅包括三維CAD模型，還需要二維圖紙、工藝表等，并以它們作為工藝設(shè)計(jì)，工裝設(shè)計(jì)，零件制造，部件裝配和質(zhì)量檢測(cè)等后續(xù)環(huán)節(jié)的依據(jù)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳遞模式如圖2所示。這種模式存在著重復(fù)工作多，數(shù)據(jù)源的多元性難以保證數(shù)據(jù)的一致性，修改不便等問題。

波音公司提出三維標(biāo)注技術(shù)的理念是MBD(Model based Definition)，即基于模型的定義[1-2]。三維標(biāo)注不僅僅是將產(chǎn)品的制造工藝信息從二維工程圖搬到三維模型空間中，更重要的是將這些信息組織起來(lái)，集成到三維模型中，與三維CAD模型一起構(gòu)成產(chǎn)品的主模型，以完成對(duì)產(chǎn)品的全面數(shù)字化定義。主模型作為幾何模型、分析模型、工藝模型、制造模型等的數(shù)據(jù)源頭，可以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的分析、工藝規(guī)劃、制造、裝配等環(huán)節(jié)，從而為真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的一體化提供了基礎(chǔ)和技術(shù)支持。理想的基于主模型的數(shù)據(jù)傳遞模式如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳遞模式

圖3 理想的基于主模型的數(shù)據(jù)傳遞模式

一個(gè)典型應(yīng)用是產(chǎn)品的制造模型驅(qū)動(dòng)加工。集成了尺寸公差、形位公差、粗糙度等制造工藝信息的幾何模型構(gòu)成制造模型。產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造一體化系統(tǒng)讀入制造模型，獲取尺寸信息和制造工藝信息，并進(jìn)行特征識(shí)別后，自動(dòng)進(jìn)行工藝規(guī)劃，并生成加工的數(shù)控NC代碼，最后控制數(shù)控機(jī)床完成產(chǎn)品的加工。

2 三維標(biāo)注技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)

目前主流的CAD軟件都實(shí)現(xiàn)了三維標(biāo)注功能。例如：UG的PMI模塊，CATIA的Functional Tolerancing & Annotation模塊，Solidworks的Dimxpert模塊等。探究三維標(biāo)注技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，其一可以方便用戶更好的使用這一新功能；其二可以從較底層理解如何將制造工藝信息集成到產(chǎn)品的主模型中，方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)者更好地利用主模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)制造中的各個(gè)環(huán)節(jié)；其三可以啟發(fā)相關(guān)研究人員在我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 CAD軟件中引入三維標(biāo)注功能，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化提供軟件支撐。

2.1 三維標(biāo)注技術(shù)的原理

2.1.1 標(biāo)注平面

從表現(xiàn)形式上看，只需要在三維模型空間中確定一個(gè)標(biāo)注平面，三維標(biāo)注就可以按照以往二維工程圖標(biāo)注方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以三維標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)方法就是：

（1）在三維模型空間中確定一個(gè)標(biāo)注平面；

（2）選擇標(biāo)注對(duì)象，并將標(biāo)注對(duì)象投影到標(biāo)注平面上；

（3）按照二維工程圖標(biāo)注方法完成標(biāo)注。

2.1.2 注釋信息的結(jié)構(gòu)化

注釋信息的結(jié)構(gòu)化，就是將三維標(biāo)注信息按照一定層次結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的三維模型聯(lián)系起來(lái)并且進(jìn)行存儲(chǔ)，使得這些信息可被計(jì)算機(jī)檢索、管理。以往工程圖紙上的標(biāo)注信息是散亂的，檢索和管理依靠人工進(jìn)行，不可被計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別。沒有引入三維標(biāo)注的CAD系統(tǒng)中，二維工程圖模塊仍然面向圖紙，標(biāo)注信息僅在本模塊可檢索和管理，在分析、制造等其他模塊仍不可被使用。設(shè)計(jì)制造的一體化要求標(biāo)注信息在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的各個(gè)模型中均可見，因此需要實(shí)現(xiàn)注釋信息的結(jié)構(gòu)化。

盧鵠等[1]對(duì)產(chǎn)品數(shù)字化定義信息（包括模型信息和注釋信息）的結(jié)構(gòu)化方法進(jìn)行了探討，認(rèn)為根據(jù)CAD系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用對(duì)象控制方法的不同，可以采用基于特征樹的方法和基于層及層表過(guò)濾器的方法。

