基于caia的產(chǎn)品非幾何制造信息三維標(biāo)注技術(shù)研究

基于caia的產(chǎn)品非幾何制造信息三維標(biāo)注技術(shù)研究

隨著計(jì)算機(jī)和軟件的發(fā)展，產(chǎn)品定義技術(shù)經(jīng)歷了從技術(shù)圖紙技術(shù)到二維紋理技術(shù)和三維建模技術(shù)的發(fā)展過程。早期的數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù),即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign,CAD)技術(shù)的目標(biāo)是創(chuàng)建工程圖,用計(jì)算機(jī)代替圖板進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。三維建模技術(shù)是一項(xiàng)所見即所得的數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù),它直觀地表達(dá)出了產(chǎn)品真實(shí)的三維實(shí)體結(jié)構(gòu),工程技術(shù)人員不需要在思維上進(jìn)行三維與二維之間的多次轉(zhuǎn)換,減少了投影視圖因理解不一致造成出錯(cuò)的可能性,從根本上改變了工程設(shè)計(jì)的方法。但當(dāng)前的三維建模技術(shù)只能解決結(jié)構(gòu)形狀信息的表達(dá)問題,而不能表達(dá)出生產(chǎn)中必須的尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法等非幾何制造信息。因此,在當(dāng)前的三維建模技術(shù)中,三維數(shù)字化模型只是作為輔助制造依據(jù),仍然需要將三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化成作為主要制造依據(jù)的二維工程圖。要想將三維數(shù)字化模型當(dāng)作傳遞設(shè)計(jì)信息的唯一載體,必須解決非幾何制造信息在三維模型中的組織、表達(dá)與顯示問題?；谌S標(biāo)注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法在我國(guó)制造業(yè)中尚處于初步探索階段,因此開展這方面的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文中借鑒波音公司成功應(yīng)用三維標(biāo)注技術(shù)的經(jīng)驗(yàn),全面論述基于三維標(biāo)注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法。13d涂層技術(shù)的內(nèi)涵和優(yōu)點(diǎn)1.1維數(shù)字化實(shí)體模型三維標(biāo)注技術(shù)是在三維數(shù)字化實(shí)體模型上對(duì)產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術(shù)要求等非幾何制造信息進(jìn)行組織、表達(dá)、操作管理的一項(xiàng)技術(shù),它使得用一個(gè)集成的三維數(shù)字化實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息成為現(xiàn)實(shí)。依據(jù)三維標(biāo)注技術(shù)建立的產(chǎn)品三維數(shù)字化實(shí)體模型如圖1所示。三維標(biāo)注技術(shù)將產(chǎn)品的幾何形狀信息與尺寸、公差、制造工藝信息通過一個(gè)完整的三維數(shù)字化實(shí)體模型來表達(dá),改變了傳統(tǒng)的由三維數(shù)字化實(shí)體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分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。同時(shí),三維標(biāo)注技術(shù)使三維數(shù)字化實(shí)體模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù),改變了傳統(tǒng)以工程圖作為主要制造依據(jù),而三維數(shù)字化實(shí)體模型僅僅作為輔助參考依據(jù)的制造模式。從1997年1月起,美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)聯(lián)合制造業(yè)巨頭共同發(fā)起關(guān)于三維標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)的起草工作。2003年7月,該標(biāo)準(zhǔn)被美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)批準(zhǔn)為三維建模新標(biāo)準(zhǔn)。隨后,UG,PTC,Dassault等公司將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于各自的CAD系統(tǒng)中,對(duì)三維標(biāo)注技術(shù)進(jìn)行了支持,使三維實(shí)體模型作為唯一制造依據(jù)成為現(xiàn)實(shí)。作為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)起者之一,波音公司在最新的波音787項(xiàng)目中首次應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù),并將它命名為基于模型的定義(ModelBasedDefinition,MBD)技術(shù),引起了飛機(jī)制造技術(shù)的重大變革。1.2維標(biāo)注技術(shù)有利于完善生產(chǎn)管理系統(tǒng)三維標(biāo)注技術(shù)真正開啟了全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造時(shí)代,真正實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化、無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)制造技術(shù),使二維工程圖或工程圖紙成為歷史,即使有也不再是制造權(quán)威依據(jù),只是在特定條件下作為數(shù)據(jù)的一種輔助表達(dá)方式。