基于MBD的三維模型智能標(biāo)注技術(shù)研究

李秋玲， 侯　濤， 李竹可， 李先亮

（中車(chē)永濟(jì)電機(jī)公司， 陜西　西安　710018）

引言

基于模型定義（MBD）技術(shù)的顯著特點(diǎn)是通過(guò)一個(gè)集成的數(shù)字化的三維實(shí)體模型來(lái)完整闡述產(chǎn)品定義信息[1]。傳統(tǒng)的制造業(yè)以二維工程圖為主要的信息載體。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程一般是從概念設(shè)計(jì)、零部件的三維建模再到二維工程圖。設(shè)計(jì)人員將構(gòu)思好的三維設(shè)計(jì)模型，通過(guò)投影，轉(zhuǎn)換為所需視圖的二維圖紙或者局部放大剖面圖，在二維圖紙上標(biāo)注相應(yīng)的焊接、表面加工處理要求，粗糙度，公差等信息，生成二維工程圖，并將此信息傳遞給工藝部門(mén)。工藝部門(mén)再根據(jù)加工需求添加相應(yīng)的工藝加工信息，轉(zhuǎn)換為二維工藝規(guī)程，并根據(jù)設(shè)計(jì)意圖設(shè)計(jì)出所有的物料、報(bào)表、圖紙等一并傳達(dá)給生產(chǎn)制造部門(mén)。質(zhì)檢人員也是依靠二維工程圖紙以及加工工藝卡片進(jìn)行工序檢查，最終完成產(chǎn)品的加工。在三維模型投影到二維的過(guò)程中缺少數(shù)據(jù)過(guò)濾，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)信息的遺漏，而且易出現(xiàn)理解偏差，不利于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和工藝指導(dǎo)。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更時(shí)，涉及變更的只是二維工程圖，容易造成研發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不一致。

基于三維實(shí)體模型數(shù)字化技術(shù)，被稱(chēng)為第三代工程語(yǔ)言,解決了傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)意圖表達(dá)問(wèn)題，節(jié)省掉了三維設(shè)計(jì)模型到二維圖紙的轉(zhuǎn)換步驟[2-3]，使得工藝制造信息直觀統(tǒng)一表達(dá)，真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)工藝制造的一體化。探討基于MBD概念下的三維智能標(biāo)注技術(shù)是很有必要的。

1　三維標(biāo)注技術(shù)介紹

1.1　零件模型數(shù)據(jù)集的定義介紹

美國(guó)的波音公司最早根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造提出MBD概念[2]。對(duì)于單個(gè)由實(shí)體模型構(gòu)建的零件來(lái)說(shuō)，不僅要包含建模時(shí)的幾何尺寸、基準(zhǔn)、形位公差、粗糙度，還包含技術(shù)要求，焊接要求，相應(yīng)的工藝標(biāo)準(zhǔn)等加工制造過(guò)程信息。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容及相關(guān)學(xué)術(shù)研究，整理分析零件的三維模型所包含的數(shù)據(jù)集大致歸納如圖1所示。

圖1　零件三維模型數(shù)據(jù)集

1.2　三維標(biāo)注技術(shù)的特點(diǎn)和功能

三維標(biāo)注技術(shù)集成了知識(shí)工程、過(guò)程模型、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等內(nèi)容，在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)和制造發(fā)展過(guò)程中成為技術(shù)創(chuàng)新和知識(shí)積累，完成對(duì)三維模型的數(shù)字化定義。三維標(biāo)注技術(shù)[3]包含兩方面信息的承載，幾何信息和非幾何信息。幾何信息主要包括尺寸、公差等內(nèi)容。非幾何信息主要包括制造、加工、檢驗(yàn)、規(guī)范等信息，如粗糙度、表面處理、加工工藝要求、焊接要求等內(nèi)容。

三維標(biāo)注技術(shù)在清晰表達(dá)產(chǎn)品的制造信息的同時(shí)，也使得三維實(shí)體模型成為唯一的生產(chǎn)制造的依據(jù)，從設(shè)計(jì)源頭杜絕生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不一致性，設(shè)計(jì)信息共享程度較低，圖紙管理打印成本高等一系列問(wèn)題[4-5]。

