北京航天控制儀器研究所□胡權威 張曉玲 惠宏超

首都航天機械公司□魏

三維建模技術的不斷成熟，使得三維產(chǎn)品的完整并且準確的定義成為可能。三維模型作為產(chǎn)品數(shù)字化定義的核心內(nèi)容，形象逼真地表達了產(chǎn)品的外觀形狀，而產(chǎn)品的屬性信息、管理數(shù)據(jù)信息等非圖形化信息也需要圍繞三維模型以結構化的形式表達，從而使產(chǎn)品數(shù)字化定義達到完整并且易用的程度。隨著數(shù)字產(chǎn)品定義 （Digital Product Definition,DPD）的發(fā)展，表達方式由之前二維工程圖逐漸發(fā)展為三維模型。三維建模技術的不斷成熟，使得對三維產(chǎn)品完整并且準確定義成為可能。隨著ASME Y 14.41:2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī)范》的出臺，產(chǎn)品數(shù)據(jù)集和參考文檔相應的要求逐漸被建立，該規(guī)范也成為基于模型的定義 （Model Based Definition,MBD）基本規(guī)范要求的前提。隨后，ISO組織基于ASME Y 14.41制定了ISO 16792:2015《技術產(chǎn)品文件 數(shù)字產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》標準，對三維標注提出的全面規(guī)范，使得三維產(chǎn)品定義技術的應用得到了全面發(fā)展，該標準在波音公司的飛機項目中得到廣泛使用；從波音737項目開始，該技術被波音公司應用和實施到整個生產(chǎn)過程，到波音787飛機項目時，波音公司要求其合作企業(yè)采用MBD模型作為整個產(chǎn)品制造過程中的惟一依據(jù)。

在基于MBD的產(chǎn)品定義過程中，產(chǎn)品信息被賦予在三維模型中，三維標注信息的復雜程度可能會產(chǎn)生 “刺猬”現(xiàn)象，影響可讀性，本文從提高三維標注信息管理能力的角度，研究在Pro/E環(huán)境下基于層樹、層、定向和組合視圖的標注信息協(xié)同控制方法，實現(xiàn)產(chǎn)品信息的規(guī)范性管理。

1 基于MBD規(guī)范的三維產(chǎn)品定義

基于DPD規(guī)范對MBD數(shù)據(jù)集的定義，形成如圖1所示的MBD數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容。MBD模型包含設計模型、標注以及屬性三部分內(nèi)容。其中，設計模型是以圖形化方式進行表達，由簡單幾何元素組合構成的三維模型；通常情況下，設計模型利用點、線、面、坐標系統(tǒng)等幾何元素構建輔助幾何與模型幾何，最終通過模型幾何以及輔助幾何形成三維實體，從而描述產(chǎn)品的幾何形狀信息；同時，設計模型中還包括一些工程說明以及關聯(lián)的設計數(shù)據(jù)。標注信息主要包括精度要求、尺寸公差、符號注釋等信息，此類信息一般直接附著在三維模型中，不需要外部處理即可呈現(xiàn)，利用標注主要描述生產(chǎn)要求所必須的約束信息。屬性信息主要指產(chǎn)品的內(nèi)置信息，例如分析數(shù)據(jù)、測試需求以及原材料規(guī)范等，通過此類信息定義產(chǎn)品以及產(chǎn)品特征的相應內(nèi)容。

圖1 MBD模型的內(nèi)容

通過對MBD數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容分析可知，一個完整的MBD零件模型可以概括為幾何信息和非幾何信息，圖2所示為MBD零件模型的信息分類。從圖2中可以看出，幾何信息由設計模型（由簡單幾何元素及模型幾何和輔助幾何形成）、坐標系統(tǒng)以及關聯(lián)設計數(shù)據(jù)組成。非幾何信息則由標注 （精度要求、尺寸公差、符號注釋等）、屬性信息 （原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測試需求等）以及工程說明信息 （標注注釋、零件注釋、標注說明等）組成。

圖2 MBD零件模型的信息分類

在三維CAD系統(tǒng)中，MBD零件模型的幾何信息一般以圖形化的方式表達在三維模型中，而非幾何信息以文字的方式附在幾何模型上或者直接存在于產(chǎn)品結構樹中。同時，在實際的應用中，MBD零件模型的幾何信息和非幾何信息可以根據(jù)MBD數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容，按照企業(yè)的需求在內(nèi)容或形式上進行擴充和重組，但是不能影響數(shù)據(jù)的完整性及結構的統(tǒng)一性。

2 Pro/E三維零件結構樹

零件模型是零件制造的依據(jù)，圖3所示是基于Pro/E模型的結構樹，模型的幾何以及非幾何信息都存在于結構樹中。對于任何三維模型，零件幾何體、坐標系系統(tǒng)是零件類模型所必須的，分別用來描述產(chǎn)品的幾何形狀、相對空間位置關系。注釋包括零件注釋、通用注釋等用來描述模型的字符型信息。而標注集則描述精度要求、尺寸公差等信息。

（1） 坐標系

在Pro/E中，坐標系包括FRONT（xy平面）、RIGHT （yz平面）、TOP （zx平面） 和軸系中的絕對軸系統(tǒng)，坐標系是建立三維模型的參考基準。

圖3 產(chǎn)品規(guī)范結構樹

（2） 零件幾何

零件幾何是在Pro/E建模過程中產(chǎn)生的所有與幾何相關的數(shù)據(jù)，不僅包含最終零件實體形狀的零件模型幾何體，主要指建模過程中生成的一系列特征，是產(chǎn)品的主幾何體；同時，根據(jù)需要在主幾何體會延伸出一些輔助幾何體，如引用的點、線、面等。

