基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)的應(yīng)用研究

任桂華，周 林

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)的應(yīng)用研究

任桂華，周 林

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

介紹了一種基于模型的數(shù)字化定義(MBD)技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)品的幾何信息及制造信息完整地呈現(xiàn)在三維模型中。通過UG三維軟件中的PMI模塊，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品三維模型中公稱尺寸、公差及注釋信息的標(biāo)注。MBD技術(shù)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)二維工程圖的束縛，為實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用提供了保障。

MBD；UG；三維模型；標(biāo)注

在基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)(MBD)提出之前，企業(yè)存在著二維工程圖與三維模型共存的情況，即先利用三維軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品的形狀，然后再導(dǎo)出二維工程圖，在2D工程圖上完成信息的注釋。但如果設(shè)計(jì)的三維模型發(fā)生了變化，則必須對(duì)相應(yīng)的二維工程圖進(jìn)行修改，這樣才能保證信息的正確一致，符合實(shí)際生產(chǎn)的需要。當(dāng)采用MBD技術(shù)之后，就可以直接在三維模型中標(biāo)注產(chǎn)品的信息，如公稱尺寸、尺寸公差、幾何公差等，從而實(shí)現(xiàn)將模型作為設(shè)計(jì)和制造的總源。因?yàn)镸BD技術(shù)有尺寸驅(qū)動(dòng)的功能，當(dāng)模型發(fā)生變化時(shí)，可以直接在三維模型中修改尺寸，相比于之前二維和三維共存的情況，大大節(jié)省了時(shí)間，提供了工作效率。MBD技術(shù)在零件與裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的研究應(yīng)用中具有重要的實(shí)際意義。

1 MBD技術(shù)的內(nèi)容

自大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)以來，產(chǎn)品的定義經(jīng)過4個(gè)階段[1]。第1階段采用2D工程圖對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完整的定義，如二維零件圖、裝配圖等；第2階段采用2D工程圖加上3D模型方式進(jìn)行產(chǎn)品的定義，此過程加上了三維建模的新方法；第3階段采用3D模型和簡化的2D圖紙共同定義產(chǎn)品；第4階段是使用獨(dú)立的3D模型對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定義，其包括了設(shè)計(jì)制造特征在內(nèi)的三維標(biāo)注。

新一代的3D獨(dú)立模型將產(chǎn)品的信息以一個(gè)集合的形式呈現(xiàn)出來，簡稱為數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集通過3D圖形以及文本描述的方式展示產(chǎn)品所滿足的物理和功能要求，它包括的主要內(nèi)容有：產(chǎn)品模型和版本歷史。

周秋忠和范玉青[2]提到產(chǎn)品模型的定義，并指出模型作為MBD數(shù)據(jù)集的一部分，在產(chǎn)品定義的過程中起到非常大的作用，可以說是核心和基礎(chǔ)。因?yàn)樗粌H描述了產(chǎn)品的幾何形狀，而且包括了尺寸、公差以及非幾何信息的標(biāo)注。當(dāng)使用MBD技術(shù)的數(shù)據(jù)集時(shí)，模型將作為產(chǎn)品定義的唯一來源[3]。

模型包含3個(gè)部分：設(shè)計(jì)模型、注釋和屬性[4]。通常來說，設(shè)計(jì)模型一般指的是滿足產(chǎn)品的形狀要求而構(gòu)建出的一個(gè)實(shí)體模型，不包括一些注釋信息。它的作用就像第2代產(chǎn)品定義中“二維工程圖和三維模型來共同定義產(chǎn)品”中的三維模型，即一個(gè)完全三維的效果。注釋指的是一些標(biāo)注的信息，如尺寸、公差、粗糙度等要求，可以直接地呈現(xiàn)在觀察者眼前。傳統(tǒng)的二維工程圖將所有的信息都注釋在零件圖中，而模型中的注釋信息完全在各注釋平面上。屬性和注釋在某些方面有一定的重合，但是屬性必須經(jīng)過人工操作將之顯示出來，且必不可少，它對(duì)于產(chǎn)品模型的特征起到了補(bǔ)充和完善的作用。

2 模型中標(biāo)注采用的新方法

2.1 比例大小

GB/T14690-1993《技術(shù)制圖比例》規(guī)定：比例是指圖中的圖形與其實(shí)物相應(yīng)要素的線性尺寸之比。二維工程圖中存在著3種比例情況：放大比例、縮小比例、1∶1比例。