1.3　基于Creo2.0的三維智能標(biāo)注技術(shù)

基于Creo2.0軟件二次開(kāi)發(fā)的三維標(biāo)注插件，在軟件界面中增加快速標(biāo)注菜單，根據(jù)需求建立相應(yīng)的符號(hào)，主要實(shí)現(xiàn)建立標(biāo)注、標(biāo)注調(diào)整、組合視圖管理三大部分內(nèi)容。

標(biāo)注建立工具：提高三維標(biāo)注效率，針對(duì)尺寸標(biāo)注、尺寸公差定義、形位公差、注釋等建立快速標(biāo)注工具，實(shí)現(xiàn)連續(xù)標(biāo)注功能。

標(biāo)注調(diào)整工具：允許批量選擇尺寸等注釋內(nèi)容，統(tǒng)一調(diào)整文本格式、顏色等標(biāo)注內(nèi)容。

組合視圖管理工具：建立標(biāo)注時(shí)自動(dòng)建立層，將注釋內(nèi)容放置在層中，建立組合視圖管理器時(shí)，在統(tǒng)一界面下設(shè)置視圖角度、剖面狀態(tài)、簡(jiǎn)化表示狀態(tài)、層顯示狀態(tài)等，一次完成視圖管理定義工作。圖2為三維標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖2　三維標(biāo)注實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2　應(yīng)用實(shí)例介紹

為充分展示三維智能標(biāo)注技術(shù)，以某零件的三維標(biāo)注進(jìn)行詳解（見(jiàn)圖3）。

圖3　某零件的三維標(biāo)注圖（mm）

2.1　基本環(huán)境的設(shè)置

為加強(qiáng)圖文標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在標(biāo)注前，首先進(jìn)行基本環(huán)境設(shè)置，統(tǒng)一標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)，方便圖文理解及發(fā)布審批。進(jìn)入用戶(hù)定義界面，對(duì)尺寸、注釋、技術(shù)要求、符號(hào)、形位公差內(nèi)的文本方向，尺寸顏色、公差顏色等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置管理。

2.2　視圖的構(gòu)建

為確保產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性、一致性、穩(wěn)定性，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)需要嚴(yán)格控制按照設(shè)計(jì)圖紙和制定的加工工藝標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行，這就需要視圖或者層顯示的方式在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)工藝信息進(jìn)行分類(lèi)管理和按需顯示，避免漏掉關(guān)鍵尺寸或者二維圖尺寸顯示過(guò)多放置混亂造成曲解，以便于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)到加工制造檢驗(yàn)的各環(huán)節(jié)節(jié)點(diǎn)上清晰直觀的表達(dá)傳遞設(shè)計(jì)意圖，增加各環(huán)節(jié)技術(shù)人員對(duì)產(chǎn)品的完整準(zhǔn)確理解[6]。視圖和層的信息管理遵循以下規(guī)則（見(jiàn)圖4）。

圖4　基本環(huán)境的設(shè)置

1）同一投影方向下的與尺寸相關(guān)的信息放置在同一個(gè)視圖;

2）同一工序的加工內(nèi)容盡量放置在同一層；

3）每個(gè)視圖或?qū)討?yīng)充分表達(dá)設(shè)計(jì)及加工信息；

4）技術(shù)要求的視圖設(shè)置為與屏幕平齊，避免旋轉(zhuǎn)模型時(shí)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。

本文采用的視圖表達(dá)方式有組合視圖、單個(gè)視圖、與屏幕平齊三種。在組合視圖下選定主視圖草繪面、參考面及參考方向后，可以聯(lián)動(dòng)選擇后視圖、俯視圖、仰視圖、左視圖、右視圖等。對(duì)于局部視圖或者剖視圖可以選擇單個(gè)視圖模式。與屏幕平齊視圖可以放置技術(shù)要求等（見(jiàn)圖5）。

