基于CATIA的產品定義信息三維表達及組織方法

王境宇，鄧立營

WANG Jing-yu1,DENG Li-ying2

（1. 沈陽理工大學 經濟管理學院，沈陽 110159；2. 北方重工集團有限公司 盾構機分公司，沈陽 110141）

0 引言

數字化定義技術的應用和發展正迅速改變著制造業的工作模式和應用體系。從產品設計的方法和手段來看，產品定義技術從手工工圖到二維CAD技術，再到三維建模技術，實現了從平面投影技術到全三維實體模型數字樣機以及完整數字化產品定義的轉變，并越來越多地依賴計算機應用系統來完成產品性能以及制造能力的分析和驗證[1,2]。三維建模技術是一項所見即所得的數字化產品定義技術，它直觀地表達出了產品真實的三維實體結構。但當前的三維建模技術只能解決結構形狀信息的表達問題，而不能表達出生產中必須的尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法等非幾何制造信息[3～5]。因此，在當前的三維建模技術中，三維數字化模型只是作為輔助制造依據，仍然需要將三維數字化模型轉化成作為主要制造依據的二維工程圖[3～5]。

從1997年1月起，美國機械工程師協會（ASME）聯合制造業巨頭共同發起關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系統中，對三維標注技術進行了支持，使三維實體模型作為唯一制造依據成為現實。作為該項技術的發起者之一，波音公司在最新的波音787項目中首次應用了該項技術,并將它命名為MBD（Model Based Definition,基于模型的定義）技術，引起了飛機制造技術的重大變革。

三維標注技術真正開啟了全三維數字化設計與制造時代，真正實現了三維數字化、無圖紙設計制造技術，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威依據，只是在特定條件下作為數據的一種輔助表達方式。三維標注技術的應用將引起產品制造過程的根本變化，徹底改變傳統的產品設計、制造模式，簡化產品設計和管理過程，充分展示數字化技術帶來的優點。本文借鑒波音公司成功應用三維標注技術的經驗基礎上，全面論述基于CATIA的產品信息表達與組織方法。

1 產品信息的三維表達方法

三維標注技術是在三維數字化實體模型上對產品尺寸、公差、制造技術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，它使得用一個集成的三維數字化實體模型來完整表達產品定義信息成為現實[4,5]。三維標注技術下的產品三維數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[6]。在CATIA系統中，可以通過標注與屬性的方法來實現產品非幾何制造信息的表達。

標注表達法是將產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域，它們具有與幾何特征元素一致的操作方法。在CATIA中進行產品定義時，包括尺寸、公差、制造技術要求在內的所有非幾何制造信息都可以通過標注表達的方法將它們與幾何信息定義在幾何顯示區域中。在CATIA平臺上實現對零件模型中非幾何制造信息的標注表達如圖1所示。在產品非幾何制造信息中，尺寸、公差、基準、表面粗糙度、旗注、關鍵特性等非幾何制造信息是與產品特定幾何特征密切相關，因此它們需與幾何特征元素保持關聯關系，并且這種關聯關系通過指引線來表達實現；而對制造技術要求作為對整個零件的描述，不需指引線來關聯幾何特征。

標注表達法可以解決所有非幾何制造信息在三維模型中的定義問題。但由于非幾何制造信息種類多、數量大，將所有非幾何制造信息同時定義在實體顯示區域，會造成整個模型信息非常混亂且不利于操作與瀏覽。因此，需要將各類信息進行歸類表達。對于以文本描述的信息通過屬性表達。屬性表達法是將以文本字符串類型的獨立參數放在CATIA三維模型結構規范樹的屬性項中，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=數據值”描述。在CATIA平臺上通過結構特征樹實現對零件模型的屬性表達如圖1所示。在描述產品的非幾何制造信息中，零件管理類信息、建模說明類信息、批準發放類信息、零部件技術要求及材料類信息等都適合用屬性來表達。

圖1 三維模型中的標注與屬性表達方法

2 產品信息的組織管理

基于三維標注技術的三維模型集成了以前分散在三維實體模型與二維工程圖中的所有設計與制造信息。構建一個完整的三維模型將包括的數據元素有：關聯設計數據、實體模型、坐標系、尺寸和公差標注、工程說明、材料需求及其它定義數據。其中，工程說明由標準說明、零件說明、標注說明（特殊特征工程需求有關的說明）組成。與包含圖紙的數字化定義方法不同，基于CATIA的三維標注技術完全采用產品結構規范樹的方法來組織管理所有產品信息。結構規范樹通過關聯各種類型信息結點的方法，將幾何模型、相關的幾何特征描述、相關設計數據與附加元素融合在一起，為產品數據管理系統對產品定義內容的集成提供了接口。結構規范樹解決了產品數據模型眾多內容的組織管理問題，同時考慮到系統的可操作性和便利性，對產品信息的組織定義也提出了相應的要求。

