基于CATIA的產(chǎn)品定義信息三維表達(dá)及組織方法

王境宇，鄧立營

WANG Jing-yu1,DENG Li-ying2

（1. 沈陽理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，沈陽 110159；2. 北方重工集團(tuán)有限公司 盾構(gòu)機(jī)分公司，沈陽 110141）

0 引言

數(shù)字化定義技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展正迅速改變著制造業(yè)的工作模式和應(yīng)用體系。從產(chǎn)品設(shè)計的方法和手段來看，產(chǎn)品定義技術(shù)從手工工圖到二維CAD技術(shù)，再到三維建模技術(shù)，實現(xiàn)了從平面投影技術(shù)到全三維實體模型數(shù)字樣機(jī)以及完整數(shù)字化產(chǎn)品定義的轉(zhuǎn)變，并越來越多地依賴計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來完成產(chǎn)品性能以及制造能力的分析和驗證[1,2]。三維建模技術(shù)是一項所見即所得的數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)，它直觀地表達(dá)出了產(chǎn)品真實的三維實體結(jié)構(gòu)。但當(dāng)前的三維建模技術(shù)只能解決結(jié)構(gòu)形狀信息的表達(dá)問題，而不能表達(dá)出生產(chǎn)中必須的尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法等非幾何制造信息[3～5]。因此，在當(dāng)前的三維建模技術(shù)中，三維數(shù)字化模型只是作為輔助制造依據(jù)，仍然需要將三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化成作為主要制造依據(jù)的二維工程圖[3～5]。

從1997年1月起，美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）聯(lián)合制造業(yè)巨頭共同發(fā)起關(guān)于三維標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)的起草工作。2003年7月，該標(biāo)準(zhǔn)被美國機(jī)械工程師協(xié)會批準(zhǔn)為三維建模新標(biāo)準(zhǔn)。隨后，UG、PTC、Dassault等公司將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于各自的CAD系統(tǒng)中，對三維標(biāo)注技術(shù)進(jìn)行了支持，使三維實體模型作為唯一制造依據(jù)成為現(xiàn)實。作為該項技術(shù)的發(fā)起者之一，波音公司在最新的波音787項目中首次應(yīng)用了該項技術(shù),并將它命名為MBD（Model Based Definition,基于模型的定義）技術(shù)，引起了飛機(jī)制造技術(shù)的重大變革。

三維標(biāo)注技術(shù)真正開啟了全三維數(shù)字化設(shè)計與制造時代，真正實現(xiàn)了三維數(shù)字化、無圖紙設(shè)計制造技術(shù)，使二維工程圖或工程圖紙成為歷史，即使有也不再是制造權(quán)威依據(jù)，只是在特定條件下作為數(shù)據(jù)的一種輔助表達(dá)方式。三維標(biāo)注技術(shù)的應(yīng)用將引起產(chǎn)品制造過程的根本變化，徹底改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計、制造模式，簡化產(chǎn)品設(shè)計和管理過程，充分展示數(shù)字化技術(shù)帶來的優(yōu)點。本文借鑒波音公司成功應(yīng)用三維標(biāo)注技術(shù)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，全面論述基于CATIA的產(chǎn)品信息表達(dá)與組織方法。

1 產(chǎn)品信息的三維表達(dá)方法

三維標(biāo)注技術(shù)是在三維數(shù)字化實體模型上對產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術(shù)要求等非幾何制造信息進(jìn)行組織、表達(dá)、操作管理的一項技術(shù)，它使得用一個集成的三維數(shù)字化實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息成為現(xiàn)實[4,5]。三維標(biāo)注技術(shù)下的產(chǎn)品三維數(shù)字化實體模型通過圖形和文字表達(dá)的方式，直接地或通過引用間接地揭示了一個物料項的物理和功能需求[6]。在CATIA系統(tǒng)中，可以通過標(biāo)注與屬性的方法來實現(xiàn)產(chǎn)品非幾何制造信息的表達(dá)。