圖5　三維標(biāo)注下視圖表達(dá)方式

2.3　幾何尺寸及公差的標(biāo)注

幾何尺寸是實(shí)體模型的基礎(chǔ)，描述了實(shí)體模型的建模過(guò)程，通過(guò)相應(yīng)的配置，實(shí)現(xiàn)尺寸標(biāo)注與實(shí)體模型的雙向驅(qū)動(dòng)，避免了二維圖紙中表象尺寸的直接覆蓋現(xiàn)象的出現(xiàn)。本文應(yīng)用的三維標(biāo)注技術(shù)通過(guò)顯示注釋和直接標(biāo)注兩種途徑進(jìn)行尺寸標(biāo)注。顯示注釋通過(guò)底層文件配置涵蓋了實(shí)體模型建模過(guò)程中全部尺寸信息，可以根據(jù)表達(dá)需要進(jìn)行勾選需要顯示的尺寸，節(jié)省標(biāo)注時(shí)間。直接標(biāo)注則通過(guò)快捷標(biāo)注鍵選定尺寸手動(dòng)標(biāo)注。菜單欄設(shè)置如圖6所示。

圖6　尺寸及幾何公差標(biāo)注菜單

在Creo2.0的環(huán)境配置文件config.pro可設(shè)置公差的顯示，輔助尺寸信息，描述產(chǎn)品可接受的誤差及精度范圍，不會(huì)對(duì)實(shí)體模型的大小產(chǎn)生影響。為提高標(biāo)注速度，在快捷菜單欄里設(shè)置自定義公差、對(duì)稱(chēng)公差，正公差、負(fù)公差等，可以選擇相關(guān)公差等級(jí)代號(hào)，配合公差等[6]。

圖7　自定義公差

2.4　標(biāo)注注釋

基于MBD的全三維設(shè)計(jì)中，通過(guò)實(shí)體模型來(lái)定義所有的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工制造信息，必要時(shí)需要借助附加的文字注釋來(lái)描述和說(shuō)明。在標(biāo)注注釋還應(yīng)注意：盡可能將所有相關(guān)的加工類(lèi)信息放置在同一個(gè)注釋?zhuān)蛔⑨寫(xiě)?yīng)采用圖紙規(guī)范命名，簡(jiǎn)潔明了；多個(gè)尺寸可以分類(lèi)放置于多個(gè)注釋中；盡可能方便與后續(xù)審閱和修改。

2.5　符號(hào)工具箱

對(duì)于機(jī)械加工件或者毛坯件，為充分表達(dá)其加工工藝、制造過(guò)程等信息，通常需要在三維模型上添加相應(yīng)的符號(hào)。在本次開(kāi)發(fā)的三維標(biāo)注插件中開(kāi)發(fā)的符號(hào)工具箱，包含如下功能（見(jiàn)圖8）。

圖8　符號(hào)及注釋工具箱

1）形位公差：常用幾何公差的創(chuàng)建和編輯；

2）基準(zhǔn)符號(hào)：幾何公差基準(zhǔn)的創(chuàng)建和編輯；

3）粗糙度：粗糙度的創(chuàng)建和編輯；

4）焊腳符號(hào)：焊接坡口位置的標(biāo)注；

5）焊接符號(hào)：焊接符號(hào)的創(chuàng)建和編輯；

6）相同孔符號(hào)：相同孔符號(hào)的創(chuàng)建和編輯；

2.6　技術(shù)要求的標(biāo)注

技術(shù)要求主要包括產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、加工工藝、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)中的特殊要求、材料說(shuō)明，幾何技術(shù)規(guī)范等（規(guī)定幾何公差、折彎半徑等），及使用環(huán)境溫度要求等，對(duì)于規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量的一致性極其重要。技術(shù)要求一般以文字注釋內(nèi)容單獨(dú)放置于圖紙的某一區(qū)域，直觀簡(jiǎn)潔。為了保證旋轉(zhuǎn)三維模型的時(shí)候，技術(shù)要求仍可以清晰展示，通常將技術(shù)要求視圖設(shè)置為與屏幕平齊。

圖9　技術(shù)要求

3　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)三維模型數(shù)據(jù)集定義的研究，在對(duì)三維標(biāo)注技術(shù)所遵循的國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，結(jié)合三維標(biāo)注技術(shù)的特點(diǎn)功能，提出了一種基于Creo2.0軟件開(kāi)發(fā)的三維標(biāo)注技術(shù)。在三維模型上實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)注、標(biāo)注內(nèi)容調(diào)整、視圖管理等功能，保證了在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一源性，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的融合提供了新的思路。

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