基于caia的產(chǎn)品非幾何制造信息三維標注技術(shù)研究

基于caia的產(chǎn)品非幾何制造信息三維標注技術(shù)研究

隨著計算機和軟件的發(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),即計算機輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign,CAD)技術(shù)的目標是創(chuàng)建工程圖,用計算機代替圖板進行產(chǎn)品設(shè)計。三維建模技術(shù)是一項所見即所得的數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù),它直觀地表達出了產(chǎn)品真實的三維實體結(jié)構(gòu),工程技術(shù)人員不需要在思維上進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的可能性,從根本上改變了工程設(shè)計的方法。但當前的三維建模技術(shù)只能解決結(jié)構(gòu)形狀信息的表達問題,而不能表達出生產(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)字化模型當作傳遞設(shè)計信息的唯一載體,必須解決非幾何制造信息在三維模型中的組織、表達與顯示問題?；谌S標注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法在我國制造業(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)實意義。文中借鑒波音公司成功應用三維標注技術(shù)的經(jīng)驗,全面論述基于三維標注技術(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1.1維數(shù)字化實體模型三維標注技術(shù)是在三維數(shù)字化實體模型上對產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術(shù)要求等非幾何制造信息進行組織、表達、操作管理的一項技術(shù),它使得用一個集成的三維數(shù)字化實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息成為現(xiàn)實。依據(jù)三維標注技術(shù)建立的產(chǎn)品三維數(shù)字化實體模型如圖1所示。三維標注技術(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完整的三維數(shù)字化實體模型來表達,改變了傳統(tǒng)的由三維數(shù)字化實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,三維標注技術(shù)使三維數(shù)字化實體模型成為生產(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,美國機械工程師協(xié)會(ASME)聯(lián)合制造業(yè)巨頭共同發(fā)起關(guān)于三維標注標準的起草工作。2003年7月,該標準被美國機械工程師協(xié)會批準為三維建模新標準。隨后,UG,PTC,Dassault等公司將該標準應用于各自的CAD系統(tǒng)中,對三維標注技術(shù)進行了支持,使三維實體模型作為唯一制造依據(jù)成為現(xiàn)實。作為該項技術(shù)的發(fā)起者之一,波音公司在最新的波音787項目中首次應用了該項技術(shù),并將它命名為基于模型的定義(ModelBasedDefinition,MBD)技術(shù),引起了飛機制造技術(shù)的重大變革。1.2維標注技術(shù)有利于完善生產(chǎn)管理系統(tǒng)三維標注技術(shù)真正開啟了全三維數(shù)字化設(shè)計與制造時代,真正實現(xiàn)了三維數(shù)字化、無圖紙設(shè)計制造技術(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)的一種輔助表達方式。三維標注技術(shù)的應用將引起產(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、制造模式,簡化產(chǎn)品設(shè)計和管理過程,充分展示數(shù)字化技術(shù)帶來的優(yōu)點,主要體現(xiàn)在以下幾點:(1)三維標注技術(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)計意圖后再進行后繼工作,而是從三維模型中直觀地理解設(shè)計信息。這種三維的數(shù)據(jù)表達方式更能準確、直接反映設(shè)計人員的設(shè)計意圖,并被其他使用人員理解,減少因數(shù)據(jù)理解不一致導致出錯的可能性,從而縮短研制周期,降低研制成本。(2)三維標注技術(shù)改變了傳統(tǒng)方法下二維工程圖的產(chǎn)品定義表達模式,不用再生成、維護與管理工程圖數(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、更改與維護工作量大,管理工作困難,需要耗費大量的人力、物力和財力來保證它們之間的一致性與完整性。(3)當三維數(shù)字化模型作為指導生產(chǎn)的唯一制造依據(jù)時,必須建設(shè)相應的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,開發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)場無圖紙或無紙化應用環(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)場終端,指導工人開展工作。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)三維標注技術(shù)還有利于推動并行工程的開展。