三維標(biāo)注技術(shù)的應(yīng)用將引起產(chǎn)品制造過程的根本變化,徹底改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造模式,簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和管理過程,充分展示數(shù)字化技術(shù)帶來的優(yōu)點(diǎn),主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):(1)三維標(biāo)注技術(shù)摒棄二維工程圖,使三維數(shù)字化模型成為產(chǎn)品信息的唯一載體,所有工作都將在三維環(huán)境下完成。因此,在生產(chǎn)研制的各個(gè)環(huán)節(jié)中,所有技術(shù)人員或操作工人無須人工閱讀二維圖,及在大腦中形成產(chǎn)品立體模型并理解設(shè)計(jì)意圖后再進(jìn)行后繼工作,而是從三維模型中直觀地理解設(shè)計(jì)信息。這種三維的數(shù)據(jù)表達(dá)方式更能準(zhǔn)確、直接反映設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖,并被其他使用人員理解,減少因數(shù)據(jù)理解不一致導(dǎo)致出錯(cuò)的可能性,從而縮短研制周期,降低研制成本。(2)三維標(biāo)注技術(shù)改變了傳統(tǒng)方法下二維工程圖的產(chǎn)品定義表達(dá)模式,不用再生成、維護(hù)與管理工程圖數(shù)據(jù)或工程圖紙,將極大地降低產(chǎn)品成本。在產(chǎn)品研制及生產(chǎn)過程中,二維工程圖及紙質(zhì)工程圖紙的生成、更改與維護(hù)工作量大,管理工作困難,需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力來保證它們之間的一致性與完整性。(3)當(dāng)三維數(shù)字化模型作為指導(dǎo)生產(chǎn)的唯一制造依據(jù)時(shí),必須建設(shè)相應(yīng)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,開發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無圖紙或無紙化應(yīng)用環(huán)境,結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),把三維數(shù)字化模型傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)終端,指導(dǎo)工人開展工作。在這樣的環(huán)境中,操作工人不用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)查看一大堆圖紙及其他技術(shù)資料,極大地改善了車間生產(chǎn)環(huán)境,有利于穩(wěn)定生產(chǎn)秩序。(4)三維標(biāo)注技術(shù)還有利于推動(dòng)并行工程的開展。由于三維數(shù)字化模型作為產(chǎn)品信息的唯一載體,它包含了設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等各部門所需的產(chǎn)品信息。因此,在有關(guān)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和研制管理體系的控制下,各職能人員可以共同在一個(gè)三維數(shù)字化模型上協(xié)同工作,提高了設(shè)計(jì)效率,同時(shí)也將提高產(chǎn)品的可制造性。2產(chǎn)品信息的表達(dá)方法2.1維數(shù)字化實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)三維標(biāo)注技術(shù)下的產(chǎn)品三維數(shù)字化實(shí)體模型通過圖形和文字表達(dá)的方式,直接地或通過引用間接地揭示了一個(gè)物料項(xiàng)的物理和功能需求。圖2所示是基于三維標(biāo)注技術(shù)的產(chǎn)品三維數(shù)字化實(shí)體模型的組織結(jié)構(gòu)。對(duì)于零件模型,它由以簡(jiǎn)單幾何元素構(gòu)成的、用圖形方式表達(dá)的設(shè)計(jì)模型和以標(biāo)注、屬性方式表達(dá)的非幾何信息組成。裝配模型則由一系列零件模型組成的裝配零件列表加上以標(biāo)注、屬性方式表達(dá)的非幾何信息組成。零件設(shè)計(jì)模型以三維方式描述了產(chǎn)品幾何形狀信息;屬性數(shù)據(jù)表達(dá)了產(chǎn)品的原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求等產(chǎn)品內(nèi)置非幾何信息;標(biāo)注數(shù)據(jù)包含了產(chǎn)品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等生產(chǎn)必須的工藝約束類非幾何信息。2.2非幾何制造信息的屬性表示屬性表達(dá)法是將文本字符串類型的獨(dú)立參數(shù)放在三維模型的屬性項(xiàng)中,每一條屬性描述由屬性標(biāo)識(shí)名稱與屬性值組成,形式上如“屬性項(xiàng)=數(shù)據(jù)值”描述。圖3所示是在CATIA平臺(tái)上通過結(jié)構(gòu)特征樹實(shí)現(xiàn)對(duì)零件模型的屬性表達(dá)。對(duì)于包含多種信息的復(fù)雜字符串型參數(shù)說明,為了有效識(shí)別與閱讀不同信息,需要通過格式符號(hào)對(duì)這些信息進(jìn)行分隔。因此,每個(gè)文字描述類產(chǎn)品非幾何制造信息的文本字符串參數(shù)必須滿足這樣的格式:A|B|C|……,其中A,B,C等表示不同的參數(shù)字段,而且不同類別的非幾何制造信息具有不同的參數(shù)字段數(shù)量。