標(biāo)注表達(dá)法是將產(chǎn)品非幾何制造信息通過特定符號或文本表達(dá)在三維幾何實體模型的顯示區(qū)域，它們具有與幾何特征元素一致的操作方法。在CATIA中進(jìn)行產(chǎn)品定義時，包括尺寸、公差、制造技術(shù)要求在內(nèi)的所有非幾何制造信息都可以通過標(biāo)注表達(dá)的方法將它們與幾何信息定義在幾何顯示區(qū)域中。在CATIA平臺上實現(xiàn)對零件模型中非幾何制造信息的標(biāo)注表達(dá)如圖1所示。在產(chǎn)品非幾何制造信息中，尺寸、公差、基準(zhǔn)、表面粗糙度、旗注、關(guān)鍵特性等非幾何制造信息是與產(chǎn)品特定幾何特征密切相關(guān)，因此它們需與幾何特征元素保持關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且這種關(guān)聯(lián)關(guān)系通過指引線來表達(dá)實現(xiàn)；而對制造技術(shù)要求作為對整個零件的描述，不需指引線來關(guān)聯(lián)幾何特征。

標(biāo)注表達(dá)法可以解決所有非幾何制造信息在三維模型中的定義問題。但由于非幾何制造信息種類多、數(shù)量大，將所有非幾何制造信息同時定義在實體顯示區(qū)域，會造成整個模型信息非常混亂且不利于操作與瀏覽。因此，需要將各類信息進(jìn)行歸類表達(dá)。對于以文本描述的信息通過屬性表達(dá)。屬性表達(dá)法是將以文本字符串類型的獨立參數(shù)放在CATIA三維模型結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的屬性項中，每一條屬性描述由屬性標(biāo)識名稱與屬性值組成，形式上如“屬性項=數(shù)據(jù)值”描述。在CATIA平臺上通過結(jié)構(gòu)特征樹實現(xiàn)對零件模型的屬性表達(dá)如圖1所示。在描述產(chǎn)品的非幾何制造信息中，零件管理類信息、建模說明類信息、批準(zhǔn)發(fā)放類信息、零部件技術(shù)要求及材料類信息等都適合用屬性來表達(dá)。

圖1 三維模型中的標(biāo)注與屬性表達(dá)方法

2 產(chǎn)品信息的組織管理

基于三維標(biāo)注技術(shù)的三維模型集成了以前分散在三維實體模型與二維工程圖中的所有設(shè)計與制造信息。構(gòu)建一個完整的三維模型將包括的數(shù)據(jù)元素有：關(guān)聯(lián)設(shè)計數(shù)據(jù)、實體模型、坐標(biāo)系、尺寸和公差標(biāo)注、工程說明、材料需求及其它定義數(shù)據(jù)。其中，工程說明由標(biāo)準(zhǔn)說明、零件說明、標(biāo)注說明（特殊特征工程需求有關(guān)的說明）組成。與包含圖紙的數(shù)字化定義方法不同，基于CATIA的三維標(biāo)注技術(shù)完全采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的方法來組織管理所有產(chǎn)品信息。結(jié)構(gòu)規(guī)范樹通過關(guān)聯(lián)各種類型信息結(jié)點的方法，將幾何模型、相關(guān)的幾何特征描述、相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)與附加元素融合在一起，為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對產(chǎn)品定義內(nèi)容的集成提供了接口。結(jié)構(gòu)規(guī)范樹解決了產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型眾多內(nèi)容的組織管理問題，同時考慮到系統(tǒng)的可操作性和便利性，對產(chǎn)品信息的組織定義也提出了相應(yīng)的要求。

