，

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

MBD環(huán)境下機械產品數據組織方法研究

程五四，張紅旗

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

MBD技術克服了傳統(tǒng)研制模式帶來的弊端，但在其應用過程中，由于定義的數據復雜繁多，缺乏合理有效的數據組織、存儲以及快速方便獲取的手段。針對MBD環(huán)境下機械產品數據的組織難題，分析了定義數據的類別和表達形式，提出了結構樹、圖層、視圖和層表等多種數據組織手段，并給出了不同類型數據的組織要求。

MBD；數據組織；標注集

0 引言

MBD技術是指用集成的三維模型來完整表達產品定義信息的方法。即將原來定義在二維圖紙上的幾何形狀信息、尺寸與公差以及工藝信息等產品信息，集成定義在三維實體模型中[1]。目前，GB/T 24734《技術產品文件 數字化產品定義數據通則》11個部分從標準的層面對產品數字化定義過程進行了規(guī)范，很多商業(yè)化軟件都帶有三維標注模塊，越來越多的企業(yè)也嘗試使用此模塊對產品定義信息進行三維標注，但是，很多企業(yè)還是需要生成二維工程圖，無法直接使用帶有三維標注信息的模型，究其原因，數字化產品定義數據多而繁雜，在基于三維模型的數字化產品定義過程中，若不對產品定義數據三維標注進行組織管理，將各種信息的三維標注全部顯示在數字化產品定義模型上，將造成使用者無法快速準確地獲取所需信息,即所謂的“刺猬”現象。研究以三維模型為核心的數據組織、信息表達及傳遞方式，建立一套嚴謹、規(guī)范的數字化定義體系，并以此搭建適應MBD技術的數字化管理平臺是MBD數據集數字化定義工作中的關鍵[2]。

波音公司在新一代戰(zhàn)神航天運載工具和C130的航空電子升級中，采用MBD技術，縮短裝配工期57%。鑒于國外先進航空企業(yè)采用MBD 技術后取得巨大成功，國內企業(yè)也逐漸開展了該技術的研究，中國電子科技集團公司第三十八研究所提出了基于MBD技術的全三維工藝設計研究，已經實現基于MBD的雷達結構數字化工藝數據傳遞流程，在數據的組織管理研究也正在開展。針對機械產品定義數據的“多、雜、亂”問題，通過結構樹、圖層等數據組織方法，實現數據分類管理、組合管理和全局管理，旨在解決MBD環(huán)境下機械產品數字化產品定義技術工程化應用難題。

1 數據組織原則

基于MBD的機械產品數據一般通過幾何、屬性、三維標注和視圖等方式來表達，通過三維標注來表達的數據形成了“標注集”，即指通過三維標注方式表達數字化產品定義信息的數據集合。

數據的組織應遵循集成性、獨立性、完備性和延展性原則。集成性原則指數據組織具有獲取關聯數據元素的能力，如工藝數據與設計數據的關聯；獨立性原則指應保證數據的結構化組織和管理，實現不同階段和類型的數據之間的解析和傳遞；完備性原則指應保證數據的完整，不應遺漏；延展性原則指應具有數據的補充、修改和更新的能力。

2 數據組織要求

2.1 雙向關聯查詢

與關聯數據之間能夠實現雙向關聯查詢，并采用高亮區(qū)別顯示。

2.2 顯示或隱藏可控

構建圖層，定義圖層內容，控制圖層的顯示狀態(tài)，以便對該圖層中數據的顯隱狀態(tài)進行控制。

2.3 用戶自定義篩選

用戶根據篩選條件，如幾何特征、視圖、圖層、層表和設計信息(尺寸、公差、表面結構及BOM等)、工藝信息(基準、定位)、管理信息(設計師、時間、批次和圖號等)和顏色等，實現信息的篩選、過濾和查詢。

2.4 組織視圖存儲

支持用戶對不同視角方向模型視圖的組織存儲和快照。

2.5 關聯組合控制

支持層與視圖的關聯組合控制，對于特定視角方向的視圖只顯示有效的層內容，忽略其他層內容。

3 數據組織手段

3.1 結構樹

根據數據集類型的不同，可以分為設計數據、仿真數據、工藝數據和制造數據等結構樹。一般包括幾何模型、三維標注信息、視圖信息、屬性信息、管理數據以及保護性標記等，但不同類型數據的結構樹包含的信息也不同，如工藝數據結構樹，一般以工藝規(guī)程為主體，將分布于工藝對象、工序對象和工步對象下的工藝要素按照數據類型進行歸納整理。對電子裝備基于模型定義數據的全局搜索管理，并對數據分區(qū)，如模型區(qū)、標注集區(qū)、視圖集區(qū)、屬性說明區(qū)、管理數據區(qū)、以及保護性標記區(qū)等。