2.1 結構規范樹的內容

結構規范樹采用分類集合的方法，將產品相關的信息分類組織，替代了傳統意義的層表和層表過濾器。通過在結構規范樹上的選取，則可以快速獲得相關的產品定義信息。對于任何三維模型，都包括Standard Notes、Part Notes、Annotation Notes、Approval Status類型結點，用來組織產品結構模型的字符型描述信息。PARTBody、Axis Systems、Material Description類型結點是零件類三維模型所必需的，分別用來描述產品的幾何形狀、相對空間位置關系與零件材料說明。Joint Definitions、Shim Definitions、Sealant Definitions結點是裝配安裝類三維模型必需的，用來描述產品零件之間的裝配連接關系與工藝要求。而其它如External References、Construction Geometry、Engineering Geometry、Reference Geometry、Annotation Set、Datum Targets、Publication等常用類型結點則根據各類具體三維模型的實際需要采用。另外，設計人員可以根據公司標準增加其它特殊類型的組織結點。表1列出了完整的三維模型結構規范樹結點類型。

表1 結構規范樹結點類型

2.2 相關設計數據的要求

2.2.1 工程幾何（Engineering Geometry）

工程幾何信息是對最基本并必需的建模元素的定義，是整個模型建立的基礎，其中主要包括坐標系統與基準面兩類。任何一個零件在產品都具有確定的位置關系，這種空間位置關系在產品數字化定義系統中通過坐標軸系統來描述。當零件在一個具有上下文設計關系的環境中定義時，零件模型默認的原點表示設備或產品坐標系統，并需要建立表示零件局部軸和主要基準的軸系統，被命名為“局部軸系統”。當零件非上下文關聯時，即不在上下文環境中設計時，零件模型默認原點必須有一個絕對軸，并命名為“局部軸系統”。在建模、定義輔助基準和制造輔助元素時，根據需要可以建立符加軸。這些符加軸應該根據用途或目的命名。

2.2.2 外部基準（External Reference）

外部基準是模型中的一個關聯到其它父產品實例的局部幾何元素，這一局部元素是父子產品模型間關聯關系的載體。外部基準必須隨時維護并且必須是已經發布的全局性幾何參數。在修訂產品之前，所有外部基準必須進行與父產品的同步操作以保持最新狀態。在產品發放之前，要首先取消零件中的外部基準的有效性，這樣做的原因在于零件具有與父產品的關聯，而零件發放過程與父產品模型不是保持同步的。無效操作使得外部基準數據被凍結，以確定產品數據發放后的狀態。

2.2.3 構建幾何（Construction Geometry）

構建幾何中的信息不是為了描述制造工藝等內容而設定的，而是用來保存建模過程中的必需信息，即在外部基準信息與工程幾何信息的基礎上構建模型所需的中間幾何數據。這些附加的特征屬性必須適當的命名、組織和關聯，以便后續的用戶易于使用。構建幾何在一般情況下定義為隱藏狀態。

2.2.4 引用幾何（Reference Geometry）

2.2.5 標準說明（Standard Notes）

標準說明不是用于描述零件，而是對知識產權和有關管理信息的說明，如財產說明和建模說明。因此，標準說明必須包含在所有的三維數模中。所有標準說明放在以“Standard Notes”命名的結點中，該結點駐留在結構規范樹的主分枝上，如圖2所示。每個標準說明都有一個獨立的字符串類型參數，并將這些參數放入“Standard Notes”結點中。標準說明定義的具體內容由設計公司決定。通常，標準說明的內容有工程內容概述、裝配說明、安裝要求、版權說明、企業名稱、完整性要求、尺寸公差標注遵循的標準、通用最終處理說明、尺寸單位、數據集遵循的數字化定義標準以及數據集模型尺寸比例等。

2.2.6 零件說明（Part Notes）

零件說明是針對整個零件的制造工藝要求，包括如熱處理、零件最終處理和零件說明等信息。所有的零件說明放置在以“Part Notes”命名的結點中，并在結構規范樹的主分枝上，如圖2所示。每個零件說明是一個單獨的字符串型參數。每個零件說明文本字符串一般采用這樣的格式：A|B|C。其中A為零件標識號；B為工藝規范；C為URL。