2.1 結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的內(nèi)容

結(jié)構(gòu)規(guī)范樹采用分類集合的方法，將產(chǎn)品相關(guān)的信息分類組織，替代了傳統(tǒng)意義的層表和層表過濾器。通過在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹上的選取，則可以快速獲得相關(guān)的產(chǎn)品定義信息。對于任何三維模型，都包括Standard Notes、Part Notes、Annotation Notes、Approval Status類型結(jié)點，用來組織產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的字符型描述信息。PARTBody、Axis Systems、Material Description類型結(jié)點是零件類三維模型所必需的，分別用來描述產(chǎn)品的幾何形狀、相對空間位置關(guān)系與零件材料說明。Joint Definitions、Shim Definitions、Sealant Definitions結(jié)點是裝配安裝類三維模型必需的，用來描述產(chǎn)品零件之間的裝配連接關(guān)系與工藝要求。而其它如External References、Construction Geometry、Engineering Geometry、Reference Geometry、Annotation Set、Datum Targets、Publication等常用類型結(jié)點則根據(jù)各類具體三維模型的實際需要采用。另外，設(shè)計人員可以根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)增加其它特殊類型的組織結(jié)點。表1列出了完整的三維模型結(jié)構(gòu)規(guī)范樹結(jié)點類型。

表1 結(jié)構(gòu)規(guī)范樹結(jié)點類型

2.2 相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)的要求

2.2.1 工程幾何（Engineering Geometry）

工程幾何信息是對最基本并必需的建模元素的定義，是整個模型建立的基礎(chǔ)，其中主要包括坐標(biāo)系統(tǒng)與基準(zhǔn)面兩類。任何一個零件在產(chǎn)品都具有確定的位置關(guān)系，這種空間位置關(guān)系在產(chǎn)品數(shù)字化定義系統(tǒng)中通過坐標(biāo)軸系統(tǒng)來描述。當(dāng)零件在一個具有上下文設(shè)計關(guān)系的環(huán)境中定義時，零件模型默認(rèn)的原點表示設(shè)備或產(chǎn)品坐標(biāo)系統(tǒng)，并需要建立表示零件局部軸和主要基準(zhǔn)的軸系統(tǒng)，被命名為“局部軸系統(tǒng)”。當(dāng)零件非上下文關(guān)聯(lián)時，即不在上下文環(huán)境中設(shè)計時，零件模型默認(rèn)原點必須有一個絕對軸，并命名為“局部軸系統(tǒng)”。在建模、定義輔助基準(zhǔn)和制造輔助元素時，根據(jù)需要可以建立符加軸。這些符加軸應(yīng)該根據(jù)用途或目的命名。

2.2.2 外部基準(zhǔn)（External Reference）

外部基準(zhǔn)是模型中的一個關(guān)聯(lián)到其它父產(chǎn)品實例的局部幾何元素，這一局部元素是父子產(chǎn)品模型間關(guān)聯(lián)關(guān)系的載體。外部基準(zhǔn)必須隨時維護(hù)并且必須是已經(jīng)發(fā)布的全局性幾何參數(shù)。在修訂產(chǎn)品之前，所有外部基準(zhǔn)必須進(jìn)行與父產(chǎn)品的同步操作以保持最新狀態(tài)。在產(chǎn)品發(fā)放之前，要首先取消零件中的外部基準(zhǔn)的有效性，這樣做的原因在于零件具有與父產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)，而零件發(fā)放過程與父產(chǎn)品模型不是保持同步的。無效操作使得外部基準(zhǔn)數(shù)據(jù)被凍結(jié)，以確定產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)放后的狀態(tài)。

2.2.3 構(gòu)建幾何（Construction Geometry）

構(gòu)建幾何中的信息不是為了描述制造工藝等內(nèi)容而設(shè)定的，而是用來保存建模過程中的必需信息，即在外部基準(zhǔn)信息與工程幾何信息的基礎(chǔ)上構(gòu)建模型所需的中間幾何數(shù)據(jù)。這些附加的特征屬性必須適當(dāng)?shù)拿?、組織和關(guān)聯(lián)，以便后續(xù)的用戶易于使用。構(gòu)建幾何在一般情況下定義為隱藏狀態(tài)。

