楊 萍 楊迎春

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

波音公司根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造實(shí)踐提出來基于模型的定義MBD(model based definition)，即數(shù)字產(chǎn)品定義，并在波音737-NX型飛機(jī)項(xiàng)目中成功應(yīng)用。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的三維模型來描述幾何信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差和工藝信息的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法，其核心思想是用一個集成的三維實(shí)體模型來完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。波音公司的成功，引起世界范圍內(nèi)的數(shù)字化制造業(yè)的廣泛關(guān)注。

目前國內(nèi)外已經(jīng)制定了國際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO16792、美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASMEY14.41等相關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)。我國出臺并實(shí)施了三維CAD國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24734《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》系列。

基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的三維標(biāo)注一直是眾多學(xué)者和設(shè)計(jì)人員的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［1］分析了三維標(biāo)注及其對數(shù)字化制造技術(shù)的影響，及三維標(biāo)注技術(shù)以屬性與標(biāo)注解決產(chǎn)品非幾何制造信息表達(dá)問題的本質(zhì)。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了三維自動標(biāo)注的算法，闡述了其相關(guān)的技術(shù)，采用該算法在CAD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三維尺寸自動標(biāo)注的技術(shù)。文獻(xiàn)［3］針對尺寸自動標(biāo)注僅限于表達(dá)產(chǎn)品的幾何信息而未關(guān)注其功能特性，提出了基于產(chǎn)品功能特性的三維尺寸標(biāo)注算法。以上主要是對三維尺寸標(biāo)注的研究，對三維形位公差及表面粗糙度的標(biāo)注的研究有待進(jìn)一步發(fā)展。

目前，大部分三維標(biāo)注技術(shù)是在三維模型上標(biāo)注平面的幾何尺寸、表面粗糙度和形位公差等精度特征信息，其標(biāo)注的信息僅是一個平面符號，標(biāo)注的幾何尺寸不能驅(qū)動三維模型的參數(shù)，三維標(biāo)注信息和三維模型不是同一組定義數(shù)據(jù)［4］，標(biāo)注信息只是一種注釋，和三維模型沒有關(guān)聯(lián)性，不能用于零件后續(xù)的加工制作過程，沒能實(shí)現(xiàn)完整的3D零件模型的建立。

本文根據(jù)GB/T 24734標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)三維標(biāo)準(zhǔn)，基于Pro/E軟件平臺，建立三維精度特征符號庫，應(yīng)用MBD技術(shù)，在3D零件模型上標(biāo)注三維的精度特征符號，建立全3D零件模型，其中三維標(biāo)注信息能被提取并保存在數(shù)據(jù)庫中，用于后續(xù)的加工制作，以期實(shí)現(xiàn)三維CAD/CAM一體化。

1 三維精度特征符號的定義

三維標(biāo)注下的產(chǎn)品三維零件模型通過圖形和文字表達(dá)的方式表達(dá)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，改變了傳統(tǒng)的由三維模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差和制造工藝信息的方法［5］。通過在三維模型上定義尺寸標(biāo)注、公差要求、表面粗糙度等非幾何信息，從而實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品信息的清晰、完整、唯一的描述，以滿足下游數(shù)字化制造和檢驗(yàn)直接使用的需求。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中，精度特征不只用于評價幾何實(shí)體，更與工藝規(guī)劃和加工要求緊密聯(lián)系。尺寸、公差和表面粗糙度是聯(lián)系設(shè)計(jì)與制造的重要屬性，建立精度特征可以清楚地表示模型的非幾何特征與幾何特征之間的相互關(guān)系。傳統(tǒng)的非幾何信息只是在信息的標(biāo)注層面上，僅相當(dāng)于三維模型上的一個平面符號，標(biāo)注的幾何尺寸不能驅(qū)動三維模型的參數(shù)，沒有工程語義，無法將具體的非幾何信息與特征模型聯(lián)系起來，這種符號式的非幾何信息不能支持后續(xù)加工制作過程。

本文提出三維精度特征符號的概念，依據(jù)國內(nèi)外已經(jīng)指定的國際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO 16792、美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASMEY 1441、中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26099～26101、GB/T 24734［6-7］等相關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)，對非幾何信息的畫法、標(biāo)注方法和屬性定義等方面進(jìn)行一個詳細(xì)的描述，并確定了符合標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)注顯示方式。充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，建立三維的精度特征符號如圖1所示，并將三維精度特征符號和三維模型定義在同一組數(shù)據(jù)中。

