闞天水

摘 要：隨著三維GD&T標(biāo)注在汽車行業(yè)應(yīng)用的日益普及，由于其專業(yè)性強(qiáng)且工作量巨大，令各大主機(jī)廠煩擾不堪。某公司通過VC++2008對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了三維GD&T的自動化標(biāo)注。該工具大大提高了三維GD&T標(biāo)注的正確性，在減少了人力資源的同時(shí)，還大大縮短了GD&T開發(fā)周期。文章闡述了三維GD&T自動化標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)策略和方法，對汽車行業(yè)MBD的發(fā)展起到了積極的推進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：三維GD&T;二次開發(fā);自動化標(biāo)注

中圖分類號：U461.99 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-25-04

Abstract： With the increasing development of 3D GD&T in automobile industry， major OEMs are bothered because of its strong professionalism and huge workload. Our company carried out the secondary development of CATIA through VC++ 2008， and realized the automatic annotation of 3D GD&T. This tool greatly improves the accuracy of 3D GD&T， while reducing human resources， it also greatly shortens the development cycle of GD&T. This paper describes the strategies and methods for the realization of 3D GD&T automatic annotation， which plays a positive role in promoting the development of MBD in the automotive industry.

Keywords： 3D GD&T; Secondary development; Automatic annotation

CLC NO.： U461.99 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-25-04

1 前言

近年來，隨著信息和智能制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)作為提高企業(yè)快速設(shè)計(jì)能力的重要途徑，已逐步在企業(yè)研發(fā)過程中得到推廣和應(yīng)用[1]。它的發(fā)展越來越體現(xiàn)為以下三點(diǎn)：

（1）模塊化：建立公差數(shù)據(jù)庫，圖紙模板化;建立三維分析模型庫，虛擬分析一體化;建立尺寸集成數(shù)據(jù)庫，關(guān)鍵區(qū)域模塊化;

（2）數(shù)字化：圖紙數(shù)字化，3D圖紙取代2D圖紙;匹配數(shù)字化，虛擬匹配代替大部分實(shí)物匹配;

（3）智能化：根據(jù)公差數(shù)據(jù)庫，圖紙模板，智能出圖;利用CATIA的尺寸工程工具和3DCS模型，分析報(bào)告自動化;利用測量大數(shù)據(jù)，自動分析匹配問題，并給出解決方案。

其中基于三維實(shí)體模型的數(shù)字化技術(shù)，被稱為第三代工程語言[2]。它是MBD（Model Based Definition）發(fā)展的重要內(nèi)容之一，也是MBD發(fā)展的必要條件。

三維工藝模型尺寸標(biāo)注，是將工藝三維模型的尺寸信息、公差信息等利用三維CAD軟件直接在零件的三維模型上實(shí)現(xiàn)標(biāo)注[3]。其中三維GD&T（Geometric Dimensioning & Tolerancing）標(biāo)注設(shè)計(jì)專業(yè)性強(qiáng)，要求從業(yè)人員具有很強(qiáng)的專業(yè)知識和多年的工作經(jīng)驗(yàn)。汽車零部件眾多，車身、門蓋、內(nèi)外飾、底盤、三電等都需要設(shè)計(jì)三維GD&T，工作量巨大。CATIA軟件中的FT&A模塊，在功能上存在一定的局限性，難以滿足目前項(xiàng)目三維GD&T標(biāo)注設(shè)計(jì)的范圍、可靠性及開發(fā)周期。

為了解決該問題，本公司采用VC++2008對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了三維GD&T的自動化標(biāo)注，新的工具菜單如圖1所示。

2 3D GD&T自動化標(biāo)注的規(guī)范化開發(fā)

3D GD&T標(biāo)注中，視圖眾多且方向不同。若沒有規(guī)范化的要求，將大大降低3D GD&T的可讀性，也會在自動化制造過程中出現(xiàn)3D GD&T識別問題，造成不可挽回的錯誤與損失。為了提高3D GD&T的可讀性和規(guī)范性，從以下幾點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 3D GD&T零件號及版本號的統(tǒng)一