特征樹法，是指利用建模過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品特征描述的不同，建立相應(yīng)的特征樹，并通過(guò)選擇顯示的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品信息分類顯示閱讀的一種方法。

層及層表過(guò)濾器法，是指在建模過(guò)程中將產(chǎn)品不同類別的信息分別建立在不同的層空間中，通過(guò)對(duì)層空間的關(guān)聯(lián)組合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品元素信息的分類。

目前在多數(shù)企業(yè)應(yīng)用過(guò)程中，還是存在特征樹法和層及層表過(guò)濾法共同應(yīng)用的情況。

2.1.3 注釋信息的形式化

注釋信息的形式化，就是將三維標(biāo)注信息轉(zhuǎn)化為有一定邏輯，計(jì)算機(jī)可理解的形式，以方便計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行解析，提取其中的關(guān)鍵元素，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析、工藝規(guī)劃、制造等過(guò)程的驅(qū)動(dòng)。

例如，使用 BNF范式表示水平尺寸、基準(zhǔn)和形位公差等標(biāo)注信息如下（僅表示關(guān)鍵信息，標(biāo)注所在位置、線型、顏色等表現(xiàn)信息省略）：

2.2 三維標(biāo)注技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

UG NX 4.0及更高版本中新增PMI（產(chǎn)品制造信息）模塊，實(shí)現(xiàn)了三維標(biāo)注的功能。帶三維標(biāo)注的零件模型如圖1所示。

標(biāo)注平面工具條，如圖4所示?？梢苑奖愕剡x擇三維標(biāo)注所在的標(biāo)注平面，可以在等軸測(cè)圖上完成大部分注釋信息的標(biāo)注，并具有較美觀的布局。

圖4 標(biāo)注平面工具條

UG/PMI三維標(biāo)注以視圖為組織單元，每個(gè)裝配體或零件可以由多個(gè)包含標(biāo)注的視圖來(lái)表達(dá)，由裝配體或零件模型可以索引到每一個(gè)與之相關(guān)的視圖，并可以由視圖索引到該視圖中的每一條注釋信息。這樣就構(gòu)成了一個(gè)如圖5所示的樹狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了注釋信息的結(jié)構(gòu)化，可以對(duì)產(chǎn)品不同層級(jí)上的標(biāo)注信息進(jìn)行方便的檢索，并可以管理本視圖中的標(biāo)注在其他視圖的可見性。

圖5 三維標(biāo)注以視圖為組織單位的樹狀結(jié)構(gòu)

UG/PMI中以圖形化的方式實(shí)現(xiàn)了尺寸、基準(zhǔn)、粗糙度、形位公差等注釋信息的形式化表示。如圖6所示。

圖6 形式化輸入形位公差

此外UG/PMI還可以實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）創(chuàng)建剖視圖；

（2）將注釋信息與幾何特征相關(guān)聯(lián)；

（3）支持二維圖紙繼承相應(yīng)視圖的 PMI三維標(biāo)注等。

3 三維標(biāo)注技術(shù)的推行

三維標(biāo)注技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的三維化，以及基于主模型的設(shè)計(jì)制造一體化。但是，在生產(chǎn)實(shí)踐中推行這項(xiàng)技術(shù)，還可能在現(xiàn)有設(shè)計(jì)制造模式，三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)化，注釋信息的完備性及形式化等方面遇到阻礙。

3.1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)制造模式

我國(guó)機(jī)械行業(yè)早已習(xí)慣了以二維圖紙和零件表作為主要數(shù)據(jù)傳遞工具，并以它們作為工藝設(shè)計(jì)，工裝設(shè)計(jì)，零件制造，部件裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)等后續(xù)環(huán)節(jié)依據(jù)的設(shè)計(jì)制造模式。推行新的以主模型作為單一數(shù)據(jù)源，驅(qū)動(dòng)后續(xù)的分析、工藝規(guī)劃、制造、裝配等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)制造一體化模式，不僅僅意味著相關(guān)軟件，計(jì)算機(jī)設(shè)備的更新，更涉及到企業(yè)產(chǎn)品管理模式、所有員工工作方式乃至觀念的轉(zhuǎn)變。實(shí)際推行過(guò)程中必然會(huì)遇到各種各樣的困難。

