楊 萍 楊迎春

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州730050)

波音公司根據飛機設計制造實踐提出來基于模型的定義MBD(model based definition)，即數(shù)字產品定義，并在波音737-NX型飛機項目中成功應用。該技術改變了傳統(tǒng)的三維模型來描述幾何信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差和工藝信息的產品數(shù)字化定義方法，其核心思想是用一個集成的三維實體模型來完整地表達產品定義信息，實現(xiàn)面向制造的設計。波音公司的成功，引起世界范圍內的數(shù)字化制造業(yè)的廣泛關注。

目前國內外已經制定了國際標準草案ISO16792、美國國家標準ASMEY14.41等相關MBD標準。我國出臺并實施了三維CAD國家標準GB/T24734《技術產品文件 數(shù)字化產品定義數(shù)據通則》系列。

基于相關標準的三維標注一直是眾多學者和設計人員的研究熱點。文獻［1］分析了三維標注及其對數(shù)字化制造技術的影響，及三維標注技術以屬性與標注解決產品非幾何制造信息表達問題的本質。文獻［2］設計了三維自動標注的算法，闡述了其相關的技術，采用該算法在CAD系統(tǒng)中實現(xiàn)三維尺寸自動標注的技術。文獻［3］針對尺寸自動標注僅限于表達產品的幾何信息而未關注其功能特性，提出了基于產品功能特性的三維尺寸標注算法。以上主要是對三維尺寸標注的研究，對三維形位公差及表面粗糙度的標注的研究有待進一步發(fā)展。

目前，大部分三維標注技術是在三維模型上標注平面的幾何尺寸、表面粗糙度和形位公差等精度特征信息，其標注的信息僅是一個平面符號，標注的幾何尺寸不能驅動三維模型的參數(shù)，三維標注信息和三維模型不是同一組定義數(shù)據［4］，標注信息只是一種注釋，和三維模型沒有關聯(lián)性，不能用于零件后續(xù)的加工制作過程，沒能實現(xiàn)完整的3D零件模型的建立。

本文根據GB/T 24734標準及相關三維標準，基于Pro/E軟件平臺，建立三維精度特征符號庫，應用MBD技術，在3D零件模型上標注三維的精度特征符號，建立全3D零件模型，其中三維標注信息能被提取并保存在數(shù)據庫中，用于后續(xù)的加工制作，以期實現(xiàn)三維CAD/CAM一體化。

1 三維精度特征符號的定義

三維標注下的產品三維零件模型通過圖形和文字表達的方式表達出產品設計信息，改變了傳統(tǒng)的由三維模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差和制造工藝信息的方法［5］。通過在三維模型上定義尺寸標注、公差要求、表面粗糙度等非幾何信息，從而實現(xiàn)對產品信息的清晰、完整、唯一的描述，以滿足下游數(shù)字化制造和檢驗直接使用的需求。

在產品設計制造中，精度特征不只用于評價幾何實體，更與工藝規(guī)劃和加工要求緊密聯(lián)系。尺寸、公差和表面粗糙度是聯(lián)系設計與制造的重要屬性，建立精度特征可以清楚地表示模型的非幾何特征與幾何特征之間的相互關系。傳統(tǒng)的非幾何信息只是在信息的標注層面上，僅相當于三維模型上的一個平面符號，標注的幾何尺寸不能驅動三維模型的參數(shù)，沒有工程語義，無法將具體的非幾何信息與特征模型聯(lián)系起來，這種符號式的非幾何信息不能支持后續(xù)加工制作過程。

本文提出三維精度特征符號的概念，依據國內外已經指定的國際標準草案ISO 16792、美國國家標準ASMEY 1441、中國國家標準GB/T 26099～26101、GB/T 24734［6-7］等相關MBD標準，對非幾何信息的畫法、標注方法和屬性定義等方面進行一個詳細的描述，并確定了符合標準的標注顯示方式。充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，建立三維的精度特征符號如圖1所示，并將三維精度特征符號和三維模型定義在同一組數(shù)據中。

在三維模型上與三維模型相關聯(lián)的標注三維的精度特征符號，其特征參數(shù)能夠被提取出來并存入共享數(shù)據庫，提供給后面的加工制作使用，真正實現(xiàn)三維CAD/CAM一體化。能夠直觀地理解設計信息，這種三維的數(shù)據表達方式更能準確、直觀地反映設計者的設計意圖，并被其他使用人員所理解，減少理解偏差導致出錯的可能性，便于對標準信息進行必要的“數(shù)字化”處理，可以自動提取出后續(xù)的工藝、制造過程和檢驗所需的相關信息，無條件支持后續(xù)環(huán)節(jié)數(shù)字化工作的開展。

2 三維精度特征符號庫的建立

CAD/CAM一體化要求三維標注信息在產品生命周期每個階段的各個模型中均可見，使技術人員能夠充分使用MBD模型。因此需要實現(xiàn)標注信息的結構化和關聯(lián)性，以便管理、修改和提取。

