MBD環(huán)境下機械產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織方法研究

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(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(chǎn)品數(shù)據(jù)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(shù)克服了傳統(tǒng)研制模式帶來的弊端，但在其應(yīng)用過程中，由于定義的數(shù)據(jù)復(fù)雜繁多，缺乏合理有效的數(shù)據(jù)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(chǎn)品數(shù)據(jù)的組織難題，分析了定義數(shù)據(jù)的類別和表達形式，提出了結(jié)構(gòu)樹、圖層、視圖和層表等多種數(shù)據(jù)組織手段，并給出了不同類型數(shù)據(jù)的組織要求。

MBD；數(shù)據(jù)組織；標(biāo)注集

0 引言

MBD技術(shù)是指用集成的三維模型來完整表達產(chǎn)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(chǎn)品信息，集成定義在三維實體模型中[1]。目前，GB/T 24734《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》11個部分從標(biāo)準(zhǔn)的層面對產(chǎn)品數(shù)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(biāo)注模塊，越來越多的企業(yè)也嘗試使用此模塊對產(chǎn)品定義信息進行三維標(biāo)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(biāo)注信息的模型，究其原因，數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)多而繁雜，在基于三維模型的數(shù)字化產(chǎn)品定義過程中，若不對產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)三維標(biāo)注進行組織管理，將各種信息的三維標(biāo)注全部顯示在數(shù)字化產(chǎn)品定義模型上，將造成使用者無法快速準(zhǔn)確地獲取所需信息,即所謂的“刺猬”現(xiàn)象。研究以三維模型為核心的數(shù)據(jù)組織、信息表達及傳遞方式，建立一套嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范的數(shù)字化定義體系，并以此搭建適應(yīng)MBD技術(shù)的數(shù)字化管理平臺是MBD數(shù)據(jù)集數(shù)字化定義工作中的關(guān)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(shù)，縮短裝配工期57%。鑒于國外先進航空企業(yè)采用MBD 技術(shù)后取得巨大成功，國內(nèi)企業(yè)也逐漸開展了該技術(shù)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(shù)的全三維工藝設(shè)計研究，已經(jīng)實現(xiàn)基于MBD的雷達結(jié)構(gòu)數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)傳遞流程，在數(shù)據(jù)的組織管理研究也正在開展。針對機械產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的“多、雜、亂”問題，通過結(jié)構(gòu)樹、圖層等數(shù)據(jù)組織方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(chǎn)品數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)工程化應(yīng)用難題。

1 數(shù)據(jù)組織原則

基于MBD的機械產(chǎn)品數(shù)據(jù)一般通過幾何、屬性、三維標(biāo)注和視圖等方式來表達，通過三維標(biāo)注來表達的數(shù)據(jù)形成了“標(biāo)注集”，即指通過三維標(biāo)注方式表達數(shù)字化產(chǎn)品定義信息的數(shù)據(jù)集合。

數(shù)據(jù)的組織應(yīng)遵循集成性、獨立性、完備性和延展性原則。集成性原則指數(shù)據(jù)組織具有獲取關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)元素的能力，如工藝數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；獨立性原則指應(yīng)保證數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化組織和管理，實現(xiàn)不同階段和類型的數(shù)據(jù)之間的解析和傳遞；完備性原則指應(yīng)保證數(shù)據(jù)的完整，不應(yīng)遺漏；延展性原則指應(yīng)具有數(shù)據(jù)的補充、修改和更新的能力。

2 數(shù)據(jù)組織要求

2.1 雙向關(guān)聯(lián)查詢

與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)之間能夠?qū)崿F(xiàn)雙向關(guān)聯(lián)查詢，并采用高亮區(qū)別顯示。

2.2 顯示或隱藏可控

構(gòu)建圖層，定義圖層內(nèi)容，控制圖層的顯示狀態(tài)，以便對該圖層中數(shù)據(jù)的顯隱狀態(tài)進行控制。

2.3 用戶自定義篩選

用戶根據(jù)篩選條件，如幾何特征、視圖、圖層、層表和設(shè)計信息(尺寸、公差、表面結(jié)構(gòu)及BOM等)、工藝信息(基準(zhǔn)、定位)、管理信息(設(shè)計師、時間、批次和圖號等)和顏色等，實現(xiàn)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(guān)聯(lián)組合控制

