王鵬飛，周秋忠，徐萬洪

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

產(chǎn)品數(shù)字化定義技術經(jīng)歷了從工程制圖技術到二維CAD技術，再到三維建模技術的發(fā)展歷程［1－2］。如今，CAD 三維建模技術和計算機圖樣虛擬繪制技術在制造企業(yè)中得到了普遍的應用，給產(chǎn)品設計帶來了巨大的推動。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”這樣同時依賴三維模型和二維圖樣的局面，導致信息不唯一、共享程度低、傳遞過程中容易出錯等弊端，尤其在對信息進行修改時更為繁瑣。波音公司在2004年開始的787客機設計中，為避免上述弊端，全面采用三維標注新技術，將三維數(shù)字化模型作為傳遞設計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］。三維標注技術使三維模型作為設計過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)的以工程圖紙為主以三維實體模型為輔的方法。將三維標注技術應用于產(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分散、數(shù)據(jù)共享程度低等問題。

本文采用三維標注對產(chǎn)品定義信息進行分類表達和標準化，并開發(fā)產(chǎn)品定義標準信息管理系統(tǒng)，在需要使用標準信息進行標注時直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)品定義標準信息，可以大大減少設計人員的工作量，提高產(chǎn)品定義效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 三維標注簡介

三維標注是基于模型的數(shù)字化定義(Model Based Definition，MBD)技術的應用，是將產(chǎn)品的所有制造技術要求、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數(shù)字化定義方法，其核心思想是用一個集成的三維數(shù)字化模型來完整表達產(chǎn)品定義信息。

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

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

圖1 基于三維標注技術的產(chǎn)品模型

2 三維標注信息的分類和表達

2.1 三維標注信息的分類

三維標注的產(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的一些相關要求等信息。具體信息的分類如圖2所示。

圖2 三維標注信息的分類

2.2 三維標注信息的表達

在對三維標注信息分類后，需考慮三維標注信息的表達，一般采用屬性表達法和標注表達法進行信息的表達［6］。屬性表達法是以文本類標識進行表達，標注表達法則對應旗注等符號類標識的表達形式。其中，文本類標識是將產(chǎn)品信息以文本字符串的形式表達在特征結(jié)構(gòu)樹上的信息標識方法，符號類標識則是指使用旗注、粗糙度、基準等符號對幾何特征進行關聯(lián)表達的標識方法。各種類型的非幾何信息根據(jù)需要采用合理的表達形式進行組織定義，將三維標注的產(chǎn)品定義信息表達清楚。

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

屬性表達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識編號、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)自身制定的表達規(guī)范和三維標注信息的類型而定［7］。

符號類標識是使用CATIA的三維標注模塊(FT＆A)的功能，將產(chǎn)品非幾何信息通過特定符號進行關聯(lián)或文本表達在三維幾何實體模型顯示區(qū)域的表達方法［7］。它通過旗注等符號將存放于特征樹上的標識信息與模型特征保持關聯(lián)關系，最適合用于表達有區(qū)別的局部關鍵特征。圖3為在CATIA中某零件三維標注的文本標識和旗注標識。

圖3 基于CATIA三維標注的文本標識和旗注標識

3 產(chǎn)品數(shù)字化定義的標準體系

當產(chǎn)品定義的三維標注信息使用重復率高且信息內(nèi)容較為固定時，有必要對三維標注信息進行企業(yè)標準化，進一步構(gòu)建企業(yè)自己的產(chǎn)品數(shù)字化定義的標準信息體系。產(chǎn)品數(shù)字化定義的標準體系包括通用管理標準、零件制造標準和連接工藝標準三類標準信息。

通用管理標準信息不對產(chǎn)品進行描述，用來說明產(chǎn)品通用的管理類信息，是三維標注數(shù)據(jù)集中必須包含的。通用管理標準信息可分為授權(quán)說明、建模平臺和建模規(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)品定義標準信息管理系統(tǒng)中選取調(diào)用。

零件制造標準信息用來描述材料和加工制造工藝規(guī)范等標準信息。材料標準信息為企業(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)范標準信息為企業(yè)標準化的加工制造工藝規(guī)范信息，按照零件類型可分為機加件、鈑金件、鑄造件等。在并行工程中，工藝設計的一些要求需要工藝人員參與認定，在可制造的前提下定義在三維標注數(shù)據(jù)集中。其中標準的加工制造工藝信息是從產(chǎn)品定義標準信息管理系統(tǒng)中選取調(diào)用，非標準工藝信息則由設計人員編輯輸入。

