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。
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