趙楊[5]對(duì)比例大小作了詳細(xì)的解釋。當(dāng)采用基于模型的定義技術(shù)后，必須采用1∶1的建模比例來構(gòu)造產(chǎn)品的數(shù)字化模型，所標(biāo)注的任何信息都是真實(shí)有效的。同時(shí)可以通過軟件的放大或縮小功能，觀察產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征。在放大和縮小這一功能上，三維標(biāo)注技術(shù)明顯領(lǐng)先于二維的傳統(tǒng)技術(shù)，因?yàn)樗梢噪S時(shí)地縮小和放大某一部分，而二維圖紙想放大或縮小，就必須重畫才能滿足觀察者的需求。

2.2 標(biāo)注平面

在三維標(biāo)注的新方法中，需要選擇1個(gè)方向進(jìn)行標(biāo)注，即確定1個(gè)標(biāo)注平面，有X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面、模型視圖等可供選擇[5]。傳統(tǒng)的二維標(biāo)注是通過不同的視圖來綜合表達(dá)一個(gè)產(chǎn)品的信息，無法將所有信息綜合到一張圖紙上。而三維標(biāo)注則將幾個(gè)標(biāo)注平面統(tǒng)一在一個(gè)模型中，集中且容易觀察。使用了標(biāo)注平面后，實(shí)際上將傳統(tǒng)的二維制圖標(biāo)注延伸到了三維標(biāo)注。同時(shí)，標(biāo)注平面與模型之間應(yīng)保持一種對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即旋轉(zhuǎn)模型的時(shí)候，標(biāo)注平面也隨著模型旋轉(zhuǎn)，可以將標(biāo)注平面理解成模型的一部分。但是如果不能使兩者保持一定的定向關(guān)系，這個(gè)平面將不符合基于模型定義技術(shù)的標(biāo)注平面的要求，也就實(shí)現(xiàn)不了基于模型的定義技術(shù)。同一個(gè)標(biāo)注信息在不同的標(biāo)注平面上顯示的效果如圖1所示。

圖1 不同標(biāo)注平面的標(biāo)注效果

2.3 顯示管理

在MBD技術(shù)中，可以選擇顯示某一類型的標(biāo)注或顯示自己選定的一組標(biāo)注信息。這將有利于工程技術(shù)人員進(jìn)行信息的分類利用，以便較快地得到所需要的尺寸或公差的信息。而在二維圖紙中，需要一類信息的話，需要人工遴選，容易出錯(cuò)或漏掉。

在顯示管理中，最重要的就是顯示正確的讀圖方向。當(dāng)對(duì)已經(jīng)標(biāo)注好的模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，標(biāo)注不應(yīng)該出現(xiàn)不規(guī)則的形狀，而應(yīng)該是跟著模型旋轉(zhuǎn)；不管從哪個(gè)方向看過去，尺寸的標(biāo)注應(yīng)該能正確顯示。

3 三維標(biāo)注技術(shù)的應(yīng)用

三維標(biāo)注技術(shù)是指利用三維建模軟件進(jìn)行零件三維建模，然后直接在模型視圖中標(biāo)注公稱尺寸、公差粗糙度、技術(shù)要求等信息。

3.1 三維標(biāo)注技術(shù)中軟件的選擇

CATIA、UG NX、Solid Works等三維建模軟件各有應(yīng)用優(yōu)勢，且都支持三維模型的標(biāo)注，如CATIA軟件的三維標(biāo)注公差和注釋(3D Funtional Tolerancing and Annotation)功能模塊，Solid Works中的DimXpert和TolAnalyst模塊。本文選擇UG NX10.0軟件來實(shí)現(xiàn)三維標(biāo)注。UG NX軟件是Siemens PLM Software公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。UG NX10.0軟件中含有產(chǎn)品制造信息(PMI)模塊，可以支持三維數(shù)字化定義，實(shí)現(xiàn)零件的三維標(biāo)注。

3.2 三維模型上的標(biāo)注

3.2.1公稱尺寸的標(biāo)注

對(duì)于三維模型中公稱尺寸的標(biāo)注，可以參考二維工程圖中相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，遵循國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4458.4-2003《機(jī)械制圖 尺寸注法》標(biāo)準(zhǔn)中的一些規(guī)定。模型的公稱尺寸標(biāo)注如圖2所示。