（3） 注釋

注釋用來描述零件注釋、通用注釋等相關信息。其中，通用注釋用于整個模型的文字注釋，不要求關聯(lián)性，一般應包括企業(yè)標識、知識產(chǎn)權、密級控制、生產(chǎn)控制、出口控制和模型注釋等；通用注釋用來描述公差、表面粗糙度、熱處理等的注釋內(nèi)容。

（4） 標注集

基于MBD的全三維模型包含了與幾何模型關聯(lián)在一起表示的各類標注信息，即標注集，有基準、尺寸、幾何公差等，它們表達了零件或產(chǎn)品的特殊非幾何制造信息。為了統(tǒng)一高效管理這些標注信息，便于制造、檢驗過程中接收和采集下游信息的順暢，需要對全三維模型中的標注信息進行集中管理。

3 Pro/E三維標注信息的組織和管理

采用Pro/E進行三維標注的實質(zhì)是對二維工程圖紙的擴展，是將二維圖中的尺寸、公差、粗糙度、基準和相關技術要求等信息在三維實體中標注，標注的結果都存在于零件結構樹中。對于結構復雜的零件，標注尺寸多而復雜，容易出現(xiàn)標注混亂而且不易讀懂，因此需要研究標注信息的組織和管理方法。在Pro/E中，為了方便對零件信息的查看，通過圖層和視圖可以進行標注信息的管理。通過選擇不同的視圖，用戶可以方便地對三維模型進行觀察，而圖層則能有效地管理組織特征、組件中的零件?？刂茍D層的隱藏與顯示，能控制三維模型特征和標注信息的顯示與隱藏。本文進行三維標注信息的組織和管理研究中，主要針對指圖3中的注釋和標注集。

（1）三維標注信息的定義方法

在Pro/E中進行三維標注時，首先為標注信息定義注釋平面，注釋平面通常在三個基本平面 （xy平面/yz平面/zx平面）的基礎上通過偏移/旋轉等操作建立，然后根據(jù)添加的標注類別進行標注內(nèi)容添加，三維標注信息的定義方法如圖4所示。

（2）三維標注信息的組織與管理方法

采用三維標注信息的定義方法進行三維標注時，需要對標注信息進行組織，本文采用基于層樹、層、定向和組合視圖的協(xié)同控制方法進行標注信息管理，如圖5所示。

為對標注進行顯示控制，對層樹、層、定向和組合視圖的定義建立如下規(guī)則，其中圖6所示為該規(guī)則下的層樹、層、定向和組合視圖構建實例。

圖4 三維標注信息的定義方法

圖5 三維標注信息的組織與管理方法

1）Pro/E模型樹下建立的標注信息命名按照 “注釋”、 “視圖1”、 “視圖2”、 ……、 “剖視1”、 “剖視2”、……的方式來命名；在層樹的命名上，分別采用 NOTE、SECTION1、SECTION2、……、VIEW1、VIEW2、……等方式命名； “層”、 “定向”、 “全部 （組合視圖）”的命名應該和標注信息命名方式一樣；同時在“層”、 “定向”、 “全部 （組合視圖）” 分別建立“無標注”項目，用來展示不帶標注的三維模型。

2）模型樹下的標注信息與 “層樹”、 “層”、“定向”以及 “全部 （組合視圖）”應具有完全的對應關系。如模型樹下的 “視圖1”信息完全存在于層樹 “VIEW1”下，層樹 “VIEW1”下標注信息通過 “層”下的 “視圖1”來控制其顯示或隱藏 （當 “層”激活 “視圖1”時，只顯示模型樹下視圖1的標注信息），同樣 “定向”下的“視圖1”表示該視圖所采用的定向方向， “全部 （組合視圖）”下的 “視圖1”是最終的呈現(xiàn)結果，它關聯(lián)視圖1的 “定向”以及 “層”；以此類推， “NOTE” 與 “注釋” 對應， “SECTION1”、 “SECTION2”、 “SECTION3” 分別與 “剖視1”、 “剖視2”、 “剖視3” 對應。

3）模型樹下建立的標注信息，應在同一個標注方向上完成所有相關信息的添加。例如模型樹的 “視圖1”應該在 “定向”中的 “視圖1”方向標注完所有內(nèi)容，模型樹的 “視圖2”應該在 “定向”中的 “視圖2”方向標注完所有內(nèi)容。

圖6 層樹、層、定向和組合視圖構建實例

4 三維標注信息組織和管理實例

本文基于協(xié)同標注信息管理方法，開發(fā)了功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在Pro/E軟件中自動添加滿足前面所定義規(guī)則的層樹、層、定向和組合視圖，同時實現(xiàn)層樹、層、定向和組合視圖之間標注信息的自動匹配，圖7所示為標注信息的組織和管理應用實例。

圖7 層樹、層、定向和組合視圖構建實例

5 結論

隨著MBD技術在企業(yè)的廣泛應用，三維標注信息的組織和管理方法研究是一個重要研究方向。本文在MBD理論上，利用層樹、層、定向和組合視圖協(xié)同控制Pro/E三維標注信息，并開發(fā)了相應工具，實現(xiàn)了產(chǎn)品定義信息在三維模型中的有效管理。最后，基于實例進行了驗證，為企業(yè)三維標注信息的規(guī)范化應用提供了依據(jù)。