面向設(shè)計制造的船用柴油機(jī)零件全三維數(shù)字化定義研究*

張 輝 張勝文 楊 戈

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

采用全三維數(shù)字化定義，可以實現(xiàn)全三維模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，完成制造依據(jù)由二維圖紙向三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)變［1－2］。其源自波音公司的 MBD(Model Based Definition)技術(shù)，在飛機(jī)制造業(yè)引起了重大變革。

近年來隨著我國航空開展國際合作，全三維數(shù)字化定義技術(shù)向國內(nèi)擴(kuò)散，西北工業(yè)大學(xué)［1－3］、北京航空航天大學(xué)［4－5］和南京航空航天大學(xué)［6］等都進(jìn)行了廣泛研究。中國電子科技集團(tuán)三十八所［7］作為電子行業(yè)的研究所也在數(shù)字化定義這一傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域開展研究，表明全三維化已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)同，是產(chǎn)品設(shè)計制造的趨勢。

本文根據(jù)船用柴油機(jī)零件特點(diǎn)，提出采用面向設(shè)計制造的基于特征和工序的全三維數(shù)字化定義方法，以實現(xiàn)基于全三維數(shù)字化模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

1 全三維數(shù)字化定義技術(shù)

實現(xiàn)基于全三維模型的數(shù)字化定義通常是在三維模型中集成制造信息等標(biāo)注，同時輔以制造文件對產(chǎn)品進(jìn)行全面描述。它取代二維圖紙成為協(xié)同設(shè)計共享中的唯一來源。

美國機(jī)械工程師協(xié)會于1997年在波音公司協(xié)助下開始進(jìn)行有關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，并于2003年7月7日使之正式成為美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASME Y14.41－2003。ISO 組織借鑒 Y14.41 標(biāo)準(zhǔn)制定了ISO16792－2006標(biāo)準(zhǔn)，為其它國家的用戶提供支持［8－10］。我國頒布了國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24734－2009《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》，這些標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的數(shù)字化產(chǎn)品定義的內(nèi)容、格式及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基本規(guī)定，但還不適合直接應(yīng)用于某項特定領(lǐng)域應(yīng)用［7］。

1.1 船用柴油機(jī)零件特點(diǎn)與全三維數(shù)字化定義

從產(chǎn)品定義發(fā)展歷程來看，全三維數(shù)字化定義是產(chǎn)品定義的趨勢。如圖1所示，從柴油機(jī)乃至廣泛的機(jī)械產(chǎn)品定義方法的發(fā)展來看，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的手工繪制圖紙，到計算機(jī)輔助二維繪圖;從計算機(jī)輔助平面制圖到三維建模、二維出圖;再從關(guān)聯(lián)性二維出圖到全三維數(shù)字化定義。

船用柴油機(jī)是典型的復(fù)雜產(chǎn)品，包含1萬多個零部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，其制造過程繁雜、工藝精度要求高［11］。與常規(guī)零部件制造相比，具有顯著的特點(diǎn)和問題:①結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造要求高，二維圖紙表達(dá)困難;②生產(chǎn)周期長、工序復(fù)雜、產(chǎn)品信息易混亂;③制造模塊多，工藝變更量大，三維模型加二維圖紙的冗余方式導(dǎo)致變更維護(hù)困難。采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的全三維數(shù)字化模型后都可以得到有效解決。但這類零件的全三維數(shù)字化定義具有特殊性，基于MBD的通用方法［6，11］不能較好地適應(yīng)這類零件的處理。

1.2 全三維數(shù)字化定義關(guān)鍵技術(shù)

全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義除需要傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)和三維顯示等技術(shù)外，還包括三維標(biāo)注技術(shù)、數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和信息提取與利用技術(shù)等。

1.2.1 三維標(biāo)注技術(shù)

三維信息標(biāo)注，是實現(xiàn)全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義的基礎(chǔ)技術(shù)，它將傳統(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)要求等信息利用三維建模軟件標(biāo)注在產(chǎn)品的三維模型空間中。如圖2所示為船用柴油機(jī)典型零件缸蓋的三維標(biāo)注實例。可見，二維圖紙中的制造工藝信息集成到了三維模型文件中。

1.2.2 數(shù)字化產(chǎn)品信息管理

船用柴油機(jī)零部件具有大量的非幾何制造信息，為了使用戶可以方便、快速地獲取各方面的產(chǎn)品信息，需要對非幾何制造信息提供有條理的組織和管理方法。從信息組織模式上，傳統(tǒng)方式是使用模型、圖紙及層表的分層管理。盧鵠等認(rèn)為可以采取基于特征樹和基于層及層表過濾器的方法［5］。

本文結(jié)合主流建模平臺實際情況，綜合采用特征樹和層及層表過濾結(jié)合的辦法，采用基于特征和工序的方法來對信息進(jìn)行管理。如圖3所示，按照面向特征設(shè)計的原則進(jìn)行信息標(biāo)注。即根據(jù)某一零件的加工制造特征，將標(biāo)注分為特征內(nèi)標(biāo)注、特征間標(biāo)注和零件整體標(biāo)注。對于較復(fù)雜的局部特征，需要采取多視圖(剖視圖)的形式來加以詳細(xì)描述。對于工序較多的特征，也可以細(xì)分為按工步的標(biāo)注方式。標(biāo)注信息與特征相互關(guān)聯(lián)，選定PMI信息則高亮顯示相關(guān)特征，符合GB/T24734.5的要求，方便用戶理解和使用。