圖2 模型的公稱尺寸標(biāo)注

3.2.2公差的標(biāo)注

模型中公差的標(biāo)注可分為公差基準(zhǔn)的標(biāo)注和幾何公差的標(biāo)注。GB/T 24734-2009中對(duì)基準(zhǔn)特征符號(hào)及幾何公差的標(biāo)注作了詳細(xì)的規(guī)定。形狀公差、方向公差、位置公差、輪廓度公差、跳動(dòng)公差分別應(yīng)用于不同的場合，它們的附著方法不盡相同。如標(biāo)注傾斜度公差，當(dāng)應(yīng)用于圓柱面的中心線時(shí)，采用延長線；當(dāng)標(biāo)注跳動(dòng)公差，應(yīng)用于圓柱表面時(shí)，圓跳動(dòng)附帶尺寸線，而全跳動(dòng)采用指引線。模型的傾斜度公差標(biāo)注如圖3所示。

圖3 模型的傾斜度公差標(biāo)注

3.2.3模型上粗糙度、技術(shù)要求的標(biāo)注

在三維模型中粗糙度的標(biāo)注工作必不可少。在二維平面繪圖中，粗糙度的標(biāo)注對(duì)零件的表面質(zhì)量提出了一定的要求。同樣在UG PMI模塊中，對(duì)于粗糙度的標(biāo)注可以參考GB/T 131-2006《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GBS) 技術(shù)產(chǎn)品文件中表面結(jié)構(gòu)的表示法》中的規(guī)定。模型粗糙度的標(biāo)注效果如圖4所示。

圖4 模型粗糙度的標(biāo)注

在零件圖中，技術(shù)要求作為其基本內(nèi)容 使用簡明的文字、符號(hào)等來表示產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)過程中應(yīng)該達(dá)到的要求，一般主要寫在零件圖的空白地方。而在模型中標(biāo)注注釋信息時(shí)，可以從XC-YC平面、XC-ZC平面、YC-ZC平面、模型視圖、用戶定義中任意選擇1個(gè)方向來進(jìn)行標(biāo)注。這主要取決于個(gè)人的視圖習(xí)慣，沒有特殊要求。其中對(duì)于注釋文字的大小和形狀可以通過設(shè)置來改變。要注意的是標(biāo)注的注釋信息不能與模型相交，應(yīng)盡量放置于可以直觀觀察的地方。模型技術(shù)要求的標(biāo)注如圖5所示，圖5中選擇的注釋方向是XC-ZC平面。

圖5 模型技術(shù)要求的標(biāo)注

3.2.4模型中剖視圖的表達(dá)

在PMI模塊中，有2種剖視圖功能可供選擇：一種是輕量級(jí)剖視圖;另一種是剖視圖。

在PMI工具條中選擇輕量級(jí)剖視圖，然后選擇1個(gè)剖切平面。它可以在截面處顯示剖切時(shí)相交的曲線，同時(shí)也可以在上面進(jìn)行必要信息的標(biāo)注。而剖視圖的選擇方法與輕量級(jí)剖視圖大大不同。首先，它可任意選擇多個(gè)平面進(jìn)行剖切，可以實(shí)現(xiàn)許多種剖切形狀(如1/4剖)，但是不能像輕量級(jí)剖視圖那樣將剖切面與模型相交的曲線顯示出來。剖視圖和輕量級(jí)剖視圖一樣，可以在上面進(jìn)行標(biāo)注工作。模型中輕量級(jí)剖視圖的標(biāo)注如圖6所示,模型中剖視圖的標(biāo)注如圖7所示。

圖6 模型中輕量級(jí)剖視圖的標(biāo)注

圖7 模型中剖視圖的標(biāo)注

4 三維標(biāo)注技術(shù)存在的問題

4.1 三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)化

三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)還未能像二維工程圖那樣被人們所接受，所以接下來的任務(wù)就是制定出符合產(chǎn)品三維數(shù)字化定義的標(biāo)準(zhǔn)。正所謂沒有規(guī)矩，何成方圓。一旦標(biāo)準(zhǔn)形成了，此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施就有理可依了。標(biāo)準(zhǔn)一旦頒布，修訂人員的工作量也會(huì)大量減少，并將大大提高工作效率。