為了保持?jǐn)?shù)據(jù)及3D GD&T的名稱及版本的統(tǒng)一性，通過 “創(chuàng)建GDT文件”命令，在結(jié)構(gòu)樹下點(diǎn)擊某個(gè)分總成或單件，自動生成“GDT-零件號_版本號”的總成件及“GDTA-零件號_版本號”的單件，并在新的窗口中顯示。如圖2所示，所有GD&T信息均標(biāo)注在“GDTA-零件號_版本號”的單件中。

2.2 基準(zhǔn)點(diǎn)的建立

通過“創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)”命令創(chuàng)建面基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，可在鼠標(biāo)單擊位置生成一個(gè)點(diǎn)，并將該點(diǎn)的坐標(biāo)值兩向取整，實(shí)現(xiàn)方式為兩向取整后面垂直投影;選取孔邊界線時(shí)，自動計(jì)算孔中心的位置并生成基準(zhǔn)孔點(diǎn);對稱性零部件，可通過鏡像命令可將已建立的基準(zhǔn)點(diǎn)鏡像，提高設(shè)計(jì)速度和準(zhǔn)確性。這三項(xiàng)功能均在一個(gè)功能命令中完成，如圖3所示。

2.3 默認(rèn)公差庫的建立

通過Excel建立用戶可編輯的默認(rèn)公差信息庫和技術(shù)要求庫，在創(chuàng)建公差和技術(shù)要求信息時(shí)，可從庫中調(diào)用。

（1）建立用戶可編輯的默認(rèn)公差信息庫，分為鑄鋁類、小型鈑金類、大型鈑金類、塑料件、玻璃類、軟飾件以及其它不敏感公差庫;

（2）建立用戶可以快速調(diào)用的基礎(chǔ)信息模塊，比如圖紙規(guī)范，圖紙要求等;

（3）增加默認(rèn)格式的快速導(dǎo)入，比如字體、線型、箭頭等;

（4）根據(jù)公司特殊需求添加特殊符號模塊，用戶可以自行調(diào)用或繪制添加一些特殊符號。

2.4 不同標(biāo)題框格的實(shí)現(xiàn)

CATIA自帶的FT&A模塊，目前無法在三維數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)表格形式的插入。本軟件建立Excel數(shù)據(jù)庫，采用調(diào)用命令可在在三維視圖中添加可編輯的表格。如更改記錄表格、KPC表格、默認(rèn)公差表格、圖紙結(jié)構(gòu)樹等，并在不同的視圖中定義，以利于生成2D圖。如圖4所示。

3 3D GD&T自動化標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)策略與方法

規(guī)范化是實(shí)現(xiàn)自動化標(biāo)注的前提與必要條件，也是提高3D GD&T 圖紙可讀性的重要措施。3D GD&T標(biāo)注分成基準(zhǔn)和公差兩大部分，兩大部分的實(shí)現(xiàn)策略和方法不同，下面分別進(jìn)行研究。

3.1 基準(zhǔn)的自動化標(biāo)注策略

3.1.1 基準(zhǔn)標(biāo)注形式

面基準(zhǔn)：以基準(zhǔn)目標(biāo)形式標(biāo)注，同時(shí)標(biāo)注基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圓孔基準(zhǔn)：以基準(zhǔn)要素（基準(zhǔn)特征）的形式標(biāo)注在形位公差下，同時(shí)標(biāo)注基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值;形位公差的默認(rèn)值為“Ф 0?”，尺寸公差的默認(rèn)值為“+0.1/0”。

腰孔基準(zhǔn)：尺寸線形式標(biāo)注，僅標(biāo)寬度方向;基準(zhǔn)要素（基準(zhǔn)特征）的形式標(biāo)注在形位公差下，同時(shí)標(biāo)注基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值;形位公差的默認(rèn)值為“0?”，尺寸公差的默認(rèn)值為“+0.1/0”。

3.1.2 基準(zhǔn)標(biāo)注原則

面基準(zhǔn)之后的第一組“孔基準(zhǔn)”，標(biāo)注公差時(shí)其公差符號為“垂直度”;第二組及后續(xù)的“孔基準(zhǔn)”，標(biāo)注公差時(shí)公差符號為“位置度”。圓孔形位公差前需要加直徑符號Ф，腰孔不可標(biāo)注直徑符號Ф。

a）與b）所述內(nèi)容標(biāo)注形式如圖5所示。

3.1.3 多基準(zhǔn)體系的處理策略

具有柔性的零部件，無法僅僅采用3-2-1的定位策略，而存在著多基準(zhǔn)體系。因所有參考基準(zhǔn)只能分別填充在三個(gè)參考基準(zhǔn)框格中，故軟件需要一定的規(guī)則進(jìn)行判斷和分組。