支持層與視圖的關(guān)聯(lián)組合控制，對于特定視角方向的視圖只顯示有效的層內(nèi)容，忽略其他層內(nèi)容。

3 數(shù)據(jù)組織手段

3.1 結(jié)構(gòu)樹

根據(jù)數(shù)據(jù)集類型的不同，可以分為設(shè)計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)樹。一般包括幾何模型、三維標(biāo)注信息、視圖信息、屬性信息、管理數(shù)據(jù)以及保護性標(biāo)記等，但不同類型數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)樹包含的信息也不同，如工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹，一般以工藝規(guī)程為主體，將分布于工藝對象、工序?qū)ο蠛凸げ綄ο笙碌墓に囈匕凑諗?shù)據(jù)類型進行歸納整理。對電子裝備基于模型定義數(shù)據(jù)的全局搜索管理，并對數(shù)據(jù)分區(qū)，如模型區(qū)、標(biāo)注集區(qū)、視圖集區(qū)、屬性說明區(qū)、管理數(shù)據(jù)區(qū)、以及保護性標(biāo)記區(qū)等。

3.2 視圖

通過視圖來表達的MBD數(shù)據(jù)，形成了包含數(shù)字化產(chǎn)品定義三維標(biāo)注信息視圖的集合，視圖的結(jié)構(gòu)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(biāo)注是利用標(biāo)注平面來放置的，三維標(biāo)注的最佳觀察方向與標(biāo)注平面的定義方向有關(guān)，三維標(biāo)注視圖管理是對標(biāo)注平面的管理。在構(gòu)建視圖時，應(yīng)選擇有利于模型及其標(biāo)注表達的視圖。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的需要剖面視圖來表示。對標(biāo)注信息的有機組織和管理是通過組合視圖的功能來實現(xiàn)的，即在三維模型空間中構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容[3]。

3.3 圖層

對多樣化的數(shù)據(jù)實施納入各圖層的數(shù)據(jù)組織方法，一般包括圖層名稱、ID、內(nèi)容和說明等結(jié)構(gòu)。將機械產(chǎn)品數(shù)據(jù)分為尺寸、幾何公差、基準(zhǔn)、表面精度、文本、剖面和輔助幾何等。對于有子類的信息，應(yīng)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(gòu)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(shù)據(jù)的目的。

3.4 層表

通過層表對圖層進行管理，實現(xiàn)圖層的快速搜索。層表一般包括層號、標(biāo)題和內(nèi)容。層表管理的粒度是設(shè)計、工藝、質(zhì)量和制圖等分類信息，通過建立相關(guān)層的層表過濾器，使數(shù)據(jù)篩選時通過一次操作即可獲得所有相關(guān)的信息。

3.5 成組

數(shù)據(jù)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(biāo)注附屬到一個存在的標(biāo)注上，或者將多個標(biāo)注聚集成一個組合，工藝信息框格與其他信息的三維標(biāo)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(guān)系。

圖1 數(shù)據(jù)成組

3.6 結(jié)構(gòu)化列表

對于數(shù)據(jù)中的屬性信息，可通過結(jié)構(gòu)化列表來表達和顯示，結(jié)構(gòu)化列表一般包括變量名稱、類型、關(guān)聯(lián)對象、變量值和狀態(tài)等內(nèi)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(zhǔn)代號，基準(zhǔn)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(gòu)建結(jié)構(gòu)化列表，對信息進行顯性表達，如明細(xì)表、BOM信息，懸浮于屏幕的明細(xì)表如圖2所示。

圖2 懸浮于屏幕的明細(xì)表

4 數(shù)據(jù)組織方法

4.1 設(shè)計數(shù)據(jù)

以產(chǎn)品構(gòu)型信息或者裝配結(jié)構(gòu)層次構(gòu)建結(jié)構(gòu)樹節(jié)點，包括外部參照、特征、平面、坐標(biāo)及骨架模型，零件模型和標(biāo)注集等；以三維設(shè)計模型體現(xiàn)幾何信息，包括產(chǎn)品幾何信息與輔助幾何信息；在三維空間中，以三維標(biāo)注與三維模型的幾何元素相關(guān)聯(lián)來表達尺寸信息，包含幾何尺寸、公差及表面質(zhì)量要求等；三維標(biāo)注按照視圖及圖層進行組織管理，并按照對應(yīng)幾何特征的三維標(biāo)注在視圖和圖層中的可視程度進行劃分；以附屬于三維設(shè)計模型的參數(shù)變量來表達屬性信息，包括產(chǎn)品材料、數(shù)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，設(shè)計數(shù)據(jù)三維標(biāo)注如圖3所示。