4.2 注釋信息的完整化

模型中的標(biāo)注信息對(duì)以后的生產(chǎn)加工起到關(guān)鍵作用。而模型的幾何關(guān)系通過軟件中的顯示約束可以判斷出來，是否欠約束或過約束都可以在模型的草圖中提示，我們可以做的就是實(shí)現(xiàn)全部約束，滿足設(shè)計(jì)信息要求。但是對(duì)于工藝信息，計(jì)算機(jī)無法作出自動(dòng)的判斷，因?yàn)樗恢栏鞑糠值募庸ゎ愋?，這對(duì)接下來的工藝規(guī)劃、制造過程有一定的阻礙作用。所以我們應(yīng)該從標(biāo)注信息是否完全確定產(chǎn)品的制造工藝信息出發(fā)，可以引入人機(jī)交互工程或者專家系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[6]。

4.3 標(biāo)注信息的可視化

對(duì)于一些比較復(fù)雜的零件，如果采用三維標(biāo)注的方法，那么大量的信息將標(biāo)注在已經(jīng)建立好的模型中。由于視角的原因，標(biāo)注的信息會(huì)顯得十分冗雜。這時(shí)二維工程圖的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，因?yàn)樗梢圆扇《鄠€(gè)視圖來表達(dá)，這樣不會(huì)使標(biāo)注信息很復(fù)雜、不美觀。于是在三維模型標(biāo)注的基礎(chǔ)上，能否像二維圖紙那樣有序地標(biāo)注信息，就需要構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)化語言。

5 結(jié)束語

三維標(biāo)注技術(shù)借助標(biāo)注平面將傳統(tǒng)二維工程圖的公稱尺寸、幾何公差、基準(zhǔn)、粗糙度、技術(shù)要求等信息標(biāo)注在產(chǎn)品的三維模型中，使工程師擺脫了二維工程圖的束縛，可以直接地在三維模型中更改產(chǎn)品信息，而不用像二維圖紙那樣，改了某一信息，就要結(jié)合若干圖紙，逐一更改，工作量大且容易出錯(cuò)。三維標(biāo)注技術(shù)還通過標(biāo)注信息的結(jié)構(gòu)化和形式化，將傳統(tǒng)的二維工程圖的工藝信息都集成到三維模型中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造一體化。

基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)已具有非常好的應(yīng)用前景，特別是在飛機(jī)制造行業(yè)，以波音公司為例，其生產(chǎn)的B787客機(jī)的裝配就應(yīng)用了MBD技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)在我國起步較晚，主要是由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的普遍使用，三維標(biāo)注的一些標(biāo)準(zhǔn)化問題還未得到解決。相信在機(jī)械設(shè)計(jì)制造一體化的進(jìn)程中，MBD技術(shù)將扮演著“引路人”的角色，引領(lǐng)人類走向數(shù)字化信息技術(shù)的時(shí)代。

[1] 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.

[2] 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.

[3] 吳克祥，石鑫.MBD技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化制造中的應(yīng)用[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào),2015,33(1)：24-28.

[4] 吳燦輝，夏曉理,梁勇,等.產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范在模型定義中的應(yīng)用[J].圖形學(xué)報(bào),2014,35(4)：548-552.

[5] 趙楊.基于UG三維模型標(biāo)注的動(dòng)態(tài)顯示研究[D].成都:西南交通大學(xué),2013.

[6] 張寶源，席平.三維標(biāo)注技術(shù)發(fā)展概況[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2011(4):74-79.

Research on Application of Model-based Digital Definition Technology

RenGuihua,ZhouLin

(School of Mechanical and Electronic Engineering，Hubei Polytechnic University，Huangshi Hubei 435003)

This paper introduces a Model-Based Definition(MBD)technology,which can completely realize the geometric and manufacturing information of the product in the 3D model.Through the PMI module in UG three-dimensional software,the tagging of nominal size,tolerance and annotation information have been realized in the 3D model.The application of MBD technology has broken the shackles of the traditional two-dimensional engineering drawings,which provides a guarantee for the integration application of 3D digital design and manufacturing.

MBD;UG;3D model;label

2017-06-12

湖北理工學(xué)院校級(jí)教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2016B09)。

任桂華，教授，碩士，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.06.001

TH128

A

2095-4565(2017)06-0001-04

(責(zé)任編輯吳鴻霞)