在三維模型上與三維模型相關(guān)聯(lián)的標(biāo)注三維的精度特征符號，其特征參數(shù)能夠被提取出來并存入共享數(shù)據(jù)庫，提供給后面的加工制作使用，真正實(shí)現(xiàn)三維CAD/CAM一體化。能夠直觀地理解設(shè)計(jì)信息，這種三維的數(shù)據(jù)表達(dá)方式更能準(zhǔn)確、直觀地反映設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，并被其他使用人員所理解，減少理解偏差導(dǎo)致出錯的可能性，便于對標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行必要的“數(shù)字化”處理，可以自動提取出后續(xù)的工藝、制造過程和檢驗(yàn)所需的相關(guān)信息，無條件支持后續(xù)環(huán)節(jié)數(shù)字化工作的開展。

2 三維精度特征符號庫的建立

CAD/CAM一體化要求三維標(biāo)注信息在產(chǎn)品生命周期每個階段的各個模型中均可見，使技術(shù)人員能夠充分使用MBD模型。因此需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)注信息的結(jié)構(gòu)化和關(guān)聯(lián)性，以便管理、修改和提取。

本文以Pro/E軟件為平臺，利用Pro/Toolkit應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，采用基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法建立三維精度特征符號庫。特征的定義被放入一個數(shù)據(jù)庫中，通過定義尺寸、位置參數(shù)和各種屬性值建立所需三維精度特征符號，允許設(shè)計(jì)人員通過加減特征要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可根據(jù)需求調(diào)整幾何和拓?fù)湫畔ⅲ紫榷x一個一般特征，建立一般特征庫，然后對一般特征實(shí)例化，并對特征實(shí)例進(jìn)行修改、拷貝、刪除以生成特征符號，導(dǎo)出特定的參數(shù)值等操作，建立三維精度特征符號。

建立三維精度特征符號庫就是將三維精度特征符號信息組織在一個數(shù)據(jù)庫中，方便操作、管理和調(diào)用，便于進(jìn)行三維標(biāo)注。特征提取的結(jié)果也同樣以數(shù)據(jù)庫的形式保存起來，供工藝推理和加工制作調(diào)用。在綜合考慮了三維精度特征符號的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫建立原則的基礎(chǔ)上，確定了三維精度特征符號庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

其中S是字符數(shù)據(jù)類型，E是枚舉數(shù)據(jù)類型，I是整形數(shù)據(jù)類型，R是實(shí)型數(shù)據(jù)類型，*p是指針。

3 全3D零件模型的建立

針對全3D零件模型，即實(shí)現(xiàn)在三維模型上標(biāo)注三維表面粗糙度特征符號和三維形位公差符號。采用基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)建立三維精度特征符號，三維精度特征符號與三維模型需定義在同一組數(shù)據(jù)，結(jié)合程序?qū)崿F(xiàn)三維標(biāo)注。

三維形位公差特征符號用指引線連接被測要素和公差框格，指引線引自框格的任意一側(cè)，終端帶一個箭頭。主要是公差類型、公差值、被測要素、基準(zhǔn)等信息的設(shè)置，其中需要注意的是被測要素、基準(zhǔn)對象和所選公差類型要匹配。形位公差標(biāo)注界面如圖3所示，勾選φ前面的勾選按鈕，即選中φ符號，公差值為φ0.01 mm;點(diǎn)擊，調(diào)出圖4所示形位公差符號庫對話框，點(diǎn)擊形位公差符號中對應(yīng)的符號選擇公差類型，也可以選擇附加特征添加到公差值前面或后面。

三維幾何公差特征符號的具體標(biāo)注步驟如下:

(1)選擇菜單三維標(biāo)注→幾何公差特征符號，彈出幾何公差標(biāo)注對話框;

(2)設(shè)置幾何公差類型、公差值、基準(zhǔn)等信息，點(diǎn)擊放置按鈕，激活建模窗口;

(3)選擇放置基準(zhǔn)面及投影面，鼠標(biāo)在三維模型上移動時，捕捉到的表面會顯示紅色。點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，即可選中;

(4)選擇被測要素和基準(zhǔn)要素，根據(jù)公差類型選擇正確的被測對象和基準(zhǔn)要素特征;