圖3 設(shè)計數(shù)據(jù)三維標(biāo)注

4.2 仿真數(shù)據(jù)

仿真數(shù)據(jù)包括仿真設(shè)計模型及有限元分析模型，仿真設(shè)計模型宜采用三維標(biāo)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(shè)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(fēng)荷等信息。有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)一般采用變形動畫、等值線、云圖(位移云圖、應(yīng)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(shù)據(jù)

工藝數(shù)據(jù)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(gòu)型特征、裝配零件模型和標(biāo)注集等；工藝規(guī)程樹包括工藝、工序、工步、關(guān)聯(lián)的特征、關(guān)聯(lián)的標(biāo)注集、關(guān)聯(lián)的模型、設(shè)備資源和工裝夾具等；工藝模型應(yīng)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(biāo)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(yīng)按照類別采用三維標(biāo)注和屬性參數(shù)等形式與工藝模型關(guān)聯(lián)表達，如工藝尺寸、基準(zhǔn)、表面結(jié)構(gòu)要求和機加工藝信息框格等三維標(biāo)注以及產(chǎn)品名稱、圖號、材料和重量等屬性信息。應(yīng)對典型工藝數(shù)據(jù)按照合適的組織形式進行結(jié)構(gòu)化管理，以便實現(xiàn)快速解析借用。

4.4 檢驗數(shù)據(jù)

以檢驗過程中各要素構(gòu)建檢驗規(guī)程樹，包括檢驗工序、工步、檢驗對象(關(guān)聯(lián)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?zāi)Ｐ陀晒に嚹Ｐ团缮鴣?，添加檢驗信息，并根據(jù)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(zhì)量等信息采用三維標(biāo)注；檢驗幾何模型在PDM中進行版本管理。應(yīng)對其進行結(jié)構(gòu)化組織和管理，支撐數(shù)字化檢驗設(shè)備對檢驗信息的解析和提取。

4.5 維修數(shù)據(jù)

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(gòu)建，在面向維修的交互式電子技術(shù)手冊(IETM)設(shè)計過程中能夠繼承相應(yīng)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(biāo)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(biāo)注，在當(dāng)前視圖方向，正面顯示。當(dāng)視圖方向旋轉(zhuǎn)180°后，顯示為三維標(biāo)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(biāo)注是否自動更新顯示方向。

5.2 排列方式可調(diào)整

應(yīng)能夠?qū)θ秩S標(biāo)注進行顯示整理和位置的排列，在同一標(biāo)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(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置，以及拷貝目標(biāo)格式的功能。

5.4 內(nèi)容方向可變更

三維標(biāo)注中存在一部分文本和尺寸類信息，其顯示有方向性，應(yīng)當(dāng)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(biāo)注平面和標(biāo)注方向。

5.5 陰影顯示可實現(xiàn)

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

5.6 位置網(wǎng)格可定位

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

6 結(jié)束語

隨著MBD技術(shù)的深入應(yīng)用，如何利用三維模型對產(chǎn)品進行數(shù)字化定義，已成為熱點研究問題。現(xiàn)階段，對產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)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(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展的瓶頸。通過梳理MBD環(huán)境下機械產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(dǎo)，也為MBD技術(shù)的深入應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。

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

[2] 任啟振,葛建兵了,陳才.MBD數(shù)據(jù)集的數(shù)字化定義[J].航空科學(xué)技術(shù),2012,(5):63-65.

[3] 程五四,陳帝江,張紅旗.MBD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)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(biāo)注規(guī)范(報批稿)[S].全國技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化委員會.

[5] 程五四,陳興玉,張祥祥,等.面向三維工藝的產(chǎn)品設(shè)計制造信息三維標(biāo)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(chǔ)科研重大項目(A1120131044)；國家科技支撐計劃資助項目(2012BAF12B03)；國防技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)字化設(shè)計與制造、數(shù)字化工廠。