當(dāng)定義的基準(zhǔn)超過三組時(shí)，前三組基準(zhǔn)（如：A、B、C基準(zhǔn)）分別填充到“公差框格”的后三個(gè)格中。第四組及以后的基準(zhǔn)（如：D、E基準(zhǔn)），如果每組基準(zhǔn)的控制方向唯一，則將其填充到與A、B或C控制方向相同的那個(gè)“公差框格”中，中間以“-”分隔。

如果D基準(zhǔn)是面基準(zhǔn)，則控制方向?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)所在面的法線方向;如果D基準(zhǔn)是腰孔，則控制方向?yàn)檠椎膶挾确较?，?jì)算控制方向與“基準(zhǔn)體系”中的X/Y/Z哪個(gè)方向的夾角最小，即填充到哪個(gè)方向的“公差結(jié)構(gòu)框格”中;如果D基準(zhǔn)是圓孔且其控制方向不唯一，則計(jì)算圓孔所在面的法線方向N，除N之外的其它兩個(gè)方向，都為圓孔的控制方向，則將其填充到第一個(gè)方向相同的“公差框格”中，中間以“-”分隔。若基準(zhǔn)為孔，在基準(zhǔn)框格中的該基準(zhǔn)字母后自動加上?;若基準(zhǔn)為面/邊，其基準(zhǔn)字母后不加?。

按照以上策略進(jìn)行自動化標(biāo)注，則基準(zhǔn)標(biāo)注如圖6所示：

3.2 公差的自動化標(biāo)注策略

軟件自動判斷哪些孔/面需要進(jìn)行3D GD&T公差標(biāo)注，按作用分類排列整理。在實(shí)現(xiàn)按既定規(guī)則自動標(biāo)注的同時(shí)，能夠自動提取標(biāo)注面、孔心線等，能夠識別該零件基準(zhǔn)體系并體現(xiàn)在自動標(biāo)注的3D GD&T公差中。智能標(biāo)注要能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵完成也要能夠分步完成。

3.2.1 公差參考基準(zhǔn)標(biāo)注策略

如果基準(zhǔn)定義在基準(zhǔn)幾何集下有多個(gè)子幾何集中，則對每個(gè)子幾何集都按照相同規(guī)則構(gòu)造“基準(zhǔn)體系”。第一個(gè)子幾何集中的基準(zhǔn)構(gòu)成當(dāng)前系統(tǒng)的“主基準(zhǔn)體系”，其余基準(zhǔn)體系作為“局部基準(zhǔn)體系”。后續(xù)公差標(biāo)注時(shí)，都要以“主基準(zhǔn)體系”為參照。局部基準(zhǔn)體系下的公差標(biāo)注，需要人工選擇局部基準(zhǔn)體系后，才可自動生成3D GD&T標(biāo)注。

所有形位公差均標(biāo)注在“公差視圖”中?；鶞?zhǔn)體系創(chuàng)建完成后標(biāo)注公差時(shí)，“公差視圖”自動命名為“特征控制”。在視圖中插入“默認(rèn)公差”時(shí)，后三列也要替換為“主基準(zhǔn)體系”。面標(biāo)注時(shí)，指引線指引到面上，端部為實(shí)心圓點(diǎn);孔標(biāo)注時(shí)，指引線指引到孔邊線上，端部為實(shí)心箭頭。

