王洪申,王道俊

(蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

基于模型定義(model based definition,MBD)的技術(shù)是全三維制造的基礎(chǔ)，自波音公司成功地將MBD技術(shù)應(yīng)用于波音787制造取得巨大成功后，該項技術(shù)得到了充分重視和廣泛應(yīng)用[1].MBD技術(shù)通過將產(chǎn)品的尺寸、公差、制造要求等相關(guān)工程語義信息直接集成到三維模型上，從而拋棄了二維工程圖的束縛，真正實現(xiàn)了全三維制造，進而實現(xiàn)了制造過程的無紙化[2-3].產(chǎn)品的MBD在產(chǎn)品生命周期各階段的仿真中扮演著重要的角色[4].

目前，國內(nèi)大多數(shù)研究在采用國外主流CAD軟件系統(tǒng)的二次開發(fā)來擴展其MBD功能的基礎(chǔ)上開發(fā)自己的系統(tǒng).如楊萍等[5]采用Pro/E軟件為平臺，建立符合國家標(biāo)準的三維標(biāo)注特征庫.盧一帆等結(jié)合MBD技術(shù)和NX軟件環(huán)境，研究了復(fù)雜產(chǎn)品信息定義情況下的標(biāo)注顯示問題[6].杜福州等[7]基于MBD技術(shù)和CATIA環(huán)境，實現(xiàn)航空產(chǎn)品首件檢驗過程的信息化、數(shù)字化.自MBD技術(shù)提出，國際上各CAD軟件公司都在自己的主打軟件產(chǎn)品中增加了該項功能,如NXUG、CREO、SOLIDWORKS等.

在標(biāo)注二維零件圖尺寸時，應(yīng)力求做到正確、完整、清晰、合理地標(biāo)注零件在制造和檢驗時所需要的全部尺寸[8].對于MBD三維標(biāo)注也應(yīng)該做到以上要求.三維標(biāo)注數(shù)據(jù)的要素應(yīng)完整且符合產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)要求[9].而目前主流商用三維CAD系統(tǒng)軟件中，MBD功能普遍缺乏標(biāo)注正確性與合理性檢驗(如表1所示).隨著三維模型上標(biāo)注內(nèi)容的增加，很容易出現(xiàn)重復(fù)標(biāo)注、錯誤標(biāo)注、不符合工程應(yīng)用背景等問題，給后繼加工規(guī)劃、制造等工作帶來嚴重的阻礙.

表1 商用CAD軟件三維標(biāo)準中的問題

本文基于尺寸標(biāo)注規(guī)范，依據(jù)標(biāo)注準則，基于開源幾何造型庫OpenCASCADE編寫了自己的MBD數(shù)據(jù)的三維尺寸標(biāo)注系統(tǒng).該系統(tǒng)可以實現(xiàn)三維標(biāo)注功能，并能對用戶標(biāo)注的正確性、合理性做出智能判斷，對錯誤的標(biāo)注給用戶實時提示.

1 基于OpenCASCADE的三維標(biāo)注結(jié)構(gòu)模型

1.1 三維標(biāo)注與實體對應(yīng)的關(guān)系

OpenCASCADE是一個三維幾何造型開源庫，是基于OpenGL由C++開發(fā)設(shè)計類庫[10].在三維標(biāo)注方面，OCC只能實現(xiàn)三維模型上線性尺寸和角度尺寸標(biāo)注，但是無法標(biāo)注上下偏差、形位公差和粗糙度.需要使用者自己從OCC相關(guān)基礎(chǔ)類繼承.

基于OCC已有的尺寸標(biāo)注功能，結(jié)合OCC中描述三維模型的特征、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及尺寸標(biāo)注信息自身的特點[11]，本文設(shè)計了一種基于OCC構(gòu)建三維標(biāo)注的框架和實現(xiàn)方法.