對于船用柴油機(jī)零件，由于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多的裝配層次關(guān)系。而裝配模型文件和零件模型文件直接存在直接或間接的參數(shù)尺寸關(guān)聯(lián)。本文采取主模型這一成熟的辦法，這在NX平臺上較易實現(xiàn)。

1.2.3 信息提取與利用技術(shù)

在非幾何制造信息標(biāo)注在全三維模型文件中后，再轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可理解的形式，以方便計算機(jī)對信息進(jìn)行解析，實現(xiàn)對后續(xù)制造等過程的驅(qū)動與利用，提高自動化程度。

本文借鑒商業(yè)數(shù)據(jù)庫結(jié)合模型文件［7］的方式，利用商業(yè)數(shù)據(jù)庫和模型文件共同管理零件信息，結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)合使用，可以有效地將三維信息提取與利用起來，滿足設(shè)計制造的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源需求。

1.3 柴油機(jī)全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)路線

在上述技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，定義船用柴油機(jī)零件在全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)上設(shè)計制造的技術(shù)路線，如圖4所示。該方案首先著手于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源設(shè)計和平臺框架設(shè)計，以奠定基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的設(shè)計制造集成基礎(chǔ);其次通過參數(shù)化建模，形成三維模型數(shù)據(jù)庫，解決船用柴油機(jī)零件三維模型的質(zhì)量和規(guī)范化問題;接著，通過三維信息標(biāo)注技術(shù)研究，奠定制造依據(jù)由二維向三維轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ);第四，建立工藝數(shù)據(jù)庫和加工數(shù)據(jù)庫，解決工藝和程序問題;最后以船用柴油機(jī)典型零件汽缸蓋、連桿等為代表，開展平臺應(yīng)用驗證研究，解決可用性和穩(wěn)定性問題。

2 基于NXOpen的實現(xiàn)

目前主流的三維建模軟件均提供了三維標(biāo)注支持。本文在NX平臺上，采用NX Open二次開發(fā)的方式，實現(xiàn)全三維數(shù)字化定義基礎(chǔ)上的船用柴油機(jī)典型零件的制造技術(shù)研究。

2.1 三維標(biāo)注中的Pmi信息

NX中的PMI制造信息可以分為尺寸Dimension、輔助繪圖DraftingAid、區(qū)域剖Region、和屬性PMI Attribute等。尺寸可以分為角度尺寸和長度尺寸等。尺寸具有上下公差，同時還可以包含各種附加文字。繪圖輔助包含中心線、目標(biāo)點(diǎn)及焊接符號等。區(qū)域剖線起到類似于二維制圖中的剖視圖的作用。PMI屬性包含內(nèi)容較多，常見的有粗糙度、企業(yè)標(biāo)識、材質(zhì)信息等等。對于前述裝配體中的PMI信息管理，可以采用pmi filter方法，以控制PMI信息在裝配層次關(guān)系中的顯示，方便數(shù)據(jù)管理。

編程以面向?qū)ο蠛突谀０錝TL方式為主，以尺寸為例，代碼示例如下:

2.2 工作流程

基于全三維數(shù)字化定義的船用柴油機(jī)典型零件制造的工作流程如圖5所示。用戶首先在NX建模環(huán)境下建立柴油機(jī)零件的三維模型，并將其轉(zhuǎn)換為面向工藝設(shè)計的零件模型?；谵D(zhuǎn)換后的零件特征模型，進(jìn)行零件制造信息的標(biāo)注。在標(biāo)注時，依據(jù)規(guī)范，根據(jù)零件的特征類別，自動標(biāo)注出簡單的信息。諸如尺寸、公差、形位公差和粗糙度可以人機(jī)交互進(jìn)行。一些工序相關(guān)的流程配置如加工參數(shù)，需要讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

PMI信息全部標(biāo)注好之后，即可以進(jìn)入后續(xù)制造單元模塊，進(jìn)行PMI信息的識別和使用。如圖6所示。

3 結(jié)語

柴油機(jī)零部件制造采用全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)，可以實現(xiàn)制造依據(jù)由二維向三維轉(zhuǎn)變，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，提高信息傳遞效率，提升信息流通準(zhǔn)確性，提高快速響應(yīng)水平。進(jìn)而打通設(shè)計制造環(huán)節(jié)，提高并行協(xié)同能力，從而大幅提高設(shè)計變更的便捷性和準(zhǔn)確性，提升研制能力。本文在船用柴油機(jī)零部件制造中采取全三維數(shù)字化定義作為唯一的制造數(shù)據(jù)表達(dá)，針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提出采用基于特征和基于工序的方式安排三維標(biāo)注和數(shù)據(jù)管理，對零件的機(jī)械加工有較好的效果，但未在其他廣義加工如鑄造等方面進(jìn)行研究，作為該技術(shù)在船舶制造的一次嘗試，具有較好的應(yīng)用前景。未來可以在自動化標(biāo)注，制造信息完備性檢查等方面繼續(xù)開展研究。

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