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、工藝、制造、檢驗等各部門所需的產(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三維數(shù)字化模型上協(xié)同工作,提高了設(shè)計效率,同時也將提高產(chǎn)品的可制造性。2產(chǎn)品信息的表達方法2.1維數(shù)字化實體模型的結(jié)構(gòu)三維標注技術(shù)下的產(chǎn)品三維數(shù)字化實體模型通過圖形和文字表達的方式,直接地或通過引用間接地揭示了一個物料項的物理和功能需求。圖2所示是基于三維標注技術(shù)的產(chǎn)品三維數(shù)字化實體模型的組織結(jié)構(gòu)。對于零件模型,它由以簡單幾何元素構(gòu)成的、用圖形方式表達的設(shè)計模型和以標注、屬性方式表達的非幾何信息組成。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注、屬性方式表達的非幾何信息組成。零件設(shè)計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)表達了產(chǎn)品的原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測試需求等產(chǎn)品內(nèi)置非幾何信息;標注數(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法是將文本字符串類型的獨立參數(shù)放在三維模型的屬性項中,每一條屬性描述由屬性標識名稱與屬性值組成,形式上如“屬性項=數(shù)據(jù)值”描述。圖3所示是在CATIA平臺上通過結(jié)構(gòu)特征樹實現(xiàn)對零件模型的屬性表達。對于包含多種信息的復雜字符串型參數(shù)說明,為了有效識別與閱讀不同信息,需要通過格式符號對這些信息進行分隔。因此,每個文字描述類產(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,以達到統(tǒng)一使用標準。屬性表達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,詳細情況如表1所示。2.3幾何制造政策標注信息間的關(guān)聯(lián)標注表達法是將產(chǎn)品非幾何制造信息通過特定符號或文本表達在三維幾何實體模型的顯示區(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實現(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,它表達的是三維幾何模型中線元素與其標注信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系;第2種是以點作為末端的,它表達的是三維幾何模型中一個面元素與其標注信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;第3種是專門對于基準標注符號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實體三角形狀作為引導線終端的表達形式。圖4所示是在CATIA平臺上實現(xiàn)對零件模型中非幾何制造信息的標注表達。其中,尺寸、公差、基準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)要求作為對整個零件的描述,不需指引線來關(guān)聯(lián)幾何特征。標注表達法適用于所有文本或符號描述類產(chǎn)品非幾何制造信息,詳細情況如表1所示。對于尺寸、公差、基準、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它們之間的關(guān)聯(lián)性。另外,所有標注信息應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非幾何標注信息間的雙向關(guān)聯(lián)查詢功能每一個零部件都具有大量的非幾何制造信息。如果采用標注表達法將它們與幾何特征元素一起顯示,將形成龐大的標注信息集,并且覆蓋整個設(shè)計模型,形成應用的不便與混亂。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)計信息,需要對非幾何制造信息提供相應的組織和管理方法。除了需要實現(xiàn)幾何特征元素與非幾何標注信息間的雙向關(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注信息;(2)根據(jù)需要按類型顯示或隱藏標注信息;(3)根據(jù)用戶選擇顯示或隱藏標注信息。3.2非幾何標注信息分類為了實現(xiàn)對產(chǎn)品非幾何標注信息的各類管理要求,需要通過標注平面來組織和表達所有非幾何制造信息。標注平面是一個在三維空間定義的、具有特定空間位置的、不與任何幾何特征元素關(guān)聯(lián)的獨立平面,一般定義在一個或多個幾何特征表面的垂直交叉或?qū)R延長面上。每個零部件具有數(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,所以不可能在一個標注平面中全部表達清楚,而須根據(jù)需要建立具有特定標識名稱的不同標注平面。需注意的是,任何一項產(chǎn)品非幾何信息只能包含在一個標注平面內(nèi),從而保證所有標注信息在模型中的唯一性。圖5所示是在CATIA平臺上按標注平面(虛線框所示)對非幾何標注信息進行全面管理。通過顯示或隱藏各個標注平面,就可以直觀、方便地對所有標注信息進行分類操作瀏覽。為了能快速查找與顯示特定的標注信息,應將標注信息進行合理分類,如以幾何特征、視角方向、信息類別等為分類依據(jù),并建立一個特定的標注平面來存放各類標注信息。為了快速、準確地識別標注平面及其包含標注信息類別,標注平面的標識名稱顯得特別重要,所以應根據(jù)其中存放的標注信息類型來直觀地定義。圖6所示是在CATIA平臺上通過建立與標注平面對應的捕獲來實現(xiàn)對非幾何標注信息的顯示與瀏覽。4非幾何生產(chǎn)管理屬性三維標注技術(shù)不僅使