3.2 視圖

通過視圖來表達的MBD數據，形成了包含數字化產品定義三維標注信息視圖的集合，視圖的結構一般包括視圖名稱、視圖方向、視圖說明、簡化表示、層狀態(tài)和截面等?；谀Ｐ偷娜S標注是利用標注平面來放置的，三維標注的最佳觀察方向與標注平面的定義方向有關，三維標注視圖管理是對標注平面的管理。在構建視圖時，應選擇有利于模型及其標注表達的視圖。對于內部結構比較復雜的需要剖面視圖來表示。對標注信息的有機組織和管理是通過組合視圖的功能來實現的，即在三維模型空間中構建如同二維的各個視圖，在每個視圖中添加屬于該視圖的標準內容[3]。

3.3 圖層

對多樣化的數據實施納入各圖層的數據組織方法，一般包括圖層名稱、ID、內容和說明等結構。將機械產品數據分為尺寸、幾何公差、基準、表面精度、文本、剖面和輔助幾何等。對于有子類的信息，應進一步組織管理，如幾何公差類可再分為形位公差、方向公差、輪廓度公差、位置公差類和跳動公差等。針對這些分類信息分別構建圖層，并進行圖層定義，通過過濾器控制圖層顯示狀態(tài)，達到有條理地顯示數據的目的。

3.4 層表

通過層表對圖層進行管理，實現圖層的快速搜索。層表一般包括層號、標題和內容。層表管理的粒度是設計、工藝、質量和制圖等分類信息，通過建立相關層的層表過濾器，使數據篩選時通過一次操作即可獲得所有相關的信息。

3.5 成組

數據的成組一般包括物理成組和邏輯成組[4]，物理成組指信息在空間位置上的組合，如將要創(chuàng)建的標注附屬到一個存在的標注上，或者將多個標注聚集成一個組合，工藝信息框格與其他信息的三維標注成組示例[5]如圖1所示。邏輯成組指為了快速查找和方便傳遞，將完整表達某一對象的基于模型定義信息進行組合。如特定對象的邏輯參照關系。

圖1 數據成組

3.6 結構化列表

對于數據中的屬性信息，可通過結構化列表來表達和顯示，結構化列表一般包括變量名稱、類型、關聯對象、變量值和狀態(tài)等內容，如位置公差屬性列表，包括公差名稱、公差類型、被測對象的幾何類型及編碼、公差值和基準代號，基準對象的幾何類型及編碼?；谀Ｐ投x的屬性信息，一般采用變量來表達。對特定信息進行屬性搜索，構建結構化列表，對信息進行顯性表達，如明細表、BOM信息，懸浮于屏幕的明細表如圖2所示。

圖2 懸浮于屏幕的明細表

4 數據組織方法

4.1 設計數據

以產品構型信息或者裝配結構層次構建結構樹節(jié)點，包括外部參照、特征、平面、坐標及骨架模型，零件模型和標注集等；以三維設計模型體現幾何信息，包括產品幾何信息與輔助幾何信息；在三維空間中，以三維標注與三維模型的幾何元素相關聯來表達尺寸信息，包含幾何尺寸、公差及表面質量要求等；三維標注按照視圖及圖層進行組織管理，并按照對應幾何特征的三維標注在視圖和圖層中的可視程度進行劃分；以附屬于三維設計模型的參數變量來表達屬性信息，包括產品材料、數量和技術標準等，設計數據三維標注如圖3所示。

圖3 設計數據三維標注

4.2 仿真數據

仿真數據包括仿真設計模型及有限元分析模型，仿真設計模型宜采用三維標注的形式表達載荷信息、約束信息等，材料信息通過屬性的方式表達。有限元分析模型宜能夠獲取仿真設計模型中的外部作用力和壓力、位移載荷、重力及溫度載荷、隨機風荷等信息。有限元分析結果數據一般采用變形動畫、等值線、云圖(位移云圖、應力云圖等)和最大位移等可視化手段進行組織和顯示。

4.3 工藝數據

工藝數據包括工藝模型及工藝信息，并以工藝模型樹及工藝規(guī)程樹進行管理，工藝模型樹包括構型特征、裝配零件模型和標注集等；工藝規(guī)程樹包括工藝、工序、工步、關聯的特征、關聯的標注集、關聯的模型、設備資源和工裝夾具等；工藝模型應包括表達整個工藝過程的工藝、工序和工步對象的特征、模型和標注，且能夠派生出表達整個工藝過程的二維工程圖或者工序/工步模型。工藝信息應按照類別采用三維標注和屬性參數等形式與工藝模型關聯表達，如工藝尺寸、基準、表面結構要求和機加工藝信息框格等三維標注以及產品名稱、圖號、材料和重量等屬性信息。應對典型工藝數據按照合適的組織形式進行結構化管理，以便實現快速解析借用。