2.2.7 標注說明（Annotation Notes）

對于零件特定結構特征的加工工藝需求，用標注說明定義。標注說明采用旗注標識和包含一個參數的旗注定義聯合說明。旗注是與特征相關的，被放在適當的標注平面中，并用一根導引線指向被描述的相關聯特征上，是用于描述所有完成零件特征的特殊工程文本。旗注定義則是對旗注所關聯特征的加工工藝要求說明，它放在結構規范樹上以“Annotation Notes”命名的結點中。旗注名字在三維模型中有唯一的號，放在旗注符號中。描述旗注的旗注定義以特征ID號命名。特征ID是以大寫字母FL開頭、緊跟一個空格的旗注號，例如旗注1，旗注名是1和標注說明的特征ID號是FL，如圖2所示。每個標注說明有一個單獨的字符串型參數。每個標注說明文本字符串一般采用這樣的格式：A | B | C| D。根據標注說明的不同數據來源，A、B、C、D分別有不同的含義。

圖2 標準說明、零件說明及標注說明定義

3 標注信息操作管理

全三維模型的最大特點是具有與幾何模型關聯在一起表示的各類標注信息，如基準、尺寸、幾何公差及注解，它們表達了零件或產品的特殊非幾何制造信息。為了便于統一高效管理這些標注信息，除在幾何模型區標注外，CATIA還對全三維模型中的標注信息通過標注集功能集中管理。在CATIA中，對全三維模型的各類三維標注信息采用標注平面（或視圖）和FT&A（Functional Tolerance & Annotation，功能性公差與標注）捕獲面的方法來解決組織和顯示問題。標注平面為有利于標注信息的組織與管理，而捕獲面則有利于標注信息的快速查找與顯示。

3.1 標注平面

標注平面是一個三維空間已定義的平面，其上可以定義三維標注的信息。FT&A數量眾多，不可能在一個標注平面中全部顯示。因此，對于不同角度與位置的FT&A，需要有不同的標注平面。對于每個標注平面，為了便于管理與識別，通過視圖形式來對其進行組織，每個標注平面采用與它所包含標注信息相一致的最合適名稱來命名標識，如它定義的特性與視圖的方向，并把所有標注平面組織到結構特征樹標注集結點下的視圖分類結點中。對每個包含FT&A的標注平面，數據集必須包含一個已命名視圖。為了下游用戶在數據集中快速游覽可以創建必需的多個命名視圖。如圖3所示是按視圖對標注平面及標注信息進行全面管理。

圖3 按視圖標注平面標注信息

3.2 捕獲面

同樣，對于數量眾多的標注平面，它們之間可能相互干涉重疊，全部顯示導致整個三維模型非常混亂和不直觀，不方便制造等下游用戶使用與瀏覽。為了在三維模型內快速查找與使用各類信息，必須采用相關方法和按照一定規則對FT&A數據進行組織和顯示管理。在CATIA系統中，采用捕獲面的方式來實現這種需求。捕獲面是CAD系統的一個視角方向信息記錄，它記錄了使用者從哪個最清晰的視角觀察產品的幾何模型。一個三維模型根據需要建立所需的捕獲面的數量，原則上以準確、清晰、全面反映所有信息為依據。每個捕獲面有明確的標識，與視圖命名類似，這種標識應該使用最能描述視角所反映信息的類型進行標識，如標注信息的特性與類型、視角方向等。所有的捕獲面信息組織在標注集結點下的捕獲分類結點中，以達到方便管理和后續應用的目的，如圖4所示。

圖4 按捕獲功能分類顯示標注信息

4 結束語

三維標注技術摒棄二維工程圖，使三維數字化模型成為產品信息的唯一載體，所有工作都將在三維環境下完成。因此，在生產研制的各個環節中，所有技術人員或操作工人無須人工閱讀二維圖，及在大腦中形成產品立體模型并理解設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計信息。這種三維的數據表達方式更能準確、直接反映設計人員的設計意圖，并被其他使用人員理解，減少因數據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，將引起數字化制造技術的重大變革。

[1] 盧鵠.大型飛機的并行數字化定義技術研究[D].北京：北京航空航天大學,2007.

[2] 盧鵠,韓爽,范玉青.基于模型的數字化定義技術[J].航空制造技術,2008(3)：78-81.

[3] DEF STAN 05-10 part 2.Digital product definition information[S].London：UK,2006.

[4] 周秋忠,范玉青.MBD技術在飛機制造中的應用[J].航空維修與工程,2008(3)：55-57.

[5] 周秋忠.MBD技術在大型飛機數字化裝配中的應用研究[D].北京：北京航空航天大學,2009.

[6] Y14.41-2003.Digital product definition data practices[S].NewYork：ASME,2003.