GD&T標(biāo)注形式如圖7所示。

3.2.2 公差標(biāo)注策略

自動標(biāo)注模式下標(biāo)注面特征時(shí)，軟件自動判斷哪些面為匹配面，然后對匹配面進(jìn)行標(biāo)注。如圖2所示，將所需要標(biāo)注的零部件置于其匹配環(huán)境中（將該零部件的對手件全部加載），若對手件距離該零部件距離小于規(guī)定距離（本公司最小板厚為0.7mm，為防止雙面都標(biāo)注公差，目前設(shè)置有效判斷距離為0.65mm），則該零部件上的這些面均判定為匹配面，并在公差下面標(biāo)記為 “對手件的名字+匹配面”的功能描述。對多個(gè)要素做相同的標(biāo)注，各要素單獨(dú)標(biāo)注公差;一個(gè)連續(xù)的區(qū)域（可能由多個(gè)面片組成）只標(biāo)一個(gè)公差。所有的匹配面均根據(jù)匹配面的大小區(qū)域范圍進(jìn)行抽取、裁剪，在生成PDF圖紙的時(shí)候，自動形成陰影區(qū)域，供測點(diǎn)設(shè)計(jì)和檢具設(shè)計(jì)。

自動標(biāo)注模式下標(biāo)注孔特征時(shí)，其尺寸公差默認(rèn)為鈑金標(biāo)準(zhǔn)值“+0.2/0”，根據(jù)標(biāo)注零件種類的不同可修改默認(rèn)參數(shù)，比如標(biāo)注塑料件時(shí)為“+/-0.1”。面/孔特征標(biāo)注的默認(rèn)形位公差均為1.0，該值根據(jù)零部件的種類和大小可進(jìn)行編輯。對于同一零部件中特殊公差定義，需人工手動更改。根據(jù)面的封閉性判斷特征是否為孔，軟件自動判斷孔徑大小，并自動標(biāo)注孔直徑。在零部件的匹配環(huán)境中，孔的裝配對手件往往為螺柱、卡扣等，故難以判斷對手件名稱。在標(biāo)注GD&T的時(shí)候，暫未實(shí)現(xiàn)公差標(biāo)注下標(biāo)記功能描述功能，還需以后繼續(xù)研究與改進(jìn)。

自動標(biāo)注功能的投影方向采用零件大面法向原則，但一些視圖無法達(dá)到最美觀的狀態(tài)。需人工采用“變更視圖支持面”命令進(jìn)行更改視圖方向。

完成后的3D GD&T標(biāo)注如圖8所示（更改記錄等三個(gè)視圖已隱藏）。

數(shù)據(jù)更新后，把更新的數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入，“GD&T圖紙自動更新”命令一鍵判斷哪些公差需要更新并高亮標(biāo)示，包含面、孔及孔的尺寸等。人工將所有高亮顯示的3D GD&T標(biāo)注進(jìn)行更新。

PDF圖紙有從A0到A3不同大小的圖紙模板，在生成PDF前可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。因本公司大多圖紙為A3圖紙，故默認(rèn)設(shè)置圖紙模板為A3。3D GD&T標(biāo)注完成后，按視圖導(dǎo)出PDF圖紙，每個(gè)視圖單獨(dú)一頁顯示。視圖比例默認(rèn)為1：5，可根據(jù)零件大小更改視圖比例。視圖在PDF中盡可能的填充滿空白區(qū)域，以便清晰閱讀。

4 結(jié)論

三維尺寸標(biāo)注的快捷性、規(guī)范性和完備性不僅影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)還關(guān)系到后續(xù)工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝配、質(zhì)量檢測等各個(gè)階段的信息的可靠性[4]。3D GD&T在智能制造中為最重要的環(huán)節(jié)之一，起到承上啟下的作用。本工具的開發(fā)大大提高了3D GD&T標(biāo)注的正確性與規(guī)范性，在減少了人力資源且降低開發(fā)成本的同時(shí)，還大大縮短了3D GD&T開發(fā)周期。在汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快的大環(huán)境下，更顯得該工具的必要性和重要性。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧一帆，葉福田，柳偉.基于MBD技術(shù)的三維標(biāo)注方法研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].模具工業(yè)，2019，45（03）：16-21.

[2] 李秋玲，侯濤，李竹可，等.基于MBD的三維模型智能標(biāo)注技術(shù)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2018，008（002）：24-26，29.

[3] 侯增選，李林，黃磊，et al.三維工藝模型標(biāo)注尺寸構(gòu)造方法研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào)，2018，039（005）：P.843-848.

[4] 劉曉軍，程亞龍，邢嘉路，等.三維尺寸標(biāo)注及完備性檢測技術(shù)發(fā)展概況[J].機(jī)械制造與自動化，2017（2）.