4.4 檢驗數據

以檢驗過程中各要素構建檢驗規(guī)程樹，包括檢驗工序、工步、檢驗對象(關聯的檢驗幾何特征或模型)、檢驗項目、檢驗方法、檢驗要求和檢驗工量具等；檢驗模型由工藝模型派生而來，添加檢驗信息，并根據檢驗項目類別的不同采用不同的表達形式，如檢驗尺寸、精度、表面質量等信息采用三維標注；檢驗幾何模型在PDM中進行版本管理。應對其進行結構化組織和管理，支撐數字化檢驗設備對檢驗信息的解析和提取。

4.5 維修數據

以維修方案和維修對象進行采用合適的組織方式進行組織和構建，在面向維修的交互式電子技術手冊(IETM)設計過程中能夠繼承相應的維修信息，如虛擬人維修、零件的裝配/拆卸等維修操作，通過動畫的形式組織。

5 標注集的顯示

5.1 視圖方向自動更新可選擇

對于文字類、尺寸類和符號類三維標注，在當前視圖方向，正面顯示。當視圖方向旋轉180°后，顯示為三維標注的背面，不利讀信息。要求視圖方向更改后，用戶決定三維標注是否自動更新顯示方向。

5.2 排列方式可調整

應能夠對全局三維標注進行顯示整理和位置的排列，在同一標注平面上，提供多種排列方式如左對齊，居中對齊、右對齊和縱向間距分布等。

5.3 樣式屬性可拷貝

根據相關標準要求，同類信息的屬性樣式要統(tǒng)一，如字體大小、字體類型等，具有屬性樣式批量設置，以及拷貝目標格式的功能。

5.4 內容方向可變更

三維標注中存在一部分文本和尺寸類信息，其顯示有方向性，應當具有快速變更文本或者尺寸方向的功能，而無需重新定義標注平面和標注方向。

5.5 陰影顯示可實現

在不可避免情況下被模型部分遮擋時，應當能夠實現三維標注陰影顯示。即在既定方向下，被模型部分遮擋的三維標注的尺寸線、尺寸界線、尺寸文本、指引線等應當用區(qū)別于三維標注本身的顏色顯示，如灰色顯示，而不應不可見。但三維標注被模型完全遮擋時，不宜采用三維標注陰影顯示，建議更換視圖方向或者移動三維標注位置。

5.6 位置網格可定位

放置標注時，在標注平面上顯示網格，方便對標注位置進行準確定位，如尺寸標注時，尺寸文本無法自動放置尺寸線的中間位置。

6 結束語

隨著MBD技術的深入應用，如何利用三維模型對產品進行數字化定義，已成為熱點研究問題?，F階段，對產品定義數據沒有有效的組織方法，缺乏統(tǒng)一的顯示規(guī)則，已成為基于三維模型的產品數字化定義技術應用及發(fā)展的瓶頸。通過梳理MBD環(huán)境下機械產品數據的組織原則、要求、手段和方法，為商業(yè)軟件的開發(fā)提供了指導，也為MBD技術的深入應用提供了基礎支撐。

[1] 馮國成,梁艷,于勇，等.基于模型定義的數據組織與系統(tǒng)實現[J].航空制造技術,2011(9):62-66.

[2] 任啟振,葛建兵了,陳才.MBD數據集的數字化定義[J].航空科學技術,2012,(5):63-65.

[3] 程五四,陳帝江,張紅旗.MBD技術標準化及應用研究[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2013,(9):14-16.

[4] 機械加工工藝信息三維標注規(guī)范(報批稿)[S].全國技術產品文件標準化委員會.

[5] 程五四,陳興玉,張祥祥,等.面向三維工藝的產品設計制造信息三維標注研究[J].中國制造業(yè)信息化,2012,(9):51-55.

Research on the Data Organization Method for Mechanical Products Under MBD Environment

CHENGWusi,ZHANGHongqi

(China Electronics Techology Group Gorporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China)

The abuses of traditional developing pattern have overcome by MBD,but in MBD application, the measures of data organizing, saving and obtains have lacked because of great variety of data.To resolve the difficulties of data organization under MBD environment, data classes and expression forms have discussed，many data organization approach have given including structure tree，layer，views，layer list and so on. Finally, requirements of various data organization have provided.

model based definition;data organization;annotations sets

2014-08-07

國防基礎科研重大項目(A1120131044)；國家科技支撐計劃資助項目(2012BAF12B03)；國防技術基礎計劃資助項目(Z312012B001;B3120131100)

TP391;TN95

A

1001-2257(2014)11-0030-04

程五四男，(1985-)，安徽桐城人，碩士，助理工程師，研究方向為數字化設計與制造、數字化工廠。