連接工藝標準信息描述零組件連接相關的標準信息。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)范樹中對各類連接定義信息進行分類組織。連接工藝標準信息可分為鉚接工藝標準信息、膠接工藝標準信息、密封工藝標準信息和焊裝工藝標準信息等。每類工藝標準信息可繼續(xù)往下細分，在實際應用時根據(jù)需要選用下一層的分類。比如，焊裝工藝標準信息可分為電阻點焊、螺柱焊、氣體保護縫焊和其他焊裝。各種分類的最下層就是各標準信息的具體內(nèi)容。圖4為產(chǎn)品數(shù)字化定義的標準體系。

4 產(chǎn)品定義標準管理系統(tǒng)的開發(fā)

產(chǎn)品數(shù)字化定義的標準體系構(gòu)建完成后，可將標準信息錄入數(shù)據(jù)庫，在產(chǎn)品設計需要編輯輸入某條標準信息時從數(shù)據(jù)庫中直接選取調(diào)用。按此思路，開發(fā)相應的產(chǎn)品定義標準管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對標準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)字化定義的標準體系

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)品標準管理)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)品定義標準信息管理系統(tǒng)包含的模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該標準信息管理系統(tǒng)主要包括標準信息管理和標準信息調(diào)用兩部分程序，系統(tǒng)的使用分為系統(tǒng)管理員、標準信息管理員和產(chǎn)品設計員三類用戶。系統(tǒng)各個功能在PDM管理軟件的支持下使用，各類用戶共享數(shù)據(jù)庫信息，各自獨立擁有不同的功能模塊，可在同一時間并行進行各自的任務，這樣可大大提高工作效率。系統(tǒng)管理員負責用戶和其權(quán)限的管理、目錄結(jié)構(gòu)及信息的維護和錄入信息的審核;標準信息管理員主要負責數(shù)據(jù)庫標準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)品設計員負責從標準信息數(shù)據(jù)庫中選取調(diào)用所需標準信息添加到特征樹節(jié)點。

產(chǎn)品定義標準信息管理系統(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標準信息的目錄結(jié)構(gòu);標準類型表用來存放標準信息分類的類型信息;標準信息表用來存放各標準信息類型下層具體的工藝等標準信息。標準信息表含有ID、編號、名稱、描述、URL和詳細說明字段;其中ID為數(shù)據(jù)庫自動編號，編號為各表的主鍵，是按分類要求定義的7位數(shù)字，用來區(qū)分不同類型的標準信息;名稱為所要定義的標準信息的名稱;描述是對信息名稱的屬性定義和具體描述;URL是對標準信息詳細介紹的鏈接地址;詳細說明是用來對該名稱標準信息調(diào)用選擇的指示和建議。圖6上方的三張表通過相關編號的字段互相關聯(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、用戶名密碼和其對應的權(quán)限信息，也是通過相關編號字段關聯(lián)。

4.2 系統(tǒng)應用流程

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

圖7 系統(tǒng)應用流程

標準信息管理應用流程:標準信息管理員打開產(chǎn)品定義標準管理系統(tǒng)，登錄進入自己對應權(quán)限的界面，對標準信息數(shù)據(jù)庫的標準信息進行操作(增加、刪除、修改)。標準信息數(shù)據(jù)庫中只有經(jīng)審核通過后的標準信息才可供產(chǎn)品設計員選擇調(diào)用。

標準信息調(diào)用應用流程:產(chǎn)品設計員在CATIA軟件的產(chǎn)品設計界面，從定制的宏打開標準信息調(diào)用程序，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征樹上選擇相關數(shù)據(jù)集節(jié)點，再從標準信息數(shù)據(jù)庫中選擇所需的標準信息進行調(diào)用，確認后添加到特征樹對應節(jié)點。

4.3 系統(tǒng)與CATIA接口的實現(xiàn)

產(chǎn)品定義標準信息管理系統(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準信息生成對應的CATScript腳本程序文件，確認后執(zhí)行，添加到特征樹節(jié)點。

5 結(jié)束語

本文基于三維標注的先進技術對三維標注信息分類，用文本字符串和旗注符號類的表達形式將產(chǎn)品非幾何信息表達在三維模型中，解決了非幾何信息的表達問題，實現(xiàn)了產(chǎn)品幾何信息與非幾何信息的集成統(tǒng)一。在此基礎上，構(gòu)建產(chǎn)品定義信息標準體系，開發(fā)產(chǎn)品數(shù)字化定義標準管理系統(tǒng)。

三維標注技術使三維模型成為設計制造的唯一依據(jù)，實現(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)字化制造技術的重大變革。結(jié)合產(chǎn)品數(shù)字化定義標準管理系統(tǒng)，改變了標準信息定義繁瑣的情況，減輕設計人員的工作量，實現(xiàn)了標準信息的定義一致性，大大提高了產(chǎn)品設計效率，減少開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

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

［2］范玉青，梅中義，陶劍.大型飛機數(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］.

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