解決思路：在新鋪開，并且提高設(shè)計(jì)制造一體化水平需求迫切的領(lǐng)域優(yōu)先推廣，比如大飛機(jī)，大發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。其他單位可以嘗試先在一些部門進(jìn)行試點(diǎn)，用試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)話，并總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，尋找到最適合自己?jiǎn)挝坏脑O(shè)計(jì)制造模式。

3.2 三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)化

為使三維標(biāo)注成為工程師無(wú)障礙溝通的通用語(yǔ)言，我國(guó)已于2009年11月30日發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《技術(shù)產(chǎn)品文件——數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》（GB/T 24734-2009），對(duì)產(chǎn)品的三維標(biāo)注方式進(jìn)行規(guī)范。但對(duì)于飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等自由曲線曲面特征較多的產(chǎn)品，其標(biāo)注方式與普通機(jī)械產(chǎn)品有所不同。并且產(chǎn)品模型的標(biāo)注信息是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前依賴人工檢查，尚無(wú)軟件工具保證。

解決思路：參考已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合行業(yè)實(shí)際情況，制定適應(yīng)于相關(guān)行業(yè)的數(shù)字化產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)產(chǎn)品模型三維標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)化檢查工具，以減輕人工檢查的負(fù)擔(dān)。

3.3 注釋信息的完備性及形式化

三維標(biāo)注技術(shù)通過(guò)注釋信息的結(jié)構(gòu)化和形式化，成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造一體化信息傳遞的有效載體。但是，注釋信息的完備性和形式化還沒有做到盡善盡美。

注釋信息的完備性指的是注釋信息是否完全確定了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造工藝信息。幾何設(shè)計(jì)信息是否完備可以由幾何造型器查看是否欠約束來(lái)確定，而制造工藝信息是否完備很難由計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷。比如一個(gè)零件的注釋信息中沒有明確指出應(yīng)該鑄造加工還是切削加工，若計(jì)算機(jī)根據(jù)粗糙度信息也無(wú)法做出判斷，則后續(xù)工藝規(guī)劃、制造環(huán)節(jié)也將無(wú)所適從。

三維標(biāo)注中的尺寸、基準(zhǔn)、粗糙度、形位公差等注釋信息已經(jīng)做到了形式化，可被計(jì)算機(jī)所理解。但技術(shù)要求等注釋信息并不是形式化信息。比如，常見于技術(shù)要求中的“未注倒圓角R0.2-R0.5”，若要讓這條注釋信息驅(qū)動(dòng)加工環(huán)節(jié)，則必須先讓計(jì)算機(jī)理解這句話的語(yǔ)義，再查找哪些邊緣沒有倒圓角，還要根據(jù)某種原則決定究竟R取多少。

解決思路：繼續(xù)研究注釋信息完備性和形式化的方法，可以引入知識(shí)工程和專家系統(tǒng)方法，必要時(shí)加入人的交互。

4 結(jié) 論

三維標(biāo)注技術(shù)借助標(biāo)注平面將傳統(tǒng)二維工程圖中產(chǎn)品的尺寸、形位公差、粗糙度、基準(zhǔn)、技術(shù)要求等信息標(biāo)注在產(chǎn)品的三維模型空間中，為工程師擺脫百年來(lái)二維圖紙的束縛，在直觀的全三維空間中施展拳腳創(chuàng)造了可能。不僅如此，三維標(biāo)注技術(shù)通過(guò)注釋信息的結(jié)構(gòu)化和形式化，將傳統(tǒng)二維工程圖中產(chǎn)品的制造工藝信息集成到三維模型中，形成主模型，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造一體化。以三維標(biāo)注技術(shù)為基礎(chǔ)的MBD理念及相關(guān)的 BDS-600系列標(biāo)準(zhǔn)，在波音公司研制B787客機(jī)中得到了很好的貫徹，已取得十分明顯的進(jìn)展，并得到國(guó)際上的廣泛認(rèn)同[2]。盡管目前在我國(guó)推行該項(xiàng)技術(shù)過(guò)程中，會(huì)遇到現(xiàn)有設(shè)計(jì)制造模式，三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)化等方面的阻礙，注釋信息的完備性及形式化還不完美，但它引領(lǐng)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造一體化的趨勢(shì)，展現(xiàn)著良好的應(yīng)用前景。

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