實體的特征面具有粗糙度、基準、形狀公差和位置公差等基本屬性，如圖1所示,在標(biāo)注中應(yīng)對正確性進行校驗并給出提示.例如一個面被標(biāo)注上了粗糙度，再標(biāo)注就會產(chǎn)生沖突提示，不會產(chǎn)生過定義的狀態(tài).基準屬性也是如此，對于已經(jīng)產(chǎn)生的基準或者面上已經(jīng)附帶的基準，在軟件讀取時也能準確了解.形狀公差和位置公差的各個類型也將對應(yīng)成相關(guān)屬性，方便檢測不匹配的屬性或者是過定義的狀態(tài).

圖1 三維標(biāo)注與實體的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 The correspondence between 3D annotation and solid

1.2 三維標(biāo)注的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照三維標(biāo)注數(shù)據(jù)特點并結(jié)合OCC相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計三維標(biāo)注的總體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),如圖2所示.一個文件只有一個根標(biāo)簽，代表文件本身，一個文件下有n個體標(biāo)簽，為便于將來擴展成裝配體，故設(shè)多個體標(biāo)簽.每個體標(biāo)簽儲存有該零件的三維模型，在體標(biāo)簽下存在一個尺寸根標(biāo)簽和面根標(biāo)簽.

尺寸根標(biāo)簽下面的k個尺寸標(biāo)簽分別儲存了引用的對象和各自尺寸的相關(guān)屬性.將尺寸標(biāo)注信息作為圖元的屬性，與相應(yīng)的圖元綁定.尺寸標(biāo)注中，有的尺寸僅涉及單個對象，如圓柱面直徑或半徑、球面直徑或半徑、圓錐面的角度等.但有的尺寸涉及兩個對象，如兩平行平面間的距離、兩相交平面之間的角度等，此時可將該標(biāo)注內(nèi)容歸屬為用戶選擇的第一個圖元，當(dāng)該圖元消失，對應(yīng)的尺寸消失，而尺寸的另一個圖元消失時，提示尺寸出錯.

圖2 三維尺寸標(biāo)注總體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Data structure of 3D annotation

面的根標(biāo)簽下面的m個面標(biāo)簽儲存了自身幾何對象的引用和各個標(biāo)注數(shù)據(jù)子標(biāo)簽，有粗糙度標(biāo)簽、基準標(biāo)簽、形狀公差標(biāo)簽、位置公差標(biāo)簽.面是制造中主要加工對象，而且包含了線和點的信息，所以本文以面作為標(biāo)注對象，標(biāo)注內(nèi)容與面對象綁定.

粗糙度和基準對于每一個面是唯一的，用單個標(biāo)簽儲存數(shù)據(jù).形狀公差和位置公差下存在各種公差類型，設(shè)立相應(yīng)的根標(biāo)簽管理.各個標(biāo)注數(shù)據(jù)標(biāo)簽只是各個標(biāo)注中存在的數(shù)據(jù),加以整理分別對應(yīng)地映射到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中.其中復(fù)雜的是位置公差，除了自身的基本數(shù)據(jù)之外，還涉及到基準面的引用問題.以位置公差的數(shù)據(jù)為例展開分析，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

位置公差根標(biāo)簽之下有n個位置公差標(biāo)簽，在每個位置公差標(biāo)簽中儲存著相應(yīng)的基本數(shù)據(jù)，如位置公差類型等.關(guān)于基準的引用，由于不同位置公差的類型對應(yīng)不同基準的數(shù)目和類型，因此建立一個根標(biāo)簽管理不同數(shù)目的基準.

1.3 三維標(biāo)注校驗

保證三維標(biāo)注信息的正確性涉及到四個方面：已有的三維標(biāo)注數(shù)據(jù)信息、已綁定三維標(biāo)注數(shù)據(jù)信息的對象、待添加的三維標(biāo)注數(shù)據(jù)信息和待綁定三維標(biāo)注數(shù)據(jù)信息的對象.對于整個保證三維標(biāo)注數(shù)據(jù)的準確、唯一和完整的過程分為五個步驟，如圖4所示.

圖3 位置公差的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖4 三維標(biāo)注的校驗過程

1) 數(shù)據(jù)的基本校驗.目的是保證數(shù)據(jù)元素完整和數(shù)據(jù)準確，涉及自身的一些基本原則的校驗，例如極限值上限大于下限，不該小于零的極限值不能小于零等.