2.2.4 引用幾何（Reference Geometry）

2.2.5 標(biāo)準(zhǔn)說明（Standard Notes）

標(biāo)準(zhǔn)說明不是用于描述零件，而是對知識產(chǎn)權(quán)和有關(guān)管理信息的說明，如財產(chǎn)說明和建模說明。因此，標(biāo)準(zhǔn)說明必須包含在所有的三維數(shù)模中。所有標(biāo)準(zhǔn)說明放在以“Standard Notes”命名的結(jié)點中，該結(jié)點駐留在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的主分枝上，如圖2所示。每個標(biāo)準(zhǔn)說明都有一個獨立的字符串類型參數(shù)，并將這些參數(shù)放入“Standard Notes”結(jié)點中。標(biāo)準(zhǔn)說明定義的具體內(nèi)容由設(shè)計公司決定。通常，標(biāo)準(zhǔn)說明的內(nèi)容有工程內(nèi)容概述、裝配說明、安裝要求、版權(quán)說明、企業(yè)名稱、完整性要求、尺寸公差標(biāo)注遵循的標(biāo)準(zhǔn)、通用最終處理說明、尺寸單位、數(shù)據(jù)集遵循的數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)集模型尺寸比例等。

2.2.6 零件說明（Part Notes）

零件說明是針對整個零件的制造工藝要求，包括如熱處理、零件最終處理和零件說明等信息。所有的零件說明放置在以“Part Notes”命名的結(jié)點中，并在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的主分枝上，如圖2所示。每個零件說明是一個單獨的字符串型參數(shù)。每個零件說明文本字符串一般采用這樣的格式：A|B|C。其中A為零件標(biāo)識號；B為工藝規(guī)范；C為URL。

2.2.7 標(biāo)注說明（Annotation Notes）

對于零件特定結(jié)構(gòu)特征的加工工藝需求，用標(biāo)注說明定義。標(biāo)注說明采用旗注標(biāo)識和包含一個參數(shù)的旗注定義聯(lián)合說明。旗注是與特征相關(guān)的，被放在適當(dāng)?shù)臉?biāo)注平面中，并用一根導(dǎo)引線指向被描述的相關(guān)聯(lián)特征上，是用于描述所有完成零件特征的特殊工程文本。旗注定義則是對旗注所關(guān)聯(lián)特征的加工工藝要求說明，它放在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹上以“Annotation Notes”命名的結(jié)點中。旗注名字在三維模型中有唯一的號，放在旗注符號中。描述旗注的旗注定義以特征ID號命名。特征ID是以大寫字母FL開頭、緊跟一個空格的旗注號，例如旗注1，旗注名是1和標(biāo)注說明的特征ID號是FL，如圖2所示。每個標(biāo)注說明有一個單獨的字符串型參數(shù)。每個標(biāo)注說明文本字符串一般采用這樣的格式：A | B | C| D。根據(jù)標(biāo)注說明的不同數(shù)據(jù)來源，A、B、C、D分別有不同的含義。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)說明、零件說明及標(biāo)注說明定義

3 標(biāo)注信息操作管理

全三維模型的最大特點是具有與幾何模型關(guān)聯(lián)在一起表示的各類標(biāo)注信息，如基準(zhǔn)、尺寸、幾何公差及注解，它們表達(dá)了零件或產(chǎn)品的特殊非幾何制造信息。為了便于統(tǒng)一高效管理這些標(biāo)注信息，除在幾何模型區(qū)標(biāo)注外，CATIA還對全三維模型中的標(biāo)注信息通過標(biāo)注集功能集中管理。在CATIA中，對全三維模型的各類三維標(biāo)注信息采用標(biāo)注平面（或視圖）和FT&A（Functional Tolerance & Annotation，功能性公差與標(biāo)注）捕獲面的方法來解決組織和顯示問題。標(biāo)注平面為有利于標(biāo)注信息的組織與管理，而捕獲面則有利于標(biāo)注信息的快速查找與顯示。