企業(yè)需要根據(jù)本身情況制定各類非幾何制造信息的參數(shù)字段數(shù)量及描述意義的規(guī)范,以達(dá)到統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)。屬性表達(dá)法適用于文字描述類產(chǎn)品非幾何制造信息,并且它們往往與產(chǎn)品幾何特征沒有任何關(guān)聯(lián)關(guān)系。在描述產(chǎn)品的非幾何制造信息中,零件管理類信息、建模說明類信息、批準(zhǔn)發(fā)放類信息、零部件技術(shù)要求及材料類信息等都適合用屬性來表達(dá),詳細(xì)情況如表1所示。2.3幾何制造政策標(biāo)注信息間的關(guān)聯(lián)標(biāo)注表達(dá)法是將產(chǎn)品非幾何制造信息通過特定符號(hào)或文本表達(dá)在三維幾何實(shí)體模型的顯示區(qū)域,它們具有與幾何特征元素一致的操作方法。在產(chǎn)品非幾何制造信息中,有些是對(duì)產(chǎn)品特定幾何特征元素的描述說明,因此需與幾何特征元素保持關(guān)聯(lián)關(guān)系。這種關(guān)聯(lián)關(guān)系通過指引線來表達(dá)實(shí)現(xiàn),并且有3種不同形狀類型的指引線來表示不同類型的幾何特征元素與標(biāo)注信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。第1種是以箭頭作為末端的,它表達(dá)的是三維幾何模型中線元素與其標(biāo)注信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系;第2種是以點(diǎn)作為末端的,它表達(dá)的是三維幾何模型中一個(gè)面元素與其標(biāo)注信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;第3種是專門對(duì)于基準(zhǔn)標(biāo)注符號(hào)與三維幾何模型元素特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系,它一般采用直接以一個(gè)實(shí)體三角形狀作為引導(dǎo)線終端的表達(dá)形式。圖4所示是在CATIA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)零件模型中非幾何制造信息的標(biāo)注表達(dá)。其中,尺寸、公差、基準(zhǔn)等通過各指引線保持與特定幾何特征的關(guān)聯(lián)性,而制造技術(shù)要求作為對(duì)整個(gè)零件的描述,不需指引線來關(guān)聯(lián)幾何特征。標(biāo)注表達(dá)法適用于所有文本或符號(hào)描述類產(chǎn)品非幾何制造信息,詳細(xì)情況如表1所示。對(duì)于尺寸、公差、基準(zhǔn)、表面粗糙度、旗注、關(guān)鍵特性等產(chǎn)品特定幾何特征密切相關(guān)的非幾何制造信息,需要通過指引線來表達(dá)它們之間的關(guān)聯(lián)性。另外,所有標(biāo)注信息應(yīng)該在模型中保持唯一,無冗余。3產(chǎn)品信息的操作管理3.1非幾何標(biāo)注信息間的雙向關(guān)聯(lián)查詢功能每一個(gè)零部件都具有大量的非幾何制造信息。如果采用標(biāo)注表達(dá)法將它們與幾何特征元素一起顯示,將形成龐大的標(biāo)注信息集,并且覆蓋整個(gè)設(shè)計(jì)模型,形成應(yīng)用的不便與混亂。因此,為了方便、快速地使使用者有條理地了解到各方面設(shè)計(jì)信息,需要對(duì)非幾何制造信息提供相應(yīng)的組織和管理方法。除了需要實(shí)現(xiàn)幾何特征元素與非幾何標(biāo)注信息間的雙向關(guān)聯(lián)查詢功能外,還需要有顯示與隱藏各標(biāo)注信息的功能,具體包括以下3種類型:(1)方便地顯示或隱藏所有標(biāo)注信息;(2)根據(jù)需要按類型顯示或隱藏標(biāo)注信息;(3)根據(jù)用戶選擇顯示或隱藏標(biāo)注信息。3.2非幾何標(biāo)注信息分類為了實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品非幾何標(biāo)注信息的各類管理要求,需要通過標(biāo)注平面來組織和表達(dá)所有非幾何制造信息。標(biāo)注平面是一個(gè)在三維空間定義的、具有特定空間位置的、不與任何幾何特征元素關(guān)聯(lián)的獨(dú)立平面,一般定義在一個(gè)或多個(gè)幾何特征表面的垂直交叉或?qū)R延長(zhǎng)面上。每個(gè)零部件具有數(shù)量眾多的非幾何制造信息,它們大多與不同角度、不同位置的幾何特征元素具有關(guān)聯(lián)關(guān)系,所以不可能在一個(gè)標(biāo)注平面中全部表達(dá)清楚,而須根據(jù)需要建立具有特定標(biāo)識(shí)名稱的不同標(biāo)注平面。需注意的是,任何一項(xiàng)產(chǎn)品非幾何信息只能包含在一個(gè)標(biāo)注平面內(nèi),從而保證所有標(biāo)注信息在模型中的唯一性。圖5所示是在CATIA平臺(tái)上按標(biāo)注平面(虛線框所示)對(duì)非幾何標(biāo)注信息進(jìn)行全面管理。通過顯示或隱藏各個(gè)標(biāo)注平面,就可以直觀、方便地對(duì)所有標(biāo)注信息進(jìn)行分類操作瀏覽。為了能快速查找與顯示特定的標(biāo)注信息,應(yīng)將標(biāo)注信息進(jìn)行合理分類,如以幾何特征、視角方向、信息類別等為分類依據(jù),并建立一個(gè)特定的標(biāo)注平面來存放各類標(biāo)注信息。為了快速、準(zhǔn)確地識(shí)別標(biāo)注平面及其包含標(biāo)注信息類別,標(biāo)注平面的標(biāo)識(shí)名稱顯得特別重要,所以應(yīng)根據(jù)其中存放的標(biāo)注信息類型來直觀地定義。圖6所示是在CATIA平臺(tái)上通過建立與標(biāo)注平面對(duì)應(yīng)的捕獲來實(shí)現(xiàn)對(duì)非幾何標(biāo)注信息的顯示與瀏覽。4非幾何生產(chǎn)管理屬性三維標(biāo)注技術(shù)不僅使