2) 檢查已有的數(shù)據(jù)中引用數(shù)據(jù)是否存在.例如位置公差用到該基準對象時需要生成引用關(guān)系,當(dāng)刪除基準時，對應(yīng)的位置公差對象也應(yīng)該進行提示和銷毀，以保證數(shù)據(jù)準確.

3) 檢查待標(biāo)注數(shù)據(jù)的類型在已有數(shù)據(jù)中該類型是否存在.例如在同一個對象上有時可以標(biāo)注多個形位公差，但是同一形位公差不能無限制的標(biāo)注，因此在標(biāo)注之前應(yīng)先檢查其類型的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)存在.

4) 檢查待標(biāo)注對象和已有對象是否存在沖突.例如當(dāng)使用已經(jīng)使用過的基準代號時應(yīng)該出現(xiàn)提示，或者只提供給操作者“剩余”選擇，以控制基準代號不沖突.為某一個面添加基準，需要先知道該面是否被標(biāo)注基準,具體做法是先在數(shù)據(jù)中找到該面的數(shù)據(jù)節(jié)點，查找其基準是否存在.不存在則說明沒定義，可添加；存在則表示已定義，提示沖突.同樣在創(chuàng)建形位公差以及粗糙度時也應(yīng)該進行類似的檢驗.

5) 確定對象類型是否匹配.例如當(dāng)我們對一個圓柱面標(biāo)注平面度、或者對一個平面標(biāo)注圓柱度時，應(yīng)該檢測對象類型是否匹配該數(shù)據(jù)，不符合時系統(tǒng)應(yīng)做出相應(yīng)的提示.

2 基于OpenCASCADE三維標(biāo)注及校驗的實現(xiàn)

2.1 軟件框架的設(shè)計

軟件采用面向?qū)ο笤O(shè)計的技術(shù)進行設(shè)計，主要包括四個模塊：CAD模型數(shù)據(jù)交換模塊、文檔存儲取模塊、顯示模塊和人機交互模塊，如圖5所示.

圖5 三維標(biāo)注系統(tǒng)框架Fig.5 The framework of 3D annotation system

CAD數(shù)據(jù)交換模塊支持其他三維軟件CAD零件導(dǎo)入，解析成OCC基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后供其他模塊使用.CAD數(shù)據(jù)交換模塊被設(shè)計成了一個簡單的工具類，支持STEP和IGES表達的三維模型文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出.

文檔存儲取模塊實現(xiàn)標(biāo)注信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并記錄所標(biāo)記的三維標(biāo)注信息，可實現(xiàn)標(biāo)注信息校驗.文檔存儲取模塊的類都是定義在一個“MBD”抽象類的基礎(chǔ)上，MBD_DOC為根節(jié)點，管理所有三維標(biāo)注信息的存取，同時給顯示提供遍歷接口.該類能夠為導(dǎo)入文檔的所有三維零件添加本文設(shè)計的實體標(biāo)注類(MBD_Solid)節(jié)點，儲存在自身鏈表里，通過鏈表管理所有的MBD_Solid節(jié)點.MBD_Face節(jié)點是描述著零件面特征的二級子節(jié)點，其下面管理著關(guān)于特征面的所有MBD屬性信息，這里包括粗糙度、基準信息、形狀公差信息和位置公差信息.

顯示模塊主要包括零件三維模型、三維標(biāo)注圖形的顯示和管理[12]，并添加接口使得交互模塊能夠通過鼠標(biāo)點擊界面對三維模型的標(biāo)注進行查詢、修改操作.

人機交互模塊是一個綜合的模塊，通過在MFC的相關(guān)交互代碼中添加能夠操作三維模型和標(biāo)注的部分，以對話框的形式交換標(biāo)注信息等.

2.2 運用OCAF對三維標(biāo)注文檔的存儲和讀取

三維標(biāo)注文檔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是建立在OCC應(yīng)用程序框架(Open CASCADE Application Framework，OCAF)基礎(chǔ)之上的，其存儲結(jié)構(gòu)按照三維標(biāo)注數(shù)據(jù)模型進行設(shè)計.OCC的OCAF數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以樹狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，為其提供了單一環(huán)境，支持二進制和XML兩種儲存格式.XML便于傳輸?shù)奶攸c為相關(guān)信息在互聯(lián)網(wǎng)上傳遞提供了有利的條件.