3.1 標(biāo)注平面

標(biāo)注平面是一個三維空間已定義的平面，其上可以定義三維標(biāo)注的信息。FT&A數(shù)量眾多，不可能在一個標(biāo)注平面中全部顯示。因此，對于不同角度與位置的FT&A，需要有不同的標(biāo)注平面。對于每個標(biāo)注平面，為了便于管理與識別，通過視圖形式來對其進(jìn)行組織，每個標(biāo)注平面采用與它所包含標(biāo)注信息相一致的最合適名稱來命名標(biāo)識，如它定義的特性與視圖的方向，并把所有標(biāo)注平面組織到結(jié)構(gòu)特征樹標(biāo)注集結(jié)點下的視圖分類結(jié)點中。對每個包含F(xiàn)T&A的標(biāo)注平面，數(shù)據(jù)集必須包含一個已命名視圖。為了下游用戶在數(shù)據(jù)集中快速游覽可以創(chuàng)建必需的多個命名視圖。如圖3所示是按視圖對標(biāo)注平面及標(biāo)注信息進(jìn)行全面管理。

圖3 按視圖標(biāo)注平面標(biāo)注信息

3.2 捕獲面

同樣，對于數(shù)量眾多的標(biāo)注平面，它們之間可能相互干涉重疊，全部顯示導(dǎo)致整個三維模型非?；靵y和不直觀，不方便制造等下游用戶使用與瀏覽。為了在三維模型內(nèi)快速查找與使用各類信息，必須采用相關(guān)方法和按照一定規(guī)則對FT&A數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和顯示管理。在CATIA系統(tǒng)中，采用捕獲面的方式來實現(xiàn)這種需求。捕獲面是CAD系統(tǒng)的一個視角方向信息記錄，它記錄了使用者從哪個最清晰的視角觀察產(chǎn)品的幾何模型。一個三維模型根據(jù)需要建立所需的捕獲面的數(shù)量，原則上以準(zhǔn)確、清晰、全面反映所有信息為依據(jù)。每個捕獲面有明確的標(biāo)識，與視圖命名類似，這種標(biāo)識應(yīng)該使用最能描述視角所反映信息的類型進(jìn)行標(biāo)識，如標(biāo)注信息的特性與類型、視角方向等。所有的捕獲面信息組織在標(biāo)注集結(jié)點下的捕獲分類結(jié)點中，以達(dá)到方便管理和后續(xù)應(yīng)用的目的，如圖4所示。

圖4 按捕獲功能分類顯示標(biāo)注信息

4 結(jié)束語

三維標(biāo)注技術(shù)摒棄二維工程圖，使三維數(shù)字化模型成為產(chǎn)品信息的唯一載體，所有工作都將在三維環(huán)境下完成。因此，在生產(chǎn)研制的各個環(huán)節(jié)中，所有技術(shù)人員或操作工人無須人工閱讀二維圖，及在大腦中形成產(chǎn)品立體模型并理解設(shè)計意圖后再進(jìn)行后繼工作，而是從三維模型中直觀地理解設(shè)計信息。這種三維的數(shù)據(jù)表達(dá)方式更能準(zhǔn)確、直接反映設(shè)計人員的設(shè)計意圖，并被其他使用人員理解，減少因數(shù)據(jù)理解不一致導(dǎo)致出錯的可能性，從而縮短研制周期，降低研制成本，將引起數(shù)字化制造技術(shù)的重大變革。

[1] 盧鵠.大型飛機(jī)的并行數(shù)字化定義技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),2007.

[2] 盧鵠,韓爽,范玉青.基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2008(3)：78-81.

[3] DEF STAN 05-10 part 2.Digital product definition information[S].London：UK,2006.

[4] 周秋忠,范玉青.MBD技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空維修與工程,2008(3)：55-57.

[5] 周秋忠.MBD技術(shù)在大型飛機(jī)數(shù)字化裝配中的應(yīng)用研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),2009.

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