(5)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，選中與指引線的起點(diǎn)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，選中指引線的終點(diǎn)，完成三維幾何公差符號的標(biāo)注。

用類似的方法標(biāo)注三維表面粗糙度特征符號，標(biāo)注時要注意標(biāo)注面內(nèi)的布局達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不干涉、不重疊等要求。建立的全3D零件模型如圖5所示。

4 全3D零件模型特征提取實(shí)例

特征提取的程序中操作函數(shù)實(shí)際完成了整個特征的遍歷、提取和保存的過程，涉及到Pro/TOOLKIT中大量庫函數(shù)的調(diào)用及其和開發(fā)功能函數(shù)的結(jié)合，共同完成特征提取的過程。因?yàn)樵赑ro/E中各個層次的特征對象都是使用相似的結(jié)構(gòu)組織信息的，所以特征提取的操作函數(shù)具有類似性。在此以三維表面粗糙度特征符號信息提取為例，首先確定特征提取所包含的信息:表面粗糙度特征類型、參數(shù)值、依附面及特征標(biāo)識。根據(jù)上述提取信息的要求，并且根據(jù)Pro/TOOLKIT提供的庫函數(shù)進(jìn)行編程，特征提取程序流程圖如圖6所示。

調(diào)入全3D零件模型，調(diào)用特征遍歷函數(shù)ProSolidFeatVisit()訪問模型的所有特征，并設(shè)置過濾函數(shù)只訪問三維精度特征符號庫的特征。提取出三維精度特征符號的類型、數(shù)值及依附表面或依附邊的id值。提取到的特征信息緩存在建立的對話框的列表中，以便查閱、修改和使用，如圖7所示。在該對話框中，選擇其中一個列表，列表中的信息將顯示在下面的文本框中，可以對其進(jìn)行修改。確認(rèn)無誤后，將列表中的特征信息存入共享數(shù)據(jù)庫，供后面的加工制作使用。這里采用了具有廣泛應(yīng)用性、良好的穩(wěn)定性和實(shí)用性的ODA數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)。

5 結(jié)語

本文研究了產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息三維標(biāo)注技術(shù)，構(gòu)建了符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24734—2009規(guī)定的標(biāo)注規(guī)則的三維精度特征符號，提出的全3D零件模型在Pro/E軟件平臺上得以實(shí)現(xiàn)，它能夠規(guī)范地將產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息在三維模型上進(jìn)行有效的表達(dá)，通過特征提取獲得其對應(yīng)的特征信息并共享在數(shù)據(jù)庫中，以滿足加工領(lǐng)域的信息需求，實(shí)現(xiàn)了三維CAD/CAM一體化技術(shù)。

［1］周秋忠，查浩宇.基于三維標(biāo)注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011(1):33-36.

［2］安恒，閆光榮，雷毅.基于GB/T 24734的三維自動標(biāo)注［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(3):416-421.

［3］胡祥濤，程五四，陳興玉，等.基于MBD的產(chǎn)品信息全三維標(biāo)注方法［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(12):60-63.

［4］鄭洪涌，鄭國磊，趙皇進(jìn).三維公差分析中工程尺寸驅(qū)動原理與應(yīng)用［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(1):138-142.

［5］陳興玉，張紅旗，陳帝江，等.復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品全三維工藝設(shè)計(jì)方法［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010(5):476-477.

［6］Sanz A，Negre A A，F(xiàn)ernandez R，et al.Comparative study about the use of two and three-dimensional methods in surface finishing characterization［C］.The Manufacturing Engineering Society International Conference，2013，63:913-921.

［7］中華人民共和國國家質(zhì)監(jiān)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 1182—2008產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差形狀、方向、位置和跳動公差標(biāo)注［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［8］中華人民共和國國家質(zhì)監(jiān)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 131—006技術(shù)產(chǎn)品文件中表面結(jié)構(gòu)的表示法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［9］中華人民共和國國家質(zhì)監(jiān)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 24734.1～11-2009數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［10］Jin Zhang，Lihong Qiao.Three dimensional manufacturing tolerance design using convex sets［C］.12th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing，2013，10:259-266

［11］潘康華.基于MBD的機(jī)械產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究［D］.北京:機(jī)械科學(xué)研究總院，2012.

［12］王勃，鄭國磊，段麗華.軸類零件三維尺寸自動標(biāo)注算法［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39(6):829-834.