OCAF的MBD信息通過MFC對話框錄入，標(biāo)注成功的信息先儲存在臨時結(jié)構(gòu)中，最后通過OCC中OCAF的保存儲存在二進制文件或者XML中.

2.3 OCC三維標(biāo)注數(shù)據(jù)顯示和交互

系統(tǒng)基于MFC，為實現(xiàn)程序創(chuàng)建不同的對話框和工具欄,以滿足程序的各種功能需求.主要的工具欄有拓撲選擇工具欄、MBD信息標(biāo)注工具欄.拓撲選擇工具欄用來選擇操作的點、線、面和體，MBD信息標(biāo)注工具欄用來標(biāo)注,如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)主要工具欄

3 效果檢驗

在構(gòu)建好的標(biāo)注信息層次模型的基礎(chǔ)上，針對目前商用的缺點，基于 MFC和OCC編寫了相應(yīng)的三維標(biāo)注軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了標(biāo)注校驗和錯誤提示功能.

3.1 粗糙度的標(biāo)注

標(biāo)注步驟，點擊相應(yīng)的工具欄圖標(biāo)，對話框填好標(biāo)注參數(shù)，然后打開拓撲選擇工具中的面選擇，點擊面上的標(biāo)注位置，實現(xiàn)如圖7所示的標(biāo)注.如果再次點同一個面的同一個區(qū)域就會提示“已標(biāo)注”，防止對該面的粗糙度重復(fù)定義.

圖7 粗糙度標(biāo)注Fig.7 Roughness annotation

3.2 形狀公差的標(biāo)注

如圖8所示，在標(biāo)注過程中如果對同一個面標(biāo)注圓柱度，則提示該面已經(jīng)標(biāo)注過圓柱度，值是多少.其次，對不是圓柱面的面標(biāo)注圓柱度時，提示“該面不是圓柱面”.

圖8 形狀公差標(biāo)注

3.3 基準的標(biāo)注

如圖9所示，為保證基準代號的使用是唯一的，系統(tǒng)在創(chuàng)建新的基準時，會檢索已經(jīng)用掉的基準代號，只提供剩下的基準代號，這樣保證同一個基準代號不會出現(xiàn)第二次.其次是對已有基準的對象添加基準時會提示該對象已有的基準.

圖9 基準標(biāo)注Fig.9 Datum annotation

3.4 位置公差的標(biāo)注

位置公差標(biāo)注關(guān)鍵是基準引用問題,根據(jù)已有的基準供用戶選擇.對于不同的公差類型，引用的基準類型要匹配，只有對象和基準的特征匹配才能標(biāo)注成功，否則標(biāo)注失敗，并提示,如圖10所示.操作1是在平面標(biāo)注同軸度，會提示“該面沒有回轉(zhuǎn)軸”.操作2是以基準B為基準標(biāo)注同軸度，操作中系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，雖然是在圓柱面標(biāo)注同軸度，但是檢測到基準B不是一個具有回轉(zhuǎn)軸的對象，因此給出錯誤提示.對于位置公差的標(biāo)注也同樣存在唯一性檢測，對已有類型位置公差進行標(biāo)注會提示該對象已有位置公差.

圖10 位置公差標(biāo)注

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)在主流商用CAD軟件功能中三維標(biāo)注模塊在使用過程中表現(xiàn)出的缺點，基于OCC的原有尺寸標(biāo)注模塊，通過繼承和派生面向?qū)ο蟮姆椒ǎ黾恿嘶跇?biāo)注的形位公差、基準和粗糙度標(biāo)注功能模塊.并且設(shè)計了內(nèi)部數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，初步實現(xiàn)了標(biāo)注數(shù)據(jù)的準確性、唯一性、元素完整性的智能校驗，保證了標(biāo)注的預(yù)警，提高了標(biāo)注系統(tǒng)的智能性.同時能將標(biāo)注信息以XML格式存取，為進一步研究產(chǎn)品智能數(shù)字化裝配打下了良好的基礎(chǔ).