本文以Pro/E軟件為平臺，利用Pro/Toolkit應用開發(fā)技術，采用基于特征的參數(shù)化設計方法建立三維精度特征符號庫。特征的定義被放入一個數(shù)據庫中，通過定義尺寸、位置參數(shù)和各種屬性值建立所需三維精度特征符號，允許設計人員通過加減特征要素進行設計，也可根據需求調整幾何和拓撲信息，首先定義一個一般特征，建立一般特征庫，然后對一般特征實例化，并對特征實例進行修改、拷貝、刪除以生成特征符號，導出特定的參數(shù)值等操作，建立三維精度特征符號。

建立三維精度特征符號庫就是將三維精度特征符號信息組織在一個數(shù)據庫中，方便操作、管理和調用，便于進行三維標注。特征提取的結果也同樣以數(shù)據庫的形式保存起來，供工藝推理和加工制作調用。在綜合考慮了三維精度特征符號的特點和數(shù)據庫建立原則的基礎上，確定了三維精度特征符號庫的數(shù)據結構，如圖2所示。

其中S是字符數(shù)據類型，E是枚舉數(shù)據類型，I是整形數(shù)據類型，R是實型數(shù)據類型，*p是指針。

3 全3D零件模型的建立

針對全3D零件模型，即實現(xiàn)在三維模型上標注三維表面粗糙度特征符號和三維形位公差符號。采用基于特征的參數(shù)化設計建立三維精度特征符號，三維精度特征符號與三維模型需定義在同一組數(shù)據，結合程序實現(xiàn)三維標注。

三維形位公差特征符號用指引線連接被測要素和公差框格，指引線引自框格的任意一側，終端帶一個箭頭。主要是公差類型、公差值、被測要素、基準等信息的設置，其中需要注意的是被測要素、基準對象和所選公差類型要匹配。形位公差標注界面如圖3所示，勾選φ前面的勾選按鈕，即選中φ符號，公差值為φ0.01 mm;點擊，調出圖4所示形位公差符號庫對話框，點擊形位公差符號中對應的符號選擇公差類型，也可以選擇附加特征添加到公差值前面或后面。

三維幾何公差特征符號的具體標注步驟如下:

(1)選擇菜單三維標注→幾何公差特征符號，彈出幾何公差標注對話框;

(2)設置幾何公差類型、公差值、基準等信息，點擊放置按鈕，激活建模窗口;

(3)選擇放置基準面及投影面，鼠標在三維模型上移動時，捕捉到的表面會顯示紅色。點擊鼠標左鍵，即可選中;

(4)選擇被測要素和基準要素，根據公差類型選擇正確的被測對象和基準要素特征;

(5)點擊鼠標左鍵，選中與指引線的起點，點擊鼠標中鍵，選中指引線的終點，完成三維幾何公差符號的標注。

用類似的方法標注三維表面粗糙度特征符號，標注時要注意標注面內的布局達到標準中規(guī)定的不干涉、不重疊等要求。建立的全3D零件模型如圖5所示。

4 全3D零件模型特征提取實例

特征提取的程序中操作函數(shù)實際完成了整個特征的遍歷、提取和保存的過程，涉及到Pro/TOOLKIT中大量庫函數(shù)的調用及其和開發(fā)功能函數(shù)的結合，共同完成特征提取的過程。因為在Pro/E中各個層次的特征對象都是使用相似的結構組織信息的，所以特征提取的操作函數(shù)具有類似性。在此以三維表面粗糙度特征符號信息提取為例，首先確定特征提取所包含的信息:表面粗糙度特征類型、參數(shù)值、依附面及特征標識。根據上述提取信息的要求，并且根據Pro/TOOLKIT提供的庫函數(shù)進行編程，特征提取程序流程圖如圖6所示。

調入全3D零件模型，調用特征遍歷函數(shù)ProSolidFeatVisit()訪問模型的所有特征，并設置過濾函數(shù)只訪問三維精度特征符號庫的特征。提取出三維精度特征符號的類型、數(shù)值及依附表面或依附邊的id值。提取到的特征信息緩存在建立的對話框的列表中，以便查閱、修改和使用，如圖7所示。在該對話框中，選擇其中一個列表，列表中的信息將顯示在下面的文本框中，可以對其進行修改。確認無誤后，將列表中的特征信息存入共享數(shù)據庫，供后面的加工制作使用。這里采用了具有廣泛應用性、良好的穩(wěn)定性和實用性的ODA數(shù)據庫連接技術。

5 結語

本文研究了產品設計信息三維標注技術，構建了符合國家標準GB/T 24734—2009規(guī)定的標注規(guī)則的三維精度特征符號，提出的全3D零件模型在Pro/E軟件平臺上得以實現(xiàn)，它能夠規(guī)范地將產品設計信息在三維模型上進行有效的表達，通過特征提取獲得其對應的特征信息并共享在數(shù)據庫中，以滿足加工領域的信息需求，實現(xiàn)了三維CAD/CAM一體化技術。

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